用于測量目標(biāo)氣體濃度的氣體感測結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于測量目標(biāo)氣體濃度的的氣體感測結(jié)構(gòu)，該氣體感測結(jié)構(gòu)具有:輻射裝置，借助該輻射裝置，輻射能量可輻射通過包含目標(biāo)氣體的空間；輻射接收裝置，借助該輻射接收裝置可檢測由輻射裝置輻射出的輻射能量；濾波裝置，該濾波裝置分配給輻射接收裝置，并且可透過對應(yīng)于目標(biāo)氣體的波長范圍的輻射；以及控制和分析裝置，該控制和分析裝置連接到輻射接收裝置，并且借助該控制和分析裝置，基于由輻射接收裝置施加于控制和分析裝置的檢測信號可計(jì)算出目標(biāo)氣體濃度。
【背景技術(shù)】
[0002]這種氣體感測結(jié)構(gòu)越來越多地應(yīng)用于監(jiān)測空氣質(zhì)量，其中，特別是監(jiān)測外部空氣的質(zhì)量和/或存在于內(nèi)部空間、特別是車輛的內(nèi)部空間中的空氣的質(zhì)量。
[0003]對于監(jiān)測內(nèi)部空間的空氣質(zhì)量應(yīng)確保在這種空氣質(zhì)量可能變差的情況下能以適當(dāng)?shù)拇胧﹣響?yīng)對。
[0004]—段時(shí)間以來，在車輛范圍內(nèi)使用對此合適的氣體感測結(jié)構(gòu)，其中包括金屬氧化物傳感器(M0S)，借助這種傳感器可監(jiān)測空氣是否存在V0C (揮發(fā)性有機(jī)化合物)。通過應(yīng)用這種氣體感測結(jié)構(gòu)，在處于車內(nèi)空間中的空氣的V0C濃度過高的情況下，可自動接通車輛通風(fēng)，以進(jìn)行換氣。
[0005]在車輛中越來越多地使用空調(diào)設(shè)備，在空調(diào)設(shè)備中將二氧化碳(C02)用作制冷劑。由于在二氧化碳在車內(nèi)空氣中的濃度升高時(shí)二氧化碳會導(dǎo)致車輛駕駛員的疲勞現(xiàn)象和瞌睡，也采用氣體感測結(jié)構(gòu)來監(jiān)測空調(diào)設(shè)備中的泄漏量。在這些情況下，構(gòu)造成C02_感測結(jié)構(gòu)的氣體感測結(jié)構(gòu)在車內(nèi)空氣中的0)2濃度不可忍受時(shí)觸發(fā)警報(bào)或者作用于車輛通風(fēng)系統(tǒng)的控制裝置，以使得停止由于車內(nèi)空氣中的C02含量過高而造成的危害。這例如可以通過加大車輛內(nèi)部空間中的空氣流量來完成，由此可減少車輛內(nèi)部空間的C02濃度。
[0006]由DE 10 2004 024 284 A1已知一種用于監(jiān)測車內(nèi)空間中的空氣質(zhì)量的方法，其中，借助適于獲取co2的氣體感測結(jié)構(gòu)應(yīng)實(shí)現(xiàn)防止對于車輛內(nèi)部空間中的生物來說的危險(xiǎn)。在此，除了車內(nèi)空間的0)2含量外還監(jiān)測車內(nèi)溫度。當(dāng)在車內(nèi)溫度相對較高的情況下獲悉可預(yù)先定義的C02上升梯度時(shí)，可確定例如孩童或?qū)櫸镏惖纳锾幱谲囕v的內(nèi)部空間中。在此，C02上升梯度標(biāo)志著在車輛的內(nèi)部空間中進(jìn)行呼吸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]從前述現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種用于測量目標(biāo)氣體濃度的氣體感測結(jié)構(gòu)，該氣體感測結(jié)構(gòu)可借助相對較少的技術(shù)構(gòu)造耗費(fèi)來實(shí)現(xiàn)，并且可完成極為可靠且精確的測量，特別是在需要防止危險(xiǎn)的措施的情況下。
[0008]該任務(wù)根據(jù)本發(fā)明通過如下方式來解決:氣體感測結(jié)構(gòu)構(gòu)造成非色散紅外光譜法(NDIR)-氣體感測結(jié)構(gòu)，NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)的輻射裝置具有至少兩個(gè)紅外輻射源，并且NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)的輻射裝置的至少兩個(gè)紅外輻射源中的每一個(gè)布置成相對于NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)的構(gòu)造成紅外輻射接收單元的輻射接收裝置而言具有不同的光學(xué)距離。替代地，該解決方案可在于:除了將氣體感測結(jié)構(gòu)構(gòu)造成NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)外，NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)的輻射接收裝置具有至少兩個(gè)紅外輻射接收單元，并且氣體感測結(jié)構(gòu)的輻射接收裝置的至少兩個(gè)紅外輻射接收單元中的每一個(gè)布置成相對于NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)的構(gòu)造成紅外輻射源的輻射裝置而言具有不同的光學(xué)距離。由于用于輻射接收裝置的經(jīng)濟(jì)耗費(fèi)目前高于用于輻射源的經(jīng)濟(jì)耗費(fèi)，目前根據(jù)本發(fā)明的NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)設(shè)有兩個(gè)紅外福射源和一個(gè)紅外福射接收單元。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，在NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)的情況中實(shí)現(xiàn)不同的測量路程，其中，根據(jù)結(jié)構(gòu)輪廓和測量目的的不同，對應(yīng)合適的測量路程會是測量的基礎(chǔ)。在較長的光學(xué)測量路程或光路的情況下，對于較低的目標(biāo)氣體濃度可實(shí)現(xiàn)較高的靈敏度和由此更好的分辨率和精度。但在非常高的目標(biāo)氣體濃度的情況下，較長的光路會導(dǎo)致氣體感測結(jié)構(gòu)近乎處于飽和狀態(tài)下。盡管目標(biāo)氣體濃度進(jìn)一步升高，但以相對較低的經(jīng)濟(jì)耗費(fèi)不再能測量到由紅外輻射接收單元所接收的紅外輻射能量的變化。對于較高的濃度，可采用紅外輻射源和紅外輻射接收單元之間較短的光路。但這在較低的目標(biāo)氣體濃度的情況下又伴隨著較低的靈敏度和因此較小的分辨率。在根據(jù)本發(fā)明的NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)的情況下，可根據(jù)對信號質(zhì)量的要求和根據(jù)所獲悉的目標(biāo)氣體濃度來實(shí)現(xiàn)合適的運(yùn)行方式。
[0010]由于根據(jù)本發(fā)明的氣體感測結(jié)構(gòu)構(gòu)造成NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)，可確保能以較高的可靠度和精度來實(shí)施，因?yàn)榕c其它為了在此相應(yīng)的使用目的而設(shè)的氣體感測結(jié)構(gòu)、特別是具有金屬氧化物傳感器的氣體感測結(jié)構(gòu)相比，NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)的橫向敏感度針對對于測量來說不相關(guān)的氣體和特別是針對空氣濕度來說非常小。
[0011 ] 紅外輻射裝置和紅外輻射接收單元屬于該NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)。在紅外輻射接收單元之前布置有濾波裝置，該濾波裝置僅使對于紅外輻射接收單元的對應(yīng)測量目的相關(guān)的波長能通過。該波長取決于待監(jiān)測的目標(biāo)氣體。在NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)中，為了獲悉0)2含量，該波長例如為4.26微米，因?yàn)?)2的吸收帶在此范圍內(nèi)。如果采用用于監(jiān)測HC (碳?xì)浠衔?的NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)，則波長選擇為例如3.3微米。
[0012]借助NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)的紅外輻射接收單元，可測量從紅外輻射裝置傳遞到紅外輻射接收單元的能量。如果現(xiàn)在關(guān)于其濃度待獲悉的目標(biāo)氣體進(jìn)入紅外輻射裝置與紅外輻射接收單元之間的輻射程內(nèi)，則輻射能量的一部分在特定的波長下由處于該輻射程內(nèi)的目標(biāo)氣體吸收。這種吸收根據(jù)朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律主要取決于紅外輻射裝置與紅外輻射接收單元之間的測量路程的平均光路長度以及目標(biāo)氣體的濃度。朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律為:
[0013]I = I。.10.c.d
[0014]在此，I。是在沒有目標(biāo)氣體的情況下傳遞的能量
[0015]c目標(biāo)氣體濃度
[0016]d紅外輻射源與紅外輻射接收器之間的測量路程的平均光路長度
[0017]以及
[0018]取決于目標(biāo)氣體的常數(shù)。
[0019]目標(biāo)氣體濃度c根據(jù)上述給出的公式進(jìn)行計(jì)算。在理想情況下，I。、d和為常數(shù)。對于該情況，借助紅外輻射接收單元測量待傳遞的能量I和根據(jù)公式計(jì)算氣體濃度c就夠了。氣體濃度C越高，傳遞的能量就越少。這是有意義的，因?yàn)閷?dǎo)致能量傳遞減少的所有影響因素會導(dǎo)致氣體濃度C的過高的值。對于精確的測量結(jié)果，紅外輻射裝置的、在非常長的時(shí)間段內(nèi)為恒定的輻射功率是針對計(jì)劃的測量專用的波長的先決條件。紅外輻射裝置與紅外輻射接收單元之間的測量路程的平均光路長度也不允許改變。
[0020]如果例如為了提高NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)的檢測信號的信號質(zhì)量可采用反射表面，以使得由紅外輻射裝置發(fā)出的輻射能量的較大一部分集中到紅外輻射接收單元上，則更重要的是構(gòu)成反射表面的材料的反射特性是穩(wěn)定的，并且也在NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)的可能較長的使用壽命期間不改變。否則，反射性降低或者紅外輻射裝置的輻射功率降低始終會被認(rèn)為是過高的目標(biāo)氣體濃度。根據(jù)本發(fā)明的NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)的使用情況不同，在此情況下，可能觸發(fā)錯(cuò)誤警報(bào)，當(dāng)然這應(yīng)當(dāng)予以避免。
[0021]由現(xiàn)有技術(shù)例如已知為了減少NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)的紅外輻射源的變化以及也為了減少NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)的電能的消耗，脈動地運(yùn)行紅外輻射源。例如，當(dāng)每5秒就有更新的測量值可供使用時(shí)，對于一些應(yīng)用和目的來說就夠了。紅外輻射源僅每5秒接通直至其達(dá)到全輻射功率。為此經(jīng)常500到1000毫秒就夠了。在約定的時(shí)間間隔之后，在紅外輻射接收器處測量接收功率，其中，在后續(xù)的控制和分析裝置中由就此獲得的檢測信號可計(jì)算出目標(biāo)氣體濃度。
[0022]對于將電池作為電能源的NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)，由現(xiàn)有技術(shù)已知的脈動運(yùn)行方式與對于許多使用目的來說過高的能耗相關(guān)。為了解決該問題在根據(jù)本發(fā)明的NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)的情況下規(guī)定，NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)的紅外輻射裝置能以不同的功率來運(yùn)行。由此，可實(shí)現(xiàn)明顯附加的能量節(jié)約。
[0023]因此，例如對于為了車輛空調(diào)設(shè)備的0)2泄漏識別而使用NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)的情況，警報(bào)閾值是適宜的且是有意義的，該警報(bào)閾值高于lOOOOppm的目標(biāo)氣體或C02濃度(1.0體積％ )。對此目的有意義的測量范圍的上限經(jīng)常高于100000ppm(10.0體積％ )。
[0024]如果要獲悉是否在內(nèi)部空間中有生物，則需要NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)的完全不同的測量范圍作為前述提及的空調(diào)設(shè)備的C02泄漏識別。如果為了獲悉內(nèi)部空間內(nèi)是否存在生物而使用NDIR-氣體感測結(jié)構(gòu)，則在直到1000ppm(0.1體積％ )的濃度范圍內(nèi)要求表征C02濃度的檢測信號的高分辨率和精度。這應(yīng)以如下實(shí)施例來闡釋:
[0025]睡著的嬰兒每分鐘約有20次呼吸。每次呼吸的空氣量為約100毫升。嬰兒每分鐘對應(yīng)地呼出0.08升C02 (在呼吸空氣增加0.04體積％ 0)2的情況下)。一小時(shí)為約5升C02O
[0026]當(dāng)待監(jiān)測的內(nèi)部空間具有約為5立方米、即5000升的體積時(shí)，嬰兒在一小時(shí)后使0)2濃度升高0.1體積％ C02O如果車輛在大太陽下、在半個(gè)小時(shí)內(nèi)