DE102021211851A1 - Measuring device and method for determining a gas concentration - Google Patents

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Heinrich Grüger
Jens Knobbe
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Abstract

Eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer Gaskonzentration zumindest eines zu detektierenden Gases weist zumindest ein Emitterelement zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung auf. Ferner weist die Messvorrichtung eine Mehrzahl von Messkanälen auf, die jeweils eine optische Eintrittsöffnung aufweisen. Die Messkanäle sind jeweils ausgebildet, um einen zwischen der jeweiligen optischen Eintrittsöffnung und einem Strahlungsdetektor angeordneten Wechselwirkungspfad für eine Wechselwirkung zwischen an der jeweiligen optischen Eintrittsöffnung eintretender elektromagnetischer Strahlung und einem in den Messkanälen befindlichen Gasgemisch bereitzustellen. Eine Länge des Wechselwirkungspfads eines ersten der Messkanäle ist von einer Länge des Wechselwirkungspfads eines zweiten der Messkanäle verschieden. Ferner weist die Messvorrichtung eine Mehrzahl optischer Pfade auf. Die optischen Pfade weisen jeweils eines des zumindest einen Emitterelements und einen der Messkanäle auf. In den optischen Pfaden ist jeweils zwischen dem jeweiligen Emitterelement und dem jeweiligen Messkanal ein dispersives optisches Element angeordnet. Jeder der optischen Pfade ist ausgebildet, um von einer elektromagnetischen Strahlung seines jeweiligen Emitterelements selektiv einen für ein zu detektierendes Gas spezifischen Spektralanteil der optischen Eintrittsöffnung seines jeweiligen Messkanals zuzuführen.A measuring device for determining a gas concentration of at least one gas to be detected has at least one emitter element for generating electromagnetic radiation. Furthermore, the measuring device has a plurality of measuring channels, each of which has an optical entry opening. The measurement channels are each designed to provide an interaction path arranged between the respective optical entry opening and a radiation detector for an interaction between electromagnetic radiation entering at the respective optical entry opening and a gas mixture located in the measurement channels. A length of the interaction path of a first of the measurement channels is different from a length of the interaction path of a second of the measurement channels. Furthermore, the measuring device has a plurality of optical paths. The optical paths each have one of the at least one emitter element and one of the measurement channels. A dispersive optical element is arranged in each case in the optical paths between the respective emitter element and the respective measurement channel. Each of the optical paths is designed to selectively supply a spectral component of electromagnetic radiation from its respective emitter element that is specific to a gas to be detected to the optical entry opening of its respective measurement channel.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer Gaskonzentration zumindest eines zu detektierenden Gases. Einige Ausführungsbeispiele betreffen ein System zur Erfassung von Gaskonzentrationen mit großem Dynamikbereich, oder einen HDR (high dynamic range) Gassensor Weitere Ausführungsbeispiele betreffen ein Bauelement zur Herstellung eines solchen Systems.Exemplary embodiments of the present invention relate to a measuring device for determining a gas concentration of at least one gas to be detected. Some exemplary embodiments relate to a system for detecting gas concentrations with a large dynamic range, or an HDR (high dynamic range) gas sensor. Further exemplary embodiments relate to a component for producing such a system.

Weitere Ausführungsbeispiele betreffen ein Verfahren zur Bestimmung einer Gaskonzentration, insbesondere ein Verfahren zum Betrieb der Messvorrichtung zur Bestimmung einer Gaskonzentration.Further exemplary embodiments relate to a method for determining a gas concentration, in particular a method for operating the measuring device for determining a gas concentration.

Die Gasanalytik beschäftigt sich allgemein mit der Erfassung der Zusammensetzung von Gasvolumen. Ein einfaches Beispiel aus dem Alltagsleben ist die CO2-Konzentration in der Raumluft. Frischluft enthält ca. 400 ppm CO2, in schlecht gelüfteten Räumen steigt die Konzentration durch die Ausatemluft, ca. 4000 ppm CO2, rasch an. Ab 1000 ppm CO2 in der Atemluft sinkt die Konzentrations- und Leistungsfähigkeit, noch höhere Konzentrationen sind gesundheitsschädlich. Konzentrationen können sowohl in vol.-%, alternativ aber auch als absolute Teilchendichten angegeben werden, beide Möglichkeiten sind bei bekanntem Umgebungsdruck direkt ineinander umrechenbar.Gas analysis is generally concerned with recording the composition of gas volumes. A simple example from everyday life is the CO2 concentration in the room air. Fresh air contains approx. 400 ppm CO 2 , in poorly ventilated rooms the concentration increases rapidly due to the exhaled air, approx. 4000 ppm CO 2 . Above 1000 ppm CO 2 in the breathing air, the ability to concentrate and perform decreases, even higher concentrations are harmful to health. Concentrations can be given in % by volume, but alternatively also as absolute particle densities. Both options can be directly converted into one another if the ambient pressure is known.

Gassensoren gibt es beispielsweise als Festkörpersensoren, optische oder optoakustische Sensoren. Weit verbreitet sind optische Gassensoren nach dem sogenannten NDIR-(non dispersive infrared)-Prinzip, Grundlage ist die Absorption von Licht im infraroten Spektralbereich. Insbesondere in der sogenannten Fingerprintregion (3-8 µm Wellenlänge) sind die direkten Molekülübergänge sehr selektiv und empfindlich. Das Absorptionsgesetz (l/l0 = e-nfl) erlaubt die Bestimmung der Teilchendichte (n). Beispiele von NDIR Gassensoren bestehen aus einer Lichtquelle, einer Gassäule und Detektoren mit Filtern. In der Regel wird eine Gassäule mit fester Länge (l) genutzt. Ein vorteilhafter Aufbau verwendet eine Lichtquelle und mehrere Detektoren, die hinter schmalbandigen Filtern angeordnet sind. Es ist ebenfalls möglich, durchstimmbare Lichtquellen im relevanten Spektralbereich anzuwenden oder Anordnungen mehrerer schmalbandig emittierender Lichtquellen nebeneinander zu realisieren. Weitere Beispiele für Gasanalysesysteme sind optoakustische Gassensoren, bei denen ein Gasvolumen von einer gepulsten Lichtquelle im relevanten Absorptionsbereich angeregt wird und diese durch Mikrofone akustisch ausgewertet werden. Diese können besonders kostengünstig ausgeführt werden.Gas sensors are available, for example, as solid-state sensors, optical or opto-acoustic sensors. Optical gas sensors based on the so-called NDIR (non-dispersive infrared) principle are widespread. The basis is the absorption of light in the infrared spectral range. Especially in the so-called fingerprint region (3-8 µm wavelength), the direct molecular transitions are very selective and sensitive. The absorption law (l/l 0 = e -nfl ) allows the particle density (n) to be determined. Examples of NDIR gas sensors consist of a light source, a gas column and detectors with filters. As a rule, a gas column with a fixed length (l) is used. One advantageous setup uses a light source and multiple detectors placed behind narrow-band filters. It is also possible to use tunable light sources in the relevant spectral range or to realize arrangements of several narrow-band emitting light sources next to one another. Other examples of gas analysis systems are opto-acoustic gas sensors, in which a gas volume is excited by a pulsed light source in the relevant absorption range and these are acoustically evaluated by microphones. These can be implemented in a particularly cost-effective manner.

Optische Systeme, zum Beispiel als Lichtquelle für NDIR-Gassensoren, können beispielsweise durch Verwendung von Infrarot-LEDs bereitgestellt werden, sowie durch durchstimmbare Lichtquellen. Hier können spektral breitbandige Emitter mittels Monochromator abgestimmt werden oder es werden durchstimmbare Laser im Infrarot, beispielsweise Quantenkaskadenlaser (QCL) eingesetzt.Optical systems, for example as a light source for NDIR gas sensors, can be provided, for example, by using infrared LEDs, as well as by tunable light sources. Here, spectrally broadband emitters can be tuned using a monochromator, or tunable lasers in the infrared, such as quantum cascade lasers (QCL), are used.

Die Erfinder haben erkannt, dass bei den bisherigen Lösungen für die optischen Systeme oftmals die Langzeitstabilität und/oder die Kosten problematisch sind. Ferner gibt es Anwendungen in denen ein großer Variationsbereich von Gaskonzentrationen relevant ist. Hier führt der exponentielle Zusammenhang der Intensitäten mit der Konzentration schnell zu Problemen bei der Auswertung, da abhängig von der Länge der Gassäule entweder nur sehr geringe Absorption stattfindet und das Signal schwach ist (Fehlertheorem - bei Subtraktion zweier großer Größen bleibt der Absolutfehler erhalten) oder die Absorption sehr stark ist und die verbleibende Intensität nicht hinreichend genau aus dem Rauschen getrennt werden kann. Die eingangs erwähnten Ansätze sind nicht speziell für große Dynamikbereiche ausgelegt und einsetzbar. Es wurde ferner erkannt, dass aufgrund unterschiedlich starker Absorption verschiedener Gase ein ähnliches Problem auch dann auftritt, wenn die Konzentrationen von nicht nur einem, sondern von mehreren verschiedenen Gasen bestimmt werden soll. Auch hier kann das Verhältnis von Absorptionsstärke des zu messenden Gases und Länge des Absorptionswegs dazu führen, dass das Absorptionssignal schwach ist oder die verbleibende Intensität nach der Absorption gering ist.The inventors have recognized that the long-term stability and/or the costs are often problematic in the previous solutions for the optical systems. There are also applications in which a wide range of gas concentrations is relevant. Here, the exponential relationship between the intensities and the concentration quickly leads to problems in the evaluation, since, depending on the length of the gas column, there is either only very little absorption and the signal is weak (error theorem - the absolute error remains the same when two large quantities are subtracted) or the Absorption is very strong and the remaining intensity cannot be separated from the noise with sufficient accuracy. The approaches mentioned at the outset are not specifically designed and usable for large dynamic ranges. It was also recognized that due to different absorption levels of different gases, a similar problem also occurs when the concentrations of not just one, but of several different gases are to be determined. Again, the relationship between the absorption strength of the gas to be measured and the length of the absorption path can result in the absorption signal being weak or the intensity remaining after absorption being low.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer oder mehrerer Gaskonzentrationen zu schaffen, welche es ermöglichen, in einem breiten Bereich der Intensität eines Absorptionssignals zuverlässige Messergebnisse zu liefern, also beispielsweise in einem breiten Konzentrationsbereich eines Gases und/oder für verschiedene Gase unterschiedlicher Absorptionsstärken.An object of the present invention is to provide a device and a method for determining one or more gas concentrations, which make it possible to deliver reliable measurement results in a wide range of the intensity of an absorption signal, for example in a wide concentration range of a gas and / or for different gases with different absorption strengths.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.This object is achieved by a device and by a method according to the independent patent claims.

Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer Gaskonzentration zumindest eines zu detektierenden Gases. Die Messvorrichtung weist zumindest ein Emitterelement zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, zum Beispiel Infrarotstrahlung, auf. Bei Beispielen kann die Messvorrichtung eine Mehrzahl von Emitterelementen zur Erzeugung von jeweiliger elektromagnetischer Strahlung aufweisen. Die Messvorrichtung weist ferner eine Mehrzahl von Messkanälen auf. Jeder der Messkanäle weist eine optische Eintrittsöffnung auf. Die Messkanäle sind jeweils ausgebildet, um einen zwischen der jeweiligen optischen Eintrittsöffnung und einem Strahlungsdetektor angeordneten Wechselwirkungspfad für eine Wechselwirkung zwischen an der jeweiligen optischen Eintrittsöffnung eintretender elektromagnetischer Strahlung und einem in den Messkanälen befindlichen Gasgemisch bereitzustellen. Beispielsweise kann sich im Betrieb das Gasgemisch in den Messkanälen befinden und die Messvorrichtung ausgebildet sein, um die Konzentration eines zu detektierenden Gases in dem Gasgemisch zu bestimmen. Die Länge des Wechselwirkungspfads eines ersten der Messkanäle ist verschieden von einer Länge des Wechselwirkungspfads eines zweiten der Messkanäle. Die Messvorrichtung weist eine Mehrzahl optischer Pfade auf. Jeder der optischen Pfade beinhaltet ein Emitterelement, das heißt, das zumindest eine Emitterelement oder eines der Mehrzahl von Emitterelementen. Ferner beinhaltet jeder der optischen Pfade einen der Messkanäle. In den optischen Pfaden ist zwischen dem jeweiligen Emitterelement und dem jeweiligen Messkanal ein dispersives optisches Element angeordnet. Jeder der optischen Pfade ist ausgebildet (beispielsweise durch Anordnung und Auslegung des Emitterelements, des dispersiven optischen Elements und der optischen Eintrittsöffnung des Messkanals), um von einer elektromagnetischen Strahlung seines jeweiligen Emitterelements (d. h. des in dem optischen Pfad befindlichen Emitterelements) selektiv einen für ein zu detektierendes Gas spezifischen Spektralanteil der optischen Eintrittsöffnung seines jeweiligen Messkanals (das heißt des in dem optischen Pfad befindlichen Messkanals) zuzuführen. Das zu detektierende Gas kann beispielsweise das zumindest eine zu detektierende Gas oder ein weiteres zu detektierendes Gas sein. Der für ein zu detektierendes Gas spezifische Spektralanteil kann ein Spektralanteil elektromagnetischer Strahlung sein, in welchem das zu detektierende Gas eine Absorptionslinie aufweist.Embodiments of the invention create a measuring device for determining a gas concentration of at least one gas to be detected. The measuring device has at least one emitter element for generating electromagnetic radiation, for example infrared radiation. In examples, the measuring device can have a plurality of emitter elements for generating respective electromagnetic radiation. The The measuring device also has a plurality of measuring channels. Each of the measurement channels has an optical entry opening. The measurement channels are each designed to provide an interaction path arranged between the respective optical entry opening and a radiation detector for an interaction between electromagnetic radiation entering at the respective optical entry opening and a gas mixture located in the measurement channels. For example, the gas mixture can be located in the measurement channels during operation and the measurement device can be designed to determine the concentration of a gas to be detected in the gas mixture. The length of the interaction path of a first of the measurement channels is different from a length of the interaction path of a second of the measurement channels. The measuring device has a plurality of optical paths. Each of the optical paths includes an emitter element, that is, the at least one emitter element or one of the plurality of emitter elements. Furthermore, each of the optical paths includes one of the measurement channels. A dispersive optical element is arranged in the optical paths between the respective emitter element and the respective measurement channel. Each of the optical paths is designed (e.g. by the arrangement and design of the emitter element, the dispersive optical element and the optical entrance opening of the measurement channel) to selectively receive electromagnetic radiation from its respective emitter element (ie the emitter element located in the optical path) one for one to supply the gas to be detected with a specific spectral component of the optical entrance opening of its respective measurement channel (that is to say of the measurement channel located in the optical path). The gas to be detected can be, for example, the at least one gas to be detected or another gas to be detected. The spectral component specific to a gas to be detected can be a spectral component of electromagnetic radiation in which the gas to be detected has an absorption line.

Die Erfinder haben erkannt, dass über die Länge des Wechselwirkungspfads die Intensität der elektromagnetischen Strahlung nach Durchlaufen des Messkanals beeinflusst werden kann. Somit wird mittels mehrerer Messkanäle, welche verschieden lange Wechselwirkungspfade aufweisen, ermöglicht, Messungen über einen breiten Konzentrationsbereich eines zu detektierenden Gases durchzuführen und/oder Konzentrationsmessungen verschiedener Gase mit unterschiedlicher Absorptionsstärke durchzuführen. Dabei wurde insbesondere erkannt, dass ein solcher Aufbau besonders vorteilhaft in Kombination mit einem dispersiven optischen Element realisiert werden kann. Die Verwendung eines dispersiven optischen Elements ermöglicht es, den für das zu detektierende Gas spezifischen Spektralanteil durch relative Anordnung des Emitterelements und der optischen Eintrittsöffnung des Messkanals des jeweiligen optischen Pfads auszuwählen, also selektiv den spezifischen Spektralanteil dem Messkanal zuzuführen. Das ermöglicht, im Gegensatz zu der Verwendung optischer Filter, eine Mehrfachverwendung von Bauelementen für mehrere der optischen Pfade. Beispielsweise kann durch die Verwendung des dispersiven optischen Elements ein Emitterelement an der optischen Eintrittsöffnung eines ersten Messkanals einen ersten Spektralanteil bereitstellen und an der optischen Eintrittsöffnung eines zweiten Messkanals einen zweiten Spektralbereich bereitstellen. Generell bietet die Verwendung des dispersiven optischen Elements in Verbindung mit den optischen Eintrittsöffnungen der Messkanäle den Vorteil, dass die ein oder mehreren Emitterelemente mittels breitbandigen Lichtquellen realisiert werden können, beispielsweise thermischen Emittern. Das erfindungsgemäße Konzept, ermöglicht somit eine einfache und kostengünstige Implementierung. Insbesondere im Hinblick auf die verwendbaren Lichtquellen, ist insbesondere mit einer hohen Lebensdauer zu rechnen.The inventors have recognized that the length of the interaction path can influence the intensity of the electromagnetic radiation after it has passed through the measurement channel. It is thus possible to carry out measurements over a wide concentration range of a gas to be detected and/or to carry out concentration measurements of different gases with different absorption strengths by means of several measuring channels which have interaction paths of different lengths. In this context, it was recognized in particular that such a structure can be implemented particularly advantageously in combination with a dispersive optical element. The use of a dispersive optical element makes it possible to select the specific spectral component for the gas to be detected by the relative arrangement of the emitter element and the optical entrance opening of the measuring channel of the respective optical path, i.e. to selectively supply the specific spectral component to the measuring channel. In contrast to the use of optical filters, this allows multiple use of components for several of the optical paths. For example, by using the dispersive optical element, an emitter element can provide a first spectral component at the optical entrance opening of a first measurement channel and provide a second spectral range at the optical entrance opening of a second measurement channel. In general, the use of the dispersive optical element in connection with the optical entry openings of the measurement channels offers the advantage that the one or more emitter elements can be implemented using broadband light sources, for example thermal emitters. The concept according to the invention thus enables a simple and cost-effective implementation. Especially with regard to the light sources that can be used, a long service life is to be expected.

Im Gegensatz zu bekannten optischen Gassensoren mit hohem Dynamikbereich, bei denen durch ineinander geschachtelte Filtercharakteristiken mit Reflexionsfiltern verschieden lange Gassäulen in einem System realisiert werden können (wie beispielsweise in WO 2017/194540 A1 offenbart) lässt sich durch die erfindungsgemäße Implementierung der Aufwand, insbesondere für die aufeinander abgestimmten Filter und das erreichbare Signalniveau vermeiden, da die Intensitäten einer Molekülbande nicht auf mehrere Detektionseinheiten verteilt werden müssen. Dadurch wird bei der erfindungsgemäßen Implementierung der Signalrauschabstand (SNR) verbessert und der Informationsgehalt erhöht. Im Gegensatz zu HDR-(High Dynamic Range)-Gassensoren, welche durch die Kaskadierung von MDIR-Systemen mit unterschiedlich ausgeführten Absorptionslängen realisiert werden, ermöglicht die erfindungsgemäße Implementierung einen geringeren Aufwand für die Realisierung und den Betrieb, insbesondere aufgrund der möglichen Mehrfachverwendung einzelner Bauteile.In contrast to known optical gas sensors with a high dynamic range, in which gas columns of different lengths can be realized in one system through nested filter characteristics with reflection filters (as for example in WO 2017/194540 A1 disclosed) can be avoided by the inventive implementation of the effort, in particular for the matched filters and the achievable signal level, since the intensities of a molecule band do not have to be distributed over a number of detection units. In the implementation according to the invention, this improves the signal-to-noise ratio (SNR) and increases the information content. In contrast to HDR (high dynamic range) gas sensors, which are implemented by cascading MDIR systems with different absorption lengths, the implementation according to the invention allows for less effort for implementation and operation, in particular due to the possible multiple use of individual components.

Bei Ausführungsbeispielen ist ein erster optischer Pfad der Messvorrichtung ausgebildet, um an der optischen Eintrittsöffnung des ersten Messkanals selektiv einen für das zumindest eine zu detektierende Gas spezifischen Spektralanteil der elektromagnetischen Strahlung seines Emitterelements bereitzustellen. Ferner ist ein zweiter optischer Pfad ausgebildet, um an der optischen Eintrittsöffnung des zweiten Messkanals selektiv einen für ein weiteres zu detektierendes Gas spezifischen Spektralanteil der elektromagnetischen Strahlung seines Emitterelements bereitzustellen. Der spezifische Spektralanteil für das zumindest eine zu detektierende Gas kann von dem spezifischen Spektralanteil des weiteren zu detektierenden Gases verschieden sein, dies ist aber nicht zwangsläufig der Fall. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann für die Messung der Konzentrationen zweier Gase also der erste Messkanal und der zweite Messkanal, welche verschiedene Längen ihrer Wechselwirkungspfade aufweisen, verwendet werden. Somit kann die Länge des Wechselwirkungspfads an die Absorptionsstärke des jeweiligen zu detektierenden Gases in dem für das jeweilige Gas spezifischen Spektralanteil angepasst werden. Damit kann gewährleistet werden, dass die Absorption, zumindest in einem vorgesehenen Konzentrationsbereich, für welchen die Messkanäle ausgelegt sind, in einem mittels dem Strahlungsdetektor detektierbaren Bereich liegen.In exemplary embodiments, a first optical path of the measuring device is designed to selectively provide a spectral component of the electromagnetic radiation of its emitter element that is specific to the at least one gas to be detected at the optical entry opening of the first measuring channel. Furthermore, a second optical path is formed in order to selectively detect a spectral component specific to a further gas to be detected at the optical entry opening of the second measuring channel provide the electromagnetic radiation of its emitter element. The specific spectral component for the at least one gas to be detected can be different from the specific spectral component of the other gas to be detected, but this is not necessarily the case. According to this exemplary embodiment, the first measuring channel and the second measuring channel, which have different lengths of their interaction paths, can therefore be used for measuring the concentrations of two gases. The length of the interaction path can thus be adapted to the absorption strength of the respective gas to be detected in the spectral component specific to the respective gas. It can thus be ensured that the absorption, at least in an intended concentration range for which the measuring channels are designed, is in a range that can be detected by means of the radiation detector.

Bei Ausführungsbeispielen weist die Messvorrichtung eine Mehrzahl von Emitterelementen auf und die optischen Pfade beinhalten jeweils eines der Mehrzahl von Emitterelementen. Ein erster der optischen Pfade ist ausgebildet, um von der elektromagnetischen Strahlung seines Emitterelements selektiv einen für das zumindest eine zu detektierende Gas spezifischen Spektralanteil der optischen Eintrittsöffnung des ersten Messkanals zuzuführen. Ein zweiter der optischen Pfade ist ausgebildet, um von der elektromagnetischen Strahlung seines Emitterelements selektiv einen für das zumindest eine zu detektierende Gas spezifischen Spektralanteil der optischen Eintrittsöffnung des zweiten Messkanals zuzuführen. Aufgrund der unterschiedlich langen Wechselwirkungspfade des ersten und des zweiten Messkanals, lassen sich gemäß diesen Ausführungsbeispielen also unterschiedliche Konzentrationsbereiche des zu detektierenden Gases messen.In exemplary embodiments, the measuring device has a plurality of emitter elements and the optical paths each include one of the plurality of emitter elements. A first of the optical paths is designed to selectively feed a spectral component from the electromagnetic radiation of its emitter element that is specific to the at least one gas to be detected to the optical entry opening of the first measuring channel. A second of the optical paths is designed to selectively feed a spectral component of the electromagnetic radiation from its emitter element that is specific to the at least one gas to be detected to the optical entry opening of the second measurement channel. Due to the interaction paths of different lengths of the first and the second measurement channel, different concentration ranges of the gas to be detected can be measured according to these exemplary embodiments.

Bei Ausführungsbeispielen ist die Messvorrichtung ausgebildet, um zur Bestimmung der Gaskonzentration des zu detektierenden Gases (des zumindest einen zu detektierenden Gases) den ersten Messkanal für einen ersten Messbereich der Gaskonzentration zu nutzen, und den zweiten Messkanal für einen zweiten Messbereich der Gaskonzentration zu nutzen. Besonders vorteilhaft lassen sich diese Ausführungsbeispiele mit den zuvor beschriebenen kombinieren, bei welchen die Messvorrichtung ausgebildet ist, an den optischen Eintrittsöffnungen des ersten und des zweiten Messkanals den für das zu detektierende Gas spezifischen Spektralanteil der elektromagnetischen Strahlung bereitzustellen. Durch die unterschiedlichen Längen der Wechselwirkungspfade des ersten Messkanals und des zweiten Messkanals lassen sich mit dem kürzeren der Wechselwirkungspfade höhere Gaskonzentrationen und mit dem längeren der Wechselwirkungspfade niedrigere Gaskonzentrationen detektieren.In exemplary embodiments, the measuring device is designed to use the first measuring channel for a first measuring range of the gas concentration to determine the gas concentration of the gas to be detected (the at least one gas to be detected), and to use the second measuring channel for a second measuring range of the gas concentration. These exemplary embodiments can be combined particularly advantageously with those described above, in which the measuring device is designed to provide the spectral component of the electromagnetic radiation specific to the gas to be detected at the optical entry openings of the first and second measuring channel. Due to the different lengths of the interaction paths of the first measurement channel and the second measurement channel, higher gas concentrations can be detected with the shorter of the interaction paths and lower gas concentrations with the longer of the interaction paths.

Bei Ausführungsbeispielen weist die Messvorrichtung ein gemeinsames dispersives optisches Element für die Mehrzahl optischer Pfade auf. Das dispersive optische Element ist in den optischen Pfaden jeweils zwischen dem jeweiligen Emitterelement und dem jeweiligen Messkanal angeordnet. Dabei ist das dispersive optische Element ausgebildet, um elektromagnetische Strahlung wellenlängenabhängig in verschiedene Richtungen abzulenken. Durch die Verwendung eines gemeinsamen dispersiven optischen Elements lässt sich die Messvorrichtung besonders bauraumeffizient und besonders kostengünstig implementieren. Es wurde dabei erkannt, dass die optischen Eintrittsöffnungen der Mehrzahl von Messkanälen auch unter Verwendung nur eines gemeinsamen dispersiven optischen Elements mit dem an den jeweiligen optischen Eintrittsöffnungen erforderlichen Spektralanteil elektromagnetischer Strahlung ausgeleuchtet werden können. Für den Fall verschiedener zu detektierender Gase und somit verschiedener spezifischer Spektralanteile wurde erkannt, dass aufgrund der Eigenschaften des dispersiven optischen Elements die verschiedenen spezifischen Spektralanteile an verschiedenen Positionen auftreten, und somit in verschiedene Messkanäle eingekoppelt werden können, und dies sogar dann, wenn die elektromagnetische Strahlung von einem gemeinsamen Emitterelement erzeugt wird. Für den Fall, dass der erste und der zweite Messkanal zur Messung desselben Gases in verschiedenen Messbereichen ausgebildet sind, wurde erkannt, dass es hinsichtlich Implementierungsaufwand und Kosteneffizienz günstiger sein kann, ein gemeinsames dispersives optisches Element für die verschiedenen optischen Pfade zu verwenden, selbst wenn dies eine Mehrzahl von Emitterelementen erfordert.In exemplary embodiments, the measuring device has a common dispersive optical element for the plurality of optical paths. The dispersive optical element is arranged in the optical paths between the respective emitter element and the respective measurement channel. In this case, the dispersive optical element is designed to deflect electromagnetic radiation in different directions depending on the wavelength. By using a common dispersive optical element, the measuring device can be implemented in a particularly space-efficient and particularly cost-effective manner. It was recognized that the optical entry openings of the plurality of measurement channels can also be illuminated using only one common dispersive optical element with the spectral component of electromagnetic radiation required at the respective optical entry openings. In the case of different gases to be detected and thus different specific spectral components, it was recognized that due to the properties of the dispersive optical element, the different specific spectral components occur at different positions and can therefore be coupled into different measurement channels, and this even when the electromagnetic radiation is generated by a common emitter element. In the event that the first and the second measurement channel are designed to measure the same gas in different measurement areas, it was recognized that it can be cheaper in terms of implementation effort and cost efficiency to use a common dispersive optical element for the different optical paths, even if this requires a plurality of emitter elements.

Bei Ausführungsbeispielen ist die Länge des Wechselwirkungspfads des zweiten Messkanals in einem Bereich zwischen dem Eineinhalbfachen und dem Zehnfachen der Länge des Wechselwirkungspfads des ersten Messkanals. Für den sich aus dem Faktor eineinhalb ergebenden Längenunterschied ergibt sich aufgrund des exponentiellen Zusammenhangs der Intensität mit der Absorptionslänge ein hinreichend großer Unterschied der Messbereiche, diese liegen aber gleichzeitig hinreichend nah beieinander, um bei einer gegebenen Breite der einzelnen Messbereiche einen Überlapp der zwei Messbereiche zu gewährleisten. Für den Faktor zehn der Längen der Wechselwirkungspfade ergibt sich ein besonders weit gespreizter Messbereich.In embodiments, the length of the interaction path of the second measurement channel is in a range between one and a half times and ten times the length of the interaction path of the first measurement channel. For the length difference resulting from the factor one and a half, there is a sufficiently large difference in the measuring ranges due to the exponential relationship between the intensity and the absorption length, but at the same time these are sufficiently close together to ensure an overlap of the two measuring ranges with a given width of the individual measuring ranges . For a factor of ten of the lengths of the interaction paths, there is a particularly wide measurement range.

Bei Ausführungsbeispielen weist die Messvorrichtung eine Mehrzahl weiterer optischer Pfade auf. Die weiteren optischen Pfade beinhalten jeweils ein Emitterelement, beispielsweise das zumindest eine Emitterelement, eines der Mehrzahl von Emitterelementen, oder eines einer weiteren Mehrzahl von Emitterelementen. Ferner weisen die weiteren optischen Pfade jeweils einen der Messkanäle auf. In den weiteren optischen Pfaden ist zwischen dem jeweiligen Emitterelement und dem jeweiligen Messkanal ein dispersives optisches Element angeordnet, beispielsweise das gemeinsame dispersive optische Element gemäß vorigen Ausführungsbeispielen oder ein davon verschiedenes dispersives optisches Element. Jeder der weiteren optischen Pfade ist ausgebildet, um von einer elektromagnetischen Strahlung seines jeweiligen Emitterelements selektiv einen Referenz-Spektralanteil der optischen Eintrittsöffnung seines jeweiligen Messkanals zuzuführen. Der Referenz-Spektralanteil ist ein Spektralanteil, für welchen ein während der Messung in den Messkanälen befindliches Gasgemisch eine geringe, zum Beispiel geringer als ein Prozent gemittelt über den Referenz-Spektralbereich, oder keine oder eine bekannte, beispielsweise eine von der Gaskonzentration des zu detektierenden Gases unabhängige, Absorption aufweist. Beispielsweise kann einer oder mehrere oder alle der Messkanäle jeweils sowohl Teil eines der optischen Pfade als auch Teil eines der weiteren optischen Pfade sein. Somit kann an der optischen Eintrittsöffnung eines der Messkanäle durch den den Messkanal beinhaltenden optischen Pfad der für das zu detektierende Gas spezifische Spektralanteil elektromagnetischer Strahlung bereitgestellt werden und durch den den Messkanal beinhaltenden weiteren optischen Pfad der Referenz-Spektralbereich an der Eintrittsöffnung des Messkanals bereitgestellt werden. Mittels des Referenz-Spektralbereichs kann eine Referenzmessung durchgeführt werden, was eine genaue Absorptionsmessung ermöglicht.In exemplary embodiments, the measuring device has a plurality of further optical paths. The other optical paths each include an emitter element, for example the at least one emitter element, one of the plurality of emitter elements, or one of a further plurality of emitter elements. Furthermore, the further optical paths each have one of the measurement channels. A dispersive optical element is arranged in the further optical paths between the respective emitter element and the respective measurement channel, for example the common dispersive optical element according to the previous exemplary embodiments or a dispersive optical element that differs therefrom. Each of the further optical paths is designed to selectively feed a reference spectral component of an electromagnetic radiation from its respective emitter element to the optical entry opening of its respective measurement channel. The reference spectral component is a spectral component for which a gas mixture in the measuring channels during the measurement has a low, for example less than one percent averaged over the reference spectral range, or none or a known, for example one of the gas concentration of the gas to be detected independent, having absorption. For example, one or more or all of the measurement channels can each be part of one of the optical paths as well as part of one of the other optical paths. Thus, the spectral component of electromagnetic radiation specific to the gas to be detected can be provided at the optical entry opening of one of the measurement channels through the optical path containing the measurement channel, and the reference spectral range can be provided at the entry opening of the measurement channel through the further optical path containing the measurement channel. A reference measurement can be carried out using the reference spectral range, which enables an exact absorption measurement to be carried out.

Bei Ausführungsbeispielen ist die Messvorrichtung ausgebildet, um eine Messung mittels eines der Messkanäle unter Verwendung des Emitterelements, welches in dem optischen Pfad des einen Messkanals angeordnet ist, durchzuführen, und eine Referenzmessung mittels des einen Messkanals unter Verwendung des Emitterelements, welches in dem weiteren optischen Pfad des einen Messkanals angeordnet ist, durchzuführen. Gemäß diesen Ausführungsbeispielen ist die Messvorrichtung ausgebildet, um die Gaskonzentration basierend auf der Messung und der Referenzmessung zu bestimmen. Durch eine Referenzmessung können sich ändernde Randbedingungen der Messung, wie beispielsweise der Druck des Gasgemisches bestimmt, und bei der Ermittlung der Gaskonzentration berücksichtigt werden.In exemplary embodiments, the measuring device is designed to carry out a measurement using one of the measuring channels using the emitter element, which is arranged in the optical path of one measuring channel, and a reference measurement using the one measuring channel using the emitter element, which is arranged in the further optical path of a measuring channel is arranged to perform. According to these exemplary embodiments, the measuring device is designed to determine the gas concentration based on the measurement and the reference measurement. A reference measurement can be used to determine changing boundary conditions of the measurement, such as the pressure of the gas mixture, and to take them into account when determining the gas concentration.

Bei Ausführungsbeispielen weist die Messvorrichtung ferner eine Steuerungseinheit auf. Die Steuerungseinheit ist ausgebildet, um eine Messung mittels eines der Messkanäle auszuführen. Die Messung beinhaltet das Emitterelement, welches in dem optischen Pfad des Messkanals angeordnet ist (das heißt, das Emitterelement, welches demselben optischen Pfad wie der Messkanal zugehörig ist) für ein ersten Messintervall zu aktivieren, beispielsweise selektiv zu aktivieren, also beispielsweise nur dieses Emitterelement. Ferner beinhaltet die Messung, den den Wechselwirkungspfad des Messkanals nachgeordneten Strahlungsdetektor während des ersten Messintervalls auszulesen, um eine Messgröße zu erhalten, welche eine Intensität der elektromagnetischen Strahlung des spezifischen Spektralanteils nach der Wechselwirkung mit dem Gasgemisch repräsentiert. Die Messung beinhaltet ferner, dass Emitterelement, welches in dem weiteren optischen Pfad des Messkanals angeordnet ist (das heißt, welches dem dem Messkanal zugeordneten weiteren optischen Pfad zugeordnet ist) für ein zweites Messintervall zu aktivieren (wobei das erste Messintervall zeitlich vor oder nach dem zweiten Messintervall sein kann). Die Messung beinhaltet ferner, den der Wechselwirkung des Messkanals nachgeordneten Strahlungsdetektor während des zweiten Messintervalls auszulesen, um eine Referenzmessgröße zu erhalten, welche eine Intensität der elektromagnetischen Strahlung des Referenz-Spektralanteils nach der Wechselwirkung mit dem Gasgemisch repräsentiert. Der Messkanal kann also sowohl für die Messung der elektromagnetischen Strahlung mit dem spezifischen Spektralanteil, als auch für die Referenzmessung verwendet werden.In exemplary embodiments, the measuring device also has a control unit. The control unit is designed to carry out a measurement using one of the measurement channels. The measurement includes activating the emitter element, which is arranged in the optical path of the measurement channel (that is, the emitter element which is associated with the same optical path as the measurement channel) for a first measurement interval, for example selectively activating, for example only this emitter element. The measurement also includes reading out the radiation detector downstream of the interaction path of the measurement channel during the first measurement interval in order to obtain a measurement variable which represents an intensity of the electromagnetic radiation of the specific spectral component after the interaction with the gas mixture. The measurement also includes activating the emitter element, which is arranged in the further optical path of the measurement channel (that is, which is assigned to the further optical path assigned to the measurement channel) for a second measurement interval (the first measurement interval being before or after the second measurement interval can be). The measurement also includes reading out the radiation detector downstream of the interaction of the measurement channel during the second measurement interval in order to obtain a reference measurement variable which represents an intensity of the electromagnetic radiation of the reference spectral component after the interaction with the gas mixture. The measuring channel can therefore be used both for measuring the electromagnetic radiation with the specific spectral component and for the reference measurement.

Bei Ausführungsbeispielen weist die Messvorrichtung ferner eine Auswerteeinheit auf, welche ausgebildet ist, um basierend auf der Messgröße und der Referenzmessgröße eine Information über die Gaskonzentration des zu detektierenden Gases zu bestimmen. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit dazu ein Verhältnis zwischen der Messgröße und der Referenzmessgröße verwenden und/oder eine oder mehrere Kalibrierungsfunktionen verwenden.In exemplary embodiments, the measuring device also has an evaluation unit, which is designed to determine information about the gas concentration of the gas to be detected based on the measured variable and the reference measured variable. For example, the evaluation unit can use a ratio between the measured variable and the reference measured variable and/or use one or more calibration functions.

Bei Ausführungsbeispielen weisen die optischen Pfade jeweils eines einer Mehrzahl von Emitterelementen auf. Ferner ist jeder der optischen Pfade ausgebildet, um von der elektromagnetischen Strahlung seines jeweiligen Emitterelements selektiv einen für das zumindest eine zu detektierende Gas spezifischen Spektralanteil der optischen Eintrittsöffnung seines jeweiligen Messkanals zuzuführen. Gemäß diesen Ausführungsbeispielen weist die Messvorrichtung ferner eine Mehrzahl weiterer optischer Pfade auf, welche jeweils ein Emitterelement (eines der Mehrzahl von Emitterelementen oder eines einer weiteren Mehrzahl von Emitterelementen) und einen der Messkanäle aufweisen. In den weiteren optischen Pfaden ist zwischen dem jeweiligen Emitterelement in dem jeweiligen Messkanal ein dispersives optisches Element angeordnet, beispielsweise das gemeinsame dispersive optische Element oder ein anderes dispersives optisches Element. Jeder der weiteren optischen Pfade ist ausgebildet, um von einer elektromagnetischen Strahlung seines jeweiligen Emitterelements selektiv einen für ein weiteres zu detektierendes Gas spezifischen Spektralanteil der optischen Eintrittsöffnung seines jeweiligen Messkanals zuzuführen. Beispielsweise ist die Mehrzahl optischer Pfade ausgebildet, um verschiedene Messbereiche für das zumindest eine zu detektierende Gas bereitzustellen und die Mehrzahl weiterer Pfade ausgewählt, um mehrere Messbereiche für das weitere zu detektierende Gas bereitzustellen. Die Messvorrichtung kann also ausgebildet sein, um die Konzentrationen mehrerer zu detektierender Gase mittels jeweils mehrerer Messbereiche zu bestimmen.In exemplary embodiments, the optical paths each have one of a plurality of emitter elements. Furthermore, each of the optical paths is designed to selectively feed a spectral component from the electromagnetic radiation of its respective emitter element that is specific to the at least one gas to be detected to the optical entry opening of its respective measurement channel. According to these exemplary embodiments, the measuring device also has a plurality of further optical paths, each of which has an emitter element (one of the plurality of emitter elements or one of a further plurality of emitter elements) and one of the measuring channels. In the further optical paths there is a between the respective emitter element in the respective measurement channel arranged dispersive optical element, for example the common dispersive optical element or another dispersive optical element. Each of the further optical paths is designed to selectively feed a spectral component from an electromagnetic radiation of its respective emitter element that is specific to a further gas to be detected to the optical entry opening of its respective measurement channel. For example, the plurality of optical paths is designed to provide different measurement ranges for the at least one gas to be detected and the plurality of additional paths is selected to provide multiple measurement ranges for the additional gas to be detected. The measuring device can therefore be designed to determine the concentrations of a plurality of gases to be detected by means of a plurality of measuring ranges in each case.

Bei Ausführungsbeispielen weist die Messvorrichtung ein gemeinsames dispersives optisches Element für die Mehrzahl optischer Pfade und die Mehrzahl weiterer optischer Pfade auf. Das dispersive optische Element ist in den optischen Pfaden jeweils zwischen dem jeweiligen Emitterelement und dem jeweiligen Messkanal angeordnet. Ferner ist das dispersive optische Element in den weiteren optischen Pfaden jeweils zwischen dem jeweiligen Emitterelement und dem jeweiligen Messkanal angeordnet. Es wurde erkannt, dass ein gemeinsame dispersives optisches Element sowohl für die Mehrzahl optischer Pfade als auch für die Mehrzahl weiterer optischer Pfade verwendet werden kann. Somit lässt sich das dispersive optische Element sowohl für die Messung des für das zumindest eine zu detektierende Gas spezifischen Spektralanteils als auch für die Referenzmessungen bzw. die Messung des für das weitere zu detektierende Gas spezifischen Spektralanteils verwendet. Insbesondere haben die Erfinder erkannt, dass die Verwendung des gemeinsamen dispersiven optischen Elements sogar dann einen Vorteil hinsichtlich Implementierungsaufwand und Kosteneffizienz bietet, wenn eine Mehrzahl von Emitterelementen zur Bereitstellung der jeweils benötigten elektromagnetischen Strahlung an den optischen Eintrittsöffnungen benötigt wird.In exemplary embodiments, the measuring device has a common dispersive optical element for the plurality of optical paths and the plurality of further optical paths. The dispersive optical element is arranged in the optical paths between the respective emitter element and the respective measurement channel. Furthermore, the dispersive optical element is arranged in the further optical paths in each case between the respective emitter element and the respective measurement channel. It was recognized that a common dispersive optical element can be used both for the plurality of optical paths and for the plurality of further optical paths. The dispersive optical element can thus be used both for measuring the spectral component specific for the at least one gas to be detected and for the reference measurements or measuring the spectral component specific for the other gas to be detected. In particular, the inventors have recognized that the use of the common dispersive optical element offers an advantage in terms of implementation outlay and cost efficiency even if a plurality of emitter elements are required to provide the electromagnetic radiation required in each case at the optical entry openings.

Bei Ausführungsbeispielen sind die Emitterelemente thermische Emitterelemente. Die thermischen Emitterelemente sind ausgebildet, um elektromagnetische Strahlung in einem Infrarot-(IR)-Spektralbereich zu erzeugen. Thermische Emitterelemente lassen sich einfach und kostengünstig implementieren und bieten eine große Lebensdauer. Insbesondere können thermische Emitterelemente besonders klein gestaltet werden. Insbesondere in Kombination mit einem gemeinsam verwendeten dispersiven optischen Element, bei dessen Verwendung unter Umständen eine Mehrzahl von Emitterelementen benötigt werden, kann also eine besonders platzsparende und kostengünstige Implementierung der Messvorrichtung erreicht werden.In embodiments, the emitter elements are thermal emitter elements. The thermal emitter elements are designed to generate electromagnetic radiation in an infrared (IR) spectral range. Thermal emitter devices are easy and inexpensive to implement and offer long lifetimes. In particular, thermal emitter elements can be made particularly small. A particularly space-saving and cost-effective implementation of the measuring device can therefore be achieved, in particular in combination with a jointly used dispersive optical element, the use of which may require a plurality of emitter elements.

Bei Ausführungsbeispielen sind die Emitterelemente der Mehrzahl von Emitterelementen ausgebildet, um elektromagnetische Strahlung identischer Spektralverteilungen und/oder identischer Intensitätsverteilungen zu erzeugen. Beispielsweise gibt die Intensitätsverteilung die Intensität in Abhängigkeit der Wellenlänge wider. Die Spektralverteilung kann hingegen die relative Intensitätsverteilung in Abhängigkeit der Wellenlänge widerspiegeln.In exemplary embodiments, the emitter elements of the plurality of emitter elements are designed to generate electromagnetic radiation with identical spectral distributions and/or identical intensity distributions. For example, the intensity distribution reflects the intensity as a function of the wavelength. The spectral distribution, on the other hand, can reflect the relative intensity distribution depending on the wavelength.

Bei Ausführungsbeispielen sind die Emitterelemente ausgebildet, um eine jeweilige elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, wenn sie aktiviert werden, wobei die Emitterelemente unabhängigen voneinander aktivierbar sind. Durch die unabhängige Aktivierbarkeit der Emitterelemente können verschiedene Emitterelemente dazu verwendet werden, um für einen bestimmten Messkanal unabhängig voneinander unterschiedliche Spektralbereiche elektromagnetischer Strahlung bereitzustellen. Beispielsweise lässt sich durch die unabhängige Aktivierbarkeit an der optischen Eintrittsöffnung eines bestimmten Messkanals während der Zeitdauer einer ersten Messung der für das zu detektierende Gas spezifische Spektralbereich elektromagnetischer Strahlung bereitstellen und während der Zeitdauer einer zweiten Messung der Referenz-Spektralbereich elektromagnetischer Strahlung bereitstellen oder der spezifische Spektralbereich eines weiteren zu detektierenden Gases bereitstellen. In anderen Worten, durch die unabhängige Aktivierbarkeit der Emitterelemente lässt sich der für einen Messkanal bereitgestellte Spektralbereich einstellen. Ferner kann durch die unabhängige Aktivierbarkeit verhindert werden, dass bei zeitgleichem Betrieb verschiedener Emitterelemente elektromagnetische Strahlung außerhalb des spezifischen Spektralanteils durch die optische Eintrittsöffnung tritt.In exemplary embodiments, the emitter elements are configured to generate a respective electromagnetic radiation when activated, with the emitter elements being activatable independently of one another. Because the emitter elements can be activated independently, different emitter elements can be used to provide different spectral ranges of electromagnetic radiation independently of one another for a specific measurement channel. For example, by independently activating the optical entry opening of a specific measurement channel, the spectral range of electromagnetic radiation specific to the gas to be detected can be provided during the duration of a first measurement and the reference spectral range of electromagnetic radiation or the specific spectral range of a gas can be provided during the duration of a second measurement provide additional gas to be detected. In other words, the spectral range provided for a measurement channel can be set due to the ability to independently activate the emitter elements. Furthermore, the ability to be activated independently makes it possible to prevent electromagnetic radiation outside the specific spectral component from passing through the optical entry opening when different emitter elements are operated at the same time.

Bei Ausführungsbeispielen sind die Emitterelemente entlang einer Richtung beabstandet voneinander angeordnet. Beispielsweise bildet diese Richtung mit einer Richtung, bezüglich welcher das dispersive optische Element elektromagnetische Strahlung wellenlängenabhängig ablenkt, eine Ebene. Durch die voneinander beabstandete Anordnung können die Emitterelemente an voneinander beabstandeten Orten, welche im Strahlengang nach dem dispersiven optischen Element, insbesondere einem gemeinsamen dispersiven optischen Element, angeordnet sind, denselben Spektralanteil elektromagnetischer Strahlung bereitstellen. Somit können an verschiedenen Orten angeordnete Messkanäle mit demselben Spektralanteil beleuchtet werden.In exemplary embodiments, the emitter elements are spaced apart from one another along one direction. For example, this direction forms a plane with a direction in relation to which the dispersive optical element deflects electromagnetic radiation as a function of wavelength. Due to the arrangement spaced apart from one another, the emitter elements can provide the same spectral component of electromagnetic radiation at locations spaced apart from one another, which are arranged in the beam path after the dispersive optical element, in particular a common dispersive optical element. Thus, measurement channels arranged at different locations can be illuminated with the same spectral component.

Bei Ausführungsbeispielen ist das optische dispersive Element eines jeweiligen optischen Pfades, beispielsweise das gemeinsame dispersive optische Element, ein planares Gitter. Bei diesen Ausführungsbeispielen weisen die optischen Pfade ein erstes Spiegelelement auf, welches in den optischen Pfaden zwischen dem jeweiligen zugeordneten Emitterelement und dem planaren Gitter angeordnet ist. Ferner weisen die optischen Pfade bei diesen Ausführungsbeispielen ein zweites Spiegelelement auf, welches in den optischen Pfaden zwischen dem planaren Gitter und der optischen Eintrittsöffnung des jeweiligen zugeordneten Messkanals angeordnet ist. Ein planares Gitter bietet eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, ein dispersives optisches Element zu implementieren. Durch die Anordnung des planaren Gitters zwischen zwei Spiegelelementen lässt sich ein bestimmter Spektralanteil der elektromagnetischen Strahlung eines Emitterelements an einem bestimmten Ort abbilden. Somit kann durch Anordnung eines Emitterelements sowie des ersten und zweiten Spiegelelements und des planaren Gitters und der optischen Eintrittsöffnung eines Messkanals ein bestimmter Spektralanteil der elektromagnetischen Strahlung des Emitterelements an der optischen Eintrittsöffnung bereitgestellt werden.In embodiments, the optical dispersive element is a respective optical Path, for example, the common dispersive optical element, a planar grating. In these exemplary embodiments, the optical paths comprise a first mirror element which is arranged in the optical paths between the respective associated emitter element and the planar grating. Furthermore, in these exemplary embodiments, the optical paths have a second mirror element, which is arranged in the optical paths between the planar grating and the optical entry opening of the respective associated measurement channel. A planar grating offers a simple and inexpensive way to implement a dispersive optical element. By arranging the planar grating between two mirror elements, a specific spectral component of the electromagnetic radiation of an emitter element can be imaged at a specific location. Thus, by arranging an emitter element and the first and second mirror element and the planar grating and the optical entry opening of a measurement channel, a specific spectral component of the electromagnetic radiation of the emitter element can be provided at the optical entry opening.

Bei Ausführungsbeispielen weist die Messvorrichtung ferner eine Steuerungseinheit auf, welche ausgebildet ist, um eine Messung mittels eines der optischen Pfade auszuführen. Die Messung beinhaltet, während einer Dauer der Messung, das dem optischen Pfad zugeordnete Emitterelement zu aktivieren (beispielsweise selektiv), und den dem optischen Pfad nachgeordneten Strahlungsdetektor auszulesen, um eine Messgröße zu erhalten, welche eine Intensität der elektromagnetischen Strahlung nach der Wechselwirkung mit dem Gasgemisch repräsentiert.In exemplary embodiments, the measuring device also has a control unit, which is designed to carry out a measurement using one of the optical paths. The measurement includes, for a duration of the measurement, activating the emitter element associated with the optical path (e.g. selectively) and reading out the radiation detector downstream of the optical path in order to obtain a measured variable which shows an intensity of the electromagnetic radiation after interaction with the gas mixture represented.

Bei Ausführungsbeispielen ist die Steuerungseinheit ausgebildet, um ein oder mehrere Messungen mittels jeweils eines der optischen Pfade auszuführen, um jeweilige Messgrö-ßen zu erhalten. Ferner ist die Steuerungseinheit ausgebildet, um eine Information über die Gaskonzentration des zu detektierenden Gases basierend auf den erhaltenen Messgrößen zu bestimmen. Beispielsweise ist die Steuerungseinheit ausgebildet, um eine erste Messung mittels des ersten Messkanals und eine zweite Messung mittels des zweiten Messkanals auszuführen. In Kombination damit, dass die Messvorrichtung für den ersten und den zweiten Messkanal den für das zumindest eine zu detektierende Gas spezifischen Gasanteil bereitstellt, kann die Messvorrichtung die Information über die Gaskonzentration also basierend auf mittels zwei verschiedener Messbereiche bestimmten Messgrößen bestimmen. Damit kann eine besonders genaue Messung erfolgen.In exemplary embodiments, the control unit is designed to carry out one or more measurements using one of the optical paths in each case in order to obtain the respective measurement variables. Furthermore, the control unit is designed to determine information about the gas concentration of the gas to be detected based on the measured variables obtained. For example, the control unit is designed to carry out a first measurement using the first measurement channel and a second measurement using the second measurement channel. In combination with the fact that the measuring device provides the gas fraction specific for the at least one gas to be detected for the first and the second measuring channel, the measuring device can determine the information about the gas concentration based on measured variables determined by means of two different measuring ranges. A particularly precise measurement can thus be carried out.

Bei Ausführungsbeispielen ist die Steuerungseinheit ausgebildet, um mittels eines der ersten der optischen Pfade eine erste Messung auszuführen, um eine erste Messgröße zu erhalten, und abhängig von der ersten Messgröße eine zweite Messung mittels eines zweiten der optischen Pfade der Mehrzahl optischer Pfade auszuführen. Beispielsweise kann die Messvorrichtung ausgebildet sein, die zweite Messung mittels des zweiten der optischen Pfade durchzuführen, wenn die erste Messung ergeben hat, dass die erste Messgröße außerhalb eines Messbereichs des ersten optischen Pfads liegt.In exemplary embodiments, the control unit is designed to carry out a first measurement using one of the first of the optical paths in order to obtain a first measured variable, and to carry out a second measurement using a second of the optical paths of the plurality of optical paths depending on the first measured variable. For example, the measuring device can be designed to carry out the second measurement using the second of the optical paths if the first measurement has shown that the first measured variable is outside a measuring range of the first optical path.

Bei Ausführungsbeispielen ist die Steuerungseinheit ausgebildet, um zu testen, ob die erste Messgröße außerhalb eines für den optischen Pfad spezifischen Messbereichs liegt, und um in diesem Fall die zweite Messung auszuführen. Die zweite Messung kann also beispielsweise nur dann ausgeführt werden, wenn die erste Messgröße außerhalb des Messbereichs liegt.In exemplary embodiments, the control unit is designed to test whether the first measurement variable is outside a measurement range that is specific to the optical path, and to carry out the second measurement in this case. The second measurement can therefore only be carried out, for example, if the first measured variable is outside the measuring range.

Bei Ausführungsbeispielen sind die Emitterelemente, das dispersive optische Element und die optischen Eintrittsöffnungen mechanisch fixiert zueinander angeordnet. Mechanisch bewegliche Teile stellen häufig Fehlerquellen dar, so dass eine mittels mechanisch fixierter Bauelemente implementierte Messvorrichtung besonders robust ist.In exemplary embodiments, the emitter elements, the dispersive optical element and the optical entry openings are arranged mechanically fixed to one another. Mechanically moving parts are often sources of error, so that a measuring device implemented using mechanically fixed components is particularly robust.

Bei Ausführungsbeispielen weisen die optischen Eintrittsöffnungen im Bereich ihrer Öffnung ein Material auf, welches zumindest für den spezifischen Spektralbereich des zu detektierenden Gases transparent ist. Beispielsweise sind die Messkanäle räumlich getrennt von den Emitterelementen und dem dispersiven optischen Element angeordnet, das heißt, das Material der Öffnung der Eintrittsöffnungen ist für das Gasgemisch undurchlässig. Dadurch kann die Länge des Wechselwirkungspfads durch die Länge der Messkanäle sehr genau bestimmt werden.In exemplary embodiments, the optical entry openings have a material in the area of their opening which is transparent at least for the specific spectral range of the gas to be detected. For example, the measurement channels are spatially separated from the emitter elements and the dispersive optical element, that is, the material of the opening of the inlet openings is impermeable to the gas mixture. As a result, the length of the interaction path can be determined very precisely by the length of the measurement channels.

Gemäß Ausführungsbeispielen sind die Messkanäle ausgebildet, um einen Gasaustausch zwischen den Messkanälen und der Umgebung der Messvorrichtung zu ermöglichen. Somit wird ermöglicht, die Konzentration des zu detektierenden Gases in der Umgebung der Messvorrichtung zu bestimmen.According to exemplary embodiments, the measurement channels are designed to enable gas exchange between the measurement channels and the environment of the measurement device. This makes it possible to determine the concentration of the gas to be detected in the area surrounding the measuring device.

Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Bestimmen einer Gaskonzentration zumindest eines zu detektierenden Gases unter Verwendung der Messvorrichtung.Further exemplary embodiments create a method for determining a gas concentration of at least one gas to be detected using the measuring device.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
  • 2 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
  • 3 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung mit Steuerungseinheit gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
  • 4 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung mit planarem Gitter gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the attached figures. Show it:
  • 1 a schematic representation of a measuring device according to an embodiment,
  • 2 a schematic representation of a measuring device according to a further embodiment,
  • 3 a schematic representation of a measuring device with control unit according to a further embodiment,
  • 4 a schematic representation of a measuring device with a planar grid according to a further embodiment.

Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Offenbarung detailliert und unter Verwendung der beigefügten Beschreibungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden viele Details beschrieben, um eine gründlichere Erklärung von Beispielen der Offenbarung zu liefern. Es ist jedoch für Fachleute offensichtlich, dass andere Beispiele ohne diese spezifischen Details implementiert werden können. Merkmale der unterschiedlichen beschriebenen Beispiele können miteinander kombiniert werden, es sei denn, Merkmale einer entsprechenden Kombination schließen sich gegenseitig aus oder eine solche Kombination ist ausdrücklich ausgeschlossen.In the following, examples of the present disclosure are described in detail and using the accompanying descriptions. In the following description, many details are set forth in order to provide a more thorough explanation of examples of the disclosure. However, it will be apparent to those skilled in the art that other examples can be implemented without these specific details. Features of the different examples described can be combined with one another, unless features of a corresponding combination are mutually exclusive or such a combination is expressly excluded.

Es sei darauf hingewiesen, dass gleiche oder ähnliche Elemente oder Elemente, die die gleiche Funktionalität aufweisen, mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sein können oder gleich bezeichnet werden, wobei eine wiederholte Beschreibung von Elementen, die mit dem gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind oder gleich bezeichnet werden, typischerweise weggelassen wird. Beschreibungen von Elementen, die gleiche oder ähnliche Bezugszeichen aufweisen oder gleich bezeichnet werden, sind gegeneinander austauschbar.It should be noted that the same or similar elements or elements that have the same functionality can be provided with the same or similar reference numbers or are referred to in the same way, with a repeated description of elements provided with the same or similar reference numbers or being the same are denoted, is typically omitted. Descriptions of elements that have the same or similar reference numerals or are labeled the same are interchangeable.

1 veranschaulicht eine Messvorrichtung 10 zur Bestimmung einer Gaskonzentration eines zu detektierenden Gases gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Messvorrichtung 10 weist zumindest ein Emitterelement 20 auf oder eine Mehrzahl von Emitterelementen 20. In 1 sind die ein oder mehreren Emitterelemente beispielhaft durch ein erstes Emitterelement 201 und ein zweites Emitterelement 202 repräsentiert. Die Emitterelemente 20 sind zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung ausgebildet. Die Messvorrichtung 10 weist ferner eine Mehrzahl von Messkanälen 40 auf, in 1 beispielhaft durch einen ersten Messkanal 401 und einen zweiten Messkanal 402 repräsentiert. Die Messkanäle 40 weisen jeweils eine optische Eintrittsöffnung 44 auf. Beispielsweise weist der erste Messkanal 401 eine optische Eintrittsöffnung 441 und der zweite Messkanal 402 eine optische Eintrittsöffnung 442 auf. Die Messkanäle 40 sind jeweils ausgebildet, um einen zwischen der jeweiligen optischen Eintrittsöffnung 44 und einem Strahlungsdetektor 50 angeordneten Wechselwirkungspfad 42 für eine Wechselwirkung zwischen an der jeweiligen optischen Eintrittsöffnung 44 eintretender elektromagnetischer Strahlung und einem in den Messkanälen 40 befindlichen Gasgemisch bereitzustellen. Die Messvorrichtung 10 weist also zumindest einen Strahlungsdetektor 50 auf. Wie in 1 beispielhaft dargestellt, kann in jedem der Messkanäle 40 ein individueller Strahlungsdetektor 50 nachgelagert sein. Alternativ ist aber auch möglich, dass sich ein oder mehrere der Messkanäle einen gemeinsamen Strahlungsdetektor teilen. Beispielsweise kann elektromagnetische Strahlung, welche den Wechselwirkungspfad 421 des ersten Messkanals 401 durchläuft und elektromagnetische Strahlung, welche den Wechselwirkungspfad 422 des zweiten Messkanals 402 des Messkanals 402 durchläuft, einem gemeinsamen Strahlungsdetektor zugeführt werden. In diesem Fall können Messungen mittels des ersten Messkanals 401 und des zweiten Messkanals 402 vorzugsweise zu unterschiedlichen Zeiten durchgeführt werden. Der Messkanal 401 ist also ausgebildet, um einen Wechselwirkungspfad 421 zwischen der optischen Eintrittsöffnung 441 und dem dem Messkanal 401 nachgelagerten Strahlungsdetektor 50 bereitzustellen. Entsprechend ist der Messkanal 402 ausgebildet, um einen Wechselwirkungspfad 422 zwischen der optischen Eintrittsöffnung 442 und einem dem Wechselwirkungspfad 422 nachgelagerten Strahlungsdetektor 50 bereitzustellen. Eine Länge des Wechselwirkungspfads 421 des ersten Messkanals 401 ist von einer Länge des Wechselwirkungspfads 422 des zweiten Messkanals 402 verschieden. Die Messvorrichtung 10 weist ferner eine Mehrzahl optischer Pfade auf. Die optischen Pfade beinhalten jeweils eines der Emitterelemente 20 und einen der Messkanäle 40. In den optischen Pfaden 22 ist zwischen dem jeweiligen Emitterelement 20 und dem jeweiligen Messkanal 40 ein dispersives optisches Element 30 angeordnet. Jeder der optischen Pfade ist ausgebildet, um von einer elektromagnetischen Strahlung seines jeweiligen Emitterelements 20 selektiv ein für ein zu detektierendes Gas spezifischen Spektralanteil der optischen Eintrittsöffnung 44 seines jeweiligen Messkanals zuzuführen. Beispielsweise kann gemäß dem Beispiel aus 1 ein optischer Pfad das Emitterelement 201, das dispersive optische Element 30 und den Messkanal 401 beinhalten und ein weiterer optischer Pfad das Emitterelement 202, das dispersive optische Element 30 und den Messkanal 402 enthalten. 1 FIG. 11 illustrates a measuring device 10 for determining a gas concentration of a gas to be detected according to an embodiment. The measuring device 10 has at least one emitter element 20 or a plurality of emitter elements 20. In 1 For example, the one or more emitter elements are represented by a first emitter element 20 1 and a second emitter element 20 2 . The emitter elements 20 are designed to generate electromagnetic radiation. The measuring device 10 also has a plurality of measuring channels 40, in 1 represented by a first measurement channel 40 1 and a second measurement channel 40 2 . The measuring channels 40 each have an optical entry opening 44 . For example, the first measurement channel 40 1 has an optical entry opening 44 1 and the second measurement channel 40 2 has an optical entry opening 44 2 . The measurement channels 40 are each designed to provide an interaction path 42 arranged between the respective optical entry opening 44 and a radiation detector 50 for an interaction between electromagnetic radiation entering at the respective optical entry opening 44 and a gas mixture located in the measurement channels 40 . The measuring device 10 therefore has at least one radiation detector 50 . As in 1 shown by way of example, an individual radiation detector 50 can be located downstream in each of the measurement channels 40 . Alternatively, however, it is also possible for one or more of the measurement channels to share a common radiation detector. For example, electromagnetic radiation which runs through the interaction path 42 1 of the first measurement channel 40 1 and electromagnetic radiation which runs through the interaction path 42 2 of the second measurement channel 40 2 of the measurement channel 40 2 can be fed to a common radiation detector. In this case, measurements can preferably be carried out at different times using the first measurement channel 40 1 and the second measurement channel 40 2 . The measurement channel 40 1 is thus designed to provide an interaction path 42 1 between the optical entry opening 44 1 and the radiation detector 50 downstream of the measurement channel 40 1 . Correspondingly, the measurement channel 40 2 is designed to provide an interaction path 42 2 between the optical entry opening 44 2 and a radiation detector 50 downstream of the interaction path 42 2 . A length of the interaction path 42 1 of the first measurement channel 40 1 differs from a length of the interaction path 42 2 of the second measurement channel 40 2 . The measuring device 10 also has a plurality of optical paths. The optical paths each contain one of the emitter elements 20 and one of the measuring channels 40. A dispersive optical element 30 is arranged in the optical paths 22 between the respective emitter element 20 and the respective measuring channel 40. Each of the optical paths is designed to selectively supply a spectral component of electromagnetic radiation from its respective emitter element 20 that is specific to a gas to be detected to the optical entry opening 44 of its respective measurement channel. For example, according to the example from 1 one optical path containing the emitter element 20 1 , the dispersive optical element 30 and the measuring channel 40 1 and another optical path containing the emitter element 20 2 , the dispersive optical element 30 and the measuring channel 40 2 .

Ein optischer Pfad kann also dadurch gebildet werden, dass der für ein zu detektierendes Gas spezifische Spektralanteil der elektromagnetischen Strahlung eines der Emitterelemente 20 mittels des dispersiven optischen Elements 30 auf einer der optischen Eintrittsöffnungen 44 abgebildet wird. Aufgrund der Dispersion des dispersiven optischen Elements 30 wird selektiv, das heißt nur, ein durch die Anordnung beziehungsweise die optischen Eigenschaften des optischen Pfads bestimmter Spektralanteil der elektromagnetischen Strahlung eines der Emitterelemente in dem Bereich einer der Eintrittsöffnungen 44 abgebildet. Die Eintrittsöffnungen 44 sind ausgebildet, um von dem dispersiven optischen Element 30 auf die optische Eintrittsöffnung 44 treffende elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen zu transmittieren. Die Messkanäle 40 können ausgebildet sein, um elektromagnetische Strahlung, welche vom dispersiven optischen Element 30 kommen, nicht auf die optische Eintrittsöffnung 44 des Messkanals 40 trifft, am Eintritt in den Messkanal 40 zu hindern. Beispielsweise können die optischen Eintrittsöffnungen 44 als optische Spalte oder als Blenden mit der optischen Eintrittsöffnung 44 ausgeführt sein. Die optischen Eintrittsöffnungen 44 können beispielsweise als Öffnungen implementiert sein oder mittels eines optisch transparenten Materials, beispielsweise eines Materials, welches für das Gasgemisch undurchlässig ist.An optical path can thus be formed in that the specific spectral component for a gas to be detected of the electromagnetic radiation of one of the emitter elements 20 by means of the dispersive optical element 30 on one of the opti rule inlet openings 44 is shown. Due to the dispersion of the dispersive optical element 30 , that is to say only a spectral component of the electromagnetic radiation of one of the emitter elements determined by the arrangement or the optical properties of the optical path is imaged in the region of one of the entry openings 44 . The entry openings 44 are designed to essentially transmit electromagnetic radiation impinging on the optical entry opening 44 from the dispersive optical element 30 . The measurement channels 40 can be designed to prevent electromagnetic radiation, which comes from the dispersive optical element 30 and does not impinge on the optical entry opening 44 of the measurement channel 40 , from entering the measurement channel 40 . For example, the optical entry openings 44 can be designed as optical gaps or as screens with the optical entry opening 44 . The optical entry openings 44 can be implemented, for example, as openings or by means of an optically transparent material, for example a material which is impermeable to the gas mixture.

Der von dem dispersiven optischen Element 30 auf der optischen Eintrittsöffnung 441 abgebildete Spektralanteil der elektromagnetischen Strahlung des Emitterelements 201 wird in 1 mit dem Bezugszeichen 221 bezeichnet. Entsprechend wird der von dem dispersiven optischen Element 30 auf der optischen Eintrittsöffnung 442 abgebildete Spektralanteil der elektromagnetischen Strahlung des Emitterelements 202 mit dem Bezugszeichen 222 bezeichnet.The spectral component of the electromagnetic radiation of the emitter element 20 1 imaged by the dispersive optical element 30 on the optical entry opening 44 1 is 1 denoted by the reference numeral 22 1 . Correspondingly, the spectral component of the electromagnetic radiation of the emitter element 20 2 imaged by the dispersive optical element 30 on the optical entry opening 44 2 is denoted by the reference numeral 22 2 .

Die in 1 gezeigte Darstellung des dispersiven optischen Elements 30 ist beispielhaft zu verstehen. Das dispersive optische Element 30 kann beispielsweise durch jedes optische Element bereitgestellt werden, welches Licht, welches in einem von 90 Grad verschiedenen Einfallswinkel auf das dispersive optische Element 30 trifft, wellenlängenabhängig ablenkt. In the 1 The representation of the dispersive optical element 30 shown is to be understood as an example. The dispersive optical element 30 can be provided, for example, by any optical element that deflects light that strikes the dispersive optical element 30 at an angle of incidence other than 90 degrees, depending on the wavelength.

Das dispersive optische Element kann beispielsweise ein Gitter, beispielsweise ein Transmissions- oder ein Reflexionsgitter, oder ein Prisma beinhalten. Bei Beispielen ist das dispersive optische Element ein gebogenes oder ein fokussierendes Gitter. Bei weiteren Beispielen ist das dispersive optische Element 30 ein planares Gitter.The dispersive optical element can contain, for example, a grating, for example a transmission or reflection grating, or a prism. In examples, the dispersive optical element is a curved or a focusing grating. In other examples, the dispersive optical element 30 is a planar grating.

Bei dem für das zu detektierende Gas spezifischen Spektralanteil kann es sich um einen Spektralanteil elektromagnetischer Strahlung handeln, bei welchem das zu detektierende Gas eine Absorptionslinie aufweist. Viele Gase weisen eine Absorptionslinie im infraroten Spektrum auf. Beinhaltet das in dem Messkanal 40 befindliche Gasgemisch das zu detektierende Gas, findet entlang des Wechselwirkungspfads 42 Absorption der an der Eintrittsöffnung 44 eintretenden elektromagnetischen Strahlung mit dem für das zu detektierende Gas spezifischen Spektralanteil statt. Die Intensität der elektromagnetischen Strahlung am Ende des Wechselwirkungspfads 42 ist, im Verhältnis zu der Intensität der elektromagnetischen Strahlung an der Eintrittsöffnung 44, somit eine Messgröße für den Absorptionsgrad, von welchem wiederum auf die Konzentration des zu detektierenden Gases geschlossen werden kann. Die Absorption, also das Verhältnis der Intensitäten der elektromagnetischen Strahlung am Ende des Wechselwirkungspfads 42 und an der Eintrittsöffnung 44 können dabei im Wesentlichen durch das eingangs beschriebene Exponentialgesetz beschrieben werden. Aufgrund er unterschiedlichen Längen der Wechselwirkungspfade 421 und 422 findet also bei gleicher Konzentration des zu detektierenden Gases in den Messkanälen 401 und 402 eine unterschiedlich starke Absorption von für das zu detektierende Gas spezifischer elektromagnetischer Strahlung statt. Die Länge eines Wechselwirkungspfads 40 ist vorzugsweise so gewählt, dass für einen gewünschten Bereich der Konzentration des mit dem Wechselwirkungspfad 42 zu detektierenden Gases die Intensität der für das zu detektierende Gas spezifischen elektromagnetischen Strahlung am Ende des Wechselwirkungspfads 42 hinreichend groß für eine Detektion mittels des Strahlungsdetektors 50 ist, beispielsweise oberhalb eines Rauschniveaus, und zugleich eine hinreichend große Absorption stattfindet, so dass das Verhältnis zwischen den Intensitäten der eintretenden und der am Ende des Wechselwirkungspfads vorliegenden elektromagnetischen Strahlung für eine Konzentration des zu detektierenden Gases am unteren Ende des Konzentrationsbereichs hinreichend groß ist. Für die Messung geringer Konzentrationen ist daher ein langer Wechselwirkungspfad 42 zweckmäßig, während für hohe Konzentrationen ein kurzer Wechselwirkungspfad vorteilhaft ist.The spectral component specific to the gas to be detected can be a spectral component of electromagnetic radiation in which the gas to be detected has an absorption line. Many gases show an absorption line in the infrared spectrum. If the gas mixture in the measuring channel 40 contains the gas to be detected, absorption of the electromagnetic radiation entering at the inlet opening 44 with the spectral component specific to the gas to be detected takes place along the interaction path 42 . The intensity of the electromagnetic radiation at the end of the interaction path 42 is, in relation to the intensity of the electromagnetic radiation at the entry opening 44, a measured variable for the degree of absorption, from which the concentration of the gas to be detected can be inferred. The absorption, that is to say the ratio of the intensities of the electromagnetic radiation at the end of the interaction path 42 and at the entry opening 44, can essentially be described by the exponential law described at the outset. Because of the different lengths of the interaction paths 42 1 and 42 2 , the absorption of electromagnetic radiation specific to the gas to be detected in the measuring channels 40 1 and 40 2 has the same concentration. The length of an interaction path 40 is preferably selected such that for a desired concentration range of the gas to be detected with the interaction path 42, the intensity of the electromagnetic radiation specific to the gas to be detected at the end of the interaction path 42 is sufficiently large for detection by the radiation detector 50 is, for example above a noise level, and at the same time there is a sufficiently large absorption, so that the ratio between the intensities of the electromagnetic radiation entering and that present at the end of the interaction path is sufficiently large for a concentration of the gas to be detected at the lower end of the concentration range. A long interaction path 42 is therefore appropriate for measuring low concentrations, while a short interaction path is advantageous for high concentrations.

Bei Ausführungsbeispielen ist die Messvorrichtung 10 so ausgebildet, dass sie einen ersten optischen Pfad aufweist, welcher das Emitterelement 201 und den Messkanal 401 aufweist. In exemplary embodiments, the measuring device 10 is designed such that it has a first optical path which has the emitter element 20 1 and the measuring channel 40 1 .

Der erste optische Pfad ist ausgebildet, um von der elektromagnetischen Strahlung des Emitterelements 201 selektiv ein für das zu detektierende Gas spezifischen Spektralanteil der optischen Eintrittsöffnung 441 des ersten Messkanals 401 zuzuführen. Ferner weist die Messvorrichtung 10 gemäß diesen Ausführungsbeispielen einen zweiten optischen Pfad auf, welcher das Emitterelement 202 und den zweiten Messkanal 402 beinhaltet, und welcher ausgebildet ist, um von der elektromagnetischen Strahlung des Emitterelements 202 selektiv den für das zu detektierende Gas spezifischen Spektralanteil der optischen Eintrittsöffnung 442 des zweiten Messkanals 402 zuzuführen. Gemäß diesen Ausführungsbeispielen sind der erste und der zweite optische Pfad also ausgebildet, um für ein zu detektierendes Gas zwei verschieden lange Wechselwirkungspfade bereitzustellen. Der erste und der zweite optische Pfad sind also ausgebildet, um an den in den jeweiligen optischen Pfaden liegenden Eintrittsöffnungen 441, 442 im Wesentlichen identische Spektralanteile elektromagnetischer Strahlung bereitzustellen. Optional kann die Messvorrichtung 10 gemäß diesen Ausführungsbeispielen auch eine oder mehrere weitere optische Pfade aufweisen, welche ausgebildet sind, um den für das zu detektierende Gas spezifischen Spektralanteil der elektromagnetischen Strahlung für jeweilige weitere Wechselwirkungspfade zur Verfügung zu stellen, deren Längen von denen der Wechselwirkungspfade 421 und 422 verschieden sind.The first optical path is designed to selectively feed a spectral component from the electromagnetic radiation of the emitter element 20 1 that is specific to the gas to be detected to the optical entry opening 44 1 of the first measurement channel 40 1 . Furthermore, according to these exemplary embodiments, the measuring device 10 has a second optical path which contains the emitter element 20 2 and the second measuring channel 40 2 and which is designed to selectively remove the spectral component specific to the gas to be detected from the electromagnetic radiation of the emitter element 20 2 the optical entrance opening 44 2 of the second measuring channel 40 2 to be supplied. According to these exemplary embodiments, the first and the second optical path are thus designed to provide two interaction paths of different lengths for a gas to be detected. The first and the second optical path are thus designed to provide essentially identical spectral components of electromagnetic radiation at the entrance openings 44 1 , 44 2 located in the respective optical paths. Optionally, according to these exemplary embodiments, the measuring device 10 can also have one or more further optical paths, which are designed to make the spectral component of the electromagnetic radiation specific to the gas to be detected available for respective further interaction paths, the lengths of which differ from those of the interaction paths 42 1 and 42 are 2 different.

Bei Ausführungsbeispielen kann die Messvorrichtung also zur Bestimmung der Gaskonzentration des zu detektierenden Gases den ersten Messkanal 401 für den ersten Messbereich der Gaskonzentration nutzen, und den zweiten Messkanal 402 für einen zweiten Messbereich der Gaskonzentration nutzen.In exemplary embodiments, the measuring device can therefore use the first measuring channel 40 1 for the first measuring range of the gas concentration to determine the gas concentration of the gas to be detected, and the second measuring channel 40 2 for a second measuring range of the gas concentration.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen werden der erste Messkanal 401 und der zweite Messkanal 402 nicht notwendigerweise dazu genutzt, dasselbe Gas zu detektieren, sondern um zwei verschiedene Gase zu detektieren. Da unterschiedliche Gase unterschiedlich starke Absorptionslinien aufweisen können, kann es dabei vorteilhaft sein, unterschiedlich lange Wechselwirkungspfade zu nutzen. Bei Ausführungsbeispielen weist die Messvorrichtung 10 also einen ersten optischen Pfad und einen zweiten optischen Pfad auf. Der erste optische Pfad beinhaltet den ersten Messkanal 401 und ist ausgebildet, um an der optischen Eintrittsöffnung 441 selektiv einen für ein erstes zu detektierendes Gas (zum Beispiel das zumindest eine zu detektierende Gas) spezifischen Spektralanteil der elektromagnetischen Strahlung bereitzustellen. Der zweite optische Pfad beinhaltet den zweiten Messkanal 402 und ist ausgebildet, um an der optischen Eintrittsöffnung 442 selektiv einen für ein zweites zu detektierendes Gas (also ein weiteres zu detektierendes Gas) spezifischen Spektralanteil der elektromagnetischen Strahlung bereitzustellen. Der erste und der zweite optische Pfad können dazu jeweils ein Emitterelement beinhalten. Beispielsweise kann der erste optische Pfad das Emitterelement 201 und der zweite optische Pfad das Emitterelement 202 beinhalten. Es ist aber auch möglich, die elektromagnetische Strahlung an der ersten optischen Eintrittsöffnung 441 und die elektromagnetische Strahlung an der zweiten optischen Eintrittsöffnung 442 bereitzustellen. Da das dispersive optische Element 30 unterschiedliche Spektralanteile der elektromagnetischen Strahlung des Emitterelements 201 an unterschiedlichen Positionen abbilden kann, kann es beispielsweise möglich sein, die optischen Eintrittsöffnungen 441, 442 so anzuordnen, dass der für das erste Gas spezifische Spektralanteil des Emitterelements 201 von dem dispersiven optischen Element 30 auf der optischen Eintrittsöffnung 44 abgebildet wird, und der für das zweite Gas spezifische Spektralanteil des Emitterelements 201 von dem dispersiven optischen Element 30 auf der zweiten optischen Eintrittsöffnung 442 abgebildet wird. Bei diesen Ausführungsbeispielen beinhaltet die Messvorrichtung also nicht notwendigerweise mehrere Emitterelemente. Wie im Hinblick auf die Ausführungsformen der 2 beschrieben, kann die Messvorrichtung 10 aber zusätzlich ein oder mehrere weitere Emitterelemente aufweisen, welche beispielsweise einen Referenz-Spektralanteil elektromagnetischer Strahlung bereitstellen können.In further exemplary embodiments, the first measurement channel 40 1 and the second measurement channel 40 2 are not necessarily used to detect the same gas, but to detect two different gases. Since different gases can have absorption lines of different strengths, it can be advantageous to use interaction paths of different lengths. In exemplary embodiments, the measuring device 10 therefore has a first optical path and a second optical path. The first optical path includes the first measurement channel 40 1 and is designed to selectively provide a spectral component of the electromagnetic radiation specific to a first gas to be detected (for example the at least one gas to be detected) at the optical entry opening 44 1 . The second optical path includes the second measurement channel 40 2 and is designed to selectively provide a spectral component of the electromagnetic radiation that is specific to a second gas to be detected (ie a further gas to be detected) at the optical entry opening 44 2 . For this purpose, the first and the second optical path can each contain an emitter element. For example, the first optical path may include emitter element 20 1 and the second optical path may include emitter element 20 2 . However, it is also possible to provide the electromagnetic radiation at the first optical entry opening 44 1 and the electromagnetic radiation at the second optical entry opening 44 2 . Since the dispersive optical element 30 can image different spectral components of the electromagnetic radiation of the emitter element 20 1 at different positions, it may be possible, for example, to arrange the optical entry openings 44 1 , 44 2 in such a way that the spectral component of the emitter element 20 1 is imaged by the dispersive optical element 30 on the optical entry opening 44, and the spectral component of the emitter element 20 1 specific for the second gas is imaged by the dispersive optical element 30 on the second optical entry opening 44 2 . In these exemplary embodiments, the measuring device therefore does not necessarily contain a number of emitter elements. As with regard to the embodiments of 2 described, the measuring device 10 can additionally have one or more further emitter elements, which can provide a reference spectral component of electromagnetic radiation, for example.

Bei Ausführungsbeispielen. sowie bei der Messvorrichtung 10 aus 1 beispielhaft gezeigt, beinhaltet die Messvorrichtung ein gemeinsames dispersives optisches Element 30 für die Mehrzahl optischer Pfade. Das gemeinsame dispersive optische Element 30 ist in den optischen Pfaden jeweils zwischen dem jeweiligen Emitterelement 20 und dem jeweiligen Messkanal 40 angeordnet. Das dispersive optische Element 30 ist ausgebildet, um elektromagnetische Strahlung wellenlängenabhängig in verschiedene Richtungen abzulenken.In exemplary embodiments. as well as with the measuring device 10 1 shown by way of example, the measuring device includes a common dispersive optical element 30 for the plurality of optical paths. The common dispersive optical element 30 is arranged in the optical paths in each case between the respective emitter element 20 and the respective measurement channel 40 . The dispersive optical element 30 is designed to deflect electromagnetic radiation in different directions depending on the wavelength.

Bei der Verwendung eines gemeinsamen dispersiven optischen Elements 30 wird ein bestimmter Spektralanteil der jeweiligen elektromagnetischen Strahlung voneinander beabstandet angeordneter Emitterelemente 201, 202 an voneinander beabstandet angeordneten Positionen abgebildet. Somit können die optischen Eintrittsöffnungen 441, 442 so angeordnet werden, dass das dispersive optische Element 30 den gleichen Spektralanteil unterschiedlicher Emitterelemente, den Emitterelementen 201, 202 auf den optischen Eintrittsöffnungen 441, 442 abbildet.When a common dispersive optical element 30 is used, a specific spectral component of the respective electromagnetic radiation of emitter elements 20 1 , 20 2 arranged at a distance from one another is imaged at positions arranged at a distance from one another. The optical entry openings 44 1 , 44 2 can thus be arranged such that the dispersive optical element 30 images the same spectral component of different emitter elements, the emitter elements 20 1 , 20 2 , on the optical entry openings 44 1 , 44 2 .

Bei Beispielen kann ein Messkanal 40, beispielsweise der Messkanal 401, auch für mehrere verschiedene zu detektierende Gase verwendet werden. In diesem Fall weist die Messvorrichtung 10 einen optischen Pfad auf, welcher einen ersten Spektralanteil elektromagnetischer Strahlung eines ersten Emitterelements auf die optische Eintrittsöffnung des Messkanals 401 abbildet, und weist ferner einen zweiten optischen Pfad auf, welcher einen zweiten Spektralanteil eines zweiten Emitterelements auf die optische Eintrittsöffnung des Messkanals 401 abbildet.In examples, a measuring channel 40, for example the measuring channel 40 1 , can also be used for several different gases to be detected. In this case, the measuring device 10 has an optical path which maps a first spectral component of electromagnetic radiation of a first emitter element onto the optical entry opening of the measuring channel 40 1 , and also has a second optical path which maps a second spectral component of a second emitter element onto the optical Entry opening of the measuring channel 40 1 depicts.

Bei Ausführungsbeispielen liegt die Länge des Wechselwirkungspfads 422 in einem Bereich zwischen dem Eineinhalbfachen und dem Zehnfachen, oder dem Eineinhalbfachen und dem Fünffachen, der Länge des Wechselwirkungspfads 421. Zum Beispiel beträgt die Länge des Wechselwirkungspfads 422 das dreifache oder das fünffache der Länge des Wechselwirkungspfads 421.In exemplary embodiments, the length of the interaction path 42 2 is in a range of between one and a half times and ten times, or one and a half times and five times the length of the interaction path 42 1 . For example, the length of the interaction path 42 2 is three or five times the length of the interaction path 42 1 .

2 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Messvorrichtung 10. Gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 2 weist die Messvorrichtung 10 eine Mehrzahl weiterer optischer Pfade auf, welche jeweils ein Emitterelement und einen Messkanal 40, sowie ein in den weiteren optischen Pfaden zwischen dem jeweiligen Emitterelement und dem jeweiligen Messkanal angeordnetes dispersives optisches Element aufweisen. Jeder der weiteren optischen Pfade ist ausgebildet, um von einer elektromagnetischen Strahlung seines jeweiligen Emitterelements 20 selektiv einen Referenz-Spektralanteil der optischen Eintrittsöffnung seines jeweiligen Messkanals zuzuführen. 2 FIG. 12 illustrates another embodiment of the measuring device 10. According to the embodiment of FIG 2 the measuring device 10 has a plurality of further optical paths, which each have an emitter element and a measuring channel 40, as well as a dispersive optical element arranged in the further optical paths between the respective emitter element and the respective measuring channel. Each of the further optical paths is designed to selectively feed a reference spectral component of an electromagnetic radiation from its respective emitter element 20 to the optical entry opening of its respective measurement channel.

Bei Beispielen, sowie in 2 gezeigt, weist die Messvorrichtung eine weitere Mehrzahl von Emitterelementen 20' auf, beispielsweise des Emitterelements 201', 202'. Wie in 2 gezeigt, ist ein erster der weiteren optischen Pfade ausgebildet, um den Referenz-Spektralanteil 221' des Emitterelements 201' auf der optischen Eintrittsöffnung 441 des Messkanals 401 abzubilden. Ferner ist ein zweiter der weiteren optischen Pfade ausgebildet, um den Referenz-Spektralanteil 222' der elektromagnetischen Strahlung des Emitterelements 202' auf der optischen Eintrittsöffnung 442 des Messkanals 402 abzubilden. Die Messvorrichtung 10 kann also beispielsweise für jeden der im Hinblick auf 1 beschriebenen optischen Pfade, mittels welchen der für das zu detektierende Gas spezifische Spektralanteil auf den jeweiligen optischen Eintrittsöffnungen abgebildet wird, einen weiteren optischen Pfad mit einem weiteren Emitterelement aufweisen, um an den jeweiligen optischen Eintrittsöffnungen den Referenz-Spektralanteil elektromagnetischer Strahlung abzubilden. In examples, as well as in 2 shown, the measuring device has a further plurality of emitter elements 20', for example the emitter element 20 1 ', 20 2 '. As in 2 shown, a first of the further optical paths is designed to image the reference spectral component 22 1 ′ of the emitter element 20 1 ′ on the optical entry opening 44 1 of the measurement channel 40 1 . Furthermore, a second of the further optical paths is designed to image the reference spectral component 22 2 ′ of the electromagnetic radiation of the emitter element 20 2 ′ on the optical entry opening 44 2 of the measuring channel 40 2 . The measuring device 10 can therefore, for example, for each with regard to 1 described optical paths, by means of which the spectral component specific to the gas to be detected is imaged on the respective optical entry openings, have a further optical path with a further emitter element in order to image the reference spectral component of electromagnetic radiation at the respective optical entry openings.

Der Referenz-Spektralanteil ist beispielsweise ein Spektralanteil, für welchen das zu detektierende Gas oder ein während einer Messung in den Messkanälen befindliches Gasgemisch eine geringe oder keine oder eine bekannte, beispielsweise eine von der Konzentration des zu detektierenden Gases unabhängige, Absorption aufweist. Eine geringe Absorption kann beispielsweise eine Absorption geringer als 1%, gemittelt über den Referenz-Spektralbereich, sein. Eine Messung der Intensität der elektromagnetischen Strahlung dem Referenz-Spektralanteil mittels dem Strahlungsdetektor 50 kann als Bezugsgröße für die Absorption der elektromagnetischen Strahlung mit dem für das zu detektierende Gas spezifischen Spektralanteil dienen. Beispielsweise kann eine solche Messung als Abschätzung der Intensität der an der optischen Eintrittsöffnung 441 eintretenden elektromagnetischen Strahlung mit dem spezifischen Spektralanteil, wie im Hinblick auf die Absorption beschrieben, dienen.The reference spectral component is, for example, a spectral component for which the gas to be detected or a gas mixture present in the measuring channels during a measurement has little or no absorption or a known absorption, for example one that is independent of the concentration of the gas to be detected. A low absorption can be, for example, an absorption of less than 1%, averaged over the reference spectral range. A measurement of the intensity of the electromagnetic radiation for the reference spectral component using the radiation detector 50 can serve as a reference variable for the absorption of the electromagnetic radiation with the spectral component specific to the gas to be detected. For example, such a measurement can be used to estimate the intensity of the electromagnetic radiation entering at the optical entry opening 44 1 with the specific spectral component, as described with regard to the absorption.

Die Messvorrichtung 10 kann also beispielsweise, um die Absorption der spezifischen elektromagnetischen Strahlung 221 in dem Messkanal 401 zu bestimmen, eine Messung der Intensität der spezifischen elektromagnetischen Strahlung 221 nach Durchlaufen des Messkanals 401 durchführen und zeitlich versetzt dazu eine Messung der Intensität der elektromagnetischen Strahlung 221' mit dem Referenz-Spektralanteil nach Durchlaufen des Messkanals 401 durchführen. Entsprechend kann die Messvorrichtung 10 die Gaskonzentration des zu bestimmenden Gases mittels des zweiten Messkanals 402 basierend auf einer Messung mit dem von dem Emitterelement 202 bereitgestellten spezifischen Spektralanteil 222 und einer Referenzmessung mittels der von dem Emitterelement 202' bereitgestellten elektromagnetischen Strahlung 222' mit dem Referenz-Spektralanteil bestimmen.In order to determine the absorption of the specific electromagnetic radiation 22 1 in the measuring channel 40 1 , the measuring device 10 can, for example, carry out a measurement of the intensity of the specific electromagnetic radiation 22 1 after passing through the measuring channel 40 1 and measure the intensity of the electromagnetic radiation 22 1 'with the reference spectral component after passing through the measurement channel 40 1 perform. Accordingly, the measuring device 10 can measure the gas concentration of the gas to be determined using the second measuring channel 40 2 based on a measurement using the specific spectral component 22 2 provided by the emitter element 20 2 and a reference measurement using the electromagnetic radiation 22 2 ′ provided by the emitter element 20 2 ′. determine with the reference spectral component.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Messvorrichtung 10 ferner eine Mehrzahl weiterer optischer Pfade aufweisen, welche jeweils ein Emitterelement, z.B. eines der Emitterelemente 20 oder 20' oder sogar ein Emitterelement einer weiteren Mehrzahl von Emitterelementen, und einen der Messkanäle 40, sowie das spezifische optische Element 30 beinhalten können. Diese weiteren optischen Pfade können jeweils für die Messung der Konzentration eines weiteren zu detektierenden Gases ausgebildet sein. Dazu können die weiteren optischen Pfade ausgebildet sein, um von der elektromagnetischen Strahlung ihres jeweiligen Emitterelements einen für ein weiteres zu detektierendes Gas spezifischen Spektralanteil auf der optischen Eintrittsöffnung 44 ihres jeweiligen Messkanals abzubilden. Die Messkanäle 40 können somit bei Beispielen auch für mehrere verschiedene zu detektierende Gase verwendet werden. Dazu kann die Messvorrichtung 10 beispielsweise eine weitere Mehrzahl von Emitterelementen aufweisen, welche so angeordnet sind, dass das dispersive optische Element 30 den für das weitere zu detektierende Gas spezifischen Spektralanteil auf den jeweiligen optischen Eintrittsöffnungen der Messkanäle 40 abbildet. Möglich ist auch, dass ein Emitterelement, für ein erstes zu detektierendes Gas den spezifischen Spektralanteil an der optischen Eintrittsöffnung eines ersten Messkanals bereitstellt und an der optischen Eintrittsöffnung eines zweiten Messkanals den spezifischen Spektralanteil für ein zweites zu detektierendes Gas bereitstellt. Bei vorteilhaften Anordnungen kann also ein Emitterelement für die Messung der Gaskonzentration verschiedener zu detektierender Gase verwendet werden und/oder ein Messkanal für die Messung verschiedener zu detektierender Gase verwendet werden. Hierbei sind beliebige Kombinationen möglich.In further exemplary embodiments, the measuring device 10 can also have a plurality of further optical paths, each of which has an emitter element, e.g. one of the emitter elements 20 or 20' or even an emitter element of a further plurality of emitter elements, and one of the measuring channels 40, as well as the specific optical element 30 may contain. These further optical paths can each be designed for measuring the concentration of a further gas to be detected. For this purpose, the further optical paths can be designed in order to image a spectral component from the electromagnetic radiation of their respective emitter element, which is specific for a further gas to be detected, on the optical entry opening 44 of their respective measuring channel. The measuring channels 40 can thus also be used for several different gases to be detected in examples. For this purpose, the measuring device 10 can have, for example, a further plurality of emitter elements which are arranged in such a way that the dispersive optical element 30 images the spectral component specific to the further gas to be detected on the respective optical entry openings of the measuring channels 40 . It is also possible for an emitter element to provide the specific spectral component for a first gas to be detected at the optical entry opening of a first measurement channel and to provide the specific spectral component for a second gas to be detected at the optical entry opening of a second measurement channel. In advantageous arrangements, an emitter element for measuring the Gas concentration of different gases to be detected are used and / or a measuring channel for the measurement of different gases to be detected are used. Any combinations are possible here.

Die Messvorrichtung kann also ein oder mehrere Mehrzahlen optischer Pfade aufweisen, ausgebildet um die Konzentrationen eines oder mehrerer Gase zu bestimmen. Dabei kann für die Bestimmung der Konzentration eines Gases sowohl ein optischer Pfad für die Absorption eines spezifischen Spektralanteils und ein optischer Pfad für die Absorption eines Referenz-Spektralanteils elektromagnetischer Strahlung vorgesehen sein, wobei diese optischen Pfade denselben Messkanal, aber unterschiedliche Emitterelemente beinhalten können. Weitere optische Pfade können für eine entsprechende Messung mit einer anderen Absorptionslänge, also eines anderen Messkanals, und/oder für eine entsprechende Messung eines weiteren Gases vorgesehen sein.The measuring device can therefore have one or more pluralities of optical paths designed to determine the concentrations of one or more gases. To determine the concentration of a gas, both an optical path for the absorption of a specific spectral component and an optical path for the absorption of a reference spectral component of electromagnetic radiation can be provided, with these optical paths being able to contain the same measurement channel but different emitter elements. Further optical paths can be provided for a corresponding measurement with a different absorption length, ie a different measurement channel, and/or for a corresponding measurement of a further gas.

Die Messvorrichtung 10 kann bei Beispielen ein gemeinsames dispersives optisches Element 30 für die Mehrzahl optischer Pfade und die Mehrzahl weiterer optischer Pfade aufweist, wie in 2 gezeigt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Messvorrichtung auch mehrere dispersive Elemente beinhalten kann, welche sich jeweils in ein oder mehreren der optischen Pfade befinden.In examples, the measuring device 10 can have a common dispersive optical element 30 for the plurality of optical paths and the plurality of further optical paths, as in FIG 2 shown. It is pointed out that the measuring device can also contain a number of dispersive elements, which are each located in one or more of the optical paths.

Die optischen Pfade und die Strahlungsdetektoren können Teil einer Messeinheit 12 der Messvorrichtung 10 sein.The optical paths and the radiation detectors can be part of a measuring unit 12 of the measuring device 10 .

Bei Ausführungsbeispielen sind die Emitterelemente 20, 20' unabhängig voneinander aktivierbar. Somit kann gewährleistet werden, dass zum Zeitpunkt einer Messung nur elektromagnetische Strahlung des vorgesehenen Spektralanteils auf die optische Eintrittsöffnung des für die Messung vorgesehenen Messkanals trifft.In exemplary embodiments, the emitter elements 20, 20' can be activated independently of one another. It can thus be ensured that at the time of a measurement only electromagnetic radiation of the intended spectral component impinges on the optical entry opening of the measuring channel intended for the measurement.

Die Emitterelemente 20, 20' können beispielsweise als thermische Emitterelemente ausgebildet sein. Thermische Emitterelemente können ein breites Infrarotspektrum mit einer hohen Homogenität und einer hohen Emissivität, also einer hohen Intensität bereitstellen. Beispielsweise kann es sich um monolithisch in Silizium hergestellte thermische Emitterelemente handeln.The emitter elements 20, 20' can, for example, be in the form of thermal emitter elements. Thermal emitter elements can provide a broad infrared spectrum with high homogeneity and high emissivity, ie high intensity. For example, thermal emitter elements produced monolithically in silicon can be involved.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Messvorrichtung 10. Gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 3 weist die Messvorrichtung 10 zusätzlich zu der Messeinheit 12 eine Steuerungseinheit 14 auf. Optional kann die Messvorrichtung 10 gemäß 3 ferner eine Auswerteeinrichtung 16 aufweisen. 3 shows a further embodiment of the measuring device 10. According to the embodiment of FIG 3 the measuring device 10 has a control unit 14 in addition to the measuring unit 12 . Optionally, the measuring device 10 according to 3 also have an evaluation device 16 .

Die Steuerungseinheit 14 ist ausgebildet, um eine Messung mittels eines der Messkanäle 40 durchzuführen. Dazu kann die Steuerungseinheit 14 das Emitterelement 20, welches in dem optischen Pfad, zu welchem der Messkanal gehört, für die Dauer der Messung zu aktivieren. Die Steuerungseinheit 14 liest den dem Wechselwirkungspfad des Messkanals nachgeordneten Strahlungsdetektor 50 während der Dauer der Messung aus, um eine Messgröße zu erhalten, welche eine Intensität der elektromagnetischen Strahlung des spezifischen Spektralanteils nach der Wechselwirkung mit dem Gasgemisch repräsentiert.The control unit 14 is designed to carry out a measurement using one of the measurement channels 40 . For this purpose, the control unit 14 can activate the emitter element 20, which is in the optical path to which the measurement channel belongs, for the duration of the measurement. The control unit 14 reads out the radiation detector 50 downstream of the interaction path of the measuring channel during the duration of the measurement in order to obtain a measured variable which represents an intensity of the electromagnetic radiation of the specific spectral component after the interaction with the gas mixture.

Bei Ausführungsbeispielen ist die Steuerungseinheit 14 ausgebildet, um ein oder mehrere Messungen mittels jeweils eines der optischen Pfade auszuführen, um jeweilige Messgrö-ßen zu erhalten. Eine Messung mittels eines der optischen Pfade kann dabei beinhalten, das dem optischen Pfad zugeordnete Emitterelement 20 zu aktivieren und den dem optischen Pfad nachgelagerten Strahlungsdetektor 50 auszulesen, um die Messgröße zu erhalten, welche die Intensität der elektromagnetischen Strahlung nach der Wechselwirkung mit dem Gasgemisch repräsentiert.In exemplary embodiments, the control unit 14 is designed to carry out one or more measurements using one of the optical paths in each case in order to obtain the respective measured variables. A measurement using one of the optical paths can include activating the emitter element 20 assigned to the optical path and reading out the radiation detector 50 downstream of the optical path in order to obtain the measured variable which represents the intensity of the electromagnetic radiation after the interaction with the gas mixture.

Beispielsweise kann die Steuerungseinheit 14 ausgebildet sein, um für die Bestimmung der Konzentration des zu detektierenden Gases zumindest eine Messung mit dem spezifischen Spektralanteil und eine Messung mit dem Referenz-Spektralanteil durchzuführen. Die Messvorrichtung kann beispielsweise ausgebildet sein, um während eines ersten Messintervalls ein erstes Emitterelement 201 zu aktivieren, um in einem für die Messung vorgesehenen Messkanal die spezifische elektromagnetische Strahlung 221 bereitzustellen, und um den dem Wechselwirkungspfad des Messkanals 401 nachgeordneten Strahlungsdetektor 50 während des ersten Messintervalls auszulesen, um eine Messgröße zu erhalten, welche eine Intensität der elektromagnetischen Strahlung 221 des spezifischen Spektralanteils nach der Wechselwirkung mit dem Gasgemisch repräsentiert. Während eines zweiten Messintervalls, welches zeitlich vor oder nach dem ersten Messintervall ist, kann die Messvorrichtung 10 ein weiteres Emitterelement 201' aktivieren, um in dem für die Messung vorgesehenen Messkanal 401 die Referenz-Strahlung 221' bereitzustellen. Während des zweiten Messintervalls liest die Steuerungseinheit 14 den dem Wechselwirkungspfad des Messkanals nachgeordneten Strahlungsdetektor 50 aus, um eine Referenzmessgröße zu erhalten, welche die Intensität der elektromagnetischen Strahlung des Referenz-Spektralanteils nach der Wechselwirkung mit dem Gasgemisch repräsentiert.For example, the control unit 14 can be designed to carry out at least one measurement with the specific spectral component and one measurement with the reference spectral component for determining the concentration of the gas to be detected. The measuring device can be designed, for example, to activate a first emitter element 20 1 during a first measurement interval in order to provide the specific electromagnetic radiation 22 1 in a measurement channel provided for the measurement, and to activate the radiation detector 50 downstream of the interaction path of the measurement channel 40 1 during the read out the first measurement interval in order to obtain a measured variable which represents an intensity of the electromagnetic radiation 22 1 of the specific spectral component after the interaction with the gas mixture. During a second measurement interval, which is before or after the first measurement interval, the measurement device 10 can activate a further emitter element 20 1 ′ in order to provide the reference radiation 22 1 ′ in the measurement channel 40 1 provided for the measurement. During the second measurement interval, the control unit 14 reads the radiation detector 50 downstream of the interaction path of the measurement channel in order to obtain a reference measurement variable which represents the intensity of the electromagnetic radiation of the reference spectral component after the interaction with the gas mixture.

Die Auswerteeinheit 16 kann basierend auf der Messgröße und der Referenzmessgröße eine Information über die Gaskonzentration des zu detektierenden Gases bestimmen. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit dazu ein Verhältnis zwischen der Messgröße und der Referenzmessgröße und/oder eine oder mehrere Kalibrierungsfunktionen verwenden.The evaluation unit 16 can based on the measured variable and the reference measured variable Determine information about the gas concentration of the gas to be detected. For example, the evaluation unit can use a ratio between the measured variable and the reference measured variable and/or one or more calibration functions.

Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungseinheit 14 ausgebildet sein, um ein oder mehrere Messungen mittels verschieden langer Wechselwirkungspfade 42 durchzuführen, um die Konzentration des zu detektierenden Gases zu bestimmen.Alternatively or additionally, the control unit 14 can be designed to carry out one or more measurements using interaction paths 42 of different lengths in order to determine the concentration of the gas to be detected.

Bei Ausführungsbeispielen kann die Auswerteeinheit 16 die Information über die Gaskonzentration also basierend auf den erhaltenen Messgrößen einer oder mehrerer Messungen mittels eines oder mehrerer der optischen Pfade erhalten.In exemplary embodiments, the evaluation unit 16 can therefore receive the information about the gas concentration based on the measured variables obtained from one or more measurements by means of one or more of the optical paths.

Beispielsweise ist die Steuerungseinheit 14 ausgebildet, um mittels eines ersten optischen Pfades eine erste Messung auszuführen, um eine erste Messgröße zu erhalten. Abhängig von der ersten Messgröße kann die Steuerungseinheit 14 eine zweite Messung mittels eines zweiten der optischen Pfade der Mehrzahl optischer Pfade ausführen. Beispielsweise kann die Steuerungseinheit 14 testen, ob die erste Messgröße außerhalb oder innerhalb eines für den optischen Pfad spezifischen Messbereichs, welcher beispielsweise von der Länge des Wechselwirkungspfads 42 des für die Messung verwendeten Messkanals 40 abhängig ist, liegt. Falls die erste Messgröße außerhalb des für den optischen Pfad spezifischen Messbereichs liegt, kann die Steuerungseinheit eine zweite Messung mit einem anderen der optischen Pfade ausführen.For example, the control unit 14 is designed to carry out a first measurement using a first optical path in order to obtain a first measured variable. Depending on the first measured variable, the control unit 14 can carry out a second measurement using a second of the optical paths of the plurality of optical paths. For example, the control unit 14 can test whether the first measurement variable is outside or inside a measurement range specific to the optical path, which is dependent, for example, on the length of the interaction path 42 of the measurement channel 40 used for the measurement. If the first measurement variable is outside the measurement range specific to the optical path, the control unit can carry out a second measurement with another of the optical paths.

Alternativ kann die Gaskonzentration auch basierend auf den Messinformationen aus zwei Messungen mit verschieden langen Wechselwirkungspfade bestimmt werden, also basierend auf der ersten Messgröße und einer aus der zweiten Messung resultierenden zweiten Messgröße.Alternatively, the gas concentration can also be determined based on the measurement information from two measurements with interaction paths of different lengths, ie based on the first measured variable and a second measured variable resulting from the second measurement.

4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Messvorrichtung 10, gemäß welchem das dispersive optische Element 30 als planares Gitter ausgeführt ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weisen die optischen Pfade ferner ein erstes Spiegelelement 32 und ein zweites Spiegelelement 34 auf. Das erste Spiegelelement 32 ist in den optischen Pfaden zwischen dem jeweiligen Emitterelement und dem planaren Gitter 30 angeordnet. Das zweite Spiegelelement 34 ist in den optischen Pfaden zwischen dem planaren Gitter 30 und den optischen Eintrittsöffnungen 44 angeordnet. Es sei darauf hingewiesen, dass die Implementierung in Form eines planaren Gitters und Spiegelelementen sowohl auf Implementierungen anwendbar ist, in welchen die optischen Pfade und/oder die weiteren optischen Pfade ein gemeinsames dispersives optisches Element 30 aufweisen als auch auf Implementierungen, in welchen individuelle dispersive optische Elemente in den jeweiligen optischen Pfaden implementiert sind oder mehrere dispersive optische Elemente für jeweilige Untergruppen der optischen Pfade implementiert sind. 4 shows a further exemplary embodiment of the measuring device 10, according to which the dispersive optical element 30 is designed as a planar grating. According to this exemplary embodiment, the optical paths also have a first mirror element 32 and a second mirror element 34 . The first mirror element 32 is arranged in the optical paths between the respective emitter element and the planar grating 30 . The second mirror element 34 is arranged in the optical paths between the planar grating 30 and the optical entrance openings 44 . It should be noted that the implementation in the form of a planar grating and mirror elements is applicable both to implementations in which the optical paths and/or the further optical paths have a common dispersive optical element 30 and to implementations in which individual dispersive optical Elements are implemented in the respective optical paths or multiple dispersive optical elements are implemented for respective subgroups of the optical paths.

Unabhängig von der Art der Implementierung des dispersiven optischen Elements 30 sind bei Ausführungsbeispielen die Emitterelemente, das dispersive optische Element 30 und die optischen Eintrittsöffnungen 44 mechanisch fixiert zueinander angeordnet. Die Bereitstellung verschiedener Spektralanteile elektromagnetischer Strahlung in einem der Messkanäle erfolgt demnach nicht durch eine mechanische Bewegung eines oder mehrerer der in dem optischen Pfad befindlichen Bauteile, sondern durch Aktivierung verschiedener Emitterelemente.Irrespective of the type of implementation of the dispersive optical element 30, the emitter elements, the dispersive optical element 30 and the optical entry openings 44 are arranged mechanically fixed to one another in exemplary embodiments. Accordingly, the provision of different spectral components of electromagnetic radiation in one of the measurement channels does not take place through a mechanical movement of one or more of the components located in the optical path, but through the activation of different emitter elements.

Die Messkanäle 40 können für einen Gasaustausch zwischen einem Innenvolumen der Messkanäle, durch welchen die jeweiligen Wechselwirkungspfade der Messkanäle verlaufen und einem äußeren der Messkanäle ausgebildet sein.The measurement channels 40 can be designed for gas exchange between an inner volume of the measurement channels, through which the respective interaction paths of the measurement channels run, and an outer part of the measurement channels.

Ein Ausführungsbeispiel basiert auf einer Anordnung ähnlich zu der in der DE 102009046831 A1 gezeigten Anordnung, bei welcher durch Auswahl eines Filaments eines Emitterarrays am Ausgangsspalt des Bauelements eine ausgewählte Wellenlänge bereitgestellt wird. Im Gegensatz zu der darin gezeigten Anordnung weist die erfindungsgemäße Messvorrichtung 10 eine Mehrzahl von Ausgangsspalten, die optischen Eintrittsöffnungen 44, auf, welche gemäß diesem Ausführungsbeispiel so ausgeführt sind, dass eine Wellenlänge, die ein ausgewähltes Filament, beispielsweise das Emitterelement 201, am ersten Spalt, beispielsweise der optischen Eintrittsöffnung 441 bereitstellt, durch ein anderes Filament, beispielsweise das Emitterelement 202, an einem zweiten Spalt, beispielsweise die optische Eintrittsöffnung 442, bereitstellt. Dies kann optional mit weiteren Filamenten und weiteren Spalten mehrfach implementiert sein. Erfindungsgemäß sind hinter den jeweiligen Austrittsspalten (den optischen Eintrittsöffnungen 44) Gassäulen unterschiedlicher Längen angeordnet. Dadurch ist eine Abstimmung der Messanordnung auf den erwarteten Konzentrationsbereich möglich, wodurch die Signalqualität optimiert wird. Der integrierte Aufbau ermöglicht eine kosteneffiziente Herstellung und einen sehr energiesparenden Betrieb.An embodiment is based on an arrangement similar to that in FIG DE 102009046831 A1 shown arrangement in which a selected wavelength is provided by selection of a filament of an emitter array at the output slit of the device. In contrast to the arrangement shown therein, the measuring device 10 according to the invention has a plurality of output columns, the optical entry openings 44, which, according to this exemplary embodiment, are designed in such a way that a wavelength that a selected filament, for example the emitter element 20 1 , at the first column , e.g. the optical entrance aperture 44 1 , through another filament, e.g. the emitter element 20 2 , at a second slit, e.g. the optical entrance aperture 44 2 . This can optionally be implemented multiple times with further filaments and further gaps. According to the invention, gas columns of different lengths are arranged behind the respective exit slits (the optical entry openings 44). This allows the measurement setup to be adjusted to the expected concentration range, which optimizes the signal quality. The integrated structure enables cost-efficient manufacture and very energy-saving operation.

Die in der DE 102009046831 A1 gezeigte Anordnung kann also ein Beispiel für eine mikrosystemtechnisch herstellbare durchstimmbare Lichtquelle sein, wie sie in Kombination mit der vorliegenden Erfindung implementiert sein kann, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung beispielsweise mehrere Austrittsöffnungen (welche den optischen Eintrittsöffnungen der Messvorrichtung 10 entsprechen können) verwendet werden können.The one in the DE 102009046831 A1 The arrangement shown can therefore be an example of a tunable light source that can be produced using microsystems technology, as is the case in combination with The invention can be implemented, whereby according to the present invention, for example, several exit openings (which can correspond to the optical entrance openings of the measuring device 10) can be used.

Beispiele der zu detektierenden Gase sind CO2, H2S, NH3. Weitere Gase sind möglich.Examples of the gases to be detected are CO 2 , H 2 S, NH 3 . Other gases are possible.

Ein Ausführungsbeispiel, welches anhand der 2 beschrieben wird, stellt einen HDR-Sensor für CO2 bereit. Hinter zwei Austrittsspalten 441, 442 sind zwei Gassäulen angeordnet, welche durch die Messkanäle 401, 402 bereitgestellt werden. Beispielsweise stellt die eine Gassäule 441 einen Absorptionsweg, also einen Wechselwirkungspfad 421, für die Erfassung eines Gaskonzentrationsbereichs von 400 bis 10.000 ppm mit einem ersten Sensor 501 bereit. Der zweite Messkanal 402 kann beispielsweise einen Absorptionsweg, also den Wechselwirkungspfad 422, mit einer Länge von etwa 50 cm für die Erfassung des Konzentrationsbereichs von 0 bis 400 ppm bereitstellen. Der zweite Messkanal 402 kann damit eine signifikant erhöhte Nachmessgrenze bzw. Empfindlichkeit bieten. Der zweite Messkanal 402 kann dabei durch einen zweiten Sensor 502 ausgelesen werden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Strahlungserzeugungsvorrichtung eine Vielzahl von Elementen zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im infraroten Spektralbereich auf. In 2 sind insbesondere vier Emitterelemente 20, 20' gezeigt. Das Emitterelement 201 erzeugt an der optischen Eintrittsöffnung 441 elektromagnetische Strahlung einer ausgewählten Wellenlänge, in dem hier beschriebenen Beispiel eines CO2-Sensors, die einer besonders starken Absorption durch CO2. Das Emitterelement 202 erzeugt elektromagnetische Strahlung derselben Wellenlänge an der optischen Eintrittsöffnung 442 des zweiten Messkanals 402. Weitere Emitterelemente 201', 202' erzeugen an den optischen Eintrittsöffnungen 441, 442 jeweils elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge einer möglichst geringen Gesamtabsorption, die für die Messung eines Referenzwerts für die Berechnung der Teilchendichte verwendet werden kann.An embodiment, which based on the 2 patent provides an HDR sensor for CO 2 . Two gas columns, which are provided by the measuring channels 40 1 , 40 2 , are arranged behind two exit columns 44 1 , 44 2 . For example, one gas column 44 1 provides an absorption path, ie an interaction path 42 1 , for the detection of a gas concentration range from 400 to 10,000 ppm with a first sensor 50 1 . The second measuring channel 40 2 can, for example, provide an absorption path, ie the interaction path 42 2 , with a length of approximately 50 cm for detecting the concentration range from 0 to 400 ppm. The second measurement channel 40 2 can thus offer a significantly increased final measurement limit or sensitivity. The second measurement channel 40 2 can be read out by a second sensor 50 2 . According to this exemplary embodiment, the radiation generating device has a large number of elements for generating electromagnetic radiation, in particular in the infrared spectral range. In 2 In particular, four emitter elements 20, 20' are shown. At the optical entry opening 44 1 , the emitter element 20 1 generates electromagnetic radiation of a selected wavelength, in the example of a CO 2 sensor described here, which has a particularly strong absorption by CO 2 . The emitter element 20 2 generates electromagnetic radiation of the same wavelength at the optical entry opening 44 2 of the second measurement channel 40 2 . Further emitter elements 20 1 ′, 20 2 ′ generate at the optical entry openings 44 1 , 44 2 electromagnetic radiation of the wavelength with the lowest possible total absorption, which can be used to measure a reference value for calculating the particle density.

Verfahrensgemäß werden die verschiedenen Emitterelemente 20, 20' für die Strahlungserzeugung durch eine in 2 nicht gezeigte Steuerungseinheit (vgl. 3) angesteuert. Es kann hierbei vorteilhaft sein, dass immer nur ein Element betrieben wird, damit kein unerwünschtes Falschlicht einen Detektor trifft. Die Steuerungseinheit nutzt die Kenntnis, welches Element in Betrieb ist, um das korrekt zugeordnete Detektorelement 50 auszulesen und die bestmöglichen Daten zu speichern. Aus den gemessenen Absorptionswerten kann die Steuerungseinheit eine Entscheidung treffen, welche Werte für die besten Resultate verwendet werden.According to the method, the various emitter elements 20, 20 'for the generation of radiation by an in 2 control unit not shown (cf. 3 ) driven. In this case, it can be advantageous for only one element to be operated at a time, so that no undesired stray light hits a detector. The control unit uses the knowledge of which element is in operation to read the correctly assigned detector element 50 and store the best possible data. From the measured absorption values, the control unit can make a decision as to which values to use for the best results.

In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Messvorrichtung für andere Gase, eine Auswahl einer Mehrzahl von Gasen, eine von zwei abweichende Anzahl von Kaskadierungsstufen, also eine von zwei abweichende Anzahl von Messkanälen beziehungsweise messbaren Konzentrationsbereichen, sowie andere Formen der Ausgestaltung und Verwendung dispersiver Elemente möglich.In further exemplary embodiments, the measuring device can be used for other gases, a selection of a plurality of gases, a number of cascading stages that differs from two, i.e. a number of measuring channels or measurable concentration ranges that differs from two, as well as other forms of configuration and use of dispersive elements.

Die Strahlungsdetektoren können beispielsweise in Form von Fotodetektoren ausgeführt werden.The radiation detectors can be implemented, for example, in the form of photodetectors.

Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung als Merkmale im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass eine solche Beschreibung ebenfalls als eine Beschreibung entsprechender Verfahrensmerkmale betrachtet werden kann. Obwohl einige Aspekte als Merkmale im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben wurden, ist klar, dass eine solche Beschreibung auch als eine Beschreibung entsprechender Merkmale einer Vorrichtung bzw. der Funktionalität einer Vorrichtung betrachtet werden können.Although some aspects of the present disclosure have been described as features associated with an apparatus, it is clear that such a description can also be considered as a description of corresponding method features. Although some aspects have been described as features associated with a method, it is clear that such a description can also be regarded as a description of corresponding features of a device or the functionality of a device.

In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung wurden teilweise verschiedene Merkmale in Beispielen zusammen gruppiert, um die Offenbarung zu rationalisieren. Diese Art der Offenbarung soll nicht als die Absicht interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale aufweisen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche wiedergeben, der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann. Während jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann, sei angemerkt, dass, obwohl sich abhängige Ansprüche in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen zurückbeziehen, andere Beispiele auch eine Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder einer Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen seien umfasst, es sei denn, es ist ausgeführt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch eine Kombination von Merkmalen eines Anspruchs mit jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst ist, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist.In the foregoing Detailed Description, in part, various features were grouped together in examples in order to streamline the disclosure. This type of disclosure should not be interpreted as an intention that the claimed examples have more features than are expressly recited in each claim. Rather, as the following claims reflect, subject matter may lie in less than all features of a single disclosed example. Thus the following claims are hereby incorporated into the Detailed Description, where each claim may stand as its own separate example. While each claim may stand as its own separate example, it should be noted that although dependent claims in the claims refer back to a specific combination with one or more other claims, other examples also include a combination of dependent claims with the subject-matter of each other dependent claim or a combination of each feature with other dependent or independent claims. Such combinations are contemplated unless it is stated that a specific combination is not intended. Furthermore, it is intended that a combination of features of a claim with any other independent claim is also included, even if that claim is not directly dependent on the independent claim.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Offenbarung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Offenbarung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present disclosure. It ver it being understood that modifications and variations to the arrangements and details described herein will occur to those skilled in the art. Therefore, it is intended that the disclosure be limited only by the scope of the following claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the exemplary embodiments herein.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • WO 2017/194540 A1 [0011]WO 2017/194540 A1 [0011]
  • DE 102009046831 A1 [0075, 0076]DE 102009046831 A1 [0075, 0076]

Claims (25)

Messvorrichtung (10) zur Bestimmung einer Gaskonzentration zumindest eines zu detektierenden Gases, aufweisend: zumindest ein Emitterelement (20) zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, eine Mehrzahl von Messkanälen (40), die jeweils eine optische Eintrittsöffnung (44) aufweisen, wobei die Messkanäle jeweils ausgebildet sind, um einen zwischen der jeweiligen optischen Eintrittsöffnung (44) und einem Strahlungsdetektor (50) angeordneten Wechselwirkungspfad (42) für eine Wechselwirkung zwischen an der jeweiligen optischen Eintrittsöffnung (44) eintretender elektromagnetischer Strahlung und einem in den Messkanälen (40) befindlichen Gasgemisch bereitzustellen, wobei eine Länge des Wechselwirkungspfads (421) eines ersten der Messkanäle (401) von einer Länge des Wechselwirkungspfads (422) eines zweiten der Messkanäle (402) verschieden ist, eine Mehrzahl optischer Pfade, wobei die optischen Pfaden jeweils eines des zumindest einen Emitterelements (20) und einen der Messkanäle (40) aufweisen, und wobei in den optischen Pfaden zwischen dem jeweiligen Emitterelement (20) und dem jeweiligen Messkanal (40) ein dispersives optisches Element (30) angeordnet ist, wobei jeder der optischen Pfade ausgebildet ist, um von einer elektromagnetischen Strahlung seines jeweiligen Emitterelements (20) selektiv einen für ein zu detektierendes Gas spezifischen Spektralanteil (22) der optischen Eintrittsöffnung (44) seines jeweiligen Messkanals (40) zuzuführen.Measuring device (10) for determining a gas concentration of at least one gas to be detected, having: at least one emitter element (20) for generating electromagnetic radiation, a plurality of measuring channels (40), each having an optical entry opening (44), the measuring channels each are designed to provide an interaction path (42) arranged between the respective optical entry opening (44) and a radiation detector (50) for an interaction between electromagnetic radiation entering at the respective optical entry opening (44) and a gas mixture located in the measuring channels (40). , wherein a length of the interaction path (42 1 ) of a first of the measurement channels (40 1 ) differs from a length of the interaction path (42 2 ) of a second of the measurement channels (40 2 ), a plurality of optical paths, the optical paths each having one of the have at least one emitter element (20) and one of the measurement channels (40), and wherein a dispersive optical element (30) is arranged in the optical paths between the respective emitter element (20) and the respective measurement channel (40), with each of the optical paths is designed to selectively supply from an electromagnetic radiation of its respective emitter element (20) a specific spectral component (22) for a gas to be detected to the optical entry opening (44) of its respective measurement channel (40). Messvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei ein erster optischer Pfad ausgebildet ist, um an der optischen Eintrittsöffnung des ersten Messkanals (401) selektiv einen für das zumindest eine zu detektierende Gas spezifischen Spektralanteil (221) der elektromagnetischen Strahlung seines Emitterelements bereitzustellen, und wobei ein zweiter optischer Pfad ausgebildet ist, um an der optischen Eintrittsöffnung des zweiten Messkanals selektiv einen für ein weiteres zu detektierendes Gas spezifischen Spektralanteil (222) der elektromagnetischen Strahlung seines Emitterelements bereitzustellen.Measuring device (10) according to claim 1 , wherein a first optical path is configured to selectively provide a spectral component (22 1 ) of the electromagnetic radiation of its emitter element that is specific to the at least one gas to be detected at the optical entry opening of the first measuring channel (40 1 ), and wherein a second optical path is configured is in order to selectively provide a specific spectral component (22 2 ) of the electromagnetic radiation of its emitter element for a further gas to be detected at the optical entry opening of the second measuring channel. Messvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die optischen Pfade jeweils eines einer Mehrzahl von Emitterelementen aufweisen, wobei ein erster der optischen Pfade ausgebildet ist, um von der elektromagnetischen Strahlung seines Emitterelements selektiv einen für das zumindest eine zu detektierende Gas spezifischen Spektralanteil (221) der optischen Eintrittsöffnung des ersten Messkanals (401) zuzuführen, und wobei ein zweiter der optischen Pfade ausgebildet ist, um von der elektromagnetischen Strahlung seines Emitterelements selektiv den für das zumindest eine zu detektierende Gas spezifischen Spektralanteil (222) der optischen Eintrittsöffnung des zweiten Messkanals (402) zuzuführen.Measuring device (10) according to claim 1 , wherein the optical paths each have one of a plurality of emitter elements, wherein a first of the optical paths is designed to selectively receive from the electromagnetic radiation of its emitter element a spectral component (22 1 ) specific to the at least one gas to be detected of the optical entry opening of the first measuring channel (40 1 ), and wherein a second of the optical paths is designed to selectively feed the spectral component (22 2 ) specific to the at least one gas to be detected from the electromagnetic radiation of its emitter element to the optical entry opening of the second measuring channel (40 2 ). Messvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei die Messvorrichtung ausgebildet ist, um zur Bestimmung der Gaskonzentration des zu detektierenden Gases den ersten Messkanal (401) für einen ersten Messbereich der Gaskonzentration zu nutzen, und den zweiten Messkanal (402) für einen zweiten Messbereich der Gaskonzentration zu nutzen.Measuring device (10) according to claim 3 , wherein the measuring device is designed to use the first measuring channel (40 1 ) for a first measuring range of the gas concentration to determine the gas concentration of the gas to be detected, and to use the second measuring channel (40 2 ) for a second measuring range of the gas concentration. Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Messvorrichtung (10) ein gemeinsames dispersives optisches Element (30) für die Mehrzahl optischer Pfade aufweist, wobei das dispersive optische Element (30) in den optischen Pfaden jeweils zwischen dem jeweiligen Emitterelement (20) und dem jeweiligen Messkanal (40) angeordnet ist, und wobei das dispersive optische Element (30) ausgebildet ist, um elektromagnetische Strahlung wellenlängenabhängig in verschiedene Richtungen abzulenken.Measuring device (10) according to one of Claims 1 until 4 , wherein the measuring device (10) has a common dispersive optical element (30) for the plurality of optical paths, wherein the dispersive optical element (30) is arranged in the optical paths between the respective emitter element (20) and the respective measurement channel (40). and wherein the dispersive optical element (30) is designed to deflect electromagnetic radiation in different directions depending on the wavelength. Messvorrichtung (10) nach einem der Anspruch 1 bis 5, wobei die Länge des Wechselwirkungspfads (422) des zweiten Messkanals (402) in einem Bereich zwischen dem eineinhalbfachen und dem zehnfachen der Länge des Wechselwirkungspfads (421) des ersten Messkanals (401) liegt.Measuring device (10) according to one of claim 1 until 5 , wherein the length of the interaction path (42 2 ) of the second measuring channel (40 2 ) is in a range between one and a half times and ten times the length of the interaction path (42 1 ) of the first measuring channel (40 1 ). Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: eine Mehrzahl weiterer optischer Pfade, wobei die weiteren optischen Pfaden jeweils ein Emitterelement (20') und einen der Messkanäle (40) aufweisen, und wobei in den weiteren optischen Pfaden zwischen dem jeweiligen Emitterelement (20') und dem jeweiligen Messkanal (40) ein dispersives optisches Element (30) angeordnet ist, wobei jeder der weiteren optischen Pfade ausgebildet ist, um von einer elektromagnetischen Strahlung seines jeweiligen Emitterelements selektiv einen Referenz-Spektralanteil (22') der optischen Eintrittsöffnung (44) seines jeweiligen Messkanals (40) zuzuführen, wobei der Referenz-Spektralanteil (22') ein Spektralanteil ist, für welchen ein während einer Messung in den Messkanälen befindliches Gasgemisch eine geringe oder keine oder eine bekannte Absorption aufweist.Measuring device (10) according to any one of the preceding claims, further comprising: a plurality of further optical paths, wherein the further optical paths each have an emitter element (20') and one of the measuring channels (40), and wherein in the further optical paths between the respective emitter element (20') and the respective measuring channel (40). dispersive optical element (30) is arranged, each of the further optical paths being designed to selectively supply a reference spectral component (22') of electromagnetic radiation from its respective emitter element to the optical entry opening (44) of its respective measurement channel (40), wherein the reference spectral component (22') is a spectral component for which a gas mixture present in the measuring channels during a measurement has little or no absorption or a known absorption. Messvorrichtung (10) nach Anspruch 7, ausgebildet um eine Messung mittels eines der Messkanäle (401) unter Verwendung des Emitterelements (201), welches in dem optischen Pfad des einen Messkanals (401) angeordnet ist, durchzuführen, und eine Referenzmessung mittels des einen Messkanals (401) unter Verwendung des Emitterelements (201'), welches in dem weiteren optischen Pfad des einen Messkanals (401) angeordnet ist, durchzuführen, und um die Gaskonzentration basierend auf der Messung und der Referenzmessung zu bestimmen.Measuring device (10) according to claim 7 , designed to carry out a measurement by means of one of the measurement channels (40 1 ) using the emitter element (20 1 ), which is arranged in the optical path of the one measurement channel (40 1 ), and a reference measurement by means of the one measurement channel (40 1 ) to be performed using the emitter element (20 1 '), which is arranged in the further optical path of a measuring channel (40 1 ). ren, and to determine the gas concentration based on the measurement and the reference measurement. Messvorrichtung (10) nach Anspruch 7 oder 8, die ferner eine Steuerungseinheit (14) aufweist, wobei die Steuerungseinheit (14) ausgebildet ist, um eine Messung mittels eines der Messkanäle (401) auszuführen, wobei die Messung beinhaltet, das Emitterelement (201), welches in dem optischen Pfad des Messkanals (401) angeordnet ist für ein erstes Messintervall zu aktivieren, und den dem Wechselwirkungspfad des Messkanals (401) nachgeordneten Strahlungsdetektor (50) während des ersten Messintervalls auszulesen, um eine Messgröße zu erhalten, welche eine Intensität der elektromagnetischen Strahlung (221) des spezifischen Spektralanteils nach der Wechselwirkung mit dem Gasgemisch repräsentiert, das Emitterelement (201'), welches in dem weiteren optischen Pfad des Messkanals (401) angeordnet ist für ein zweites Messintervall zu aktivieren, und den dem Wechselwirkungspfad des Messkanals (401) nachgeordneten Strahlungsdetektor (50) während des zweiten Messintervalls auszulesen, um eine Referenzmessgröße zu erhalten, welche eine Intensität der elektromagnetischen Strahlung (221') des Referenz-Spektralanteils nach der Wechselwirkung mit dem Gasgemisch repräsentiert.Measuring device (10) according to claim 7 or 8th , which further comprises a control unit (14), the control unit (14) being designed to carry out a measurement by means of one of the measurement channels (40 1 ), the measurement including the emitter element (20 1 ) which is in the optical path of the measuring channel (40 1 ) is arranged to be activated for a first measuring interval, and to read out the radiation detector (50) arranged downstream of the interaction path of the measuring channel (40 1 ) during the first measuring interval in order to obtain a measured variable which indicates an intensity of the electromagnetic radiation (22 1 ) of the specific spectral component after the interaction with the gas mixture, to activate the emitter element (20 1 '), which is arranged in the further optical path of the measuring channel (40 1 ) for a second measuring interval, and to activate the interaction path of the measuring channel (40 1 ) read downstream radiation detector (50) during the second measurement interval in order to obtain a reference measurement variable which represents an intensity of the electromagnetic radiation (22 1 ') of the reference spectral component after the interaction with the gas mixture. Messvorrichtung (10) nach Anspruch 9, ferner eine Auswerteeinheit (16) aufweisend, welche ausgebildet ist, um basierend auf der Messgröße und der Referenzmessgröße eine Information über die Gaskonzentration des zu detektierenden Gases zu bestimmen.Measuring device (10) according to claim 9 , further comprising an evaluation unit (16) which is designed to determine information about the gas concentration of the gas to be detected based on the measured variable and the reference measured variable. Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optischen Pfade jeweils eines einer Mehrzahl von Emitterelementen aufweisen, wobei jeder der optischen Pfade ausgebildet ist, um von der elektromagnetischen Strahlung seines jeweiligen Emitterelements selektiv einen für das zumindest eine zu detektierende Gas spezifischen Spektralanteil der optischen Eintrittsöffnung seines jeweiligen Messkanals zuzuführen, und wobei die Messvorrichtung (10) ferner aufweist: eine Mehrzahl weiterer optischer Pfade, wobei die weiteren optischen Pfaden jeweils ein Emitterelement und einen der Messkanäle aufweisen, und wobei in den weiteren optischen Pfaden zwischen dem jeweiligen Emitterelement und dem jeweiligen Messkanal ein dispersives optisches Element (30) angeordnet ist, wobei jeder der weiteren optischen Pfade ausgebildet ist, um von einer elektromagnetischen Strahlung seines jeweiligen Emitterelements selektiv einen für ein weiteres zu detektierendes Gas spezifischen Spektralanteil der optischen Eintrittsöffnung seines jeweiligen Messkanals zuzuführen.Measuring device (10) according to one of the preceding claims, wherein the optical paths each have one of a plurality of emitter elements, each of the optical paths being designed to selectively receive from the electromagnetic radiation of its respective emitter element a specific spectral component for the at least one gas to be detected optical entry opening of its respective measuring channel, and wherein the measuring device (10) further comprises: a plurality of further optical paths, with the further optical paths each having an emitter element and one of the measurement channels, and with a dispersive optical element (30) being arranged in the further optical paths between the respective emitter element and the respective measurement channel, with each of the further optical Paths is formed in order to selectively feed a spectral component specific to another gas to be detected to the optical entry opening of its respective measurement channel from an electromagnetic radiation of its respective emitter element. Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Messvorrichtung (10) ein gemeinsames dispersives optisches Element (30) für die Mehrzahl optischer Pfade und die Mehrzahl weiterer optischer Pfade aufweist, wobei das dispersive optische Element (30) in den optischen Pfaden jeweils zwischen dem jeweiligen Emitterelement (20') und dem jeweiligen Messkanal (40) angeordnet ist, und wobei das dispersive optische Element (30) in den weiteren optischen Pfaden jeweils zwischen dem jeweiligen Emitterelement (20') und dem jeweiligen Messkanal (40) angeordnet ist.Measuring device (10) according to one of Claims 7 until 11 , wherein the measuring device (10) has a common dispersive optical element (30) for the plurality of optical paths and the plurality of further optical paths, wherein the dispersive optical element (30) in the optical paths between the respective emitter element (20 ') and is arranged in the respective measurement channel (40), and wherein the dispersive optical element (30) is arranged in the further optical paths between the respective emitter element (20') and the respective measurement channel (40). Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Emitterelemente (20, 20') thermische Emitterelemente sind und ausgebildet sind um elektromagnetische Strahlung in einem IR Spektralbereich zu erzeugen.Measuring device (10) according to one of the preceding claims, wherein the emitter elements (20, 20') are thermal emitter elements and are designed to generate electromagnetic radiation in an IR spectral range. Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Emitterelemente (20, 20') der Mehrzahl von Emitterelementen ausgebildet sind um elektromagnetische Strahlung identischer Spektralverteilungen und/oder identischer Intensitätsverteilungen zu erzeugen.Measuring device (10) according to one of the preceding claims, wherein the emitter elements (20, 20') of the plurality of emitter elements are designed to generate electromagnetic radiation of identical spectral distributions and/or identical intensity distributions. Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Emitterelemente (20, 20') ausgebildet sind, um eine jeweilige elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, wenn sie aktiviert werden, wobei die Emitterelemente (20, 20') unabhängig voneinander aktivierbar sind.Measuring device (10) according to one of the preceding claims, wherein the emitter elements (20, 20') are designed to generate a respective electromagnetic radiation when they are activated, wherein the emitter elements (20, 20') are independently activatable. Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Emitterelemente (20, 20') entlang einer Richtung beabstandet voneinander angeordnet sind.Measuring device (10) according to one of the preceding claims, wherein the emitter elements (20, 20') are arranged spaced apart from one another along one direction. Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das dispersive optische Element (30) eines jeweiligen optischen Pfads ein planares Gitter ist, und wobei die optischen Pfade ein erstes Spiegelelement (32) aufweisen, welches in den optischen Pfaden zwischen dem jeweiligen zugeordneten Emitterelement (20, 20') und dem planaren Gitter (30) angeordnet ist, und wobei die optischen Pfade ein zweites Spiegelelement (34) aufweisen, welches in den optischen Pfaden zwischen dem planaren Gitter und der optischen Eintrittsöffnung (44) des jeweiligen zugeordneten Messkanals (40) angeordnet ist.Measuring device (10) according to one of the preceding claims, wherein the dispersive optical element (30) of a respective optical path is a planar grating, and wherein the optical paths have a first mirror element (32) which is arranged in the optical paths between the respective associated emitter element (20, 20') and the planar grating (30), and wherein the optical paths have a second mirror element (34) which is located in the optical paths between the planar grating and the optical entry opening (44) of the respective associated measurement channel ( 40) is arranged. Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Steuerungseinheit (14) aufweist, wobei die Steuerungseinheit (14) ausgebildet ist, um eine Messung mittels eines der optischen Pfade auszuführen, wobei die Messung beinhaltet, während einer Dauer der Messung das dem optischen Pfad zugeordnete Emitterelement (20) zu aktivieren, und den dem optischen Pfad nachgeordneten Strahlungsdetektor (50) auszulesen, um eine Messgröße zu erhalten, welche eine Intensität der elektromagnetischen Strahlung (22) nach der Wechselwirkung mit dem Gasgemisch repräsentiert.Measuring device (10) according to one of the preceding claims, further comprising a control unit (14), wherein the control unit (14) is adapted to carry out a measurement by means of one of the optical paths, the measurement including during a duration of the measurement activating the emitter element (20) assigned to the optical path, and reading out the radiation detector (50) arranged downstream of the optical path in order to obtain a measured variable which represents an intensity of the electromagnetic radiation (22) after the interaction with the gas mixture. Messvorrichtung (10) nach Anspruch 17, wobei die Steuerungseinheit (14) ausgebildet ist, um ein oder mehrere Messungen mittels jeweils eines der optischen Pfade auszuführen, um jeweilige Messgrößen zu erhalten, und um eine Information über die Gaskonzentration des zu detektierenden Gases basierend auf den erhaltenen Messgrößen zu bestimmen.Measuring device (10) according to Claim 17 , wherein the control unit (14) is designed to carry out one or more measurements by means of one of the optical paths in each case in order to obtain respective measured variables, and to determine information about the gas concentration of the gas to be detected based on the measured variables obtained. Messvorrichtung (10) nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Steuerungseinheit (14) ausgebildet ist, um mittels eines ersten der optischen Pfade eine erste Messung auszuführen um eine erste Messgröße zu erhalten, und um abhängig von der ersten Messgröße eine zweite Messung mittels eines zweiten der optischen Pfade der Mehrzahl optischer Pfade auszuführen.Measuring device (10) according to Claim 17 or 18 , wherein the control unit (14) is designed to carry out a first measurement by means of a first of the optical paths in order to obtain a first measured variable, and to carry out a second measurement by means of a second of the optical paths of the plurality of optical paths depending on the first measured variable. Messvorrichtung (10) nach Anspruch 19, wobei die Steuerungseinheit (14) ausgebildet ist, um zu testen, ob die erste Messgröße außerhalb eines für den optischen Pfad spezifischen Messbereichs liegt und in diesem Fall die zweite Messung auszuführen.Measuring device (10) according to claim 19 , wherein the control unit (14) is designed to test whether the first measurement variable is outside of a measurement range specific to the optical path and to carry out the second measurement in this case. Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Emitterelemente, das dispersive optische Element (30) und die optischen Eintrittsöffnungen mechanisch fixiert zueinander angeordnet sind.Measuring device (10) according to one of the preceding claims, wherein the emitter elements, the dispersive optical element (30) and the optical entry openings are arranged mechanically fixed to one another. Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optischen Eintrittsöffnungen im Bereich ihrer Öffnung ein Material aufweisen, welches zumindest für den spezifischen Spektralbereich des zu detektierenden Gases transparent ist.Measuring device (10) according to one of the preceding claims, wherein the optical entry openings have a material in the region of their opening which is transparent at least for the specific spectral range of the gas to be detected. Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messkanäle ausgebildet sind um einen Gasaustausch zwischen den Messkanälen und der Umgebung der Messvorrichtung (10) zu ermöglichen.Measuring device (10) according to one of the preceding claims, wherein the measuring channels are designed to enable gas exchange between the measuring channels and the environment of the measuring device (10). Verfahren zur Bestimmung einer Gaskonzentration zumindest eines zu detektierenden Gases mittels der Messvorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.Method for determining a gas concentration of at least one gas to be detected by means of the measuring device (10) according to one of the preceding claims.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102009046831A1 (en) 2009-11-18 2011-05-19 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. A radiation generating device for generating an electromagnetic radiation with an adjustable spectral composition and method for producing the same
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