DE102017130988A1

DE102017130988A1 - Vorrichtungen und verfahren zur nutzung des photoakustischen effekts

Info

Publication number: DE102017130988A1
Application number: DE102017130988.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias Eberl; Franz Jost
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2019-06-27
Anticipated expiration: 2037-12-22
Also published as: US20190195834A1; CN109946234A; DE102017130988B4; US10996201B2; CN109946234B

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung beinhaltend einen optischen Emitter, der eingerichtet ist, optische Strahlung zu emittieren. Ferner beinhaltet die Vorrichtung eine erste hermetisch abgeschlossene Messzelle, die mit einem ersten Gas gefüllt ist. Das erste Gas ist eingerichtet, die optische Strahlung bei einer oder mehreren vorbestimmten Wellenlängen zumindest teilweise zu absorbieren. Weiterhin beinhaltet die Vorrichtung ein erstes Mikrofon, das in der Messzelle angeordnet und eingerichtet ist, ein erstes Mikrofonsignal in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des ersten Gases durch die optische Strahlung zu erzeugen. Die Vorrichtung beinhaltet zudem eine Auswerteschaltung, die eingerichtet ist, basierend auf dem ersten Mikrofonsignal ein erstes Messsignal zu erzeugen, das eine Emissionsintensität des optischen Emitters bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen anzeigt.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele betreffen Vorrichtungen und Verfahren, welche den photoakustischen Effekt nutzen.
Hintergrund
Photoakustische Messsysteme nutzen eine modulierte, infrarote Breitbandquelle zur Emission von Infrarotstrahlung. Die Strahlung wird durch eine Messstrecke geleitet und zum Teil von einem darin enthaltenen Gas in einem bestimmten Wellenlängenbereich (z.B. 4,3 µm für CO₂) absorbiert. Die verbleibende Strahlung tritt anschließend durch ein optisches Fenster in eine Referenzzelle mit einem Mikrofon ein, die hermetisch verschlossen ist und vollständig mit einem Referenzgas (z.B. CO₂) gefüllt ist. Die verbleibende Energie der Strahlung wird in der Referenzzelle von dem Referenzgas absorbiert, wodurch sich dieses aufheizt und ausdehnt. Die dadurch in der Referenzzelle entstehende Druckdifferenz kann als Schallwelle von dem Mikrofon gemessen werden. Um Aussagen über Charakteristika des in der Messzelle enthaltenen Gases treffen zu können, muss die Strahlungsleistung der Strahlungsquelle in dem vom Gas absorbierten Wellenlängenbereich bekannt sein.
Um die Ausgangsleistung der Strahlungsquelle zu bestimmen, arbeiten gewöhnliche System mit der Automatic Baseline Correction (ABC)-Methode und referenzieren das Messsignal im Wesentlichen „auf Vermutung“ nach unten. Andere Systeme arbeiten mit einem Referenzkanal in einem optischen Fenster, d.h. mit einem Wellenlängenbereich, in dem kein anderes relevantes Gas absorbiert, so dass in diesem Bereich die Strahlerleistung unabhängig gemessen werden kann. Weitere Systeme nutzt differentielle photoakustische Spektroskopie, bei der mittels zweier unterschiedlicher Strahlengänge ein Differenzdruck gemessen wird.
Alle vorgenannten Ansätze bringen jedoch Probleme mit sich. Die ABC-Methode ist nur zuverlässig, wenn das Messsystem regelmäßig einer bekannten Gaskonzentration ausgesetzt wird. Ein längerer Betrieb unter abweichenden Bedingungen führt zu falschen Messergebnissen. Die Verwendung des optischen Fensters, d.h. eine Referenzmessung in einem anderen Spektralbereich als dem für die Messung notwendigen Spektralbereich, kann zu einer Fehlmessung führen, wenn die spektrale Emissivität der Strahlungsquelle nicht konstant ist. Beispielsweise aufgrund fertigungsbedingter Toleranzen der Strahlungsquelle kann eine aufwendige Vermessung der Strahlungsquelle notwendig sein. Das differentielle System arbeitet mit zwei getrennten Sensoren, was zu unterschiedlichen optischen Pfaden führt, so dass Veränderungen in den einzelnen Pfaden (z.B. Temperatur, Reflexion, Länge, ...) nicht bemerkt werden können.
Zusammenfassung
Es besteht somit ein Bedarf, verbesserte Techniken zur Nutzung des photoakustischen Effekts bereitzustellen. Insbesondere besteht ein Bedarf, die Strahlungsleistung einer Strahlungsquelle in einem interessierenden Wellenlängenbereich zu bestimmen.
Der Bedarf kann durch den Gegenstand der Patentansprüche gedeckt werden, der u.a. eine Bestimmung der Emissionsintensität eines optischen Emitters unter Verwendung einer mit einem Gas gefüllten Messzelle ermöglicht.
Ein erstes Ausführungsbeispiel betrifft eine Vorrichtung umfassend einen optischen Emitter, der eingerichtet ist, optische Strahlung zu emittieren. Ferner umfasst die Vorrichtung eine erste hermetisch abgeschlossene Messzelle, die mit einem ersten Gas gefüllt ist. Das erste Gas ist eingerichtet, die optische Strahlung bei einer oder mehreren vorbestimmten Wellenlängen zumindest teilweise zu absorbieren. Weiterhin umfasst die Vorrichtung ein erstes Mikrofon, das in der Messzelle angeordnet und eingerichtet ist, ein erstes Mikrofonsignal in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des ersten Gases durch die optische Strahlung zu erzeugen. Die Vorrichtung umfasst zudem eine Auswerteschaltung, die eingerichtet ist, basierend auf dem ersten Mikrofonsignal ein erstes Messsignal zu erzeugen, das eine Emissionsintensität des optischen Emitters bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen anzeigt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft eine Vorrichtung umfassend einen ersten optischen Emitter, der eingerichtet ist, zu einem ersten Zeitpunkt erste optische Strahlung zu emittieren, sowie einen zweiten optischen Emitter, der eingerichtet ist, zu einem zweiten Zeitpunkt zweite optische Strahlung zu emittieren. Ferner umfasst die Vorrichtung zumindest zwei hermetisch abgeschlossene Messzellen, die in Reihe zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Emitter angeordnet und jeweils mit einem Gas gefüllt sind, das eingerichtet ist, die erste optische Strahlung und die zweite optische Strahlung jeweils bei einer oder mehreren vorbestimmten Wellenlängen zu absorbieren. In jeder der zumindest zwei Messzellen ist jeweils ein Mikrofon angeordnet und eingerichtet, ein jeweiliges Mikrofonsignal in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des Gases in der jeweiligen Messzelle durch die erste optische Strahlung oder die zweite optische Strahlung zu erzeugen. Weiterhin umfasst die Vorrichtung zumindest einen mit einem zu untersuchenden Gas gefüllten Bereich, der zwischen den zumindest zwei Messzellen angeordnet ist. Die Vorrichtung umfasst zudem eine Auswerteschaltung, die eingerichtet ist, eine Emissionsintensität des ersten optischen Emitters bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen basierend auf einer Veränderung eines ersten der Mikrofonsignale nach dem ersten Zeitpunkt zu bestimmen und eine Emissionsintensität des zweiten optischen Emitters bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen basierend auf einer Veränderung eines zweiten der Mikrofonsignale nach dem zweiten Zeitpunkt zu bestimmen.
Ferner betrifft ein Ausführungsbeispiel ein Verfahren, das ein Emittieren optischer Strahlung mittels eines optischen Emitters umfasst. Das Verfahren umfasst zudem ein Absorbieren der optischen Strahlung bei einer oder mehreren vorbestimmten Wellenlängen mittels eines in einer ersten hermetisch abgeschlossenen Messzelle befindlichen ersten Gases. Weiterhin umfasst das Verfahren ein Erzeugen eines ersten Mikrofonsignals in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des ersten Gases durch die optische Strahlung mittels eines in der ersten Messzelle angeordneten ersten Mikrofons. Das Verfahren umfasst ferner ein Erzeugen eines ersten Messsignals, das eine Emissionsintensität des optischen Emitters bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen anzeigt, basierend auf dem ersten Mikrofonsignal.
Zudem betrifft ein Ausführungsbeispiel ein Verfahren, das ein Emittieren erster optischer Strahlung zu einem ersten Zeitpunkt mittels eines ersten optischen Emitters sowie ein Emittieren zweiter optischer Strahlung zu einem zweiten Zeitpunkt mittels eines zweiten optischen Emitters umfasst. Weiterhin umfasst das Verfahren ein Absorbieren der ersten optische Strahlung und der zweiten optische Strahlung bei einer oder mehreren vorbestimmten Wellenlängen mittels eines in zumindest zwei hermetisch abgeschlossenen Messzellen befindlichen Gases. Die zumindest zwei Messzellen sind in Reihe zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Emitter angeordnet, wobei zumindest ein mit einem zu untersuchenden Gas gefüllter Bereich zwischen den zumindest zwei Messzellen angeordnet ist. Das Verfahren umfasst ferner ein Erzeugen eines jeweiligen Mikrofonsignals in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des Gases in jeder der zumindest zwei Messzellen durch die erste optische Strahlung oder die zweite optische Strahlung mittels eines jeweils in der Messzelle angeordneten Mikrofons. Zudem umfasst das Verfahren ein Bestimmen einer Emissionsintensität des ersten optischen Emitters bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen basierend auf einer Veränderung eines ersten der Mikrofonsignale nach dem ersten Zeitpunkt. Ebenso umfasst das Verfahren ein Bestimmen einer Emissionsintensität des zweiten optischen Emitters bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen basierend auf einer Veränderung eines zweiten der Mikrofonsignale nach dem zweiten Zeitpunkt.
Figurenliste
Einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, die den photoakustischen Effekt nutzt;
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, die den photoakustischen Effekt nutzt;
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, die den photoakustischen Effekt nutzt;
4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, die den photoakustischen Effekt nutzt;
5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, die den photoakustischen Effekt nutzt;
6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, die den photoakustischen Effekt nutzt;
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens, das den photoakustischen Effekt nutzt; und
8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens, das den photoakustischen Effekt nutzt.

Beschreibung
Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen einige Beispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.
Während sich weitere Beispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, sind dementsprechend einige bestimmte Beispiele derselben in den Figuren gezeigt und werden nachfolgend ausführlich beschrieben. Allerdings beschränkt diese detaillierte Beschreibung weitere Beispiele nicht auf die beschriebenen bestimmten Formen. Weitere Beispiele können alle Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken, die in den Rahmen der Offenbarung fallen. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente, die bei einem Vergleich miteinander identisch oder in modifizierter Form implementiert sein können, während sie die gleiche oder eine ähnliche Funktion bereitstellen.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, die Elemente direkt, oder über ein oder mehrere Zwischenelemente, verbunden oder gekoppelt sein können. Wenn zwei Elemente A und B unter Verwendung eines „oder“ kombiniert werden, ist dies so zu verstehen, dass alle möglichen Kombinationen offenbart sind, d. h. nur A, nur B sowie A und B. Eine alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen ist „zumindest eines von A und B“. Das Gleiche gilt für Kombinationen von mehr als 2 Elementen.
Die Terminologie, die hier zum Beschreiben bestimmter Beispiele verwendet wird, soll nicht begrenzend für weitere Beispiele sein. Wenn eine Singularform, z. B. „ein, eine“ und „der, die, das“ verwendet wird und die Verwendung nur eines einzelnen Elements weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch Pluralelemente verwenden, um die gleiche Funktion zu implementieren. Wenn eine Funktion nachfolgend als unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert beschrieben ist, können weitere Beispiele die gleiche Funktion unter Verwendung eines einzelnen Elements oder einer einzelnen Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweist“ und/oder „aufweisend“ bei Gebrauch das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben präzisieren, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/einer Gruppe derselben ausschließen.
Sofern nicht anderweitig definiert, werden alle Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) hier in ihrer üblichen Bedeutung auf dem Gebiet verwendet, zu dem Beispiele gehören.
1 zeigt eine Vorrichtung 100, die den photoakustischen Effekt nutzt. Vorrichtung 100 umfasst einen optischen Emitter 110, der eingerichtet ist, optische Strahlung 111 zu emittieren. Der optische Emitter 110 kann die optische Strahlung 111 mit Strahlungskomponenten bei einer einzigen oder mehreren Wellenlängen erzeugen. Bei dem optischen Emitter 110 kann es sich also sowohl um einen selektiven Strahler als auch einen Breitbandstrahler (z.B. Schwarzkörperstrahler bzw. thermischer Strahler) handeln. Beispielsweise kann der optische Emitter 110 als Halbleiterbauelement in Form einer Leuchtdiode (engl. Light-Emitting Diode, LED) ausgeführt sein. Alternativ kann der optische Emitter 110 auch als Laseremitter oder jede sonstige Quelle von Strahlung im optischen Bereich ausgeführt sein. Die optische Strahlung kann sowohl Infrarotstrahlung (Wellenlänge 780 nm bis 1 mm) als auch Strahlung im sichtbaren Bereich (Wellenlänge 380 nm bis 780 nm) umfassen. Die optische Strahlung kann optional auch gechoppt sein (z.B. elektrisch, mechanisch oder optisch), d.h. die optische Strahlung ist eine periodisch modulierte Strahlung. Der optische Emitter 110 kann die optische Strahlung 111 sowohl entlang einer einzigen Raumrichtung emittieren, wie dies in 1 angedeutet ist. Alternativ kann der optische Emitter 110 die optische Strahlung 111 auch entlang mehrerer Raumrichtungen emittieren (z.B. in entgegengesetzte Raumrichtungen, in zueinander senkrechte Raumrichtungen oder sphärisch in alle Raumrichtungen).
Ferner umfasst Vorrichtung 100 eine erste hermetisch abgeschlossene Messzelle 120, die mit einem ersten Gas 121 gefüllt ist. Die erste Messzelle 120 ist somit im Wesentlichen gasdicht, so dass im Wesentlichen kein Gasaustausch zwischen dem von der ersten Messzelle 120 umschlossene Volumen (d.h. dem ersten Gas 121) und der die erste Messzelle 120 umgebenden Gasatmosphäre stattfinden kann. Es versteht sich dabei jedoch von selbst, dass aufgrund üblicher prozesstechnischer Schwankungen bzw. Toleranzen eine perfekte Abdichtung der Messzelle 120 nicht immer möglich ist. Entsprechend schließt der Begriff „hermetisch abgeschlossen“ im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auch Messzellen mit ein, die eine gewisse (sehr niedrige) Leckage oder nicht direkt messbare Leckage in das von der Messzelle umschlossene Volumen bzw. aus diesem heraus ermöglichen.
Das erste Gas 121 ist eingerichtet, die optische Strahlung 111 bei einer oder mehreren vorbestimmten Wellenlängen zumindest teilweise zu absorbieren. Mit anderen Worten: Strahlungskomponenten der optische Strahlung 111 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen wechselwirken mit dem ersten Gas 121 und geben dabei zumindest einen Teil ihrer Energie an das erste Gas 121 ab. Bei dem ersten Gas kann es sich beispielsweise um CO₂, CO, H₂O, CH₄, O₃, NH₄, NO_x oder N₂O handeln. Jedoch kann auch jegliches sonstige Gas, das Lichtquanten bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen absorbiert, verwendet werden. Die mehreren Wellenlängen können z.B. aufeinanderfolgende Wellenlängen sein, so dass das erst Gas 121 über einen vorbestimmten Spektralbereich die optische Strahlung 111 absorbiert. Alternativ können die mehreren Wellenlängen im Spektrum auch von einander beabstandet sein. Beispielsweise kann das erste Gas (z.B. CO₂) eingerichtet sein, Infrarotstrahlung zumindest teilweise zu absorbieren.
Weiterhin umfasst Vorrichtung 100 ein erstes Mikrofon 130, das in der ersten Messzelle 120 angeordnet ist. Das erste Mikrofon 130 ist eingerichtet, ein erstes Mikrofonsignal 131 in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des ersten Gases 121 durch die optische Strahlung 111 zu erzeugen. Bei dem ersten Mikrofon 130 kann es sich z.B. um ein MEMS-Mikrofon (MEMS, MikroElektroMechanisches System, engl. MicroElectroMechanical System) handeln, welches z.B. elektronisch oder auch optisch ausgelesen werden kann, um das erste Mikrofonsignal 131 zu erzeugen. Die in die erste Messzelle eintretende optische Strahlung 111 wird von dem ersten Gas 121 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen zumindest teilweise absorbiert, so dass sich das erste Gas 121 aufgrund der Energieaufnahme aufheizt und ausdehnt. Die Aufheizung des ersten Gases 121 in dem von der ersten Messzelle 120 umschlossen, konstanten Volumen führ zu einer Druckveränderung innerhalb der ersten Messzelle 120, welche als Schallwelle von dem ersten Mikrofon 130 gemessen wird. In der ersten Messzelle 120 wird somit zumindest ein Teil der optischen Energie der optischen Strahlung 111 in akustische Energie umgewandelt und so das erste Gas 121 photoakustisch angeregt. Da das Mikrofonsignal 131 die Druckveränderung innerhalb der ersten Messzelle 120 repräsentiert, zeigt es die Menge der von der optischen Strahlung 111 an das erste Gas 121 abgegebenen Energie an.
Vorrichtung 100 umfasst zudem eine Auswerteschaltung 140, die mit dem ersten Mikrofon 130 gekoppelt und eingerichtet ist, basierend auf dem ersten Mikrofonsignal 131 ein erstes Messsignal 141 zu erzeugen, das eine Emissionsintensität des optischen Emitters 110 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen (z.B. bei einem vorbestimmten Wellenlängenband) anzeigt. Die Emissionsintensität beschreibt die optische Ausgangsleistung (Emissionsleistung) des optischen Emitters 110 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen. Bei dem ersten Messsignal 141 kann es sich z.B. um das Mikrofonsignal 131 selbst oder ein Signal, das Informationen über eine die Emissionsintensität des optischen Emitters 110 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen beschreibende (physikalische) Größe umfasst.
Die Berechnung der Emissionsintensität des optischen Emitters 110 aus dem ersten Mikrofonsignal 131 kann z.B. gemäß der folgenden Beispielrechnung erfolgen:

I₁₁ sei die Emissionsintensität des optischen Emitters 110 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen, d.h. die initiale Intensität der optischen Strahlung 111 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen.
I₁₂ sei die verbleibende Intensität der optischen Strahlung 111 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen nach dem Durchgang durch die erste Messzelle 120. Die verbleibende Intensität I₁₂ ist von dem bekannten Absorptionskoeffizienten ε₁ des ersten Gases 121 und der bekannten Länge d₁ der ersten Messzelle 120, d.h. der Weglänge der optischen Strahlung 111 durch das erste Gas 121 abhängig: $I_{12} = I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}}$

Wie bereits oben ausgeführt, beschreibt das erste Mikrofonsignal 131 die Menge der von der optischen Strahlung 111 an das erste Gas 121 abgegebenen Energie. Über das erste Mikrofonsignal wird somit die Differenz ΔI₁ der Intensitäten I₁₁ und I₁₂ der optischen Strahlung gemessen: $Δ I_{1} = I_{11} - I_{12} = I_{11} - I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}}$
ΔI₁ kann somit ein Messsignal darstellen, welches eine Emissionsintensität des optischen Emitters 110 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen anzeigt. Daraus kann nun die entsprechende Emissionsintensität I₁₁ des optischen Emitters 110 durch Umformung bestimmt werden: $I_{11} = \frac{Δ I_{1}}{1 - e^{- ε_{1} d_{1}}}$
Bei der obigen Berechnung wurde angenommen, dass der effektive Abstand d₀ und somit die Absorption der optischen Strahlung 111 im Raum zwischen dem optischen Emitter 110 und der ersten Messzelle 120 vernachlässigbar, d.h. Null ist. In 1 sind der optische Emitter 110 und die erste Messzelle 120 als voneinander beabstandet dargestellt. Die obige Annahme eines effektiven Abstands d₀ = 0 zwischen dem optischen Emitter 110 und der ersten Messzelle 120 kann in dieser Konfiguration z.B. dadurch realisiert werden, dass ein Vakuum oder eine Gasatmosphäre, die die optische Strahlung 111 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen nicht absorbiert, in einem Raum zwischen dem optischen Emitter 110 und der Messzelle 120 herrscht. Beispielsweise kann die Gasatmosphäre zu mehr als 70, 80, 90 oder 95 Volumenprozent aus Stickstoff, einem Edelgas oder einem chemisch inerten Gas besteht. In alternative Ausführungen kann der optische Emitter 120 z.B. auch in der ersten Messzelle 120 selbst angeordnet sein. Ebenso kann beispielsweise auch ein Einlassfenster der Messzelle 120 für die optische Strahlung 111 (unmittelbar) an dem optischen Emitter 110 angeordnet sein. Beispielsweise kann der optische Emitter 120 auf das Einlassfenster der Messzelle 120 geklebt sein.
Vorrichtung 100 umfasst somit eine Messzelle, die direkt nach dem optischen Emitter in den optischen Pfad eingebracht ist. Derart kann direkt die optische Ausgangsleistung des Strahlers bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlänge gemessen werden (z.B. bei 4,3 µm Wellenlänge, wenn das erste Gas CO₂ ist). Vorrichtung 100 ermöglicht somit eine direkte Messung der Strahlungsleistung des optischen Emitters 110.
Unter Zuhilfenahme weiterer Messzellen kann die Vorrichtung 100 auch zur Untersuchung bzw. Charakterisierung eines interessierenden Gases genutzt werden. Dies ist schematisch in 2 gezeigt, welche eine weitere Vorrichtung 200 zeigt. Wie auch Vorrichtung 100 umfasst die Vorrichtung 200 den optischen Emitter 110 und die erste Messzelle 120. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird daher im Folgenden auf die erneute Beschreibung dieser Komponenten verzichtet. Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf die zusätzlichen bzw. weiteren Komponenten der Vorrichtung 200.
Vorrichtung 200 umfasst eine zweite hermetisch abgeschlossene Messzelle 220, die mit einem zweiten Gas 221 gefüllt ist. Das zweite Gas 221 in der zweiten Messzelle 220 ist eingerichtet, die optische Strahlung 111 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen zu absorbieren. Mit anderen Worten: Strahlungskomponenten der optische Strahlung 111 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen wechselwirken mit dem zweiten Gas 221 und geben dabei zumindest einen Teil ihrer Energie an das zweite Gas 221 ab. Beispielsweise kann das zweite Gas eingerichtet sein, Infrarotstrahlung zumindest teilweise zu absorbieren. Das erste Gas 121 und das zweite Gas 221 können die gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung 200 ein zweites Mikrofon 230, das in der zweiten Messzelle 220 angeordnet ist. Das zweite Mikrofon ist eingerichtet, ein zweites Mikrofonsignal 231 in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des zweiten Gases 221 durch die optische Strahlung 111 zu erzeugen. Das zweite Mikrofon 230 kann beispielsweise wie das erste Mikrofon 130 ausgebildet sein. Die in die zweite Messzelle 220 eintretende optische Strahlung 111 führt, wie dies oben beispielhaft für die erste Messzelle 120 ausführlich beschrieben ist, zu einer photoakustisch Anregung des zweiten Gases 221. Da das zweite Mikrofonsignal 231 die Druckveränderung innerhalb der zweiten Messzelle 220 repräsentiert, zeigt es die Menge der von der optischen Strahlung 111 an das zweite Gas 221 abgegebenen Energie an.
Bevor die optische Strahlung 111 jedoch in die zweite Messzelle 220 eintritt, durchläuft es neben der ersten Messzelle 120 einen mit einem zu untersuchenden Gas 250 gefüllten ersten Bereich 260, der zwischen dem optischen Emitter 110 und der zweiten Messzelle 220 angeordnet ist. Der erste Bereich 260 repräsentiert eine Messstrecke für das zu untersuchende Gas 250. Der erste Bereich 260 kann sowohl ein abgeschlossenes Volumen sein, das mit dem zu untersuchenden Gas 250 gefüllt ist, als auch eine offenes Volumen (d.h. ein nicht baulich abgegrenztes Volumen, das einen Gasaustausch mit der Umgebung erlaubt) sein. Das zu untersuchende Gas 250 soll hinsichtlich seiner Konzentration charakterisiert werden. Die Konzentration kann wiederum über die Absorption der optischen Strahlung 111 durch das zu untersuchende Gas 250 bestimmt werden.
Die an der zweite Messzelle 220 ankommende Intensität I₃₁ der optischen Strahlung 111 ist durch den Absorptionskoeffizienten ε₂ des zu untersuchenden Gases 250 und die bekannte Länge d₂ des ersten Bereichs 260, d.h. der Weglänge der optischen Strahlung 111 durch das zu untersuchende Gas 260, bestimmt: $I_{31} = I_{12} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} = I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}}$
Der Absorptionskoeffizient ε₂ ist über die Konzentration η₂ des zu untersuchenden Gases 250 in dem ersten Bereich 260 und eine Stoffkonstante α₂ bestimmt: $ε_{2} = η_{2} \cdot α_{2}$
Ebenso sind auch die Absorptionskoeffizienten ε₁ und ε₃ des ersten Gases 121 und des zweiten Gases 221 über die jeweiligen Konzentrationen η₁ und η₃ des ersten Gases 121 bzw. des zweiten Gases 221 in der ersten Messzelle 120 respektive der zweiten Messzelle 220 (sowie jeweilige Stoffkonstanten α₁ und α₃) entsprechend bestimmt. Die Konzentration η₁ des ersten Gases 121 in der ersten Messzelle 120 kann niedriger, gleich oder höher sein als die Konzentration η₃ des zweiten Gases 221 in der zweiten Messzelle 220. Die Konzentration η₁ des ersten Gases 121 in der ersten Messzelle 120 ist dabei so gewählt, dass die optische Strahlung 111 in der ersten Messzelle 120 nur insoweit absorbiert wird, als das die an der zweiten Messzelle ankommende Intensität I₃₁ der optischen Strahlung 111 nach dem Durchgang und der (teilweisen) Absorption durch das zu untersuchende Gas 250 noch ausreicht, um das zweite Gas 221 photoakustisch anzuregen. Die Konzentration η₁ des ersten Gases 121 in der ersten Messzelle 120 kann somit unter anderem abhängig von der Länge d₂ des ersten Bereichs 260 gewählt sein.
Wie bereits oben ausgeführt, beschreibt das zweite Mikrofonsignal 231 die Menge der von der optischen Strahlung 111 an das zweite Gas 221 abgegebenen Energie. Die nach dem Durchgang durch das zweite Gas 221 (Weglänge d₃ der optischen Strahlung 111 durch das zweite Gas 221) verbleibende Intensität I₃₂ der optischen Strahlung 111 kann daher wie folgt dargestellt werden: $I_{32} = I_{31} \cdot e^{- ε_{3} d_{3}} = I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} \cdot e^{- ε_{3} d_{3}}$
Über das zweite Mikrofonsignal 231 wird somit die Differenz ΔI₃ der Intensitäten I₃₁ und I₃₂ der optischen Strahlung 111 gemessen: $\begin{array}{l} Δ I_{3} = I_{31} - I_{32} = I_{12} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} - I_{31} \cdot e^{- ε_{3} d_{3}} = \\ I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} - I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} \cdot e^{- ε_{3} d_{3}} \end{array}$
Der Intensitätsverlust ΔI₂ der optischen Strahlung 111 aufgrund der Absorption der optischen Strahlung 111 durch das zu untersuchende Gas 250 in dem ersten Bereich 260 kann wie folgt beschrieben werden: $Δ I_{2} = I_{12} - I_{31} = I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}} - I_{12} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} = I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}} - I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}}$
Aus der durch das zweite Mikrofonsignal 231 beschriebenen Differenz ΔI₃ der Intensitäten I₃₁ und I₃₂ und der durch das ersten Messsignal 141 beschriebenen Emissionsintensität I₁₁ des optischen Emitters 110 bzw. der durch das erste Mikrofonsignal 131 beschriebenen Differenz ΔI₁ der Intensitäten I₁₁ und I₁₂ kann nunmehr der Absorptionskoeffizient ε₂ bzw. die Konzentration η₂ des zu untersuchenden Gases 250 in dem ersten Bereich 260 bestimmt werden: $\begin{matrix} \frac{Δ I_{1}}{Δ I_{3}} = \frac{I_{11} - I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}}}{I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} - I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} \cdot e^{- ε_{3} d_{3}}} = \\ \frac{1 - e^{- ε_{1} d_{1}}}{e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} - e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} \cdot e^{- ε_{3} d_{3}}} \end{matrix}$
$ε_{2} = \frac{- ln (\frac{Δ I_{3} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot (e^{- ε_{1} d_{1}} - 1)}{Δ I_{1} \cdot e^{- ε_{3} d_{3}} - 1})}{d_{2}}$
$η_{2} = \frac{ε_{2}}{α_{2}} = \frac{- ln (\frac{Δ I_{3} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot (e^{- ε_{1} d_{1}} - 1)}{Δ I_{1} \cdot e^{- ε_{3} d_{3}} - 1})}{d_{2} \cdot a_{2}}$
Entsprechend ist die Auswerteschaltung 140 ferner eingerichtet, basierend auf dem zweiten Mikrofonsignal 231 und dem ersten Mikrofonsignal 131 ein zweites Messsignal 142 zu erzeugen, das die Konzentration η₂ des zu untersuchenden Gases 250 in dem ersten Bereich 260 anzeigt.
Vorrichtung 200 kann somit zum einen die direkte Messung der optischen Ausgangsleistung des Strahlers (optischen Emitters) 120 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen (z. B. 4,3 µm) ermöglichen. Zum anderen kann die Vorrichtung 200 die Bestimmung der Konzentration des zu untersuchenden Gases 250 ermöglichen. Beispielsweise kann die optische Strahlung 111 durch ein optisches Fenster in die erste hermetische Messzelle 120 eintreten, welche eine definierte Konzentration CO₂ enthält (z.B. ca. 1000 Teile CO₂ pro Million, engl. parts per million, ppm). Ein Teil der Energie der optischen Strahlung 111 bei 4,3 µm wird absorbiert und erzeugt eine Schallwelle, welche von dem ersten Mikrofon 130 gemessen wird. Die restliche Strahlung durchläuft die Messstrecke (d.h. den ersten Bereich 260) mit der zu messenden bzw. zu untersuchenden Konzentration an CO₂ und tritt anschließend in die zweite Messzelle 220 ein. Diese ist wieder hermetisch abgedichtet und enthält 100% CO₂ sowie das zweite Mikrofon 230. Durch analoge oder digitale Verarbeitung der Ausgangssignale der Mikrofone kann die Auswerteschaltung 140 gemäß den obigen Grundsätzen die Konzentration an CO₂ im ersten Bereich 260 unabhängig von der Strahlungsleistung des optischen Emitters 110 bestimmen.
Die Verwendung der ABC-Methode oder sonstiger Kalibrierungsmethoden ist daher nicht nötig. Ebenso ist eine direkte Messung der Strahlungsleistung bei einer oder mehreren interessierenden Wellenlängen (z.B. 4,3 µm) möglich. Mit anderen Worten: Vorrichtung 200 kann die Referenzierung auf die relevante Strahlungsleistung ermöglichen. Weiterhin ermöglicht Vorrichtung 200 die Messung der Strahlungsleistung in einem einzigen optischen Strahlungsweg und somit unter denselben Bedingungen wie sie auch für die zweite Messzelle vorherrschen.
Wie in 2 gezeigt, kann die erste Messzelle 120 zwischen dem optischen Emitter 110 und dem mit dem zu untersuchenden Gas 250 gefüllten Bereich 260 angeordnet sein, so dass die erste Messzelle 120, der mit dem zu untersuchenden Gas 250 gefüllte Bereich 260 und die zweite Messzelle 220 in demselben optischen Pfad bzw. Strahlengang angeordnet sind.
Alternativ können die erste Messzelle 120 und die zweite Messzelle 220 in verschiedenen optischen Pfaden bzw. Strahlengängen angeordnet sein. Dies ist in 3 gezeigt. Bei der in 3 gezeigten Vorrichtung 300 ist die erste Messzelle 120 von dem optischen Emitter 110 aus gesehen in einer ersten räumlichen Richtung R₁ angeordnet und die zweite Messzelle 220 ist von dem optischen Emitter 110 aus gesehen in einer zweiten räumlichen Richtung R₂ , die sich von der ersten räumlichen Richtung R₁ unterscheidet, angeordnet.
Bei dem in 3 gezeigten Aufbau ist der optische Emitter 110 eingerichtet, die optische Richtung entlang der ersten räumlichen Richtung R₁ und der zweiten räumlichen Richtung R₂ abzustrahlen. Beispielsweise kann der optische Emitter 110 als ein thermischer Strahler ausgebildet sein, der in zwei gegenüberliegenden Richtungen abstrahlt. Mit anderen Worten: Der optische Emitter 110 kann z.B. symmetrisch nach hinten und vorne emittieren. Entsprechend kann die erste Messzelle 120 an der Rückseite des optischen Emitters 110 (Richtung R₁ ) angeordnet sein, während die zweite Messzelle 220 auf der Vorderseite des optischen Emitters 110 (Richtung R₂ ) angeordnet ist. Der Aufbau der Vorrichtung 300 kann eine Beeinflussung des optischen Pfades zu Konzentrationsmessung, d.h. den Durchgang der optischen Strahlung 111 durch den mit dem zu untersuchenden Gas 250 gefüllten Bereich 260 hin zu der zweiten Messzelle 220, durch die erste Messzelle 120 für die Messung der Emissionsintensität des optischen Emitters 110 vermeiden.
Die erste räumliche Richtung R₁ und die zweite räumliche Richtung R₂ können beliebig zu einander ausgerichtet sein. Neben der in 3 gezeigten entgegengesetzten Ausrichtung der räumlichen Richtungen R₁ und R₂ können diese z.B. auch senkrecht zueinander ausgerichtet sein.
4 zeigt eine weitere Vorrichtung 400, die eine zusätzliche dritte hermetisch abgeschlossene Messzelle 420 verwendet. Wie auch Vorrichtung 200 umfasst die Vorrichtung 400 den optischen Emitter 110, die erste Messzelle 120, die zweite Messzelle 220 sowie den ersten Bereich 260 mit dem zu untersuchenden Gas 250. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird daher im Folgenden auf die erneute Beschreibung dieser Komponenten verzichtet. Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf die zusätzlichen bzw. weiteren Komponenten der Vorrichtung 400.
Die dritte hermetisch abgeschlossene Messzelle 420 ist mit einem dritten Gas 421 gefüllt, das eingerichtet ist, die optische Strahlung 111 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen zu absorbieren. Mit anderen Worten: Strahlungskomponenten der optische Strahlung 111 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen wechselwirken mit dem dritten Gas 421 und geben dabei zumindest einen Teil ihrer Energie an das dritte Gas 421 ab. Beispielsweise kann das dritte Gas eingerichtet sein, Infrarotstrahlung zumindest teilweise zu absorbieren. Das erste Gas 121, das zweite Gas 221 und das dritte Gas 421 können die gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung 400 ein drittes Mikrofon 430, das in der dritten Messzelle 420 angeordnet ist. Das dritte Mikrofon 430 ist eingerichtet, ein drittes Mikrofonsignal 431 in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des dritten Gases 431 durch die optische Strahlung 111 zu erzeugen. Das dritte Mikrofon 430 kann beispielsweise wie das erste Mikrofon 130 ausgebildet sein. Die in die dritte Messzelle 420 eintretende optische Strahlung 111 führt, wie dies oben beispielhaft für die erste Messzelle 120 ausführlich beschrieben ist, zu einer photoakustischen Anregung des dritten Gases 431. Da das dritte Mikrofonsignal 431 die Druckveränderung innerhalb der dritten Messzelle 420 repräsentiert, zeigt es die Menge der von der optischen Strahlung 111 an das dritte Gas 421 abgegebenen Energie an.
Bevor die optische Strahlung 111 jedoch in die dritte Messzelle 420 eintritt, durchläuft es neben der ersten Messzelle 120, dem mit dem zu untersuchenden Gas 250 gefüllten ersten Bereich 260 und der zweiten Messzelle 220 einen mit dem zu untersuchenden Gas 250 gefüllten zweiten Bereich 460, der zwischen der zweiten Messzelle 220 und der dritten Messzelle 420 angeordnet ist. Der zweite Bereich 460 repräsentiert eine weitere Messstrecke für das zu untersuchende Gas 250. Der zweite Bereich 460 kann sowohl ein abgeschlossenes Volumen sein, das mit dem zu untersuchenden Gas 250 gefüllt ist, als auch eine offenes Volumen (d.h. nicht baulich abgegrenztes Volumen, das einen Gasaustausch mit der Umgebung erlaubt) sein.
Die Länge d₄ des zweiten Bereichs 460, d.h. die Weglänge der optischen Strahlung 111 durch das im zweiten Bereich befindliche, zu untersuchende Gas 250 kann zunächst unbekannt sein. Die Länge d₄ kann über die Absorption der optischen Strahlung 111 durch das zu untersuchende Gas 250 in dem zweiten Bereich 460 bestimmt werden. Dabei kann zunächst davon ausgegangen werden, dass die die Konzentration η₄ und somit auch der Absorptionskoeffizient ε₄ des zu untersuchenden Gases 250 im ersten Bereich 260 und im zweiten Bereich 460 im Wesentlichen gleich ist (d.h. ε₄ ≅ ε₂).
Die an der dritten Messzelle 420 ankommende Intensität I₅₁ der optischen Strahlung 111 ist somit durch die Länge d₄ des zweiten Bereichs 460, d.h. der Weglänge der optischen Strahlung 111 durch das zu untersuchende Gas 250 im zweiten Bereich 460, bestimmt: $I_{51} = I_{32} \cdot e^{- ε_{4} d_{4}} = I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} \cdot e^{- ε_{3} d_{3}} \cdot e^{- ε_{4} d_{4}}$
Wie bereits oben ausgeführt, beschreibt das dritte Mikrofonsignal 431 die Menge der von der optischen Strahlung 111 an das dritte Gas 421 abgegebenen Energie. Die nach dem Durchgang durch das dritte Gas 421 (bekannte Weglänge d₅ der optischen Strahlung 111 durch das dritte Gas 421 mit bekanntem Absorptionskoeffizienten ε₅) verbleibende Intensität I₅₂ der optischen Strahlung 111 kann daher wie folgt dargestellt werden: $I_{52} = I_{51} \cdot e^{- ε_{5} d_{5}} = I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} \cdot e^{- ε_{3} d_{3}} \cdot e^{- ε_{4} d_{4}} \cdot e^{- ε_{5} d_{5}}$
Über das dritte Mikrofonsignal 431 wird somit die Differenz ΔI₅ der Intensitäten I₅₁ und I₅₂ der optischen Strahlung 111 gemessen: $\begin{array}{l} Δ I_{5} = I_{51} - I_{52} = I_{32} \cdot e^{- ε_{4} d_{4}} - I_{51} \cdot e^{- ε_{5} d_{5}} = \\ I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} \cdot e^{- ε_{3} d_{3}} \cdot e^{- ε_{4} d_{4}} - I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} \cdot e^{- ε_{3} d_{3}} \cdot e^{- ε_{4} d_{4}} \cdot e^{- ε_{5} d_{5}} \end{array}$
Aus der durch das dritte Mikrofonsignal beschriebenen Differenz ΔI₅ der Intensitäten I₅₁ und I₅₂ und der durch das zweite Mikrofonsignal 231 beschriebenen Differenz ΔI₃ der Intensitäten I₃₁ und I₃₂ kann nunmehr die eine Distanz d₄ zwischen der zweiten Messzelle 220 und der dritten Messzelle 420 bestimmt werden: $\begin{array}{l} \frac{Δ I_{3}}{Δ I_{5}} = \frac{I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} - I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} \cdot e^{- ε_{3} d_{3}}}{I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} \cdot e^{- ε_{3} d_{3}} \cdot e^{- ε_{4} d_{4}} - I_{11} \cdot e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} \cdot e^{- ε_{3} d_{3}} \cdot e^{- ε_{4} d_{4}} \cdot e^{- ε_{5} d_{5}}} = \\ \frac{e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} - e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} \cdot e^{- ε_{3} d_{3}}}{e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} \cdot e^{- ε_{3} d_{3}} \cdot e^{- ε_{4} d_{4}} - e^{- ε_{1} d_{1}} \cdot e^{- ε_{2} d_{2}} \cdot e^{- ε_{3} d_{3}} \cdot e^{- ε_{4} d_{4}} \cdot e^{- ε_{5} d_{5}}} \end{array}$
$d_{4} = \frac{- ln (\frac{Δ I_{5} \cdot (1 - e^{- ε_{3} d_{3}})}{Δ I_{3} \cdot (e^{- ε_{3} d_{3}} - e^{- ε_{3} d_{3}} \cdot e^{- ε_{5} d_{5}})})}{ε_{4}} = \frac{- ln (\frac{Δ I_{5} \cdot (1 - e^{- ε_{3} d_{3}})}{Δ I_{3} \cdot (e^{- ε_{3} d_{3}} - e^{- ε_{3} d_{3}} \cdot e^{- ε_{5} d_{5}})})}{ε_{2}}$
Entsprechend ist die Auswerteschaltung 140 ferner eingerichtet, basierend auf dem dritten Mikrofonsignal 431 und dem zweiten Messsignal 142 ein drittes Messsignal 143 zu erzeugen, das die Distanz d₄ zwischen der zweiten Messzelle 220 und der dritten Messzelle 420 anzeigt.
Durch die beiden ersten Messzellen 120, 220 der Vorrichtung 200 kann also die Konzentration des zu untersuchenden Gases (z.B. CO₂) ermittelt werden. Unter Verwendung der bekannten Konzentration kann über die Messung der verbleibenden Energie, welche die dritte Messzelle 420 erreicht, die Distanz zwischen der zweiten und der dritten Messzelle gemessen werden.
Die ermittelte Distanz d₄ zwischen der zweiten Messzelle 220 und der dritten Messzelle 420 kann im Weiteren verwendet werden, um die Vorrichtung 400 als redundantes Detektionssystem zu verwenden.
Analog zu obigem Ausdruck (11) kann die Konzentration η₄ des zu untersuchenden Gases 250 in dem zweiten Bereich 460 basierend auf dem zweiten Mikrofonsignal 231 und dem dritten Mikrofonsignal 431 unter Verwendung der ermittelte Distanz d₄ zwischen der zweiten Messzelle 220 und der dritten Messzelle 420 bestimmt werden: $η_{4} = \frac{ε_{4}}{α_{2}} = \frac{- ln (\frac{Δ I_{5} \cdot e^{- ε_{3} d_{3}} \cdot (e^{- ε_{3} d_{3}} - 1)}{Δ I_{3} \cdot e^{- ε_{5} d_{5}} - 1})}{d_{4} \cdot α_{2}}$
Entsprechend ist die Auswerteschaltung 140 ferner eingerichtet, basierend auf dem zweiten Mikrofonsignal 231 und dem dritten Messsignal 143 ein viertes Messsignal 144 zu erzeugen, das die Konzentration η₄ des zu untersuchenden Gases 250 in dem zweiten Bereich 460 anzeigt.
Derart kann eine gegenseitige Überwachung der Konzentrationsmessungen durch die Auswerteschaltung 140 erfolgen. Mit anderen Worten: Die Auswerteschaltung 140 kann eingerichtet sein, die Konzentration η₂ des zu untersuchenden Gases 250 in dem ersten Bereich 260 mit der Konzentration η₄ des zu untersuchenden Gases 250 in dem zweiten Bereich 460 zu vergleichen. Wenn die Konzentration η₂ des zu untersuchenden Gases 250 in dem ersten Bereich 260 von der Konzentration η₄ des zu untersuchenden Gases 250 in dem zweiten Bereich 460 um mehr als einen vorgegebenen (absoluten oder relativen) Schwellwert abweicht, kann die Auswerteschaltung 140 ferner beispielsweise eingerichtet sein, ein Fehler- oder Warnsignal auszugeben.
Ähnlich wie in 3 für die Vorrichtung 300 gezeigt, kann in manchen Ausführungsbeispielen auch bei der Vorrichtung 400 die erste Messzelle 120 von dem optischen Emitter 110 aus gesehen in einer ersten räumlichen Richtung angeordnet sein, während die zweite Messzelle 220 von dem optischen Emitter 110 aus gesehen in einer zweiten räumlichen Richtung, die sich von der ersten räumlichen Richtung unterscheidet, angeordnet ist.
Eine weitere redundant aufgebaute Vorrichtung 500 ist in 5 gezeigt.
Vorrichtung 500 umfasst einen ersten optischen Emitter 510 und einen zweiten optischen Emitter 550. Der erste optische Emitter 510, ist eingerichtet, zu einem ersten Zeitpunkt erste optische Strahlung 511 zu emittieren. Der zweite optische Emitter 550, ist eingerichtet, zu einem zweiten Zeitpunkt zweite optische Strahlung 550 zu emittieren. Der erste optische Emitter 510 als auch der zweite optische Emitter 550 können dabei wie der oben in Zusammenhang mit 1 beschriebene optische Emitter 110 aufgebaut sein. Die erste optische Strahlung 511 kann identisch oder verschieden zu der zweiten optischen Strahlung 551 sein.
Beide optische Strahlungen 511 und 551 können sowohl Infrarotstrahlung als auch Strahlung im sichtbaren Bereich umfassen.
Ferner umfasst Vorrichtung 500 drei hermetisch abgeschlossene Messzellen 520, 530 und 540, die in Reihe zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Emitter 510, 550 angeordnet sind. Die drei hermetisch abgeschlossene Messzellen 520, 530 und 540 sind jeweils mit einem Gas 521, 531 bzw. 541 gefüllt, das eingerichtet ist, die erste optische Strahlung 511 und die zweite optische Strahlung 551 jeweils bei einer oder mehreren vorbestimmten Wellenlängen zu absorbieren. Die Gase 521, 531 und 541 können die gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen. Die Konzentrationen der Gase 521, 531 und 541 in den jeweiligen Messzellen 520, 530 bzw. 540 können gleich oder verschieden sein. Die Gase 521, 531 und 541 können, wie dies oben beispielhaft für das erste Gas 121 ausführlich beschrieben ist, ausgeführt sein.
In jeder der drei Messzellen 520, 530 und 540 ist jeweils ein Mikrofon 522, 532 bzw. 542 angeordnet. Das Mikrofon 522, 532 bzw. 542 ist jeweils eingerichtet, ein jeweiliges Mikrofonsignal 523, 533 bzw. 543 in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des Gases 521, 531 bzw. 541 in der jeweiligen Messzelle 520, 530 bzw. 540 durch die erste optische Strahlung 511 oder die zweite optische Strahlung 551 zu erzeugen. Die Mikrofone 522, 532 und 542 können beispielsweise wie das in Zusammenhang mit Vorrichtung 100 beschriebene erste Mikrofon 130 ausgebildet sein. Die in die jeweilige Messzelle 520, 530 bzw. 540 eintretende optische Strahlung 511 bzw. 551 führt, wie dies oben in Zusammenhang mit Vorrichtung 100 beispielhaft für die erste Messzelle 120 ausführlich beschrieben ist, zu einer photoakustischen Anregung des jeweiligen Gases 521, 531 bzw. 541. Da das jeweilige Mikrofonsignal 523, 533 bzw. 543 die Druckveränderung innerhalb der jeweiligen Messzelle 520, 530 bzw. 540 repräsentiert, zeigt es die Menge der von der optischen Strahlung 511 bzw. 551 an das jeweilige Gas 521, 531 bzw. 541 abgegebenen Energie an.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung 500 zwei mit einem zu untersuchenden Gas 560 gefüllte Bereiche 570 und 580, die zwischen unterschiedlichen Paaren der drei Messzelle 520, 530 und 540 angeordnet sind. Der erste Bereich 570 der zwei mit dem zu untersuchenden Gas 560 gefüllten Bereiche 570 und 580 ist zwischen der ersten Messzelle 520 und der zweiten Messzelle 530 angeordnet, während der zweite Bereich 580 der zwei mit dem zu untersuchenden Gas 560 gefüllten Bereiche 570 und 580 zwischen der zweiten Messzelle 530 und der dritten Messzelle 540 angeordnet ist.
Gemäß den oben beschriebenen Grundsätzen kann nun eine Auswerteschaltung 590 die Emissionsintensität des ersten optischen Emitters 510 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen basierend auf einer Veränderung des Mikrofonsignals 523 der Messzelle 520 nach dem ersten Zeitpunkt bestimmt werden. Entsprechend kann die Auswerteschaltung 590 nach den oben beschriebenen Grundsätzen auch die Emissionsintensität des zweiten optischen Emitters 550 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen basierend auf einer Veränderung des Mikrofonsignals 543 der Messzelle 540 nach dem zweiten Zeitpunkt bestimmt werden. Mit anderen Worten: die Auswerteschaltung 590 ist eingerichtet, die Emissionsintensität des ersten optischen Emitters 510 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen basierend auf einer Veränderung eines ersten der Mikrofonsignale 523, 533 und 543 nach dem ersten Zeitpunkt zu bestimmen und eine Emissionsintensität des zweiten optischen Emitters 550 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen basierend auf einer Veränderung eines zweiten der Mikrofonsignale 523, 533 und 543 nach dem zweiten Zeitpunkt zu bestimmen.
Der erste Zeitpunkt und der zweite Zeitpunkt für die Emission der ersten optischen Strahlung 511 bzw. der zweiten optischen Strahlung 551 sind dabei so gewählt, dass die Gase 521, 531 und 541 in den Messzellen 520, 530 bzw. 540 nicht (mehr) durch die jeweils andere optische Strahlung photoakustisch angeregt sind.
Aufgrund des redundanten bzw. symmetrischen Aufbaus der Vorrichtung 500 kann weiterhin die Konzentration des zu untersuchenden Gases 560 in den beiden Bereichen 570 und 580 unabhängig von der Kenntnis um die Abstände (Distanzen) zwischen aufeinanderfolgenden Messzellen der drei Messzellen 520, 530 und 540 erfolgen. Gemäß den oben beschriebenen Grundsätzen kann die Auswerteschaltung 590 die Konzentration des zu untersuchenden Gases 560 in den beiden Bereichen 570 und 580 als auch die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Messzellen der drei Messzellen 520, 530 und 540 gleichzeitig bestimmen.
Mit anderen Worten: Die Auswerteschaltung 590 kann ferner eingerichtet sein, zumindest einen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Messzellen der drei Messzellen 520, 540 und 540 basierend auf den Veränderungen der Mikrofonsignale 523, 533 und 543 nach dem ersten Zeitpunkt sowie den Veränderungen der Mikrofonsignale 523, 533 und 543 nach dem zweiten Zeitpunkt zu bestimmen.
Ebenso kann die Auswerteschaltung 590 ferner eingerichtet sein, die Konzentration des zu untersuchenden Gases in zumindest einem der zwei Bereiche 570 und 580 basierend auf den Veränderungen der Mikrofonsignale 523, 533 und 543 nach dem ersten Zeitpunkt sowie den Veränderungen der Mikrofonsignale 523, 533 und 543 nach dem zweiten Zeitpunkt zu bestimmen.
Vorrichtung 500 stellt somit ein redundantes System bezüglich Detektor und Emitter dar, der variabel angeordnet werden kann. Die aus zwei Emittern (Strahlern) und drei Messzellen (Messkammern) bestehende Messstrecke der Vorrichtung 500 ermöglicht die absolute Konzentrationsmessung. Neben den bereits oben zu den Vorrichtungen 100 bis 400 genannten Vorteilen ermöglicht der Aufbau von Vorrichtung 500 die Konzentrationsmessung, selbst wenn die Abstände zwischen den Messzellen nicht bekannt oder variabel sind. Aufgrund der Anregung im Wechsel über die beiden optischen Emitter 510 und 550 wechseln die äußeren Messzellen 520 und 540 in ihrer Funktion als Strahlerreferenz bzw. Abstandsmessung.
Vorrichtung 500 (neben weiteren hierin beschriebenen Vorrichtungen) kann somit als photoakustisches System zur Strahlerüberwachung und Distanzmessung verstanden werden, das auf mehreren Kammern, welche im selben optischen Pfad liegen, basiert.
6 zeigt noch eine weitere redundant aufgebaute Vorrichtung 600, die lediglich zwei Messzellen verwendet.
Vorrichtung 600 umfasst einen ersten optischen Emitter 610 und einen zweiten optischen Emitter 650. Der erste optische Emitter 610, ist eingerichtet, zu einem ersten Zeitpunkt erste optische Strahlung 611 zu emittieren. Der zweite optische Emitter 650, ist eingerichtet, zu einem zweiten Zeitpunkt zweite optische Strahlung 650 zu emittieren. Der erste optische Emitter 610 als auch der zweite optische Emitter 650 können dabei wie der oben in Zusammenhang mit 1 beschriebene optische Emitter 610 aufgebaut sein. Die erste optische Strahlung 611 kann identisch oder verschieden zu der zweiten optischen Strahlung 651 sein. Beide optische Strahlungen 611 und 651 können sowohl Infrarotstrahlung als auch Strahlung im sichtbaren Bereich umfassen.
Ferner umfasst Vorrichtung 600 zwei hermetisch abgeschlossene Messzellen 620 und 630, die in Reihe zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Emitter 610, 650 angeordnet sind. Die zwei hermetisch abgeschlossene Messzellen 620 und 630 sind jeweils mit einem Gas 621 bzw. 631 gefüllt, das eingerichtet ist, die erste optische Strahlung 611 und die zweite optische Strahlung 651 jeweils bei einer oder mehreren vorbestimmten Wellenlängen zu absorbieren. Die Gase 621 und 631 können die gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen. Die Konzentrationen der Gase 621 und 631 in den jeweiligen Messzellen 620 bzw. 630 können gleich oder verschieden sein. Die Gase 621 und 631 können, wie dies oben beispielhaft für das erste Gas 121 ausführlich beschrieben ist, ausgeführt sein.
In jeder der zwei Messzellen 620 und 630 ist jeweils ein Mikrofon 622 bzw. 632 angeordnet. Das Mikrofon 622 bzw. 632 ist jeweils eingerichtet, ein jeweiliges Mikrofonsignal 623 bzw. 633 in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des Gases 621 bzw. 631 in der jeweiligen Messzelle 620 bzw. 630 durch die erste optische Strahlung 611 oder die zweite optische Strahlung 651 zu erzeugen. Die Mikrofone 622 und 632 können beispielsweise wie das in Zusammenhang mit Vorrichtung 100 beschriebene erste Mikrofon 130 ausgebildet sein. Die in die jeweilige Messzelle 620 bzw. 630 eintretende optische Strahlung 611 bzw. 651 führt, wie dies oben in Zusammenhang mit Vorrichtung 100 beispielhaft für die erste Messzelle 120 ausführlich beschrieben ist, zu einer photoakustischen Anregung des jeweiligen Gases 621 bzw. 631. Da das jeweilige Mikrofonsignal 623 bzw. 633 die Druckveränderung innerhalb der jeweiligen Messzelle 620 bzw. 630 repräsentiert, zeigt es die Menge der von der optischen Strahlung 611 bzw. 651 an das jeweilige Gas 621 bzw. 631 abgegebenen Energie an.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung 600 einen mit einem zu untersuchenden Gas 660 gefüllten Bereich 670, der zwischen den zwei Messzellen 620 und 630 angeordnet ist.
Gemäß den oben beschriebenen Grundsätzen kann nun eine Auswerteschaltung 690 die Emissionsintensität des ersten optischen Emitters 610 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen basierend auf einer Veränderung des Mikrofonsignals 623 der Messzelle 620 nach dem ersten Zeitpunkt bestimmt werden. Entsprechend kann die Auswerteschaltung 690 nach den oben beschriebenen Grundsätzen auch die Emissionsintensität des zweiten optischen Emitters 650 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen basierend auf einer Veränderung des Mikrofonsignals 633 der Messzelle 630 nach dem zweiten Zeitpunkt bestimmt werden. Mit anderen Worten: die Auswerteschaltung 690 ist eingerichtet, die Emissionsintensität des ersten optischen Emitters 610 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen basierend auf einer Veränderung eines ersten der Mikrofonsignale 623 und 633 nach dem ersten Zeitpunkt zu bestimmen und eine Emissionsintensität des zweiten optischen Emitters 650 bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen basierend auf einer Veränderung eines zweiten der Mikrofonsignale 623 und 633 nach dem zweiten Zeitpunkt zu bestimmen.
Der erste Zeitpunkt und der zweite Zeitpunkt für die Emission der ersten optischen Strahlung 611 bzw. der zweiten optischen Strahlung 651 sind dabei so gewählt, dass die Gase 621 und 631 in den Messzellen 620 bzw. 630 nicht (mehr) durch die jeweils andere optische Strahlung photoakustisch angeregt sind.
Gemäß den oben beschriebenen Grundsätzen kann die Auswerteschaltung 690 die Konzentration des zu untersuchenden Gases 660 im Bereich 670 bestimmen. Mit anderen Worten: Die Auswerteschaltung 690 kann ferner eingerichtet sein, die Konzentration des zu untersuchenden Gases im Bereich 670 basierend auf den Veränderungen der Mikrofonsignale 623 und 633 nach dem ersten Zeitpunkt sowie den Veränderungen der Mikrofonsignale 623 und 633 nach dem zweiten Zeitpunkt zu bestimmen.
Um die oben beschriebenen Aspekte zur Nutzung des photoakustischen Effekts nochmals zusammenzufassen, sind in 7 und 8 Ablaufdiagramme von Verfahren, die den photoakustischen Effekt nutzen, gezeigt.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines ersten Verfahrens 700, das ein Emittieren 702 optischer Strahlung mittels eines optischen Emitters umfasst. Verfahren 700 umfasst zudem ein Absorbieren 704 der optischen Strahlung bei einer oder mehreren vorbestimmten Wellenlängen mittels eines in einer ersten hermetisch abgeschlossenen Messzelle befindlichen ersten Gases. Weiterhin umfasst Verfahren 700 ein Erzeugen 706 eines ersten Mikrofonsignals in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des ersten Gases durch die optische Strahlung mittels eines in der Messzelle angeordneten Mikrofons. Verfahren 700 umfasst ferner ein Erzeugen 708 eines ersten Messsignals, das eine Emissionsintensität des optischen Emitters bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen anzeigt, basierend auf dem ersten Mikrofonsignal.
Weitere Details und Aspekte des Verfahrens sind oben in Zusammenhang mit weiteren Ausführungsbeispielen (z.B. 1 bis 4) beschrieben. Das Verfahren kann eines oder mehrere optionale Merkmale gemäß den weiteren Ausführungsbeispielen umfassen.
Zudem zeigt 8 noch ein Ablaufdiagramm eines zweiten Verfahrens 800, das ein Emittieren 802 erster optischer Strahlung zu einem ersten Zeitpunkt mittels eines ersten optischen Emitters sowie ein Emittieren 804 zweiter optischer Strahlung zu einem zweiten Zeitpunkt mittels eines zweiten optischen Emitters umfasst. Weiterhin umfasst Verfahren 800 ein Absorbieren 806 der ersten optische Strahlung und der zweiten optische Strahlung bei einer oder mehreren vorbestimmten Wellenlängen mittels eines in zumindest zwei hermetisch abgeschlossenen Messzellen befindlichen Gases. Die zumindest zwei Messzellen sind in Reihe zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Emitter angeordnet, wobei zumindest ein mit einem zu untersuchenden Gas gefüllter Bereich den zumindest zwei Messzellen angeordnet ist. Verfahren 800 umfasst ferner ein Erzeugen 808 eines jeweiligen Mikrofonsignals in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des Gases in jeder der zumindest zwei Messzellen durch die erste optische Strahlung oder die zweite optische Strahlung mittels eines jeweils in der Messzelle angeordneten Mikrofons. Zudem umfasst Verfahren 800 ein Bestimmen 810 einer Emissionsintensität des ersten optischen Emitters bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen basierend auf einer Veränderung eines ersten der Mikrofonsignale nach dem ersten Zeitpunkt. Ebenso umfasst Verfahren 800 ein Bestimmen 812 einer Emissionsintensität des zweiten optischen Emitters bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen basierend auf einer Veränderung eines zweiten der Mikrofonsignale nach dem zweiten Zeitpunkt.
Weitere Details und Aspekte des Verfahrens sind oben in Zusammenhang mit weiteren Ausführungsbeispielen (z.B. 5 und 6) beschrieben. Das Verfahren kann eines oder mehrere optionale Merkmale gemäß den weiteren Ausführungsbeispielen umfassen.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen kann jede der Messzelle neben dem Mikrofon weitere sekundäre Sensorik zu Kompensation von Umwelteinflüssen aufweisen (z.B. Temperatursensor oder Drucksensor). Weiterhin kann jede der Messzellen eines oder mehrere weitere Mikrofone aufweisen, die in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des jeweiligen Gases in der Messzelle durch die optische Strahlung ein Mikrofonsignal erzeugt. Die weiteren Mikrofonsignale können von der Auswerteschaltung der jeweiligen Vorrichtung beispielsweise zur Plausibilisierung der Druckmessung in der Messzelle genutzt werden.
Obwohl in den obigen Ausführungsbeispielen oftmals CO₂ als Beispiel für die Gase in den Messzellen bzw. für das zu untersuchende Gas beschrieben wurde, versteht es sich von selbst, dass die Nutzung des photoakustischen Prinzips nicht auf CO₂ beschränkt ist. Vielmehr kann statt CO₂ jegliches andere geeignete Gas verwendet werden (siehe in Zusammenhang mit Vorrichtung 100 beschriebene Beispiele).
Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorher detaillierten Beispiele und Figuren beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein gleiches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das andere Beispiel zusätzlich einzuführen.
Durch die Beschreibung und Zeichnungen werden nur die Grundsätze der Offenbarung dargestellt. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele grundsätzlich ausdrücklich nur Lehrzwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen. Alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Beispiele der Offenbarung sowie konkrete Beispiele derselben deren Entsprechungen umfassen.
Es versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte, Prozesse, Operationen oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll, sofern dies nicht explizit oder implizit anderweitig, z. B. aus technischen Gründen, angegeben ist. Daher werden diese durch die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Ferner kann bei einigen Beispielen ein einzelner Schritt, Funktion, Prozess oder Operation mehrere Teilschritte, -funktionen, -prozesse oder -operationen einschließen und/oder in dieselben aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht explizit ausgeschlossen sind.
Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Während jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hier explizit vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.

Claims

Vorrichtung (100), umfassend: einen optischen Emitter (110), der eingerichtet ist, optische Strahlung (111) zu emittieren; eine erste hermetisch abgeschlossene Messzelle (120), die mit einem ersten Gas (121) gefüllt ist, wobei das erste Gas (121) eingerichtet ist, die optische Strahlung (111) bei einer oder mehreren vorbestimmten Wellenlängen zumindest teilweise zu absorbieren; ein erstes Mikrofon (130), das in der ersten Messzelle (120) angeordnet und eingerichtet ist, ein erstes Mikrofonsignal (131) in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des ersten Gases durch die optische Strahlung (111) zu erzeugen; und eine Auswerteschaltung (140), die eingerichtet ist, basierend auf dem ersten Mikrofonsignal (131) ein erstes Messsignal (141) zu erzeugen, das eine Emissionsintensität des optischen Emitters (110) bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Strahlung (111) Infrarotstrahlung umfasst, und wobei das erste Gas (121) eingerichtet ist, die Infrarotstrahlung zumindest teilweise zu absorbieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei ein Vakuum oder eine Gasatmosphäre, die die optische Strahlung (111) bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen nicht absorbiert, in einem Raum zwischen dem optischen Emitter (110) und der ersten Messzelle (120) herrscht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der optische Emitter (110) in der ersten Messzelle (120) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine zweite hermetisch abgeschlossene Messzelle (220), die mit einem zweiten Gas (221) gefüllt ist, wobei das zweite Gas (221) eingerichtet ist, die optische Strahlung (111) bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen zu absorbieren; ein mit einem zu untersuchenden Gas (250) gefüllter erster Bereich (260), der zwischen dem optischen Emitter (110) und der zweiten Messzelle (220) angeordnet ist; und ein zweites Mikrofon (230), das in der zweiten Messzelle (220) angeordnet und eingerichtet ist, ein zweites Mikrofonsignal (231) in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des zweiten Gases (221) durch die optische Strahlung (111) zu erzeugen, wobei die Auswerteschaltung (140) ferner eingerichtet ist, basierend auf dem zweiten Mikrofonsignal (231) und dem ersten Mikrofonsignal (131) ein zweites Messsignal (142) zu erzeugen, das eine Konzentration des zu untersuchenden Gases (250) in dem ersten Bereich (260) anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die erste Messzelle (120) zwischen dem optischen Emitter (110) und dem mit dem zu untersuchenden Gas (250) gefüllten Bereich (260) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die erste Messzelle (120) von dem optischen Emitter (110) aus gesehen in einer ersten räumlichen Richtung angeordnet ist und die zweite Messzelle (220) von dem optischen Emitter (110) aus gesehen in einer zweiten räumlichen Richtung, die sich von der ersten räumlichen Richtung unterscheidet, angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das erste Gas (121) und das zweite Gas (221) die gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei eine Konzentration des ersten Gases (121) in der ersten Messzelle (120) niedriger ist als eine Konzentration des zweiten Gases (221) in der zweiten Messzelle (220).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, ferner umfassend: eine dritte hermetisch abgeschlossene Messzelle (420), die mit einem dritten Gas (421) gefüllt ist, wobei das dritte Gas (421) eingerichtet ist, die optische Strahlung (111) bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen zu absorbieren; ein mit dem zu untersuchenden Gas (250) gefüllter zweiter Bereich (460), der zwischen der zweiten Messzelle (220) und der dritten Messzelle (420) angeordnet ist; und ein drittes Mikrofon (430), das in der dritten Messzelle (420) angeordnet und eingerichtet ist, ein drittes Mikrofonsignal (431) in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des dritten Gases (421) durch die optische Strahlung (111) zu erzeugen, wobei die Auswerteschaltung (140) ferner eingerichtet ist, basierend auf dem dritten Mikrofonsignal (431) und dem zweiten Messsignal (142) ein drittes Messsignal (143) zu erzeugen, das eine Distanz zwischen der zweiten Messzelle (220) und der dritten Messzelle (320) anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Auswerteschaltung (140) ferner eingerichtet ist, basierend auf dem zweiten Mikrofonsignal (231) und dem dritten Messsignal (143) ein viertes Messsignal (144) zu erzeugen, das eine Konzentration des zu untersuchenden Gases (250) in dem zweiten Bereich (460) anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei das erste Gas (121) und das dritte Gas (421) die gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen.
Vorrichtung (500, 600), umfassend: einen ersten optischen Emitter (510, 610), der eingerichtet ist, zu einem ersten Zeitpunkt erste optische Strahlung (511, 611) zu emittieren; einen zweiten optischen Emitter (550, 650), der eingerichtet ist, zu einem zweiten Zeitpunkt zweite optische Strahlung (551, 651) zu emittieren; zumindest zwei hermetisch abgeschlossene Messzellen (520, 530, 540, 620, 630), die in Reihe zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Emitter angeordnet und jeweils mit einem Gas (521, 531, 541, 621, 631) gefüllt sind, das eingerichtet ist, die erste optische Strahlung (511, 611) und die zweite optische Strahlung (551, 651) jeweils bei einer oder mehreren vorbestimmten Wellenlängen zu absorbieren, wobei in jeder der zumindest zwei Messzellen (520, 530, 540, 620, 630) jeweils ein Mikrofon (522, 532, 542, 622, 632) angeordnet und eingerichtet ist, ein jeweiliges Mikrofonsignal (523, 533, 543, 623, 633) in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des Gases in der jeweiligen Messzelle durch die erste optische Strahlung (511, 611) oder die zweite optische Strahlung (551, 651) zu erzeugen; zumindest ein mit einem zu untersuchenden Gas (560, 660) gefüllter Bereich (570, 580, 670), der zwischen den zumindest zwei Messzellen (520, 530, 540, 620, 630) angeordnet ist; und eine Auswerteschaltung (590, 690), die eingerichtet ist, eine Emissionsintensität des ersten optischen Emitters (510, 610) bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen basierend auf einer Veränderung eines ersten der Mikrofonsignale (523, 533, 543, 623, 633) nach dem ersten Zeitpunkt zu bestimmen und eine Emissionsintensität des zweiten optischen Emitters (550, 650) bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen basierend auf einer Veränderung eines zweiten der Mikrofonsignale (523, 533, 543, 623, 633) nach dem zweiten Zeitpunkt zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Auswerteschaltung ferner eingerichtet ist, eine Konzentration des zu untersuchenden Gases (560, 660) in dem Bereich (570, 580, 670) basierend auf Veränderungen der Mikrofonsignale (523, 533, 543, 623, 633) nach dem ersten Zeitpunkt und Veränderungen der Mikrofonsignale (523, 533, 543, 623, 633) nach dem zweiten Zeitpunkt zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, wobei drei hermetisch abgeschlossene Messzellen (520, 530, 540) in Reihe zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Emitter angeordnet sind, wobei zwei mit dem zu untersuchenden Gas (560) gefüllte Bereiche (570, 580) zwischen unterschiedlichen Paaren der drei Messzellen (520, 530, 540) angeordnet sind, und wobei die Auswerteschaltung (590) ferner eingerichtet ist, zumindest einen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Messzellen der drei Messzellen (520, 530, 540) basierend auf Veränderungen der Mikrofonsignale (523, 533, 543) nach dem ersten Zeitpunkt und Veränderungen der Mikrofonsignale (523, 533, 543) nach dem zweiten Zeitpunkt zu bestimmen.
Verfahren (700), umfassend: Emittieren (702) optischer Strahlung mittels eines optischen Emitters; Absorbieren (704) der optischen Strahlung bei einer oder mehreren vorbestimmten Wellenlängen mittels eines in einer ersten hermetisch abgeschlossenen Messzelle befindlichen ersten Gases; Erzeugen (706) eines ersten Mikrofonsignals in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des ersten Gases durch die optische Strahlung mittels eines in der ersten Messzelle angeordneten ersten Mikrofons; und Erzeugen (708) eines ersten Messsignals, das eine Emissionsintensität des optischen Emitters bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen anzeigt, basierend auf dem ersten Mikrofonsignal.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend: Absorbieren der optischen Strahlung bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen mittels eines in einer zweiten hermetisch abgeschlossenen Messzelle befindlichen zweiten Gases, wobei ein mit einem zu untersuchenden Gas gefüllter erster Bereich zwischen dem optischen Emitter und der zweiten Messzelle angeordnet ist; Erzeugen eines zweiten Mikrofonsignals in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des zweiten Gases durch die optische Strahlung mittels eines in der zweiten Messzelle angeordneten zweiten Mikrofons; und Erzeugen eines zweiten Messsignals, das eine Konzentration des zu untersuchenden Gases in dem ersten Bereich anzeigt, basierend auf dem zweiten Mikrofonsignal und ersten Mikrofonsignal.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend: Absorbieren der optischen Strahlung bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen mittels eines in einer dritten hermetisch abgeschlossenen Messzelle befindlichen dritten Gases, wobei ein mit dem zu untersuchenden Gas gefüllter zweiter Bereich zwischen der zweiten Messzelle und der dritten Messzelle angeordnet ist; Erzeugen eines dritten Mikrofonsignals in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des dritten Gases durch die optische Strahlung mittels eines in der dritten Messzelle angeordneten dritten Mikrofons; und Erzeugen eines dritten Messsignals, das eine Distanz zwischen der zweiten Messzelle und der dritten Messzelle anzeigt, basierend auf dem dritten Mikrofonsignal und dem zweiten Messsignal.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend: Erzeugen eines vierten Messsignals, das eine Konzentration des zu untersuchenden Gases in dem zweiten Bereich anzeigt, basierend auf dem zweiten Mikrofonsignal und dem dritten Messsignal.
Verfahren (800), umfassend: Emittieren (802) erster optischer Strahlung zu einem ersten Zeitpunkt mittels eines ersten optischen Emitters; Emittieren (804) zweiter optischer Strahlung zu einem zweiten Zeitpunkt mittels eines zweiten optischen Emitters; Absorbieren (806) der ersten optische Strahlung und der zweiten optische Strahlung bei einer oder mehreren vorbestimmten Wellenlängen mittels eines in zumindest zwei hermetisch abgeschlossenen Messzellen befindlichen Gases, wobei die zumindest zwei Messzellen in Reihe zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Emitter angeordnet sind, und wobei zumindest ein mit einem zu untersuchenden Gas gefüllter Bereich zwischen den zumindest zwei Messzellen angeordnet ist; Erzeugen (808) eines jeweiligen Mikrofonsignals in Abhängigkeit von einer photoakustischen Anregung des Gases in jeder der zumindest zwei Messzellen durch die erste optische Strahlung oder die zweite optische Strahlung mittels eines jeweils in der Messzelle angeordneten Mikrofons; Bestimmen (810) einer Emissionsintensität des ersten optischen Emitters bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen basierend auf einer Veränderung eines ersten der Mikrofonsignale nach dem ersten Zeitpunkt; und Bestimmen (812) einer Emissionsintensität des zweiten optischen Emitters bei der einen oder den mehreren vorbestimmten Wellenlängen basierend auf einer Veränderung eines zweiten der Mikrofonsignale nach dem zweiten Zeitpunkt.