DE3808445A1 - Sensor system for gases and vapours - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Sensorsystem für Gase und Dämpfe mit einer Zweistrahlanordnung, die als Lichtquelle eine Lumineszenzdiode und als Empfänger eine Referenzdiode und eine Meßdiode enthält. Den Dioden ist jeweils ein Farbfilter zuge ordnet, dessen optische Transparenz sich analog zum Partial druck eines zu messenden Gases einstellt.The invention relates to a sensor system for gases and Vapors with a two-beam arrangement, which acts as a light source Luminescence diode and a reference diode and a receiver Measuring diode contains. A color filter is supplied to the diodes arranges, whose optical transparency is analogous to the partial pressure of a gas to be measured.
Es sind Sensoren zur Messung von Gasen und Dämpfen bekannt, die als Sensormaterial ein optisches Filter mit reversibler Farb änderung enthalten. Auch die Transparenz des Filters kann sich unter der Einwirkung der Gase ändern. Es wird während der Dauer der Gas- oder Dampfeinwirkung an einer oder mehreren Substanzen des optischen Filters eine reversible Farbreaktion ausgelöst. Das Filter leitet aus der chemischen Zusammensetzung und Kon zentration von Gasen oder Dämpfen ein elektrisches Signal ab, das in einer Elektronik weiterverarbeitet werden kann. Die Messung des Gas- bzw. Dampfdruckes kann bei Raumtemperatur oder Umgebungstemperatur durchgeführt werden. Die Nachweisgrenze liegt im Bereich von etwa 10 ppm. Als farbändernde Substanzen des optischen Filters können Gemische von mindestens einem basischen oder sauren Farbbildner und mindestens einer komple mentären sauren oder basischen Verbindung, insbesondere ein Gemisch aus Verbindungen des Triphenylmethan-Systems mit aziden Verbindungen, wie Bisphenol-A oder Salicylsäure, verwendet wer den. Zur Bestimmung von Lösungsmitteldämpfen sind optische Fil ter aus einem Gemisch von mindestens einem basischen oder sau ren Farbstoff und mindestens einer komplementären sauren oder basischen Verbindung, insbesondere Kristallviolett oder Brom thymolblau, als Farbstoff geeignet. Das Gemisch mit der farb ändernden Substanz oder dem Farbstoff kann auf einen Träger aufgebracht werden oder auch in eine Matrix eingebettet werden (DE-OS 35 06 686).Sensors for measuring gases and vapors are known an optical filter with reversible color as sensor material change included. The transparency of the filter can also change change under the influence of gases. It will last the effect of gas or steam on one or more substances of the optical filter triggered a reversible color reaction. The filter derives from the chemical composition and con concentration of gases or vapors an electrical signal, that can be further processed in electronics. The Measurement of the gas or vapor pressure can be at room temperature or Ambient temperature. The limit of detection is in the range of about 10 ppm. As color changing substances of the optical filter can be mixtures of at least one basic or acid color formers and at least one complex mental acidic or basic compound, especially a Mixture of compounds of the triphenylmethane system with azides Compounds such as bisphenol-A or salicylic acid, who used the. Optical fil. Are used to determine solvent vapors ter from a mixture of at least one basic or acidic ren dye and at least one complementary acidic or basic compound, especially crystal violet or bromine thymol blue, suitable as a dye. The mixture with the color changing substance or dye can be on a carrier be applied or also embedded in a matrix (DE-OS 35 06 686).
Ferner ist ein Sensorsystem für Gase und Dämpfe mit einem aus wechselbaren Sensorkopf bekannt, dem eine Auswerteelektronik zugeordnet ist. Der Sensorkopf enthält eine Zweistrahlanordnung mit einer Leuchtdiode als Lichtquelle und einer Halterung für jeweils eine Meß- und eine Referenzfolie und zwei Photodioden als Empfänger. Die einer Diode vorgeschaltete Folie mit dem Farbfilter ist in ein transparentes Gehäuse eingeschlossen und wird von den zu messenden Gasen oder Dämpfen nicht beeinflußt. Diese Diode dient als Referenzdiode. Das der Meßdiode im Licht strahl vorgeschaltete Farbfilter wird durch die Gase oder Dämpfe verändert. Hierbei wird beispielsweise das die im Ur sprungszustand intensiv blau gefärbte Schicht durch die Einwir kung polarer Lösungsmittel reversibel entfernt. Die so regi strierte Transmissionsänderung ist ein lineares Maß für die Konzentration des jeweiligen einwirkenden Lösungsmitteldampfes. In diesem Sensorsystem kann der Fremdlichteinfluß dadurch weit gehend eliminiert werden, daß die Lumineszenzdiode des Senders mit einer Wechselspannung moduliert wird. Auf der Empfänger seite werden die Signale demoduliert und voneinander subtra hiert (Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte, Bd. 15 (1986), No. 3, Seiten 101 bis 104).Furthermore, a sensor system for gases and vapors with an exchangeable sensor head is known, to which evaluation electronics are assigned. The sensor head contains a two-beam arrangement with a light-emitting diode as the light source and a holder for one measuring and one reference film each, and two photodiodes as the receiver. The film upstream of a diode with the color filter is enclosed in a transparent housing and is not influenced by the gases or vapors to be measured. This diode serves as a reference diode. The color filter upstream of the measuring diode in the light beam is changed by the gases or vapors. Here, for example, the layer which is colored intensely blue in the original state is reversibly removed by the action of polar solvents. The transmission change registered in this way is a linear measure of the concentration of the solvent vapor in question. In this sensor system, the influence of extraneous light can be largely eliminated by modulating the transmitter's luminescent diode with an AC voltage. On the receiver side, the signals are demodulated and subtracted from each other (Siemens Research and Development Reports, Vol. 15 (1986), No. 3 , pages 101 to 104).
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Ausführungsform eines Sensorsystems für Gase und Dämpfe zu ver einfachen und zu verbessern.The invention is based on the object, this known Embodiment of a sensor system for gases and vapors to ver simple and improve.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnen den Merkmalen des Anspruchs 1. In dieser Ausführungsform des Sensorsystems sind nur verhältnismäßig einfache aktive Bauteile erforderlich, beispielsweise Operationsverstärker und Feld effekttransistoren. Der Aufwand an Bauelementen und auch der Energieverbrauch sind somit gering. Das Sensorsystem benötigt auch nur eine verhältnismäßig kleine Versorgungsspannung von beispielsweise 9 V. Durch die Wahl von kurzer Ein- und langer Ausschaltzeit der als Sender dienenden Lumineszenzdiode kann der Energieverbrauch weiter begrenzt werden und außerdem kann die durch die Bestrahlung der Filter bedingte Alterung ver mindert werden. In dieser Ausführungsform des Sensorsystems sind die Fremdlichteinwirkung auf den Meßkopf als auch Inten sitätsschwankungen der Lumineszenzdiode kompensiert.This object is achieved with the mark the features of claim 1. In this embodiment of the Sensor systems are only relatively simple active components required, e.g. operational amplifier and field effect transistors. The expenditure on components and also the Energy consumption is therefore low. The sensor system needed even a relatively small supply voltage of for example 9 V. By choosing short ones and long ones Switch-off time of the luminescent diode serving as transmitter can energy consumption can be further limited and moreover the aging caused by the irradiation of the filters be reduced. In this embodiment of the sensor system are the effects of extraneous light on the measuring head as well as inten fluctuations in the intensity of the luminescence diode are compensated.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Sensor systems gemäß der Erfindung als Blockschaltbild schematisch veranschaulicht ist.To further explain the invention, reference is made to the drawing Reference, in the an embodiment of a sensor systems according to the invention as a block diagram schematically is illustrated.
In der dargestellten Ausführungsform enthält ein vorzugsweise auswechselbarer Meßkopf eine Sensoranordnung 2 mit einer Lumi neszenzdiode 3 als Lichtquelle und zwei Dioden als Empfänger. Eine Meßdiode 4 ist mit einem in der Figur gestrichelt angedeu teten Filter F versehen, das beispielsweise aus einer strah lungsempfindlichen Schicht bestehen kann, die auf einer trans parenten Kunststoffolie angeordnet ist. Dieses Filter ändert unter der Einwirkung des zu messenden Gases oder Dampfes seine Transparenz. Gegebenenfalls kann auch einer Referenzdiode 5 ein in der Figur nicht dargestelltes Filter zugeordnet sein, das vom zu messenden Gas oder Dampf nicht beeinflußt wird und beispielsweise in einem transparenten Gehäuse eingeschlossen sein kann. Das Ausgangssignal der Meßdiode 4 wird einem Ver stärker 6 zugeführt, dem eine Reihenschaltung eines Integrators 8 mit einem elektronischen Schalter 10 zugeordnet ist, der bei spielsweise ein Feldeffekttransistor sein kann. Das Signal der Referenzdiode 5 wird ebenfalls einem Verstärker 7 zugeführt, dem eine Reihenschaltung eines Integrators 9 mit einem elektro nischen Schalter 11 zugeordnet ist. Das Ausgangssignal der Ver stärker 6 und 7 wird einem Differenzverstärker 13 zugeführt, dessen Ausgangssignal U 13 mit einem elektronischen Schalter 12 geschaltet werden kann. Ein Kondensator ist mit 14, ein ab stimmbarer Verstärker mit 15 und ein zugeordneter Offset-Geber mit 16 bezeichnet. Mit der einstellbaren Offset-Spannung kann eine asymmetrische Ausleuchtung der beiden Empfänger-Dioden 4 und 5 korrigiert werden. Der Verstärker 15 liefert ein Aus gangssignalIn the illustrated embodiment, a preferably exchangeable measuring head contains a sensor arrangement 2 with a luminescent diode 3 as a light source and two diodes as a receiver. A measuring diode 4 is provided with a filter F indicated by dashed lines in the figure, which can consist, for example, of a radiation-sensitive layer which is arranged on a transparent plastic film. This filter changes its transparency under the influence of the gas or vapor to be measured. If necessary, a reference diode 5 can also be assigned a filter, not shown in the figure, which is not influenced by the gas or steam to be measured and can be enclosed, for example, in a transparent housing. The output signal of the measuring diode 4 is a Ver 6 supplied, which is associated with a series connection of an integrator 8 with an electronic switch 10 , which may be a field effect transistor in example. The signal of the reference diode 5 is also fed to an amplifier 7 , to which a series connection of an integrator 9 with an electronic switch 11 is assigned. The output of the Ver stronger 6 and 7 is supplied to a differential amplifier 13, whose output signal U can be connected to an electronic switch 13 12th A capacitor is denoted by 14, a tunable amplifier by 15 and an assigned offset encoder by 16. An asymmetrical illumination of the two receiver diodes 4 and 5 can be corrected with the adjustable offset voltage. The amplifier 15 provides an output signal
U₁₅ = α (U₁₃-U₁₆) U ₁₅ = α (U ₁₃- U ₁₆)
an eine elektronische Anzeigeeinrichtung 18. Der Verstärkungs faktor α als Eichfaktor wird eingestellt.to an electronic display device 18 . The gain factor α is set as a calibration factor.
Für die Schalter 10 bis 12 ist eine gemeinsame Steuereinrich tung 21 vorgesehen, die auch einen Treiber 22 für die Lumines zenzdiode 3 steuert. Ein Taktgenerator 23 dient zur Stromver sorgung der Steuereinrichtung 21.For the switches 10 to 12 , a common Steuereinrich device 21 is provided, which also controls a driver 22 for the Lumines zenzdiode 3 . A clock generator 23 is used for the power supply of the control device 21 .
Diese Schaltung arbeitet in zwei Takten. Im ersten Takt ist die Lumineszenzdiode 3 ausgeschaltet. Die Meßdiode 4 und die Refe renzdiode 5 werden somit nur vom Fremdlicht bestrahlt. Die Schalter 10 und 11 sind geschlossen und der Schalter 12 ist geöffnet. Die Ausgangssignale der beiden Integratoren 8 und 9 werden nun solange auf- oder abgeregelt, bis die Ausgangs signale der Verstärker 6 und 7 zu Null werden. Das im Diffe renzverstärker 13 gebildete Differenzsignal ist somit ebenfalls Null, es wird aber nicht weitergeleitet, da der Schalter 12 ge öffnet ist. Der Fremdlichtanteil wird in den Integratoren 8 und 9 gespeichert.This circuit works in two cycles. The luminescent diode 3 is switched off in the first cycle. The measuring diode 4 and the reference diode 5 are thus irradiated only by extraneous light. Switches 10 and 11 are closed and switch 12 is open. The output signals of the two integrators 8 and 9 are now regulated up or down until the output signals of the amplifiers 6 and 7 become zero. The differential signal formed in the differential amplifier 13 is thus also zero, but it is not forwarded since the switch 12 is opened. The extraneous light component is stored in the integrators 8 and 9 .
Im zweiten Takt werden die Schalter 10 und 11 geöffnet und die Lumineszenzdiode 3 wird eingeschaltet. Am Eingang des Dif ferenzverstärkers 13 stehen nun Signale an, die nur noch von den Lichtstrahlen abhängen, die von der Lumineszenzdiode 3 ausgesandt werden und zu den Dioden 4 und 5 gelangen. Der Signalpegel am Ausgang des Differenzverstärkers 13 ist so mit ein Maß für die Unterschiede in den Transmissionsgraden zwischen der Meßdiode 4 und der Referenzdiode 5. Nach einer kurzen Signaleinschwingzeit wird der Schalter 12 geschlossen; der Pegelwert wird im Kondensator 14 gespeichert und in der Anzeigevorrichtung 18 angezeigt.In the second cycle, switches 10 and 11 are opened and luminescent diode 3 is switched on. At the entrance of Dif ference amplifier 13 now signals are available at that depend only on the light beams emitted from the light emitting diode 3 and get to the diodes 4 and 5. FIG. The signal level at the output of the differential amplifier 13 is thus a measure of the differences in the degrees of transmission between the measuring diode 4 and the reference diode 5 . After a short signal settling time, the switch 12 is closed; the level value is stored in the capacitor 14 and displayed in the display device 18 .
Durch den Regelkreis für die Lumineszenzdiode 3 mit dem Treiber 22 werden Intensitätsschwankungen der Lumineszenzdiode 3 kom pensiert. Damit erhält man zugleich eine konstante Ausleuchtung der Referenzdiode 5. Dies wird dadurch erreicht, daß in der zweiten Phase, wenn die Lumineszenzdiode 3 eingeschaltet ist, der Signalpegel der Referenzdiode 5 abzüglich des Fremdlicht anteils, der im Integrator 9 gespeichert ist, über den Treiber 22 auf einen konstanten Wert eingestellt wird. Der Vorteil dieser Regeleinrichtung liegt darin, daß in der Auswerteelek tronik immer mit den gleichen Signalpegeln gearbeitet wird; dadurch können ohne weiteres andere Filter verwendet werden bzw. es können größere Toleranzen bei der Produktion der Filter zugelassen werden.By the control circuit for the LED 3 with the driver 22 intensity fluctuations of the LED 3 are compensated com. This also provides constant illumination of the reference diode 5 . This is achieved in that in the second phase, when the luminescent diode 3 is switched on, the signal level of the reference diode 5 minus the extraneous light, which is stored in the integrator 9 , is set to a constant value via the driver 22 . The advantage of this control device is that electronics always work with the same signal levels in the evaluation electronics; this means that other filters can be used without any problems or larger tolerances can be allowed in the production of the filters.
In der Darstellung des Meßkopfes 2 ist ein Transmissionsfilter F vorgesehen. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, ein Reflexionsfilter zu verwenden. Damit kann der Gehalt eines Lö sungsmittels in einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, be stimmt werden.A transmission filter F is provided in the illustration of the measuring head 2 . Under certain circumstances it may be advisable to use a reflection filter. The content of a solvent in a liquid, for example water, can thus be determined.
Ein besonderer Vorteil der dargestellten Ausführungsform des Sensorsystems besteht darin, daß das Licht von der Lumines zenzdiode 3 zum Filter F im Meßkopf 2 und vom Filter F zu der Meßdiode 4 auch in Lichtleitern geführt werden kann. Diese Aus führungsform ermöglicht beispielsweise eine Messung in explo sionsgefährdeten Räumen.A particular advantage of the illustrated embodiment of the sensor system is that the light from the luminescent diode 3 to the filter F in the measuring head 2 and from the filter F to the measuring diode 4 can also be guided in light guides. This embodiment enables, for example, measurement in potentially explosive areas.
Das Filter kann vorzugsweise auf wenigstens einem Teil des Lichtleiters als Coating angeordnet sein.The filter can preferably on at least part of the Light guide can be arranged as a coating.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |