DE19516974A1

DE19516974A1 - Photoakustischer Gassensor

Info

Publication number: DE19516974A1
Application number: DE1995116974
Authority: DE
Inventors: Jevengi Mannhart; Mathias Fauth
Original assignee: Landis and Gyr Technology Innovation AG
Current assignee: Electrowatt Technology Innovation AG
Priority date: 1995-04-07
Filing date: 1995-05-09
Publication date: 1996-10-10

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen photoakustischen Gassensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Gassensoren eignen sich beispielsweise zum Nachweis eines bestimmten Gases oder auch zur Bestimmung der Konzentration eines bestimmten Gases in einem Raum.

Gassensoren dieser Art werden vorteilhaft in der Klimatechnik in Gebäuden zur Messung der Konzentration von Kohlendioxid CO₂ in einem Raum verwendet.

Ein photoakustischer Gassensor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist aus EP 0 590 813 A1 und auch allgemein aus der photoakustischen Spektrometrie bekannt. Der photoakustische Effekt, bei dem Strahlungsenergie in Schallenergie umgewandelt wird, tritt im Gassensor auf, wenn bei der Einstrahlung intensitätsmodulierten Lichtes einer gewissen Wellenlänge in ein Gas, vom Gas absorbierte Energie in Wärme umgewandelt wird. Die im Gas resultierenden Oszillationen von Druck oder Volumen sind mittels eines Meßmikrophones meßbar.

Der bekannte Gassensor liefert für eine bestimmte Gaskonzentration nur dann über längere Zeit ein von der Temperatur unabhängiges Ausgangssignal, wenn das im Gassensor verwendete Meßmikrophon im wesentlichen alterungs- und temperaturunabhängig und damit teuer ist. Die Herstellungskosten des bekannten photoakustischen Gassensors werden durch das notwendigerweise einzubauende teure Meßmikrophon wesentlich erhöht. Die Empfindlichkeit kostengünstiger Mikrophone - beispielsweise Kondensatormikrophone - ist jedoch im Gegensatz zur Empfindlichkeit von Meßmikrophonen stark von der Temperatur abhängig. Im weiteren ist die Empfindlichkeit der kostengünstigen Mikrophone auch noch stark alterungsabhängig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen nach dem photoakustischen Prinzip arbeitenden Gassensor so zu verbessern, daß auch ein Mikrophon, dessen Empfindlichkeit stark von der Temperatur und der Alterung abhängig ist, im Gassensor verwendbar ist.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der einzigen Zeichnungsfigur näher erläutert.

Die einzige Zeichnungsfigur zeigt den photoakustischen Gassensor in einer schematischen Darstellung.

In der einzigen Zeichnungsfigur bedeutet 1 eine Meßkammer eines nach dem photoakustischen Effekt arbeitenden Gassensors. An der Meßkammer 1 ist ein Luftfilter 2 angeordnet, durch das ein vom Gassensor zu erfassendes Gas V in die Meßkammer 1 zuführbar ist. Die Meßkammer 1 weist ein optisches Bandpaßfilter 3 auf, durch welches Licht einer bestimmten Wellenlänge λ in die Meßkammer 1 einstrahlbar ist. Der Gassensor verfügt über eine schaltbare Lichtquelle 4, durch welche ein auf das optische Bandpaßfilter 3 auftreffender pulsierender Lichtstrahl generierbar ist. Das Spektrum der Lichtquelle 4 weist mindestens die Wellenlänge λ auf. An der Meßkammer 1 ist weiter ein Mikrophon 5 angeordnet. Vorteilhafterweise ist dem Mikrophon 5 ein selektiver Verstärker 6 zur Verstärkung eines Ausgangssignales S des Mikrophons 5 und zur Unterdrückung von Störungen nachgeschaltet.

Mit Vorteil ist ein steuerbarer Schallgeber 7 an der Meßkammer 1 angeordnet. In einer vorteilhaften Ausführung des Gassensors weist die Meßkammer 1 im Bereich des Schallgebers 7 eine Öffnung 8 auf, welche vom Schallgeber 7 abgedeckt ist. Mittels des Schallgebers 7 ist mit Vorteil durch ein Steuergerät 9 ein Referenzton bzw. ein Referenzgeräusch J zur Eichung des Ausgangssignales S des Mikrophones 5 generierbar. Ein Ausbilden der Öffnung 8 bringt den Vorteil, daß mit dem Schallgeber 7 das Referenzgeräusch J bei gleicher Leistung seitens des Steuergerätes 9 mit einem größeren Schallpegel im Inneren der Meßkammer 1 generierbar ist.

Der Schallgeber 7 ist ein handelsüblicher kostengünstiger Lautsprecher, mit Vorteil ist ein nach dem reziproken piezoelektrischen Effekt arbeitender Lautsprecher einsetzbar. Nach dem reziproken piezoelektrischen Effekt arbeitende Lautsprecher, mit denen also eine elektrische Spannungsänderung in durch Kristallbewegung hervorgerufene Schallenergie umwandelbar ist, werden auch als Piezosummer bezeichnet.

Das Steuergerät 9 verfügt mit Vorteil über einen ersten mit dem Schallgeber 5 verbundenen Ausgang 10 für ein erstes Signal i₁ zur Generierung des Referenzgeräusches J. Im weiteren weist das Steuergerät 9 vorteilhafterweise einen zweiten mit der Lichtquelle 4 verbundener Ausgang 11 für ein zweites Signal i₂ zur Modulierung der Intensität der Lichtquelle 4 auf. Das zweite Signal i₂ hat vorzugsweise eine Frequenz in der Größenordnung von 20 Hz, womit die Lichtquelle 4 mit einem periodischen Puls betreibbar ist. Durch die pulsierende Lichtquelle 4 werden allfällig in der Meßkammer 1 vorhandene Moleküle, welche Licht der Wellenlänge λ absorbieren in bekannter Art angeregt, wobei durch den photoakustischer Effekt generierte Geräusche vom Mikrophon 4 in das Signal S umgewandelt werden. Der Verstärker 6 ist mit Vorteil ausgangsseitig mit einem Eingang 12 des Steuergerätes 9 verbunden.

Dadurch, daß der Gassensor den Schallgeber 7 aufweist ist ein vorteilhaftes Verfahren zur Eichung des Gassensors durchführbar. Das Verfahren umfaßt grundsätzlich folgende Schritte:

- Einen ersten Schritt, in dem durch das erste Signal i₁ im Schallgeber 7 das Referenzgeräusch J generiert wird, wobei die Lichtquelle 4 mit Vorteil ausgeschaltet ist.
- Einen zweiten Schritt, in dem das durch das Referenzgeräusch J im Mikrophon 5 erzeugte Signal S vorzugsweise selektiv verstärkt und als ein Referenzwert R erfaßt wird und
- einen dritten Schritt, in dem der Referenzwert R abgespeichert wird.

Das bei einer Messung der Konzentration des Gases V im Gassensor durch den photoakustischen Effekt generierte und vom Verstärker 6 verstärkte Ausgangssignal S des Mikrophons 5, ist durch das Steuergerät 9 mittels des Referenzwertes R korrigierbar.

Der Gassensor ist mit dem oben beschriebenen Verfahren bei Bedarf - vorzugsweise periodisch - eichbar, womit die durch die Temperaturabhängigkeit des Mikrophones 5 bzw. durch dessen Alterung hervorgerufenen Meßfehler eliminierbar sind.

Mit Vorteil weist das Steuergerät 9 einen Mikroprozessor 13 und einen zum Abspeichern des Referenzwertes R benutzbaren Speicher 14 auf. Der Referenzwert R wird vorteilhafterweise durch den Mikroprozessor 13 ermittelt. Im weiteren werden die beiden Signale i₂ und i₁ mit Vorteil unter Verwendung des Mikroprozessors 13 generiert und gesteuert. An einem dritten Ausgang 15 ist ein mit Vorteil vom Steuergerät 9 ermittelter Ausgabewert K verfügbar. Je nach Anforderung an den Gassensor ist der Meßwert K beispielsweise ein Maß für die Konzentration des Gases V. In einer Variante des Gassensors ist der Meßwert K ein binärer Wert, der angibt, ob die Konzentration des Gases V einen bestimmten Schwellwert überschreitet oder nicht.

Ist der Verstärker 6 zur selektiven Verstärkung von Signalen mit der Frequenz des Signales i₂ bzw. i₁ ausgelegt, so wird ein störendes Rauschen des Signales S im Verstärker 6 wirkungsvoll unterdrückt.

Vorteilhafterweise haben die beiden Signale i₁ und i₂ die gleiche Frequenz, damit elektronische Baugruppen des Gassensors, insbesondere der selektive Verstärker 6, kostengünstig ausführbar sind.

Mit Vorteil ist das optische Bandpaßfilter 3 in bekannter Art als Interferenzfilter ausgebildet, wobei die Filtercharakteristik auf das zu detektierende bzw. zu messende Gas V ausgelegt ist. Ist das zu messende Gas V beispielsweise CO₂, dann ist das optische Bandpaßfilter 3 für infrarotes Licht der Wellenlänge von 4,25 µm durchlässig, womit durch die gesteuerte Lichtquelle 4 und das Bandpaßfilter 3 eine periodische monochromatische Lichteinsteuerung der Wellenlänge von 4,25 µm in die Meßkammer 1 erreichbar ist.

Der eichbare Gassensor mit dem Schallgeber 7 ist grundsätzlich in bekannter Art zur Messung bzw. Detektierung eines bestimmten Gases auslegbar, wobei insbesondere das optische Bandpaßfilter 3 auf die dem Gas zugehörige Wellenlänge λ auszulegen und bei Bedarf die Frequenz der beiden Signale i₁ und i₂ anzupassen ist. Der eichbare Gassensor ist beispielsweise zur Messung bzw. Detektierung einer Sauerstoff- oder einer Stickstoffverbindung wie etwa CO, CO₂ oder NO auslegbar.

Claims

1. Photoakustischer Gassensor mit
einer Meßkammer (1),
einem an der Meßkammer (1) angeordnetem Luftfilter (2), durch welches ein vom Gassensor zu erfassendes Gas (V) in die Meßkammer (1) einlaßbar ist,
einem an der Meßkammer (1) angeordnetem optischen Bandpaßfilter (3), durch welches Licht einer bestimmten Wellenlänge (λ) in die Meßkammer (1) zuführbar ist,
einer schaltbaren Lichtquelle (4), durch welche ein auf das optische Bandpaßfilter (3) auftreffender Lichtpuls generierbar ist,
einem an der Meßkammer (1) angeordnetem Mikrophon (5) und
mit einem dem Mikrophon (5) nachgeschalteten selektiven Verstärker (6) zur Verstärkung eines elektrischen Ausgangssignales (S) des Mikrophons (5),
dadurch gekennzeichnet, daß an der Meßkammer (1) ein steuerbarer Schallgeber (7) angeordnet ist, mit dem ein Referenzgeräusch (J) zur Eichung des Ausgangssignales (S) des Mikrophons (5) generierbar ist.

2. Photoakustischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß Verstärker (6) ausgangsseitig mit einem Eingang (12) eines Steuergerätes (9) verbunden ist,
daß das Steuergerät (9) einen mit dem Schallgeber (7) verbundenen Ausgang (10) aufweist,
daß aus dem beim Referenzgeräusch (J) vom Mikrophon (5) generierten und vom Verstärker verstärkten Ausgangssignal (S) des Mikrophons (5) durch das Steuergerät (9) ein Referenzwert (R) berechenbar und im Steuergerät (9) speicherbar ist und
daß das durch den photoakustischen Effekt generierte und vom Verstärker (6) verstärkte Ausgangssignal (S) des Mikrophons (5) durch das Steuergerät (9) mittels des Referenzwertes (R) korrigierbar ist.

3. Photoakustischer Gassensor nach einen der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallgeber (7) ein nach dem reziproken piezoelektrischen Effekt arbeitender Lautsprecher ist.