DE10238356A1 - Quantitive gas absorption spectrometer for power station combustion chambers uses Fourier transform processing with sampling at less than wavelength modulation frequency. - Google Patents
Quantitive gas absorption spectrometer for power station combustion chambers uses Fourier transform processing with sampling at less than wavelength modulation frequency. Download PDFInfo
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungTerritory of invention
Die Erfindung betrifft den quantitativen, spektroskopischen Nachweis mindestens eines Absorbers in einer festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffprobe variabler Zusammensetzung, wobei der Absorber spektral aufgelöste, d. h. strukturierte, nach Möglichkeit isolierte Absorptionssignaturen (bspw. Vibrationsbanden oder Rotationslinien) aufweist.The invention relates to the quantitative spectroscopic detection of at least one absorber in a fixed, liquid or gaseous Fabric sample of variable composition, the absorber being spectrally resolved, i.e. H. structured, if possible isolated absorption signatures (e.g. vibration bands or rotation lines) having.
Es sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen mit unterschiedlichen Lichtquellen, Lichtwandlern und Auswerteverfahren bekannt geworden und in der Literatur beschrieben, die eine solche quantitative Analytik ermöglichen [1–6].There are numerous procedures and Devices with different light sources, light converters and evaluation methods become known and described in the literature, that enable such quantitative analysis [1–6].
Aufgrund ihrer hohen spektralen Auflösung werden zum Nachweis von Gasen gerne abstimmbare Laser eingesetzt. Insbesondere Diodenlaser sind dazu geeignet, da sie sehr schmalbandig sowie schnell und kontinuierlich abstimmbar sind und mit preisgünstigen Halbleiterdetektoren als Lichtwandler kombiniert werden können.Because of their high spectral resolution Tunable lasers are often used to detect gases. In particular Diode lasers are suitable because they are very narrow-band and fast and are continuously tunable and with inexpensive Semiconductor detectors can be combined as light converters.
Neben der Probennahme-gestützten, so genannten extraktiven Analytik, bei der eine Stoffprobe bspw. einem chemischen Prozess entnommen und unter (hinsichtlich Druck, Temperatur usw.) kontrollierten Bedingungen in einer Absorptionszelle untersucht wird, ist für technische Anwendungen besonders die Probennahme-freie, so genannte in-situ Spektroskopie (in-situ = vor Ort) von zunehmender Bedeutung [2, 4, 5]. Dabei wird der Stoff innerhalb des Prozesses, z. B. im Brennraum eines Kraftwerks, absorptionsspektrometrisch analysiert.In addition to sampling-based, so mentioned extractive analysis, in which a substance sample, for example chemical process taken and under (in terms of pressure, temperature etc.) controlled conditions in an absorption cell is is for technical applications especially the so-called sample-free in-situ spectroscopy (in-situ = on site) of increasing importance [2, 4, 5]. The substance within the process, e.g. B. in Combustion chamber of a power plant, analyzed by absorption spectrometry.
Dazu ist es unerlässlich, sämtliche vom nachzuweisenden Absorber ausgehende Signal beeinflussende Störungen aus dem Absorptionssignal durch mathematische oder elektronische Kompensation oder Filterung zu entfernen.To do this, it is essential to provide all of the evidence Absorber outgoing signal influencing interference from the absorption signal through mathematical or electronic compensation or filtering to remove.
Zur spektroskopischen Bestimmung
der Absorberkonzentration wird der Absorber mit dem Messlicht beaufschlagt
und die Emissionswellenlänge
der Lichtquelle dabei periodisch und möglichst linear über die nachzuweisende
Absorptionslinie gefahren (gescannt). Dieser Abtastvorgang kann
bspw. in Form einer symmetrischen oder asymmetrischen Dreiecksfunktion
mit der Scan-Frequenz M1 erfolgen. Man erhält bei reiner Wellenlängenmodulation
nach der Absorptionsstrecke – bedingt
durch die Zielspezies – eine
Intensitätsmodulation,
deren Intensität über das
Lambert-Beer-Gesetz
Die Absorptionslinie selbst wird mittels zweier Parameter charakterisiert: Der sog. Linienstärke S(T) und der Linienformfunktion ϕ(λ–λ0). S stellt dabei ein Maß für die spektral integrierte "Fläche" der Absorptionslinie dar und ist über die Besetzung des Ausgangsniveaus von der Temperatur (T) abhängig.The absorption line itself is characterized by two parameters: the so-called line thickness S (T) and the line shape function ϕ (λ – λ 0 ). S represents a measure of the spectrally integrated "area" of the absorption line and is dependent on the temperature (T) via the occupation of the initial level.
ϕ hingegen beschreibt einzig das auf die Linienmitte λ0 zentrierte Linienprofil und ist daher in der Fläche auf eins normiert. Der Maximalwert (Peak) und der zeitliche Verlauf der Intensitätsmodulation (ab jetzt Absorptionsprofil oder Profil) ist bestimmt durch die spektrale Form (?) der Absorptionssignatur (ab jetzt Absorptionslinie oder Linie) und durch die dynamischen Abstimmeigenschaften des Lasers.ϕ, on the other hand, only describes the line profile centered on the line center λ 0 and is therefore standardized to one in the area. The maximum value (peak) and the temporal course of the intensity modulation (from now on absorption profile or profile) is determined by the spectral shape (?) Of the absorption signature (from now on absorption line or line) and by the dynamic tuning properties of the laser.
Im Allgemeinen geht man davon aus, dass der Abstimmvorgang unabhängig von der Abstimmgeschwindigkeit (d. h. von der Modulationsfrequenz M1) linear verläuft, sodass die Form des Absorptionsprofils (im Zeitbereich) mit der Form der Absorptionslinie (im Frequenzbereich) identisch ist.Generally one assumes that the voting process is independent the tuning speed (i.e. the modulation frequency M1) is linear, so that the shape of the absorption profile (in the time domain) with the Shape of the absorption line (in the frequency domain) is identical.
Bei einer In-situ-Messung lässt sich
die nach dem Durchgang der Messstrecke am Detektor erfasste optische
Leistung P(λ,t)
mit einer erweiterten Form des Lambert-Beer'schen Gesetzes darstellen:
Eine Schlüsselkomponente bei der Quantifizierung des Absorptionssignals ist das Auswerteverfahren. Zwei der wichtigsten Verfahren sind die Direkte Absorptionsspektroskopie, DA, [1, 2] und die Wellenlängenmodulationsspektroskopie, WMS, [3–6].A key component in quantification of the absorption signal is the evaluation method. Two of the most important Methods are direct absorption spectroscopy, DA, [1, 2] and wavelength modulation spectroscopy, WMS, [3-6].
Direkte Absorptionsspektroskopie, DADirect absorption spectroscopy, THERE
In [2] wird beispielsweise die DA erläutert. Bei der DA wird der Laser z. B. mit der Frequenz M1 periodisch über die Linie gescannt.For example, in [2] the DA explained. At the DA the laser is used e.g. B. with the frequency M1 periodically over the Line scanned.
Das Absorptionssignal wird erfasst und eventuell tiefpassgefiltert, jedoch ohne das Absorptionsprofil durch Modifikation des spektralen Inhaltes zu verändern. Die Fläche der Absorptionslinie wird gemäß dem Lambert-Beer-Gesetz bestimmt. Die Fläche ist ein Maß für die Konzentration N des Absorbers.The absorption signal is recorded and possibly low-pass filtered, but without the absorption profile Modification of the spectral content to change. The area of the Absorption line is made according to the Lambert Beer law certainly. The area is a measure of concentration N of the absorber.
Als besonders vorteilhaft erweist sich die Bestimmung der Fläche unter der Absorptionslinie bspw. mittels einer Kurvenanpassung (linear, nichtlinear bzw. rekursiv bspw. mit dem Levenberg-Marquardt-Algorithmus). Der aus dem Messwert (Fläche) ermittelte relative Mischungsanteil (ppmV) der Absorber ist bei dieser Vorgehensweise trotz einer druckabhängigen Verbreiterung der Absorptionslinie unabhängig vom Druck. Diese Methode ist also auch in druckvariablen Systemen einsetzbar.Has proven to be particularly advantageous the determination of the area below the absorption line, for example by means of curve fitting (linear, non-linear or recursive, e.g. with the Levenberg-Marquardt algorithm). The from the measured value (area) determined relative mixture proportion (ppmV) of the absorber is at this procedure despite a pressure-dependent broadening of the absorption line independently from pressure. So this method is also in variable pressure systems used.
Außerdem kann mittels DA die absolute Absorberdichte N (Teilchen pro Volumen) direkt ermittelt werden, ohne dass eine Kalibration erforderlich ist, d. h. eine Eichung der Sensorantwort mittels vorgemischter, als Konzentrationsstandard dienender Prüfgase zur empirischen Bestimmung eventuell sogar zeitlich variabler Gerätekonstanten. Regelmäßige Kalibrationsvorgänge verursachen für herkömmliche Analysegeräte beträchtliche Kosten für Personal, Investitionen (Eichgeräte) oder Verbrauchsmittel (bspw. Kalibriergase). Ein kalibrationsfreies Verfahren besitzt also einen für die Industrie sehr wichtigen Kostenvorteil.In addition, the absolute absorber density N (particles per volume) determined directly without the need for calibration, i. H. a Calibration of the sensor response using a premixed concentration standard serving test gases for the empirical determination of possibly even time-variable device constants. Cause regular calibration processes for conventional analyzers considerable costs for Personnel, investments (calibration devices) or consumables (e.g. calibration gases). A calibration free So the process has one for the industry very important cost advantage.
In [1, 2] wird weiterhin erläutert, wie
die Auflösung
des Verfahrens weiter gesteigert werden kann, indem durch phasenrichtiges
Mitteln sukzessiv erfasster Absorptionsprofile (sog. Scanintegration)
eine Rauschunterdrückung
erreicht werden kann. Mittelt man eine hohe Zahl (n) von Absorptionsprofilen
so kann bei statistischen Störungen
die Auflösung
(kleinste nachweisbare Absorption) durch dieses Mittelungsverfahren
um einen Faktor √
Vor allem für In-situ-Messungen, bei denen
durch die innerhalb der Messtrecke schwankenden Randbedingungen
(Temperatur, Druck, Probenzusammensetzung, Konvektionen, etc.) mit
starken Beeinflussungen des Absorptionssignals zu rechnen ist, ist
es wichtig, vor einer Auswertung der Rohsignale die Störeinflüsse effizient
zu korrigieren. Diese Störungen
entstehen z. B. durch breitbandige, d. h. spektral wenig variable,
z. B. von Staub oder Asche hervorgerufene Absorptionen (Tr), d.
h. durch Änderungen
der Grundtransmission der Messtrecke. Eine weitere Störung kann
durch Falschlicht (E) entstehen, z. B. durch glühende Partikel (siehe Erläuterungen
in [2] bzw.
Um diese Störungen effektiv zu korrigieren bzw. zu unterdrücken, ist es wichtig, die Abstimmgeschwindigkeit., d. h. die Modulationsfrequenz M1, so hoch zu wählen, dass die Störungen (additiv durch Falschlicht, multiplikativ durch Transmissionsfluktuationen) innerhalb eines Absorptionsprofils "eingefroren", d. h. als konstant angenommen werden können. Dies kann vor allem mit Diodenlasern gewährleistet werden, da diese die notwendigen hohen Abstimmgeschwindigkeiten bieten können. Typische Zeitskalen für Störungen liegen im Millisekundenbereich. Typische Werte für die Scan-Frequenz M1 sind daher 1 kHz, d. h. eine Abtastung der Linie dauert nur etwa 1 ms.To effectively correct these disorders or suppress, it is important to adjust the tuning speed. H. the modulation frequency M1 to choose so high that the interference (additive due to false light, multiplicative due to transmission fluctuations) "frozen" within an absorption profile, i. H. can be assumed to be constant can. This can be guaranteed especially with diode lasers, as these can offer the necessary high tuning speeds. typical Time scales for disorders are in the millisecond range. Typical values for the scan frequency M1 are therefore 1 kHz, i.e. H. it only takes about 1 ms to scan the line.
Die Vorteile der DA sind
- – ihre Geschwindigkeit,
- – keine Notwendigkeit einer Kalibration,
- – Möglichkeit der Störungskorrektur am Messsignal selbst,
- – einfachster apparativer Aufbau, insbesondere ist kein Lock-in-Verstärker nötig.
- - their speed,
- - no need for calibration,
- - Possibility of correcting interference on the measurement signal itself,
- - The simplest construction, in particular, no lock-in amplifier is necessary.
Die in [1, 2, 5] beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren auf Basis der direkten Absorptionsspektroskopie, DA, haben folgende Nachteile:
- – Die DA ist in ihrer Empfindlichkeit begrenzt, da sie alle Störsignale mit dem Detektor aufnimmt und kaum Selektionsmöglichkeiten zur Unterdrückung der Störsignale bietet. Sie besitzt eine deutlich kleinere Auflösung (in optischer Dichte = OD) bzw. Empfindlichkeit als die WMS, da sich das Rohsignal aus einem sehr hohen Offset und einem nur relativ kleinen Nutzsignal zusammensetzt. Dadurch wird auch der mögliche Dynamikbereich des Messverfahrens zu kleinen Absorptionen hin eingeschränkt
- – Die DA erlaubt zwar aufgrund ihrer Tauglichkeit für den Einsatz hoher Modulationsfrequenzen M1 die Korrektur additiver und multiplikativer Störungen, wie sie bei In-situ-Messungen unvermeidlich sind, die dazu erforderlichen hohen Modulationsfrequenzen führen jedoch zu nichtlinearem Abstimmverhalten von Diodenlasern. Dieses nichtlineare Abstimmverhalten bewirkt eine Deformation des Absorptionsprofils im Zeitbereich, somit systematische Fehler in der Auswertung, und daher eine reduzierte Präzision der Auswertung. Weitere Störungen entstehen, da bei nichtlinearem Abstimmverhalten die Fläche unter dem Absorptionsprofil von der zeitlichen Position innerhalb des Scans abhängt und somit bei spektralen Instabilitäten (Driften der Laserwellenlänge) deutliche systematische Fehler zu erwarten sind, was die Präzision des Verfahrens einschränkt oder deutlich höhere Kosten für eine bessere spektrale Stabilisierung verursacht. Dazu wurde zwar in [5] ein Verfahren zur Linearisierung des Abstimmverhaltens beschrieben, dieses ist jedoch sehr aufwendig, erfordert teure Signalgeneratoren mit der Möglichkeit zur frei programmierbaren Modulation und verursacht durch die nichtlineare Stromansteuerung eine bei der Auswertung sehr störende nichtlineare Amplitudenmodulation.
- - The sensitivity of the DA is limited because it records all interference signals with the detector and offers hardly any selection options for suppressing the interference signals. It has a significantly smaller resolution (in optical density = OD) or sensitivity than the WMS, since the raw signal is composed of a very high offset and a relatively small useful signal. This also limits the possible dynamic range of the measuring method towards small absorptions
- - Although the DA allows the correction of additive and multiplicative disturbances due to its suitability for the use of high modulation frequencies M1, as they are unavoidable with in-situ measurements, the high modulation frequencies required for this lead to non-linear tuning behavior of diode lasers. This nonlinear tuning behavior causes a deformation of the absorption profile in the time domain, thus systematic errors in the evaluation, and therefore a reduced precision of the evaluation. Further disturbances arise because with nonlinear tuning behavior the area under the absorption profile depends on the time position within the scan and thus in the case of spectral instabilities (drifting of the laser wavelength) significant systematic errors are to be expected, which limits the precision of the method or significantly higher costs for a causes better spectral stabilization. A method for linearizing the tuning behavior was described in [5], but it is very complex, requires expensive signal generators with the possibility of freely programmable modulation and, due to the non-linear current control, causes a non-linear amplitude modulation which is very disruptive during the evaluation.
Wellenlängenmodulationsspektroskopie, WMSWavelength modulation spectroscopy, WMS
Ein weiteres Verfahren zur empfindlichen Erfassung kleiner Absorptionen stellt die WMS dar. Dazu wird der Laser wie im Fall der DA z. B. mit einer Dreiecksfunktion mit der Frequenz M1 periodisch über eine Absorptionslinie gescannt. Gleichzeitig wird er mit einer deutlich schnelleren Sinusmodulation mit der Frequenz M2 mit wesentlich kleinerem Wellenlängenhub als M1 beaufschlagt. Typische Werte für M2 sind 100 kHz.Another sensitive process The WMS represents recording of small absorptions Laser as in the case of the DA z. B. with a triangular function with the Frequency M1 periodically over an absorption line scanned. At the same time, it becomes clear with one faster sine modulation with frequency M2 with much smaller Wellenlängenhub acted as M1. Typical values for M2 are 100 kHz.
Auf der Flanke einer Absorptionslinie erhält man dann ein mit M2 moduliertes Transmissionssignal. Ist die Laserwellenlänge auf den Bereich um das Maximum der Absorption abgestimmt, so erhält man ein Signal bei der doppelten Frequenz von M2 (so genanntes 2f-Signal), da eine Modulation der Wellenlänge zu beiden Seiten des Maximums zu einem Anstieg der Transmission führt. Es zeigt sich damit bei sehr kleinen Modulationsamplituden die 2. Ableitung der Absorptionslinie.On the flank of an absorption line receives then a transmission signal modulated with M2. The laser wavelength is on the area around the maximum of the absorption matched, so you get a Signal at twice the frequency of M2 (so-called 2f signal), because a wavelength modulation on both sides of the maximum to an increase in transmission leads. This shows the 2nd with very small modulation amplitudes. Derivation of the absorption line.
Ohne einen schmalbandigen Absorber im Strahlengang tauchen im Detektorsignal dank der Linearität der Strom-Licht-Kennlinie des Lasers nur ungerade Harmonische der Scan-Frequenz M1 und der Grundton der schnellen Sinusmodulation M2 auf. Durch eine Absorptionslinie besitzt die Messstrecke jedoch eine nichtlineare Übertragungsfunktion, sodass dadurch auch höhere Harmonische von M2 zu finden sind. In der WMS wird davon bevorzugt die zweite Harmonische (2f) – oder vierte oder sechste Harmonische – von M2 als Maß für die durch die Zielspezies hervorgerufene Absorption untersucht und erfasst. Für den Grenzfall kleiner Modulationstiefen nehmen die jeweiligen harmonischen Signale der Ordnung n die Form der jeweiligen n-ten Ableitung des Absorptionsprofils an. D. h. das 2f-Signal hat die Form der zweiten Ableitung des Absorptionsprofils nach der Zeit (bzw. nach der Wellenlänge im Falle eines linearen Abstimmvorganges) [7].Without a narrow-band absorber thanks to the linearity of the current-light characteristic, plunge into the detector signal in the beam path of the laser only odd harmonics of the scan frequency M1 and the Root note of the fast sine modulation M2. Through an absorption line however, the measuring section has a non-linear transfer function, so that also higher ones Harmonics of M2 can be found. This is preferred in the WMS the second harmonic (2f) - or fourth or sixth harmonic - from M2 as a measure of the through the target species-induced absorption is examined and recorded. For the Limit cases of small modulation depths take the respective harmonic Signals of order n the form of the respective nth derivative of the Absorption profile. I.e. the 2f signal has the shape of the second Derivation of the absorption profile according to time (or according to the wavelength in the case a linear tuning process) [7].
Die Amplitude des 2f-Signal-Anteils bzw. der zweiten Ableitung kann aus dem Transmissionssignal z. B. durch Fourier-Transformation oder Einsatz eines Lock-in-Verstärkers ermittelt werden. Es ist dann möglich, die Amplitude der 2. Ableitung des Absorptionsprofils als Funktion der mit M1 gescannten Mittenfrequenz bzw. Mittenwellenlänge zu betrachten.The amplitude of the 2f signal component or the second derivative from the transmission signal z. B. through Fourier transformation or use of a lock-in amplifier be determined. It is then possible that Amplitude of the 2nd derivative of the absorption profile as a function of center frequency or center wavelength scanned with M1.
In der Regel erhält man eine Funktion, etwa
wie sie in
In [3, 4] wird beschrieben, wie mit Hilfe eines analogen Lock– in-Verstärkers als Auswerteschaltung die durch die Absorptionslinie erzeugten höheren harmonischen Frequenzanteile im Photostrom selektiv nachgewiesen werden können.In [3, 4] it is described how with Using an analog lock-in amplifier as Evaluation circuit the higher harmonics generated by the absorption line Frequency components in the photocurrent can be detected selectively.
Im Falle der WMS wird, da nur nach periodischen Signalen mit Frequenzen M1, 2*M1, 3+M1, usw. gesucht wird, der Detektorstrom wechselstromgekoppelt ausgewertet, in der Regel mit Hilfe eines schmalbandigen Lock-in-Verstärkers, was zur Unterdrückung aller Gleichstromanteile führt. Der Dynamikbereich der Elektronik kann somit wesentlich besser ausgenutzt werden, was zusammen mit der schmalbandigen Nachweischarakteristik des Lock-in-Verstärkers eine deutlich höhere Auflösung als bei der DA bis in den Bereich von unter 10^–6 OD (d. h. 1 ppm Lichtschwächung) ermöglicht.In the case of the WMS, since only after periodic signals with frequencies M1, 2 * M1, 3 + M1, etc. searched is evaluated, the detector current is AC coupled, in the Usually with the help of a narrow-band lock-in amplifier for oppression of all DC components. The dynamic range of the electronics can thus be used much better be what along with the narrowband detection characteristic the lock-in amplifier a significantly higher one resolution than in the DA down to below 10 ^ –6 OD (i.e. 1 ppm light attenuation).
Zur weiteren Erhöhung der Auflösung und Reduktion der Detektionsbandbreite kann am Lock-in-Verstärker die Integrationszeit vergrößert werden. Dadurch verlängert sich allerdings die Messzeit auf typische Werte von 100–1000 ms. Dann ist es nicht mehr möglich, innerhalb vom 1 ms ein Spektrum komplett aufzunehmen, um nicht durch die zeitlich schwankenden Störungen beeinflusste Ergebnisse zu erhalten.To further increase the resolution and The detection bandwidth can be reduced at the lock-in amplifier Integration time can be increased. This extends However, the measurement time is typically 100–1000 ms. Then it is no longer possible to completely record a spectrum within 1 ms so as not to go through the fluctuations in time get influenced results.
In [6] wird die Applikation der WMS im Fall einer In-situ-Anwendung beschrieben. Ein Vorteil der WMS ist darin zu sehen, dass additive Störungen (bspw. Falschlicht) außerhalb der Modulations- bzw. Nachweisfrequenz und deren Harmonischen sehr gut unterdrückt werden.In [6] the application of the WMS in the case of an in-situ application described. One advantage of the WMS is that additive disorders (e.g. false light) outside the modulation or detection frequency and their harmonics very much well suppressed become.
Dies gilt jedoch nicht für multiplikative Effekte wie Transmissionsstörungen. Diese erscheinen auch im 2f-Signal. Multiplikative Störungen haben den Effekt, dass das idealisierte Fourierspektrum des Signals mit dem Fourierspektrum der Störung gefaltet wird. Damit verfälschen Störungen das 2f-Signal. In der Regel wird das ideale Fourierspektrum des 2f-Signals durch Störungen verbreitert. Normalerweise bedarf es zur Korrektur einer Entfaltung.However, this does not apply to multiplicative Effects such as transmission disorders. These also appear in the 2f signal. Have multiplicative disorders the effect that the idealized Fourier spectrum of the signal with the Fourier spectrum of the perturbation is folded. Falsify it disorders the 2f signal. As a rule, the ideal Fourier spectrum of the 2f signal due to interference widened. Usually it takes correction to correct.
Dieses Problem konnte wie in [4] beschrieben dadurch gelöst werden, dass ein unabhängiges, nur von der Transmissionsstörung beeinflusstes Signal erfasst und nachfolgend zur Normierung des 2f-WMS-Signalen herangezogen wird. Dieses Korrektursignal ist der Offset des 1f-Absorptionsprofils, der durch die bei Diodenlasern unvermeidliche Intensitätsmodulation des Laserlichtes beim strominduzierten Abstimmvorgang verursacht wird. Dieser Offset ist proportional zur Steilheit der Strom-Licht-Kennlinie des Lasers und wird nur von der Messstreckentransmission beeinflusst, kann also als Transmissionssensor eingesetzt werden. Dazu muss wie in [4] beschrieben das 1f-Rohsignal vom resonanten, durch den Zielabsorber hervorgerufenen Signalanteil separiert werden, was in [4] durch eine Kurvenanpassung an das resonante Profil erfolgt. Der zeitabhängige Offset innerhalb des Scans kann dann für eine lokale Transmissionskorrektur innerhalb des 2f-Signals verwendet werden.As described in [4], this problem could be solved by capturing an independent signal, which is only influenced by the transmission disturbance, and subsequently using it to standardize the 2f-WMS signal. This correction signal is the offset of the 1f absorption profile, which is caused by the intensity modulation of the laser light that is unavoidable in diode lasers during the current-induced tuning process. This offset is proportional to the steepness of the current-light characteristic of the laser and is only influenced by the transmission of the measuring distance, so it can be used as a transmission sensor. To do this As described in [4], the raw 1f signal is separated from the resonant signal component caused by the target absorber, which is done in [4] by adapting the curve to the resonant profile. The time-dependent offset within the scan can then be used for a local transmission correction within the 2f signal.
Die in [3, 4, 6] beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren auf Basis der Wellenlängenmodulationsspektroskopie (WMS) haben Nachteile, da sie:
- – nur eine eingeschränkte Unterdrückung multiplikativer Störungen erlauben;
- – nur ein langsames Scannen erlauben, d. h. relativ kleine Modulationsfrequenzen M1. Da aber schnelles Scannen eine Voraussetzung für die Korrektur von Störungen ist, wie sie in in-situ-Anwendungen auftreten, gibt es beträchtliche Schwierigkeiten und Komplikationen beim Einsatz der WMS für in-situ-Anwendungen unter realen Bedingungen. Das in [4] beschriebene Verfahren der Korrektur von Störungen funktioniert z. B. nur, solange die Transmissionsstörungen den resonanten Anteil des 1f-Signales nicht maskieren. Dies schränkt den Einsatz des Verfahrens aus [4] auf Fälle mit relativ schwachen Transmissionsstörungen ein.
- – eine hohe Abhängigkeit des Nutzsignals von äußeren Bedingungen (Druck, Temperatur, chemische Zusammensetzung) zeigen und somit unbedingt
- – eine Kalibration des Messsignals mit Prüfgasen oder anderen Normalen erfordern.
- – auf analog-elektronischen Lock-in-Verstärkern basieren, die driftanfällig sind, oder
- – mit kommerziellen digitalen Lock-in-Verstärkern ausgeführt werden, die teuer sind, meist keine Upgrades der Auswertung erlauben und somit unflexibel sind und in der Art der Mittelung nicht konfigurierbar sind.
- – Eine gemultiplexte Messung mehrerer Spezies ist wie in [6] dargestellt über mehrere Modulationsfrequenzen möglich, dazu sind jedoch mehrere Signalgeneratoren und auch mehrere Lock in-Verstärker erforderlich, was zu beträchtlichen Kosten führt.
- – Eine quasi-simultane, gemultiplexte Mehrspeziesmessung gemäß dem Zeitmultiplexing-Prinzip ist nicht mit WMS kombinierbar, da mit Lock-in-Verstärkern aufgrund der langsamen Scanfrequenzen nicht rasch genug zwischen den verschiedenen Spezies oder Methoden hin und her geschaltet werden kann.
- - allow only limited suppression of multiplicative interference;
- - allow only slow scanning, ie relatively low modulation frequencies M1. However, since fast scanning is a prerequisite for correcting disturbances that occur in in-situ applications, there are considerable difficulties and complications when using the WMS for in-situ applications under real conditions. The method of correcting disturbances described in [4] works e.g. B. only as long as the transmission interference does not mask the resonant portion of the 1f signal. This limits the use of the method from [4] to cases with relatively weak transmission disorders.
- - show a high dependency of the useful signal on external conditions (pressure, temperature, chemical composition) and therefore absolutely
- - Require calibration of the measurement signal with test gases or other standards.
- - based on analog-electronic lock-in amplifiers that are prone to drift, or
- - Are carried out with commercial digital lock-in amplifiers, which are expensive, usually do not allow upgrades to the evaluation and are therefore inflexible and cannot be configured in the way of averaging.
- - A multiplexed measurement of several species is possible as shown in [6] over several modulation frequencies, but this requires several signal generators and also several lock-in amplifiers, which leads to considerable costs.
- - A quasi-simultaneous, multiplexed multi-species measurement according to the time-division multiplexing principle cannot be combined with WMS, since lock-in amplifiers cannot switch back and forth quickly enough between the different species or methods due to the slow scan frequencies.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine hoch empfindliche quantitative Bestimmung eines Absorbers in einer Gas- oder Flüssigkeitsprobe unter in-situ-Bedingungen zu ermöglichen.The object of the invention is a highly sensitive quantitative determination of an absorber in one Gas or liquid sample enable under in situ conditions.
Lösungsolution
Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.This task is accomplished through the inventions with the characteristics of independent Expectations solved. advantageous Further developments of the inventions are characterized in the subclaims.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, dass im Gegensatz zum üblichen Verfahren der Derivativspektroskopie eine höhere Wiederholfrequenz der Modulation M1 (Scan) verwendet wird, typischerweise mit 1 kHz, wie in der DA. Dadurch wird das Spektrum des zu detektierenden Signals aufgefächert.The task is solved by that contrary to the usual Derivative spectroscopy methods have a higher repetition frequency Modulation M1 (scan) is used, typically at 1 kHz, such as in the DA. This makes the spectrum of the signal to be detected fanned.
Die Detektion der Derivativsignale nach bekannten Verfahren mit phasensensitiven Verstärkern, so genannten Lock-In-Verstärkern, ist in einem solchen Fall nur dadurch möglich, dass deren Detektionsbandbreiten vergrößert werden, was zu Einbußen in der Signalgüte führt.The detection of the derivative signals according to known methods with phase-sensitive amplifiers, so-called Lock-in amplifiers in such a case it is only possible that their detection bandwidths be enlarged, resulting in losses in signal quality leads.
Erfindungsgemäß wird ein anderes Verfahren zur Erfassung der Signale und zur Einschränkung der effektiven Detektionsbandbreite vorgeschlagen. Die Erfindung nutzt aus, dass das Spektrum des Nutzsignals (Transmissionssignal) bei streng periodischer Wiederholung der Modulationen diskret ist. Es ergeben sich Bänder um M2 und z*M2 mit Seitenbändern bei +/– M1, +/– 2*M1, +/– 3*M1, usw., wobei z eine ganze Zahl ist. Das Spektrum um M2 bzw. z*M2 wird durch das schnelle Scannen mit M1 auf gespreizt.Another method according to the invention to acquire the signals and to limit the effective detection bandwidth proposed. The invention takes advantage of the fact that the spectrum of the useful signal (transmission signal) is discrete in the case of strictly periodic repetition of the modulations. There are bands around M2 and z * M2 with sidebands at +/- M1, +/- 2 * M1, +/- 3 * M1, etc., where z is an integer. The spectrum around M2 or z * M2 is spread by fast scanning with M1.
Die Detektionsbandbreite kann daher durch Anwendung einer passenden Kombination aus Band- und Kammfilter verringert werden. Die Bandbreite jeder einzelnen Bande des Kammfilters kann dabei sehr schmal gewählt werden, typischerweise entsprechend der Bandbreite eines Lock-in-Verstärkers, wie er für WMS verwendet wird, nämlich 1 Hz.The detection bandwidth can therefore by using a suitable combination of belt and comb filters be reduced. The bandwidth of each band of the comb filter can be chosen very narrow typically, according to the bandwidth of a lock-in amplifier, such as he for WMS is used, namely 1 Hz.
Nach der Filterung erfolgt die Gewinnung der Derivativsignale durch Demodulation, d. h., bei Realisierung in analoger Elektronik, das Signal der jeweiligen Bande wird mit dem Signal eines lokalen Oszillators mit der Frequenz der Zentralfrequenz der Bande (M2 oder z*M2) gemischt (multipliziert), wodurch sich im Mischsignal eine Frequenzkomponente um 0 Hz ergibt. Die sich um 0 Hz ergebende Bande wird gleichgerichtet und gefiltert, d. h. es wird der Betrag gebildet und das Signal wird gemittelt.After filtering, the extraction takes place the derivative signals by demodulation, i.e. that is, when implemented in analog electronics, the signal of the respective band is included the signal of a local oscillator with the frequency of the central frequency the gang (M2 or z * M2) mixed (multiplied), resulting in results in a frequency component around 0 Hz in the mixed signal. Which band resulting at 0 Hz is rectified and filtered, i. H. the amount is formed and the signal is averaged.
Störungen, z. B. verringerte Transmission, bleiben als Multiplikator der Signale bzw. deren Amplituden übrig, und zwar ergeben Störungen aufgrund der Faltung aller idealen Spektren mit dem Spektrum der Störung durch die schmalbandige Kammfilterung den gleichen Multiplikator für das 1f(M2)- und 2f (2*M2)-Signal und für alle Seitenbänder.Disorders, e.g. B. reduced transmission, remain as multipliers of the signals or their amplitudes, and although there are disturbances due to the convolution of all ideal spectra with the spectrum of the Interference by the narrow-band comb filtering the same multiplier for the 1f (M2) - and 2f (2 * M2) signal and for all sidebands.
Das Transmissionssignal weist stets ein 1f-Signal auf, da der Diodenlaser über die Stärke des Betriebsstroms abgestimmt wird. Gleichzeitig ändert sich dabei jedoch auch die Laserleistung. Das ist aber eine Modulation mit 1f bzw. M1. Das 1f-Signal hat somit einen konstanten Offset.The transmission signal always has a 1f signal, since the diode laser determines the strength of the Be drive current is coordinated. At the same time, however, the laser power also changes. But this is a modulation with 1f or M1. The 1f signal thus has a constant offset.
Das 1f-Signal hat insgesamt drei bestimmende Komponenten: die Linie des Moleküls, der Offset durch die Modulation der Laserleistung (die bekannt ist) und die Störeinflüsse, die mathematisch korrigiert werden können. Die Störeinflüsse können aus dem 1f-Signal eliminiert werden. Dadurch kann die durch die Störungen bedingte Proportionalitätskonstante bestimmt werden und auf die Auswertung des 2f-Signals angewendet werden. Die multiplikativen Störungen können eliminiert werden. D. h. das 1f-Signal kann zur Kalibrierung des 2f-Signals herangezogen werden. Damit können die 2f-Signale von Störeinflüssen befreit werden.The 1f signal has three in total determining components: the line of the molecule, the offset through the modulation the laser power (which is known) and the interference, which is mathematically corrected can be. The interference can be eliminated the 1f signal can be eliminated. This can cause the interference proportionality be determined and applied to the evaluation of the 2f signal become. The multiplicative disorders can be eliminated. I.e. The 1f signal can be used to calibrate the 2f signal be used. So that can the 2f signals from Interference free become.
Danach kann aus dem 1f- oder dem 2f-Signal auf bekannte Weise auf die Absorberkonzentration geschlossen werden.After that, from the 1f or the 2f signal concluded in a known manner on the absorber concentration become.
Durch Abänderung des bekannten Modulations- und Detektionsschemas für die Gewinnung von Derivativsignalen, die Verwendung hoher Frequenzen für die Modulation M1 bei gleichzeitig unverändert geringer Detektionsbandbreite und einer Transmissionskorrektur über das 1f-Signal können sowohl additive als auch multiplikative Störsignale effektiv unterdrückt werden.By changing the known modulation and detection schemes for the acquisition of derivative signals, the use of high frequencies for the Modulation M1 with the detection bandwidth remaining unchanged at the same time and a transmission correction via the 1f signal can both additive and multiplicative interference signals are effectively suppressed.
Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren empfindlich und in-situ tauglich.This is the method according to the invention sensitive and in-situ compatible.
Bei der Fourier-Transformation des auf den Ursprung verschobenen Spektrums ergibt sich ein 1f- bzw. zf-Spektrum mit Real- und Imaginärteil, entsprechend zwei Lock-in- Verstärker Signalen. Es empfiehlt sich, die Phase der Fourier-Transformation derart zu wählen, dass der Realteil maximal wird.With the Fourier transformation of the a 1f or zf spectrum results from the origin of the shifted spectrum with real and imaginary part, corresponding to two lock-in amplifier signals. It is advisable to choose the phase of the Fourier transformation in such a way that the real part becomes maximum.
Ein Kammfilter lässt sich z. B. digital durch phasenstarre Mittelung mehrerer (Scan-)Perioden des erfassten Signals realisieren. Dazu muss zunächst die schnelle Modulationsfrequenz (M2) ein Vielfaches der langsamen Modulationsfrequenz (M1) sein, damit eine ganze Anzahl von schnellen Modulationen in eine Periode der langsamen Modulation passen und es zu einer phasenrichtigen Mittelung kommt. Dann wird das Signal in einzelne Abschnitte entsprechend einer Periodendauer der langsamen Modulation M1 zerlegt. Über diese Abschnitte wird gemittelt. Bei der Mittelung bleiben nur die Frequenzen übrig, die ein ganzzahliges Vielfaches von M1 sind. Alle anderen mitteln sich raus. Dadurch kommt es zur Kammfilterung.A comb filter can e.g. B. digitally by phase-rigid averaging of several (scan) periods of the detected signal realize. To do this, first of all the fast modulation frequency (M2) is a multiple of the slow one Modulation frequency (M1) so that a whole number of fast Modulations fit into a period of slow modulation and there is an in-phase averaging. Then the signal into individual sections according to a period of slow Modulation M1 disassembled. About these Sections are averaged. When averaging, only the frequencies are left that are an integer multiple of M1. All others average Out. This results in comb filtering.
Wird nicht phasenrichtig gemittelt, liegen die Kammfilter-Frequenzen nicht um ein Vielfaches von M1 versetzt neben M2 bzw. z*M2.Is not averaged in phase, are the comb filter frequencies not offset by a multiple of M1 next to M2 or z * M2.
Weiterhin kann das Schema der Kammfilterung variiert werden. Es ist die Verwendung ineinander greifender Kammfilter möglich, wodurch bei geeigneter Wahl der Modulationsfrequenzen M1 und M2 auch überlappende harmonische Kanäle getrennt werden können und so höhere Frequenzen für M1 verwendet werden können, ohne dass eine Erhöhung der Frequenz M2 notwendig wird.Furthermore, the scheme of comb filtering can be varied. It is the use of interlocking comb filters possible, whereby with a suitable choice of the modulation frequencies M1 and M2 also overlapping harmonic channels can be separated and so higher Frequencies for M1 can be used without an increase the frequency M2 becomes necessary.
Wird die Modulationsfrequenz M2 z. B. so gewählt, dass sie ein ganz- plus halbzahliges Vielfaches der Frequenz M1 beträgt (M2 = (n + 0,5)·M1, n = 1, 2, 3, . . .), treten die diskreten Beiträge benachbarter harmonischer Kanäle im Spektrum verschränkt auf und können durch parallele, alternierende und nicht alternierende Mittelungen getrennt werden.If the modulation frequency M2 z. B. chosen so that they are an integer plus a half-fold multiple of the frequency M1 is (M2 = (n + 0.5) * M1, n = 1, 2, 3,. , .), the discrete contributions of neighboring harmonic channels entangled in the spectrum on and can through parallel, alternating and non-alternating averaging be separated.
Oft besteht Bedarf, mehrere chemische Spezies gleichzeitig nachzuweisen. In [5] wird dazu ein Verfahren auf Basis der WMS beschrieben, in dem zwei unterschiedliche Laser – einer für jeweils eine Spezies – mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen M2 betrieben werden. Die Laserstrahlen werden überlagert durch die Absorptionszone geleitet und mit lediglich einem Detektor für beide Wellenlängen nachgewiesen.There is often a need for several chemical ones To detect species at the same time. A method is used in [5] described on the basis of the WMS, in which two different lasers - one for each a species - with different modulation frequencies M2 are operated. The Laser beams are overlaid by the absorption zone and with only one detector for both wavelength demonstrated.
Die jeweiligen Absorptionssignale können dennoch anhand ihrer unterschiedlichen Modulationsfrequenzen getrennt ausgewertet werden, indem sie mit zwei passend synchronisierten Lock-In-Verstärkern detektiert und separiert werden. Die Spezies werden damit simultan im gleichen Volumen nachgewiesen. Diese Verschränkung und Separation von mehreren Signalen wird im Englischen auch Multiplexing genannt. Im genannten Fall handelt es sich um Modulationsfrequenz-Multiplexing.The respective absorption signals can nevertheless separated based on their different modulation frequencies can be evaluated by synchronizing them with two suitably Lock-in amplifiers detected and be separated. The species are thus simultaneously in the same Volume detected. This entanglement and separation of several Signals are also called multiplexing in English. In the above The case is modulation frequency multiplexing.
Die vorliegende Erfindung bietet die Möglichkeit, Ähnliches zu erreichen, indem nicht phasenrichtig Bemittelt wird. In einem solchen Fall liegen die Kammfilter-Frequenzen nicht um ein Vielfaches von M1 versetzt neben M2 bzw. z*M2.The present invention provides the possibility of doing something similar to be achieved by not averaging in phase. In one in such a case, the comb filter frequencies are not a multiple offset from M1 next to M2 or z * M2.
Dies eröffnet eine Möglichkeit, die Kämme gezielt zu verschieben, indem bei der Mittelung gezielt eine Phase (exp(i*φ)) zwischen sich angrenzenden Perioden multiplikativ eingefügt wird. Eine Phase φ entsprechend 180° z. B. führt zu einer Verschiebung der Kämme um 1/2 M1, also z. B. 500 Hz.This opens up a way the combs deliberately postpone by averaging one phase (Exp (i * φ)) is inserted multiplicatively between adjacent periods. Corresponding to a phase φ 180 ° z. B. leads to a displacement of the combs by 1/2 M1, e.g. B. 500 Hz.
Werden zum Nachweis unterschiedlicher Absorber unterschiedliche Laser mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen eingesetzt, so können diese mit einem gezielten Verschieben der Kämme in der Auswertung voneinander getrennt werden. Dadurch können auch Laser (pro Spezies) unterschieden werden, die in der Modulationsfrequenz M2 nur um 500 Hz (bei M2 = 100 kHz) auseinander liegen, also 100 und 100,5 kHz.Are used to prove different Absorber different lasers with different modulation frequencies used so can these are separated from one another in the evaluation by deliberately moving the combs become. This allows also lasers (per species) can be differentiated in the modulation frequency M2 are only 500 Hz apart (at M2 = 100 kHz), i.e. 100 and 100.5 kHz.
Dadurch können mehrere Absorber mit einem Detektor gleichzeitig nachgewiesen werden.This allows multiple absorbers to be combined with one Detector can be detected at the same time.
Normalerweise sind die 1f- oder 2f-Bänder selbst etwa halb so breit wie die Frequenz f bzw. M2, also z. B. 50 kHz. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, viele Spezies durch gezielt gelegte Frequenzbänder voneinander zu trennen.Usually the 1f or 2f bands are themselves about half as wide as the frequency f or M2, i.e. z. B. 50 kHz. With the method according to the invention is it also possible to separate many species from one another by means of targeted frequency bands.
Anstelle einer Verschiebung der Kammfilter kann auch das Spektrum des Signals verschoben werden, indem bereits bei der Erzeugung bei aufeinander folgenden Modulationsperioden M1 (Scan) die Modulation M2 sukzessive um eine bestimmte Phase verschoben wird.Instead of shifting the comb filter, the spectrum of the signal can also be shifted by the modulation already during generation with successive modulation periods M1 (scan) M2 is successively shifted by a certain phase.
Ein dem Modulationsfrequenz-Multiplexing ähnliches Verfahren ist das Zeitmultiplexing, bei dem die Strahlungsquellen abwechselnd nacheinander eingeschaltet, über die Absorptionslinie gescannt und wieder ausgeschaltet werden. Wegen der schnellen Modulierbarkeit von Diodenlasern kann dieses Umschalten im kHz-Takt und schneller erfolgen, sodass von einer quasi-simultanen Messung gesprochen wird.A similar to modulation frequency multiplexing The method is time division multiplexing, in which the radiation sources alternately switched on one after the other, scanned over the absorption line and be switched off again. Because of the quick modulation of diode lasers can do this switching in kHz clock and faster take place, so that one speaks of a quasi-simultaneous measurement.
In Kombination mit dem Verschieben der Kämme des Kammfilters können auf diese Weise eine große Anzahl von unterschiedlichen Absorbern nachgewiesen werden.In combination with moving the combs of the comb filter can this way a large number can be detected by different absorbers.
Da die Dynamik des 1f- und des 2f-Signals sehr unterschiedlich ist, ist es vorteilhaft, wenn das Transmissionssignal mit Hilfe von mindestens einem separaten Bandpassfilter um die Frequenz M2 und/oder z*M2 gefiltert wird.Because the dynamics of the 1f and 2f signals is very different, it is advantageous if the transmission signal with the help of at least one separate bandpass filter around the frequency M2 and / or z * M2 is filtered.
Die Kalibrierungsfreiheit der direkten Absorptionsspektroskopie wird dadurch genutzt, dass entweder aus den gewonnenen Signalen ein der direkten Absorptionsspektroskopie äquivalentes Signal extrahiert wird oder das erfindungsgemäße Verfahren per Zeitmultiplexing mit der direkten Absorptionsspektroskopie verbunden wird. Es wird dann von Intervall zu Intervall die zusätzliche Modulation mit der Frequenz M2 zu- bzw. abgeschaltet, im schnellen Wechsel, z. B. in jedem zweiten Intervall.The calibration freedom of the direct Absorption spectroscopy is used in that either the signals obtained are equivalent to direct absorption spectroscopy Signal is extracted or the inventive method by time multiplexing is connected with direct absorption spectroscopy. It will then from interval to interval the additional modulation with the Frequency M2 switched on or off, in rapid change, e.g. B. in every other interval.
Jedes zweite Intervall bietet dann die Möglichkeit, die Signale in der üblichen Weise der DA auszuwerten (siehe bspw. [1]). Die anderen Intervalle werden erfindungsgemäß ausgewertet, wobei die Ergebnisse der DA-Auswertung herangezogen werden können, z. B. zur Kalibrierung.Every second interval then offers the possibility, the signals in the usual Way of evaluating the DA (see, for example, [1]). The other intervals are evaluated according to the invention, the results of the DA evaluation can be used, e.g. B. for calibration.
Man erhält dann die Kalibrationsfreiheit der DA und die Genauigkeit der WMS. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren empfindlich und in-situ tauglich.The freedom from calibration is then obtained the DA and the accuracy of the WMS. This is the method according to the invention sensitive and suitable in-situ.
Wird ein Diodenlaser, wie für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nötig, schnell gescannt, hängt die Wellenlänge des Lasers nichtlinear vom Betriebsstrom und damit von der Zeit ab. Dies hängt damit zusammen, dass zwar die Lichtleistung des Diodenlasers dem Betriebsstrom direkt folgt, die Wellenlänge aber nicht. Möchte man eine für das Messprinzip besonders vorteilhafte zeitliche Dreiecksfunktion für die Wellenlänge erreichen, ergeben sich Verzögerungen am Umkehrpunkt.If a diode laser, as for the execution of the inventive method necessary, scanned quickly, hangs the wavelength of the laser is non-linear of the operating current and thus of the time from. This depends on it together that the light output of the diode laser is the operating current follows directly, the wavelength but not. Would like to one for the measuring principle is a particularly advantageous temporal triangular function for reaching the wavelength there are delays at the turning point.
Diese Schwierigkeiten lassen sich vermeiden, wenn der Betriebsstrom des Diodenlasers am Umkehrpunkt in Form einer Sprungfunktion derart geändert wird, dass der Diodenlaser seine Wellenlänge zeitlich mit dem Sprungzeitpunkt beginnend möglichst linear mit der Zeit ändert. Durch den Stromsprung bleibt auch die Leistung des Diodenlasers linear in der Zeit.These difficulties can be overcome avoid when the operating current of the diode laser at the reversal point is changed in the form of a step function such that the diode laser its wavelength changes as linearly as possible with time, starting with the time of the jump. By the current jump, the power of the diode laser remains linear at the time.
Apparativ bietet die Erfindung den Vorteil, dass auf Lock-in-Verstärker vollständig verzichtet werden kann. Sie können ersetzt werden durch Mittel zum Sampeln der Transmission, z. B. durch ein Oszilloskop mit einem integrierten Analog-Digital-Wandler. Die Sampling-Rate beträgt dabei mindestens das Doppelte von M2. Typischerweise wird mit 10*M2 gearbeitet. Das ergibt eine typische Sampling-Rate von 10^6 Sample pro Sekunde.The invention offers the apparatus The advantage that lock-in amplifiers are completely dispensed with can be. You can to be replaced by means for sampling the transmission, e.g. B. through an oscilloscope with an integrated analog-to-digital converter. The sampling rate is thereby at least twice M2. Typically with 10 * M2 worked. This results in a typical sampling rate of 10 ^ 6 samples per second.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Figuren schematisch dargestellt sind. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche Elemente. Im Einzelnen zeigt:The invention is described below of embodiments explained in more detail the are shown schematically in the figures. Same reference numbers in the individual figures denote the same elements. In detail shows:
Ein möglicher Aufbau zur Durchführung des
Verfahrens ist in
Das wellenlängenmodulierte Licht trifft
nach Durchgang durch die Probe auf einen Detektor (
Eine optionale Kombination aus phasenstarr
gekoppeltem lokalen Oszillator (
Ein Analog/Digitalwandler (
Zur Erläuterung der Wirkungsweise dient
Das störungsfrei gedachte Detektorsignal enthält die hochfrequente Modulationsfrequenz M2 und bei Vorhandensein einer Nichtlinearität auf dem Lichtweg (z. B. Absorptionslinie) deren Vielfache n·M2 mit abnehmenden Amplituden.The interference-free detector signal contains the high-frequency modulation frequency M2 and in the presence of one nonlinearity on the light path (e.g. absorption line) whose multiples n · M2 with decreasing amplitudes.
Wird die Lichtquelle zusätzlich über die Modulation M1 (Scan) abgestimmt, werden die verschiedenen Frequenzen durch Änderung der Nichtlinearität amplitudenmoduliert. Im Spektrum treten daher zu jeder harmonischen Frequenz n·M2 Modulationsseitenbänder auf, deren Breiten von der Abstimmgeschwindigkeit und deren Formen vom Profil der Nichtlinearität abhängen. Bei periodisch wiederholter Abstimmung setzen sich diese Modulationsseitenbänder aus diskreten Frequenzen im Abstand der langsamen Modulationsfrequenz M1 zusammen.If the light source is additionally on the Modulation M1 (scan) tuned, the different frequencies by change of non-linearity amplitude modulated. In the spectrum, therefore, join every harmonic Frequency n · M2 Modulation sidebands on, their widths from the tuning speed and their shapes from the profile of non-linearity depend. With periodically repeated tuning, these modulation sidebands expose themselves discrete frequencies at a distance from the slow modulation frequency M1 together.
Wird das Signal in bekannter Weise mit Hilfe eines phasensensitiven Verstärkers detektiert (Lock-In-Verstärker), ist dessen Bandbreite so einzustellen, dass die Modulationsseitenbänder vollständig innerhalb dieses Kanals aufgenommen werden können. Um ein günstiges Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen, müssen diese Detektionsbandbreite und entsprechend die Frequenz der langsamen Modulation M1 sehr klein gewählt werden.Will the signal in a known manner detected with the aid of a phase-sensitive amplifier (lock-in amplifier) adjust its bandwidth so that the modulation sidebands are completely within of this channel can be recorded. To a cheap one Signal-to-noise ratio too have to achieve this detection bandwidth and correspondingly the frequency of the slow ones Modulation M1 selected to be very small become.
Hier liegt der entscheidende Nachteil der Derivativspektroskopie. Während zwar die nicht-multiplikativen Störungen durch Wahl hoher Modulationsfrequenzen für die schnelle Modulation M2 unterdrückt werden können, ergibt sich für die Störungen multiplikativer Art kein Vorteil. Sie gehen völlig unabhängig von der schnellen Modulationsfrequenz M2 in das Signal ein, weil sich das gestörte Spektrum aus der Faltung des ungestörten Spektrums mit dem Spektrum der multiplikativen Störungen ergibt. Zu jeder auftretenden diskreten Frequenz tritt ein zusätzliches, kontinuierliches Störungsseitenband auf. Es ergibt sich ein überlappendes System von Seitenbändern, das das Nutzsignal völlig überdeckt. Innerhalb der Bandbreite des Verstärkers greifen die Störungen direkt auf das Signal durch und können nicht vom Nutzsignal unterschieden werden.This is the crucial disadvantage of derivative spectroscopy. While the non-multiplicative interference by choosing high modulation frequencies for the fast modulation M2 suppressed can be results for the disturbances multiplicative no advantage. They go completely independent of the fast modulation frequency M2 in the signal because the disturbed spectrum arises from the convolution of the undisturbed Spectrum with the spectrum of multiplicative interference results. For each discrete frequency that occurs, an additional, continuous fault sideband on. There is an overlapping Sideband system, that completely covers the useful signal. The interference affects the bandwidth of the amplifier directly through on the signal and can cannot be distinguished from the useful signal.
Wird dagegen die Modulationsfrequenz M1 (Scan) groß gewählt, wird das Seitenband-Spektrum aufgefächert. Die Frequenz M1 kann so groß gewählt werden, dass benachbarte Störungsseitenbänder nicht mehr überlappen. Dadurch wird das Rauschen bei allen diskreten Frequenzen, die dem ungestörten Spektrum zuzuordnen sind, nahezu identisch. Bei der Kammfilterung des Signals treten innerhalb eines "Kammzinkens" kaum hochfrequente Rauschkomponenten von benachbarten Störungsseitenbändern auf. Bei entsprechend langen Mittelungszeiten beeinflussen nur die sehr tieffrequenten Störungen das Signal und wirken über eine Abstimmperiode annähernd wie eine multiplikative Konstante.In contrast, the modulation frequency M1 (scan) is selected large the sideband spectrum fanned out. The frequency M1 can be chosen to be large enough that adjacent fault sidebands no longer overlap. This eliminates the noise at all discrete frequencies that the undisturbed Allocate spectrum, almost identical. Comb filtering of the signal hardly any high-frequency noise components occur within a "comb prong" from adjacent interference sidebands. With correspondingly long averaging times, only the very influence low frequency interference the signal and act over approximately a voting period like a multiplicative constant.
In
Die phasensensitive Demodulation des Signals kann beispielsweise mithilfe der folgenden Prozedur durchgeführt werden. Eine diskrete Fouriertransformation (DFT) liefert die Spektraldarstellung des gemittelten Signals. In dieser Darstellung werden aufgrund der Digitalisierung nur noch zum Kammfilter gehörige, diskrete Frequenzen repräsentiert, so dass die Kammstruktur nicht offensichtlich erscheint.Phase sensitive demodulation For example, the signal can be performed using the following procedure. A discrete Fourier transform (DFT) provides the spectral representation of the averaged signal. In this illustration, due to the Digitization only represents discrete frequencies belonging to the comb filter, so that the comb structure doesn't appear obvious.
Die kompletten Amplituden- und Phaseninformationen des detektierten Signals können mithilfe von Cosinus- und Sinustransformationen gewonnen werden. Es ist mathematisch äquivalent, eine komplexwertige Transformation durchzuführen, wobei die Amplituden der auftretenden negativen Frequenzen verworfen bzw. auf Null gesetzt werden.The complete amplitude and phase information of the detected signal can with the help of cosine and sine transformations. It's mathematically equivalent perform a complex valued transformation, taking the amplitudes the occurring negative frequencies are rejected or set to zero become.
Ein einzelner, modulierter harmonischer Kanal, d. h. ein um eine Frequenz n·M2 zentriertes Frequenzfenster limitierter Breite wird digital isoliert. Die Demodulation selbst erfolgt durch Rücktransformation in den Zeitbereich, nachdem das Spektrum auf solche Weise verschoben wurde, dass die Zentralfrequenz des selektierten harmonischen Kanals Null wird.A single, modulated harmonic channel, ie a frequency centered around a frequency n · M2 window of limited width is digitally isolated. The demodulation itself is carried out by inverse transformation into the time domain after the spectrum has been shifted in such a way that the central frequency of the selected harmonic channel becomes zero.
Die Verschiebung hat den gleichen Effekt wie eine Division des Signals im Zeitbereich durch eine komplexwertige harmonische Funktion, deren Frequenz durch die Zentralfrequenz des Kanals gegeben ist.The shift has the same Effect like dividing the signal in the time domain by a complex value harmonic function whose frequency is determined by the central frequency of the Channel is given.
Das Ergebnis der mathematischen Prozedur liefert die zeitliche Entwicklung des modulierten Kanals nach Betrag und Phase. Das extrahierte Signal unterscheidet sich im Idealfall nur durch einen konstanten Faktor vom ungestörten Signal, der die mittlere Transmission während des Mittelungszeitraums wiedergibt.The result of the mathematical procedure provides the temporal development of the modulated channel by amount and phase. The extracted signal ideally differs only by a constant factor from the undisturbed signal that the middle Transmission during of the averaging period.
Die weitere Auswertung des Signals wird im Folgenden dargestellt.The further evaluation of the signal is shown below.
Die Eigenschaften des durchstrahlten Mediums lassen sich durch eine Wellenlängen- bzw. wellenzahlabhängige Übertragungsfunktion darstellen. Wird die Wellenlänge oder Wellenzahl sinusförmig moduliert, lässt sich das Ergebnis nach den binomischen Formeln in folgender, bekannter Weise schreiben: Hierbei bezeichnet g"(ν) die Übertragungsfunktion und ihre Ableitungen n-ter Ordnung, ν ist der Mittelwert des Arguments und A und ω beschreiben die Modulationsamplitude und -frequenz der Modulation M2.The properties of the irradiated medium can be represented by a transmission function that is dependent on the wavelength or the number of waves. If the wavelength or wavenumber is modulated sinusoidally, the result can be written according to the binomial formulas in the following, known manner: Here g "(ν) denotes the transfer function and its derivatives of the nth order, ν is the mean value of the argument and A and ω describe the modulation amplitude and frequency of the modulation M2.
Die Summation lässt sich nach den auftretenden harmonischen Termen umsortieren: Im Falle kleiner Modulationsamplituden, sind die Funktionen Hn proportional zur n-ten Ableitung der Übertragungsfunktion.The summation can be sorted according to the harmonic terms that occur: In the case of small modulation amplitudes, the functions H n are proportional to the nth derivative of the transfer function.
Unter Vernachlässigung additiver Störungen ergibt sich das zeitabhängige, detektierte Signal als Produkt aus emittierter Lichtleistung und der Übertragungsfunktion des durchstrahlten Mediums. Letztere lässt sich in zwei Faktoren für wellenlängenabhängige und multiplikativ eingehende Störeigenschaften zerlegen. Erfolgt die Modulation der Lichtquelle beispielsweise über den Betriebsstrom, ergeben sich folgende Gleichungen: Hier stellt I(t) das Modulationssignal dar, im speziellen Beispiel den Betriebsstrom. Î ist die Amplitude der Modulation M2, kν ist der dynamische Abstimmkoeffizient der Wellenlänge oder Wellenzahl ν der Lichtquelle und φ beschreibt die Phasenverschiebung der Wellenlängenabstimmung gegenüber der Modulation M2.Neglecting additive disturbances, the time-dependent, detected signal is the product of the emitted light output and the transfer function of the irradiated medium. The latter can be broken down into two factors for wavelength-dependent and multiplicative interference properties. If the light source is modulated, for example, via the operating current, the following equations result: Here I (t) represents the modulation signal, in the specific example the operating current. Î is the amplitude of the modulation M2, k ν is the dynamic tuning coefficient of the wavelength or wavenumber ν of the light source and φ describes the phase shift of the wavelength tuning compared to the modulation M2.
Wird vereinfachend angenommen, dass eine eventuelle Modulation der Ausgangsleistung dem Modulationssignal instantan folgt und eine lineare Abhängigkeit mit der Steigung kp gilt, ergibt sich für das vollständig rauschbefreite Signal: Diese Gleichung lässt sich wiederum nach harmonischen Termen sortieren: Die verschiedenen Summanden beschreiben die verschiedenen harmonischen Kanäle. Bei genügend kleinen Modulationsamplituden für die Modulation M2 ist die letzte Summe vernachlässigbar. Nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich der Term für die multiplikativen Störungen Tr(t) durch eine Konstante Tr ersetzen. Ist die Phasenverschiebung φ bekannt, oder wird sie aus den Signalen ermittelt, können die übrigen Summanden durch Auswertung der gewonnenen Signale zugeordnet und zur Bestimmung der gesuchten Absorption benutzt werden. Hierbei ist insbesondere zu bemerken, dass bei vorhandener Modulation der Ausgangsleistung der Lichtquelle der Faktor Tr aus den Ergebnissen der harmonischen Kanäle n=1 und n=2 eindeutig bestimmbar ist. Des Weiteren enthalten die Kanäle n=0 und n=1 bei kleinen Amplituden der Modulation M2 jeweils ein zur direkten Absorptionsspektroskopie äquivalentes Signal, da in dem Fall der H0-Term die Übertragungsfunktion g widerspiegelt.It is assumed for simplification that a possible modulation of the output power is the mod lation signal follows instantaneously and a linear dependency with the slope kp applies for the completely noise-free signal: This equation can be sorted according to harmonic terms: The different summands describe the different harmonic channels. If the modulation amplitudes are sufficiently small for the modulation M2, the last sum is negligible. After applying the method according to the invention, the term for the multiplicative disturbances Tr (t) can be replaced by a constant Tr. If the phase shift φ is known, or if it is determined from the signals, the remaining summands can be assigned by evaluating the signals obtained and used to determine the absorption sought. It should be noted here in particular that if the output power of the light source is modulated, the factor Tr can be clearly determined from the results of the harmonic channels n = 1 and n = 2. Furthermore, the channels n = 0 and n = 1 each contain a signal equivalent to direct absorption spectroscopy at small amplitudes of the modulation M2, since in the case the H0 term reflects the transfer function g.
Um die Signalanteile korrekt trennen
zu können,
wird die folgende Transformation auf den Real- und Imaginärteil angewandt: Die Winkel α1 =
6.2° und β1 = –26.9° sind für das in
den
Die Phasen der beiden Hauptkomponenten des 2ω-Signals – eine andere Bezeichnung für das 2f-Signal – werden dadurch identifiziert, dass die Differenz zwischen dem Signal bei der Linienmitte (Maximalwert) und dem Mittelwert berechnet wird. Das Ergebnis liefert den Winkel α2 = 156.7°. Der Winkel β2 ist gegeben durch α2–φ = 123.6°. Im Prinzip müsste α2 gleich β1 sein. Für das 2ω-Signal weicht jedoch die durch die Elektronik bewirkte Gesamtphasenverschiebung von derjenigen des 1ω-Signals ab. Der Mittelwert des Signals ist nicht Null, da es eine leichte allgegenwärtige Nichtlinearität in der Ausgangsleistungsmodulation des Diodenlasers gibt.The phases of the two main components of the 2ω signal - another name for the 2f signal - are identified by calculating the difference between the signal at the center of the line (maximum value) and the mean value. The result gives the angle α 2 = 156.7 °. The angle β 2 is given by α 2 –φ = 123.6 °. In principle, α 2 should be equal to β 1 . For the 2ω signal, however, the overall phase shift caused by the electronics deviates from that of the 1ω signal. The mean of the signal is not zero because there is a slight ubiquitous non-linearity in the output power modulation of the diode laser.
Die
Die Kalibrierfreiheit der direkten Absorptionsspektroskopie ist unter Einsatz der folgenden Methode gewährleistet. Sowohl der Transmissionsgrad als auch der Anteil des Hintergrundlichts lassen sich aus der Höhe einer Modulationsperiode bestimmen, wenn beide über dieses Zeitintervall als konstant angesehen werden können und die Form der Modulation bei abwesender spezifischer Absorption bekannt ist. Die einfachste Vorgehensweise ist, Maximum und Minimum des detektierten Signals während einer Modulationsperiode zu bestimmen und durch Skalierung mit den Extrema der Lasermodulationsfunktion die detektierbare Lichtleistung an der Laserschwelle zu bestimmen. Der berechnete Wert gibt die Hintergrundleistung wieder.The calibration freedom of the direct Absorption spectroscopy is guaranteed using the following method. Both the degree of transmission and the proportion of the background light can be from the height of a modulation period if both over this time interval as can be viewed constantly and the form of the modulation in the absence of specific absorption is known. The simplest procedure is maximum and minimum of the detected signal during a modulation period and by scaling with the Extremely the laser modulation function the detectable light output to determine at the laser threshold. The calculated value gives the Background performance again.
Die Zeitabhängigkeit des Laserbetriebsstroms
wird durch den mittleren Strom I0, die Modulationsamplitude ΔI und eine
beliebige amplitudennormierte Modulationsfunktion f(t) beschrieben:
Mit dem als konstant angenommenen
Transmissionsgrad Tr und dem ebenfalls konstanten Hintergrund (Falschlicht)
E gilt für
die detektierte Leistung:
Der Hintergrundanteil lässt sich aus einer einfachen Proportionalität ableiten. Der Proportionalitätsfaktor (im Folgenden Modulationsparameter) kann leicht bestimmt werden. Diese Methode lässt sich problemlos einsetzen, wenn die Leistungskennlinie des Lasers und die Übertragungsfunktion der optischen Elemente linear sind. Die Extrema können dann zur Auswertung herangezogen werden, wenn sie unbeeinflusst von variablen, spezifischen Absorptionen durch die Probe sind.The background portion can be derive from a simple proportionality. The proportionality factor (hereinafter modulation parameter) can be easily determined. This method leaves can be used without any problems if the performance characteristic of the laser and the transfer function of the optical elements are linear. The extremes can then be used for evaluation if they are unaffected by variable, specific absorptions by the sample.
Treten durch die hohe Modulationsfrequenz
M1 Verzerrungen der Signale auf, die auf dem nicht-linearen Abstimmverhalten
der Lichtquelle beruhen, und lässt
sich dieses auf einen Relaxationsprozess zurückführen, können die Verzerrungen vermieden
werden, indem an den Umkehrpunkten der Modulationsfunktion M1 ein
gegenphasiger Sprung geeigneter Höhe eingefügt wird, d. h. die Addition
einer weiteren rechteckförmigen
Modulation M3. Auf diese Weise kann eine stückweise lineare Abstimmung
erreicht werden, wobei eine evtl. vorhandene Modulation der Ausgangsleistung
ebenfalls stückweise
linear bleibt.
Die Höhe des Sprunges ΔI ist dabei wie folgt zu wählen: wobei App die Spitze-zu-Spitze-Amplitude (Peak-Peak) der rein dreiecksförmigen Modulation bezeichnet. Die Relaxationszeit ist mit τ bezeichnet, und T½ gibt die halbe Modulationsperiode wieder.The height of the jump ΔI is to be selected as follows: where App denotes the peak-to-peak amplitude (peak-peak) of the purely triangular modulation. The relaxation time is denoted by τ and T ½ represents half the modulation period.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele verwirklichbar.There are numerous within the scope of the invention Modifications and developments of the described exemplary embodiments realizable.
So können Teile der digitalen Filterung durch analoge Kamm- oder Bandfilter ersetzt werden. Die Demodulation der Signale kann analog erfolgen. Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses können die Signalwege vielfach parallel verwendet werden und jeder Weg einem oder mehreren harmonischen Kanälen zugeordnet werden.So parts of digital filtering through analog comb or Band filter to be replaced. The demodulation of the signals can be analog respectively. To improve the signal-to-noise ratio can the signal paths are often used in parallel and each path assigned to one or more harmonic channels.
Die Vorteile des Verfahrens bestehen darin, dass erstens die bekannten Vorteile der Derivativspektroskopie genutzt werden können. Hierzu zählen die hohe Sensitivität durch Unterdrückung additiver Störsignalanteile (z. B. Rauschen der Lichtquelle, Detektorrauschen, elektronisches Rauschen, Hintergrundlicht und elektromagnetische Störstrahlung) und die selektive Verstärkung des eigentlichen Nutzsignals (Stärke der Absorption) gegenüber dem unvermeidlichen Begleitsignal durch nicht absorbierte Strahlung von der verwendeten Lichtquelle. Dies wird durch eine geringe effektive Detektionsbandbreite erreicht, die dabei im Bereich hoher Frequenzen liegt. Zweitens kann der entscheidende Vorteil der direkten Absorptionsspektroskopie genutzt werden, der darin besteht, dass sich durch Einsatz hoher Modulationsfrequenzen M1 (Scan) die effektive Bandbreite multiplikativ eingehender Störungen drastisch reduzieren lässt und sich dann die detektierten Signale von den ungestörten Signalen nur durch einen multiplikativen, nahezu konstanten Faktor unterscheiden. Dieser Faktor kann außerdem durch Auswertung des ersten harmonischen Kanals (1f-Kanal) ermittelt werden und zur Korrektur anderer Kanäle herangezogen werden.The advantages of the procedure exist in that firstly the known advantages of derivative spectroscopy can be used. Which includes the high sensitivity through oppression additive interference signal components (e.g. noise from the light source, detector noise, electronic Noise, background light and electromagnetic interference) and selective amplification the actual useful signal (strength absorption) the inevitable accompanying signal from non-absorbed radiation from the light source used. This is effective through a low Detection bandwidth reached, which in the range of high frequencies lies. Second, the decisive advantage of direct absorption spectroscopy be used, which consists in the fact that by using high Modulation frequencies M1 (scan) multiply the effective bandwidth incoming disturbances can be drastically reduced and then the detected signals from the undisturbed signals distinguish only by a multiplicative, almost constant factor. This Factor can also determined by evaluating the first harmonic channel (1f channel) and used to correct other channels.
Drittens lässt sich das Verfahren durch Zeitmultiplexing mit der Methode der direkten Absorptionsspektroskopie verbinden: Werden aufeinander folgende Perioden der Modulation M1 (Scan) wechselweise mit und ohne zusätzliche, hochfrequente Modulation M2 erzeugt, und werden die detektierten Signalzyklen ebenfalls wechselweise zwei getrennt durchgeführten Mittelungen zugeführt, so können die Signale parallel ausgewertet werden. Damit wird ein quasi-simultaner Betrieb beider Methoden erreicht. Auf diese Weise kann nicht nur die hohe Sensitivität der Derivativspektroskopie, sondern gleichzeitig die Kalibrationsfreiheit der direkten Absorptionsspektroskopie genutzt werden.Third, the procedure can be followed Time division multiplexing with the method of direct absorption spectroscopy connect: Will successive periods of modulation M1 (Scan) alternately with and without additional, high-frequency modulation M2 generated, and the detected signal cycles are also alternating two carried out separately Averages fed, so can the signals are evaluated in parallel. It becomes quasi-simultaneous Operation of both methods achieved. That way, not only the high sensitivity of derivative spectroscopy, but at the same time freedom from calibration direct absorption spectroscopy.
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Date | Code | Title | Description |
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Effective date: 20120301 |