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Stand der Technik
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Abgasrückführungssysteme
werden insbesondere dazu eingesetzt, bei der Verbrennung von Kraftstoff
entstehende Stickoxide zu reduzieren. Sie sind z. B. für
Ottomotoren, Dieselmotoren, Gasturbinen und Heizkessel einsetzbar.
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Bekannte
Abgasrückführungssysteme umfassen einen Verbrennungsraum,
eine mit dem Verbrennungsraum verbundene Zuleitung für
das Zuführen von einem Frischgas-Abgas-Gemisch in den Verbrennungsraum,
und eine Abgasrückführleitung, wobei die Abgasrückführleitung
mit der Zuleitung in einem ersten Verbindungsbereich für
das Rückführen von Abgasen in die Zuleitung verbunden
ist. Eine mit dem Verbrennungsraum verbundene Abgasleitung ermöglicht
das Abführen von in dem Verbrennungsraum entstandenen Abgasen,
wobei die Abgasleitung mit der Abgasrückführleitung
in einem zweiten Verbindungsbereich verbunden ist. Zur Steuerung der
Abgasrückführung ist bei einer so genannten externen
Abgasrückführung in die Abgasrückführleitung
zwischen Abgasleitung und Zuleitung ein Abgasrückführungsventil
eingebaut, welches üblicherweise in Abhängigkeit
von dem Druck in der Zuleitung, Motordrehzahl und Motortemperatur
die Abgasrückführungsrate steuert. Das Gemisch
aus Frisch- und Abgas besitzt einen bezogen auf das Volumen niedrigeren
Brennwert als das reine Frischgas und erreicht daher nicht mehr
die für die Stickstoffoxidbildung erforderliche Temperatur
im Verbrennungsraum, wodurch die Stickoxidbildung reduziert ist.
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Eine
andere bekannte Art von Abgasrückführsystemen
ist derart ausgebildet, dass in einem Ansaugvorgang zum Ansaugen
von Frischgas in den Verbrennungsraum die Verbindung von Verbrennungsraum
und Abgasleitung, die in der Regel von einem Auslassventil geöffnet
und geschlossen wird, einen bestimmten Zeitabschnitt lang geöffnet
bleibt, so dass in dem Ansaugvorgang neben Frischgas auch Abgas
aus der Abgasleitung angesaugt wird. Dieses Prinzip wird als interne
Abgasrückführung bezeichnet.
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Nachteilig
an den bekannten Abgasrückführungssystemen ist,
dass die Abgasrückführungsrate in der Regel weit
unter der Rate liegt, die je nach Betriebszustand des Motors möglich
wäre. Dies liegt insbesondere daran, dass nur ungenaue
Kenntnis über die jeweiligen Volumenanteile von Abgas-
und Frischgas in dem Abgas-Frischgas-Gemisch vorhanden sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Steuerungsanordnung für
ein Abgasrückführungssystem umfasst mindestens
eine Steuereinheit und einen Sensor, wobei der Sensor einen Gehalt
bzw. eine Konzentration an mindestens einer Komponente in einem
Frischgas-Abgas-Gemisch misst, das sich in einer Zuleitung zu einem
Verbrennungsraum befindet, und Komponenten-Messsignale bzw. Komponenten-Messwerte
an die Steuereinheit ausgibt. Die Steuereinheit nimmt die Komponenten-Messsignale auf
und steuert in Abhängigkeit der Komponenten-Messsignale über
ein Steuerungsmittel die Abgasrate bzw. Abgasrückführrate
des in die Zuleitung rückzuführenden Abgases als
Anteil vom gesamten Abgasstrom.
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Die
Messung des Gehalts an zumindest einer Komponente des Frischgas-Abgas-Gemisches
in der Zuleitung ermöglicht es, Aufschluss bzw. weitere Informationen über
die Zusammensetzung des Frischgas-Abgas-Gemisches zu erhalten. Über
die Bestimmung des Gehalts an der mindestens einen Komponente kann
insbesondere der Abgasanteil in dem Frischgas-Abgas- Gemisch ermittelt
werden. Komponenten, deren Gehalt bestimmt wird, sind vorzugsweise
Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und/oder Stickoxide. Erfindungsgemäß wird
hierbei auch erkannt, dass diese Komponenten in dem Abgas in anderer
Konzentration als in dem Frischgas vorliegen und somit aus der erfindungsgemäßen
Messung des Gehaltes bzw. der Konzentration der Komponente der Abgasanteil
in dem Gemisch ermittelt werden kann.
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Durch
die genaue Kenntnis des Abgasanteils ist es möglich, den
Abgasanteil in dem Gemisch je nach dem Betriebszustand beispielsweise
eines Motors dem optimalen Verhältnis von Frischgas zu
Abgas mit hoher Genauigkeit anzupassen. Erfindungsgemäß ist
vorteilhafterweise eine Regelung bzw. Regulierung dieses Anteils
des Abgases an dem Gemisch möglich durch Messung des Gehaltes
an der Komponenten und Einstellung des Abgasrückführanteils
bzw. der Abgasrückführrate.
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Erfindungsgemäß ergeben
sich einige Vorteile:
Es kann insbesondere eine verbesserte
Stickoxid-Reduktion erreicht werden. Hierdurch können weitere
Stickoxid-reduzierende Maßnahmen ganz entfallen oder verringert
werden.
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Weiterhin
ist auch eine Kraftstoffeinsparung möglich; bei bestimmten
Motoren, beispielsweise Otto-Motoren, ist dies insbesondere durch
eine weitere Entdrosselung durch höhere Abgasrückführraten
und auch eine seltenere Regenerierung eines Stickoxid-Speicherkats
bei Magerbetrieb möglich.
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Die
erfindungsgemäßen Maßnahmen sind hierbei
auch für einen Betrieb mit variabler Brennstoffzusammensetzung
(Flexfuel-Betrieb) möglich, bei dem z. B. ein Biokraftstoff
zugemischt wird.
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Weiterhin
können mit dem Sensor mehrere Komponenten gemessen werden,
z. B. neben Kohlendioxid auch Kohlenmonoxid und/oder Stickoxide, wobei
diese Zusatzinformationen weiterverarbeitet werden können.
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Hierbei
sind diese Verbesserungen erfindungsgemäß mit
relativ geringem Aufwand, nämlich mit im wesentlichen nur
einem zusätzlichen Sensor bzw. Gassensor möglich,
so dass sich eine kostengünstige Lösung ergibt.
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Die
erfindungsgemäße Steuerungsanordnung kann als
Bestandteil eines Abgasrückführungssystems sowohl
für die interne Abgasrückführung als auch
die externe Rückführung ausgebildet sein. Das Steuerungsmittel
kann beispielsweise durch ein Abgasrückführungsventil
oder ein Auslassventil gebildet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen,
die durch mehrere Figuren dargestellt sind, näher beschrieben.
Dabei zeigt:
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1 eine
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Abgasrückführungssystems,
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2 eine
erste Ausführungsform eines dem Abgasrückführungssystem
zugeordneten Sensors, und
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3 eine
zweite Ausführungsform eines Sensors.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Gleiche
oder einander entsprechende Bauteile sind in den Figuren mit denselben
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 1 zeigt
eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Abgasrückführungssystems 1.
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Das
Abgasrückführungssystem 1 umfasst einen
Verbrennungsraum 2, eine mit dem Verbrennungsraum 2 verbundene
Zuleitung 3 für das Zuführen von Frischgas 24 in
den Verbrennungsraum 2, eine mit dem Verbrennungsraum 2 verbundene
Abgasleitung 7 für das Abführen von in
dem Verbrennungsraum 2 entstandenen Abgasen 25,
und eine Abgasrückführleitung 4. Die
Abgasrückführleitung 4 ist mit der Zuleitung 3 in
einem ersten Verbindungsbereich 5 und mit der Abgasleitung 7 in
einem zweiten Verbindungsbereich 8 für das Rückführen
von Abgasen 25 aus der Abgasleitung 7 in die Zuleitung 3 verbunden.
Alternativ könnte die Abgasrückführleitung 4 beispielsweise
auch mit einer Abgasleitung eines weiteren Verbrennungsraums verbunden
sein, und/oder die Zuleitung 3 in mehrere, getrennte Verbrennungsräume
einmünden (nicht gezeigt).
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Zwischen
dem Verbrennungsraum 2 und dem ersten Verbindungsbereich 5 befindet
sich ein Sensor 6 für die Messung eines Gehalts
an mindestens einer Komponente in einem sich in der Zuleitung 3 befindendem
Frischgas-Abgas-Gemisch. Der Sensor 6 ist mit einer Steuereinheit 10 für
die Übertragung von Komponenten-Messsignalen S1 verbunden,
hier über ein Datenübertragungskabel 20.
Alternativ wäre beispielsweise auch eine Funkverbindung zur
Signalübertragung möglich. Die Steuereinheit 10 gibt über
eine Steuerleitung 21 Steuersignale S2 an ein Steuerungsmittel 9 aus,
das in einem Zwischenabschnitt der Abgasrückführleitung 4 angeordnet
ist und in Abhängigkeit der Steuersignale S2 die Abgasrückführrate
des in die Zuleitung 3 rückzuführenden Abgases
einstellt. Die Steuereinheit 10, der Sensor 6 und
das Steuerungsmittel 9 bilden hierbei die erfindungsgemäße
Steuerungsanordnung.
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Der
Sensor 6 ist in Ansaugrichtung des Frischgases 24 hinter
einem Durchmischungsmittel 19 angeordnet, welches sich
zwischen dem ersten Verbindungsbereich 5 und dem Verbrennungsraum 2 befindet.
Das Durchmischungsmittel 19, hier ausgebildet durch eine
Krümmung der Zuleitung 3, erzeugt eine Verwirbelung,
die die Durchmischung von Frischgas 24 und Abgas 25 verbessert.
Der Sensor 6 befindet sich damit in einem Bereich der Zuleitung 3, in
dem das Frischgas-Abgas-Gemisch gut durchmischt ist. Alternativ
kann ein Durchmischungsmittel auch durch ein in die Zuleitung 3 eingesetztes
zusätzliches Element gebildet werden.
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In
diesem Ausführungsbeispiel ist der Verbrennungsraum 2 ein
Verbrennungsraum eines Motors, beispielsweise eines Otto-Motors
oder eines Diesel-Motors. Alternativ kann der Verbrennungsraum 2 beispielsweise
auch einer Gasturbine oder einem Heizkessel zugeordnet sein. Die
Zuleitung 3, die Abgasleitungen 7 und die Abgasrückführleitung 4 sind
als Rohre ausgebildet. Das Steuerungsmittel 9 ist als steuerbares
Abgasrückführungsventil 9 ausgebildet.
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Das
Abgasrückführungssystem 1 wird derart betrieben,
dass der Gehalt bzw. die Konzentration an der mindestens einen Komponente
in einem mit rückgeführtem Abgas 25 gemischten,
den Verbrennungsraum 2 für eine Verbrennung zuzuführenden
Frischgas-Abgas-Gemisch mittels des Sensors 6 gemessen
wird. In Abhängigkeit des gemessenen Komponentengehalts
wird der Anteil des Abgases in dem dem Verbrennungsraum 2 zuzuführendem
Frischgas-Abgas-Gemisch reguliert. Die Regulierung des Abgasanteils
wird über eine Steuerung des Abgasrückführungsventils 9 über
die Steuereinheit 10 erreicht. Die Steuereinheit 10 ist
hierbei für ein Auslesen und Auswerten der Messsignale
S1 des Sensors 6 und Ausgabe der Steuersignale S2 zur Steuerung des
Steuermittels 9 mit geeigneter Elektronik und Programmen
ausgebildet bzw. eingerichtet. Hierbei kann die Steuereinheit 10 insbesondere
bei Kenntnis des Gehaltes an der Komponente in dem Abgas 25 – und
grober Kenntnis dieses Gehaltes in dem Frischgas 24 direkt
den Anteil des Abgases in dem Frischgas-Abgas-Gemisch ermitteln.
Neben den Messsignalen S1 verwendet die Steuereinheit 10 zur
Ausgabe der Steuersignale S2 weitere Parameter, die den Betriebszustand
des Motors wiedergeben, insbesondere ein Saugrohrdruck in der Zuleitung 3,
die Motordrehzahl und die Mo tortemperatur. Letzteres ist an sich
bekannt, weswegen hierauf nicht tiefer eingegangen wird.
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Die
Kenntnis des Abgasanteils in dem Frischgas-Abgas-Gemisch zwischen
dem ersten Verbindungsbereich 5 und dem Verbrennungsraum 2 ermöglicht
es, über das Steuerungsmittel 9 die Abgasrückführrate
des rückzuführenden Abgases 25 derart
einzustellen, dass das Verhältnis von Abgas 25 zu
Frischgas 24 nahezu dem gewünschten Optimum entspricht.
Des Weiteren ist eine schnelle Anpassung dieses Verhältnisses
an sich ändernde Betriebszustände des Motors möglich.
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In
diesem Ausführungsbeispiel wird durch den Sensor 6 der
Gehalt an Kohlendioxid CO2 in dem Frischgas-Abgas-Gemisch bestimmt.
Dieser Gehalt in dem Frischgas 24 ist z. B. grob bekannt
und gering; er kann gleich Null gesetzt werden. Der Gehalt von CO2
in dem Abgas 25 kann z. B. direkt über einen weiteren
Sensor gemessen werden oder aus Berechnungen oder Modellen bekannt
sein. Hierbei können Messwerte einer Lambda-Sonde herangezogen
werden. Insbesondere aber ist die Zusammensetzung des Kraftstoffs
bekannt, der z. B. im wesentlichen oder ausschließlich
aus Kohlenwasserstoffen mit bekanntem Verhältnis von Kohlenstoff
zu Sauerstoff besteht. Bei der Verbrennung entstehen also Wasser
und Kohlendioxid, gegebenenfalls bleibt in Abhängigkeit
der Motoreinstellung Sauerstoff übrig. insbesondere bei
einem Lambda 1 Betrieb, bei dem sämtlicher Sauerstoff
O2 zur Verbrennung des Kraftstoffs verwendet wird, ist die Zusammensetzung
der Abgase bekannt, weiterhin auch in einem bekannten Magerbetrieb,
wo Sauerstoff O2 im Abgas 25 verbleibt. Ergänzend
können die Messwerte der Lambda-Sonde verwendet werden,
die die Abgase 25 vermisst und den Restsauerstoffgehalt
im Abgas 25 ermittelt.
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Da
der CO2-Anteil im Frischgas 24 bekannt ist und weiterhin
auch im Abgas 25 aus Messung und/oder Berechnung bzw. Modell
bekannt ist, kann aus der Messung des CO2-Gehaltes bzw. -Konzentration
der Anteil des Abgases 25 im Frischgas-Abgas-Gemisch ermittelt
werden.
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Alternativ
können andere Komponenten zusätzlich oder anstatt
Kohlendioxid bestimmt werden, beispielsweise Kohlenmonoxid oder
Stickoxide.
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In
einer alternativen Ausführungsform ist das Abgasrückführungssystem
für eine interne Abgasrückführung ausgebildet.
Im Gegensatz zu dem in der 1 gezeigten
Abgasrückführungssystem 1 ist keine Abgasrückführungsleitung 4 vorgesehen.
Des Weiteren wird das Steuerungsmittel 9 durch ein in der 1 nicht
näher dargestelltes, an sich bekanntes Auslassventil gebildet,
welches zwischen dem Verbrennungsraum 2 und der Abgasleitung 7 angeordnet
ist, und mittels dem der Verbrennungsraum 2 zur Abgasleitung 7 hin
geöffnet oder geschlossen werden kann. Bei einem Ansaugen
von Frischgas 24 wird durch ein offenes Auslassventil aus
der Abgasleitung 7 Abgas 25 angesaugt, wodurch
in dem Verbrennungsraum 2 ein Frischgas-Abgas-Gemisch gebildet
wird. Dieses Frischgas-Abgas-Gemisch bildet sich in die Zuleitung 3 hinein
bis zum Sensor 6 aus. Analog der oben beschriebenen Ausführungsform wird
mittels des Sensors 6 der Gehalt an einer Komponente in
dem Frischgas-Abgas-Gemisch gemessen und durch die Steuereinheit 10 auf
Grundlage dieser Messung über Steuerung des Auslassventils die
Abgasrückführrate des in den Verbrennungsraum 2 rückzuführenden
Abgases 25 reguliert.
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Die 2 zeigt
den Sensor 6 in einer Detaildarstellung.
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Der
Sensor
6 ist als spektroskopischer Sensor
6 ausgebildet.
Derartige, für die Messung von gasförmigen Substanzen
ausgebildete Sensoren sind grundsätzlich bekannt, siehe
beispielsweise die Druckschriften
DE 10 2004 044 145 B3 ,
DE 10 2006 049 260
A1 ,
DE
10 2006 010 100 A1 . In diesem Ausführungsbeispiel
umfasst der Sensor
6 eine Infrarotstrahlungsquelle
13 und
einen optischen Detektor
14, die in einer Messkammer
11 des
Sensors
6 angeordnet sind. Die Messkammer
11 ist
benachbart der Zuleitung
3 angeordnet. Ein Bereich einer
gemeinsamen Wandung von Zuleitung
3 und Messkammer
11 wird
durch eine gasdurchlässige Membran
12 gebildet.
Die gasdurchlässige Membran
12 ermöglicht
einen genügend schnellen Gasaustausch zwischen Zuleitung
3 und
Messkammer
11, verhindert aber, dass Schmutz, wie Partikel
oder Flüssigkeiten, beispielsweise Staubpartikel oder Öl
in die Messkammer
11 gelangen.
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Der
Detektor 14 umfasst zwei Sensoreinheiten 14a, 14b,
die beispielsweise als Thermopile-, Bolometer-, pyroelektrische
oder Diodensensoren ausgebildet sein können. Die Sensoren 14a, 14b sind
jeweils durch ein Filterelement 22a, 22b abgedeckt. Die
Transmissionscharakteristik des der ersten Sensoreinheit 14a zugeordneten
Filters 22a ist an das Absorptionsspektrum von der Komponente
angepasst, deren Gehalt bestimmt werden soll, hier Kohlendioxid.
Das zweite Filterelement 22b, das der zweiten Sensoreinheit 14b zugeordnet
ist, besitzt eine Transmissionscharakteristik, die verschoben zu der
Transmissionscharakteristik des ersten Filterelementes 22a ist.
Die erste Sensoreinheit 14a mit erstem Filter 22a bildet
einen Messkanal, die zweite Sensoreinheit 14b mit zweitem
Filter 22b bildet einen Referenzkanal. Von der Strahlungsquelle 13,
hier eine Glühlampe, ausgesendete Strahlung 18 wird,
je nach der Höhe des Gehalts an der Komponente, eine sich
in der Messkammer 11 befindenden Gases unterschiedlich
stark absorbiert. Diese Intensitätsänderung ist
mittels der ersten Sensoreinheit 14a messbar. Mittels der
zweiten Sensoreinheit 14b ist ein Referenzsignal aufnehmbar.
Mittels des Referenzsignales lassen sich beispielsweise Intensitätsschwankungen
der Strahlungsquelle 13 oder Änderungen des optischen
Pfades zwischen Strahlungsquelle 13 und Detektor 14 berücksichtigen.
Durch die Auswertung der mit den Sensoreinheiten 14a, 14b aufgenommenen
Messwerte lässt sich der Anteil an der Komponente, hier
an Kohlendioxid, in einem sich in der Messkammer 11 befindenden
Gas, hier einem Frischgas-Abgas-Gemisch, bestimmen.
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Alternativ
kann der Sensor 6 mit mehreren, für die Spektroskopie
auf unterschiedlichen Absorptionslinien eingerichteten Messkanälen 14a, 22a ausgerüstet
werden, beispielsweise um Querempfindlichkeiten, die durch andere
Komponenten verursacht werden, zu eliminieren. Durch die Verwendung mehrere
Messkanäle 14a, 22a kann der Sensor 6 auch
für die Messung des Gehaltes von mehreren gasförmigen
Komponenten ausgebildet werden. Des Weiteren können auch
weitere Referenzkanäle 14b, 22b vorgesehen
sein.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform eines Sensors 6'.
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Entsprechend
dem ersten Sensor 6 umfasst der zweite Sensor 6' eine
Strahlungsquelle 13 und einen Detektor 14. Im
Unterschied zur ersten Ausführungsform sind allerdings
Strahlungsquelle 13 und Detektor 14 hinter Durchstrahlfenstern 23 auf
gegenüberliegenden Seiten 16, 17 der
Zuleitung 3 angeordnet. Von der Lichtquelle 13 ausgesendete
Strahlung durchstrahlt, bevor es auf den Detektor 14 trifft,
einen Teilbereich der Zuleitung 3 und damit auch sich in diesem
Bereich befindendes Gas. Auf diese Weise wird unmittelbar in der
Zuleitung 3 der Gehalt an einer Komponente in einem sich
in der Zuleitung 3 befindenden Gas gemessen.
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Die
Durchstrahlfenster 23, die einen Bereich einer Wandung
der Zuleitung 3 ausbilden, ermöglichen das Hindurchtreten
von der Strahlungsquelle 13 ausgesandten Licht 18 und
dienen vornehmlich dem Schutz von Strahlungsquelle 13 und
Detektor 14. Die Durchstrahlfenster 23 können
beispielsweise aus Glas oder Kunststoff ausgebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004044145
B3 [0031]
- - DE 102006049260 A1 [0031]
- - DE 102006010100 A1 [0031]