DE19516974A1 - Photo-acoustic gas sensor for monitoring air-conditioned room - Google Patents
Photo-acoustic gas sensor for monitoring air-conditioned roomInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen photoakustischen Gassensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a photoacoustic gas sensor according to the preamble of Claim 1.
Solche Gassensoren eignen sich beispielsweise zum Nachweis eines bestimmten Gases oder auch zur Bestimmung der Konzentration eines bestimmten Gases in einem Raum.Such gas sensors are suitable, for example, for the detection of a specific gas or also for Determination of the concentration of a specific gas in a room.
Gassensoren dieser Art werden vorteilhaft in der Klimatechnik in Gebäuden zur Messung der Konzentration von Kohlendioxid CO₂ in einem Raum verwendet.Gas sensors of this type are advantageous in air conditioning technology in buildings for measuring the Concentration of carbon dioxide CO₂ used in a room.
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.A photoacoustic gas sensor of the type mentioned in the preamble of claim 1 is made EP 0 590 813 A1 and also generally known from photoacoustic spectrometry. Of the Photoacoustic effect, in which radiation energy is converted into sound energy, occurs in the gas sensor when, when irradiating intensity-modulated light of a certain wavelength into a gas, from Gas absorbed energy is converted into heat. The oscillations of pressure resulting in the gas or volume can be measured using a measuring microphone.
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.The known gas sensor only delivers a for a certain gas concentration over a longer period of time the temperature-independent output signal when the measuring microphone used in the gas sensor in is essentially independent of age and temperature and is therefore expensive. The manufacturing cost of the Known photoacoustic gas sensors are expensive due to the necessarily to be installed Measurement microphone significantly increased. The sensitivity of inexpensive microphones - for example Condenser microphones - is, however, in contrast to the sensitivity of measurement microphones, strongly depending on the temperature. Furthermore, the sensitivity of the inexpensive microphones is also still strongly age-dependent.
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.The invention has for its object a working on the photoacoustic principle To improve gas sensor so that even a microphone, the sensitivity of which strongly depends on the temperature and is dependent on aging, can be used in the gas sensor.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.According to the invention, the stated object is achieved by the features of claim 1. Beneficial Refinements result from the dependent claims.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der einzigen Zeichnungsfigur näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are described in more detail below with reference to the single drawing figure explained.
Die einzige Zeichnungsfigur zeigt den photoakustischen Gassensor in einer schematischen Darstellung.The only drawing figure shows the photoacoustic gas sensor in a schematic representation.
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.In the single drawing figure, 1 denotes a measuring chamber of a gas sensor operating according to the photoacoustic effect. An air filter 2 is arranged on the measuring chamber 1 , through which a gas V to be detected by the gas sensor can be fed into the measuring chamber 1 . The measuring chamber 1 has an optical bandpass filter 3 , through which light of a certain wavelength λ can be radiated into the measuring chamber 1 . The gas sensor has a switchable light source 4 , by means of which a pulsating light beam impinging on the optical bandpass filter 3 can be generated. The spectrum of the light source 4 has at least the wavelength λ. A microphone 5 is also arranged on the measuring chamber 1 . The microphone 5 is advantageously followed by a selective amplifier 6 for amplifying an output signal S of the microphone 5 and for suppressing interference.
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.A controllable sound generator 7 is advantageously arranged on the measuring chamber 1 . In an advantageous embodiment of the gas sensor, the measuring chamber 1 has an opening 8 in the area of the sound generator 7 , which opening is covered by the sound generator 7 . By means of the sound generator 7 , a reference tone or a reference noise J for the calibration of the output signal S of the microphone 5 can advantageously be generated by a control device 9 . Forming the opening 8 has the advantage that with the sound generator 7, the reference noise J can be generated with the same power on the part of the control unit 9 with a larger sound level inside the measuring chamber 1 .
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.The sound generator 7 is a commercially available, inexpensive loudspeaker. A loudspeaker that works according to the reciprocal piezoelectric effect can advantageously be used. Speakers operating according to the reciprocal piezoelectric effect, with which loudspeakers can be used to convert an electrical voltage change into sound energy caused by crystal movement, are also referred to as piezo buzzers.
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.The control unit 9 advantageously has a first output 10 connected to the sound generator 5 for a first signal i 1 for generating the reference noise J. Furthermore, the control unit 9 advantageously has a second output 11 connected to the light source 4 for a second signal i 2 for modulation the intensity of the light source 4 . The second signal i₂ preferably has a frequency in the order of 20 Hz, whereby the light source 4 can be operated with a periodic pulse. The pulsating light source 4 may excite existing molecules in the measuring chamber 1 , which absorb light of the wavelength λ in a known manner, whereby noises generated by the photoacoustic effect are converted by the microphone 4 into the signal S. The amplifier 6 is advantageously connected on the output side to an input 12 of the control unit 9 .
Dadurch, daß der Gassensor den Schallgeber 7 aufweist ist ein vorteilhaftes Verfahren zur Eichung des Gassensors durchführbar. Das Verfahren umfaßt grundsätzlich folgende Schritte:Because the gas sensor has the sound generator 7 , an advantageous method for calibrating the gas sensor can be carried out. The procedure basically comprises the following steps:
- - 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.- A first step in which the reference signal J is generated by the first signal i 1 in the sound generator 7 , the light source 4 being advantageously switched off.
- - 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 undA second step in which the signal S generated by the reference noise J in the microphone 5 is preferably selectively amplified and detected as a reference value R and
- - einen dritten Schritt, in dem der Referenzwert R abgespeichert wird.a third step in which the reference value R is stored.
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.The output signal S of the microphone 5 generated by the photoacoustic effect and amplified by the amplifier 6 during a measurement of the concentration of the gas V in the gas sensor can be corrected by the control unit 9 by means of the reference value R.
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.The gas sensor can be calibrated using the method described above, preferably periodically, if necessary, with which the measurement errors caused by the temperature dependence of the microphone 5 or by its aging can be eliminated.
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.The control unit 9 advantageously has a microprocessor 13 and a memory 14 which can be used to store the reference value R. The reference value R is advantageously determined by the microprocessor 13 . Furthermore, the two signals i₂ and i₁ are advantageously generated and controlled using the microprocessor 13 . An output value K, which is advantageously determined by control unit 9, is available at a third output 15 . Depending on the requirements of the gas sensor, the measured value K is, for example, a measure of the concentration of the gas V. In a variant of the gas sensor, the measured value K is a binary value which indicates whether the concentration of the gas V exceeds a certain threshold value or not.
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.If the amplifier 6 is designed for the selective amplification of signals with the frequency of the signal i₂ or i₁, a disturbing noise of the signal S in the amplifier 6 is effectively suppressed.
Vorteilhafterweise haben die beiden Signale i₁ und i₂ die gleiche Frequenz, damit elektronische Baugruppen des Gassensors, insbesondere der selektive Verstärker 6, kostengünstig ausführbar sind.Advantageously, the two signals i₁ and i₂ have the same frequency, so that electronic assemblies of the gas sensor, in particular the selective amplifier 6 , can be carried out inexpensively.
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. The optical bandpass filter 3 is advantageously designed in a known manner as an interference filter, the filter characteristic being designed for the gas V to be detected or measured. If the gas to be measured V is, for example, CO₂, then the optical bandpass filter 3 is transparent to infrared light of the wavelength of 4.25 μm, which means that the controlled light source 4 and the bandpass filter 3 periodically monochromatic light control of the wavelength of 4.25 μm in the Measuring chamber 1 is accessible.
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.The calibratable gas sensor with the sound generator 7 can in principle be designed in a known manner for measuring or detecting a specific gas, in particular the optical bandpass filter 3 being designed for the wavelength λ associated with the gas and the frequency of the two signals i 1 and i 2 being adapted if necessary. The calibratable gas sensor can be designed, for example, for measuring or detecting an oxygen or nitrogen compound such as CO, CO₂ or NO.
Claims (3)
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.1. Photoacoustic gas sensor with
a measuring chamber ( 1 ),
an air filter ( 2 ) arranged on the measuring chamber ( 1 ), through which a gas (V) to be detected by the gas sensor can be admitted into the measuring chamber ( 1 ),
an optical bandpass filter ( 3 ) arranged on the measuring chamber ( 1 ), through which light of a certain wavelength (λ) can be fed into the measuring chamber ( 1 ),
a switchable light source ( 4 ), by means of which a light pulse impinging on the optical bandpass filter ( 3 ) can be generated,
a microphone ( 5 ) arranged on the measuring chamber ( 1 ) and
with a selective amplifier ( 6 ) connected downstream of the microphone ( 5 ) for amplifying an electrical output signal (S) of the microphone ( 5 ),
characterized in that a controllable sound generator ( 7 ) is arranged on the measuring chamber ( 1 ), with which a reference noise (J) for calibrating the output signal (S) of the microphone ( 5 ) can be generated.
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.2. Photoacoustic gas sensor according to claim 1, characterized in
that the amplifier ( 6 ) is connected on the output side to an input ( 12 ) of a control unit ( 9 ),
that the control device ( 9 ) has an output ( 10 ) connected to the sound generator ( 7 ),
that from the reference signal (J) generated by the microphone ( 5 ) and amplified by the amplifier output signal (S) of the microphone ( 5 ) by the control unit ( 9 ) a reference value (R) can be calculated and stored in the control unit ( 9 ) and
that the output signal (S) of the microphone ( 5 ) generated by the photoacoustic effect and amplified by the amplifier ( 6 ) can be corrected by the control device ( 9 ) by means of the reference value (R).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8130 | Withdrawal |