DE102014010712A1

DE102014010712A1 - "Gassensoranordnung zur Messung einer Zielgaskonzentration"

Info

Publication number: DE102014010712A1
Application number: DE102014010712.4A
Authority: DE
Inventors: Ralf Mönkemöller
Original assignee: Paragon AG
Current assignee: Paragon AG
Priority date: 2014-07-19
Filing date: 2014-07-19
Publication date: 2016-01-21
Also published as: US20160018330A1; FR3023917B1; FR3023917A1; CN105277502B; US9709498B2; CN105277502A

Abstract

Eine Gassensoranordnung zur Messung einer Zielgaskonzentration hat eine Strahlungseinrichtung (3, 4), mittels der Strahlungsenergie durch einen das Zielgas enthaltenden Raum (2) abstrahlbar ist, eine Strahlungsempfangseinrichtung (5), mittels der von der Strahlungseinrichtung (3, 4) abgestrahlte Strahlungsenergie detektierbar ist, eine Filtereinrichtung (6), die der Strahlungsempfangseinrichtung (5) zugeordnet und für die Strahlung eines dem Zielgas entsprechenden Wellenlängenbereichs durchlässig ist, und eine Steuer- und Auswertevorrichtung (7), die an die Strahlungsempfangseinrichtung (5) angeschlossen und mittels der auf Grundlage eines von der Strahlungsempfangseinrichtung (5) an die Steuer- und Auswertevorrichtung (7) angelegten Detektorsignals die Zielgaskonzentration errechenbar ist. Um eine Gassensoranordnung zur Messung einer Zielgaskonzentration zur Verfügung zu stellen, die mit einem vergleichsweise geringen technisch-konstruktiven Aufwand realisierbar ist und die eine äußerst zuverlässige und genaue Durchführung von Messungen bewerkstelligen kann, insbesondere bei Zuständen, in denen Maßnahmen zur Gefahrenabwehr erforderlich sind, wird vorgeschlagen, das die Gassensoranordnung (1) als nicht dispersive Infrarot-Spektroskopie(NDIR)-Gassensoranordnung (1) ausgebildet ist, dass die Strahlungseinrichtung (3, 4) der NDIR-Gassensoranordnung (1) zumindest zwei Infrarot-Strahlungsquellen (3, 4) aufweist, und dass jede der zumindest zwei Infrarot-Strahlungsquellen (3, 4) der Strahlungseinrichtung (3, 4) der NDIR-Gassensoranordnung (1) in einem unterschiedlichen optischen Abstand zur als Infrarot-Strahlungsempfangseinheit (5) ausgebildeten Strahlungsempfangseinrichtung (5) der NDIR-Gassensoranordnung (1) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gassensoranordnung zur Messung einer Zielgaskonzentration mit einer Strahlungseinrichtung, mittels der Strahlungsenergie durch einen das Zielgas enthaltenden Raum abstrahlbar ist, einer Strahlungsempfangseinrichtung, mittels der von der Strahlungseinrichtung abgestrahlte Strahlungsenergie detektierbar ist, einer Filtereinrichtung, die der Strahlungsempfangseinrichtung zugeordnet und für die Strahlung eines dem Zielgas entsprechenden Wellenlängenbereichs durchlässig ist, und einer Steuer- und Auswertevorrichtung, die an die Strahlungsempfangseinrichtung angeschlossen und mittels der auf Grundlage eines von der Strahlungsempfangseinrichtung an die Steuer- und Auswertevorrichtung angelegten Detektorsignals die Zielgaskonzentration errechenbar ist.
Derartige Gassensoranordnungen kommen zunehmend zur Überwachung der Luftqualität zum Einsatz, wobei insbesondere die Qualität von Außenluft und/oder die Qualität von in Innenräumen, insbesondere auch Innenräumen von Fahrzeugen, vorhandener Luft überwacht wird.
Bei der Überwachung der Luftqualität in Innenräumen soll gesichert werden, dass bei einer etwaigen Verschlechterung dieser Luftqualität mit geeigneten Maßnahmen reagiert werden kann.
Im Fahrzeugbereich werden seit einiger Zeit hierfür geeignete Gassensoranordnungen eingesetzt, zu denen Metalloxidsensoren (MOS) gehören, mittels denen die Luft auf das Vorhandensein von VOC (volatile organic compounds) überwacht wird. Durch Verwendung derartiger Gassensoranordnungen kann bei zu hohen Konzentrationen dieser VOC in der im Innenraum des Fahrzeugs befindlichen Luft die Fahrzeugbelüftung automatisch eingeschaltet werden, um so für einen Luftaustausch zu sorgen.
In Kraftfahrzeugen wird zunehmend der Einsatz von Klimaanlagen gebräuchlich, bei denen als Kältemittel Kohlendioxid (CO₂) eingesetzt wird. Da Kohlendioxid, wenn seine Konzentration in der Innenraumluft zunimmt, zu Ermüdungserscheinungen und Schläfrigkeit beim Fahrzeugführer führen kann, werden Gassensoranordnungen auch zur Überwachung von Leckagen in der Klimaanlage eingesetzt. In diesen Fällen soll die als CO₂-Sensoranordnung ausgestaltete Gassensoranordnung bei unzulässigen CO₂-Konzentrationen in der Innenraumluft einen Alarm auslösen oder auf eine Steuereinrichtung einer Fahrzeugbelüftung mit dem Ziel einwirken, dass die Gefährdung durch einen zu hohen CO₂-Gehalt in der Innenraumluft abgestellt wird. Dies könnte beispielsweise durch Erhöhung des Luftdurchsatzes im Fahrzeuginnenraum bewerkstelligt werden, wodurch die CO₂-Konzentration innerhalb des Fahrzeuginnenraums reduziert wird.
Aus der DE 10 2004 024 284 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung der Luftqualität in einem Fahrzeuginnenraum bekannt, bei dem mittels einer zur Erfassung von CO₂ geeigneten Gassensoranordnung eine Gefahrenabwehr für Lebewesen realisiert werden soll, die sich im Innenraum eines abgestellten Fahrzeugs befinden. Hierbei wird neben dem CO₂-Gehalt der Innenraumluft auch die Innenraumtemperatur überwacht. Wenn bei einer vergleichsweise hohen Innenraumtemperatur ein vordefinierbarer CO₂-Anstiegsgradient erfasst wird, wird davon ausgegangen, dass sich ein Lebewesen, z. B. ein Kind oder ein Haustier, im Innenraum eines Kraftfahrzeugs befindet. Hierbei ist der CO₂-Anstiegsgradient kennzeichnend dafür, dass im Innenraum des Kraftfahrzeugs geatmet wird.
Ausgehend von dem eingangs geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Gassensoranordnung zur Messung einer Zielgaskonzentration zur Verfügung zu stellen, die mit einem vergleichsweise geringen technisch-konstruktiven Aufwand realisierbar ist und die eine äußerst zuverlässige und genaue Durchführung von Messungen bewerkstelligen kann, insbesondere bei Zuständen, in denen Maßnahmen zur Gefahrenabwehr erforderlich sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Gassensoranordnung als nicht dispersive Infrarot-Spektroskopie(NDIR)-Gassensoranordnung ausgebildet ist, dass die Strahlungseinrichtung der NDIR-Gassensoranordnung zumindest zwei Infrarot-Strahlungsquellen aufweist, und dass jede der zumindest zwei Infrarot-Strahlungsquellen der Strahlungseinrichtung der NDIR-Gassensoranordnung in einem unterschiedlichen optischen Abstand zur als Infrarot-Strahlungsempfangseinheit ausgebildeten Strahlungsempfangseinrichtung der NDIR-Gassensoranordnung angeordnet ist. Alternativ kann die Lösung darin bestehen, dass neben der Ausgestaltung der Gassensoranordnung als NDIR-Gassensoranordnung die Strahlungsempfangseinrichtung der NDIR-Gassensoranordnung zumindest zwei Infrarot-Strahlungsempfangseinheiten aufweist, und dass jede der zumindest zwei Infrarot-Strahlungsempfangseinheiten der Strahlungsempfangseinrichtung der NDIR-Gassensoranordnung in einem unterschiedlichen optischen Abstand zur als Infrarot-Strahlungsquelle ausgebildeten Strahlungseinrichtung der NDIR-Gassensoranordnung angeordnet ist. Da derzeit der wirtschaftliche Aufwand für Strahlungsempfangseinrichtungen höher als der für Strahlungsquellen ist, wird derzeit die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen NDIR-Gassensoranordnung mit zwei Infrarot-Strahlungsquellen und einer Infrarot-Strahlungsempfangseinheit vorgezogen.
Erfindungsgemäß sind im Falle der NDIR-Gassensoranordnung unterschiedliche Messstrecken realisiert, wobei je nach Anforderungsprofil und Messzweck die jeweils geeignete Messstrecke zur Grundlage der Messung gemacht werden kann. Mit längeren optischen Messstrecken bzw. Wegstrecken lässt sich eine höhere Empfindlichkeit und damit eine bessere Auflösung und Genauigkeit bei niedrigen Zielgaskonzentrationen erreichen. Bei sehr hohen Zielgaskonzentrationen führt eine lange optische Wegstrecke jedoch dazu, dass die Gassensoranordnung quasi in einen Sättigungszustand gerät. Trotz weiter zunehmender Zielgaskonzentrationen ist dann mit einem vergleichsweise geringen wirtschaftlichen Aufwand keine Änderung der von der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit empfangenen Infrarot-Strahlungsenergie mehr möglich. Für hohe Konzentrationen kann die vergleichsweise kurze optische Wegstrecke zwischen der Infrarot-Strahlungsquelle und der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit verwendet werden. Diese wiederum ist jedoch mit einer geringen Empfindlichkeit und damit einer geringen Auflösung bei niedrigen Zielgaskonzentrationen einhergehend. Im Falle der erfindungsgemäßen NDIR-Gassensoranordnung kann je nach Anforderungen an die Signalqualität und nach erfassten Zielgaskonzentrationen eine geeignete Betriebsweise realisiert werden.
Da die erfindungsgemäße Gassensoranordnung als NDIR-Gassensoranordnung ausgebildet ist, kann die Durchführung mit einer höheren Zuverlässigkeit und Genauigkeit gewährleistet werden, da die Querempfindlichkeit von NDIR-Gassensoranordnungen auf für die Messung nicht relevante Gase und insbesondere auf die Luftfeuchte im Vergleich zu anderen für die hier einschlägigen Einsatzzwecke vorgesehenen Gassensoranordnungen, insbesondere Gassensoranordnungen mit Metalloxidsensoren, sehr gering ist.
Zu der NDIR-Gassensoranordnung gehören die Infrarot-Strahlungseinrichtung und die Infrarot-Strahlungsempfangseinheit. Vor der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit sitzt die Filtereinrichtung, die nur die für den jeweiligen Messzweck interessierende Wellenlänge zur Infrarot-Strahlungsempfangseinheit passieren lässt. Diese Wellenlänge ist abhängig von dem zu überwachenden Zielgas. Bei einer NDIR-Gassensoranordnung zur Erfassung des CO₂-Gehalts liegt diese Wellenlänge z. B. bei 4,26 μm, da hier eine der Absorptionsbanden von CO₂ liegt. Falls die NDIR-Gassensoranordnung zur Überwachung von HC (Kohlenwasserstoffen) eingesetzt wird, wird eine Wellenlänge von z. B. 3,3 μm gewählt.
Mit der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit der NDIR-Gassensoranordnung wird die von der Infrarot-Strahlungseinrichtung zur Infrarot-Strahlungsempfangseinheit übertragene Energie gemessen. Tritt nun das hinsichtlich seiner Konzentration zu erfassende Zielgas in den Strahlengang zwischen der Infrarot-Strahlungseinrichtung und der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit, so wird ein Teil der Strahlungsenergie auf der spezifischen Wellenlänge durch das im Strahlungsgang befindliche Zielgas absorbiert. Diese Absorption ist gemäß dem Lambert-Beer'schen Gesetz u. a. von der mittleren optischen Weglänge der Messstrecke zwischen der Infrarot-Strahlungseinrichtung und der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit und von der Konzentration des Zielgases abhängig. Das Lambert-Beer'schen Gesetz lautet: I = I₀·10^-Ɛ·c·d
Hierbei sind

I₀: die ohne Zielgas übertragene Energie
c: die Zielgaskonzentration
d: die mittlere optische Weglänge der Messstrecke zwischen der Infrarot-Strahlungsquelle und dem Infrarot-Strahlungsempfänger und
Ɛ: eine vom Zielgas abhängige Konstante.

Die Zielgaskonzentration c wird entsprechend der vorstehend angegebenen Formel ermittelt. Im Idealfall sind I₀, d und Ɛ konstant. Für diesen Fall wäre es ausreichend, mit der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit die übertragene Energie I zu messen und anhand der Formel die Zielgaskonzentration c zu berechnen. Je höher die Zielgaskonzentration c ist, desto weniger Energie wird übertragen. Dies ist von Bedeutung, da alle Einflüsse, die zu einer Verringerung der Energieübertragung führen, in zu hoch ausgegebenen Werten für die Zielgaskonzentration c resultieren. Für ein exaktes Messergebnis ist eine auch über einen sehr langen Zeitraum konstante Strahlungsleistung der Infrarot-Strahlungseinrichtung auf der für die beabsichtigte Messung spezifischen Wellenlänge Grundvoraussetzung. Auch darf sich die mittlere optische Weglänge der Messstrecke zwischen der Infrarot-Strahlungseinrichtung und der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit nicht verändern.
Wenn z. B. zur Erhöhung der Signalqualität des Detektorsignals der NDIR-Gassensoranordnung reflektierende Oberflächen verwendet werden, so dass ein größerer Teil der von der Infrarot-Strahlungseinrichtung ausgesendeten Strahlungsenergie auf die Infrarot-Strahlungsempfangseinheit fokussiert werden kann, ist von hoher Bedeutung, dass die Reflexionseigenschaften der die reflektierenden Oberflächen ausbildenden Werkstoffe stabil sind und sich auch über eine möglicherweise beträchtliche Lebensdauer der NDIR-Gassensoranordnung nicht verändern. Ein Nachlassen der Reflexivität oder auch ein Nachlassen der Strahlungsleistung der Infrarot-Strahlungseinrichtung würde ansonsten stets als eine zu hohe Zielgaskonzentration interpretiert werden. Je nach Einsatz der erfindungsgemäßen NDIR-Gassensoranordnung könnte in diesem Fall möglicherweise ein Fehlalarm ausgelöst werden, was selbstverständlich verhindert werden soll.
Aus dem Stand der Technik ist es beispielsweise bekannt, zur Reduzierung der Alterung der Infrarot-Strahlungsquelle der NDIR-Gassensoranordnung und auch zur Reduzierung des Verbrauchs an elektrischer Energie der NDIR-Gassensoranordnung die Infrarot-Strahlungsquelle gepulst zu betreiben. Zum Beispiel reicht es für einige Anwendungen und Zwecke aus, wenn alle 5 Sekunden ein aktualisierter Messwert zur Verfügung steht. Dann wird die Infrarot-Strahlungsquelle nur alle 5 Sekunden solange eingeschaltet, bis sie ihre volle Strahlungsleistung erreicht hat. Hierfür reichen oft 500 bis 1000 Millisekunden aus. Nach einem festgelegten Zeitintervall wird dann die Empfangsleistung am Infrarot-Strahlungsempfänger gemessen, wobei aus dem hieraus resultierenden Detektorsignal in der nachgeschalteten Steuer- und Auswertevorrichtung die Zielgaskonzentration errechnet wird.
Falls die NDIR-Gassensoranordnung mit einer Batterie als Quelle elektrischer Energie betrieben wird, ist auch die aus dem Stand der Technik bekannte gepulste Betriebsweise mit einer – für viele Einsatzzwecke – zu hohen Energieaufnahme verbunden. Zur Lösung dieses Problems ist im Falle der erfindungsgemäßen NDIR-Gassensoranordnung vorgesehen, dass die Infrarot-Strahlungseinrichtung der NDIR-Gassensoranordnung mit unterschiedlichen Leistungen betreibbar ist. Hierdurch wird eine erhebliche zusätzliche Energieeinsparung ermöglicht.
So ist z. B. für den Fall, dass die NDIR-Gassensoranordnung zur CO₂-Leckage-Erkennung einer Kraftfahrzeugklimaanlage eingesetzt wird, ein Alarmschwellwert zweckmäßig und sinnvoll, der oberhalb einer Zielgas- bzw. CO₂-Konzentration von 10000 ppm (1,0 Volumen-%) liegt. Die Obergrenze des für diese Zwecke sinnvollen Messbereichs liegt dann häufig oberhalb von 100000 ppm (10,0 Volumen-%).
Falls erfasst werden soll, ob sich ein Lebewesen innerhalb eines Innenraums befindet, wird ein gänzlich anderer Messbereich der NDIR-Gassensoranordnung benötigt als für die vorstehend erwähnte CO₂-Leckage-Erkennung einer Klimaanlage. Falls die NDIR-Gassensoranordnung zur Erfassung des Vorhandenseins von Lebewesen innerhalb eines Innenraums eingesetzt wird, ist eine hohe Auflösung und Genauigkeit des die CO₂-Konzentration kennzeichnenden Detektorsignals in einem Konzentrationsbereich bis 1000 ppm (0,1 Volumen-%) erforderlich. Dies soll am folgenden Beispiel verdeutlicht werden:
Ein schlafender Säugling macht ca. 20 Atemzüge je Minute. Das Luftvolumen je Atemzug beträgt ca. 100 ml. Pro Minute atmet der Säugling entsprechend – bei einer Anreicherung der Atemluft um 0,04 Volumen-% CO₂ – 0,08 l CO₂ aus. In einer Stunde sind dies ca. 5 l CO₂.
Wenn der zu überwachende Innenraum ein Volumen von ca. 5 m³ hat, d. h. 5000 l, so hat der Säugling nach einer Stunde einen Anstieg der CO₂-Konzentration von 0,1 Volumen-% CO₂ bewirkt. Falls davon ausgegangen wird, dass ein Kraftfahrzeug in der prallen Sonne innerhalb einer halben Stunde kritische Temperaturen oberhalb 60 Grad C im Innenraum erreicht, muss die NDIR-Gassensoranordnung einen Anstieg der CO₂-Konzentration von 0,05 Volumen-% CO₂ (500 ppm) sicher erkennen können. Ohne den erfindungsgemäß vorgesehenen Betrieb der Infrarot-Strahlungsquelle der NDIR-Gassensoranordnung mit unterschiedlichen Leistungen hätte eine aus dem Stand der Technik bekannte NDIR-Gassensoranordnung in einem Messbereich zwischen 400 ppm und 5000 ppm eine erheblich zu geringe Auflösung.
Zur Erläuterung der Vorteile der erfindungsgemäßen NDIR-Gassensoranordnung sei ergänzend darauf verwiesen, dass einer der Hauptenergieverbraucher einer derartigen NDIR-Gassensoranordnung die Infrarot-Strahlungsquelle ist. Für eine NDIR-Gassensoranordnung mit besonders niedrigem Energieverbrauch muss daher die Betriebsweise der Infrarot-Strahlungsquelle, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, verändert werden. Hierfür wird vorausgesetzt, dass die im Infrarot-Strahlungsempfänger der NDIR-Gassensoranordnung empfangene Strahlungsenergie proportional zu der von der Infrarot-Strahlungsquelle abgestrahlten Strahlungsenergie ist. Die von der Infrarot-Strahlungsquelle abgestrahlte Strahlungsenergie wiederum ist unmittelbar von der zum Betrieb der Infrarot-Strahlungsquelle eingesetzten elektrischen Energie abhängig.
Eine vergleichsweise große abgestrahlte Strahlungsenergie bedeutet somit auch eine vergleichsweise hohe empfangene Strahlungsenergie und damit ein vergleichsweise großes bzw. deutliches Detektorsignal des Infrarot-Strahlungsempfängers. Ein derartiges vergleichsweise großes Detektorsignal verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis, so dass das Messergebnis genauer ist und eine bessere Auflösung hat.
Die von der Infrarot-Strahlungsquelle zum Infrarot-Strahlungsempfänger übertragene Strahlungsenergie W ist proportional dem Produkt aus der abgestrahlten Leistung I₀ und der Strahlungsdauer T. Um die Signalqualität zu verbessern, könnte die abgestrahlte Leistung und/oder die Strahlungsdauer erhöht werden. Um die Energieaufnahme der NDIR-Gassensoranordnung zu reduzieren, könnte die Abstrahlleistung und/oder die Strahlungsdauer reduziert werden. Hierbei könnte die Reduktion so bemessen werden, bis das vom Infrarot-Strahlungsempfänger abgegebene Detektorsignal gerade noch die gestellten Ansprüche hinsichtlich Auflösung, Genauigkeit und Rauschabstand erfüllt. Hierzu verfügt die erfindungsgemäße NDIR-Gassensoranordnung über eine Steuer- und Auswertevorrichtung, mittels der die Infrarot-Strahlungsquellen der Infrarot-Strahlungseinrichtung mit unterschiedlichen Abstrahlleistungen betrieben werden können. Hierzu kann eine für die Energieversorgung der Infrarot-Strahlungsquellen vorgesehene Spannungsquelle einstellbar sein, wobei die Einstellung durch die Steuer- und Auswertevorrichtung erfolgt. Über die Höhe der jeweiligen Betriebsspannung der Spannungsquelle lassen sich verschiedene Stufen der Abstrahlleistung der Infrarot-Strahlungsquellen einstellen.
Vorteilhaft ist im Falle der erfindungsgemäßen NDIR-Gassensoranordnung der optische Abstand zwischen einer ersten Infrarot-Strahlungsquelle und der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit bzw. der Infrarot-Strahlungsquelle und einer ersten Infrarot-Strahlungsempfangseinheit vergleichsweise klein und der optische Abstand zwischen einer zweiten Infrarot-Strahlungsquelle und der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit bzw. der Infrarot-Strahlungsquelle und einer zweiten Infrarot-Strahlungsempfangseinheit vergleichsweise groß. Hierdurch kann sowohl bei sehr kleinen als auch bei sehr großen zu erfassenden Zielgaskonzentrationen bzw. Zielgaskonzentrationsänderungen ein vergleichsweise genaues Messergebnis realisiert werden.
Vorzugsweise sind im Falle der erfindungsgemäßen NDIR-Gassensoranordnung alle vorhandenen Infrarot-Strahlungsquellen mit unterschiedlichen Leistungen betreibbar, so dass derjenige Bereich, in dem exakte Messungen mit hoher Zuverlässigkeit zur Verfügung gestellt werden können, weiter erhöht wird.
Zweckmäßigerweise kann die erfindungsgemäße NDIR-Gassensoranordnung in zumindest zwei Betriebsmodi betrieben werden, wobei in einem ersten Betriebsmodus die erste Infrarot-Strahlungsquelle mit einer sehr niedrigen Leistung betrieben wird und in einem zweiten Betriebsmodus die zweite Infrarot-Strahlungsquelle mit einer hohen Leistung betrieben wird. Im ersten Betriebsmodus hat die erfindungsgemäße NDIR-Gassensoranordnung einen vergleichsweise niedrigen Energieverbrauch. In diesem Betriebsmodus wird eine reduzierte Signalqualität und damit ein Verzicht auf eine vergleichsweise hohe Auflösung, Genauigkeit und Rauschabstand bewusst in Kauf genommen. Priorität in diesem Betriebsmodus hat der vergleichsweise niedrige Energieverbrauch.
Im zweiten Betriebsmodus wird die erfindungsgemäße NDIR-Gassensoranordnung mit einem vergleichsweise hohen Energieverbrauch betrieben. In diesem zweiten Betriebsmodus liegt die Priorität auf einer vergleichsweise hohen Qualität des Detektorsignals, d. h. auf einer hohen Auflösung, einer hohen Genauigkeit und einem hohen Rauschabstand desselben.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen NDIR-Gassensoranordnung ist diese auch in einem dritten Betriebsmodus betreibbar, bei dem die zweite Infrarot-Strahlungsquelle mit einer im Vergleich zu der im ersten Betriebsmodus ggf. erheblich höheren Leistung betrieben wird. Hierdurch wird für vergleichsweise niedrige Zielgaskonzentrationen eine exakte Erfassung dieser Zielgaskonzentrationen bzw. eines Anstiegs dieser Zielgaskonzentrationen gesichert.
Wie vorstehend bereits erwähnt, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, zur Reduzierung des Energieverbrauchs einer NDIR-Gassensoranordnung die Infrarot-Strahlungsquelle derselben in Intervallen zu betreiben. Sofern eine niedrige Messrate ausreichend ist, wird die Infrarot-Strahlungsquelle hierbei nur zur Durchführung jeder einzelnen Messung kurz eingeschaltet. Zwischen den Messungen ist die Infrarot-Strahlungsquelle ausgeschaltet und benötigt somit keine elektrische Energie. Der bekannte Intervallbetrieb hat zudem den Vorteil, dass in denjenigen Zeiten, in denen die Infrarot-Strahlungsquelle ausgeschaltet ist, das Signal des Infrarot-Strahlungsempfängers der NDIR-Gassensoranordnung als Referenzpunkt für die folgende Signalauswertung erfasst werden kann.
Wie bereits erwähnt, gibt es Anwendungsfälle, bei denen ein minimaler Energieverbrauch bei einer vorgegebenen Mindest-Messrate erreicht werden muss, z. B. bei der CO₂-Leckage-Erkennung einer Klimaanlage, die mit CO₂ als Kältemittel betrieben wird, in einem abgestellten Kraftfahrzeug. Die Alarmschwelle liegt hier z. B. bei einer CO₂-Konzentration von 30000 ppm in der Innenraumluft des Kraftfahrzeugs. Mit einer zulässigen Ungenauigkeit von wenigen Prozent soll bei dem Alarmschwellwert der Alarm ausgelöst werden. Der Grundgehalt von CO₂ in der Luft liegt bei ca. 380 ppm. In einem mit mehreren Insassen bzw. Personen besetzten Personenkraftwagen kann die CO₂-Konzentration auch Werte von 1900 ppm erreichen. Der Abstand zum vorstehend geschilderten Alarmschwellwert von ca. 30000 ppm ist jedoch in jedem Fall noch deutlich. Der Faktor ist im vorstehend dargelegten Beispiel größer als 15.
Exemplarisch darf in einem abgestellten Kraftfahrzeug im Ruhemodus die mittlere Stromaufnahme von 50 μA bei 12 V DC (W = 0,6 M WH) nicht überschritten werden. Gleichzeitig soll aber eine Mindest-Messrate von einer Messung je Minute erreicht werden. Für jede Messung stehen somit lediglich 0,6 m WH/60 = 0,01 mWH an elektrischer Energie zur Verfügung. Eine Infrarot-Strahlungsquelle mit einer Nennleistung von 400 mW könnte mit dieser zur Verfügung stehenden elektrischen Energie 90 ms betrieben werden. Eine beim Einsatz von NDIR typische Infrarot-Strahlungsquelle erreicht jedoch erst nach einigen 100 Millisekunden ihre Betriebstemperatur und damit ihre volle Abstrahlleistung. Somit bedeutet die Reduzierung der Abstrahldauer von z. B. 300 ms im bereits geschilderten zweiten Betriebsmodus auf 90 ms im bereits geschilderten ersten Betriebsmodus eine deutliche Verringerung der Abstrahlleistung und damit eine deutliche Reduzierung der Signalqualität. Hierdurch lassen sich die geforderten Messtoleranzen in Bezug auf den Alarmschwellwert nicht erreichen. Das Erreichen dieser Messtoleranzen wird bei der erfindungsgemäßen NDIR-Gassensoranordnung erst dadurch erreicht, dass die Infrarot-Strahlungsquelle der NDIR-Gassensoranordnung mit unterschiedlichen Leistungen betreibbar ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen NDIR-Gassensoranordnung ist vorgesehen, dass die NDIR-Gassensoranordnung von ihrer Steuer- und Auswertevorrichtung in Abhängigkeit von in dieser im ersten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung erfassten Detektorsignalen aus dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus umschaltbar ist.
Die Umschaltung aus dem ersten in den zweiten Betriebsmodus kann insbesondere dann vorgesehen sein, wenn in der Steuer- und Auswertevorrichtung erfasst wird, dass ein vorgebbarer Schwellwert der Zielgaskonzentration erreicht bzw. überschritten wird.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen NDIR-Gassensoranordnung ist diese von ihrer Steuer- und Auswertevorrichtung aus dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus umschaltbar, wenn in der Steuer- und Auswertevorrichtung erfasst wird, dass ein vorgebbarer Schwellwert des Gradienten bzw. des Anstiegs der Zielgaskonzentration erreicht bzw. überschritten wird.
Zur Gefahrenabwendung kann es zweckmäßigerweise vorteilhaft sein, mittels der Steuer- und Auswertevorrichtung der NDIR-Gassensoranordnung eine Alarmanlage und/oder eine Belüftungsvorrichtung od. dgl. in Betrieb zu setzen, wenn im zweiten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung in deren Steuer- und Auswertevorrichtung erfasst wird, dass ein vorgebbarer Alarmschwellwert erreicht bzw. überschritten wird.
Um sicherzustellen, dass die erfindungsgemäße NDIR-Gassensoranordnung, wenn immer sinnvollerweise möglich, in ihrem mit einem niedrigen Energieverbrauch einher gehenden ersten Betriebsmodus betrieben wird, ist es vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße NDIR-Gassensoranordnung mittels ihrer Steuer- und Auswerteeinheit aus ihrem zweiten in ihren ersten Betriebsmodus zurücksetzbar ist, wenn im zweiten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung mittels der Steuer- und Auswertevorrichtung erfasst wird, dass der für die Umschaltung aus dem ersten in den zweiten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung gesetzte Schwellwert oder ein weiterer für eine Umschaltung aus dem zweiten in den ersten Betriebsmodus gesetzter Schwellwert erreicht bzw. unterschritten wird.
Um in bestimmten Anwendungsfällen ein ständiges Umschalten aus dem ersten in den zweiten Betriebsmodus und umgekehrt zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn mittels der Steuer- und Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen NDIR-Gassensoranordnung der für den ersten Betriebsmodus zur Umschaltung in den zweiten Betriebsmodus bzw. der für den zweiten Betriebsmodus zur Umschaltung in den ersten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung vorgebbare Schwellwert anpassbar ist, wenn im zweiten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung mittels der Steuer- und Auswertevorrichtung erfasst wird, dass der vorgebbare Alarmschwellwert während eines vorgebbaren Zeitraums ab der Umschaltung aus dem ersten in den zweiten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung nicht erreicht wird.
Um nach Abstellen eines Kraftfahrzeugs sowohl eine zuverlässige CO₂-Leckage-Überwachung als auch eine zuverlässige Erkennung etwaig im Innenraum des Kraftfahrzeugs befindlicher Lebewesen zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße NDIR-Gassensoranordnung nach dem Abstellen bzw. Außerbetriebsetzen eines mit ihr zur Überwachung seines Innenraums ausgerüsteten Kraftfahrzeugs für einen vorgebbaren Zeitraum in einem einstellbaren Verhältnis intermittierend zwischen ihrem ersten Betriebsmodus und ihrem dritten Betriebsmodus betreibbar ist. Mittels der im ersten Betriebsmodus erfassten Detektorsignale kann zuverlässig eine etwaige CO₂-Leckage, mit den im dritten Betriebsmodus zur Verfügung gestellten Detektorsignalen zuverlässig das Vorhandensein eines Lebewesens im Innenraum des Kraftfahrzeugs festgestellt werden.
Zweckmäßigerweise wird mittels der Steuer- und Auswertevorrichtung eine Alarmanlage und/oder eine Belüftungsvorrichtung od. dgl. in Betrieb gesetzt, wenn im zweiten und/oder dritten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung in deren Steuer- und Auswertevorrichtung erfasst wird, dass ein vorgebbarer Alarmschwellwert erreicht bzw. überschritten wird.
Vorteilhaft wird im dritten Betriebsmodus die Alarmanlage und/oder die Belüftungseinrichtung nur dann in Betrieb gesetzt, wenn mittels eines Temperatursensors das Überschreiten eines vorgebbaren Temperaturschwellwerts erfasst und an die Steuer- und Auswertevorrichtung weitergegeben wird.
Für den optimalen Betrieb der erfindungsgemäßen NDIR-Gassensoranordnung ist es zweckmäßig, wenn mittels ihrer Steuer- und Auswertevorrichtung gemäß einem durch vorgebbare Zeiträume und vorgebbare Schwell- und Alarmwerte für die Detektorsignale definierten Algorithmus die NDIR-Gassensoranordnung automatisch eingestellt werden kann.
Die vorstehend geschilderte erfindungsgemäße NDIR-Gassensoranordnung lässt sich, wie vorstehend bereits dargelegt, vorteilhaft zur Erfassung der CO₂-Konzentration oder der HC-Konzentration im Innenraum eines Kraftfahrzeugs einsetzen bzw. verwenden.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer NDIR-Gassensoranordnung, vorzugsweise einer NDIR-Gassensoranordnung in einer der vorstehend geschilderten Ausführungsformen, sind zumindest zwei Betriebsmodi der NDIR-Gassensoranordnung vorgesehen, wobei in jedem Betriebszustand der NDIR-Gassensoranordnung eine Infrarot-Strahlungsquelle der NDIR-Gassensoranordnung mit einer unterschiedlichen Leistung betrieben wird, und wobei in einem ersten Betriebsmodus eine erste Infrarot-Strahlungsquelle mit einer niedrigen und in einem zweiten Betriebsmodus eine zweite Infrarot-Strahlungsquelle mit einer hohen Leistung betrieben wird.
Zweckmäßigerweise ist bei der Realisierung des vorstehend geschilderten erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer NDIR-Gassensoranordnung vorgesehen, eine Umschaltung der NDIR-Gassensoranordnung aus einem in einen anderen Betriebsmodus jeweils dann vorzunehmen, wenn vorgebbare Schwellwerte erreicht bzw. unter- oder überschritten werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in deren einziger Figur ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gassensoranordnung zur Messung einer Zielgaskonzentration prinzipiell dargestellt ist.
Eine in der einzigen Figur gezeigte Ausführungsform einer Gassensoranordnung 1 dient der Messung einer Zielgaskonzentration, z. B. innerhalb eines Raumes 2. Bei dem Raum 2 kann es sich z. B. um den Innenraum 2 eines Kraftfahrzeugs handeln.
Die Gassensoranordnung 1 ist als nicht dispersive Infrarot-Spektroskopie(NDIR)-Gassensoranordnung 1 ausgebildet und hat eine erste Infrarot-Strahlungsquelle 3, mittels der Infrarot-Strahlungsenergie durch den ein Zielgas, z. B. Kohlendioxyd (CO₂) enthaltenden Raum bzw. Innenraum 2 abstrahlbar ist.
Des Weiteren hat die NDIR-Gassensoranordnung 1 eine zweite Infrarot-Strahlungsquelle 4, mittels der ebenfalls Infrarot-Strahlungsenergie durch den das Zielgas enthaltenden Raum bzw. Innenraum 2 abstrahlbar ist. Die erste Infrarot-Strahlungsquelle 3 und die zweite Infrarot-Strahlungsquelle 4 bilden bei dem in der einzigen Figur gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung 1 deren Strahlungseinrichtung.
In einem Abstand zur ersten Infrarot-Strahlungsquelle 3 der NDIR-Gassensoranordnung 1 ist eine Infrarot-Strahlungsempfangseinheit 5 angeordnet. Mittels der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit 5 ist von der ersten Infrarot-Strahlungsquelle 3 durch den Raum bzw. Innenraum 2 abgestrahlte Infrarot-Strahlungsenergie detektierbar.
Der Abstand zwischen der zweiten Infrarot-Strahlungsquelle 4 und der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit 5 ist im in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiel der NDIR-Gassensoranordnung 1 erheblich größer als der Abstand zwischen der ersten Infrarot-Strahlungsquelle 3 und der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit 5.
Im Strahlungsweg zwischen den Infrarot-Strahlungsquellen 3, 4 einerseits und der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit 5 andererseits ist eine Filtereinrichtung 6 angeordnet, die der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit 5 zugeordnet und für Strahlung eines Wellenlängenbereichs durchlässig gestaltet ist, der dem Zielgas entspricht. Hierzu wird für den Fall, dass CO₂ als Zielgas vorgesehen ist, ein Wellenlängenbereich von ca. 4,26 μm gewählt, da hier eine der Absorptionsbanden von CO₂ liegt. Falls Kohlenwasserstoffe (HC) als Zielgas vorliegen, wird hierzu ein Wellenlängenbereich von z. B. 3,3 μm gewählt.
Sowohl die Infrarot-Strahlungsquellen 3, 4 als auch die Infrarot-Strahlungsempfangseinheit 5 der NDIR-Gassensoranordnung 1 sind an eine Steuer- und Auswertevorrichtung 7 angeschlossen. In der Steuer- und Auswertevorrichtung 7 ist auf der Grundlage eines Detektorsignals, das von der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit 5 an die Steuer- und Auswertevorrichtung 7 angelegt wird, die Zielgaskonzentration errechenbar.
Darüber hinaus sind mittels der Steuer- und Auswertevorrichtung 7 der NDIR-Gassensoranordnung 1 deren Infrarot-Strahlungsquellen 3, 4 mit unterschiedlichen Leistungen betreibbar.
An die Steuer- und Auswertevorrichtung 7 der NDIR-Gassensoranordnung 1 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel des Weiteren eine Alarmanlage 8 und eine Belüftungsvorrichtung 9 angeschlossen. Für den Fall, dass der für die Zielgaskonzentration in der Steuer- und Auswertevorrichtung 7 errechnete Wert einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, wird mittels der Steuer- und Auswertevorrichtung 7 die Alarmanlage 8 in Betrieb gesetzt, so dass Gefahren für sich in dem Raum bzw. Innenraum 2 befindliche Personen reduziert bzw. verhindert werden können. Zusätzlich oder alternativ kann die Steuer- und Auswertevorrichtung 7 bei Erreichen bzw. Überschreiten des Grenzwerts auch die Belüftungsvorrichtung 9 in Betrieb setzen, wobei dann durch den Betrieb der Belüftungsvorrichtung 9 die Zielgaskonzentration innerhalb des Raums bzw. innerhalb Innenraums 2 wieder in einen zulässigen Bereich verbracht werden kann.
Des Weiteren ist an die Steuer- und Auswertevorrichtung der NDIR-Gassensoranordnung ein Temperatursensor 10 angeschlossen. Mittels des Temperatursensors 10 wird die Temperatur im Raum bzw. Innenraum 2 erfasst. Die Auslösung der Alarmanlage 8 und/oder der Belüftungsvorrichtung 9 mittels der Steuer- und Auswertevorrichtung 7 kann an einen bestimmten Temperaturschwellwert gebunden sein. So kann beispielsweise bei einem abgestellten Kraftfahrzeug die Alarmanlage 8 bzw. die Belüftungsvorrichtung 9 nur dann ausgelöst werden, wenn ein bestimmtes Mindesttemperaturniveau erreicht bzw. überschritten wird.
Die in der Figur gezeigte NDIR-Gassensoranordnung 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in drei unterschiedlichen Betriebsarten bzw. Betriebsmodi betreibbar. In einem ersten Betriebsmodus wird die NDIR-Gassensoranordnung 1 mit einem vergleichsweise niedrigen Energieverbrauch betrieben. In diesem ersten Betriebsmodus wird eine reduzierte Signalqualität und damit ein Verzicht auf eine vergleichsweise hohe Auflösung, Genauigkeit und Rauschabstand bewusst in Kauf genommen. Die Priorität dieses ersten Betriebsmodus hat der vergleichsweise niedrige Energieverbrauch. In diesem ersten Betriebsmodus wird die zweite Infrarot-Strahlungsquelle 4 mit einer geringen Abstrahlleistung betrieben.
In einem zweiten Betriebsmodus geht der Betrieb der NDIR-Gassensoranordnung 1 mit einem vergleichsweise hohen Energieverbrauch einher. In diesem zweiten Betriebsmodus liegt die Priorität auf einer vergleichsweise hohen Signalqualität mit hoher Auflösung, hoher Genauigkeit und hohem Rauschabstand. In diesem zweiten Betriebsmodus wird die erste Infrarot-Strahlungsquelle 3 mit einer hohen Abstrahlleistung betrieben.
In einem dritten Betriebsmodus geht der Betrieb der NDIR-Gassensoranordnung 1 ebenfalls mit einem vergleichsweise hohen Energieverbrauch einher. In diesem dritten Betriebsmodus liegt die Priorität auch auf einer vergleichsweise hohen Signalqualität mit hoher Auflösung, hoher Genauigkeit und hohem Rauschabstand. In diesem dritten Betriebsmodus wird die zweite Infrarot-Strahlungsquelle 4 mit einer im Vergleich zu der des ersten Betriebsmodus hohen Abstrahlleistung betrieben.
Die Empfindlichkeit des vorstehend angegebenen erfindungsgemäßen NDIR-Gassensors 1 ist entsprechend dem Lambert-Beer'schen Gesetzes u. a. von der mittleren optischen Weglänge zwischen den Infrarot-Strahlungsquellen 3, 4 und der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit 5 abhängig. Eine längere optische Wegstrecke bedeutet eine höhere Empfindlichkeit und damit eine bessere Auflösung und Genauigkeit bei vergleichsweise niedrigen Zielgaskonzentrationen. Bei sehr großen Zielgaskonzentrationen führt eine lange optische Wegstrecke jedoch dazu, dass der NDIR-Gassensor 1 quasi in die Sättigung gerät. Trotz zunehmender Konzentration ist dann mit einem vertretbaren Aufwand keine Änderung der von der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit 5 empfangenen Infrarot-Strahlungsenergie mehr messbar.
Daher wird für hohe Zielgaskonzentrationen eine vergleichsweise kurze optische Weglänge zwischen der ersten Infrarot-Strahlungsquelle 3 und der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit 5 für die Messung verwendet. Diese vergleichsweise kurze optische Weglänge bedingt jedoch wiederum eine vergleichsweise geringe Empfindlichkeit und damit eine sehr geringe Auflösung des Detektorsignals bei vergleichsweise niedrigen Zielgaskonzentrationen.
Daher sind im Falle der erfindungsgemäßen NDIR-Gassensoranordnung 1 die erste 3 und die zweite Infrarot-Strahlungsquelle 4 vorgesehen, wobei, wie vorstehend geschildert, die erste Infrarot-Strahlungsquelle 3 in einem relativ kleinen und die zweite Infrarot-Strahlungsquelle 4 in einem relativ großen Abstand zur Infrarot-Strahlungsempfangseinheit 5 angeordnet ist.
Im ersten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung wird die den großen Abstand zur Infrarot-Strahlungsempfangseinheit 5 aufweisende zweite Infrarot-Strahlungsquelle 4 durch die Steuer- und Auswertevorrichtung 7 mit einer niedrigen Leistung betrieben. Aufgrund der höheren Empfindlichkeit wegen der langen optischen Wegstrecke zwischen der zweiten Infrarot-Strahlungsquelle 4 und der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit 5 ist es möglich, eine zuverlässige CO₂-Leckage-Erkennung durchzuführen, ohne dass die NDIR-Gassensoranordnung 1 einen hohen Energieverbrauch hätte.
Im zweiten Betriebsmodus wird die erste Infrarot-Strahlungsquelle 3 durch die Steuer- und Auswertevorrichtung 7 mit einer hohen Leistung betrieben. Da hierdurch eine große Signalqualität mit hoher Auflösung, hoher Genauigkeit und hohem Rauschabstand zur Verfügung gestellt wird, kann in diesem Betriebsmodus eine niedrige Zielgas-Konzentration gut erfasst werden. Hierdurch kann mittels der NDIR-Gassensoranordnung 1 eine Erkennung daraufhin durchgeführt werden, ob sich in einem abgestellten Fahrzeug ein Lebewesen befindet. Für diese Anwendung wird eine hohe Auflösung des Detektorsignals und eine hohe Genauigkeit der CO₂-Konzentration im Bereich bis 2000 ppm benötigt. In Verbindung mit einem in der Steuer- und Auswertevorrichtung 7 registrierten maximal zulässigen Temperaturniveau kann immer dann die Alarmanlage 8 bzw. die Belüftungsvorrichtung 9 in Betrieb gesetzt werden, wenn mittels der NDIR-Gassensoranordnung 1 erkannt wird, dass sich in einem abgestellten Fahrzeug ein Lebewesen befindet und dass die Temperatur im Innenraum 2 des Kraftfahrzeugs ein kritisches Niveau überschreitet.
Ein schlafender Säugling macht ca. 20 Atemzüge pro Minute. Das Atemzugvolumen beträgt ca. 100 ml. Je Minute atmet ein Säugling somit ca. 0,08 l CO₂ aus. In der Stunde sind dies ca. 5 l. Wenn der Innenraum 2 ein Volumen von etwa 5 m³ hat, so hat der schlafende Säugling nach einer Stunde einen Anstieg der CO₂-Konzentration von 0,1 Volumen-% erzeugt. Davon ausgehend, dass ein abgestelltes Kraftfahrzeug in praller Sonne innerhalb einer halben Stunde kritische Temperaturen oberhalb eines Niveaus von 60 Grad C im Innenraum 2 erreicht, muss die NDIR-Gassensoranordnung 1 einen CO₂-Konzentrationsanstieg von 0,05 Volumen-% (500 ppm) sicher erkennen können. Hierzu ist an sich der dritte Betriebsmodus, bei dem die zweite Infrarot-Strahlungsquelle 4, die sich in einem großen Abstand zur Infrarot-Strahlungsempfangseinheit 5 befindet, mit einer hohen Leistung betrieben wird, vorteilhaft. Da jedoch die Überwachung auf das Vorhandensein eines Lebewesens im Innenraum 2 eines Kraftfahrzeugs nur bei abgestelltem Kraftfahrzeug erfolgt, muss berücksichtigt werden, dass die NDIR-Gassensoranordnung 1 mit einem niedrigen Energieverbrauch zu betreiben ist.
Entsprechend wird nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs für einen vordefinierten Zeitraum, z. B. für 30 Minuten, die NDIR-Gassensoranordnung im dritten Betriebsmodus betrieben. Liegt während dieses Zeitraums der gemessene Anstieg der CO₂-Konzentration unter einem vordefinierten Schwellwert, so wechselt die NDIR-Gassensoranordnung 1 in den ersten Betriebsmodus.
Möglich ist auch, für einen vordefinierten Zeitraum nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs die NDIR-Gassensoranordnung 1 intermittierend zwischen dem ersten und dem dritten Betriebsmodus zu betreiben. Das Verhältnis zwischen den beiden Betriebsmodi kann frei programmiert werden. Beispielsweise kann die NDIR-Gassensoranordnung je Minute eine Messung im ersten Betriebsmodus durchführen. Diese Messung dient der CO₂-Leckage-Erkennung. Für den Zeitraum von einer Stunde nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs wird jede zehnte Messung im dritten Betriebsmodus durchgeführt. Diese Messung dient dann der Erkennung des Vorhandenseins von Lebewesen im Innenraum des Kraftfahrzeugs.
Durch diese Vorgehensweise wird eine schnelle Erkennung von CO₂-Leckagen durch die entsprechende Messung im Minuten-Intervall sichergestellt. Des Weiteren ist eine sichere Erkennung des Vorhandenseins von Lebewesen innerhalb des Innenraums 2 des Kraftfahrzeugs mit einem zeitlich ausreichenden Intervall gegeben.
Zweckmäßigerweise kann die NDIR-Gassensoranordnung 1 die CO₂-Überwachung einstellen, wenn innerhalb einer in der Steuer- und Auswertevorrichtung 7 ablegbaren vorprogrammierbaren Zeit der Anstieg der CO₂-Konzentration unter der für die Erkennung von Lebewesen definierten Grenze liegt. Die betreffende Entscheidung kann intern, d. h. innerhalb der NDIR-Gassensoranordnung 1, oder durch ein externes Steuergerät erfolgen.
Für die Erkennung von CO₂-Leckagen kann im ersten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung in der Steuer- und Auswertevorrichtung 6 ein vorgebbarer erster Schwellwert der Zielgaskonzentration abgespeichert werden. Dieser erste Schwellwert der Zielgaskonzentration wird im Vergleich zu einem ebenfalls vorgebbaren Alarmschwellwert so niedrig angesetzt, dass aufgrund des Abstands zwischen diesem ersten Schwellwert und dem Alarmschwellwert in jedem Fall sichergestellt ist, dass die Umschaltung aus dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus erfolgt, lange bevor der Alarmschwellwert der Zielgaskonzentration erreicht wird.
Wenn im ersten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung in deren Steuer- und Auswertevorrichtung 7 erfasst wird, dass die Zielgaskonzentration den vorgebbaren ersten Schwellwert erreicht bzw. überschreitet, erfolgt mittels der Steuer- und Auswertevorrichtung 7 eine Umschaltung der NDIR-Gassensoranordnung 1 aus dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus. Die erste Infrarot-Strahlungsquelle 3 wird nun im zweiten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung 1 mit einer vergleichsweise hohen Abstrahlleistung betrieben. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Qualität des von der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit 5 an die Steuer- und Auswertevorrichtung 7 abgegebenen Detektorsignals im zweiten Betriebsmodus erheblich verbessert wird, und zwar schon in einem Bereich der Zielgaskonzentration, der weit von einem Gefährdungsbereich entfernt ist.
Steigt die Zielgaskonzentration im Raum bzw. Innenraum im zweiten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung 1 auf den vorgebbaren Alarmschwellwert bzw. überschreitet sie diesen, wird mittels der Steuer- und Auswertevorrichtung 7 die Alarmanlage in Betrieb gesetzt, wobei gleichzeitig eine Inbetriebsetzung der Belüftungsvorrichtung 9 erfolgen kann, mittels der durch Belüftung des Raums bzw. Innenraums 2 sichergestellt werden kann, dass ein weiteres Ansteigen der Zielgaskonzentration verhindert wird.
Wenn bei im zweiten Betriebsmodus befindlicher NDIR-Gassensoranordnung 1 ein ebenfalls für die Zielkonzentration vorgebbarer und in der Steuer- und Auswertevorrichtung 7 abspeicherbarer dritter Schwellwert unterschritten wird, schaltet die Steuer- und Auswertevorrichtung 7 die NDIR-Gassensoranordnung 1 zurück in den ersten Betriebsmodus.
Wenn nach einer Umschaltung der NDIR-Gassensoranordnung 1 in deren zweiten Betriebsmodus der vorgegebene und in der Steuer- und Auswertevorrichtung 7 abgespeicherte Alarmschwellwert nicht erreicht wird, wird ein neuer erster Schwellwert berechnet, der oberhalb des alten ersten Schwellwerts liegt; dieser neue erste Schwellwert wird in der Steuer- und Auswertevorrichtung 7 abgespeichert, wonach mittels der Steuer- und Auswertevorrichtung 7 die NDIR-Gassensoranordnung 1 zurück in den ersten Betriebsmodus geschaltet wird. Durch diese Anpassung bzw. Erhöhung des ersten Schwellwerts, der für die Umschaltung der NDIR-Gassensoranordnung 1 aus deren ersten in deren zweiten Betriebsmodus vorgesehen ist, wird somit verhindert, dass die NDIR-Gassensoranordnung 1 pausenlos zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus wechselt.
Im Betrieb der vorstehend geschilderten NDIR-Gassensoranordnung 1 wird erreicht, dass für den weitaus überwiegenden Teil der Lebensdauer derselben deren aus den Infrarot-Strahlungsquellen 3, 4 bestehende Strahlungseinrichtung mit einem sehr geringen elektrischen Leistungsbedarf betrieben werden kann. Die Abstrahlleistung der Infrarot-Strahlungseinrichtung 3, 4 der NDIR-Gassensoranordnung 1 wird nur in den vergleichsweise seltenen Fällen erhöht, in denen der vorgebbare erste Schwellwert der Zielgaskonzentration überschritten wird. Nur dann wird das Detektorsignal mit einer erhöhten Signalqualität benötigt, wobei diese erhöhte Signalqualität durch die dann erheblich erhöhte Abstrahlleistung der ersten Infrarot-Strahlungsquelle 3 der NDIR-Gassensoranordnung 1 gesichert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004024284 A1 [0006]

Claims

Gassensoranordnung zur Messung einer Zielgaskonzentration, mit einer Strahlungseinrichtung (3, 4), mittels der Strahlungsenergie durch einen das Zielgas enthaltenden Raum (2) abstrahlbar ist, einer Strahlungsempfangseinrichtung (5), mittels der von der Strahlungseinrichtung (3, 4) abgestrahlte Strahlungsenergie detektierbar ist, einer Filtereinrichtung (6), die der Strahlungsempfangseinrichtung (5) zugeordnet und für Strahlung eines dem Zielgas entsprechenden Wellenlängenbereichs durchlässig ist, und einer Steuer- und Auswertevorrichtung (7), die an die Strahlungsempfangseinrichtung (5) angeschlossen und mittels der auf Grundlage eines von der Strahlungsempfangseinrichtung (5) an die Steuer- und Auswertevorrichtung (7) angelegten Detektorsignals die Zielgaskonzentration errechenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gassensoranordnung (1) als nicht dispersive Infrarot-Spektroskopie(NDIR)-Gassensoranordnung (1) ausgebildet ist, dass die Strahlungseinrichtung (3, 4) der NDIR-Gassensoranordnung (1) zumindest zwei Infrarot-Strahlungsquellen (3, 4) aufweist, und dass jede der zumindest zwei Infrarot-Strahlungsquellen (3, 4) der Strahlungseinrichtung (3, 4) der NDIR-Gassensoranordnung (1) in einem unterschiedlichen optischen Abstand zur als Infrarot-Strahlungsempfangseinheit (5) ausgebildeten Strahlungsempfangseinrichtung (3) der NDIR-Gassensoranordnung (1) angeordnet ist.
Gassensoranordnung zur Messung einer Zielgaskonzentration, mit einer Strahlungseinrichtung, mittels der Strahlungsenergie durch einen das Zielgas enthaltenden Raum abstrahlbar ist, einer Strahlungsempfangseinrichtung, mittels der von der Strahlungseinrichtung abgestrahlte Strahlungsenergie detektierbar ist, einer Filtereinrichtung, die der Strahlungsempfangseinrichtung zugeordnet und für Strahlung eines dem Zielgas entsprechenden Wellenlängenbereichs durchlässig ist, und einer Steuer- und Auswertevorrichtung, die an die Strahlungsempfangseinrichtung angeschlossen und mittels der auf der Grundlage eines von der Strahlungsempfangseinrichtung an die Steuer- und Auswertevorrichtung angelegten Detektorsignals die Zielgaskonzentration errechenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gassensoranordnung als nicht dispersive Infrarot-Spektroskopie(NDIR)-Gassensoranordnung ausgebildet ist, dass die Strahlungsempfangseinrichtung der NDIR-Gassensoranordnung zumindest zwei Infrarot-Strahlungsempfangseinheiten aufweist, und dass jede der zumindest zwei Infrarot-Strahlungsempfangseinheiten der Strahlungsempfangseinrichtung der NDIR-Gassensoranordnung in einem unterschiedlichen optischen Abstand zur als Infrarot-Strahlungsquelle ausgebildeten Strahlungseinrichtung der NDIR-Gassensoranordnung angeordnet ist.
Gassensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der optische Abstand zwischen einer ersten Infrarot-Strahlungsquelle (3) und der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit (5) bzw. der Infrarot-Strahlungsquelle und einer ersten Infrarot-Strahlungsempfangseinheit vergleichsweise klein und der optische Abstand zwischen einer zweiten Infrarot-Strahlungsquelle (4) und der Infrarot-Strahlungsempfangseinheit (5) bzw. der Infrarot-Strahlungsquelle und einer zweiten Infrarot-Strahlungsempfangseinheit vergleichsweise groß ist.
Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der zumindest die zweite, vorzugsweise jede Infrarot-Strahlungsquelle (3, 4) mit unterschiedlichen Leistungen betreibbar ist.
Gassensoranordnung nach Anspruch 1, 3 oder 4, die in einem ersten Betriebsmodus, in dem die zweite Infrarot-Strahlungsquelle (4) mit einer niedrigen Leistung betrieben wird, und in einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist, bei dem die erste Infrarot-Strahlungsquelle (3) mit einer im Vergleich zu der der zweiten (4) im ersten Betriebsmodus höheren Leistung betrieben wird.
Gassensoranordnung nach Anspruch 5, die in einem dritten Betriebsmodus betreibbar ist, bei dem die zweite Infrarot-Strahlungsquelle (4) mit einer im Vergleich zu der im ersten Betriebsmodus höheren Leistung betrieben wird.
Gassensoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, die von ihrer Steuer- und Auswertevorrichtung (7) in Abhängigkeit von in dieser im ersten bzw. zweiten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung (1) erfassten Detektorsignalen aus dem ersten bzw. dem zweiten Betriebsmodus in den zweiten bzw. den ersten Betriebsmodus umschaltbar ist.
Gassensoranordnung nach Anspruch 7, die von ihrer Steuer- und Auswertevorrichtung (7) aus dem ersten in den zweiten Betriebsmodus umschaltbar ist, wenn in der Steuer- und Auswertevorrichtung (7) erfasst wird, dass ein vorgebbarer Schwellwert, z. B. ein Absolutwert oder ein Gradient, der Zielgaskonzentration erreicht bzw. überschritten wird.
Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, mittels deren Steuer- und Auswerteeinheit (7) die NDIR-Gassensoranordnung (1) aus ihrem zweiten in ihren ersten Betriebsmodus zurücksetzbar ist, wenn im zweiten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung (1) mittels der Steuer- und Auswertevorrichtung (7) erfasst wird, dass der für die Umschaltung aus dem ersten in den zweiten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung (1) gesetzte Schwellwert oder ein weiterer für eine Umschaltung aus dem zweiten in den ersten Betriebsmodus gesetzter Schwellwert erreicht bzw. unterschritten wird.
Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, mittels deren Steuer- und Auswertevorrichtung (7) der für den ersten Betriebsmodus zur Umschaltung in den zweiten Betriebsmodus bzw. der für den zweiten Betriebsmodus zur Umschaltung in den ersten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung (1) vorgebbare Schwellwert anpassbar ist, wenn im zweiten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung (1) mittels der Steuer- und Auswertevorrichtung (7) erfasst wird, dass der vorgebbare Alarmschwellwert während eines vorgebbaren Zeitraums ab der Umschaltung aus dem ersten in den zweiten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung (1) nicht erreicht wird.
Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, die nach dem Abstellen bzw. Außerbetriebsetzen eines mit ihr zur Überwachung seines Innenraums (2) ausgerüsteten Kraftfahrzeugs für einen vorgebbaren Zeitraum in einem einstellbaren Verhältnis intermittierend zwischen ihrem ersten Betriebsmodus und ihrem dritten Betriebsmodus betreibbar ist.
Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, mittels deren Steuer- und Auswertevorrichtung (7) eine Alarmanlage (8) und/oder eine Belüftungsvorrichtung (9) od. dgl. in Betrieb setzbar ist, wenn im zweiten und/oder dritten Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung (1) in deren Steuer- und Auswertevorrichtung (7) erfasst wird, dass ein vorgebbarer Alarmschwellwert erreicht bzw. überschritten wird.
Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der im dritten Betriebsmodus die Alarmanlage (8) und/oder die Belüftungseinrichtung (9) nur dann in Betrieb setzbar ist, wenn mittels eines Temperatursensors (10) das Überschreiten eines vorgebbaren Temperaturschwellwerts erfasst und an die Steuer- und Auswertevorrichtung (7) weitergegeben wird.
Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, die mittels ihrer Steuer- und Auswertevorrichtung (7) gemäß einem durch vorgebbare Zeiträume und vorgebbare Schwell- und Alarmwerte für die Detektorsignale definierten Algorithmus automatisch einstellbar ist.
Verwendung einer Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Erfassung der CO₂-Konzentration oder der HC-Konzentration im Innenraum (2) eines Kraftfahrzeugs.
Verfahren zum Betrieb einer NDIR-Gassensoranordnung (1), vorzugsweise einer NDIR-Gassensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem zumindest zwei Betriebsmodi der NDIR-Gassensoranordnung (1) vorgesehen sind, und bei dem in jedem Betriebsmodus der NDIR-Gassensoranordnung (1) Infrarot-Strahlungsquellen (3, 4) der NDIR-Gassensoranordnung (1) mit unterschiedlichen Leistungen betrieben werden, wobei in einem ersten Betriebsmodus eine Infrarot-Strahlungsquelle (4) mit einer niedrigen und in einem zweiten Betriebsmodus eine Infrarot-Strahlungsquelle (3) mit einer hohen Leistung betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem eine Umschaltung der NDIR-Gassensoranordnung (1) aus einem in einen anderen Betriebsmodus erfolgt, wenn vorgebbare Schwellwerte erreicht bzw. unter- oder überschritten und/oder vorgebbare Zeiträume überschritten werden.