DE69839236T2

DE69839236T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Gaskonzentrationen

Info

Publication number: DE69839236T2
Application number: DE69839236T
Authority: DE
Inventors: Alain Bazin; Francois Grasdepot; Juan-Pedro Silveira
Original assignee: Itron France SAS
Current assignee: Itron France SAS
Priority date: 1997-01-31
Filing date: 1998-01-27
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2018-01-28
Also published as: EP0857964B1; US6133573A; ATE389171T1; FR2759167A1; EP0857964A1; DE69839236D1; ES2302344T3; FR2759167B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration eines Gasvolumens.
Eine solche, beispielsweise in Dokument EP 0 467 581 der Öffentlichkeit vorgestellte Vorrichtung, die eine Quelle elektromagnetischer Strahlung, etwa eine optische Quelle umfasst, ist bereits bekannt. Bei dieser Quelle handelt es sich beispielsweise um eine Infrarotlampe, die eine Strahlung mit einer Wellenlänge λ0 aussendet. Diese Wellenlänge entspricht einer der Absorptionslinien des betreffenden Gases. Die Strahlungsquelle weist eine Spektralverteilung in einem Wellenlängenbereich auf, der den Wert λ0 einrahmt.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung eine Zelle, die ein Gasvolumen gegebener Konzentration enthält. Die aus der Lampe ausgetretene Strahlung durchquert die Zelle und wird selektiv vom Gas absorbiert. Bei Austritt aus der Zelle weist die Strahlung eine spektrale Dichte auf, die durch das Vorhandensein von Absorptionsspitzen modifiziert ist, die von den Gaslinien herrühren.
Ein Filter mit abstimmbarer Wellenlänge wird auf die Wellenlänge λ0 eingestellt und zeitlich moduliert, so dass seine spektrale Transmission in Abhängigkeit von Wellenlänge und Zeit variiert. Dieses modulierte Filter nimmt die Strahlung auf, die das Gasvolumen durchquert hat, und liefert in Reaktion darauf eine zeitliche Modulation der Energie dieser Strahlung. Eine ähnliche Vorrichtung ist aus EP 0 670 487 bekannt, wo die optische Strahlung bezüglich der Wellenlänge direkt moduliert wird. Ein Detektor, wie z. B. ein Solometer, empfängt die vom Filter übertragene Energie, integriert die empfangene Energie auf der gesamten Spektralbreite der Quelle und liefert daraufhin einen Mittelwert, der nicht mehr von der Längenwelle λ der Strahlung, sondern insbesondere von der Konzentration des Gases abhängt, und dieser Mittelwert lässt sich folgendermaßen ausdrücken: E(c,t) = [Sac(c,t) + Sdc(c)]P + Oac(t) + Odc.
Die Werte von Sac(c,t) und Sdc entsprechen jeweils der zeitlichen Modulation und dem Mittelwert des Integrals, und zwar im gesamten Spektralbereich der Quelle, der Energiebilanz zwischen der Quelle und dem Detektor, durch das Filter mit abstimmbarer Wellenlänge und das Gas, das ein spektrales Absorptionsband im betreffenden Bereich aufweist.
Der Term P stellt einen unbekannten und variablen Koeffizienten für optische Verluste dar, der beispielsweise die Verstaubung der betreffenden Vorrichtung berücksichtigt.
Beim Begriff Oac(t) + Odc handelt es sich um eine Nullpunktverschiebung, die hauptsächlich durch den Detektor bedingt ist und sich in Form zweier Terme präsentiert, die jeweils einem Glied O_ac(t), das im Lauf der Zeit variabel ist, und einem Glied O_dc, das im Lauf der Zeit nicht variabel ist, entsprechen.
Nun aber verhindert bei dieser Art von Vorrichtung der Einfluss des Koeffizienten P für optische Verluste und der Sollwertabweichungen des Detektors, dass die Konzentration des Gases in zuverlässiger Weise bestimmt wird.
Folglich wäre es ausgesprochen vorteilhaft, den Koeffizienten P für optische Verluste und die Sollwertabweichungen des Detektors kompensieren zu können, damit die Konzentration des Gases in zuverlässigerer Weise erhalten wird.
Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines Gases vor, die das Erreichen dieses Ziels in einfacher Weise ermöglichen.
So hat die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration eines Gasvolumens zur Aufgabe, gemäß welchem:

– eine elektromagnetische Strahlung durch das Gasvolumen gesendet wird (Zustand 1),
– die Strahlung gefiltert wird, wobei die spektrale Transmission des Filters zeitlich moduliert wird, um eine zeitliche Modulation der von dem Gasvolumen und diesem Filter übertragenen Strahlungsenergie zu erzielen,
– diese zeitlich modulierte Energie detektiert und aus ihr ein Signal E extrahiert wird, das insbesondere von der Konzentration des Gases abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass;
– die Komponente E_ac(1) des Signals isoliert wird, die im Lauf der Zeit variiert,
– die Komponente E_dc(1) des Signals isoliert wird, die im Lauf der Zeit nicht variiert,
– das Aussenden einer Strahlung angehalten wird (Zustand 0), und
– die Komponente E_ac(0) des vom Detektor empfangenen Signals isoliert wird,
– die Komponente E_dc(0) dieses Signals isoliert wird,
– die Terme E_ac(1) – E_ac(0) und E_dc(1) – E_dc(0) berechnet werden,
– das Verhältnis (E_ac(1) – E_ac(0))/(E_dc(1) – E_dc(0)) gebildet wird, das dann einzig eine Funktion der Gaskonzentration c ist, und c daraus abgeleitet wird.

Gemäß einer weiteren Charakteristik der Erfindung handelt es sich bei der elektromagnetischen Strahlung um optische Strahlung.
Des Weiteren hat die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration eines Gasvolumens zur Aufgabe, die der Reihe nach Folgendes umfasst:

– zumindest eine Quelle, die eine elektromagnetische Strahlung durch das Gasvolumen sendet,
– ein Filter mit abstimmbarer Wellenlänge, dessen spektrale Transmission in Abhängigkeit von Wellenlänge und Zeit variabel ist,
– einen Detektor, der in Abhängigkeit von der Energie der Strahlung, die das Gasvolumen und das Filter durchquert hat, ein Signal E erzeugt, das insbesondere von der Konzentration des Gases abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung umfasst:
– Mittel, welche die Komponente E_ac des Signals, die im Lauf der Zeit variiert, jeweils isolieren, wenn die Quelle eingeschaltet ist (Zustand 1) und wenn sie ausgeschaltet ist (Zustand 0), und
– Mittel, welche die Komponente E_dc des Signals, die im Lauf der Zeit nicht variiert, jeweils isolieren, wenn die Quelle eingeschaltet ist (Zustand 1) und wenn sie ausgeschaltet ist (Zustand 0),
– Mittel zum Berechnen der Terme E_ac(1) – E_ac(0) und E_dc(1) – E_dc(0), zum Bilden des Verhältnisses (E_ac(1) – E_ac(0))/(E_dc(1) – E_dc(0)), das dann einzig eine Funktion der Konzentration c des Gases ist, und zum Ableiten von c daraus.

Weitere Charakteristiken der Erfindung lauten wie folgt:

– die Mittel zum Isolieren der Komponente E_ac des Signals werden von einem Verstärker mit synchroner Demodulation gebildet,
– die Mittel zum Isolieren der Komponente E_ac des Signals werden von einem Hochpassfilter gebildet,
– die Mittel zum Isolieren der Komponente E_dc des Signals werden von einem Differenzverstärker, gefolgt von einem Tiefpassfilter, und von Impedanzanpassungsschaltungen gebildet, die an den invertierenden und den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers angeschlossen sind,
– die Mittel zum Isolieren der Komponente E_dc des Signals werden von einem Differenzmessverstärker gebildet, gefolgt von einem Tiefpassfilter,
– die elektromagnetische Strahlung ist eine optische Strahlung,
– das Filter stellt ein Fabry-Pérot-Interferometer dar.

Weitere Charakteristiken und Vorteile gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die nur als nicht einschränkendes Beispiel gegeben wird und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt:
1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Gaskonzentration,
2 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Beispiels für ein Filter, das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt wird,
die 2c–h veranschaulichen die spektralen Transmissionen des Filters, des Gases und ihr Produkt bezüglich zweier unterschiedlicher Positionen des abstimmbaren Filters,
2i stellt die zeitweilige Modulation der an das Filter gelegten Spannung dar,
2j gibt das Verhalten der vom Detektor 18 gemessenen Energie E in Abhängigkeit von der Zeit an,
3 ist eine Darstellung der erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung,
die 3a und 3b sind Teildarstellungen, welche Ausführungsvarianten der Vorrichtung aus 3 zeigen.
Wie in 1 veranschaulicht, umfasst eine mit der allgemeinen Bezugsziffer 10 versehene Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines Gases, wie z. B. Methan, eine Quelle 12 elektromagnetischer Strahlung, die beispielsweise eine optische Quelle ist.
Dabei kann es sich um eine Spektralquelle wie eine Glühlampe oder eine Lampe mit schwarzem Körper und ferner z. B. um jene Lampe handeln, die von der Firma Royal Hamai unter der Artikelnummer CNS-BP44X vertrieben wird.
Die Quelle 12 ist eine Infrarotlampe, die eine Strahlung mit einer Wellenlänge λ0 = 3,35 μm aussendet, also mit einer Wellenlänge, die einer der Absorptionslinien von Methan entspricht. Die Quelle weist eine Spektralverteilung im Wellenlängenbereich von 2 bis 4 μm auf.
Das von der Lampe ausgesendete Spektrum durchquert ein Gasvolumen, das in einer Zelle 14 enthalten ist. Die auf das Gas zurückzuführende spektrale Transmission weist ein Absorptionsband im Spektralbereich der Lampe auf und hängt folglich von der Konzentration des Gases in der Zelle ab.
Ein Filter 16 mit abstimmbarer Wellenlänge wird beispielsweise durch ein Signal mit einer Festfrequenz von 819 Hz zeitlich moduliert, und die optische Transmission dieses Filters ist in Abhängigkeit von Wellenlänge und Zeit variabel.
Ein Detektor 18, bei dem es sich etwa um ein Solometer handeln kann, empfängt die zeitlich modulierte Energie der Strahlung, die aus der Lampe stammt und sowohl die Gaszelle als auch das Filter 16 durchquert hat.
Wie aus 2 hervorgeht, besteht das in 1 gezeigte Filter 16 aus einem Körper 20 mit einem ersten Abschnitt, der von einer Membran 22 mit im Wesentlichen runder Form gebildet wird. Weiterhin umfasst der Körper einen zweiten Abschnitt 24, der einen Träger mit einer im Wesentlichen zylindrischen allgemeinen Form bildet. Am Träger 24 ist die Membran 22 mittels eines peripheren Rands 26 desselben befestigt. Die Membran 22 und der Träger 24 besitzen jeweils eine Oberfläche, nämlich 22a bzw. 24a, die einander gegenüberliegen und zwischen sich einen Hohlraum 28 mit einer Dicke e₀ begrenzen. Diese Oberflächen sind im Wesentlichen eben und verhalten sich parallel zueinander. Der Hohlraum 28 enthält beispielsweise ein Medium, das keine Spektralinterferenz mit dem Gas aufweist, dessen Konzentration bestimmt werden soll. Das Medium ist beispielsweise Argon oder ein anderes neutrales Gas, ja sogar eine Flüssigkeit. Überdies besteht die Möglichkeit, den Hohlraum unter Vakuum zu setzen. Die Membran 22 ist in Bezug auf den Träger 24 in einer Richtung beweglich, die sich senkrecht zum Paar der einander gegenüberliegenden Oberflächen 22a, 24a verhält. Die optische Strahlung mit Spektralverteilung ist durch einen vertikalen Pfeil dargestellt, der auf die Membran 22 gerichtet ist. Der Körper 20 ist gegenüber der gewählten optischen Strahlung transparent und beispielsweise aus Silizium gefertigt. Was die Hauptschritte der Herstellung anbelangt, lässt sich ein solches Filter beispielsweise auf die in Dokument EP 0 608 049 angegebene Weise erhalten.
Dieses Filter stellt ein Fabry-Pérot-Interferometer dar, dessen anfängliche Dicke e₀ z. B. in Abhängigkeit von der Absorptionslinie des betreffenden Gases reguliert wird.
So zentriert sich beispielsweise, wenn die an das Filter angelegte Spannung null ist, die spektrale Transmission des Filters anfänglich auf die Absorptionslinie des Gases (Dicke e₀), wie aus 2a ersichtlich.
Die Transmission des Filters kann auf eine Längenwelle in einer anderen spektralen Position abgestimmt werden (2b) (Dicke e₁), indem eine Spannung, die mit der Frequenz von 819 Hz zeitlich moduliert ist, zwischen zwei extremen Werten angelegt wird, welche diesen beiden Positionen entsprechen.
Die 2c–e (bzw. 2d–h) zeigen jeweils die Kurven spektraler Transmission in Bezug auf die Frequenz des Filters 16 (2c bzw. 2f), das Gasvolumen 14 (2d bzw. 2g) und das Produkt besagter spektraler Transmissionen (2e bzw. 2h) für die in 2a (bzw. 2b) angegebene Position des Filters.
Wie in den 2c und 2d abgebildet, wird die spektrale Transmission des Filters auf das Absorptionsband des Gases abgestimmt.
Mit gestrichelten Linien zeigt 2f die spektrale Transmission des Filters vor Verlagerung der beweglichen Membran, so wie in 2c dargestellt.
2i erläutert die zeitlichen Variationen der an das Filter 16 gelegten Spannung, dessen spektrale Transmissionen variieren zwischen jener, die in 2c (bei 0 V) angegeben ist, und jener aus 2f (5V); 2j veranschaulicht die zeitlichen Variationen des vom Detektor 18 gemessenen Werts E. Ein (in den Figuren nicht abgebildeter) Frequenzgenerator liefert ausgehend von einer Quarzuhr mit einer Frequenz gleich 32 kHz ein Rechtecksignal mit einer Frequenz gleich 819 Hz, das jeweils erhalten wird, indem das Signal der Mutteruhr mit 32 kHz durch 10 und durch 4 dividiert wird.
Der Detektor 18 und sein (nicht dargestellter) Lastwiderstand werden von einer Gleichspannung +V_dc (z. B. +5 V) gespeist, und der Detektor liefert am Ausgang die Energie E(c,t), die in der folgenden Form ausgedrückt wird: E(c,t) = [Sac(c,t) + Sdc(c)]iP + Oac(t) + Odc wobei

– c die Konzentration des Gases bezeichnet,
– S_ac und S_dc jeweils entsprechen der zeitlichen Modulation und dem Mittelwert des Integrals, und zwar im gesamten Spektralbereich der Quelle, der Energiebilanz zwischen der Quelle 12 und dem Detektor 18, durch das Filter 16 mit abstimmbarer Wellenlänge und die Gaszelle 14,
– i ein boolescher Parameter ist, der 1 beträgt, wenn die Quelle 12 eingeschaltet ist, und 0, wenn die Quelle abgeschaltet ist,
– P ein unbekannter und variabler Koeffizient für optische Verluste ist, der beispielsweise die Verstaubung der betreffenden Vorrichtung berücksichtigt,
– O_ac(t) + O_dc eine Nullpunktverschiebung ist, die in erster Linie auf den Detektor 18 zurückzuführen ist und sich in Form von zwei Termen präsentiert, die jeweils einem im Lauf der Zeit variablen Term O_ac(t) und einem im Lauf der Zeit nicht variablen Term O_dc entsprechen.

Das Signal E(c,t) ist auf der linken Seite von 3 dargestellt, die einen Teil 29 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Bestimmung der Gaskonzentration zeigt.
Diese Figur beschreibt Mittel, die jeweils ein Isolieren jener Komponente des Signals E(c,t) ermöglichen, die im Lauf der Zeit variiert, also E_ac, und jener, die im Lauf der Zeit nicht variiert, also E_dc. Die Mittel, welche das Isolieren der Komponente E_ac des Signals E(c,t) erlauben, werden beispielsweise von einem Verstärker 30 mit synchroner Demodulation gebildet.
Der Verstärker 30 mit synchroner Demodulation umfasst am Eingang eine Kapazität C1, welche die nicht im Lauf der Zeit variierenden Signale stoppt, und einen Widerstand R1. Ein Unterbrecher 32, der von der Synchronisationsfrequenz des Filters 16 (819 Hz) gesteuert wird, ist beispielsweise mittels einer CMOS-4066-Schaltung realisiert und ermöglicht so durch Demodulation des Signals E(c,t), dass am Ausgang des Differenzverstärkers 34 die Komponente E_ac dieses Signals auftritt.
Ein Tiefpassfilter, das durch einen zu einer Kapazität C2 parallelen Widerstand R2 gebildet wird, ist zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Verstärkers 34 angeordnet, um die Reste des Demodulationsvorgangs zu filtern.
Als Variante zum oben erläuterten Aufbau können in jenem Fall, wo das aus dem Detektor stammende Signal nur wenig durch Rauschen beeinträchtigt wird, die Mittel zum Isolieren der Komponente E_ac des Signals E(c,t) auch einfacher gestaltet werden, und zwar aus einem herkömmlichen Hochpassfilter, das beispielsweise aus einer Kapazität mit einem Wert gleich 0,1 μF und einem Widerstand mit einem Wert gleich 1 kΩ gebildet wird, wie aus 3a hervorgeht.
Zwecks Aufhebung der Nullpunktverschiebung, die vom Demodulator bei Nicht-Vorhandensein der Energie erzeugt wird, die vom Detektor 13 erhalten wird, findet ein potentiometrischer Aufbau 36 Einsatz, der aus einem variablen Widerstand R3 besteht, der an seinen Klemmen das 819-Hz-Signal und dessen Inverses empfängt.
Durch Verlagern des Schleifers auf dem Widerstand R3 kann die Nullpunktverschiebung abgeglichen werden, indem die Amplitude und die Phase des sogenannten Offset-Signals geregelt werden, dessen Einspeisung an Punkt A1 erfolgen wird.
Der aus den in Reihe geschalteten Widerständen R4, R5 bestehende Aufbau, in dem der Widerstand R5 an die Spannungsquelle –V_dc angeschlossen ist, bildet einen Dämpfer, der zum Verbessern des Nullpunktabgleichs dient.
Eine Kapazität C3 in Reihe mit einem Widerstand R6 verbindet den zwischen den Widerständen R4, R5 liegenden Punkt A2 und den Punkt A1 und bildet ferner eine Schaltung zur Einspeisung des Offset-Signals, das die kontinuierliche Komponente dieses Signals stoppt.
Die Komponente E_ac entwickelt sich in Bezug auf einen Referenzpunkt A3, der eine fiktive Masse bildet. Die Spannung in diesem Punkt beläuft sich hinsichtlich der Masse auf V_dc/2.
Eine Kapazität C4, die an einem Ende an die Spannungsquelle –V_dc und am gegenüberliegenden Ende an den Punkt A3 angeschlossen ist, und der äquivalente Widerstand der Brückenschaltung R7, R8 erzeugen eine Entkopplung vom Rauschen, das vom Unterbrecher 32 herrührt, damit dieses Rauschen nicht am Ausgang des Verstärkers 34 wieder auftritt.
Nun erfolgt die Beschreibung jener Mittel 37, die das Isolieren der Komponente E_dc des Signals E(c,t) ermöglichen, die im Lauf der Zeit nicht variiert.
Das aus dem Detektor 18 stammende Signal E(c,t) wird einer Impedanzanpassungsschaltung 38 zugeführt, die durch einen Differenzverstärker realisiert ist, der in einem sogenannten Puffer verwendet wird, und so wird eine Verringerung der besagtem Signal E(c,t) gebotenen Impedanz ermöglicht.
Ein Widerstand R9 verbindet den Ausgang der Schaltung 38 mit dem invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 40, und ferner verbindet ein Widerstand R10 besagten invertierenden Eingang mit dem Ausgang dieses Verstärkers.
Die drei Widerstände R11, R12 und R13 sind in Reihe zwischen den jeweiligen Spannungsquellen +V_dc, –V_dc geschaltet.
Der Widerstand R12 ist variabel und, durch eine Verlagerung des Schleifers des so realisierten potentiometrischen Aufbaus ist ein Abgleich der Nullpunktverschiebung des Signals E_dc, das erhalten wird, möglich.
Die Widerstände R11 und R13, die den Widerstand R12 einrahmen, dienen zur Verbesserung des Nullpunktabgleichs.
Es ist eine weitere Impedanzanpassungsschaltung 42 vorgesehen, die mittels eines Differenzverstärkers realisiert ist, der in einem Puffer verwendet wird, wobei der nicht invertierende Eingang besagten Verstärkers an den variablen Widerstand R12 angeschlossen ist.
Die Funktion dieser Schaltung 42 besteht darin, die Impedanz der Brückenschaltung R11, R12, R13, gesehen vom Schleifer des Potentiometers R12, zu verringern.
Der Ausgang der Schaltung 42 ist mit dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 40 über einen Widerstand R14 verbunden.
Der Ausgang des Verstärkers 40 ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 44 verbunden, dessen Funktion darin besteht, den Pegel des Ausgangssignals E_dc zu erhöhen.
Ein Tiefpassfilter, das aus einer zu einem Widerstand R16 parallelen Kapazität C5 besteht, ist zwischen dem invertierenden Eingang des Verstärkers 44 und dessen Ausgang angebracht, um das im Signal E_dc vorhandene Rauschen zu filtern.
Eine Impedanzanpassungsschaltung 46, die durch einen Differenzverstärker realisiert ist, der in einem Puffer verwendet wird, ist so vorgesehen, dass der nicht invertierende Eingang besagten Verstärkers mit dem Punkt A3 und der Ausgang desselben mit dem Punkt A4 verbunden ist. Ein Widerstand R17 ist zwischen dem Punkt A4 und dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 44 angeordnet.
Diese Schaltung 46 eröffnet die Möglichkeit, das Wiedereinspeisen von Strömen am Referenzpunkt A3, das eine Störung hinsichtlich der Komponente E_ac einbringen würde, zu vermeiden.
Die Spannung U1, die zwischen den beiden Zweigen angelegt ist, die jeweils den invertierenden und den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 40 erreichen, findet sich am Ausgang dieses Verstärkers zwischen dem Zweig, der den Widerstand R15 trägt, und dem Punkt A4 wieder.
Dies wird dank der paarweisen Zuordnung der Widerstände R9, R14, R10 und R17 möglich gemacht.
So wird am Ausgang des Aufbaus 37 die Komponente E_dc des Signals E(c,t) erhalten, die im Lauf der Zeit nicht variabel ist.
Eine in 3b veranschaulichte Variante zeigt Mittel 47 zum Isolieren der Komponente E_dc des Signals E(c,t), die durch einen Differenzmessverstärker 46 gebildet werden, der aus einem Differenzverstärker 50 besteht, der mit einem Widerstand R18 zwischen seinen beiden Eingängen ausgestattet ist, der an seinem invertierenden Eingang das Signal E(c,t) empfängt und dessen nicht invertierender Eingang an den potentiometrischen Aufbau angeschlossen ist, der den variablen Widerstand R12 nutzt.
Dieser Verstärker wird durch die am Punkt A3 (V_dc/2) genommene Spannung gespeist und zeigt natürlich eine hohe Gleichtaktunterdrückungsrate.
Ein solcher Verstärker wird beispielsweise von der Firma ANALOG DEVICES unter der Artikelnummer AD620 vertrieben.
Am Ausgang dieses Verstärkers ist ein herkömmliches Tiefpassfilter, das aus einem Widerstand R19 und einer Kapazität C6 besteht, zwecks Filterns der unerwünschten Komponenten vorgesehen, die im Lauf der Zeit variieren.
Im Folgenden der Ausführung wird nun das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Gas beschrieben.
Wenn die Quelle 12 optischer Strahlung aus ist, beläuft sich der boolesche Parameter i im Ausdruck der vom Detektor 18 erhaltenen Energie auf 0, und dann ist die Energie E(c,0) gleich dem Term Oac(0) + Odc entsprechend der Sollwertabweichung des Detektors.
Dank den Mitteln 30 und 37, die zuvor mit Blick auf die 3 und 3a–b beschrieben wurden, können die Komponente, die im Lauf der Zeit variiert, also E_ac, und jene, die im Lauf der Zeit nicht variiert, also E_dc, getrennt werden.
So liefern die Mittel 30 am Ausgang die Komponente E_ac(0), die gleich dem Glied O_ac des Terms O_ac(0) + O_dc bei Nicht-Vorhandensein der Beleuchtung ist.
Dieser Wert ist eine Konstante, die in einem RAM gespeichert wird, das in den Figuren nicht abgebildet ist. Was die Mittel 37 anbelangt, liefern diese am Ausgang die Komponente E_dc(0), die gleich dem Glied O_dc des Terms O_dc(0) + O_dc bei Nicht-Vorhandensein der Beleuchtung ist.
Anschließend wird die Quelle 12 eingeschaltet, woraufhin sich der boolesche Parameter i auf 1 beläuft und die Energie E(c,t) gleich dem Term [S_ac(c,t) + S_dc(c)]P + O_ac(t) + O_dc ist.
Es ist anzumerken, dass das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist, gleichgültig in welcher Richtung sich der Zustand des Parameters i verändert (Übergang von Zustand 0 zu 1 oder von 1 zu 0).
Die Mittel 30 und 37 ermöglichen jeweils das Isolieren der Komponenten E_ac(1) und E_dc(1). Eac(1) = Sac(c).P + Oac(0)also Eac(1) = Sac(c).P + Eac(0)und Edc(1) = Sdc(c).P + Odc also Edc(1) = Sdc(c).P + Edc(0)
Auch die Werte E_ac(1) und E_dc(1) sind in einem nicht dargestellten RAM gespeichert.
Es ist anzumerken, dass das Verhältnis E_ac/E_dc unter der Wirkung zweier Einflüsse nicht stabil ist, nämlich:

– unter dem Einfluss optischer Verluste P, deren Veränderungen langfristig stattfinden, und
– unter dem Einfluss der Sollwertabweichung der Terme Oac(t) und Odc mit den Umgebungsparametern, wie z. B. der Temperatur, deren Veränderungen mittelfristig auftreten.

Folglich ist es wesentlich, dass der Übergang vom Aus-Zustand (0) zum Ein-Zustand (1) und die verschiedenen Etappen zur Messung der Werte E_ac(0), E_dc(0), E_ac(1) und E_dc(1) in einem Zeitraum erfolgen, der angesichts der Periode der Variationen des Verhältnisses E_ac/E_dc ausreichend kurz ist, damit das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist.
Ein Mikroprozessor bekannten Typs berechnet die Terme E_ac(1) – E_ac(0) und E_dc(1) – E_dc(0) und stellt das Verhältnis zwischen diesen Termen her, woraus sich Folgendes ergibt: R(c) = [Eac(1) – Eac(0).]/[Edc(1) – Edc(0).] = Sac(c)/Sdc(c)
R(c) ist daher eine Funktion, die allein von der Gaskonzentration c abhängt.
Im Voraus wird eine Kalibrierung von R(c) für verschiedene Werte der Konzentration c vorgenommen, und ausgehend vom für R(c) bestimmten Wert wird mittels linearer Interpolation der Wert der Konzentration c des Gases abgeleitet.
Die Funktion R(c) ist unabhängig von den Verlusten auf dem optischen Weg (Staub, ...) und den Nullpunktverschiebungen, die in der Messkette unvermeidbar sind. Die Realisierung einer mittel- und langfristig stabilen Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration c eines Gases (Gasdetektor), erweist sich daher als möglich, indem c in der nachstehend beschriebenen Weise bestimmt wird.
Zur Erzielung besserer Resultate ist es geplant, das abstimmbare Filter 16 und seine Modulation in zweckmäßiger Weise zu wählen und zu dimensionieren.

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Konzentration eines Gasvolumens (14), bei welchem – eine elektromagnetische Strahlung durch das Gasvolumen gesendet wird (Zustand 1), – die Strahlung gefiltert wird, wobei die spektrale Transmission des Filters zeitlich moduliert wird, um eine zeitliche Modulation der von dem Gasvolumen und diesem Filter übertragenen Strahlungsenergie zu erzielen, – diese zeitlich modulierte Energie detektiert und aus ihr ein Signal E extrahiert wird, das insbesondere von der Konzentration des Gases abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Komponente E_ac(1) des Signals isoliert wird, die im Lauf der Zeit variiert, – die Komponente E_dc(1) des Signals isoliert wird, die im Lauf der Zeit nicht variiert, – das Aussenden einer Strahlung angehalten wird (Zustand 0) und – die Komponente E_ac(0) des vom Detektor empfangenen Signals isoliert wird, – die Komponente E_dc(0) dieses Signals isoliert wird, – die Terme E_ac(1) – E_ac(0) und E_dc(1) – E_dc(0) berechnet werden, – das Verhältnis (E_ac(1) – E_ac(0))/(E_dc(1) – E_dc(0)) gebildet wird, das dann einzig eine Funktion der Gaskonzentration c ist, und c daraus abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die elektromagnetische Strahlung optische Strahlung ist.
Vorrichtung (10) zum Bestimmen einer Konzentration eines Gasvolumens (14), die in dieser Reihenfolge aufweist: – zumindest eine Quelle (12), die eine elektromagnetische Strahlung durch das Gasvolumen sendet, – ein Filter (16) mit abstimmbarer Wellenlänge, dessen spektrale Transmission in Abhängigkeit von Wellenlänge und Zeit variabel ist, – einen Detektor (18), der in Abhängigkeit von der Energie der Strahlung, die das Gasvolumen und das Filter durchquert hat, ein Signal erzeugt, das insbesondere von der Konzentration des Gases abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung umfasst: – Mittel (30), welche die Komponente E_ac des Signals, die im Lauf der Zeit variiert, jeweils isolieren, wenn die Quelle eingeschaltet ist (Zustand 1) und wenn sie ausgeschaltet ist (Zustand 0), und – Mittel (38, 40, 42; 48, R19, C6), welche die Komponente E_dc des Signals, die im Lauf der Zeit nicht variiert, jeweils isolieren, wenn die Quelle eingeschaltet ist (Zustand 1) und wenn sie ausgeschaltet ist (Zustand 0), – Mittel zum Berechnen der Terme E_ac(1) – E_ac(0) und E_dc(1) – E_dc(0), zum Bilden des Verhältnisses (E_ac(1) – E_ac(0))/(E_dc(1) – E_dc(0)), das dann einzig eine Funktion der Konzentration c des Gases ist, und zum Ableiten von c daraus.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Mittel zum Isolieren der Komponente E_ac des Signals aus einem Verstärker mit synchroner Demodulation (30) gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Mittel zum Isolieren der Komponente E_ac des Signals aus einem Hochpassfilter gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Mittel zum Isolieren der Komponente E_dc des Signals aus einem Differenzverstärker (40) gefolgt von einem Tiefpassfilter (C5, R16) und aus Impedanzanpassungsschaltungen (38, 42), die mit den invertierenden und den nicht invertierenden Eingängen des Verstärkers verbunden sind, gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Mittel zum Isolieren der Komponente E_dc des Signals aus einem Messdifferenzverstärker (48) gefolgt von einem Tiefpassfilter (R19, C6) gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei der die elektromagnetische Strahlung optische Strahlung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei der das Filter (16) ein Fabry-Pérot-Interferometer ist.