CN110296957B - 用于操作用于测量所测量气体中的气体组分浓度的光学测量系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于操作用于基于波长调制光谱来测量所测量气体中的气体组分浓度的光学测量系统的方法，其中激光光源是利用基本电流I_DC和调制电流I_AC以电流调制的方式来工作的并且发射具有波长调制幅度Δλ_AC的波长λ₀的激光束，并且激光的波长调制幅度Δλ_AC是以可变地设定电流调制幅度ΔI_AC的方式保持恒定的。本发明提供用于在工作点处将激光光源的内部电阻器R_I处的被调制的功率ΔP_AC保持恒定以便稳定波长调制幅度Δλ_AC。

Description

用于操作用于测量所测量气体中的气体组分浓度的光学测量 系统的方法

本发明涉及一种用于操作用于基于波长调制光谱来测量所测量气体中的气体组分浓度的光学测量系统的方法，所述系统包括：波长可调谐温度稳定的激光光源，其通过在工作点处使基本电流经由气体组分的有关吸收线改变来使激光光源的激光的中心基本波长λ₀周期性地变化，并且在同一时间，利用调制设备以频率（f）和可确定的幅度调制激光光源的激光的中心基本波长λ₀；光检测器，其检测已经通过所测量气体之后的激光的强度；以及评价设备，其包括用于由光检测器以频率（f）和/或其谐波中的一个生成的测量信号的相位灵敏解调的部件，其中激光光源是利用基本电流I_DC和调制电流I_AC以电流调制的方式工作的，并且发射具有波长调制幅度Δλ_AC的波长λ₀的激光束，并且激光的波长调制幅度Δλ_AC是以可变地设定电流调制幅度ΔI_AC的方式保持恒定的。

用于基于波长调制光谱来测量所测量气体中的气体组分浓度的光学测量系统从广泛的各种各样的实施例中的现有技术中已知，用于操作这样的光学测量系统的大量不同方法也是如此。

在可调谐激光吸收光谱（Tunable Laser Absorption Spectroscopy，TLAS）中，以及在特定波长调制光谱（Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS）中，波长调制幅度一般地扮演重要的角色。这是通过在针对工作点的校准期间设定电流调制幅度的方式来限定的。然而，工作点的改变或者激光器中的长期改变引起波长调制幅度改变（尽管电流调制幅度保持相同）。作为结果，波长调制幅度上的改变还引起传感器校准从规格限制偏离，于是这经常需要对光学测量系统进行重新校准。

在所提及的类型的光学测量系统中，在工作模式改变或者激光光源中与校准时相比的长期改变的情况下，为了稳定传感器精确度的目的，已知的是在操作期间通过对用于激光光源的调制电流的强度（其是说电流调制幅度）进行适配来重新设定波长调制幅度，从而波长调制幅度再一次至少近似地与在校准时相对应。通过示例的方式，在这方面参考了文献EP 2 610 608 B1。

文献EP 2 610 608 B1公开了用于测量目标气体的气体测量设备和用于设定气体测量设备的波长调制宽度的方法，所述气体测量设备包括光源和检测单元，通过利用源使激光波长谐振，以便具有由主电流确定的中心波长，并且以便根据在谐振频率处的调制电流进行调制，并且具有波长调制宽度，具有由于在与调制电流的周期相比更长的周期中改变了主电流而变化的中心波长，经此检测单元根据通过标准气体传输的激光的强度来输出信号。所述方法更进一步地包括：通过检测通过标准样本传输的具有变化了的中心波长的激光来获取检测信号的步骤；获取在作为调制电流的谐振频率的正整数倍的频率下谐振的检测信号的特定频率分量的步骤；以及计算特定频率分量关于激光中心波长的局部最小值的量值与特定频率分量关于激光中心波长的局部最大值的量值的比率的步骤；以及设定激光的波长调制宽度从而比率满足预先确定的条件的步骤。这是其中在一对一的基础上对应于波长调制宽度的比率等于预先确定的目标值的条件。在激光调制宽度的设定期间，通过适配调制电流的强度来设定波长调制宽度。

由此出发，要求保护的发明的目的是提出用于尽管诸如温度、工作电流或者长期漂移的激光性质改变也将波长调制幅度保持恒定的不同的、更简单的、并且更准确的选项。

根据本发明通过用于操作用于基于波长调制光谱来测量所测量气体中的气体组分浓度的光学测量系统的方法来实现该目的，所述方法具有独立权利要求1所述的特征。进一步有利的实施例可以在从属于其的权利要求中找到。

在用于基于波长调制光谱来测量所测量气体中的气体组分浓度的光学测量系统中，波长调制幅度Δλ_AC是在传感器校准期间利用针对所选择的工作点I_DC的电流调制幅度ΔI_AC设定的关键参数。然而，例如作为外部温度相对于校准温度的改变的结果或者作为由于激光器老化所致的波长漂移的结果，从工作点的偏离引起波长调制幅度改变。传感器精确度因此降低，在某些环境中需要进行重新校准。

本发明的核心思想是，在测量系统在所意图的工作点处的操作期间，使用在激光光源（优选地为激光二极管）校准时针对工作点设定并且然后被记录和存储的工作参数以及在操作期间测量的在激光光源处的电压和/或电流来稳定激光的波长调制幅度Δλ_AC。在创新方法的开发中发现波长调制幅度Δλ_AC与所调制的AC功率ΔP_AC成比例。

（式1）

根据本发明，因此以如下的方式来将激光的波长调制幅度Δλ_AC保持恒定：通过使激光光源的内部电阻器R_I处的激光的调制功率ΔP_AC在工作点处保持恒定来可变地设定电流调制幅度ΔI_AC。为此目的，除了其它方面之外，还测量在激光光源处的电压。

普遍地已知的是每个激光光源电路图可以被利用等效电路替换，等效电路包括激光发射极（有源区）和与其串联连接的内部电阻器R_I。一旦利用调制电流I_AC调制的基本电流I_DC流过激光光源，就出现在激光光源处的电压U_L，其部分地作为部分电压U_E跨激光发射极下降并且部分地作为部分电压U_Ri跨内部电阻器R_I下降。

对于调制功率的计算而言，跨激光器的电压U_L不相关，只有已经跨内部电阻器R_I下降的电压U_Ri相关。功率调制幅度ΔP_AC被计算为如下：

（式2）

其中ΔI_AC标示电流调制幅度，并且U_Ri表示已经跨内部电阻器下降的电压。替换地，该电压还可以经由内部电阻器R_I的值和流过内部电阻器的DC激光电流I_DC来计算。

跨内部电阻器R_I的DC电压通过如下给定：

（式3）

其中取决于激光器的类型（具有与电信行业中的常见的波长相近的波长），U_E具有0.9V到1.1V的值。

一般来说，一定要注意，在并非热稳定的环境中的光学测量系统的操作期间，周围温度的改变引起传感器的激光光源呈现略微更高或者更低的温度。传感器的目标波长因此朝向更低或者更高的DC 激光电流I_DC偏移。作为结果，根据式2的功率调制幅度ΔP_AC也改变。根据式1，在功率调制幅度上的这种改变的后果是波长调制幅度Δλ_AC也因此改变。

即使DC激光电流I_DC是恒定的，如果因为各种（长期）影响因素而在操作期间激光光源的内部电阻R_I改变，则功率调制幅度ΔP_AC也可能改变。

根据本发明，为确保在任何给定的时间激光光源以相同的波长调制幅度Δλ_AC工作，将瞬时功率调制幅度ΔP_{AC_Act}保持为等于在光学测量系统的校准时的功率调制幅度ΔP_{AC_Calib}相等，。

（式4）

在式4中使用式2并且然后针对瞬时电流调制幅度ΔI_{AC_Act}求解方程，得出

（式5）

其中发现有校准值与瞬时电压值的比率。式5可以甚至被进一步求解。根据式3，内部电阻器R_I处的电压U_Ri可以被表示为U_L-U_E。

在根据本发明的方法的优选的实施例中，把在激光光源的校准期间设定的电流调制幅度ΔI_{AC_Calib}考虑在内，相应地适配电流调制幅度ΔI_AC，使得所调制的功率调制幅度ΔP_AC保持恒定。

在本发明的有利的实施例中，为了稳定波长调制幅度Δλ_AC，优选地通过适配电流调制幅度ΔI_AC来确定激光光源的内部电阻器R_I处的电压改变ΔU_Ri，其中电流调制幅度ΔI_AC的适配基于U_{L_Calib}和U_{L_Act}的商。

在根据本发明的方法的特别受偏好的变形中，激光光源的内部电阻R_I是有利地根据激光光源的其中跨激光光源的电压下降U_L被记录为基本电流I_DC的函数的电压/电流特性曲线来确定的。激光光源的电压/电流特性曲线通常在光学测量系统的校准期间被第一次记录。如果需要（例如在重新校准期间或者为了在正常操作期间进行监控），则这可以稍后被重复。

在本发明的一个实施例中，在光学测量系统的校准期间至少确认激光光源的调制功率ΔP_AC。替代功率ΔP_AC，还可能的是使用调制电流I_AC的幅度ΔI_AC和跨内部电阻器R_I的电压下降U_I。

作为替换，还可能的是确认调制电流I_AC的幅度ΔI_AC、内部电阻R_I和在工作点处的基本电流I_DC。在校准的时候存储相应的经确认的参数。基本电流I_DC确定光学测量系统的工作点。在进行中的操作期间，这允许容易地检测到在这方面的偏离，并且还允许根据上文所描述的方法进行响应。

用于基于波长调制光谱来执行根据本发明的用于测量所测量气体中的气体组分浓度的方法的光学测量系统包括波长可调谐温度稳定的激光光源，并且优选地为采用激光二极管的形式的半导体激光光源，其在工作点处使激光光源的激光的中心基本波长λ₀经由气体组分的有关吸收线而周期性地变化（例如以斜坡状的方式（锯齿）），并且，在同一时间，利用调制设备以频率（f）和一定幅度来调制激光光源的激光的中心基本波长。此外测量系统包括：光检测器，其检测已经通过所测量气体之后的激光的强度；以及评价设备，其包括用于由光检测器以频率（f）和/或其谐波中的一个生成的测量信号的相位灵敏解调的部件。例如，调制可以是正弦的或者三角的。激光光源是利用基本电流I_DC和调制电流I_AC以电流调制的方式工作的并且发射具有波长调制幅度Δλ_AC的波长λ₀的激光束。以与调制设备结合而由评价设备可变地设定电流调制幅度ΔI_AC的方式将激光的波长调制幅度Δλ_AC保持恒定。

在校准期间以及在用于确定气体组分浓度的光学测量系统的规则的操作期间，优选地使用包括锁相技术的评价设备以便以已知的方式实现噪声降低，特别是为了相当大地降低由1/f信号引起的噪声。锁相放大器的设计和工作原理对本领域技术人员来说是一般地已知的，使得不必要提供对其的完整说明。简要地总结，锁相放大器（其有时候还被称为相位灵敏整流器或者载频放大器）是用于测量微弱的电交流信号的放大器，所述电交流信号被利用具有已知频率和相位的参考信号调制。所述设备表示极窄带带通滤波器，由此改善信噪比。当使用这样的设备时的优点是具有不同频率和噪声的DC电压和AC电压被有效地滤波。

根据本发明的方法要求从激光光源到评价单元的电气线路以便尽可能确切地经由激光光源的内部电阻R_I确认激光的功率调制幅度ΔP_AC。如果在意图用于使用所提出的创新方法的光学测量系统中不存在该线路，则硬件适配是必要的，否则该方法不能被采用。在下文中将基于示意性图示再次简要地描述光学测量系统的组成，所述光学测量系统适合于经由在激光光源处的电压测量来确定在激光光源的内部电阻器处的电压，并且随后据此适配电流调制幅度ΔI_{AC_Act}以便稳定激光的波长调制幅度Δλ_AC。

实质上根据作为对于本领域技术人员来说的惯例的常用方法来进行光学测量系统的校准，所述校准利用要在规则的操作期间由光学测量系统作为被测量气体进行检测的已知的参考气体以及要被测量的浓度。为建立工作点，首先使用常用的基本电流I_DC和调制电流I_AC来操作激光光源，并且使温度稳定的激光光源的温度变化直到检测到用于参考气体的吸收信号。此后，在确认的温度下利用调制电流I_AC来电流调制基本电流I_DC，例如利用珀耳帖元件来对该确认的温度进行温度稳定，从而激光光源发射具有波长调制幅度Δλ_AC的波长λ₀的激光束。此后，可以根据测量系统的各种标准（例如优化信噪比）来优化电流调制幅度或者波长调制幅度。这是必要的，特别是因为波长调制幅度Δλ_AC随着基本电流I_DC而改变。随着基本电流上升，激光的波长调制幅度增加，这就是说，与高于工作点相比，低于所选择的工作点时波长调制幅度更小，并且因此必须被针对每个工作点分离地建立。

这种基本过程还包括在波长调制光谱期间对适合于整体上或者部分地抑制光学干涉现象的措施的考虑。以此方式，基于测量系统和要被检测的气体的各种标准，根本上建立波长调制幅度或者电流调制幅度。被相应地调制的功率，也就是说功率调制幅度ΔP_AC，或者诸如激光光源的调制电流和电压的等效变量也在校准时被确认并且被存储。

在各图的和/或仅在各图中示出的描述中的以上所提到的特征和特征的组合以及在各图的和/或仅在各图中示出的描述中的以下所提到的特征和特征的组合不仅可以使用在相应的所指示的组合中，而且还可以使用在其它组合中或者被单独使用。不必要实现权利要求1的所有特征来执行本发明。还可能的是利用其它公开的特征或者特征组合来替换独立或者从属权利要求的个别特征。

在下文中将基于随附附图再次更详细地描述本发明：在采用示意性图示的附图中：

图1示出适合用于执行根据本发明的方法的光学测量系统；

图2示出用于激光光源的等效电路；

图3示出用于确定激光光源的内部电阻的记录的电压/电流特性曲线；以及

图4 示出用于适配电流调制幅度的流程图。

图1示意性地示出用于基于波长调制光谱来测量所测量气体2中的气体组分浓度的光学测量系统1的基本设计。测量系统1包括波长可调谐温度稳定激光光源3、调制设备4、光检测器5、以及评价设备6。激光光源3发射具有波长调制幅度Δλ_AC的波长λ₀的激光束7。调制设备4在工作点处使激光光源3的激光的中心基本波长λ₀经由气体组分的有关吸收线而周期性地变化，并且在同一时间利用频率（f）和幅度以三角方式调制该中心基本波长λ₀。这附加地包括至少一个DC和/或AC电压源或者DC和AC电流源4a，以及用于操作激光光源3的相关联的调制部件4b。调制设备4直接地连接于激光光源3。光检测器5在源自激光光源3的激光束7已经通过所测量的气体2之后检测该激光束7，并且生成取决于激光的在其已经通过所测量的气体2之后的强度的接收信号，并且将其供给到评价单元6。评价单元6包括用于由光检测器5以频率（f）和/或其谐波中的一个生成的测量信号的相位灵敏解调的部件。评价单元6包括两个锁相放大器6a、6b和处理单元6c。处理单元6c评价经解调的光检测器5的接收信号并且作为其函数控制调制设备4的调制部件4b以便通过适配电流调制幅度ΔI_AC来将激光的波长调制幅度Δλ_AC保持恒定。为此目的，测量系统1包括到调制设备4的电子控制线路8。更进一步地，电连接线路9从激光光源3通向锁相放大器6b，利用该电连接线路9检测和评价出现在激光光源3处的电压。在评价中，除了其它方面之外，使用上面描述的式1到式5。

图2示出用于激光光源3的等效电路。激光光源3因此可以为了计算的目的被替换为光发射极3a以及与其串联连接的内部电阻器R_I，3b。利用基本电流I_DC和调制电流I_AC以电流调制的方式操作激光光源3。电压U_L出现在激光光源3处并且部分地作为部分电压U_Ri跨内部电阻器3b下降并且部分地作为部分电压U_E跨光发射极3a下降。

图3图示在光学测量系统1的校准期间记录的用于确定激光光源3的内部电阻R_I的电流/电压特性曲线10。内部电阻R_I是在工作点12处从激光光源3的电流/电压特性关系确定的。为此目的，在工作点12处为电流/电压特性曲线10（实线）提供线性近似直线11（虚线）以用于确定内部电阻R_I。在工作点12处，近似直线11的斜率对应于内部电阻R_I，3b。

图4图示用于适配电流调制值的流程图，其中瞬时调制功率的确定或者是在被分配给吸收信号的最大值的DC激光电流上执行的，或者是经由测量扫描的多个DC激光电流值确认的。一般地，经由有关的吸收线执行多个扫描，这就是说，激光光源的激光的对应的中心基本波长λ₀在工作点12处经由气体组分的吸收线而周期性地多次变化并且同时被调制，其中通常记录和以算术方法的方式评价多个测量点。可以针对每个测量点保持电流调制幅度或者可以根据瞬时测量点的计算来计算电流调制幅度，以便优化用于下一个测量点的结果。在图4中象征性地示出的反映光学测量系统的当前操作的过程中，在第一方法步骤S1中建立在内部电阻器R_I处的瞬时调制的AC功率。此后，在随后的第二方法步骤S2中，确定瞬时电流调制值。此后，在下一个随后的第三方法步骤S3中，使用瞬时电流调制值进行针对所测量气体的实际浓度测量。以循环方式多次执行方法步骤S1到方法步骤S3，其中，如果必要的话，如果在光学测量系统的校准期间瞬时电流调制值ΔI_{AC_Act}从理想电流调制值ΔI_{AC_Calib}偏离，则可以在各运行之间适配电流调制幅度ΔI_AC，并且因此波长调制幅度Δλ_AC与校准相比改变。

Claims (7)

1.一种用于操作用于基于波长调制光谱来测量所测量气体（2）中的气体组分浓度的光学测量系统（1）的方法，所述光学测量系统（1）包括：波长可调谐温度稳定的激光光源（3），其在工作点（12）处使激光光源（3）的激光的中心基本波长λ₀经由气体组分的有关吸收线而周期性地变化，并且在同一时间利用调制设备（4）以频率（f）和一定的幅度来调制中心基本波长λ₀；光检测器（5），其在激光已经通过所测量气体（2）之后检测激光的强度；以及评价设备（6），其包括用于由光检测器（5）以频率（f）和/或其谐波中的一个生成的测量信号的相位灵敏解调的部件（6a），激光光源（3）是利用基本电流I_DC和调制电流I_AC以电流调制的方式工作的并且发射具有波长调制幅度Δλ_AC的波长λ₀的激光束（7），并且以可变地设定电流调制幅度ΔI_AC的方式来将激光的波长调制幅度Δλ_AC保持恒定，其特征在于，在工作点（12）处测量激光光源（3）处的电压，并且基于此来将在激光光源（3）的内部电阻器R_I（3b）处的调制功率ΔP_AC保持恒定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将在激光光源的校准期间设定的电流调制幅度ΔI_{AC_Calib}考虑在内，适配电流调制幅度ΔI_AC，以使得将经调制的功率调制幅度ΔP_AC保持恒定。

3.根据权利要求1或者权利要求2所述的方法，其特征在于，通过适配电流调制幅度ΔI_AC来确定在激光光源（3）的内部电阻器R_I（3b）处的电压改变ΔU_Ri以便稳定波长调制幅度Δλ_AC。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，电流调制幅度ΔI_AC的适配基于U_{L_Calib}和U_{L_Act}的商。

5.根据前述权利要求1-2中的任何一个所述的方法，其特征在于，在光学测量系统（1）的校准期间，激光光源（3）的被调制的功率ΔP_AC、调制电流I_AC的幅度ΔI_AC以及跨内部电阻器R_I（3b）的电压下降U_I或调制电流I_AC的幅度ΔI_AC、内部电阻R_I和基本电流I_DC是在工作点（12）处确认的并且被存储。

6.根据前述权利要求1-2中的任何一个所述的方法，其特征在于，根据激光光源（3）的其中跨激光光源（3）的电压下降U_L被记录为基本电流I_DC的函数的电压/电流特性曲线来确定激光光源（3）的内部电阻R_I（3b）。

7.根据前述权利要求1-2中的任何一个所述的方法，其特征在于，使用包括锁相技术的评价设备（6）。

Images