DE102012007016B3

DE102012007016B3 - Optischer Gassensor

Info

Publication number: DE102012007016B3
Application number: DE102012007016A
Authority: DE
Inventors: Livio Fornasiero; Udo Beckmann
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2013-10-10
Anticipated expiration: 2032-04-06
Also published as: GB201304519D0; GB2500993A; GB2500993B; US20130265579A1; US8649012B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Gassensor mit einer Leuchtdiode (2), einem Photosensor (8), einer Messstrecke zwischen Leuchtdiode und Photosensor, und einer Steuer- und Auswerteeinheit (16), die dazu eingerichtet ist, aus der Lichtintensitätsmessung durch den Photosensor die Konzentration eines Gases in der Messstrecke zu bestimmen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (16) weiter dazu eingerichtet ist, die Vorwärtsspannung über die Leuchtdiode bei einem bekannten Strom zu messen, aus der erfassten Vorwärtsspannung über die Leuchtdiode mithilfe einer vorgegebenen Abhängigkeit der Vorwärtsspannung von der Temperatur die Temperatur der Leuchtdiode zu bestimmen, und eine Korrekturfunktion in Abhängigkeit von der bestimmten Leuchtdiodentemperatur anzuwenden, mit der die Messung auf eine vorgegebene Temperatur der Leuchtdiode umgerechnet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Gassensor mit einer Leuchtdiode, einem Photosensor, einer Messstrecke zwischen Leuchtdiode und Photosensor und einer Steuer- und Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, auf Grundlage der Messung des Photosensors die Konzentration eines Gases in der Messstrecke zu bestimmen, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit weiter dazu eingerichtet ist, die Vorwärtsspannung über die Leuchtdiode bei einem bekannten Strom zu messen, aus der erfassten Vorwärtsspannung über die Leuchtdiode mithilfe einer vorgegebenen Abhängigkeit der Vorwärtsspannung von der Temperatur die Temperatur der Leuchtdiode zu bestimmen, und eine Korrekturfunktion in Abhängigkeit von der bestimmten Leuchtdiodentemperatur anzuwenden, mit der die Messung auf eine vorgegebene Temperatur der Leuchtdiode umgerechnet wird.
Optische Gassensoren arbeiten mit einer Lichtquelle, einem Photosensor und einer zwischen der Lichtquelle und dem Photosensor liegenden Messstrecke. Mit einem Bandpassfilter kann ein Wellenlängenbereich ausgewählt werden, in dem das Zielgas eine charakteristische Absorption hat. Als Lichtquellen dienen thermische Lichtquellen, wie Membranstrahler oder Glühwendeln, Laser oder Leuchtdioden (insbesondere im IR und UV-Bereich). Thermische Lichtquellen emittieren spektral sehr breitbandig. Damit fließt aber viel Energie in spektrale Bereiche, die nicht zur Auswertung und Berechnung von Gaskonzentrationen herangezogen werden. Derartige Gassensoren sind daher in Bezug auf ihren Energieverbrauch wenig effizient. Außerdem sind sie ohne mechanische Zusatzkomponenten nicht schnell in ihrer Leistung modulierbar, was die Nutzung von Rauschunterdrückungsverfahren bei gleichzeitiger schneller Ansprechzeit einschränkt.
Laser liefern hingegen meist ein sehr gutes Signal/Rausch-Verhältnis, sind aber relativ teuer und müssen thermisch stabilisiert werden.
Leuchtdioden (LEDs) sind wesentlich kostengünstiger als Laser und emittieren in einem spektral eingeschränkten Bereich, so dass sie im Vergleich zu thermischen Lichtquellen in Bezug auf ihren Energieverbrauch effizienter sind. LEDs sind außerdem wie auch Laser schnell elektrisch modulierbar. Andererseits zeigt die spektrale Emissionscharakteristik von LEDs eine thermische Drift, die sich in thermisch nicht stabilisierten optischen Gassensoren störend bemerkbar macht.
Ein optischer Gassensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist aus WO 2009/019 467 A1 bekannt. Danach ist die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet, die Vorwärtsspannung über die Leuchtdiode bei einem bekannten Strom über die Diode zu messen. Aus der erfassten Vorwärtsspannung kann mithilfe einer vorgegebenen Abhängigkeit der Vorwärtsspannung von der Temperatur der Leuchtdiode deren Temperatur abgeleitet werden. Die vorbekannte Abhängigkeit kann zum Beispiel in Form einer Look-up-Tabelle oder einer vorab kalibrierten Kennlinie der Temperatur als Funktion der Vorwärtsspannung vorliegen. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist weiter dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von der bestimmten Leuchtdiodentemperatur eine Korrekturfunktion anzuwenden, mit der die Messung auf eine vorgegebene Referenztemperatur der Leuchtdiode umgerechnet wird. Auf diese Weise kann die Konzentration des Zielgases in der Messstrecke unabhängig von der Temperatur der Leuchtdiode bestimmt werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Gassensor anzugeben, der mit einer LED als Lichtquelle auch ohne thermische Stabilisierung genaue Messungen erlaubt und es erlaubt, die temperaturabhängige Messunsicherheit einzubeziehen.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist die Steuer- und Auswerteeinheit weiter dazu eingerichtet ist, die mit steigender Temperatur der Leuchtdiode wachsende Messunsicherheit zu reduzieren, indem die Strahlungsleistung der Leuchtdiode auf eine vorgegebene, konstante Strahlungsleistung geregelt wird, wodurch die Messunsicherheit mit steigender Temperatur der Leuchtdiode nicht mehr ansteigt, oder die Messunsicherheit der bestimmten Gaskonzentration zu bestimmen und neben der Gaskonzentration anzuzeigen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuer- und Auswerteeinheit weiter dazu eingerichtet, den Photosensor abwechselnd in einem Modus zur Lichtintensitätsmessung und einem Temperaturmessmodus zu betreiben, in dem ein vorgegebener konstanter Strom über den Photosensor angelegt und die resultierende Vorwärtsspannung über den Photosensor erfasst wird. Auf Grundlage einer vorbestimmten Abhängigkeit der Vorwärtsspannung von der Temperatur des Photosensors wird in der Steuer- und Auswerteeinheit eine vorab bestimmte Korrekturfunktion in Abhängigkeit von der Photosensortemperatur auf die Messung des Photosensors angewendet und die Messung auf eine vorgegebene Temperatur des Photosensors umgerechnet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Ansicht eines optischen Gassensors zeigt, der grundsätzlich zur Verwendung mit der Erfindung geeignet ist,
2 eine schematische Ansicht einer Ausführung eines solchen Gassensors zeigt,
3 normierte Emissionsspektren einer Leuchtdiode bei verschiedenen Temperaturen zeigen,
4 die Strahlungsleistung einer Leuchtdiode als Funktion der Temperatur bei festem Strom und auf der rechten Skala die Spitzenwellenlänge (Peak-Wellenlänge) als Funktion der Temperatur zeigt,
5 die Sensitivität in einer Photodiode bei verschiedenen Temperaturen als Funktion der Wellenlänge zeigt,
6 die Detektivität einer Photodiode als Funktion der Temperatur zeigt,
7 die Vorwärtsspannung über eine Leuchtdiode als Funktion der Temperatur für verschiedene konstante Ströme zeigt,
8 die Vorwärtsspannung über eine Photodiode als Funktion der Temperatur für verschiedene konstante Ströme zeigt,
9 ein schematisches Schaltbild einer Schaltung zur Messung der Vorwärtsspannung einer LED zeigt,
10 ein schematisches Schaltbild einer Schaltung zur Messung der Vorwärtsspannung über eine Photodiode bei konstantem Strom zeigt,
11 ein Flussdiagramm mit der Abfolge von Schritten eines optischen Gassensors mit Temperaturkompensation zeigt, und
12 ein alternatives Flussdiagramm des Betriebs eines optischen Gassensors mit Temperaturkompensation zeigt.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines optischen Gassensors. Der Gassensor weist eine Leuchtdiode 2 und einen Photosensor 8 in Form einer Photodiode auf. Zwischen dem Sensor 2 und der Photodiode 8 liegt eine Messstrecke, wobei in diesem Beispiel eine Gasküvette 4 mit dem zu untersuchenden Gas gezeigt ist. Aus dem Wellenlängenspektrum, das ausgehend von der Leuchtdiode 2 die Messstrecke passiert, wird mittels eines Bandpassfilters 6 ein schmales Frequenzband herausgeschnitten, in dem das zu messende Zielgas charakteristische spektrale Eigenschaften hat. Das Zielgas kann in dem interessierenden Spektralbereich zum Beispiel ein bekanntes hohes Absorptionsvermögen haben. Aus der Bestimmung der Absorption kann so die Konzentration des Zielgases berechnet werden.
In 2 ist ein im Aufbau ähnlicher Gassensor gezeigt, der aber neben einer Photodiode 8 hinter der Messtrecke und einem Bandpassfilter 6 eine weitere Photodiode 8' hinter einem weiteren Bandpassfilter 6' aufweist. Die Messung mit der zweiten Photodiode 8' findet in einem Referenzwellenlängenbereich statt, wobei die Messsignale der Photodiode 8 dann durch das Messsignal der Photodiode 8' normiert werden können.
Die 3 und 4 illustrieren die Temperaturabhängigkeit der Emission einer Leuchtdiode. In 3 ist das normierte Emissionsspektrum der Leuchtdiode für verschiedene Temperaturen gezeigt. Es ist zu erkennen, dass sich die Spitze des Emissionsspektrums mit steigenden Temperaturen nach rechts zu größeren Wellenlängen hin verschiebt. 4 zeigt auf der linken Y-Achse die Strahlungsleistung der Leuchtdiode bei festem Strom als Funktion der Temperatur. Auf der rechten Y-Achse ist die Spitzenwellenlänge als Funktion der Temperatur gezeigt. Auch daraus wird klar, dass die Spitzenwellenlänge sich mit wachsender Temperatur zu größeren Wellenlängen hin verschiebt, während die Leistung der Photodiode bei festem Strom mit zunehmender Temperatur abnimmt.
Durch Messung der Vorwärtsspannung über die Leuchtdiode bei festem Strom kann durch die in 7 dargestellte vorbekannte Abhängigkeit die Temperatur der Leuchtdiode bestimmt werden. Umgekehrt kann dann bei so bestimmter Leuchtdiodentemperatur auf eine vorgegebene Temperatur, zum Beispiel 20°C, umgerechnet werden. Dadurch wird die Messung der Intensität der die Messstrecke passierenden Strahlung durch die Photodiode 8 unabhängig von der Temperatur der Leuchtdiode 2. Dabei muss die Leuchtdiodentemperatur nicht als Zwischenergebnis eigenständig berechnet werden; vielmehr kann die Korrektur auf eine vorgegebene Leuchtdiodentemperatur auch direkt durchgeführt werden.
5 und 6 zeigen das temperaturabhängige Verhalten einer Photodiode als Photosensor für verschiedene Temperaturen. In 5 ist die Stromsensitivität einer Photodiode für verschiedene Temperaturen dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sich die Stromsensitivität mit wachsender Temperatur zu höheren Wellenlängen hin verschiebt. 6 zeigt die Detektivität einer Photodiode als Funktion der Temperatur; sie ist eine Kenngröße für das auf Bandbreite, Detektorfläche und einfallende Signalstärke normierte Signal-Rausch-Verhalten. Aus 6 ist zu erkennen, dass die Detektivität mit wachsender Temperatur abnimmt, d. h. die Signalhöhe relativ zum Rauschsignal der Photodiode abnimmt. Demgemäß kann in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Photodiode in einem Modus zur Temperaturmessung betrieben werden, in dem ein bekannter Strom über die Photodiode angelegt wird und die daraus resultierende Vorwärtsspannung bestimmt wird. Durch Umkehren dieses vorbekannten Zusammenhangs lässt sich daraus die Photodiodentemperatur bestimmen und das von der Photodiode gemessene Signal somit auf eine vorgegebene Temperatur korrigieren. Dabei ist es nicht notwendig, dass die Photodiodentemperatur als Zwischenergebnis tatsächlich berechnet wird; die Messung kann auch direkt auf eine vorgegebene Temperatur umgerechnet werden.
In 7 ist die Vorwärtsspannung über die Leuchtdiode als Funktion der Temperatur für verschiedene konstante vorgegebene Ströme dargestellt. Entsprechend ist in 8 die Vorwärtsspannung über die Photodiode als Funktion der Temperatur für verschiedene vorgegebene konstante Ströme gezeigt. Daraus ist ersichtlich, dass durch Bestimmen der Vorwärtsspannung jeweils ein Maß für die Temperatur abgeleitet werden kann.
Die dazu benötigten Schaltungen sind in 9 und 10 schematisch dargestellt. 9 zeigt eine Stromquelle 10, die einen bekannten Strom über die LED 2 anlegt. Über einen Operationsverstärker 12 und einen Analog/Digital-Wandler 14 wird die digitalisierte gemessene Vorwärtsspannung an einen Mikroprozessor 16 weitergegebenen. 10 zeigt die entsprechende Schaltung zur Messung der Vorwärtsspannung über eine Photodiode 8.
11 zeigt ein Flussdiagramm, das eine mögliche Funktionsweise eines optischen Gassensors illustriert. Zunächst wird eine Temperaturmessung für die Leuchtdiode durchgeführt. Dabei wird zunächst ein bekannter Strom über die Leuchtdiode angelegt. Daraufhin wird die resultierende Vorwärtsspannung über die Leuchtdiode gemessen und gespeichert. Danach kann der bekannte Strom über die Leuchtdiode wieder ausgeschaltet werden. Anschließend wird über die Photodiode ebenfalls ein bekannter Strom angelegt. Die resultierende Vorwärtsspannung über die Photodiode wird gemessen und gespeichert, woraufhin der bekannte Strom über die Photodiode wieder ausgeschaltet wird.
Anschließend werden Korrekturfaktoren aus einer gespeicherten Tabelle aufgerufen oder nach vorgegebenen Abhängigkeiten ermittelt, mit denen eine darauffolgende Messung der Gaskonzentration auf vorgegebene Temperaturen von Leuchtdiode und Photodiode umgerechnet wird.
Darauf folgt die Messung der Gaskonzentration, wozu die Leuchtdiode eingeschaltet wird und das resultierende Photodiodensignal erfasst wird. Aus dem Photodiodensignal wird die Gaskonzentration mit temperaturabhängigen Korrekturen für die Leuchtdiodentemperatur und die Photodiodentemperatur berechnet. Anschließend wird die Leuchtdiode wieder ausgeschaltet und die bestimmte Gaskonzentration angezeigt. Daraufhin wird geprüft, wie lange die letzte Temperaturmessung zurückliegt. Die Temperaturmessung kann in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen wiederholt werden, zum Beispiel alle 5 Minuten. Liegt die letzte Temperaturmessung länger als vorgesehen zurück, kehrt die Steuer- und Auswerteeinheit wieder zum Ausgangspunkt zurück und führt eine erneute Temperaturmessung durch. Anderenfalls schließt sich direkt eine weitere Messung der Gaskonzentration an.
12 illustriert eine alternative Funktionsweise, wobei im Unterschied zu der in 11 gezeigten vor jeder Gasmessung eine Temperaturmessung durchgeführt wird. Zu Beginn wird die Leuchtdiode eingeschaltet. Daraufhin wird ein bekannter Strom über die Leuchtdiode angelegt und die resultierende Vorwärtsspannung über die Leuchtdiode erfasst und gespeichert. Die von der Photodiode erfasste Intensität nach Durchqueren der Messstrecke wird ebenfalls gespeichert. Nach Ausschalten der Leuchtdiode wird ein konstanter Strom über die Photodiode angelegt und die resultierende Vorwärtsspannung über die Photodiode gemessen. Daraufhin werden in Abhängigkeit von der Temperatur der Leuchtdiode und der Temperatur der Photodiode Korrekturfaktoren ausgelesen oder bestimmt, die auf die Messung der Gaskonzentration anzuwenden sind, um die Messung auf eine vorgegebene Temperatur von Leuchtdiode und Photodiode zu normieren.
Neben der Anzeige der so bestimmten Gaskonzentration kann auch eine Messunsicherheit mit temperaturabhängigen Korrekturfaktoren bestimmt und angezeigt werden. Dafür wird die vorbekannte Messunsicherheit der Gaskonzentration bei der Referenztemperatur mit zwei Korrekturfaktoren multipliziert. Der eine Korrekturfaktor ist der Quotient aus emittierter Strahlungsleistung der LED im Wellenlängenbereich der Gasabsorption bei Referenztemperatur durch emittierte Strahlungsleistung der LED im Wellenlängenbereich der Gasabsorption bei gemessener Temperatur. Der andere Korrekturfaktor ist der Quotient aus Detektivität des Detektors im Wellenlängenbereich der Gasabsorption bei Referenztemperatur durch Detektivität des Detektors im Bereich der Gasabsorption bei gemessener Temperatur. Es kann auch experimentell die Messunsicherheit des Gerätes bei verschiedenen Temperaturen gemessen und in einer Look-up Tabelle hinterlegt werden.
Die Messunsicherheit nimmt aufgrund der o. g. Ausführungen mit steigender Temperatur deutlich zu. In der erfindungsgemäßen Ausführung kann die Zunahme der Messunsicherheit mit steigender Temperatur reduziert werden. Hierzu kann die Strahlungsleistung der LED, die mit zunehmender Temperatur abnimmt (4), auf eine feste Strahlungsleistung, z. B. bei Referenztemperatur, geregelt. Diese Regelung basiert auf einer Erhöhung des LED-Stromes mit steigender Temperatur. Der notwendige LED-Strom kann beispielsweise über eine Lock-up Tabelle oder eine Funktionsgleichung ermittelt werden und wird über die Steuer- und Auswerteeinheit (16) nachgeführt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, die Abnahme der Detektivität des Photosensors mit steigender Temperatur durch eine Übererhöhung der Strahlungsleistung der LED zu kompensieren. Hierbei wird mit steigender Temperatur nicht nur die Strahlungsleistung der LED konstant gehalten, sondern noch weiter erhöht. Dies geschieht ebenfalls über eine Erhöhung des LED Stromes. Die notwendige Stromhöhe kann ebenfalls über eine Look-up Tabelle bzw. eine Funktionsgleichung ermittelt und über die Steuer- und Auswerteeinheit nachgeführt werden.
Bezugszeichenliste

2: Leuchtdiode
4: Gasküvette
6: Bandpassfilter
8: Photodiode
10: Stromquelle
12: Operationsverstärker
14: Analog/Digital-Wandler
16: Steuer- und Auswerteeinheit

Claims

Optischer Gassensor mit einer Leuchtdiode (2), einem Photosensor (8), einer Messstrecke zwischen Leuchtdiode und Photosensor, und einer Steuer- und Auswerteeinheit (16), die dazu eingerichtet ist, aus der Lichtintensitätsmessung durch den Photosensor die Konzentration eines Gases in der Messstrecke zu bestimmen, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (16) weiter dazu eingerichtet ist, die Vorwärtsspannung über die Leuchtdiode bei einem bekannten Strom zu messen, aus der erfassten Vorwärtsspannung über die Leuchtdiode mithilfe einer vorgegebenen Abhängigkeit der Vorwärtsspannung von der Temperatur die Temperatur der Leuchtdiode zu bestimmen, und eine Korrekturfunktion in Abhängigkeit von der bestimmten Leuchtdiodentemperatur anzuwenden, mit der die Messung auf eine vorgegebene Temperatur der Leuchtdiode umgerechnet wird dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (16) weiter dazu eingerichtet ist, die mit steigender Temperatur der Leuchtdiode wachsende Messunsicherheit zu reduzieren, indem die Strahlungsleistung der Leuchtdiode auf eine vorgegebene, konstante Strahlungsleistung geregelt wird, oder die Messunsicherheit der bestimmten Gaskonzentration zu bestimmen und neben der Gaskonzentration anzuzeigen.
Optischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (16) weiter dazu eingerichtet ist, den Photosensor (8) abwechselnd in einem Modus zur Lichtintensitätsmessung und einem Temperaturmessmodus zu betreiben, in dem ein vorgegebener Strom über den Photosensor angelegt und die resultierende Vorwärtsspannung über den Photosensor erfasst wird, um durch eine vorgegebene Abhängigkeit der Vorwärtsspannung von der Temperatur eine Korrekturfunktion in Abhängigkeit von der Photosensortemperatur anzuwenden, mit der die Messung auf eine vorgegebene Temperatur des Photosensors umgerechnet wird.
Optischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Photosensor eine Photodiode, ein Thermopile, ein pyroelektrisches Element oder eine photoakustische Messzelle eingesetzt ist.
Optischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (16) weiter dazu eingerichtet ist, die mit steigender Temperatur des Photosensors wachsende Messunsicherheit zu reduzieren, indem die Strahlungsleistung der LED soweit erhöht wird, dass die sinkende Detektivität des Photosensors dadurch kompensiert wird.