用于具有凈化氣體保護的氣體傳感器的探頭的制作方法

背景

在US 2008/0283753中描述了基于測量由氣體對發射光線的光譜吸收的氣體傳感器的一個實例，其中第一過濾器的通帶被安排在第二過濾器的通帶內，并且評估裝置形成信號的差別并且將其針對信號而標準化。

然而，在相對惡劣的環境(例如，船中、車輛中等的排氣系統)中使用這樣的傳感器會將精巧的零件環境曝露在可能包括會對其造成傷害或僅減少其壽命的寬范圍的顆粒和氣體的排氣管內。一個選項將是用視鏡保護這些零件，使得其變得與惡劣環境隔離，但是由于顆粒等的沉降，這些視鏡的透明度則可能隨時間而降低。

氣體傳感器的另一個示例是披露了一種光度計的CA 984173，該文件披露了一種探頭，該探頭在末端處具有鏡子，從而使得光線沿探頭向下傳遞至鏡子并且反射回到該裝置的儀器中。該探頭具有許多孔以允許氣體和空氣管線自由通過從而凈化探頭并用于校準。凈化氣體從覆蓋多個孔的定位在外部的區段進入，以用于將凈化氣體饋送到測量區域中。這種構造的缺點是例如氣體通入測量區域的這三個氣體通道使其在校準過程中難以將測量區域清空，因為這將需要顯著的壓力來克服來自自由流動氣體的壓力的力。

另一個示例是DE 10 2012 215 805，該文件示出了一種分離系統，其中傳感器的兩個部分被定位在含有氣體的區域的相反兩側處，使其更加不可能在可能的校準過程中將氣體清除出測量區域(是含有氣體的區域)。

本發明介紹一種克服這樣的問題的探頭。

發明概述

本發明涉及一種氣體傳感器，該氣體傳感器包括探頭，該探頭具有用于引導所發射光線穿過第一凈化氣體體積和測量區域的光線路徑，其中該探頭被適配成用于使凈化氣體在該第一凈化氣體體積中流動并且使采樣氣體流動穿過該測量區域，并且其中在朝向該測量區域的方向上流動的凈化氣體防止該測量區域中存在的待測量的氣體進入該第一凈化氣體體積。通過對專用部分(因此如但是不局限于光學部分)進行定位，使得它們通過該第一凈化氣體體積與該測量區域分離，凈化氣體的流動防止來自該測量區域的氣體到達這些專用部分。

為了確保不將測量區域指引給含有氣體的環境，使得惡劣環境使得流動條件等可控并且從而使得能夠對通向測量區域的氣體的相應流動加以調整來使其均勻、或使其中的一些或全部有所不同，該探頭包括與待測量的氣體的流動處于流動連通的采樣入口，并且其中這個采樣入口與采樣氣體導管處于流動連通，并且其中采樣入口被定位成使得待測量的氣體的流動不趨于無引導地流動到采樣入口中。因此，采樣入口沒有定位在待測量的氣體的流動方向上，而是采樣氣體在橫向方向上以與待測量的氣體的流動方向相比成高于或等于約45度的角度從采樣入口進入探頭。

因為經常需要對傳感器進行校準，因此本發明利用已經存在的凈化氣體，將此凈化氣體用作校準氣體，并且傳感器因此能夠以操作模式和校準模式運行，其中采樣氣體僅在操作模式中經過該測量區域，但是凈化氣體在操作模式和校準模式兩者中均流動。

該傳感器可以包括類似于第一凈化氣體體積并且保護另外的專用部分的第二凈化氣體體積、或者取決于專用部分的數量以及它們例如相對于光線路徑的位置而甚至還包括進一步的凈化氣體體積。

為了確保凈化氣體的均勻分布和因此在該一個或多個凈化氣體體積中的湍流自由流動，該探頭包括用于將凈化氣體饋送到該(這些)凈化氣體體積的一個或多個供應路徑，其中該一個或多個供應路徑包括圍繞該一個或多個第一凈化氣體體積的環繞區段，該環繞區段具有位于接近該測量區域的末端中的點入口，該凈化氣體從該處擴散至該環繞區段的全部圓周并且在遠離該測量區域的末端中進入該一個或多個凈化氣體體積。

當以該校準模式將擾亂校準測量的氣體清除出該測量區域時，該校準模式包括關閉該采樣氣體進入該測量區域、讓該凈化氣體流動給定時間段以將采樣氣體清除出該測量區域、并且然后進行校準測量。

為了防止來自被測量的環境的氣體在校準過程中進入探頭，凈化氣體的流動經常形成足夠的屏障，但是在一個實施例中，到凈化氣體的流動在校準模式過程中增加，從而因此改善這種保護。

為了確保干凈和干燥的凈化氣體，凈化氣體在進入第一環繞路徑和第二環繞路徑之前被干燥并且任選地被過濾，從而因此去除了可能影響校準測量的濕氣和其他元素。

附圖

圖1根據本發明的包括后端和探頭的傳感器。

圖2用于氣體傳感器的探頭的方面的實施例的圖示，示出了經過第一凈化氣體體積和第二凈化氣體體積的光線路徑。

圖3用于氣體傳感器的探頭的第二方面的實施例的圖示，示出了凈化氣體供應路徑、第一凈化氣體體積和第二凈化氣體體積。

圖4從類似入口的點環繞凈化氣體體積的凈化氣體供應路徑的圖不。

圖5環繞凈化氣體供應路徑的圖示，示出了凈化氣體在靠近測量區域的位置處進入并且在遠離測量區域的位置處進入凈化氣體體積。

本發明的詳細說明

圖1示出了根據本發明的具有后端(22)和探頭(1)的傳感器(20)的外部視圖，其中探頭部分(1)被適配成插入而與例如排氣氣體連通。探頭(1)通過探頭(1)和傳感器(20)的凸緣(21)來附接到傳感器(20)上，凸緣相應地具有開口，其中螺母和螺栓可以用于將這兩個部分固定在一起。然而任何其它附接這些部分的手段也適用于本發明。

圖2示出了根據本發明的探頭(1)的實施例的頂部視圖。

探頭(1)包括被定位成與透鏡(2)連通的光源和檢測器系統。檢測器通過光線路徑發射穿過透鏡(2)朝向反射器(3)的光線，該光線路徑由從透鏡(2)到達反射器(3)的虛線箭頭展示，其中該光線朝向透鏡(2)反射回并且穿過該透鏡反射回到檢測器。沒有展示檢測器和光源。所發射的光線穿過第一凈化氣體體積(4a)、測量區域(5)和第二凈化氣體體積(4b)。

第一凈化氣體體積(4a)和第二凈化氣體體積(4b)被定位在測量區域(5)與對應的透鏡(2)和反射器(3)之間。凈化氣體(7)在凈化氣體體積(4a、4b)各自中在朝向測量區域(5)的方向上流動，因此防止測量區域(5)中的氣體或其他物質和顆粒通過凈化氣體的流動而進入到凈化氣體體積(4a、4b)中，這因而為透鏡(2)和反射器(3)相應地形成保護或簾幕。凈化氣體(7)因此至少在這些凈化氣體體積(4a、4b)的面積中基本上在平行于光線路徑的方向上流動。

在本發明的一些實施例中，探頭(1)不包括第一凈化氣體體積(4a)和第二凈化氣體體積(4b)或者僅包括第一凈化氣體體積和第二凈化氣體體積中的一者。

凈化氣體(7)可以是傳送到系統中的特定氣體或僅為空氣(例如，被過濾或清潔過的)。

探頭(1)包括與待測量的氣體(9)的流動處于流動連通的采樣入口(8a)，并且其中這個采樣入口(8a)與采樣氣體導管(10)處于流動連通，該采樣氣體導管通過三個支路(10a、10b、10c)來連接至測量區域(5)。在一個實施例中，這些支路各自具有不同的流動限制，或替代性地如在所展示的實施例中，采樣氣體導管(10)在支路(10a、10b、10c)之間在截面中改變流動約束。進入采樣入口(8a)(例如通過例如文丘里泵從氣體(9)的流動吸入到采樣入口(8a)中)的采樣氣體(6)通過這些支路(10a、10b、10c)分成進入測量區域(5)的三股流動。通過在這些支路(10a、10b、10c)中的不同流動約束，就有可能調整單獨的三個流速(6a、6b、6c)，使得它們是相同的或替代性地使得其中的兩者或全部是不同的。

在所展示的實施例中，這些支路(10a、10b、10c)由兩個‘流動引導件’形成，這兩個流動引導件被定位為在采樣氣體導管(10)與測量區域(5)之間的壁，并且其中不同的流動約束由這些‘流動引導件’的壁的斜面形成，該斜面朝采樣氣體導管(10)引導因此改變其橫截面積并由此改變流動約束。可以引入多個替代實施例，例如插入具有不同長度和/或內部直徑的玻璃毛細管。

所展示的實施例示出了將采樣氣體(6)分成三股流動(6a、6b、6c)的三個支路(10a、10b、10c)，但是替代實施例僅包括兩股流動(6a、6b)和兩個支路(10a、10b)。在這個實施例中，第一流動(6a)在接近第一凈化氣體體積(4a)的面積中進入測量腔室(5)，并且第二流動(6b)在接近第二凈化氣體體積(4b)的面積中進入測量腔室，并且該第一流動和該第二流動以此方式被適配成對應地將從第一凈化氣體體積(4a)和第二凈化氣體體積(4b)進入測量區域(5)的凈化氣體(7)移除、尤其是從測量區域(5)的中間區域移除，從而使得這個中間區域包括沒有與凈化氣體(7)混合的采樣氣體(6)。如果采樣氣體(6)與凈化氣體(7)混合，則其濃度將改變并且因此影響測量。然而已經發現僅有第一流動和第二流動(6a、6b)的話經常難以用采樣氣體(6)來填充中間區域，并且因此為此目的在本發明的所展示的實施例中，引入了形成饋送中間區域的第三流動(6c)的第三支路(10c)。

采樣出口(8b)用于在采樣氣體(6)已經離開測量區域(5)之后將采樣氣體從探頭(1)排出，并且其中所述采樣出口(8b)被定位成與待測量的氣體(9)的流動處于流動連通。

測量區域(5)通過采樣氣體導管(10)的將測量區域(5)連接至采樣出口(8b)的區段的至少兩個出口支路(10d、10e)來連接至采樣出口(8b)。優選，僅存在兩個出口支路(10、10e)來將流動(6a、6b、6c)正確地引導穿過測量區域(5)，從而將其填充。在其他構型中，通過仿真已經發現可能形成防止采樣氣體(6)填充測量區域(5)、尤其是其中間區域的不令人期望的紊流。

采樣氣體(6)在進入采樣氣體導管(10)時作為三股流動(6a、6b、6c)引導到測量區域(5)中，這三股流動可以具有類似或不同的流速。測量區域(5)的入口出口區域各自連接至分離的出口支路(10d、10e)，使得第一流動(6a)和第二流動(6b)相對于光線路徑和/或凈化氣體(7)的流動的方向以大于45度、或者更具體地大于60度、或更具體地在約90度的面積中(因此基本上與其垂直)的角度經過或橫過測量區域(5)。第一流動(6a)和第二流動(6c)在它們從對應的支路(10a、10c)到相應出口支路(10d、10e)的流動中將沿測量區域(5)拉動進入的凈化氣體(7)并且將其帶出測量區域，由此防止凈化氣體與中間區域和第二流動(6b)接觸從而干擾測量。

以相同的方式，第二流動(6b)相對于光線路徑和/或凈化氣體(7)的流動的方向以大于45度、或更具體地高于60度、或更具體地在約90度的面積中(因此基本上與其垂直)的角度橫過測量區域(5)，但是其中這可能在其經過時改變，因為其可能穿過同樣被第一流動(6a)和第二流動(6c)所使用的出口支路(10b、10e)中的一者或兩者來離開測量區域(5)。優選地，該第二流動以在約90度的范圍中的角度進入測量區域(5)。

在所展示的實施例中的探頭(1)被定位成與氣體(9)的流動處于連通的方式為采樣入口(8a)相對于待測量的氣體(9)的流動方向成高于45度、或更具體地高于60度、或更具體地在約90度的面積中(因此基本上與之垂直)的角度。這同樣適用于采樣出口(8b)。進一步的，采樣氣體(6)從采樣入口(8a)進入探頭(1)，該采樣入口在來自透鏡(2)的發射光線的方向上來看被定位在反射器(3)之后。

引入采樣入口(8a)的方式為使得采樣入口以與氣流成例如接近90度的角度來定位，這確保了氣體自身不趨于流動到探頭(1)中，而是例如通過文丘里泵被吸入到采樣入口(8a)中，由此可以控制探頭(1)內的流速。這與例如EP 2 604 999不同，其中入口被定位在氣體的流動路徑中，使得氣體直接進入到針頭中。通過將氣體拉入到采樣入口(8a)中，采樣氣體(6)在測量區域(5)內的交換率將是眾所周知和限定的，如此就使得用于如將在以下討論的校準的清空測量區域(5)的任務簡單。

為了避免從采樣出口(8b)排出的采樣氣體(6)與進入采樣入口(8a)的采樣氣體(6)相混合，延伸部(11)被定位在采樣入口(8a)與采樣出口(8b)之間、從探頭(1)伸出到氣體(9)的流動中。

圖3示出了本探頭(1)的另一個特征，以頂部視圖示出了該探頭并且具有通向第一凈化氣體體積(4a)的凈化氣體(7)的供應路徑(12)，該供應路徑具有圍繞第一凈化氣體體積(4a)的第一環繞區段(12a)，該第一環繞區段具有位于接近測量區域(5)的末端中因此遠離透鏡(2)的點入口(13a)，凈化氣體從該處傳播至所述第一環繞區段(12a)的全部圓周并且在接近透鏡(2)的末端中進入所述第一凈化氣體體積(4a)。環繞區段(12b)可以被形成為第一凈化氣體體積(4a)的一個共軸腔室或者形成為從供應路徑(12)延伸至通向第一凈化氣體體積(4a)的、位于靠近透鏡(2)的末端中的多個入口的多個單獨的導管。在此上下文中，‘點入口’應被理解的意義為流動路徑(12)從窄的、橫截面積顯著小于例如第一凈化氣體體積(4a)的橫截面積開始改變，但是其擴展到具有大于例如第一凈化氣體體積(4b)的橫截面積的基本上更寬的第一環繞區段(12a)。

圖4示出了在點入口(13a)處的環繞區段(12a)的橫截面視圖，其中凈化氣體(7)從供應路徑(12)穿過點入口(13a)傳播，該點入口具有的橫截面積比環繞區段(12a)和凈化氣體體積(4a)的橫截面積更小。

圖5示出了在透鏡(2)周圍的區段的頂部視圖，示出了凈化氣體(7)從環繞區段(12a)以基本上均勻的方式在透鏡(2)的圓周周圍進入到凈化氣體體積(4a)，從而在凈化氣體體積(4a)中形成層流。

以相同方式并且類似于或不同于第一環繞區段(12a)而形成，探頭(1)可以包括凈化氣體(7)的通向第二凈化氣體體積(4b)的供應路徑(12)，該供應路徑包括第二環繞區段(12b)，該第二環繞區段圍繞第二凈化氣體體積(4b)并且具有點入口(13b)，該點入口位于靠近測量區域(5)因此遠離反射器(3)的末端中，凈化氣體從該處傳播至所述第二環繞區段(12b)的全部圓周并且在接近反射器(3)的末端中進入所述第二凈化氣體體積(4b)。

具有被對應地定位在相對于透鏡(2)和反射器(3)的一定距離處的點入口(13a、13b)并且然后以圓周方式在第一凈化氣體體積(4a)和第二凈化氣體體積(4b)周圍傳播的這種設置有助于使進入的凈化氣體(7)均勻地分布在透鏡(2)和反射器(3)的圓周，否則在凈化氣體體積(4a、4b)之內的進入的凈化氣體(7)中將存在差別而因此形成紊流，這實際上可能有助于顆粒從測量區域(5)進入到凈化氣體體積(4a、4b)中而不是對其加以防止。

此探頭(1)進一步能夠以操作模式和校準模式來運行。采樣氣體(6)僅在操作模式中流動，而凈化氣體(7)在操作模式和校準模式兩者中都流動，其中凈化氣體在操作模式過程中根據之前的說明運行為凈化氣體(7)，而在校準模式中用作校準氣體(其中采樣氣體(6)流動被關閉)。

為了防止氣體(9)在校準模式過程中進入系統，已經發現維持或增加凈化氣體(7)在系統中的流動就足夠了。以此方式，凈化氣體(7)以反對氣體(9)的方向被傳送出采樣入口(8a)和采樣出口(8b)，因而在氣體(9)進入系統中之前通過采樣入口(8a)和采樣出口(8b)排出。凈化氣體(7)也在正常運行期間同樣如以上所描述地傳送出采樣出口(8b)，但是被閥門或其他手段、或簡單地通過系統中的采樣氣體(6)的流動來防止進入采樣氣體導管(10)連接至采樣入口(8a)的部分。

校準模式包括關閉采樣氣體(6)進入測量區域(5)、讓凈化氣體流動給定時間段以將采樣氣體(6)清楚出測量區域(5)、并且然后進行校準測量。凈化氣體(7)因此具有已知成分(該已知成分具有良好限定并且已知的吸收光譜)并且在一個實施例中在進入供應路徑(12)之前可以被干燥，從而確保其就可能影響校準測量的顆粒和濕氣而言是干凈的。

同樣如以上所描述的，由于采樣入口(8a)的位置以及采樣氣體(6)是被拉入到探頭(1)中并且被引導到測量區域(5)中而不是直接流動到其中，所以在探頭(1)內的所有流動是可控的并且不需要如在存在通向測量區域的直接氣體通道的探頭的情況下一樣應對氣體的力以使其離開。