CN112577923A - 测量测量气体中气体成分的浓度的方法和气体分析仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及测量测量气体中气体成分的浓度的方法和气体分析仪。为了通过气体分析仪测量测量气体(5)中的气体成分的浓度，利用电流(i)驱控能调整波长的激光二极管(1)，将激光二极管产生的光(2)的一部分穿过测量气体引到生成测量信号(17)的测量检测器(6)上，将光的其他部分引到生成监控信号(19)的监控检测器(7)上，在周期性接续的扫描间隔内改变电流以根据波长扫描气体成分的感兴趣的吸收线，还利用高频噪声信号(14)调制电流，高频噪声信号的下截止频率根据激光二极管的特性被选择为高到不发生波长调制的频率，并且将测量信号与监控信号关联，并且随后评估测量信号以生成测量结果(40)。

Description

测量测量气体中气体成分的浓度的方法和气体分析仪
技术领域
本发明涉及一种用于测量测量气体中气体成分的浓度的方法。
本发明还涉及一种用于测量测量气体中气体成分的浓度的气体分析仪。
背景技术
激光光谱仪特别用于过程测量技术中的气体光学分析。在此，激光二极管产生红外范围内的光，该光沿过程设备或气室中的测量路径被引导通过过程气体(测量气体)并且随后被检测。光的波长匹配相应要测量的气体成分的特定吸收线，其中激光二极管根据波长周期性地扫描吸收线。为此，在连续的扫描间隔内用斜坡或三角形的电流信号控制激光二极管。在直接吸收光谱法(DAS)中，可以直接从在吸收线的点处检测到的光强度减少(吸收)来确定感兴趣的气体成分的浓度。在波长调制光谱法(WMS)中，在吸收线的相对缓慢的、与波长相关的扫描过程中，产生的光的波长以kHz范围内的频率和微小的振幅进行正弦调制。由于吸收线的轮廓不是线性的，因此在检测或测量信号中也会产生高次谐波。通常使用相敏锁定技术以n次谐波(优选二次谐波)对测量信号进行解调，并针对每个扫描间隔对测量信号进行评估，以给出包含待测气体成分浓度的测量结果。
用于测量气体成分浓度的检测和测定极限被叠加在测量信号上的噪声限制。噪声主要由来自激光和检测器侧的气体分析仪的噪声以及来自测量路径(由湍流、颗粒引起)的噪声组成。
从WO 2016/050577 A1或DE 10 2015 207 192 A1中已知还以高频(HF)来调制用于驱控激光二极管的电流，该高频率根据激光二极管的特性被选择为高到不发生产生的光的波长调制的频率。以附加高频调制的频率对检测或测量信号进行解调，并对获得的已解调的测量信号进行评估以生成测量结果。
由于利用激光二极管的内部温度设定或更改光的波长，并且又能利用由激光电流和环境温度引起的功率损耗来设定或更改该内部温度，因此波长调制只能以低的调制频率实现，最多在kHz范围内实现。相反，在MHz范围内的较高频率中，仅还调制光的强度，而不调制其波长。通过高频调制将待评估的测量信号的基带从被气体分析仪的和测量路径的噪声干扰的接近直流(DC)的频率范围复制到该噪声不再存在的高频范围中。
由于高频调制只能以到激光二极管的控制极限实现，因此在DE 10 2015 207 192A1中提出，将高频调制与扩频码相乘，以使高频调制的信号能量分布到宽的频谱上并因此获得更高的可评估总能量。在检测器侧，通过关联将已解调的测量信号与扩频码关联，并对获得的关联信号进行评估。已解调的测量信号与扩频码的关联还降低了包含在测量信号中的、气体分析仪的噪声，因为该噪声与扩频码不关联。
作者Jingjing Wang等的“High-sensitivity off-axis integrated cavityoutput spectroscopy implementing wavelength modulation and white noiseperturbation(实现波长调制和白噪声扰动的高灵敏度离轴集成腔输出光谱)”(《OpticsLetters(光学通讯)》，第44卷，第13期，2019年7月1日，第3298页)公开了一种离轴集成腔输出光谱仪(OA-ICOS)，其中将包含测量气体的气室设计为光谐振器，激光束在其中偏移并相对于光轴倾斜地耦合输入并因此激发谐振器的多种模式。为了抑制由谐振器模式的波动(残留腔模式的波动)引起的噪声，以激光二极管的用于波长扫描的斜坡形调制以及用于波长调制的正弦形调制的电流还以白噪声被调制。然而，白噪声的耦合输入还导致吸收线变宽以及吸收线高度减小，从而必须在有效抑制谐振器模式噪声与频谱线形状尽量少变形之间实现折衷。
US 2005/046852 A1公开了一种具有分束器的WMS激光光谱仪，该分束器将由激光二极管产生的光的一部分通过测量气体引导到测量检测器上，而将其他部分引导到监控检测器上。在感兴趣的吸收线的波长相关扫描的扫描周期之外，在规则的间隔内用突发信号来驱控产生用于激光二极管的电流的电流源。该突发信号在测量信号和监控信号中被检测并被用于测量的标准化。
EP 3339839 A1公开了一种具有分束器的WMS激光光谱仪，该分束器将由激光二极管产生的光的一部分引导通过测量气体并将其他部分通过参考气体引导到参考检测器上，该参考检测器检测参考气体的吸收光谱。为了确定测量气体的感兴趣的气体成分的浓度，从测量气体的吸收光谱中减去单独检测到的参考气体的吸收光谱。
发明内容
本发明的目的是进一步改善测量信噪比。
根据本发明，该目的通过本发明限定的方法和气体分析仪实现。
本发明提出一种通过气体分析仪测量测量气体中气体成分的浓度的方法，其中，
利用电流驱控能调整波长的激光二极管，
将由激光二极管产生的光的一部分穿过测量气体引导到测量检测器上，该测量检测器生成测量信号，
将光的其他部分引导到监控检测器上，该监控检测器生成监控信号，
在周期性接续的扫描间隔内改变电流，以根据波长扫描气体成分的感兴趣的(目标)吸收线，
还利用高频(射频)噪声信号调制电流，该高频噪声信号的下截止频率根据激光二极管的特性被选择为高到不发生波长调制的频率，并且
将测量信号与监控信号关联并且随后评估测量信号以产生测量结果。
本发明还一种气体分析仪，其用于测量测量气体中气体成分的浓度，该气体分析仪具有：
能调整波长的激光二极管；
为激光二极管供应电流的电流源；
信号发生器，该信号发生器控制电流源以在周期性接续的扫描间隔内改变电流，从而根据波长扫描气体成分的感兴趣的(目标)吸收线；
噪声信号发生装置，该噪声信号发生装置控制电流源以利用高频噪声信号调制电流，该高频噪声信号的下截止频率根据激光二极管的特性被选择为高到不发生波长调制的频率；
用于产生测量信号的测量检测器；
用于产生监控信号的监控检测器；
分束器，该分束器将由激光二极管产生的光的一部分穿过测量气体引导到测量检测器上，并将光的其他部分引导到监控检测器上；
关联器，该关联器将测量信号与监控信号关联并产生关联信号；和
评估装置，该评估装置评估关联信号以产生测量结果。
与从DE 10 2015 207 192 A1已知的方法不同，用于激光二极管的电流在没有高频载波的情况下直接以高频噪声调制。在穿过测量气体照射之后从激光二极管的光获得的测量信号与直接从激光二极管的光生成的监控信号相关联。在气体分析仪的激光侧的激光二极管的噪声、驱动器电子设备等的噪声成为以高频噪声信号进行的调制的一部分，以使测量信号的噪声与监控信号的噪声的区别仅在于由测量气体中的吸收引起的影响。
附图说明
为了进一步阐述本发明，下面参考附图。图1示例性地示出了根据本发明的气体分析仪的非常简化的框图。
具体实施方式
气体分析仪包含激光二极管1，激光二极管的光2通过分束器3的一部分穿过包含在测量空间4(例如气室或过程气体管线)中的测量气体5被引导到测量检测器6上，并且其他部分被引导到监控检测器7上。可控的电流源(驱动器)8利用注入电流i驱控激光二极管1，其中，所产生的光2的强度和波长取决于电流i和激光二极管1的工作温度。为了改变和调制电流i，信号发生器9、可选的低频(NF)调制装置10和噪声信号发生装置11产生不同的信号12、13、14，这些信号通过加法器(+)15馈送到电流源8。
利用信号发生器9的信号12，根据预设的、优选斜坡形或三角形函数周期性地改变电流i，以便利用所产生的光2的或多或少线性跟随的波长对测量气体5中感兴趣的气体成分的至少一个选定的吸收线根据波长进行扫描。信号12还能包含突发信号，该突发信号以规则间隔(例如在每个扫描周期之后)彼此跟随，并且在此期间，激光二极管1以例如3kHz的突发频率接通和关断，以稍后实现测量标准化。
当要基于波长调制光谱法确定感兴趣的气体成分的浓度时，提供低频(NF)调制装置10。在这种情况下，电流i以及所产生的光2的波长以在kHz范围(例如＜100kHz)内的频率f和小的振幅进行正弦调制。
由噪声信号发生装置11产生并提供给可控的电流源8的信号14是高频噪声信号，其下截止频率根据激光二极管1的特性而被选择得很高，例如5MHz至100MHz，在此例如由高通滤波器16确定，从而被选择为高到不发生波长调制并且仅调制所产生的光2的强度的频率。
测量检测器6根据检测到的光强度生成测量信号17，该测量信号在测量信号处理级18中被放大并数字化。监控检测器7还生成监控信号19，该监控信号在监控信号处理级20中被放大并数字化。数字化的测量信号17和数字化的监控信号19在被馈送到关联器23之前分别在滤波器21和22中例如以噪声信号14的下截止频率被高通滤波，该关联器将测量信号17与监控信号19关联并产生关联信号24。通过该高通滤波，用于斜坡或三角形式调制和低频调制的信号分量被关联器23抑制，使得测量信号17与监控信号19关联仅针对它们所包含的噪声被处理。在所示的实施例中，用于测量信号17和监控信号19的两个信号处理路径是一致的或包含结构方面相同的电子器件，从而使测量信号17和监控信号19的延迟是相同的，并且关联器23以简单的方式设计成具有下游的低通滤波器(平均值形成器、积分器)26的乘法器(X)25的形式。由于关联最大值总是在关联信号对应一致时出现并且噪声永远发生变化，因此测量信号17和监控信号19彼此之间不能有时间偏移。因此，如果例如在具有在烟气管道的相对侧安装的测量头的现场气体分析仪中，将监控检测器19与激光二极管1一起安装在一个测量头中，将测量检测器17布置在另一个测量头中，则由于在测量检测器6、监控检测器7和关联器23之间的不同长度的信号路程导致的运行时间延迟必须通过缓冲来补偿。
然后，基于直接吸收光谱法(DAS)和/或波长调制光谱法(WMS)，在评估装置27中评估关联信号24。
对于DAS评估，关联信号24在其在计算装置29中被评估和标准化之前先通过低通滤波器28。选择低通滤波器28的截止频率，使其高于一个频率，利用该频率在通过斜坡形或三角形的信号12实现测量气体5中感兴趣的气体成分的所选吸收线的取决于波长的扫描时改变光2的强度。在这里示出的示例中，低通滤波器28的截止频率例如是3kHz。
为了以简单的低频调制的频率f进行WMS评估，在以中心频率f通过带通滤波器30之后，在锁定检测器31中以频率2f来相位敏感地检测关联信号24，并且随后在计算装置32中评估该关联信号。
对于两倍(或n倍)的低频调制的频率f的WMS评估，在中心频率2f(或nf)通过带通滤波器33之后，在锁定检测器34中以频率2f(或nf)来相位敏地检测关联信号24，随后在计算装置35中评估该关联信号。
在这里示出的示例中，带通滤波器30、33的带宽例如是3kHz。
DAS和WMS评估的结果36、37、38在另一个计算装置39中被组合，以便最终获得作为测量结果40的、要测量的气体成分的浓度。

Claims (9)

1.一种通过气体分析仪测量测量气体(5)中气体成分的浓度的方法，其中，
利用电流(i)驱控能调整波长的激光二极管(1)，
将由所述激光二极管(1)产生的光(2)的一部分穿过所述测量气体(5)引导到测量检测器(6)上，所述测量检测器生成测量信号(17)，
将所述光(2)的其他部分引导到监控检测器(7)上，所述监控检测器生成监控信号(19)，
在周期性接续的扫描间隔内改变所述电流(i)，以根据波长扫描所述气体成分的感兴趣的吸收线，
还利用高频噪声信号(14)调制所述电流(i)，所述高频噪声信号的下截止频率根据所述激光二极管(1)的特性被选择为高到不发生波长调制的频率，并且
将所述测量信号(17)与所述监控信号(19)关联并且随后评估所述测量信号以产生测量结果(40)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述关联之前，以比所述高频噪声信号(14)的截止频率更低的截止频率对所述测量信号(17)和所述监控信号(19)进行高通滤波。
3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法基于直接吸收光谱法。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法基于波长调制光谱法，其中，还以至少一个附加频率和小的振幅来调制所述激光二极管(1)的所述电流(i)，所述附加频率被选择为低到发生波长调制的频率。
5.一种气体分析仪，用于测量测量气体(5)中气体成分的浓度，所述气体分析仪具有：
能调整波长的激光二极管(1)；
为所述激光二极管(1)供应电流(i)的电流源(8)；
信号发生器(9)，所述信号发生器控制所述电流源(8)以在周期性接续的扫描间隔内改变所述电流(i)，从而根据波长扫描所述气体成分的感兴趣的吸收线；
噪声信号发生装置(11)，所述噪声信号发生装置控制所述电流源(6)以利用高频噪声信号(14)调制所述电流(i)，所述高频噪声信号的下截止频率根据所述激光二极管(1)的特性被选择为高到不发生波长调制的频率；
用于产生测量信号(17)的测量检测器(6)；
用于产生监控信号(19)的监控检测器(7)；
分束器(3)，所述分束器将由所述激光二极管(1)产生的光(2)的一部分穿过所述测量气体(5)引导到所述测量检测器(6)上，并将所述光的其他部分引导到所述监控检测器(7)上；
关联器(23)，所述关联器将所述测量信号(17)与所述监控信号(19)关联并产生关联信号(24)；和
评估装置(27)，所述评估装置评估所述关联信号(24)以产生测量结果(40)。
6.根据权利要求5所述的气体分析仪，其特征在于，所述关联器(23)具有乘法器(25)，所述乘法器具有在所述乘法器下游的低通滤波器(26)或平均值形成器或积分器。
7.根据权利要求5或6所述的气体分析仪，其特征在于，在所述关联器(23)的上游布置有高通滤波器(21、22)，在所述关联之前，所述高通滤波器以比所述高频噪声信号(14)的截止频率更低的截止频率对所述测量信号(17)和所述监控信号(19)进行高通滤波。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的气体分析仪，其特征在于，所述评估装置(27)被设计成基于直接吸收光谱法来评估所述关联信号(24)。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的气体分析仪，其特征在于，
设有低频调制装置(10)，所述低频调制装置控制所述电流源(8)，以便还以至少一个附加频率和小的振幅来调制所述电流(i)，所述附加频率被选择为低到发生波长调制的频率，并且
所述评估装置(27)被设计成基于波长调制光谱法来评估所述关联信号(24)。
CN202011043048.2A 2019-09-30 2020-09-28 测量测量气体中气体成分的浓度的方法和气体分析仪 Pending CN112577923A (zh)

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