DE10147065A1

DE10147065A1 - Verfahren zur Detektion von Absorptionslinien in der Absorptionsspektroskopie

Info

Publication number: DE10147065A1
Application number: DE2001147065
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Oliver Hennig; Erhard Magori; Hans Meixner; Rainer Strzoda; Christian Tump
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2003-06-12
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: DE10147065B4

Abstract

Es wird vorgeschlagen, aus einem rampenförmigen Detektorsignal (8) ein Detektorgrundsignal (23) herauszufiltern und anschließend die Differenz zwischen dem Detektorsignal (8) und dem Detektorgrundsignal (23) zu bilden, um ein Ausgangssignal (10) mit geringem Pegelhub zu erhalten. Alternativ wird vorgeschlagen, das Detektorsignal (8) zu glätten und anschließend zu differenzieren.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Detektion von Absorptionslinien in der Absorptionsspektroskopie.

Für eine Vielzahl von Aufgaben im Bereich Sicherheit, Komfort und Umweltschutz besteht ein großer Bedarf an kostengünstigen und zuverlässigen Gassensoren. Zu diesem Zweck eignet sich insbesondere die Absorptionsspektroskopie mit Hilfe von Laserdioden. Diese Laserdioden emittieren Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich, in dem zahlreiche zu überwachende Gase Absorptionsbanden aufweisen. Im Wellenlängenbereich der Absorptionsbande wird die von den Laserdioden emittierte Strahlung absorbiert. Dieser Effekt kann dazu verwendet werden, die Konzentration der zu überwachenden Moleküle entlang einer Messstrecke festzustellen. Dazu wird die von einer Laserdiode emittierte Strahlung entlang der Messstrecke durch ein Gasvolumen geschickt und anschließend die Intensität der transmittierten Strahlung gemessen. Durch eine Variation der Frequenz oder Wellenlänge der von der Laserdiode emittierten Strahlung können die Absorptionsbanden der zu überwachenden Moleküle im Gasvolumen abgescannt werden.

Das vom Detektor abgegebene Signal weist häufig einen rampenförmigen Verlauf auf, so dass das Problem auftritt, aus dem näherungsweise linear ansteigenden Detektorsignal eine im Verhältnis zum Pegel des Detektorsignals schwache Absorptionslinie mit geringer Tiefe möglichst genau aufzulösen. Um eine Verarbeitung des Detektorsignals durch einen Microcontroller zu ermöglichen, muss das analoge Detektorsignal durch einen Analog-Digital-Wandler umgewandelt werden. Da trotz des großen Pegelhubs des Detektorsignals Absorptionslinien geringer Tiefe mit großer Genauigkeit aufgelöst werden sollen, müssen zur Umwandlung des analogen Detektorsignals teuere Analog-Digital-Wandler verwendet werden, die über eine große Zahl von Bits verfügen. Dementsprechend teuer werden die Gassensoren.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Detektion von Absorptionslinien anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten gelöst:

- Erfassen von frequenzmäßig variierender, eine Absorptionslinie abscannender Strahlung in einem Detektor;
- Erzeugen eines Detektorsignals durch den Detektor mit einem im Vergleich zur Tiefe der Absorptionslinie größeren, frequenzabhängigen Pegelhub;
- Ausfiltern eines Detektorgrundsignals ohne Absorptionslinie mit Hilfe eines Tiefpassfilters;
- Bildung eines Differenzsignals zwischen dem Detektorgrundsignal und dem ungefilterten Detektorsignal unter Verwendung eines Differenzverstärkers; und
- Ausgabe des Differenzsignals.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird das ursprüngliche Detektorsignal mit Hilfe eines Tiefpassfilters soweit geglättet, dass selbst die zu vermessende Absorptionslinie nicht mehr im Detektorgrundsignal enthalten ist. Durch Subtraktion des ursprünglichen Detektorsignals vom Detektorgrundsignal kann jedoch das Differenzsignal gebildet werden, das die Absorptionslinien enthält und das einen geringen Pegelhub aufweist, so dass kostengünstige Analog-Digital-Wandler mit einer im Vergleich zum Stand der Technik geringeren Zahl von Bits verwendet werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch ein Verfahren mit folgenden Verfahrensschritten gelöst:

- Erfassen von frequenzmäßig variierender, eine Absorptionslinie abscannender Strahlung in einem Detektor;
- Erzeugen eines Detektorsignals mit einem im Vergleich zur Tiefe der Absorptionslinie größeren, frequenzabhängigen Pegelhub;
- Ausfiltern eines die Absorptionslinie enthaltenden Detektorgrundsignals mit Hilfe eines Tiefpassfilters;
- Bildung eines Ableitungssignals aus dem Detektorgrundsignal unter Verwendung eines Differentiators; und
- Ausgabe des Ableitungssignals.

Bei diesem Verfahren wird das Detektorsignal zunächst durch einen Tiefpass soweit geglättet, dass das Rauschen des Detektorsignals nicht zu einem nennenswerten Pegel beim Erzeugen des Ableitungssignals führt. Das ursprüngliche Detektorsignal darf allerdings nicht soweit geglättet werden, dass im Detektorgrundsignal die Absorptionslinie nicht mehr enthalten ist. Falls die Absorptionslinie im Detektorgrundsignal weiter enthalten ist, führt die Bildung der Ableitung des Detektorgrundsignals zu einer detektierbaren Pegeländerung des Ableitungssignals, so dass die Absorptionslinie sicher detektiert werden kann. Für die Umwandlung des analogen Ableitungssignals ist auch in diesem Fall lediglich ein kostengünstiger Analog-Digital-Wandler mit einer im Vergleich zum Stand der Technik geringen Zahl von Bits nötig.

Weitere Einzelheiten sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Gassensors;
Fig. 2 ein Diagramm mit dem Detektorsignal eines im Gassensor aus Fig. 1 verwendeten Detektors;
Fig. 3 eine typische Absorptionslinie in hoher Auflösung;
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung verwendeten Schaltungsanordnung;
Fig. 5 ein Diagramm mit dem Verlauf eines Detektorsignals, eines ausgefilterten Detektorgrundsignals und eines Differenzsignals;
Fig. 6 eine Schaltungsanordnung, die für eine weitere Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung verwendbar ist; und
Fig. 7 ein Diagramm, in das das Detektorsignal, ein Detektorgrundsignal und ein Ableitungssignal eingetragen sind.
In Fig. 1 ist das Blockschaltbild eines Gassensors 1 dargestellt. Der Gassensor 1 weist eine von einer Lasersteuerung 2 gesteuerte Laserdiode 3 auf, die üblicherweise infrarotes Licht 4 entlang einer Messstrecke in einer Gaszelle 5 sendet. Das von der Laserdiode 3 emittierte infrarote Licht wird von einem Photodetektor 6 erfasst, der eine Schaltung 7 zur Signalaufbereitung mit einem Detektorsignal 8 beaufschlagt.
Beim Betrieb des Gassensor 1 wird die Wellenlänge des infraroten Lichts 4 von der Lasersteuerung 2 variiert und dadurch die zu untersuchenden Absorptionslinie des sich in der Gaszelle 5 befindenden Gases abgescannt. Die jeweils eingestellte Frequenz der Laserdiode 3 wird an die Auswerteeinheit 9 übermittelt, die auch ein von der Schaltung 7 zur Signalaufbereitung übermitteltes Ausgangssignal 10 empfängt. In Abwandlung dazu kann auch die Auswerteeinheit 9 der Lasersteuerung 2 die einzustellende Wellenlänge vorgeben.
In Fig. 2 ist ein typisches Detektorsignal 8 mit seinem zeitlichen Verlauf dargestellt. Sowohl die Zeit entlang der Zeitachse als auch der Pegel sind in beliebigen Einheiten aufgetragen. Das in Fig. 2 dargestellte Detektorsignal 8 verläuft rampenförmig und weist eine einzelne Absorptionslinie 11 auf.
Um aus dem Detektorsignal 8 das in Fig. 3 mit vergrößertem Zeitmaßstab dargestellte Ausgangssignal 10 herzustellen, wird beim Stand der Technik zum Beispiel ein Analog-Digital-Wandler mit einer sehr großen Zahl von Bits verwendet. Nachfolgend werden Schaltungen 7 beschrieben, die den Einsatz von Analog-Digital-Wandlern mit einer im Vergleich zum Stand der Technik geringeren Zahl von Bits ermöglichen.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Schaltung 7 wird das an einem Eingang 12 anliegende Detektorsignal 8 an ein RC-Glied weitergeleitet, das aus einem Ohmschen Widerstand 13 und einer Kapazität 14 besteht. Dem RC-Glied ist ein Operationsverstärker 15 nachgeschaltet, der zusammen mit dem RC- Glied einen Tiefpassfilter 16 bildet.
Dem Tiefpassfilter 16 ist ein Differenzverstärker 17 nachgeschaltet, der den Eingängen eines Operationsverstärkers 18 vorgeschaltete Eingangswiderstände 19 und 20 und einen Rückkopplungswiderstand 21 umfasst.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Schaltung 7 ist der Eingangswiderstand 20 direkt mit dem Eingang 12 verbunden, so dass das an einem Ausgang 22 der Schaltung anliegende Ausgangssignal 10 der Differenz zwischen dem ursprünglich am Eingang 12 anliegenden Detektorsignal 8 und dem Ausgangssignal des Tiefpassfilters 16 entspricht.
Die Zeitkonstante des Tiefpassfilters 16 ist so gewählt, dass die Absorptionslinie 11 aus dem Detektorsignal 8 herausgefiltert wird. Dies wird dann erreicht, wenn die Zeitkonstante des Tiefpassfilters 16 wesentlich größer als die zum Abscannen der Absorptionslinie 11 benötigte Zeit ist.
Als Ausgangssignal des Tiefpassfilters 16 ergibt sich dann das in Fig. 5 dargestellte Detektorgrundsignal 23, das einen linear ansteigenden Verlauf aufweist. Wie in Fig. 5 erkennbar ist, kann dann durch Subtraktion des ursprünglichen Detektorsignals 8 vom Detektorgrundsignal 23 das Ausgangssignal 10 gebildet werden, das einen wesentlich kleineren Pegelhub als das ursprüngliche Detektorsignal 8 aufweist. Folglich genügt zur Umwandlung des analogen Ausgangssignals 10 in ein digitales Messsignal ein Analog-Digital-Wandler mit einer im Vergleich zum Stand der Technik geringeren Zahl von Bits.
In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schaltung 7 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Schaltung 7 wird das am Eingang 12 anliegende Detektorsignal 8 zunächst durch ein von einem Ohmschen Widerstand 24 und einer Kapazität 25 gebildeten Tiefpassfilter 26 soweit geglättet, dass das Ausgangssignal sinnvoll durch den nachfolgenden Differentiator 27 differentiert werden kann.
Der Differentiator 27 umfasst einen Eingangsverstärker 28. Der Eingangsverstärker 28 versucht bei einer an seinen Eingängen anliegenden konstanten Spannungsdifferenz, die Kapazität 29 so weit aufzuladen, bis die Spannungsdifferenz an seinen Eingängen ausgeglichen ist. Der Ladestrom in die Kapazität 29 fließt dabei durch einen Ohmschen Widerstand 30, wobei der am Ohmschen Widerstand 30 auftretende Spannungsabfall von einem Differenzverstärker 31 erfasst wird. Der Differenzverstärker 31 wird von einem Operationsverstärker 32 gebildet, der in der üblichen Weise mit Eingangswiderständen 33 und 34 sowie einem Rückkopplungswiderstand 35 und einem Ableitwiderstand 36 beschaltet ist.
In Fig. 7 ist wiederum das Detektorsignal 8 dargestellt. Durch die in Fig. 6 dargestellte Schaltungsanordnung wird das Detektorsignal 8 zu einem Detektorgrundsignal 37 geglättet, das die Absorptionslinie 11 enthält. Dies wird dann erreicht, wenn die Zeitkonstante des Tiefpassfilters 26wesentlich kleiner als die zum Abscannen der Absorptionslinie 11 benötigte Zeit ist.
Durch den Differentiator 27 wird aus dem Detektorgrundsignal das Ausgangssignal 10 gebildet, das je nach Bedarf mit einem Offset beaufschlagt werden kann, um die Anwendung von Analog- Digital-Wandlern mit im Vergleich zum Stand der Technik geringer Bitzahl zu ermöglichen.

Claims

1. Verfahren zur Detektion einer Absorptionslinie (11) in der Absorptionsspektroskopie mit den Verfahrensschritten:

- Erfassen von frequenzmäßig variierender, die Absorptionslinie (11) abscannender Strahlung in einem Detektor (6);

- Erzeugen eines Detektorsignals (8) durch den Detektor (6) mit einem im Vergleich zur Tiefe der Absorptionslinie (11) größeren, frequenzmäßigen Pegelhub;

- Ausfiltern eines Detektorgrundsignals (23) ohne Absorptionslinie (11) mit Hilfe eines Tiefpassfilters (16);

- Bildung eines Differenzsignals (10a) zwischen dem Detektorgrundsignal (23) und dem ungefilterten Detektorsignal (8) unter Verwendung eines Differenzverstärkers (17); und

- Ausgabe des Differenzsignals (10a) als Ausgangssignal (10).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Zeitkonstante des Tiefpassfilters (16) größer ist als die zum Abscannen der Halbwertsbreite der Absorptionslinie (11) durch die frequenzmäßig variierende Strahlung (4) benötigte Zeit.

3. Verfahren zur Detektion einer Absorptionslinie in der Absorptionsspektroskopie mit den Verfahrensschritten:

- Erfassen von frequenzmäßig variierender, eine Absorptionslinie (11) abscannender Strahlung (4) in einem Detektor (6)

- Erzeugen eines Detektorsignals (8) mit einem im Vergleich zur Tiefe der Absorptionslinie (11) größeren, frequenzabhängigen Pegelhub;

- Ausfiltern eines die Absorptionslinie (11) enthaltenden Detektorgrundsignals (37) mit Hilfe eines Tiefpassfilters (26);

- Bildung eines Ableitungssignals (10b) aus dem Detektorgrundsignal (37) unter Verwendung eines Differentiators (27); und

- Ausgabe des Ableitungssignals (10b) als Ausgangssignal (10).

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Zeitkonstante des Tiefpassfilters (26) kleiner als die zum Abscannen der Halbwertsbreite der Absorptionslinie (11) durch die frequenzmäßig variierende Strahlung (4) benötigte Zeit ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem zu dem Ableitungssignal (10b) ein zeitlich konstantes Signal hinzuaddiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Pegel des Detektorsignals (8) rampenförmig variiert.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem zum Erzeugen der frequenzmäßig variierenden, die Absorptionslinie (11) abscannenden Strahlung eine Laserdiode (3) verwendet wird, deren Betriebsstrom mit der Zeit variiert.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Ausgabe des Ausgangssignals (10) an einen Analog- Digital-Wandler erfolgt.