DE102013218771B3

DE102013218771B3 - Verfahren und Gasanalysator zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas

Info

Publication number: DE102013218771B3
Application number: DE102013218771.8A
Authority: DE
Inventors: Ralf Bitter; Thomas Hankiewicz; Christoph Wolfgang Marquardt; Jan Nygren; Kai-Uwe Pleban; Franz Steinbacher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2033-09-20
Also published as: WO2015039936A1

Abstract

Zur wellenlängenabhängigen Abtastung einer Absorptionslinie einer zu messenden Gaskomponente in einem Messgas (1) wird die Wellenlänge des Lichts (4) einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle (3) innerhalb periodisch aufeinanderfolgender Abtastintervalle variiert und dabei zusätzlich mit einer Frequenz (f0) moduliert. Das modulierte Licht (4) wird durch das Messgas (1) auf einen Detektor (5) geführt, dessen Messsignal (16) bei einer Oberschwingung der Frequenz demoduliert und für jedes Abtastintervall zu einem Messergebnis ausgewertet wird. Um aus Temperaturänderungen in dem Gasanalysator resultierende Driften in den Messergebnissen zu reduzieren, erfolgt in aufeinanderfolgenden Abtastintervallen die Modulation mit mindestens zwei unterschiedlichen Modulationsamplituden (K1, K2). Zur Messkalibrierung sind in einer Speichereinrichtung (21) bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der Gaskomponente für die unterschiedlichen Modulationsamplituden erhaltene Messergebnisse (20(K1), 20(K2)) sowie ihre Änderungen bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen oder Betriebstemperaturverläufen des Gasanalysators abgespeichert. Die zu messende unbekannte Konzentration (23) wird durch Vergleich der bei unterschiedlichen Modulationsamplituden (K1, K2) erhaltenen Messergebnisse (20(K1), 20(K2)) mit den abgespeicherten Messergebnissen ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Gasanalysator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Ein derartiges Verfahren bzw. ein derartiger Gasanalysator sind aus der EP 1 475 618 B1 bekannt.
Bei dem bekannten Gasanalysator handelt es sich um ein Laserspektrometer, das insbesondere für die optische Gasanalyse in der Prozessmesstechnik eingesetzt wird. Eine wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle in Form einer Laserdiode erzeugt Licht im Infrarotbereich, das durch ein zu messendes Prozessgas (Messgas) geführt und anschließend detektiert wird. Die Wellenlänge des Lichts wird auf eine spezifische Absorptionslinie der jeweils zu messenden Gaskomponente abgestimmt, wobei die Laserdiode die Absorptionslinie periodisch wellenlängenabhängig abtastet. Dazu wird die Laserdiode innerhalb von periodisch aufeinanderfolgenden Abtastintervallen mit einem rampen- oder dreieckförmigen Stromsignal angesteuert. Während der vergleichsweise langsamen Abtastung der Absorptionslinie wird zusätzlich die Wellenlänge des erzeugten Lichts mit hoher Frequenz und kleiner Amplitude sinusförmig moduliert. Da das Profil der Absorptionslinie nicht linear ist, werden in dem bei der Detektion erhaltenen Messsignal auch Harmonische oberhalb der Modulationsfrequenz erzeugt. Das Messsignal wird üblicherweise bei einer n-ten Oberschwingung, vorzugsweise der zweiten Harmonischen, durch phasensensitive Lock-in Technik demoduliert und für jedes Abtastintervall zu einem Messergebnis ausgewertet. Bei kleiner Modulationsamplitude ist die Detektion der n-ten Harmonischen direkt proportional zu der n-ten Ableitung des direkten Messsignals. Die Auswertung erfolgt z. B. durch Anfitten (Curve-Fitting) des Lorentz-Profils einer idealen Absorptionslinie bzw. dessen n-ten Ableitung an den Verlauf des demodulierten Messsignals. Aus dem dabei erhaltenen Messergebnis wird schließlich die Konzentration der zu messenden Gaskomponente bestimmt.
Temperaturänderungen innerhalb des Gasanalysators können zu Änderungen der Messergebnisse führen. Diese als Drift bezeichnete Charakteristik des Gasanalysators schränkt sein Messverhalten und zu realisierende Applikationen maßgeblich ein. Eine Ursache für die Drift können unter anderem Etalons im optischen Strahlengang sein. Diese führen in dem Verlauf des demodulierten Messsignals zu periodischen Strukturen, die im Frequenzbereich des zu erwartenden Absorptionssignals liegen. Beim Curve-Fitting führt dies zu fehlangefitteten Funktionen und Abweichungen zwischen der ermittelten Konzentrationen von der tatsächlichen Konzentrationen der zu messenden Gaskomponente.
Zur Unterdrückung dieser Störsignalanteile ist es aus der oben genannten EP 1 475 618 B1 bekannt, einen Teil des von der Lichtquelle erzeugten Lichts unmittelbar auf einen Monitordetektor zu führen und das erhaltene Monitorsignal bei der n-ten Oberschwingung zu demoduliert und auszuwerten. Jede Abweichung des demodulierten Monitorsignals von einer Nulllinie beruht auf einer optischen Störung, die, soweit sie im Bereich der Lichtquelle oder in dem von Mess- und Monitorkanal gemeinsamen genutzten Wegabschnitt des Strahlengangs liegt, auch das Messsignal beeinträchtigt. Diese Störung wird durch eine Vorverzerrung der Ansteuerung der Lichtquelle kompensiert, indem die Wellenlänge des Lichts zusätzlich mit der n-ten Oberschwingung moduliert wird, wobei die Modulationsintensität von dem demodulierten Monitorsignal abhängig ist.
Die Auskopplung eines Teils des erzeugten Lichts auf den Monitordetektor ist jedoch mit einem erhöhten konstruktiven und schaltungstechnischen Aufwand verbunden, der mit einer höheren Störempfindlichkeit einhergeht. Außerdem können außerhalb der gemeinsamen Abschnitte des Mess- und Monitorkanals auftretende Störungen des Messsignals nicht kompensiert werden.
Aus der EP 2 336 738 A1 oder EP 1 927 831 A1 ist es bekannt, die optische Weglänge beispielsweise durch mechanische Vibration der Lichtquelle zu variieren und die störenden periodischen Strukturen aus dem demodulierten Messsignal herauszumitteln. Dadurch lassen sich aber nur bestimmte, von parallelen optischen Oberflächen im Stahlengang erzeugte Interferenz-Störungen reduzieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus Temperaturänderungen in dem Gasanalysator resultierende Driften in den Messergebnissen zu reduzieren.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch das in Anspruch 1 definierte Verfahren sowie den in Anspruch 6 angegebenen Gasanalysator gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht also vor,

– dass die sinusförmige Modulation in aufeinanderfolgenden Abtastintervallen mit mindestens zwei unterschiedlichen Modulationsamplituden erfolgt,
– dass zur Messkalibrierung in einer Speichereinrichtung bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der zu messenden Gaskomponente für die unterschiedlichen Modulationsamplituden erhaltene Messergebnisse und ihre Änderungen bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen oder Verläufen der Betriebstemperatur des Gasanalysators abgespeichert werden, und
– dass beim Messen einer unbekannten Konzentration der Gaskomponente durch Vergleich der in aufeinanderfolgenden Abtastintervallen bei unterschiedlichen Modulationsamplituden erhaltenen Messergebnisse mit den abgespeicherten Messergebnissen die zu messende Konzentration ermittelt wird.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die aus der sinusförmigen Modulation mit unterschiedlichen Modulationsamplituden resultierenden demodulierten Messsignale von derselben Störung unterschiedlich stark beeinflusst werden. Wenn diese demodulierten Messsignale bei derselben Konzentration der zu messenden Gaskomponente erhalten werden, enthalten sie zusammen eine Zusatzinformation über die Störung, wobei diese Zusatzinformation umso detaillierter und genauer ist, je mehr unterschiedliche Modulationsamplituden verwendet werden. Mit dieser Zusatzinformation kann die Störung erkannt und kompensiert werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasanalysator,
2 ein Beispiel für die Störung eines demodulierten Messsignals,
3 ein Beispiel für das demodulierte Messsignal bei unterschiedlichen Modulationsamplituden,
4 beispielhaft die Frequenzspektren der Störung und des demodulierten Messsignals bei unterschiedlichen Modulationsamplituden, und
5 ein Beispiel für die Kalibrationsmatrix.
Bei dem in 1 in Form eines vereinfachten Blockschaltbildes gezeigten Gasanalysator handelt es sich um ein Laserspektrometer zur Messung der Konzentration mindestens einer interessierenden Gaskomponente eines Messgases 1, das in einem Messvolumen 2, beispielsweise einer Messküvette oder einer Prozessgasleitung, enthalten ist. Das Spektrometer enthält eine Lichtquelle 3 in Form einer Laserdiode, deren Licht 4 nach Durchstrahlen des Messgases 1, auf einen Messdetektor 5 fällt. Eine von einer Modulationseinrichtung 6 gesteuerte Stromquelle 7 speist die Laserdiode 3 mit einem Injektionsstrom i, wobei die Intensität und Wellenlänge des erzeugten Lichts 4 von dem Strom i und der Betriebstemperatur der Laserdiode 3 abhängen. Die Modulationseinrichtung 6 umfasst einen ersten Signalgenerator 8, der die Stromquelle 7 periodisch mit einer vorgegebenen, vorzugsweise rampen- oder dreieckförmigen Funktion 9 angesteuert, um mit der mehr oder weniger linear dem Verlauf des Stromes i folgenden Wellenlänge des erzeugten Lichts 4 eine ausgewählte Absorptionslinie der interessierenden Gaskomponente abzutasten. Ein zweiter Signalgenerator 10 erzeugt ein sinusförmiges Signal 11 höherer Frequenz f₀, mit dem in einem Summierglied 12 die rampen- oder dreieckförmige Funktion 9 moduliert wird. Eine von dem ersten Signalgenerator 8 gesteuerte Steuereinheit 13 wählt aus mindestens zwei in einem Funktionsblock 14 enthaltenen unterschiedliche Werten K1, K2 einen Wert aus, mit dem in einem Multiplizierer 15 das sinusförmige Signal 11 multipliziert und so seine Modulationsamplitude eingestellt wird. In jeweils unmittelbar oder in vorgegebener Anzahl aufeinanderfolgenden Abtastintervallen werden unterschiedliche Modulationsamplituden eingestellt (z. B. K1, K2, K1, K2 usw. oder K1, K1, K2, K2, K1, K1, K2, K2 usw.), wobei insbesondere bei Modulation mit mehr als zwei verschiedenen Modulationsamplituden jede der Modulationsamplituden einmal verwendet worden sein muss, bevor sich die Konzentration der zu messenden Gaskomponente messbar geändert hat.
Der Messdetektor 5 erzeugt in Abhängigkeit von der detektierten Lichtintensität ein Messsignal 16, das in einem Lock-in-Verstärker 17 einer Auswerteeinrichtung 18 bei einer Harmonischen n·f₀ der Modulationsfrequenz f₀ demoduliert wird. In einer nachgeordneten Auswerteeinheit 19 wird das demodulierte Messsignal 16' für jedes Abtastintervall zu einem Messergebnis ausgewertet. Die in aufeinanderfolgenden Abtastintervallen bei unterschiedlichen Modulationsamplituden K1, K2 erzeugten Messergebnisse 20(K1), 20(K2) werden einer Speichereinrichtung 21 zugeführt und mit dort z. B. in einer Kalibrationsmatrix 22 abgespeicherten Messergebnissen verglichen, die bei einer Kalibration des Gasanalysators erhalten worden sind. Bei den abgespeicherten Messergebnissen handelt es sich um die bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der zu messenden Gaskomponente für die unterschiedlichen Modulationsamplituden erhaltenen Messergebnisse und ihre Änderungen bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen oder Verläufen der Betriebstemperatur des Gasanalysators. Die zu messende Konzentration der Gaskomponente 23 wird dann durch Vergleich der in den aufeinanderfolgenden Abtastintervallen bei den unterschiedlichen Modulationsamplituden K1, K2 erhaltenen Messergebnisse 20(K1), 20(K2) mit den abgespeicherten Messergebnissen ermittelt und ausgegeben.
Wie eingangs bereits erläutert, können Temperaturänderungen innerhalb des Gasanalysators zu einer Drift der Messergebnisse führen. Eine Ursache für die Drift können unter anderem Etalons im optischen Strahlengang sein, die zu periodischen Strukturen im Verlauf des demodulierten Messsignals 16' führen.
2 zeigt beispielhaft ein bei der zweiten Harmonischen 2f₀ der Modulationsfrequenz f₀ demoduliertes ideales Messsignal l6'a, das der zweiten Ableitung der abgetasteten Absorptionslinie entspricht, eine periodische Störung 24 sowie das von der Störung 24 überlagerte Messsignal 16'b. Es ist sofort erkennbar, dass ein Anfitten der 2-ten Ableitung des Lorentz-Profils einer idealen Absorptionslinie an das gestörte Messsignal 16'b nicht zu einer korrekten Konzentrationsbestimmung führt.
3 zeigt beispielhaft zwei bei Abtastung jeweils derselben Absorptionslinie erhaltene demodulierte Messsignale 16'(K1), 16'(K2), wobei im Falle des Messsignals 16'(K1) die Modulation bei der Frequenz f₀ mit einer kleineren Modulationsamplitude K1 und im Falle des Messsignals 16'(K2) Modulationsamplitude K2 erfolgte.
4 zeigt beispielhaft die Frequenzspektren der Störung 24 und der demodulierten Messsignale 16'(K1), 16'(K2).
Aus den 2 bis 4 ergibt sich, dass die aus der f₀-Modulation mit unterschiedlichen Modulationsamplituden K1, K2 resultierenden demodulierten Messsignale 16'(K1), 16'(K2) von derselben Störung 24 unterschiedlich stark beeinflusst werden, was sich insbesondere im Frequenzbereich zeigt. Da beide demodulierten Messsignale 16'(K1), 16'(K2) bei derselben Konzentration der zu messenden Gaskomponente aufgenommen worden sind, enthalten sie gemeinsam eine Zusatzinformation über die Störung, wobei diese Zusatzinformation umso detaillierter und genauer ist, je mehr unterschiedliche Modulationsamplituden K1, K2, ... verwendet werden.
In der Auswerteeinheit 19 (vgl. 1) wird das demodulierte Messsignal 16' (das sich aus den abwechselnd aufeinander folgenden demodulierten Messsignalen 16'(K1) und 16'(K1) zusammensetzt) für jedes Abtastintervall zu den Messergebnissen 20(K1), 20(K2) ausgewertet, die neben der zu bestimmenden Konzentration der Gaskomponente auch die Zusatzinformation über die Störung enthalten. Die Auswertung kann in an sich bekannter Weise durch Curve-Fitting erfolgen. Wie anhand von 4 leicht zu erkennen ist, können z. B. auch die Frequenzspektren der demodulierten Messsignalen 16'(K1), 16'(K1), oder auf besonders einfache Weise die Maxima 25, 26 der Frequenzspektren ausgewertet werden.
5 zeigt ein Beispiel für die Kalibrationsmatrix 22 (vgl. 1), in der im Verlauf einer Kalibrierung des Gasanalysators bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der zu messenden Gaskomponente für die beiden unterschiedliche Modulationsamplituden K1, K2 erhaltene Messergebnisse 20(K1), 20(K2) zusammen mit den zugehörigen Konzentrationswerten als Wertepaare (2-Tupel) 27 abgespeichert sind. Das Wertepaar 27a wurde bei der Konzentration Null und das Paar 27e bei der höchsten zu erwartenden Konzentration (Endkonzentration) ermittelt. Die ermittelten Wertepaare liegen auf einer Kennlinie 28, hier z. B. einer Geraden, deren übrige Werte durch Interpolation berechnet werden können.
Durch mehrfache Kalibrierung des Gasanalysators bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen oder Betriebstemperaturverläufen werden Informationen über Abweichungen von der Kennlinie 28 erhalten, die ebenfalls abgespeichert werden. Im einfachsten Fall verläuft die Störbeeinflussung in eine Richtung 29, indem die Kennlinie 28 z. B. gedreht oder verschoben wird. Beim Messen einer unbekannten Konzentration der Gaskomponente wird ein dabei erhaltenes Wertepaar 30 mit den abgespeicherten Wertepaaren 27 verglichen und anhand der ebenfalls abgespeicherten Informationen über die Abweichung, hier also die Information über die Richtung 29, rechnerisch auf die Kennlinie 28 zurückverschoben, um dort an der Stelle 31 die korrekte Konzentration 23 (vgl. 1) der Gaskomponente abzulesen.
Wie bereits erwähnt, kann ein komplizierteres Driftverhalten des Gasanalysators kompensiert werden, indem die Modulation bei der Frequenz f₀ mit n > 2 verschiedenen Modulationsamplituden K1, ..., Kn durchgeführt wird und die n erhaltenen Messergebnisse 20(K1), ..., 20(Kn) mit n-Tupeln in einer n-dimensionalen Kalibrationsmatrix verglichen werden. Anstatt bei der Kalibrierung die Änderungen der Messergebnisse bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen oder ihren Verläufen zu erfassen, so wie Richtung 29 der Änderung bei dem vorangegangenen Beispiel, können die n-Tupel selbst mit den zugehörigen bekannten Konzentrationen der Gaskomponente abgespeichert werden, so dass später beim Messen der unbekannten Konzentration der Gaskomponente der Konzentrationswert für das dabei erhaltene n-Tupel aus der Kalibrationsmatrix 22 herausgelesen oder durch Interpolation mit den Konzentrationswerten der jeweils benachbarten abgespeicherten n-Tupel ermittelt werden kann.

Claims

Verfahren zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas (1) mittels eines Gasanalysators, wobei – zur wellenlängenabhängigen Abtastung einer interessierenden Absorptionslinie der Gaskomponente die Wellenlänge des Lichts (4) einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle (3) innerhalb periodisch aufeinanderfolgender Abtastintervalle variiert und dabei zusätzlich mit einer Frequenz (f₀) moduliert wird, – das modulierte Licht (4) durch das Messgas (1) auf einen Detektor (5) geführt wird, und – ein von dem Detektor (5) erzeugtes Messsignal (16) bei einer Oberschwingung (n·f₀, n = 2, 3, 4, ...) der Frequenz (f₀) demoduliert und für jedes Abtastintervall zu einem Messergebnis ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass in aufeinanderfolgenden Abtastintervallen die Modulation bei der Frequenz (f₀) mit mindestens zwei unterschiedlichen Modulationsamplituden (K1, K2) erfolgt, – dass zur Messkalibrierung in einer Speichereinrichtung (21) bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der zu messenden Gaskomponente für die unterschiedlichen Modulationsamplituden (K1, K2) erhaltene Messergebnisse (20(K1), 20(K2)) und ihre Änderungen bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen oder Verläufen der Betriebstemperatur des Gasanalysators abgespeichert werden, und – dass beim Messen einer unbekannten Konzentration der Gaskomponente durch Vergleich der in aufeinanderfolgenden Abtastintervallen bei unterschiedlichen Modulationsamplituden (K1, K2) erhaltenen Messergebnisse (20(K1), 20(K2)) mit den abgespeicherten Messergebnissen die zu messende Konzentration (23) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messergebnis (20(K1), 20(K2)) gebildet wird, indem der Verlauf eines demodulierten Messsignals (16') über das Abtastintervall an eine Idealkurve angefittet oder sein Frequenzspektrum, insbesondere dessen Maximum, ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bei den unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der zu messenden Gaskomponente für n (n ≥ 2) unterschiedliche Modulationsamplituden (K1, K2)) erhaltenen Messergebnisse (20(K1), 20(K2)) als n-Tupel (27) in einer Kalibrationsmatrix (22) abgespeichert sind.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die abgespeicherten n-Tupel (27) eine Kennlinie (28) bilden und die Änderungen der Messergebnisse bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen oder Verläufen der Betriebstemperatur des Gasanalysators in Form von Abweichungen von der Kennlinie (28) abgespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen oder Verläufen der Betriebstemperatur des Gasanalysators erhaltenen Messergebnisse ebenfalls als n-Tupel in der Kalibrationsmatrix (22) abgespeichert sind und dass beim Messen der unbekannten Konzentration der Gaskomponente durch Vergleich der in den aufeinanderfolgenden Abtastintervallen bei den unterschiedlichen Modulationsamplituden erhaltenen Messergebnisse (20(K1), 20(K2)) mit den als n-Tupel abgespeicherten Messergebnissen ermittelt werden.
Gasanalysator zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas (1) mit – einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle (3), – einer Modulationseinrichtung (6), die zur wellenlängenabhängigen Abtastung einer interessierenden Absorptionslinie der Gaskomponente die Wellenlänge des Lichts (4) der Lichtquelle (3) innerhalb periodisch aufeinanderfolgender Abtastintervalle variiert und dabei zusätzlich mit einer Frequenz (f₀) moduliert, – Mitteln, die das modulierte Licht (4) durch das Messgas (1) auf einen Detektor (5) führen, und – einer Auswerteeinrichtung (18), die ein von dem Detektor (5) erzeugtes Messsignal (16) bei einer Oberschwingung (n·f₀, n = 2, 3, 4, ...) der Frequenz (f₀) demoduliert und für jedes Abtastintervall zu einem Messergebnis auswertet, dadurch gekennzeichnet, – dass die Modulationseinrichtung (6) dazu ausgebildet ist, die Modulation bei der Frequenz (f₀) in aufeinanderfolgenden Abtastintervallen mit mindestens zwei unterschiedlichen Modulationsamplituden (K1, K2) durchzuführen, – dass die Auswerteeinrichtung (18) eine Speichereinrichtung (21) enthält, in der bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der zu messenden Gaskomponente für die unterschiedlichen Modulationsamplituden (K1, K2) erhaltene Messergebnisse und ihre Änderungen bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen oder Verläufen der Betriebstemperatur des Gasanalysators abgespeichert sind, und – dass die Auswerteeinrichtung (18) ferner dazu ausgebildet ist, beim Messen einer unbekannten Konzentration der Gaskomponente durch Vergleich der in aufeinanderfolgenden Abtastintervallen bei unterschiedlichen Modulationsamplituden (K1, K2) erhaltenen Messergebnisse (20(K1), 20(K2)) mit den abgespeicherten Messergebnissen die zu messende Konzentration (23) zu ermitteln.