DE102005032722B3

DE102005032722B3 - Gassensoranordung und Messverfahren mit Frühwarnung

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Publication number: DE102005032722B3
Application number: DE102005032722A
Authority: DE
Inventors: Robert Frodl; Thomas Dr. Tille
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Tyco Electronics Raychem GmbH
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Tyco Electronics Raychem GmbH
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2025-07-14
Also published as: US7326931B2; DE602006002670D1; US20070017458A1; EP1744146B1; EP1744146A1; ATE408135T1; JP2007024891A

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Anwesenheit und/oder der Konzentration eines Analyten mittels einer Gassensoranordnung sowie auf eine entsprechende Gassensoranordnung. Die Gassensoranordnung umfasst insbesondere eine strahlungsemittierende Strahlungsquelle (102), einen Gasmessraum (104), der mit einem Messgas (110), das mindestens einen zu messenden Analyten enthält, befüllbar ist, und mindestens eine die Strahlung (116) detektierende Detektoreinrichtung (108), die ein von der Anwesenheit und/oder der Konzentration des Analyten abhängiges Ausgangssignal erzeugt. Um einem erhöhten Sicherheitsbedürfnis Rechnung zu tragen und die Nachteile der bekannten Systeme ohne unzulässigen Mehraufwand an Komplexität und Baugröße zu vermindern, sendet die Strahlungsquelle Strahlung in Form von Pulsen aus und während eines jeden Strahlungspulses wird eine Vielzahl von Einzelwerten (304) zum Erzeugen eines gemittelten Messwerts aufgenommen, wobei während des ersten Strahlungspulses der erste der Vielzahl von Einzelwerten mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen wird und bei Überschreiten des Schwellenwerts ein Alarmsignal (136) erzeugt wird.

Description

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

Derartige Gassensoranordnungen sind für den Nachweis verschiedenster Analyte, beispielweise Kohlendioxid oder Methan, bekannt. Herkömmliche Gassensoren, wie sie beispielsweise in der DE 10 2004 028 077 A1 gezeigt sind, basieren auf der Eigenschaft vieler polarer Gase, Strahlung im Infrarotwellenlängenbereich zu absorbieren. Solche Gase bestehen aus zwei unterschiedlichen Arten von Atomen, wie CO₂, aber auch CO, NO_x, und alle Kohlenwasserstoffe wie Methan, Propan oder andere natürliche für die Heizung verwendete Gase.

Dabei ist das IR-Licht in der Lage, die Moleküle durch Anregung von Rotations- und Vibrationsschwingungen in angeregte Zustände zu bringen, indem es mit dem Dipolmoment des polaren Moleküls zusammenwirkt. Auf diese Weise wird die Wärmeenergie des IR-Lichts auf das Gas übertragen und in gleicher Weise die Intensität eines durch ein Gasvolumen passierenden IR-Strahl verringert. Dabei tritt entsprechend der angeregten Zustände die Absorption in einer jeweils für das betreffende Gas charakteristischen Wellenlänge auf, im Fall von CO₂ beispielsweise bei 4,24 μm.

Mit Hilfe eines derartigen Infrarotgassensors ist es daher möglich, das Vorhandensein einer Gaskomponente und/oder die Konzentration dieser Gaskomponente in einem Messgas festzustellen. Dabei weisen derartige Gassensoren eine Strahlungsquelle, eine Absorptionsstrecke, d. h. einen Messraum, in welchem das zu detektierende Gas enthalten ist, und einen Strahlungsdetektor auf. Die von dem Strahlungs detektor gemessene Strahlungsintensität ist gemäß dem Lambert-Beer'schen Gesetz ein Maß für die Konzentration des absorbierenden Gases: I = I0 exp(–kcl)

Dabei bedeutet I die gemessene Intensität, I₀ die eingestrahlte Intensität, k eine Konstante, c die Konzentration des entsprechenden Gases in Molekülen pro Volumeneinheit und I die Länge der Messstrecke.

Im Falle der sogenannten NDIR (Non Dispersive Infrared)-Sensoren wird üblicherweise als Strahlungsquelle eine breitbandige IR-Quelle verwendet und es wird über ein Interferenzfilter oder -gitter die interessierende Wellenlänge eingestellt. Alternativ kann auch eine selektive Strahlungsquelle, beispielsweise eine lichtemittierende Diode oder ein Laser, in Kombination mit nicht-wellenlängensensitiven Strahlungsempfängern eingesetzt werden.

Insbesondere die Kohlendioxiddetektion gewinnt heute in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen zunehmend an Bedeutung. So kann beispielsweise sowohl im Zusammenhang mit dem Betrieb von Kraftfahrzeugen wie auch häuslichen Bereich die Qualität der Innenraumluft überwacht werden, es kann der Reinigungszyklus selbstreinigender Öfen und die Versorgung von Pflanzen mit CO₂ in Treibhäusern geregelt werden. Im medizinischen Bereich, beispielweise in der Anästhesie, kann die Atemluft eines Patienten überwacht werden, und schließlich kann überall wo die Gefahr von austretendem CO₂ besteht, beispielsweise im Umfeld entsprechend befüllter Klimaanlagen, ein Kohlendioxidsensor in einem zugehörigen Warnsystem eingesetzt werden.

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

Die Strahlungsquelle bekannter Gassensoranordnungen wird häufig nicht gleichförmig betrieben, sondern mit einer bestimmten Frequenz gepulst. Dabei wird meist eine konstante Frequenz und ein bestimmtes Tastverhältnis, wobei das Tastverhältnis das Verhältnis aus Einschaltdauer (Pulsbreite) zu Periodendauer bezeichnet, gewählt. Störungen können dadurch vermindert werden, dass bei der Signalverarbeitung im Detektorbereich ein schmalbandiges Filter verwendet wird, dessen Filterfrequenz der Impulsfrequenz, mit der die Strahlungsquelle gepulst wird, entspricht.

Wie in der DE 10 2004 028 077 A1 erläutert, haben Gassensoranordnungen, bei denen die Strahlungsquelle gepulst wird, beim Einschalten des Systems, wie auch bei Betriebsweisen, bei denen die Strahlungsquellen längere Zeit kein Licht aussendet, das Problem, dass die Einschwingzeit, d. h. die Zeit, die vergeht, bis verwertbare Messergebnisse zur Verfügung stehen, vergleichsweise lang ist. So muss sich beispielsweise bei einem gepulst betriebenen Gassensor auf Infrarotbasis das System thermisch so fange einschwingen, dass die ersten zehn bis fünfzehn Messwerte nicht brauchbar sind. Bis nach dem Einschalten ein erster verlässlicher Messwert zur Verfügung steht, vergehen bei heutigen Designs etwa fünf bis zehn Sekunden. Dies ist aber im Zusammenhang mit Sicherheitsanwendungen, insbesondere in Fällen in denen das System öfter ein- und ausgeschaltet werden muss, problematisch.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen mittels einer Gassensoranordnung sowie eine gattungsgemäße Gassensoranordnung anzugeben, die einem erhöhten Sicherheitsbedürfnis Rechnung trägt und die Nachteile der bekannten Systeme ohne unzulässigen Mehraufwand an Komplexität und Baugröße vermindern kann.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand mehrerer Unteransprüche.

Dabei basiert die vorliegende Erfindung auf der Tatsache, dass die IR-Strahlungsquelle im Pulsbetrieb für eine bestimmte Einschaltzeit eingeschaltet bleibt und während dieser Zeit das Signal an dem Detektor verstärkt wird. Während der Pulsdauer wird über viele Einzelmessungen, mehrere hundert bis tausend im Allgemeinen, integriert. Diese Integration führt zu einem gemittelten Messwert und wird durchgeführt, um die Rauscheffekte eliminieren zu können. Nach dem Puls wird die Strahlungsquelle für eine bestimmte Zeit ausgeschaltet, bis der nächste Messzyklus beginnt. Es lässt sich zeigen, dass eine bestimmte Anzahl von derartigen Messpulsen erforderlich ist, bis das Gesamtsystem im thermischen Gleichgewicht ist und der aus den Einzelwerten gewonnene gemittelte Messwert einen verlässlichen Messwert darstellt. Bei heutigen Designs beträgt diese Zeit etwa fünf bis zehn Sekunden.

Um eine erhöhte Sicherheit zu gewährleisten, wird erfindungsgemäß bereits während des ersten Pulses nach dem Einschalten des Sensorsystems die erste Einzelmessung verwendet, um einen voraussichtlichen Wert des gemittelten Messsignals abzuschätzen. Übersteigt der geschätzte Wert eine bestimmte Schwelle, wird sofort ein Alarmsignal als Frühwarnung ausgegeben. Somit kann, wenn CO₂-Gassensoren als Sicherheitssensoren eingesetzt werden, unmittelbar nach dem Einschalten schon eine Warnung erfolgen, wenn eine gefährliche Gaskonzentration vorliegt. Beispielhaft hierfür wäre das Öffnen einer Autotüre mit dem Schließsystem. Noch vor oder während des Öffnens kann erfindungsgemäß festgestellt werden, ob im Fahrzeuginneren eine gefährliche Konzentration vorliegt. Bei CO₂ liegen die Werte für eine normale Umgebung mit etwa 350 bis 1 500 ppm von den üblichen Alarmschwellen, die bei 10000 bis 20000 ppm liegen, weit genug entfernt, um Fehlalarme bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weitestgehend ausschließen zu können.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird aus dem ersten Einzelwert ein Schätzwert für den gemittelten Messwert gebildet und der Schwellenwert ist ein maximal zulässiger gemittelter Messwert. Auf diese Weise kam zum einen eine möglichst sichere Detektion gefährlicher Gaskonzentrationen direkt nach dem Einschalten des Sensorsystems erreicht werden, zum anderen kann die Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen besonders effektiv reduziert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird in dem Schritt des Vergleichens mit dem Schwellenwert ein Schätzwert für den gemittelten Messwert während des ersten Pulses gebildet und dieser mit einem maximal zulässigen gemittelten Messwert als Schwellenwert verglichen. Da die Kurvenverläufe während eines Strahlungspulses in der Regel sehr definiert ablaufen, kann anhand abgespeicherter Referenzverläufe bereits aus dem ersten Einzelwert der Gesamtverlauf des Detektorssignals während des ersten Pulses vorhergesagt werden und eine Aussage getroffen werden, ob voraussichtlich eine erhöhte Gaskonzentration vorliegt. Auf diese Weise kann besonders rasch ein Alarmsignal ausgegeben werden und eine erhöhte Sicherheit erreicht werden.

Bekannt ist, dass sich das gesamte Gassensorsystem nach dem Einschalten thermisch einschwingen muss und die nach den ersten Pulsen gemessenen gemittelten Sensorsignale einen charakteristischen Zeitverlauf aufweisen, der aber ebenfalls bestimmten physikalischen Gesetzmäßigkeiten unterliegt und deshalb einer Vorhersage zugänglich ist.

Es kann daher aus dem gemittelten Messwert für den ersten Puls bereits auf die gemittelten Messwerte derjenigen Strahlungspulse geschlossen werden, bei denen das Gassensorsystem sich im eingeschwungenen Zustand findet. Um daher eine möglichst präzise Vorhersage über die tatsächlich vorliegende Gaskonzentration machen zu können, kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus der ersten Einzelmessung ein Schätzwert für den zu erwartenden Endwert im eingeschwungenen Zustand gewonnnen werden und mit einem entsprechenden Schwellenwert verglichen werden.

Die beiden Möglichkeiten der Abschätzung, d. h. Ableiten eines zu erwartenden gemittelten Messwerts für den ersten Puls und Vergleich mit einem Schwellenwert, der für den ersten Puls festgelegt wird, oder aber Ermitteln eines Schätzwertes für den zu erwartenden Endwert im thermisch eingeschwungenen Zustand, können alternativ oder kombiniert angewendet werden. Beispielsweise kann aus dem ersten Einzelmesswert mit Hilfe des abgespeicherten Kurvenverlaufs während eines Strahlungspulses zunächst ein Schätzwert für den während des ersten Messpulses zu erwartenden gemittelten Messwert berechnet werden und dieser Schätzwert für den gemittelten Messwert anschließend durch Vergleich mit einem abgespeicherten Einschwingverhalten des Gassensorsystems dazu verwendet werden, einen zu erwartenden Endwert zu berechnen. Dieser Schätzwert kann dann mit einem Schwellenwert für den Endwert verglichen werden und das Alarmsignal bei Überschreiten des Schwellenwerts ausgegeben werden. Auf diese Weise kann sowohl eine besonders rasche Alarmauslösung im Gefahrenfall wie auch eine möglichst weitgehende Vermeindung von Fehlalarmen realisiert werden.

Das Erreichen des eingeschwungenen Zustands, d. h. der Kurvenverlauf der gemittelten Messwerte für eine Anzahl von Pulsen in Abhängigkeit von der Zeit, gehorcht beispielsweise einer PID-Reglercharakteristik und die entsprechende Beschreibung einer solchen Charakteristik kann erfindungsgemäß in der Steuerung der Gassensoranordnung abgelegt sein und zur Berechnung des geschätzten Endwerts herangezogen werden.

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

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

Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten vorteilhaften Ausgestaltungen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten des erfindungsgemäßen Gegenstands sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Gassensoranordnung gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform;
2 ein Diagramm der von der Strahlungsquelle der 1 ausgesendeten Strahlungspulse als Funktion der Zeit;
3 den Verlauf des Detektorsignals in Abhängigkeit von der Zeit während des ersten Strahlungspulses aus 2;
4 eine schematische Darstellung einer Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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, hier eine breitbandige Infrarotstrahlungsquelle. Prinzipiell handelt es sich bei der gezeigten Gassensoranordnung 100 um einen sogenannten NDIR (Non Dispersive Infrared)-Sensor. Die wesentlichen Komponenten sind neben der Infrarotstrahlungsquelle 102 der Gasmessraum 104, ein Wellenlängenfilter 106 sowie ein Infrarotdetektor 108.
Das Messgas 110, das auf die zu detektierende Gaskomponente überprüft werden soll, wird in den Gasmessraum 104 gepumpt oder diffundiert in ihn hinein, was durch die Ein- und Auslässe 112, 114 symbolisiert ist. Das Vorhandensein und/oder die Konzentration des gesuchten Gases kann, wie oben erläutert, elektrooptisch über die Absorption einer spezifischen Wellenlänge im Infrarotbereich bestimmt werden. Dabei wird die ausgesendete Infrarotstrahlung 116 durch den Gasmessraum 104 hin durch zum Detektor 108 geleitet. Der Detektor 108 weist ein optisches Filter 106 auf, das nur den Wellenlängenbereich hindurchlässt, in welchem die zu detektierenden Gasmoleküle absorbieren. Andere Gasmoleküle absorbieren normalerweise bei dieser spezifischen Wellenlänge kein Licht und beeinflussen daher auch nicht die Strahlungsmenge die zum Detektor 108 gelangt.
Als Detektor kommen alle geeigneten Infrarotdetektoren in Frage und das erfindungsgemäße Verfahren kann an den jeweiligen Detektortyp angepasst werden.
Beispielsweise kann es sich bei dem Detektor 108 um ein Pyroelement, einen Infrarot-Thermopile oder um eine Photodiode handeln. Dabei sollte der jeweils geeignete Detektor entsprechend den jeweiligen Anforderungen gewählt werden. So bietet die Photodiode den Vorteil, dass sie ein vergleichsweise kostengünstiges Bauteil darstellt, während die Thermosäule, wie der Thermopile-Detektor auch genannt wird, den Vorteil einer besonders hohen und gleichmäßigen Absorption der Strahlung im selektierten Spektralbereich bietet. Pyroelektrische Sensoren schließlich haben den Vorteil einer sehr hohen Empfindlichkeit und miniaturisierten Herstellbarkeit.
Das IR-Signal von der Strahlungsquelle 102 wird gepulst, um thermische Hintergrundsignale aus dem gewünschten Signal herausfiltern zu können. Eine Steuerung 120 steuert zum einen die Strahlungsquelle 102 an und empfängt zum anderen die Ausgangssignale des Detektors 108 und verarbeitet diese weiter. Insbesondere liefert sie ein reguläres Ausgangssignal und ein Alarmsignal, das die Möglichkeit einer Frühwarnung bietet.
Weiterhin kann ein Temperaturfühler 118 zum Erfassen der Temperatur in dem Gasmessraum 104 vorgesehen sein.
In 2 ist schematisch der Zeitverlauf für das von der Strahlungsquelle 102 der 1 ausgesendete Lichtsignal dargestellt. Dabei bedeutet die Grundlinie den ausgeschalteten und der High-Level den eingeschalteten Zustand der Strahlungsquelle. Die Kurve 201 zeigt die zeitlichen Verhältnisse für den Betrieb mit einer konstanten Pulsfolge.
Zum Zeitpunkt t = 0 wird das System eingeschaltet und die Strahlungsquelle 102 beginnt gemäß der Kurve 201 Lichtpulse auszusenden. Nach Betriebsbeginn muss sich das Gassensorsystem jedoch erst thermisch einschwingen und somit sind eine ganze Anzahl Messwerte (beispielsweise 10–15) nicht brauchbar, sodass die eigentliche Messung erst zur Zeit t = tm beginnen kann. Um aber bereits zu Beginn der in 2 gezeigten Pulsfolge zumindest im Falle gefährlich hoher Gaskonzentrationen eine Frühwarnung zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß bereits der allererste gemessene Wert während des ersten Strahlungspulses ausgewertet, um abschätzen zu können, ob eine gefährliche Gaskonzentration vorliegt.
Zur genaueren Erläuterung soll hierfür 3 betrachtet werden. In dieser Figur ist als Messkurve 300 das Detektorsignal 109, das von der Detektoreinrichtung 108 geliefert wird, in Abhängigkeit von der Zeit während des ersten Spannungspulses der 2 aufgetragen.
Um das Rauschen möglichst weitgehend eliminieren zu können, werden in dieser Zeitspanne von beispielsweise 0,8 Sekunden mehrere hundert bis tausend Einzelmessungen durchgeführt und die Einzelwerte 304 integriert.
Das Integral, durch die Fläche 302 in der 3 symbolisiert, wird als gemittelter Messwert für den ersten Puls verwendet. Erfindungsgemäß wird bereits der erste Einzelwert 304 während des ersten Pulses nach dem Einschalten der Gassensoreinheit verwendet, um mit Hilfe einer Abschätzung einen voraussichtlichen Endwert vorherzusagen. Übersteigt der geschätzte Wert eine vorbestimmte Schwelle, kann ein Alarmsignal ausgegeben werden.
Dabei wird gemäß einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung diese Abschätzung zweistufig durchgeführt. Zum einen lässt sich aus dem Einzelwert 304 mit Hilfe abgespeicherter Kurvenverläufe eine Vorhersage für den Verlauf der Kurve 300 treffen und ein Schätzwert für das Integral 302 ermitteln.
In einer nächsten Stufe kann aus dem geschätzten Integralwert, der einen geschätzten Mittelwert repräsentiert, und dem Wissen über das thermische Verhalten der Gassensoranordnung während des Einschwingens eine Abschätzung für den Integralwert im eingeschwungenen Zustand, d. h. für Zeiten t > tm ermittelt werden. Beispielsweise kann die Einschwingcharakteristik einer PID-Reglercharakteristik ähneln und daraus kann eine Abschätzung für den Endwert, der zu erwarten ist, bereits aus der ersten Einzelmessung ermittelt werden. Übersteigt der geschätzte Endwert einen vordefinierten Schwellenwert, so ist damit zu rechnen, dass überhöhte Gaskonzentrationen vorliegen, und es kann unmittelbar ein Alarm ausgelöst werden. Liegt der Schätzwert unter dem kritischen Schwellwert, so wird die Messung regulär weitergeführt, d. h. es werden die Integrale für den ersten und alle folgenden Pulse gebildet, bis der eingeschwungene Zustand erreicht ist und nach einer Zeit t > tm wird ein reguläres Messsignal ausgegeben.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung werden, falls der erste Einzelwert 304 nicht zum Auslösen eines Alarms geführt hat, die nachfolgenden Messwerte verwendet, um jeweils die Abschätzung während der Integrationsphase weiter zu verbessern. Somit entspricht der Schätzwert nach Ablauf der Integrationsphase des ersten Pulses dem eigentlichen gemittelten Messwert für den ersten Puls. Entsprechend kann der Schätzwert für den Endwert im Verlauf der nachfolgenden Pulse ebenfalls stetig verbessert werden.
Im Falle einer CO₂-Detektion liegen die Werte für eine normale Umgebung mit etwa 350 bis 1 500 ppm von den üblichen Alarmschwellen, die bei 10 000 bis 20 000 ppm angesetzt werden, weit genug entfernt, um einen Fehlalarm mit großer Sicherheit vermeiden zu können. Da der gefährliche Grenzwert also ausreichend weit von den Umgebungsbedingungen entfernt ist, kann trotz der großen Schätzfehler eine vergleichsweise sichere Frühwarnung für eine gefährliche Konzentration abgegeben werden. Dies geschieht sobald die vorher festgelegte Warnschwelle überschritten wird. Der eigentliche Messwert kommt in einem solchen Fall später als die Alarmmeldung. Somit kann mit der erfindungsgemäßen Frühwarneinrichtung die Zeit bis zur Warnung vor einer gefährlichen Gaskonzentration unmittelbar nach dem Einschalten des Gassensorsystems wesentlich verkürzt werden.
Bei der Betrachtung der 3 ist anzumerken, dass die schematisch dargestellten Einzelwerte selbstverständlich im tatsächlichen Zeitverlauf wesentlich dichter gedrängt in der Integrationsphase des Pulses liegen und die vorliegende Darstellung nur zur prinzipiellen Erklärung gewählt wurde.
4 zeigt in schematischer Darstellung die wesentlichen Funktionseinheiten, die erfindungsgemäß in der Steuerung 120 aus 1 vorgesehen sind. Die Steuerung weist eine Messwerterfassungseinheit 122 auf, welche das von der Detektoreinrichtung gelieferte Detektorsignal 109 erfasst. Die erfassten Signale werden einer Berechnungseinheit 124 zugeführt, in der mit Hilfe von in einer Speichervorrichtung 132 abgelegten Informationen über den Kurvenverlauf des Detektorsignals 109 während eines Pulses ein Schätzwert für den gemittelten, d. h. den integrierten Messwert während des ersten Pulses berechnet wird. Ein Vergleicher 134 führt einen Vergleich des Schätzwertes mit einem in der Speichervorrichtung abgelegten Schwellenwert durch und veranlasst die Ausgabeeinheit 126, ein Alarmsignal 136 auszugeben, falls der abgespeicherte Schwellenwert überschritten wurde. Die Steuerung 120 kann auch betrieben werden, um auf der Basis des abgeschätzten Integralwerts 302 einen Endwert für den Integralwert im eingeschwungenen Zustand vorherzusagen und den entsprechend abgeschätzten Endwert mit einem abgespeicherten Schwellenwert für den Endwert zu vergleichen.
Im Falle, dass keine Frühwarnung erforderlich ist, werden von der Detektoreinrichtung weitere Detektorsignale 109 geliefert und von der Berechnungseinheit 124 auf der Basis dieser neuen Schätzwerte während der Integrationsphase ein ständig verbesserter Schätzwert für den gemittelten Messwert während des ersten Pulses geliefert, bis schließlich der von der Berechnungseinheit gelieferte Schätzwert dem eigentlichen gemittelten Messwert entspricht. Dieses Vorgehen wird für alle weiteren Pulse während des thermischen Einschwingens durchgeführt, so dass nach einer definierten Anzahl von Pulsen ein Messsignal vorliegt, das als Endwert ausgegeben werden kann.
Erfindungsgemäß kann also im Falle sicherheitsrelevanter Einsatzgebiete bei einer Gassensoranordnung eine Frühwarnung vorgenommen werden, wenn bereits beim Einschalten des Gassensorsystems eine gefährliche Gaskonzentration vorliegt. In vorteilhafter Weise kann dies ohne Erhöhung der Komplexität der Sensoranordnung realisiert werden.
Selbstverständlich können Maßnahmen zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit, wie beispielsweise die Verwendung von mehr als einer Infrarotstrahlungsquelle oder mehreren Detektoren, im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zum Messen der Anwesenheit und/oder der Konzentration eines Analyten mittels einer Gassensoranordnung mit mindestens einer Strahlung emittierenden Strahlungsquelle, einem Gasmessraum, der mit einem Messgas, das mindestens einen zu messenden Analyten enthält, befüllbar ist, und mindestens einer die Strahlung detektierenden Detektoreinrichtung, die ein von der Anwesenheit und/oder der Konzentration des Analyten abhängiges Ausgangssignal erzeugt, wobei die Strahlungsquelle Strahlung in Form von Pulsen aussendet und während eines jeden Strahlungspulses eine Vielzahl von Einzelwerten zum Erzeugen eines gemittelten Messwerts aufgenommen wird, wobei während des ersten Strahlungspulses der erste der Vielzahl von Einzelwerten mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen wird und bei Überschreiten des Schwellenwerts ein Alarmsignal erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Vergleichens mit dem Schwellenwert umfasst: Bilden eines Schätzwerts für den gemittelten Messwert des ersten Pulses und Vergleichen des Schätzwerts mit einem durch einen maximal zulässigen gemittelten Messwert gebildeten Schwellenwert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt des Vergleichens mit dem Schwellenwert umfasst: Bilden eines weiteren Schätzwerts für einen nach dem thermischen Einschwingen der Gassensoranordnung erreichten Endwert und Vergleichen des weiteren Schätzwerts mit einem durch einen maximal zulässigen Endwert gebildeten Schwellenwert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der gemittelte Messwert durch Integrieren über die gesamte Vielzahl an Einzelwerten während des Strahlungspulses gebildet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schätzwert für den nach dem thermischen Einschwingen erreichten Endwert auf der Basis eines gespeicherten thermischen Modells der Detektoreinrichtung berechnet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf der Basis jedes nachfolgenden Einzelwerts innerhalb eines Strahlungspulses ein modifizierter Schätzwert für den gemittelten Messwert berechnet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf der Basis des tatsächlich gemessenen gemittelten Messwerts jedes nachfolgenden Strahlungspulses ein modifizierter weiterer Schätzwert für den nach dem thermischen Einschwingen erreichten Endwert berechnet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Schritt des Vergleichens des ersten der Vielzahl von Einzelwerten mit einem vorbestimmten Schwellenwert und des Erzeugens eines Alarmsignals bei Überschreiten des Schwellenwerts für mindestens einen nachfolgenden Strahlungspuls wiederholt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei nach einer vorbestimmten Anzahl von Strahlungspulsen ein Ausgangssignal ausgegeben wird, wenn kein Alarmsignal während der vorbestimmten Anzahl von Strahlungspulsen ausgegeben wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Strahlungsquelle Infrarotstrahlung aussendet.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zusätzlich die Temperatur an der Wandung des Gasmessraums oder in der Nähe der Strahlungsquelle gemessen wird und die gemessene Temperatur zur Korrektur der Messwerte und/oder zum Bestimmen des Erreichens des thermischen Gleichgewichts verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei gasförmige Analyten nachgewiesen werden und/oder deren Konzentration bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Analyt ein polares Gas, vorzugsweise Kohlendioxid, ist.
Gassensoranordnung mit mindestens einer Strahlung emittierenden Strahlungsquelle (102), einem Gasmessraum (104), der mit einem Messgas (110), das mindestens einen zu messenden Analyten enthält, befüllbar ist, mindestens einer die Strahlung detektierenden Detektoreinrichtung (108), die ein von der Anwesenheit und/oder der Konzentration des Analyten abhängiges Detektorsignal (109) erzeugt, und einer Steuerung (120) zum Verarbeiten des Detektorsignals und zum Ansteuern der Strahlungsquelle, wobei die Steuerung (120) so ausgebildet ist, dass sie betrieben werden kann, um das Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen.
Gassensoranordnung nach Anspruch 14, wobei die Detektoreinrichtung (108) ein Pyroelement, einen Thermopile-Detektor und/oder eine Photodiode aufweist.