DE102004028077A1

DE102004028077A1 - Gassensoranordnung mit verkürzter Einschwingzeit

Info

Publication number: DE102004028077A1
Application number: DE102004028077A
Authority: DE
Inventors: Rudi Minuth; Jörg Fischer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Tyco Electronics Raychem GmbH
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2005-12-29
Also published as: EP1605251A1; EP1605251B1; DE602005012887D1; US7166842B2; US20060011842A1; EP1605251B8; JP2005351896A; DE102004028077A8

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Anwesenheit und/oder der Konzentration eines Analyten mittels einer Gassensoranordnung sowie auf eine entsprechende Gassensoranordnung. Die Gassensoranordnung (100) umfasst eine strahlungsemittierende Strahlungsquelle (102), einen Gasmessraum (104), der mit einem Messgas, das mindestens einen zu messenden Analyten enthält, befüllbar ist, und mindestens eine die Strahlung detektierende Detektoreinrichtung (108), die ein von der Anwesenheit und/oder Konzentration des Analyten abhängiges Ausgangssignal erzeugt. Um ein Verfahren zum Messen sowie eine gattungsgemäße Gassensoranordnung anzugeben, wodurch die Einschwingzeit der Gassensoranordnung verringert und damit die Zuverlässigkeit des Systems erhöht werden kann, wird erfindungsgemäß die Strahlungsquelle (102) so angesteuert, dass sie während einer Einschwingphase Strahlung mit einer ersten Pulsfolge emittiert, bis die Gassensoranordnung sich im thermischen Gleichgewicht befindet, und während einer Messphase Strahlung mit einer zweiten Pulsfolge zum Durchführen der Messung emittiert, wobei sich die erste und die zweite Pulsfolge in dem Tastverhältnis und/oder der Frequenz unterscheiden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Anwesenheit und/oder der Konzentration eines Analyten mittels einer Gassensoranordnung sowie auf eine entsprechende Gassensoranordnung. Die Gassensoranordnung umfasst eine strahlungsemittierende Strahlungsquelle, einen Gasmessraum, der mit einem Messgas, das mindestens einen zu messenden Analyten enthält, befüllbar ist, und mindestens eine die Strahlung detektierende Detektoreinrichtung, die ein von der Anwesenheit und/der Konzentration des Analyten abhängiges Ausgangssignal erzeugt.

Derartige Gassensoranordnungen sind für den Nachweis verschiedenster Analyte, beispielsweise Methan oder Kohlendioxid, bekannt. Herkömmliche Gassensoren, wie sie beispielsweise in der EP 0 616 207 A2 , der WO 00/55603 A1 oder der DE 199 251 96 C2 gezeigt sind, basieren auf der Eigenschaft vieler mehratomiger Gase, Strahlung insbesondere im infraroten Wellenlängenbereich zu absorbieren. Dabei tritt diese Absorption in einer für das betreffende Gas charakteristischen Wellenlänge auf, beispielsweise für CO₂ bei 4,24 μm. Mit Hilfe von derartigen Infrarotgassensoren ist es daher möglich, das Vorhandensein einer Gaskomponente und/oder die Konzentration dieser Gaskomponente in einem Messgas festzustellen. Dabei weisen derartige Gassensoren eine Strahlungsquelle, eine Absorptionsstrecke, d.h. einen Messraum, und einen Strahlungsdetektor auf. Die von dem Strahlungsdetektor gemessene Strahlungsintensität ist gemäß dem bekannten Lambert-Beer'schen Gesetz ein Maß für die Konzentration des absorbierenden Gases. Dabei kann, wie im Fall der sogenannten NDIR (non dispersive infrared)-Sensoren eine breitbandige Strahlungsquelle verwendet werden und über ein Interferenzfilter oder Gitter die interessierende Wellenlänge eingestellt werden. Alternativ kann eine selektive Strahlungsquelle, beispielsweise eine lichtemittierende Diode oder ein Laser, in Kombination mit nicht wellenlängenselektiven Strahlungsempfängern eingesetzt werden.

Insbesondere die Kohlendioxiddetektion gewinnt in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen heute zunehmend and Bedeutung. So kann beispielsweise die Qualität der Innenraumluft überwacht werden, es kann der Reinigungszyklus selbstreinigender Öfen überwacht werden und die Versorgung von Pflanzen mit CO₂ in Treibhäusern kann geregelt werden. Im medizinischen Bereich, beispielsweise in der Anästhesie, kann die Atem luft eines Patienten überwacht werden und schließlich kann überall, wo die Gefahr von austretendem CO₂ besteht, beispielsweise bei entsprechend befüllten Klimaanlagen, ein Kohlendioxidsensor in einem Warnsystem eingesetzt werden.

Im Kraftfahrzeugbereich kann die Kohlendioxiddetektion dazu dienen, zur Erhöhung der Energieeffizienz bei Heizung und Klimatisierung den CO₂-Gehalt der Innenraumluft zu überwachen, um nur bei Bedarf, d.h. bei erhöhter CO₂-Konzentration, eine Frischluftzufuhr über eine entsprechende Lüfterklappenansteuerung zu veranlassen. Darüber hinaus basieren moderne Kraftfahrzeugklimaanlagen auf CO₂ als Kühlmittel, sodass CO₂-Gassensoren auch im Kraftfahrzeugbereich eine Überwachungsfunktion im Zusammenhang mit austretendem CO₂ bei eventuellen Defekten erfüllen können. Insbesondere im Kraftfahrzeugbereich müssen derartige Gassensoren höchsten Anforderungen an Robustheit, Zuverlässigkeit und Miniaturisierbarkeit genügen.

Wie beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung EP 0 616 207 A2 gezeigt, wird die Strahlungsquelle bekannter Gassensoranordnungen häufig nicht gleichförmig betrieben, sondern mit einer bestimmten Frequenz gepulst. Dabei wird meist eine konstante Frequenz und ein bestimmtes Tastverhältnis, wobei das Tastverhältnis das Verhältnis aus Einschaltdauer (Pulsbreite) zur Periodendauer bezeichnet, gewählt. Dabei können Störungen dadurch vermindert werden, dass bei der Signalverarbeitung im Detektorbereich ein schmalbandiges Filter verwendet wird, dessen Filtertrequenz der Impulsfrequenz, mit der die Strahlungsquelle gepulst wird, entspricht.

Die bekannten Gassensoranordnungen, bei denen die Strahlungsquelle gepulst wird, haben einen entscheidenden Nachteil beim Einschalten des Systems, wie auch bei Betriebsweisen, bei denen die Strahlungsquelle längere Zeit kein Licht aussendet: Dadurch, dass pro Puls nur eine vergleichsweise geringe Energie abgestrahlt wird, ist die Einschwingzeit, d. h. die Zeit, bis verwertbare Messergebnisse zur Verfügung stehen, vergleichsweise lang. So muss beispielsweise bei einem gepulst betriebenen Gassensor auf Infrarotbasis das System sich thermisch so lange einschwingen, dass die ersten 10 bis 15 Messwerte nicht brauchbar sind. Dies ist insbesondere problematisch im Zusammenhang mit Sicherheitsanwendungen, insbesondere in Fällen, in denen das System öfter ein- und ausgeschaltet werden muss.

Darüber hinaus ist es bekannt, bei Gassensoranordnungen die Effekte der Alterung bei der Strahlungsquelle dadurch zu kompensieren, dass die Gassensoranordnung neben einer Messstrahlungsquelle zusätzlich eine Referenzstrahlungsquelle aufweist, die in zeitlichen Abständen zur Überprüfung des Alterungszustands der Messstrahlungsquelle eingeschaltet wird (siehe beispielsweise die deutsche Patentschrift DE 199 25 196 C2 ). Die Referenzstrahlungsquelle dient dabei nicht der normalen Messung, sondern sie wird in großen Überwachungsintervallen für die Ermittlung der Alterung der Messstrahlungsquelle betrieben. Dieses Betreiben der Referenzstrahlungsquelle in großen zeitlichen Intervallen und mit nur kurzer Dauer ist notwendig, damit die Alterung der Referenzstrahlungsquelle vernachlässigbar ist.

Daher tritt bei dieser Anordnung das Problem auf, dass die eigentliche Referenzierung vergleichsweise lange dauert, weil die Strahlungsquellen nach dem Abschalten zu lange brauchen, bis sie wieder im eingeschwungenen Zustand, d.h. im thermischen Gleichgewicht sind und verwertbare Messergebnisse liefern.

Wie aus 7 ersichtlich, wird bei bekannten Gassensoranordnungen unter Ansteuerung der Messstrahlungsquelle laufend das Signal gemessen und die Referenzstrahlungsquelle dient der Referenzierung und wird nur während der Referenzierungsphase eingeschaltet. Grundsätzlich kann während der Referenzierungsphase keine reguläre Messung durchgeführt werden und es könnte beispielsweise durch ein Gasleck unbemerkt viel Gas ausströmen und die Sicherheit von Personen gefährden, wenn das Gasleck im Referenzierungszeitraum auftritt.

Aufgrund der benötigten Einschwingzeit sind aber die ersten Messwerte der in 7 dargestellten Referenzierungsphase sowohl nach dem Einschalten der Referenzstrahlungsquelle wie auch nach dem erneuten Einschalten der Messstrahlungsquelle unbrauchbar, sodass insgesamt beispielsweise 16 Messzyklen für eine vollständige Kalibrierung benötigt werden. Nimmt man an, dass ein Messzyklus beispielsweise drei Sekunden dauert, werden für die Referenzierung insgesamt 48 Sekunden benötigt, während derer keine in einem Warnsystem auswertbaren Messdaten vorliegen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen mittels einer Gassensoranordnung sowie eine gattungsgemäße Gassensoranord nung anzugeben, wodurch die Einschwingzeit der Gassensoranordnung verringert und damit die Zuverlässigkeit des Systems erhöht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe durch eine Gassensoranordnung mit den Merkmalen das Patentanspruchs 9 sowie durch eine Gassensoranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand mehrerer Unteransprüche.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, dass das thermische Gleichgewicht der Gassensoranordnung schneller erreicht werden kann, wenn von dem für die Messung optimalen Pulsfolgenmuster der Strahlungsquelle zu Beginn einer Messung abgewichen wird, bis sich die Gassensoranordnung im thermischen Gleichgewicht befindet. Dabei wird die Vorwärmphase dadurch kurz gehalten, dass die Pulse entweder verbreitert werden (d. h. das Tastverhältnis verschiebt sich zugunsten einer längeren Einschaltzeit) oder indem die Frequenz der Pulse erhöht wird. In jedem Fall wird während der Aufwärmphase über die Verlustleistung der Messstrahlungsquelle dem System vermehrt Energie zugeführt, sodass der eingeschwungene Zustand schneller erreicht wird, als wenn mit der Messpulsfolge abgewartet würde, bis der eingeschwungene Zustand eintritt.

Dieser Grundgedanke ist auch auf den Fall einer Gassensoranordnung übertragbar, bei der eine Messstrahlungsquelle und eine Referenzstrahlungsquelle während einer Referenzierungsphase miteinander verglichen werden sollen. In diesem Anwendungsfall kann in vorteilhafter Weise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Referenzstrahlungsquelle vorgewärmt werden, bevor die eigentliche Messung der Referenzwerte durchgeführt wird. Dies bietet den Vorteil, dass der eingeschwungene Zustand schneller erreicht wird und somit die Gesamtdauer der Referenzierungsphase verkürzt werden kann. Insbesondere in sicherheitstechnisch relevanten Anwendungsfällen kann dies den Zeitraum, währenddessen die Sensoranordnung nicht betriebsbereit ist, erheblich verkürzen.

Dabei müssen die von der Referenzstrahlungsquelle emittierten Lichtpulse, die dem Einstellen des thermischen Gleichgewichts dienen sollen, lediglich während der Zeiten aus gesendet werden, in denen die Messstrahlungsquelle nicht sendet. Dies bietet jedoch in aller Regel keine Schwierigkeiten, da das Tastverhältnis der Messpulsfolge meist wesentlich kleiner als eins ist. So kann beispielsweise die Pulsbreite des Messpulses, d.h. die Einschaltdauer der Strahlungsquelle, 0,4 Sekunden betragen und die Periodendauer 2,5 Sekunden, was einem Tastverhältnis von 0,16 entspricht.

Die erfindungsgemäße Lösung ist in besonders vorteilhafter Weise für Gassensoranordnungen anwendbar, bei denen die Strahlungsquelle Infrarotstrahlung aussendet, beispielsweise für NDIR (non dispersive infrared)-Sensoren, weil hier eine Erhöhung der ausgesendeten Verlustleistung besonders schnell zur Erwärmung der Anordnung führt.

Die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung können insbesondere für die Detektion von Kohlendioxid, beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich, sowohl zur Überwachung auf aus Leckstellen austretendes CO₂, wie auch zur Überprüfung der Luftqualität im Fahrgastinnenraum eingesetzt werden. Selbstverständlich kann aber die erfindungsgemäße Gassensoranordnung auch für die Detektion beliebiger anderer Gase eingesetzt werden.

Um einerseits die Messung selbst in ihrer Energieeffizienz und Genauigkeit zu verbessern, und um andererseits durch gezielte Erwärmung der Innenwand des Gasmessraumes das Einstellen des Gleichgewichts zu beschleunigen, kann die Wandung des Gasmessraums so ausgebildet sein, dass sie die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung reflektiert. Dies kann entweder durch die Verwendung von strahlungsreflektierenden Kunststoffen, oder durch die Beschichtung mit einer Metallschicht erfolgen. Vorzugsweise wird hier eine Goldschicht eingesetzt, die durch Sputtern, Bedampfen oder mittels einer Galvanotechnik abgeschieden wurde.

Um die Messwerte hinsichtlich der Temperatur korrigieren zu können und um einen Anhaltspunkt für das Eintreten des thermischen Gleichgewichts zu haben, kann die Gassensoranordnung mit einem Temperaturfühler ausgestattet sein, der die Temperatur der Wandung des Gasmessraumes oder die Temperatur in der Nähe der Strahlungsquelle überwacht.

Alternativ oder zusätzlich kann ein Timer vorgesehen werden, der den Zeitpunkt bestimmt, zu dem vom Aufwärmbetrieb in den Messbetrieb umgeschaltet wird.

Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten vorteilhaften Ausgestaltungen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Gassensoranordnung gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform;
2 ein Zeitdiagramm der von der Strahlungsquelle der 1 ausgesendeten Strahlungspulse gemäß dem Stand der Technik;
3 ein Zeitdiagramm der von der Strahlungsquelle der 1 ausgesendeten Strahlungspulse gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ein Zeitdiagramm der von der Strahlungsquelle der 1 ausgesendeten Strahlungspulse gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung einer Steuerung gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform;
6 eine schematische Darstellung einer Gassensoranordnung gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform;
7 ein Zeitdiagramm des Referenzierungsvorganges in der Anordnung gemäß 6 nach dem Stand der Technik;
8 ein Zeitdiagramm des Referenzierungsvorgangs der Anordnung nach 6 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 eine schematische Darstellung der Steuerung gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform.
Der Aufbau und die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung soll im Folgenden mit Bezug auf die Figuren genauer erläutet werden.
Wie in 1 dargestellt, umfasst die erfindungsgemäße Gassensoranordnung 100 eine Strahlungsquelle 102, hier eine breitbandige Infrarotstrahlungsquelle. Prinzipiell handelt es sich bei der gezeigten Gassensoranordnung 100 um einen sogenannten NDIR (non dispersive infrared)-Sensor. Die wesentlichen Komponenten sind neben der Infrarotquelle 102 der Gasmessraum 104, ein Wellenlängenfilter 106 sowie ein Infrarotdetektor 108.
Das Messgas 110 wird in den Gasmessraum 104 gepumpt oder diffundiert in ihn hinein, was durch die Ein- und Auslässe 112, 114 symbolisiert ist. Die Gaskonzentration kann elektrooptisch über die Absorption einer spezifischen Wellenlänge im Infrarotbereich bestimmt werden. Dabei wird die ausgesendete Infrarotstrahlung 116 durch den Gasmessraum 104 zum Detektor 108 geleitet. Der Detektor 108 weist ein optisches Filter 106 auf, das nur den Wellenlängenbereich hindurchlässt, in welchem die zu detektierenden Gasmoleküle absorbieren. Andere Gasmoleküle absorbieren normalerweise bei dieser Wellenlänge kein Licht, und beeinflussen daher nicht die Strahlungsmenge, die zum Detektor 108 gelangt. Üblicherweise wird das IR-Signal von der Strahlungsquelle 102 gepulst, um thermische Hintergrundsignale aus dem gewünschten Signal herausfiltern zu können. Eine Steuerung 120 steuert zum einen die Strahlungsquelle 102 an und empfängt zum anderen die Ausgangssignale des Detektors 108 und verarbeitet diese weiter.
Weiterhin kann ein Temperaturfühler 124 zum Erfassen der Temperatur in dem Gassensorraum 104 vorgesehen sein.
In den 2 bis 4 sind schematisch drei Zeitverläufe für das ausgesendete Lichtsignal der Strahlungsquelle 102 aus 1 dargestellt. Dabei bedeutet die Grundlinie den ausgeschalteten und der High-Level den eingeschalteten Zustand der Strahlungsquelle.
Die Kurve 201 zeigt die zeitlichen Verhältnisse für den Betrieb mit konstanter Pulsfolge nach dem Stand der Technik. Beispielhaft wird in dieser Zeichnung ein Tastverhältnis T₁/T von 0,16 angenommen, wie dies beispielsweise bei einer Periodendauer T = 2,5 Sekunden und einer Pulsbreite von 0,4 Sekunden der Fall wäre.
Zum Zeitpunkt t = 0 wird hier das System eingeschaltet und die Strahlungsquelle 102 beginnt gemäß der Kurve 201 Lichtpulse auszusenden. Nach Betriebsbeginn muss sich aber das System erst thermisch einschwingen und somit sind eine ganze Anzahl Messwerte (beispielsweise 10 bis 15) nicht brauchbar, sodass die eigentliche Messung erst zur Zeit t = t_m beginnen kann.
Die in den 3 und 4 gezeigten Kurven 202 und 203 stellen dem gegenüber zwei mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, das einen früheren Beginn der tatsächlichen Messung ermöglicht.
Wie aus der Kurve 202 ersichtlich, kann erfindungsgemäß die Dauer der ersten vier Lichtpulse gegenüber der Ausschaltzeit erhöht werden, sodass das Tastverhältnis vergrößert wird. Durch diese Maßnahme können zu einem wesentlich früheren Zeitpunkt t = t_m, zu dem in den herkömmlichen Messpulsbetrieb umgeschaltet wird, verlässliche Messwerte gewonnen werden.
Eine weitere Möglichkeit, den eingeschwungenen Zustand schneller zu erreichen, besteht darin, die Pulsbreite t_{1 unverändert zu lassen und dafür die Frequenz
zu erhöhen.} Dies ist in 4 als Kurve 203 dargestellt.
Grundsätzlich können beliebige Tastverhältnisse und Frequenzen in dem Aufwärmbetrieb, der vor dem eigentlichen Messbeginn liegt, eingestellt werden. Immer wird der Einschwingvorgang gezielt dahingehend beeinflusst, dass er zeitlich verkürzt wird und verwertbare Messwerte früher vorliegen. Die spezielle Pulsfolge während des Aufwärmbetriebes ist systemabhängig und kann empirisch ermittelt werden.
5 zeigt schematisch den Aufbau der Steuerung 120 aus 1. Erfindungsgemäß weist die Steuerung 120 eine Zeitsteuerungseinheit 126 auf, die den Betrieb der Strahlungsquelle 102 steuert. Eine Signalverarbeitungseinheit 128 empfängt die von dem Detektor 108 gelieferten Signale und verarbeitet sie entsprechend. Um beispielsweise Hintergrundsignale besser eliminieren zu können, kann ein Frequenzfilter vorgesehen sein, das auf die Pulsfrequenz während des Messbetriebs ausgerichtet ist. Die Signalverarbeitungseinheit 128 kann außerdem Signale an Warneinrichtungen und Anzeigevorrichtungen zur Darstellung der Messergebnisse liefern. Weiterhin kann eine Temperaturüberwachungseinheit 125 und/oder ein Timer vorgesehen sein, um festzulegen, wann von einem Aufwärmbetrieb in einen Messbetrieb umgeschaltet werden soll, weil davon ausgegangen werden kann, dass der eingeschwungene Zustand erreicht ist.
6 zeigt eine Gassensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die Gassensoranordnung 100 umfasst in dieser Ausführungsform eine Messstrahlungsquelle 102 und eine Referenzstrahlungsquelle 103. Die beiden Strahlungsquellen 102, 103 sind so angeordnet, dass ihre Strahlengänge 116, 117 dieselbe effektive Lichtweglänge zu der Detektoreinrichtung 108 aufweisen oder dass sie symmetrisch zu einer Symmetrieachse des Gasmessraumes liegen. Die Referenzstrahlungsquelle 103 wird in zeitlichen Abständen zur Überprüfung des Alterungszustandes der Messstrahlungsquelle 102 eingeschaltet und die Steuerung 120 ermittelt aus Abweichungen bezüglich der Ausgangssignale der Detektoreinrichtung 108 bei eingeschalteter Referenzsrtrahlungsquell1 103 im Vergleich zu der eingeschalteten Messstrahlungsquelle 102 die Alterung der Messstrahlungsquelle und führt gegebenenfalls eine entsprechende Korrektur der Signale durch.
Der erfindungsgemäße Zeitablauf der Ansteuerung der Strahlungsquellen 102 und 103 soll nunmehr mit Bezug auf die 7 und 8 erläutet werden.
Dabei zeigt 7 den üblicherweise verwendeten Betrieb mit einer unveränderten Pulsfolge sowohl für die Referenzstrahlungsquelle 103 wie auch für die Messstrahlungsquelle 102. Die Kurve 701 bezeichnet die ausgesendeten Lichtsignale der Messstrahlungsquelle 102 und die Kurve 702 die Signale der Referenzstrahlungsquelle 103. Eine Referenzierungsphase beginnt mit dem Ansteuern der Referenzstrahlungsquelle 103, sodass diese Strahlungspulse wie in Kurve 702 gezeigt, emittiert. Da aber die Referenzstrahlungsquelle prinzipbedingt nur für die Referenzierung eingeschaltet wird, benötigt sie nach dem ersten Einschalten zum Zeitpunkt t = t_r eine gewisse Zeit, bis das thermische Gleichgewicht hergestellt ist und verlässliche Messwerte geliefert werden.
In der Praxis ist davon auszugehen, dass ca. vier Messwerte aufgrund des noch nicht eingetretenen eingeschwungenen Zustands unbrauchbar sind. Da jedoch für eine zuverlässige Referenzierung beispielsweise vier Messwerte benötigt werden, muss die Referenzstrahlungsquelle in dem in 7 gezeigten Beispiel für insgesamt acht Pulse eingeschaltet bleiben. Zum Zeitpunkt t = t_m wird nun wieder die Messstrahlungsquelle 102 angesteuert, um die Messung fortzusetzen und gleichzeitig die Vergleichswerte für die Korrektur zu ermitteln. Da jedoch die Messstrahlungsquelle 102 während der Zeit, in der die Referenzstrahlungsquelle 103 gepulst wurde, abgeschaltet war, muss nun auch bezüglich der Messstrahlungsquelle 102 abgewartet werden, bis der eingeschwungene Zustand wiederhergestellt ist.
Wenn man davon ausgeht, dass auch in der Kurve 702 nach dem Abschalten der Referenzstrahlungsquelle 103 vier Messpulse verworfen werden müssen, bevor weitere vier Messpulse für die Ermittlung der benötigen Referenzierungswerte ausgewertet werden können, so dauert das Referenzierungsverfahren bei Aussenden von unveränderten Pulsfolgen 16 Zyklen. Rechnet man pro Messzyklus beispielsweise ca. drei Sekunden, dauert der gesamte Referenzierungsvorgang mindestens 48 Sekunden. Während dieser Zeit ist das Messsystem nicht betriebsbereit und kann beispielsweise keine Warnung absetzen, wenn genau während der Referenzierungsphase ein Gasleck auftritt.
Daher wird, wie in 8 beispielhaft dargestellt, erfindungsgemäß von den konstanten Pulsen abgewichen und es wird zum einen, wie aus der Kurve 802 der 8 erkennbar, während die Messstrahlungsquelle 102 noch verwertbare Messpulse liefert, in den Zeiten, in denen die Messstrahlungsquelle 102 nicht sendet, Lichtpulse von der Referenzstrahlungsquelle 103 ausgesendet, die dem Einstellen des thermischen Gleichgewichts an der Referenzstrahlungsquelle 103 dienen.
Durch eine geeignete Signalverarbeitung kann sichergestellt werden, dass diese Lichtpulse, die außerhalb der eingestellten Messfrequenz auftreten, nicht in das Messergebnis eingehen. Zum Zeitpunkt t = t_r wird die Referenzstrahlungsquelle 103 so angesteuert, dass sie mit der Messpulsfrequenz Lichtpulse sendet und somit auswertbare Signale gemessen werden können. Da die Referenzstrahlungsquelle 103 sich zum Zeitpunkt t = t_r bereits im eingeschwungenen Zustand befindet, können alle Messwerte sofort verwendet werden und die Referenzstrahlungsquelle 103 kann beispielsweise nach vier oder fünf Lichtpulsen wieder abgeschaltet werden.
Erfindungsgemäß kann außerdem, wie aus der Kurve 801 ersichtlich, während der Zeit, in der die Referenzstrahlungsquelle 103 die auswertbaren Referenzstrahlungspulse lieferte, die Messstrahlungsquelle 102 nicht gänzlich ausgeschaltet, sondern mit einer Pulsfolge betrieben werden, die so ausgelegt ist, dass Messstrahlungspulse in den Zeiten geliefert werden, in denen die Referenzstrahlungsquelle 103 nicht sendet.
Dadurch kann verhindert werden, dass die Messstrahlungsquelle 102 das thermische Gleichgewicht verlässt, und es können bereits die ersten Messwerte nach dem Abschalten der Referenzstrahlungsquelle 103 wieder verwendet werden. Insgesamt kann daher die Referenzierung deutlich beschleunigt werden.
Der Kurvenverlauf der Kurven 801 und 802 der 8 stellt nur eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Die Pulsfolgen vor der eigentlichen Messwerterfassung können gemäß dem Prinzip der vorliegenden Erfindung auch mit veränderten Frequenzen oder schmäleren oder auch veränderlichen Pulsbreiten ablaufen. Wesentlich ist nur, dass die Pulsfolgen, die von der Messstrahlungsquelle 102 und der Referenzstrahlungsquelle 103 so koordiniert sind, dass stets nur von einer der beiden Strahlungsquellen Strahlung emittiert wird.
Eine schematische Darstellung der Steuerung 120 ist in 9 dargestellt. Wie bei der in 5 gezeigten Steuerung 120 kann auch hier eine Temperaturerfassungseinheit und/oder ein Timer vorgesehen werden, um die Zeitpunkte des jeweiligen Umschaltens von dem Aufwärm- in den Messbetrieb und umgekehrt festzulegen.
Durch die optimierte Zeitsteuerung der Strahlungsquellen gemäß der vorliegenden Erfindung wird das thermische Gleichgewicht schneller erreicht und es kann die Menge an unbrauchbaren Messdaten reduziert werden und die Betriebssicherheit kann erhöht werden.
Selbstverständlich sind die Prinzipien der vorliegenden Erfindung entsprechend angepasst auch für beliebige andere Anzahlen von Strahlungsquellen und Detektoren anwendbar.

Claims

Verfahren zum Messen der Anwesenheit und/oder der Konzentration eines Analyten mittels einer Gassensoranordnung mit mindestens einer Strahlung emittierenden Strahlungsquelle, einem Gasmessraum, der mit einem Messgas, das mindestens einen zu messenden Analyten enthält, befüllbar ist, und mindestens einer die Strahlung detektierenden Detektoreinrichtung, die ein von der Anwesenheit und/oder der Konzentration des Analyten abhängiges Ausgangssignal erzeugt, wobei die Strahlungsquelle Strahlung in Form von Pulsen aussendet, mit den folgenden Schritten: Emittieren von Strahlung mit einer ersten Pulsfolge, bis die Gassensoranordnung sich im thermischen Gleichgewicht befindet, Emittieren von Strahlung mit einer zweiten Pulsfolge zum Durchführen der Messung, wobei sich die erste und die zweite Pulsfolge in dem Tastverhältnis und/oder der Frequenz unterscheiden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Strahlungsquelle Infrarotstrahlung aussendet.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gasförmige Analyten, vorzugsweise Kohlendioxid, nachgewiesen werden und/oder deren Konzentration bestimmt wird.
Verfahren zum Messen der Anwesenheit und/oder der Konzentration eines Analyten mittels einer Gassensoranordnung mit mindestens einer Strahlung emittierenden Messstrahlungsquelle sowie mindestens einer Strahlung emittierenden Referenzstrahlungsquelle, wobei die Strahlungsquellen Strahlung in Form von Pulsen aussenden, einem Gasmessraum, der mit einem Messgas, das mindestens einen zu messenden Analyten enthält, befüllbar ist, und mindestens einer die Strahlung detektierenden Detektoreinrichtung, die ein von der Anwesenheit und/oder der Konzentration des Analyten abhängiges Ausgangssignal erzeugt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Betreiben der Messstrahlungsquelle zum Emittieren von Strahlung mit einer ersten Messpulsfolge zum Durchführen der Messung, während die Messstrahlungsquelle Strahlung mit der ersten Messpulsfolge aussendet, Betreiben der Referenzstrahlungsquelle zum Emittieren von Strahlung mit einer ersten Referenzpulsfolge zum Einstellen eines thermischen Gleichgewichts an der Referenzstrahlungsquelle, wobei die erste Referenzpulsfolge und die erste Messpulsfolge zeitlich so koordiniert sind, dass immer nur von einer der Strahlungsquellen Strahlung emittiert wird, Betreiben der Referenzstrahlungsquelle zum Emittieren von Strahlung mit einer zweiten Referenzpulsfolge zum Ermitteln von Referenzmesswerten, und während die Referenzstrahlungsquelle Strahlung mit der zweiten Referenzpulsfolge aussendet, Betreiben der Messstrahlungsquelle zum Emittieren von Strahlung mit einer zweiten Messpulsfolge zum Einstellen eines thermischen Gleichgewichts an der Messstrahlungsquelle, wobei die zweite Referenzpulsfolge und die zweite Messpulsfolge zeitlich so koordiniert sind, dass immer nur von einer der Strahlungsquellen Strahlung emittiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste und die zweite Messpulsfolge in ihrem Tastverhältnis und/oder der Frequenz unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste und die zweite Referenzpulsfolge in ihrem Tastverhältnis und/oder der Frequenz unterscheiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Strahlungsquelle Infrarotstrahlung aussendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass gasförmige Analyten, vorzugsweise Kohlendioxid, nachgewiesen werden und/oder deren Konzentration bestimmt wird.
Gassensoranordnung mit mindestens einer Strahlung emittierenden Strahlungsquelle (102), einem Gasmessraum (104), der mit einem Messgas (110), das mindestens einen zu messenden Analyten enthält, befüllbar ist, mindestens einer die Strahlung detektierenden Detektoreinrichtung (108), die ein von der Anwesenheit und/oder der Konzentration des Analyten abhängiges Ausgangssignal erzeugt, und einer Steuerung (120) zum Ansteuern der Strahlungsquelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (120) eine Zeitsteuerung (126) aufweist, die betrieben werden kann, um die mindestens eine Strahlungsquelle (102) so anzusteuern, dass sie während einer Einschwingphase Strahlung mit einer ersten Pulsfolge emittiert, bis die Gassensoranordnung sich im thermischen Gleichgewicht befindet, und während einer Messphase Strahlung mit einer zweiten Pulsfolge zum Durchführen der Messung emittiert, wobei sich die erste und die zweite Pulsfolge in dem Tastverhältnis und/oder der Frequenz unterscheiden.
Gassensoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zu detektierende Strahlung (116) Infrarotstrahlung ist und die mindestens eine Strahlungsquelle (102) durch eine Infrarotstrahlungsquelle, vorzugsweise eine lichtemittierende Diode oder eine ein breitbandiges Lichtspektrum emittierende Lampe, gebildet ist.
Gassensoranordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperaturfühler (124) zur Überwachung der Temperatur in dem Gasmessraum vorgesehen ist.
Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (118) des Gasmessraums so ausgebildet ist, dass sie die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung reflektiert.
Gassensoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (118) des Gasmessraums mit einer Metallisierung, vorzugsweise einer Goldschicht, die durch Sputtern, Bedampfen oder mittels Galvanotechnik abgeschieden wurde, versehen ist.
Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu eingerichtet ist, gasförmige Analyten, vorzugsweise Kohlendioxid, nachzuweisen und/oder deren Konzentration zu bestimmen.
Gassensoranordnung mit mindestens einer Strahlung emittierenden Messstrahlungsquelle (102) sowie mindestens einer Strahlung emittierenden Referenzstrahlungs quelle, einem Gasmessraum (104), der mit einem Messgas (110), das mindestens einen zu messenden Analyten enthält, befüllbar ist, mindestens einer die Strahlung detektierenden Detektoreinrichtung (108), die ein von der Anwesenheit und/oder der Konzentration des Analyten abhängiges Ausgangssignal erzeugt, und einer Steuerung (120) zum Ansteuern der Strahlungsquellen und zum Auswerten des Detektorausgangssignals, wobei die Steuerung (120) eine Zeitsteuerung (126) aufweist, die betrieben werden kann, um die mindestens eine Messstrahlungsquelle (102) so anzusteuern, dass sie Strahlung mit einer ersten Messpulsfolge zum Durchführen der Messung emittiert, um die Referenzstrahlungsquelle so anzusteuern, dass sie Strahlung mit einer ersten Referenzpulsfolge zum Einstellen eines thermischen Gleichgewichts an der Referenzstrahlungsquelle emittiert, wobei die erste Referenzpulsfolge und die erste Messpulsfolge zeitlich so koordiniert sind, dass immer nur von einer der Strahlungsquellen Strahlung emittiert wird, um die Referenzstrahlungsquelle so anzusteuern, dass sie Strahlung mit einer zweiten Referenzpulsfolge zum Ermitteln von Referenzmesswerten emittiert, und um die Messstrahlungsquelle so anzusteuern, dass sie, während die Referenzstrahlungsquelle Strahlung mit der zweiten Referenzpulsfolge aussendet, Strahlung mit einer zweiten Messpulsfolge zum Einstellen eines thermischen Gleichgewichts an der Messstrahlungsquelle emittiert, wobei die zweite Referenzpulsfolge und die zweite Messpulsfolge zeitlich so koordiniert sind, dass immer nur von einer der Strahlungsquellen Strahlung emittiert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste und die zweite Messpulsfolge in ihrem Tastverhältnis und/oder der Frequenz unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste und die zweite Referenzpulsfolge in ihrem Tastverhältnis und/oder der Frequenz unterscheiden.
Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zu detektierende Strahlung (116) Infrarotstrahlung ist und die mindestens eine Strahlungsquelle (102) sowie die Referenzstrahlungsquelle durch Infrarot strahlungsquellen, vorzugsweise eine lichtemittierende Dioden oder ein breitbandiges Lichtspektrum emittierende Lampen, gebildet sind.
Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperaturfühler (124) zur Überwachung der Temperatur in dem Gasmessraum vorgesehen ist.
Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (118) des Gasmessraums so ausgebildet ist, dass sie die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung reflektiert.
Gassensoranordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (118) des Gasmessraums mit einer Metallisierung, vorzugsweise einer Goldschicht, die durch Sputtern, Bedampfen oder mittels Galvanotechnik abgeschieden wurde, versehen ist.
Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu eingerichtet ist, gasförmige Analyten, vorzugsweise Kohlendioxid, nachzuweisen und/oder deren Konzentration zu bestimmen.