用于具有净化气体保护的气体传感器的探头的制作方法

背景

在US 2008/0283753中描述了基于测量由气体对发射光线的光谱吸收的气体传感器的一个实例，其中第一过滤器的通带被安排在第二过滤器的通带内，并且评估装置形成信号的差别并且将其针对信号而标准化。

然而，在相对恶劣的环境(例如，船中、车辆中等的排气系统)中使用这样的传感器会将精巧的零件环境曝露在可能包括会对其造成伤害或仅减少其寿命的宽范围的颗粒和气体的排气管内。一个选项将是用视镜保护这些零件，使得其变得与恶劣环境隔离，但是由于颗粒等的沉降，这些视镜的透明度则可能随时间而降低。

气体传感器的另一个示例是披露了一种光度计的CA 984173，该文件披露了一种探头，该探头在末端处具有镜子，从而使得光线沿探头向下传递至镜子并且反射回到该装置的仪器中。该探头具有许多孔以允许气体和空气管线自由通过从而净化探头并用于校准。净化气体从覆盖多个孔的定位在外部的区段进入，以用于将净化气体馈送到测量区域中。这种构造的缺点是例如气体通入测量区域的这三个气体通道使其在校准过程中难以将测量区域清空，因为这将需要显著的压力来克服来自自由流动气体的压力的力。

另一个示例是DE 10 2012 215 805，该文件示出了一种分离系统，其中传感器的两个部分被定位在含有气体的区域的相反两侧处，使其更加不可能在可能的校准过程中将气体清除出测量区域(是含有气体的区域)。

本发明介绍一种克服这样的问题的探头。

发明概述

本发明涉及一种气体传感器，该气体传感器包括探头，该探头具有用于引导所发射光线穿过第一净化气体体积和测量区域的光线路径，其中该探头被适配成用于使净化气体在该第一净化气体体积中流动并且使采样气体流动穿过该测量区域，并且其中在朝向该测量区域的方向上流动的净化气体防止该测量区域中存在的待测量的气体进入该第一净化气体体积。通过对专用部分(因此如但是不局限于光学部分)进行定位，使得它们通过该第一净化气体体积与该测量区域分离，净化气体的流动防止来自该测量区域的气体到达这些专用部分。

为了确保不将测量区域指引给含有气体的环境，使得恶劣环境使得流动条件等可控并且从而使得能够对通向测量区域的气体的相应流动加以调整来使其均匀、或使其中的一些或全部有所不同，该探头包括与待测量的气体的流动处于流动连通的采样入口，并且其中这个采样入口与采样气体导管处于流动连通，并且其中采样入口被定位成使得待测量的气体的流动不趋于无引导地流动到采样入口中。因此，采样入口没有定位在待测量的气体的流动方向上，而是采样气体在横向方向上以与待测量的气体的流动方向相比成高于或等于约45度的角度从采样入口进入探头。

因为经常需要对传感器进行校准，因此本发明利用已经存在的净化气体，将此净化气体用作校准气体，并且传感器因此能够以操作模式和校准模式运行，其中采样气体仅在操作模式中经过该测量区域，但是净化气体在操作模式和校准模式两者中均流动。

该传感器可以包括类似于第一净化气体体积并且保护另外的专用部分的第二净化气体体积、或者取决于专用部分的数量以及它们例如相对于光线路径的位置而甚至还包括进一步的净化气体体积。

为了确保净化气体的均匀分布和因此在该一个或多个净化气体体积中的湍流自由流动，该探头包括用于将净化气体馈送到该(这些)净化气体体积的一个或多个供应路径，其中该一个或多个供应路径包括围绕该一个或多个第一净化气体体积的环绕区段，该环绕区段具有位于接近该测量区域的末端中的点入口，该净化气体从该处扩散至该环绕区段的全部圆周并且在远离该测量区域的末端中进入该一个或多个净化气体体积。

当以该校准模式将扰乱校准测量的气体清除出该测量区域时，该校准模式包括关闭该采样气体进入该测量区域、让该净化气体流动给定时间段以将采样气体清除出该测量区域、并且然后进行校准测量。

为了防止来自被测量的环境的气体在校准过程中进入探头，净化气体的流动经常形成足够的屏障，但是在一个实施例中，到净化气体的流动在校准模式过程中增加，从而因此改善这种保护。

为了确保干净和干燥的净化气体，净化气体在进入第一环绕路径和第二环绕路径之前被干燥并且任选地被过滤，从而因此去除了可能影响校准测量的湿气和其他元素。

附图

图1根据本发明的包括后端和探头的传感器。

图2用于气体传感器的探头的方面的实施例的图示，示出了经过第一净化气体体积和第二净化气体体积的光线路径。

图3用于气体传感器的探头的第二方面的实施例的图示，示出了净化气体供应路径、第一净化气体体积和第二净化气体体积。

图4从类似入口的点环绕净化气体体积的净化气体供应路径的图不。

图5环绕净化气体供应路径的图示，示出了净化气体在靠近测量区域的位置处进入并且在远离测量区域的位置处进入净化气体体积。

本发明的详细说明

图1示出了根据本发明的具有后端(22)和探头(1)的传感器(20)的外部视图，其中探头部分(1)被适配成插入而与例如排气气体连通。探头(1)通过探头(1)和传感器(20)的凸缘(21)来附接到传感器(20)上，凸缘相应地具有开口，其中螺母和螺栓可以用于将这两个部分固定在一起。然而任何其它附接这些部分的手段也适用于本发明。

图2示出了根据本发明的探头(1)的实施例的顶部视图。

探头(1)包括被定位成与透镜(2)连通的光源和检测器系统。检测器通过光线路径发射穿过透镜(2)朝向反射器(3)的光线，该光线路径由从透镜(2)到达反射器(3)的虚线箭头展示，其中该光线朝向透镜(2)反射回并且穿过该透镜反射回到检测器。没有展示检测器和光源。所发射的光线穿过第一净化气体体积(4a)、测量区域(5)和第二净化气体体积(4b)。

第一净化气体体积(4a)和第二净化气体体积(4b)被定位在测量区域(5)与对应的透镜(2)和反射器(3)之间。净化气体(7)在净化气体体积(4a、4b)各自中在朝向测量区域(5)的方向上流动，因此防止测量区域(5)中的气体或其他物质和颗粒通过净化气体的流动而进入到净化气体体积(4a、4b)中，这因而为透镜(2)和反射器(3)相应地形成保护或帘幕。净化气体(7)因此至少在这些净化气体体积(4a、4b)的面积中基本上在平行于光线路径的方向上流动。

在本发明的一些实施例中，探头(1)不包括第一净化气体体积(4a)和第二净化气体体积(4b)或者仅包括第一净化气体体积和第二净化气体体积中的一者。

净化气体(7)可以是传送到系统中的特定气体或仅为空气(例如，被过滤或清洁过的)。

探头(1)包括与待测量的气体(9)的流动处于流动连通的采样入口(8a)，并且其中这个采样入口(8a)与采样气体导管(10)处于流动连通，该采样气体导管通过三个支路(10a、10b、10c)来连接至测量区域(5)。在一个实施例中，这些支路各自具有不同的流动限制，或替代性地如在所展示的实施例中，采样气体导管(10)在支路(10a、10b、10c)之间在截面中改变流动约束。进入采样入口(8a)(例如通过例如文丘里泵从气体(9)的流动吸入到采样入口(8a)中)的采样气体(6)通过这些支路(10a、10b、10c)分成进入测量区域(5)的三股流动。通过在这些支路(10a、10b、10c)中的不同流动约束，就有可能调整单独的三个流速(6a、6b、6c)，使得它们是相同的或替代性地使得其中的两者或全部是不同的。

在所展示的实施例中，这些支路(10a、10b、10c)由两个‘流动引导件’形成，这两个流动引导件被定位为在采样气体导管(10)与测量区域(5)之间的壁，并且其中不同的流动约束由这些‘流动引导件’的壁的斜面形成，该斜面朝采样气体导管(10)引导因此改变其横截面积并由此改变流动约束。可以引入多个替代实施例，例如插入具有不同长度和/或内部直径的玻璃毛细管。

所展示的实施例示出了将采样气体(6)分成三股流动(6a、6b、6c)的三个支路(10a、10b、10c)，但是替代实施例仅包括两股流动(6a、6b)和两个支路(10a、10b)。在这个实施例中，第一流动(6a)在接近第一净化气体体积(4a)的面积中进入测量腔室(5)，并且第二流动(6b)在接近第二净化气体体积(4b)的面积中进入测量腔室，并且该第一流动和该第二流动以此方式被适配成对应地将从第一净化气体体积(4a)和第二净化气体体积(4b)进入测量区域(5)的净化气体(7)移除、尤其是从测量区域(5)的中间区域移除，从而使得这个中间区域包括没有与净化气体(7)混合的采样气体(6)。如果采样气体(6)与净化气体(7)混合，则其浓度将改变并且因此影响测量。然而已经发现仅有第一流动和第二流动(6a、6b)的话经常难以用采样气体(6)来填充中间区域，并且因此为此目的在本发明的所展示的实施例中，引入了形成馈送中间区域的第三流动(6c)的第三支路(10c)。

采样出口(8b)用于在采样气体(6)已经离开测量区域(5)之后将采样气体从探头(1)排出，并且其中所述采样出口(8b)被定位成与待测量的气体(9)的流动处于流动连通。

测量区域(5)通过采样气体导管(10)的将测量区域(5)连接至采样出口(8b)的区段的至少两个出口支路(10d、10e)来连接至采样出口(8b)。优选，仅存在两个出口支路(10、10e)来将流动(6a、6b、6c)正确地引导穿过测量区域(5)，从而将其填充。在其他构型中，通过仿真已经发现可能形成防止采样气体(6)填充测量区域(5)、尤其是其中间区域的不令人期望的紊流。

采样气体(6)在进入采样气体导管(10)时作为三股流动(6a、6b、6c)引导到测量区域(5)中，这三股流动可以具有类似或不同的流速。测量区域(5)的入口出口区域各自连接至分离的出口支路(10d、10e)，使得第一流动(6a)和第二流动(6b)相对于光线路径和/或净化气体(7)的流动的方向以大于45度、或者更具体地大于60度、或更具体地在约90度的面积中(因此基本上与其垂直)的角度经过或横过测量区域(5)。第一流动(6a)和第二流动(6c)在它们从对应的支路(10a、10c)到相应出口支路(10d、10e)的流动中将沿测量区域(5)拉动进入的净化气体(7)并且将其带出测量区域，由此防止净化气体与中间区域和第二流动(6b)接触从而干扰测量。

以相同的方式，第二流动(6b)相对于光线路径和/或净化气体(7)的流动的方向以大于45度、或更具体地高于60度、或更具体地在约90度的面积中(因此基本上与其垂直)的角度横过测量区域(5)，但是其中这可能在其经过时改变，因为其可能穿过同样被第一流动(6a)和第二流动(6c)所使用的出口支路(10b、10e)中的一者或两者来离开测量区域(5)。优选地，该第二流动以在约90度的范围中的角度进入测量区域(5)。

在所展示的实施例中的探头(1)被定位成与气体(9)的流动处于连通的方式为采样入口(8a)相对于待测量的气体(9)的流动方向成高于45度、或更具体地高于60度、或更具体地在约90度的面积中(因此基本上与之垂直)的角度。这同样适用于采样出口(8b)。进一步的，采样气体(6)从采样入口(8a)进入探头(1)，该采样入口在来自透镜(2)的发射光线的方向上来看被定位在反射器(3)之后。

引入采样入口(8a)的方式为使得采样入口以与气流成例如接近90度的角度来定位，这确保了气体自身不趋于流动到探头(1)中，而是例如通过文丘里泵被吸入到采样入口(8a)中，由此可以控制探头(1)内的流速。这与例如EP 2 604 999不同，其中入口被定位在气体的流动路径中，使得气体直接进入到针头中。通过将气体拉入到采样入口(8a)中，采样气体(6)在测量区域(5)内的交换率将是众所周知和限定的，如此就使得用于如将在以下讨论的校准的清空测量区域(5)的任务简单。

为了避免从采样出口(8b)排出的采样气体(6)与进入采样入口(8a)的采样气体(6)相混合，延伸部(11)被定位在采样入口(8a)与采样出口(8b)之间、从探头(1)伸出到气体(9)的流动中。

图3示出了本探头(1)的另一个特征，以顶部视图示出了该探头并且具有通向第一净化气体体积(4a)的净化气体(7)的供应路径(12)，该供应路径具有围绕第一净化气体体积(4a)的第一环绕区段(12a)，该第一环绕区段具有位于接近测量区域(5)的末端中因此远离透镜(2)的点入口(13a)，净化气体从该处传播至所述第一环绕区段(12a)的全部圆周并且在接近透镜(2)的末端中进入所述第一净化气体体积(4a)。环绕区段(12b)可以被形成为第一净化气体体积(4a)的一个共轴腔室或者形成为从供应路径(12)延伸至通向第一净化气体体积(4a)的、位于靠近透镜(2)的末端中的多个入口的多个单独的导管。在此上下文中，‘点入口’应被理解的意义为流动路径(12)从窄的、横截面积显著小于例如第一净化气体体积(4a)的横截面积开始改变，但是其扩展到具有大于例如第一净化气体体积(4b)的横截面积的基本上更宽的第一环绕区段(12a)。

图4示出了在点入口(13a)处的环绕区段(12a)的横截面视图，其中净化气体(7)从供应路径(12)穿过点入口(13a)传播，该点入口具有的横截面积比环绕区段(12a)和净化气体体积(4a)的横截面积更小。

图5示出了在透镜(2)周围的区段的顶部视图，示出了净化气体(7)从环绕区段(12a)以基本上均匀的方式在透镜(2)的圆周周围进入到净化气体体积(4a)，从而在净化气体体积(4a)中形成层流。

以相同方式并且类似于或不同于第一环绕区段(12a)而形成，探头(1)可以包括净化气体(7)的通向第二净化气体体积(4b)的供应路径(12)，该供应路径包括第二环绕区段(12b)，该第二环绕区段围绕第二净化气体体积(4b)并且具有点入口(13b)，该点入口位于靠近测量区域(5)因此远离反射器(3)的末端中，净化气体从该处传播至所述第二环绕区段(12b)的全部圆周并且在接近反射器(3)的末端中进入所述第二净化气体体积(4b)。

具有被对应地定位在相对于透镜(2)和反射器(3)的一定距离处的点入口(13a、13b)并且然后以圆周方式在第一净化气体体积(4a)和第二净化气体体积(4b)周围传播的这种设置有助于使进入的净化气体(7)均匀地分布在透镜(2)和反射器(3)的圆周，否则在净化气体体积(4a、4b)之内的进入的净化气体(7)中将存在差别而因此形成紊流，这实际上可能有助于颗粒从测量区域(5)进入到净化气体体积(4a、4b)中而不是对其加以防止。

此探头(1)进一步能够以操作模式和校准模式来运行。采样气体(6)仅在操作模式中流动，而净化气体(7)在操作模式和校准模式两者中都流动，其中净化气体在操作模式过程中根据之前的说明运行为净化气体(7)，而在校准模式中用作校准气体(其中采样气体(6)流动被关闭)。

为了防止气体(9)在校准模式过程中进入系统，已经发现维持或增加净化气体(7)在系统中的流动就足够了。以此方式，净化气体(7)以反对气体(9)的方向被传送出采样入口(8a)和采样出口(8b)，因而在气体(9)进入系统中之前通过采样入口(8a)和采样出口(8b)排出。净化气体(7)也在正常运行期间同样如以上所描述地传送出采样出口(8b)，但是被阀门或其他手段、或简单地通过系统中的采样气体(6)的流动来防止进入采样气体导管(10)连接至采样入口(8a)的部分。

校准模式包括关闭采样气体(6)进入测量区域(5)、让净化气体流动给定时间段以将采样气体(6)清楚出测量区域(5)、并且然后进行校准测量。净化气体(7)因此具有已知成分(该已知成分具有良好限定并且已知的吸收光谱)并且在一个实施例中在进入供应路径(12)之前可以被干燥，从而确保其就可能影响校准测量的颗粒和湿气而言是干净的。

同样如以上所描述的，由于采样入口(8a)的位置以及采样气体(6)是被拉入到探头(1)中并且被引导到测量区域(5)中而不是直接流动到其中，所以在探头(1)内的所有流动是可控的并且不需要如在存在通向测量区域的直接气体通道的探头的情况下一样应对气体的力以使其离开。