Bei vielen Anwendungen besteht die Notwendigkeit, Gase zu messen, sei es im Bereich der Emissionsüberwachung zur Ein- haltung bzw. Überprüfung von gesetzlichen Grenzwerten, zur Beurteilung der Raumluftqualität, zur Überprüfung biologi- scher Aktivitäten, etc. So spielt zum Beispiel die COs- Konzentration bei der Beurteilung der Raumluft eine entschei- dende Rolle und wird daher als Indikator herangezogen.

Zur Messung von Gasen existieren eine Vielzahl unterschiedli- cher Messmethoden und Messanordnungen. Für die Messung der C02-Konzentration kommen zum Beispiel Infrarot-optische Gas- sensoren zum Einsatz, da Kohlendioxid unter Messbedingungen nur bedingt eine chemische Reaktion auslöst. Da bei C02-Mes- sungen mit Infrarot-Gassensoren keine Querempfindlichkeiten auftreten, sind diese Gassensoren für die Konzentrationsmes- sung von Kohlendioxid besonders gut geeignet. Unter Queremp- findlichkeiten versteht man die Einflüsse weiterer, nicht zu untersuchender Gase, die jedoch im Messmedium enthalten sein können.

Infrarot-optische Gassensoren sind dazu ausgelegt, die Kon- zentration von organischen und anorganischen Gasen in einer Probenatmosphäre mittels Infrarot-Strahlung zu messen. Sie arbeiten typischerweise nach dem Verfahren der Absorptions- spektroskopie. Mehratomige, nicht elementare Gase haben die Eigenschaft, die von den Gassensoren emittierte Infrarot- Strahlung zu absorbieren, wobei dabei ein für das jeweils zu messende Gas charakteristisches Absorptionsspektrum entsteht.

Jedes Gas weist bei einer spezifischen Wellenlänge sein Ab- RF. AThTICI lN KOPIF

sorptionsmaximum auf, welches im Falle von Kohlendioxid bei etwa 4,27 Am liegt. Bei gegebener Absorptionswellenlänge ist die durch das Messmedium auftretende Abschwächung der emit- tierten Infrarot-Strahlung ein Maß für die Konzentration des zu untersuchenden Gases. Diese physikalische Eigenschaft der zu messenden Gase wird bei der Infrarot-Gasanalyse ausge- nutzt.

Figur 1 zeigt den Aufbau einer Anordnungen zur quantitativen Gasanalyse. Die Messanordnung 1 weist eine Sensoreinrichtung bestehend aus einer Strahlungsquelle 2, beispielsweise eine Glühlampe, und einer Detektoreinrichtung 3 auf. Ferner ist eine Messkammer 4 vorgesehen, in der das zu analysierende Messmedium 5 enthalten ist. Die Strahlungsquelle 2 und die Detektoreinrichtung 3 sind an der Messkammer 4 in definierter Ausrichtung festgelegt, so dass die von der Strahlungsquelle 2 ausgesandte Messstrahlung 6, 6'zumindest einmal durch die Messkammer verläuft und nach dem Austritt (X=d) aus der Mess- kammer 4 von der Detektoreinrichtung 3 detektiert werden kann.

Der spektrale Ort der von der Strahlungsquelle 2 ausgehenden Strahlung 6 mit der Intensität Ie ist so gewählt, dass die Strahlung von dem Messmedium 5 in der Messkammer zumindest teilweise absorbiert werden kann. Die Strahlung durchläuft die Messkammer der Dicke d, wobei ein Teil der eingekoppelten Strahlung 6 von dem Messmedium 5 absorbiert wird, was eine Abschwächung der Intensität Ie der eingekoppelten Strahlung 6 bewirkt. Die aus der Messkammer 4 austretende Strahlung 6' der Intensität Ia < Ie trifft dann auf die Detektoreinrich- tung 3 und wird dort gemessen. Das Verhältnis von austreten- der Strahlungsintensität Ia zu eintretender Strahlungsinten- sität definiert die Durchlässigkeit D = Ia/Ie-oder auch Transmission-des Messmediums 5 in der Messkammer 4. Der im Messmedium absorbierte Strahlungsanteil ist die Absorption A = 1-D.

Bei den bekannten Messanordnungen zur optischen Gasanalyse wird die für die Messung erforderliche Strahlung meist mit- tels Glühlampen erzeugt. Für die optische Messung ist dabei wesentlich, dass die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung eine definierte, stabile Intensität aufweist. Zur Stabilisierung dieser Strahlungsleistung ist eine Regelein- richtung vorgesehen, mittels der der Strom bzw. die Spannung der Strahlungsquelle geregelt wird. Dies ist jedoch mit schaltungstechnisch vertretbarem Aufwand nur im Gleichspan- nungsbetrieb möglich. Bei den heute bekannten Messanordnungen wird daher die Strahlungsquelle mit einer Gleichspannung bzw. einem Gleichstrom versorgt.

Im Gleichspannungsbetrieb der Strahlungsquelle treten jedoch unerwünschte Effekte, wie zum Beispiel der bekannte Soret- Effekt und der Elektromigrations-Effekt, in den Vordergrund, die die optischen Eigenschaften der Strahlungsquelle mit zu- nehmender Strahlungsdauer verändern : Der Soret-Effekt bzw. die Soret'sche Wirkung basiert auf ei- nem starken Temperaturgefälle in Längsrichtung der Achse der Glühwendel, wodurch es zu einem Massetransport des Materials des Glühwendels kommt. Dies führt zu einer zunehmenden Inho- mogenität der Oberfläche der Glühwendel, was sich in einer mehr oder weniger gezahnten bzw. zackigen Oberflächenstruktur äußert. Die daraus resultierende Querschnittsreduzierung kann unter extremen Bedingungen, zum Beispiel bei mechanischen Schocks oder Vibrationen, vorzugsweise in den Bereichen ge- ringeren Querschnitts zu einem Bruch des Glühwendels oder zu einer Veränderung der optischen Eigenschaften führen.

Bei der Elektromigration ist die gleiche Veränderung der Drahtoberfläche zu beobachten wie beim Soret-Effekt. Bedingt wird dieser Effekt allerdings durch einen hohen Gleichstrom durch die Glühwendel, wobei der Massetransport durch das sich in Längsrichtung des Glühwendels befindliche elektrische Feld mit einseitigem Spannungsgradienten unterstützt wird. Auch

hier tritt eine Veränderung der Oberfläche auf. Die dadurch hervorgerufene Querschnittsreduzierung des Glühwendels er- zeugt an den Stellen geringeren Querschnitts lokal eine Erhö- hung des Widerstandes und damit auch eine lokale Temperatur- erhöhung des Glühwendels, wodurch der Prozess der Quer- schnittsreduzierung der Oberfläche noch unterstützt wird. Un- ter extremen Bedingungen führt dies ebenfalls zum Bruch des Glühwendels oder zu einer Veränderung der optischen Eigen- schaften.

Eine Veränderung der optischen Eigenschaften hat automatisch auch eine Veränderung der optischen Abbildungseigenschaften und der spektralen Strahlungsverteilung der Strahlungsquelle zur Folge. Dadurch bedingt weist die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung nicht mehr die fest vorgegebene, für die Messung erforderliche Strahlungsintensität Ie auf, wodurch das ganze Messsystem unerwünschterweise dejustiert wird. Das Messsystem muss daher regelmäßig nachjustiert werden oder es muss die Strahlungsquelle ausgewechselt werden. Dies ist je- doch, insbesondere bei sehr lang andauernden Messungen, nicht immer möglich. Darüber hinaus ist die ständige Justierung der Messanordnung zeitaufwendig und daher kostenintensiv. Im Fal- le eine Bruchs des Glühwendels muss die gesamte Strahlungs- quelle ausgewechselt werden, was das Messverfahren zudem sig- nifikant verteuert.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Messanordnung zur optischen Gasanalyse bereitzustellen, mittels der die optischen Abbildungseigen- schaften der Strahlungsquelle weitestgehend konstant gehalten werden können.

Die verfahrensbezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Messverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die anord- nungsbezogene Aufgabe durch eine Messanordnung mit den Merk- malen des Anspruchs 7 gelöst.

Demgemäß ist vorgesehen : - Ein Verfahren zur quantitativen optischen Gasanalyse mit- tels einer eine Strahlungsquelle aufweisenden Messanord- nung bei dem der Strahlungsquelle ein Strom-und/oder Spannungssignal zugeführt wird, bei dem die Strahlungs- quelle in Abhängigkeit von dem zugeführten Strom-und/oder Spannungssignal eine Messstrahlung zur Gasanalyse einer Probenatmosphäre erzeugt, wobei das Vorzeichen des zuge- führten Strom-oder Spannungssignal gewechselt wird (An- spruch 1) ; - Eine Messanordnung zur quantitativen optischen Gasanalyse mit einer geschlossenen Messkammer, in der eine zu messen- de Probenatmosphäre eingebracht ist, mit einer eine Strah- lungsquelle und eine Detektoreinrichtung aufweisenden Sen- soreinrichtung, bei der die Strahlungsquelle in Abhängig- keit eines ihr zugeführten Strom-und/oder Spannungssig- nals eine Messstrahlung zur Gasanalyse der Probenatmosphä- re erzeugt, bei der die von der Strahlungsquelle ausge- sandte Messstrahlung nach einem Durchlauf durch die Mess- kammer von der Detektoreinrichtung detektierbar ist, mit einer Umschaltvorrichtung, die bei dem der Strahlungsquel- le zugeführten Strom-und/oder Spannungssignals alternie- rend das Vorzeichen ändert (Anspruch 7).

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass alternierend die Stromrichtung des der Strah- lungsquelle zugeführten Stroms geändert wird. Dadurch werden die Massetransporte, die durch die eingangs genannten Effekte hervorgerufen werden und die im Extremfall sogar die Strah- lungsquelle funktionsunfähig machen, weitestgehend vermieden.

Eine Veränderung der optischen Abbildungseigenschaften und der spektralen Strahlungsverteilung wird dadurch minimiert, wodurch die Funktionalität der Strahlungsquelle und damit auch der gesamten Messanordnung erhalten bleibt. Neben einem geringen Aufwand für die Justage der Strahlungsquelle erhöht

sich vorteilhafterweise auch die Lebensdauer der Strahlungs- quelle.

Vorteilhafterweise wird das Vorzeichen des der Strahlungs- quelle zugeführten Strom-oder Spannungssignal taktgesteuert gewechselt, wobei hierfür eine eigens dafür vorgesehene Takt- leitung bereitgestellt werden muss, die mit einer Steuerein- richtung und einem Taktgenerator verbunden ist. Dieses Ver- fahren ist insbesondere im Dauermessbetrieb von Vorteil. Bei sehr kurzen Messungen ist eine taktgesteuerte Umschaltung häufig nicht erforderlich und darüber hinaus auch zu aufwen- dig. Hier wird beispielsweise das Vorzeichen des der Strah- lungsquelle zugeführten Stroms bei jedem Einschalten der Strahlungsquelle bzw. auch bei jedem neuen Messvorgang ge- wechselt.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Um- schaltvorrichtung als Vollbrücke ausgebildet und weist hier- für mindestens vier steuerbare Schalter auf. Die steuerbaren Schalter sind über eine Steuereinrichtung ein-und ausschalt- bar. Die steuerbaren Schalter der Vollbrücke sind typischer- weise als MOSFETs ausgebildet, jedoch wären hier auch andere Schalter, wie zum Beispiel Bipolartransistoren, JFETs oder auch ein Relais, denkbar.

Im erfindungsgemäßen Betrieb sind jeweils zwei Schalter der Vollbrücke eingeschaltet, während die anderen beiden ausge- schaltet sind. Die jeweils ein-bzw. ausgeschalteten Schalter sind dabei überkreuz angeordnet. In einer vorteilhaften Wei- terbildung werden die jeweils überkreuz angeordneten Schalter alternierend ein-bzw. ausgeschaltet. Das Ein-und/oder Aus- schalten dieser Schalter erfolgt typischerweise voll syn- chron.

Die Strahlungsquelle wird über die Vollbrückenschaltung mit einem Strom versorgt, der von einer Stromquelle erzeugt wird.

Die Stromquelle ist typischerweise als Widerstand oder als MOSFET ausgebildet.

Die in der Messkammer enthaltene Probenatmosphäre besteht aus CO2 oder einen CO2 enthaltenden Gas. Jedoch ist das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Anordnung selbstverständlich auch für die Gasanalyse anderer Gase geeignet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den Un- teransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand dem in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt dabei : Figur 1 den Aufbau einer allgemein bekannten Anordnungen zur quantitativen Gasanalyse ; Figur 2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, die ei- nen alternierenden Strom für die Strahlungsquelle einer Messanordnung bereitstellt.

In beiden Figuren der Zeichnung sind gleiche beziehungsweise funktionsgleiche Merkmale und Signale mit gleichen Bezugszei- chen versehen worden.

In Figur 2 ist mit Bezugszeichen 10 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bezeichnet. Die Schaltung 10 ist zwischen einem ersten Anschluss 11 mit einem ersten Versorgungspoten- tial VDD, beispielsweise dem positiven Versorgungspotential, und einem zweiten Anschluss 12 mit einem zweiten Versorgungs- potential VSS, beispielsweise dem Potential der Bezugsmasse oder einem negativen Versorgungspotential, angeordnet. Ferner ist eine Stromquelle 13, beispielsweise ein Widerstand oder ein MOSFET, vorgesehen, der zwischen der Schaltung 10 und dem

zweiten Anschluss 12 angeordnet ist und der die Schaltung 10 mit einem Gleichstrom I1 versorgt.

Die erfindungsgemäße Schaltung 10 weist im vorliegenden Aus- führungsbeispiel vier zu einer Vollbrücke 21 zueinander ange- ordnete, steuerbare Schalter 14-17 auf. Zwischen den beiden Ausgängen bzw. den Abgriffen 18,19 der Schalter 14-17 ist die Strahlungsquelle 2 als Last geschaltet. Als steuerbare Schalter 14-17 können beispielsweise herkömmliche Transisto- ren, z. B. MOSFETs oder Bipolartransistoren, zum Einsatz kom- men, jedoch wären auch andere Ausgestaltungen denkbar. Die steuerbaren Schalter 14-17 weisen je einen Steueranschluss auf, über den sie ein-und ausschaltbar sind. Die Ansteuerung der steuerbaren Schalter 14-17 bzw. deren Steueranschlüsse erfolgt über Ansteuersignale VS1-VS4, welche von einer Steu- ereinrichtung 20 bereit gestellt werden. Als Steuereinrich- tung 20 kann beispielsweise ein Mikroprozessor, Mikrokontrol- ler oder alternativ auch eine Logikschaltung Verwendung fin- den.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Schaltung in Figur 2 näher erläutert. Es sei dabei angenom- men, dass in Figur 2 die Pfeilrichtungen des Stroms I1 einen positiven Strom bezeichnen, während ein negativer Strom durch einen Strom entgegen der Pfeilrichtung bezeichnet ist : Im ausgeschalteten Zustand sind alle Schalter 14-17 ausge- schaltet ; es fließt also kein Strom I1 durch die Strahlungs- quelle 2. Im Betriebsmodus werden die jeweils überkreuz ange- ordneten Schalter 14,17 und die Schalter 15,16 abwechselnd ein-und ausgeschaltet. Das Einschalten der beiden Schalter 14,17 sowie der beiden Schalter 15,16 erfolgt jeweils mög- lichst synchron. Zunächst werden die beiden Schalter 14,17 geschlossen, die Schalter 15,16 bleiben geöffnet. Es fließt damit ein positiver Strom I1 durch die Strahlungsquelle. An- schließend werden die beiden Schalter 14,17 geöffnet und pa- rallel dazu die anderen beiden Schalter 15,16 geschlossen,

so dass nunmehr der negative Strom-11 durch die Strahlungs- quelle 2 fliest. Die durch die Strahlungsquelle 2 fliesenden Ströme I1,-I1 sind betragsmäßig gleich, unterscheiden sich jedoch in ihren Vorzeichen. Über die Steuereinrichtung werden die Schalter 14-17 so gesteuert, dass ein möglichst abrup- tes Umschalten der Schalter 14-17 und somit ein möglichst übergangsloses Wechseln des Vorzeichens des Stromes I1 statt- findet. Da der Strahlungsquelle 2 jeweils betragsmäßig ein identischer Strom I1 zugeführt wird, ist auch die von der Strahlungsquelle 2 emittierte Strahlung 6 identisch. Der Vor- zeichenwechsel des Stromes I1 hat auf die emittierte Strah- lung 6 somit nahezu keinen Einfuß.

Während das eben beschriebene Verfahren für den Dauermessbe- trieb ausgelegt ist, wird das erfindungsgemäße Verfahren bei sehr kurzen Messvorgängen so abgewandelt, dass der Vorzei- chenwechsel des Stromes Il bzw. das Umschalten der Schalter 14-17 im ausgeschalteten Zustand der Messanordnung 1 er- folgt.

Auf welche Weise die Gasanalyse anhand der emittierten Mess- strahlung 6 erfolgt ist allgemein bekannt und wird daher nicht weiter erläutert.

Anhand von Figur 2 wurde eine bevorzugte Schaltung 10 be- schrieben, mittels der erfindungsgemäß das Vorzeichen des der Strahlungsquelle 2 zugeführten Stromes I1 umgedreht wird. Je- doch ist das erfindungsgemäße Verfahren selbstverständlich nicht ausschließlich mit einer in Figur 2 dargestellten An- ordnung realisierbar, vielmehr wären hier auch andere vor- teilhafte Anordnungen zur Vorzeichenumkehr des der Strah- lungsquelle 2 zugeführten Stroms I1 denkbar.

Bezugszeichenliste 1 Messanordnung 2 Strahlungsquelle 3 Detektoreinrichtung 4 Messkammer 5 Messmedium 6 eintretende Strahlung 6'austretende Strahlung 10 Schaltungsanordnung 11,12 Anschlüsse der Versorgungsspannung 13 Stromquelle 14-17 steuerbare Schalter 18, 19 Abgriffe 20 Steuereinrichtung 21 Vollbrücke (nschaltung) d Dicke der Messkammer I1 Strom durch die Strahlungsquelle Ia austretender Strahlungsintensität Ie eintretender Strahlungsintensität VS1-VS4 Steuersignale VSS, VDD Versorgungspotentiale