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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gassensoranordnung mit
mindestens einer Strahlung emittierenden Strahlungsquelle, einem Gasmessraum,
der mit einem Messgas, das mindestens einen zu messenden Analyten
enthält,
befüllbar ist
und mindestens einer die Strahlung detektierenden Detektoreinrichtung,
die ein von der Anwesenheit und/oder der Konzentration des Analyten
abhängiges
Ausgangssignalerzeugt. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung
auf ein zugehöriges
Messverfahren.
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Derartige
Gassensoranordnungen sind für den
Nachweis verschiedenster Analyte, beispielsweise Methan oder Kohlendioxid,
bekannt. Gassensoren, wie sie beispielsweise in der
EP 0616207 A2 , der WO 00/55603
A1 oder in der
DE
199 25 196 C2 gezeigt sind, basieren auf der Eigenschaft
vieler mehratomiger Gase, Strahlung, insbesondere im infraroten
Wellenlängenbereich,
zu absorbieren. Dabei tritt diese Absorption in einer für das betreffende
Gas charakteristischen Wellenlänge
auf, z. B. für
CO
2 bei 4,24 μm. Mit Hilfe von derartigen
Infrarotgassensoren ist es daher möglich, das Vorhandensein einer
Gaskomponente und/oder die Konzentration dieser Gaskomponente festzustellen.
Bekannte Gassensoren weisen eine Strahlungsquelle, eine Absorptionsstrecke,
d. h. einen Messraum und einen Strahlungsdetektor auf. Die von dem
Strahlungsdetektor gemessene Strahlungsintensität ist ein Maß für die Konzentration
des absorbierenden Gases.
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Meist
wird eine breitbandige Strahlungsquelle, in der Regel eine Lampe,
verwendet und über
ein Interferenzfilter oder Gitter wird die interessierende Wellenlänge ausgewählt. Diese
Art der Strahlungserzeugung bezeichnet man auch als nichtdispersives Verfahren
und im Falle der Infrarot-CO2-Analytik als nichtdispersive
Infrarot (NDIR)-Technik.
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Die
Kohlendioxiddetektion gewinnt im Kraftfahrzeugbereich heute zunehmend
an Bedeutung. Dies ist zum einen dadurch bedingt, dass in Kraftfahrzeugen
zur Erhöhung
der Energieeffizienz bei Heizung und Klimatisierung der CO2-Gehalt der Innen raumluft überwacht
wird, um nur bei Bedarf, d. h. bei erhöhter CO2-Konzentration,
eine Frischluftzufuhr über
eine entsprechende Lüfterklappenansteuerung zu
veranlassen. Zum anderen basieren moderne Klimaanlagen auf CO2 als Kühlmittel.
Daher können CO2-Gassensoren im Zusammenhang mit austretendem
CO2 bei eventuellen Defekten eine Überwachungsfunktion
erfüllen.
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Insbesondere
im Kraftfahrzeugbereich müssen
derartige Sensoren jedoch höchste
Anforderungen an Robustheit, Zuverlässigkeit und Miniaturisierbarkeit
erfüllen,
und eine Langzeitstabilität
ist über mehrere
Jahre hinweg gefordert. Dabei muss vor allem die Emission der Infrarotstrahlungsquelle über die
gesamte Lebensdauer hinweg stabil bleiben oder zumindest überwacht
werden. Bei den notwendigen Einsatzdauern von zehn und mehr Jahren
und den heute üblichen
Messraten von zwei Sekunden pro Messung altern die bekannten IR-Strahlungsquellen jedoch
zu stark, um die Spezifikationen, die an einen solchen NDIR-Gassensor
gestellt werden müssen, einzuhalten.
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Bisher
sind zwei wesentliche Ansätze
bekannt, um diesem Problem zu begegnen. Zum einen ist bekannt, mindestens
zwei Strahlengänge
mit einer Infrarotstrahlungsquelle und zwei Detektoren vorzusehen,
wobei einer der Detektoren das gewünschte Gas misst und der zweite
mit einer anderen Wellenlänge
die Helligkeit der Lampe misst. Mit Hilfe des zweiten Detektors
kann die erfasste Änderung
der Lampenhelligkeit in eine Korrekturrechnung einbezogen werden.
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Eine
weitere bekannte Lösung,
wie sie beispielsweise in der
DE 199 25 196 C2 gezeigt ist, verwendet mindestens
zwei Strahlengänge
mit zwei Infrarotquellen und nur einem Detektor. Die erste Lampe
misst mit der erforderlichen Messrate, während die zweite Lampe nur
vergleichsweise selten für
die Durchführung
einer Vergleichsmessung verwendet wird. Es wird davon ausgegangen,
dass durch das intermittierende Einschalten die Alterung der zweiten Lampe
zu vernachlässigen
sei.
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Diese
bekannten Lösungen
haben jedoch das Problem, dass sie einerseits vergleichsweise aufwendig
sind, und andererseits, dass sie zur Beurteilung der Lam penstrahlung
stets das Detektorsignal benötigen,
das mit den aus der Langzeitdrift der Detektoren und den in der
gesamten Messstrecke auftretenden Parameterschwankungen resultierenden
Fehlern behaftet ist. Weiterhin kann auch im Falle eines intermittierenden
Betriebs einer Referenzlampe die Alterung der Referenzlampe bei
einer Einsatzdauer im Bereich von zehn Jahren nicht mehr uneingeschränkt vernachlässigt werden.
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Daher
besteht die Aufgabe, welche der vorliegenden Erfindung zugrunde
liegt, darin, eine verbesserte Gassensoranordnung der eingangs genannten
Gattung anzugeben, die auf besonders einfache Weise einen langzeitstabilen
Betrieb der Anordnung auch über
große
Zeiträume
hinweg gewährleistet.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Gassensoranordnung und ein Messverfahren
mit den Merkmalen der unabhängigen
Patentansprüche
erfüllt.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, dass sich im Laufe der
Betriebsdauer von nichtdispersiven Infrarotstrahlungsquellen der
Innenwiderstand der Glühlampen
signifikant verändert.
Wie im Rahmen umfangreicher experimenteller Untersuchungen gezeigt
werden konnte, wird die Änderung der
alterungsinduzierten Lampenhelligkeit bei den üblichen Betriebsarten, d. h.
bei einem Betrieb der Lampe entweder mit konstanter Spannung oder
mit konstantem Strom, dadurch hervorgerufen, dass unterschiedliche
elektrische Leistungen in Strahlung umgesetzt werden. Bei einer
konstanten Spannung berechnet sich diese Leistung zu
und bei einer Einspeisung
eines konstanten Stroms zu P = I
2·R
L. Dabei bezeichnet P die in der Strahlungsquelle
umgesetzte elektrische Leistung, U die an der Lampe abfallende Spannung,
I den durch die Lampe fließenden
Strom und R
L den Innenwiderstand der Lampe.
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Erfindungsgemäß weist
die Gassensoreinheit eine Steuerung zum Ansteuern der Strahlungsquelle
auf, die eine Leistungsertassungseinheit aufweist, um die von der Strahlungsquelle
aufgenommene elektrische Leistung zu messen. Beispielsweise kann
erfindungsgemäß der in
bekannter Weise an einem NDIR-Sensor vorgesehene Mikrocontroller,
der während
der Messung das Spannungsintegral des Detektors als Messsignal über einen
AD-Wandler ermittelt, die während
der Messung von der Lampe umgesetzte elektrische Energie in dem
Lampenzweig ermitteln. Damit können
vorteilhafterweise die aufgenommene elektrische Leistung und somit
der Innenwiderstand der Lampe und über der Zeit das Arbeitsintegral
der Messlampe während
der Messung ermittelt werden. Der gemessene Wert kann bei der Auswertung
als ein Korrekturfaktor zur Normierung auf eine Lampenhelligkeit,
wie sie zum Zeitpunkt der initial durchgeführten Kalibrierung im Fertigungskalibrierplatz
geherrscht hat, verwendet werden.
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Diese
Vorgehensweise hat den Vorteil, dass unmittelbar an der physikalischen
Ursache der im Laufe der Zeit variierenden Strahlungsintensität, nämlich dem
sich verändernden
Innenwiderstand der Lampe, zur Lösung
des Problems angesetzt wird. Die Möglichkeiten hochempfindlicher
elektrischer Messungen direkt im Lampenzweig ermöglichen den Verzicht auf die
fehlerbehafteten Messprinzipien auf der Basis des Detektorsignals.
Eine Referenzierung mit einem zweiten Messkanal, insbesondere das
Vorsehen einer zweite Strahlungsquelle und/oder eines weiteren Detektors,
ist nicht mehr erforderlich.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
können
die Information über
die aufgenommene elektrische Leistung entweder für eine Anpassung der Lampenhelligkeit
für die
nachfolgenden Messungen nutzen oder aber für die Anpassung der Empfindlichkeit
des Detektors an die aktuell herrschende Lampenhelligkeit. Alternativ
kann auch bei unveränderten
Bedingungen für
die Strahlungsemission und Strahlungsdetektion eine rechnerische
Korrektur der auszugebenden Ergebnisse erfolgen. Insbesondere die
letzte Variante, bei der keine Anpassung in der Ansteuerung der
Strahlungsquelle oder des Detektors erforderlich ist, stellt eine
besonders einfache Realisierungsmöglichkeit dar. In jedem Fall
kann mit der erfindungsgemäßen Lösung eine
Einhaltung der Vorgaben an die Messgenauigkeit auch bei Einsatzdauern
der Gassensoranordnung von mehr als zehn Jahren gewährleistet
werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann die
Leistungsmessung dadurch durchgeführt werden, dass die Strahlungsquelle über einen
Vorwiderstand und einen parallel geschalteten Shuntwiderstand betrieben
wird und die Steuerung die an dem Vorwiderstand und dem Shuntwiderstand
jeweils abfallenden Spannungen ermittelt. Diese Widerstände sollten
insbesondere langzeitstabile konstante Werte aufweisen und die Messung
kann beispielsweise mittels weiterer externer oder interner AD-Wandler
durchgeführt
werden. Häufig
sind bei bekannten Steuerungen AD-Wandler, wie sie zur Temperatur-
und Druckmessung vorgesehen sind, auch zum Ermitteln dieser Spannungswerte
einsetzbar.
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Die
vorteilhaften Prinzipien der vorliegenden Erfindung kommen besonders
beim Einsatz des erfindungsgemäßen Prinzips
für die
Ansteuerung einer nichtdispersiven Infrarotlampe zur CO2-Messung zum
Tragen. Selbstverständlich
aber können
die erfindungsgemäßen Prinzipien
auch auf andere Strahlungsquellen und zur Analyse anderer Gase herangezogen
werden, sofern die Änderung
der Langzeiteigenschaften der Strahlungsquelle mit einer Änderung
des elektrischen Innenwiderstandes bzw. einer Änderung der bei konstanter
Spannung oder konstantem Strom eingespeisten elektrischen Leistung einhergeht.
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In
jedem Fall besteht der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung vor allem darin, eine
unmittelbar an der Strahlungsquelle abgreifbare elektrische charakteristische
Größe für die während der
Betriebsdauer veränderliche
Abstrahlcharakteristik der Strahlungsquelle zu verwenden und auf
das Detektorsignal als Indikator für die Alterung der Strahlungsquelle
verzichten zu können.
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Um
die Genauigkeit der Messung noch zu erhöhen, kann weiterhin zur Überwachung
der Temperatur in dem Gasmessraum mindestens ein Temperaturfühler vorgesehen
sein.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
kann die Gassensoranordnung aber auch eine Messstrahlungsquelle
und eine zusätzliche
Referenzstrahlungsquelle aufweisen, wobei die Referenzstrahlungsquelle
nur zum Ermitteln von Referenzwerten Strahlung emittiert. Es hat
sich nämlich gezeigt,
dass die Referenzierung gemäß der
DE 199 25 196 C2 nur
dann störungsfrei
funktioniert, wenn während
der Referenzierungszeit die Umgebungsbedingungen wie Temperatur,
Druck- oder Gaskonzentration, konstant bleiben. Werden die Sensoren
aber in der Nähe
von Luftauslässen
von Klimaanlagen, in der Nähe
geöffneter
Fenster oder schlecht geregelter Wärmequellen eingesetzt, tritt
das Problem auf, dass die Referenzierungen nur sehr selten oder
mit großem
Fehler durchgeführt
werden können.
Erfindungsgemäß kann hier über die
Messung der tatsächlich
umgesetzten elektrischen Leistung an beiden Lampen eine wesentlich
höhere
Genauigkeit erreicht werden.
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Anhand
der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten vorteilhaften
Ausgestaltungen wird die vorliegende Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche
oder korrespondierende Einzelheiten des erfindungsgemäßen Gegenstandes
sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Gassensoranordndung;
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2 ein
vereinfachtes elektrisches Schaltbild des Lampenzweigs gemäß einer
ersten möglichen
Ausführungsform;
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3 ein
elektrisches Schaltbild des Lampenzweigs gemäß einer weiteren vorteilhaften
Ausführungsform;
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4 ein
elektrisches Schaltbild der Leistungserfassung gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform;
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5 ein
elektrisches Schaltbild einer Leistungserfassung an dem Lampenzweig
gemäß einer weiteren
vorteilhaften Ausführungsform;
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6 ein
Blockschaltbild einer Gassensoranordnung mit integrierter Temperaturerfassung;
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7 ein
Blockschaltbild der Steuerung aus 6;
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8 ein
Blockschaltbild einer Gassensoranordnung mit einem Messkanal und
einem Referenzkanal.
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Der
Aufbau und die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung soll
im Folgenden mit Bezug auf die Figuren genauer erläutert werden.
Wie in 1 dargestellt, umfasst die erfindungsgemäße Gassensoranordnung 100 eine
Strahlungsquelle 102, hier eine breitbandige Infrarotstrahlungsquelle.
Prinzipiell handelt es sich bei der gezeigten Gassensoranordnung 100 um
einen sogenannten NDIR (nichtdispersiven Infrarot)-Sensor. Die wesentlichen
Komponenten sind neben der Infrarotstrahlungsquelle 102,
die im einfachsten Fall durch eine Glühlampe gebildet ist, ein Gasmessraum 104, ein
Wellenlängenfilter 106 und
ein Infrarotdetektor 108.
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Das
Messgas 110 wird zur Messung in den Gasmessraum 104 gepumpt
oder diffundiert in ihn hinein, was in 1 durch
die Ein- und Auslässe 112 und 114 symbolisiert
ist. Die Gaskonzentration kann elektrooptisch über die Absorption einer spezifischen Wellenlänge im Infrarotbereich
bestimmt werden. Im Falle von einer Detektion von Kohlendioxid liegt
die charakteristische Wellenlänge
bei 4,24 μm.
Dabei wird die gesendete Infrarotstrahlung 116 durch den Gasmessraum 104 hindurch
zum Detektor 108 geleitet. Der Detektor 108 weist
ein optisches Filter 106 auf, das nur den Wellenlängenbereich
hindurch lässt, in
dem die zu detektierenden Gasmoleküle absorbieren. Andere Gasmoleküle absorbieren üblicherweise bei
dieser Wellenlänge
kein Licht und beeinflussen daher nicht die Strahlungsmenge, die
zum Detektor gelangt. Üblicherweise
wird das Infrarotsignal von der Strahlungsquelle gechoppt oder moduliert,
um thermische Hintergrundsignale aus dem gewünschten Signal herausfiltern
zu können.
Eine Steuerung 120 steuert zum einen die Strahlungsquelle 102 an und
empfängt
zum anderen die Ausgangssignale des Detektors 108 und verarbeitet
diese weiter.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass der Innenwiderstand
der Glühlampe 102 sich
mit zunehmender Betriebsdauer ändert. Das
heißt,
dass die Änderung
der altersinduzierten Lampenhelligkeit bei den üblichen Betriebsarten (d. h.
konstante Spannung oder konstante Strom) dadurch hervorgerufen wird,
dass unterschiedliche elektrische Leistungen in Strahlung umgesetzt
werden. Daher wird erfindungsgemäß in der
Steuerung 120 mittels einer Leistungserfassungseinheit 128 die elektrische
Leistung gemessen, die jeweils in der Lampe 102 umgesetzt
wird.
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Auf
diese Weise kann die während
der Messung von der Lampe 102 umgesetzte elektrische Energie
ermittelt werden.
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Die
Leistungsertassungseinheit 128 kann die in der Lampe 102 aufgenommene
elektrische Leistung und, über
die gesamte Messzeit erfasst das Arbeitsintegral der Lampe 102 während der
Messung ermitteln. Dieser Wert dient erfindungsgemäß in der Steuerung 120 als
Korrekturfaktor zur Normierung auf eine Lampenhelligkeit, wie sie
zu dem Zeitpunkt der initial durchgeführten Kalibrierung im Fertigungskalibrierplatz
geherrscht hat.
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Die
Steuerung 120 kann auf der Basis dieses Korrekturfaktors
entweder Einfluss auf die Ansteuerung der Lampe 102 nehmen
und für
die nachfolgende Messung die Lampenhelligkeit anpassen. Alternativ
oder zusätzlich
kann die Steuerung 120 die Empfindlichkeit des Detektors 108 anpassen.
Schließlich kann
bei der Auswertung durch die Steuerung 120 das Ausgangssignal
in Abhängigkeit
von der durch die Leistungsertassungseinheit 128 ermittelten
tatsächlich
in der Lampe 102 umgesetzten elektrischen Energie angepasst
werden. Hierfür
umfasst die Steuerung 120 einen entsprechend programmierbaren Mikrocontroller.
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Wie
in den 2 und 3 dargestellt, erfolgt die Erfassung
der tatsächlich
von der Lampe 102 aufgenommenen elektrischen Leistung beispielsweise
mit Hilfe eines Multiplizierers, wie dies dem Fachmann allgemein
bekannt ist. Dabei ist in den 2 und 3 für den Leistungsmesser 130 jeweils
das Schaltzeichen für
ein elektrodynamisches Messwerk eingesetzt, obwohl sich auch andere
Multiplikationsverfahren, wie ein Hallgenerator, ein thermischer
Leistungsmesser oder die Ausnutzung des logarithmischen Zusammenhangs
zwischen Spannungsabfall und Durchlassstrom einer Siliziumdiodenstrecke
zur Messung der elektrischen Leistung verwenden lassen. Bei der
in 2 gezeigten Schaltung fließt durch den Leistungsmesser 130 der
gleiche Strom wie durch die Lampe 102. Dagegen ist die an
dem Leistungsmesser anliegende Spannung um den Spannungsabfall im
Strompfad des Leistungsmessers größer als die Spannung an der
Lampe 102. Von der Lampe 102, dem Verbraucher,
aus gesehen, ist die Schaltung der 2 also "stromrichtig". Analog ist die
in 3 gezeigte Anordnung "spannungsrichtig".
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Die
in der Lampe 102 umgesetzte elektrische Leistung kann aber
auch durch separate Messung des Stroms und der Spannung ermittelt
werden. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung,
bei der die Lampe 102 über
einen Vorwiderstand Rv betrieben wird und
parallel zu der Lampe 102 ein Shuntwiderstand RS geschaltet ist. Diese Widerstände sind
konstant und langzeitstabil und die an ihnen abfallenden Spannungen
Uv und Us können mittels
eines üblichen Verfahrens
zur Spannungsmessung, beispielsweise mittels eines AD-Wandlers,
gemessen werden. Diese Lösung
hat den Vorteil, dass häufig
in den zur Steuerung eingesetzten Mikrocontrollern noch ungenutzte AD-Wandler
zur Verfügung
stehen und zum Zweck der Messung von Uv und
Us eingesetzt werden können. Das von diesen AD-Wandlern
ermittelte digitale Signal kann in der Steuerung 120 direkt
weiterverarbeitet werden.
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Eine
Schaltung, bei der nur ein Vorwiderstand Rv verwendet
wird und direkt der Innenwiderstand RL der
Lampe 102 zur Leistungsmessung verwendet wird, ist in 5 gezeigt.
Hier werden die Spannung an dem Vorwiderstand Rv und
die Spannung an dem Widerstand RL der Lampe 102 verstärkt und
einem Multiplizierer 132 zugeführt. Das Ausgangssignal des
Multiplizierers enthält
die Information über
die von der Lampe 102 aufgenommene elektrische Leistung.
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Wie
in 6 gezeigt, kann die Gassensoranordnung 100 darüber hinaus über mindestens
einen Temperatursensor 124 verfügen. Der Temperatursensor 124 erfasst
die Temperatur in dem Gasmessraum 104 und gibt die Information
darüber
an die Steuerung 120 aus. Auf diese Weise können weitere Korrekturrechnungen
beispielsweise an dem Detektorsignal durchgeführt werden und damit die Genauigkeit
der Messung nochmals gesteigert werden.
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Die
Steuerung 120 weist, wie in 7 gezeigt,
eine Zeitsteuerung 126 auf, die basierend auf den von der
Leistungsertassungseinheit 128 und der optionalen Temperaturüberwachungseinheit 125 die Strahlungsquelle 102 entsprechend
ansteuert.
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Dabei
können
die verschiedensten an sich bekannten Prinzipien der gepulsten Strahlungsemission,
wie sie beispielsweise in den deutschen Patentanmeldungen DE 10
2004 030 855.1 und DE 10 2004 028077.0 vorgeschlagen sind, zum Einsatz kommen.
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Durch
die Verwendung der erfindungsgemäßen Leistungsertassungseinheit
128 kann
der beispielsweise in der
DE
199 25 196 C2 gezeigte zweite Referenzmesskanal mit all
seinen Problemen, wie Kosten, Symmetrieertordernis und Erfordernis
konstanter Umgebungsbedingungen während der Referenzierung, entfallen.
Aber auch wenn zwei Kanäle eingesetzt
werden, die jeweils eine separate Strahlungsquelle
102,
103 aufweisen,
stellt die erfindungsgemäße Leistungserfassung
eine Verbesserung der Genauigkeit des Systems dar.
8 zeigt
eine derartige Anordnung, bei der die Steuerung
120 einerseits die
beiden Strahlungsquellen
102,
103 ansteuert, deren
Leistungsverbrauch aber andererseits mittels der Leistungserfassungseinheit
128 überwacht
wird.
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Messungen
haben erwiesen, dass die Referenzierung ohne zusätzliche Leistungserfassungseinheit
dann problematisch ist, wenn während
der Referenzierungszeit die Umgebungsbedingungen, wie Temperaturdruck
oder Gaskonzentration sich ändern.
Dies ist insbesondere kritisch, wenn die Gassensoranordnung in der
Nähe von
Luftauslässen
von Klimaanlagen, von geöffneten
Fenstern oder schlecht geregelten Wärmequellen angebracht sind. Hier
tritt das Problem auf, dass die Referenzmessungen einen zu großen Fehler
aufweisen. Mit der in 8 gezeigten Ausführungsform,
die in Abhängigkeit
von den Messbedingungen die jeweilige aufgenommene Leistung der
Strahlungsquellen 102, 103 berücksichtigt, können derartige
Fehler deutlich reduziert werden.
