用于测量目标气体浓度的气体感测结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于测量目标气体浓度的的气体感测结构，该气体感测结构具有:辐射装置，借助该辐射装置，辐射能量可辐射通过包含目标气体的空间；辐射接收装置，借助该辐射接收装置可检测由辐射装置辐射出的辐射能量；滤波装置，该滤波装置分配给辐射接收装置，并且可透过对应于目标气体的波长范围的辐射；以及控制和分析装置，该控制和分析装置连接到辐射接收装置，并且借助该控制和分析装置，基于由辐射接收装置施加于控制和分析装置的检测信号可计算出目标气体浓度。
【背景技术】
[0002]这种气体感测结构越来越多地应用于监测空气质量，其中，特别是监测外部空气的质量和/或存在于内部空间、特别是车辆的内部空间中的空气的质量。
[0003]对于监测内部空间的空气质量应确保在这种空气质量可能变差的情况下能以适当的措施来应对。
[0004]—段时间以来，在车辆范围内使用对此合适的气体感测结构，其中包括金属氧化物传感器(M0S)，借助这种传感器可监测空气是否存在V0C (挥发性有机化合物)。通过应用这种气体感测结构，在处于车内空间中的空气的V0C浓度过高的情况下，可自动接通车辆通风，以进行换气。
[0005]在车辆中越来越多地使用空调设备，在空调设备中将二氧化碳(C02)用作制冷剂。由于在二氧化碳在车内空气中的浓度升高时二氧化碳会导致车辆驾驶员的疲劳现象和瞌睡，也采用气体感测结构来监测空调设备中的泄漏量。在这些情况下，构造成C02_感测结构的气体感测结构在车内空气中的0)2浓度不可忍受时触发警报或者作用于车辆通风系统的控制装置，以使得停止由于车内空气中的C02含量过高而造成的危害。这例如可以通过加大车辆内部空间中的空气流量来完成，由此可减少车辆内部空间的C02浓度。
[0006]由DE 10 2004 024 284 A1已知一种用于监测车内空间中的空气质量的方法，其中，借助适于获取co2的气体感测结构应实现防止对于车辆内部空间中的生物来说的危险。在此，除了车内空间的0)2含量外还监测车内温度。当在车内温度相对较高的情况下获悉可预先定义的C02上升梯度时，可确定例如孩童或宠物之类的生物处于车辆的内部空间中。在此，C02上升梯度标志着在车辆的内部空间中进行呼吸。
【发明内容】
[0007]从前述现有技术出发，本发明的任务在于提供一种用于测量目标气体浓度的气体感测结构，该气体感测结构可借助相对较少的技术构造耗费来实现，并且可完成极为可靠且精确的测量，特别是在需要防止危险的措施的情况下。
[0008]该任务根据本发明通过如下方式来解决:气体感测结构构造成非色散红外光谱法(NDIR)-气体感测结构，NDIR-气体感测结构的辐射装置具有至少两个红外辐射源，并且NDIR-气体感测结构的辐射装置的至少两个红外辐射源中的每一个布置成相对于NDIR-气体感测结构的构造成红外辐射接收单元的辐射接收装置而言具有不同的光学距离。替代地，该解决方案可在于:除了将气体感测结构构造成NDIR-气体感测结构外，NDIR-气体感测结构的辐射接收装置具有至少两个红外辐射接收单元，并且气体感测结构的辐射接收装置的至少两个红外辐射接收单元中的每一个布置成相对于NDIR-气体感测结构的构造成红外辐射源的辐射装置而言具有不同的光学距离。由于用于辐射接收装置的经济耗费目前高于用于辐射源的经济耗费，目前根据本发明的NDIR-气体感测结构的设计设有两个红外福射源和一个红外福射接收单元。
[0009]根据本发明，在NDIR-气体感测结构的情况中实现不同的测量路程，其中，根据结构轮廓和测量目的的不同，对应合适的测量路程会是测量的基础。在较长的光学测量路程或光路的情况下，对于较低的目标气体浓度可实现较高的灵敏度和由此更好的分辨率和精度。但在非常高的目标气体浓度的情况下，较长的光路会导致气体感测结构近乎处于饱和状态下。尽管目标气体浓度进一步升高，但以相对较低的经济耗费不再能测量到由红外辐射接收单元所接收的红外辐射能量的变化。对于较高的浓度，可采用红外辐射源和红外辐射接收单元之间较短的光路。但这在较低的目标气体浓度的情况下又伴随着较低的灵敏度和因此较小的分辨率。在根据本发明的NDIR-气体感测结构的情况下，可根据对信号质量的要求和根据所获悉的目标气体浓度来实现合适的运行方式。
[0010]由于根据本发明的气体感测结构构造成NDIR-气体感测结构，可确保能以较高的可靠度和精度来实施，因为与其它为了在此相应的使用目的而设的气体感测结构、特别是具有金属氧化物传感器的气体感测结构相比，NDIR-气体感测结构的横向敏感度针对对于测量来说不相关的气体和特别是针对空气湿度来说非常小。
[0011 ] 红外辐射装置和红外辐射接收单元属于该NDIR-气体感测结构。在红外辐射接收单元之前布置有滤波装置，该滤波装置仅使对于红外辐射接收单元的对应测量目的相关的波长能通过。该波长取决于待监测的目标气体。在NDIR-气体感测结构中，为了获悉0)2含量，该波长例如为4.26微米，因为0)2的吸收带在此范围内。如果采用用于监测HC (碳氢化合物)的NDIR-气体感测结构，则波长选择为例如3.3微米。
[0012]借助NDIR-气体感测结构的红外辐射接收单元，可测量从红外辐射装置传递到红外辐射接收单元的能量。如果现在关于其浓度待获悉的目标气体进入红外辐射装置与红外辐射接收单元之间的辐射程内，则辐射能量的一部分在特定的波长下由处于该辐射程内的目标气体吸收。这种吸收根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律主要取决于红外辐射装置与红外辐射接收单元之间的测量路程的平均光路长度以及目标气体的浓度。朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律为:
[0013]I = I。.10.c.d
[0014]在此，I。是在没有目标气体的情况下传递的能量
[0015]c目标气体浓度
[0016]d红外辐射源与红外辐射接收器之间的测量路程的平均光路长度
[0017]以及
[0018]取决于目标气体的常数。
[0019]目标气体浓度c根据上述给出的公式进行计算。在理想情况下，I。、d和为常数。对于该情况，借助红外辐射接收单元测量待传递的能量I和根据公式计算气体浓度c就够了。气体浓度C越高，传递的能量就越少。这是有意义的，因为导致能量传递减少的所有影响因素会导致气体浓度C的过高的值。对于精确的测量结果，红外辐射装置的、在非常长的时间段内为恒定的辐射功率是针对计划的测量专用的波长的先决条件。红外辐射装置与红外辐射接收单元之间的测量路程的平均光路长度也不允许改变。
[0020]如果例如为了提高NDIR-气体感测结构的检测信号的信号质量可采用反射表面，以使得由红外辐射装置发出的辐射能量的较大一部分集中到红外辐射接收单元上，则更重要的是构成反射表面的材料的反射特性是稳定的，并且也在NDIR-气体感测结构的可能较长的使用寿命期间不改变。否则，反射性降低或者红外辐射装置的辐射功率降低始终会被认为是过高的目标气体浓度。根据本发明的NDIR-气体感测结构的使用情况不同，在此情况下，可能触发错误警报，当然这应当予以避免。
[0021]由现有技术例如已知为了减少NDIR-气体感测结构的红外辐射源的变化以及也为了减少NDIR-气体感测结构的电能的消耗，脉动地运行红外辐射源。例如，当每5秒就有更新的测量值可供使用时，对于一些应用和目的来说就够了。红外辐射源仅每5秒接通直至其达到全辐射功率。为此经常500到1000毫秒就够了。在约定的时间间隔之后，在红外辐射接收器处测量接收功率，其中，在后续的控制和分析装置中由就此获得的检测信号可计算出目标气体浓度。
[0022]对于将电池作为电能源的NDIR-气体感测结构，由现有技术已知的脉动运行方式与对于许多使用目的来说过高的能耗相关。为了解决该问题在根据本发明的NDIR-气体感测结构的情况下规定，NDIR-气体感测结构的红外辐射装置能以不同的功率来运行。由此，可实现明显附加的能量节约。
[0023]因此，例如对于为了车辆空调设备的0)2泄漏识别而使用NDIR-气体感测结构的情况，警报阈值是适宜的且是有意义的，该警报阈值高于lOOOOppm的目标气体或C02浓度(1.0体积％ )。对此目的有意义的测量范围的上限经常高于100000ppm(10.0体积％ )。
[0024]如果要获悉是否在内部空间中有生物，则需要NDIR-气体感测结构的完全不同的测量范围作为前述提及的空调设备的C02泄漏识别。如果为了获悉内部空间内是否存在生物而使用NDIR-气体感测结构，则在直到1000ppm(0.1体积％ )的浓度范围内要求表征C02浓度的检测信号的高分辨率和精度。这应以如下实施例来阐释:
[0025]睡着的婴儿每分钟约有20次呼吸。每次呼吸的空气量为约100毫升。婴儿每分钟对应地呼出0.08升C02 (在呼吸空气增加0.04体积％ 0)2的情况下)。一小时为约5升C02O
[0026]当待监测的内部空间具有约为5立方米、即5000升的体积时，婴儿在一小时后使0)2浓度升高0.1体积％ C02O如果车辆在大太阳下、在半个小时内