DE102020200187A1 - Sensoranordnung und verfahren zum ermitteln eines co2-gehalts in einer vorgegebenen umgebung - Google Patents

Abstract

In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird bereitgestellt eine Sensoranordnung zum Erfassen eines absoluten CO2-Gehalts in einer vorgegebenen Umgebung, aufweisend:eine Lichtquelle (24) zum Erzeugen eines Lichtstrahls (26) ;eine Absorptionsstrecke (30), die mit der vorgegebenen Umgebung kommuniziert, die so angeordnet ist, dass der Lichtstrahl (26) die Absorptionsstrecke (30) durchläuft, und die eine Länge (L) zwischen 5 mm und 20 mm aufweist;einen Lichtdetektor (40), der so angeordnet ist, dass er den aus der Absorptionsstrecke (30) austretenden Lichtstrahl (26) erfasst, und der so ausgebildet ist, dass er ein Ausgangssignal erzeugt, das repräsentativ für einen Messwert ist, der repräsentativ für den absoluten CO2-Gehalt in der vorgegebenen Umgebung ist; undeinen Verstärker (42), der mit dem Lichtdetektor (40) elektrisch gekoppelt ist und der so ausgebildet ist, dass sein Ausgangssignal für den absoluten CO2-Gehalt in der vorgegebenen Umgebung repräsentativ ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung und ein Verfahren zum Ermitteln eines CO₂-Gehalts in einer vorgegebenen Umgebung.
• Die Bestimmung und/oder die Überwachung des CO₂-Gehalts in einer vorgegebenen Umgebung, beispielsweise in der Luft eines Raumes oder Gebäudes, kann beispielsweise im Bereich der Gebäudeverwaltung, der Luftqualitätsüberwachung und/oder der Klimaanlagensteuerung wichtig sein.
• Bei einer herkömmlichen Sensoranordnung zum Ermitteln eines absoluten CO₂-Gehalts in einer vorgegebenen Umgebung kann der CO₂-Gehalt auf Grundlage einer Analyse der Infrarotabsorption entlang eines vorgegebenen optischen Pfades bestimmt werden. Außerdem sind Sensoranordnung bekannt, bei denen zum Bestimmen des CO₂-Gehalts das chemische Potenzial des CO₂ an einer katalytischen Arbeitselektrode ausgewertet wird.
• Im Falle der Bestimmung des CO₂-Gehalts mittels Infrarotabsorption kann ein CO₂-Sensor beispielsweise auf der direkten nicht-dispersiven Absorptionsspektroskopie (engl.: non-dispersive Absorption Spectroscopy Technique (NDIR)) basieren. Dabei wird ein Lichtstrahl, insbesondere ein Infrarot-Lichtstrahl, durch eine Absorptionsstrecke, die mit der Umgebung kommuniziert, geschickt und nachfolgend mit einem Lichtdetektor geeigneter Sensitivität erfasst. Der Lichtstrahl kann beispielsweise mittels einer LED, beispielsweise einer Laserdiode und/oder einer Infrarot-LED, erzeugt werden. Damit die Absorptionsstrecke mit der Umgebung kommuniziert, muss zwischen der Absorptionsstrecke und der Umgebung ein freier Luft und/oder Gasaustausch vorhanden sein. Beispielsweise ist die Absorptionsstrecke hin zu der Umgebung geöffnet.
• 1 zeigt ein Diagramm, in dem eine Absorptionsintensität in cm/mol (Y-Achse) in Abhängigkeit der Wellenlänge des Lichtstrahls (X-Achse) dargestellt ist. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass die stärkste Absorption von CO₂ zwischen 4,2 µm und 4,3 µm auftritt. In diesem Bereich treten nur wenig Interferenzen mit anderen Bestandteilen von Luft oder anderen Gasen auf, wie etwa mit Wasser (H₂O) oder Methan (CH₄). Daher eignet sich dieser Bereich besonders gut zum Erfassen des CO₂-Gehalts in der Umgebung. Ein weiterer, sehr breiter Absorptionsbereich erstreckt sich in einem Bereich um 15 µm herum. Dieser Bereich ist jedoch nicht so gut zum Erfassen des CO2-Gehalts geeignet, da einerseits geeignete Lichtquellen und Lichtdetektoren in diesem Wellenlängenbereich kostspielig sind und da andererseits in diesem Bereich grundsätzlich eine starke Hintergrundstrahlung vorhanden ist, deren Auswirkungen nur schwer bis gar nicht verhinderbar sind, und die das gewünschte Messsignal verfälscht.
• Da die Lichtabsorption in dem Wellenlängenbereich zwischen 4,2 µm und 4,3 µm im Wesentlichen von dem CO₂-Gehalt bestimmt ist, ist die Intensität eines nach Durchlaufen der Absorptionsstrecke zu detektierenden Lichtstrahls in diesem Wellenlängenbereich ein gutes Maß für den relativen CO₂-Gehalt in der entsprechenden Umgebung. Daher wird der entsprechende Lichtstrahl vorzugsweise mit einer Wellenlänge zwischen 3,8 µm und 4,3 µm, beispielsweise zwischen 4,2 µm und 4,3 µm, beispielsweise bei 4,23 µm, erzeugt. Dieser Wellenlängenbereich wird auch als mittlerer Infrarotbereich (engl.: Mid-Infrared Region (MIR)) bezeichnet. Als Lichtdetektor wird ein Lichtdetektor verwendet, der ebenfalls in dem mittleren Infrarotbereich sensitiv ist. Nachfolgend kann die relative CO₂-Konzentration in Übereinstimmung mit dem Lambert-Beer'schen Gesetz bestimmt werden.
• Bei derartigen Sensoranordnungen werden regelmäßige relativ starke Lichtquellen, wie etwa Laserdioden, zum Erzeugen des Lichtstrahls und relativ lange Absorptionsstrecken im Bereich von wenigen bis mehreren Zentimetern verwendet, um ein Messergebnis mit ausreichend guter Genauigkeit zu erzielen. Jedoch sind Laserdioden relativ teuer und die langen Absorptionsstrecken benötigen relativ viel Platz, was beispielsweise für eine tragbare Sensoranordnung, beispielsweise eine, die in ein tragbares elektronisches Gerät im integriert ist, nur schlecht oder gar nicht akzeptabel ist.
• Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sensoranordnung zum Erfassen eines CO₂-Gehalts in einer vorgegebenen Umgebung bereitzustellen, die einfach und/oder kostengünstig herstellbar ist und/oder die ein besonders genaues Bestimmen des CO₂-Gehalts ermöglicht.
• Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Erfassen eines CO₂-Gehalts in einer vorgegebenen Umgebung bereitzustellen, das einfach und/oder kostengünstig durchführbar ist und/oder das ein besonders genaues Bestimmen des CO₂-Gehalts ermöglicht.
• Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Sensoranordnung zum Erfassen eines absoluten CO₂-Gehalts in einer vorgegebenen Umgebung, aufweisend: eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls; eine Absorptionsstrecke, die mit der vorgegebenen Umgebung kommuniziert, die so angeordnet ist, dass der Lichtstrahl die Absorptionsstrecke durchläuft, und die eine Länge zwischen 5 mm und 20 mm aufweist; einen Lichtdetektor, der so angeordnet ist, dass er den aus der Absorptionsstrecke austretenden Lichtstrahl erfasst, und der so ausgebildet ist, dass er ein Ausgangssignal erzeugt, das repräsentativ für einen Messwert ist, der repräsentativ für den absoluten CO₂-Gehalt in der vorgegebenen Umgebung ist; und einen Verstärker, der mit dem Lichtdetektor elektrisch gekoppelt ist und der so ausgebildet ist, dass sein Ausgangssignal den absoluten CO₂-Gehalt in der vorgegebenen Umgebung repräsentiert.
• Die relativ kurze Absorptionsstrecke zwischen 5 mm und 20 mm ermöglicht, die Sensoranordnung tragbar auszubilden und/oder die Sensoranordnung in eine tragbare Vorrichtung zu integrieren. Eine derartige tragbare Vorrichtung kann beispielsweise ein Mobiltelefon, ein Tablett oder ein Laptop sein. Die Bestimmung des absoluten CO₂-Gehalts trägt dazu bei, dass trotz der kurzen Absorptionsstrecke der CO₂-Gehalt mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden kann.
• Als Lichtquelle kann eine einfache MIR-LED verwendet werden, die im Vergleich zu einer Laserdiode normalerweise relativ kostengünstig ist. Gleichermaßen kann als Lichtdetektor eine einfache MIR-Fotodiode verwendet werden. Dies trägt dazu bei, dass die Sensoranordnung besonders kostengünstig herstellbar ist.
• In anderen Worten bezieht sich ein Aspekt dieser Erfindung auf eine Messanordnung, bei der auf der Basis der IR-Absorption der CO2-Gehalt in einer Räumlichkeit bestimmt werden kann, wobei die Länge der Absorptionsstrecke bezüglich den Eigenschaften kostengünstiger IR-Lichtquellen als auch kostengünstiger IR-Messsensoren und der darauf abgestimmten elektronischen Signalaufbereitungstechnik optimal ausgelegt wird.
• Gemäß einer Weiterbildung hat die Absorptionsstrecke eine Länge zwischen 8 mm und 15 mm. Dies trägt dazu bei, dass die Sensoranordnung besonders kompakt ausgebildet werden kann.
• Gemäß einer Weiterbildung ist die Absorptionsstrecke, die mit der vorgegebenen Umgebung kommuniziert, ein Hohlraum eines Röhrchens, das hin zu der Umgebung geöffnet ist, und das so angeordnet ist, dass der Lichtstrahl an einem ersten Ende des Röhrchens in den Hohlraum eintritt und an einem zweiten Ende des Röhrchens aus dem Hohlraum austritt. Dies trägt dazu bei, dass die Absorptionsstrecke auf besonders einfache Weise bereitgestellt werden kann, was dazu beiträgt, dass die Sensoranordnung einfach herstellbar ist.
• Gemäß einer Weiterbildung hat das Röhrchen einen Durchmesser zwischen 3 mm und 6 mm, beispielswiese zwischen 4 mm und 5 mm. Dies trägt dazu bei, dass entlang der Absorptionsstrecke ein ausreichend großes und/oder repräsentatives Volumen zur Verfügung steht und dass dennoch die Sensoranordnung sehr kompakt ausgebildet werden kann.
• Gemäß einer Weiterbildung hat das Licht des Lichtstrahls eine Wellenlänge in einem Bereich zwischen 4 µm und 5 µm, insbesondere zwischen 4,2 µm und 4,3 µm. Dies trägt dazu bei, dass die Absorption im Wesentlichen durch das CO₂ erfolgt, da das Absorptionsspektrum in diesem Bereich für CO₂ ein isoliertes Maximum hat, wie im Vorhergehend erläutert. Dies trägt dazu bei, dass die Ermittlung des CO₂-Gehalts besonders präzise ist.
• Gemäß einer Weiterbildung weist die Sensoranordnung eine Auswerteeinheit auf, die mit dem Verstärker elektrisch gekoppelt und so ausgebildet ist, dass sie den absoluten CO₂-Gehalt mittels eines Vergleichs des Messwerts und eines Referenzwerts, der für einen vorgegebenen CO₂-Gehalt repräsentativ ist, ermittelt. Dies trägt dazu bei, dass die Ermittlung des CO₂-Gehalts besonders präzise ist.
• Gemäß einer Weiterbildung hat die Sensoranordnung eine Referenzabsorptionsstrecke, die gegenüber der Umgebung luftdicht abgegrenzt ist, die einen vorgegebenen absoluten CO₂-Gehalt aufweist und die so angeordnet ist, dass ein Referenzlichtstrahl, der mittels einer Referenzlichtquelle der Sensoranordnung oder mittels Aufteilens des Lichtstrahls erzeugt wird, die Referenzabsorptionsstrecke durchläuft. Der aus der Referenzabsorptionsstrecke austretende Referenzlichtstrahl wird mittels des Lichtdetektors oder mittels eines Referenzlichtdetektors der Sensoranordnung, der gegebenenfalls über den Verstärker mit der Auswerteeinheit elektrisch gekoppelt ist, erfasst. Die Auswerteeinheit ist so ausgebildet, dass sie den Referenzwert abhängig von dem Ausgangssignal des Lichtdetektors, das aufgrund des Referenzlichtstrahls erzeugt wird, oder gegebenenfalls abhängig von dem Ausgangssignal des Referenzlichtdetektors ermittelt. Dies trägt dazu bei, dass die Ermittlung des CO₂-Gehalts besonders präzise ist, da andere Einflüsse auf die Absorption, wie beispielsweise die Temperatur, sich auf den Messwert und den Referenzwert gleichermaßen auswirken und sich beim Vergleich der beiden Werte aufheben.
• Gemäß einer Weiterbildung hat die Sensoranordnung eine Speichereinheit, die mit der Auswerteeinheit gekoppelt ist oder von dieser umfasst ist und in der der Referenzwert gespeichert ist. Dies trägt dazu bei, den Referenzwert auf besonders einfache Weise, insbesondere ohne Referenzlichtquelle, ohne Referenzabsorptionsstrecke und ohne Referenzlichtdetektor zu ermitteln. Dies trägt dazu bei, dass die Sensoranordnung besonders einfach und/oder kostengünstig herstellbar ist.
• Gemäß einer Weiterbildung weist die Auswerteeinheit einen Mikrochip auf, der so ausgebildet ist, dass er: abhängig von dem Ausgangssignal des Lichtdetektors am Ausgang der Absorptionszelle den absoluten CO₂-Gehalt in der vorgegebenen Umgebung ermittelt; abhängig von dem Ausgangssignal des Lichtdetektors am Ausgang der Absorptionszelle mittels des Vergleichs des Ausgangssignals des Lichtdetektors, das aufgrund des Lichtstrahls erzeugt wird, und mittels des Ausgangssignals des Lichtdetektors, das aufgrund des Referenzlichtstrahls oder gegebenenfalls des Referenzlichtdetektors erzeugt wird, den absoluten CO2-Gehalt in der Umgebung ermittelt; oder den absoluten CO₂-Gehalt in der Umgebung mittels des Vergleichs des Messwerts mit dem gespeicherten Referenzwert ermittelt.
• Die Verwendung des Mikrochips kann dazu beitragen, dass die Auswerteeinheit und damit die Sensoranordnung in einer besonders kompakten und/oder einfachen Bauweise herstellbar sind. Der Vergleich des Messwerts mit dem gespeicherten Referenzwert kann beispielsweise mit Hilfe einer Nachschlagetabelle (engl. lookup table) erfolgen. Der gespeicherte Referenzwert kann optional vom Anwendungsfall und/oder von äußeren Bedingungen abhängig sein, weshalb eine Vielfalt von möglichen Referenzwerten in der Nachschlagetabelle gespeichert sein kann.
• Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Ermitteln eines absoluten CO₂-Gehalts in einer vorgegebenen Umgebung, bei dem ein Lichtstrahl mittels einer Lichtquelle erzeugt wird; der Lichtstrahl nach Durchlaufen einer Absorptionsstrecke, die mit der vorgegebenen Umgebung kommuniziert und die eine Länge zwischen 5 mm und 20 mm aufweist, mittels eines Lichtdetektors erfasst wird; und abhängig von einem Ausgangssignal des Lichtdetektors, das repräsentativ für einen Messwert ist, der repräsentativ für den absoluten CO₂-Gehalt in der vorgegebenen Umgebung ist, der absolute CO₂-Gehalt in der vorgegebenen Umgebung ermittelt wird.
• Die im Vorhergehenden dargestellten Weiterbildungen und/oder Vorteile der Sensoranordnung können ohne weiteres auf das Verfahren übertragen werden. Daher wird im Sinne einer knappen Offenbarung an dieser Stelle lediglich auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen und auf einer wiederholte Wiedergabe der Weiterbildungen bzw. Vorteile wird verzichtet.
• Gemäß einer Weiterbildung wird der absolute CO₂-Gehalt ermittelt, indem der Messwert mit einem Referenzwert verglichen wird, der repräsentativ für einen vorgegebenen CO₂-Gehalt ist.
• Gemäß einer Weiterbildung liegt der Referenzwert in einem Bereich zwischen 50 mV und 150 mV, beispielsweise bei 100 mV.
• Gemäß einer Weiterbildung ist der Referenzwert vorgegeben oder wird mittels einer Referenzabsorptionsstrecke und eines Referenzlichtstrahls ermittelt.
• Gemäß einer Weiterbildung wird der Referenzwert so vorgegeben, dass eine Differenz zwischen dem Referenzwert und dem Messwert positiv ist.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 ein Beispiel eines Absorptionsspektrums;
• 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Sensoranordnung;
• 3 ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung;
• 4 ein Diagramm, das beispielhafte Fotoströme von Lichtdetektoren in Abhängigkeit einer Länge einer Absorptionsstrecke zeigt;
• 5a ein Diagramm, das eine Differenz der in 3 gezeigten Fotoströme zeigt;
• 5b ein Diagramm, das eine Differenz der in 3 gezeigten Fotoströme zeigt, die sich aufgrund einer CO2-Variationen von 100ppm in der Absorptionszelle ergeben;
• 6 ein Diagramm, das einen beispielhaften Ansteuerstrom zum Betreiben einer Lichtquelle zeigt;
• 7 ein Diagramm, das ein beispielhaftes Frequenzspektrum zeigt;
• 8 ein Diagramm, das ein typisches Frequenzverteilungsspektrum von Rauschquellen zeigt;
• 9 ein Diagramm, das eine beispielhafte Verstärkungscharakteristik eines Messverstärkers zeigt;
• 10 ein Diagramm, das eine beispielhafte Pulsantwort zeigt;
• 11 ein Diagramm, das eine beispielhafte Rauschscharakteristik eines Messverstärkers zeigt;
• 12 ein Ausführungsbeispiel eines Auswerteschaltkreises;
• 13 ein Diagramm, das beispielhafte Pulsantworten mit verschiedenen Verstärkungen zeigt;
• 14 ein Ausführungsbeispiel eines Schaltkreises zum Erfassen und Messen einer Pulshöhe eines Signals;
• 15 ein Diagramm, das beispielhafte differentierte Pulsantworten und integrierte gemittelte Pulsantworten zeigt;
• 16 ein Ausführungsbeispiel eines Reglers zum Anpassen einer Pulshöhe;
• 17 ein Diagramm, das eine beispielhafte Temperaturabhängigkeit einer Lichtquelle zeigt;
• 18 ein Ausführungsbeispiel eines Schaltkreises zum Korrigieren einer Temperaturabhängigkeit einer Emissionsenergie einer Lichtquelle;
• 19 ein Ausführungsbeispiel eines Auswerteschaltkreises mit einem zusätzlichen Messeingang für eine weitere Referenzabsorptionsstrecke;
• 20 ein Ausführungsbeispiel eines Schaltkreises zum Erhöhen der Sensitivität einer Sensoranordnung;
• 21 ein Ausführungsbeispiel eines Schaltkreises zum Erhöhen einer Sensitivität einer Sensoranordnung;
• 22 ein Ausführungsbeispiel eines Schaltkreises zum Regeln eines Ansteuerstroms;
• 23 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Erfassen eines CO₂-Gehalts in einer vorgegebenen Umgebung.
• In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert. In den Figuren sind identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
• Eine optoelektronische Baugruppe kann ein, zwei oder mehr optoelektronische Bauelemente aufweisen. Optional kann eine optoelektronische Baugruppe auch ein, zwei oder mehr elektronische Bauelemente aufweisen. Ein elektronisches Bauelement kann beispielsweise ein aktives und/oder ein passives Bauelement aufweisen. Ein aktives elektronisches Bauelement kann beispielsweise eine Rechen-, Steuer- und/oder Regeleinheit und/oder einen Transistor aufweisen. Ein passives elektronisches Bauelement kann beispielsweise einen Kondensator, einen Widerstand, eine Diode oder eine Spule aufweisen.
• Ein optoelektronisches Bauelement kann ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement oder ein elektromagnetische Strahlung absorbierendes Bauelement sein. Ein elektromagnetische Strahlung absorbierendes Bauelement kann beispielsweise eine Solarzelle sein. Ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Halbleiter-Bauelement sein und/oder als eine elektromagnetische Strahlung emittierende Diode, als eine organische elektromagnetische Strahlung emittierende Diode, als ein elektromagnetische Strahlung emittierender Transistor oder als ein organischer elektromagnetische Strahlung emittierender Transistor ausgebildet sein. Die Strahlung kann beispielsweise Licht im sichtbaren Bereich, UV-Licht und/oder Infrarot-Licht sein. In diesem Zusammenhang kann das elektromagnetische Strahlung emittierende Bauelement beispielsweise als Licht emittierende Diode (light emitting diode, LED) als organische Licht emittierende Diode (organic light emitting diode, OLED), als Licht emittierender Transistor oder als organischer Licht emittierender Transistor ausgebildet sein. Das Licht emittierende Bauelement kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen Teil einer integrierten Schaltung sein. Weiterhin kann eine Mehrzahl von Licht emittierenden Bauelementen vorgesehen sein, beispielsweise untergebracht in einem gemeinsamen Gehäuse.
• 1 zeigt ein Beispiel eines Absorptionsspektrums. Aus dem Absorptionsspektrum geht hervor, dass CO₂ im Bereich zwischen 4,2 µm und 4,3 µm eine starke Lichtabsorption aufweist. Außerdem tritt in diesem Bereich weder eine starke Absorption durch andere Moleküle noch ein starkes Hintergrundrauschen auf. Daher eignet sich dieser Wellenlängenbereich sehr gut, um den CO₂-Gehalt in einer vorgegebenen Umgebung zu ermitteln. Die vorgegebene Umgebung kann beispielsweise ein Gebäude, ein oder mehrere Räume in dem Gebäude, oder ein Bereich außerhalb eines Gebäudes sein.
• 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Sensoranordnung 20. Die Sensoranordnung 20 kann auch als erste Sensoranordnung 20 bezeichnet werden. Die erste Sensoranordnung 20 weist eine Energiequelle 22, eine Lichtquelle 24, eine Absorptionsstrecke 30, einen Lichtdetektor 40 und einen Verstärker 42 auf. Die Sensoranordnung 20 kann ganz oder teilweise auf einer Leiterplatte angeordnet sein. Bei bestimmungsgemäßen Einsatz der Sensoranordnung 20 ist die Sensoranordnung 20 mit einer Auswerteeinheit (nicht in den Figuren gezeigt) elektrisch gekoppelt. Die Sensoranordnung 20 und/oder die Auswerteeinheit können beispielsweise tragbar ausgebildet sein. Beispielsweise können die Sensoranordnung 20 und/oder die Auswerteeinheit in einem tragbaren elektronischen Gerät integriert sein. Das tragbare elektronische Gerät kann beispielsweise ein Laptop, Tablet oder Mobiltelefon sein.
• Die Energiequelle 22 ist mit der Lichtquelle 24 elektrisch verbunden und dient dazu, die Lichtquelle 24 mit Energie zu versorgen. Die Energiequelle 22 kann beispielsweise eine Stromquelle oder eine Spannungsquelle sein. Die Energiequelle 22 eignet sich beispielsweise zum Erzeugen von Energiepulsen, insbesondere Strompulsen, beispielsweise zum Erzeugen von Strompulsen mit jeweils 1 A für 200 µs mit einer Pulsfrequenz von 60 Hz.
• Die Lichtquelle 24 dient dazu, einen Lichtstrahl 26 so zu erzeugen, dass er die Absorptionsstrecke 30 durchläuft. Die Lichtquelle 24 erzeugt den Lichtstrahl 26 vorzugsweise so, dass seine Wellenlänge im mittleren Infrarotbereich, beispielsweise zwischen 4,2 µm und 4,3 µm, beispielsweise bei ungefähr 4,23 µm, ist. Die Lichtquelle 24 weist beispielsweise eine LED auf oder ist von dieser gebildet.
• Die Absorptionsstrecke 30 kommuniziert mit einer Umgebung der Sensoranordnung 20. Dies bedeutet, dass ein freier Luft- und/oder Gasaustausch zwischen der Absorptionsstrecke 30 und der Umgebung der Sensoranordnung 20 erfolgen kann. Die Absorptionsstrecke 30 befindet sich beispielsweise in einem Röhrchen 32. Das Röhrchen 32 weist ein erstes Ende 34, das der Lichtquelle 24 zugewandt ist, und ein zweites Ende 36, das dem Lichtdetektor 40 zugewandt ist, auf. Das Röhrchen 32 und die Absorptionsstrecke 30 sind so ausgebildet und angeordnet, dass der Lichtstrahl 26 durch das erste Ende 34 in das Röhrchen 32 eintritt und durch das zweite Ende 36 aus dem Röhrchen 32 austritt. Die Enden 34, 36 können beispielsweise offen sein oder mittels je eines für den Lichtstrahl 26 transparenten Elements verschlossen sein. Das transparente Element kann beispielsweise ein optisches Element zum Beeinflussen des Lichtstrahls 26 sein. Beispielsweise kann das optische Element eine Linse, beispielsweise eine Fokussierlinse oder eine Kollimationslinse sein. Das Röhrchen 32 kann beispielsweise Öffnungen 38 hin zu der Umgebung aufweisen, über die der Luft- und/oder Gasaustausch zwischen der Absorptionsstrecke 30 und der Umgebung der Sensoranordnung 20 erfolgen kann.
• Die Absorptionsstrecke 30 weist beispielsweise eine Länge L im Bereich zwischen 5 mm und 20 mm, beispielsweise zwischen 10 mm und 15 mm auf. Die Länge L der Absorptionsstrecke 30 stellt dabei einen optimalen Kompromiss zwischen einer ausreichend großen Länge L der Absorptionsstrecke 30, um eine ausreichende Absorption zu ermöglichen, und einer ausreichend kurzen Länge L der Absorptionsstrecke 30, um ein ausreichend starkes Signal am Lichtdetektor 40 zu erzeugen, dar, wie anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
• Der Lichtdetektor 40 ist beispielsweise eine Fotodiode, die insbesondere im mittleren Infrarotbereich, insbesondere Wellenlängenbereich zwischen 4,2 µm und 4,3 µm sensitiv ist. Optional kann im Strahlengang des Lichtstrahl 26 zwischen dem Röhrchen 32 und dem Lichtdetektor 40 ein in den Figuren nicht dargestellter optischer Filter angeordnet sein, der im Wesentlichen Licht im mittleren Infrarotbereich, beispielsweise im Wellenlängenbereich zwischen 4,2 µm und 4,3 µm, durchlässt und Licht anderer Wellenlängen abgeblockt. Beim Erfassen eines Lichtpulses des Lichtstrahls 26 erzeugt der Lichtdetektor 40 einen ersten Strom I1, insbesondere einen Fotostrom der entsprechenden Fotodiode. Der erste Strom I1 wird einem Eingang des Verstärkers 42 als Eingangssignal zugeführt.
• Der Verstärker 42 ist beispielsweise ein Transimpedanzverstärker, der den ersten Strom I1 in eine Ausgangsspannung UA umwandelt. Der Transimpedanzverstärker hat beispielsweise eine Transimpedanz von 1 µV/pA. Die Ausgangsspannung UA kann beispielsweise ungefähr 100 mV sein. Der Verstärker 42 weist einen Auswerteschaltkreis auf.
• Der Auswerteschaltkreis weist bei diesem Ausführungsbeispiel einen ersten Widerstand 44 auf, der einerseits mit dem Eingang des Verstärkers 42 und andererseits mit einem ersten Knoten 45 verbunden ist. Ein zweiter Widerstand 46 des Auswerteschaltkreises ist mit dem ersten Knoten 45 und mit Masse verbunden. Ein erster Kondensator 48 des Auswerteschaltkreises ist einerseits mit dem ersten Knoten 45 und andererseits mit einem zweiten Knoten 49 verbunden.
• Der erste Kondensator 48 kann beispielsweise eine Kapazität von 330 nF aufweisen. Ein erster Komparator 50 des Auswerteschaltkreises ist an seinem negativen Eingang (V-) mit dem zweiten Knoten 49 und an seinem positiven Eingang (V+) mit Masse verbunden.
• Außerdem werden dem Komparator 50 eine erste Spannung U1 und eine zweite Spannung U2 als Referenzspannungen zugeführt. Ein Ausgang des Komparators 50 ist mit einem dritten Knoten 55 verbunden. Ein dritter Widerstand 52 des Auswerteschaltkreises ist einerseits mit dem zweiten Knoten 49 und andererseits mit dem dritten Knoten 55 verbunden. Ein zweiter Kondensator 54 des Auswerteschaltkreises ist einerseits mit dem zweiten Knoten 49 und andererseits mit dem dritten Knoten 55 verbunden. Der dritte Knoten 55 ist mit einem Ausgang des Verstärkers 42 gekoppelt.
• Der erste Widerstand 44 kann beispielsweise einen ohmschen Widerstand von 1 kQ aufweisen. Der erste Kondensator 82 kann beispielsweise eine Kapazität von 330 nF aufweisen. Der dritte Widerstand 52 kann beispielsweise einen ohmschen Widerstand von 1 MΩ aufweisen. Der zweite Kondensator 54 kann beispielsweise eine Kapazität von 22 pF aufweisen.
• Ein erstes Diagramm 60 zeigt eine erste Kurve 62, die einen Verlauf eines Ausgangspulses eines Ausgangssignals des Verstärkers 42 zeigt.
• Die Auswerteeinheit ist mit dem Ausgang des Verstärkers 42 elektrisch gekoppelt und dient dazu, anhand des Ausgangssignals des Verstärkers 42 den absoluten CO₂-Gehalt entlang der Absorptionsstrecke 30, insbesondere in dem Röhrchen 32, und damit in der Umgebung zu ermitteln. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise eine Recheneinheit mit einem elektronischen Schaltkreis und/oder einem Mikrochip sein.
• Anhand der nachfolgenden Figuren wird ausführlich erläutert, dass die Länge L im Bereich zwischen 5 mm und 20 mm, beispielsweise zwischen 10 mm und 15 mm, der Absorptionsstrecke 30 zum Ermitteln des CO₂-Gehalts besonders gut geeignet ist.
• 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Sensoranordnung 200. Die Sensoranordnung 200 kann ganz oder teilweise auf einer Leiterplatte angeordnet sein. Die Sensoranordnung 200 kann auch als zweite Sensoranordnung 200 bezeichnet werden. Die zweite Sensoranordnung 200 weist einen Messabschnitt und einen Referenzabschnitt auf. Der Messabschnitt entspricht im Wesentlichen der im Vorhergehenden mit Bezug zu 2 erläuterten ersten Sensoranordnung 20. Daher wird an dieser Stelle auf eine erneute Beschreibung der Elemente des Messabschnitts verzichtet und lediglich auf die vorstehenden Ausführungen zu der ersten Sensoranordnung 20 verwiesen. Der Referenzabschnitt weist eine Referenzenergiequelle 222, eine Referenzlichtquelle 224, eine Referenzabsorptionsstrecke 230, einen Referenzlichtdetektor 240 und den Verstärker 42 auf.
• Bei bestimmungsgemäßen Einsatz der Sensoranordnung 200 ist die Sensoranordnung 200 mit einer Auswerteeinheit (nicht in den Figuren gezeigt) elektrisch gekoppelt. Die Sensoranordnung 200 und/oder die Auswerteeinheit können beispielsweise tragbar ausgebildet sein. Beispielsweise können die Sensoranordnung 200 und/oder die Auswerteeinheit in einem tragbaren elektronischen Gerät integriert sein. Das tragbare elektronische Gerät kann beispielsweise ein Laptop, Tablet oder Mobiltelefon sein. Optional kann die Auswerteeinheit beispielsweise als Eingang einen ADC und als Kernkomponente eine digitale Prozessoreinheit aufweisen.
• Die Referenzenergiequelle 222 ist mit der Referenzlichtquelle 224 elektrisch verbunden und dient dazu, die Referenzlichtquelle 224 mit Energie zu versorgen. Die Referenzenergiequelle 222 kann beispielsweise eine Stromquelle oder eine Spannungsquelle sein. Die Referenzenergiequelle 222 eignet sich beispielsweise zum Erzeugen von Energiepulsen, insbesondere Strompulsen, beispielsweise zum Erzeugen von Strompulsen mit jeweils 1 A für 200 µs mit einer Pulsfrequenz von 60 Hz.
• Die Referenzlichtquelle 24 dient dazu, einen Referenzlichtstrahl 26 so zu erzeugen, dass er die Referenzabsorptionsstrecke 30 durchläuft. Die Referenzlichtquelle 24 erzeugt den Referenzlichtstrahl 26 vorzugsweise so, dass seine Wellenlänge im mittleren Infrarotbereich, beispielsweise zwischen 4,2 µm und 4,3 µm, beispielsweise bei ungefähr 4,23 µm, ist. Die Referenzlichtquelle 24 weist beispielsweise eine LED auf oder ist von dieser gebildet.
• Die Referenzabsorptionsstrecke 230 kommuniziert nicht mit einer Umgebung der Sensoranordnung 200. Dies bedeutet, dass kein Luft- und/oder Gasaustausch zwischen der Referenzabsorptionsstrecke 230 und der Umgebung der Sensoranordnung 200 erfolgen kann. Die Referenzabsorptionsstrecke 230 befindet sich beispielsweise in einem Referenzröhrchen 232. Entlang der Referenzabsorptionsstrecke 230, beispielsweise in dem Referenzröhrchen 232 liegt ein konstanter, optional bekannter und/oder vorgegebener CO2-Gehalt vor. Beispielsweise kann die Referenzabsorptionsstrecke 230 frei von CO₂ sein.
• Das Referenzröhrchen 232 weist ein erstes Ende 234, das der Referenzlichtquelle 224 zugewandt ist, und ein zweites Ende 236, das dem Referenzlichtdetektor 240 zugewandt ist, auf. Das Referenzröhrchen 232 und die Referenzabsorptionsstrecke 230 sind so ausgebildet und angeordnet, dass der Referenzlichtstrahl 226 durch das erste Ende 234 in das Referenzröhrchen 232 eintritt und durch das zweite Ende 236 aus dem Referenzröhrchen 232 austritt. Die Enden 234, 236 des Referenzröhrchens 232 können beispielsweise mittels je eines für den Referenzlichtstrahl 226 transparenten Elements verschlossen, insbesondere versiegelt, sein, damit kein Luft- und/oder Gasaustausch zwischen dem Innenraum des Referenzröhrchens 232 und der Umgebung erfolgt. Das transparente Element kann beispielsweise ein optisches Element zum Beeinflussen des Referenzlichtstrahls 226 sein. Beispielsweise kann das optische Element eine Linse, beispielsweise eine Fokussierlinse oder eine Kollimationslinse sein.
• Die Referenzabsorptionsstrecke 230 weist vorzugsweise die gleiche Länge L wie die Absorptionsstrecke 30 auf. Die Referenzabsorptionsstrecke 230 weist beispielsweise eine Länge L im Bereich zwischen 5 mm und 20 mm, beispielsweise zwischen 10 mm und 15 mm auf.
• Alternativ kann die Länge der Referenzabsorptionsstrecke 230 von der Länge der Absorptionsstrecke 30 verschieden sein. In so einem Fall kann an den Eingängen der Messverstärker mit Widerständen, beispielsweise mit 1 Ω bis 100 Ω, der auf der Differenz der Längen basierte Unterschied kompensiert werden.
• Der Referenzlichtdetektor 240 ist beispielsweise eine Fotodiode, die insbesondere im mittleren Infrarotbereich, insbesondere Wellenlängenbereich zwischen 4,2 µm und 4,3 µm sensitiv ist. Optional kann im Strahlengang des Referenzlichtstrahls 226 zwischen dem Referenzröhrchen 232 und dem Referenzlichtdetektor 240 ein in den Figuren nicht dargestellter optischer Filter angeordnet sein, der im Wesentlichen Licht im mittleren Infrarotbereich, beispielsweise im Wellenlängenbereich zwischen 4,2 µm und 4,3 µm, durchlässt und Licht anderer Wellenlängen abblockt. Beim Erfassen eines Lichtpulses des Referenzlichtstrahls 226 erzeugt der Referenzlichtdetektor 240 einen zweiten Strom 12, insbesondere einen Fotostrom der entsprechenden Fotodiode. Der zweite Strom I2 wird einem Eingang des Verstärkers 42 als Eingangssignal zugeführt.
• Der Verstärker 42 ist beispielsweise ein Transimpedanzverstärker, der den ersten Strom I1 und den zweiten Strom I2 in eine Ausgangsspannung UA umwandelt. Der Transimpedanzverstärker hat beispielsweise eine Transimpedanz von 1 µV/pA. Die Ausgangsspannung UA kann beispielsweise ungefähr 100 mV sein. Der Verstärker 42 weist einen Auswerteschaltkreis auf.
• Der Auswerteschaltkreis weist bei diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich zu den mit Bezug zu 2 erläuterten Bauelementen einen achtundzwanzigsten Widerstand 244 auf, der einerseits mit einem zweiten Eingang des Verstärkers 42 und andererseits mit einem zwanzigsten Knoten 245 verbunden ist. Ein neunundzwanzigster Widerstand 246 ist mit dem zwanzigsten Knoten 245 und mit Masse verbunden. Ein neunter Kondensator 248 ist einerseits mit dem zwanzigsten Knoten 245 und andererseits mit einem einundzwanzigsten Knoten 249 verbunden. Der erste Komparator 50 ist an seinem negativen Eingang mit dem zweiten Knoten 49 und an seinem positiven Eingang mit dem einundzwanzigsten Knoten 249 verbunden. Der Ausgang des Komparators 50 ist mit dem dritten Knoten 55 verbunden. Ein dreißigster Widerstand 252 ist einerseits mit dem einundzwanzigsten Knoten 249 und andererseits mit Masse verbunden. Ein zehnter Kondensator 254 ist einerseits mit dem einundzwanzigsten Knoten 249 und andererseits mit Masse verbunden. Der dritte Knoten 55 ist mit dem Ausgang des Verstärkers 42 gekoppelt.
• Der neunte Kondensator 248 kann beispielsweise eine Kapazität von 330 nF aufweisen. Der dreißigste Widerstand 252 kann beispielsweise einen ohmschen Widerstand von 10 MΩ aufweisen. Der zehnte Kondensator 254 kann beispielsweise eine Kapazität von 22 pF aufweisen. Der achtundzwanzigste Widerstand 244 kann beispielsweise einen ohmschen Widerstand von 1 KΩ aufweisen. Der neunundzwanzigste Widerstand 246 kann beispielsweise einen ohmschen Widerstand von 1 kQ aufweisen.
• Ein zweites Diagramm 260 zeigt eine vierte Kurve 262, die einen Verlauf eines Ausgangspulses eines Ausgangssignals des Verstärkers 42 zeigt. Das Ausgangssignal liegt an dem TIA-Ausgang an, falls dass Referenzröhrchen 232 auch angeschlossen ist. Hier die typische Signalhöhe nur noch 10 mV anstatt 100 mV im Vergleich zu 2.
• Die Auswerteeinheit ist mit dem Ausgang des Verstärkers 42 elektrisch gekoppelt und dient dazu, anhand des Ausgangssignals des Verstärkers 42 den absoluten CO2-Gehalt entlang der Absorptionsstrecke 30, insbesondere in dem Röhrchen 32, und damit in der Umgebung zu ermitteln. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise eine Recheneinheit mit einem elektronischen Schaltkreis und/oder einem Mikrochip sein.
• Der Referenzabschnitt, der auch als Referenzelle bezeichnet werden kann, dient dazu, einen Referenzwert für den CO₂-Gehalt zu ermitteln. Der Referenzabschnitt ist den gleichen Umweltbedingungen wie der Messabschnitt ausgesetzt. Beispielsweise weist der Referenzabschnitt die gleiche Temperatur wie der Messabschnitt auf. Daher wirken sich alle Einflüsse, die sich auf ein mittels des Messabschnitts erzeugtes Messsignal auswirken, auch auf ein mittels des Referenzabschnitts ermitteltes Referenzsignal aus. In dem ersten Komparator 50 werden das Messsignal und das Referenzsignal miteinander verglichen, beispielsweise indem sie voneinander abgezogen werden. Die resultierende Ausgangsspannung UA ist dann um diese äußeren Einflüsse bereinigt.
• Alternativ zu dem Ermitteln des Referenzsignals mithilfe des Referenzabschnitts können auch ein, zwei oder mehr Referenzwerte vorgegeben werden, auf einer nicht dargestellten Speichereinheit abgespeichert werden und mit entsprechenden Messwerten verglichen werden.
• Der erste Strom I1 und der zweite Strom I2 können wie folgt abhängig von der Länge L ermittelt werden: $$I1\left(L\right)=IPho\left[\frac{kL}{{\left(d-do\right)}^n}\right]\cdot e^{-\mu CO2\cdot L}$$

  

  $$I2\left(L\right)=IPho\left[\frac{kL}{{\left(d-do\right)}^n}\right]$$

  

  wobei, wenn (1 - µCO₂*L) « 1 gilt, I1 ermittelt werden kann durch: $$I1\left(L\right)=IPho\left[\frac{kL}{{\left(d-do\right)}^n}\right]\cdot \left(1-\mu CO2\cdot L\right)$$

  

  wobei beispielsweise do = -1 mm die Position des Lichtdetektors 40 mit Bezug zu dem geometrischen Lichtpfad ist, beispielsweise d = 10 mm die Position der Lichtquelle 24 mit Bezug zu dem effektiven Absorptionspfad ist, beispielsweise n = 1,2 der optische Strahlverdünnungsfaktor (engl.: dilution form factor) ist, mit den Charakteristiken der Lichtdetektoren 40, 240:
• dem an den Lichtdetektoren 40, 240 empfangenen Strom $$\text{IPho}=\text{Rph}*\text{PLed}\mathrm{0,}$$
  
• der an den Lichtdetektoren 40, 240 empfangenen Lichtpulsleistung, die mittels folgender Modellbetrachtung errechnet werden kann: $$\text{PLedo}=\text{Dilution}\left(\text{L}\right)*\text{uFilt}*\text{uOpt}*\text{PLed}\_\text{pulse}$$
  
wobei $$Dilution\left(L\right)=\left[\frac{kL}{{\left(d-do\right)}^n}\right]$$

ist, mit beispielsweise $$\text{Dilution}\left(10\text{ mm}\right)=\mathrm{5,1}*{10}^{-2},$$

und somit $$PLedo=\left[\frac{kL}{{\left(d-do\right)}^n}\right]\cdot uFilt\cdot uOpt\cdot PLed\_pulse$$

ist, mit $$uFilt=\frac{\mathrm{\Delta }B}{B\_NIR}$$

$$\text{B}\_\text{NIR}=\mathrm{\lambda }\text{max}-\mathrm{\lambda }\text{min}$$

• wobei beispielsweise
• Amin = 0,8 µm das obere MDIR-range-Bandende,
• Amax = 4,8 µm das untere MDIR-range-Bandende
• B_NIR = 4 µm die gesamte spektrale MDIR-range-Bandbreite,
• ΔB = 0,1 µm die ausgefilterte MDIR-range-Bandbreite,
• uFilt = 2,5 %,
• und uOpt = 5% die optische Lichterzeugungseffizienz einer IR-LED (d.h. nur 5% der zur geführten elektrischen Energie werden in einer IR-LED in Licht umgewandelt) ist.
• Erläuternd wird darauf hingewiesen, dass bei dem vorstehenden Modell angenommen wird, dass die Lichtquelle 24, 224 mathematisch nicht bei 0 mm sitzt sondern bei -1 mm, damit bei theoretisch kleinster Absorptionsstreckenlänge L von 0 mm der Dilution-Term kd/(d-do)ⁿ nicht unendlich wird. do =-1 mm ist also ein beispielhafter Modellparameter, mit dem man die optische Verdünnung entlang der Absorptionsstrecke 30 bzw. der Referenzabsorptionsstrecke von 0 mm bis x mm simulieren kann. Alternativ wäre beispielsweise do= -0.0001 mm möglich, wobei dann der Rest mit einem entsprechendem anderen kL angepasst werden könnte.
• Damit ergibt sich eine typischerweise an den Lichtdetektoren 40, 240 empfangene Lichtpulsleistung zu: $$\text{PLedo}=127\mathrm{\mu }\text{W}$$

  

  was einem typischen IR-Lichtpuls in dem Lichtdetektor 40, 240 nach der Absorptionsstrecke 30 bzw. der Referenzabsorptionsstrecke 230 entspricht.
• Nachfolgend wir aus Gründen der Einfachheit PLed0 = 100 µW gesetzt.
• Mit der Betrachtung der Fotodiodenempfindlichkeit im MIR-Bereich bzw. der Pin-Sensitivität der Lichtdetektoren 40, 240 $$Rpin=\frac{e}{hv}$$

  

  mit beispielsweise A = 4,2 µm, v = c/λ, so dass beispielsweise Rpin = 3,385 A/W der theoretische Höchstwert ist, wobei angenommen wird, dass pro Photon der Energie Eph = hv ein Elektron erzeugt wird, und Rph = 1A/W die typische PIN-Empfindlichkeit von IR-Fotodioden ist, lässt ich ein Empfangsstromsignal von IPho = 100 µA modellieren.
• Eine Umrechnung der CO₂-Konzentration CO₂ ppm in den Lambert-Beer-Absorptioskoeffizienten µCO₂ erfolgt beispielsweise mit den Molaritäten:
• der molaren Masse von CO₂ MCO₂ = 44 g/mol,
• der molaren Masse von Luft MLuft = 28,9647 g/mol, und
• dem Standard-Mol-Volumen Vmol = 22,710947 1;
mit der Formel zur Umrechnung von ppm in CO₂-Masse-Dichten: $$\mathrm{\rho }{\text{CO}}_2=\left({\text{MCO}}_2/\text{Vmol}\right)*\left({\text{ppmCO}}_2*\text{ppm}/\left(1-{\text{ppmCO}}_2*\text{ppm}\right)\right),$$

und dem CO₂-Gehalt von ppmCO₂ = 401, nahe der Erde im Jahr 2015 ergibt sich eine CO₂-Massendichte zu $$\mathrm{\rho }{\text{CO}}_2=775\text{ mg}/{\text{m}}^3\text{ bei }400{\text{ppm CO}}_2-\text{Gehalt in Luft},$$

• Die folgenden Werte sind nur Verifikationswerte zur Konsolidierung der angewandten Formel: $$\mathrm{\rho }{\text{CO}}_2=969\text{ mg}/{\text{m}}^3\text{ bei }500{\text{ppm CO}}_2\text{ in Luft},$$

  

  und $$\mathrm{\rho }{\text{CO}}_2=1940\text{ mg}/{\text{m}}^3\text{ bei 10}00{\text{ppm CO}}_2\text{ in Luft};$$

  

  mit den Werten für schlechte Luftqualität bei $${\text{ppmCO}}_2=10000\text{ ergibt sich }\mathrm{\rho }{\text{CO}}_2=\mathrm{1,967}*{10}^4\text{ mg}/{\text{m}}^3=\mathrm{\rho }\text{CO}2=19574\cdot \frac{\text{mg}}{{\text{m}}^3}$$

  
• Mit der Formel für die molare Konzentration (Moldichte) $${\text{cmolCO}}_2=\mathrm{\rho }{\text{CO}}_2/{\text{MCO}}_2,$$

  

  ergeben sich für die molaren Konzentration entsprechend folgende Werte:
• cmolCO2 = 0,018441 mol/m³ Moldichte bei CO2-Gehalt=400ppm
• cmolCO2 = 0,0441 mol/m³ Moldichte bei CO2-Gehalt=1000ppm
• cmolCO2 = 0,445 mol/m³, Moldichte bei CO2-Gehalt=10000ppm
• Mit den Extinktionskoeffizienten von CO₂ bei der Wellenlänge 4,3 µm: $$\mathrm{\epsilon }{\text{CO}}_2=\mathrm{29,9}{\text{ m}}^2/\text{mol f}\ddot{\text{u}}\text{r }4.3\text{um},\left(\text{aus HITRAN},\text{ Nachschlagewert}\right).$$

  
• Mit dem Extinktionskoeffizient und der molaren Konzentration lässt sich der Lambert-Beersche-Absorptionskoeffizient mit folgender Formel berechen zu: $$\mathrm{\mu }{\text{CO}}_2=\mathrm{\epsilon }{\text{CO}}_2\_{\text{mol cmol CO}}_2$$

  
• Somit können ausgehend vom Tabellenwert für den Extinktionskoeffizienten εCO₂ = 29,9 m²/mol bei 4.3um für verschieden CO2-ppm-Werte die folgenden der Lambert-Beersche-Absorptionskoeffizient berechnet werden. $$\mathrm{\mu }{\text{CO}}_2=\mathrm{0,527}1/{\text{m f}\ddot{\text{u}}\text{r CO}}_2=400\text{ ppm}$$

  

  $$\mathrm{\mu }{\text{CO}}_2=\mathrm{1,318}1/{\text{m f}\ddot{\text{u}}\text{r CO}}_2=1.000\text{ ppm}\text{,}$$

  

  und $$\mathrm{\mu }{\text{CO}}_2=\mathrm{13,298}1/{\text{m f}\ddot{\text{u}}\text{r CO}}_2=10.000\text{ ppm}\text{.}$$

  
• Mit den Charakteristiken der Absorptionsstrecken 30, 230 zu d0 = -1 mm für die Position der Lichtdetektoren 40, 240 bezogen auf den Ursprung des geometrischen Lichtpfads, d = 10 mm für die Position der Lichtquelle 24, 224 bezogen auf den Ursprung des Absorptionspfads, n = 1,2 für den optischen Strahlverdünnungsfaktor für das Röhrchen 32, 232, und kd = 1 mmⁿ für den Formfaktor für das Röhrchen 32, 232 lassen sich die Signalströme an den Photodioden in Abhängigkeit von der Länge der Absorptionszellen als auch in Abhängigkeit von der CO₂-Konzentration darstellen.
• 4 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel des ersten Stroms I1, der mittels des Lichtdetektors 40 erzeugt wird, und des zweiten Stroms 12, der mittels des Referenzlichtdetektors 240 erzeugt wird, in Abhängigkeit der Länge L von entsprechenden Absorptionsstrecken, beispielsweise der Absorptionsstrecke 30 und der Referenzabsorptionsstrecke 230, zeigt. An der X-Achse ist die Länge L der Absorptionsstrecke und der Referenzabsorptionsstrecke 230 in Millimeter angetragen und an der Y-Achse sind der erste Strom I1 des Lichtdetektors 40 und der zweite Strom I2 des Referenzlichtdetektors 240 angetragen.
• Bei beiden Kurven fallen die gemessenen Lichtintensitäten mit zunehmender Länge L in Übereinstimmung mit einer Emissionscharakteristik der entsprechenden Lichtquelle 24, 224 ab.
• Dies liegt im Wesentlichen daran, dass die Intensitäten der Lichtstrahlen 26, 226 mit zunehmendem Abstand zwischen den Lichtquellen 24, 224 und den entsprechenden Lichtdetektoren 40, 240 abnehmen.
• Dabei liegt die Kurve für den zweiten Strom I2 über der Kurve für den ersten Strom I1, da bei diesem Beispiel die Referenzabsorptionsstrecke 230 frei von CO₂ ist, weswegen entlang der Referenzabsorptionsstrecke 230 weniger Licht als bei der Absorptionsstrecke 30 absorbiert wird und mehr Licht beim Referenzlichtdetektor 240 als beim Lichtdetektors 40 ankommt, was zu einem größeren Strom in dem Referenzabschnitt verglichen mit dem Messabschnitt führt.
• Es gibt jedoch noch einen weiteren Effekt, der aus 4 nicht gut erkennbar hervorgeht. Und zwar ist die Absorptionswahrscheinlichkeit umso größer je länger die entsprechende Absorptionsstrecke ist.
• Eine relativ kurze Absorptionsstrecke führt somit zu einer relativ hohen messbaren Lichtintensität, weist jedoch eine geringere Absorptionswahrscheinlichkeit auf.
• Eine lange Absorptionsstrecke führt hingegen zu einer relativ geringen messbaren Lichtintensität, weist jedoch eine relativ große Absorptionswahrscheinlichkeit auf. Dieser Effekt lässt sich veranschaulichen, indem der erste Strom I1 von dem zweiten Strom I2 abgezogen wird.
• 5a zeigt ein Diagramm mit einer Differenzkurve, die repräsentativ für eine Differenz der in 3 gezeigten Ströme I1 und I2 ist. Die Differenzkurve weist ein absolutes Maximum im Bereich zwischen 5 mm und 20 mm, insbesondere zwischen 8 mm und 15 mm auf. Das absolute Maximum entsteht aufgrund der im Vorhergehenden erläuterten Auswirkungen der Abnahme der Intensität der Lichtstrahlen 26, 226 mit zunehmender Länge L und der Zunahme der Absorptionswahrscheinlichkeit mit zunehmender Länge L.
• Somit liegt die optimale Länge L der Absorptionsstrecke 30 im Bereich zwischen 5 mm und 20 mm, insbesondere zwischen 8 mm und 15 mm.
• 5b zeigt ein Diagramm, das eine Differenz der in 3 gezeigten Fotoströme zeigt, die sich aufgrund einer CO₂-Variationen von 100ppm in der Absorptionszelle ergeben. Aus dieser Figur geht hervor, wie sich das Stromdifferenzsignal verhält, wenn man den CO₂-Gehalt gegenüber dem in 5a gezeigten Diagramm um 100 ppm ändert. Das Maximum des Differenz-Signals liegt immer noch bei ca. 10 mm.
• Bei den im Vorhergehenden angenommenen Größen, insbesondere den Energien, den Strömen und der Länge L, kann das entsprechende Ausgangssignal empfindlich von diversen Faktoren abhängen. Diese Faktoren werden im Folgenden erläutert, wobei unter anderem der aufgezeigt wird, wie deren Einflüsse auf das Messergebnis besonders gering gehalten werden können.
• Vorzugsweise sind die Lichtquellen 24, 224 gepulste LED-Lichtquellen. Diese agieren praktisch wie ein Chopper. Das Lichtsignal wird somit in einer Pulsform kodiert und nicht in einem statischen Messsignal. Dies hat den Vorteil, dass man die Signalanteile im Fourierbereich nicht bei f = 0 Hz = DC sieht, sondern in einem anderen Frequenzbereich, beispielsweise bei f = 500 Hz. Dies kann auch als Chopperprinzip bezeichnet werden. Bei dieser Vorgehensweise kann man das Messsignal bzw. die Messung im Fourierbereich an einer geeigneten Stellen machen, an der wenig Rauschen vorliegt und/oder erwartet wird. Setzt man das Messsignal per Pulsing, auch Choppering genannt, in den Messbereich von 500 Hz, so kann man an dieser Stelle mit einem schmalbandigen Filter das Signal entgegennehmen und rauscharm messen. Je schmaler der Chopperpuls ist (beim vorliegenden Ausführungsbeispiel 200 µm), desto breiter wird das Messsignal in den gesamten Fourierbereich gestreut.
• In den 6 bis 11 sind die kurzen Lichtpulse in Verbindung mit einem Schmalbandempfänger mit geeigneter Mittenfrequenz, um die strukturellen Rauschquellen zu vermeiden und um das Signal-zu-Rauschverhältnis SNR zu erhöhen, veranschaulicht.
• 6 zeigt ein Diagramm, das einen beispielhaften Ansteuerstrom zum Betreiben einer Lichtquelle, beispielsweise der Lichtquelle 24 oder der Referenzlichtquelle 224, zeigt. Das Diagramm zeigt einen einzelnen Strompuls von 1 A für eine Dauer von 200 µs, der bewirkt, dass die entsprechende Lichtquelle einen entsprechenden Lichtpuls erzeugt.
• 7 zeigt ein Diagramm, das ein beispielhaftes Frequenzspektrum zeigt. Das Diagramm zeigt insbesondere das Frequenzspektrum der Intensität des Lichtstrahls 26, 226 der in Reaktion auf den mit Bezug zu 6 erläuterten Ansteuerstrom erzeugt wird.
• Insbesondere wird bei diesem Ausführungsbeispiel das 200 µsec-Pulssignal in den Frequenzbereich unterhalb von 5 kHz gestreut (mit der Spaltfunktion (sinx/x)²). Das heißt, dass mit den 200 µsec das Messsignal auf einen Bereich von 1/200 µsec = 5 kHz gestreut wird. Jetzt können unabhängig von der Pulsfrequenz selbst Signalkomponenten an geeigneter Stelle unterhalb von 5 kHz, beispielsweise bei 500 Hz, mit einem schmalbandigen Verstärker aufgenommen werden. Die Pulswiederhohlfrequenz von 60Hz ist dann weitgehend unerheblich. Die Frequenzanteile des 200 µsec Lichtpulses fallen oberhalb von 5 kHz deutlich ab, was auch als roll-off bezeichnet wird. Der Rest des gemessenen Signals sind Nebenlinien und/oder Harmonische, die bei dem dargestellten Diagramm kaum noch sichtbar sind, da es eine dB-Skala hat.
• 8 zeigt ein Diagramm, das ein typisches Frequenzverteilungsspektrum von Rauschquellen, insbesondere von strukturellen Rauschquellen, zeigt. Ein erster Abschnitt 70 der gezeigten Messkurve im Frequenzabschnitt kleiner 100 Hz ist repräsentativ für ein 1/f-Rauschen. Ein zweiter Abschnitt 72 bei ungefähr 100 Hz ist repräsentativ für eine dominante Energielinie. Ein dritter Abschnitt 74 oberhalb von 1 kHz ist repräsentativ für ein Breitband-Dunkelstrom-Rauschen.
• 9 zeigt ein Diagramm, das eine beispielhafte Detektionscharakteristik eines Transimpedanzverstärkers, insbesondere des Verstärkers 42, zeigt. Die gezeigte Spannungskurve hat ihr Maximum bei ungefähr 500 Hz. Das Maximum liegt deutlich oberhalb der im Vorhergehenden erläuterten strukturellen Rauschquellen und insbesondere noch unterhalb von 5 kHz, wo man noch nennenswert Signalanteile des pulsförmigen Lichtmesssignals sieht.
• 10 zeigt ein Diagramm, das eine beispielhafte Pulsantwort zeigt, insbesondere die Pulsantwort des Verstärkers 42 mit einer schmalen Bandbreite. Die Pulsantwort zeigt ein differenzierendes und ein integrierendes Verhalten. Der verbleibende Gleichstromanteil des Pulses ist vollständig unterdrückt.
• 11 zeigt ein Diagramm, das einen beispielhaften erwarteten Rauschhintergrund zeigt, insbesondere des Verstärkers 42 mit schmaler Bandbreite in der Frequenzdomäne. Dies wird zu einem Rauschhintergrund von 1 mV²/100R = 10 nW führen, was einer Detektierbarkeit von 10 pW (-30dB) am Eingang des Verstärkers 42 entspricht.
• Aus den Rauschwerten am Ausgang des (ersten) Messverstärkers 1mV/√(Hz) lässt sich über den Verstärkungsfaktor, beispielsweise 30dB, am Eingang ein Rauschwert von 1mV/√(Hz)/10³ = 1nA√(Hz) errechnen. Diese Rauschzahl ist dann die kleinste Signalmesswertänderung, die man noch detektieren kann. Bei der vorliegenden CO₂-Messzelle entspricht dies einer CO₂-Konzentrationsänderung von 20 ppm, wodurch sich die Systemempfindlichkeit mit 20 ppmCO₂/√(Hz) charakterisieren lässt.
• 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Auswerteschaltkreises. Der Auswerteschaltkreis kann beispielsweise ein Teil des Verstärkers 42 sein oder den Verstärker 42 bilden. Im Unterschied zu dem mit Bezug zu 2 erläuterten Auswerteschaltkreis des Verstärkers 42 weist der Auswerteschaltkreis bei diesem Ausführungsbeispiel die Möglichkeit einer Offset-Anpassung auf. Nachfolgend werden ausschließlich die Bauelemente des Auswerteschaltkreises beschrieben, die sich von dem mit Bezug zu 2 erläuterten Auswerteschaltkreis unterscheiden. Bezüglich der anderen Bauelemente wird auf die vorstehenden Ausführungen mit Bezug zu 2 verwiesen.
• Eine Eingangsspannung UE kann beispielsweise von dem Lichtdetektor 40 bzw. dem Referenzlichtdetektor 240 bereitgestellt werden. Ein dritter Kondensator 82 ist einerseits mit dem ersten Knoten 45 und andererseits mit Masse verbunden. Ein fünfter Widerstand 84 ist einerseits mit dem ersten Knoten 45 und andererseits mit dem positiven Eingang (V+) des ersten Komparators 50 elektrisch verbunden. Ein sechster Widerstand 86 ist einerseits mit einer positiven Eingangsspannung VCC P und andererseits mit einem fünften Knoten 87 elektrisch verbunden. Ein siebter Widerstand 88 ist einerseits mit dem fünften Knoten 87 und andererseits mit Masse elektrisch verbunden. Ein achter Widerstand 90 ist einerseits mit dem fünften Knoten 87 und andererseits mit dem zweiten Knoten 49 elektrisch verbunden. Ein neunter Widerstand 92 ist einerseits mit dem zweiten Knoten 49 und andererseits mit einem vierten Kondensator 94 elektrisch verbunden.
• Der vierte Kondensator 94 ist einerseits mit dem neunten Widerstand 92 und andererseits mit Masse elektrisch verbunden. Der dritte Kondensator 82 kann beispielsweise eine Kapazität von 330 nF aufweisen. Der fünfte Widerstand 84 kann beispielsweise 1 kQ aufweisen. Der vierte Kondensator 94 kann eine Kapazität von beispielsweise 330 nF aufweisen. Der neunte Widerstand 92 kann beispielsweise 1 kQ aufweisen. Der sechste Widerstand 86 kann beispielsweise 1 kQ aufweisen. Der siebte Widerstand 88 kann beispielsweise 10 kQ aufweisen. Der achte Widerstand 90 kann beispielsweise 100 kQ aufweisen.
• Der erste Komparator 50 kann bei diesem Beispiel als Hochleistungspulsverstärker ausgebildet sein. Die Schaltung um den Komparator 50 bildet insgesamt den gewünschten Schmalbandverstärker, dessen maximale Empfindlichkeit beispielsweise bei ungefähr 500 Hz liegt, womit man die Hauptkomponenten der 200 µsec-Pulses gut verstärken kann.
• Die virtuelle Masse an dem negativen Eingang des ersten Komparators 50 passt sehr gut zum Injizieren einer Offset-Spannung über den achten Widerstand 90 und den zweiten Knoten 49. Die Offset-Spannung dient als Referenz zum Verschieben der Strompulse an dem Eingang zu einem Anfang eines linearen Bereichs nahe null Volt (Masse) für die nachfolgende detaillierte Pulswellenanalyse.
• 13 zeigt ein Diagramm, das beispielhafte Pulsantworten zeigt. Insbesondere zeigt das Diagramm untereinander drei Spannungskurven, die jeweils repräsentativ für einen Puls sind. Die obere Spannungskurve zeigt einen nicht verstärkten Eingangspuls mit einem Maximum nahe 100 mV. Die mittlere Kurve zeigt einen verstärkten Puls an dem Ausgang des Verstärkers 42. Dieser verstärkte Ausgangspuls überschreitet das Ende der Skala der Ausgangsstufe des Verstärkers 42. Dies führt zu einem Abschneiden des Maximums der Kurve, wodurch die Information über die exakte Höhe des Maximums des Pulses verloren geht. Dies kann mittels Hinzufügens der Offset-Spannung in den Griff bekommen werden. Die untere Kurve zeigt den verstärkten Puls an dem Ausgang des Verstärkers 42, wobei der Puls um die Offset-Spannung zu dem linearen Bereich nahe null Volt verschoben ist. In diesem Bereich kann der Puls bezüglich einer exakten Änderung der Pulshöhe präzise analysiert werden.
• Die Sensitivität der Sensoranordnung 20, 200 kann erhöht werden mittels Verschlüsselns und Modulierens des Lichtstrahls 26, 226 in Zyklen von schmalen Pulsen, was eine autonome spannungsgesteuerte Detektion und Integration erlaubt, wenn das gepulste Signal vorhanden ist.
• Bei einem alternativen Konzept kann sich die Empfindlichkeit unter Ausschluss von Temperatureffekten erhöhen. Insbesondere kann das LED-Lichtsignal auf vorgegebene Weise kodiert und/oder moduliert und anschließend modulationssensitiv detektiert werden, was auch als Lockin-Verstärkerprinzip bezeichnet werden kann.
• Eine präzise spannungsgesteuerte Pulsintegration wird vorzugsweise im linearen Bereich des Verstärkers 42 nahe null Volt (Masse) durchgeführt. Deshalb werden die Pulse so verschoben, dass deren Maxima nahe der Masse sind, und zwar mittels Vorspannens des Verstärkers mit einer vorgegebenen Offset-Spannung. Die spannungsgesteuerte Pulsintegration kann dann durchgeführt werden mittels Verwendens eines Schaltkreises zum Erfassen und Messen der Pulshöhe des Signals.
• 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schaltkreises zum Erfassen und Messen einer Pulshöhe eines Signals. Der Schaltkreis überwacht die durchschnittlichen Maxima der ankommenden Signale. Der Schaltkreis weist einen Eingang auf, an dem eine Eingangsspannung UE anliegt. Die Eingangsspannung UE kann beispielsweise der mit Bezug zu 12 erläuterten Ausgangsspannung UA entsprechen. Insbesondere kann der in 14 gezeigte Schaltkreis dem in 12 gezeigten Schaltkreis nachgeschaltet sein. Ein elfter Widerstand 130 ist einerseits mit dem Eingang des Schaltkreises und andererseits mit einem positiven Eingang (V+) eines dritten Komparators 132 elektrisch verbunden. Ein Ausgang des dritten Komparators 132 ist mit einem achten Knoten 133 elektrisch verbunden. Eine erste Diode 134 ist einerseits mit dem achten Knoten 133 und andererseits mit einem zwölften Widerstand 136 elektrisch verbunden. Der zwölfte Widerstand 136 ist einerseits mit der ersten Diode 134 und andererseits mit einem neunten Knoten 137 elektrisch verbunden. Einen vierter Komparator 138 ist an seinem positiven Eingang (V+) mit dem neunten Knoten 137 elektrisch verbunden und ist an seinem negativen Eingang (V-) und an seinem Ausgang mit einem zehnten Knoten 139 elektrisch verbunden. Ein dreizehnter Widerstand 140 ist einerseits mit dem zehnten Knoten 139 und andererseits mit einem elften Knoten 141 elektrisch verbunden. Ein negativer Eingang (V-) des dritten Komparators 132 ist mit dem elften Knoten 141 elektrisch verbunden. Eine zweite Diode 142 ist einerseits mit dem elften Knoten 141 und andererseits mit dem achten Knoten 133 elektrisch verbunden. Ein sechster Kondensator 144 ist einerseits mit dem neunten Knoten 137 und andererseits mit Masse elektrisch verbunden. Ein vierzehnter Widerstand 146 ist einerseits mit einer negativen Eingangsspannung VCC N und andererseits mit dem neunten Knoten 137 elektrisch verbunden. Ein Ausgang des Schaltkreises ist mit dem neunten Knoten 137 elektrisch verbunden. Der Ausgang des Schaltkreises stellt eine gemittelte Spannung UM bereit.
• Der elfte Widerstand 130 kann beispielsweise 10 Ω aufweisen. Der zwölfte Widerstand 136 kann beispielsweise 5,6 kQ aufweisen. Der dreizehnte Widerstand 140 kann beispielsweise 3,3 kQ aufweisen. Der vierzehnte Widerstand 146 kann beispielsweise 10 MΩ aufweisen. Der sechste Kondensator 144 kann beispielsweise eine Kapazität von 68 nF aufweisen.
• 15 zeigt ein Diagramm, das beispielhafte Pulsantworten, integrierte Pulsantworten und gemittelte Pulsantworten zeigt.
• 15 veranschaulicht die Detektion von Pulshöhenniveaus mit einem autonomen spannungsgesteuerten Schwellenwert. Insbesondere zeigt das Diagramm eine obere Kurve, die repräsentativ für Eingangspulse ist, die mit einer Offset-Spannung versehen sind, sodass deren Maxima in dem linearen Bereich nahe Masse liegen. Die untere Kurve, die zwischen ungefähr -10 mV und ungefähr 60 mV schwingt, repräsentiert ein Ausgangssignal des Schaltkreises zum Erfassen und Messen der Pulshöhe des Signals und entspricht einem Integral über die obere Kurve.
• Durch das Aufsummieren, insbesondere die Integration der Pulse auf dem sechsten Kondensator 144 mit einer durch den vierzehnten Widerstand 146 bedingten Zeitkonstante RC, wird der zeitliche Rauschanteil nur während der Dauer der Pulse aufgesammelt, nicht aber außerhalb der Dauer der Pulse. Dies hat den Vorteil, dass man systematische Beiträge des Rauschens außerhalb der Dauer der Pulse zurückdrängt, was auch als „gated measurement“ bezeichnet werden kann.
• Aufgrund der Rückkopplung zu der Eingangsstufe werden die erkannten Pulshöhenvariationen ausgenutzt, um einen Diskriminierungsschwellenwert zum Zurückweisen eines Signals an dem Eingang angepasst, das nicht für den erwarteten Pulshöhenbereich geeignet ist. In nachfolgenden Filterstufen können die erkannten Pulshöhenvariationen in der RC-Stufe zusätzlich geglättet werden, um die gewonnene Pulshöhenaggregation in jeglichem erforderlichen Glättungsgrad zu überwachen. Eine entsprechende Kurve ist in dem unteren Teil des Diagramms gezeigt und schwingt zwischen ungefähr 10 mV und ungefähr 20 mV.
• Wie im Vorhergehenden erläutert, kann eine spannungsgesteuerte Analyse der Pulshöhe eines Signals mittels Detektion des Maximums in dem weitgehend linearen Bereich mit der geringsten Abweichung des Verstärkers 42 durchgeführt werden, beispielsweise nahe null Volt (Masse).
• Um einen besonders geeigneten Betrieb sicherzustellen, kann eine geschlossene Rückkopplungsschleife vor dem regulieren der Durchschnittswerte der detektierten, aggregierten Pulse nahe einem vorgegebenen gesetzten Wert angeordnet werden, vorzugsweise nahe null Volt, wobei null Volt der gesetzte Reglerwert ist. Die geschlossene Rückkopplungsschleife kann beispielsweise einen PI-Regler aufweisen, der keine verbleibende Steuerabweichung zeigt und der Zeitkonstanteneinstellungen für eine verlässliche Schleifenstabilisierung hat.
• 16 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Reglers zum Anpassen einer Pulshöhe, wobei der Regler beispielsweise die geschlossene Rückkopplungsschleife und/oder einen PID-Regler bilden kann. An einem Eingang des Reglers liegt beispielsweise ein geglättetes Ausgangssignal UAS an. Die geglättete Ausgangsspannung UAS kann zu der gemittelten Spannung PM aus 14 korrespondieren. Dementsprechend kann der in 14 gezeigte Schaltkreis dem Regler vorgeschaltet sein.
• Das Ausgangssignal PC wird zur Eingangsspannung VCC_P am sechsten Widerstand 86 des Hauptpulshöhenverstärkers geleitet, wodurch eine geschlossene Regelschleife gebildet ist und die Pulshöhenspitze immer auf denselben Sollwert geregelt wird.
• Eine dritte Spannung U3 liegt an einem Ende eines fünfzehnten Widerstands 150 an, der an seinem anderen Ende mit einem zwölften Knoten 151 elektrisch verbunden ist, und ein sechzehnter Widerstand 152 ist einerseits mit dem zwölften Knoten 151 und andererseits mit Masse elektrisch verbunden, wobei der Sollwert durch das Verhältnis des fünfzehnten Widerstands 150 zu dem sechszehnten Widerstand 152 vorgegeben wird, beispielsweise auf ungefähr +10 mV = ungefähr 0 V. Ein positiver Eingang (V+) eines fünften Komparators 156 ist mit dem Eingang des Reglers elektrisch verbunden. Ein negativer Eingang (V-) des fünften Komparators 156 ist mit einem dreizehnten Knoten 155 elektrisch verbunden. Ein siebzehnter Widerstand 154 ist einerseits mit dem zwölften Knoten 151 und andererseits mit einem dreizehnten Knoten 155 elektrisch verbunden. Ein siebter Kondensator 158 ist einerseits mit dem dreizehnten Knoten 155 und andererseits mit einem vierzehnten Knoten 159 verbunden, mit dem auch ein Ausgang des fünften Komparators 156 elektrisch verbunden ist. Der siebzehnte Widerstand 154 und der siebte Kondensator 158 definieren die Reglergeschwindigkeit, die Zeitkonstante des PI-Reglers, Regeldynamik-Eigenschaften (wenn der Regler zu schnell ist, kann die Regelschleife schwingen), etc.
• Der siebte Kondensator 158 kann beispielsweise eine Kapazität von 100 µF aufweisen. Der fünfzehnte Widerstand 150 kann beispielsweise 10 kQ aufweisen. Der sechszehnte Widerstand 152 kann beispielsweise 100 Ω aufweisen. Der siebzehnte Widerstand 154 kann beispielsweise 100 kQ aufweisen.
• Der vierzehnten Knoten 159 trägt als Ausgang des fünften Komparators 156 die aktuelle Reglerstellgröße, die auch die Informationen über die aktuell Pulshöhe und damit die Information über den aktuellen CO₂-Gehalt in der Umgebung trägt. Mit anderen Worten, der vierzehnten Knoten 159 trägt als Ausgang des fünften Komparators 156 das Messsignal der aktuellen Pulshöhe als statisches Messsignal, das nun über die Signalleitung PC zu einem Pulshöhenmonitor bzw. Display als Anzeigewert zugeführt werden kann.
• Die Rückführung der Reglerstellgröße ist nicht in einer Figur allein dargestellt. Vielmehr nimmt die Rückführung der Reglerstellgröße in 16 mit der Pulshöhensteuerung PC ihren Ursprung und mündet in 12 als positive Eingangsspannung VCC_P in den Hauptpulshöhenverstärker. Die aktuelle Reglerstellgröße des fünften Komparators 156 wird auch über den Eingangsspannung VCC_P am sechsten Widerstand 86 dem Hauptpulshöhenverstärker zurückgeführt, um die relevante Offset-Vorspannung anzupassen, um die Pulshöhe an dem Ausgang an seinem Zielpunkt zu halten, wie mit dem gesetzten Wert des Reglers vorgegeben. Über die Auswahl des sechsten Widerstands 86 am Eingang des Hauptpulshöhenverstärkers bzw. am Ausgang des Reglers 156 kann das Spannungsniveau des Reglers eingestellt werden. Der Widerstand des sechsten Widerstands 86 kann beispielsweise 100 KΩ sein.
• Da die Information, die in den gemessenen Strompulsen enthalten ist, mittels Regulierens der Pulshöhen auf einen festen Betriebspunkt entfernt wurde, wurde die entsprechende Information des Stromsignals auf den Ausgang des Reglers übertragen, wobei das entsprechende Ausgangssignal des Reglers zum Überwachen der Pulshöhe der Strompulse verwendet werden kann.
• Es ist bekannt, dass die Emission eines lichtemittierenden Bauelements, beispielsweise einer LED oder einer OLED, bei vorgegebenen Betriebsbedingungen eine starke Temperaturabhängigkeit aufweist. Da das Messprinzip der Sensoranordnung auf dem Auswerten der empfangenen optischen Energie der Emissionen des optoelektronischen Bauelements basiert, überlappt die Emission aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur die Messergebnisse.
• 17 zeigt ein Diagramm, das eine beispielhafte Temperaturabhängigkeit einer Lichtquelle, insbesondere die Temperaturabhängigkeit der Emissionsenergie von einer Temperatur der Sperrschicht einer entsprechenden LED, zeigt. Aus 17 ist ersichtlich, dass schon geringe Änderungen der Temperatur der Sperrschicht zu Änderungen der Emissionsenergie im Prozentbereich führt, was die Ergebnisse der Absorptionsanalyse in dem Promillebereich direkt überlappt. Um das Ergebnis der Analyse der Lichtabsorption bezüglich der Temperaturabhängigkeit geeignet zu korrigieren, kann eine präzise Messung der Temperatur durchgeführt werden.
• 18 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schaltkreises zum Korrigieren einer Temperaturabhängigkeit der Emissionsenergie, beispielsweise der Lichtquelle 40 und/oder der Referenzlichtquelle 240, von der Umgebungstemperatur.
• An einem Eingang des Schaltkreises liegt eine geglättete Eingangsspannung UES an. Die Eingangsspannung UES kann beispielsweise das Pulshöhenmonitorsignal PM oder die Pulshöhensteuerung PC sein.
• Die geglättete Eingangsspannung UES kann zu dem Pulshöhenmonitorsignal PM korrespondieren. Die geglättete Eingangsspannung UES trägt das die CO₂-Information und ist somit das CO₂-Messignal vom Messverstärker, welches noch nicht vollständig temperaturbereinigt und in diesem Schaltkreis unter zur Hilfenahme einer Messung mit einem Heißleiter, in anderen Worten mit einem NTC-Widerstand, vollständig temperatur-korrigiert werden soll, was auch als NTC-Messung bezeichnet werden kann.
• Ein neunzehnter Widerstand 160 ist einerseits mit dem Eingang des Schaltkreises und andererseits mit einem fünfzehnten Knoten 161 elektrisch verbunden. An einer Seite eines zwanzigsten Widerstands 162 liegt die dritte Spannung U3 an und an einer anderen Seite des zwanzigsten Widerstands 162 ist der zwanzigsten Widerstand 162 mit einem sechzehnten Knoten 163 elektrisch verbunden. Die dritte Spannung U3 kann beispielsweise 5 V sein. Ein einundzwanzigster Widerstand 164 ist einerseits mit dem sechzehnten Knoten 163 und andererseits mit Masse elektrisch verbunden. Ein zweiundzwanzigster Widerstand 166 ist einerseits mit dem sechzehnten Knoten 163 und andererseits mit dem fünfzehnten Knoten 161 elektrisch verbunden. An einer Seite eines dreiundzwanzigsten Widerstands 168 liegt die dritte Spannung U3 an und an einer anderen Seite des dreiundzwanzigsten Widerstands 168 ist der dreiundzwanzigste Widerstand 168 mit einem siebzehnten Knoten 169 elektrisch verbunden. Ein vierundzwanzigster Widerstand 170 ist einerseits mit dem siebzehnten Knoten 169 und andererseits mit Masse elektrisch verbunden. Ein fünfundzwanzigster Widerstand 172 ist einerseits mit dem siebzehnten Knoten 169 und andererseits mit dem fünfzehnten Knoten 161 elektrisch verbunden. Ein sechsundzwanzigster Widerstand 173 ist einerseits mit dem fünfzehnten Knoten 161 und andererseits mit einem achtzehnten Knoten 175 elektrisch verbunden. Ein negativer Eingang (V-) eines sechsten Komparators 174 ist mit dem fünfzehnten Knoten 161 elektrisch verbunden, ein positiver Eingang (V+) des sechsten Komparators 174 ist mit Masse elektrisch verbunden und ein Ausgang des sechsten Komparators 174 ist mit dem achtzehnten Knoten 175 elektrisch verbunden. Ein siebenundzwanzigster Widerstand 176 ist einerseits mit dem achtzehnten Knoten 175 und andererseits mit einem neunzehnten Knoten 177 elektrisch verbunden. Ein achter Kondensator 178 ist einerseits mit dem neunzehnten Knoten 177 und andererseits mit Masse elektrisch verbunden. Eine Kapazität des achten Kondensators 178 kann beispielsweise 1 µF sein.
• Das Pulshöhenmonitorsignal PM kann an dem neunzehnten Knoten 177 abgegriffen werden, wobei das Pulshöhenmonitorsignal PM als Ausgangssignal des Schaltkreises temperatur-korrigiert ist und zu dem Pulshöhenmonitor PM geleitet werden kann.
• Der neunzehnte Widerstand 160 kann beispielsweise 10 kQ aufweisen. Der zwanzigste Widerstand 162 kann ein NTC sein und beispielsweise 47 kQ aufweisen. Der einundzwanzigste Widerstand 164 kann beispielsweise 47 kQ aufweisen. Der zweiundzwanzigste Widerstand 166 kann beispielsweise 33 kQ aufweisen. Der dreiundzwanzigste Widerstand 168 kann beispielsweise 10 kQ aufweisen. Der vierundzwanzigste Widerstand 170 kann beispielsweise 10 kQ aufweisen. Der fünfundzwanzigste Widerstand 172 kann beispielsweise 10 kQ aufweisen. Der sechsundzwanzigste Widerstand 173 kann beispielsweise 1 MΩ aufweisen. Der siebenundzwanzigste Widerstand 176 kann beispielsweise 1 kQ aufweisen. Der achte Kondensator 178 kann beispielsweise eine Kapazität von 1 µF aufweisen. Da NTC-Widerstände von Haus aus über den Temperaturbereich nicht linear sind, wird für eine objektive Temperaturmessung ein Linearisierungsnetzwerk zum Auslesen des Temperaturwerts benötigt, das durch die vorstehend erläuterte Schaltung gemäß 18 realisiert ist. Alternativ kann das die CO₂-Information tragende Messsignal in einen Mikrocontroller eingegeben werden, der eine entsprechende Nachschlagetabelle oder eine Formel zum Ermitteln der Temperatur aufweist.
• Insgesamt werden in dem vorstehend erläuterten Schaltkreis drei Größen addiert und multipliziert, insbesondere ist $$\text{PM}=\left(\text{U}\_\text{PM}\_\text{in}+\text{k}*\text{U}\_\text{NTC}*\text{Uconst}\right)*\text{v}$$

  

  wobei v= 10 bis 100 quasi eine Nachverstärkung für das Messsignal ist.
• Im Betrieb des Schaltkreises zum Korrigieren der Temperaturabhängigkeit wird die Temperatur mit dem zwanzigsten Widerstand 162 erfasst, der vorzugsweise nahe der Lichtquelle 24, 224 angeordnet ist. Der Schaltkreis zur Linearisierung der NTC-Messung ist ein Spannungsteiler mit geeignet abgestimmten Widerstandswerten. Die Zwiebelkennlinie eines Spannungsteilers würde die Antizwiebelkennlinie eines NTCs weitgehend kompensieren.
• Die Abweichung der Messergebnisse der Sensoranordnung in Abhängigkeit der Temperatur kann kritisch sein, da sich die Emissionsenergie des optoelektronischen Bauelements mit der Temperatur im Prozentbereich ändern kann, während die erwartete Änderung des Signals aufgrund der Absorption von CO₂ im Promille-Bereich liegt. Die Temperaturabhängigkeit der Messergebnisse der Sensoranordnung kann alternativ verringert werden, indem eine Vergleichsmessung entlang der Referenzabsorptionsstrecke 230 durchgeführt wird.
• Diese komplementäre Messung ermöglicht eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Messergebnisses aufgrund der Temperatur der Lichtquelle 224 und des erfassenden Lichtdetektors 240 und ermöglicht eine Verbesserung der Präzision der Messung aufgrund des gepaarten Vergleichs. Dies bedeutet in anderen Worten, dass man unter Verwendung einer zweiten Messzelle eine Vergleichsreferenz bekommt, die denselben Temperatureffekten unterliegt wie die eigentliche Messzelle. Dadurch kann bei der Vergleichsmessung mit diesem Referenzmesswert das Temperaturverhalten weitgehend kompensiert werden, was auch als gepaarter Vergleich bezeichnet werden kann. Eine entsprechende Sensoranordnung ist beispielsweise in 2 gezeigt.
• Sollte noch ein Temperatureinfluss in dem bereinigten Messsignal vorhanden sein, so könnte dieser mit dem nachfolgend beschriebenen Schaltkreis bereinigt werden.
• 19 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verstärkers, beispielsweise des Verstärkers 42. Der Verstärker 42 kann beispielsweise als Alternative des mit Bezug zu 3 erläuterten Verstärkers 42 bei der Sensoranordnung mit der Absorptionsstrecke 30 und der Referenzabsorptionsstrecke 230 verwendet werden. Der Verstärker 42 weist zusätzlich zu den mit Bezug zu 3 erläuterten Bauelementen folgende Bauelemente auf.
• Der zweite Strom I2 fließt über einen zweiunddreißigsten Widerstand 192, der mit dem zwanzigsten Knoten 245 elektrisch verbunden ist. Ein einunddreißigster Widerstand 190 ist einerseits mit dem einundzwanzigsten Knoten 249 und andererseits mit Masse elektrisch verbunden. Der achtundzwanzigste Widerstand 244 ist bei diesem Ausführungsbeispiel einerseits mit dem einundzwanzigsten Knoten 249 und andererseits mit einem zweiundzwanzigsten Knoten 191 verbunden. Ein elfter Kondensator 193 ist einerseits mit dem zweiundzwanzigsten Knoten 191 und andererseits mit Masse elektrisch verbunden. Ein dreiunddreißigster Widerstand 194 ist einerseits mit dem zweiundzwanzigsten Knoten 191 und andererseits mit dem einundzwanzigsten Knoten 249 elektrisch verbunden.
• Der erste Strom I1 fließt bei diesem Ausführungsbeispiel über einen fünfunddreißigsten Widerstand 196, der mit dem ersten Knoten 45 elektrisch verbunden ist. Ein vierunddreißigster Widerstand 195 ist einerseits mit Masse und andererseits mit einem vierten Knoten 201 elektrisch verbunden. Der erste Widerstand 44 ist bei diesem Ausführungsbeispiel einerseits mit dem vierten Knoten 201 und andererseits mit einem dreiundzwanzigsten Knoten 197 elektrisch verbunden. Ein zwölfter Kondensator 198 ist einerseits mit Masse und andererseits mit dem dreiundzwanzigsten Knoten 197 elektrisch verbunden. Ein sechsunddreißigster Widerstand 199 ist einerseits mit dem dreiundzwanzigsten Knoten 197 und andererseits mit dem zweiten Knoten 49 elektrisch verbunden.
• Der elfte Kondensator 193 kann beispielsweise eine Kapazität von 100 nF aufweisen. Der zwölfte Kondensator 198 kann beispielsweise eine Kapazität von 100 nF aufweisen. Der einunddreißigste Widerstand 190 kann beispielsweise 10 MΩ aufweisen. Der vierunddreißigste Widerstand 195 kann beispielsweise 10 MΩ aufweisen. Der zweiunddreißigste Widerstand 192 kann beispielsweise 10 Ω aufweisen. Der fünfunddreißigste Widerstand 196 kann beispielsweise 10 Ω aufweisen. Der dreiunddreißigste Widerstand 194 kann beispielsweise 1 kΩ aufweisen. Der sechsunddreißigste Widerstand 199 kann beispielsweise 1 kΩ aufweisen.
• An beiden Eingängen des Verstärkers 42 sind Widerstände angeordnet, deren elektrischer Widerstand im niedrigen Ohm-Bereich liegt, um den Fotostrom aus beiden Absorptionsstrecken 30, 230 anzupassen, falls diese bei ihrer Reaktion leichte Unterschiede aufweisen.
• Derartige Unterschiede können daraus resultieren, dass der Absorptionsabschnitt unter Referenzabschnitt grundsätzlich nicht identisch ist. Sie können zwar durch die gleichen Bauelemente gebildet sein, jedoch können in der Praxis auch gleiche Bauelemente geringfügig unterschiedliche Reaktionen auf dieselbe Anregung haben. Ungleich größer sind die Unterschiede, falls nicht die gleichen Bauelemente verwendet werden sollten.
• Der zweiunddreißigste Widerstand 192 und der fünfunddreißigste Widerstand 196 ermöglichen jedoch, durch gezielte Wahl deren elektrischer Widerstände jeweils von 1 Ω bis 100 Ω die Balance zwischen dem Messabschnitt und dem Referenzabschnitt herzustellen und die vorgenannten Unterschiede auszugleichen. Dabei ist bevorzugt, dass das Messsignal des Absorptionsabschnitts immer ein wenig größer ist als das des Referenzabschnitts, damit das Differenzsignal immer im positiven Bereich bleibt. Alternativ wäre es möglich, zur Pulshöhenmessung auch die Pulshöhe in die negative Richtung zu messen.
• Hochpräzise Verstärker mit einem geringen Leckstrom sind relativ teuer. Im Unterschied dazu sind Transimpedanzverstärker mit dedizierten separaten rauscharmen Feldeffekttransistoren mit geringen Gate-Leckströmen und geringen Gate-Kapazitäten relativ kostengünstige Alternativen. Ausführungsbeispiele von entsprechenden Verstärkern 42 sind mit Bezug zu den folgenden Figuren erläutert.
• 20 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schaltkreises zum Erhöhen einer Sensitivität einer Sensoranordnung. Ein siebenundzwanzigster Widerstand 300 ist einerseits mit Masse und andererseits mit einem vierundzwanzigsten Knoten 301 elektrisch verbunden. An dem vierundzwanzigsten Knoten 301 liegt eine Vorspannung UB an. Ein achtunddreißigster Widerstand 302 ist einerseits mit dem vierundzwanzigsten Knoten 301 und andererseits mit einem fünfundzwanzigsten Knoten 303 verbunden. Eine Fotodiode 304 ist einerseits mit dem fünfundzwanzigsten Knoten 303 und andererseits mit einem sechsundzwanzigsten Knoten 307 elektrisch verbunden. Ein dreizehnter Kondensator 306 ist einerseits mit dem fünfundzwanzigsten Knoten 303 und andererseits mit dem sechsundzwanzigsten Knoten 307 elektrisch verbunden. Ein neununddreißigster Widerstand 308 ist einerseits mit dem sechsundzwanzigsten Knoten 307 und andererseits mit einem siebenundzwanzigsten Knoten 309 elektrisch verbunden. Ein vierzehnter Kondensator 310 ist einerseits mit dem sechsundzwanzigsten Knoten 307 und andererseits mit dem siebenundzwanzigsten Knoten 309 elektrisch verbunden. Ein dritter Strom I3 fließt über den sechsundzwanzigsten Knoten 307. Ein fünfzehnter Kondensator 312 ist einerseits mit dem fünfundzwanzigsten Knoten 303 und andererseits mit dem achtundzwanzigsten Knoten 313 elektrisch verbunden. Ein erster Transistor 314 ist einerseits mit dem achtundzwanzigsten Knoten 313 und andererseits mit dem siebenundzwanzigsten Knoten 309 elektrisch verbunden. An einer Drain des ersten Transistors 314 liegt die dritte Spannung U3 an. Ein vierzigster Widerstand 316 ist einerseits mit dem siebenundzwanzigsten Knoten 309 und andererseits mit einem neunundzwanzigsten Knoten 319 elektrisch verbunden. Über den siebenundzwanzigsten Knoten 309 fließt ein vierter Strom 14. Ein sechzehnter Kondensator 318 ist einerseits mit dem neunundzwanzigsten Knoten 319 und andererseits mit Masse elektrisch verbunden. Ein sechzehnter Kondensator 320 ist einerseits mit dem siebenundzwanzigsten Knoten 309 und andererseits mit einem dreißigsten Knoten 321 elektrisch verbunden. Ein einundvierzigster Widerstand 322 ist einerseits mit dem siebenundzwanzigsten Knoten 309 und andererseits mit dem dreißigsten Knoten 321 elektrisch verbunden. Ein negativer Eingang (-) eines siebten Komparators 124 ist mit dem siebenundzwanzigsten Knoten 309 elektrisch verbunden. Ein positiver Eingang (+) des siebten Komparators 124 ist mit dem neunundzwanzigsten Knoten 319 elektrisch verbunden. Ein Ausgang des Komparators 324 ist mit dem dreißigsten Knoten 321 elektrisch verbunden. Außerdem kann an einem positiven Spannungseingang des siebten Komparators 324 die dritte Spannung U3 anliegen. An einem negativen Spannungseingang des siebten Komparators 124 kann eine vierte Spannung U4 anliegen kann. Ein Impulsausgang PO des Schaltkreises ist mit dem dreißigsten Knoten 321 elektrisch verbunden.
• Der dreizehnte Kondensator 306 kann beispielsweise eine Kapazität von 1 nF aufweisen. Der vierzehnte Kondensator 310 kann beispielsweise eine Kapazität von 100 pF aufweisen. Der fünfzehnte Kondensator 312 kann beispielsweise eine Kapazität von 100 µF aufweisen. Der sechzehnte Kondensator 318 kann beispielsweise eine Kapazität von 100 nF aufweisen. Der achtunddreißigste Widerstand 302 kann beispielsweise 5 kΩ aufweisen. Der neununddreißigste Widerstand 308 kann beispielsweise 1 MΩ aufweisen. Der vierzigste Widerstand 316 kann beispielsweise 1 MΩ aufweisen. Der einundvierzigster Widerstand 322 kann beispielsweise 1 MΩ aufweisen.
• Der Schaltkreis ermöglicht eine Erhöhung der Sensitivität der Sensoranordnung aufgrund der Verwendung des ersten Transistors 314, der beispielsweise ein Feldeffekttransistor sein kann. Der erste Transistor 314 kann beispielsweise die interne die Kapazität des internen pn-Übergangs der Fotodiode aufheben, wodurch das Signal/Rausch-Verhältnis an dem Ausgang des Verstärkers 42 verbessert wird. Die Kapazität des internen pn-Übergangs der Fotodiode kann beispielsweise 1000 pF sein.
• Durch das Bootstrapping kann der Beitrag des kapazitiven Rauschens der Fotodiode (als Sensorelement) minimiert werden. Der Ausgang der Feldeffekttransistor-basierten Bootstrapping-Stufe kann auch jedem anderen Verstärkerschaltkreis zugeführt werden, was auch als Bootstrapping mit FET-Eingang bezeichnet werden kann.
• Der in 20 gezeigte Schaltkreis kann beispielsweise bei der in 2 gezeigten Sensoranordnung 20 dem Verstärker 42 als Eingangsstufe vorgeschaltet werden. Der in 20 gezeigte Schaltkreis kann beispielsweise bei der in 3 gezeigten Sensoranordnung 200 dem Verstärker 42, insbesondere dem achtundzwanzigsten Widerstand 244, als Eingangsstufe vorgeschaltet werden. Der in 20 gezeigte Schaltkreis kann beispielsweise bei der in 3 gezeigten Sensoranordnung 200 dem Verstärker 42, insbesondere dem ersten Widerstand 44, als Eingangsstufe vorgeschaltet werden.
• 21 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schaltkreises zum Erhöhen einer Sensitivität einer Sensoranordnung. Der in 21 gezeigte Schaltkreis entspricht zumindest teilweise dem mit Bezug zu 20 erläuterten Schaltkreis, weswegen im Folgenden ausschließlich die gegenüber 20 neuen Bauelemente beschrieben werden.
• Der in 21 gezeigte Schaltkreis kann beispielsweise bei der in 2 gezeigten Sensoranordnung 20 dem Verstärker 42 als Eingangsstufe vorgeschaltet werden. Der in 21 gezeigte Schaltkreis kann beispielsweise bei der in 3 gezeigten Sensoranordnung 200 dem Verstärker 42, insbesondere dem achtundzwanzigsten Widerstand 244, als Eingangsstufe vorgeschaltet werden. Der in 21 gezeigte Schaltkreis kann beispielsweise bei der in 3 gezeigten Sensoranordnung 200 dem Verstärker 42, insbesondere dem ersten Widerstand 44, als Eingangsstufe vorgeschaltet werden.
• Ein vierter Widerstand 330 ist einerseits mit dem siebenundzwanzigsten Knoten 309 und andererseits mit dem sechsundzwanzigsten Knoten 307 elektrisch verbunden. Ein neunzehnter Kondensator 332 ist einerseits mit dem sechsten zwanzigsten Knoten 307 und andererseits mit Masse elektrisch verbunden. Ein zweiundvierzigster Widerstand 344 ist einerseits mit dem sechsundzwanzigsten Knoten 307 und andererseits mit einem sechsten Knoten 345 elektrisch verbunden. Ein zwanzigster Kondensator 346 ist einerseits mit dem sechsten Knoten 245 und andererseits mit einem einunddreißigsten Knoten 349 elektrisch verbunden. Ein negativer Eingang eines achten Komparators 348 ist mit dem sechsten Knoten 345 elektrisch verbunden. Ein positiver Eingang des achten Komparators 348 ist mit Masse elektrisch verbunden. Ein Ausgang des Komparators 348 ist mit dem einunddreißigsten Knoten 349 elektrisch verbunden. An einem positiven Spannungseingang des achten Komparators 348 liegt die dritte Spannung U3 an. An einem negativen Spannungseingang des achten Komparators 348 liegt die vierte Spannung U4 an. Ein dreiundvierzigster Widerstand 350 ist einerseits mit dem einunddreißigsten Knoten 349 und andererseits mit einem zweiunddreißigsten Knoten 351 elektrisch verbunden. Ein einundzwanzigster Kondensator 352 ist einerseits mit dem zweiunddreißigsten Knoten 351 und andererseits mit Masse elektrisch verbunden. Eine Basis eines zweiten Transistors 354 ist mit dem zweiunddreißigsten Knoten 351 elektrisch verbunden. Ein Emitter des zweiten Transistors 354 ist mit einem vierundzwanzigsten Widerstand 356 elektrisch verbunden. Der vierundvierzigste Widerstand 356 ist einerseits mit dem Emitter des zweiten Transistors 354 und andererseits mit der vierten Spannung U4 elektrisch verbunden. Ein Kollektor des zweiten Transistors 354 ist mit einem dreiunddreißigsten Knoten 359 elektrisch verbunden. Eine Basis eines dritten Transistors 358 ist mit dem siebenundzwanzigsten Knoten 309 elektrisch verbunden. An einem Drain des dritten Transistors 358 liegt die dritte Spannung U3 an. Eine Source des dritten Transistors 358 ist mit dem dreiunddreißigsten Knoten 359 elektrisch verbunden. Ferner ist der dreiunddreißigste Knoten 359 mit dem vierzigsten Widerstand 316 und mit dem negativen Eingang des siebten Komparators 324 elektrisch verbunden.
• Der vierte Widerstand 330 kann beispielsweise 10 MΩ aufweisen. Der neunzehnte Kondensator 332 kann beispielsweise eine Kapazität von 100 nF aufweisen. Der zweiundvierzigste Widerstand 344 kann beispielsweise 1 kΩ aufweisen. Der zwanzigste Kondensator 346 kann beispielsweise eine Kapazität von 1 nF aufweisen. Der dreiundvierzigste Widerstand 350 kann beispielsweise 10 kΩ aufweisen. Der einundzwanzigste Kondensator 352 kann beispielsweise eine Kapazität von 1 µF aufweisen. Der vierundvierzigste Widerstand 356 kann beispielsweise 1 kΩ aufweisen.
• Der Schaltkreis weist eine besonders hohe Sensitivität auf, und zwar aufgrund der Verwendung eines separaten rauscharmen Feldeffekttransistor-Verstärkers, aufweisend den ersten Transistor 314 (in 20) bzw. den dritten Transistor 358 (in 21) als direkten Strompuffer für einen monolithischen Verstärkereingang niedriger Qualität.
• Durch den achten Komparator 348 ist eine geschlossene PI-Regelschleife realisiert. Diese PI-Regelschleife passt automatisch einen Betriebspunkt des transistorbasierten Vorverstärkers unter der Prämisse an, dass die durchschnittliche Spannung an dem Gate des Vorverstärker-Transistors bei null Volt gehalten wird (Zero-Gating). Durch das Zero-Gating kann der Beitrag von fehlerhaften Leckströmen von der Fotodiode (als Sensorelement) minimiert werden.
• Ein besonders stabiler Ansteuerstrom zum Betreiben der Lichtquelle 24, 224 kann zu einer besonders präzisen Absorptionsmessungen bei der CO₂-Erfassung beitragen. Variationen in dem Ansteuerstrom überlagern direkt das Messsignal, weswegen der Ansteuerstrom mit Bezug zu Umgebungseinflüssen, wie etwa der Temperatur und/oder dem Alter, präzise reguliert und stabilisiert werden soll.
• In 20 und 22 sind zwei unterschiedliche Aspekte zur Beschaltung eines FET-Vorverstärkers dargestellt. Bei 20 handelt es sich um das sogenannte Bootstrapping, bei der sich über ein positives Feedback zum Sensor/zur Fotodiode der Wirkanteil der Fotodiodenkapazität verringern lässt. Das Kapazitive Rauschen der Fotodiode lässt sich kompensieren. Bei 21 handelt es sich um das sogenannte Zero-Gating, bei dem das Spannungspotential am FET-Eingang im Mittel immer exakt auf Nullgeregelt wird, was fehlerhafte Leckströme vom Sensor verringert, auch bezeichnet als Zero-Gate-Control.
• 22 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schaltkreises zum Regeln eines Ansteuerstroms, insbesondere für den LED-Pulsbetrieb. Der Schaltkreis dient insbesondere zum Bereitstellen eines stabilen Ansteuerstroms zum Betreiben der Lichtquelle 22, 222.
• Ein fünfundvierzigster Widerstand 400 ist einerseits mit einem positiven Eingang eines neunten Komparators 402 und andererseits mit einem siebten Knoten 401 elektrisch verbunden. Ein negativer Eingang des neunten Komparators 402 ist mit einem vierunddreißigsten Knoten 403 elektrisch verbunden. An einem negativen Spannungseingang des neunten Komparators 402 liegt die vierte Spannung U4 an. An einem positiven Spannungseingang des neunten Komparators 402 liegt die dritte Spannung U3 an. Ein sechsundvierzigster Widerstand 404 ist einerseits mit dem vierunddreißigsten Knoten 403 und andererseits mit Masse elektrisch verbunden. Ein siebenundvierzigster Widerstand 406 ist einerseits mit dem vierunddreißigsten Knoten 403 und andererseits mit einem fünfunddreißigsten Knoten 407 elektrisch verbunden. Ein zweiundvierzigster Kondensator 408 ist einerseits mit dem vierunddreißigsten Knoten 403 und andererseits mit dem fünfunddreißigsten Knoten 407 elektrisch verbunden. Ein Ausgang des neunten Komparators 402 ist mit dem fünfunddreißigsten Knoten 407 elektrisch verbunden. Ein achtundvierzigster Widerstand 410 ist einerseits mit dem fünfunddreißigsten Knoten 407 und andererseits mit einem sechsunddreißigsten Knoten 411 elektrisch verbunden. Ein zehnter Komparator 412 ist an seinem positiven Eingang mit einem neunundzwanzigsten Widerstand 413 elektrisch verbunden, der andererseits mit einem siebenunddreißigsten Knoten 415 elektrisch verbunden ist. Der negative Eingang des zehnten Komparators 412 ist mit dem sechsunddreißigsten Knoten 411 elektrisch verbunden. Ein Ausgang des zehnten Komparators 412 ist mit einem achtunddreißigsten Knoten 421 elektrisch verbunden. Ein neunundvierzigster Widerstand 414 ist einerseits mit einem siebenunddreißigsten Knoten 415 elektrisch verbunden und liegt andererseits auf der dritten Spannung U3. Ein fünfzigster Widerstand 416 ist einerseits mit dem siebenunddreißigsten Knoten 415 und andererseits mit Masse elektrisch verbunden. Ein dreiundzwanzigster Kondensator 420 ist einerseits mit dem sechsunddreißigsten Knoten 411 und andererseits mit dem achtunddreißigsten Knoten 421 elektrisch verbunden. Ein zweiunddreißigster Widerstand 422 ist einerseits mit dem achtunddreißigsten Knoten 421 und andererseits mit dem neununddreißigsten Knoten 423 elektrisch verbunden. Eine dritte Diode 424 ist einerseits mit dem neununddreißigsten Knoten 423 und andererseits mit einem Inverter 426 elektrisch verbunden. Der Inverter 426 invertiert ein pulsweitenmoduliertes Signal PWM. Das pulsweitenmodulierte Signal PWM kann beispielsweise von einem Oszillator bereitgestellt werden. Das pulsweitenmodulierte Signal PWM kann beispielsweise gegebenenfalls einer digitalen Prozessoreinheit der Auswerteeinheit bereitgestellt werden. Ein vierundzwanzigster Kondensator 428 ist einerseits mit dem siebten Knoten 401 und andererseits mit Masse elektrisch verbunden. Ein dreiunddreißigster Widerstand 430 ist einerseits mit dem siebten Knoten 401 und andererseits mit einem vierzigsten Knoten 431 elektrisch verbunden. Ein vierunddreißigster Widerstand 432 ist einerseits mit dem vierzigsten Knoten 431 und andererseits mit Masse elektrisch verbunden. Eine Leuchtdiode 434, die beispielsweise die Lichtquelle 24, 224 repräsentieren kann, ist einerseits mit dem vierzigsten Knoten 431 und andererseits mit einer Drain eines vierten Transistors 436 elektrisch verbunden. Ein Gate des vierten Transistors 436 ist mit einem neununddreißigsten Knoten 423 elektrisch verbunden. Eine Source des vierten Transistors 436 ist mit einem einundvierzigsten Knoten 440 elektrisch verbunden. An dem einundvierzigsten Knoten 440 liegt die dritte Spannung U3 an. Ein fünfundzwanzigster Kondensator 438 ist einerseits mit dem einundvierzigsten Knoten 440 und andererseits mit Masse elektrisch verbunden.
• Der zweiundfünfzigste Widerstand 430 kann beispielsweise 47 kΩ aufweisen. Der vierundzwanzigste Kondensator 428 kann beispielsweise eine Kapazität von 100 nF aufweisen. Der fünfundvierzigste Widerstand 400 kann beispielsweise 1 kΩ aufweisen. Der sechsundvierzigste Widerstand 404 kann beispielsweise 1 kΩ aufweisen. Der zweiundvierzigste Kondensator 408 kann beispielsweise eine Kapazität von 100 nF aufweisen. Der siebenundvierzigste Widerstand 406 kann beispielsweise 100 kΩ aufweisen. Der achtundvierzigste Widerstand 410 kann beispielsweise 10 kΩ aufweisen. Der dreiundzwanzigste Kondensator 420 kann beispielsweise eine Kapazität von 10 µF aufweisen. Der einundfünfzigste Widerstand 422 kann beispielsweise 2,7 kΩ aufweisen. Der neunundvierzigste Widerstand 414 kann beispielsweise 3,3 kΩ aufweisen. Der fünfzigste Widerstand 416 kann beispielsweise 15 kΩ aufweisen. Der dreiundfünfzigste Widerstand 432 kann beispielsweise zwischen 0,01 Ω bis 10 Ω, beispielsweise 1 Ω, aufweisen. Der dreiundfünfzigste Widerstand 432 kann als Strommesswiderstand, oder in anderen Worten als Shunt, bezeichnet werden, mit dem man den aktuellen Strom misst und der so groß ist, dass man damit gerade noch genügend Messsignal extrahieren kann. Der fünfundzwanzigste Kondensator 438 kann beispielsweise eine Kapazität von 100 µF aufweisen.
• 23 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Erfassen eines CO₂-Gehalts in einer vorgegebenen Umgebung.
• Bei dem Verfahren wird in einem Schritt S2 ein Lichtstrahl mittels einer Lichtquelle erzeugt, beispielsweise der Lichtstrahl 26 mittels der Lichtquelle 24.
• In einem Schritt S4 wird der Lichtstrahl nach Durchlaufen einer Absorptionsstrecke, beispielsweise der Lichtstrahl 26 nach Durchlaufen der Absorptionsstrecke 30, mittels eines Lichtdetektors, beispielsweise des Lichtdetektors 40, erfasst. Die Absorptionsstrecke weist eine Länge L in einem Bereich von 5 mm bis 20 mm auf.
• In einem Schritt S6 wird abhängig von einem Ausgangssignal des Lichtdetektors, das repräsentativ für einen Messwert ist, der repräsentativ für den absoluten CO₂-Gehalt in der vorgegebenen Umgebung ist, der absolute CO₂-Gehalt in der vorgegebenen Umgebung ermittelt.
• Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise können die Ausführungsbeispiele wie vorstehend erläutert miteinander kombiniert werden.
• Bezugszeichenliste

20

erste Sensoranordnung

22

Energiequelle

24

Lichtquelle

26

Lichtstrahl

30

Absorptionsstrecke

32

Röhrchen

34

erstes Ende des Röhrchens

36

zweites Ende des Röhrchens

38

Öffnung

40

Lichtdetektor

42

Verstärker

44

erster Widerstand

45

erster Knoten

46

zweiter Widerstand

48

erster Kondensator

49

zweiter Knoten

50

erster Komparator

52

dritter Widerstand

54

zweiter Kondensator

55

dritter Knoten

60

erstes Diagramm

62

erste Kurve

70

erster Abschnitt

72

zweiter Abschnitt

74

dritter Abschnitt

82

dritter Kondensator

84

fünfter Widerstand

86

sechster Widerstand

87

fünfter Knoten

88

siebter Widerstand

90

achter Widerstand

92

neunter Widerstand

94

vierter Kondensator

130

elfter Widerstand

132

dritter Komparator

133

achter Knoten

134

erste Diode

136

zwölfter Widerstand

137

neunter Knoten

138

vierter Komparator

139

zehnter Knoten

140

dreizehnter Widerstand

141

elfter Knoten

142

zweite Diode

144

sechster Kondensator

146

vierzehnter Widerstand

150

fünfzehnter Widerstand

151

zwölfter Knoten

152

sechzehnter Widerstand

154

siebzehnter Widerstand

155

dreizehnter Knoten

156

fünfter Komparator

158

siebter Kondensator

159

vierzehnter Knoten

160

neunzehnter Widerstand

161

fünfzehnter Knoten

162

zwanzigster Widerstand

163

sechzehnter Knoten

164

einundzwanzigster Widerstand

166

zweiundzwanzigster Widerstand

168

dreiundzwanzigster Widerstand

169

siebzehnter Knoten

170

vierundzwanzigster Widerstand

172

fünfundzwanzigster Widerstand

173

sechsundzwanzigster Widerstand

174

sechster Komparator

175

achtzehnter Knoten

176

siebenundzwanzigster Widerstand

177

neunzehnter Knoten

178

achter Kondensator

190

einunddreißigster Widerstand

191

zweiundzwanzigster Knoten

192

zweiunddreißigster Widerstand

193

elfter Kondensator

194

dreiunddreißigster Widerstand

195

vierunddreißigster Widerstand

196

fünfunddreißigster Widerstand

197

dreiundzwanzigster Knoten

198

zwölfter Kondensator

199

sechsunddreißigster Widerstand

200

zweite Sensoranordnung

201

vierter Knoten

222

Referenzenergiequelle

224

Referenzlichtquelle

226

Referenzlichtstrahl

230

Referenzabsorptionsstrecke

232

Referenzröhrchen

234

erstes Ende Referenz Röhrchens

236

zweites Ende Referenzröhrchen

240

Referenzlichtdetektor

244

achtundzwanzigster Widerstand

245

zwanzigster Knoten

246

neunundzwanzigster Widerstand

248

neunter Kondensator

249

einundzwanzigster Knoten

252

dreißigster Widerstand

254

zehnter Kondensator

260

zweites Diagramm

262

vierte Kurve

300

siebenunddreißigster Widerstand

301

vierundzwanzigster Knoten

302

achtunddreißigster Widerstand

303

fünfundzwanzigster Knoten

304

Fotodiode

306

dreizehnter Kondensator

307

sechsundzwanzigster Knoten

308

neununddreißigster Widerstand

309

siebenundzwanzigster Knoten

310

vierzehnter Kondensator

312

fünfzehnter Kondensator

313

achtundzwanzigster Knoten

314

erster Transistor

316

vierzigster Widerstand

318

sechzehnter Kondensator

319

neunundzwanzigster Knoten

320

sechzehnter Kondensator

321

dreißigster Knoten

322

einundvierzigster Widerstand

324

siebter Komparator

330

vierter Widerstand

332

neunzehnter Kondensator

344

zweiundvierzigster Widerstand

345

sechster Knoten

346

zwanzigster Kondensator

348

achter Komparator

349

einunddreißigster Knoten

350

dreiundvierzigster Widerstand

351

zweiunddreißigster Knoten

352

einundzwanzigster Kondensator

354

zweiter Transistor

356

vierundvierzigster Widerstand

358

dritter Transistor

359

dreiunddreißigster Knoten

400

fünfundvierzigster Widerstand

401

siebter Knoten

402

neunter Komparator

403

vierunddreißigster Knoten

404

sechsundvierzigster Widerstand

406

siebenundvierzigster Widerstand

407

fünfunddreißigster Knoten

408

zweiundzwanzigster Kondensator

410

achtundvierzigster Widerstand

411

sechsunddreißigster Knoten

412

zehnter Komparator

413

neunundzwanzigster Widerstand

414

neunundvierzigster Widerstand

415

siebenunddreißigster Knoten

416

fünfzigster Widerstand

420

dreiundzwanzigster Kondensator

421

achtunddreißigster Knoten

422

einundfünfzigster Widerstand

423

neununddreißigster Knoten

424

dritte Diode

426

Inverter

428

vierundzwanzigster Kondensator

430

zweiundfünfzigster Widerstand

431

vierzigster Knoten

432

dreiundfünfzigster Widerstand

434

Leuchtdiode

436

vierter Transistor

438

fünfundzwanzigster Kondensator

440

einundvierzigster Knoten

L

Länge

U1

erste Spannung

U2

zweite Spannung

U3

dritte Spannung

U4

vierte Spannung

UA

Ausgangsspannung

UB

Vorspannung

UE

Eingangsspannung

UO

Offsetspannung

UM

gemittelte Spannung

UAS

geglättete Ausgangsspannung

UES

geglättete Eingangsspannung

PM

Pulshöhenmonitorsignal

PC

Pulshöhensteuerung

PO

Pulsausgang

VCC_P

positive Eingangsspannung

VCC_N

negative Eingangsspannung

I1

erster Strom

I2

zweiter Strom

I3

dritter Strom

I4

vierter Strom

IR

Rohstrom

T

Temperatur

RP

Strahlenergie

PWM

pulsweitenmoduliertes Signal

S2-S6

Schritte eins bis drei

Claims (14)

1. Sensoranordnung zum Erfassen eines CO₂-Gehalts in einer vorgegebenen Umgebung, aufweisend: eine Lichtquelle (24) zum Erzeugen eines Lichtstrahls (26) ; eine Absorptionsstrecke (30), die mit der vorgegebenen Umgebung kommuniziert, die so angeordnet ist, dass der Lichtstrahl (26) die Absorptionsstrecke (30) durchläuft, und die ein Länge (L) zwischen 5 mm und 20 mm aufweist; einen Lichtdetektor (40), der so angeordnet ist, dass er den aus der Absorptionsstrecke (30) austretenden Lichtstrahl (26) erfasst, und der so ausgebildet ist, dass er ein Ausgangssignal erzeugt, das repräsentativ für einen Messwert ist, der repräsentativ für den absoluten CO₂-Gehalt in der vorgegebenen Umgebung ist; und einen Verstärker (42), der mit dem Lichtdetektor (40) elektrisch gekoppelt ist und der so ausgebildet ist, dass er ein Ausgangssignal erzeugt, das repräsentativ für den absoluten CO₂-Gehalt in der vorgegebenen Umgebung ist.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, bei dem die Länge (L) der Absorptionsstrecke (30) zwischen 8 mm und 15 mm beträgt.
3. Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Absorptionsstrecke (30), die mit der vorgegebenen Umgebung kommuniziert, ein Hohlraum eines Röhrchens (32) ist, das hin zu der Umgebung geöffnet ist, und das so angeordnet ist, dass der Lichtstrahl (26) an einem ersten Ende (34) des Röhrchens (32) in den Hohlraum eintritt und an einem zweiten Ende (36) des Röhrchens (32) aus dem Hohlraum austritt.
4. Sensordaten Anordnung nach Anspruch 3, bei dem das Röhrchen (32) einen Durchmesser zwischen 3 mm und 6 mm, beispielswiese zwischen 4 mm und 5 mm, hat.
5. Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Licht des Lichtstrahls (26) eine Wellenlänge hat in einem Bereich zwischen 4 µm und 5 µm, insbesondere zwischen 4,2 µm und 4,3 µm.
6. Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Auswerteeinheit, die mit dem Verstärker (42) elektrisch gekoppelt ist und die so ausgebildet ist, dass sie den absoluten CO₂-Gehalts mittels eines Vergleichs des Messwerts und eines Referenzwerts, der für einen vorgegebenen CO₂-Gehalt repräsentativ ist, ermittelt.
7. Sensoranordnung nach Anspruch 6, einer Referenzabsorptionsstrecke (230), die gegenüber der Umgebung luftdicht abgegrenzt ist, die einen vorgegebenen absoluten CO₂-Gehalt aufweist und die so angeordnet ist, dass ein Referenzlichtstrahl (226), der mittels einer Referenzlichtquelle (224) der Sensoranordnung oder mittels Aufteilens des Lichtstrahls (26) erzeugt wird, die Referenzabsorptionsstrecke (230) durchläuft, wobei der aus der Referenzabsorptionsstrecke (230) austretende Referenzlichtstrahl (226) mittels des Lichtdetektors (40) oder mittels eines Referenzlichtdetektors (240) der Sensoranordnung, der gegebenenfalls über den Verstärker (42) mit der Auswerteeinheit elektrisch gekoppelt ist, erfasst wird, und wobei die Auswerteeinheit so ausgebildet ist, dass sie den Referenzwert abhängig von dem Ausgangssignal des Lichtdetektors (40), das aufgrund des Referenzlichtstrahls (226) erzeugt wird, oder gegebenenfalls abhängig von dem Ausgangssignal des Referenzlichtdetektors (240) ermittelt.
8. Sensoranordnung nach Anspruch 6, mit einer Speichereinheit, die mit der Auswerteeinheit (42) gekoppelt ist oder von dieser umfasst ist und in der der Referenzwert gespeichert ist.
9. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der die Auswerteeinheit (42) einen Mikrochip aufweist, der so ausgebildet ist, dass er abhängig von dem Ausgangssignal des Lichtdetektors (40) am Ausgang der Absorptionszelle den absoluten CO₂-Gehalt in der vorgegebenen Umgebung ermittelt; abhängig von dem Ausgangssignal des Lichtdetektors am Ausgang der Absorptionszelle den absoluten CO₂-Gehalt in der Umgebung mittels des Vergleichs des Ausgangssignals des Lichtdetektors (40), das aufgrund des Lichtstrahls (26) erzeugt wird, und mittels des Ausgangssignals des Lichtdetektors (40), das aufgrund des Referenzlichtstrahls (226) erzeugt wird, oder gegebenenfalls des Referenzlichtdetektors (240) ermittelt; oder den absoluten CO₂-Gehalt in der Umgebung mittels des Vergleichs des Messwerts mit den gespeicherten Referenzwerten ermittelt.
10. Verfahren zum Ermitteln eines CO₂-Gehalts in einer vorgegebenen Umgebung, bei dem ein Lichtstrahl (26) mittels einer Lichtquelle (24) erzeugt wird; der Lichtstrahl (26) nach Durchlaufen einer Absorptionsstrecke (30), die mit der vorgegebenen Umgebung kommuniziert und die eine Länge (L) zwischen 5 mm und 20 mm aufweist, mittels eines Lichtdetektors (40) erfasst wird; und abhängig von einem Ausgangssignal des Lichtdetektors (40), das repräsentativ für einen Messwert ist, der repräsentativ für den absoluten CO₂-Gehalt in der vorgegebenen Umgebung ist, der absolute CO₂-Gehalt in der vorgegebenen Umgebung ermittelt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der absolute CO₂-Gehalt ermittelt wird, indem der Messwert mit einem Referenzwert verglichen wird, der repräsentativ für einen vorgegebenen CO₂-Gehalt ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem der Referenzwert in einem Bereich liegt zwischen 50 mV und 150 mV, beispielsweise bei 100 mV.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem der Referenzwert vorgegeben ist oder mittels einer Referenzabsorptionsstrecke (230) und eines Referenzlichtstrahls (226) ermittelt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Referenzwert so vorgegeben wird, dass eine Differenz zwischen dem Referenzwert und dem Messwert positiv ist.

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