DE19835335C1

DE19835335C1 - Infrarotoptischer Gassensor

Info

Publication number: DE19835335C1
Application number: DE19835335A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Diekmann
Original assignee: Draeger Sicherheitstechnik GmbH
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 1998-08-05
Filing date: 1998-08-05
Publication date: 1999-11-25
Anticipated expiration: 2018-08-06
Also published as: US20020011568A1; US6392234B2; GB9916887D0; GB2340228A; FR2782164A1; GB2340228B; FR2782164B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen bezüglich der Meßsignalqualität verbesserten infrarotoptischen Gassensor mit folgenden kennzeichnenden Merkmalen: DOLLAR A a) die als Referenz- und Meßstrahlungsdetektoren dienenden Infrarotstrahlungsdetektoren (4, 6) bestehen aus dünnen Schichten eines teiltransparenten Materials, das ein von der empfangenen Strahlungsintensität abhängiges elektrisches Meßsignal abgibt, DOLLAR A b) die Infrarotstrahlungsdetektoren sind übereinander gestapelt und mit je einem zwischengeschalteten, bei der Meßwellenlänge durchlässigen Schmalbandfilter (3, 5) angeordnet, DOLLAR A c) die Infrarotstrahlungsdetektoren sind an Ober- und Unterseite jeweils elektrisch leitfähig beschichtet und kontaktiert, DOLLAR A d1) der Meßstrahlungsdetektor (6) folgt auf den Referenzstrahlungsdetektor (4) in Strahlrichtung und DOLLAR A e1) der Referenzstrahlungsdetektor (4) ist zumindest für einen Teil der Meßstrahlung bei der Meßwellenlänge durchlässig, oder DOLLAR A d2) der Referenzstrahlungsdetektor folgt auf den Meßstrahlungsdetektor in Strahlrichtung und DOLLAR A e2) der Meßstrahlungsdetektor ist zumindest für einen Teil der Referenzstrahlung bei der Referenzwellenlänge durchlässig.

Description

Die Erfindung betrifft einen infrarotoptischen Gassensor gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 und 2.

Ein derartiger infrarotoptischer Gassensor geht beispielsweise aus der DE 197 13 928 C1 hervor und enthält speziell zwei Strahlungsquellen und zwei Strahlungsdetektoren sowie zugeordnete optische Konzentratoren und einen Strahlenteiler.

Aus der EP 0 427 037 A2 ist ein infrarotoptischer Gasanalysator bekannt geworden, welcher zwei hintereinander angeordnete, pneumatische Strahlungs empfänger mit einem zwischengeschalteten Schmalbandfilter aufweist.

Ein wesentlicher Nachteil der bisher verwendeten infrarotoptischen Gassensoren ist durch den relativ komplexen optischen Aufbau und die damit einhergehenden Kosten für die optischen Bauelemente bedingt. Üblicherweise werden nämlich zur Kompensation des Einflusses der Abnahme der Intensität der Strahlung der Infrarotstrahlungsquelle durch deren Alterung oder durch die Verschmutzung optischer Flächen im Strahlenweg zwei Wellenlängen verwendet, nämlich eine Meßwellenlänge und eine Referenzwellenlänge. Dabei ist die Meßwellenlänge (Meßstrahlung) so gewählt, daß das zugehörige Meßsignal eines Infrarot strahlungsdetektors eine charakteristische Abhängigkeit von der Konzentration des zu messenden Gases zeigt. Andererseits wird die Referenzwellenlänge (Referenzstrahlung) so gewählt, daß das gemessene Referenzsignal möglichst wenig durch das zu messende Gas beeinflußt wird. Der geometrische Aufbau des Meß- und Referenzkanals erfolgt so, daß die Strahlung in der Meß- beziehungs weise Absorptionsstrecke für beide Kanäle möglichst den gleichen optischen Weg nimmt.

In einem meist gekapselten, vom zu messenden Gas nicht beeinflußten Bereich wird die Strahlung auf zwei getrennte optische Wege für die Meßstrahlung und die Referenzstrahlung aufgeteilt, insbesondere mittels eines Strahlenteilers. Durch Division der Signalwerte von Meßkanal und Referenzkanal soll der Ein fluß der oben genannten, sich auf beide Kanäle auswirkenden Intensitäts änderungen der Strahlung eliminiert werden, während die Meßsignal änderung der spektral schmalbandigen Absorption durch das Meßgas erhalten bleibt.

Diese bisher üblichen Meßanordnungen und die zugehörigen Meßver fahren sind mit dem prinzipiellen Nachteil behaftet, daß eine Änderung in der Geometrie der Strahlverteilung auf Meß- und Referenzkanal zu einer Drift beziehungsweise Verschlechterung des Meßsignals führt. Hinzu kommt, daß der Meßeffekt, also die Änderung des Signalquotienten durch Absorption, häufig sehr klein ist, so daß beispielsweise für einen Methansensor aufgrund der geforderten Genauigkeit von 1% der unteren Explosionsgrenze dieses einer Abweichung des Signalquotienten von 0,5% entspricht. Derartige Abweichungen des Signalquotienten sind jedoch gleich falls leicht möglich, wenn beispielsweise der Strahlenteiler in der optischen Anordnung keine ideale Aufteilung der Strahlung auf die aktiven Flächen von Meßstrahlungsdetektor und Referenzstrahlungsdetektor gewährleistet, oder wenn durch Alterungseffekte in der Strahlungsquelle eine Verschiebung des Bildes der Strahlungsquelle in der Ebene der Detektoren bewirkt wird. Bewegt sich der Strahlfleck über den Rand der aktiven Detektorfläche, so verändert sich das Detektorsignal. Eine leichte Unsymmetrie in der Ausleuchtung erzeugt so im Signalquotienten eine unerwünschte Abweichung.

Ähnliche Abweichungen können auch durch thermische Verformungen des Sensoraufbaus oder durch Schmutz oder Flüssigkeitstropfen im Strahlengang, durch mechanische Erschütterungen oder andere Ursachen bewirkt werden. Im Endeffekt werden so Strahlungsanteile ausgeblendet, die in Meß- und Referenzkanal ungleich gewichtet sind.

Zur Vermeidung oder Reduzierung der vorstehend beschriebenen Einflüsse werden aufwendige technische Maßnahmen ergriffen: So werden beispielsweise Gehäuse und tragende Konstruktion aus hochwertigen metallischen Werkstoffen gefertigt, präzisionsgearbeitete Passungen und winkeltreue Fassungen sowie Justageschritte werden im Fertigungsprozeß vorgesehen. Weiterhin werden strukturierte Intensitätsverteilungen in der wirksamen Detektor fläche durch unscharfe Abbildung beziehungsweise durch gezielte Streuung der Strahlung geglättet. Auch die Verwendung nur eines Detektorelementes mit einem im Strahlenweg angeordneten beweglichen Filterrad mit unterschiedlichen Interferenzfiltern ist bekannt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, einen einfachen Aufbau für einen verbesserten infrarotoptischen Gassensor vorzuschlagen, der stabilere Meßsignale liefert.

Die Lösung der Aufgabe erhält man für einen infrarotoptischen Gassensor der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 oder für eine alternative Ausführungsform mit den kennzeich nenden Merkmalen von Anspruch 2.

Ein wesentlicher Vorteil vorliegender Erfindung ergibt sich durch den kom pakten, geschichteten Aufbau einer Mehrfachdetektoranordnung für die Messung von mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen, nämlich einer Referenz- und einer Meßwellenlänge. Im einfachsten Fall kann der Gassensor gemäß Erfindung so aufgebaut sein, daß die mit Meßgas gefüllte Meßgasküvette ein innen reflektierendes Rohr ist, das an einer Endfläche eine breitbandige Infrarotstrahlungsquelle und an der anderen, gegenüberliegenden Endfläche eine erfindungsgemäße, geschichtete Mehrfachdetektoranordnung aufweist. Ohne weitere abbildende Optik wird so ein infrarotoptischer Gassensor mit stabilem Ausgangssignal bereitgestellt. Der zylinderförmige Reflektor, also die Meßgasküvette, sorgt dabei für eine erhöhte Strahlungsintensität auf der Mittellängsachse der Meßgasküvette und damit auch im Eintrittsfenster der Mehrfachdetektoranordnung, welche mittig in der einen Endfläche der Meßgasküvette montiert ist.

Im Gegensatz zu vorliegender Erfindung bringt ein üblicherweise bisher verwendeter Doppeldetektor mit nebeneinander angeordneten Eintritts fenstern hier Nachteile durch verminderte zeitliche und geometrische Stabilität der bestrahlten wirksamen Detektorflächen sowie durch die verminderte empfangene Strahlungsintensität aufgrund der nicht mög lichen geometrisch identischen Anordnung beider Detektoren auf der Mittellängsachse der Meßküvette. Die Vielfachreflektionen an der zylindrischen Meßgasküvettenfläche führen zu einer Intensitätsverteilung der Strahlung mit einem Maximum auf der Mittellängsachse und steilem Intensitätsabfall in radialem Abstand. Somit liegen die strahlungsempfind lichen Detektorflächen auf den Flanken dieser Intensitätsverteilung, so daß die gemessene Strahlungsintensität stark von der Position der Infrarot strahlungsdetektoren und deren Veränderung abhängig ist.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Anspruch 1 oder 2 an.

Meß- und Referenzstrahlungsdetektor sind als dünne, teiltransparente Schicht ausgelegt. Dies kann jeweils eine dünne planparallele Scheibe oder Schicht eines pyroelektrischen Materials sein, die an Ober- und Unterseite vorzugsweise transparent elektrisch leitfähig beschichtet und kontaktiert ist. Geeignete pyroelektrische Materialien sind insbesondere die kristallinen Stoffe Lithiumtantalat (LiTaO₃), Strontium-Barium-Niobat (SBN), Triglycinsulphat (TGS), Blei-Zirkon-Titanat (PZT) und das Polymer Polyvenyliden fluorid (PVDF). Es sind auch Halbleiter verwendbar, die den inneren Photo effekt zum Strahlungsnachweis nutzen, wie es für HgCdTe, PbS und PbSe gegeben ist. Hier muß der Aufbau der Detektorelemente und die Kontaktierung einen Durchtritt der Strahlung ohne Abschattung zulassen.

Transparente leitfähige Schichten sind insbesondere metallische Schichten mit Dicken im Bereich weniger nm oder transparente Schichten wie ITO (Indium- Zinn-Oxid).

Zwischen zwei Schichten wird jeweils ein Schmalbandfilter angeordnet, das den spektralen Anteil der einfallenden Strahlung weiter einengt. Vor der ersten strahlungsempfindlichen Schicht kann ebenfalls ein Schmalbandfilter angeordnet sein, das den Spektralbereich durchläßt, in dem die Meß- und die Referenzwellenlängen enthalten sind. Die Durch laßbereiche der Filter müssen so ausgewählt werden, daß sie in mindestens einem Teilbereich überlappen. Die Dicke der ersten strahlungsempfindlichen Schicht muß so ausgelegt sein, daß ein genügender Anteil der Strahlung sowohl absorbiert als auch transmittiert wird. Durch Polieren kristalliner Materialien wie Lithiumtantalat (LiTaO₃) sind Schichtdicken von 20 bis 30 µm realisierbar. Folien aus Polyvenylidenfluorid (PVDF) in vergleichbarer Schichtdicke sind Stand der Technik. Für Tryglycinsulphat (TGS) sind Schichtdicken ab 1 µm realisiert worden.

Die Absorption von Strahlung in der durchlässigen Schicht wird dadurch gesteigert, daß ein im Strahlengang nachfolgendes, vorzugsweise als Interferenzfilter ausgebildetes Schmalbandfilter den Anteil der Strahlung reflektiert, den es nicht durchläßt. Dieser Anteil durch tritt erneut die erste Detektorschicht und kann absorbiert werden. Besteht der Aufbau aus mehr als zwei Teildetektoren, so gilt dies auch für die nach folgenden Teildetektoren.

Im Falle der Polymerschicht aus Polyvenylidenfluorid (PVDF) liegt eine natürliche selektive Absorption im Bereich 3,3 µm vor, die durch Zumischung von Kohlenwasserstoff-Monomeren noch gesteigert werden kann. Mit dieser Schicht als erster Schicht im Lichtweg können Kohlenwasserstoffe selektiv gemessen werden, ohne daß ein entsprechendes Schmalband vorgeschaltet werden muß. Diese Schicht filtert gleichzeitig den Anteil des Spektrums der einfallenden Strahlung heraus, den Kohlenwasserstoffe in der Atmosphäre absorbieren. Dadurch empfängt die nachfolgende Detektorschicht den Strahlungsanteil, der weitgehend unabhängig von Konzentrationsänderungen von Kohlenwasserstoffen im Lichtweg ist. Hieraus ergibt sich eine besondere Ausführung des Erfindungsgegenstands.

Die letzte Detektorschicht im Detektoraufbau erlaubt einen größeren Gestaltungsspielraum. Bei pyroelektrischen Schichten kann die Eintrittsfläche geschwärzt werden, um eine vollständige Absorption der restlichen Strahlung zu erreichen. Die Elektroden müssen hier nicht transparent sein. Auch ein komplexer Halbleiterdetektor mit pn-Übergang und rückseitig aufgebrachten Elektrodenstrukturen ist einsetzbar.

Bei der Verwendung von pyroelektrischen Kristallen für die einzelnen Detektorschichten ist der starke Einfluß des thermischen Umfelds auf das Signal zu beachten. Ein direkter Kontakt des Kristalls oder der Folie mit einem Schmalbandfilter führt zu einem deutlich veränderten Verhalten gegenüber einer freitragenden Schicht vor allem im Bereich kleiner Frequenzen der Modulation der Strahlung. Hier muß der Zwischenraum bezüglich der Wärmeleitung vom pyroelektrischen Kristall an die Umgebung so ausgelegt sein, daß die Empfind lichkeit der Schicht optimal wird. Dies erreicht man durch geeignete Substrat materialien mit niedriger Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit oder durch einen Luftspalt. Die Dicke des Zwischenraums beträgt etwa 0,3 bis 1 mm. Der gesamte Schichtaufbau kann in einem üblichen Standardgehäuse unter gebracht werden, dessen Eintrittsöffnung eine Blende für die eintretende Strahlung darstellt. Die oberste Schicht des Aufbaus kann als Eintrittsfenster dienen, wobei diese Schicht zur Erreichung einer Gasdichtigkeit mit dem Gehäuse verklebt oder verlötet wird. Die Blende sorgt unter anderem dafür, daß jeder eintretende Lichtstrahl alle Schichten des Aufbaus durchlaufen muß. Auf diese Weise wird ausgeschlossen, daß ein Strahlungsanteil nur einen der Teildetektoren trifft und so bei einer Veränderung zu einer Drift des Signalquotienten führt.

Zur Kompensation des Einflusses sich ändernder Umgebungstemperaturen können ein oder mehrere weitere pyroelektrische Elemente hinzukommen, deren Signale zur Gegenkopplung genutzt werden. Zur Eliminierung einer Empfindlichkeit auf die einfallende Strahlung werden solche Elemente vorzugs weise mit einer Gold-Oberfläche versehen.

Für einen Doppeldetektor zur Messung von CO₂ kann das Durchlaßfenster für das Schmalbandfilter im Strahlungseintritt (Referenzfilter) den Bereich von 4,0 bis 4,4 µm abdecken. Das folgende Filter (Meßfilter) deckt dann die Absorptions bande des CO₂ um 4,24 µm mit einer Breite von 100 bis 200 nm ab. Alternativ können beide Durchlaßbereiche so gewählt werden, daß sie nur in dem Bereich der Absorptionsbande des CO₂ überlappen, wobei aber das Referenzfilter einen zusätzlichen Bereich beeinhalten muß, in welchem CO₂ nicht absorbiert.

Die Schichtdicke der Infrarotstrahlungsdetektoren gemäß Erfindung beträgt etwa 1 bis 30 Mikrometer, die Schichtdicke der Schmalbandfilter etwa 0,3 bis 1 mm.

Je nach spezieller Ausgestaltung der Erfindung sind die Schmalbandfilter gemäß Hauptansprüchen vorzugsweise entweder als Interferenzfilter mit schmalem Durchlaßbereich oder als Interferenzfilter mit schmalem Sperrbereich oder als Absorptionsfilter mit schmalem Absorptionsbereich ausgebildet. Beispielsweise ist der oder mehrere Schmalbandfilter gemäß Anspruch 1 vorzugsweise ein Interferenzfilter mit schmalem Durchlaßbereich, so daß idealerweise nur Meßstrahlung mit der gasspezifischen Meßwellenlänge auf die nachfolgende, den Meßstrahlungsdetektor bildende Schicht gelangt. Dementsprechend sind die beiden anderen genannten Ausführungsformen für Schmalbandfilter vorzugsweise für Varianten der Erfindung gemäß Anspruch 2 geeignet.

Die einzige Figur zeigt schematisch eine geschichtete Detektoranordnung eines infrarotoptischen Gassensors gemäß der Erfindung.

Die Detektoranordnung befindet sich mittig symmetrisch zur Mittellängsachse der durch die Eintrittsöffnung 1 eintretenden Strahlung (Pfeile) einer Infrarot strahlungsquelle, und zwar nach Durchqueren des Meßgases, dessen Kon zentration ermittelt werden soll.

Die Detektoranordnung setzt sich aus mehreren parallelen Schichten zusammen, die in ein Gehäuse 2 eingebaut sind:

Im Ausführungsbeispiel sind ein dünnschichtiger pyroelektrischer Referenzstrahlungsdetektor 4 mit einem vorgeschalteten Schmalbandfilter 3 sowie ein darunterliegender Meßstrahlungsdetektor 6 mit einem zwischengeschalteten Schmalbandfilter 5 gestapelt angeordnet. Im vorliegenden Beispiel besteht der Meßstrahlungsdetektor 6 aus einem pyroelektrischen Material und ist in der Strahleneintrittsfläche mit einer Absorptionsschicht 7 geschwärzt, um eine vollständige Absorption der eintretenden Strahlung zu erreichen. Mittels der Kontaktleitungen 8 und 9 werden die elektrischen Ausgangssignale der Detektorschichten den Verstärkern 10 und 11 zugeleitet, deren Ausgangssignale wiederum in einer an sich bekannten Auswerteelektronik 12 durch Quotientenbildung aus Referenz- und Meßsignalen ausgewertet und letztlich als Konzentrationswerte des gemessenen Gases ausgegeben und angezeigt werden.

Claims

1. Infrarotoptischer Gassensor mit mindestens einer Infrarot strahlungsquelle und mit mindestens einem Infrarotstrahlungs detektor, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die als Referenz- und Meßstrahlungsdetektor dienenden Infrarotstrahlungsdetektoren aus dünnen Schichten eines teiltransparenten Materials bestehen, das ein von der empfangenen Strahlungsintensität abhängiges elektrisches Meßsignal abgibt,
b) die Infrarotstrahlungsdetektoren übereinander gestapelt und mit je einem zwischengeschalteten, bei der Meßwellenlänge durchlässigen Schmalbandfilter angeordnet sind,
c) die Infrarotstrahlungsdetektoren an Ober- und Unterseite jeweils elektrisch leitfähig beschichtet und kontaktiert sind,
d) der Meßstrahlungsdetektor auf den Referenzstrahlungsdetektor in Strahlrichtung folgt und
e) der Referenzstrahlungsdetektor zumindest für einen Teil der Meßstrahlung bei der Meßwellenlänge durchlässig ist.

2. Infrarotoptischer Gassensor mit mindestens einer Infrarot strahlungsquelle und mit mindestens einem Infrarotstrahlungs detektor, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die als Referenz- und Meßstrahlungsdetektor dienenden Infrarotstrahlungsdetektoren aus dünnen Schichten eines teiltransparenten Materials bestehen, das ein von der empfangenen Strahlungsintensität abhängiges elektrisches Meßsignal abgibt,
b) die Infrarotstrahlungsdetektoren übereinander gestapelt und mit je einem zwischengeschalteten, bei der Meßwellenlänge sperrenden Schmalbandfilter angeordnet sind,
c) die Infrarotstrahlungsdetektoren an Ober- und Unterseite jeweils elektrisch leitfähig beschichtet und kontaktiert sind,
d) der Referenzstrahlungsdetektor auf den Meßstrahlungsdetektor in Strahlrichtung folgt und
e) der Meßstrahlungsdetektor zumindest für einen Teil der Referenz strahlung bei der Referenzwellenlänge durchlässig ist.

3. Infrarotoptischer Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Infrarotstrahlungsdetektor aus einem pyroelektrischen Material besteht, insbesondere aus den Stoffen Lithiumtantalat (LiTaO₃), Strontium-Barium-Niobat (SBN), Triglycinsulphat (TGS), Blei-Zirkon-Titanat (PZT), Polyvenylidenfluorid (PVDF).

4. Infrarotoptischer Gassensor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Infrarotstrahlungsdetektor aus einem teiltransparenten Halbleitermaterial besteht, insbesondere aus HgCdTe, PbS, PbSe.

5. Infrarotoptischer Gassensor nach einem der Ansprüche 1 und 3 oder 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch dem Referenzstrahlungsdetektor vorgeschaltet ein Schmalbandfilter angeordnet ist, welches in dem Spektralbereich durchlässig ist, in dem die Meß- und Referenzwellenlängen enthalten sind.

6. Infrarotoptischer Gassensor nach einem der Ansprüche 2 und 3 oder 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch dem Meßstrahlungsdetektor vorgeschaltet ein Schmalbandfilter angeordnet ist, welches in dem Spektral bereich durchlässig ist, in dem die Meß- und Referenzwellenlängen ent halten sind.

7. Infrarotoptischer Gassensor nach mindestens einem der Ansprüche 2, 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Infrarot strahlungsdetektor mit einem Schmalbandfilter in Form einer einzigen Schicht aus einem pyroelektrischen Polymer mit natürlicher selektiver Infrarotabsorption ausgeführt ist, insbesondere aus Polyvenylidenfluorid (PVDF).

8. Infrarotoptischer Gassensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahlungsdetektor mit nachgeschaltetem Schmalbandfilter aus einer einzigen Schicht aus Polyvenylidenfluorid (PVDF) besteht, insbe sondere mit zugemischten monomeren Kohlenwasserstoffen.

9. Infrarotoptischer Gassensor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Infrarot strahlungsdetektoren etwa 1 bis 30 Mikrometer beträgt.

10. Infrarotoptischer Gassensor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahlungsdetektor aus einem pyroelektrischen Material besteht und die Strahleneintritts fläche mit einer Strahlenabsorptionsschicht versehen ist.

11. Infrarotoptischer Gassensor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Infrarot strahlungsdetektor vom zugehörigen vorgeschalteten Schmalbandfilter durch einen Luftspalt oder durch ein teiltransparentes Substratmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit beabstandet ist.

12. Infrarotoptischer Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Schmalbandfilter ein Interferenz filter ist.

13. Infrarotoptischer Gassensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Schmalbandfilter ein Absorptionsfilter ist.