CN204855367U - 用于检测气体浓度的激光光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于检测气体浓度的激光光谱仪，所述激光光谱仪具有：激光器，其在一定宽度的波长范围内是可调谐的；测量体积，其中装有待测气体，待测气体具有在波长范围中的待测吸收；第一光检测器；评估和控制单元，其用于控制激光器并对第一光检测器上检测到的光强度进行评估并从而确定气体浓度；以及，用于校准波长范围宽度的装置。为了提供经改进的激光光谱仪和方法来检测气体浓度，使得能够更加简单且尽可能更好地进行校准而提出的是，用于校准宽度的装置具有干涉仪，至少一部分激光被引导通过所述装置且被第一光检测器或另一个光检测器检测到，及，评估和控制单元被设计成根据所生成的干扰信号推断对波长范围的宽度进行的校准。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于检测气体浓度的激光光谱仪。
背景技术
在已知的光谱仪中(例如SICK股份公司的GM700)，激光二极管的光穿过被测气体，然后被光电二极管检测到。激光二极管的波长被设定到与待确定的气体组分的吸收谱线匹配。通过波长的调制/调谐来采样吸收谱线，并随后传输的信号(发送的信号与接收到的信号之比)被光电二极管采集到。吸收谱线的大小提供了相应的信号估值，根据其可计算出气体浓度。这种方法称之为可调二极管激光光谱法(TDLS)。这里所使用的激光二极管发出的波长为窄线宽，从而能可靠地采样吸收谱线。激光二极管的壳体中安装了珀耳帖元件和温度传感器，其确保系统具有准确的温度稳定性并因此确保系统具有精确的波长稳定性。
为了校准和稳定波长而设置了参考池(Referenzküvette)，其被构造成被永久装填的气体池或流动池，其中装有包含某种气体组分的已知试验气体，所述气体组分在待测波长λ0附近有吸收。借助所述参考池可以一直检测激光二极管的波长位置并将其校准，即可以追踪到激光器的工作点。这可以自动进行，也可以手动进行。由此，激光光谱仪确定在参考池中气体吸收线的位置并用该值再来调节由于老化效应所导致的、可能会缓慢改变的激光波长。这种方法也称之为“线锁定(Line-Locking)”。
此外理想的是，不仅能够将吸收波长λ0的绝对位置识别出来并对其进行再调节，而且还能够对可调谐的波长范围Δλ进行校准。
为此US2013/0341502A1提出，设置填充有试验气体的参考池，所述参考池在可调谐的波长范围必须有至少两个吸收，以便得到关于波长差的值并可用两点校准法来校准波长范围Δλ。但这有多种缺点。一方面在可调谐的波长范围必须有两个吸收，但这种情况并非总是可能的。另一方面必须为每种波长范围，即为每种气体使用一个单独的池或给所述池填充新的气体。这会造成成本高昂而且可能会有泄漏问题。此外，两点校准法只有两个控制点(Stützstellen)。
基于现有技术，本实用新型的任务在于，提供一种经过改进的用来检测气体浓度的激光光谱仪，该激光光谱仪使得能够更加简单且尽可能更好地进行校准。
实用新型内容
此任务通过根据本实用新型所述的特征的激光光谱仪得以实现。
根据本实用新型，设置用于检测气体浓度的激光光谱仪，所述激光光谱仪具有：
-激光器，其在一定宽度的波长范围内是可调谐的，
-测量体积，其中有待测气体，所述待测气体具有在波长范围中的待测吸收，
-第一光检测器，以及
-评估和控制单元，其用于控制激光器并对第一光检测器上检测到的光强度进行评估并从而确定气体浓度，
-用于校准波长范围的宽度的装置，
其特征在于，
-用于校准宽度的装置具有干涉仪，并且
-至少一部分激光被引导通过所述装置且被第一光检测器或另一个光检测器检测到，以及
-评估和控制单元被设计成用于根据所生成的干扰信号推断出对波长范围的宽度进行的校准。
通过如本实用新型所述的用于对波长范围的宽度Δλ，即对激光光谱仪的激光器的调谐范围进行校准的装置，确保了持续监测并根据预期波长走势来控制激光器的波长变化的走势，其中所述校准独立于参考池中的试验气体的吸收线并从而独立于所使用的光谱范围，因为所述校准仅仅以干涉信号为基础。
干涉装置可在没有试验气体时构造，这样一来还额外消除了气体池的所有问题(密封、老化、表面吸附等等)。
通过对在一定波长范围上的激光器调谐(即相对于激光电流来进行激光波长调谐)的持续监测，一旦出现变化则可立即校准，以便延长光谱仪的可用性。如果变化特别大则可立即关闭光谱仪，这样就确保了与安全相关的应用(SIL“安全完整性等级”设备)中的故障安全停机。
根据本实用新型所述的激光光谱仪本身独立校准激光器的老化过程并从而提高测量的可用性，这是因为激光器的老化会被立即识别出来。早在光谱仪发生故障前就可更换激光器，这会提高用户友好性和可靠性。
本实用新型的优选应用领域是TDLS，从而使得激光器为二极管激光器并且有利地在控制或调节电路中通过匹配激光二极管的驱动电流来校准波长范围的宽度。
已知的是为了进行线锁定，即为了在波长范围始终有感兴趣的吸收，而设置有参考气体池以校准在波长范围内的绝对值。
然后有利的是，参考气体池本身可构成用于校准波长范围的装置，其中为了实现此目的有利的是参考气体池具有平面平行的窗口，这些窗口构成干涉仪。因此借助所述参考池进行线锁定并生成干扰信号用于校准调谐范围(波长范围的宽度)。
在校准装置的一个特别简单的结构中，所述装置被构造成标准具(Etalon)并包括简单的玻璃块。这种实施形式不需要维护。
借助如本实用新型所述的激光光谱仪可实施用于操作激光光谱仪的方法，所述方法包括以下步骤：
-通过可调谐激光器生成在一定宽度的波长范围内的激光束并在该波长范围的宽度上调谐波长，
-引导激光通过装有待测气体的测量体积，所述待测气体具有在所述波长范围中的待测吸收，
-用第一光探测器检测激光，并且
-在评估和控制单元中评估检测到的光并从而确定气体浓度，
-校准波长范围的宽度，
其特征在于，
-为了校准波长范围的宽度，至少一部分光被引导通过干涉仪，并且
-检测在调谐时的所述一部分光，以及
-根据所生成的干扰信号推断出对所述波长范围的宽度进行的校准。
借助参考气体池来确定所述波长范围内的至少一个波长的绝对值用于波长的绝对测量(线锁定)。
在所述方法的改进实施形式中，在对激光光谱仪工作运行进行记录之前要先记录在所述波长范围的宽度上的预期干扰曲线。为了对所述波长范围上的激光器的调谐进行监测，在工作运行时要切换到校准模式，在这种模式下比较实际干扰曲线和预期干扰曲线。从比较结果得出校准值，这些校准值有利地用于调节被构造成二极管激光器的激光器的驱动电流。
也可将校准值用来校准待测气体的最终吸收光谱，即用来校准所述光谱的波长刻度()。
如果波长范围与期望的波长范围有较大偏差Δλ，那么在以下情况输出错误信号是有用的，例如波长范围经过一段时间移动得很远，使得吸收位于激光器可到达的波长范围的边缘或者甚至超出该波长范围，而且所述吸收不再能完全被测定出来。
当测得的吸收线的宽度因压力变化或杂质气体而发生巨大变化时也可有利地使用本实用新型。这是因为对调谐范围的宽度进行匹配同样是有利的。通过精确测量激光器的调谐，可通过激光电流对其进行调节，从而使得测得的吸收信号不受压力变化或杂质气体量的影响占据在经过扫描的光谱范围中的最佳部分。
附图说明
下面借助实施例并且参考附图来详细阐述本实用新型。图中显示：
图1示出了第一实施形式中的如本实用新型所述的激光光谱仪；
图2示出了激光二极管相对于时间变化的控制函数、驱动电流；
图3示出了随时间推移或波长范围变化的检测器信号；
图4示出了在所述波长范围中的吸收；
图5示出了在所述波长范围内不同时间的吸收以阐述老化效应；
图6示出了用于校准波长范围宽度的装置的干扰信号；
图7示出了示例性的调谐曲线，其具有在波长范围的校准值；
图8和图9示出了其它实施形式中的如本实用新型所述的激光光谱仪。
图中的全部描述具有很强的示意性并且是纯粹定性的。绝对值或绝对值的比率没有意义。
具体实施方式
在图1中示出的激光光谱仪10，其在第一实施形式中具有在一定宽度Δλ的波长范围内可调谐的激光器12。激光器12的光14被引导通过装有待测气体(即待测气体具有某种气体组分，该气体组分在所述波长范围中有吸收A(图4))的测量体积16，从而使得可用第一光检测器18来检测该吸收A。
评估和控制单元20通过驱动电流IL来控制激光器12。激光器12优选为激光二极管，其中发射的波长取决于驱动电流IL。通过改变驱动电流IL，例如按图2中所示的线性斜坡，波长范围可在其宽度Δλ(从第一波长λ1直至另一波长λ2)被调谐并从而扫描吸收A，所述吸收出现在波长λ0处。
为此将光检测器18中根据入射光强度产生的检测器信号ID提供给评估和控制单元20。检测器信号ID示例性地在图3中示出。在评估和控制单元20中对检测信号ID进行评估并且根据吸收A的强度来确定吸收气体组分的气体浓度。
激光光谱仪10的其它可能的组件未被示出，所述组件对于吸收的绝对确定而言是有意义的，这是因为对涉及激光光谱仪10校准的本实用新型来说只有激光光谱仪的基本功能是重要的。
但是激光二极管，如这里所使用的激光二极管，会遭受老化过程。因此可能会出现前面描述的且接下来会简单重述的问题，即一方面会使波长漂移。这是指在驱动电流不变时不再发出吸收波长。另一方面波长范围的宽度，即调谐范围可发生改变(延展或变小)。这些效果在图5中形象地进行了描述。图5示出了在λ1与λ2之间的波长范围，即宽度为Δλ＝λ2-λ1时，波长λ0处的吸收A。经过一段时间由于老化会发生移位，如果在此期间没有进行校准的话，则移位会使吸收A出现在另一波长λ0'处。以类似的方式且由于相同的老化原因，波长范围的起始端和终止端都可移位，之后起始端和终止端位于波长λ1L和λ2L处并且具有新的宽度ΔλL＝λ2L-λ1L。
可用前面阐述的“线锁定”来阻止或补偿吸收波长λ0的“移位”。
现在本实用新型涉及激光光谱仪10的结构形式，所述激光光谱仪10用于对进一步描述的老化效应进行校准，即校准波长范围的宽度。
为此，在第一实施例中采取了以下描述的措施。在光路14中布置有光学元件22，该光学元件在这种情况下为倾斜的至少半透明的楔形物，其两个边界面会分别反射激光光束14的一部分。
第一反射部分24被用于前面阐述的“线锁定”。为此，光束24被引导通过参考气体池26到达第二检测器28上。第二检测器28与评估和控制单元20连接，所述评估和控制单元以已知的方式确保激光器12的驱动电流受到调节使得吸收A位于所述波长范围中。
第二反射部分30被用于对波长范围的宽度Δλ进行如本实用新型所述的校准。为此光束30被引导通过干涉仪32到达另一检测器34上。在调谐波长范围时，即驱动电流IL通过时，检测器34将干扰信号36测量出来，正如图6示例性地显示的。调谐范围的起始端和终止端用“0”和“1”表示。检测器34又将其信号发送至评估和控制单元20。
干扰信号36可以由单个的测量点组成，对所述测量点拟合了适当的模型函数。评估和控制单元20可以根据干扰信号36或拟合的函数，即特别是根据最大值和最小值来确定调谐曲线，用于校准在调谐范围每个点上的波长，这就意味着校准波长范围的宽度Δλ。图7中示出了可这样得到的、可能的调谐曲线。
因此，通过线锁定实现波长的绝对定位并通过如本实用新型所述的校准宽度来实现另外的相对校准，从而使得最终可正确测量出吸收A。
在所描述的实施例中，不能调节激光器12的驱动电流来进行如本实用新型所述的宽度校准，而是在评估结束时借助调谐曲线进行宽度校准作为波长校准。通过连续接收和处理干扰信号，可使调谐曲线保持最新，从而确保吸收光谱总是正确的。
在另一种实施形式中，波长范围宽度Δλ的校准可在控制电路中进行。为此，在对激光光谱仪10工作运行进行记录之前要先记录在波长范围的宽度上的预期干扰曲线。运行期间要么永久性地，要么以单次的或周期性重复的校准模式来记录最新的实际干扰曲线并且与预期干扰曲线进行比较。根据比较结果得出校准值，其被用于调节激光器12的驱动电流。
本实用新型可应用于任何类型的光谱学技术。其可以是传输测量法或波长调制光谱技术(WMS)，如图2借助驱动电流调制的截面40示出的那样，或者可以被用于任何其它类型的光谱学技术。
在图8和图9中还简单示出了激光光谱仪10的其它光学概念。在图8所示实施例中，用分束器822替代第一实施例中的楔形光学元件22，所述分束器将激光光束814分成三个子光束，其对应于第一实施例中的三个子光束。图9所示实施例中的光学元件与图8中的光学元件类似，但此处的激光光束914只分成了两个子光束，其中一个子光束被用于实际的气体测量，另一个子光束930被用于校准。这里设置了参考气体池932，该参考气体池一方面含有用于线锁定的参考气体而另一方面该参考气体池有平面平行的窗口，所述窗口实现干涉仪的功能并在检测器上产生所描述的干扰信号。
Claims (6)
1.一种用于检测气体浓度的激光光谱仪，所述激光光谱仪具有：
-激光器(12)，所述激光器(12)在一定宽度(Δλ)的波长范围内是可调谐的，
-测量体积(16)，在所述测量体积(16)中有待测气体，所述待测气体具有在波长范围(Δλ)中的待测吸收(A)，
-第一光检测器(18)，以及
-评估和控制单元(20)，其用于控制所述激光器(12)并对所述第一光检测器(18)上检测到的光强度(ID)进行评估并从而确定所述气体浓度，
-用于校准所述波长范围的宽度(Δλ)的装置(32)，
其特征在于，
-用于校准所述波长范围的宽度的装置具有干涉仪(32)，并且
-激光(14)中的至少一部分(30)被引导通过所述用于校准所述波长范围的宽度的装置(32)且被第一光检测器或另一个光检测器(34)检测到，以及
-所述评估和控制单元(20)被设计成用于根据所生成的干扰信号(36)推断出对所述波长范围的宽度(Δλ)进行的校准。
2.如权利要求1所述的激光光谱仪，其特征在于，所述激光器为二极管激光器，并且在控制或调节电路中通过匹配激光二极管的驱动电流来校准所述波长范围的宽度。
3.如权利要求1或2所述的激光光谱仪，其特征在于，设置了参考气体池以校准所述波长范围中的绝对值。
4.如权利要求3所述的激光光谱仪，其特征在于，所述参考气体池构成用于校准所述波长范围的宽度的装置并且为此具有平面平行的窗口，所述窗口构成所述干涉仪。
5.如权利要求1或2所述的激光光谱仪，其特征在于，所述用于校准所述波长范围的宽度的装置被构造成标准具并包括玻璃块。
6.如权利要求3所述的激光光谱仪，其特征在于，所述用于校准所述波长范围的宽度的装置被构造成标准具并包括玻璃块。
Applications Claiming Priority (2)
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| EP14166636.2 | 2014-04-30 | ||
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Publications (1)
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Family
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Family Applications (1)
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|---|---|
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108606779A (zh) * | 2018-04-26 | 2018-10-02 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种高速扫频激光光源的扫频参数测量仪 |
| CN109596564A (zh) * | 2018-10-12 | 2019-04-09 | 上海禾赛光电科技有限公司 | 一种激光器控制装置、阵列及控制方法 |
| CN113348363A (zh) * | 2019-03-13 | 2021-09-03 | 株式会社岛津制作所 | 液相色谱仪 |
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- 2015-04-29 CN CN201520269463.8U patent/CN204855367U/zh active Active
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