DE102019119916A1

DE102019119916A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Spektralanalyse

Info

Publication number: DE102019119916A1
Application number: DE102019119916.6A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Backes
Original assignee: BCS Automotive Interface Solutions GmbH
Current assignee: BCS Automotive Interface Solutions GmbH
Priority date: 2019-07-23
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2021-01-28

Abstract

Eine Vorrichtung (10) zur Spektralanalyse hat einen Lichtsender (12), der abhängig von einem am Lichtsender (12) angelegtem Strom Licht (14) mit einem bestimmten Emissionsspektrum (16) aussendet, einen Lichtempfänger (36), der über einen Strahlengang mit dem Lichtsender (12) verbunden ist, die Lichtleistung des einfallenden Lichts (14) registriert und Messwerte (M) bereitstellt, und einen Analyseraum (18) für ein zu analysierendes Objekt, der im Strahlengang zwischen dem Lichtsender (12) und dem Lichtempfänger (36) angeordnet ist. Ferner weist die Vorrichtung (10) ein Steuergerät (38) auf, das mit dem Lichtsender (12) und dem Lichtempfänger (36) verbunden ist. Das Steuergerät (38) kann den am Lichtsender (12) angelegten Strom variieren und die vom Lichtempfänger (36) bereitgestellten Messwerte auslesen und aus zumindest zwei der vom Lichtempfänger (36) bereitgestellten Messwerten eine wellenlängenabhängige Eigenschaft bestimmen. Ferner ist ein Verfahren zur Spektralanalyse gezeigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Spektralanalyse.
Um charakteristische, wellenlängenabhängige Eigenschaften eines Objektes zu bestimmen, werden oftmals optische Vorrichtungen eingesetzt, die Licht mit einer bestimmten Wellenlänge aussenden. Das Licht interagiert mit dem Objekt, sodass sich das Spektrum des Lichts verändert, und das Spektrum wird anschließend in der Vorrichtung analysiert. Aus diesem veränderten Spektrum lassen sich dann die Eigenschaften des Objekts ableiten.
Auf diese Weise kann beispielsweise die Zusammensetzung eines Gases, also die Konzentration der einzelnen Moleküle und Atome innerhalb des Gases bestimmt werden.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen verwenden zur Spektralanalyse des Lichts ein Prisma oder ein Brechungsgitter sowie einen Detektor, beispielsweise eine CCD-Kamera. Das Licht wird zunächst durch das Prisma oder das Gitter gebeugt und dadurch in sein Spektrum zerlegt, also der Wellenlänge nach aufgefächert, sodass, je nach Position des Detektors, ein bestimmter Wellenlängenbereich registriert und analysiert werden kann. Durch die Vielzahl an Komponenten benötigt diese Vorrichtung allerdings verhältnismäßig viel Platz.
Außerdem ist es bekannt, einen Schmalbandfilter zwischen Lichtsender und Lichtempfänger zu positionieren, wobei der Schmalbandfilter nur in einem bestimmten Wellenlängenbereich Licht durchlässt. Falls der Wellenlängenbereich mit einer Spektrallinie eines Moleküls oder eines Gases übereinstimmt, kann anhand des in diesem Wellenlängenbereich durchgelassenen Lichts zum Beispiel die Gaskonzentration bestimmt werden. Allerdings ist der Preis des Schmalbandfilters indirekt proportional zur Breite des Wellenlängenbereichs, sodass sehr teure Filter notwendig sind, um nur eine Spektrallinie herauszufiltern.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine kompakte und kostengünstige Vorrichtung zur Spektralanalyse bereitzustellen.
Die gestellte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Spektralanalyse gelöst, wobei die Vorrichtung einen Lichtsender, der abhängig von einem am Lichtsender angelegten Strom Licht mit einem bestimmten Emissionsspektrum aussendet, einen Lichtempfänger, der über einen Strahlengang mit dem Lichtsender verbunden ist, die Lichtleistung des einfallenden Lichts registriert und Messwerte bereitstellt, und einen Analyseraum für ein zu analysierendes Objekt hat, wobei der Analyseraum im Strahlengang zwischen dem Lichtsender und dem Lichtempfänger angeordnet ist. Ferner weist die Vorrichtung ein Steuergerät auf, das mit dem Lichtsender und dem Lichtempfänger verbunden ist. Das Steuergerät kann den am Lichtsender angelegten Strom variieren und die vom Lichtempfänger bereitgestellten Messwerte auslesen sowie aus zumindest zwei der vom Lichtempfänger bereitgestellten Messwerten eine wellenlängenabhängige Eigenschaft bestimmen.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, mittels einer Variation des am Lichtsender angelegten Stroms das Emissionsspektrum des am Lichtsender ausgesendeten Lichts zu variieren. Dieses Licht propagiert anschließend vom Lichtsender über den Analyseraum zum Lichtempfänger, sodass der Analyseraum, genauer gesagt das Objekt in dem Analyseraum, mit unterschiedlichen Emissionsspektren abgetastet wird. Der Lichtempfänger registriert anschließend die am Lichtempfänger einfallende Lichtleistung, und das Steuergerät bestimmt anhand zweier Messwerte eine wellenlängenabhängige Eigenschaft. An dieser Stelle ist zu betonen, dass der Lichtempfänger nur die Lichtleistung misst und eben nicht das Spektrum des eintreffenden Lichts. Die Vorrichtung stellt daher eine sehr kostengünstige Möglichkeit bereit, wellenlängenabhängige Eigenschaften zu bestimmen. Es wird insbesondere auf Schmalbandfilter oder Gitter verzichtet, sodass die Vorrichtung nur wenige Komponenten aufweist und daher sehr kompakt ist.
Unter dem Strahlengang wird dabei der geometrische Verlauf des am Lichtsender ausgesendeten Licht zu dem Lichtempfänger verstanden.
Außerdem wird unter dem Bereitstellen der Messwerte durch den Lichtempfänger verstanden, dass der Lichtempfänger kontinuierlich einen Messwert für das registrierte Licht bereitstellt, beispielsweise einen Stromwert, und dass das Steuergerät diesen Messwert zu gewissen Zeitpunkten abtastet, d. h. den Messwert des Lichtempfängers ausliest.
Im Allgemeinen ist es natürlich denkbar, dass der Lichtempfänger einen Zwischenspeicher aufweist, in dem die Messwerte für bestimmte Zeitintervalle zwischengespeichert werden, sodass das Steuergerät diese Messwerte aus dem Zwischenspeicher ausliest.
Die am Lichtempfänger registrierte Lichtleistung ist insbesondere die Bestrahlungsstärke, d. h. die über die Wellenlänge integrierte Strahlungsintensität (Einheit: W/m²) des eintreffenden Lichts. Der Lichtempfänger registriert also die Helligkeit des einfallenden Lichts und eben kein Spektrum.
Mit anderen Worten durchquert das ausgesendete Licht auf dem Weg vom Lichtsender zum Lichtempfänger den Analyseraum und interagiert im Analyseraum mit dem zu analysierenden Objekt.
Der Analyseraum ist also der Bereich des Strahlengangs zwischen Lichtsender und Lichtempfänger, in dem das vom Lichtsender ausgesendeten Licht mit dem zu analysierenden Objekt interagiert.
Beispielsweise ist das zu analysierende Objekt ein Fluid und der Analyseraum entsprechend eine Kammer, die das Fluid einschließt, insbesondere fluidisch gegenüber der Umwelt abdichtet. Damit das ausgesendete Licht mit dem Fluid interagieren kann, sind die Wände der Kammer zumindest teilweise optisch durchlässig, sodass das Licht auf einer Seite der Kammer eintreten und auf einer anderen, insbesondere gegenüberliegenden Seite wieder aus der Kammer austreten kann.
Dabei muss der Analyseraum keine abgeschlossene Kammer sein. Es ist beispielsweise auch denkbar, das zwischen dem Lichtsender und Lichtempfänger befindliche Gas zu analysieren, sodass in diesem Fall der gesamte Strahlengang der Analyseraum wäre.
Ferner kann der Analyseraum der Innenraum eines Fahrzeugs sein, sodass die Vorrichtung zur Spektralanalyse die Zusammensetzung der Luft innerhalb des Innenraums bestimmt.
Das Fluid bzw. im Allgemeinen das zu analysierende Objekt absorbiert beispielsweise einen Teil des ausgesendeten Lichts, sodass die Vorrichtung ein Absorptionsspektrum bestimmt.
Das zu analysierende Objekt ist beispielsweise ein Gas, das zu Schwingungen oder Rotationen durch einen Teilbereich des Emissionsspektrums des ausgesendeten Lichts angeregt wird und daher einen Teil des Emissionsspektrums absorbiert. Das Steuergerät bestimmt dann beispielsweise das Absorptionsspektrum des Gases und auf Basis des Absorptionsspektrums die Zusammensetzung des Gases.
Ebenso kann das zu analysierende Objekt eine Flüssigkeit sein, sodass die Vorrichtung beispielsweise die Farbe der Flüssigkeit bestimmt.
Des Weiteren kann das zu analysierende Objekt auch eine zumindest teilweise reflektierende Oberfläche sein, sodass der Lichtempfänger das vom Lichtsender ausgesendete, reflektierte Licht der Oberfläche registriert. In diesem Fall ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, das Reflexionsspektrum zu bestimmen.
Die Vorrichtung ist auch als Spektralsensor, spektroskopischer Sensor oder optischer Sensor bekannt.
Das Steuergerät weist im Allgemeinen sowohl ein Steuermodul zur Steuerung des Lichtsenders als auch ein Analysemodul zum Auslesen und zur Analyse der Messwerte auf.
Um eine kostengünstige Vorrichtung bereitzustellen, ist nur ein Lichtsender vorgesehen, der durch eine Änderung des angelegten Stroms verschiedene Emissionsspektren emittieren kann. Die Änderung des angelegten Strom führt dabei zu einer Wellenlängenverschiebung des Emissionsspektrums.
Diese Wellenlängenverschiebung kann durch eine Temperaturänderung des Lichtsenders realisiert werden.
Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die wellenlängenabhängige Eigenschaft ein Absorptionsspektrum oder ein wellenlängenabhängiger Reflexionsgrad ist. Die Vorrichtung kann also durch die Messung mehrerer wellenlängenunabhängigen Werte ein Spektrum bestimmen.
Das Emissionsspektrum des Lichtsenders kann vollständig im nahen und mittleren Infrarotbereich sein. Infrarotstrahlung regt insbesondere Moleküle von Gasen zu Schwingungen und Rotationen an, so dass Infrarotstrahlung besonders geeignet ist, die wellenlängenabhängige Eigenschaft eines Gases zu bestimmen.
Als naher Infrarotbereich wird dabei der Wellenlängenbereich zwischen 0,78 µm und 3,0 µm bezeichnet und als mittlerer Infrarotbereich der Wellenlängenbereich zwischen 3,0 µm und 50 µm.
Beispielsweise befindet sich der Spitzenwert des Emissionsspektrums in einem Bereich zwischen 3,5 µm und 5,5 µm. Der Spitzenwert des Emissionsspektrums befindet sich also im mittleren Infrarotbereich.
Um eine möglichst günstige und kompakte Vorrichtung bereitzustellen, kann der Lichtsender eine Leuchtdiode sein und/oder der Lichtempfänger eine Fotodiode. Die Leuchtdiode wandelt dabei sehr effizient elektrische Energie in elektromagnetische Strahlung, d. h. Licht, um, sodass eine sehr energiesparende Vorrichtung bereitgestellt wird.
In einer Ausgestaltung der Erfindung legt das Steuergerät einen Strompuls am Lichtsender an, insbesondere einen Rechteckpuls oder eine Überlagerung von Rechteckpulsen. Dabei ist der Strompuls so ausgebildet, dass sich die am Lichtsender abfallende Spannung zusammen mit dem Emissionsspektrum des ausgesendeten Lichts während des Strompulses ändert. Dadurch wird eine sehr präzise Steuerung des Lichtsenders durch das Steuergerät ermöglicht.
Beispielsweise führt der von dem Steuergerät bereitgestellt Strompuls zu einem Anstieg der Sperrschichttemperatur der Leuchtdiode, sodass sich auch die an der Leuchtdiode angelegte Spannung, also die Flussspannung der Leuchtdiode ändert. Das Emissionsspektrum kann somit sehr einfach sowohl in der Intensität (durch die Spannungsänderung) als auch durch in der Wellenlänge (durch die Temperaturänderung) variiert werden.
Um eine Beschädigung des Lichtsenders durch zu hohe Temperaturen zu vermeiden, kann das Steuergerät dazu ausgebildet sein, die Temperatur des Lichtsenders zu überwachen.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zur Spektralanalyse mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gelöst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

a) Anlegen eines Stromprofils an dem Lichtsender durch das Steuergerät,
b) Auslesen der vom Lichtempfänger bereitgestellten Messwerte und der am Lichtsender abfallenden Spannungswerte durch das Steuergerät, und
c) Ermitteln einer wellenlängenabhängigen Eigenschaft durch das Steuergerät anhand zumindest zweier, bei unterschiedlichen Spannungswerten gemessenen Messwerten.

Das Steuergerät liest die an dem Lichtsender abfallende Spannung und die am Lichtempfänger ankommende Lichtleistung, also den vom Lichtempfänger bereitgestellten Messwert, gleichzeitig aus. Aus diesem Wertepaar ermittelt das Steuergerät anschließend die wellenlängenabhängige Eigenschaft. Dadurch kann die Eigenschaft sehr schnell bestimmt werden.
Der Messwert des Lichtempfängers kann ein Stromwert sein, beispielsweise der Stromwert einer Fotodiode, der proportional zur am Lichtempfänger einfallenden Lichtleistung ist. Die wellenlängenabhängige Eigenschaft kann also auf Basis eines sehr einfachen Lichtempfängers bestimmt werden, der das eintreffende Licht in Strom umwandelt.
Beispielweise bestimmt das Steuergerät aus der am Lichtsender angelegten Spannung die Lichtleistung des Lichtsenders, so dass die wellenlängenabhängige Eigenschaft der Probe anhand des Verhältnisses der am Lichtsender ausgesendeten Lichtleistung zu der am Lichtempfänger ankommenden Lichtleistung ermittelt wird.
Mit anderen Worten ermittelt das Steuergerät den prozentualen Anteil der durch das zu analysierende Objekt absorbierten Lichtleistung.
In einer Ausgestaltung der Erfindung werden der Spannungswert der am Lichtsender abfallende Spannung und der Messwert des Lichtempfängers durch das Steuergerät in Echtzeit ausgelesen. Das Steuergerät kann dadurch die wellenlängenabhängige Eigenschaft innerhalb sehr kurzer Zeitabstände ermitteln, sodass auch zeitliche Veränderungen der wellenlängenabhängigen Eigenschaft registriert werden können.
Um die Verschiebung des Emissionsspektrums in der Wellenlänge zu bestimmen, kann das Steuergerät eine Temperatur des Lichtsenders anhand der gemessenen Spannung bestimmen.
Beispielsweise ermittelt das Steuergerät die Sperrschichttemperatur der Leuchtdiode aus der Flussspannung der Leuchtdiode.
Das Steuergerät kann ebenso die Temperatur des Lichtsenders durch das angelegte Stromprofil verändern.
Zum Beispiel liegt die Temperatur des Lichtsenders in einem Bereich zwischen 0°C und 100°C, insbesondere zwischen 20°C und 80°C.
In einer Ausgestaltung der Erfindung, weist das am Lichtsender angelegte Stromprofil einen Strompuls auf, durch den sich die am Lichtsender abfallende Spannung kontinuierlich ändert. Dadurch wird das Emissionsspektrum des Lichtsenders mit einfachen Mitteln geändert.
Beispielsweise bestimmt das Steuergerät die wellenlängenabhängige Eigenschaft anhand der gemessenen Lichtleistung innerhalb eines Strompulses oder anhand der gemessenen Lichtleistung in aufeinanderfolgenden Strompulsen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die im Folgenden Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Spektralanalyse in einem Blockschaltbild,
- 2 ein Diagramm einer Überlagerung eines Emissionsspektrums eines Lichtsenders der Vorrichtung aus 1 mit einem Absorptionsspektrum eines in einem Analyseraum der Vorrichtung aus 1 befindlichen Gases,
- 3 einen zeitlichen Verlauf verschiedener Kenngrößen der Vorrichtung aus 1 während eines ersten Messschemas,
- 4 ein Diagramm verschiedener Emissionsspektren des Lichtsenders der Vorrichtung aus 1 während des ersten Messschemas, und
- 5 einen zeitlichen Verlauf verschiedener Kenngrößen der Vorrichtung aus 1 während eines zweiten Messschemas.

Die 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Spektralanalyse in einem schematischen Blockschaltbild. Die Vorrichtung 10 hat einen Lichtsender 12.
In der Ausführungsform der 1 ist der Lichtsender 12 eine Leuchtdiode, die zugeführte elektrische Energie in Licht 14 umwandelt.
Genauer gesagt hat das Licht 14 ein bestimmtes Emissionsspektrum 16, das von dem am Lichtsender 12 angelegten Strom abhängig ist.
Das Emissionsspektrum 16 des Lichtsenders 12 ist beispielhaft in dem Diagramm der 2 gezeigt. Das Diagramm zeigt dabei die Strahlungsintensität I in Prozent der maximalen Intensität als Funktion der Wellenlänge Ä in µm.
Es ist zu sehen, dass das Emissionsspektrum 16 in einem Bereich zwischen 2,6 µm und 5,5 µm liegt, also vollständig im nahen und mittleren Infrarotbereich.
Mit anderen Worten emittiert der Lichtsender 12 somit Licht 14 im Infrarotbereich.
Außerdem zeigt das Diagramm der 2, dass das Emissionsspektrum 16 bis zu einem Spitzenwert S monoton ansteigt und anschließend monoton fällt. Der Spitzenwert S des Emissionsspektrums 16 befindet sich dabei bei 4,2 µm.
Wie in 1 dargestellt, weist die Vorrichtung 10 ferner einen Analyseraum 18 auf, der dazu ausgebildet ist, ein zu analysierendes Objekt aufzunehmen.
In der Ausführungsform der 1 ist der Analyseraum 18 eine Gaskammer 20, in der sich ein Gas 22 mit einer bestimmten Zusammensetzung befindet. Das Gas 22 ist also das zu analysierende Objekt des Analyseraums 18.
Das Gas 22 weist verschiedene Moleküle auf, wie Kohlenstoffdioxid 24 (CO₂, dargestellt durch einen durchgezogenen Kreis), Stickstoffdioxid 26 (N₂O, dargestellt durch einen gestrichelten Kreis) und Kohlenstoffmonoxid 28 (CO, dargestellt durch einen gepunkteten Kreis).
Die Gaskammer 20 ist lichtdurchlässig, sodass das vom Lichtsender 12 ausgesendete Licht 14 die Gaskammer 20 durchdringen kann. Innerhalb der Gaskammer 20 regt das Licht 14, je nach Wellenlänge λ, die Moleküle des Gases 22 zu Schwingungen, zu Rotationen und/oder zu Übergängen in den Energieniveaus an, sodass ein Teil des vom Lichtsender 12 ausgesendeten Lichts 14 absorbiert wird.
Dieser Effekt ist in 2 durch die relativen Transmissionsspektren 30, 32, 34 von Kohlenstoffdioxid, Stickstoffdioxid und Kohlenmonoxid dargestellt.
Die Transmissionsspektren 30, 32, 34 geben dabei relativ zur maximalen Abschwächung an, wie viel Licht 14 in einem bestimmten Wellenlängenbereich durchgelassen wird.
Das Transmissionsspektrum 30 von CO₂ hat, wie in 2, dargestellt zwei Absorptionslinien, eine bei 2,7 µm und eine bei 4,25 µm. Die Amplitude der Absorptionslinie bei 4,25 µm ist dabei circa 5-Mal so hoch wie die der Absorptionslinie bei 2,7 µm und die Menge an absorbierten Licht 14 proportional zum Flächeninhalt zwischen der 100%-Linie und der Linie des Transmissionsspektrums 30.
Die Vorrichtung 10 (siehe 1) hat außerdem einen Lichtempfänger 36, der die Leistung des Lichts 14 registriert und einen entsprechenden Messwert M bereitstellt.
In der Ausführungsform der 1 ist der Lichtempfänger 36 eine Fotodiode, die das auftreffende Licht 14 in einen Strom umsetzt. Der Messwert M ist also ein Stromwert I_E.
Des Weiteren weist die Vorrichtung 10 ein Steuergerät 38 auf, das ein Steuermodul 40 und ein Analysemodul 42 hat. Das Steuergerät 38 ist dabei sowohl mit dem Lichtsender 12 als auch mit dem Lichtempfänger 36 verbunden, beispielweise elektrisch.
Das Steuermodul 40 ist dazu ausgebildet, den Lichtsender 12 zu steuern.
Hierzu legt das Steuermodul 40 einen Strom mit einem Stromwert I_s an dem Lichtsender 12 an, sodass die Spannung mit dem Spannungswert Us an dem Lichtsender 12 abfällt.
Das Analysemodul 42 ist mit dem Lichtsender 12 sowie mit dem Lichtempfänger 36 verbunden und liest den Spannungswert Us und den Stromwert I_E aus.
Zu diesem Zweck ist hier das Analysemodul 42 dazu ausgebildet, eine wellenlängenabhängige Eigenschaft des zu analysierenden Objekts im Analyseraum 18 zu bestimmen. Hierfür wendet das Steuergerät 38 ein Verfahren an, das im Folgenden anhand der 3 erläutert wird. Die 3 zeigt dabei die zeitlichen Profile verschiedener Kenngrößen der Vorrichtung 10.
Genauer gesagt zeigt die 3 ein Stromprofil 44, das den zeitlichen Verlauf des am Lichtsender 12 angelegten Stromwerts I_s zeigt, ein Temperaturprofil 46, das den zeitlichen Verlauf des Temperaturwertes T_s des Lichtsenders 12 beschreibt, ein Spannungsprofil, das den am Lichtsender 12 abfallenden Spannungswert Us angibt, ein Messprofil 50, das den vom Lichtempfänger 36 gemessenen Messwert M in Abhängigkeit der Zeit t darstellt, und ein Abtastprofil 52, das die Auslesezeitpunkte der Messwerte M und des Spannungswerte Us durch des Analysemoduls 42 zeigt.
Dabei sind die Stromwerte I_s, die Temperaturwerte T_s, die Spannungswerte Us und die Messwerte M, d.h. die Stromwerte I_E, relativ zu dem jeweiligen maximalen Wert dargestellt.
In einem ersten Verfahrensschritt wird das Stromprofil 44 durch das Steuergerät 38 an dem Lichtsender 12 angelegt.
In dem Ausführungsbeispiel der 3 ist das Stromprofil 44 ein Rechteckpuls, wonach der angelegte Stromwert I_s zwischen einem minimalen Wert (0 %) und einem maximalen Wert (100 %) schwankt. Aufgrund des angelegten Stromprofils 44 fällt ein Spannungswert Us an dem Lichtsender 12 ab, sodass der Lichtsender 12 thermische Energie aufnimmt nach der Formel: W = Us · I_s · t.
Die Zuführung an thermischer Energie führt dazu, dass der Temperaturwert T_s des Lichtsenders 12 steigt (siehe Temperaturprofil 46).
Der Anstieg des Temperaturwertes T_s des Lichtsenders 12 führt wiederum dazu, dass der Spannungswert Us des Lichtsenders 12 fällt. Dies ist ein übliches Phänomen bei Leuchtdioden: Bei konstantem Stromfluss durch die Leuchtdiode sinkt die Flussspannung bei steigender Temperatur.
Das Spannungsprofil 48 fällt also während des Rechteckpulses des Stromprofils 44 und das Temperaturprofil steigt während des Rechteckpulses an.
Durch das sich ändernde Temperaturprofil 46 und das sich ändernde Spannungsprofil 48 des Lichtsenders 12 ändert sich auch das Emissionsspektrum 16 des ausgesendeten Lichts 14.
Genauer gesagt sinkt die Energie der Bandlücke der Leuchtdiode, sodass das Emissionsspektrum 16 der mit steigender Temperatur der Leuchtdiode zu größeren Wellenlängen verschoben wird.
Dieser Effekt ist in der 4 dargestellt, die die Emissionsspektren 16.1 bis 16.7 für die Abtastzeitpunkte des Abtastprofils 52 zeigt.
Dabei entspricht das Emissionsspektrum 16.1 dem Zeitpunkt an dem die Temperatur des Lichtsenders 12 den geringsten Temperaturwert T_s aufweist, also 0% im Temperaturprofil 46, und das Emissionsspektrum 16.7 dem Zeitpunkt des höchsten Temperaturwertes T_s, also 100% im Temperaturprofil 46.
Beispielsweise weist die Sperrschichttemperatur der Leuchtdiode Werte von 20°C, 30°C, 40°C, 50°C, 60°C, 70°C und 80°C auf zu den Zeitpunkten als Licht 14 mit den Emissionsspektren 16.1, 16.2, 16.3, 16.4, 16.5, 16.6 bzw. 16.7 ausgesendet wird.
Es ist zu sehen, dass das Emissionsspektrum 16 zu höheren Wellenlängen verschoben wird und dass die relative Intensität sinkt. Bei größeren Temperaturen sendet der Lichtsender 12 somit Licht mit geringerer Intensität und größeren Wellenlängen Ä aus.
Die unterschiedlichen Emissionsspektren 16.1 bis 16.7 werden beim Durchqueren der Gaskammer 20 unterschiedlich absorbiert. Das Emissionsspektrum 16 des aus der Gaskammer 20 austretenden Lichts 14 entspricht dann der Faltung des Emissionsspektrums 16 mit dem Transmissionsspektrum 30, 32, 34 der in der Gaskammer 20 befindlichen Moleküle.
Das Emissionsspektrum 16.1 wird vor allem durch die CO₂ Moleküle absorbiert, sodass der entsprechende Messwert M vor allem Informationen zur Konzentration der CO₂ Moleküle bereitstellt. Dagegen wird das Emissionsspektrum 16.7 auch signifikant von CO und N₂O abgeschwächt.
Dadurch, dass die Emissionsspektren 16.1 bis 16.7 unterschiedliche Wellenlängenbereiche und Intensitätsverteilungen aufweisen, wird für jedes Emissionsspektrum 16.1 bis 16.7 ein unterschiedlicher Stromwert I_E am Lichtempfänger 36 registriert, siehe Messprofil 50.
In einem nächsten Verfahrensschritt, der offensichtlich während des Anlegens des Stromprofils 44 erfolgt, also während des ersten Verfahrensschrittes, liest das Analysemodul 42 die an dem Lichtsender 12 angelegten Spannungswerte Us und die Messwerte M des Lichtempfängers 36 aus.
Die Messwerte M des Lichtempfängers 36 geben dabei direkt die registrierte Lichtleistung an oder indirekt, zum Beispiel in dem der Lichtempfänger 36 eine Größe ausgibt, beispielsweise den Stromwert I_E, der proportional zur registrierten Lichtleistung ist.
Aus den Spannungswerten Us ermittelt das Analysemodul 42 dann die Temperaturwerte T_s des Lichtsenders 12, sodass das Analysemodul 42 das Emissionsspektrum 16, des zu diesem Zeitpunkt ausgesendeten Lichts 14, kennt.
Beispielsweise ist hierfür in einem Speicher des Steuergeräts 38 eine Nachschlagetabelle, ein sogenanntes „look-up table“, hinterlegt aus dem das Analysemodul 42 basierend auf dem Stromwert I_s und dem Spannungswert Us die Temperatur des Lichtsenders 12 ermittelt.
Anschließend ermittelt das Analysemodul 42 die Lichtleistung des ausgesendeten Lichts 14, das heißt das Integral der Strahlungsintensität des Emissionsspektrums 16 über die Wellenlänge Ä.
Somit kennt das Analysemodul 42 die ausgesendete Lichtleistung des Lichts 14 am Lichtsender 12 und die des ankommenden Lichts 14 am Lichtempfänger 36 einfallende Lichtleistung und kann aus dem Verhältnis der beiden Lichtleistungen die Lichtabsorption im Analyseraum 18 bestimmen.
Wie in 3 zu sehen ist, variiert während des Rechteckpulses des Stromprofils 44 auch das Messprofil 50. Aus der zeitlichen Änderung des Messprofils 50, also aus Messwerten M zu verschiedenen Zeitpunkten, kann das Analysemodul 42 des Steuergeräts 38 anschließend das Absorptionsspektrum des Gases 22 im Analyseraum 18 bestimmen.
Ausgehend vom Absorptionsspektrum ermittelt das Steuergerät 38 dann die Konzentration der Moleküle des Gases 22 durch eine Rückwärtssimulation des Absorptionsspektrums.
Das Analysemodul 42 kombiniert hierfür Absorptionsspektren verschiedener Moleküle, beispielsweise von CO₂, CO und N₂O, mit entsprechenden Gewichtungsfaktoren, die proportional zur Konzentration des Moleküls sind, um so das kombinierte Absorptionsspektrum mit dem gemessenen zu vergleichen.
Falls die beiden Spektren übereinstimmen, kennt das Analysemodul 42 die Zusammensetzung des Gases 22.
Im Ausführungsbeispiel der 3 liest das Analysemodul die Spannungswerte Us des Lichtsenders 12 und die Stromwerte I_E des Lichtempfängers 36 zu den im Abtastprofil 52 dargestellten Zeitpunkten aus.
Mit anderen Worten bestimmt das Analysemodul 42 sieben verschiedene Wertepaare für die Spannungswerte Us und die Stromwerte I_E, sodass das Analysemodul aus den sieben Wertepaaren jeweils die Menge der absorbierten Lichtleistung bestimmt und aus diesen sieben Werten für die absorbierte Lichtleistung das Absorptionsspektrum des Gases bestimmt.
Das Steuergerät 38 kann also ausgehend von Stromwerten I_E und Spannungswerten Us eine wellenlängenabhängige Eigenschaft des zu analysierenden Objekts im Analyseraum 18 bestimmen. Die Anzahl an verschiedenen Messpunkten ist dabei abhängig von der Anzahl an unterschiedlichen Molekülen in der Gaskammer 20. Beispielsweise kann die Konzentration von zwei unterschiedlichen Moleküle bereits durch zwei verschiedene Wertepaarte und die jeweiligen Konzentrationen von drei verschiedenen Moleküle durch drei verschiedene Wertepaare bestimmt werden.
Die ermittelte Zusammensetzung des Gases 22 kann beispielsweise anschließend an eine zentrale Steuereinheit eines Fahrzeugs übermittelt werden, die die Einhaltung von Grenzwerten überwacht.
Anhand der 5 wird im Folgenden ein zweites Messschema für das Steuergerät 38 erläutert. Das Messschema entspricht im Wesentlichen dem Messschema der 3, sodass im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird.
Im Unterschied zu dem Messschema der 4 weist das Stromprofil 44 zwei Rechteckpulse auf, die jeweils einen Aufwärmpuls 54 und einen Messpuls 56 haben. Dabei hat der erste Aufwärmpuls 54 einen größeren maximalen Stromwert I_s als der zweite, sodass der erste Aufwärmpuls 54 zu einem größeren Temperaturwert T_s des Lichtsenders 12 führt als der zweite (siehe Temperaturprofil 46).
Die Messpulse 56 weisen dann denselben Stromwert I_s auf und das Analysemodul 42 liest den Spannungswert Us und den Stromwert I_E zu einem gewissen Zeitpunkt während des Messpulses 56, beispielsweise am Ende des Messpulses 56 aus.
Wie in 5 gezeigt, liest das Analysemodul 42 an den Abtastzeitpunkten verschiedenen Spannungswerte Us (siehe Spannungsprofil 48) und verschiedene Stromwerte I_E (siehe Messprofil 50) aus, sodass das Analysemodule 42 ausgehend von diesen Wertepaaren die wellenlängenabhängige Eigenschaft bestimmt.
Das Steuergerät 38 liest die Werte insbesondere in Echtzeit aus, also kontinuierlich. Beispielsweise liefert das Steuergerät 38 die Zusammensetzung des Gases 22 dann in bestimmten Zeitintervallen, wie alle 5 ms.
Das in den 1 bis 5 dargestellte Ausführungsbeispiel ist nur exemplarisch zu verstehen. Die dargestellte Methode kann insbesondere auch für Fluide verwendet werden, um die Farbzusammensetzung zu bestimmen oder für Oberflächen, um einen wellenlängenabhängigen Reflexionsgrad zu ermitteln.
Auch wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Sensitivität des Lichtempfängers 36, die wellenlängenabhängig sein kann, vernachlässigt. Es ist selbstverständlich, dass die Messwerte M mittels der Sensitivität des Lichtempfängers 36 korrigiert sein können oder durch das Analysemodul 42 korrigiert werden.

Claims

Vorrichtung zur Spektralanalyse, mit einem Lichtsender (12), der abhängig von einem am Lichtsender (12) angelegten Strom Licht (14) mit einem bestimmten Emissionsspektrum (16) aussendet, einem Lichtempfänger (36), der über einen Strahlengang mit dem Lichtsender (12) verbunden ist, die Lichtleistung des einfallenden Lichts (14) registriert und Messwerte (M) bereitstellt, einem Analyseraum (18) für ein zu analysierendes Objekt, der im Strahlengang zwischen dem Lichtsender (12) und dem Lichtempfänger (36) angeordnet ist, und einem Steuergerät (38), das mit dem Lichtsender (12) und dem Lichtempfänger (36) verbunden ist, wobei das Steuergerät (38) den am Lichtsender (12) angelegten Strom variieren und die vom Lichtempfänger (36) bereitgestellten Messwerte (M) auslesen kann, und wobei das Steuergerät (38) aus zumindest zwei der vom Lichtempfänger (36) bereitgestellten Messwerten (M) eine wellenlängenabhängige Eigenschaft bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenlängenabhängige Eigenschaft ein Absorptionsspektrum oder ein wellenlängenabhängiger Reflexionsgrad ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Emissionsspektrum (16) des Lichtsenders (12) vollständig im nahen und mittleren Infrarotbereich ist, insbesondere wobei sich der Spitzenwert des Emissionsspektrums (16) in einem Bereich zwischen 3,5 µm und 5,5 µm befindet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender (12) eine Leuchtdiode ist und/oder dass der Lichtempfänger (36) eine Fotodiode ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (38) einen Strompuls am Lichtsender (12) anlegt, insbesondere einen Rechteckpuls oder eine Überlagerung von Rechteckpulsen.
Verfahren zur Spektralanalyse mittels einer Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Anlegen eines Stromprofils (44) an dem Lichtsender (12) durch das Steuergerät (38), b) Auslesen der vom Lichtempfänger (36) bereitgestellten Messwerte (M) und der am Lichtsender (12) abfallenden Spannungswerte (Us) durch das Steuergerät (38), und c) Ermitteln einer wellenlängenabhängigen Eigenschaft durch das Steuergerät (38) anhand zumindest zweier, bei unterschiedlichen Spannungswerten gemessenen Messwerten (M).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenlängenabhängige Eigenschaft der Probe durch das Steuergerät (38) anhand des Verhältnisses einer am Lichtsender (12) ausgesendeten Lichtleistung zu einer am Lichtempfänger (36) ankommenden Lichtleistung des Lichts (14) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswert (Us) der an dem Lichtsender (12) abfallende Spannung und der Messwert (M) des Lichtempfängers (36) durch das Steuergerät (38) in Echtzeit ausgelesen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (38) eine Temperatur des Lichtsenders (12) anhand des gemessenen Spannungswertes (Us) bestimmt, insbesondere wobei das Steuergerät (38) die Temperatur des Lichtsenders (12) durch das angelegte Stromprofil (44) verändert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das am Lichtsender (12) angelegte Stromprofil (44) einen Strompuls aufweist, durch den sich die am Lichtsender (12) abfallende Spannung kontinuierlich ändert, insbesondere wobei das Steuergerät (38) die wellenlängenabhängige Eigenschaft anhand des Messwertes (M) innerhalb eines Strompulses oder anhand des Messwertes (M) in aufeinanderfolgenden Strompulsen bestimmt.