用于測(cè)量目標(biāo)氣體濃度的氣體感測(cè)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(cè)量目標(biāo)氣體濃度的的氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)，該氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)具有:輻射源，借助該輻射源，輻射能量可輻射通過包含目標(biāo)氣體的空間；輻射接收器，借助該輻射接收器可檢測(cè)由輻射源輻射出的輻射能量；濾波器，該濾波器分配給輻射接收器，并且可透過對(duì)應(yīng)于目標(biāo)氣體的波長(zhǎng)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器，并且借助該控制和分析裝置基于由輻射接收器施加于控制和分析裝置的檢測(cè)信號(hào)可計(jì)算出目標(biāo)氣體濃度。
【背景技術(shù)】
[0002]這種氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)越來越多地應(yīng)用于監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量，其中，特別是監(jiān)測(cè)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(duì)于監(jiān)測(cè)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(duì)。
[0004]—段時(shí)間以來，在車輛范圍內(nèi)使用對(duì)此合適的氣體感測(cè)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(cè)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(cè)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(dòng)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(huì)導(dǎo)致車輛駕駛員的疲勞現(xiàn)象和瞌睡，也采用氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)來監(jiān)測(cè)空調(diào)設(shè)備中的泄漏量。在這些情況下，構(gòu)造成C02_感測(cè)結(jié)構(gòu)的氣體感測(cè)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(cè)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(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)實(shí)現(xiàn)防止對(duì)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(cè)車內(nèi)溫度。當(dāng)在車內(nèi)溫度相對(duì)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(cè)量目標(biāo)氣體濃度的氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)，該氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)可借助相對(duì)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(cè)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(cè)結(jié)構(gòu)構(gòu)造成非色散紅外光譜法(NDIR)-氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)，該NDIR-氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)具有作為輻射源的紅外輻射源和作為輻射接收器的紅外輻射接收器，并且NDIR-氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)的紅外輻射源能以不同的功率運(yùn)行。
[0009]由于根據(jù)本發(fā)明的氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)構(gòu)造成NDIR-氣體感測(cè)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(cè)結(jié)構(gòu)、特別是具有金屬氧化物傳感器的氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)相比，NDIR-氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)的橫向敏感度針對(duì)對(duì)于測(cè)量來說不相關(guān)的氣體和特別是針對(duì)空氣濕度來說非常小。
[0010]紅外輻射源和紅外輻射接收器屬于該NDIR-氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)。在紅外輻射接收器之前布置有濾波器，該濾波器僅使對(duì)于紅外輻射接收器的對(duì)應(yīng)測(cè)量目的相關(guān)的波長(zhǎng)能通過。該波長(zhǎng)取決于待監(jiān)測(cè)的目標(biāo)氣體。在NDIR-氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)中，為了獲悉C02含量，該波長(zhǎng)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(cè)HC(碳?xì)浠衔?的NDIR-氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)，則波長(zhǎng)選擇為例如3.3微米。
[0011]借助NDIR-氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)的紅外輻射接收器，可測(cè)量從紅外輻射源傳遞到紅外輻射接收器的能量。如果現(xiàn)在關(guān)于其濃度待獲悉的目標(biāo)氣體進(jìn)入紅外輻射源與紅外輻射接收器之間的輻射程內(nèi)，則輻射能量的一部分在特定的波長(zhǎng)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福射源與紅外福射接收器之間的測(cè)量路程的平均光路長(zhǎng)度以及目標(biāo)氣體的濃度。朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律為:
[0012]I = I。.10.c.d
[0013]在此，I。是沒有目標(biāo)氣體情況下傳遞的能量
[0014]c目標(biāo)氣體濃度
[0015]d紅外輻射源與紅外輻射接收器之間的測(cè)量路程的平均光路長(zhǎng)度
[0016]以及
[0017]取決于目標(biāo)氣體的常數(shù)。
[0018]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(duì)于該情況，借助紅外輻射接收器測(cè)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(huì)導(dǎo)致氣體濃度c的過高的值。對(duì)于精確的測(cè)量結(jié)果，紅外輻射源的、在非常長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)為恒定的輻射功率是針對(duì)計(jì)劃的測(cè)量專用的波長(zhǎng)的先決條件。紅外輻射源與紅外輻射接收器之間的測(cè)量路程的平均光路長(zhǎng)度也不允許改變。
[0019]如果例如為了提高NDIR-氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量可采用反射表面，以使得由紅外輻射源發(fā)出的輻射能量的較大一部分集中到紅外輻射接收器上，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(cè)結(jié)構(gòu)的可能較長(zhǎng)的使用壽命期間不改變。否則，反射性降低或者紅外輻射源的輻射功率降低始終會(huì)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(cè)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。
[0020]由現(xiàn)有技術(shù)例如已知為了減少NDIR-氣體感測(cè)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(cè)結(jié)構(gòu)的電能的消耗，脈動(dòng)地運(yùn)行紅外輻射源。例如，當(dāng)每5秒就有更新的測(cè)量值可供使用時(shí)，對(duì)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(cè)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(cè)信號(hào)可計(jì)算出目標(biāo)氣體濃度。
[0021]對(duì)于將電池作為電能源的NDIR-氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)，由現(xiàn)有技術(shù)已知的脈動(dòng)運(yùn)行方式與對(duì)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(cè)結(jié)構(gòu)的情況下規(guī)定，NDIR-氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)的紅外輻射源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。
[0022]因此，例如對(duì)于為了車輛空調(diào)設(shè)備的0)2泄漏識(shí)別而使用NDIR-氣體感測(cè)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(duì)此目的有意義的測(cè)量范圍的上限經(jīng)常高于100000ppm(10.0體積％ )。
[0023]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(cè)結(jié)構(gòu)的完全不同的測(cè)量范圍作為前述提及的空調(diào)設(shè)備的C02泄漏識(shí)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(cè)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(cè)信號(hào)的高分辨率和精度。這應(yīng)以如下實(shí)施例來闡釋:
[0024]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(duì)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
[0025]當(dāng)待監(jiān)測(cè)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(yáng)下、在半個(gè)小時(shí)內(nèi)會(huì)在內(nèi)部空間中達(dá)到高于60攝氏度水平的臨界溫度，NDIR-氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)能可靠地識(shí)別0.05體積％ (500ppm)C02的C02濃度上升。如果NDIR-氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)的紅外輻射源不以不同的功率來根據(jù)本發(fā)明規(guī)定運(yùn)行，貝由現(xiàn)有技術(shù)已知的NDIR-氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)在400ppm與5000ppm之間的測(cè)量范圍內(nèi)會(huì)有明顯過小的分辨率。
[0026]為了闡釋根據(jù)本發(fā)明的NDIR-氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，補(bǔ)充參照這種NDIR-氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)的主要能耗器之一是紅外輻射源。對(duì)于具有特別低的能耗的NDIR-氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)，因此必須改變紅外輻射源的運(yùn)行方式，如由現(xiàn)有技術(shù)已知那樣。為此假定在NDIR-氣體感測(cè)結(jié)構(gòu)的紅外輻射接收器中接收的輻射能量與從紅外輻射源輻射出的輻射能量成比例。由紅外輻射源輻射出的輻射能量又