DE102009002291B4

DE102009002291B4 - Verfahren und Systeme zum Analysieren eines Gasvolumens

Info

Publication number: DE102009002291B4
Application number: DE102009002291A
Authority: DE
Inventors: Werner Weber; Rudolf Lachner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2029-04-09
Also published as: US8004682B2; DE102009002291A1; US20090260417A1

Abstract

Gasüberwachungssystem (100), aufweisend: einen frequenzabstimmbaren Sender (106), in einer Silizium-Halbleiterschaltung, der dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung durch ein Gasvolumen (104) zu senden, das eine interessierende Molekülgattung enthält, wobei die elektromagnetische Strahlung eine erste Intensität bei einer charakteristischen Frequenz aufweist, die mit der interessierenden Molekülgattung assoziiert ist; wobei der Sender (106) aufweist: eine als Patchantenne ausgebildete Sendeantenne (502); mit der Sendeantenne (502) gekoppelte Sende-Halbleiterschaltkreise (504) mit einer Silizium-Halbleiterschaltung, die dazu ausgebildet ist, eine zeitveränderliche Spannung an der Sendeantenne (502) bereitzustellen; Frequenzabstimmungs-Schaltkreise (506), die dazu ausgebildet sind, eine Frequenz anzupassen, mit der die elektromagnetische Strahlung gesendet wird; und einen frequenzabstimmbaren, in einer Silizium-Halbleiterschaltung implementierten Empfänger (108), der dazu ausgebildet ist, auf der Basis einer zweiten Intensität, mit der die gesendete elektromagnetische Strahlung durch das Gasvolumen empfangen wird, eine zeitveränderliche Spannung oder einen zeitveränderlichen Strom zu erzeugen, wobei der Empfänger aufweist: eine als Patchantenne ausgebildete Empfangsantenne...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Systeme zum Analysieren einer interessierenden Gattung von Molekülen (englisch: ”molecular species”) in einem Gasvolumen.
Ein bekanntes Spektroskopieverfahren ist beispielsweise in der Publikation US 2004/0227088 A1 beschrieben, wobei im vorliegenden Fall eine elektromagnetische Strahlung im fernen Infrarotbereich verwendet wird (Terahertz-Strahlung). Die Publikation WO 2007/135382 A2 beschreibt ebenfalls ein Spektroskopieverfahren unter Verwendung von Strahlungen im Terahertzbereich. Die Publikation US 2007/0081157 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Schätzen einer Fluideigenschaft, wobei das Spektrum gestreuten UV-Lichts ermittelt wird. Die Druckschrift US 7,012,696 B2 betrifft eine Vorrichtung für die Durchführung einer Cavity-Ring-Down-Spektroskopie.
Die Umweltthemen werden für Unternehmen heute immer wichtiger. Verbraucher fragen nach Produkten, die umweltfreundlich sind, und Unternehmen müssen auf diese Nachfrage reagieren.
Luftverschmutzung ist, aufgrund dem in den letzten Jahren gestiegenen Bewusstsein über die Erderwärmung, eine besonders wichtige Umweltthematik. Dementsprechend versuchen Firmen, Produkte bereitzustellen, die die Luftverschmutzung verringern. Eine Art der Verringerung der Luftverschmutzung ist das Verringern schädlicher Abgase von Fahrzeugen, Produktionsanlagen und dergleichen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht also darin, möglichst einfache und daher kostengünstige, sowie rubuste Gasüberwachungssysteme zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch das Gasüberwachungssystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration einer interessierenden Gattung von Molekülen in einem Gasvolumen beschrieben. Bei diesem Verfahren wird elektromagnetische Strahlung in ein Gasvolumen in einem Abgassystem gesendet. Die gesendete elektromagnetische Strahlung besitzt eine erste Intensität bei einer charakteristischen Frequenz, die mit einem Übergang der interessierenden Gattung von Molekülen assoziiert ist. Aus dem Gasvolumen wird dann elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Intensität empfangen. Das Verfahren korreliert dann die erste Intensität mit der zweiten Intensität, um die Konzentration der interessierenden Gattung von Molekülen in dem Gasvolumen zu bestimmen. Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung betrifft ein entsprechendes Gasüberwachungssystem.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der folgenden Figuren näher erläutert:
1 zeigt ein Gasüberwachungssystem, das eine Absorptionsmessung nimmt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt ein mit einer Absorptionsmessung gemäß dem System von 1 vereinbares Spektrum;
3 zeigt ein Gasüberwachungssystem, das eine Emissionsmessung nimmt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt ein mit einer Emissionsmessung gemäß dem System von 3 vereinbares Spektrum;
5 zeigt eine ausführlichere Ausführungsform eines Senders gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt eine ausführlichere Ausführungsform eines Empfängers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Gasvolumen von einem Hohlraumresonator eingeschlossen wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt eine Ausführungsform, bei der zwei reflektierende Oberflächen um den äusseren Umfang des Gasvolumens angeordnet werden, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
9 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Delektieren der Konzentration einer interessierenden Molekülgattung in einem Gasvolumen durch Nehmen einer Absorptionsmessung;
10 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Detektieren der Konzentration einer interessierenden Molekülgattung in einem Gasvolumen durch Nehmen einer Emissionsmessung.
Eine oder mehrere Implementierungen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben, in denen durchwegs gleiche Bezugszahlen zur Kennzeichnung gleicher Elemente verwendet werden. Obwohl nachfolgend Ausführungsformen im Kontext von Gasüberwachungssystemen für Fahrzeuge (z. B. Autos, Lastwagen, Motorräder, Flugzeuge, Züge usw.) beschrieben werden, ist die Erfindung auch auf Gasüberwachungssysteme für Fabriken, Unternehmen, wissensschaftliche Instrumente und dergleichen anwendbar.
Eine Möglichkeit, eine Verringerung von Schmutzstoffen in Fahrzeugabgasen zu erreichen, ist das Überwachen und Regeln des Verbrennungsprozesses im Motor des Fahrzeugs. Folglich betreffen bestimmte hier besprochene Ausführungsformen kostengünstige Gasüberwachungssysteme, die robust genug sind, um in einem Fahrzeug zur laufenden Gasüberwachung, wie zum Beispiel Abgasüberwachung, angebracht zu werden. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann dies mit einem frequenzabstimmbaren Sender und frequenzabstimmbaren Empfänger erzielt werden, die zusammenwirkend eine Konzentration einer interessierenden Molekülgattung in einem Gasvolumen detektieren. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die interessierende Molekülgattung aus der folgenden Gruppe ausgewählt: Stickoxid (NO_x), Ammoniak, CO, CO₂, H₂O, O₂, O₃, Kohlenwasserstoffe und Kombinationen davon. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen wird die interessierende Molekülgattung molekulare Übergänge (englisch: ”molecular transitions”, z. B. rotatorische, vibratorische oder andere Übergänge) aufweisen, die in einen Bereich von Frequenzen (Energien) fallen, der von etwa 1 GHz bis etwa 10 THz reicht. Bei einem Ausführungsbeispiel benutzen Sender und Empfänger Technologien auf Siliziumbasis, die Gasüberwachung in diesem Frequenzbereich ermöglichen.
Die hier besprochenen Gasüberwachungssysteme nutzen den Umstand aus, dass jede Gattung von Molekülen ihre eigene einzigartige Menge diskreter Energieniveaus aufweist, die in gewissem Sinne mit einem „Fingerabdruck” für diese Molekülgattung vergleichbar sind. Indem man misst, wie eine Mischung verschiedener Molekülgattungen mit Photonen verschiedener Frequenzen oder Energien (E = hν oder äquivalent E = hλ/c, ν ist die Frequenz, E die Energie, λ die Wellenlänge, c die Lichtgeschwindigkeit und h das Plancksche Wirkungsquantum) in Wechselwirkung tritt, erzeugt ein Gasüberwachungssystem ein Frequenzspektrum, das anzeigt, welche Molekülgattungen in der Mischung vorliegen. Durch Vergleichen des gemessenen Frequenzspektrums mit den bekannten charakteristischen Frequenzen für verschiedene Molekülgattungen kann das System Konzentrationen für jeweilige Molekülgattungen in der Mischung bestimmen.
1 zeigt ein Gasüberwachungssystem 100 zum Detektieren einer Konzentration einer interessierenden Molekülgattung 102 in einem Gasvolumen 104. Dieses Überwachungssystem 100 ist dazu ausgebildet, zu messen, inwieweit die interessierende Molekülgattung 102 Strahlung absorbiert, während andere Ausführungsformen (z. B. 3) dazu ausgebildet sind, zu messen, wie weit ein angeregter Zustand der interessierenden Molekülgattung Strahlung emittiert.
Um die gewünschte Funktionalität zu ermöglichen, umfasst das Gasüberwachungssystem 100 einen Sender 106 und einen Empfänger 108, die durch das Gasvolumen 104 voneinander getrennt werden. Um die Konzentration der interessierenden Molekülgattung 102 zu detektieren, sendet der Sender 106 elektromagnetische Strahlung (Photonen) auf einem Übertragungsweg 110 durch das Gasvolumen 104. Abhängig von der Implementierung könnte die elektromagnetische Strahlung unidirektional auf dem Übertragungsweg 110 oder multidirektional (z. B. alle Richtungen von dem Sender, einschließlich auf dem Übertragungsweg) gesendet werden. Auf jeden Fall wird die Strahlung mit einer gesendeten Intensität bei einer charakteristischen Frequenz gesendet, die mit der interessierenden Molekülgattung 102 assoziiert ist.
Wenn ein Molekül der interessierenden Molekülgattung 102 auf dem Übertragungsweg 110 vorliegt, kann das Molekül 102 ein Photon mit der charakteristischen Frequenz absorbieren. Dies bewirkt eine kurze Anregung des Moleküls 102 auf ein höheres Energieniveau. Nach dieser kurzen Anregung kehrt das Molekül 102 zu einem niedrigeren Energieniveau zurück, typischerweise indem ein Photon 112 in einer zufälligen Richtung emittiert wird. In bestimmten Fällen werden die emittierten Photonen 112 dieselbe Energie wie ein Photon in der gesendeten Strahlung aufweisen, in anderen Fällen wird das emittierte Photon 112 jedoch eine andere Energie als ein Photon des gesendeten Strahls aufweisen.
Der Empfänger 108 empfängt dann jegliche Strahlung, die das Gasvolumen 104 durchläuft, und misst eine empfangene Intensität der elektromagnetischen Strahlung bei der charakteristischen Frequenz. Wenn ein Molekül 102 ein Photon mit der charakteristischen Frequenz absorbiert (und ein Photon in einer anderen Richtung emittiert) hat, wird die empfangene Intensität kleiner als die gesendete Intensität sein. Wenn dagegen die Moleküle 102 nicht vorliegen, kann die empfangene Strahlung ungefähr gleich der gesendeten Strahlung sein.
2 zeigt ein Absorptionsspektrum 200, das sowohl die gesendete Strahlung 202 als auch empfangene Strahlung 204 enthält. Zwei Minima 206, 208 bei den charakteristischen Frequenzen ν1 bzw. ν2 entsprechen jeweils Energien h·ν1, h·ν2, bei denen gesendete Photonen von der interessierenden Molekülgattung absorbiert wurden. Die Minima 206, 208 werden tendenziell kleiner mit zunehmender Konzentration der interessierenden Molekülgattung, weil es in höheren Konzentrationen wahrscheinlicher sein wird, dass die Photonen mit der interessierenden Molekülgattung in Wechselwirkung treten und absorbiert werden. Bei einer Ausführungsbeispiel kann das Gasüberwachungssystem 100 deshalb die gesendete Intensität (z. B. I_Tν1) mit der empfangenen Intensität (z. B. I_Rν1) vergleichen, um die Konzentration zu bestimmen. Durch Scannen von einer charakteristischen Frequenz (z. B. ν1) zu einer anderen charakteristischen Frequenz (z. B. ν2) können der Sender 106 und der Empfänger 108 ein mit dem Gasvolumen 104 assoziiertes Spektrum genau bestimmen. Auf der Basis des Spektrums kann das Überwachungssystem 100 Konzentrationen für eine oder mehrere in dem Gasvolumen 104 vorliegende Molekülgattung bestimmen.
Bei einer anderen Ausführungsform vergleicht das Überwachungssystem 100 die empfangene Intensität (z. B. I_Rν1) bei der charakteristischen Frequenz mit einer empfangenen Intensität (z. B. I_{Rνcalibration}) bei einer nichtcharakteristischen Frequenz ν_calibration. Da I_rν1 stark von der Absorption der interessierenden Molekülgattung abhängt, I_{Rνcalibration} aber nicht, ist I_Rν1/I_{Rν_calibration} auch ein Maß für die Konzentration der interessierenden Molekülgattung.
Nunmehr mit Bezug auf 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines Gasüberwachungssystems 300 abgebildet. Ähnlich wie die vorherige Ausführungsform umfasst das System 300 einen Sender 106 und einen Empfänger 108, die durch ein Gasvolumen 104 voneinander getrennt werden. Bei dieser Ausführungsform ist der Empfänger 108 jedoch ausserhalb des Übertragungswegs 110 positioniert (d. h. ist nicht mit dem Übertragungsweg ausgerichtet). Auf diese Weise misst das Gasüberwachungssystem 300 emittierte Photonen 112 (statt wie in den 1 und 2 den Anteil absorbierter Photonen zu messen).
Um zu detektieren, ob die interessierende Molekülgattung 102 in dem Gasvolumen 104 vorliegt, sendet der Sender 106 elektromagnetische Strahlung auf dem Übertragungsweg 110 durch das Gasvolumen 104. Moleküle der Molekülgattung 102 absorbieren Photonen und emittieren dann Photonen 112, wobei manche emittierte Photonen von dem Empfänger 108 detektiert werden. Dementsprechend kann der Empfänger 108 eine empfangene Intensität bei einer charakteristischen Frequenz messen, die emittierten Photonen entspricht. Da die emittierten Photonen typischerweise in einer zufälligen Richtung emittiert werden, kann der Empfänger 108 bei bestimmten Ausführungsformen das Gasvolumen 104 mindestens teilweise umgeben, um die Wahrscheinlichkeit der Detektion emittierter Photonen 112 zu vergrößern.
4 zeigt ein Beispiel für ein Emissionsspektrum 400, das sowohl die gesendete Strahlung 402 als auch die empfangene Strahlung enthält. Wie gezeigt wird die gesendete Strahlung 402 mit einer charakteristischen Frequenz ν3 gesendet, bei der eine interessierende Molekülgattung Energie absorbiert, um in einen angeregten Zustand einzutreten. Um von dem angeregten Zustand wieder zu einem Zustand niedrigerer Energie zurückzukehren, emittiert das erregte Molekül ein Photon, das einer anderen charakteristischen Frequenz entspricht. In dem Beispiel von 4 entsprechen zwei Maxima 404, 406 bei charakteristischen Frequenzen ν₉ bzw ν₅. Energien h·ν4 bzw. h·ν5, mit denen Photonen durch Moleküle der interessierenden Molekülgattung emittiert wurden. Die Maxima werden mit zunehmender Konzentration der interessierenden Molekülgattung tendenziell höher, weil es bei höheren Konzentrationen wahrscheinlicher sein wird, dass Photonen mit Molekülen der interessierenden Molekülgattung kollidieren, wodurch mehr Emissionen verursacht werden.
Bei bestimmten Ausführungsbeispielen können der Sender 106 und der Empfänger 108 dazu ausgebildet sein, in dem Verbrennungsmotor- oder Ausgangsabgassystem eines Fahrzeugs zu funktionieren. Bei einer Ausführungsform wird zum Beispiel Gasüberwachungssystem 100 oder 300 zwischen dem Motor und dem Katalysator angeordnet. Aufgrund der harschen Umgebung (z. B. hohe Temperaturen, korrosive Chemiekalien) ist anzunehmen, dass vorherige Systeme nicht in der Lage sind, angemessene Zuverlässigkeiten in diesen Fahrzeugorten zu erzielen. Um die verbesserte Zuverlässigkeit zu ermöglichen, können bei bestimmten Ausführungsformen der Sender 106 und der Empfänger 108 in Halbleiterschaltungen, wie z. B. aus Silizium-Halbleitermaterial, implementiert werden. Neben der verbesserten Zuverlässigkeit sind Silizium-Halbleiterschaltungen auch insofern vorteilhaft, als sie relativ kostengünstig hergestellt werden können. Dadurch können die Gasüberwachungssysteme 100 oder 300 fahrzeugweise auf kosteneffektive Weise produziert und eingesetzt werden.
Die 5 und 6 zeigen Ausführungsbeispiele eines Senders 106 bzw. Empfängers 108, die Silizium-Halbleiterschaltungen enthalten. Genauer gesagt zeigt 5 einen frequenzabstimmbaren Sender 106, der eine Sendeantenne 502, Halbleiterschaltkreise 504 zum Aussenden und Schaltkreise 506 zur Frequenzabstimmung enthält.
Bei bestimmten Ausführungsbeispielen eignet sich die Sendeantenne 502 für unidirektionale Übertragung, aber bei anderen Ausführungsbeispielen ist die Sendeantenne 502 für multidirektionale Übertragung geeignet. Zum Beispiel umfasst bei einer Ausführungsform eine unidirektionale Sendeantenne eine Patchantenne.
Die Sende-Halbleiterschaltkreise 504 umfassen eine Halbleiterschaltung zur Bereitstellung einer zeitveränderlichen Spannung an der Sendeantenne 502. Die Sende-Halbleiterschaltkreise 504 könnten einen Leistungsverstärker, einen rauscharmen Verstärker, einen spannungsgesteuerten Oszillator oder eine andere Schaltung zur Bereitstellung der zeitveränderlichen Spannung umfassen. Bei bestimmten Ausführungsformen können die Übertragungshalbleiterschaltkreise 504 einen bipolaren Sperrschicht-Transistor (BJT) oder einen Metalloxid-Halbleitertransistor (MOSFET) umfassen, die mit der Sendeantenne 502 gekoppelt werden, wobei beide zum Betrieb von ungefähr einem Gigahertz bis zu mehreren Terahertz fähig sind.
Die Frequenzabstimmungs-Schaltkreise 506 justieren die Frequenz, mit der die Sende-Halbleiterschaltkreise 504 die zeitveränderliche Spannung bereitstellen. Somit können die Frequenzabstimmschaltkreise 506 die Frequenz justieren, um mit der Zeit durch eine relativ breite Bandbreite zu scannen.
6 zeigt einen frequenzabstimmbaren Empfänger 108, der eine Empfangsantenne 602, Empfangshalbleiterschaltkreise 604, Frequenzabstimmschaltkreise 606 und Verarbeitungsschaltkreise 608 umfasst. Wie die Sendeantenne umfasst die Empfangsantenne 602 bei einer Ausführungsform eine Patchantenne. Die Empfangsantenne empfängt Photonen, die in eine zeitveränderliche Spannung umgewandelt werden.
Die Empfangs-Halbleiterschaltkreise 604 können einen Leistungsverstärker, einen rauscharmen Verstärker, einen spannungsgesteuerten Oszillator oder eine andere Schaltung zum Verstärken der empfangenen zeitveränderlichen Spannung umfassen. Bei bestimmten Ausführungsformen können die Empfangs-Halbleiterschaltkreise 604 einen bipolaren Sperrschicht-Transistor (BJT) oder einen Metalloxid-Halbleitertransistor (MOSFET) umfassen, die mit der Empfangsantenne 602 gekoppelt werden, wobei beide zum Betrieb von ungefähr einem Gigahertz bis zu mehreren Terahertz fähig sind.
Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Frequenzabstimmungs-Schaltkreise 606 in dem Empfänger 108 mit denen des Senders 106 synchronisiert. Typischerweise bleiben die Frequenzabstimmschaltungen 506, 606 durch Verwendung von positiver Rückkopplung auf der Basis des zwischen dem Sender 106 und dem Empfänger 108 gesendeten Datenstroms miteinander synchronisiert. Bei anderen Ausführungsformen werden die Frequenzabstimmschaltungen 506, 606 jedoch unabhängig voneinander abgestimmt. Zum Beispiel könnte der Empfänger 108 kontinuierlich mit einer Frequenz empfangen, während der Sender 106 über einen Bereich von Frequenzen scannt.
Die Verarbeitungschaltkreise 608 sind dafür ausgelegt, die aus dem Sender 106 empfangene elektromagnetische Strahlung zu analysieren. Zum Beispiel können die Verarbeitungsschaltkreise 608 einen Mikroprozessor, einen digitalen Signalprozessor (DSP), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder einen bestimmten anderen digitalen Prozessor mit assoziierter Software umfassen. Die Verarbeitungsschaltkreise 608 sind dafür ausgelegt, das gemessene Spektrum mit charakteristischen Frequenzen zu vergleichen, die mit den interessierenden Molekülgattung assoziiert sind. Die Verarbeitungsschaltkreise 608 können ausserdem ein Steuersignal zu dem Motor eines Fahrzeugs senden, wenn die Konzentration der interessierenden Molekülgattung größer als eine vorbestimmte Schwelle ist.
7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Gasüberwachungssystems 700, das einen Hohlraumresonator 702 zum Einschließen des Gasvolumens 104 umfasst. Der Hohlraumresonator 702 ist so strukturiert, dass seine Abmessungen ein ganzzahliges Vielfaches der Hälfte der Wellenlänge (d. h. n·λ/2) der gesendeten Strahlung sind. Ein Oszillator 704 ermöglicht dann die Erzeugung von Strahlung zwischen zwei Elektroden 706, 708, die als ein Sender und Empfänger wirken. Wenn eine interessierende Molekülgattung in dem Gasvolumen in dem Hohlraumresonator 702 vorliegt, wird die Oszillationsamplitude in dem Resonator 702 auf eine Weise variieren, die eine geeignete Identifizierung der interessierenden Molekülgattung erlaubt.
8 zeigt eine andere Ausführungsform eines Gasüberwachungssystems 800, bei der in der Nähe der Peripherie (d. h. am Rande) des zu analysierenden Gasvolumens 104 eine Reihe reflektierender Oberflächen 802, 804 vorgesehen ist. Die reflektierenden Oberflächen 802, 804 sind dazu ausgebildet, zusammenwirkend die gesendete Strahlung durch das Gasvolumen mehrmals zu reflektieren und dadurch die effektive Länge des Übertragungswegs 110 zu vergrößern und den Messeffekt zu verstärken. Diese Ausführungsform ist bsonders in Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen das System 800 klein und die Menge an Gasmolekülen niedrig ist. Durch Verlängerung des Übertragungswegs vergrößern die reflektierenden Oberflächen 802, 804 die Empfindlichkeit und ermöglichen eine genauere Messung des Effekts von Molekülen. Bei bestimmten Ausführungsformen bestehen die reflektierenden Oberflächen 802, 804 aus Metallen wie Cu, könnten aber auch aus anderen Materialien bestehen.
Da nun bestimmte Systeme gemäß Aspekten der Erfindung besprochen wurden, wird nun auf die 9 und 10 Bezug genommen, worin Verfahren gemäß Aspekten der Erfindung gezeigt sind. Genauer gesagt zeigt 9 ein Beispiel für ein Verfahren zum Durchführen einer Absorptionsmessung und 10 ein Beispiel für ein Verfahren zum Durchführen einer Emissionsmessung. Obwohl diese Verfahren im folgenden als eine Reihe von Schritten oder Ereignissen dargestellt und beschrieben werden, wird die vorliegende Erfindung nicht durch die dargestellte Anordnung solcher Schritte oder Ereignisse beschränkt. Zum Beispiel können bestimmte Schritte in verschiedenen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Schritten oder Ereignissen als den hier dargestellten und/oder beschriebenen auftreten. Zusätzlich sind möglicherweise nicht alle dargestellten Schritte erforderlich, um eine Methodologie gemäß einem oder mehreren Aspekten der vorliegenden Erfindung zu implementieren. Ferner können einer oder mehrere der hier abgebildeten Schritte in einem oder mehreren separaten Schritten oder einer oder mehreren separaten Phasen ausgeführt werden.
Mit Bezug auf 9 wird elektromagnetische Strahlung im Block 902 in ein Gasvolumen gesendet. Die elektromagnetische Strahlung wird mit einer charakteristischen Frequenz ν_N und mit einer gesendeten Intensität I_IN gesendet.
Im Block 904 wird die elektromagnetische Strahlung mit einer empfangenen Intensität I_RN mit der charakteristischen Frequenz ν_N empfangen. Diese Messung wird aufgenommen, nachdem die elektromagnetische Strahlung ein Gasvolumen durchlaufen hat, das die interessierende Molekülgattung enthält. Inwieweit die empfangene Intensität von der gesendeten Intensität verschieden ist, hängt von der Konzentration der interessierenden Molekülgattung in dem Gasvolumen ab.
Im Block 906 wird die erste Intensität mit der zweiten Intensität korreliert, um eine Konzentration der interessierenden Molekülgattung in dem Gasvolumen zu bestimmen.
Im Block 908 wird bestimmt, ob die Konzentration akzeptabel ist. Wenn sie es ist („Ja” in 908), schreitet das Verfahren 900 zu 910 voran, indem sich der Sender und der Empfänger darauf vorbereiten, eine weitere charakteristische Frequenz zu testen. Das Verfahren setzt dann wie gezeigt den Überwachungsprozess auf anhaltende Weise fort.
Wenn die Konzentration der interessierenden Molekülgattung nicht akzeptabel ist („Nein” in 908), schreitet das Verfahren zum Block 912 voran und sendet ein Steuersignal. Das Steuersignal ermöglicht eine Änderung der Motorregelung auf der Basis der Konzentration der interessierenden Molekülgattung. Auf diese Weise können Schmutzstoffe im Abgas verringert und die Fahrzeugleistungsfähigkeit verbessert werden. Nachdem das Steuersignal gesendet wurde, schreitet das Verfahren zu 910 voran, indem sich der Sender und der Empfänger darauf vorbereiten, eine weitere charakteristische Frequenz zu testen.
10 zeigt ein Verfahren 1000 zum Aufnehmen einer Emissionsmessung. Bei diesem Verfahren wird in 1002 Strahlung mit einer ersten charakteristischen Frequenz ν_1N gesendet. In 1004 wird dann durch Atomemission (”atomic emission”) verursachte elektromagnetische Strahlung bei einer zweiten Frequenz ν_2N empfangen, die von der gesendeten Frequenz verschieden sein kann (und typischerweise kleiner als die erste charakteristische Frequenz ν_1N ist).
Bestimmte Ausführungsbeispiele und entsprechende Merkmale der vorliegenden Offenbarung können durch Hardwaremodule, Softwareroutinen oder eine Kombination von Hardware und Software ausgeführt werden. Soweit Software verwendet wird, wie zum Beispiel durch einen Basisbandprozessor oder einen anderen mit dem Radarsystem assoziierten Prozessor, kann die Software über ein „computerlesbares Medium” bereitgestellt werden, das ein beliebiges Medium umfasst, das bei der Bereitstellung von Anweisungen für den Prozessor beteiligt ist. Ein solches computerlesbares Medium kann zahlreiche Formen annehmen, darunter, aber ohne Einschränkung, nichtflüchtige Medien, flüchtige Medien und Übertragungsmedien. Nichtflüchtige Medien umfassen zum Beispiel optische Datenträger (wie etwa CDs, DVDs usw_') oder magnetische Datenträger (wie etwa Disketten, Bänder usw.). Flüchtige Medien umfassen dynamischen Speicher, wie etwa ferroelektrischen Speicher, SRAM oder DRAM. Übertragungsmedien umfassen Coaxialkabel, Kupferdraht, Faseroptik usw., die die Anweisungen über ein Netzwerk oder zwischen Kommunikationsgeräten abliefern könnten. Übertragungsmedien können auch elektromagnetische Wellen umfassen, wie etwa eine Spannungswelle, eine Lichtwelle oder Funkwelle.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere Implementierungen dargestellt und beschrieben wurde, können Abänderungen und/oder Modifikationen an den dargestellten Beispielen vorgenommen werden, ohne von dem Gedanken und Schutzumfang der angefügten Ansprüche abzuweichen. Insbesondere hinsichtlich der verschiedenen durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Baugruppen, Einrichtungen, Schaltungen, Systeme usw.) ausgeführten Funktionen sollen die zur Beschreibung solcher Komponenten verwendeten Ausdrücke (einschließlich eines Verweises auf ein „Mittel”), sofern es nicht anders angegeben wird, einer beliebigen Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (z. B. die funktional äquivalent ist), obwohl sie nicht strukturell mit der offenbarten Struktur äquivalent ist, die die Funktion in den hier dargestellten beispielhaften Implementierungen der Erfindung ausführt. Zusätzlich kann, obwohl ein bestimmtes Merkmal der Erfindung möglicherweise mit Bezug auf nur eine von mehreren Implementierungen offenbart wurde, ein solches Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, wenn es für eine beliebige gegebene oder konkrete Anwendung erwünscht und vorteilhaft ist.

Claims

Gasüberwachungssystem (100), aufweisend: einen frequenzabstimmbaren Sender (106), in einer Silizium-Halbleiterschaltung, der dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung durch ein Gasvolumen (104) zu senden, das eine interessierende Molekülgattung enthält, wobei die elektromagnetische Strahlung eine erste Intensität bei einer charakteristischen Frequenz aufweist, die mit der interessierenden Molekülgattung assoziiert ist; wobei der Sender (106) aufweist: eine als Patchantenne ausgebildete Sendeantenne (502); mit der Sendeantenne (502) gekoppelte Sende-Halbleiterschaltkreise (504) mit einer Silizium-Halbleiterschaltung, die dazu ausgebildet ist, eine zeitveränderliche Spannung an der Sendeantenne (502) bereitzustellen; Frequenzabstimmungs-Schaltkreise (506), die dazu ausgebildet sind, eine Frequenz anzupassen, mit der die elektromagnetische Strahlung gesendet wird; und einen frequenzabstimmbaren, in einer Silizium-Halbleiterschaltung implementierten Empfänger (108), der dazu ausgebildet ist, auf der Basis einer zweiten Intensität, mit der die gesendete elektromagnetische Strahlung durch das Gasvolumen empfangen wird, eine zeitveränderliche Spannung oder einen zeitveränderlichen Strom zu erzeugen, wobei der Empfänger aufweist: eine als Patchantenne ausgebildete Empfangsantenne (602); mit der Empfangsantenne (602) gekoppelte Empfangs-Halbleiterschaltkreise (604) mit einer Verstärkerschaltung, wobei die Verstärkerschaltung dazu ausgebildet ist, eine empfangene, zeitveränderliche Spannung zu verstärken; und Frequenzabstimmungs-Schaltkreise (606), die dazu ausgebildet sind, eine Frequenz anzupassen, mit der die elektromagnetische Strahlung empfangen wird; wobei Sende-Halbleiterschaltkreise (504) und/oder Empfangs-Halbleiterschaltkreise in einem Frequenzbereich bis zu etwa 10 THz arbeiten.
System nach Anspruch 1, bei dem der Empfänger entlang einem Übertragungsweg (110) ausgerichtet ist, auf dem die elektromagnetische Strahlung zu senden ist.
System nach Anspruch 1, bei dem sich der Empfänger ausserhalb eines Übertragungswegs (110) befindet, auf dem die elektromagnetische Strahlung zu senden ist.
System nach Anspruch 1, bei dem die Sende-Halbleiterschaltkreise (504) dazu ausgebildet sind, die Übertragung elektromagnetischer Strahlung mit einer ersten Intensität mit einer charakteristischen Frequenz zu ermöglichen, die mit einer interessierenden Molekülgattung assoziiert ist; und bei dem die Frequenzabstimmungs-Schaltkreise (506) dazu ausgebildet sind, eine Frequenz anzupassen, mit der die elektromagnetische Strahlung gesendet wird.
System nach Anspruch 4, bei dem die mit der Empfangsantenne gekoppelten Empfangs-Halbleiterschaltkreise (604), die dazu ausgebildet sind, auf der Basis einer zweiten Intensität, mit der die gesendete elektromagnetische Strahlung an der Empfangsantenne mit der Zeit empfangen wird, eine zeitveränderliche Spannung oder einen zeitveränderlichen Strom zu erzeugen.
System nach Anspruch 4, wobei der Empfänger ferner folgendes umfasst: Verarbeitungs-Schaltkreise (608), die dazu ausgebildet sind, die erste Intensität mit der zweiten Intensität zu korrelieren, um eine Konzentration der interessierenden Molekülgattung in dem Gasvolumen (104) zu detektieren.
System nach Anspruch 6, das ferner einen Hohlraumresonator zur Aufnahme des Gasvolumens (104) aufweist.
System nach Anspruch 7, ferner aufweisend: mindestens zwei am Rande des Gasvolumens herum angeordnete reflektierende Oberflächen (802, 804), die zusammenwirkend derart angeordnet sind, dass die gesendete elektromagnetische Strahlung mehrmals durch das Gasvolumen (104) reflektiert wird, bevor die elektromagnetische Strahlung die Empfangsantenne (602) erreicht.
System nach Anspruch 5, bei dem die Frequenzabstimmungs-Schaltkreise (606) dazu ausgebildet sind, eine Frequenz anzupassen, bei der die elektromagnetische Strahlung empfangen wird.