CN107110773B - 吸收光谱分析仪 - Google Patents

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Abstract

在吸收光谱分析仪中，可调谐波长的光源的光的波长周期地在气体成分的感兴趣的吸收线上根据预设的时间函数(11)被改变并且同时以高的频率f和小的幅度正弦形地被调制，其中吸收光谱分析仪对测量气体中的气体成分的浓度进行测量并且在此根据波长调制光谱学的方法工作。检测器的测量信号在频率f和/或其谐波nf中相位敏感地被解调，并且随后继续评估。为了与所产生的光线的调制相位同步地进行测量信号的解调，在每个周期中或在每第n个周期中在时间函数(11)开始之前的时间区间(19)中利用频率f开始调制，并且利用与在时间函数(11)期间相比更高的幅度执行。设置用于相位敏感地解调的部件在时间区间(19)期间根据包含在测量信号(20)中的频率f同步。因此，不再需要用于传递同步信号的线缆。

Description

吸收光谱分析仪
技术领域
本发明涉及一种用于基于波长调制光谱学的方法(WMS)对测量气体中的气体成分的浓度进行测量的吸收光谱分析仪，其具有
-能调谐波长的光源，
-调制装置，所述调制装置周期地在气体成分的感兴趣的吸收线之上根据预设的时间函数改变能调谐的光源的光线的波长，并且同时以高的频率和小的幅度正弦形地调制能调谐的光源的光线的波长，
-检测器，检测器检测光线在透射测量气体之后的强度，和
-评估装置，评估装置包含部件，该部件用于在频率和/或其谐波中相位敏感地解调由检测器产生的测量信号。
背景技术
这种吸收光谱分析仪例如从DE 10 2013 201 459A1中已知。
在所谓的直插式测量(In-line)或原位测量中，例如在加工工业或能源经济中，通常由引导测量气体的气体管道、例如管、烟囱等形成测量体积3。光源和检测器此时设置在加工设施的不同的部位处，由此将光谱分析仪划分成两个子设备，即具有光源的发射器和包含检测器的接收器。这些子设备经由专用的耦联线路彼此连接，以便子设备能够作为整体设备工作。特别地，经由耦联线路传递系统节拍，以便在发射器和接收器之间执行同步，使得由检测器产生的测量信号能够相对于其调制相位敏感地被解调。
设置和布设这种耦联线路、尤其在工业环境中设置和布设这种耦联线路导致相应的成本耗费。
发明内容
因此，本发明所基于的目的是：降低吸收光谱分析仪中的、尤其原位吸收光谱分析仪中的设备技术和安装技术方面的耗费。
根据本发明，所述目的通过如下方式实现：在前文所述类型的吸收光谱分析仪中
-调制装置还构造用于：在每个周期中或在每个第n个周期中在时间函数开始之前的时间区间中利用频率开始调制，并且利用与在时间函数期间相比更高的幅度执行调制，并且
-评估装置构造用于，在时间区间期间根据包含在测量信号中的频率对用于相位敏感地解调的部件进行同步。
发射器和接收器之间的同步因此有利地通过在时间函数开始之前的时间区间中进行的、对光线的正弦形调制来实现，其中，该时间函数用于波长相关地扫描吸收线。在此，调制幅度相对高，使得实现足够高的信噪间距，以便也在不利的传输条件下，例如由于测量气体中的气溶胶引起的不利传输条件下确保可靠的同步。如下面进一步详细阐述的那样，与此不同的是，对感兴趣的测量气体成分的吸收线的扫描需要叠加的正弦形调制的相对小的幅度，以便获得最佳的测量结果。
用于相位敏感地解调测量信号的部件的同步优选通过具有可控的正弦振荡器的锁相环路的输出信号来进行。测量信号经由可控的开关输送给锁相环路的输入端，开关在该时间区间期间为了执行同步而被闭合，使得利用正弦形调制的包含在测量信号中的频率相位准确地调节正弦振荡器。正弦振荡器经由保持件获得其控制信号，使得中断调节并且正弦振荡器以最后调节的频率自由地继续振荡，保持件在时间区间之外被激活。
用于相位敏感地解调测量信号的部件的同步的开始时间点能够从测量信号的走向中确定。因此，例如能够通过对测量信号进行带通滤波和随后通过监控带通滤波过的测量信号是否超过阈值来检测，何时利用更高幅度进行正弦调节。优选地，对于时间函数是斜坡形的或在每个周期的开始和/或结束时借助猝发信号来驱控能调谐波长的光源的情况而言，在测量信号中检测下降的斜坡边沿或猝发信号，以便在随后的预设的时间之后执行同步。在此，自运行(freilaufend)的计数器在达到预设的计数器读数时预设同步的时间点，其中计数器在每次检测到下降的斜坡边沿或猝发信号时重置。
为了能够可靠地检测测量信号相中的下降的斜坡边沿或猝发信号，有利地事先差分测量信号，使得斜坡信号的陡峭边沿或猝发信号的边沿显示为良好分辨的峰值。通过对峰值计数能够尤其可靠地确定猝发信号的开始和结束。
附图说明
此外，参考附图的视图根据实施例阐述本发明；详细地示出
图1示出根据本发明的吸收光谱分析仪的一个实施例的示意图，
图2示出用于在驱控周期期间驱控能调谐波长的光源的电流的走向的实例，
图3示出用于将用于相位敏感地解调的部件进行同步的同步装置的一个实例，和
图4示出检测器的差分的测量信号的一个实例。
具体实施方式
图1示出吸收光谱分析仪，其具有激光二极管形式的能调谐波长的光源1，光源的光线2以光束的形式穿过测量体积3引导至检测器4，检测器检测光强度。测量体积3能够为测量单元，测量单元包含测量气体5，在测量气体中应测量至少一个感兴趣的气体成分的浓度。在原位测量的情况下，测量体积3能够由过程气体管道、例如管或腔管构成，测量气体5流动经过过程气体管道。激光二极管1和检测器4此时通常布置在两个不同的测量罐中，测量罐在对角线相对置的部位处借助于法兰连接安装在过程气体管道上，并且其将光线穿过窗口导入到过程气体管道中或者从过程气体管道中接收光线。
激光二极管1由可控制的电流源6借助注入电流i来驱控，其中所产生的光线2的强度和波长与激光二极管1的电流i和运行温度相关。电流源6由调制装置7驱控，调制装置包含第一信号发生器8、第二信号发生器9和第三信号发生器10。第一信号发生器8周期地产生预设的、优选斜坡形的时间函数11，以便借助相应调制的光线2波长相关地扫描测量气体5的感兴趣的气体成分的所选择的吸收线。第二信号发生器9产生具有频率f的正弦信号12，在加和件13中以所述频率调制斜坡形的时间函数11。第三信号发生器10产生猝发信号14，注入电流i能够借助猝发信号被多重依次地接通和切断。信号11、12、14的时间序列和其用于周期地驱控激光二极管1的相应的偏移通过控制单元15来控制，控制单元也经由乘法件16、17、18调节信号大小(幅度)。
图2示出在驱控周期期间的激光二极管1的注入电流i的变化的实例。因为所产生的光线2的强度和波长相应地变化并且应扫描测量气体5的感兴趣的气体成分的所选择的吸收线，所以在横坐标上绘制扫描时间点。
在周期开始时，电流i借助猝发信号14被多次接通和断开，其中在两个连续跟随的时间段中应用两个不同的接通电流强度，这两个接通电流强度分别如下地选择，使得光线2的所产生的波长位于测量气体5的要测量的气体成分和其他红外活性的气体成分的波长范围之外。周期也能够被限定为，使得猝发信号14在周期结束时产生，或者这两个时间段中的一个处于周期开始时并且另一个处于周期结束时。猝发信号14用于将测量归一化，其例如从前文提出的DE 10 2013 201 459A1中已知。
在切断猝发信号14之后，电流i在预设的时间区间19期间通过具有频率f和相对高幅度的正弦信号10进行调制。随后，降低正弦调制的幅度并且附加地借助斜坡形的时间函数11改变电流。相应地，所产生的光线2的波长也线性地改变，其中光线2的一少部分由测量气体1的红外活性的气体成分波长相关地被吸收。由此能够波长相关地扫描测量气体5中的感兴趣的气体成分的吸收线。因为吸收线的轮廓是线性的并且光线2的波长在相对缓慢地扫描吸收线期间附加地以高频率f和小幅度正弦形地调制(波长调制光谱分析仪或WMS)，所以产生由检测器4检测的光强度中的更高次谐波。尤其当应测量低浓度的感兴趣气体成分时，通过相位敏感的锁相技术对该较高的、优选二次谐波进行评估是有利的，因为由此能够更好地从测量信号中滤除噪声。
如图1示出，检测器4产生对应于检测到的光强的测量信号20，测量信号在放大器21中放大并且根据在猝发信号14的部位处检测到的光强归一化。放大的测量信号20随后在评估装置22中评估。评估装置22包含用于在频率2f下相位敏感地解调测量信号20的部件23和计算装置24，在计算装置中评估2f信号份额以确定测量气体5的感兴趣的气体成分的浓度。
为了与测量信号的调制同步地进行测量信号20的相位敏感的检测，用于相位敏感的解调的部件23在时间区间19期间根据包含在测量信号20中的频率f被同步。对此，评估装置22包含同步装置25，同步装置从测量信号20中产生用于使部件23同步的控制信号26。
图3示出用于同步装置25的实例，在同步装置中，将放大的测量信号20在差分件27中差分，从而获得图4中示出的信号28。布置在下游的阈值检测器29检测：差分的测量信号的从斜坡形的时间函数11的下降的边沿或猝发信号14中得出的峰值超过正的阈值30或低于负的阈值30'，并且将计数器31重置。在最后的猝发峰值之后或者如果不应用猝发信号，就在斜坡形的时间函数11的下降的边沿的峰值之后，计数器31开始向上计数直至下一次猝发或下一边沿为止。随后，根据计数器读数产生控制信号26，其中该相关性能够被参数化。在所示出的实施例中，控制信号26包括用于猝发信号14的时间和持续时间的第一控制信号32、用于时间函数11的时间和持续时间的第二控制信号33，和第三控制信号34，第三控制信号标记预设的时间区间19，在该时间区间中通过具有频率f和相对高幅度的正弦信号10调制注入电流i。借助该第三控制信号34，对于预设的时间区间19的持续时间闭合可控的开关35，以便将放大的测量信号20输送给锁相环路36(phase-locked loop或者PLL)。锁相环路36在所示出的实施例中由具有环路滤波器37的科斯塔斯环(Costas loop)构成，借助环路滤波器的输出信号控制正弦振荡器38，在此为DDS-VCO(direct digital synthesis直接数字合成；voltage-controlled oscillator电压控制的振荡器)。锁相环路36的放大能够通过具有系数K的环路滤波器37的输出端的乘法来调节。在环路滤波器37与正弦振荡器38之间设置有保持件39，保持件与开关35相比反向地驱控。
对于预设的时间区间19的持续时间，开关35是闭合的并且保持件39去激活，使得正弦振荡器38借助包含在测量信号20中的频率f相位精确地进行调节。在正弦信号作为锁相环路36的输出信号40输送给用于相位敏感地解调测量信号20的部件23之前，由正弦振荡器38产生的正弦信号经过移相器41。因为测量信号20在其放大时和随后以频率nf解调时被滤波，所以在移相器41中进行相位调整，相位调整考虑了滤波器的不同的相位变化。锁相环路36的输出信号40在频率和相位方面与正弦的调制信号12相同，使得放大的测量信号20相对于调制能够相位精确地被解调。相应的解调频率nf能够通过频率倍增直接地从输出信号40中导出。可行的是：为了对所产生的光线2进行多重调制，附加地借助另外的正弦信号对斜坡形的时间函数11进行调制，该正弦信号的频率从调制信号12的频率f中导出。在该情况下，测量信号12也能够容易地通过对输出信号40的分别期望的解调频率进行求导来相位精确地解调。
因为正弦调制信号12的幅度在时间区间19期间相对高，所以信噪间距足够高，以便也在不利的传输条件中、例如由于测量气体中的噪声颗粒或灰尘造成不利的传输条件中确保可靠的同步。
相反，为了借助斜坡形的时间函数11扫描感兴趣的气体成分的吸收线，叠加的正弦调制的幅度、即所产生的光线2的波长差必须匹配于要扫描的吸收线的宽度，并且在实际中该幅度为了同步的目的而过小。因此，对于洛伦兹形的吸收线的理想情况而言，测量信号20的2f信号份额在调制系数(光谱调制幅度与所扫描的吸收线的半值宽的比例)为2.2时最大。
在预设的时间区间19之外，开关35打开并且激活保持件39，使得正弦振荡器38根据最后由环路滤波器37产生的且由保持件39保持的输出值自由振荡。

Claims (8)

1.一种用于基于波长调制光谱学的方法对测量气体(5)中的气体成分的浓度进行测量的吸收光谱分析仪，具有
-能调谐波长的光源(1)，
-调制装置(7)，所述调制装置周期地在所述气体成分的感兴趣的吸收线上根据预设的时间函数(11)改变所述能调谐的光源(1)的光线(2)的波长，并且同时以高的频率(f)和小的幅度正弦形地进行调制所述光线的波长，
-检测器(4)，所述检测器检测所述光线(2)在穿透过所述测量气体(5)之后的强度，和
-评估装置(22)，所述评估装置包含部件(23)，所述部件用于在所述频率(f)和/或所述频率的谐波中相位敏感地解调制由所述检测器(4)产生的测量信号(20)，
其特征在于，
-所述调制装置(7)还构造用于，在每个周期中或在每第n个周期中在所述时间函数(11)开始之前的时间区间(19)中利用所述频率(f)开始调制，并且利用与在所述时间函数(11)期间相比更高的幅度执行调制，并且
-所述评估装置(22)构造用于，在所述时间区间(19)期间根据包含在所述测量信号(20)中的频率(f)对用于相位敏感地解调的部件(23)进行同步。
2.根据权利要求1所述的吸收光谱分析仪，其特征在于，所述评估装置(22)包含具有能控制的正弦振荡器(38)的锁相环路(36)，其中
-所述锁相环路(36)的测量信号(20)在输入侧经由能控制的开关(35)来输送，所述开关为了对所述用于相位敏感地解调的部件(23)执行同步而被闭合，
-所述锁相环路(36)的输出信号(40)输送给所述用于相位敏感地解调的部件(23)，和
-用于所述正弦振荡器(38)的控制信号经由保持件(39)输送给所述正弦振荡器，所述保持件在执行所述同步的所述时间区间(19)之外被激活。
3.根据权利要求1或2所述的吸收光谱分析仪，其特征在于，在斜坡状的时间函数(11)的情况下，所述评估装置(22)构造用于，在所述测量信号(20)中检测下降的斜坡边沿，以便在随后的所预设的时间之后对所述用于相位敏感的解调的部件(23)执行同步。
4.根据权利要求1或2所述的吸收光谱分析仪，其特征在于，所述调制装置(7)具有部件(10)，该部件在每个周期的开始和/或结束借助猝发信号(14)来调制光线(2)，并且所述评估装置(22)构造用于，在所述测量信号(20)中检测所述猝发信号(14)，以便在随后的所预设的时间之后对所述用于相位敏感的解调的部件(23)执行同步。
5.根据权利要求3所述的吸收光谱分析仪，其特征在于，所述评估装置(22)包含自运行的计数器(31)，所述计数器在检测到所述下降的斜坡边沿时重置，并且随着达到预设的计数器读数时预设用于同步的时间。
6.根据权利要求4所述的吸收光谱分析仪，其特征在于，所述评估装置(22)包含自运行的计数器(31)，所述计数器在检测到所述猝发信号(14)时重置，并且随着达到预设的计数器读数时预设用于同步的时间。
7.根据权利要求3所述的吸收光谱分析仪，其特征在于，所述评估装置(22)具有用于差分所述测量信号(20)的差分件(27)，并且在差分的所述测量信号(20)中检测所述下降的斜坡边沿。
8.根据权利要求4所述的吸收光谱分析仪，其特征在于，所述评估装置(22)具有用于差分所述测量信号(20)的差分件(27)，并且在差分的所述测量信号(20)中检测所述猝发信号(14)的边沿。
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