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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer die Konzentration
eines Gases repräsentierenden
Gaskonzentrationsgröße.
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Bekannte
fotometrische Gassensoren bestehen aus einer infraroten Strahlungsquelle,
einer Absorptionsstrecke in die das zu untersuchende Gas eindringen
kann, einem Infrarotdetektor mit Bandpassfiltern für die gasspezifische
Wellenlänge
und einer Auswerteelektronik. Weiterhin enthalten bekannte fotometrische
Gasdetektoren einen Messkanal und einen Referenzkanal. Die Gaskonzentration
wird durch einen Vergleich der Ausgangsgrößen des Messkanals und des
Referenzkanals ermittelt.
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Aus
der
DE 102 28 929
A1 ist eine Anordnung zur Messung des Nitratgehaltes in
Flüssigkeiten
bekannt. Die Anordnung umfasst eine Lampe, die elektromagnetische
Strahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich emittiert, eine
erste Empfangseinheit in einem Messzweig, welche die durch die Messlösung transmittierte
Strahlung bei einer ersten Wellenlänge empfängt, eine zweite Empfangseinheit
in einem Referenzzweig, welche die durch die Messlösung transmittierte
Strahlung bei einer zweiten Wellenlänge empfängt und eine Regel-/Auswerteeinheit,
die entweder die über
den Messzweig oder die über
den Referenzzweig bestimmten Intensitätswerte heranzieht, um die
Intensität
der von der Lampe emittierten Strahlung derart zu regeln, dass die
zur Verfügung
gestellten Messwerte in hohem Maße plausibel sind.
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Die
DE 36 33 931 A1 beschreibt
ein Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Konzentration mindestens
einer Komponente einer Gasprobe mit einem Laser zur Beaufschlagung
der Gasprobe mit Strahlung einer Frequenz im Bereich einer Absorptionslinie
der Komponente, mit einer Detektoreinrichtung zur Aufnahme eines
der Intensität
der transmittierten Strahlung entsprechenden Messsignals sowie einer
Auswerteschaltung.
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Die
DE 25 25 378 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Nachweis einer Gaskomponente, bei welchem elektromagnetische
Strahlung durch das zu untersuchende Gas geleitet wird und die durch
die Komponenten des Gases verursachte Absorption bestimmt wird.
Dabei wird ein Teil der Strahlung durch ein die nachzuweisende Gaskomponente
enthaltendes Referenzvolumen geleitet, die Änderung der Absorption mit
der Wellenlänge
bestimmt und die Strahlungswellenlänge solange automatisch geändert, bis die Änderung
der Absorption mit der Wellenlänge verschwindet.
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Aus
der
DE 102 43 014
A1 ist eine Vorrichtung zur Detektion von Strahlungssignalen
und eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration eines Stoffes
bekannt, wobei ein erster Detektor und ein zweiter Detektor auf
einem ersten Chip vorgesehen sind und wobei ein erster Filter und
ein zweiter Filter auf einem zweiten Chip vorgesehen sind. Dabei
sind der erste Chip und der zweite Chip hermetisch dicht miteinander
verbunden.
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Die
Merkmale der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche sind
der
DE 102 43 014
A1 entnommen.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer die Konzentration
eines Gases repräsentierenden
Gaskonzentrationsgröße, bei
dem
- – von
einer Infrarotquelle infrarote Strahlung ausgesandt wird,
- – in
einer Referenzkanalmessung aus der infraroten Strahlung in einem
Referenzkanal mittels eines Infrarotreferenzdetektors eine elektrische
Referenzkanalspannung erzeugt wird und
- – in
einer Messkanalmessung aus der infraroten Strahlung in einem Messkanal
mittels eines Infrarotmessdetektors eine elektrische Messkanalspannung
erzeugt wird.
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Der
Kern der Erfindung besteht darin, dass
- – durch Änderung
einer elektrischen Ansteuergröße der Infrarotquelle
die Intensität
der ausgesandten infraroten Strahlung derart eingestellt wird, dass
die elektrische Messkanalspannung gleich (bzw. ungefähr gleich)
der Referenzkanalspannung ist und
- – die
Gaskonzentrationsgröße aus der
Differenz zwischen der Ansteuergröße der Infrarotquelle bei der
Messkanalmessung und der Referenzkanalmessung ermittelt wird.
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Durch
die Erfindung wird es ermöglicht,
dass sowohl beim Mess- als auch beim Referenzkanal Ausgangssignale
hinreichend großer
Amplitude zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung stehen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass bei der zeitlich später
folgenden der beiden Messungen durch Änderung einer elektrischen
Ansteuergröße der Infrarotquelle
die Intensität
der ausgesandten infraroten Strahlung derart eingestellt wird, dass
die elektrische Messkanalspannung gleich der Referenzkanalspannung
ist.
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Anstelle
der Messkanalspannung und der Referenzkanalspannung können selbstverständlich auch
entsprechende Ströme
oder andere elektrische Größen betrachtet
werden.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Infrarotmessdetektor wenigstens einen Thermopile als Sensorelement
enthält.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Infrarotreferenzdetektor wenigstens einen Thermopile als Sensorelement
enthält.
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Bei
Thermopiles handelt es sich um robuste und kostengünstig verfügbare Bauelemente.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass zuerst die Referenzkanalmessung und danach die Messkanalmessung
durchgeführt
wird.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass
- – bei
der Referenzkanalmessung die elektrische Ansteuergröße der Infrarotquelle
vorgegeben wird,
- – die
erzeugte Referenzkanalspannung für
den späteren
Vergleich abgespeichert wird und
- – bei
der Messkanalmessung durch Änderung
der elektrischen Ansteuergröße der Infrarotquelle
die Intensität
der ausgesandten infraroten Strahlung derart eingestellt wird, dass
die Messkanalspannung gleich der abgespeicherten Referenzkanalspannung
ist
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass
- – bei
der Referenzkanalmessung ein Sollwert für die Referenzkanalspannung
vorgegeben wird,
- – die
elektrische Ansteuergröße der Infrarotquelle so
verändert
wird, bis die Referenzkanalspannung den Sollwert angenommen hat,
- – der
dazugehörende
Wert der elektrischen Ansteuergröße abgespeichert
wird,
- – bei
der Messkanalmessung durch Änderung
der elektrischen Ansteuergröße der Infrarotquelle
die Intensität
der ausgesandten infraroten Strahlung derart eingestellt wird, dass
die elektrische Messkanalspannung gleich dem Sollwert der Referenzkanalspannung
ist und
- – die
Gaskonzentrationsgröße aus der
Differenz zwischen dem abgespeicherten Wert der Ansteuergröße bei der
Referenzkanalmessung und dem Wert der Ansteuergröße bei der Messkanalmessung
ermittelt wird.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass zuerst die Messkanalmessung und danach die Referenzkanalmessung
durchgeführt
wird. Die Reihenfolge der Messungen ist selbstverständlich auch
umkehrbar.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei der Ansteuergröße um
- – die
an die Infrarotquelle angelegte elektrische Spannung oder
- – den
durch die Infrarotquelle fließenden
elektrischen Strom oder
- – die
der Infrarotquelle zugeführte
elektrische Leistung oder
- – die
Frequenz der an die Infrarotquelle angelegten elektrischen Spannung
handelt.
Durch Änderung
dieser Größen lässt sich die
Intensität
der infraroten Strahlung leicht steuern.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass als Gaskonzentrationsgröße eine
Kohlendioxidkonzentration erfasst wird. Die Erfassung von Kohlendioxidkonzentrationen
spielt eine zunehmende wichtige Rolle beispielsweise zur Leckageüberwachung
von kohlendioxidbasierten Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen. Weiter
eignet sich ein Kohlendioxidsensor auch zur Feststellung verbrauchter
Luft in Räumen
oder im Innenraum von Fahrzeugen, welche zu einem Nachlassen der
Konzentration und Aufmerksamkeit führt.
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Die
Erfindung umfasst weiterhin eine Vorrichtung zur Ermittlung einer
die Konzentration eines Gases repräsentierenden Gaskonzentrationsgröße, enthaltend
- – eine
Infrarotquelle zur Aussendung infraroter Strahlung,
- – einen
Infrarotreferenzdetektor, mit dem in einer Referenzkanalmessung
aus der infraroten Strahlung in einem Referenzkanal eine elektrische
Referenzkanalspannung erzeugt wird und
- – einen
Infrarotmessdetektor, mit dem in einer Messkanalmessung aus der
infraroten Strahlung in einem Messkanal eine elektrische Messkanalspannung
erzeugt wird.
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Der
Kern der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
- – Infrarotquellenansteuermittel,
mit denen bei der zeitlich später
folgenden der beiden Messungen durch Änderung einer elektrischen
Ansteuergröße der Infrarotquelle
die Intensität
der ausgesandten infraroten Strahlung derart eingestellt wird, dass
die elektrische Messkanalspannung gleich der Referenzkanalspannung
ist und
- – Gaskonzentrationsermittlungsmittel,
mit denen aus der Differenz zwischen der Ansteuergröße der Infrarotquelle
bei der Messkanalmessung und der Referenzkanalmessung die Gaskonzentrationsgröße ermittelt
wird,
vorhanden sind.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Infrarotreferenzdetektor
- – wenigstens
ein Sensorelement zur Erzeugung eines von der Intensität der infraroten
Strahlung abhängigen
elektrischen Ausgangssignals und
- – wenigstens
ein Verstärkerelement
zur Verstärkung
des elektrischen Ausgangssignals
enthält. Durch das Verstärkerelement
werden niedrige Spannungspegel auf einen höheren, leichter verarbeitbaren
Wert gesetzt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Infrarotreferenzdetektor ein wenigstens ein Tiefpassfilter enthält. Durch
das Tiefpassfilter werden hochfrequente Störungen herausgefiltert.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Infrarotmessdetektor
- – wenigstens
ein Sensorelement zur Erzeugung eines von der Intensität der infraroten
Strahlung abhängigen
elektrischen Ausgangssignals und
- – wenigstens
ein Verstärkerelement
zur Verstärkung
des elektrischen Ausgangssignals
enthält.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Infrarotmessdetektor ein wenigstens ein Tiefpassfilter
enthält.
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Die
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens äußern sich
selbstverständlich
auch als Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und umgekehrt.
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Zeichnung
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Die
Zeichnung besteht aus den 1 und 2.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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2 zeigt
den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsbeispiele
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De
vorgeschlagene Erfindung ist insbesondere zur Erkennung kleiner
Kohlendioxidkonzentrationen geeignet. Dazu wird durch eine Leistungsregelung
der Strahlungsquelle für
den Messpfad bzw. den Messkanal durchgeführt, so dass am Detektorelement
des Messpfades bzw. Messkanals die gleiche elektrische Spannung
wie am Detektorelement des Referenzpfades generiert wird. Durch
in die Auswerteelektronik eingebaute Tiefpassfilter sind die verstärkten elektrischen
Signale der Detektorelemente des Messpfades und des Referenzpfades
nur in sehr geringem Maße
rausch- und störanfällig, da
die Störfaktoren
hochfrequente und damit durch die Tiefpassfilter entfernte Signalanteile
sind.
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Die
angestrebte Leistungsregelung wird durch eine Erhöhung der
an die Infrarotquelle bzw. Infrarotlampe angelegten Lampenspannung und/oder
eine Änderung
der an die Infrarotlampe angelegten Frequenz erreicht. Die Änderung
der Frequenz eignet sich bei einer getakteten Gleichstromansteuerung
der Infrarotlampe.
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Durch
die Infrarotquelle entsteht eine elektrische Spannung am jeweiligen
Thermopile,
- – welche im Referenzpfad nur
von der Strahlungsleistung der Infrarotquelle und
- – im
Messpfad sowohl von der Strahlungsleistung der Infrarotquelle als
auch von der Kohlendioxidkonzentration abhängig ist.
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Dies
hängt damit
zusammen, dass den Infrarotdetektoren im jeweiligen Pfad optische
Filter vorgeschaltet, deren Durchlassbereich bzw. Transmissionsbereich
- – im
Referenzpfad abseits einer Absorptionsbande des zu detektierenden
Gases und
- – im
Messpfad im Bereich einer Absorptionsbande des zu detektierenden
Gases
liegen.
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Damit
ist die Referenzmessung unabhängig von
der Gaskonzentration, da das dortige Filter nur einen Wellenlängenbereich
außerhalb
einer Absorptionsbande durchlässt.
Die Messung im Messpfad ist durch das Filter, in dessen Durchlassbereich
eine Absorptionsbande liegt, jedoch abhängig von der Gaskonzentration.
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Zur
Ermittlung des Kohlendioxidgehalts wird die Strahlungsleistung der
Infrarotquelle so geregelt, dass der Messpfad eine Spannung gleicher
Amplitude wie der Referenzpfad liefert.
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Die
Vorgehensweise erfolgt dabei in zwei Schritten.
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Schritt 1 (Referenzmessung):
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Für diesen
Schritt gibt es zwei Ausführungsformen
- a) Die am Referenzpfad durch den Thermopile
erzeugte elektrische Spannung wird bei einer vorgegebenen Infrarotintensität, insbesondere
bei einer vorgegebenen an die Infrarotquelle angelegten Spannung,
abgespeichert oder
- b) es wird die der Infrarotquelle zugeführte elektrische Leistung oder
die an die Infrarotquelle angelegte elektrische Spannung abgespeichert,
bei der die am Referenzpfad durch den Thermopile erzeugte elektrische
Spannung einen vorgegebenen Wert annimmt.
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In
beiden Fällen
a) und b) wird ein Wert abgespeichert, entweder die bei einer vorgegebenen Ansteuerung
der Infrarotquelle erzeugte Spannung am Thermopile des Referenzpfades
(Fall a)) oder die bei einer vorgegebenen erzeugten Spannung am Thermopile
der Infrarotquelle zugeführte
Spannung oder Leistung (Fall b)).
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Schritt 2 (Konzentrationsmessung):
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Nach
Durchführung
der Referenzmessung wird für
die Konzentrationsmessung am Messkanal bzw. Messpfad die Leistung
bzw. angelegte elektrische Spannung der Infrarotquelle solange verändert, bis
die erzeugte Spannung am Thermopile des Messkanals gleich der in
Schritt 1 erzeugten Spannung am Thermopile des Referenzkanals ist.
Vorteilhafterweise findet vor dem Vergleich der Spannungen jeweils eine
Verstärkung
(mit denselben Verstärkungsfaktoren)
sowie eine Tiefpassfilterung (zur Ausblendung hochfrequenter Störanteile)
statt.
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Die
Kohlendioxidkonzentration der Luft ergibt sich aus der Differenz
zwischen der Infrarotintensität
oder einer die Infrarotintensität
charakterisierenden Größe (also
z.B. der an der Infrarotquelle angelegten elektrischen Spannung
oder der elektrischen Leistung der Infrarotquelle) der Referenzmessung und
derjenigen der Konzentrationsmessung.
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In 1 ist
ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur erfindungsgemäßen Ermittlung
der Kohlendioxidkonzentration (oder allgemeiner einer Gaskonzentration)
dargestellt. Dabei kennzeichnen die Blöcke 100 und 103 die
Thermopile-Elemente des Messkanals (Block 100) und des
Referenzkanals (Block 103). Das elektrische Ausgangssignal
des Messkanal-Thermopiles 100 wird einer Verstärkerstufe 101 und
deren Ausgangssignal wiederum einem mit TP gekennzeichneten Tiefpasselement 102 zugeführt. Das
elektrische Ausgangssignals des Referenzkanal-Thermopiles 103 wird
analog dazu einer Verstärkerstufe 104 und
deren Ausgangssignal wiederum einem mit TP gekennzeichneten Tiefpasselement 105 zugeführt. In
einem Speicherelement 106 wird die in Schritt 1 erwähnte Messkanal-Größe angespeichert, also
entweder die bei einer vorgegebenen Ansteuerung der Infrarotquelle
erzeugte Spannung am Thermopile des Referenzpfades (Fall a)) oder
bei einer vorgegebenen erzeugten Spannung am Thermopile die der
Infrarotquelle zugeführte
Spannung oder Leistung (Fall b)).
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In
Block 107 findet nun während
der Konzentrationsmessung eine Regelung der Intensität der von
der Infrarotquelle 108 ausgesandten Strahlung über eine
Variation des Stromes, der Spannung oder der Frequenz der elektrischen
Ansteuerung der Infrarotquelle statt, bis die erzeugte Spannung
am Thermopile 100 des Messkanals gleich der in Schritt
1 erzeugten Spannung am Thermopile 103 des Referenzkanals
ist. Aus der Differenz zwischen der zur selben elektrischen Ausgangsspannung
im Referenzkanal und Messkanal führenden
Infrarotintensitäten
(bzw. einem Vergleich von die Infrarotintensität charakterisierenden Größen, also
z.B. der an der Infrarotquelle angelegten elektrischen Spannung
oder der elektrischen Leistung der Infrarotquelle) der Referenzmessung
und der Konzentrationsmessung wird in Block 109 der Kohlendioxidgehalt
der Luft ermittelt.
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Der
Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in 2 dargestellt. Nach dem Start in Block 200 wird
in Block 201 eine Infrarotquelle angesteuert und danach
in Block 202 in einer Referenzkanalmessung aus der infraroten
Strahlung in einem Referenzkanal mittels eines Infrarotreferenzdetektors
eine elektrische Referenzkanalspannung erzeugt. Dabei gibt es zwei
Varianten:
- a) Es wird die Ansteuerung der Infrarotquelle
vorgegeben.
- b) Es wird die im Referenzkanal durch den Infrarotreferenzdetektor
zu erzeugende elektrische Referenzkanalspannung vorgegeben und die
Ansteuerung der Infrarotquelle derart variiert, bis sich diese vorgegebene
Spannung einstellt.
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Bei
Variante a) wird in Block 203 im Infrarotdetektor erzeugte
elektrische Spannung abgespeichert, bei Variante b) wird eine die
Ansteuerung der Infrarotquelle charakterisierende Ansteuergröße, z.B.
die der Infrarotquelle zugeführte
Leistung oder die an die Infrarotquelle angelegte elektrische Spannung,
abgespeichert.
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Anschließend wird
in Block 204 erneut die Infrarotquelle angesteuert und
in einer Messkanalmessung aus der infraroten Strahlung in einem
Messkanal mittels eines Infrarotmessdetektors eine elektrische Messkanalspannung
erzeugt. Dabei wird durch Änderung
einer elektrischen Ansteuergröße der Infrarotquelle
die Intensität
der ausgesandten infraroten Strahlung derart eingestellt wird, dass
die elektrische Messkanalspannung gleich der Referenzkanalspannung
aus Block 202 bzw. 203 ist.
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In
Block 205 wird die Gaskonzentrationsgröße aus der Differenz zwischen
der Ansteuergröße der Infrarotquelle
bei der Messkanalmessung und der Ansteuergröße der Infrarotquelle bei der
Referenzkanalmessung ermittelt.
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In
Block 206 endet das Verfahren.