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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids mittels Photoakustischer Spektroskopie (PAS).
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STAND DER TECHNIK
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Die spektroskopische Detektion molekularer Bestandteile von Fluiden, das heißt Gasen oder Flüssigkeiten, ist seit langem Bestandteil der chemischen Analytik. Im zunehmenden Maße werden spektroskopische Detektoren zum Spurengasnachweis oder zur Konzentrationsüberwachung von gesundheits- und umweltschädlichen Stoffen in vielen Anwendungsumgebungen eingesetzt.
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Hierzu wird meist die direkte Absorptionsspektroskopie verwendet. Das gemessene Signal ist dabei die spektral abhängige Dämpfung der elektromagnetischen Strahlung einer Lichtquelle durch den zu erfassenden Stoff. Gemessen wird die Leistung der elektromagnetischen Strahlung, welche hinter der Probe auf einen Detektor fällt.
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Für die spektroskopische Detektion molekularer Bestandteile von Gasen oder Flüssigkeiten sind neben der Absorptionsspektroskopie grundsätzlich auch photoakustische Messverfahren geeignet. Bei diesen wird die Dämpfung der elektromagnetischen Anregungsstrahlung durch die Probe indirekt erfasst. Absorbiert die Probe die elektromagnetische Strahlung, so wird aufgrund der Erwärmung der Probe eine Druckwelle in der Probe erzeugt. Diese Druck- oder Schallwelle wird mit Hilfe einer entsprechenden Detektionseinrichtung erfasst. Die Amplitude, also die Lautstärke, dient insbesondere in Verbindung mit der Phaseninformation der erfassten Schallwelle dann als Maß für die Absorption der elektromagnetischen Anregungsstrahlung durch die Probe. Die photoakustischen Messverfahren bieten den Vorteil eines Messsignals gegen Null. Wenn die Probe die elektromagnetische Strahlung nicht absorbiert, so wird vom zu untersuchenden Gas keine Schallwelle erzeugt und es ist kein oder lediglich ein geringes Hintergrundsignal messbar. Darüber hinaus erreichen die photoakustischen Messverfahren in bestimmten Varianten extreme Empfindlichkeiten bei dem Nachweis von Spurengasen.
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Die spektrale Information, welche ein photoakustisches Messverfahren bereitstellt, ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen durch eine schmalbandige Anregungsstrahlung gegeben, die in der Emissionswellenlänge auf die Absorptionseigenschaften der zu detektierenden Substanz abgestimmt ist. Eine spezifische Anregungsfrequenz der Anregungsstrahlung ist in der Regel selektiv empfindlich für genau ein Molekül. Mit einer einzigen, schmalbandigen Laserlichtquelle zur Erzeugung der Anregungsstrahlung lässt sich in der Regel nur eine einzige Spezies von Molekülen erfassen oder die schmalbandige Strahlung muss durchgestimmt werden. Die erforderlichen Laserlichtquellen sind zudem ein erheblicher Kostenfaktor beim Einsatz solcher photoakustischer Detektoren insbesondere im mittleren infraroten Spektralbereich.
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Durch die Absorption der elektromagnetischen Anregungsstrahlung wird eine Druckwelle oder Schallwelle erzeugt, die aufgrund der geometrischen Gestalt der Messzelle und aufgrund der Schallgeschwindigkeit in der Messzelle gegebenenfalls durch die Verteilung der Schallgeschwindigkeit in der Messzelle eine frequenzabhängige differenzierte Dämpfung erfährt, sodass aufgrund des erfassten Schallsignals und dessen spektraler Verteilung, insbesondere hinsichtlich der Ausbildung von Raummoden, also den Lagen der auftretenden Resonanzfrequenzen, eine Aussage über die Schallgeschwindigkeit und daraus abgeleitet eine Aussage über die Eigenschaften des Fluids in der Messzelle gewonnen werden kann. Wenn es gelingt, die Güte der Resonanz hoch zu halten, lässt sich grundsätzlich eine sehr aussagekräftige Information zur Eigenschaft des Fluids gewinnen.
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Die Güte der Resonanz ist hier hilfreich, denn die daraus resultierende Resonanzüberhöhung wird zur Verstärkung des akustischen Signales genutzt. Hierzu wird typischerweise eine selektierte Resonanzfrequenz der Messzelle zur Modulation der Anregungsstrahlung verwendet und genau diese Resonanzfrequenz bei der Auswertung des Schallsignals herangezogen, was zum Beispiel mittels eines Lock-In-Verfahrens erfolgt. Dies hat aber den Nachteil, dass bei einer unbemerkten Abweichung von der Resonanzfrequenz, zum Beispiel durch eine Veränderung der Schallgeschwindigkeit, im Hinblick auf die sehr hohe Güte der Resonanz der Messwert und damit die Information an der erwarteten Resonanzfrequenz sehr stark systematisch fehlerbehaftet ist und damit eine schlechte, wenig verlässliche Information zur Eigenschaft des Fluids gewonnen wird.
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Aus dem Deutschen Patent
DE 10 2007 014 518 B3 und der Europäischen Patentanmeldung
EP 4 019 938 A1 sind photoakustische Sensoren bekannt, die zur Erhöhung der Effizienz vorschlagen, mithilfe von Reflektoren an oder in der Zelle das eingestrahlte, monochromatische Anregungslicht mehrfach durch die Zelle zu leiten und dadurch die Signalstärke zu erhöhen. Damit lassen sich auch die Kosten für einen photoakustischen Sensor reduzieren.
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Die Europäische Patentanmeldung
EP 4 009 035 A1 offenbart einen photoakustischen Sensor, bei dem die Anregungsstrahlung mit einem kontinuierlichen Frequenzband mithilfe eines Glühstrahlers erzeugt wird und mithilfe von optischen Elementen frequenzselektiv unterschiedlichen Bereichen des Messraums zugeführt wird, sowie mithilfe einer Mehrzahl von akustischen Sensoren, die einzelnen Erfassungspositionen im Messraum zugeordnet sind, die akustischen Signale erfasst und einer Auswertung zugeführt werden. Damit werden unterschiedliche Bereiche des Messraums stets nur mit einer einzigen Anregungsfrequenz bestrahlt. Durch die Verwendung eines Glühstrahlers gelingt es, einen preisgünstigen photoakustischen Sensor zu realisieren.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Messgases anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Messgases gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids mittels Photoakustischer Spektroskopie zeigt ein Gehäuse, das einen Messraum zur Aufnahme des Fluids umschließt. Darüber hinaus enthält es eine Strahlungsquelle, die derart ausgestaltet ist, dass sie moduliert die elektromagnetische Anregungsstrahlung für das Fluid erzeugt und direkt oder indirekt in den Messraum mit dem Fluid einstrahlt. Auch enthält sie eine Schallmesseinrichtung, die derart ausgestaltet ist, dass sie von dem Fluid erzeugte Schallwellen in dem Messraum erfassen kann und an eine auswärtige Einrichtung als Schallsignal weitergeben kann. Die Steuereinrichtung steuert dabei die Strahlungsquelle so an, dass die Anregungsstrahlung mit einem Frequenzbündel, dessen Frequenzen zur Unterscheidung von den Anregungsfrequenzen im Folgenden auch Töne genannt werden, moduliert ist. Dabei ist das Frequenzbündel mit mehreren voneinander beabstandeten Frequenzen beziehungsweisen Tönen ausgebildet.
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Die mit mehreren beabstandeten Frequenzen beziehungsweise mehrtönig modulierte Anregungsstrahlung wird dem Messraum so zugeführt, dass zumindest das Fluid in einzelnen Bereichen des Messraums mit der derart modulierten Anregungsstrahlung beaufschlagt wird. Für die Modulation kommt damit anstelle einer einzelnen Frequenz beziehungsweise eines einzelnen Tones mit der vermuteten Resonanzfrequenz hier ein Mehrfrequenzverfahren beziehungsweise Mehrtonverfahren mit einer Frequenzverteilung beziehungsweise einer Tonverteilung um die Resonanzfrequenz für die Modulation der Anregungsfrequenz zum Einsatz. Die Auswerteeinrichtung der Vorrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass sie das erfasste Schallsignal der Schallmesseinrichtung auswerten kann, indem das Schallsignal mittels einer Fourier-Transformation vom Zeitbereich in die Frequenzdomäne transformiert wird. In der Frequenzdomäne werden nun für die Verteilung der verschiedenen angeregten Töne die jeweiligen Amplituden bestimmt und daraus eine Information über die Eigenschaft des Fluids abgeleitet. Dabei macht sich die erfindungsgemäße Vorrichtung den Umstand zunutze, dass die Anregung des Fluids mithilfe einer modulierten Anregungsstrahlung, die mit beabstandeten Frequenzen vorzugsweise um die übliche Resonanzfrequenz des Fluids in dem Messraum moduliert ist, also einem mir Frequenz- beziehungsweise Mehrtonverfahren, erfolgt. Dadurch wird stets eine Anregung insbesondere eine überhöhte Anregung des Fluids erreicht und ein ausgeprägtes Schallsignal erzeugt, auch wenn die ideale Resonanzfrequenz nicht Teil des Frequenzbündels für die Modulation ist. Verschiebungen der idealen Resonanzfrequenz des Fluids in dem Messraum sind unter anderem abhängig von der Zusammensetzung des Fluids, beispielsweise abhängig vom Maß der unterschiedlichen Feuchte eines gasförmigen Fluids, oder abhängig von der Temperatur des Fluids. Auch bei einer Mischung von verschiedenen Fluiden ergibt sich hier die Möglichkeit, von der geänderten Lage der Resonanzfrequenz auf das Mischungsverhältnis rückzuschließen. Diese Verschiebungen wirken sich durch die Anregung mit dem Frequenzbündel und durch die spezifische Auswertung unter Verwendung der Fourier-Transformation nicht mehr gravierend aus, sodass einerseits der Vorteil einer effizienten Schallsignalerzeugung durch die Anregungsstrahlung und andererseits eine einfache Einstrahlung beziehungsweise Erzeugung der modulierten Anregungsstrahlung ermöglicht ist. Dies ermöglicht eine sehr verlässliche Aussage zu der gewünschten, zu bestimmenden Eigenschaft des Fluids. Durch diese Ausbildung der Vorrichtung zur Bestimmung der Eigenschaft eines Fluids gelingt es, eine kostengünstige Vorrichtung zu schaffen, die auf aufwändige Mechanismen zur Kompensation von Temperaturschwankungen und von Schwankungen der Reinheit des Fluids verzichten kann.
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Mithilfe eines Verfahrens zur Bestimmung einer Eigenschaft mittels Photoakustischer Spektroskopie kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung betrieben werden. Dabei wird insbesondere ein in einem Messraum befindliches Fluid mittels modulierter, elektromagnetischer Anregungsstrahlung für das Fluid angeregt, wobei die Modulation der Anregungsstrahlung mittels eines Frequenzbündels mit mehreren voneinander beabstandeten Frequenzen erfolgt. Mittels einer Schallmesseinrichtung werden die von dem angeregten Fluid in dem Messraum erzeugten Schallwellen als Schallsignal erfasst und das erfasste Schallsignal mittels einer Auswerteeinrichtung ausgewertet, indem das erfasste Schallsignal einer Fourier-Transformation unterzogen wird und anschließend die Intensitätsverteilung der verschiedenen Frequenzwerte bestimmt wird. Aus der Verteilung der Amplituden der verschiedenen Frequenzwerte kann anschließend eine Information über die Eigenschaft des Fluids insbesondere die Fluidmenge, also beispielsweise der Kohlenwasserstoffgehalt in der Umgebungsluft, die Temperatur des Fluids, ein Mischungsverhältnis und/oder speziell zum Beispiel die Feuchtigkeit im Fluid, bestimmt werden. Dieses Verfahren ermöglicht eine aussagekräftige Bestimmung der Eigenschaften eines Fluids mithilfe der Photoakustischen Spektroskopie, wobei dies kostengünstig ermöglicht wird.
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Dabei hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße Vorrichtung so weiterzubilden, dass die Auswerteeinheit derart ausgebildet ist, dass mittels einer Anpassfunktion, beispielsweise mittels einer Glockenkurve, die Verteilung der verschiedenen Frequenzwerte bestimmt wird. Durch die Verwendung einer Anpassfunktion insbesondere einer symmetrischen Anpassung wie beispielsweise einer Glockenkurve gelingt es, die Position des Maximums der Amplituden der fouriertransformierten, akustischen Frequenzen zu bestimmen und daraus eine aussagekräftige Aussage zu der zu bestimmenden Eigenschaft des Fluids insbesondere des zu untersuchenden Gases zu erhalten. Durch die Verwendung des Frequenzbündels für die Modulation in Verbindung mit der Fourier-Transformation und der Auswertung mittels einer Anpassfunktion, insbesondere der symmetrischen Anpassfunktion, gelingt es auf einfache und auch auf kostengünstige Weise, eine sehr erfolgreiche Bestimmung der Eigenschaften zu erreichen.
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In entsprechender Weise hat sich bewährt, dass die Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids, insbesondere Messgases, so weitergebildet wird, dass das Frequenzbündel für die Modulation mit äquidistanten Einzelfrequenzen ausgebildet ist. Durch das Vorsehen von äquidistanten Einzelfrequenzen gelingt es auf einfache und kostengünstige Weise, die Qualität der Auswertung im Hinblick auf die Eigenschaft des Fluids zu verbessern.
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Bei einer weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids oder Messgases ist das Frequenzbündel für die Modulation mit Einzelfrequenzen so ausgebildet, dass die Einzelfrequenzen um die erwartete Resonanzfrequenz des Schallsignals in dem Messraum verteilt sind. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Einzelfrequenzen dabei gleichmäßig oder symmetrisch um die erwartete Resonanzfrequenz zu verteilen. Damit gelingt es, Einzelfrequenzen sowohl oberhalb wie auch unterhalb der erwarteten Resonanzfrequenz des Schallsignals, die aufgrund der gewählten Messanordnung zumindest ungefähr bekannt ist, zu positionieren und dadurch sicherzustellen, dass nach der Fourier-Transformation ausreichend und geeignete Stützstellen für die Auswertung der fouriertransformierten, akustischen Signale zur Verfügung stehen, um insbesondere die Lage des Maximums als besonderes Maß für die Eigenschaften des Fluids in sehr verlässlicher Weise zu bestimmen.
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Es hat sich bewährt, die Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids, insbesondere Messgases, so weiterzubilden, dass das Frequenzbündel für die Modulation mit einer Anzahl im Bereich von 50 bis 500 gering beabstandeten Einzelfrequenzen ausgebildet ist. Dabei ist die Anzahl der für die Modulation verwendeten Einzelfrequenzen bevorzugt gleich einer ganzzahlige Potenz von 2 und damit insbesondere gleich 32, 64, 128, 256 oder 512 gewählt. Gerade diese gewählte Anzahl an Einzelfrequenzen hat sich besonders bewährt, da die Fourier-Transformation und die anschließende Auswertung mit Hilfe eines Algorithmus zur Fast-Fourier-Transformation mit überschaubarem Rechenaufwand ausgeführt werden und somit sehr berechnungseffizient eine aussagekräftige und verlässliche Bestimmung der Eigenschaft des Fluids erreicht werden kann.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Messgases zeigt Einzelfrequenzen des Frequenzbündels für die Modulation, die sehr schmalbandig ausgebildet sind, insbesondere mit einer Halbwertsbreite unter 3 Hz, oder als monochrome und damit sinusförmige und obertonfreie Strahlung ausgebildet sind. Durch die schmalbandige Ausbildung der Einzelfrequenzen insbesondere in Form von diskreten Einzelfrequenzen gelingt es, aussagekräftige Stützstellen in dem fouriertransformierten, akustischen Signal zu schaffen und dadurch die Aussagekraft bei der Bestimmung der Eigenschaft eines Fluids zu verbessern.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeigt eine Steuereinrichtung, die so ausgebildet ist, dass die Einzelfrequenzen des Frequenzbündels für die Modulation sequenziell und/oder zeitgleich auf die Anregungsstrahlung moduliert werden und die modulierte Anregungsstrahlung in den Messraum eingestrahlt wird.
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Das zeitgleiche Aufmodulieren der Einzelfrequenzen auf die Anregungsstrahlung mit dem Einstrahlen der modulierten Anregungsstrahlung führt zu einem schnelleren Bestimmen der gewünschten Eigenschaft des Fluids, ist aber im Aufwand zur gleichzeitigen Aufmodulation und Einstrahlen der modulierten Anregungsstrahlung in den Messraum komplexer beziehungsweise teurer.
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Dagegen erweist sich die Alternative des sequenziellen Aufmodulierens von Einzelfrequenzen auf die Anregungsstrahlung mit dem nachfolgenden Einstrahlen, also das zeitliche Hintereinander Aufmodulieren und Einstrahlen der mit verschiedenen Einzelfrequenzen modulierten Anregungsstrahlung in den Messraum, die eine einfachere Vorrichtung erfordert, die aber ein Aufsummieren der Audiosignale zu einem Gesamtaudiosignal und ein nachfolgendes Auswerten des Gesamtaudiosignals erfordert, als weniger vorteilhaft, da der zeitliche Aufwand bei einfacherer Vorrichtung erhöht ist.
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Daneben ist es auch möglich, diese beiden sequenziellen und gleichzeitigen Konzepte zu kombinieren, indem sequenziell eine Gruppe aus mehreren gleichzeitig für die Modulation verwendeten Einzelfrequenzen angewendet werden. Dies führt zu einem Kompromiss der beiden Konzepte und damit zu einem schnelleren und einfacheren Gesamtsystem.
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Dabei hat es sich besonders bewährt, die Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids so weiterzubilden, dass die Vorrichtung mit einer Zuführung für das Fluid zum Messraum mit einer Ableitung für das Fluid aus dem Messraum und mit einer Steuereinrichtung versehen ist, die die Zuführung und Ableitung so ansteuert, dass eine selektive Befüllung des Messraum mit dem Fluid ermöglicht ist. Durch diese selektive Befüllung kann die Menge des zu untersuchenden Fluids insbesondere Messgases zielgerichtet gewählt werden, sodass die Vorrichtung mit der zugehörigen Einstrahlung der mit einem Frequenzbündel modulierten Anregungsstrahlung mit zugehöriger spezifische Auswertung im optimalen Signalbereich insbesondere hinsichtlich der Qualität des akustischen Sensors geführt wird. Dadurch lässt sich die besondere Aussagekraft des Messergebnisses gewährleisten.
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Eine weitere, besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung insbesondere der Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids insbesondere Messgases zeigt eine Strahlungsquelle, die wenigstens eine Laser-Lichtquelle und/oder eine LED-Lichtquelle aufweist. Gerade diese Strahlungsquellen ermöglichen die Einstrahlung der erfindungsgemäß modulierten Strahlung zur Anregung des Fluids beziehungsweise des Messgases, was zu sehr aussagekräftigen Stützstellen in dem fouriertransformierten, akustischen Signal führt und damit die Qualität der Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids erhöht.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung insbesondere der Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids insbesondere Messgases zeigt eine Auswerteeinrichtung, die derart ausgestaltet ist, dass sie aus der Amplitude der Verteilung der verschiedenen Frequenzwerte die Fluidmenge beziehungsweise die Konzentration des Fluids bestimmt. Die Amplitude, also das Maximum der Stützstellen beziehungsweise das Maximum der durch die Stützstellen bestimmten Anpassungsfunktion in dem fouriertransformierten, akustischen Signal, repräsentiert die Molekülzahl des anzuregenden Fluids in der Messkammer, was als Grundlage für die Bestimmung des Fluidanteils im Messraum oder der Dichte im Messraum verwendet werden kann. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung beziehungsweise seine Weiterbildungen gelingt es, ein sehr aussagekräftiges Ergebnis zu erreichen, ohne dass die Vorrichtung oder das Verfahren sehr komplex und teuer ausgebildet sind.
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Dabei hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße Vorrichtung so weiterzubilden, dass die Auswerteeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie aus der Lage des errechneten Maximums der Verteilung der Frequenzwerte nach der Fourier-Transformation, also der momentanen Resonanzfrequenz zum Zeitpunkt der Messung, die Temperatur beziehungsweise den Feuchtigkeitsgehalt des Fluids bestimmt. Dabei hat es sich besonders bewährt, eine einzige dieser Eigenschaften zu bestimmen, was sehr verlässlich und sehr aussagekräftig ist. Daneben hat es sich auch bewährt, mittels einer Variation der Bedingungen beispielsweise durch Verändern der Temperatur des Fluids im Messraum oder alternativ durch Verändern der Feuchtigkeit auf den Einfluss der Temperatur oder der Feuchtigkeit zu schließen und dadurch die andere Eigenschaft durch Eliminierung des erfassten Einflusses besonders verlässlich und aussagekräftig zu bestimmen.
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Weiterhin hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids insbesondere Messgases dahingehend weiterzubilden, dass der Messraum so gewählt ist, dass seine maximale Ausdehnung abhängig von der Empfindlichkeit der Schallmessanordnung gewählt ist, wobei die maximale Ausdehnung insbesondere abhängig von der maximalen Empfindlichkeit der Schallmessanordnung gewählt ist. Durch die Form und Dimensionierung des Messraums werden die Resonanzfrequenzen des durch die Anregung des Fluids erzeugten Schalls beeinflusst, was durch diese Weiterbildung zielgerichtet genutzt wird, indem die Resonanzfrequenz des Schalls des Fluids im Messraum so gewählt ist, dass die Schallmesseinrichtung das akustische Verhalten des Fluids sehr aussagekräftig in ein Schallsignal wandeln kann. Dies ist bevorzugt immer dann der Fall, wenn die durch die Dimensionierung und durch die Form gewählte Resonanzfrequenz im Bereich des Effizienzmaximums der Schallmesseinrichtung zum Liegen kommt. Dadurch können auch kleine Änderungen des akustischen Verhaltens aufgrund des eingebrachten Fluids besonders wirksam und erfolgreich erfasst werden und dadurch die Qualität der Bestimmung der Eigenschaften des Fluids gesteigert werden.
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Weiterhin hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids insbesondere Messgases dahingehend weiterzubilden, dass der Messraum so gewählt ist, dass seine Form rotationssymmetrisch insbesondere zylinderförmig oder kugelförmig ausgebildet ist. Durch diese Formgebung des Messraums lassen sich die möglichen Resonanzfrequenzen des Schallsignals, welches durch das angeregte Fluid in dem Messraum erzeugt wird, in ihrer Zahl beschränken. Dadurch können die Auswertung sowie die Modulation der Anregungsstrahlung mit dem Frequenzbündel vereinfacht werden. Auch kann ein aussagekräftigeres Schallsignal und damit auch eine aussagekräftigere Information zur Eigenschaft des Fluids gewonnen werden. Dies wird insbesondere dadurch unterstützt, dass die Anzahl der möglichen Resonanzen begrenzt und damit reduziert wird und zum andern die Güte der Resonanz durch die erhöhte Symmetrie der Form des Messraums erhöht wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise die erfindungsgemäße Vorrichtung führt dies jedoch nicht zu den aus dem Stand der Technik bekannten Problemen mit dem ausgeprägten Abfall der Aussagekraft des Schallsignals, wenn die erwartete Resonanzfrequenz nicht exakt durch die Messbedingungen eingehalten wird, insbesondere bei einer Abweichung aufgrund von Veränderungen des Fluids beispielsweise durch geänderte Temperatur oder Feuchtigkeit, was sich in einer geänderten Schallgeschwindigkeit und damit in einer geänderten Resonanzfrequenz des Schallsignals niederschlägt.
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Daneben hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids insbesondere Messgases so weiterzubilden, dass der Messraum so gewählt wird, dass seine maximale Ausdehnung so begrenzt ist, dass das erfasste Schallsignal im Ultraschallbereich liegt. Neben der Möglichkeit, die Form und die Dimensionierung des Messraums im Hinblick auf das Effizienzmaximum der Schallmesseinrichtung auszurichten, hat es sich auch bewährt, dies so zu realisieren, dass das erfasste Schallsignal im Ultraschallbereich und damit außerhalb des hörbaren Frequenzbereichs liegt, wodurch eine Einflussnahme durch eine Vielzahl von möglichen Störsignalen verhindert ist und dadurch eine sehr aussagekräftige Bestimmung der Eigenschaft eines Fluids ermöglicht ist. Dies gilt umso mehr, wenn die Schallmesseinrichtung so gewählt ist, dass ihr Effizienzmaximum im Ultraschallbereich zum Liegen kommt und dadurch die beiden vorteilhaften Ausbildungen kombiniert werden und dadurch ein besonders aussagekräftiges Ergebnis erreicht werden kann.
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Dabei hat es sich besonders bewährt, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids insbesondere Messgases so weiterzubilden, dass die Steuereinrichtung und die Auswerteeinrichtung so ausgebildet sind, dass Messungen bei unterschiedlichen Drücken des Fluids durchgeführt werden und einzelne dieser Messungen zur Bestimmung statischer Störungen verwendet werden und zur Korrektur der Bestimmung einer Eigenschaft des Fluids verwendet werden. Beispielsweise kann durch Verändern des Drucks des zu untersuchenden Fluids im Messraum eine Aussage über den statischen Fehleranteil beziehungsweise die statischen Störungen beispielsweise durch den Einfluss der Wände des Messraums auf das Schallsignal erreicht werden, indem beispielsweise eine Extrapolation auf das Niveau des Nulldrucks beziehungsweise des nicht vorhandenen zu untersuchenden Fluids im Messraum durchgeführt wird und dieser Einfluss dann bei der Auswertung insbesondere durch Abziehen des vom Druck unabhängig generierten Störungsanteils, also zum Beispiel eines Hintergrundsignals, in den Messwerten berücksichtigt wird. Dadurch gelingt es, die Aussagekraft des Messergebnisses bei der Bestimmung der Eigenschaft eines Fluids weiter zu verbessern.
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Eine weitere, besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung beziehungsweise der Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids insbesondere Messgases zeigt eine Temperaturkompensationseinheit, die eine Veränderung der Temperatur des Messgases in dem Messraum kompensiert. Dies kann beispielsweise durch eine geregelte Temperiereinheit, die das Fluid oder das Messgas in dem Messraum auf einer gewünschten Temperatur hält oder auch durch entsprechende nachträgliche Berücksichtigung der Einflüsse durch die Temperatur im Rahmen der Auswertung erfolgen. Da viele Eigenschaften des Messgases von der Temperatur, insbesondere von Veränderungen der Temperatur, abhängig sind, wird es durch die Temperaturkompensationseinheit in der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, die Qualität der Aussagen zur Eigenschaft eines Fluids insbesondere des Messgases weiter zu erhöhen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Abbildung beispielhaft erläutert. Die Erfindung ist nicht auf dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt.
- 1 zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau einer beispielhaften, erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids insbesondere eines Messgases mittels photoakustischer Spektroskopie (PAS),
- 2 zeigt in einem schematischen, beispielhaften Diagramm die Verteilung der Einzelfrequenzen des Frequenzbündels für die Modulation der Anregungsstrahlung,
- 3 zeigt in einem schematischen, beispielhaften Diagramm die Verteilung der Einzelfrequenzen des Frequenzbündels für die Modulation der Anregungsstrahlung, die Verteilung der akustischen Frequenzen nach der Fourier-Transformation des erfassten Schallsignals und das Verteilungsprofil dieser akustischen Frequenzen.
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In 1 ist schematisch eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids mittels photoakustischer Spektroskopie (PAS) 1 insbesondere eine Vorrichtung zur Bestimmung der Restfeuchte eines Messgases 1 dargestellt.
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Die Vorrichtung 1 ist mit einem Gehäuse 2 versehen, in dem ein Messraum 3 zur Aufnahme des zu untersuchenden Fluids insbesondere des Messgases angeordnet ist.
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Der Messraum 3 ist mit einer steuerbaren Zuleitung 10 für das gesteuerte Zuführen des Fluids insbesondere des Messgases zu dem Messraum 3 sowie eine steuerbare Ableitung 11 für das gesteuerte Ableiten des Fluids insbesondere des Messgases aus dem Messraum 3 versehen.
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Der Messraum 3 zeigt eine rotationssymmetrische Form, nämlich eine zylinderförmige Gestalt. Diese zylinderförmige Gestalt hat massiven Einfluss auf die Resonanzeigenschaften des Messraums 3, denn die Form und die Ausdehnungen dieses zylinderförmigen Messraums 3 führen dazu, dass die Vielzahl von möglichen akustischen Resonanzfrequenzen eines in dem Messraum 3 befindlichen zu untersuchenden Fluids stark begrenzt werden. Zudem zeichnen sich die verbleibenden Resonanzfrequenzen insbesondere die durch die Rotationsymmetrie bedingte Resonanzfrequenz durch eine hohe Güte aus. Eine hohe Güte geht einerseits mit einer vorteilhaften, hohen Amplitude und damit einer hohen Effizienz einher. Andererseits führt bei einer hohen Güte ein Abweichen von der Resonanzfrequenz zu einem enormen Abfall des zugehörigen Frequenzwertes und damit zu einer wesentlichen Verschlechterung der Aussagekraft des Frequenzwertes. Die akustischen Resonanzfrequenzen sind ein Resultat der Schallgeschwindigkeit des Fluids in dem Messraum 3 und der freien Weglängen in dem Messraum 3, weshalb durch die Wahl der Form und der Ausdehnung des Messraums 3 die Möglichkeit besteht, Einfluss auf die akustischen Resonanzfrequenzen des Fluids in dem Messraum 3 zu nehmen. Dabei muss jeweils die relevante Schallgeschwindigkeit des zu untersuchenden Fluids berücksichtigt werden, die unter anderem von der Temperatur, vom Druck, von der Art des Fluids und vom Zustand des Fluids (Verunreinigungen insbesondere durch Feuchtigkeit) abhängt.
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Das Gehäuse 2 mit dem Messraum 3 ist mit einer Strahlungsquelle 4 für die Erzeugung einer modulierten, elektromagnetischen Anregungsstrahlung für das Fluid verbunden, wobei die Strahlungsquelle 4 so angeordnet ist, dass sie die Anregungsstrahlung in den Messraum 3 für das zu untersuchende Fluid insbesondere für das zu untersuchende Messgas einstrahlt. Die eingestrahlte Anregungsstrahlung ist dabei in ihrer Frequenz so gewählt, dass sie das zu untersuchende Fluid selektiv anregt und zu einer Erwärmung des Fluids führt. Aufgrund der Modulation und der Dauer der Einstrahlung der Anregungsstrahlung wird das zu untersuchende Fluid stark erwärmt, was zu einem Entstehen einer Druck- oder Schallwelle in dem Messraum 3 führt.
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Das Gehäuse 2 mit dem Messraum 3 ist darüber hinaus mit einer Schallmesseinrichtung 5 verbunden, die geeignet und dafür vorgesehen ist, eine im Messraum 3 von dem angeregten Fluid gebildete Druck- oder Schallwelle akustisch zu erfassen und einer Auswerteeinheit 6 in Form eines Schallsignals insbesondere eines elektrischen Schallsignals zuzuführen.
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Die Auswerteeinrichtung 6 wertet das von der Schallmesseinrichtung 5 erfasste Schallsignal aus, indem das Schallsignal einer Fourier-Transformation unterzogen wird und daraus die Verteilung der Frequenzwerte des Schallsignals bestimmt wird und daraus mithilfe einer Anpassfunktion insbesondere die Lage des Maximums der Verteilung der Frequenzwerte sowie die Amplitude der Verteilung der Frequenz extrapoliert beziehungsweise bestimmt werden. Aus der Verteilung insbesondere der Lage des Maximums beziehungsweise dessen Amplitude kann auf verschiedene Eigenschaften des Fluids insbesondere auf den Feuchtigkeitsgehalt des Messgases in dem Messraum 3 geschlossen werden.
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Die Vorrichtung 1 enthält weiterhin eine Steuereinrichtung 7, die über eine Steuerleitung 7a die Strahlungsquelle 4 so ansteuert, dass die Modulation der Anregungsstrahlung mithilfe eines Frequenzbündels aus mehreren voneinander beabstandeten Einzelfrequenzen erfolgt. Über weitere Steuerleitungen 7a steuert die Steuereinrichtung 7 die Zuleitung 10 wie auch die Ableitung 11, indem das jeweilige zugeordnete Steuerventil zielgerichtet geöffnet oder geschlossen wird und dadurch eine zielgerichtete Zuführung oder Ableitung des Fluids beziehungsweise des Messgases aus dem Messraum 3 ermöglicht wird. Weiterhin kann die Steuereinrichtung 7 die Schallmesseinrichtung 5 beziehungsweise die Auswerteeinrichtung 6 zielgerichtet ansteuern und diese dadurch in ihrer Funktion beeinflussen.
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In 2 ist in einem schematischen Diagramm eine beispielhafte Verteilung der Einzelfrequenzen eines Frequenzbündels, das für die Modulation der Anregungsstrahlung verwendet wird, dargestellt. In dem dargestellten Beispiel werden im Frequenzbereich zwischen 1450 Hz und 1500 Hz äquidistante Einzelfrequenzen realisiert, die jeweils einen Abstand zueinander von wenigen Hertz aufweisen. Bei der Bestimmung der Einzelfrequenzen für die Modulation der Anregungsstrahlung mithilfe der Strahlungsquelle 4 wurde zuerst anhand der Form und der Abmessungen des Messraums 3 in Kenntnis des zu untersuchenden Fluids eine erwartete Resonanzfrequenz bestimmt, wobei bevorzugt die erwartete Resonanzfrequenz gewählt wird, die die beste Güte und damit die beste Effizienz erwarten lässt. Im vorliegenden Beispiel wurde eine Resonanzfrequenz bei etwa 1475 Hz errechnet, um den Feuchtigkeitsgehalt in Toluol zu bestimmen.
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Entsprechend der erwarteten Resonanzfrequenz wurden die Einzelfrequenzen des Frequenzbündels für die Modulation symmetrisch um diese angeordnet, sodass die Einzelfrequenzen im Bereich zwischen 1450 Hz und 1500 Hz gewählt wurden. Entsprechend liegen etwa gleich viele Einzelfrequenzen unterhalb der erwarteten Resonanzfrequenz wie Einzelfrequenzen oberhalb dieser erwarteten Resonanzfrequenz liegen. Dies führt dazu, dass das erzeugte Schallsignal nach der Fourier-Transformation etwa gleich viel Stützstellen unterhalb der erwarteten Resonanzfrequenz zeigt wie oberhalb und daher das Bestimmen des Verlaufs der Resonanzkurve mithilfe einer Anpassfunktion besonders verlässlich und aussagekräftig ermöglicht ist.
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Über eine inverse Fourier-Transformation mit passender Auflösung werden diese Einzelfrequenzen des Frequenzbündels in den Zeitbereich übersetzt, wodurch mathematisch das Signal einer Schwebung eines Frequenzgemisches entsteht, das in der Spektroskopie als Interferogramm bezeichnet wird. Dieses Interferogramm repräsentiert alle Einzelfrequenzen des Frequenzbündels und wird in der Strahlungsquelle 4 mithilfe eines Modulators der Anregungsstrahlung aufmoduliert. Dadurch werden alle Einzelfrequenzen des Frequenzbündels gleichzeitig durch Modulation der Anregungsstrahlung überlagert. Die modulierte Anregungsstrahlung wird dann in dem Messraum 3 der Vorrichtung 1 dem zu untersuchenden Fluid insbesondere dem Messgas zugeführt. Durch die Anregungsstrahlung werden die Moleküle des Fluids beziehungsweise des Messgases angeregt. Abhängig von der geometrischen Ausdehnung beziehungsweise der Form der Messzelle 3 sowie als Funktion der Temperatur des Fluids beziehungsweise des Feuchtigkeitsgehalts des Fluids in dem Messraum 3 stellen sich die Amplituden der jeweiligen Frequenzen des entstehenden akustischen Signals im Messraum 3 selektiv ein. Dabei sind das akustische Resonanzprofil des Messraums 3 und die Eigenschaften des Fluids in dem Messraum 3 entscheidend für die sich bildenden Frequenzen des akustischen Signals, das durch das angeregte Fluid erzeugt und mittels der Schallmesseinrichtung 5 erfasst wird. Dabei erfasst die Schallmesseinrichtung 5 alle Frequenzen des akustischen Signals des Fluids gleichzeitig, zumindest soweit diese Frequenzen im Empfangsbereich der Schallmesseinrichtung liegen. Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass die Erfassung der Frequenzen des akustischen Signals durch die Schallmesseinrichtung 5 zeitgleich mit der Einstrahlung der modulierten Anregungsstrahlung erfolgen kann.
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Das erfasste Schallsignal wird mithilfe der Auswerteinrichtung 6 mithilfe einer Fourier-Transformation in den Frequenzraum transformiert. Da die Modulation der Anregungsstrahlung mit den spezifischen Einzelfrequenzen erfolgt ist, ergeben sich bei der Fourier-Transformation in den Frequenzraum einzelne Amplitudenwerte zu den Einzelfrequenzen, die als Frequenzwerte in 3 dargestellt sind. Jeden dieser Amplitudenwerte der Einzelfrequenzen des Akustiksignals ist die zugehörige Einzelfrequenz für die Modulation der Anregungsstrahlung zugeordnet. Dabei zeigt sich, dass mit größerem Frequenzabstand zu der erwarteten Resonanzfrequenz beziehungsweise zu der tatsächlichen Resonanzfrequenz der Amplitudenwert des Akustiksignals deutlich abfällt, was ein Maß der Güte des Resonanzverlaufs darstellt. Auch kann durch Bestimmen der Halbwertsbreite oder einer vergleichbaren Eigenschaft des Anpassprofils auf die Güte der Resonanz aus der Messung geschlossen werden und bei einer Änderung der Güte zum Beispiel auf eine potentielle Verunreinigung der Zelle geschlossen werden.
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Da der typische Verlauf einer Resonanzkurve bekannt ist, ist es möglich, mithilfe einer Annäherungsfunktion den Verlauf der Resonanzkurve anhand der verschiedenen Amplitudenwerte zu den einzelnen Einzelfrequenzen des Akustiksignals zu bestimmen und anhand des Verlaufs die Amplitude und insbesondere die Resonanzfrequenz des Amplitudenwerts zu berechnen. Diese Amplitude beziehungsweise die berechnete Resonanzfrequenz bilden die Grundlage für die Bestimmung verschiedener Eigenschaften des Fluids beziehungsweise des Messgases.
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Beispielsweise kann über entsprechende Kalibriertabellen die Menge des Fluids in der Messkammer, die anteilige Menge des Messgases in einem Fluid in der Messkammer, der Wassergehalt in einem Fluid in der Messkammer beispielsweise in Toluol in der Messkammer oder auch die Temperatur oder Dichteänderungen des Fluids in der Messkammer aus diesen berechneten Informationen bestimmt werden.
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Es hat sich dabei besonders bewährt, dass als Annäherungsfunktion eine typische Glockenkurve oder auch eine Anpassung nach dem Levenberg-Marquardt-Verfahren angewendet werden kann.
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Der in 3 dargestellte Verlauf der Resonanzkurve ist dabei mithilfe einer Anpassung nach dem Levenberg-Marquardt-Verfahren ermittelt worden. In diesem Fall hat sich eine Amplitude von 0,84 bei einer Resonanzfrequenz von 1479,5 Hz ergeben. Aus diesen Werten ergibt sich beispielsweise eine Konzentration von 3,7 ppm (Vol.) von Toluol in Luft.
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Da die Amplitude beziehungsweise die Resonanzfrequenz mithilfe einer Annäherungsfunktion auf mathematischem Wege bestimmt wird, ohne dass eine Modulation mit exakt der Resonanzfrequenz erfolgt sein muss, wird durch diese Erfindung eine Vorrichtung 1 und ein Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids mittels Photoakustischer Spektroskopie (PAS) ermöglicht, die sich als besonders einfach und zudem als sehr aussagekräftig erweisen. Insbesondere ist ein stetes Überprüfen der tatsächlichen Lage der Resonanzfrequenz nicht notwendig, auch ist ein Nachführen der Modulationsfrequenzen oder der Modulationsfrequenz an geänderte Bedingungen des Fluids durch diese erfindungsgemäße Realisierung entbehrlich, was den Aufwand für die Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids sehr vereinfacht.
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Bezugszeichenliste
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- Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Fluids insbesondere eines Messgases mittels photoakustischer Spektroskopie (PAS)
- 2
- Gehäuse der Vorrichtung
- 3
- Messraum für das zu messende Messgas
- 4
- Strahlungsquelle
- 5
- Schallmesseinrichtung
- 6
- Auswerteeinrichtung
- 7
- Steuereinrichtung
- 7a
- Steuerleitung
- 10
- Zuleitung für das Fluid in den Messraum
- 11
- Ableitung für das Fluid aus dem Messraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007014518 B3 [0008]
- EP 4019938 A1 [0008]
- EP 4009035 A1 [0009]
