CN104136897A - 用于测量测量气体中的气体成分浓度的方法和激光光谱仪 - Google Patents

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Abstract

为了测量测量气体中的气体成分的浓度，在辐照测量气体和参考气体之后探测可调谐波长的激光二极管的光的强度，并且根据由在气体成分的所选择的吸收曲线的位置(iabs，λabs)上的光吸收引起的光强度的降低来确定气体成分的浓度，其中气体成分的吸收曲线的位置(iabs，λabs)用参考气体的所选择的吸收曲线作为参考。在根据本发明的方法中或在根据本发明的激光光谱仪中，进行由要测量的气体成分的快速的浓度变化的实际的测量(周期的微扫描17’)和用于波长参考的、线锁和标准化的短的参考/标准化阶段(18’，19’，20’)组成的混合运行。实际的测量的持续时间确定为：保持测量条件恒定并且在参考/标准化阶段期间测量条件不发射偏差。

Description

用于测量测量气体中的气体成分浓度的方法和激光光谱仪
背景技术
激光光谱仪尤其用于在过程测量技术中光学地进行气体分析。在此，激光二极管产生红外范围中的光，所述光被引导穿过要测量的过程气体(测量气体)并且随后被检测。光的波长协调于相应要测量的其他成分的具体的吸收曲线，其中激光二极管周期地扫描吸收曲线。为此，激光二极管周期地用斜坡形的或三角形的(上升的和下降的斜坡)的电流信号来驱控。从在吸收曲线的位置上探测的吸收中能够确定感兴趣的气体成分的浓度。
因为所产生的光的波长和强度不是激光二极管的运行温度和注入电流的非线性的函数，所以在许多情况中需要波长参考。为此，在光路中附加地将参考气体以已知的浓度引入并且测量参考气体的吸收曲线。激光二极管的温度然后能够经由参考气体的吸收曲线的位置来调节，使得要测量的其他成分的吸收曲线总是位于电流信号的斜坡的特定的位置上。在此，电流斜坡必须是足够大的，因此，激光二极管的从中得出的扫描区域包括要测量的气体成分还有参考气体的吸收区域。
在辐照测量和参考气体时，除通过红外活性的气体成分引起的波长相关的吸收之外，也发生由光学器件(例如窗口)或气溶胶(例如烟微粒)引起的不取决于波长的吸收。这需要对测量进行标准化。为此，激光二极管规律地用至少一个刷电流信号来驱控，所述刷电流信号的振幅位于斜坡状的或三角形的电流信号的数值范围之外，使得光的用刷电流信号产生的波长位于要测量的且另外的红外活性的气体成分的吸收曲线的波长范围之外。这使下述内容是可行的：将在要测量的吸收曲线的位置上检测的光强度除以在刷电流信号的位置处检测的光强度来标准化(EP 2 072 979A1)。
如上面阐述，在当前的激光光谱仪中扫描下述波长范围，所述波长范围包括要测量的气体成分的吸收曲线和波长参考的吸收曲线。附加地，需要用于测量的标准化的时间窗口。因此，每个扫描周期与检测各个吸收曲线所需要的相比需要显著更多的时间。由此，在快速变化的气体浓度中限制测量的时间分辨率。
发明内容
因此，本发明基于下述目的：在对测量气体中的气体成分的浓度进行激光光谱方式的确定时提高测量速度。
根据本发明，所述目的通过权利要求1中说明的方法和权利要求3中说明的激光光谱仪来实现，在从属权利要求中说明其有利的改进形式。
因此，本发明的对象是一种用于测量测量气体中的气体成分的浓度的方法，所述方法通过下述方式进行：在辐照测量气体和参考气体之后检测能调谐波长的激光二极管的光的强度，并且根据由于在气体成分的所选择的吸收曲线的位置上的光吸收引起的光强度的降低来确定气体成分的浓度，其中气体成分的吸收曲线的位置利用参考气体的所选择的吸收曲线作为参考，并且其中
-激光二极管周期地利用第一上升的和/或下降的电流信号来驱控，以便根据波长在下述扫描范围中扫描气体成分的吸收曲线，扫描区域位于参考气体的吸收曲线之外并且限制在气体成分的吸收曲线的紧邻的附近，
-激光二极管规律地力用第二上升的和/或下降的电流信号来驱控，以便根据波长在下述扫描范围中扫描参考气体的吸收曲线，扫描区域要么包含参考气体和气体成分的这两个吸收曲线，要么位于气体成分的吸收曲线之外并且限制在参考气体的吸收曲线的紧邻的附近，
-激光二极管规律地利用至少一个具有位于第一和第二电流信号的数值范围之外的振幅的刷电流信号来驱控，以便利用在至少一个刷电流信号的位置处检测的强度对在吸收曲线的位置处检测的光强度进行标准化，并且
-依次地产生第一电流信号、第二电流信号和刷电流信号，使得单个或一些直接依次产生的第二电流信号和刷电流信号与多个直接依次产生的第一电流信号交替。
本发明的对象还是用于测量测量气体中的气体成分的浓度的激光光谱仪，
-具有能协调波长的激光二极管，激光二极管的光在辐照测量气体和参考气体之后射到具有下游布置的评估装置的探测器上，在评估装置中在气体成分的所选择的吸收曲线的位置上根据由于光的吸收引起的光强度的降低来确定气体成分的浓度，其中气体成分的吸收曲线的位置根据参考气体的吸收曲线来参考，
-具有第一信号发生器，用于利用第一上升的和/或下降的电流信号周期地驱控激光二极管，以便根据波长在下述扫描范围中扫描气体成分的吸收曲线，扫描区域位于参考气体的吸收曲线之外并且限制在气体成分的吸收曲线的紧邻的附近，
-具有第二信号发生器，用于利用第二上升的和/或下降的电流信号规律地驱控激光二极管，以便根据波长在下述扫描范围中扫描参考气体的吸收曲线，扫描区域要么包含参考气体和气体成分的这两个吸收曲线，要么位于气体成分的吸收曲线之外并且限制在参考气体的吸收曲线的紧邻的附近，
-具有第三信号发生器，用于利用至少一个具有位于第一和第二电流信号的数值范围之外的振幅的刷电流信号来规律地驱控激光二极管，以便用在至少一个刷电流信号的位置处检测的强度对在吸收曲线的位置处检测的光强度进行标准化，并且
-具有控制信号发生器的时间发生器，使得依次地产生第一电流信号、第二电流信号和刷电流信号，其中单个或一些直接依次产生的第二电流信号和刷电流信号与多个直接依次产生的第一电流信号交替。
借助于根据本发明的方法或者在根据本发明的激光光谱仪中进行由要测量的气体成分的快速的浓度变化的实际的测量(周期的微扫描)和用于波长参考的、线锁和标准化的端的参考/标准化阶段组成的混合运行。连续的测量的持续时间确定为，使得测量条件保持恒定并且在参考/标准化阶段期间该测量条件不偏差。这主要与透射条件以及温度和压强相关。
附图说明
下面，参考附图根据实施例详细阐述本发明；详细地示出：
图1示出用于具有激光二极管的根据本发明的光谱仪的一个实例的示意图和
图2至6示出用于激光二极管的驱控的不同的实例。
具体实施方式
图1示出用于测量测量气体1的至少一种感兴趣的气体成分的的浓度的激光光谱仪，所述测量气体包含在测量体积2、例如测量玻璃器皿或者过程气体管道中。光谱仪包含激光二极管3，所述激光二极管的光4穿过测量气体1和设置在下游的用参考气体5填充的参考气体玻璃器皿6射到具有设置在下游的评估装置8的探测器7上以提供测量结果9。激光二极管3由可控制的电流源10用注入电流i来驱控，其中所产生的光4的波长λ和强度I与激光二极管3的运行温度和电流i相关。注入电流i以不同的电流信号的形式产生。为此，电流源10经由不同的信号发生器12、13、14、15、16的加法器11来驱控，由所述加信号发生器中的第一信号发生器产生第一斜坡或三角形的信号17，由第二信号发生器13产生第二斜坡或三角形的信号18，由第三信号发生器14产生第一刷信号19，由第四信号发生器15产生第二刷信号20并且由第五信号发生器16产生正弦信号21。数字/模拟转换器22产生偏压信号23，电流源10根据所述偏压信号产生激光二极管3的偏压电流。信号发生器12、13、14、15、16由时间发生器24根据表格25来控制，在所述表格中确定：信号发生器12、13、14、15、16中的哪个何时且如何频繁地直接依次产生相关的信号17、18、19、20或21，即以何种数量的周期来产生。斜坡或三角形的信号17、18和刷信号19、20的产生交替地进行，即不是同时地进行，而正弦信号21能够仅连同相应的斜坡或三角形的信号17、18一起产生。表格25是可编程的，并且如所示出的那样能够在激光光谱仪的计数器24或者例如设置在上游的控制装置26来执行。
激光二极管3的驱控在本发明的范围内能够不同地实现。因此，例如能够通过由时间发生器24控制的开关装置(多路复用器)来取代加法器11，所述开关装置根据表格25将信号17、18、19、20转换成信号序列进而驱控电流源10。信号17、18也能够具有另外的上升的和/或下降的信号变化，例如正弦变化。
图2示出用于利用注入电流i驱控激光二极管3的第一实例。在其时间变化中，注入电流i由不同的电流信号17’、18’、19’、20’、21’构成，所述电流信号从借助信号17、18、19、20、21驱控电流源10中得出。所产生的光4的波长λ或多或少线性地紧随电流i的变化。要测量的气体成分的吸收曲线位于位置iabs或λabs处并且参考气体的吸收曲线位于位置iref或λref处。
借助第一斜坡或三角形的电流信号17’在下述扫描范围中扫描气体成分的吸收曲线，所述扫描区域位于参考气体5的吸收曲线之外并且限制于气体成分的吸收曲线的紧邻的附近。在此，在例如一分钟的更长的时间期间以多个直接依次紧随的扫描周期进行扫描。周期持续时间由于电流信号17’的相对小的振幅而相应地是短的，使得气体成分的吸收曲线的测量也能够跟随要测量的气体成分的快速的浓度变化。
规律地、在此例如以分钟间隔由参考气体5的吸收曲线的测量来中断气体成分的吸收曲线的扫描。为此，用第二斜坡或三角形的信号电流18’来驱控激光二极管3，所述信号的振幅在图2中示出的实例中大至使得所得到的扫描范围包含气体成分和参考气体5的这两个吸收曲线。第二信号电流18’仅对于秒范围中的短的持续时间或者在其下针对几个或极其少的周期来产生。
在第二电流信号18’之前和/或之后产生用于将测量标准化的刷电流信号19’或20’。
为了提高测量精度，能够以已知的方式用频率f的正弦信号电流21’调制斜坡或三角形的电流信号17’和18’。由于吸收曲线非线性，从频率f的注入电流I的调制中得到具有更强或不那么强的谐波畸变的所检测的光强度I的相应的变化。在吸收曲线的中央中的极值位置(吸收最大值)处，具有频率2f的第一谐波占主导，而在吸收最大值之外的波长范围中第一谐波的组分的强度I强烈下降。在吸收最大值的位置处出现的吸收因此能够极其精确地且无干扰地通过评估2f信号组分来在评估装置8中测定。
图3至6示出用于驱控激光二极管3的另外的实施例，其中的人电流信号18’和/或刷电流信号19’、20’或者进刷电流信号以不同的顺序产生。第二电流信号18’能够斜坡形(图4和6)代替三角形地产生和/或小的、将扫描限制于参考气体5的吸收曲线的紧邻的附近的振幅(图3)产生，以便将感兴趣的气体成分的吸收曲线的快速的周期的扫描保持得尽可能短。斜坡形的信号形状当然也对于第一电流信号17’而言是可行的。
根据本发明的方法适合于全部带宽(UV、VIS、IR)的光谱仪。

Claims (5)

1.一种用于测量测量气体(1)中的气体成分的浓度的方法，其中：在辐照所述测量气体(1)和参考气体(5)之后探测能调谐波长的激光二极管(3)的光(4)的强度(I)，并且根据由于在所述气体成分的所选择的吸收曲线的位置(iabs，λabs)上的所述光(4)的吸收造成的光强度(I)的降低来确定所述气体成分的所述浓度，其中所述气体成分的所述吸收曲线的所述位置(iabs，λabs)用所述参考气体的所选择的吸收曲线作为参考，并且其中
-所述激光二极管(3)周期地利用第一上升的和/或下降的电流信号(17’)来驱控，以便根据波长地在扫描范围中扫描所述气体成分的所述吸收曲线，所述扫描区域位于所述参考气体(5)的所述吸收曲线之外并且限制在所述气体成分的所述吸收曲线的紧邻的附近，
-所述激光二极管(3)规律地利用第二上升的和/或下降的电流信号(18’)来驱控，以便根据波长地在扫描范围中扫描所述参考气体(5)的所述吸收曲线，所述扫描区域要么包含所述气体成分和所述参考气体(5)的这两个吸收曲线，要么位于所述气体成分的所述吸收曲线之外并且限制在所述参考气体(5)的所述吸收曲线的紧邻的附近，
-所述激光二极管(3)规律地利用具有位于所述第一电流信号和所述第二电流信号(17’，18’)的数值范围之外的振幅的至少一个刷电流信号(19’，20’)来驱控，以便利用在至少一个所述刷电流信号(19’，20’)的位置处探测的强度(I)对在所述吸收曲线的所述位置(iabs，λabs)处探测的所述光强度(I)进行标准化，并且
-依次地产生所述第一电流信号(17’)，所述第二电流信号(18’)和所述刷电流信号(19’，20’)，使得单个或一些直接依次产生的所述第二电流信号(18’)和所述刷电流信号(19’，20’)与多个直接依次产生的所述第一电流信号(17’)交替。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一电流信号(17’)、所述第二电流信号(18’)和所述刷电流信号(19’，20’)的产生通过时间发生器(24)根据表格(25)来控制，在所述表格中存储要产生的信号(17’，18’，19’，20’)的数量和顺序。
3.一种用于测量测量气体(1)中的气体成分的浓度的激光光谱仪，
-具有能协调波长的激光二极管(3)，所述激光二极管的光在辐照所述测量气体(1)和参考气体(5)之后射到具有下游布置的评估装置(8)的探测器(6)上，在所述评估装置中，根据由于在所述气体成分的所选择的吸收曲线的位置(iabs，λabs)上的所述光(4)的吸收引起的光强度(I)的降低来确定所述气体成分的所述浓度，其中所述气体成分的所述吸收曲线的所述位置(iabs，λabs)用所述参考气体(5)的吸收曲线作为参考，
-具有第一信号发生器(12)，用于利用第一上升的和/或下降的电流信号(17’)周期地驱控所述激光二极管(3)，以便根据波长在扫描范围中扫描所述气体成分的所述吸收曲线，所述扫描区域位于所述参考气体(5)的所述吸收曲线之外并且限制在所述气体成分的所述吸收曲线的紧邻的附近，
-具有第二信号发生器(13)，用于利用第二上升的和/或下降的电流信号(18’)规律地驱控所述激光二极管(3)，以便根据波长在扫描范围中扫描所述参考气体(5)的所述吸收曲线，所述扫描区域要么包含所述参考气体(5)和所述气体成分的这两个吸收曲线或者位于所述气体成分的所述吸收曲线之外并且限制在所述参考气体(5)的所述吸收曲线的紧邻的附近，
-具有第三信号发生器(14，15)，用于利用具有位于所述第一电流信号和第二电流信号(17’，18’)的数值范围之外的振幅的至少一个刷电流信号(19’，20’)规律地驱控所述激光二极管(3)，以便利用在至少一个所述刷电流信号(19’，20’)的位置处探测的强度(I)对在所述吸收曲线的所述位置(iabs，λabs)处检测的所述光强度(I)进行标准化，并且
-具有控制所述信号发生器(12，13，14，15)的时间发生器(24)，使得依次地产生所述第一电流信号(17’)、所述第二电流信号(18’)和所述刷电流信号(19’，20’)，其中单个或一些直接依次产生的所述第二电流信号(18’)和所述刷电流信号(19’，20’)与多个直接依次产生的所述第一电流信号(17’)交替。
4.根据权利要求3所述的激光光谱仪，其特征在于，所述时间发生器(24)访问表格(25)，在所述表格中存储要产生的所述第一电路信号和所述第二电路信号(17’，18’)和所述刷电流信号(19’，20’)的数量和顺序。
5.根据权利要求4所述的激光光谱仪，其特征在于，所述表格(25)是能够被编程的。
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