DE102012215660B4 - Optische Gassensorvorrichtung und Verfahren zum Bestimmen der Konzentration eines Gases - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung schafft eine Gassensorvorrichtung (100; 200; 300) zum Bestimmen einer molaren Konzentration eines nachzuweisenden Gases (107; 207; 307), das Licht mit einer für das Gas im Bereich infraroten Lichts liegenden, charakteristischen Messwellenlänge (λgas) absorbiert, mit einer Lichtemissionseinrichtung (110; 210; 310), die dazu ausgebildet ist, Messlicht mit der Messwellenlänge (λgas) in einen Raumwinkelbereich (111; 211; 311) einer sich durch das nachzuweisende Gas (107; 207; 307) erstreckenden Lichtabsorptionsstrecke zu emittieren, einem Lichtdetektor (180; 280; 380), der dazu ausgebildet ist, eine Intensität von zumindest einem Anteil des Messlichts, das die Lichtabsorptionsstrecke durchlaufen hat, zu messen, wobei sich die Lichtabsorptionsstrecke von der Lichtemissionseinrichtung (110; 210; 310) zu einem außerhalb der Gassensorvorrichtung (100; 200; 300) angeordneten Gegenstand (108, 208; 308), der das Messlicht zumindest teilweise reflektiert, und von dort zu dem Lichtdetektor (180; 280; 380) erstreckt und wobei die Lichtabsorptionsstrecke im Wesentlichen außerhalb der Gassensorvorrichtung (100; 200; 300) angeordnet ist, und mit Mitteln (1) zum Bestimmen der Länge der Lichtabsorptionsstrecke des Messlichts von der Lichtemissionseinrichtung (110; 210; 310) bis zu dem Lichtdetektor (180; 280; 380). Ein entsprechendes Verfahren zum Bestimmen einer Konzentration eines nachzuweisenden Gases wird ebenfalls bereitgestellt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Gassensorvorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Konzentration eines Gases.
  • Stand der Technik
  • Bekannte Gassensoren beruhen meist auf chemischen oder optischen Sensierprinzipien. Bei optischen Sensierprinzipien wird meist ein Absorptionsverfahren eingesetzt, wie in 4 zusammengefasst. Der in 4 beispielhaft gezeigte, bekannte, infrarot-optische Gassensor 2 beruht auf dem Prinzip, dass in einem Gasgemisch, wie etwa Luft, in dem der Gehalt einer Gaskomponente gemessen werden soll, wie etwa der CO2-Gehalt in Luft, die zu messende Gaskomponente bei einer charakteristischen Wellenlänge λgas im infraroten Spektralbereich Licht absorbiert. Vergleicht man für Licht, das entlang einer Absorptionsstrecke 12 das Gas 7 bzw. das Gasgemisch durchlaufen hat, die Lichtintensität bei dieser charakteristischen Wellenlänge λgas mit der Lichtintensität bei einer zu der charakteristischen Wellenlänge benachbarten Referenzwellenlänge λref, die von der zu messenden Gaskomponente nicht absorbiert wird, dann kann die Konzentration der zu messenden Gaskomponente auf der Grundlage des bekannten Lambert-Beer'schen Absorptionsgesetzes wie folgt berechnet werden: I = I0·exp(–ε·c·L) Gleichung 1 wobei:
    • I
    = Lichtintensität mit Absorption [W/m2]
    I0
    = Intensität ohne Absorption [W/m2]
    ε
    = molarer Absorptionskoeffizient [m2/mol] (gas-, wellenlängen- und temperaturabhängig)
    c
    = molare Konzentration [mol/m3] und
    L
    = Länge der Absorptionsstrecke 12[m].
  • Für die Berechnung der molaren Konzentration c des nachzuweisenden Gases benötigt man gemäß der Gleichung 1 die Kenntnis des bekannten molaren Absorptionskoeffizienten ε, einen Messwert für die Lichtintensität I mit Absorption (d. h. bei der charakterisitischen Wellenlänge λgas), einen Messwert für die Lichtintensität I0 ohne Absorption (d. h. bei der Referenzwellenlänge λref) und einen Messwert für die Länge L der Absorptionsstrecke 12. Je länger der Absorptionsweg 12 ist, desto mehr Licht wird absorbiert und eine desto geringere molare Gaskonzentration c kann gemessen werden.
  • In dem in 4 beispielhaft gezeigten Prinzipaufbau eines infrarot-optische Gassensors 2 zum Messen des Gehalts von beispielsweise CO2 in Luft umfasst dieser eine im infraroten Spektralbereich breitbandig emittierende Lichtquelle 10, deren Emissionsspektrum die für das zu messende Gas CO2 charakteristische Wellenlänge λgas und eine dazu benachbarte Wellenlänge λref, bei der das Gasgemisch (die Luft) nicht absorbiert, enthält, und ferner einen Lichtdetektor 80 mit mindestens zwei Messkanälen zum Messen der Lichtintensität bei der für die zu mesende Gaskomponenten charakteristische Wellenlänge (hierin auch Messwellenlänge genannt) λgas und bei der Referenzwellenlänge λref. Der Lichtdetektor 80 umfasst eine Filtereinrichtung 83 zum Durchlassen von Licht mit der Messwellenlänge λgas und einen dahinter angeordneten Messlichtdetektor 81, eine Filtereinrichtung 84 zum Durchlassen von Licht mit der Referenzwellenlänge λref und einen dahinter angeordneten Referenzlichtdetektor 82.
  • Der erste Messkanal 88 des Lichtdetektors 80 dient zum Messen der nach Durchlaufen der Absorptionsstrecke 12 verbliebenen Lichtintensität I bei der Messwellenlänge λgas, der zweite Messkanal 89 zum Messen der durchgelassenen Lichtintensität I0 bei der Wellenlänge λref, wo das Gasgemisch keine Absorption zeigt. Im unteren Teil der 4 ist beispielhaft das Absorptionsspektrum des Gasgemisches (Luft) gezeigt. Man erkennt, dass die in dem Gasgemisch enthaltenen Gaskomponenten H2O, CH4, CO2 und CO bei unterschiedlichen, für die jeweilige Gaskomponenten charakteristischen Wellenlängen eine ausgeprägte Lichtabsorption (relative Absorption) zeigen. Die obere horizontale Achse des in 4 im unteren Bereich gezeigten Absorptionsspektrum gibt die Wellenlänge λ, ausgedrückt in Mikrometern [μm], des Infrarotlichts an, und die untere horizontale Achse die entsprechende Wellenzahl, die als der Reziprokwert 1/λ der Wellenlänge definiert ist, gemessen in [105 cm–1].
  • Es sind also infrarot-optische Gassensoren bekannt, bei denen die Mess- bzw. Absorptionsstrecke innerhalb des Gassensors, insbesondere innerhalb eines Gehäuses des Gassensors angeordnet ist. Zum Erzielen einer möglichst langen Absorptionsstrecke zwischen der Infrarot-Lichtquelle und dem Lichtdetektor umfasst der Gassensor eine wenigstens Reflektoreinrichtung, um innerhalb des Gassensors mehrere Teilstrecken der Absorptionsstrecke zu realisieren, wie etwa bei dem in DE 10 2004 044 145 A1 offenbarten photometrischen Gassensor.
  • Eine Besonderheit der bekannten infrarot-optischen Gassensoren ist, dass trotz eines ausgefeilten Ausgestaltung der Reflektoreinrichtung die gesamte Absorptionsstrecke durch die Abmessungen des Gassensors limitiert ist. Insbesondere in dünnen, tragbaren Geräten, wie etwa Mobiltelefonen, Handmessgeräten oder Laserentfernungsmesseinrichtungen, ist kein Platz verfügbar, um im Gerät eine entsprechende, durch eine Reflektoreinrichtung verlängerte Absorptionsstrecke realisieren zu können.
  • Aus dem Dokument JP 2008 096 228 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem mittels einer auf einen externen Reflektor projizierten Infrarotlichtstrecke die chemische Zusammensetzung eines landwirtschaftlich ausgebrachten Sprühnebels erfasst werden kann.
  • Aus dem Dokument DE 199 29 034 A1 ist eine Vorrichtung zur Analyse einer Gasprobe mittels Infrarot-Absorption bekannt, bei dem das Infrarotlicht innerhalb einer Messzelle an einem sphärischen Spiegel reflektiert wird. Ähnliche Anordnungen sind auch aus den Schriften DE 44 34 814 A1 und DSE 197 13 928 C1 bekannt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung schafft eine Gassensorvorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer molaren Konzentration eines nachzuweisenden Gases mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 15. Vorteilhafte Ausführungsformen der Gassensorvorrichtung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
  • Ein Aspekt der Erfindung ist, dass Messlicht von der Lichtemissionseinrichtung in einen außerhalb der Gassensorvorrichtung angeordneten Raumbereich emittiert wird, und dass der Lichtdetektor eine Intensität von Messlicht detektiert, das an einem in diesem Raumbereich angeordneten Gegenstand reflektiert worden ist. Die Messstrecke befindet sich also im Wesentlichen außerhalb der erfindungsgemäßen Gassensorvorrichtung und kann in der Größenordnung von einem Meter oder mehr liegen und jedenfalls um ein Vielfaches länger sein als in herkömmlichen infrarot-optischen Gassensoren, in denen die Messstrecke innerhalb eines Gehäuses des Gassensors verläuft und typischerweise in der Größenordnung von Zentimetern liegt. Durch die viel längere Messstrecke kann die Empfindlichkeit für die Bestimmung der molaren Konzentration des nachzuweisenden Gases wesentlich höher als in herkömmlichen infrarot-optischen Gassensoren sein. Auch umfasst bzw. benötigt die erfindungsgemäße Gassensorvorrichtung keine vorrichtungsinterne Reflektoreinrichtung und kann daher räumlich kleiner bzw. Platz sparender ausgebildet sein als herkömmlichen infrarot-optischen Gassensoren. So kann die erfindungsgemäße Gassensorvorrichtung relativ einfach in einem tragbaren Gerät, wie etwa wie etwa in einem Mobiltelefon, einem Handmessgerät, einer Fotokamera oder einer Laserentfernungsmesseinrichtung, in denen die bisherigen infrarot-optischen Gassensoren aufgrund von Platzbeschränkungen nicht realisiert werden konnten, integriert werden.
  • Weitere Vorteile der Erfindung
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird eine optische Gassensorvorrichtung bereitgestellt zum Bestimmen einer molaren Konzentration eines nachzuweisenden Gases, wobei das Gas Licht mit einer für das nachzuweisende Gas charakteristischen Messwellenlänge absorbiert und Licht mit einer vorbestimmten, von der Messwellenlänge verschiedenen Referenzwellenlänge nicht absorbiert und wobei die Messwellenlänge und die Referenzwellenlänge im Bereich infraroten Lichts liegen. In dieser Gassensorvorrichtung:
    ist die Lichtemissionseinrichtung dazu ausgebildet, Messlicht mit der Messwellenlänge und Referenzlicht mit der Referenzwellenlänge in einen Raumwinkelbereich, der einen außerhalb der Gassensorvorrichtung liegenden Raumbereich enthält, zu emittieren,
    ist der Lichtdetektor dazu ausgebildet, eine Intensität von Messlicht, das an einem in dem Raumbereich angeordneten Gegenstand reflektiert worden ist, und eine Intensität von Referenzlicht, das an dem in dem Raumbereich angeordneten Gegenstand reflektiert worden ist, zu messen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfassen die Mittel zum Bestimmen der Länge der Lichtabsorptionsstrecke von der Lichtemissionseinrichtung zu dem Gegenstand und von dort zu dem Lichtdetektor.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Lichtemissionseinrichtung dazu ausgebildet, zu einem ersten Zeitpunkt und zu einem zweiten Zeitpunkt Messlicht mit der Messwellenlänge in einen Raumwinkelbereich, der einen außerhalb der Gassensorvorrichtung liegenden ersten und zweiten Raumbereich enthält, zu emittieren,
    ist der Lichtdetektor dazu ausgebildet, zu bzw. nach dem ersten Zeitpunkt eine erste Intensität von Messlicht, das an einem in dem ersten Raumbereich in einem ersten Abstand zu der Gassensorvorrichtung angeordneten ersten Gegenstand reflektiert worden ist, und zu bzw. nach dem zweiten Zeitpunkt eine zweite Intensität von Messlicht, das an einem in dem zweiten Raumbereich in einem zweiten Abstand zu der Gassensorvorrichtung angeordneten zweiten Gegenstand reflektiert worden ist, zu messen, und
    umfassen die Mittel zum Bestimmen der Länge der Lichtabsorptionsstrecke Mittel zum Bestimmen eines Unterschieds zwischen einem ersten Laufweg des Lichts von der Lichtemissionseinrichtung zu dem ersten Gegenstand und von dort zu dem Lichtdetektor und einem zweiten Laufweg des Lichts von der Lichtemissionseinrichtung zu dem zweiten Gegenstand und von dort zu dem Lichtdetektor
  • Dabei können der erste Gegenstand und der zweite Gegenstand auch derselbe Gegenstand sein. Dieser befindet sich zur Messung zum ersten Zeitpunkt in einem ersten Abstand und zum zweiten Zeitpunkt in einem zweiten Abstand zu der Gassensorvorrichtung.
  • Der Gegenstand bzw. der erste und der zweite Gegenstand können eine Wand sein. Die Wand wird von dem Messlicht bzw. von dem Referenzlicht vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht oder nahezu senkrecht zu ihrer Wandoberfläche bestrahlt. Eine Wand bietet eine große reflektierende Oberfläche und kann besonders viel Messlicht zurück in Richtung des Lichtdetektors reflektieren.
  • In in einer ersten Variante die Lichtemissionseinrichtung eine breitbandige Lichtquelle sein, die dazu ausgebildet ist, Licht in einem breitbandigen Spektralbereich, der die Messwellenlänge und die Referenzwellenlänge umfasst, zu emittieren. Ferner kann der Lichtdetektor zwei Messkanäle umfassen und dazu ausgebildet sein, in dem ersten Messkanal eine Intensität von Messlicht, das an dem in dem Raumbereich angeordneten Gegenstand reflektiert worden ist, und in dem zweiten Messkanal eine Intensität von Referenzlicht, das an dem in dem Raumbereich angeordneten Gegenstand reflektiert worden ist, zu messen. In dieser Ausgestaltung kommt eine breitbandige Lichtquelle, die relativ kostengünstig sein kann, zum Einsatz.
  • Die Lichtquelle kann Mittel zum Bündeln des von ihr emittierten Lichts in den Raumwinkelbereich umfassen. Die Bündelmittel können eine Sammellinse und/oder eine Reflektoreinrichtung mit mindestens einem im Wesentlichen konkaven Reflektor umfassen. Die Bündelmittel erhöhen in dem den reflektierenden Gegenstand enthaltenden Raumwinkelbereich die Intensität des auf den Gegenstand eingestrahlten Lichts und damit die von dem Lichtdetektor messbare Messlicht-Intensität, was wiederum die Messgenauigkeit erhöht gegenüber einer Ausgestaltung ohne Bündelmittel.
  • Der erste Messkanal des Lichtdetektors kann eine erste Filtereinrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, im Wesentlichen nur Licht in einem ersten schmalbandigen Messspektralbereich, der im Wesentlichen die Messwellenlänge und nicht die Referenzwellenlänge umfasst, zu transmittieren. Ferner kann der zweite Messkanal des Lichtdetektors eine zweite Filtereinrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, im Wesentlichen nur Licht in einem zweiten schmalbandigen Referenzspektralbereich, der im Wesentlichen die Referenzwellenlänge und nicht die Messwellenlänge umfasst, zu transmittieren. Die Filter blenden jeweils in der Messung nicht benötigtes Licht aus, was das Verhältnis von detektiertem Messlicht zu Streulicht bzw. zum Rauschsignal des Lichtdetektors und damit dessen Intensitätsmessempfindlichkeit verbessert.
  • In einer zweiten Variante kann die Lichtemissionseinrichtung eine Messlichtquelle, die dazu ausgebildet ist, Messlicht in einem schmalbandigen Messspektralbereich, der im Wesentlichen die Messwellenlänge und nicht die Referenzwellenlänge umfasst, zu emittieren, und eine Referenzlichtquelle, die dazu ausgebildet ist, Referenzlicht in einem schmalbandigen Referenzspektralbereich, der im Wesentlichen die Referenzwellenlänge und nicht die Messwellenlänge umfasst, zu emittieren, umfassen. Dabei kann der Lichtdetektor dazu ausgebildet sein, eine Intensität von Messlicht, das an dem in dem Raumbereich angeordneten Gegenstand reflektiert worden sind, und eine Intensität von Referenzlicht, das an dem in dem Raumbereich angeordneten Gegenstand reflektiert worden sind, zu messen. In dieser Ausgestaltung kommen schmalbandige Lichtquellen zum Einsatz, wobei die von der Lichtquelle abgestrahlte gesamte Lichtintensität auf das schmale Wellenlängenband begrenzt ist und daher insgesamt wesentlich geringer sein kann als bei der breitbandigen Lichtquelle. Daher kann die schmalbandige Lichtquelle energieeffizienter betrieben werden als die breitbandige Lichtquelle.
  • Die Messlichtquelle kann eine erste Lasereinrichtung sein, die dazu ausgebildet ist, einen ersten Messlichtstrahl zu emittieren, und die Referenzlichtquelle kann eine zweite Lasereinrichtung sein, die dazu ausgebildet ist, einen Referenzlichtstrahl zu emittieren. Die Ausgestaltung der Mess- und der Referenzlichtquelle als Lasereinrichtung ermöglicht eine sehr hohe Richtwirkung für den Mess- bzw. Referenzlichtstrahl, so dass bei der Messung ein relativ kleiner Gegenstand genügt, um das Messlicht zu dem Lichtdetektor zu reflektieren.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung gibt es Mittel zum Bestimmen der molaren Gaskonzentration des nachzuweisenden Gases, die dazu ausgebildet sind, die molare Gaskonzentration auf der Grundlage des Verhältnisses der von dem Lichtdetektor gemessenen Messlicht-Intensität und der von dem Lichtdetektor gemessenen Referenzlicht-Intensität sowie des Laufwegs des Lichts zu berechnen. Entsprechend kann die Gassensorvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ferner Mittel zum Bestimmen der molaren Gaskonzentration des nachzuweisenden Gases, die dazu ausgebildet sind, die molare Gaskonzentration auf der Grundlage des Verhältnisses der von dem Lichtdetektor gemessenen ersten Messlicht-Intensität, das den ersten Laufweg zurückgelegt hat, und der der von dem Lichtdetektor gemessenen zweiten Messlicht-Intensität, das den zweiten Laufweg zurückgelegt hat, sowie dem Unterschied zwischen dem ersten Laufweg und dem zweiten Laufweg zu berechnen. Durch diese Ausgestaltungen wird kein zu der Gassensorvorrichtung zusätzliches Gerät, wie etwa ein Taschencomputer oder ein PC benötigt, um die molare Gaskonzentration aus den von der Gassensorvorrichtung gemessenen Parametern (Verhältnisses der Lichtintensitäten und Laufweg bzw. Laufwegunterschied des Lichts) zu berechnen.
  • Eine jeweilige Lichtemissionseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, Licht mit einem oder mehreren Lichtpulsen zu emittieren. Die Modulation des von der Lichtemissionseinrichtung abgestrahlten Lichts in der Form von Lichtpulsen ermöglicht, dass in dem Lichtdetektor ein Lock-In Verstärker eingesetzt werden kann, der ein im Vergleich zu einem Verstärker ohne Lock-In Technik höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis und damit eine höhere Messgenauigkeit erzielt. Auch ermöglicht die Modulation des Lichts in der Form von Lichtpulsen, dass der Laufweg des Lichts über eine Messung der Laufzeit des/der Lichtpulse bestimmt werden kann. Auch kann bei den Lichtintensitätsmessungen ein Einfluss der Umgebungshelligkeit unterdrückt bzw. herausgerechnet werden.
  • Zur Modulation des Lichts in der Form von Lichtpulsen kann die Lichtemissionseinrichtung eine steuerbare optische Shuttereinrichtung mit einem in einer steuerbaren zeitlichen Abfolge blockierbaren und freigebbaren Transmissionslaufweg umfassen. Alternativ kann die Lichtemissionseinrichtung mit einer steuerbaren zeitlichen Abfolge pulsierender Versorgungsleistung betrieben werden.
  • In der Gassensorvorrichtung gemäß der zweiten Variante kann die Messlichtquelle dazu ausgebildet sein, einen oder mehrere Messlichtpulse zu emittieren und die Referenzlichtquelle kann dazu ausgebildet sein, einen oder mehrere Referenzlichtpulse zu emittieren, wobei ein jeweiliger Messlichtpuls und ein jeweiliger Referenzlichtpulse zeitlich versetzt zueinander sind. Diese Ausgestaltung der Modulation ermöglicht, dass in dem Lichtdetektor sowohl für die Detektion des Messlichts als auch für die des Referenzlichts ein Lock-In Verstärker mit einem hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnis und damit eine höheren Messgenauigkeit eingesetzt werden kann, und dass der Laufweg des Lichts über eine Laufzeitmessung sowohl der Messlicht- als auch der Referenzlichtpulse bestimmt werden kann.
  • Die Mittel zum Bestimmen des Laufwegs bzw. die Mittel zum Bestimmen des Unterschieds zwischen dem ersten Laufweg und dem zweiten Laufweg in der Gassensorvorrichtung können mindestens ein Mittel umfassen, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die folgendes umfasst:
    eine Eingabeeinrichtung, die ausgebildet ist zum Eingeben des dem Laufweg entsprechenden Abstands zwischen der Gassensorvorrichtung und dem Gegenstand bzw. zum Eingeben des Laufwegs durch einen Bediener der Gassensorvorrichtung,
    eine Abstandsmesseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein Signal bereitzustellen, das indikativ für den dem Laufweg entsprechenden Abstand zwischen der Gassensorvorrichtung und dem Gegenstand ist, wobei die Abstandsmesseinrichtung insbesondere eine Autofokuseinrichtung einer Fotokamera umfassen kann,
    Mittel zum Bestimmen des Laufwegs von von der Lichtemissionseinrichtung emittierten Lichts mit Lichtpulsen auf der Grundlage einer Messung der Laufzeit von mindestens einem Lichtpuls,
    eine Laserentfernungsmesseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den Abstand über eine Frequenzmodulation eines von einer Laserlichtquelle emittierten Lichts und von diesem Licht bewirkte Interferenz zu bestimmen, und
    Mittel zum Bestimmen des Abstands über Triangulation, welche Mittel insbesondere eine bezüglich der Gassensorvorrichtung gesonderte Lasereinrichtung und eine mit der Gassensorvorrichtung mechanisch verbundene Fotokamera umfassen.
  • Die Mittel zum Bestimmen des Unterschieds zwischen dem ersten Laufweg und dem zweiten Laufweg des Lichts können einen Beschleunigungssensor, der dazu ausgebildet ist, die Beschleunigung der Gassensorvorrichtung entlang ihres Weges von einer ersten Position zu dem ersten Zeitpunkt zu einer zweiten Position zu dem zweiten Zeitpunkt zu messen, und Mittel zum Berechnen einer zweimaligen Integration der von dem Beschleunigungssensor gemessenen Beschleunigung über die Zeit von dem ersten Zeitpunkt bis zu dem zweiten Zeitpunkt, umfassen.
  • Die vorgenannten Ausgestaltungen der Mittel zum Bestimmen des Laufwegs bzw. des Laufwegunterschieds ermöglichen, dass diese Mittel zusammen mit den übrigen Komponenten der Gassensorvorrichtung in einem einzigen tragbaren Gerät, wie etwa ein Mobiltelefon, ein Handmessgerät, eine Laserentfernungsmesseinrichtung oder eine Fotokamera, integriert sein können.
  • Die Gassensorvorrichtung gemäß der Erfindung kann ferner einen Drucksensor zum Messen des barometrischen Luftdrucks umfassen. Ferner kann die Gassensorvorrichtung Mittel zum Bestimmen der Konzentration des nachzuweisenden Gases auf der Grundlage der bestimmten molaren Konzentration dieses Gases und des von dem Drucksensor gemessenen barometrischen Luftdrucks umfassen.
  • Die Gassensorvorrichtung gemäß der Erfindung kann als Teil eines tragbaren Geräts, wie etwa ein Mobiltelefon, ein Handmessgerät, eine Laserentfernungsmesseinrichtung oder eine Fotokamera, ausgebildet sein.
  • Die Gassensorvorrichtung gemäß der Erfindung kann in einem Verfahren zum Bestimmen einer molaren Konzentration eines nachzuweisenden Gases verwendet werden, wobei das Gas Licht mit einer für das nachzuweisende Gas charakteristischen Messwellenlänge absorbiert bzw. Licht mit einer vorbestimmten, von der Messwellenlänge verschiedenen Referenzwellenlänge nicht absorbiert, und wobei die Messwellenlänge bzw. die Referenzwellenlänge im Bereich infraroten Lichts liegen.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand von in den beigefügten Figuren gezeigten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gassensorvorrichtung beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eine ersten Ausführungsform einer Gassensorvorrichtung gemäß der ersten Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 eine schematische Darstellung eine zweiten Ausführungsform einer Gassensorvorrichtung gemäß der zweiten Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 3 eine schematische Darstellung eine Ausführungsform einer Gassensorvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
  • 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines bekannten infrarot-optischen Gassensors.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst eine Gassensorvorrichtung 100 gemäß der ersten Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung eine Lichtemissionseinrichtung 110, die dazu ausgebildet ist, Messlicht mit der Messwellenlänge λgas und Referenzlicht mit der Referenzwellenlänge λref in einen Raumwinkelbereich 111, der einen außerhalb der Gassensorvorrichtung 100 liegenden Raumbereich 118 enthält, zu emittieren, einen Lichtdetektor 180, der dazu ausgebildet ist, eine Intensität von Messlicht, das an einem in dem Raumbereich 118 angeordneten Gegenstand 108 reflektiert worden ist, und eine Intensität von Referenzlicht, das ebenfalls an dem in dem Raumbereich 118 angeordneten Gegenstand 108 reflektiert worden ist, zu messen. Ein Strahlenbündel 115 des in den Raumwinkelbereich 111 emittierten Lichts 116 durchquert das Gas 107 zunächst entlang des Laufwegs 112 von der Lichtemissionseinrichtung 110 zu dem Gegenstand 108, wird teilweise an den Gegenstand 108 reflektiert, und durchquert das Gas 107 erneut entlang des Laufwegs 113 von dem Gegenstand 108 zum Lichtdetektor 180. Der reflektierende Gegenstand 108 ist im Beispiel der 1 eine Wand 109, die sich in einem Abstand 114 zu der Gassensorvorrichtung 100 befindet.
  • Die Lichtemissionseinrichtung 110 und der Lichtdetektor 180 sind relativ dicht, d. h. in einem im Vergleich zu dem Abstand 114 zwischen der Gassensorvorrichtung 100 und dem Gegenstand 108 relativ sehr geringen Abstand angeordnet. Daher gilt, zumindest näherungsweise, dass die Absorptionsstrecke des Lichts, die den Laufweg 112 von der Lichtemissionseinrichtung 110 zum Gegenstand 108 und den zweiten Laufweg 113 vom Gegenstand 108 zum Lichtdetektor 180 umfasst, gleich dem doppelten Abstand 114 zwischen der Gassensorvorrichtung 100 und dem Gegenstand 108 ist. Diese Näherung gilt auch für die in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen einer Gassensorvorrichtung 200, 300 und auch für das allgemeine Prinzip der hierin offenbarten Erfindung.
  • Die in 1 gezeigte Lichtemissionseinrichtung 110 ist eine breitbandige Lichtquelle 120, die dazu ausgebildet ist, Licht in einem breitbandigen Spektralbereich, der die Messwellenlänge λgas und die Referenzwellenlänge λref umfasst, zu emittieren. Die Lichtquelle 120 ist beispielsweise eine im Infraroten Licht emittierende Diode (LED). Die Lichtquelle 120 kann ferner Mittel (nicht gezeigt) zum Bündeln des emittierten Lichts in den Raumwinkelbereich 111 umfassen. Diese Bündelungsmittel können als eine Sammellinse (nicht gezeigt) und/oder als eine Reflektoreinrichtung (nicht gezeigt) mit mindestens einem im Wesentlichen konkaven Reflektor ausgebildet sein.
  • Der in 1 gezeigte Lichtdetektor 180 umfasst zwei Messkanäle 188, 189. Der erste 188 bzw. zweite 189 Messkanal dient dazu, eine Intensität I von Messlicht bzw. eine Intensität I0 von Referenzlicht (siehe Gleichung 1), das an dem Gegenstand 108 reflektiert worden ist, zu messen. Der erste Messkanal 188 des Lichtdetektors 180 umfasst eine erste Filtereinrichtung 183, die dazu ausgebildet ist, im Wesentlichen nur Licht in einem ersten schmalbandigen Messspektralbereich, der die Messwellenlänge λgas und nicht die Referenzwellenlänge λref umfasst, zu transmittieren. Der zweite Messkanal 189 des Lichtdetektors 180 umfasst eine zweite Filtereinrichtung 184, die dazu ausgebildet ist, im Wesentlichen nur Licht in einem zweiten schmalbandigen Referenzspektralbereich, der die Referenzwellenlänge λref und nicht die Messwellenlänge λgas umfasst, zu transmittieren. Der erste Messkanal 188 umfasst ferner einen hinter der Filtereinrichtung 183 angeordneten ersten Fotodetektor bzw. Messlichtdetektor 181, und der zweite Messkanal 189 einen hinter der Filtereinrichtung 184 angeordneten zweiten Fotodetektor bzw. Referenzlichtdetektor 182. Der erste bzw. zweite Fotodetektor 181 bzw. 182 gibt jeweils ein Signal aus, das indikativ, vorzugsweise proportional, zu der Intensität I des Messlichts bzw. der Intensität I0 des Referenzlichts sind. Diese Signale werden einer Signalauswerteeinheit (nicht gezeigt) zugeführt und Messwerte für die entsprechenden Lichtintensitäten I bzw. I0 umgewandelt.
  • Die in 1 gezeigte Gassensorvorrichtung 100 umfasst ferner Mittel 1 zum Bestimmen der Länge der Lichtabsorptionsstrecke 112, 113 des Mess- bzw. Referenzlichts von der Lichtemissionseinrichtung 110 bis zu dem Lichtdetektor 180. Die Lichtabsorptionsstrecke 112, 113 selbst ist, wie in 1 ersichtlich, im Wesentlichen außerhalb der Gassensorvorrichtung 100 angeordnet. Entsprechendes gilt auch für die in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen einer Gassensorvorrichtung 200 bzw. 300.
  • Die in der 2 gezeigte Ausführungsform einer Gassensorvorrichtung 200 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform der Gassensorvorrichtung 100 im Wesentlichen durch die Ausgestaltung der Lichtemissionseinrichtung 210 und des Lichtdetektors 280.
  • Die Lichtemissionseinrichtung 210 der in 2 gezeigten Gassensorvorrichtung 200 umfasst eine Messlichtquelle 230, die dazu ausgebildet ist, Messlicht in einen schmalbandigem Messspektralbereich, der im Wesentlichen die Messwellenlänge λgas und nicht die Referenzwellenlänge λref umfasst, in einen Raumwinkelbereich 211 zu emittieren, und eine Referenzlichtquelle 240, die dazu ausgebildet ist, Referenzlicht in einem schmalbandigen Referenzspektralbereich, der im Wesentlichen die Referenzwellenlänge λref und nicht die Messwellenlänge λgas umfasst, zu emittieren. Die Referenzlichtquelle 240 ist als eine zweite Lasereinrichtung 244 ausgebildet, die einen Referenzlichtstrahl 242 emittiert. Die Lichtemissionseinrichtung 210 umfasst ferner einen Strahlkombinierer 270, der beispielsweise als eine halbdurchlässige planparallele Platte ausgebildet ist, der so in den Strahlengängen des Messlichtstrahls 232 und des Referenzlichtstrahls 242 angeordnet ist, dass diese sich zu einem Strahlenbündel 215 überlagern. Entsprechend der in 1 gezeigten Ausführungsform durchquert das Messlicht und das Referenzlicht auch in der in 2 gezeigten Ausführungsform das Gas 207 entlang eines ersten Laufwegs 212 von der Lichtemissionseinrichtung 200 zum Gegenstand 208 und nach Reflexion am Gegenstand 208 entlang eines zweiten Laufwegs 213 vom Gegenstand 208 zum Lichtdetektor 280.
  • Der Lichtdetektor 280 ist dazu ausgebildet, eine Intensität I von Messlicht und eine Intensität I0 von Referenzlicht, das jeweils an dem Gegenstand 208 reflektiert worden ist, zu messen. Schmalbandige Filtereinrichtungen, wie etwa die Filtereinrichtungen 183 und 184 im Lichtdetektor 180 in 1, sind bei der in 2 gezeigten Ausführungsform nicht erforderlich. Dies, weil die Wellenlängenselektion bzw. die Vorgabe der Messwellenlänge λgas und der Referenzwellenlänge λref hier durch die Schmalbandigkeit des von der ersten Lasereinrichtung 234 (Messlichtlaser) und der zweiten Lasereinrichtung 244 (Referenzlichtlaser) emittierten Lichts erfolgt. Entsprechend ist der Lichtdetektor 280 als ein im infraroten Spektralbereich empfindlicher Infrarotlichtdetektor 286 ausgebildet, dessen spektrale Empfindlichkeit in einem die Messlichtwellenlänge λgas und die Referenzlichtwellenlänge λref enthaltenden Spektralbereich im Wesentlichen konstant ist.
  • Bezugnehmend auf das Lambert-Beer'sche Absorptionsgesetz (Gleichung 1) gilt, dass bei der Messung mit dem zweikanaligen Lichtdetektor 180, der in 1 gezeigten Gassensorvorrichtung 100 ebenso wie bei der Messung mit zwei schmalbandigen Spektralbereichen bzw. zwei Laserwellenlängen λgas und λref bei der in 2 gezeigten Gassensorvorrichtung 200, dass I die von dem Lichtdetektor 180, 280 gemessene Lichtintensität bei der Messwellenlänge λgas und I0 die von dem Lichtdetektor 180, 280 gemessene Lichtintensität bei der Referenzwellenlänge λref ist. Durch Umformen der Gleichung 1 ergibt sich: c = –In(I/I0)/(ε·L) Gleichung 2 wobei L der doppelte Abstand 114, 214 zwischen der Gassensorvorrichtung 100, 200 und dem Gegenstand 108, 208 ist. Gleichung 2 gibt die Rechenvorschrift zum Berechnen der molaren Gaskonzentration c aus den gemessenen Lichtintensitäten I und I0 bei der Mess- bzw. Referenzwellenlänge, dem für das nachzuweisende Gas bekannten spezifischen molaren Absorptionskoeffizienten ε und der Länge L der Absorptionsstrecke.
  • Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform einer Gassensorvorrichtung 300 unterscheidet sich das Messprinzip für die molare Gaskonzentration c von dem zuvor beschriebenen und in den Gassensorvorrichtungen 100, 200 implementierten Messprinzip aus den 1 und 2 dahingehend, dass nicht Lichtintensitäten bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen (Messwellenlänge λgas und Referenzwellenlänge λref) ausgeführt werden, sondern dass zwei Lichtintensitätsmessungen in einem schmalbandigen Spektralbereich, der die Messwellenlänge λgas umfasst, für zwei unterschiedliche Laufwege bzw. zwei unterschiedlich lange Lichtabsorptionsstrecken (d. h. für zwei unterschiedliche Abstände 314, 314' der Gassensorvorrichtung 300 von dem reflektierenden Gegenstand 308) ausgeführt werden.
  • Ausgehend von der Gleichung 1 gilt für zwei Messungen bei zwei unterschiedlichen Absorptionsstrecken L1 und L2, die bei der Messwellenlänge λgas durchgeführt werden: I1 = I0·exp(ε·c·L1) I2 = I0·exp(–ε·c·L2) Gleichung 3
  • Die beiden vorgenannten Gleichungen können nach I0 aufgelöst und gleichgesetzt werden. Dann kann man nach c auflösen und erhält folgende Berechnungsvorschrift zum Berechnen der molaren Konzentration c: c = In(I1/I2)/(ε·L21) mit L21 = L2 – L1 Gleichung 4
  • Gemäß Gleichung 4 wird zum Berechnen der molaren Gaskonzentration c zusätzlich zu dem Verhältnis der für die zwei unterschiedlichen Absorptionsstrecken L1 und L2 gemessenen Intensitäten I1 und I2 (die in der Regel zeitlich versetzt ausgeführt werden) noch der Unterschied L12 der zwei Absorptionsstrecken L1 und L2 benötigt. Bei diesem Verfahren genügt es, nur bei der Messwellenlänge λgas zu messen, eine Messung bei einer Referenzwellenlänge λref wird nicht benötigt. Hinsichtlich der Ausgestaltung entsprechender Lichtemissionseinrichtungen und Lichtdetektoren kann zur Realisierung dieses Verfahrens entweder eine breitbandige Infrarotlichtquelle mit einem einkanaligen Lichtdetektor, d. h. einem nur bei der Messwellenlänge λgas empfindlichen Detektor, eingesetzt werden, was durch einen entsprechenden Transmissionsfilter für die Messwellenlänge λgas realisiert werden kann. Alternativ dazu kann eine sehr schmalbandige Infrarotlichtquelle, wie etwa ein Infrarotlaser oder eine Infrarotlaserdiode, der/die bei der Messwellenlänge λgas emittiert, und ein einkanaliger Lichtdetektor (ohne schmalbandigen Filter zum Selektieren der Messwellenlänge λgas) eingesetzt werden, weil die Wellenlängenselektion bereits durch die Vorgabe des von der schmalbandigen Lichtquelle emittierten Lichts gegeben ist.
  • Demgemäß umfasst die in 3 gezeigte Gassensorvorrichtung 300 eine Lichtemissionseinrichtung 310, die dazu ausgebildet ist, zu einem ersten Zeitpunkt und zu einem zweiten Zeitpunkt Messlicht mit der Messwellenlänge λgas in einen Raumwinkelbereich 311, der einen außerhalb der Gassensorvorrichtung 300 liegenden ersten und zweiten Raumbereich 318, 318' enthält, zu emittieren, und einen Lichtdetektor 380, der dazu ausgebildet ist, zu bzw. unmittelbar nach dem ersten Zeitpunkt eine erste Intensität I1 von Messlicht, das an einem in dem ersten Raumbereich 318 in einem ersten Abstand 314 zu der Gassensorvorrichtung 300 angeordneten ersten Gegenstand 308 reflektiert worden ist, und zu bzw. unmittelbar nach dem zweiten Zeitpunkt eine zweite Intensität I2 von Messlicht, das an einem in dem zweiten Raumbereich 318' in einem zweiten Abstand 314' zu der Gassensorvorrichtung 300 angeordneten zweiten Gegenstand 308' reflektiert worden ist, zu messen.
  • Die Gassensorvorrichtung 300 umfasst ferner als Mittel 1 zum Bestimmen der Länge der Lichtabsorptionsstrecke 312, 313 bzw. als Mittel zum Bestimmen des Laufwegs des Lichts von der Lichtemissionseinrichtung 310 bis zu dem Lichtdetektor 380 eine Abstandsmesseinrichtung 390, die dazu ausgebildet ist, den Abstand 314 zum ersten Zeitpunkt des ersten Gegenstands 308 von der Gassensorvorrichtung 300 und zum zweiten Zeitpunkt den Abstand 314' des zweiten Gegenstands 308' von der Gassensorvorrichtung 300 zu bestimmen. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ist die Abstandsmesseinrichtung 390 als eine an sich bekannte Abstandsmesseinrichtung, wie sie in Fotokameras eingesetzt wird, ausgebildet und umfasst eine Autofokusmessoptik 392, die in Richtung des Entfernungsmesslichtstrahls 356 etwa durch einen Servomotor gesteuert steuerbar verfahren werden kann (in 3 durch den Doppelpfeil dargestellt) und einen Autofokusmessdetektor 394, der als flächiger Detektor, beispielsweise als Charge-Coupled Device (CCD) 396 ausgebildet ist. Als Messlicht für die Abstandsmesseinrichtung 390 kann das von einem Entfernungsmesslaser 350, der einen Entfernungsmesslichtstrahl 352, 354, 356 von Licht mit einer Wellenlänge im Bereich des sichtbaren Lichts oder des nahen Infrarots, bei der das durchlaufene Gasgemisch im Wesentlichen kein Licht absorbiiert, emittiert, eingesetzt werden. Die Funktionsweise einer derartigen Abstandsmesseinrichtung 390 ist dem Fachmann bekannt und wird hierin nicht weiter erläutert.
  • Die Lichtemissionseinrichtung 310 umfasst zur Messung der Lichtintensitäten im infraroten Spektralbereich eine breitbandige Lichtquelle 340, wie etwa eine breitbandige Infrarotlichtdiode (IR-LED), die Messlicht mit der Messlichtwellenlänge λgas in einen Raumwinkelbereich 311 aussendet, und ferner einen Strahlkombinierer 370, der in der in 3 gezeigten Ausführungsform als teildurchlässige, im Wesentlichen planparallele Platte ausgebildet ist und dazu dient, den vom Entfernungsmesslaser 350 emittierten Entfernungsmesslichtstrahl 352 und den von der Lichtquelle 340 emittierten Lichtstrahl 342 zu einem ein sich gegenseitig überlagernden Strahlenbündel in dem Raumwinkelbereich 311 zu überlagern.
  • Bei den Messungen mit den zwei unterschiedlichen Absorptionsstrecken L1 und L2 bzw. den zwei unterschiedlichen Abständen 314 und 314' zu dem zeitlich versetzten ersten und zweiten Messzeitpunkt können zwei unterschiedliche Gegenstände 308, 308', die einen unterschiedlichen Abstand zu der Gassensorvorrichtung 300 aufweisen, von dem Messlicht angestrahlt werden. Alternativ dazu kann auch zu dem ersten und zu dem zweiten Zeitpunkt derselbe Gegenstand 308 von dem Messlicht angestrahlt werden, wobei jedoch die Gassensorvorrichtung 300 in einen vom ersten Messabstand 314 verschiedenen zweiten Messabstand 314' zu dem reflektierenden Gegenstand 308 versetzt bzw. bewegt wird. Gemäß Gleichung 4 genügt für die Berechnung der molaren Gaskonzentration c ein Messwert für den Unterschied der Lichtabsorptionsstrecken L1 und L2 zu dem ersten bzw. zweiten Messzeitpunkt. Der Unterschied der Lichtabsorptionsstrecken kann auf zwei Arten ermittelt werden:
    • – durch zweimaliges Messen (zum ersten und zum zweiten Messzeitpunkt) des Abstands 314 bzw. 314' bzw. der entsprechenden Laufwege, oder
    • – durch Bestimmen unter Verwendung eines Beschleunigungssensors, wie dieser derzeit standardmäßig in intelligenten Mobiltelefonen, wie etwa Smartphones, verbaut ist. Dabei erhält man die Veränderung der Lichtabsorptionsstrecke bzw. die Abstandsänderung zwischen der Gassensorvorrichtung 300 und dem Gegenstand 308 über eine zweimalige Integration der von dem Beschleunigungssensor gemessenen Beschleunigung über die Zeit im Intervall vom ersten zum zweiten Messzeitpunkt.
  • Die in 3 gezeigte Lichtquelle 314 ist ebenso wie die in 1 gezeigte Lichtquelle 120 eine breitbandige Infrarotlichtquelle und in der Lage, Licht mit der Messwellenlänge λgas und mit der Referenzwellenlänge λref zu emittieren.
  • Auch wenn es bei der in 3 gezeigten Gassensorvorrichtung 300 zur Realisierung des Messverfahrens bei zwei unterschiedlichen Abständen genügt, einen einkanaligen Lichtdetektor bereitzustellen, ist der in 3 gezeigte Lichtdetektor 380 als zweikanaliger Lichtdetektor mit einem ersten Messkanal 388 zum Durchführen von Lichtintensitätsmessungen bei der Messwellenlänge λgas und einem zweiten Messkanal 389 zum Durchführen von Lichtintensitätsmessungen bei der Referenzwellenlänge λref ausgebildet. Der Aufbau und die Funktion des Lichtdetektors 380 entspricht dem bezüglich 1 beschriebenen Lichtdetektor 180.
  • Durch diese Ausgestaltung ist die in 3 gezeigte Gassensorvorrichtung 300 auch dazu in der Lage, das Messprinzip gemäß Gleichung 2 bzw. gemäß der in den 1 und 2 gezeigten Gassensorvorrichtungen 100 und 200 mit vorzugsweise im Wesentlichen gleichzeitiger Messung bei zwei Wellenlängen (der Messwellenlänge λgas und der Referenzwellenlänge λref zu realisieren.
  • Die zum Erzeugen bzw. Emittieren des Messlichts und/oder des Referenzlichts eingesetzten Lichtquellen 120, 230, 240, 340, 350 können in einem gepulsten Betrieb betrieben werden, wobei sie in zeitlich regelmäßiger Wiederkehr kurze Lichtpulse aussenden. Entsprechend kann die Detektorempfindlichkeit moduliert werden oder auf der Detektorseite ein Log-in-Verstärkungsverfahren eingesetzt werden, um den Einfluss der Umgebungshelligkeit bzw. der Überstrahlung in den für die Gasabsorptionsmessung relevanten infraroten Spektralbereich heraus zu rechnen. Zum Realisieren eines gepulsten Betriebs kann die Lichtquelle mit variabler Versorgungsleistung betrieben werden, oder alternativ dazu mit im Wesentlichen konstanter Versorgungsleistung und konstanter Lichtleistung, wobei jedoch eine sogenannte Shuttereinrichtung, insbesondere eine steuerbare optische Shuttereinrichtung in den Strahlengang des von der Lichtquelle emittierten Lichts angeordnet wird. Eine derartige Shuttereinrichtung ist dazu ausgebildet, einen Transmissionsweg für das Licht in einer steuerbaren zeitlichen Abfolge zu blockieren und freizugeben. Mögliche Ausgestaltungen derartiger Shuttereinrichtungen sind dem Fachmann bekannt und werden hierin nicht weiter erläutert.
  • Aus den Gleichungen 2 und 4 bzw. der diesen zugrunde liegenden Messprinzipen zum Bestimmen der molaren Gaskonzentration c [mol/m3] kann mittels der folgenden, bekannten Zustandsgleichung des idealen Gases der partielle Gasdruck und die Konzentration (in ppm) des nachzuweisenden Gases berechnet werden: p·V = n·R·T Gleichung 5
  • Dabei ist p der Druck, V das Volumen, T die Temperatur (ausgedrückt in Kelvin) und n die Molzahl (ausgedrückt in Molanteilen) und R die bekannte Gaskonstante, für die gilt: R = 8,3144621 J/(K·mol), ausgedrückt in den Einheiten J (Joule), K (Kelvin) und mol (Stoffmenge). Durch Umstellen bzw. Division durch das Volumen V erhält man eine Gleichung, die den Partialdruck des Anteils des nachzuweisenden Gases, wie etwa CO2, enthält: ppartial = n/V·R·T = c·R·T Gleichung 6
  • Hierin ist ppartial der Partialdruck des nachzuweisenden Gases und c die aus den Gleichungen 2 bzw. 6 berechnete molare Konzentration des Gases.
  • Zur Berechnung des Partialdrucks muss also auch die Temperatur T gemessen werden. Räumlich kleine Temperatursensoren, die in einer Gassensorvorrichtung mitintegriert werden können, sind dem Fachmann bekannt und brauchen hierin nicht weiter besprochen zu werden.
  • Um von dem mit Gleichung 6 bestimmten Partialdruck ppartial des Anteils des zu messenden Gases auf die Konzentration (ausgedrückt in ppm) umzurechnen, benötigt man noch den barometrischen Luftdruck pbar, also den barometrischen Druck des Gasgemisches. Man erhält die Konzentration des nachzuweisenden Gases (ausgedrückt in ppm) aus der folgenden Gleichung: Konz[ppm] = ppartial/pbar·106 Gleichung 7
  • Der Gasdruck des Gasgemisches bzw. der barometrische Luftdruck pbar kann über einen separaten Drucksensor gemessen werden, der ebenfalls in der Gassensorvorrichtung integriert sein kann oder der in einem kleinen Handmessgerät zusammen mit der Gassensorvorrichtung integriert sein kann. Vielfach ist ein Luftdrucksensor bereits in modernen Mobiltelefonen, wie etwa Smartphones, verbaut.
  • Alternativ zu einer lokalen Messung kann der barometrische Luftdruck pbar über Wetterdienste abgefragt werden, beispielsweise über das Internet. Gegebenenfalls muss dann noch eine Höhenkorrektur berechnet werden, falls der abgefragte barometrische Luftdruck bei einer anderen Höhe über N. N. gemessen worden ist. Dies kann z. B. zutreffen, wenn der barometrische Luftdruck an einem Ort in einem Bergtal gemessen worden ist und die Lichtabsorptions- und Temperaturmessung auf einem Berg in der Nähe dieses Tals erfolgt. Zur Höhenkorrektur kann die dem Fachmann ebenfalls bekannte, sogenannte barometrische Höhenformel herangezogen werden.
  • Als Mittel 1 zum Bestimmen der Länge der Lichtabsorptionsstrecke sind unterschiedliche Möglichkeiten denkbar:
    • – Eingeben der Lichtabsorptionsstrecke bzw. des Laufwegs durch einen Bediener,
    • – Abschätzung bzw. Messung der Entfernung durch eine Abstandsmesseinrichtung, wie etwa der Abstandsmesseinrichtung 390 in 3, wie etwa eine Autofokuseinrichtung in einer Fotokamera oder einer Kamera eines Mobiltelefons: Hierbei wird der Infrarotmesslichtstrahl parallel zur Sichtrichtung der Kamera von der Lichtemissionseinrichtung ausgestrahlt. Zusätzlich zu dem Infrarotlichtstrahl kann ein Lichtstrahl mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich, z. B. ein Laserstrahl, ausgestrahlt werden, auf den die Autofokuseinrichtung der Kamera fokussieren kann. Auch ohne zusätzlichen Lichtstrahl bzw. ohne Autofokuseinrichtung kann ein Bediener die beispielsweise zusammen mit der Gassensoreinrichtung in einem Gehäuse integrierte Kamera auf einen reflektierenden Gegenstand richten, auf den auch mit der Kamera gut fokussiert bzw. das Bild scharf gestellt werden kann. Durch die Stellung des Fokussierobjektivs kann dann der Abstand zu dem Gegenstand abgeschätzt werden, vor allem in Abstandsbereichen bis zu ungefähr 1 m.
    • – Der Abstand bzw. die Lichtabsorptionsstrecke kann im Prinzip auch aus der gemessenen Laufzeit eines Infrarotlichtpulses berechnet werden. Hierbei kommt allerdings die Laufzeitmesselektronik aufgrund der sehr kurzen Laufzeiten an ihre Grenzen.
    • – Der Abstand zu dem reflektierenden Gegenstand kann auch gemäß dem in Laserentfernungsmessgeräten realisierten technischen Standard über eine Frequenzmodulation und die dadurch in einem Lichtsensor messbare Interferenz bestimmt werden. Ein entsprechender Standard ist beispielsweise in der Online-Enzyklopädie Wikipedia beschrieben.
    • – Der Abstand zu dem Gegenstand kann auch separat über Triangulation, ggf. mit einem separaten Laser und einer Kamera mit Autofokuseinrichtung bestimmt werden. Ein entsprechender Standard ist beispielsweise in der Online-Enzyklopädie Wikipedia beschrieben.

Claims (14)

  1. Gassensorvorrichtung (100; 200; 300) zum Bestimmen einer Konzentration eines nachzuweisenden Gases (107; 207; 307), das Licht mit einer für das Gas im Bereich infraroten Lichts liegenden, charakteristischen Messwellenlänge (λgas) absorbiert, mit: einer Lichtemissionseinrichtung (110; 210; 310), die dazu ausgebildet ist, Messlicht mit der Messwellenlänge (λgas) in einen Raumwinkelbereich (111; 211; 311) einer sich durch das nachzuweisende Gas (107; 207; 307) erstreckenden Lichtabsorptionsstrecke zu emittieren, einem Lichtdetektor (180; 280; 380), der dazu ausgebildet ist, eine Intensität von zumindest einem Anteil des Messlichts, das die Lichtabsorptionsstrecke durchlaufen hat, zu messen, wobei sich die Lichtabsorptionsstrecke von der Lichtemissionseinrichtung (110; 210; 310) zu einem außerhalb der Gassensorvorrichtung (100; 200; 300) angeordneten Gegenstand (108, 208; 308), der das Messlicht zumindest teilweise reflektiert, und von dort zu dem Lichtdetektor (180; 280; 380) erstreckt und wobei die Lichtabsorptionsstrecke im Wesentlichen außerhalb der Gassensorvorrichtung (100; 200; 300) angeordnet ist, Mitteln (1) zum Bestimmen der Länge der Lichtabsorptionsstrecke des Messlichts von der Lichtemissionseinrichtung (110; 210; 310) bis zu dem Lichtdetektor (180; 280; 380). dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtemissionseinrichtung (310) dazu ausgebildet ist, zu einem ersten Zeitpunkt und zu einem zweiten Zeitpunkt Messlicht mit der Messwellenlänge (λgas) in einen Raumwinkelbereich (311), der einen außerhalb der Gassensorvorrichtung (300) liegenden ersten und zweiten Raumbereich (318, 318') enthält, zu emittieren, wobei der Lichtdetektor (380) dazu ausgebildet ist, zu oder nach dem ersten Zeitpunkt eine erste Intensität von Messlicht, das an einem in dem ersten Raumbereich (318) in einem ersten Abstand (314) zu der Gassensorvorrichtung (300) angeordneten ersten Gegenstand (308) reflektiert worden ist, und zu oder nach dem zweiten Zeitpunkt eine zweite Intensität von Messlicht, das an einem in dem zweiten Raumbereich (318') in einem zweiten Abstand (314') zu der Gassensorvorrichtung (300) angeordneten zweiten Gegenstand (308') reflektiert worden ist, zu messen, und wobei die Mittel (1) zum Bestimmen der Länge der Lichtabsorptionsstrecke Mittel zum Bestimmen eines Unterschieds zwischen einem ersten Laufweg (312, 313) des Lichts von der Lichtemissionseinrichtung (310) zu dem ersten Gegenstand (308) und von dort zu dem Lichtdetektor (380) und einem zweiten Laufweg des Lichts von der Lichtemissionseinrichtung (310) zu dem zweiten Gegenstand (308') und von dort zu dem Lichtdetektor (380) umfassen.
  2. Gassensorvorrichtung (100; 200) nach Anspruch 1, wobei das Gas (107; 207) Licht mit einer vorbestimmten, von der Messwellenlänge (λgas) verschiedenen Referenzwellenlänge (λref) nicht absorbiert und wobei die Referenzwellenlänge (λref) ebenfalls im Bereich infraroten Lichts liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtemissionseinrichtung (110; 210) dazu ausgebildet ist, das Messlicht mit der Messwellenlänge (λgas) und Referenzlicht mit der Referenzwellenlänge (λref) in den Raumwinkelbereich (111; 211) zu emittieren, dass der Lichtdetektor (180; 280) dazu ausgebildet ist, die Intensität vom Messlicht, das an dem in dem Raumbereich (118; 218) angeordneten Gegenstand (108; 208) reflektiert worden ist, und eine Intensität von Referenzlicht, das an dem in dem Raumbereich (118; 218) angeordneten Gegenstand (108; 208) reflektiert worden ist, zu messen.
  3. Gassensorvorrichtung (100; 200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittel (1) zum Bestimmen der Länge der Lichtabsorptionsstrecke Mittel zum Bestimmen eines Laufwegs (112, 113; 212, 213) des Lichts von der Lichtemissionseinrichtung (110; 210) zu dem Gegenstand (108; 208) und von dort zu dem Lichtdetektor (180; 280) umfassen.
  4. Gassensorvorrichtung (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtemissionseinrichtung (110) eine breitbandige Lichtquelle (120) ist, die dazu ausgebildet ist, Licht in einem breitbandigen Spektralbereich, der die Messwellenlänge (λgas) und die Referenzwellenlänge (λref) umfasst, zu emittieren, und dass der Lichtdetektor (180) zwei Messkanäle (188, 189) umfasst und dazu ausgebildet ist, in dem ersten Messkanal (188) eine Intensität von Messlicht, das an dem in dem Raumbereich (118) angeordneten Gegenstand (108) reflektiert worden ist, und in dem zweiten Messkanal (189) eine Intensität von Referenzlicht, das an dem in dem Raumbereich (118) angeordneten Gegenstand (108) reflektiert worden ist, zu messen.
  5. Gassensorvorrichtung (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (120) Mittel zum Bündeln des von ihr emittierten Lichts in den Raumwinkelbereich (111) umfasst, welche Mittel insbesondere eine Sammellinse und/oder eine Reflektoreinrichtung mit mindestens einem im Wesentlichen konkaven Reflektor umfassen.
  6. Gassensorvorrichtung (100) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Messkanal (188) des Lichtdetektors (180) eine erste Filtereinrichtung (183) umfasst, die dazu ausgebildet ist, im Wesentlichen nur Licht in einem ersten schmalbandigen Messspektralbereich, der im Wesentlichen die Messwellenlänge (λgas) und nicht die Referenzwellenlänge (λref) umfasst, zu transmittieren, und der zweite Messkanal (189) des Lichtdetektors (180) eine zweite Filtereinrichtung (184) umfasst, die dazu ausgebildet ist, im Wesentlichen nur Licht in einem zweiten schmalbandigen Referenzspektralbereich, der im Wesentlichen die Referenzwellenlänge (λref) und nicht die Messwellenlänge (λgas) umfasst, zu transmittieren.
  7. Gassensorvorrichtung (200) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtemissionseinrichtung (210) folgendes umfasst: eine Messlichtquelle (230), die dazu ausgebildet ist, das Messlicht in einem schmalbandigen Messspektralbereich, der im Wesentlichen die Messwellenlänge (λgas) und nicht die Referenzwellenlänge (λref) umfasst, zu emittieren, und eine Referenzlichtquelle (240), die dazu ausgebildet ist, das Referenzlicht in einem schmalbandigen Referenzspektralbereich, der im Wesentlichen die Referenzwellenlänge (λref) und nicht die Messwellenlänge (λgas) umfasst, zu emittieren, und dass der Lichtdetektor (280) dazu ausgebildet ist, eine Intensität vom Messlicht, das an dem in dem Raumbereich (218) angeordneten Gegenstand (208) reflektiert worden sind, und eine Intensität vom Referenzlicht, das an dem in dem Raumbereich (218) angeordneten Gegenstand (208) reflektiert worden sind, zu messen.
  8. Gassensorvorrichtung (100; 200) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichnet durch Mittel zum Bestimmen der molaren Gaskonzentration des nachzuweisenden Gases (107; 207), die dazu ausgebildet sind, die molare Gaskonzentration auf der Grundlage des Verhältnisses der von dem Lichtdetektor (180; 280) gemessenen Messlicht-Intensität und der von dem Lichtdetektor (180; 280) gemessenen Referenzlicht-Intensität sowie der Länge der Lichtabsorptionsstrecke (112, 113; 212, 213) zu berechnen.
  9. Gassensorvorrichtung (300) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Bestimmen der molaren Gaskonzentration des nachzuweisenden Gases (307), die dazu ausgebildet sind, die molare Gaskonzentration auf der Grundlage des Verhältnisses der von dem Lichtdetektor (380) gemessenen ersten Messlicht-Intensität, das den ersten Laufweg (312, 313) zurückgelegt hat, und der von dem Lichtdetektor (380) gemessenen zweiten Messlicht-Intensität, das den zweiten Laufweg zurückgelegt hat, sowie dem Unterschied zwischen dem ersten Laufweg (312, 313) und dem zweiten Laufweg zu berechnen.
  10. Gassensorvorrichtung (100; 200; 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Lichtemissionseinrichtung (120; 230, 240; 340) dazu ausgebildet ist, Licht mit einem oder mehreren Lichtpulsen zu emittieren.
  11. Gassensorvorrichtung (100; 200; 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (1) zum Bestimmen der Länge der Lichtabsorptionsstrecke ausgewählt sind aus einer Gruppe, die folgendes umfasst: eine Eingabeeinrichtung, die ausgebildet ist zum Eingeben des dem Laufweg entsprechenden Abstands (114; 214; 314) zwischen der Gassensorvorrichtung (100; 200; 300) und dem Gegenstand (108; 208; 308, 308') oder zum Eingeben des Laufwegs (112, 113; 212, 213; 312, 313) durch einen Bediener der Gassensorvorrichtung (100; 200; 300), eine Abstandsmesseinrichtung (390), die dazu ausgebildet ist, ein Signal bereitzustellen, das Indikativ für den dem Laufweg (312, 313) entsprechenden Abstand (314) zwischen der Gassensorvorrichtung und dem Gegenstand (308, 308') ist, wobei die Abstandsmesseinrichtung (390) insbesondere eine Autofokuseinrichtung (392, 394, 396) einer Fotokamera umfasst, Mittel zum Bestimmen des Laufwegs (112, 113; 212, 213; 312, 313) des von der Lichtemissionseinrichtung (120; 230, 240; 340) emittierten Lichts mit Lichtpulsen auf der Grundlage einer Messung der Laufzeit von mindestens einem Lichtpuls, eine Laserentfernungsmesseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den Abstand über eine Frequenzmodulation eines von einer Laserlichtquelle emittierten Lichts und eine von diesem Licht bewirkte Interferenz zu bestimmen, und Mittel zum Bestimmen des Abstands über Triangulation, welche Mittel insbesondere eine bezüglich der Gassensorvorrichtung gesonderte Lasereinrichtung und eine mit der Gassensorvorrichtung mechanisch verbundene Fotokamera umfassen.
  12. Gassensorvorrichtung (100; 200; 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Drucksensor zum Messen des barometrischen Luftdrucks und insbesondere ferner durch Mittel zum Bestimmen der Konzentration des nachzuweisenden Gases (107; 207, 307) auf der Grundlage der bestimmten molaren Konzentration dieses Gases (107; 207, 307) und des von dem Drucksensor gemessenen barometrischen Luftdrucks.
  13. Gassensorvorrichtung (100; 200; 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als integrierter Teil eines tragbaren Geräts, wie etwa eines Mobiltelefons, einer Fotokamera, eines Handmessgerätes oder eine Laserentfernungsmesseinrichtung, ausgebildet ist.
  14. Verfahren zum Bestimmen einer Konzentration eines nachzuweisenden Gases (107; 207; 307), das Licht mit einer für das Gas im Bereich infraroten Lichts liegenden, charakteristischen Messwellenlänge (λgas) absorbiert, mit folgenden Schritten: Emittieren mittels einer Lichtemissionseinrichtung (110; 210; 310) von Messlicht mit der Messwellenlänge (λgas) in einen Raumwinkelbereich (111; 211; 311) einer sich durch das nachzuweisende Gas (107; 207; 307) erstreckenden Lichtabsorptionsstrecke, Messen mittels eines Lichtdetektors (180; 280; 380) einer Intensität von zumindest einem Anteil des Messlichts, das die Lichtabsorptionsstrecke durchlaufen hat, wobei sich die Lichtabsorptionsstrecke von der Lichtemissionseinrichtung (110; 210; 310) zu einem außerhalb der Gassensorvorrichtung (100; 200; 300) angeordneten Gegenstand (108, 208; 308), der das Messlicht zumindest teilweise reflektiert, und von dort zu dem Lichtdetektor (180; 280; 380) erstreckt und wobei die Lichtabsorptionsstrecke im Wesentlichen außerhalb der Gassensorvorrichtung (100; 200; 300) angeordnet ist, Bestimmen der Länge der Lichtabsorptionsstrecke des Messlichts von der Lichtemissionseinrichtung (110; 210; 310) bis zu dem Lichtdetektor (180; 280; 380). dadurch gekennzeichnet, dass zu einem ersten Zeitpunkt und zu einem zweiten Zeitpunkt Messlicht mit der Messwellenlänge (λgas) in einen Raumwinkelbereich (311), der einen außerhalb der Gassensorvorrichtung (300) liegenden ersten und zweiten Raumbereich (318, 318') enthält, emittiert wird, wobei der Lichtdetektor (380), zu oder nach dem ersten Zeitpunkt eine erste Intensität von Messlicht, das an einem in dem ersten Raumbereich (318) in einem ersten Abstand (314) zu der Gassensorvorrichtung (300) angeordneten ersten Gegenstand (308) reflektiert worden ist, und zu oder nach dem zweiten Zeitpunkt eine zweite Intensität von Messlicht, das an einem in dem zweiten Raumbereich (318') in einem zweiten Abstand (314') zu der Gassensorvorrichtung (300) angeordneten zweiten Gegenstand (308') reflektiert worden ist, misst, und wobei zur Bestimmung der Länge der Lichtabsorptionsstrecke der Unterschied zwischen einem ersten Laufweg (312, 313) des Lichts von der Lichtemissionseinrichtung (310) zu dem ersten Gegenstand (308) und von dort zu dem Lichtdetektor (380) und einem zweiten Laufweg des Lichts von der Lichtemissionseinrichtung (310) zu dem zweiten Gegenstand (308') und von dort zu dem Lichtdetektor (380) bestimmt wird.
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