DE102006010100A1 - Vorrichtung und Verfahren zur spektroskopischen Messung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur spektroskopischen Messung von gasförmigen oder flüssigen Substanzen in einem Messbereich (4), mit: einer Strahlungsquelle (2), die in verschiedene Betriebsmodi mit unterschiedlichen Emissionsspektren einstellbar ist, einer Filter- und Sensoranordnung (6), die mindestens zwei Sensorelemente mit jeweils einem vorgeschalteten optischen Filterelement aufweist und die von der Strahlungsquelle (2) ausgesandte und von dem Messbereich (4) abgegebene IR-Strahlung (IR) detektiert und ein Messsignal (S1) ausgibt, einer Auswerte- und Steueranordnung (9), die an die Strahlungsquelle (2) Steuersignale (S3) zur Einstellung von mindestens zwei Betriebsmodi mit unterschiedlichen Emissionsspektren (2-1, 2-2) ausgibt und das Messsignal (S1) in den verschiedenen Betriebsmodi der Strahlungsquelle (2) aufnimmt und auswertet, wobei die für Infrarotstrahlung transparenten Filterspektralbereiche (k7a, k7b) der Filterelemente (7a, 7b) unterschiedlich sind und sich in einem Überlapp (16) überlappen, aus dem Messsignale (S1) gewonnen werden, wobei die Auswerte- und Steueranordnung (9) aus den Messsignalen (S1) der mindestens zwei Sensorelemente (8a, 8b) in den verschiedenen Betriebsmodi eine Auswertung durchführt unter Verwendung der Messsignale (S1) des Überlapps (16).
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur spektroskopischen Messung. Hierbei können insbesondere gasförmige oder flüssige Substanzen untersucht werden.
- In spektroskopischen Analyseverfahren wird die Absorption von Strahlung in einem Messvolumen bzw. einer Messtrecke untersucht, wobei unterschiedliche Substanzen in der Messstrecke ein charakteristisches Absorptionsverhalten in ihren Spektrallinien aufweisen.
- Stand der Technik
- Die
DE 103 201 415 A1 zeigt eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren, bei dem die Strahlung durch eine Messstrecke auf ein Array aus Sensorelementen und Filterelementen ausgesandt wird. Die Filterelemente dienen der Ausfilterung ungewollter Spektralbereiche vor den jeweiligen Sensorelementen bzw. strahlungsempflindlichen Elementen und weisen jeweils unterschiedliche zentrale Wellenlängen auf, wobei sich ihre Filterspektralbereiche, in denen eine relevante Transmission der Strahlung zu dem dahinter liegenden Sensorelement stattfindet, jeweils deutlich von den Filterspektralbereichen der anderen Filterelemente unterscheiden und allenfalls unwesentlich in Fußbereichen überlappen. Die zentralen Wellenlängen der einzelnen Filterelemente sind hierbei auf die Spektrallinie der zu untersuchenden Substanzen abgestimmt, so dass die einzelnen Filterelemente selektiv einzelne Substanzen detektieren können. Somit kann eine direkte Messung und Zuordnung der Messsignale zu einzelnen Substanzen erfolgen. Es werden jedoch sehr viele Filter benötigt, die im Allgemeinen teuer sind. - In dem Artikel „Gas analysis using an infrared source with temporally varying temperature", Measurement Science and Technology 12 (2001), 1263-1269 sind einige Gasanalyseverfahren beschrieben. Eine Methode basiert auf dem Wienschen Verschiebungsgesetz. Hierbei wird die Verschiebung des Emissionsmaximums einer Strahlungsquelle in Abhängigkeit ihrer Temperatur herangezogen, wobei die Strahlung über ein Sensorelement als Summensignal gemessen wird. Durch einen Vergleich der gemessenen Summensignale bei unterschiedlichen Quellentemperaturen mit hinterlegten Referenzsummensignalen soll die Bestimmung von Absorptionsbanden möglich werden. Ein derartiges Verfahren ist jedoch in der Praxis kaum umsetzbar, da herkömmliche thermische Strahler mit hinreichender Genauigkeit einem schwarzen Strahler gleichen, dessen Emissionsspektrum damit so breit ist, dass eine ausreichende Selektivität nicht vorhanden ist. Mit kalten Strahlern ist jedoch eine ausreichende Variation des Spektrums nur in einem kleinen Frequenzintervall möglich.
- Ein weiteres in diesem Artikel beschriebenes Gasanalyseverfahren beruht auf der Verwendung einer Infrarotquelle mit sich zeitlich ändernder Temperatur. Die Spannung der Lichtquelle wird zeitlich gepulst mit unterschiedlichen Pulslängen abgegeben und die Veränderung der Pulse nachfolgend untersucht.
- Vorteile der Erfindung:
- Erfindungsgemäß sind mehrere – d.h. mindestens zwei – sich spektral überschneidende Filterelemente mit nachgeschalteten Sensorelementen vorgesehen; hierbei können die Filterelemente insbesondere unspezifisch, d.h. nicht auf jeweils relevante Wellenlängen abgestimmt sein. Hierbei überlappen sich die für die Transmission relevanten Filterspektralbereiche in nicht unerheblichem Maße, d.h. in einem für die nachfolgende Auswertung relevanten Maß, wobei Messdaten des Überlapps nachfolgend mit ausgewertet werden. Vorteilhafterweise liegt mindestens ein relevanter Spektralbereich einer zu messenden Substanz in mindestens zwei Filterspektralbereichen.
- Ein relevanter Spektralbereich kann erfindungsgemäß insbesondere eine Spektrallinie sein; weiterhin können jedoch auch andere charakteristische Spektralbereiche einer Substanz herangezogen werden, die eine quantitative Bestimmung ermöglichen.
- Erfindungsgemäß wird hierbei die Strahlungsquelle in unterschiedlichen Betriebsmodi mit unterschiedlichen Emissionsspektren betrieben, wozu vorteilhafterweise eine Glühbirne bzw. Glühwendel unterschiedlich stark bestromt wird und somit die Charakteristik eines schwarzen Strahlers mit unterschiedlichen maximalen Wellenlängen und unterschiedliche Wellenlängenverläufen aufweist. Alternativ hierzu können jedoch auch LED-Anordnungen oder Breitband-emittierende Laser eingesetzt werden.
- Die Sensorelemente geben in den verschiedenen Betriebsmodi jeweils Messsignale aus, die nach geeigneter Filterung und Verstärkung ausgewertet werden. Hierbei können für die verschiedenen Messungen linear unabhängige Gleichungen aufgestellt werden, so dass aus dem gewonnen Gleichungssystem eine Bestimmung, vorzugsweise eine Überbestimmung (mit redundanten Informationen) der zu ermittelnden Konzentrationswerte möglich ist. Hierbei können ergänzend Referenzdaten, d.h. Daten über Referenzspektren verwendet werden, die aus theoretisch bekannten physikalischen Daten oder durch vorherige Referenzmessungen festgelegt sind. Weiterhin können erfindungsgemäß Erkennungsalgorithmen, insbesondere Mustererkennungsalgorithmen verwendet werden, die entsprechend trainiert werden, z. B. Gauss-Algorithmen, weiterhin neuronale Netze, Vektor-Maschinen und Fuzzy-Logik. Hierbei ist erfindungsgemäß auch eine Auswertung ohne Referenzdaten alleine auf Grundlage von Erkennungsalgorithmen bzw. möglich.
- Somit können erfindungsgemäß durch Einstellung einer hinreichenden Anzahl von Betriebsmodi und nachfolgenden Messungen grundsätzlich beliebig große Gleichungssysteme mit linear unabhängigen Gleichungen aufgestellt werden, mit denen somit viele Konzentrationswerte ermittelt werden können und weiterhin durch Ähnlichkeitsuntersuchungen oder mathematische Überbestimmung auch hohe Genauigkeiten in diesen Werten erreicht werden können.
- Durch den Betrieb der mehreren, mit verschiedenen Filterelementen ausgerüsteten Sensorelemente in den unterschiedlichen Betriebsmodi und dem nachfolgenden Vergleich der Daten untereinander, gegebenenfalls auch mit den Referenzdaten, können somit Aussagen über die Zusammensetzung getroffen werden.
- Erfindungsgemäß können somit gegenüber z.B. der
DE 103 21 415 A1 weniger Filterelemente – z. B. nur zwei Filterelemente – verwendet werden, wobei die Filterelemente unspezifisch sein können. Hierdurch ergibt sich ein erheblicher Kostenvorteil. - Weiterhin ergibt sich eine hohe Variabilität, da eine Vielzahl unterschiedlicher Betriebsmodi eingestellt und somit mehr Messdaten für genauere und umfangreiche Untersuchungen erhalten werden können.
- Gemäß einer Ausführungsform fallen in mindestens einen Filterspektralbereich, vorzugsweise in einige oder auch alle Filterspektralbereiche, mindestens zwei relevante Spektrallinien der nachzuweisenden bzw. zu messenden Substanzen, so dass die betreffenden Sensorelemente ein Summensignal aus mindestens zwei Spektrallinien messen. In den verschiedenen Betriebsmodi ändert sich hierbei das Summensignal des betreffenden Sensorelementes nicht linear, da in den Wellenlängen der beiden Spektrallinien unterschiedliche Emissionswerte der Strahlungsquelle vorliegen.
- Gemäß einer Ausbildung wird die Strahlungsquelle derartig variiert, dass ihre spektrale Verteilung in den Betriebsmodi nicht linear abhängig ist, so dass aus einem Vergleich von Messdaten der erfassten Spektrallinie direkt Rückschlüsse auf die betreffende Spektrallinie gezogen werden können.
- Die Filter- und Sensoranordnung kann insbesondere durch unterschiedliche Filterelemente vor einem Sensor-Array bzw. strahlungsempfindlichen Array gebildet werden.
- Erfindungsgemäß können neben spektroskopischen Untersuchungen auf flüssige oder gasförmige Substanzen, z. B. in einer Fahrzeug-Klimaanlage oder in Verbrennungsgasen, auch Untersuchungen einer Fahrbahn durchgeführt werden.
- Beschreibung der Ausführungsformen
- Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine erfindungsgemäße Anordnung aus einer Strahlungsquelle und einer Filter- und Sensoranordnung, -
2 ein Spektraldiagramm der Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge mit den Messkurven der Filter sowie relevanten Spektrallinien und den Emissionskurven der Strahlungsquelle in verschiedenen Betriebsmodi; -
3 die erfindungsgemäße Messvorrichtung mit der Anordnung aus1 und einer Auswerte- und Steueranordnung; -
4 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. - In der Anordnung aus
1 ist eine Strahlungsquelle2 zum Aussenden von IR-Strahlung vorgesehen, die vorteilhafterweise eine im Niederstrombereich betriebene Glühwendel, aber auch z.B. eine LED-Anordnung oder ein durchstimmbarer IR-Laser sein kann. Relevant ist hierbei, dass die Strah lungsquelle2 IR-Strahlung in einem größeren Wellenlängenbereich aussendet und in verschiedene Betriebsmodi mit unterschiedlichen Emissionsspektren einstellbar ist. Die von der Strahlungsquelle2 ausgesandte IR-Strahlung IR gelangt durch einen Messbereich4 auf eine Filter- und Sensoranordnung6 , die als Sensor-Array6 ausgebildet ist und mehrere Filter, unter anderem die Filter7a ,7b , mit jeweils einem dahinter angeordneten Sensorelement8a ,8b aufweist. Das Sensor-Array kann insbesondere ein Thermopile- oder Diodenarray sein. - Der Messbereich
4 kann z. B. eine Messstrecke sein, die flüssige oder gasförmige Substanzen enthält. Weiterhin kann der Messbereich4 auch eine Fahrbahn sein, wobei erfindungsgemäß der Zustand der Fahrbahn4 detektiert wird, d.h. ob die Fahrbahn4 trocken oder nass ist, gegebenenfalls auch ob Schnee oder flüssiges Wasser vorliegt. - Gemäß
3 gibt das Sensor-Array6 ein Messsignal S1 an eine Signalaufbereitungseinrichtung10 zur Signalaufbereitung und Signalverstärkung, die Teil einer Auswerte- und Steueranordnung9 ist. Hierbei kann das erste Messsignals S1 insbesondere gefiltert werden, z.B. zur Rauschunterdrückung und Bereinigung von ungewollten Effekten. Die Signalaufbereitungseinrichtung10 gibt daraufhin ein verstärktes Signal S2 an eine Steuereinrichtung12 aus, die zum einen die Signalverarbeitung und Signalauswertung integriert und zum anderen der Steuerung der Strahlungsquelle2 dient. Die Steuereinrichtung12 vergleicht zur Auswertung die verstärkten Signale S2 mehrerer Messungen miteinander, vorteilhafterweise mittels eines Mustererkennungsalgorithmus, wie z. B. einen Gauss-Algorithmus, oder mittels eines neuronalen Netzes oder einer Vektor-Maschine, so dass sie Erkennung trainiert. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann sie von einem Speicher14 ergänzend Datensignale S4 mit Daten einer Referenzmessung bzw. mehrerer Referenzmessungen anfordern und mit den Datensignalen S4 vergleichen. - Zur Einstellung der mehreren Betriebsmodi gibt die Steuereinrichtung
12 ein entsprechendes Steuersignal S3 an die Strahlungsquelle2 aus. Die Ausgabe des Steuersignals S3 kann z. B. direkt durch entsprechende Bestromung der Strahlungsquelle2 erfolgen, d.h., dass Leistungsanschlüsse der z.B. als Glühwendel ausgebildeten Strahlungsquelle2 an die Steuereinrichtung12 angeschlossen sind. Bei Ausbildung der Strahlungsquelle2 als abstimmbarer IR-Laser wird entsprechend ein digitales oder analoges Steuersignal S3 an eine Steuereinrichtung der Strahlungsquelle2 ausgegeben. - Die Steuereinrichtung
12 ändert durch das Steuersignal S3 das Frequenzspektrum bzw. Wellenlängenspektrum der ausgesandten IR-Strahlung IR, wie aus dem Spektraldiagramm der2 ersichtlich ist. In2 ist die Intensität I als Ordinate gegenüber der als Abszisse mit der Wellenlänge λ aufgetragen. In dem relevanten Wellenlängenbereich liegen drei Spektrallinien λ1, λ2, λ3 von z.B. zu detektierenden Gasen bzw. Gaskonzentrationen. Diese Gaskonzentrationen können z.B. Kohlendioxid (CO2), Wasserdampf (N2O) und Stickoxide wiedergeben. In den Spektrallinien λ1, λ2, λ3 erfolgt somit eine Absorption der in die Messstrecke4 eingestrahlten IR-Strahlung IR in Abhängigkeit der Konzentration der betreffenden Gasen, so dass aus der Absorption auf die Konzentration des betreffenden Gases in der Messstrecke4 geschlossen werden kann; wobei die jeweiligen Absorptionswerte zunächst zu kalibrieren bzw. zueinander ins Verhältnis zu setzen sind. - Die Transmissionscharakteristiken der Filterelemente
7a ,7b sind entsprechend in2 als Filterspektralbereiche k7a, k7b (bzw. Transmissionskurven k7a, k7b) eingezeichnet. Hierbei werden erfindungsgemäß breite Transmissionsbereiche verwendet, die sich gegenseitig deutlich überlappen. Die Überlappung der Transmissionskurven k7a, k7b ist derartig groß, dass zumindest eine Spektrallinie λ2 in die Überlappung fällt. Bei Verwendung weiterer Filterelemente7c ,7d usw. tritt wiederum ein entsprechender Überlapp mit den Transmissionsbereichen anderer Filter auf. Hierbei können sich auch die Filterspektralbereiche von z. B. drei Filterelementen7i mit i = a, b, c, ... gemeinsam überlappen. - Das Emissionsspektrum der Strahlungsquelle
2 wird – wie oben beschreiben – in Abhängigkeit des Steuersignals S3 eingestellt. In2 sind Emissionsspektren2-1 und2-2 als Planck-Verteilung eines thermischen schwarzen Strahlers gezeigt, der bei einer Glühwendel als Strahlungsquelle2 in guter Näherung erreicht wird, wobei die Emissionsspektren2-1 und2-2 zur besseren Veranschaulichung der nicht linearen Abhängigkeit unterschiedlich normiert sind und daher ihre Werte nicht direkt vergleichbar sind. Das Emissionsspektrum2-1 ergibt sich bei niedrigerer Temperatur, d.h. mit einem Maximum bei größerer Wellenlänge λ, und entsprechend das Emissionsspektrum2-2 bei höherer Temperatur und somit mit einem Maximum bei niedrigerer Wellenlänge λ, wobei das Maximum der Kurve2-2 in dem Diagramm nicht mehr dargestellt ist. - Gemäß einer Ausführungsform fallen in die Filterspektralbereiche k7a, k7b jeweils mindestens zwei Spektrallinien; gemäß
2 z.B. die Spektrallinien λ1, λ2 in den Filterspektralbereich k7a und die Spektrallinien λ2, λ3 in den Filterspektralbereich k7b, wobei sich hierbei jeder Filterspektralbereich mit zumindest einem anderen Filterspektralbereich in mindestens einer Spektrallinie überschneidet, so dass erfindungsgemäß eine redundante Information geschaffen wird. Somit ist die minimale Filterzahl und damit auch die minimale Größe des Sensor-Array6 ein Array mit N = 2 Elementen. Die Anzahl der von einem Filterspektralbereich erfassten Spektrallinien hängt vom Setup der Filter ab. - Gemäß dem Beispiel der
2 können im Emissionsspektrum2-1 bei konstanter Temperatur bzw. konstanter Bestromung der Strahlungsquelle2 die Spektrallinien λ1 und λ2 nicht unterschieden werden. Bei einer Verschiebung der Charakteristik der Strahlungsquelle2 auf die höhere Temperatur bzw. kürzeres λ des Emissionsspektrum2-2 ergibt sich für das Detektorelement nach dem Filter7a eine charakteristische Differenz des Summensig nals. Durch Vergleich des bei dieser Messung erhaltenen Signals S1 mit einem abgespeicherten Referenzsignal können die Spektrallinie λ1 und λ2 unterschieden werden. - Erfindungsgemäß ist es jedoch grundsätzlich ausreichend, dass bei den Messungen in verschiedenen Betriebsmodi mit verschiedenen Filtern die Filterspektralbereiche k7i mit i = a, b, ... sich in einem Überlapp
16 überschneiden bzw. überlappen und in dem Überlapp16 Informationen gesammelt werden. Hieraus können erfindungsgemäß linear unabhängige Gleichungen gebildet werden, die zu einer Bestimmung und insbesondere Überbestimmung der zu ermittelnden Konzentrationswerte führen. Weiterhin können Ähnlichkeitsuntersuchungen durchgeführt werden, um zu exakteren Aussagen zu kommen. - Durch zwei Messungen bei zwei linear unabhängigen Emissionsspektren
2-1 und2-2 können durch die zwei Filterspektralbereiche k7a und k7b somit vier linear unabhängige Gleichungen aufgestellt werden, durch die drei Absorptionsbänder bzw. Spektrallinien λ1, λ2 und λ3 überbestimmt werden können. - Das erfindungsgemäße Verfahren wird somit gemäß
4 in Schritt St1 gestartet. Gemäß der Schleife der Schritte St2 bis St5 werden in Schritt St2 zunächst i = 1, 2, ... verschiedene Emissionsspektren2-i von IR-Strahlung durch unterschiedliche Bestromung der Strahlungsquelle2 erzeugt und für jedes Emissionsspektrum2-i in Schritt St3 von der Filter- und Sensoranordnung6 Messwerte aufgenommen und Messsignale S1 ausgeben, die gemäß Schritt St4 aufbereitet, verstärkt und als verstärkte Signale S2 ausgegeben werden. Die so gewonnenen verschiedenen Messwerte werden nachfolgend in Schritt St5 gemäß den obigen Überlegungen quantitativ und qualitativ ausgewertet, so dass ermittelte Konzentrationswerte xy der verschiedenen Gaskonzentrationen ausgegeben werden können, wobei nachfolgend das Verfahren vor den Schritt St2 zurückgesetzt wird.
Claims (29)
- Vorrichtung zur spektroskopischen Messung, mit: einer Strahlungsquelle (
2 ), die in verschiedene Betriebsmodi mit unterschiedlichen Emissionsspektren (2-1 ,2-2 ) einstellbar ist zur Aussendung von IR-Strahlung in einen Messbereich (4 ), einer Filter- und Sensoranordnung (6 ), die mindestens zwei Sensorelemente (8a ,8b ) mit jeweils einem vorgeschalteten optischen Filterelement (7a ,7b ) aufweist und die von der Strahlungsquelle (2 ) ausgesandte und durch den Messbereich (4 ) gelangte IR-Strahlung (IR) detektiert und ein Messsignal (S1) ausgibt, einer Auswerte- und Steueranordnung (9 ), die an die Strahlungsquelle (2 ) Steuersignale (S3) zur Einstellung von mindestens zwei Betriebsmodi mit unterschiedlichen Emissionsspektren (2-1 ,2-2 ) ausgibt und das Messsignal (S1) in den verschiedenen Betriebsmodi der Strahlungsquelle (2 ) aufnimmt und auswertet, wobei die für Infrarotstrahlung transparenten Filterspektralbereiche (k7a, k7b) der Filterelemente (7a ,7b ) unterschiedlich sind und sich in einem Überlapp (16 ) überlappen, aus dem Messsignale (S1) gewonnen werden, wobei die Auswerte- und Steueranordnung (9 ) aus den Messsignalen (S1) der mindestens zwei Sensorelemente (8a ,8b ) in den verschiedenen Betriebsmodi eine Auswertung durchführt unter Verwendung der Messsignale (S1) des Überlapps (16 ). - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steueranordnung (
9 ) die Auswertung auf Grundlage eines linear unabhängigen Gleichungssystems aus den Messsignalen (S1) der mindestens zwei Sensorelemente (8a ,8b ) in den verschiedenen Betriebsmodi durchführt. - Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Überlapp (
16 ) von zwei Filterspektralbereichen (k7a, k7b) mindestens ein relevanter Spektralbereich (λi) einer zu messenden Substanz liegt. - Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steueranordnung (
9 ) die Auswertung auf Grundlage einer Mustererkennung durchführt. - Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der mindestens zwei Filterspektralbereiche (k7a, k7b) mindestens zwei relevante Spektrallinien (λi) zu messender Substanzen liegen.
- Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Emissionsspektren (
2-1 ,2-2 ) der mindestens zwei Betriebsmodi verschiedene Spektrallinien (λi) zu messender Substanzen erfasst sind. - Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Spektrallinie (λ2), die in mindestens zwei Filterspektralbereichen (k7a, k7b) liegt, in mindestens zwei Emissionsspektren (
2-1 ,2-2 ) unterschiedlich stark erfasst wird. - Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Spektrallinie (λ2), die in mindestens zwei Filterspektralbereichen (k7a, k7b) liegt, in einem Emissionsspektrum (
2-1 ,2-2 ) nicht oder nur vernachlässigbar erfasst ist. - Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich (
4 ) eine Messstrecke (4 ) ist, in der gasförmige oder flüssige Substanzen aufgenommen sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich (
4 ) eine Fahrbahn (4 ) ist, als Mess-Signale Reflexionsspektren der Fahrbahn (4 ) aufgenommen werden und die Auswerte- und Steueranordnung (9 ) den Zustand der Fahrbahn detektiert. - Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steueranordnung (
9 ) eine Signalaufbereitungseinrichtung (10 ) zur Aufnahme, Aufbereitung und Verstärkung des Messsignals (S1) und Ausgabe eines verstärkten Signals (S2) und eine Steuereinrichtung (12 ) zur Ausgabe der Steuersignale (S3), Aufnahme der verstärkten Signale (S2) und eines Datensignals (S4) des Speichers (14 ), und Auswertung der verstärkten Signale (S2) in Abhängigkeit der ausgegebenen Steuersignale (S3) aufweist. - Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (
2 ) eine Glühlampe aufweist, die in den verschiedenen Betriebsmodi in Anhängigkeit der Steuersignale (S3) unterschiedlich bestromt ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (
2 ) eine unterschiedlich schaltbare LED-Anordnung oder einen abstimmbaren IR-Laser aufweist. - Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filter- und Sensoranordnung (
6 ) ein Array (6 ) aus Sensorelementen (8a ,8b ) und vorgeschalteten Filterelementen (7a ,7b ) mit unterschiedlichen Filterspektralbereichen aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die die Filter- und Sensoranordnung (
6 ) ein Thermopile- oder Diodenarray aufweist. - Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steueranordnung (
9 ) eine Fuzzy-Logik und/oder ein neuronales Netz und/oder einen Gauss-Algorithmus oder eine Vektormaschine aufweist oder verwendet. - Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steueranordnung (
9 ) zur Auswertung die Messsignale (S1) der verschiedenen Betriebsmodi mit gespeicherten Daten über Referenzspektren aus einem Speicher (14 ) verarbeitet. - Verfahren zur spektroskopischen Messung von gasförmigen oder flüssigen Substanzen in einem Messbereich (
4 ), mit folgenden Schritten: Aussenden von Steuersignalen (S3) an eine Strahlungsquelle (2 ), Aussenden von IR-Strahlung (IR) in verschiedenen Betriebsmodi mit unterschiedlichen Emissionsspektren (2-1 ,2-2 ) in den Messbereich (4 ) in Abhängigkeit der Steuersignale (S3), Detektion der durch den Messbereich (4 ) gelangten IR-Strahlung (IR) in mindestens zwei Filterspektralbereichen (k7a, k7b) und Ausgabe von Messsignalen (S1), Aufnahme der Messsignale (S1) in den verschiedenen Betriebsmodi und Auswertung in Abhängigkeit der ausgegebenen Steuersignale (S3), wobei die für Infrarotstrahlung transparenten Filterspektralbereiche (k7a, k7b) unterschiedlich sind und sich in einem Überlapp (16 ) überlappen, und wobei die Auswertung aus den Messsignalen (S1) der mindestens zwei Sensorelemente (8a ,8b ) in den verschiedenen Betriebsmodi unter Verwendung der Messsignale (S1) des Überlapps (16 ) erfolgt. - Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung auf Grundlage eines linear unabhängigen Gleichungssystems erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Überlapp (
16 ) von zwei Filterspektralbereichen (k7a, k7b) mindestens ein relevanter Spektralbereich, z. B. eine Spektralinie (λi), einer zu messenden Substanz liegt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung auf Grundlage einer Mustererkennung erfolgt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der mindestens zwei Filterspektralbereiche (k7a, k7b) mindestens zwei relevante Spektrallinien (λi) zu messender Substanzen liegen.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass in den Emissionsspektren (
2-1 ,2-2 ) der mindestens zwei Betriebsmodi verschiedene Spektrallinien (λi) zu messender Substanzen erfasst sind. - Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Spektrallinie (λ2), die in mindestens zwei Filterspektralbereichen (k7a, k7b) liegt, in einem Emissionsspektrum (
2-1 ,2-2 ) nicht oder nur vernachlässigbar erfasst ist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass in die Mess-Signale (S1) mit gespeicherten Daten über Referenzspektren verglichen werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung unter Verwendung eines Mustererkennungsalgorithmus, z. B. mit einer Fuzzy-Logik und/oder einem neuronalen Netz und/oder einem Gauss-Algorithmus erfolgt.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konzentration von Kohlendioxid und/oder Wasserdampf in der Innenluft eines Innenraums eines Kraftfahrzeuges ermittelt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand einer Betriebsflüssigkeit des Kraftfahrzeuges, z.B. des Motoröls, Kraftstoffs, der Kühlflüssigkeit oder der Bremsflüssigkeit gemessen wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand einer Fahrbahn detektiert wird, wobei als Mess-Signale Reflexionsspektren der Fahrbahn (
4 ) aufgenommen werden und die Auswerte- und Steueranordnung (9 ) den Zustand der Fahrbahn detektiert.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102007005642A1 (de) * | 2007-01-31 | 2008-08-07 | J & M Analytische Mess- Und Regeltechnik Gmbh | Vorrichtung und Verfahren zur spektralen Diagnostik von Substanzen und/oder Oberflächen |
| DE102009000182A1 (de) | 2009-01-13 | 2010-07-15 | Robert Bosch Gmbh | Messvorrichtung, Anordnung und Verfahren zur Messung eines Gehaltes an mindestens einer Komponente in einem flüssigen Kraftstoff |
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| DE102011111836A1 (de) * | 2011-08-27 | 2013-02-28 | Inficon Gmbh | Vorrichtung und Verfahren zur Kältemittelidentifikation |
| DE102019133726A1 (de) * | 2019-12-10 | 2021-06-10 | Friedrich Boysen Gmbh & Co. Kg | Sensoreinheit zur Anordnung an einem Fahrzeug mit einem Brennstoffenergiewandler |
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|---|---|---|---|---|
| GB1525291A (en) | 1976-06-11 | 1978-09-20 | Infrared Eng Ltd | Apparatus for determining the thickness moisture content or composition of a film or coating |
| US4300049A (en) | 1980-02-27 | 1981-11-10 | Accuray Corporation | Dynamically standardized radiant energy method and apparatus for plural channel gain independent material property measurement |
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102007005642A1 (de) * | 2007-01-31 | 2008-08-07 | J & M Analytische Mess- Und Regeltechnik Gmbh | Vorrichtung und Verfahren zur spektralen Diagnostik von Substanzen und/oder Oberflächen |
| DE102009000182A1 (de) | 2009-01-13 | 2010-07-15 | Robert Bosch Gmbh | Messvorrichtung, Anordnung und Verfahren zur Messung eines Gehaltes an mindestens einer Komponente in einem flüssigen Kraftstoff |
| WO2010105905A1 (de) | 2009-03-17 | 2010-09-23 | Robert Bosch Gmbh | Steuerungsanordnung für ein abgasrückführungssystem, abgasrückführungssystem und verfahren zum betreiben eines abgasrückführungssystems |
| DE102009001615A1 (de) | 2009-03-17 | 2010-09-23 | Robert Bosch Gmbh | Steuerungsanordnung für ein Abgasrückführungssystem, Abgasrückführungssystem und Verfahren zum Betreiben eines Abgasrückführungssystems |
| DE102011111836A1 (de) * | 2011-08-27 | 2013-02-28 | Inficon Gmbh | Vorrichtung und Verfahren zur Kältemittelidentifikation |
| US10031075B2 (en) | 2011-08-27 | 2018-07-24 | Inficon Gmbh | Device and method for identifying refrigerants |
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