DE102015008323A1

DE102015008323A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases

Info

Publication number: DE102015008323A1
Application number: DE102015008323.6A
Authority: DE
Inventors: Livio Fornasiero; Hans-Ulrich Plate; Karl-Johannes von Fleischbein
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2017-01-05

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases. Die Vorrichtung weist eine erste Strahlungsquelle zur Erzeugung einer ersten Wellenlänge und eine zweite Strahlungsquelle zur Erzeugung einer zweiten Wellenlänge auf. Ferner weist die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens einen optoelektronischen Detektor auf, welcher für die erste und die zweite Wellenlänge sensitiv ist und welcher in Abhängigkeit detektierter optischer Signale ein elektrisches Signal erzeugt. Die Vorrichtung weist eine Steuer- und Recheneinheit auf, welche die Strahlungsquellen derart ansteuert, dass die Amplitude des ersten optischen Signals in Abhängigkeit einer ersten Signalfolge pulsmoduliert wird und dass die Amplitude des zweiten optischen Signals in Abhängigkeit einer zweiten Signalfolge pulsmoduliert wird, wobei die Signalfolgen Korrelationsfolgen sind. Die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit bestimmt die Konzentration des Gases in Abhängigkeit des elektrischen Signals und unter Kenntnis der Signalfolgen.

Description

Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt, welche eine Konzentration eines Gases als Bestandteil eines Gasgemischs anhand optischer Signale bestimmen. Üblicherweise wird hierbei ein optisches Signal bzw. elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise Licht, einer ersten Wellenlänge in ein auf das Gas zu überwachendes Volumen bzw. zu überwachenden Raum ausgestrahlt und eine Intensität der durch das Volumen bzw. den Raum transmittierten Strahlung der ersten Wellenlänge mittels eines optoelektronischen Sensors bzw. Detektors detektiert. Die erste Wellenlänge wird derart gewählt, dass Strahlung dieser ersten Wellenlänge durch das Gas, dessen Konzentration bestimmt werden soll, in Abhängigkeit der Gaskonzentration absorbiert wird, wie durch das Lambert-Beersche Gesetz beschrieben. Anhand der detektierten Intensität der transmittierten Strahlung der ersten Wellenlänge kann dann auf eine Bedämpfung bzw. Absorption der Strahlung der ersten Wellenlänge durch das Gas geschlossen werden. Da die Strahlung der ersten Wellenlänge jedoch nicht nur durch das Gas selber absorbiert wird, sondern beispielsweise auch durch eine möglicherweise in dem Gasgemisch vorhandene Luftfeuchte, ist es ferner üblich, ein optisches Signal bzw. elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise Licht, einer zweiten Wellenlänge, welche sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet, in das zu überwachende Volumen bzw. den zu überwachenden Raum auszusenden. Diese zweite Wellenlänge wird derart gewählt, dass die Strahlung der zweiten Wellenlänge nicht durch das Gas absorbiert wird aber durch die in dem Gasgemisch vorhandene Luftfeuchte. Auch für die durch das Volumen bzw. den Raum transmittierte Strahlung der zweiten Wellenlänge wird dann mittels eines optoelektronischen Detektors eine Intensität detektiert. Mittels der detektierten Intensitäten der unterschiedlichen Wellenlängen lässt sich dann auf eine Konzentration des Gases bei gleichzeitiger Kompensation einer Luftfeuchte schließen. Dieses hier beschriebene Messprinzip ist nicht auf elektromagnetische Strahlung in Form von sichtbarem Licht beschränkt, die Strahlung kann auch eine nicht sichtbare elektromagnetische Strahlung sein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases als Bestandteil eines Gasgemischs in einem definierten Raum mit einer erhöhten Messgenauigkeit bereitzustellen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases nach dem Patentanspruch 1. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases nach dem Patentanspruch 10. Ferner wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases nach dem Patentanspruch 12.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases als Bestandteil eines Gasgemisches weist eine erste Strahlungsquelle zur Erzeugung eines ersten optischen Signals einer ersten Wellenlänge und eine zweite Strahlungsquelle zur Erzeugung eines zweiten optischen Signals einer zweiten Wellenlänge auf. Die zweite Wellenlänge unterscheidet sich von der ersten Wellenlänge. Ferner weist die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens einen optoelektronischen Detektor auf, welcher für die erste und die zweite Wellenlänge sensitiv ist und welcher in Abhängigkeit detektierter optischer Signale ein elektrisches Signal erzeugt. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit, welche dazu ausgebildet ist, die Strahlungsquellen derart anzusteuern, dass die Amplitude des ersten optischen Signals in Abhängigkeit einer ersten Signalfolge pulsmoduliert wird und dass ferner die Amplitude des zweiten optischen Signals in Abhängigkeit einer zweiten Signalfolge pulsmoduliert wird. Die Signalfolgen sind Korrelationsfolgen. Die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit ist ferner dazu ausgebildet, die Konzentration des Gases in Abhängigkeit des elektrischen Signals und unter Kenntnis der Signalfolgen zu bestimmen.
Eine Bestimmung einer Konzentration eines Gases anhand der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung von Korrelationsfolgen ist gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung vorteilhaft, da gegenüber dem Stand der Technik eine erhöhte Messgenauigkeit erzielt werden kann. Dieses wird nun im Folgenden erläutert.
Die jeweilige Modulation der Amplituden der jeweiligen Wellenlängen mittels Korrelationsfolgen entspricht einer Modulation mittels Spreizsequenzen, wobei eine einzelne Korrelationsfolge als eine einzelne Spreizsequenz angesehen werden kann. Da eine Korrelationsfolge eine Autokorrelationsfunktion mit impulsförmigem Verhalten besitzt, weist die Korrelationsfolge nach dem Wiener-Khintchine-Theorem ein breitbandiges Spektrum auf und somit auch das durch die Signalfolge pulsmodulierte Signal. Die Signalenergie ist also auf einen breiten Spektralbereich verteilt. Eine Empfindlichkeit gegen schmalbandige Störungen fällt bei der vorgeschlagenen Lösung somit deutlich geringer aus als bei einer Lösung nach dem Stand der Technik, bei welcher die schmalbandigen bzw. monochromatischen Wellenlängen unmoduliert bleiben. Daher ist es möglich, mit der vorgeschlagenen Vorrichtung bzw. dem vorgeschlagenen Messverfahren eine erhöhte Messgenauigkeit bei Vorliegen von schmalbandigen Störsignalen zu erzielen.
Ferner ist die vorgeschlagene Vorrichtung bzw. das vorgeschlagene Verfahren unempfindlicher gegen eine additive Störung in Form von weißem Rauschen als die aus dem Stand der Technik bekannte Lösung. Der Erwartungswert von weißem Rauschen geht für eine steigende Anzahl von Stichprobenwerten gegen Null. Der Erwartungswert einer Korrelationsfolge geht für eine steigende Folgenlänge nicht gegen Null und verschwindet also nicht. Bei entsprechender Signalverarbeitung des durch den wenigstens einen optoelektronischen Detektor erzeugten elektrischen Signals in der Steuer- und Recheneinheit mittels eines auf die Korrelationsfolge angepassten Korrelationsfilters, also unter Kenntnis der Korrelationsfolge, kann das Korrelationsfilter bezogen auf das weiße Rauschen als eine Mittelwertbildung angesehen werden, so dass der Einfluss des additiven weißen Rauschens somit „herausgemittelt” wird. Dieser Effekt ist umso stärker, je länger die Korrelationsfolge gewählt wird. Der Störeffekt des additiven weißen Rauschens lässt sich also mit steigender Folgenlänge stärker reduzieren. Auch deshalb ist es möglich, mit der vorgeschlagenen Vorrichtung bzw. dem vorgeschlagenen Messverfahren eine erhöhte Messgenauigkeit zu erzielen.
Vorzugsweise sind die Pulsraten der optischen Signale gleich und die Signalfolgen sind Korrelationsfolgen, welche orthogonal oder quasi-orthogonal zueinander sind.
Dadurch, dass die zwei Signalfolgen Korrelationsfolgen sind, welche quasi-orthogonal oder orthogonal zu einander sind, lässt sich ein gleichzeitiges, pulsmoduliertes Aussenden der zwei Wellenlängen bei gleichzeitiger Detektion der Wellenlängen mittels eines einzigen optoelektronischen Detektors durchführen. Wird das durch den optoelektronischen Detektor erzeugte elektrische Signal in der Steuer- und Recheneinheit mittels auf die Korrelationsfolgen jeweils angepasste Korrelationsfilter ausgewertet, also unter Kenntnis der Korrelationsfolgen, dann lässt sich ein Einfluss der Korrelationsfolgen untereinander und somit ein Einfluss einer Wellenlänge auf die andere Wellenlänge hinreichend reduzieren bzw. möglicherweise eliminieren.
Vorzugsweise ist die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit dazu ausgebildet, wenigstens eine der Strahlungsquellen derart anzusteuern, dass die Amplitude des entsprechenden optischen Signals in Abhängigkeit einer vorgegebenen, initialen Signalfolge pulsmoduliert wird, wobei die initiale Signalfolge eine Korrelationsfolge mit einer initialen Folgenlänge ist. Ferner ist vorzugsweise die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit dazu ausgebildet, anhand des elektrischen Signals und unter Kenntnis der initialen Signalfolge ein Vorhandensein einer Mindestkonzentration des Gases zu detektieren, sodass bei Vorhandensein der Mindestkonzentration des Gases die Strahlungsquellen derart angesteuert werden, dass die Amplitude des ersten optischen Signals in Abhängigkeit der ersten Signalfolge pulsmoduliert wird und dass die Amplitude des zweiten optischen Signals in Abhängigkeit der zweiten Signalfolge pulsmoduliert wird, wobei die erste und die zweite Signalfolge Korrelationsfolgen sind, und ferner die Konzentration des Gases in Abhängigkeit des wenigstens einen elektrischen Signals und unter Kenntnis der Signalfolgen zu bestimmen, wobei die Folgenlänge der ersten Signalfolge und die Folgenlänge der zweiten Signalfolge jeweils größer als die initiale Folgenlänge ist, und wobei die Pulsmodulationen anhand der initialen Signalfolge, anhand der ersten Signalfolge und anhand der zweiten Signalfolge jeweils mit gleicher mittlerer Leistung erfolgen.
Vorzugsweise ist die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit dazu ausgebildet, die Strahlungsquellen derart anzusteuern, dass die Amplituden der Wellenlängen mittels On-Off-Keying pulsmoduliert werden. Ein solches Modulationsverfahren ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Signalfolgen binäre Folgen bestehend aus den Werten „0” und „1” sind, wobei dann also im Falle des On-Off-Keying der Zustand „on” einer „1” entspricht und der Zustand „off” einer „0”. Dieses macht eine Detektion empfangener Folgenwerte durch einen dem optoelektronischen Detektor nachgeschalteten Schwellwertentscheider besonders einfach.
Vorzugsweise sind die Signalfolgen orthogonal zueinander. Ferner ist vorzugsweise die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit dazu ausgebildet, die Strahlungsquellen derart anzusteuern, dass die Pulsmodulationen der Amplituden der optischen Signale in Abhängigkeit der Signalfolgen synchron zueinander erfolgen. Synchron bedeutet hierbei, dass bei Beginn der Modulation einer ersten Wellenlänge mittels einer ersten Folge gleichzeitig mit der Modulation der zweiten Wellenlänge anhand der zweiten Korrelationsfolge begonnen wird. Dieses ist vorteilhaft, da orthogonale Korrelationsfolgen einander in ihren jeweiligen Hauptwerten der Autokorrelationsfunktionen nicht gegenseitig beeinflussen. Hierdurch wird ein Übersprechen bzw. Überlagern zwischen den einzelnen Signalfolgen minimiert.
Vorzugweise sind die Signalfolgen Korrelationsfolgen, welche quasi-orthogonal zueinander sind. Dieses ist vorteilhaft, da der Einfluss der Kreuzkorrelationen der Folgen untereinander gegenüber den Hauptwerten der jeweiligen Autokorrelationsfunktionen der Folgen verschwindend gering ist. Somit kann ein Übersprechen bzw. Überlagern zwischen den einzelnen Signalfolgen vernachlässigt werden. Die Verwendung quasi-orthogonaler Korrelationsfolgen ermöglicht es, die einzelnen optischen Signale der einzelnen optischen Wellenlängen anhand der jeweiligen Korrelationsfolgen zu modulieren, ohne dass diese Modulation synchron zueinander erfolgen muss.
Vorzugsweise befinden sich die Strahlungsquellen und der optoelektronische Detektor in einer oder an einer Gasküvette. Dieses ist vorteilhaft, da das zu überwachende Volumen bzw. der zu überwachende Raum durch die Gasküvette klar definiert wird. Ferner kann sowohl die Ansteuerung der Strahlungsquellen als auch die Auswertung des elektrischen Signals zur Bestimmung der Gaskonzentration durch eine vorzugsweise einzelne Steuer- und Recheneinheit durchgeführt werden, welche direkt mit den Strahlungsquellen und dem optoelektronischen Detektor verbunden werden kann. Insbesondere ist hierdurch eine synchrone Modulation der Wellenlängen mittels Korrelationsfolgen besonders einfacher sicherzustellen.
Vorzugweise weist die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit wenigstens eine Speichereinheit auf, welche Daten bereitstellt, die die Signalfolgen indizieren. Dieses ist vorteilhaft, da somit durch die Steuer- und Recheneinheit einfach und direkt auf die Signalfolgen zugegriffen werden kann, um dann die Strahlungsquellen zur Modulation der Wellenlängen anzusteuern. Dieses erspart es, die Signalfolgen in der Steuer- und Recheneinheit selber zu erzeugen, beispielsweise durch mathematische Funktionen oder rückgekoppelte Schieberegister.
Vorzugsweise ist die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit dazu ausgebildet, in Abhängigkeit des elektrischen Signals für jedes der optischen Signale einen jeweiligen Bedämpfungswert zu bestimmen, welcher eine jeweilige Bedämpfung des jeweiligen optischen Signals indiziert. Ferner weist die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit eine Speichereinheit auf, welche Zuordnungsdaten bereitstellt, die eindeutige Zuordnungen zwischen jeweiligen 2-Tupeln von Bedämpfungswerten und jeweiligen 1-Tupeln von Konzentrationswerten indizieren. Hierbei ist die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit dazu ausgebildet, die Konzentration des Gases in Abhängigkeit der zuvor bestimmten Bedämpfungswerte und der Zuordnungsdaten zu bestimmen. Dieses ist besonders vorteilhaft, da mittels der zuvor bestimmten jeweiligen Bedämpfungswerte und anhand der durch Zuordnungsdaten gegebenen Zuordnungsdaten direkt auf die zu bestimmende Konzentration des Gases geschlossen werden kann, ohne zusätzliche aufwendige Berechnungsschritte durchführen zu müssen, wie beispielsweise eine Bestimmung der Gaskonzentration anhand einer mathematischen Funktion höherer Ordnung.
Vorgeschlagen wird ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases, welche eine erste Sendeeinheit, eine zweite Sendeeinheit und eine Empfangseinheit aufweist. Die erste Sendeeinheit weist eine erste Strahlungsquelle zur Erzeugung eines ersten optischen Signals einer ersten Wellenlänge und ferner eine zweite Strahlungsquelle zur Erzeugung eines zweiten optischen Signals einer zweiten Wellenlänge, welche sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet, auf. Die zweite Sendeeinheit weist eine dritte Strahlungsquelle zur Erzeugung eines dritten optischen Signals einer dritten Wellenlänge und ferner eine vierte Strahlungsquelle zur Erzeugung eines vierten optischen Signals einer vierten Wellenlänge, welche sich Von der dritten Wellenlänge unterscheidet, auf. Die Empfangseinheit weist wenigstens einen optoelektronischen Detektor auf, welcher für die erste, die zweite, die dritte und die vierte Wellenlänge sensitiv ist und welcher ferner in Abhängigkeit detektierter optischer Signale ein elektrisches Signal erzeugt. Die erste Sendeeinheit weist eine erste Steuereinheit auf, welche dazu ausgebildet ist, die erste und die zweite Strahlungsquelle derart anzusteuern, dass die Amplitude des ersten optischen Signals in Abhängigkeit einer ersten Signalfolge pulsmoduliert wird und dass die Amplitude des zweiten optischen Signals in Abhängigkeit einer zweiten Signalfolge pulsmoduliert wird. Die zweite Sendeeinheit weist eine zweite Steuereinheit auf, welche dazu ausgebildet ist, die dritte und die vierte Strahlungsquelle derart anzusteuern, dass die Amplitude des dritten optischen Signals in Abhängigkeit der dritten Signalfolge pulsmoduliert wird und dass die Amplitude des vierten optischen Signals in Abhängigkeit einer vierten Signalfolge pulsmoduliert wird. Die Signalfolgen sind Korrelationsfolgen. Die Empfangseinheit weist eine Recheneinheit aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die Konzentration des Gases in Abhängigkeit des elektrischen Signals und unter Kenntnis der Signalfolgen zu bestimmen. Diese Ausgestaltung einer Vorrichtung ist vorteilhaft, da ein derartiges System beispielsweise in einer sognannten Open-Path-Messung die Sendeeinheiten ihre jeweiligen optischen Signale aus verschiedenen Richtungen durch einen Raum hin zu einem gemeinsamen Empfänger aussenden können. Hierdurch kann der Raum nicht nur prinzipiell auf eine Konzentration eines Gases überwacht werden kann, sondern die Gaskonzentration kann auch noch bezogen auf die jeweiligen Senderichtungen bzw. Empfangsrichtungen hin ausgewertet werden kann. Es lässt sich dann mittels einer Auswertung zeitlicher Verläufe von jeweiligen Gaskonzentrationen für die jeweiligen Strahlrichtungen auf einen räumlichen Verlauf der Gaskonzentration schließen. Es ließe sich beispielsweise also detektieren, ob eine sogenannte Gaswolke zuerst die erste Strahlrichtung und dann beispielsweise später die zweite Strahlrichtung passiert, um festzustellen, aus welcher Richtung das zu detektierende Gas durch den zu überwachenden Raum einströmt.
Vorzugsweise sind hierbei die Pulsraten der optischen Signale gleich und die Signalfolgen sind Korrelationsfolgen, welche orthogonal oder quasi-orthogonal zueinander sind.
Vorgeschlagen wird ferner ein Verfahren zur Bestimmung einer Gaskonzentration, welches verschiedene Schritte aufweist:

– Aussenden eines ersten optischen Signals einer ersten Wellenlänge mittels einer ersten Strahlungsquelle,
– Aussenden eines zweiten optischen Signals einer zweiten Wellenlänge, welche sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet, mittels einer zweiten Strahlungsquelle,
– Erzeugen eines elektrischen Signals in Abhängigkeit detektierter optischer Signale mittels wenigstens eines optoelektronischen Detektors, welcher für die erste und die zweite Wellenlänge sensitiv ist,

Vorgeschlagen wird ferner ein Verfahren zur Bestimmung einer Gaskonzentration, aufweisend die zyklisch abfolgenden Schritte

– Aussenden eines ersten optischen Signals einer ersten Wellenlänge mittels einer ersten Strahlungsquelle, wobei die Amplitude des ersten optischen Signals in Abhängigkeit einer ersten Korrelationsfolge einer initialen Folgenlänge pulsmoduliert wird,
– Erzeugen eines elektrischen Signals in Abhängigkeit eines detektierten optischen Signals mittels wenigstens eines optoelektronischen Detektors, welcher für die erste Wellenlänge sensitiv ist,
– Bestimmen eines gemessenen Peakwertes in Abhängigkeit des elektrischen Signals und unter Kenntnis der ersten Korrelationsfolge,

– Erhöhen der Folgenlänge der ersten Korrelationsfolge zum Aussenden des ersten optischen Signals,
– Erzeugen des elektrischen Signals und
– Bestimmen eines gemessenen Peakwertes

– Aussenden eines ersten optischen Signals einer ersten Wellenlänge mittels einer ersten Strahlungsquelle, wobei die Amplitude des ersten optischen Signals in Abhängigkeit einer ersten Korrelationsfolge einer ersten Folgenlänge pulsmoduliert wird,
– Aussenden eines zweiten optischen Signals einer zweiten Wellenlänge, welche sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet, mittels einer zweiten Strahlungsquelle, wobei die Amplitude des zweiten optischen Signals in Abhängigkeit einer zweiten Korrelationsfolge einer zweiten Folgenlänge pulsmoduliert wird,
– Erzeugen eines elektrischen Signals in Abhängigkeit detektierter optischer Signale mittels wenigstens eines optoelektronischen Detektors, welcher für die erste und die zweite Wellenlänge sensitiv ist,
– Bestimmen einer gemessenen Konzentration des Gases in Abhängigkeit des elektrischen Signals und unter Kenntnis der Korrelationsfolgen,

Vorzugsweise sind die Pulsraten der optischen Signale gleich und die Signalfolgen sind Korrelationsfolgen, welche orthogonal oder quasi-orthogonal zueinander sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand spezieller Ausführungsformen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 die Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases,
2 die Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
3 die Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
4 eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform.
5 eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform,
6 Schritte zur Durchführung einer energieoptimierten Messung,
7 Schritte zur Bestimmung einer Folgenlänge für Signalfolgen,
8 Schritte zur adaptiven Anpassung von Folgenlängen für Signalfolgen.
1 zeigt eine Vorrichtung V zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases.
Die Vorrichtung V weist eine erste elektromagnetische Strahlungsquelle SQ1 zur Erzeugung bzw. zum Aussenden eines ersten optischen Signals einer ersten Wellenlänge λ1 auf. Ferner weist die Vorrichtung V eine zweite elektromagnetische Strahlungsquelle SQ2 zur Erzeugung bzw. zum Aussenden eines zweiten optischen Signals einer zweiten Wellenlänge λ2 auf, welche sich von der ersten Wellenlänge λ1 unterscheidet.
Die optischen Signale sind vorzugsweise elektromagnetische Strahlungen jeweils in Form von sichtbarem Licht.
Die optischen Signale sind monochromatische optische Signale bzw. schmalbandige optische Signale, deren Mittenfrequenz im Wesentlichen mit der jeweiligen Wellenlänge des jeweiligen optischen Signals übereinstimmt.
Die Strahlungsquellen SQ1, SQ2 sind vorzugsweise Light-Emitting-Diodes (LEDs). Vorzugsweise sind die Strahlungsquellen SQ1, SQ2 durch jeweilige breitbandige LEDs gegeben, denen schmalbandige optische Filter nachgeschaltet sind, um die schmalbandigen optischen Signale zu erzeugen.
Die Vorrichtung V weist ferner wenigstens einen optoelektronischen Detektor OS auf, welcher vorzugsweise eine Fotodiode ist. Mit anderen Worten, der wenigstens eine optoelektronische Detektor OS ist ein optoelektronischer Sensor. Der Detektor OS ist für die erste Wellenlänge λ1 und für die zweite Wellenlänge λ2 sensitiv und erzeugt in Abhängigkeit detektierter optischer Signale ein elektrisches Signal ES.
Die erste Wellenlänge λ1 ist derart gewählt, dass sie durch das zu detektierende Gas MG und durch eine möglicherweise vorhandene Luftfeuchte absorbiert wird. Die zweite Wellenlänge λ2 ist derart gewählt, dass sie durch das zu detektierende Gas MG nicht absorbiert wird, aber durch eine möglicherweise vorhandene Luftfeuchte.
Die Vorrichtung V weist ferner wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit SRE auf. Die Steuer- und Recheneinheit SRE ist dazu ausgebildet, die Strahlungsquellen SQ1 und SQ2 anzusteuern, welches in der 1 durch ein oder mehrere Ansteuersignale AS indiziert ist. Die Steuer- und Recheneinheit SRE ist dazu ausgebildet, die Strahlungsquellen SQ1 und SQ2 derart anzusteuern, dass die Amplitude des ersten optischen Signals in Abhängigkeit einer ersten Signalfolge s1 pulsmoduliert wird und dass die Amplitude des zweiten optischen Signals in Abhängigkeit einer zweiten Signalfolge s2 pulsmoduliert wird. Die Signalfolgen s1 und s2 sind Korrelationsfolgen. Die Steuer- und Recheneinheit SRE steuert die Strahlungsquellen SQ1 und SQ2 vorzugsweise derart an, dass die Amplituden der Wellenlängen λ1 und λ2 mittels On-Off-Keying pulsmoduliert werden.
Die Steuer- und Recheneinheit SRE ist ferner dazu ausgebildet, die Konzentration eines Gases bzw. Messgases MG innerhalb eines zu überwachenden Raumes R in Abhängigkeit des elektrischen Signals ES und unter Kenntnis der Signalfolgen s1 und s2 zu bestimmen. Die Folgen s1 und s2 sind vorzugsweise von jeweiliger gleicher Länge.
Eine Korrelationsfolge ist eine Signalfolge diskreter Werte, deren Autokorrelationsfunktion einen Hauptwert aufweist, welcher deutlich größer als jeder andere Nebenwert der Autokorrelationsfunktion ist. Eine Signalfolge ist dann eine Korrelationsfolge, wenn ihre Autokorrelationsfunktion impulsförmiges Verhalten ähnlich einem Dirac-Stoß aufweist.
Dieses wird nun beispielhaft für die Wahl binärer Signalfolgen, welche auch unipolare Folgen genannt werden, als die Folgen s1 und s2 erläutert. Vorzugsweise handelt es sich bei den Folgen s1 und s2 um Pseudonoisefolgen in der Form von Maximalfolgen.
Die erste Signalfolge s1 ist vorzugsweise eine diskrete, binäre Signalfolge der Länge N s₁(k) ∊ {0, 1}, k = 0 ... N – 1
Die Signalfolge s2 ist vorzugsweise eine diskrete, binäre Signalfolge der Länge N, also gleicher Länge wie die Signalfolge s1 s₂(k) ∊ {0, 1}, k = 0 ... N – 1
Die Signalfolge s1 ist eine Korrelationsfolge, da ihre Autokorrelationsfunktion
einen Hauptwert bzw. Maximalwert für m = 0 aufweist m_max = argmax(φ_s1s1(m)) und da der Hauptwert φ_s1s1(0) der Autokorrelationsfunktion φ_s1s1(m) deutlich größer ist als alle anderen Nebenwerte der Autokorrelationsfunktion φ_s1s1(0) >> φ_s1s1(m), m ≠ 0.
Entsprechendes gilt analog für die Signalfolge s2 als Korrelationsfolge.
Zwischen den Folgen s1 und s2 lässt sich ferner eine Kreuzkorrelationsfunktion φ_s1s2(m) bestimmen gemäß φ_s1s2(m) = s₁(m)*s₂(–m) = Σ_ks₁(k)s₂(m + k), m = –(N – 1) ... + (N – 1).
Hierbei stellt der Operator * den Faltungsoperator dar.
Für den bevorzugten Fall, dass die Signalfolgen s1 und s2 orthogonal zueinander sind, ergibt sich für den Hauptwert der Kreuzkorrelationsfunktion φ_s1s2(0) mit dem Index m = 0 dann exakt φ_s1s2(0) = 0
Mit anderen Worten: Zwei Signalfolgen s1 und s2 sind dann orthogonal zueinander, wenn der Hauptwert ihrer Kreuzkorrelationsfunktion null ist.
Für den bevorzugten Fall, dass die Signalfolgen s1 und s2 nicht orthogonal aber zumindest quasi-orthogonal zueinander sind, sind alle Werte ihrer Kreuzkorrelationsfunktion φ_s1s2(m) deutlich kleiner als der Hauptwert φ_s1s1(0) der Autokorrelationsfunktion der Folge s1 und deutlich kleiner als der Hauptwert φ_s2s2(0) der Autokorrelationsfunktion der Folge s2 gemäß φ_sxsx(0) >> φ_s1s2(m), ∀m, x = 1, 2.
Die Folgen s1, s2 haben vorzugsweise jeweils eine Länge von N = 128. Ein einzelner Puls der optischen Signale hat vorzugsweise eine Pulsdauer von 10 μs, so dass die Zeitdauer eines in Abhängigkeit einer Folge s1, s2 pulsmodulierten optischen Signals 1,28 ms entspricht.
Es wird nun im Detail im Folgenden dargelegt, in welcher Weise die Steuer- und Recheneinheit SRE die Konzentration des Gases MG in Abhängigkeit des elektrischen Signals ES und unter Kenntnis der Signalfolgen s1 und s2 bestimmt.
Die Steuer- und Recheneinheit SRE tastet das analoge elektrische Signal ES mittels einer analog/digital-Wandlung AD ab, welches das diskrete, elektrische Signal E ergibt. Man kann nun annehmen, dass das diskrete, elektrische Signal E generell gegeben ist durch e(k) = s ^₁(k) + s ^₂(k).
Das elektrische Signal e(k) stellt den allgemeinen Fall dar, dass die Folgen s1 und s2 zumindest teilweise zeitlich überlappend ausgesendet und auch empfangen wurden. Wurden die Folgen s1 und s2 nicht zeitlich überlappend ausgesendet und auch empfangen, sondern wurde z. B. zunächst nur die Folge s1 ausgesendet und empfangen, dann ergibt sich für das elektrische Signal E der Spezialfall e(k) = s ^₁(k).
Wurden die Folgen s1 und s2 nicht zeitlich überlappend ausgesendet und auch empfangen, sondern wurde z. B. zunächst nur die Folge s2 ausgesendet und empfangen, dann ergibt sich für das elektrische Signal E der Spezialfall e(k) = s ^₂(k)
Hierbei stellt der erste Summand s ^₁(k) eine Signal- bzw. Folgenkomponente s ^₁(k) = f₁·s₁(k), k = 0 ... N – 1 unter der Annahme dar, dass erste optische Signal der ersten Wellenlänge λ1 bzw. die erste Signalfolge s1 um einen Faktor f₁ bedämpft wird. Hierbei lässt sich der Bedämpfungsfaktor f₁ vorzugsweise aufteilen gemäß f₁ = sf₁·d₁
Hierbei repräsentiert der Faktor sf₁ eine Sensitivität des optischen Detektors OS für die erste Wellenlänge λ1, während der Faktor d₁ eine Bedämpfung bzw. einen Absorptionsgrad der ersten Wellenlänge λ1 durch das Gas MG und/oder eine vorhandene Raumfeuchte repräsentiert.
Analog hierzu lässt sich der zweite Summand s ^₂(k) des diskreten elektrischen Signals E schreiben als s ^₂(k) = f₂·s₂(k + t)
Hierbei indiziert der zusätzliche Index t eine zeitliche Verschiebung der Signalfolgen s1 und s2 zueinander. Diese Verschiebung liegt beispielsweise dann vor, wenn die jeweilige Amplitudenmodulation der jeweiligen Wellenlängen λ1 bzw. λ2 anhand der Signalfolgen s1 bzw. s2 nicht synchron zueinander, sondern um ein bestimmtes Zeitintervall, repräsentiert durch den diskreten Zeitindex t, versetzt zueinander erfolgt. Hierbei indiziert der zusätzliche Index t eine zeitliche Verschiebung der Signalfolgen s1 und s2 zueinander. Liegt ein zeitlicher Versatz zwischen den Folgen s1 und s2 derart vor, dass sich die Folgen s1 und s2 nicht zeitlich überlappen und dass ferner die Folge s2 nicht in dem elektrischen Signal E erfasst wurde, dann lässt sich dies als ein zeitlicher Versatz der Folge s2 mit |t| > N beschreiben. Liegt ein zeitlicher Versatz zwischen den Folgen s1 und s2 derart vor, dass sich die Folgen s1 und s2 nicht zeitlich überlappen und dass ferner die Folge s1 nicht in dem elektrischen Signal E erfasst wurde, dann lässt sich dies als ein zeitlicher Versatz mit s ^₁(k) = f₁·s₁(k + t) s ^₂(k) = f₂·s₂(k) |t| > N beschreiben.
Hierbei lässt sich der Skalierungsfaktor f₂ = sf₂·d₂ wiederum zerlegen in einen Sensitivitätsfaktor sf₂, welcher eine Sensitivität des optischen Detektors OS für die zweite Wellenlänge λ2 repräsentiert, und in einen Bedämpfungswert d₂, welcher eine Bedämpfung bzw. Absorption der zweiten Wellenlänge λ2 durch einen Feuchtigkeitseinfluss repräsentiert.
Das diskrete elektrische Signal E wird nun sowohl einem ersten Signalfilter F1 als auch einem zweiten Signalfilter F2 zugeführt. Diese Signalfilter F1, F2 sind digitale Signalfilter.
Das erste Signalfilter F1 weist als Impulsantwort h₁(k) eine zeitliche Inverse der ersten Signalfolge s1 auf h₁(k) = s₁(–k)
Das zweite Signalfilter F2 weist als Impulsantwort h₂(k) eine zeitliche Inverse der zweiten Signalfolge s2 auf h₂(k) = s₂(–k)
Ein durch das erste Filter F1 erzeugte Korrelationsergebnis φ1 ist somit gegeben durch φ₁(m) = e(m)*h₁(m) = e(m)*s₁(–m), m = –(N – 1) ... + (N – 1).
Dieses lässt sich weiter darstellen als

und schließlich φ₁(m) = sf₁·d₁·φ_s1s1(m) + sf₂·d₂·φ_s1s2(m + t).
Für den ersten Fall, dass ein zeitlicher Versatz zwischen den Folgen s1 und s2 derart vorliegt, dass sich die Folgen s1 und s2 nicht zeitlich überlappen und dass ferner die Folge s2 nicht in dem elektrischen Signal E erfasst wurde, ergibt sich für das Korrelationsergebnis des ersten Filters F1 wegen des Kreuzkorrelationstermes φ_s1s2(m + t) = 0 schließlich φ₁(m) = sf₁·d₁·φ_s1s1(m).
Es wird also für diesen ersten Fall eine hinreichend genaue Messung anhand von Korrelationsfolgen ermöglicht, wobei eine gegenseitige Beeinflussung der Folgen s1 und s2 untereinander durch einen hinreichend großen zeitlichen Versatz ausgeschlossen werden kann.
Für den bevorzugten zweiten Fall, dass die Pulsraten gleich sind und dass die Folgen s1 und s2 quasi-orthogonal zueinander sind verschwindet der Kreuzkorrelationsterm φ_s1s2(0 + t) näherungsweise für den Abtastpunkt m = 0 gegenüber dem Hauptwert φ_s1s1(0) der Autokorrelationsfunktion der Folge s1 φ_s1s1(0) >> φ_s1s2(0 + t)
In diesem bevorzugten zweiten Fall wird das elektrische Signal ES vorzugsweise von einem einzigen Detektor OS erzeugt.
Es wird also für diesen bevorzugten zweiten Fall eine hinreichend genaue Messung anhand von Korrelationsfolgen ermöglicht, wobei eine gegenseitige Beeinflussung der Folgen s1 und s2 untereinander durch die Wahl gleicher Pulsraten und die Wahl quasi-orthogonaler Folgen s1 und s2 näherungsweise auch dann unterdrückt wird, wenn die Folgen s1 und s2 zumindest teilweise überlappend zueinander ausgesendet werden. Dies ermöglicht in diesem zweiten Fall ferner eine vorzugsweise Erzeugung des elektrischen Signals ES mittels eines einzigen Detektor OS.
Für den bevorzugten dritten Fall, dass die Signalfolgen s1 und s2 orthogonal zueinander sind, und dass die Pulsmodulation der optischen Signale in Abhängigkeit der Signalfolgen synchron zueinander erfolgt, also zeitgleich beginnend, ergibt sich die für den Kreuzkorrelationsterm φ_s1s2(0 + t) für den Abtastpunkt m = 0 aufgrund der Synchronität mit t = 0 exakt φ_s1s2(0 + 0) = 0
In diesem bevorzugten dritten Fall wird das elektrische Signal ES vorzugsweise von einem einzigen Detektor OS erzeugt. Dies ermöglicht in diesem dritten Fall ferner eine vorzugsweise Erzeugung des elektrischen Signals ES mittels eines einzigen Detektor OS.
Es wird also für diesen bevorzugten dritten Fall eine hinreichend genaue Messung anhand von Korrelationsfolgen ermöglicht, wobei eine gegenseitige Beeinflussung der Folgen s1 und s2 untereinander durch die Wahl gleicher Pulsraten und die Wahl orthogonaler Folgen s1 und s2 dann exakt unterdrückt wird, wenn die Folgen s1 und s2 synchron zueinander ausgesendet und empfangen werden.
Es lässt sich also für alle der drei Fälle das Korrelationsergebnis φ₁(m) im Abtastpunkt m = 0 annehmen als φ₁(0) ≈ sf₁·d₁·φ_s1s1(0)
Hierbei stellt φ₁(0) den Hauptwert bzw. Peakwert der Korrelationsfunktion für die erste Signalfolge s1 dar, über welchen die Steuer- und Recheneinheit SRE Kenntnis hat. Der Hauptwert bzw. der Peakwert φ₁(0) ist bezogen auf die erste Folge s1 bzw. das erste Filter F1.
Ist der Faktor sf₁ als Sensitivität des Detektors OS auf die Wellenlänge λ1 bekannt, z. B. aus einer Messung bzw. Kalibrierung des Detektors OS, so ist es nun möglich, diesen Einfluss zu kompensieren.
Es lässt sich also nun innerhalb des Bestimmungsschrittes BS für die erste Wellenlänge λ1 der Bedämpfungswert bzw. der Absorptionsgrad d₁ bestimmen zu
Es wurde also gezeigt, dass in Abhängigkeit des elektrischen Signales ES durch die Steuer- und Recheneinheit SRE unter Kenntnis der Signalfolge s1 für die erste Wellenlänge λ1 der Bedämpfungswert d1 bestimmt werden kann.
Eine Bestimmung eines Bedämpfungswertes d₂ für die zweite Wellenlänge λ2 durch Verwendung des Signalfilters F2, welches in seiner Impulsantwort h₂(m + t) auf die zeitliche Verschiebung t der Signalfolge s2 synchronisiert ist, lässt sich entsprechend durchführen.
Das Korrelationsergebnis φ2 für das zweite Filter F2 bzw. bezogen auf die zweite Folge s2 lässt sich schreiben als
Für den ersten Fall, dass ein zeitlicher Versatz zwischen den Folgen s1 und s2 derart vorliegt, dass sich die Folgen s1 und s2 nicht zeitlich überlappen und dass ferner die Folge s1 nicht in dem elektrischen Signal E erfasst wurde, ergibt sich für das Korrelationsergebnis des zweiten Filters F2 wegen des Kreuzkorrelationstermes φ_s1s2(m + t) = 0 schließlich φ₂(m) = sf₂·d₂·φ_s2s2(m).
Es wird also für diesen ersten Fall eine hinreichend genaue Messung anhand von Korrelationsfolgen ermöglicht, wobei eine gegenseitige Beeinflussung der Folgen s1 und s2 untereinander durch einen hinreichend großen zeitlichen Versatz ausgeschlossen werden kann.
Für den bevorzugten zweiten Fall, dass die Pulsraten gleich sind und dass die Folgen s1 und s2 quasi-orthogonal zueinander sind verschwindet der Kreuzkorrelationsterm φ_s1s2(0 + t) näherungsweise für den Abtastpunkt m = 0 gegenüber dem Hauptwert φ_s2s2(0) der Autokorrelationsfunktion der Folge s2 φ_s2s2(0) >> φ_s1s2(0 + t).
Es wird also für diesen bevorzugten zweiten Fall eine hinreichend genaue Messung anhand von Korrelationsfolgen ermöglicht, wobei eine gegenseitige Beeinflussung der Folgen s1 und s2 untereinander durch die Wahl gleicher Pulsraten und die Wahl quasi-orthogonaler Folgen s1 und s2 näherungsweise auch dann unterdrückt wird, wenn die Folgen s1 und s2 zumindest teilweise überlappend zueinander ausgesendet werden.
Für den bevorzugten dritten Fall, dass die Signalfolgen s1 und s2 orthogonal zueinander sind, und dass die Pulsmodulation der optischen Signal in Abhängigkeit der Signalfolgen synchron zueinander erfolgt, also zeitgleich beginnend, ergibt sich die für den Kreuzkorrelationsterm φ_s1s2(0 + t) für den Abtastpunkt m = 0 aufgrund der Synchronität mit t = 0 exakt φ_s1s2(0 + 0) = 0.
Es wird also für diesen bevorzugten dritten Fall eine hinreichend genaue Messung anhand von Korrelationsfolgen ermöglicht, wobei eine gegenseitige Beeinflussung der Folgen s1 und s2 untereinander durch die Wahl gleicher Pulsraten und die Wahl orthogonaler Folgen s1 und s2 dann exakt unterdrückt wird, wenn die Folgen s1 und s2 synchron zueinander ausgesendet und empfangen werden.
Auch hier lässt sich also unter der Annahme, dass einer der drei oben genannten Fälle vorliegt, aufgrund des zu vernachlässigenden Kreuzkorrelationsterms φ_s1s2(m + t) das Korrelationsergebnis φ₂(m) im Abtastpunkt m = 0 annehmen als φ₂(0) ≈ sf₂·d₂·φ_s2s2(0).
Dieser Wert φ₂(0) ist der Hauptwert.
Hierbei stellt φ₂(0) den Hauptwert bzw. Peakwert der Korrelationsfunktion für die zweite Signalfolge s2 dar, über welche die Steuer- und Recheneinheit SRE Kenntnis hat. Der Hauptwert bzw. der Peakwert φ₂(0) ist bezogen auf die zweite Folge s2 bzw. das zweite Filter F2.
Ist der Faktor sf₂ als Sensitivität des Detektors OS auf die Wellenlänge λ2 bekannt, z. B. aus einer Messung bzw. Kalibrierung des Detektors OS, so ist es nun möglich, diesen Einfluss zu kompensieren.
Es lässt sich also nun für die zweite Wellenlänge λ2 der Bedämpfungswert bzw. der Absorptionsgrad d₂ bestimmen zu
Für den Fall, dass die Steuer- und Recheneinheit SRE keine Kenntnis über die Sensitivitätsfaktoren sf₁ bzw. sf₂ hat, kann die Steuer- und Recheneinheit die Bedämpfungswerte d₁ und d₂ bestimmen, ohne eine jeweilige Sensitivität des Detektors OS für die jeweiligen Wellenlängen λ1 bzw. λ1 zu berücksichtigen.
Die Steuer- und Recheneinheit SRE wählt also die Impulsantworten der Signalfilter F1 und F2 unter Kenntnis der Signalfolgen s1 und s2. Hierzu weist die Steuer und Recheneinheit SRE vorzugsweise eine Speichereinheit MEM1 auf, in welcher Daten abgespeichert sind, die die Signalfolgen s1 und s2 indizieren. Vorzugsweise weist die Steuer- und Recheneinheit SRE eine separate, interne Steuereinheit SE1 auf, welche die Strahlungsquellen SQ1 und SQ2 zum Zwecke der genannten Pulsmodulation ansteuert. Vorzugsweise greift hierbei die Steuereinheit SE1 auf die Speichereinheit MEM1 zu, um Kenntnis über die Signalfolgen s1 und s2 zu erlangen.
Eine erste Möglichkeit, in einem Bestimmungsschritt BS innerhalb der Steuer- und Recheneinheit SRE die Konzentration G des Gases MG zu bestimmen, wäre beispielsweise, die Bedämpfungswerte d₁ und d₂ in eine vorgegebene mathematische Funktion einzusetzen. Gemäß einer zweiten, alternativen Möglichkeit weist die Steuer- und Recheneinheit SRE eine Speichereinheit MEM2 auf, welche Zuordnungsdaten ZD bereitstellt. Die Zuordnungsdaten ZD indizieren eindeutige Zuordnungen zwischen jeweiligen 2-Tupeln von Bedämpfungswerten {d_I,i, d_II,i} und jeweiligen 1-Tupeln von Konzentrationswerten G_i gemäß {d_I,i, d_II,i} → G_i
Vorzugsweise sind die Zuordnungsdaten ZD ein sogenannter vorkonfigurierter Look-up-Table, welcher für jeweilige Einträge von Bedämpfungswertpaaren {d_I,i, d_II,i} mit dem Index i einen jeweils zugeordneten Wert G_i einer Gaskonzentration aufweist. Der Look-up-Table ist in dem Sinne vorkonfiguriert, dass der Look-up-Table bereits in der Speichereinheit MEM2 abgespeichert vorliegt, bevor die Vorrichtung mit dem Messverfahren beginnt. Eine Verwendung eines solchen Look-up-Tables erfolgt hierbei vorzugsweise dadurch, dass die zuvor bestimmten Bedämpfungswerte d₁ und d₂ zunächst auf in dem Look-up-Table vorhandene diskrete Werte d_I,i, d_II,i auf- bzw. abgerundet werden, also diskretisiert werden, und dass dann der dem entsprechenden Wertepaar {d_I,i, d_II,i} zugeordnete Konzentrationswert G_i aus dem Look-up-Table ausgelesen wird. Es wird also durch die Steuer- und Recheneinheit SRE die Konzentration des Gases MG in Abhängigkeit der zuvor bestimmten Bedämpfungswerte d₁ und d₂ sowie der Zuordnungsdaten ZD bestimmt.
Es kann also unter Betrachtung der in Bezug auf die 1 dargelegten Beschreibung festgestellt werden, dass ein Verfahren zur Bestimmung einer Gaskonzentration gezeigt ist, welches verschiedene Schritte aufweist:

Vorzugsweise steuert die Steuer- und Recheneinheit SRE die erste Strahlungsquelle SQ1 derart an, dass das erste optische Signal der ersten Wellenlänge λ1 in seiner Amplitude in Abhängigkeit von mehreren sequentiellen Wiederholungen der ersten Signalfolge s1 pulsmoduliert wird. Ferner steuert die Steuer- und Recheneinheit SRE die zweite Strahlungsquelle SQ2 derart an, dass das zweite optische Signal der zweiten Wellenlänge λ2 in seiner Amplitude in Abhängigkeit von mehreren sequentiellen Wiederholungen der zweiten Signalfolge s2 pulsmoduliert wird. Hierbei kann für die sequentiellen Wiederholungen der Folgen s1 bzw. s2 der Index p = 1 ... P geschrieben werden.
Die Steuer- und Recheneinheit SRE bestimmt dann für die P Wiederholungen jeweilige Korrelationsergebnisse φ p / 1, φ p / 2 und daraus dann jeweilige Bedämpfungswerte d p / 1, d p / 2 die Steuer- und Recheneinheit SRE bestimmt dann vorzugsweise für die P Wiederholungen jeweilige Konzentrationswerte G^p des Gases MG. Vorzugsweise bestimmt die Steuer- und Recheneinheit SRE für die P Wiederholungen einen mittleren Konzentrationswert G - = 1 / PΣ_pG^p
Vorzugsweise lässt die Steuer- und Recheneinheit SRE jene Korrelationsergebnisse φ r / 1, φ r / 2, r ∊ {1 ... P) für jene Wiederholungen r unberücksichtigt, für welche ein jeweiliges Haupt-Nebenwert-Verhältnis
zwischen dem jeweiligem Hauptwert φ r / x(0), r ∊ {1 ... P}, x = 1, 2 und dem jeweiligen größten Nebenwert max{φ r / x(m)}, m ≠ 0 einen vorgegebenen Schwellwert SW_HNV unterschreitet
Hierdurch lässt sich eine zu starke Störung der optischen Signale bzw. der Korrelationsfolgen s1 und s2, z. B. durch EMV-Störungen, detektieren und sicherstellen, dass gestörte Folgen nicht in die Bestimmung des Konzentrationswertes des Gases MG eingehen. An Stelle des Haupt-Nebenwert-Verhältnisses kann auch auf den sogenannten Merit-Faktor
mit einem entsprechenden Schwellwert MF r / x < SW_MF abgestellt werden.
Vorzugsweise wird die Anzahl der als gestört detektierten Folgen durch die Steuer- und Recheneinheit SRE ausgegeben.
Vorzugsweise ist die Steuer- und Recheneinheit SRE dazu ausgebildet, die in 6 dargestellten Schritte S1, ..., S5 auszuführen. Hierbei ist die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit SRE dazu ausgebildet, in dem Schritt S1 wenigstens eine der Strahlungsquellen SQ1 oder SQ2 derart anzusteuern, dass die Amplitude des entsprechenden optischen Signals in Abhängigkeit einer vorgegebenen, initialen Signalfolge sa pulsmoduliert wird, wobei die initiale Signalfolge sa eine Korrelationsfolge mit einer initialen Folgenlänge Q ist. Die Folgelänge Q ist kleiner als die Folgenlänge N der später zur Konzentrationsbestimmung zu verwendenden Folgen s1 bzw. s2.
Ferner ist vorzugsweise die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit SRE dazu ausgebildet, anhand des elektrischen Signals ES und unter Kenntnis der initialen Signalfolge sa ein Vorhandensein einer Mindestkonzentration des Gases zu detektieren. Dies erfolgt in dem Schritt S2 dadurch, dass zunächst in einem Teilschritt S11 anhand des elektrischen Signals ES und einem Korrelationsfilter, welches als Stoßantwort die Folge s1 selber besitzt, ein Korrelationsergebnis φ_α bestimmt wird, wie zuvor analog für die Filter F1 bzw. F2 in Bezug auf die Folgen s1 und s2 beschrieben. In einem weiteren Teilschritt S12 wird dann das Korrelationsergebnis φ_α verwendet, um ein Maß für ein Vorhandensein des Gases zu bestimmen. Diese Maß kann das Haupt-Nebenwert-Verhältnis
der Merit-Faktor
oder eine Anzahl zu verwerfender Sequenzen sein, deren Bestimmung anhand des Haupt-Nebenwert-Verhältnisses oder des Merit-Faktors erfolgen kann, wie zuvor beschrieben.
In einem Schritt S3 wird dann auf ein Vorhandensein der Mindestkonzentration des Gases geschlossen, wenn das Haupt-Nebenwert-Verhältnis einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet HNV_α < SW_HNVα
Alternativ wird dann auf ein Vorhandensein der Mindestkonzentration des Gases geschlossen, wenn der Merit-Faktor einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet MF_α < SW_MFα
Alternativ wird dann auf ein Vorhandensein der Mindestkonzentration des Gases geschlossen, wenn die Anzahl zu verwerfender Sequenzen einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Wird nicht auf ein Vorhandensein der Mindestkonzentration des Gases geschlossen, so wird zu dem Schritt S1 zurückgekehrt.
Wird in dem Schritt S3 auf ein Vorhandensein der Mindestkonzentration des Gases geschlossen, so werden die Schritte S4 und S5 durchgeführt. In dem Schritt S4 werden dann, wie zuvor beschrieben, die Strahlungsquellen derart angesteuert werden, dass die Amplitude des ersten optischen Signals in Abhängigkeit der ersten Signalfolge s1 pulsmoduliert wird und dass die Amplitude des zweiten optischen Signals in Abhängigkeit der zweiten Signalfolge s2 pulsmoduliert wird, wobei die erste s1 und die zweite s2 Signalfolge Korrelationsfolgen sind. In dem Schritt s5 wird dann die Konzentration des Gases in Abhängigkeit des wenigstens einen elektrischen Signals ES und unter Kenntnis der Signalfolgen s1 und s2 bestimmt, wobei die Folgenlänge N der ersten Signalfolge s1 und die Folgenlänge N der zweiten Signalfolge s2 jeweils größer als die initiale Folgenlänge Q der initialen Folge sa ist, und wobei die Pulsmodulationen anhand der initialen. Signalfolge sa, anhand der ersten Signalfolge s1 und anhand der zweiten Signalfolge s2 jeweils mit gleicher mittlerer Leistung erfolgen. Hierdurch ist es möglich, aufgrund der kürzeren Folgenlänge Q der initialen Folge nur eine prinzipielle Detektion des Vorhandensein des Gases zu detektieren, wobei hier aufgrund der gewählten mittleren Leistung und der kürzeren Folgenlänge nur eine erste Menge an Energie zum Aussenden der initialen Folge sa aufgewendet werden muss, da Energie bekanntlich das Produkt aus Leistung und Zeit, also der Folgenlänge, ist. Erst bei detektierter Mindestkonzentration des Gases wird dann die tatsächliche Konzentrationsmessung anhand der längeren Folgen s1 und s2 mit der Folgenlänge N > Q durchgeführt, wofür dann also erst für diese genaue Messung eine höhere Energiemenge aufgrund der größeren Folgenlänge N aufgewendet wird.
Vorzugsweise sind die Strahlungsquellen SQ1, SQ2 durch eine breitbandige LED gegeben, welcher zwei schmalbandige optische Filter nachgeschaltet sind, um die schmalbandigen optischen Signale der jeweiligen Wellenlängen λ1 und λ2 zu erzeugen. Hierbei erfolgt die Pulsmodulation der Amplitude der ersten Wellenlänge λ1 in Abhängigkeit der ersten Folge s1 während eines ersten Zeitfensters, wobei vorzugsweise während dieses ersten Zeitfensters das schmalbandige Filter für die zweite Wellenlänge λ2 keine Strahlungstransmission erlaubt, so dass nur die erste Wellenlänge λ1 ausgestrahlt wird. Anschließend erfolgt die Pulsmodulation der Amplitude der zweiten Wellenlänge λ2 in Abhängigkeit der zweiten Folge s2 während eines zweiten Zeitfensters, wobei vorzugsweise während dieses zweiten Zeitfensters das schmalbandige Filter für die erste Wellenlänge λ1 keine Strahlungstransmission erlaubt, so dass nur die zweite Wellenlänge λ2 ausgestrahlt wird.
2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform V1. Gemäß dieser ersten bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung V1 derart ausgestaltet, dass sich die Strahlungsquellen SQ1 und SQ2 sowie der optoelektronische Detektor OS in einer oder an einer Gasküvette K befinden. Hierbei sind sowohl die Strahlungsquelle SQ1 und die Strahlungsquelle SQ2 als auch der optoelektronische Detektor OS mit der Steuer- und Recheneinheit SRE verbunden. Dieses ermöglicht das Überwachen eines definierten Raumes, welcher durch die Gasküvette K definiert wird, auf das Gas MG hin. Ferner erlaubt die Vorrichtung V aufgrund der miniaturisierten Ausgestaltung sowohl ein Ansteuern der Strahlungsquellen SQ1 und SQ2 als auch ein Auswerten des elektrischen Signals ES durch eine einzige Steuer- und Recheneinheit SRE.
3 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform V2 der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung V2 erlaubt eine sogenannte Open-Path-Messung. Gemäß dieser Ausführungsform besteht die Vorrichtung V2 aus einer Sendeeinheit TX und einer Empfangseinheit RX. Die Sendeeinheit TX weist hierbei die Strahlungsquellen SQ1 und SQ2 zur Erzeugung der Wellenlängen λ1 und λ2 auf. Ferner weist die Sendeeinheit TX die Steuereinheit SE1 als auch die Speichereinheit MEM1 auf. Die Empfangseinheit RX weist den optischen Detektor OS und eine Steuer- und Recheneinheit SRE' auf. Die Steuer- und Recheneinheit SRE' unterscheidet sich von der Steuer- und Recheneinheit SRE aus der 1 dadurch, dass die Steuer- und Recheneinheit SRE' nicht die Steuereinheit SE1 aufweist. Vorzugweise weist die Empfangseinheit RX in ihrer Steuer- und Recheneinheit SRE' eine Steuereinheit auf, welche über eine kabellose oder eine kabelgebundene Kommunikationsverbindung mit der Steuereinheit SE1 des Senders TX in Verbindung steht. Hierdurch ist es möglich, ein Modulieren bzw. Erzeugen der Wellenlängen λ1 und λ2 durch die Steuereinheit SE1 seitens der Steuer- und Recheneinheit SRE' zu initiieren bzw. anzufordern.
4 zeigt eine bevorzugte dritte Ausführungsform V3 der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung V3 weist eine erste Sendeeinheit TX1, eine zweite Sendeeinheit TX2 sowie eine Empfangseinheit RX1 auf. Die erste Sendeeinheit TX1 weist die erste Strahlungsquelle SQ1 zur Erzeugung des ersten optischen Signals der ersten Wellenlänge λ1 und ferner die zweite Strahlungsquelle SQ2 zur Erzeugung des zweiten optischen Signals der zweiten Wellenlänge λ2 auf. Die zweite Sendeeinheit TX2 weist eine dritte Strahlungsquelle SQ3 zur Erzeugung eines dritten optischen Signals einer dritten Wellenlänge λ3 und ferner eine vierte Strahlungsquelle SQ4 zur Erzeugung eines vierten optischen Signals einer vierten Wellenlänge λ4 auf. Vorzugsweise unterscheiden sich alle Wellenlängen λ1, λ2, λ3 und λ4 voneinander. Vorzugsweise ist alternativ hierzu die dritte Wellenlänge λ3 gleich der ersten Wellenlänge λ1 und die vierte Wellenlänge λ4 gleich der zweiten Wellenlänge λ2.
Die Empfangseinheit RX1 weist mindestens einen optoelektronischen Detektor OS1 auf, welcher für die vier Wellenlängen λ1, λ2, λ3 und λ4 sensitiv ist. Der Detektor OS1 erzeugt in Abhängigkeit detektierter optischer Signale ein elektrisches Signal ES1. Vorzugsweise weist die Empfangseinheit RX1 mehrere optoelektronische Detektoren OS1 auf, wobei ein erster optoelektronischer Detektor für die erste Wellenlänge λ1 und die zweite Wellenlänge λ2 sensitiv ist und in Abhängigkeit detektierter optischer Signale ein erstes elektrisches Signal erzeugt, wobei ferner ein zweiter optoelektronischer Detektor für die dritte Wellenlänge λ3 und die vierte Wellenlänge λ4 sensitiv ist und in Abhängigkeit detektierter optischer Signale ein zweites elektrisches Signal erzeugt und wobei das erste und das zweite elektrische Signal zu einem gemeinsamen elektrischen Signal ES1 überlagert werden. Die Verwendung mehrerer optoelektronischer Detektoren reduziert den sich insgesamt auswirkenden Rauscheinfluss welcher an den Detektoren auftritt.
Die erste Sendeeinheit TX1 weist eine Steuereinheit SE11 auf, welche dazu ausgebildet ist, die erste und die zweite Strahlungsquelle SQ1 und SQ2 derart anzusteuern, dass die Amplitude des ersten optischen Signals in Abhängigkeit der ersten Signalfolge s1 pulsmoduliert wird, und dass die Amplitude des zweiten optischen Signals in Abhängigkeit der zweiten Signalfolge s2 pulsmoduliert wird. Die zweite Sendeeinheit TX2 weist eine Steuereinheit SE12 auf, welche dazu ausgebildet ist, die dritte und die vierte Strahlungsquelle SQ3 und SQ4 derart anzusteuern, dass die Amplitude des dritten optischen Signals in Abhängigkeit einer dritten Signalfolge s3 pulsmoduliert wird, und dass die Amplitude des vierten optischen Signals in Abhängigkeit einer vierten Signalfolge s4 pulsmoduliert wird. Die Pulsraten der optischen Signale sind hierbei gleich.
Die Signalfolgen s1, s2, s3 und s4 sind Korrelationsfolgen, welche vorzugsweise gleiche Pulsraten haben und welche vorzugsweise jeweils orthogonal zueinander sind. Alternativ sind die Signalfolgen s1, s2, s3 und s4 Korrelationsfolgen, welche vorzugsweise gleiche Pulsraten haben und welche vorzugsweise jeweils quasi-orthogonal zueinander sind.
Die Empfangseinheit RX1 weist eine Steuer- und Recheneinheit SRE1 auf, welche dazu ausgebildet ist, die Konzentration des Gases MG in Abhängigkeit des elektrischen Signals ES1 und unter Kenntnis der Signalfolgenden, s1, s2, s3 und s4 zu bestimmen. Hierbei erfolgt durch die Steuer- und Recheneinheit SRE1 die Auswertung des elektrischen Signals ES1 unter Kenntnis der Signalfolgen s1 und s2 zur Bestimmung jeweiliger Bedämpfungswerte d₁ und d₂ analog zum ersten Ausführungsbeispiel, um eine erste Konzentration des Gases MG in der ersten Senderichtung zwischen der ersten Sendeeinheit TX1 und der Empfangseinheit RX1 zu bestimmen. Hierbei erfolgt durch die Steuer- und Recheneinheit SRE1 die Auswertung des elektrischen Signals ES1 unter Kenntnis der Signalfolgen s3 und s4 zur Bestimmung jeweiliger Bedämpfungswerte d₃ und d₄ analog zum ersten Ausführungsbeispiel, um eine erste Konzentration des Gases MG in der zweiten Senderichtung zwischen der zweiten Sendeeinheit TX2 und der Empfangseinheit RX1 zu bestimmen.
Vorzugsweise besteht zwischen der Steuer- und Recheneinheit SRE1 der Empfangseinheit RX1 und den Steuereinheiten SE11 bzw. SE12 der Sendereinheiten TX1 bzw. TX2 eine Kommunikationsverbindung in Form einer kabellosen oder kabelgebundenen Datenverbindung, um eine synchrone Pulsmodulation der jeweiligen Amplituden der jeweiligen optischen Signale für den Fall zu ermöglichen, dass die Korrelationsfolgen s1, s2, s3 und s4 orthogonal zueinander sind.
5 zeigt die Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform V4. Die Vorrichtung V4 weist Strahlungsquellen SQ1 und SQ2, einen optoelektronischen Detektor OS11 sowie mindestens eine Steuer- und Recheneinheit SRE11 auf. Die Strahlungsquellen SQ1 und SQ2 sind von der Art, wie bereits bezogen auf die Vorrichtung V aus der 1 beschrieben. Ferner weist die Vorrichtung V4 eine dritte Strahlungsquelle SQ3 auf, welche ein drittes optisches Signal einer dritten Wellenlänge λ3 erzeugt. Der optoelektronische Detektor OS11 ist hierbei im Gegensatz zum Detektor OS aus 1 ferner auch für diese dritte Wellenlänge λ3 sensitiv. Die Amplitude des dritten optischen Signals der dritten Wellenlänge λ3 wird in Abhängigkeit einer dritten Signalfolge S3 pulsmoduliert. Die dritte Signalfolge S3 ist eine Korrelationsfolge, welche quasi-orthogonal oder orthogonal zu den Signalfolgen s1 und s2 ist.
Die Steuer- und Recheneinheit SRE11 führt ausgehend von der Steuer- und Recheneinheit SRE aus 1 ferner Schritte aus, um eine zweite Konzentration eines zweiten Gases als Teil eines Gasgemisches MG zu bestimmen. Hierbei ist die dritte Wellenlänge λ3 derart gewählt, dass Strahlung der dritten Wellenlänge λ3 durch das zweite Gas absorbiert wird. Es erfolgt also eine sogenannte „Multi-Gas-Detection”. Die Steuer- und Recheneinheit SRE11 führt hierzu eine Filterung des elektrischen Signals ES unter Kenntnis der dritten Folge s3 durch, welches analog zu der Filterung des elektrischen Signals ES in Bezug auf die erste Signalfolge s1 erfolgt. Hierzu besitzt die Steuer- und Recheneinheit SRE11 Kenntnis über die dritte Folge s3, um die zweite Gaskonzentration des zweiten Gases zu bestimmen.
Die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit SRE aus den 1 und 2 ist vorzugsweise als ein integriertes Hardwaremodul gegeben, wobei ein oder mehrere Teilelemente der wenigstens einen Steuer- und Recheneinheit SRE durch Software programmierbar sind und/oder Schaltungen aufweisen, welche Software repräsentieren. Die Teilelemente der wenigstens einen Steuer- und Recheneinheit SRE sind hierbei untereinander zum Austausch von Daten und/oder Signalisierungsnachrichten verbunden. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit SRE nicht durch ein einzelnes integriertes Hardwaremodul gegeben, sondern durch mehrere Hardwaremodule, welche zum Austausch von Daten und/oder Signalisierungsnachrichten mit einander verbunden sind, beispielsweise durch ein oder mehrere Bussysteme. Gleiches gilt für die Steuer- und Recheneinheiten SRE' sowie SRE aus den 3 bzw. 4. Ebenso gilt gleiches für die Steuereinheiten SE1, SE11 und SE12 aus den 3 bzw. 4.
Mit anderen Worten: Die Funktion der der verschiedenen Einheiten aus den 1, 2, 3, sowie 4, welche als „Steuer- und Recheneinheit” oder als „Steuereinheit” bezeichnet werden, können also durch entsprechende Hardware gegeben sein. Hierbei handelt es sich vorzugweise um Hardware, welche Software in Form von Programmcode ausführt. Eine solche Einheit kann in Form eines Einzelprozessors oder eines Verbundes mehrerer Prozessoren realisiert sein. Der Ausdruck „Steuer- und Recheneinheit” oder „Steuereinheit” soll hierbei nicht ausschließlich als reine Hardware zur Ausführung von Software aufgefasst werden, sondern kann als ein digitaler Signalprozessor (DSP), ein Application Specific Integrated Circuit (ASIC), ein Field Programmable Gate Array (FPGA) oder als eine andere Art von Hardwareimplementierung gegeben sein.
Die in den Ausführungsbeispielen erwähnten Speichereinheiten MEM1, MEM2 können durch eine einzige oder aber durch mehrere Speichereinheiten gegeben sein.
Die 7 zeigt ein bevorzugtes Verfahren zur Adaption der Folgenlänge einer Signalfolge, um ein energieoptimiertes Messverfahrens, wie zuvor in Bezug auf die 1 beschrieben, durchzuführen. Hierbei wird die Folgenlänge der ersten Signalfolge s1 variiert, sodass eine derart bestimmte Folgenlänge für die Signalfolgen s1 und s2 zur Durchführung des Messverfahrens verwendet wird. Hierbei wird pro Impuls der optischen Amplitude bzw. Folgenwert der Signalfolge s1 die gleiche Signalleistung verwendet, sodass die gesamte Signalenergie einer Signalfolge durch ihre zeitliche Länge und diese Signalleistung gegeben ist. Es bleibt also die mittlere Signalleistung des ersten optischen Signals konstant.
7 zeigt einen Verfahrensschritt S1, in welchem innerhalb eines Teilschrittes S1S eine initiale Sequenzlänge L1 für die Signalfolge s1 verwendet wird, um das erste optische Signal auf der ersten Wellenlänge λ1 mittels der ersten Strahlungsquelle auszusenden, wobei die Amplitude des ersten optischen Signals in Abhängigkeit der ersten Korrelationsfolge s1 pulsmoduliert wird. Es wird dann in einem Teilschritt S1B ein elektrisches Signal in Abhängigkeit eines detektierten optischen Signals mittels eines optoelektronischen Detektors erzeugt. Dieser Detektor ist wenigstens für die erste Wellenlänge λ1 sensitiv.
Es wird dann ferner in einem Teilschritt S1C ein Peak-Wert PW_i für einen Zeitpunkt mit dem Index i in Abhängigkeit des elektrischen Signals unter Kenntnis der ersten Signalfolge s1 bestimmt, wobei dieser Peak-Wert gegeben ist durch PW_i = φ_1,i(0).
Dieses erfolgt für fortlaufende Zeitpunkte t_i, i = 1, 2, ... mit dem Index i.
Hierbei lässt sich eine Differenz zwischen dem initial bestimmten Peak-Wert PW₁ und dem aktuell gemessenen PW_i bestimmen als ΔPW_i = PW_i – PW₁.
In dem Schritt S2 wird dann überprüft, ob die Differenz ΔPW_i zwischen einem aktuell gemessenen Peak-Wert PW_i und dem initial gemessenen Peak-Wert PW₁ einen ersten vorgegebenen Schwellenwert TH_I überschreitet gemäß ΔPW_i > TH_I.
Ist dies nicht der Fall, so wird zurückgekehrt zu dem Verfahrensschritt S1.
Ist dies der Fall, so werden die zyklisch abfolgenden Schritte in dem Verfahrensschritt S3 durchgeführt.
In einem Teilschritt S31 wird die Folgenlänge L_i für die erste Korrelationsfolge s1 zum Aussenden des ersten optischen Signals erhöht. Ferner wird in einem Teilschritt S32 das elektrische Signal in Abhängigkeit des detektierten optischen Signals erzeugt und dann in einem Teilschritt S33 in Abhängigkeit des elektrischen Signals und unter Kenntnis der ersten Korrelationsfolge ein gemessener Peak-Wert PW_i bestimmt.
Diese Teilschritte werden zyklisch solange durchgeführt, wie das in dem Schritt S4 überprüfte Kriterium erfüllt wird, also solange, wie eine Differenz zeitlich benachbarter Peak-Werte ΔPW_i = PW_i – PW_i-1 einen zweiten vorgegebenen Schwellwert gemäß ΔPW_i > THPW überschreitet. Wird der Schwellwert THPW unterschritten, so wird zu dem Verfahrensschritt S5 verzweigt. In diesem Verfahrensschritt S5 wird dann die bei dem Unterschreiten des Kriteriums aus dem Verfahrensschritt S4 gegebene Folgenlänge L_i der ersten Korrelationsfolge als Folgenlänge für Korrelationsfolgen s1 und s2 zur Durchführung des in Bezug auf die 1 beschriebenen Messverfahrens verwendet.
Das hier beschriebene Verfahren der Adaption der Folgenlänge ist vorteilhaft, da die initiale Sequenzlänge so gewählt ist, dass bei den physikalischen Gegebenheiten der Messapparatur eine Änderung der Konzentration des Messgases oder eine Änderung der Feuchte innerhalb der Messapparatur detektiert werden kann. Das Messverfahren befindet sich also in dem Verfahrensschritt s1 in einem sogenannten IDLE-Mode. Der Schwellwert TH_I ist so gewählt, dass auf ein Vorhandensein einer Gaskonzentration bzw. einer Luftfeuchte geschlossen werden kann; hierdurch kann die Notwendigkeit einer genaueren Messung detektiert werden. Der erste Schwellwert TH_I schließt aus, dass kleinste Änderungen des Peak-Wertes aufgrund von Jitter-Störungen oder Rauschen unberücksichtigt bleiben.
Der zweite Schwellwert THPW ist so gewählt, dass eine zuvor festgelegte Messgenauigkeit nicht überschritten wird, sodass also eine weitere Sequenzlängenänderung bzw. Folgenlängenerhöhung keine weitere Messgenauigkeit ergibt. Es wird also die Folgenlänge solange adaptiert, dass eine weitere Folgenlängenerhöhung keine weitere Messgenauigkeit ergibt, sodass die zu der tatsächlichen Messung zu verwendende Folgenlänge L_i energieoptimiert ist.
Zusammenfassend lässt sich zu 7 sagen, dass ein Verfahren zur Bestimmung einer Gaskonzentration vorgeschlagen wird, aufweisend die zyklisch abfolgenden Schritte

– Aussenden eines ersten optischen Signals einer ersten Wellenlänge mittels einer ersten Strahlungsquelle, wobei die Amplitude des ersten optischen Signals in Abhängigkeit einer ersten Korrelationsfolge einer initialen Folgenlänge pulsmoduliert wird,
– Erzeugen eines elektrischen Signals in Abhängigkeit eines detektierten optischen Signals mittels wenigstens eines optoelektronischen Detektors, welcher für die erste Wellenlänge sensitiv ist,
– Bestimmen eines gemessenen Peakwerten in Abhängigkeit des elektrischen Signals und unter Kenntnis der ersten Korrelationsfolge,

Die 8 zeigt ein Verfahren, bei welchem das zuvor beschriebene Messverfahren zyklisch fortführend zur Bestimmung jeweiliger Konzentrationen des Gases durchgeführt wird.
Es sei hierbei angenommen, dass zumindest für einen zuvor erfolgten Zeitpunkt eine Messung einer Gaskonzentration nach dem in Bezug auf die 1 beschriebenen Messverfahren erfolgt ist. Vorzugsweise erfolgt diese Konzentrationsmessung in dem Schritt S5 der 7. Hieran schließt sich nun der Verfahrensschritt S6 an.
Der Verfahrensschritt S6 wird zyklisch durchgeführt, sodass also die Teilverfahrensschritt S61, S62, S63 und S64 zyklisch abfolgen.
In dem Teilschritt S61 wird das erste optische Signal der ersten Wellenlänge mittels der ersten Strahlungsquelle ausgesendet, wobei die Amplitude in Abhängigkeit der ersten Korrelationsfolge s1 mit einer ersten Folgenlänge L_i pulsmoduliert wird.
In dem Teilschritt S62 wird das zweite optische Signal der zweiten Wellenlänge mittels der zweiten Strahlungsquelle ausgesendet, wobei die Amplitude in Abhängigkeit der zweiten Korrelationsfolge s2 mit einer zweiten Folgenlänge, welches vorzugsweise die Folgenlänge L_i ist, pulsmoduliert wird.
In dem Teilschritt S63 wird das elektrische Signal in Abhängigkeit detektierte optische Signale mittels wenigstens des einen optoelektronischen Detektors erzeugt.
In dem Teilschritt S64 wird eine Gaskonzentration G_i in Abhängigkeit des elektrischen Signals und unter Kenntnis der Korrelationsfolgen s1 und s2 bestimmt.
Falls eine Differenz ΔG_i = G_i – G_i-1 zeitlich benachbarter Gaskonzentrationswerte eine vorgegebene Messgenauigkeit THM überschreitet, wie in dem Schritt S7 durch das Kriterium ΔG_i > THM überprüft, so wird von dem Überprüfungsschritt S7 nicht zu dem Schritt S6 zurückverzweigt, sondern es wird fortgeschritten zu dem Schritt S8.
Die weiteren folgenden Schritte beschreiben jene Verfahrensschritte, bei welchen die erste Folgenlänge der Folge s1 und die zweite Folgenlänge der Folge s2, welche vorzugsweise gleiche Folgenlängen sind, in Abhängigkeit weiterer zeitlich benachbarter Gaskonzentrationswerte G_i und der vorgegebenen Messgenauigkeit THM adaptiv erhöht oder erniedrigt bzw. angepasst werden.
Ist in dem Verfahrensschritt S8 die Gaskonzentrationsmessung G_i zum aktuellen Zeitpunkt höher als die Gaskonzentrationsmessung zum davor liegenden Zeitpunkt G_i-1, so wird gemäß dem Kriterium G_i > G_i-1 hin zu dem Verfahrensschritt S9 verzweigt. Es wird also angenommen, dass eine Gaskonzentrationsehöhung vorliegt. Bei erhöhter Gaskonzentration ist möglicherweise eine Messung mit kürzerer Folgenlänge und somit weniger Energie möglich.
Ist in dem Verfahrensschritt S8 die Gaskonzentrationsmessung G_i zum aktuellen Zeitpunkt niedriger als die Gaskonzentrationsmessung zum davor liegenden Zeitpunkt G_i-1, so wird gemäß dem Kriterium G_i > G_i-1 hin zu dem Verfahrensschritt S11 verzweigt. Es wird also angenommen, dass eine Gaskonzentrationserniedrigung vorliegt. Bei niedrigerer Gaskonzentration ist möglicherweise eine Messung mit längerer Folgenlänge und somit mehr Energie nötig.
Es wird innerhalb des Schrittes S9 in einem Teilschritt S91 die Folgenlänge weiter erniedrigt und dann anschließend indem Teilschritt S92 eine neue Gaskonzentration G_i bestimmt. Es wird dann in dem Verfahrensschritt S10 anhand des Kriteriums ΔG_i < THM überprüft, ob die Differenz zeitlich benachbarter Gaskonzentrationswerte ΔG_i = G_i – G_i-1 kleiner als die vorgegebene Messgenauigkeit THM ist.
Ist die Differenz der zeitlich benachbarten Gaskonzentrationswerte kleiner als die Messgenauigkeit, so kann die Folgenlänge weiter erniedrigt werden, sodass zurückverzweigt wird zu dem Verfahrensschritt S9.
Ist dies jedoch nicht der Fall, so Wird verzweigt zu einem Verfahrensschritt S11.
Dieser Verfahrensschritt S11 folgt, wie zuvor erwähnt, beispielsweise auch auf den Verfahrensschritt S8 in dem Fall, dass die Messwerte zeitlich benachbarter Messzeitpunkte hinsichtlich der Gaskonzentration eine Gaskonzentrationserniedrigung indizieren.
In dem Verfahrensschritt S11 wird nun in einem Teilschritt S111 die Folgenlänge erhöht und eine weitere Konzentrationsmessung in dem Teilverfahrensschritt S112 durchgeführt. Ergibt sich nun eine Differenz zeitlich benachbarter Gaskonzentrationswerte, welche unterhalb der Messgenauigkeit THM liegt, also ΔG_i < THM, so wird zu dem Verfahrensschritt S9 verzweigt. Liegt jedoch eine Differenz zeitlich benachbarter Gaskonzentrationswerte vor, welche oberhalb der Messgenauigkeit THM liegt, so wird zurückverzweigt zu dem Verfahrensschritt S11.
Eine Erniedrigung der Folgenlänge kann vorzugsweise solange erfolgen, bis eine minimale Folgenlänge L_min erreicht ist. Vorzugsweise erfolgt eine Erhöhung der Folgenlänge solange, bis eine maximale Folgenlänge L_max erreicht ist.
Zusammenfassend lässt sich zu 8 sagen, dass ein Verfahren zur Bestimmung einer Gaskonzentration vorgeschlagen wird, aufweisend die zyklisch abfolgenden Schritte

BEZUGSZEICHENLISTE

AD

Analog-Digitalwandlung

AS

Ansteuerungssignal

BS

Bestimmungsschritt

d1, d2

Bedämpfungswerte

E

diskretes elektrisches Signal

ES, ES1

elektrisches Signal

F1

erstes Signalfilter

F2

zweites Signalfilter

G

Gaskonzentrationswert

K

Gasküvette

SQ1

erste Strahlungsquelle

SQ2

zweite Strahlungsquelle

SQ3

dritte Strahlungsquelle

SQ4

vierte Strahlungsquelle

MEM1, MEM2

Speichereinheit

MG

Gas

OS, OS1

optoelektronischer Detektor

R

Raum

RX, RX1

Empfangseinheit

s1

erste Signalfolge

s2

zweite Signalfolge

s3

dritte Signalfolge

s4

vierte Signalfolge

S1, S2, ...

Schritt

SE1, SE11 SE12

Steuereinheit

SRE, SRE', SRE1

Steuer- und Recheneinheit

TX, TX1, TX2

Sendeeinheit

V, V1, V2, V3

Vorrichtung

ZD

Zuordnungsdaten

φ1

erstes Korrelationsergebnis

φ2

zweites Korrelationsergebnis

λ1, λ2, λ3, λ4

Wellenlängen

Claims

Vorrichtung (V, V1, V2, V3) zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases (MG), aufweisend – eine erste Strahlungsquelle (SQ1) zur Erzeugung eines ersten optischen Signals einer ersten Wellenlänge (λ1), – eine zweite Strahlungsquelle (SQ2) zur Erzeugung eines zweiten optischen Signals einer zweiten Wellenlänge (λ2), welche sich von der ersten Wellenlänge (λ1) unterscheidet, – und wenigstens einen optoelektronischen Detektor (OS, OS1), welcher für die erste und die zweite Wellenlänge (λ1, λ2) sensitiv ist und welcher ferner in Abhängigkeit detektierter optischer Signale wenigstens ein elektrisches Signal (ES) erzeugt, gekennzeichnet durch wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit (SRE, SRE', SRE1), – welche dazu ausgebildet ist, die Strahlungsquellen (SQ1, SQ2) derart anzusteuern, dass die Amplitude des ersten optischen Signals in Abhängigkeit einer ersten Signalfolge (s1) pulsmoduliert wird und dass die Amplitude des zweiten optischen Signals in Abhängigkeit einer zweiten Signalfolge (s2) pulsmoduliert wird, wobei die Signalfolgen (s1, s2) Korrelationsfolgen sind, – und welche ferner dazu ausgebildet ist, die Konzentration des Gases (MG) in Abhängigkeit des wenigstens einen elektrischen Signals (ES, ES1) und unter Kenntnis der Signalfolgen (s1, s2) zu bestimmen.
Vorrichtung (V, V1, V2, V3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsraten der optischen Signale gleich-sind, und dass die Korrelationsfolgen orthogonal oder quasi-orthogonal zueinander sind.
Vorrichtung (V, V1, V2, V3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit (SRE, SRE', SRE1) – dazu ausgebildet ist, wenigstens eine der Strahlungsquellen (SQ1) derart anzusteuern, dass die Amplitude des entsprechenden optischen Signals in Abhängigkeit einer initialen Signalfolge (sa) pulsmoduliert wird, wobei die initiale Signalfolge (sa) eine Korrelationsfolge mit einer initialen Folgenlänge ist, – ferner dazu ausgebildet ist, anhand des elektrischen Signals und unter Kenntnis der initialen Signalfolge (sa) ein Vorhandensein einer Mindestkonzentration des Gases (MG) zu detektieren, – und ferner dazu ausgebildet ist, bei Vorhandensein der Mindestkonzentration des Gases die Strahlungsquellen (SQ1, SQ2) derart anzusteuern, dass die Amplitude des ersten optischen Signals in Abhängigkeit der ersten Signalfolge (s1) pulsmoduliert wird und dass die Amplitude des zweiten optischen Signals in Abhängigkeit der zweiten Signalfolge (s2) pulsmoduliert wird, wobei die erste und die zweite Signalfolge (s1, s2) Korrelationsfolgen sind, und ferner die Konzentration des Gases (MG) in Abhängigkeit des wenigstens einen elektrischen Signals (ES, ES1) und unter Kenntnis der Signalfolgen (s1, s2) zu bestimmen, wobei die Folgenlänge der ersten Signalfolge (s1) und die Folgenlänge der zweiten Signalfolge (s2) jeweils größer als die initiale Folgenlänge ist, und wobei die Pulsmodulationen anhand der initialen Signalfolge (sa), anhand der ersten Signalfolge (s1) und anhand der zweiten Signalfolge (s2) jeweils mit einer gleichen mittleren Leistung erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit (SRE, SRE', SRE1) dazu ausgebildet ist, die Strahlungsquellen (SQ1, SQ2) derart anzusteuern, dass die Amplituden der Wellenlängen (λ1, λ2) mittels On-Off-Keying pulsmoduliert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalfolgen (s1, s2) orthogonal zueinander sind, und ferner dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit (SRE, SRE', SRE1) dazu ausgebildet ist, die Strahlungsquellen (SQ1, SQ2) derart anzusteuern, dass die Pulsmodulationen der Amplituden der optischen Signale in Abhängigkeit der Signalfolgen (s1, s2) synchron zueinander erfolgen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalfolgen (s1, s2) quasi-orthogonal zueinander sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen (SQ1, SQ2) und der optoelektronische Detektor (OS, OS1) sich in einer oder an einer Gasküvette (K) befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit (SRE, SRE', SRE1) wenigstens eine Speichereinheit (MEM1) aufweist, welche Daten bereitstellt, die die Signalfolgen (s1, s2) indizieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit (SRE, SRE', SRE1) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit des elektrischen Signals (ES) für jedes der optischen Signale einen jeweiligen Bedämpfungswert zu bestimmen, welcher eine jeweilige Bedämpfung des jeweiligen optischen Signals indiziert, – dass ferner die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit (SRE, SRE', SRE1) eine Speichereinheit (MEM2) aufweist, welche Zuordnungsdaten (ZD) bereitstellt, die eindeutige Zuordnungen zwischen jeweiligen 2-Tupeln von Bedämpfungswerten und jeweiligen 1-Tupeln von Konzentrationswerten indizieren, – und dass die wenigstens eine Steuer- und Recheneinheit (SRE, SRE', SRE1) dazu ausgebildet ist, die Konzentration des Gases in Abhängigkeit der zuvor bestimmten Bedämpfungswerte und der Zuordnungsdaten (ZD) zu bestimmen.
Vorrichtung (V3) zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases, aufweisend eine erste Sendeeinheit (TX1), eine zweite Sendeeinheit (TX2) und eine Empfangseinheit (RX1), – wobei die erste Sendeeinheit (TX1) eine erste Strahlungsquelle (SQ1) zur Erzeugung eines ersten optischen Signals einer ersten Wellenlänge (λ1) und ferner eine zweite Strahlungsquelle (SQ2) zur Erzeugung eines zweiten optischen Signals einer zweiten Wellenlänge (λ2), welche sich von der ersten Wellenlänge (λ1) unterscheidet, aufweist, – wobei die zweite Sendeeinheit eine dritte Strahlungsquelle (SQ3) zur Erzeugung eines dritten optischen Signals einer dritten Wellenlänge (λ3) und ferner eine vierte Strahlungsquelle (SQ4) zur Erzeugung eines vierten optischen Signals einer vierten Wellenlänge (λ4), welche sich von der dritten Wellenlänge (λ3) unterscheidet, aufweist, – wobei die Empfangseinheit wenigstens einen optoelektronischen Detektor (OS1) aufweist, welcher für die erste, die zweite, die dritte und die vierte Wellenlänge sensitiv ist und welcher ferner in Abhängigkeit detektierter optischer Signale ein analoges elektrisches Signal (ES1) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, – dass die erste Sendeeinheit (Tx1) eine erste Steuereinheit (SE11) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die erste und die zweite Strahlungsquelle (SQ1, SQ2) derart anzusteuern, dass die Amplitude des ersten optischen Signals in Abhängigkeit einer ersten Signalfolge (s1) pulsmoduliert wird und dass die Amplitude des zweiten optischen Signals in Abhängigkeit einer zweiten Signalfolge (s2) pulsmoduliert wird, – dass die zweite Sendeeinheit (TX2) eine zweite Steuereinheit (SE12) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die dritte und die vierte Strahlungsquelle (SQ3, SQ4) derart anzusteuern, dass die Amplitude des dritten optischen Signals in Abhängigkeit der dritten Signalfolge (s3) pulsmoduliert wird und dass die Amplitude des vierten optischen Signals in Abhängigkeit einer vierten Signalfolge (s4) pulsmoduliert wird, – dass die Signalfolgen (s1, s2; s3, s4) Korrelationsfolgen sind, – und dass die Empfangseinheit (RX1) eine Recheneinheit (SRE1) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die Konzentration des Gases (MG) in Abhängigkeit des elektrischen Signals (ES1) und unter Kenntnis der Signalfolgen (s1, s2, s3, s4) zu bestimmen.
Vorrichtung (V3) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wobei Pulsraten der optischen Signale gleich sind, und dass die Signalfolgen (s1, s2, s3, s4) Korrelationsfolgen sind, die jeweils orthogonal zueinander oder jeweils quasi-orthogonal zueinander sind.
Verfahren zur Bestimmung einer Gaskonzentration, aufweisend die Schritte – Aussenden eines ersten optischen Signals einer ersten Wellenlänge (λ1) mittels einer ersten Strahlungsquelle (SQ1), – Aussenden eines zweiten optischen Signals einer zweiten Wellenlänge (λ2), welche sich von der ersten Wellenlänge (λ1) unterscheidet, mittels einer zweiten Strahlungsquelle (SQ2), – Erzeugen eines elektrischen Signals (ES, ES1) in Abhängigkeit detektierter optischer Signale mittels wenigstens eines optoelektronischen Detektors (OS, OS1), welcher für die erste und die zweite Wellenlänge (λ1, λ2) sensitiv ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des ersten optischen Signals in Abhängigkeit einer ersten Korrelationsfolge (s1) pulsmoduliert wird und dass die Amplitude des zweiten optischen Signals in Abhängigkeit einer zweiten Korrelationsfolge (s2) pulsmoduliert wird, und ferner gekennzeichnet durch einen Schritt, in welchem die Konzentrattion des Gases (MG) in Abhängigkeit des elektrischen Signals (ES, ES1) und unter Kenntnis der Korrelationsfolgen (s1, s2) bestimmt wird.
Verfahren (V3) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsraten der optischen Signale gleich sind, und dass die Signalfolgen (s1, s2) Korrelationsfolgen sind, welche orthogonal oder quasi-orthogonal zueinander sind.
Verfahren zur Bestimmung einer Gaskonzentration, aufweisend die zyklisch abfolgenden Schritte, – Aussenden eines ersten optischen Signals einer ersten Wellenlänge (λ1) mittels einer ersten Strahlungsquelle (SQ1), wobei die Amplitude des ersten optischen Signals in Abhängigkeit einer ersten Korrelationsfolge (s1) einer initialen Folgenlänge pulsmoduliert wird, – Erzeugen eines elektrischen Signals (ES, ES1) in Abhängigkeit eines detektierten optischen Signals mittels wenigstens eines optoelektronischen Detektors (OS, OS1), welcher für die erste Wellenlänge (λ1) sensitiv ist, – Bestimmen eines gemessenen Peakwerten in Abhängigkeit des elektrischen Signals (ES, ES1) und unter Kenntnis der ersten Korrelationsfolge (s1), wobei, falls eine Differenz zwischen einem aktuell gemessenem Peakwert und einem initial gemessenen Peakwert einen ersten vorgegebenen Schwellwert überschreitet, die zyklisch abfolgenden Schritte – Erhöhen der Folgenlänge der ersten Korrelationsfolge zum Aussenden des ersten optischen Signals, – Erzeugen des elektrischen Signals und – Bestimmen eines gemessenen Peakwertes solange durchgeführt werden, bis eine Differenz zeitlich benachbarter Peakwerte einen zweiten vorgegebenen Schwellwert unterschreiten, und wobei die bei dem Unterschreiten gegebene Folgenlänge der ersten Korrelationsfolge als Folgenlänge von Korrelationsfolgen zur Durchführung der Verfahrensschritte des Anspruchs 12 verwendet wird.
Verfahren zur Bestimmung einer Gaskonzentration, aufweisend die zyklisch abfolgenden Schritte – Aussenden eines ersten optischen Signals einer ersten Wellenlänge (λ1) mittels einer ersten Strahlungsquelle (SQ1), wobei die Amplitude des ersten optischen Signals in Abhängigkeit einer ersten Korrelationsfolge (s1) einer ersten Folgenlänge pulsmoduliert wird, – Aussenden eines zweiten optischen Signals einer zweiten Wellenlänge (λ2), welche sich von der ersten Wellenlänge (λ1) unterscheidet, mittels einer zweiten Strahlungsquelle (SQ2), wobei die Amplitude des zweiten optischen Signals in Abhängigkeit einer zweiten Korrelationsfolge (s2) einer zweiten Folgenlänge pulsmoduliert wird, – Erzeugen eines elektrischen Signals (ES, ES1) in Abhängigkeit detektierter optischer Signale mittels wenigstens eines optoelektronischen Detektors (OS, OS1), welcher für die erste und die zweite Wellenlänge (λ1, λ2) sensitiv ist, – Bestimmen einer gemessenen Konzentration des Gases (MG) in Abhängigkeit des elektrischen Signals (ES, ES1) und unter Kenntnis der Korrelationsfolgen (s1, s2), wobei, falls eine Differenz zeitlich benachbarter Gaskonzentrationswerte eine vorgegebene Messgenauigkeit überschreitet, die erste und die zweite Folgenlänge in Abhängigkeit weiterer zeitlich benachbarter Gaskonzentrationswerte und der vorgegebenen Messgenauigkeit adaptiv angepasst werden.