專利名稱：光學(xué)氣體傳感器的制作方法
光學(xué)氣體傳感器本發(fā)明涉及一種氣體傳感器和一種用于確定尤其是在內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的一種或者多種氣體種類的濃度的方法。
背景技術(shù)：
廢氣傳感技術(shù)的目的是，通過(guò)測(cè)量技術(shù)來(lái)探測(cè)全部的廢氣組成部分。除了氧氣含量之外，例如氮氧化物(NOx)尤其是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)、碳?xì)浠衔?CmHn) >氨氣(NH3)和一氧化碳(CO)的含量是重要的。特別地，在廢氣傳感技術(shù)中除了氧氣含量之外，
一氧化氮、二氧化氮和氨氣的含量具有重要意義。一氧化氮和二氧化氮根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)前負(fù)載點(diǎn)而可以以廢氣中不同的濃度比例出現(xiàn)，并且氨氣可以從確定的廢氣后處理系統(tǒng)、尤其是SCR系統(tǒng)中到達(dá)環(huán)境中。 實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的許多固定的氣體分析系統(tǒng)由于測(cè)量的高精度和可靠性而基于在紫夕卜、可見(jiàn)和紅外范圍中的確定波長(zhǎng)的光譜學(xué)(Spektroskopie)。因?yàn)槊總€(gè)氣體分子具有特征性吸收頻率，所以與大多數(shù)其他的氣體測(cè)量方法不同，例如借助雙室傳感器，其僅僅輸出多個(gè)氣體種類如氮氧化物和氨氣的和信號(hào)(“Thick Film ZrO2 NOx Sensor”，N. Kato等人，Society of Automotive Engineers, (SAE-Paper Nr. 960334) : 137-142，1996),選擇性地測(cè)量每種氣體種類是可能的。出版物EP I 398 485 A2和WO 2009/056709 A2例如描述了氣體的光譜學(xué)分析。對(duì)應(yīng)于要探測(cè)的氣體種類，為此需要輻射源，其發(fā)射在該氣體分子的特征性吸收波長(zhǎng)范圍中的光子。對(duì)于固定的應(yīng)用可以使用耗費(fèi)的實(shí)驗(yàn)室激光系統(tǒng)或者其他穩(wěn)定化的輻射源，然而對(duì)于移動(dòng)傳感器應(yīng)用而言，尋求簡(jiǎn)單并且廉價(jià)的輻射源，例如半導(dǎo)體激光二極管或者發(fā)光二極管(LED)。為了光學(xué)探測(cè)多種氣體種類，需要波長(zhǎng)范圍明顯小于250nm的輻射源。二氧化氮的特征性吸收波長(zhǎng)在大于等于250nm到小于等于450nm的范圍中，而為了探測(cè)一氧化氮和氨氣例如需要大于等于ISOnm到小于等于230nm的波長(zhǎng)。目前的研究狀態(tài)是，僅僅能夠制造發(fā)射波長(zhǎng)明顯在300nm以上的半導(dǎo)體激光二極管。商業(yè)上可用的僅僅是大約380nm以上的激光二極管。LED的情況下，更小的波長(zhǎng)是可能的。在市面上，目前僅僅能夠得到最小發(fā)射波長(zhǎng)為250nm的LED。因此，借助基于LED的輻射源精確地光學(xué)探測(cè)廢氣組成部分的首先的更新的方案集中在一氧化氮和二氧化硫的氣體上(“Real time exhaust gas sensor with highresolution for onboard sensing of harmful components”，Degner, Ewald 等人，IEEESensors Conference 2008)。然而對(duì)于廢氣分析和調(diào)節(jié)廢氣后處理重要的組成部分一氧化氮和氨氣由此不能測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主題是一種氣體傳感器，尤其是光學(xué)或者光譜學(xué)氣體傳感器，用于確定尤其是在內(nèi)燃機(jī)的廢氣中、例如機(jī)動(dòng)車的內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的一種或者多種氣體種類例如一氧化氮和二氧化氮以及必要時(shí)的氨氣的濃度，該氣體傳感器包括
-測(cè)量單元，其帶有氣體入口、氣體出口、催化區(qū)域和分析區(qū)域，其中催化區(qū)域設(shè)置在分析區(qū)域的氣體入口側(cè)，
-催化器，用于在催化區(qū)域中催化從第一氣體種類至第二氣體種類的反應(yīng)，
-氣體分析器，例如通過(guò)吸收光譜學(xué)、熒光光譜學(xué)、振動(dòng)光譜學(xué)和/或衍射光譜學(xué)來(lái)以光譜學(xué)的方式測(cè)量在分析區(qū)域中的第二氣體種類的濃度?！肮庾V學(xué)”方法或者測(cè)量尤其是可以理解為觀察方法，其借助電磁輻射源的電磁譜來(lái)研究電磁輻射和物質(zhì)如何相互作用。例如，基于吸收或者發(fā)射的方法，例如熒光和/或散射或者衍射電磁輻射(例如在大于等于200nm到小于等于6000nm的波長(zhǎng)范圍中)被稱為“光
譜學(xué)“。
·
通過(guò)催化器，可以將第一氣體種類轉(zhuǎn)化為第二氣體種類，第一氣體種類的吸收波長(zhǎng)和/或散射波長(zhǎng)在目前可用的半導(dǎo)體輻射源的發(fā)射波長(zhǎng)范圍之外，例如為一氧化氮或者氨氣，第二氣體種類例如為二氧化氮，其吸收波長(zhǎng)和/或散射波長(zhǎng)在目前可用的半導(dǎo)體輻射源的發(fā)射波長(zhǎng)范圍之內(nèi)。這能夠有利地實(shí)現(xiàn)使用具有簡(jiǎn)單并且廉價(jià)的半導(dǎo)體輻射源如半導(dǎo)體激光二極管和發(fā)光二極管(LED)的氣體分析器，并且由此能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)使用氣體傳感器。此外，通過(guò)該原理必要時(shí)也可以改進(jìn)將來(lái)的基于發(fā)射波長(zhǎng)在250nm以下的半導(dǎo)體輻射源的氣體分析器的傳感器特性。催化器能夠?qū)崿F(xiàn)的是，尤其是即使在氣體傳感器之前的停留時(shí)間內(nèi)在其他情況下并未設(shè)置熱力學(xué)平衡時(shí)，也可以在熱力學(xué)平衡中測(cè)量氣體種類混合物。催化器例如可以在氮氧化物的情況下使得在一氧化氮和二氧化氮之間在存在氧氣的情況下出現(xiàn)熱力學(xué)平衡
2 NO + O/ ^ 2 NO/。如果例如在300°C的情況下運(yùn)行催化器并且完全實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，則可以在催化器之后存在40Mol %的一氧化氮成份和60Mol %的二氧化氮成份，更確切地說(shuō)，與在催化器之前這些氣體組分以何種比例存在無(wú)關(guān)。這具有的優(yōu)點(diǎn)是，可以測(cè)量第一氣體種類和第二氣體種類的濃度之和，例如NOx總和信號(hào)。催化器尤其是可以構(gòu)建為使得第一氣體種類被氧化或者還原、尤其是氧化為第二氣體種類。催化器例如可以是氧化催化器，用于將第一氣體種類氧化為第二氣體種類，或者是還原催化器，用于將第一氣體種類還原為第二氣體種類。在一個(gè)實(shí)施形式的范圍中，催化器是氧化催化器，用于將第一氣體種類氧化為第二氣體種類。在另一實(shí)施形式的范圍中，氣體傳感器設(shè)計(jì)用于測(cè)量一氧化氮的濃度，其中催化器是氧化催化器用于將一氧化氮氧化為二氧化氮。換而言之，催化器將從一氧化氮至二氧化氮的氧化反應(yīng)催化。于是，根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器能夠基于目前可用的半導(dǎo)體輻射源有利地實(shí)現(xiàn)對(duì)于廢氣后處理和現(xiàn)場(chǎng)診斷所需的、對(duì)于一氧化氮的探測(cè)。
如下面的反應(yīng)方程所示的那樣，在氨氣的情況下，可以通過(guò)催化器引起從氨氣到氮氧化物的部分轉(zhuǎn)化
4 NH3 + 3( " 2 N2 + 6 H2O4 NH3 + 5 CW 4 NO + 6 H7O4 NH3 + 7 - 4 NO + 6 H^O
通過(guò)這種方式，可以將可能存在的氨氣濃度間接地作為氮氧化物信號(hào)來(lái)測(cè)量。在另一實(shí)施形式的范圍中，氣體傳感器設(shè)計(jì)用于測(cè)量氨氣的濃度，其中催化器是氧化催化器用于將氨氣氧化為二氧化氮。換而言之，催化器將從氨氣至二氧化氮的氧化反應(yīng)催化。于是，也能夠基于目前可用的半導(dǎo)體輻射源有利地實(shí)現(xiàn)對(duì)于廢氣后處理和車載診斷所需的、對(duì)于氨氣的探測(cè)。在另一實(shí)施形式的范圍中，催化器集成到測(cè)量單元的可通過(guò)氣體的壁中。這具有的優(yōu)點(diǎn)是，催化器必要時(shí)可以同時(shí)用作顆粒過(guò)濾器。 在另一實(shí)施形式的范圍中，催化器以涂層的形式構(gòu)建在測(cè)量單元的內(nèi)側(cè)上。在另一實(shí)施形式的范圍中，催化器以可通過(guò)氣體的、將測(cè)量單元?jiǎng)澐值脑男问絹?lái)構(gòu)建。通過(guò)這種方式，催化器可以將各分析區(qū)域之間可能出現(xiàn)的氣體種類渦流減少。催化器優(yōu)選構(gòu)建為使得催化器在大于等于100°C到小于等于600°C的溫度情況下、例如大于等于200°C到小于等于400°C的溫度情況下保證完全轉(zhuǎn)化。催化器體積在此可以由氣體傳感器的流入體積以及催化器的完全轉(zhuǎn)化溫度來(lái)確定。催化器例如可以包括鉬、銠、鈀或者其混合物。例如，催化器可以是鉬或者銠一鉬混合物或者鉬一鈀混合物。特別地，催化器可以承載在陶瓷顆粒上，例如具有在微米至納米范圍中的平均顆粒大小，例如為氧化鋁顆粒和/或氧化鋯顆粒。氣體傳感器也可以構(gòu)建為使得要分析的氣體種類混合物在通過(guò)催化器轉(zhuǎn)化之前以及之后能夠以光譜學(xué)方式、例如通過(guò)吸收光譜學(xué)、熒光光譜學(xué)、振動(dòng)光譜學(xué)和/或衍射光譜學(xué)來(lái)測(cè)量。于是，例如在通過(guò)氧化催化器轉(zhuǎn)化之前和之后對(duì)氣體種類的測(cè)量是可能的。于是，例如在一氧化氮或者氨氣氣體傳感器的情況下可以在氧化催化器之前和之后來(lái)確定二氧化氮濃度，并且由此推斷出在氣體種類混合物中的一氧化氮或者氨氣的濃度。在另一實(shí)施形式的范圍中，氣體傳感器包括另一氣體分析器用于以光譜學(xué)的方式例如通過(guò)吸收光譜學(xué)、熒光光譜學(xué)、振動(dòng)光譜學(xué)和/或衍射光譜學(xué)在測(cè)量單元的另一分析區(qū)域中來(lái)測(cè)量第二氣體種類的濃度，其中另外的分析區(qū)域設(shè)置在催化區(qū)域的氣體入口側(cè)。于是，可以有利地輸出第一和第二氣體種類構(gòu)成的多于僅僅一個(gè)的總和信號(hào)。這使得能夠通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器來(lái)替代存在的氣體傳感器例如雙室傳感器。氣體分析器尤其是可以具有輻射源，例如發(fā)射紫外和/或可見(jiàn)和/或紅外輻射的輻射源。輻射源優(yōu)選構(gòu)建和/或設(shè)置為使得發(fā)射源發(fā)射的輻射穿過(guò)分析區(qū)域。此外，輻射源優(yōu)選構(gòu)建為使得輻射源發(fā)射在第二氣體種類的吸收波長(zhǎng)范圍和/或散射波長(zhǎng)區(qū)域中的輻射。例如，輻射源可以發(fā)射包括大于等于250nm至小于等于450nm的范圍、尤其是大于等于380nm至小于等于450nm的范圍的一個(gè)或者多個(gè)波長(zhǎng)的輻射。在另一實(shí)施形式的范圍中，氣體分析器(分別)包括至少一個(gè)半導(dǎo)體輻射源，尤其是一個(gè)或者多個(gè)半導(dǎo)體激光二極管(LD)和/或一個(gè)或者多個(gè)發(fā)光二極管(LED)。例如，氣體分析器可以分別包括一個(gè)或者多個(gè)半導(dǎo)體激光二極管(LD)和/或一個(gè)或者多個(gè)發(fā)光二極管(LED)。例如，氣體分析器可以包括具有不同的發(fā)射波長(zhǎng)例如300nm、400nm和500nm的多個(gè)半導(dǎo)體激光二極管或者多個(gè)發(fā)光二極管?；蛘邭怏w分析器可以包括一個(gè)半導(dǎo)體激光二極管或者不同發(fā)射波長(zhǎng)的多個(gè)半導(dǎo)體激光二極管，以及具有一個(gè)發(fā)光二極管或者不同發(fā)射波長(zhǎng)的多個(gè)發(fā)光二極管。此外，氣體分析器尤其是可以具有輻射探測(cè)器。輻射探測(cè)器優(yōu)選構(gòu)建和/或設(shè)置為使得輻射探測(cè)器測(cè)量由輻射源通過(guò)分析區(qū)域傳輸?shù)妮椛涞膹?qiáng)度。優(yōu)選的是，輻射探測(cè)器構(gòu)建為使得輻射探測(cè)器測(cè)量第二氣體種類的至少一個(gè)吸收波長(zhǎng)和/或散射波長(zhǎng)的強(qiáng)度。優(yōu)選的是，輻射源發(fā)射具有已知的恒定強(qiáng)度的輻射。于是，可以由輻射探測(cè)器測(cè)量的強(qiáng)度直接推斷出第二氣體種類的濃度。具有已知的恒定強(qiáng)度的輻射例如可以通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體輻射源通過(guò)電子設(shè)備調(diào)節(jié)到恒定的輸出功率。 然而同樣可能的是，使用發(fā)射具有可變強(qiáng)度的輻射的輻射源。在該情況中，由輻射源發(fā)射的輻射可以被劃分，其中該輻射的一部分照射分析區(qū)域，而輻射的另一部分照射參考區(qū)域，并且接著輻射成份的強(qiáng)度分別被輻射探測(cè)器和參考輻射探測(cè)器來(lái)測(cè)量。這例如可以通過(guò)如下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體傳感器具有輻射劃分器用于劃分輻射源發(fā)射的輻射，并且用于將一個(gè)輻射部分射入分析區(qū)域中以及另外的輻射部分射入尤其是在與分析區(qū)域?qū)?yīng)的尺寸的參考空間中，以及具有參考輻射探測(cè)器，用于測(cè)量第二氣體種類在其傳輸穿過(guò)參考空間之后至少一個(gè)吸收波長(zhǎng)和/或散射波長(zhǎng)的強(qiáng)度。通過(guò)輻射探測(cè)器測(cè)量的強(qiáng)度于是可以通過(guò)參考輻射探測(cè)器測(cè)量的強(qiáng)度來(lái)歸一化。此外可能的是，氣體傳感器具有參考輻射探測(cè)器，用于測(cè)量通過(guò)分析區(qū)域傳輸并且不同于氣體種類混合物的吸收波長(zhǎng)和/或散射波長(zhǎng)的至少一個(gè)波長(zhǎng)的強(qiáng)度。通過(guò)輻射探測(cè)器測(cè)量的強(qiáng)度于是可以通過(guò)被參考探測(cè)器測(cè)量的強(qiáng)度來(lái)歸一化。氣體分析器此外可以具有一個(gè)或者多個(gè)光學(xué)透鏡，尤其是匯聚透鏡，用于將入射的輻射聚束。透鏡例如可以集成到分析區(qū)域中的測(cè)量單元的壁中。通過(guò)這種方式，例如可以將輻射源發(fā)射的輻射通過(guò)透鏡聚束地射入測(cè)量單元的分析區(qū)域中。同樣地，通過(guò)分析區(qū)域傳輸?shù)妮椛淇梢酝ㄟ^(guò)透鏡聚束。此外，氣體分析器可以具有一個(gè)或者多個(gè)引導(dǎo)輻射的纖維，尤其是玻璃纖維。其尤其是可以構(gòu)建用于將輻射從輻射源向測(cè)量單元、尤其是向集成到測(cè)量單元的壁中的透鏡引導(dǎo)，和/或從測(cè)量單元、尤其是集成在測(cè)量單元的壁中的透鏡向輻射探測(cè)器引導(dǎo)。通過(guò)這種方式，可以將輻射源和輻射探測(cè)器設(shè)置在較冷的、遠(yuǎn)離測(cè)量單元的區(qū)域中，這對(duì)于輻射源和輻射探測(cè)器的壽命具有有利影響。尤其是，氣體分析器可以包括組合的輻射源一輻射探測(cè)器裝置和輻射反射層。組合的輻射源一輻射探測(cè)器裝置在此可以設(shè)置在測(cè)量單元的一側(cè)上，其中測(cè)量單元在對(duì)置的側(cè)上具有輻射反射層。組合的輻射源一輻射探測(cè)器裝置和輻射反射層例如可以設(shè)置為使得由組合的輻射源一輻射探測(cè)器裝置的輻射源發(fā)射的輻射照射分析區(qū)域，被輻射反射層反射，重新照射分析區(qū)域，并且又射入組合的輻射源一輻射探測(cè)器裝置中。通過(guò)這種方式，可以有利地測(cè)量通過(guò)分析區(qū)域傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)的強(qiáng)度。在另外的實(shí)施形式的范圍中，氣體傳感器包括兩個(gè)或者更多個(gè)測(cè)量單元，其中測(cè)量單元分別具有氣體入口、氣體出口、催化區(qū)域和分析區(qū)域，其中催化區(qū)域分別設(shè)置在分析區(qū)域的氣體入口側(cè)，并且氣體傳感器此外包括兩個(gè)或者更多個(gè)催化器，用于分別在催化區(qū)域之一中催化從第一氣體種類至第二氣體種類的反應(yīng)，以及兩個(gè)或者更多個(gè)氣體分析器，用于通過(guò)光譜學(xué)的方式例如通過(guò)吸收光譜學(xué)、熒光光譜學(xué)、振動(dòng)光譜學(xué)和/或衍射光譜學(xué)來(lái)測(cè)量分別在分析區(qū)域之一中的第二氣體種類的濃度。在此，各測(cè)量單元例如可以在不同的溫度情況下和/或各氣體分析器可以在不同的波長(zhǎng)情況下工作。此外，各催化器可以是不同的催化器，并且將從第一氣體種類到第二氣體種類的不同反應(yīng)催化。測(cè)量單元尤其可以在不同溫度情況下工作，使得不同測(cè)量單元的同樣構(gòu)建的催化器不同強(qiáng)度地催化反應(yīng)。可替選地或者附加地，氣體分析器可以在不同的波長(zhǎng)情況下工作。于是，不同的氣體分析器可以測(cè)量不同的第二氣體種類。例如，一個(gè)氣體分析器可以測(cè)量二氧化氮，而另外 的氣體分析器可測(cè)量二氧化硫?？商孢x地或者附加地，氣體傳感器可以具有不同的催化器。不同的催化器例如可以將從第一氣體種類到第二氣體種類的不同反應(yīng)催化。特別地，不同的催化器可以將從不同的第一氣體種類到相同的第二氣體種類的反應(yīng)催化，或者從相同的第一氣體種類到不同的第二氣體種類的反應(yīng)催化。例如，一個(gè)催化器可以催化從一氧化氮到二氧化氮的氧化，而另一催化器可以催化從氨氣到二氧化氮的氧化。例如，通過(guò)首先氣體分析器測(cè)量二氧化氮濃度，隨后催化器催化從一氧化氮到二氧化氮的氧化，接著另一氣體分析器測(cè)量得到的二氧化氮濃度，隨后另一催化器催化從氨氣到二氧化氮的氧化，并且最后又一另外的氣體分析器測(cè)量重新得到的二氧化氮濃度，可以推斷出一氧化氮和氨氣的濃度。在另一實(shí)施形式的范圍中，氣體傳感器因此包括兩個(gè)或者更多個(gè)不同的催化器，用于催化從第一氣體種類到第二氣體種類的不同的反應(yīng)，和/或兩個(gè)或者更多個(gè)不同的氣體分析器，用于通過(guò)光譜學(xué)的方式例如通過(guò)吸收光譜學(xué)、熒光光譜學(xué)、振動(dòng)光譜學(xué)和/或衍射光譜學(xué)來(lái)測(cè)量不同的第二氣體種類的濃度。根據(jù)傳感器在廢氣管中的安裝位置，會(huì)需要將催化器加熱到確定的溫度。為了能夠?qū)⒋呋饔心康牡刂糜谧罴训墓ぷ鳒囟?，氣體傳感器包括催化器加熱裝置。為了避免或者為了排除污染和/或弄臟氣體分析器，例如通過(guò)炭黑顆粒或者化學(xué)侵蝕性的廢氣組成部分對(duì)于光學(xué)組件如透鏡、反射鏡、引導(dǎo)輻射的纖維的污染和/或弄臟，氣體傳感器此外可以包括光學(xué)加熱裝置。特別有利的是，在這種情況下，可以將催化器加熱裝置和光學(xué)加熱裝置組合。因此，氣體傳感器尤其是可以包括組合的催化器光學(xué)加熱裝置。為了避免例如通過(guò)炭黑顆粒導(dǎo)致的污染和/或弄臟，氣體傳感器此外可以包括顆粒過(guò)濾器。在另一實(shí)施形式的范圍中，氣體傳感器包括氣體入口側(cè)的顆粒過(guò)濾器。特別地，顆粒過(guò)濾器可以是氣體傳感器的單元，氣體在流過(guò)氣體傳感器時(shí)首先經(jīng)過(guò)該單元。為了使得顆粒過(guò)濾器去除積聚的炭黑顆粒，顆粒過(guò)濾器可以具有顆粒過(guò)濾加熱裝置。在一個(gè)擴(kuò)展方案的范圍中，顆粒過(guò)濾器以可更換的單元的形式來(lái)構(gòu)建。這具有的優(yōu)點(diǎn)是，顆粒過(guò)濾器能夠以簡(jiǎn)單的方式來(lái)更換。當(dāng)不能通過(guò)加熱來(lái)去除的灰隨著時(shí)間而損害顆粒過(guò)濾器的功能并且可能還影響氣體傳感器本身的功能時(shí)，這可能是特別有利的。在另一擴(kuò)展方案的范圍中，顆粒過(guò)濾器以測(cè)量單元的過(guò)濾顆粒、可通過(guò)氣體的氣體入口壁的形式來(lái)構(gòu)建。催化器在此同樣可以集成到氣體入口壁中。這一方面具有的優(yōu)點(diǎn)是，可以將氣體傳感器的空間需求最小化。另一方面，催化器和顆粒過(guò)濾器可以使用共同的催化器顆粒過(guò)濾器加熱裝置，這一方面 降低了氣體傳感器的制造成本，并且另一方面進(jìn)一步將氣體傳感器的空間需求最小化。通過(guò)催化器設(shè)置的平衡例如可以與溫度和/或氧氣分壓力相關(guān)。例如，在小的氧氣分壓力情況下，可以將熱力學(xué)平衡2N0 + 0 b2N02朝著一氧化氮的側(cè)推移。優(yōu)選的是，因此氣體傳感器此外包括Lambda探頭和/或化學(xué)敏感的場(chǎng)效應(yīng)晶體管和/或溫度測(cè)量裝置。特別地，氣體傳感器可以包括分析電路。分析電路優(yōu)選設(shè)置在遠(yuǎn)離測(cè)量單元的、氣體傳感器的較冷的區(qū)域中，這有利地影響分析電路的壽命。分析電路可以在考慮其他值例如溫度、氧氣濃度等等的情況下分析氣體分析器的測(cè)量結(jié)構(gòu)。這些其他值在此可以來(lái)自傳感器專用單元，如加熱裝置、溫度測(cè)量裝置、Lambda探頭和/或化學(xué)敏感的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。然而可替選地或者附加地，也可以考慮內(nèi)燃機(jī)的單元的值，如內(nèi)燃機(jī)的Lambda探頭的值。為了保護(hù)輻射源、輻射探測(cè)器和分析電路避免受熱，氣體傳感器此外可以具有隔熱裝置。優(yōu)選的是，測(cè)量單元部分地用隔熱裝置包圍。氣體傳感器優(yōu)選構(gòu)建為使得流過(guò)氣體傳感器的氣體種類混合物的流動(dòng)速度足夠小，以便保證催化器的完全轉(zhuǎn)化。例如，流過(guò)氣體傳感器的氣體種類混合物的流動(dòng)速度尤其是機(jī)動(dòng)車的內(nèi)燃機(jī)的廢氣管中的流動(dòng)速度的比例可以為I :1000至I :100000。本發(fā)明的另一主題是一種用于確定尤其是在內(nèi)燃機(jī)例如機(jī)動(dòng)車的內(nèi)燃機(jī)的廢氣中一種或者多種氣體種類例如一氧化氮和二氧化氮以及可能的氨氣的濃度的方法，該方法包括以下方法步驟
a)將第一氣體種類轉(zhuǎn)化為第二氣體種類，尤其是在測(cè)量單元的催化器區(qū)域中通過(guò)催化器來(lái)轉(zhuǎn)化；以及
b)通過(guò)光譜學(xué)的方式例如通過(guò)吸收光譜學(xué)、熒光光譜學(xué)、振動(dòng)光譜學(xué)和/或衍射光譜學(xué)，尤其是通過(guò)測(cè)量單元的分析區(qū)域中的氣體分析器來(lái)測(cè)量第二氣體種類的濃度；以及
c)尤其是通過(guò)分析電路從方法步驟b)測(cè)量的第二氣體種類的濃度來(lái)確定第一氣體種類的濃度。 根據(jù)本發(fā)明的方法例如可以借助根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器來(lái)實(shí)施?？赡艿氖牵诙怏w種類可以已經(jīng)在方法步驟a)之前至少部分地存在。在該情況中，在方法步驟b)中測(cè)量在方法步驟a)之前已經(jīng)存在的第二氣體種類濃度以及在方法步驟a)中形成的第二氣體種類濃度的總和信號(hào)。在另一實(shí)施形式的范圍中，因此該方法在方法步驟a)之前包括如下方法步驟 a0)通過(guò)光譜學(xué)的方式例如通過(guò)吸收光譜學(xué)、熒光光譜學(xué)、振動(dòng)光譜學(xué)和/或衍射光譜
學(xué)，尤其是通過(guò)測(cè)量單元的催化區(qū)域之前設(shè)置的另外的分析區(qū)域中的另外的氣體分析器來(lái)測(cè)量第二氣體種類的濃度，
其中在方法步驟c)中從方法步驟a0)和b)中測(cè)量的第二氣體種類的濃度來(lái)確定第一氣體種類的濃度。在方法步驟a)中，第一氣體種類可以氧化為或者還原為第二氣體種類。第一氣體種類例如可以是一氧化氮或者氨氣。第二氣體種類例如可以是二氧化氮。通過(guò)光譜學(xué)的方式測(cè)量例如可以基于的是，第二氣體種類借助在第二氣體種類的吸收波長(zhǎng)范圍和/或散射波長(zhǎng)范圍中的輻射來(lái)照射，并且通過(guò)第二氣體種類傳輸?shù)闹辽僖粋€(gè)吸收波長(zhǎng)和/或散射波長(zhǎng)的強(qiáng)度被測(cè)量。在方法步驟c)之后，方法步驟a)、b)、c)以及必要時(shí)的a0)可以為了確定另外的第一氣體種類的濃度而一次或者多次地重新進(jìn)行，其中在方法步驟a)中將另外的第一氣體種類轉(zhuǎn)化為與在前面的方法步驟過(guò)程中相同的第二氣體種類或者轉(zhuǎn)化為另一第二氣體種類。在此，在方法步驟a)中可以設(shè)置不同于前面的方法步驟過(guò)程中的溫度和/或使用 不同于前面的方法步驟過(guò)程中的催化器。在方法步驟b)和必要時(shí)方法步驟a0)中，在此可以進(jìn)行具有不同于前面方法步驟過(guò)程中的吸收波長(zhǎng)和/或散射波長(zhǎng)的光譜學(xué)測(cè)量。在方法步驟a)中的轉(zhuǎn)化尤其可以取決于溫度和/或氧氣分壓力。在一個(gè)實(shí)施形式的范圍中，因此在方法步驟c)中確定第一氣體種類的濃度時(shí)考慮溫度和/或氧氣分壓力。


根據(jù)本發(fā)明的主題的另外的優(yōu)點(diǎn)和有利的擴(kuò)展方案通過(guò)附圖表明并且在下面的描述中闡述。在此要注意的是，附圖僅僅具有所描述的特征，并且并未考慮到以任何形式來(lái)限制本發(fā)明。其中
圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器的第一實(shí)施形式的示意性橫截面；
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器的第二實(shí)施形式的示意性橫截面；
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器的第三實(shí)施形式的示意性橫截面；
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器的第四實(shí)施形式的示意性橫截面；
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器的第五實(shí)施形式的示意性橫截面；以及 圖6示出了用于示出在熱力學(xué)平衡中理論上的一氧化氮一二氧化氮比例的圖。圖I示出了氣體傳感器包括測(cè)量單元1，該測(cè)量單元帶有氣體入口 I、氣體出口 II、催化區(qū)域Kl和分析區(qū)域Al，其中催化區(qū)域Kl設(shè)置在分析區(qū)域Al的氣體入口側(cè)。圖I此外示出了氣體傳感器包括催化器2，該催化器設(shè)置在催化區(qū)域Kl中。該催化器可以催化從第一氣體種類到第二氣體種類的反應(yīng)。圖I此外示出了氣體傳感器包括氣體分析器3，用于通過(guò)光譜學(xué)的方式來(lái)測(cè)量分析區(qū)域Al中的第二氣體種類的濃度。在此，氣體分析器3具有輻射源3a和輻射探測(cè)器3b。輻射源3a和輻射探測(cè)器在此設(shè)置在測(cè)量單元I的對(duì)置的側(cè)上。由輻射源3a發(fā)射的輻射(通過(guò)箭頭表明)在此照射分析區(qū)域Al，并且輻射探測(cè)器3b測(cè)量通過(guò)分析區(qū)域Al傳輸?shù)牡诙怏w種類的至少一個(gè)吸收波長(zhǎng)和/或散射波長(zhǎng)的強(qiáng)度。輻射源3a在此可以是至少一個(gè)半導(dǎo)體輻射源。例如，輻射源3a可以包括一個(gè)或者多個(gè)半導(dǎo)體激光二極管和/或一個(gè)或者多個(gè)發(fā)光二極管(LED)。為了能夠?qū)⑤椛渚凼厣涞椒治鰠^(qū)域Al中，并且可以將其在照射輻射區(qū)域Al之后聚束，氣體分析器此外包括兩個(gè)匯聚透鏡3e、3f。為了保護(hù)輻射源3a和輻射探測(cè)器不受熱，它們遠(yuǎn)離測(cè)量單元地設(shè)置，并且借助匯聚透鏡通過(guò)引導(dǎo)輻射的纖維、尤其是玻璃纖維3c、3d來(lái)輻射引導(dǎo)地連接。在圖2中示出的第二實(shí)施形式與圖I中所示的第一實(shí)施形式的主要不同在于，催化器2此外滿足顆粒過(guò)濾功能，并且以測(cè)量單元I的過(guò)濾顆粒的、可通過(guò)氣體的氣體入口壁的形式構(gòu)建。這具有的優(yōu)點(diǎn)是，氣體傳感器的空間需求可以被最小化。此外，對(duì)于催化和顆粒過(guò)濾而言，可以使用共同的催化器一顆粒過(guò)濾器一加熱裝置。在圖3中示出的第三實(shí)施形式與圖I中所示的第一實(shí)施形式的主要不同在于，催化器2以催化區(qū)域中測(cè)量單元I的內(nèi)側(cè)上的涂層的形式來(lái)構(gòu)建，以及為了避免在催化區(qū)域Kl和分析區(qū)域Al之間的渦流，氣體傳感器具有可通過(guò)氣體的、將測(cè)量單元I劃分為催化區(qū)域K12和分析區(qū)域Al的元件5。此外，第三實(shí)施形式與所示的其他實(shí)施形式的區(qū)別在于，氣體分析器具有組合的輻射源一輻射探測(cè)器一裝置3a、3b，其設(shè)置在測(cè)量單元I的一側(cè)上，其中測(cè)量單元I具有輻射反射層6。由輻射源3a發(fā)射的輻射(通過(guò)箭頭表明)在此照射分析區(qū)域Al，被輻射反射層6反射，并且重新照射分析區(qū)域Al (通過(guò)箭頭表明)，使得組合的輻 射源一輻射探測(cè)器一裝置3a、3b可以測(cè)量第二氣體種類的、通過(guò)分析區(qū)域Al傳輸?shù)闹辽僖粋€(gè)吸收波長(zhǎng)和/或散射波長(zhǎng)的強(qiáng)度。在圖4中所示的第四實(shí)施形式與圖I中所示的第一實(shí)施形式的不同一方面主要在于，氣體傳感器此外具有以可更換的單元的形式構(gòu)建的顆粒過(guò)濾器4，以便避免例如由于炭黑顆粒污染和/或弄臟催化器和光學(xué)系統(tǒng)，尤其是氣體分析器3的透鏡3e、3f。另一方面，在圖4中所示的第四實(shí)施形式與圖I中所示的第一實(shí)施形式的主要不同在于，測(cè)量單元I包括另外的、設(shè)置在催化區(qū)域Kl之前的分析區(qū)域Al’，并且氣體傳感器包括另一氣體分析器3’用于通過(guò)光譜學(xué)的方式來(lái)測(cè)量在另外的分析區(qū)域Al’中的第二氣體種類的濃度。另外的氣體分析器3’在此類似于結(jié)合圖I描述的氣體分析器3地構(gòu)建，并且包括輻射源3a’、輻射探測(cè)器3b’、兩個(gè)匯聚透鏡3e’、3f’以及兩個(gè)引導(dǎo)輻射的纖維3c’、3d’。在圖5中所示的第五實(shí)施形式與圖4中所示的第四實(shí)施形式的不同主要在于，氣體傳感器包括第二催化器12、第二氣體分析器13以及第二測(cè)量單元11。第二測(cè)量單元在此與第一測(cè)量單元I 一樣包括氣體入口 I、氣體出口 II、催化區(qū)域Kll以及分析區(qū)域All，其中催化區(qū)域Kll設(shè)置在分析區(qū)域All的氣體入口側(cè)。第二催化器12在此是不同于第一催化器2的催化器。圖6示出了一氧化氮和二氧化氮的熱力學(xué)平衡的溫度相關(guān)性。圖6示出了，在高溫情況下，熱力學(xué)平衡有利于二氧化氮地推移。該事實(shí)可以用于推動(dòng)從作為第一氣體種類的一氧化氮至作為第二氣體種類的二氧化氮的轉(zhuǎn)化。
權(quán)利要求
1.一種氣體傳感器，用于確定一種或者多種氣體種類的濃度，該氣體傳感器包括 -測(cè)量單元(1)，其帶有氣體入口(I)、氣體出口(II)、催化區(qū)域(Kl)和分析區(qū)域(Al)，其中催化區(qū)域(Kl)設(shè)置在分析區(qū)域(Al)的氣體入口側(cè)， -催化器(2)，用于在催化區(qū)域(Kl)中催化從第一氣體種類至第二氣體種類的反應(yīng)，以及 -氣體分析器(3)，用于以光譜學(xué)的方式測(cè)量在分析區(qū)域(Al)中的第二氣體種類的濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣體傳感器，其特征在于，催化器(2，12)是氧化催化器，用于將第一氣體種類氧化為第二氣體種類。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的氣體傳感器，其特征在于，氣體傳感器 -被設(shè)計(jì)用于測(cè)量一氧化氮的濃度，其中催化器是氧化催化器用于將一氧化氮氧化為二氧化氮，和/或 -被設(shè)計(jì)用于測(cè)量氨氣的濃度，其中催化器是氧化催化器用于將氨氣氧化為二氧化氮。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3之一所述的氣體傳感器，其特征在于，催化器(2，12) -集成到測(cè)量單元(I)的可通過(guò)氣體的壁中，和/或 -以涂層的形式構(gòu)建在測(cè)量單元(I)的內(nèi)側(cè)上，和/或 -以可通過(guò)氣體的、將測(cè)量單元(I)劃分的元件的形式來(lái)構(gòu)建。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4之一所述的氣體傳感器，其特征在于，氣體傳感器包括另一氣體分析器(3’)用于以光譜學(xué)的方式在測(cè)量單元(I)的另外的分析區(qū)域(Al’)中來(lái)測(cè)量第二氣體種類的濃度，其中所述另外的分析區(qū)域(Al’ )設(shè)置在催化區(qū)域(Kl)的氣體入口側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5之一所述的氣體傳感器，其特征在于，所述氣體分析器包括至少一個(gè)半導(dǎo)體輻射源，尤其是一個(gè)或者多個(gè)半導(dǎo)體激光二極管和/或一個(gè)或者多個(gè)發(fā)光二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6之一所述的氣體傳感器，其特征在于，氣體傳感器包括兩個(gè)或者更多個(gè)測(cè)量單元(1，11)，其中測(cè)量單元分別具有氣體入口(I)、氣體出口(II)、催化區(qū)域(K1，K11)和分析區(qū)域(A1，A11)，其中催化區(qū)域(K1，K11)分別設(shè)置在分析區(qū)域(A1，A11)的氣體入口側(cè)，并且氣體傳感器此外包括兩個(gè)或者更多個(gè)催化器(2，12)，用于分別在所述催化區(qū)域(KLKll)之一中催化從第一氣體種類至第二氣體種類的反應(yīng)，以及兩個(gè)或者更多個(gè)氣體分析器(3，13)，用于通過(guò)光譜學(xué)的方式來(lái)測(cè)量分別在分析區(qū)域(Al，All)之一中的第二氣體種類的濃度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的氣體傳感器，其特征在于，氣體傳感器包括兩個(gè)或者更多個(gè)不同的催化器(2，12)，用于催化從第一氣體種類到第二氣體種類的不同的反應(yīng)，和/或包括兩個(gè)或者更多個(gè)不同的氣體分析器(3，13)，用于通過(guò)光譜學(xué)的方式來(lái)測(cè)量不同的第二氣體種類的濃度。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8之一所述的氣體傳感器，其特征在于，氣體傳感器包括氣體入口側(cè)的顆粒過(guò)濾器(4)。
10.一種用于確定一種或者多種氣體種類的濃度的方法，該方法包括以下方法步驟 a)將第一氣體種類轉(zhuǎn)化為第二氣體種類；以及b)通過(guò)光譜學(xué)的方式測(cè)量第二氣體種類的濃度；以及 C)從方法步驟b)測(cè)量的第二氣體種類的濃度來(lái)確定第一氣體種類的濃度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，該方法在方法步驟a)之前包括如下方法步驟 a0)通過(guò)光譜學(xué)的方式來(lái)測(cè)量第二氣體種類的濃度， 其中在方法步驟c)中從方法步驟a0)和b)中測(cè)量的第二氣體種類的濃度來(lái)確定第一氣體種類的濃度。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的氣體傳感器，其特征在于，在方法步驟c)中確定第一氣體種類的濃度時(shí)考慮溫度和/或氧氣分壓力。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣體傳感器，用于確定尤其是在內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的一種或者多種氣體種類的濃度，該氣體傳感器包括測(cè)量單元(1)，其帶有氣體入口(I)、氣體出口(II)、催化區(qū)域(K1)和分析區(qū)域(A1)，其中催化區(qū)域(K1)設(shè)置在分析區(qū)域(A1)的氣體入口側(cè)；催化器(2)，用于在催化區(qū)域(K1)中催化從第一氣體種類至第二氣體種類的反應(yīng)；以及氣體分析器(3)，用于以光譜學(xué)的方式測(cè)量在分析區(qū)域(A1)中的第二氣體種類的濃度。通過(guò)催化器(2)，可以將第一氣體種類轉(zhuǎn)化為第二氣體種類，第一氣體種類的吸收波長(zhǎng)和/或散射波長(zhǎng)在目前可用的半導(dǎo)體輻射源的發(fā)射波長(zhǎng)范圍之外，例如為一氧化氮或者氨氣，第二氣體種類例如為二氧化氮，其吸收波長(zhǎng)和/或散射波長(zhǎng)在目前可用的半導(dǎo)體輻射源的發(fā)射波長(zhǎng)范圍之內(nèi)，使得氣體分析器可以具有半導(dǎo)體輻射源。此外，本發(fā)明還涉及一種用于確定尤其是在內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的一種或者多種氣體種類的濃度的方法。
文檔編號(hào)G01N21/31GK102713568SQ201080062835
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2010年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月1日
發(fā)明者P.內(nèi)夫, R.菲克斯 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司