Gassensoranordnung

Die Erfindung betrifft eine Gassensoranordnung nach dem O- berbegriff des Hauptanspruchs und des Nebenanspruchs.

Die Strahlungsabsorption im Infrarotbereich durch Gasmoleküle wird vielfach für die Bestimmung der Gaskonzentration benutzt. Die Absorptionswellenlängen bzw. die Absorptionsbän- der unterschiedlicher Gase sind bekannt: z.B. 4,24 μm für CO ₂ , 4,64 μm für CO, 3,46 μm für CH ₄ etc..

Bekannte Infrarotgassensoren weisen beispielsweise eine breitbandige Strahlungsquelle, eine Absorptionsstrecke bzw. einen Gasmessraum, ein wellenlängenselektivierendes Element, z.B. ein optisches Bandpassfilter wie ein Interferenzfilter, ein Fabry-Perot Interferometer oder ein Gitter, und einen Strahlungsdetektor, beispielsweise einen pyroelektrischen Detektor, einen Halbleiterdetektor oder einen thermophilen Detektor auf. Die Abschwächung der am Detektor ankommenden Strahlung aufgrund der Absorption durch die Gasmoleküle ist ein Maß für die Konzentration des bei der eingestellten Wellenlänge absorbierenden Gases. Das wellenlängenselektivie- rende Element kann vor und/oder hinter dem Gasmessraum ange- ordnet werden.

Der Einsatz einer wellenlängenselektiven Strahlungsquelle wie z.B. einer LED oder eines Lasers in Kombination mit nichtwellenlängenselektiven Strahlungsempfängern ist eben- falls bekannt.

Die Strahlungsabsorption durch Gasmoleküle im Infrarotbereich wird auch in photoakustischen Gassensoren benutzt. Die Strahlungsabsorption führt zur Erwärmung des Gases im Gas-

messraum. Die daraus resultierende Druckänderung wird mittels eines akustischen Detektors wie z.B. eines Mikrofons oder mittels eines Drucksensors registriert.

Die Strahlungsabsorption in einer Gassensoranordnung kann als Funktion der Messgaskonzentration (x) und der Zeit (t) folgendermaßen beschrieben werden:

( 1 ) I _NM (x, t) = I _m (t) ^■ φ _NM • ß _m (t) ^■ d _M (t) • exp(-α • a _m ^■ x) .

In dieser Gleichung beschreibt

I _NM (x,t)- das Signal des Detektors M bei eingeschalteter Strahlungsquelle N; i _Nθ (t)- die Strahlungsintensität der Strahlungsquelle N im Absorptionsband des zu detektierenden Gases und deren Veränderung mit der Zeit;

φ _NM - den geometrischen Faktor für den Anteil des von der Strahlungsquelle N ausgestrahlten Lichts, welches am Detektor M ankommt (Effizienz der Optik, Detektoraper- tur, etc.); l>φ>0 und ändert sich nicht mit der Zeit;

P _NM (t)- den Verschmutzungsfaktor für eine Verschlechterung der strahlungsführenden Optik mit der Zeit (t) ; er ist in dem betrachteten Beispiel geometrisch isotrop (bei t=0, ß=l; bei t>0, l≥ß>0) ; d _M (t)- die Sensitivität des Detektors M als Funktion der Zeit (t) . Die Veränderungen der Sensitivität der Messelektronik mit der Zeit (t) werden auch durch diesen Koeffizient berücksichtigt;

α - den Absorptionskoeffizienten des zu detektierenden Gases;

a _NM - den effektiven Lichtweg der Strahlung von der Strahlungsquelle N entlang der Absorptionsstrecke durch den Messraum zum Detektor M; x - die Konzentration des zu detektierenden Gases; t - die Zeit.

Demzufolge hängt die Langzeitstabilität derartiger Infrarot- und photoakustischer Gassensoranordnungen im wesentlichen von der Veränderung der Strahlungsintensität der Strahlungs- quellen mit der Zeit, von der Veränderung der Strahlungs- übertragungseffizienz des gesamten optischen Systems mit der Zeit und von den Veränderungen (Langzeitinstabilitäten) der Eigenschaften der Detektoren und der Messelektronik mit der Zeit ab.

Zu erwähnen ist ebenfalls die Abhängigkeit der Konzentrationsmessung mit einem optischen Gassensor vom Luftdruck im Gasmessraum, da auf diese Weise praktisch die Anzahl der Messgasmoleküle im Messraum gemessen wird. Der Einsatz eines Luftdrucksensors zur Kompensation der Luftdruckschwankungen in Infrarotgassensoranordnungen ist bekannt.

Für den Ausgleich der verschiedenen Veränderungen der Gassensoreigenschaften wird die Gassensoranordnung bzw. werden die Gassensoranordnungen in der Praxis bezüglich der Nullpunkt- und Empfindlichkeitsdrift in bestimmten Zeitabständen kontrolliert und justiert. Dazu werden die Gassensoranordnungen mit einem Gas bzw. Gasgemisch ohne die zu messende Gaskomponente bespült, um die Lage des Nullpunkts zu ermit- teln und zu korrigieren. Nach der Nullpunktskontrolle werden sie mit einem Gasgemisch bekannter Konzentration der zu messenden Gaskomponente bespült, wobei der erhaltene Messwert mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird. Diese Nachka-

librierung muss in der Regel von geschultem Personal durchgeführt werden und ist somit sehr kostenintensiv. Derartige Nachkalibrierungen sind immer unerwünscht und oft durch die Art der Anwendung des Gassensors sogar unmöglich.

In manchen Fällen existieren durch die Art der Anwendung eines Gassensors alternative Möglichkeiten für dessen Nachkalibrierung bzw. Justierung. So kann, zum Beispiel, im Falle eines Cθ ₂ -Sensors die Außenluft für eine überprüfung des Sensors benutzt werden, da sie eine in etwa konstante Konzentration von CO ₂ , üblicherweise zwischen 350 ppm (ppm - parts per million) und 400 ppm, enthält. Auch kann beispielweise im Falle eines Cθ ₂ -Sensors, welcher für die Lüftungssteuerung in einem Bürogebäude eingesetzt wird, davon ausge- gangen werden, dass sich die Cθ ₂ -Konzentration in der Innen- raumluft im Gebäude in der Nacht, wenn keine Personen anwesend sind, der Konzentration in der Außenluft nähert. Ein über längere Zeit gewichteter nächtlicher Messwert kann unter solchen Bedingungen für die Kompensation der Langzeit- Veränderung der Sensoreigenschaften verwendet werden. Im Falle eines Warngassensors für Erdgas kann, zum Beispiel, davon ausgegangen werden, dass die meiste Zeit kein Erdgas in der Luft anwesend ist. Ein über lange Zeit gewichteter Messwert kann unter dieser Prämisse für die Kompensation der Langzeitdrift des Nullpunkts des Sensors eingesetzt werden.

Ein gravierender Nachteil der gerade beschriebenen Methoden besteht unter anderem darin, dass sie an eine bestimmte Art der Sensoranwendung fest gekoppelt sind. Jegliche Abweichung vom angenommenen Szenario kann somit zu einer gravierenden Beeinträchtigung der Funktionalität des Gassensors führen.

Im Stand der Technik werden zur Sicherung der Langzeitstabilität eines optischen Gassensors verschiedene vorteilhafte stabile Materialien eingesetzt sowie unterschiedliche Anordnungen und Verfahren zum Betrieb eines solchen Gassensors vorgeschlagen.

Die Verschmutzung des Lichtweges in einer optischen Gassensoranordnung wird vielfach durch den Einsatz geeigneter gas- permeabler Filter zum Abhalten von verunreinigenden Parti- kein bekämpft. Eine chemische Veränderung der strahlungsre- flektierenden Eigenschaften der Oberflächen mit der Zeit, welche an der Lichtführung innerhalb der Gassensoranordnung teilnehmen, wird durch den Einsatz von chemisch passiven Be- schichtungen, wie z.B. von Goldbeschichtungen, minimiert. Das Auftreten von Verschmutzungen und chemischen Veränderungen wird so stark reduziert, es kann jedoch nicht völlig ausgeschlossen werden.

Im Stand der Technik sind mehrere Versuche bekannt, um die Infrarot Gassensoren zu verbessern. Es wurden Versuche unternommen unterschiedliche Kompensationstechniken in den Gassensorvorrichtungen oder in den Messverfahren zu realisieren. Solche Kompensationstechniken fügen zusätzliche Bauelemente und/oder Variablen den Vorrichtungen bzw. den Ver- fahren hinzu und dienen dazu die Messparameter, die im Betrieb nach der Erstkalibration konstant bleiben müssen, zu stabilisieren oder deren Veränderung gegebenenfalls zu kompensieren.

Zum Beispiel, beschreibt das US Pat . 3,745,349 von Liston eine Gasmessvorrichtung mit zwei unterschiedlichen Strahlungsquellen um die Messstrahlung, deren Spektrum im Absorptionsband des zu detektierenden Gases liegt, und die Referenzstrahlung, deren Spektrum außerhalb des Absorptionsban-

des des zu detektierenden Gases liegt, zu erzeugen. Die Strahlungsquellen werden alternativ betätigt und die Strahlung wird von einem nicht wellenlängenselektiven Detektor empfangen. Die relative änderung des Detektorsignals bei der Bestrahlung mit der Mess- bzw. der Referenzstrahlung wird für die Bestimmung der Gaskonzentration verwendet. Die Alterung der einzelnen eingesetzten Strahlungsquellen wird in diesem Falle gar nicht kompensiert, was zu instabilen Ergebnissen führt. Weder die änderung der Effizienz der strah- lungsführenden Optik noch die änderung der Sensitivität des Detektors, die Detektordrift, noch die Drift der Auswerteelektronik werden hier kompensiert.

Das US Pat . 5,341,214 von Wong beschreibt eine Gassensoran- Ordnung mit einer Strahlungsquelle und zwei Strahlungsdetektoren. Einer der Detektoren empfängt die Strahlung durch ein optisches Filter, dass nur die Strahlung in einem Absorptionsband des zu detektierenden Gases, dem Messband, durch- lässt. Der andere Detektor empfängt die Strahlung durch ein optisches Filter, welches nur die Strahlung in einem Referenzband durchlässt, in dem keine nennenswerte Absorption durch das zu detektierende Gas oder andere Gase stattfindet. Das zur Konzentrationsbestimmung erforderliche Signal wird durch die Quotientenbildung der beiden erhaltenen Signale, d.h. Messsignal zu Referenzsignal, gebildet. Die Alterung der Strahlungsquelle sowie die Veränderungen der Detektoren und/oder der Messelektronik mit der Zeit verändern den Quotient, was notwendigerweise zu öfteren Nachkalibrationen führt .

Solche Messungen in einem Mess- und in einem Referenzband können auch mit einer Strahlungsquelle und einem Detektor durchgeführt werden, z.B. wenn ein regelbares optisches Filter verwendet wird. So beschreibt beispielweise US Pat.

5,646,729 von Koskinen et al. den Einsatz eines elektrisch abstimmbaren Fabry-Perot Interferometers in einer Gassensoranordnung um die Strahlung der Strahlungsquelle in mindestens zwei Strahlungsbändern zu filtern.

Das US Pat. 5,977,546 von Carlson beschreibt eine Gassensoranordnung mit einem Messraum, einer Strahlungsquelle, wechselbaren optischen Filtern, einem Strahlungsteiler und einem Strahlungsdetektor. Die Messungen werden alternativ mit HiI- fe einer Mess- und einer Referenzstrahlung in einem Messbzw. Referenzband des zu detektierenden Gases durchgeführt. Zu diesem Zweck werden unterschiedliche optische Filter zwischen der Quelle und dem Strahlungsteiler eingesetzt. Die Strahlung wird dabei durch zwei separate Mess- und Referenz- kanäle geleitet. In diesem Aufbau lassen sich viele Langzeitstörfaktoren kompensieren. Der mechanische Aufbau des Gasmessgerätes und die erforderliche Optik sind jedoch sehr kompliziert, insbesondere da sie bewegliche Bauteile enthalten. Diese Gassensoranordnung ist sehr teuer, sehr empfind- lieh gegen mechanische und thermische Einflüsse und für eine Miniaturisierung ungeeignet.

Eine Gassensoranordnung mit zwei breitbandigen Strahlungsquellen, einem Messdetektor und einem Referenzdetektor ist im Patent DE 197 13 928 von Winkler et al . beschrieben. Die Strahlungsquellen, die Detektoren und ein Strahlungsteiler befinden sich in einem gasdichten Gehäuse. Die Strahlung einer der Quellen wird durch ein optisches Fenster und durch den Gasmessraum geschickt, von einem Spiegel reflektiert und danach mit Hilfe des Strahlungsteilers auf beide Strahlungsdetektoren aufgeteilt. Die Strahlung der zweiten Strahlungsquelle wird direkt mit Hilfe des Strahlungsteilers auf beide Strahlungsdetektoren aufgeteilt. Konische Strahlungskon- zentratoren werden für eine nicht-abbildende Strahlungsbün-

delung auf die Detektoren eingesetzt. Der mechanische und optische Aufbau dieser Vorrichtung ist sehr kompliziert und teuer, ungeeignet für eine Miniaturisierung und sehr empfindlich gegen mechanische und thermische Einflüsse.

Das US Pat. 6,067,840 von Chervayohan et al. sowie die Patentanmeldung DE 102 02 786 von Wiegleb beschreiben eine Gassensoranordnung, in der zwei Strahlungsquellen innerhalb des Gasraums in einem unterschiedlichen Abstand zum Strah- lungsdetektor angeordnet sind. Die Strahlungsquellen werden alternativ nacheinander betätigt. Der Strahlungsdetektor ist mit einem auf ein Absorptionsband des zu detektierenden Gases abgestimmten optischen Filter versehen. Die Ausgangssignale der beiden Strahlungsquellen am Detektor werden durch- einander geteilt. Dieser Quotient wird für die Bestimmung der Gaskonzentration verwendet. Das Patent DE 195 20 488 von Stock (08-452A) beschreibt eine ähnliche Gassensoranordnung. Hier werden die Strahlungsquellen mit unterschiedlichen Frequenzen moduliert und das Detektorsignal wird entsprechend demoduliert. Die Ausgangssignale der verschiedenen Frequenzen werden durcheinander geteilt. Dieser Quotient wird für die Bestimmung der Gaskonzentration verwendet. Diese technische Lösung verringert die Stabilitätsprobleme kaum. Sie führt vielmehr zu einer verstärkten Instabilität des Sensors durch die im allgemeinen unterschiedliche Alterung der Strahlungsquellen .

Das Patent DE 199 25 196 von Shulga et al. beschreibt eine Gassensoranordnung aus einem Strahlungsdetektor und zwei Strahlungsquellen. Eine der Strahlungsquellen, die Mess- strahlungsquelle, wird ständig für die Messung eingesetzt, die andere dagegen, die Referenzstrahlungsquelle, ruht die meiste Zeit und wird viel seltener eingeschaltet um eine e- ventuelle Alterung der Messstrahlungsquelle festzustellen

und zu kompensieren. Diese Gassensoranordnung bietet jedoch nicht die vollständige Kompensation möglicher Veränderungen der Gassensoranordnungseigenschaften mit der Zeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Infrarotgassensoranordnung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und des Nebenanspruchs derart weiter zu entwickeln und zu verbessern, dass die Alterung der Strahlungsquelle, der lichtführenden Optik sowie der Strahlungsdetektoren und der Messelektronik weitgehend kompensiert werden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin eine photoakustische Gassensoranordnung derart zu realisieren, dass eine Alterung der Strahlungsquelle, der reflektierenden 0- berfläche der Messzelle sowie der Druckdetektoren weitgehend kompensiert wird.

Der Aufbau der erfindungsgemäßen Gassensoranordnungen soll sich für die Miniaturisierung eignen und darf keine bewegli- che Teile enthalten.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs und des Nebenanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Erfindungsgemäß werden unten neue und verbesserte Gassensoranordnungen und Verfahren beschrieben um zuverlässige und stabile quantitative Gaskonzentrationsmessungen über lange Zeit, in der Praxis - über mehrere Jahre, ohne Nachkalibra- tion und Justage zu gewährleisten.

Die Hauptquellen der Langzeitinstabilität einer erfindungsgemäßen optischen Gassensoranordnung werden gezielt durch

die erfindungsgemäßen Maßnahmen und deren Kombinationen kompensiert .

Gemäß eines Aspekts der Erfindung wird die Alterung einer oder mehrerer Messstrahlungsquellen, welche dauerhaft für die Messung eingesetzt werden, durch den Einsatz einer oder mehrerer Referenzstrahlungsquellen festgestellt und kompensiert. Eine Referenzstrahlungsquelle dient nicht den normalen Messungen, sondern ruht die meiste Zeit und wird nur selten in großen zeitlichen Abständen zur Bestimmung der Alterung der Messstrahlungsquellen eingeschaltet. Somit wird eine Referenzstrahlungsquelle während des ganzen Betriebslebens des Gassensors kaum betrieben, sie altert nicht und dient als interne Referenz.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Langzeitdrift der Eigenschaften der Strahlungsdetektoren sowie der Messelektronik in einer erfindungsgemäßen Gassensoranordnung durch den Einsatz mindestens zweier Messstrah- lungsquellen und/oder mindestens zweier Referenzstrahlungsquellen kompensiert wird. Erfindungsgemäß befinden sich dabei die gleichartigen Strahlungsquellen (Mess- bzw. Referenzstrahlungsquellen) in unterschiedlichen Abständen zu einer Detektorvorrichtung, so dass die effektiven optischen Lichtweglängen von den einzelnen Strahlungsquellen zu den Detektoren unterschiedlich sind.

Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird die Verschlechterung der lichtführenden Optik in einer erfindungs- gemäßen Gassensoranordnung dadurch festgestellt und kompensiert, dass die Detektorsignale, welche den Strahlungsemissionen der einzelnen Mess- bzw. den einzelnen Referenzstrahlungsquellen zugeordet sind, sowohl in einem Absorptionsband des zu detektierenden Gases, dem Messband, als auch in min-

destens einem weiteren spektralen Band, in dem weder das zu detektierende Gas noch andere störende Gase die Strahlung nennenswert absorbieren, dem Referenzband, gemessen und ausgewertet werden.

Erfindungsgemäß werden die Alterungs- und Verschmutzungseffekte in einer erfindungsgemäßen Gassensoranordnung mit Hilfe einer oder mehrerer Funktionen der Detektorsignale in einem, Mess- und/oder in einem Referenzband für die einzelnen eingesetzten Mess- und Referenzstrahlungsquellen festgestellt und gegebenenfalls kompensiert.

Erfindungsgemäß werden diese und andere Maßnahmen einzeln und in den Kombinationen eingesetzt um neue und vorteilhafte erfindungsgemäße Gassensoranordnungen mit äußert stabilen Langzeiteigenschaften hervorzubringen .

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die erfindungsgemäßen Gassensoranordnungen und Verfahren ohne Nachka- librierung bzw. Justierung eine Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität erreichen, die bisher, wenn überhaupt, nur durch viel größere, viel kompliziertere und viel teurere Messgeräte erreicht werden könnten.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Gassensoranordnungen und Verfahren besteht in der Möglichkeit, alle wichtigen Faktoren, welche die Langzeitstabilität und die Zuverlässigkeit quantitativer Gaskonzentrationsmessungen beeinträchtigen, zu berücksichtigen und entsprechend für die Lö- sung einer praktischen Aufgabe die für deren Anforderungen relevanten Bauelemente und das geeignetste Design einer Gassensoranordnung zu wählen.

Von weiterem Vorteil ist die Verwendung mehrerer Strahlungsquellen in den erfindungsgemäßen Gassensoranordnungen. Bekanntlich ist der Ausfall der Strahlungsquelle die häufigste Ursache des Funktionsausfalls für optische Gassensoren bzw. Gassensoranordnungen. Eine Vielzahl von Strahlungsquellen in den erfindungsgemäßen Gassensoranordnungen hat zur Folge, dass beim Ausfall einer Strahlungsquelle die Gassensoranordnung mit den anderen Strahlungsquellen noch über lange Zeit ohne wesentliche Funktionsbeeinträchtigungen betrieben wer- den kann. Durch den Einsatz redundanter Strahlungsquellen wird der so genannte "harte" Sensorausfall vermieden, was zu einer besseren Zuverlässigkeit der Sensoren führt und die Wartungskosten erheblich mindert.

Noch ein Vorteil der Erfindung ist die kompakte Bauweise, mechanische Stabilität sowie Miniaturisierbarkeit der erfindungsgemäßen Gassensoranordnungen, welche mit einer minimalen Anzahl von einfachen Bauelementen bei äußerst hoher Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität auskommen.

Weitere Vorteile der Erfindung werden einem Fachmann nach dem Studium und Verinnerlichung der Beschreibungen der unten aufgeführten Ausführungsbeispiele ersichtlich.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verbesserungen möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in den nachfolgenden Beschreibungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Infrarotgassensoranordnung mit zwei Strahlungsquellen

und zwei Einzeldetektoren nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine weitere schematische Darstellung des Aufbaus einer weiteren Infrarotgassensoranordnung mit zwei

Strahlungsquellen und zwei Einzeldetektoren nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer er- findungsgemäßen Infrarotgassensoranordnung mit zwei

Strahlungsquellen, einem elektrisch abstimmbaren Bandpassfilter und einem Detektor,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemä- ßen Infrarotgassensoranordnung mit zwei Strahlungsquellen, welche in unterschiedlichen Abständen zu den zwei Detektoren angeordnet sind,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer er- findungsgemäßen Infrarotgassensoranordnung mit drei

Strahlungsquellen und zwei Detektoren,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Aufbaus einer erfindungsgemäßen Infrarotgassensoranord- nung mit drei Strahlungsquellen und zwei Detektoren,

Fig. 7 ein Aufbaubeispiel einer Infrarotgassensoranordnung mit vier Strahlungsquellen und zwei Detektoren nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Infrarotgassensoranordnung mit vier Strahlungsquellen und zwei Detektoren nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Infrarotgassensoranordnung mit zwei Messstrah- lungsquellen und zwei Detektoren,

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Infrarotgassensoranordnung mit zwei Messstrah- lungsquellen und vier Detektoren,

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemä- ßen Infrarotgassensoranordnung mit vier Strahlungs-

^• quellen und vier Detektoren,

Fig. 12 eine weitere schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Infrarotgassensoranordnung mit vier Strahlungsquellen und vier Strahlungsdetektoren,

Fig. 13 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen photoakustischen Gassensoranordnung mit vier Strahlungsquellen.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Infrarotgassensors 1, welcher zwei Strahlungsquellen 3 und 4, einen Gasmessraum 5, zwei Strahlungsdetektoren β und 7, sowie zwei wellenlängenselektivierende Elemente 12 und 13 und die Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 14 beinhaltet.

Die Strahlungsquellen 3 und 4 erzeugen die Strahlung in mindesten einem Absorptionsband des zu detektierenden Gases, dem Messband, sowie die Strahlung in mindestens einem weiteren spektralen Band, in dem weder das zu detektierende Gas noch andere störende Gase die Strahlung nennenswert absorbieren, dem Referenzband, mit einer für die Messung ausreichenden Intensität. Die erfindungsgemäßen Strahlungsquellen

müssen nicht identisch sein, es ist jedoch vorteilhaft wenn sie sich in ihrer Bauweise und ihren Emissionseigenschaften möglichst ähnlich sind. Die Strahlungsquellen 3 und 4 senden Infrarot-Strahlung durch den Gasmessraum 5, in dem sich das zu detektierende Gas oder ein aus mehreren Gasen zusammengesetztes Gasgemisch befindet. Im Abstand zu den Strahlungsquellen 3, 4 sind die Strahlungsdetektoren 6, 7 derart angeordnet, dass nach dem Durchgang des Messraums 5 die Strahlung auf die Detektoren 6, 7 fällt, wodurch sich im allgemeinem Fall vier Absorptionsstrecken 8, 9, 10, 11 mit unterschiedlichen effektiven optischen Lichtweglängen ergeben. Der aktuelle Verlauf der Gasabsorptionsstrecken hängt von der Gestaltung der strahlungsführenden Optik in den konkreten Ausführungen der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung ab. Der bevorzugte Aufbau der strahlungsführenden Optik des erfindungsgemäßen Gassensors ist so gestaltet, dass unterschiedliche Absorptionsstrecken möglichst viele Elemente der Optik gemeinsam haben. Vorzugsweise werden Elemente der nicht-abbildenden Optik für die Strahlungsführung einge- setzt, so dass die Anforderungen an die mechanischen Toleranzen für den Aufbau einer erfindungsgemäßen Gassensoranordnung gemindert werden. Vorzugsweise verlaufen alle optischen Lichtwege mindestens teilweise durch den Gasmessraum 5. Der Teil eines Lichtwegs der Strahlung auf dem Weg von einer der Strahlungsquellen zu einem der Strahlungsdetektoren, welcher sich innerhalb des Gasmessraums 5 befindet, entspricht einer Gasabsorptionsstrecke. Im Rahmen dieser Abhandlung werden die Begriffe "effektive optische Lichtweglänge" und "Gasabsorptionsstrecke" meistens als Synonyme verwendet und bezeichnen die effektive optische Lichtweglänge der Strahlung einer Strahlungsquelle durch den Gasmessraum einer Gassensoranordnung, bis die Strahlung an einem Strahlungsdetektor ankommt. Im allgemeinen können einzelne oder alle Strahlungsquellen und/oder einzelne oder alle De-

tektoren sich sowohl innerhalb als auch außerhalb des Gas- messraums einer erfindungsgemäßen Gassensoranordnung befinden.

Der Zugang des Messgases zum Gasmessraum 5 kann per Diffusion erfolgen. Oft kann es notwendig sein in einer erfindungsgemäßen Gassensoranordnung Maßnahmen vorzusehen, um die Bauelemente und die Optik vor Staub, Aerosolen und anderen ähnlichen Störungen zu schützen. Solche Maßnahmen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Alternativ zur Diffusion kann der erfindungsgemäße Gassensor als durchströmte Gassensoranordnung ausgebildet werden. Es kann dazu erforderlich sein, dass die Gasmessdurchflusszelle für die Infrarotstrahlung sowohl in den relevanten Absorptionsbändern des Messgases, den Messbändern, als auch in den

Referenzbändern transparente Elemente aufweist, so dass die Strahlung von den Strahlungsquellen nach dem Durchgang durch die Gasmessdurchflusszelle in einer für die Messungen ausreichenden Intensität zu den Detektoren gelangen kann. Ebenso kann die gesamte Gassensoranordnung als Teil einer Durchflusszelle ausgebildet werden oder sich in einem Gasdurchflusskanal befinden.

Die Detektorvorrichtung besteht aus zwei Strahlungsdetektoren 6 und 7. Der Strahlungsdetektor 6 empfängt nur die Strahlung in einem Messband, da sich vorzugsweise zwischen dem Gasmessraum 5 und dem Strahlungsdetektor β ein passendes optisches Interferenzfilter 12 befindet. Der Strahlungsdetektor 7 dagegen empfängt nur die Strahlung in einem Referenzband, da sich vorzugsweise zwischen dem Gasmessraum 5 und dem Strahlungsdetektor 7 ein passendes optisches Interferenzfilter 13 befindet. Bei atmosphärischen Messungen von CO ₂ wird z.B. oft das Spektralband um 4,0 μm als Referenzband benutzt. Ein Interferenzfilter kann sowohl ein fester Bauteil eines Detektors sein, als auch als stand-alone EIe-

ment an unterschiedlichen Stellen der Lichtstrecke zwischen den Strahlungsquellen und dem jeweiligen Detektor platziert werden.

Die optischen Interferenzfilter in Dünnschichttechnik sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden vielfach in optischen Gassensoren eingesetzt. Vorzugsweise wird die Kombination aus einem Interferenzfilter und einem Detektor als ein Bauelement ausgeführt.

Für den Aufbau eines erfindungsgemäßen Infrarotgassensors können auch andere wellenlängenselektivierende Elemente eingesetzt werden, um die Auswahl der Mess- und/oder Referenzbänder der an den Detektoren 6 und 7 ankommenden Strahlung zu gewährleisten. In solchen Fällen kann unter Umständen eine für einen Fachmann offensichtliche Anpassung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung erforderlich sein. So kann ein mikromechanisches Fabry-Perot Interferometer als regelbares Bandpassfilter eingesetzt werden, dessen Trans- missionseigenschaften nach Wunsch, z.B. abwechselnd, elektrisch auf ein oder mehrere Absorptions- bzw. ein oder mehrere Referenzbänder abgestimmt werden können. Auch Diffraktionsgitter unterschiedlicher Art und Güte oder Prismen können als wellenlängenselektivierende Elemente in den erfindungs- gemäßen Gassensoranordnungen eingesetzt werden. Solche Elemente werden vielfach für die Erzeugung einer schmalbandigen Strahlung in einem Raumwinkel relativ zu der Positionierung des wellenlängenselektivierenden Elements, wie z.B. eines Diffraktionsgitters, verwendet. Die Regeln, nach denen sol- che optischen Elemente eingesetzt werden können, sind bekannt. Die für den jeweiligen Anwendungsfall erforderliche Anpassung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Gassensoranordnung ist für einen Fachmann offensichtlich.

Die eingesetzten Interferenzfilter oder andere wellenlängen- selektivierende Elemente werden vorzugsweise entweder zwischen den Strahlungsquellen und dem Gasmessraum oder zwischen dem Gasmessraum und den Detektoren positioniert. Auch eine Positionierung wellenlängenselektivierender Elemente innerhalb des Gasmessraums 5 oder eine Kombination der obengenannten Varianten ist möglich.

Die genaue Positionierung der Strahlungsquellen, einer oder mehrerer wellenlängenselektivierender Elemente und der Detektoren in der Gassensoranordnung nach Fig. 1 muss vorzugsweise gewährleisten, dass die Strahlungsintensität der Strahlung einzelner Strahlungsquellen 3 und 4 nach dem Durchgang des Gasmessraums 5 sowohl in einem Mess- als auch in einem Referenzband von den Detektoren jeweils unabhängig voneinander mit ausreichender Empfindlichkeit empfangen und gemessen werden kann. Vorzugsweise empfängt dabei einer der Detektoren nur die Strahlung in einem Messband und der andere nur die Strahlung in einem Referenzband.

Die Strahlungsquelle 3, die Messstrahlungsquelle, wird ständig für die Gaskonzentrationsmessungen eingesetzt. Die Strahlungsquelle 4, die Referenzstrahlungsquelle, ruht dagegen die meiste Zeit und wird nur selten in großen zeitlichen Abständen im Rahmen eines internen Refernzierungsvorgangs eingeschaltet um die Alterung der Gassensoranordnung zu ermitteln und eventuell auszugleichen. Die Referenzstrahlungsquelle wird mindestens um das 5-fache, vorzugsweise mindestens um das 1000-fache und am besten mindestens um das 4000- fache seltener als die Messstrahlungsquelle betrieben. Die

Alterung der Referenzstrahlungsquelle 4 ist zu vernachlässigen, da sie nur kurz in großen zeitlichen Intervallen betrieben wird und dadurch ihre Eigenschaften während der gesamten Betriebszeit der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung

praktisch unverändert behält. Diese Referenzstrahlungsquelle dient somit als interne Referenz, welche eine Kompensation der Alterung der erfindungsgemäßen GasSensoranordnung über deren Lebenszeit ermöglicht. Wenn die Messstrahlungsquelle beispielsweise alle 30 Sekunden eingeschaltet wird um einen Messwert zu bekommen und der Referenzierungsvorgang, die interne Referenzierung, einmal pro Tag durchgeführt wird, dann beträgt die Betriebsdauer der Referenzstrahlungsquelle bei 10-jährigem Betrieb der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung nur einen Tag im Vergleich zur Betriebszeit der Messquelle.

Die Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 14 betreibt die Strahlungsquellen 3, 4 und die Detektoren 6, 7 auf die Weise, dass die Strahlungsintensität der Strahlung einzelner Strahlungsquellen in einem Messband bzw. in einem Referenzband von den Detektoren 6, 7 bestimmt werden kann. Mit Hilfe einer oder mehrerer Funktionen der entsprechenden Detektorsignale wird die Alterung der Gassensoranordnung festgestellt und gegebenenfalls kompensiert. Der Einsatz einer Re- ferenzstrahlungsquelle erlaubt es, die änderungen des Faktors i _N o(t) aus der Gl. (1) mit der Zeit für die jeweilige Messstrahlungsquelle festzustellen und gegebenenfalls zu kompensieren. Die Messungen der Strahlungsintensität in einem Referenzband ermöglichen es, die änderungen des Faktors ß _NM (t) aus der Gl. (1) mit der Zeit festzustellen und gegebenenfalls zu kompensieren.

Ein bevorzugtes Verfahren für die Kompensation der Alterung der Messstrahlungsquelle besteht darin, dass während des in- ternen Referenzierungsvorgangs die Abweichung gemessener Werte der Messgaskonzentration, welche mit Hilfe der Messbzw, der Referenzstrahlungsquelle gemessen werden, voneinander festgestellt, und die Kalibrationsfunktion der Gassen-

soranordnung entsprechend justiert wird, um die festgestellte Abweichung zu kompensieren.

Die Strahlungsquellen 3,4 werden vorzugsweise pulsartig in gleichen oder sich variierenden Abständen betrieben. Der

Steuerungsalgorithmus wird von der Auswerte- und Steuerungseinrichtung 14 vorgegeben. Dieser Steuerungsalgorithmus bestimmt unter anderem die Pulsform, die Pulsdauer, den Abstand zwischen einzelnen Pulsen, die Reihenfolge des Ein- Schaltens der Strahlungsquellen, die Anzahl der Pulse in unterschiedlichen Messsequenzen und die genaue Methode der Bestimmung der Messgaskonzentration sowie der Kompensation der eventuellen Alterung der Gassensoranordnung. Unter Umständen kann der Steuerungsalgorithmus auch interaktiv die Messfre- quenz sowie die Häufigkeit in der die Referenzierung durchgeführt wird, in Abhängigkeit von der Messgaskonzentration, von den im Algorithmus vorgegebenen Messgaskonzentrations- grenzwerten oder anderen Umweltparametern, wie z.B. der Temperatur oder dem Luftdruck, variieren. So kann, z.B., die Messfrequenz erhöht werden, wenn die Messgaskonzentration sich einem Grenzwert nähert. Solch eine interaktive Messfrequenzsteuerung kann beispielweise für die Senkung des Energiebedarfs einer Gassensoranordnung im Dauerbetrieb oder zu einer besseren Erfassung des Messwertes unter bestimmten Be- dingungen wichtig sein.

Die Strahlungsquellen werden vorzugsweise pulsartig betrieben. Es sind jedoch auch andere Betriebsarten möglich. So kann, zum Beispiel, eine mit einer Frequenz modulierte Span- nung zum Betrieb einzelner Strahlungsquellen verwendet werden, um die Strahlungsintensität der jeweiligen Strahlungsquellen nach einem bestimmten Muster zu modulieren. Unter solchen Bedingungen können auch Messungen bei mehreren gleichzeitig eingeschalteten Strahlungsquellen erfolgen. Die

Messstrahlungsquelle 3 muss beispielsweise zur Durchführung eines Referenzierungsvorgangs nicht ausgeschaltet werden, wenn die Referenzstrahlungsquelle 4 mit einer in einer anderen Frequenz modulierten Spannung betrieben wird. Eine ent- sprechende Demodulation der Detektorsignale durch die Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 14 würde eine solche Betriebsweise zulassen.

Die Strahlungsquellen 3, 4 und die Strahlungsdetektoren 6, 7 sind mit der Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 14 verbunden, die den Betriebsmodus, die Reihenfolge des Einschaltens die Einschaltdauer und die eventuelle Modulation der Betriebsspannung der Strahlungsquellen 3 und 4 nach einem bestimmten festen oder interaktiven Algorithmus steuert, die Ausgangssignale der Strahlungsdetektoren 6 und 7, welche die Strahlungsintensität der an den jeweiligen Detektoren ankommenden Strahlung der einzelnen Strahlungsquellen in einem Mess- bzw. in einem Referenzband entsprechen bestimmt, mit Hilfe einer oder mehreren Funktionen dieser Signale die Al- terung der Gassensorvorrichtung und ihrer Komponenten feststellt und gegebenenfalls kompensiert und die Konzentration des zu messenden Gases berechnet. Vorzugsweise wird aus den Ausgangssignalen der Detektoren 6 und 7 für die jeweilige Strahlungsquelle ein Quotient gebildet, welcher dann sowohl für die Kalibration, als auch für die Messungen und die weitere Signalverarbeitung eingesetzt wird. Die Bildung eines solchen Quotients lässt es zu, die Veränderungen der Effizienz der strahlungsführenden Optik entlang der Absorptionsstrecken 8, 9, 10 und 11 mit der Zeit und somit eine Verän- derung des Nullpunkts der Gassensoranordnung wenigstens teilweise oder sogar vollständig zu kompensieren. Ein Beispiel einer solchen Optikverschlechterung kann die Bildung einer Oxidationsschicht an den die Strahlung reflektierenden Oberflächen sein, wodurch ein Teil der Strahlung absorbiert

werden kann. Durch den Einsatz einer nicht-abbildenden strahlungsführenden Optik kann der Einfluss inhomogener Veränderungen der optischen Oberflächen noch weiter minimiert werden.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Gassensoranordnung 1 dargestellt, in dem die Strahlungsquellen 3, 4 und die Strahlungsdetektoren 6, 7 so angeordnet sind, dass die effektiven optischen Lichtweglängen zwischen den Strah- lungsquellen und den Strahlungsdetektoren alle gleich lang sind und die Anordnung der Strahlungsquellen und der Detektoren vorzugsweise mindestens eine Symmetrieebene aufweist.

In diesem Ausführungsbeispiel wird die Alterung der Mess- Strahlungsquelle bevorzugt auf die Weise ausgeglichen, dass während des internen Referenzierungsvorgangs die Abweichungen gemessener Werte der Ausgangssignale der jeweiligen Detektoren, welche bei eingeschalteter Mess- bzw. Referenzstrahlungsquelle gemessen wurden, festgestellt werden, und die von der Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 14 gespeicherte Kalibrationsfunktion der Gassensoranordnung automatisch angepasst wird um die festgestellte Abweichung zu kompensieren.

Die Strahlungsquellen 3,4 werden vorzugsweise räumlich nahe an einander platziert oder können sogar in einem gemeinsamen Gehäuse integriert werden oder, zum Beispiel, als ein Glüh- lämpchen mit zwei unabhängig betriebenen Wendeln in einem Glaskolben ausgeführt sein. Derartig aufgebaute Strahlungs- quellen sind bekannt. Auch mikromechanische Strukturen auf Siliziumbasis oder andere Halbleiterelenaente, zum Beispiel mit einer mikrostrukturierten Oberfläche, können als Strahlungsquellen eingesetzt werden.

Die zwei Strahlungsdetektoren 6, 7 und die optischen Filter 12, 13 werden vorzugsweise als ein Doppeldetektor in einem Gehäuse mit eingebauten Interferenzfiltern, ausgeführt. Solche Doppeldetektoren, besonders auf Basis pyroelektrischer Detektoren oder Thermopiles, sind bekannt und werden vielfach praktisch eingesetzt. Anstelle eines solchen Detektors kann auch ein aus dem Stand der Technik bekannter pneumatischer Detektor eingesetzt werden.

Fig. 3 zeigt die Gassensoranordnung 20 mit zwei Strahlungsquellen 21 und 22, einem Gasmessraum 25, einem Detektor 23, einem steuerbaren optischen Filter 24 und einer Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 28. Die Strahlungsquellen 21 und 22 senden Strahlung durch den Gasmessraum 25, in dem sich das zu detektierende Gas oder ein aus mehreren Gasen zusammengesetztes Gasgemisch befindet. Vorzugsweise verlaufen dabei alle optischen Lichtwege mindestens teilweise durch den Gasmessraum 25. Die Strahlungsquelle 21, die Messstrahlungs- quelle, wird ständig für die Gaskonzentrationsmessungen ein- gesetzt. Die Strahlungsquelle 22, die Referenzstrahlungsquelle, ruht dagegen die meiste Zeit und wird nur selten in großen zeitlichen Abständen eingeschaltet um die Alterung der Gassensoranordnung zu ermitteln und eventuell auszugleichen. Das steuerbare optische Filter 24 befindet sich vor- zugsweise zwischen dem Gasmessraum 25 und dem Detektor 23. Die Transmissionseingenschaften des optischen Filters 24 werden elektrisch nach einem vorgegebenen Algorithmus von der Auswerte und Steuerungsvorrichtung 28 gesteuert, um sie nach Bedarf auf ein Mess- oder ein Referenzband abzustimmen. Die Strahlung der Strahlungsquellen 21 und 22 durchquert den Gasmessraum 25, passiert das optische Filter 24 jeweils bei dem von dessen Steuerungsalgorithmus vorgegebenen Band und wird vom Detektor 23 empfangen. Anders als in den Gassensoranordnungen nach Fig. 1 und Fig. 2 reicht in diesem Falle

ein einzelner Detektor um die erforderlichen Messungen in einem Messband und in einem Referenzband für die unterschiedlichen Strahlungsquellen durchzuführen. Als elektrisch abstimmbares optisches Filter kann beispielsweise ein mikro- mechanisches Fabry-Perot Interferometer verwendet werden.

Fig. 4 zeigt die Gassensoranordnung 30 mit zwei Strahlungsquellen 31 und 32, einem Detektor 33 mit einem optischen Filter 36, welches nur die Strahlung in einem Messband durchläset, einem Detektor 34 mit einem optischen Filter 37, welches nur die Strahlung in einem Referenzband durchlässt, und einer Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 35. Die Strahlungsquellen 31, 32 senden Strahlung durch den Gasmessraum, in dem sich das zu detektierende Gas oder ein aus mehreren Gasen zusammengesetztes Gasgemisch befindet. Die Strahlungsquellen 31 und 32 sind so angeordnet, dass die effektiven optischen Lichtwege von der Strahlungsquelle 31 und der Strahlungsquelle 32 zu den Detektoren unterschiedlich lang sind. Die Lichtwege der Strahlung von den Strahlungsquellen zu den Detektoren verlaufen mindestens teilweise durch den Gasmessraum 38. Die effektiven optischen Lichtweglängen von jeweils jeder einzelnen Strahlungsquelle zu den beiden Detektoren sind vorzugsweise gleich.

Ein optisches Filter kann sowohl ein festes Bauteil eines Detektors sein, als auch als stand-alone Element an unterschiedlichen Stellen der Absorptionsstrecke zwischen den Strahlungsquellen und dem jeweiligen Detektor platziert werden. Vorzugsweise sind die Detektoren 33, 34 und die opti- sehen Filter 36, 37 als ein Doppeldetektor in einem Gehäuse ausgeführt. Alternativ kann auch ein einzelner Detektor mit einem auf ein Messband und ein Referenzband elektrisch abstimmbaren Bandpassfilter, z.B. einem mikromechanischen Fa- by-Perot Interferometer, verwendet werden.

Die Strahlungsquellen 31,32 werden vorzugsweise nacheinander pulsartig in gleichen oder sich variierenden Abständen betrieben. Der Steuerungsalgorithmus wird von der Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 35 vorgegeben. Beim Betrieb einer Strahlungsquelle wird vorzugsweise aus den Ausgangssignalen der Detektoren 33 und 34 ein Quotient gebildet, dadurch lassen sich eventuelle Veränderungen der Effizienz der strahlungsführenden Optik mit der Zeit teilweise oder sogar voll- ständig kompensieren. Für die Bestimmung der Messgaskonzentration werden die derart gebildete Quotienten für die jeweilige Strahlungsquelle 31 bzw. 32 durch die Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 35 verglichen und ausgewertet. Vorzugsweise werden die Quotienten für die Strahlungsquellen 31 bzw. 32 durch einander geteilt, da sich dadurch eventuelle Veränderungen der Detektoren und der Messelektronik mit der Zeit weitestgehend kompensieren lassen.

Der Einsatz zweier Messstrahlungsquellen erlaubt es die An- derungen des Faktors d _M (t) aus der Gl. (1) mit der Zeit für den jeweiligen Detektor festzustellen und gegebenenfalls zu kompensieren. Die Messungen der Strahlungsintensität in einem Referenzband ermöglichen es, die änderungen des jeweiligen Faktors ßu _M (t) aus der Gl. (1) mit der Zeit festzustel- len und gegebenenfalls zu kompensieren.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung 40, welche drei Strahlungsquellen 41, 42 und 43, die Detektoren 44 und 45, die optischen FiI- ter 46 und 47, einen Gasmessraum und die Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 48 aufweist. Die Strahlungsquellen 41, 42 und 43 senden Strahlung durch den Gasmessraum, in dem sich das zu detektierende Gas oder ein aus mehreren Gasen zusammengesetztes Gasgemisch befindet. Der Detektor 44 empfängt

die Strahlung durch das optische Filter 46, welches nur die Strahlung in einem Messband durchläset . Der Detektor 45 empfängt die Strahlung durch das optische Filter 47, welches nur die Strahlung in einem Referenzband durchläset. Im all- gemeinen sind die effektiven optischen Lichtwege der Strahlung von den einzelnen Strahlungsquellen zu den Detektoren 44 und 45 unterschiedlich lang. Vorzugsweise verlaufen alle Absorptionsstrecken mindestens teilweise durch den Gasmessraum 49.

In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung 40, wird eine Strahlungsquelle 41 als Mess- strahlungsquelle und werden zwei weitere Strahlungsquellen 42 und 43 als Referenzstrahlungsquellen verwendet. Die Refe- renzstrahlungsquellen werden mindestens um das 5-fache, vorzugsweise mindestens um das 1000-fache und am besten mindestens um 4000-fache seltener als die Messstrahlungsquelle betrieben. Die Alterung der Referenzstrahlungsquellen ist zu vernachlässigen, da sie nur kurz in großen zeitlichen Inter- vallen betrieben werden und dadurch ihre Eigenschaften während der gesamten Betriebszeit der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung praktisch unverändert behalten. Diese Referenzstrahlungsquellen dienen somit als interne Referenzen, die eine Kompensation der Alterung der erfindungsgemäßen Gassen- soranordnung über deren Lebenszeit ermöglichen. Die Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 48 steuert die Strahlungsquellen, registriert die Ausgangssignale, der Detektoren für die jeweiligen Strahlungsquellen, kompensiert mit Hilfe einer oder mehreren Funktionen dieser Signale die Alterung der Gassensoranordnung und bestimmt die Messgaskonzentration.

Der Einsatz zweier Referenzstrahlungsquellen erlaubt es, sowohl die änderungen des Faktors I _H o(t) aus der Gl. (1) mit der Zeit als auch des Faktors d _M (t) aus der Gl. (1) mit der

Zeit für die jeweilige Messstrahlungsquelle bzw. für den jeweiligen Detektor festzustellen und gegebenenfalls zu kompensieren. Die Messungen der Strahlungsintensität in einem Referenzband ermöglicht es, die änderungen des jeweiligen Faktors ß _NM (t) aus der Gl. (1) mit der Zeit festzustellen und gegebenenfalls zu kompensieren.

Vorzugsweise wird eine der Referenzstrahlungsquellen, z.B. die Referenzstrahlungsquelle 43, in großen zeitlichen Ab- ständen eingeschaltet, um die Alterung der Messstrahlungsquelle 41 festzustellen und gegebenenfalls zu kompensieren. Auch werden in großen zeitlichen Abständen die beiden Referenzstrahlungsquellen 42 und 43 auf die bereits bei der Erklärungen zu Fig. 4 beschriebene Weise betrieben um eventu- eile alterungsbedingte Veränderung der Detektoren und der

Messelektronik mit der Zeit festzustellen und gegebenenfalls zu kompensieren.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung der erfindungsgemä- ßen Gassensoranordnung 40 werden die Strahlungsquellen 41 und 42 als zwei Messstrahlungsquellen und wird die Strahlungsquelle 43 als einzelne Referenzstrahlungsquelle verwendet. In diesem Falle ermöglicht es der Einsatz zweier Messstrahlungsquellen, die änderungen des Faktors d _M (t) aus der Gl. (1) mit der Zeit für die jeweilige Messstrahlungsquelle bzw. für den jeweiligen Detektor auf die bereits beschriebene Weise festzustellen und gegebenenfalls zu kompensieren. Die Referenzierungsmessungen mit der Referenzstrahlungsquelle ermöglichen es, die änderungen des Faktors I _N0 (t) mit der Zeit für die jeweilige Messstrahlungsquelle zu kompensieren. Erforderlichenfalls werden mit Hilfe der Messungen der Strahlungsintensität der einzelnen Strahlungsquellen in einem Referenzband die änderung des jeweiligen Faktors ß _NM (t)

aus der Gl. (1) mit der Zeit festgestellt und gegebenenfalls kompensiert .

Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Gassensoranordnung 40 in welcher die effektiven optischen Lichtweglängen für die Strahlung durch den Gasmessraum mindestens einer Messstrahlungsquelle 41 und mindestens einer Referenzstrahlungsquelle 43 zur Detektorvorrichtung gleich sind, wobei es mindestens eine weitere Strahlungs- quelle 42, eine Referenz- oder eine Messstrahlungsquelle, mit einer anderen effektiven optischen Lichtweglänge für deren Strahlung durch den Gasmessraum zur Detektorvorrichtung gibt.

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung 50 mit vorzugsweise vier Strahlungsquellen 51,52,53,54 und zwei Strahlungsdetektoren 55 und 56 sowie einem Gasmessraum 501. Die Strahlungsquellen 51,52,53,54 senden Strahlung durch den Gasmessraum 501, in dem sich das zu detektierende Gas oder ein aus mehreren Gasen zusammengesetztes Gasgemisch befindet. Der Detektor 55 empfängt die Strahlung durch das optische Filter 57, welches nur die Strahlung in einem Messband durchlässt. Der Detektor 56 empfängt die Strahlung durch das optische Filter 58, wel- ches nur die Strahlung in einem Referenzband durchlässt.

Vorzugsweise sind die Strahlungsdetektoren 55,56 und die optischen Filter 57,58 als ein Doppeldetektor in einem Gehäuse mit eingebauten optischen Filtern ausgeführt. Alternativ kann auch ein einzelner Detektor mit einem auf ein Absorpti- onsband und ein Referenzband elektrisch abstimmbaren wellen- längenselektivierenden Element, beispielsweise einem Fabry- Perot Interferometer, verwendet werden.

Im allgemeinen Fall sind in dieser Gassensoranordnung alle effektiven optischen Lichtwege zwischen den Strahlungsquellen und den Detektoren unterschiedlich lang und jeder der Lichtwege verläuft mindestens teilweise durch den Gasmess- räum 501. Die Strahlungsquellen bilden zwei Paare, die Doppelstrahlungsquellen, bestehend jeweils aus einer Mess- und einer Referenzstrahlungsquelle. Die Messstrahlungsquellen der einzelnen Doppelstrahlungsquellen werden jeweils dauerhaft für die Gaskonzentrationsmessungen eingesetzt. Die Re- ferenzstrahlungsquellen dagegen ruhen die meiste Zeit und werden nur selten in großen zeitlichen Abständen eingeschaltet. Die jeweiligen Referenzstrahlungsquellen werden mindestens um das 5-fache, vorzugsweise mindestens um das 1000- fache und am besten mindestens um 4000-fache seltener als die jeweiligen Messstrahlungsquellen betrieben. Wenn eine der Strahlungsquellen betrieben wird, ruhen vorzugsweise alle anderen. Auch andere Betriebsarten der Strahlungsquellen sind möglich, beispielweise indem die jeweiligen Betriebspannungen der einzelnen Strahlungsquellen unterschiedlich moduliert werden, um einen gleichzeitigen Einsatz mehrerer Strahlungsquellen für die Messung zu ermöglichen. Die Alterung der Referenzstrahlungsquellen ist zu vernachlässigen, da sie nur kurz in großen zeitlichen Intervallen betrieben werden und dadurch ihre Eigenschaften während der gesamten Betriebszeit der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung praktisch unverändert beibehalten. Diese Referenzstrahlungsquellen dienen somit als interne Referenz, welche einen Ausgleich der Alterung der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung über deren Lebenszeit ermöglicht. Den genauen Algorithmus des Betriebs der einzelnen Strahlungsquellen, deren Betriebsart, die Abfolge der Einschalt- und Ruhezeiten, die Einschaltdauer, die Reihenfolge des Einschaltens und die e- ventuelle Modulation der Betriebsspannung bei gleichzeitigem

Betrieb mehrerer Strahlungsquellen werden durch die Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 59 vorgegeben.

Wie bereits beschrieben, erlaubt es der Einsatz zweier Refe- renzstrahlungsquellen änderungen sowohl des Faktors I _N o(t) als auch des Faktors d _M (t) aus der Gl. (1) mit der Zeit für die jeweilige Messstrahlungsquelle bzw. für den jeweiligen Detektor festzustellen und gegebenenfalls zu kompensieren. Der Einsatz zweier Messstrahlungsquellen ermöglicht es wie- derum, eine Kompensation der änderungen des Faktors d _M (t) aus der Gl. (1) mit der Zeit durchzuführen, die zu einer noch besseren Langzeitstabilität der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung führt. Die Messungen der Strahlungsintensität in einem Referenzband ermöglichen es, die änderungen des jeweiligen Faktors ß _NM (t) aus der Gl. (1) mit der Zeit festzustellen und gegebenenfalls zu kompensieren. Eine größere Anzahl von Strahlungsquellen führt hier zu einer besseren Berücksichtigung eventuell auftretender inhomogener Verschlechterungen der strahlungsführenden Optik.

Die Messstrahlungsquellen der jeweiligen Doppelstrahlungsquellen werden vorzugsweise nacheinander pulsartig in gleichen oder sich variierenden Abständen betrieben. Der Steuerungsalgorithmus wird von der Auswerte- und Steuerungsvor- richtung 59 vorgegeben. Beim Betrieb einer Strahlungsquelle werden die Ausgangssignale der Detektoren 55 und 56 durch einander dividiert. Dadurch lassen sich eventuelle Veränderungen der Effizienz der strahlungsführenden Optik entlang der Absorptionsstrecken mit der Zeit teilweise oder sogar vollständig kompensieren. Für die Bestimmung der Messgaskonzentration werden für die jeweilige Messstrahlungsquelle die Abweichungen der so gebildeten Quotienten von einander durch die Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 59 ausgewertet. Vorzugsweise werden diese Quotienten für die jeweiligen Mess-

Strahlungsquellen durch einander geteilt, weil sich dadurch die Veränderungen der Detektoren und der Messelektronik mit der Zeit weitestgehend kompensieren lassen. Für die Kompensation der Alterung der Messstrahlungsquellen werden die Messungen mit der Referenzstrahlungsquelle der jeweiligen

Doppelstrahlungsquelle eingesetzt. Während des internen Re- ferenzierungsvorgangs wird die Abweichung gemessener Werte der Messgaskonzentration, welche mit Hilfe der Mess- bzw. der Referenzstrahlungsquelle einer Doppelstrahlungsquelle gemessen wurde, festgestellt und es wird die Kalibrations- funktion der Gassensoranordnung entsprechend justiert, um die festgestellte Abweichung zu kompensieren.

Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausfüh- rungsform der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung 50 mit zwei Doppelstrahlungsquellen aus den Strahlungsquellen 51, 52 bzw. 53, 54. Die Strahlungsquellen 51,52,53,54 senden Strahlung durch den Gasmessraum, in dem sich das zu detek- tierende Gas oder ein aus mehreren Gasen zusammengesetztes Gasgemisch befindet. Vorzugsweise verlaufen dabei alle optischen Lichtwege mindestens teilweise durch den Gasmessraum. Die einzelnen Strahlungsquellen und die Detektoren 55, 56 sind so angeordnet, dass die effektiven optischen Lichtweglängen der beiden Strahlungsquellen einer Doppelstrah- lungsquelle zu den beiden Detektoren gleich sind, jedoch die effektiven optischen Lichtweglängen von jedem einzelnen Detektor zu den beiden Doppelstrahlungsquellen sich unterscheiden. Vorzugsweise sind die Strahlungsdetektoren 55,56 und die optischen Filter 57,58 für das Mess- und das Refe- renzband als ein Doppeldetektor in einem Gehäuse ausgeführt. Alternativ kann auch ein einzelner Detektor mit einem auf ein Absorptionsband und ein Referenzband elektrisch abstimmbaren wellenlängenselektivierenden Element, beispielsweise einem Fabry-Perot Interferometer, verwendet werden. Die je-

weiligen Doppelstrahlungsquellen können auch jeweils in einem Gehäuse integriert sein oder, zum Beispiel, als Glüh- lämpchen mit zwei unabhängig betriebenen Wendeln ausgeführt werden.

Fig. 9 zeigt einen schematisehen Aufbau der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung 100, welche aus zwei Strahlungsquellen 101, 102 und zwei vorzugsweise identischen Detektoren 103, 104 besteht. Die Strahlungsquellen 101 und 102 können sowohl schmal- als auch breitbandig ausgeführt sein. Vorzugsweise emittieren beide Strahlungsquellen die Strahlung in mindestens einem der Absorptionsbänder des zu detektie- renden Gases, dem Messband, mit einer für die Messung der Gaskonzentration ausreichenden Intensität. Vorzugsweise sind die Strahlungsquellen 101 und 102 identisch. Die Detektoren 103 und 104 empfangen nur die Strahlung in einem Messband, was durch die Verwendung von wellenlängenselektivierenden Elementen 111 und 112 gewährleistet wird, welche vorzugsweise identisch sind. Je nach deren Art und abhängig von der Ausführungsform in der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung können die wellenlängenselektivierenden Elemente 111 und 112 an unterschiedlichen Stellen zwischen den Strahlungsquellen 101, 102 und den Detektoren 103, 104 platziert werden. Vorzugsweise sind die wellenlängenselektivierenden Elemente 111 und 112 als optische Bandpassfilter, z.B. als Interferenzfilter, ausgebildet. Vorzugsweise befinden sich die jeweils als optisches Bandpassfilter ausgeführten Elemente 111 und 112 zwischen dem Gasmessraum 105 und dem jeweiligen Detektor. Vorzugsweise sind die jeweils als optisches Bandpass- filter ausgeführten Elemente 111 und 112 gleich. Die Strahlungsquellen 101, 102 senden Strahlung durch den Gasmessraum 105, in dem sich das zu detektierende Gas oder ein aus mehreren Gasen zusammengesetztes Gasgemisch befindet. Die Strahlungsquellen 101, 102 und die Strahlungsdetektoren 103,

104 sind derart angeordnet, dass die effektive optische Lichtweglänge der kürzeren 107 bzw. der längeren 108 Absorptionsstrecke von der Strahlungsquelle 101 zu den einzelnen Detektoren gleich der effektiven optischen Lichtweglänge der kürzeren 110 bzw. der längeren 109 Absorptionsstrecke von der Strahlungsquelle 102 zu den einzelnen Detektoren ist. Vorzugsweise verlaufen alle Absorptionsstrecken mindestens teilweise durch den Gasmessraum 105. In der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung 100 erlaubt es die gewählte Anordnung zweier Messstrahlungsquellen und zweier Detektoren, welche die Strahlungsintensität in einem Messband messen, die änderungen sowohl des Faktors I _N o(t) als auch des Faktors d _M (t) aus der Gl. (1) mit der Zeit für die verwendeten Messstrahlungsquellen und Detektoren zu kompensieren. Die Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 106 betreibt die Strahlungsquellen vorzugsweise abwechselnd und vergleicht das Verhältnis zwischen den Ausgangssignalen der einzelnen Detektoren für die nacheinander erfolgenden Messungen mit unterschiedlichen Strahlungsquellen um die Gaskonzentration zu bestimmen, die Alterung der Gassensoranordnung festzustellen und diese gegebenenfalls zu kompensieren. Auf diese Weise wird die Alterung der Strahlungsquellen mit der Zeit, die änderung des Faktors Iuo(t) aus der Gl. (1), sowie die Drift der Detektoren und der Messelektronik mit der Zeit, die änderung des Faktors d _M (t) aus der Gl. (1), nahezu vollständig kompensiert .

Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung 200, bestehend aus zwei Strahlungsquellen 201, 202 sowie zwei Detektoren 204, 206 mit den vorzugsweise voreingestellten optischen Filtern 210 bzw. 208, die nur die Strahlung in einem Messband durchlassen, und zwei Detektoren 205, 207 mit den vorzugsweise voreingestellten optischen Filtern 211 bzw. 209, die nur die Strahlung in einem Referenzband durchlassen, sowie einem

lung in einem Referenzband durchlassen, sowie einem Gasmessraum. Die Strahlungsquellen und die Detektoren sind mit der Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 212 verbunden, welche diese Elemente steuert, die Signale auswertet, gegebenen- falls die Alterung der Gassensoranordnung feststellt und diese kompensiert sowie die Messgaskonzentration bestimmt.

Die Strahlungsquellen 201, 202 senden Strahlung durch den Gasmessraum, in dem sich das zu detektierende Gas oder ein aus mehreren Gasen zusammengesetztes Gasgemisch befindet. Vorzugsweise verlaufen dabei alle optischen Lichtwege mindestens teilweise durch den Gasmessraum. Vorzugsweise sind die vier Detektoren 204, 205 bzw. 206, 207 und die optischen Filter 210, 211 bzw. 208, 209 als zwei Doppeldetektoren bestehend aus jeweils einem Mess- und einem Referenzdetektor ausgeführt. Vorzugsweise sind die Strahlungsquellen und die Detektoren so angeordnet, dass die effektiven optischen Lichtwege von einer Strahlungsquelle zu den beiden Detektoren eines Doppeldetektors gleich lang sind und vorzugsweise durch die selbe Absorptionstrecke verlaufen. Anstelle zweier Doppeldetektoren können auch zwei Einzeldetektoren, welche mit jeweils einem auf ein Absorptionsband und ein Referenzband elektrisch abstimmbaren wellenlängenselektivierenden Element, beispielsweise einem Fabry-Perot Interferometer, versehen sind, verwendet werden.

Im Vergleich zu der Gassensoranordnung 100 nach Fig. 8 erlaubt es in der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung 200 nach Fig. 9 der Einsatz von zusätzlichen Detektoren und op- tischen Filtern für die Messung der Strahlungsintensität in einem Referenzband, zusätzlich auch änderungen der Lichtführender Optik, des Faktors P _NM (t) aus der Gl. (1), mit der Zeit festzustellen und gegebenenfalls zu kompensieren.

Die Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 212 schaltet die zwei Messstrahlungsquellen 201, 202 vorzugsweise abwechselnd an und vergleicht das Verhältnis zwischen den Quotienten der Ausgangssignale des Mess- und des Referenzdetektors in einem Doppeldetektor zu dem Quotienten der Ausgangssignale des

Mess- und des Referenzdetektors des anderen Doppeldetektors für die nacheinander folgenden Messungen mit unterschiedlichen Strahlungsquellen um die Gaskonzentration zu bestimmen sowie die Alterung der Gassensoranordnung festzustellen und dieses gegebenenfalls zu kompensieren. Auf diese Weise können die änderungen der Strahlungsintensität der Strahlungsquellen, der Strahlungsübertragungseffizienz des gesamten optischen Systems und der Eigenschaften der Detektoren sowie der Messelektronik mit der Zeit nahezu vollständig kompen- siert werden.

Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung 300, mit vier Strahlungsquellen 301, 302, 303 und 304 , zwei Detektoren 307, 305 mit den op- tischen Filtern 309, 311, die nur die Strahlung in einem Messband des zu detektierenden Gases durchlassen, und zwei Detektoren 308, 306 mit den optischen Filtern 310, 312, die nur die Strahlung in einem Referenzband durchlassen, sowie einem Gasmessraum. Die Strahlungsquellen 301, 302, 303 und 304 senden Strahlung durch den Gasmessraum, in dem sich das zu detektierende Gas oder ein aus mehreren Gasen zusammengesetztes Gasgemisch befindet. Vorzugsweise verlaufen dabei alle optischen Lichtwege mindestens teilweise durch den Gasmessraum. Die Strahlungsquellen und die Detektoren sind im allgemeinen Fall so angeordnet, dass alle effektiven optischen Lichtweglängen zwischen den Strahlungsquellen und den Detektoren unterschiedlich sind.

Die Strahlungsquellen 301, 302, 303 und 304 bilden zwei Paare, die Doppelstrahlungsquellen, bestehend jeweils aus einer Mess- und einer Referenzstrahlungsquelle. Die Messstrah- lungsquellen der einzelnen Doppelstrahlungsquellen werden ständig für die Gaskonzentrationsmessungen eingesetzt. Es ist bereits bei Fig. 9 beschrieben worden, dass mit Hilfe zweier Messstrahlungsquellen und von vier Detektoren, welche die Strahlung in einem Messband und in einem Referenzband empfangen können, eine Kompensation der Alterung der Detek- toren, der Messelektronik und der strahlungsführenden Optik möglich ist. Die Verwendung zweier Referenzstrahlungsquellen, welche die meiste Zeit außer Betrieb sind und nur selten in großen zeitlichen Abständen eingeschaltet werden, erlaubt des weiteren eine Kompensation der Alterung der Mess- Strahlungsquellen, sowie eine weitere Kompensation der Alterung der Detektoren, der Messelektronik und der strahlungsführenden Optik. Die jeweilige Referenzstrahlungsquelle wird mindestens um das 5-fache und vorzugsweise mindestens um das 1000-fache und am besten mindestens um das 4000-fache selte- ner als die jeweilige Messstrahlungsquelle betrieben. Während eine der Strahlungsquellen betrieben wird, ruhen vorzugsweise die anderen. Die Alterung der Referenzstrahlungsquellen ist zu vernachlässigen, da sie nur kurz in großen zeitlichen Intervallen betrieben werden und dadurch ihre Ei- genschaften während der gesamten Betriebszeit der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung praktisch unverändert behalten. Die Referenzstrahlungsquellen dienen somit als interne Referenz, welche einen Ausgleich der Alterung der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung über deren Lebenszeit ermög- licht. Der genauen Algorithmus des Betriebs der einzelnen Strahlungsquellen, deren Betriebsart, die Dauer der Einschalt- und Ruhezeiten, die Reihenfolge des Einschaltens sowie gegebenenfalls die Modulation der Betriebsspannung wer-

den durch die Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 313 vorgegeben.

Die erfindungsgemäße Gassensoranordnung 300 nach Fig. 10 kombiniert im allgemeinen alle verschiedenen bereits beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen um die wichtigsten Quellen der Langzeitdrift zu kompensieren und die Langzeitstabilität der Gassensoranordnung über eine lange Zeit zu sichern.

In einem der möglichen Betriebsmodi schaltet die Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 313 die zwei Messstrahlungsquellen abwechselnd an und vergleicht das Verhältnis zwischen den Quotienten der Ausgangssignale der Detektoren 305 und 306 mit dem Quotienten der Ausgangssignale der Detektoren 307 und 308 für die aufeinander folgenden Messungen mit unterschiedlichen Messstrahlungsquellen, um die Messgaskonzentration zu bestimmen sowie die Alterung der Gassensoranordnung festzustellen und diese gegebenenfalls zu kompensieren. Wäh- rend des internen Referenzierungsvorgangs wird die Abweichung gemessener Werte der Messgaskonzentration, welche mit Hilfe der Mess- bzw. der Referenzstrahlungsquellen bestimmt wurden, festgestellt und die Kalibrationsfunktion der Gassensoranordnung wird entsprechend justiert um diese festge- stellte Abweichung zu kompensieren. Durch die erfindungsgemäße Gassensoranordnung und das Verfahren lassen sich nahezu alle Faktoren, welche die Langzeitstabilität der Gassensoranordnung beeinflussen, fast vollständig kompensieren.

Auch andere Algorithmen für die Durchführung der Gasmessung und der Referenzierung zur Sicherung der Langzeitstabilität der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung nach Fig. 10, die unter anderem auf dem Einsatz der bereits beschriebenen

Mess- sowie Referenzierungsverfahren und deren Kombinationen beruhen, sind möglich.

Fig. 12 zeigt eine schematische Darstellung eines besonders bevorzugten Aufbaus der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung 300, wobei die Strahlungsquellen als zwei Doppelstrahlungsquellen 301, 302 bzw. 303,304, und die Detektoren als zwei Doppeldetektoren 305,306 bzw. 307,308, bestehend aus jeweils einem Messdetektor 305 bzw. 307, welcher die Strahlung in einem Messband empfängt, und einem Referenzdetektor 306 bzw. 308, welcher die Strahlung in einem Referenzband empfängt, aufgebaut sind. Die Strahlungsquellen 301, 302, 303 und 304 senden Strahlung durch den Gasmessraum, in dem sich das zu detektierende Gas oder ein aus mehreren Gasen zusammenge- setztes Gasgemisch befindet. Vorzugsweise verlaufen dabei alle optischen Lichtwege mindestens teilweise durch den Gasmessraum. Die Doppelstrahlungsquellen und die Detektoren sind so angeordnet, dass die effektiven Lichtweglängen von den Strahlungsquellen einer Doppelstrahlungsquelle zu den Detektoren des jeweiligen Doppeldetektors gleich sind. Die effektiven Lichtweglängen einer Doppelstrahlungsquelle zu den beiden Doppeldetektoren sind hingegen ungleich lang. Der größere effektive Lichtweg von einer Doppelstrahlungsquelle zu einem Doppeldetektor ist ebenso lang wie der größere ef- fektive Lichtweg von der anderen Doppelstrahlungsquelle zum anderen Doppeldetektor. Der kürzere effektive Lichtweg von einer Doppelstrahlungsquelle zu einem Doppeldetektor ist e- benso lang wie der kürzere effektive Lichtweg von der anderen Doppelstrahlungsquelle zum anderen Doppeldetektor.

Fig. 13 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen photoakustischen Gassensoranordnung 400 mit einem Gasmessraum 409, in dem sich das zu detektierende Gas oder ein aus mehreren Gasen zusammengesetztes Gasgemisch befin-

det . Die Strahlungsvorrichtung besteht aus zwei Doppelstrahlungsquellen, welche jeweils aus zwei Strahlungsquellen 401 und 402 bzw. 403 und 404 bestehen. In jeder Doppelstrahlungsquelle wird eine der Strahlungsquellen als Mess- (401 bzw. 403) und die andere als Referenzstrahlungsquelle (402 bzw. 404) eingesetzt. Die Messstrahlungsquellen einzelner Doppelstrahlungsquellen werden dauerhaft für die Gaskonzentrationsmessungen benutzt. Die Referenzstrahlungsquellen dagegen ruhen die meiste Zeit und werden nur selten in großen zeitlichen Abständen eingeschaltet. Die jeweilige Referenzstrahlungsquelle wird mindestens um das 5-fache, vorzugsweise mindestens um das 1000-fache und am besten mindestens um das 4000-fache seltener als die jeweilige Messstrahlungs- quelle betrieben. Während eine der Strahlungsquellen betrie- ben wird, ruhen vorzugsweise die anderen. Die Alterung der

Referenzstrahlungsquellen ist zu vernachlässigen, da sie nur kurz in großen zeitlichen Intervallen betrieben werden und dadurch ihre Eigenschaften während der gesamten Betriebszeit der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung praktisch unverän- dert beibehalten. Diese Referenzstrahlungsquellen dienen somit als interne Referenz, welche einen Ausgleich der Alterung der erfindungsgemäßen Gassensoranordnung über deren Lebenszeit ermöglicht. Der genaue Algorithmus des Betriebs der einzelnen Strahlungsquellen, deren Betriebsart, die Dauer der Einschalt- und Ruhezeiten, Einschaltdauer, die Reihenfolge des Einschaltens und die eventuelle Modulation der Betriebsspannung werden durch die Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 411 vorgegeben.

Die Gasmesszelle 410 hat zwei öffnungen für den Strahlungszutritt in den Gasmessraum 409, welche mit den optischen Filtern 405 und 406 abgedeckt sind, um die Strahlung entsprechend der Messaufgabe zu filtern. Alternativ kann auch eine einzelne öffnung mit einem auf ein Absorptionsband des

zu messenden Gases und ein Referenzband elektrisch abstimm- baren wellenlängenselelektivierenden Element, beispielsweise einem Fabry-Perot Interferometer, Verwendung finden. Die Messzelle 410 hat vorzugsweise eine reflektierende innere Oberfläche, welche die relevante Infrarotstrahlung hocheffizient reflektiert und bildet einen Gasmessraum 409 aus. Dessen geometrische Form sowie die Gestaltung und die Positionierung der öffnungen für den Strahlungseintritt sind für die effektive Nutzung der in die Messzelle 410 eintretenden Strahlung zur Erwärmung des Messgases im Gasmessraum 409 dienlich ausgebildet. Das optische Filter 405 lässt nur die Strahlung in einem Messband in den Gasmessraum 409 durch. Das optische Filter 406 lässt nur die Strahlung in einem Referenzband in den Gasmessraum 409 durch. Die Strahlungsquellen 401, 402 bestrahlen den Gasmessraum 409 durch das optische Filter 405. Die Strahlungsquellen 403, 404 bestrahlen den Gasmessraum 409 durch das optische Filter 406. Das Messgas gelangt durch die öffnung, welche mit einer gaspermeablen Membran 407 abgedeckt ist, in den Gasmessraum 409. Wenn die Strahlung durch das Messgas im

Gasmessraum 409 der Messzelle 410 absorbiert wird, wird die entsprechende Veränderung des Luftdrucks in der Messzelle mit Hilfe des Drucksensors 408, beispielsweise aber auch mit Hilfe eines Mikrofons, registriert und von der Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 411 für die Bestimmung der Messgaskonzentration benutzt.

In einem der möglichen Betriebsmodi schaltet die Auswerte- und Steuerungsvorrichtung 411 die Messstrahlungsquellen 401 und 403 vorzugsweise abwechselnd in gleichen oder sich variierenden Abständen nach einem Steuerungsalgorithmus pulsartig ein. Vorzugsweise wird aus den Ausgangssignalen des Druckdetektors beim Einschalten der unterschiedlichen Messstrahlungsquellen ein Quotient gebildet, welcher sowohl für

die Kalibration als auch für die Gasmessungen und für die weitere Signalverarbeitung eingesetzt wird. Dadurch lassen sich die eventuellen Veränderungen der reflektierenden Eigenschaften der Innenoberfläche der Messzelle mit der Zeit teilweise oder sogar vollständig kompensieren. Für die Kompensation der Alterung der Messstrahlungsquellen werden die Messungen mit den jeweiligen Referenzstrahlungsquellen 402 bzw. 404 verwendet. Während des internen Referenzierungsvor- gangs wird die Abweichung gemessener Werte der Messgaskon- zentration oder gegebenenfalls des Ausgangssignals des

Druckdetektors, welche bzw. welches mit Hilfe der Mess- bzw. der Referenzstrahlungsquellen gemessen wurde, festgestellt und es wird die Kalibrationsfunktion der Gassensoranordnung entsprechend justiert, um diese festgestellte Abweichung zu kompensieren. Alternativ können, zum Beispiel, die Messwerte des Druckdetektorsignals beim Betrieb der Mess- bzw. Referenzstrahlungsquelle einer Doppelstrahlungsquelle verglichen und für die Alterungskompensation benutzt werden. Selbstverständlich sind auch weitere Steuerungs- und Auswertealgo- rithmen anwendbar, welche bei den unterschiedlichen vorher beschriebenen erfindungsgemäßen Gassensoranordnungen erläutert worden sind.

Die Erfindung wurde hier nur in Bezug auf einige bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben, sie ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt. Vielmehr sind auch andere Anordnungen und Verfahren sowie der Einsatz anderer Bauelemente (Strahlungsquellen, Detektoren, optischer Elemente, Messzellen) möglich, ohne dass dabei vom Geist dieser Erfindung ab- gewichen wird.