DE102014215848A1

DE102014215848A1 - Verfahren und Gasanalysator zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas

Info

Publication number: DE102014215848A1
Application number: DE102014215848.6A
Authority: DE
Inventors: Franz Steinbacher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-08-11
Filing date: 2014-08-11
Publication date: 2016-02-11

Abstract

Zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas (1) wird Licht (4) durch das Messgas (1) auf einen Detektor (5) geführt und ein von diesem erzeugtes Messsignal (14) ausgewertet. Durch periodische Variation der Wellenlänge des Lichts (4) wird eine interessierenden Absorptionslinie der Gaskomponente wellenlängenabhängig abgetastet. Zusätzlich wird das Licht (4) mit einer Modulationsfrequenz (f) moduliert und das Messsignal (14) bei der zweiten Harmonischen (2f) der Modulationsfrequenz (f) phasensensitiv demoduliert. Es ist eine Zwei-Ton-Modulation mit einer ersten Modulationsfrequenz (f) und einer dreimal größeren zweiten Modulationsfrequenz (3f) bekannt. Um das Messsignal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, wird das Messsignal (14) zusätzlich bei der zweiten Harmonischen (6f) der zweiten Modulationsfrequenz (3f) phasensensitiv demoduliert. Ein dabei erhaltenes zweites demoduliertes Messsignal (146f) wird entweder mit dem ersten demodulierten Messsignal (142f) zu einem Überlagerungssignal (21) zusammengeführt, das anschließend zu einem Gesamt-Messergebnis (23) ausgewertet wird, oder beide demodulierten Messsignale (42f, 146f) werden zu Einzel-Messergebnissen ausgewertet, die zu dem Gesamt-Messergebnis zusammengeführt werden. Die Modulation kann auf weitere Modulationsfrequenzen (5f, 7f) ausgedehnt werden, die um den doppelten Betrag (2f) der ersten Modulationsfrequenz (f) voneinander beabstandet sind. Die Demodulation kann auf die Summen- und Differenzfrequenzen (4f, 8f, 12f) der verwendeten Modulationsfrequenzen (f, 3f, 5f, 7f) ausgedehnt werden. Zusätzlich oder ergänzend kann das Messsignal (14) bei den Modulationsfrequenzen (f, 3f) phasensensitiv demoduliert und ausgewertet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 6 sowie einen Gasanalysator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 oder 12.
Ein derartiges Verfahren bzw. ein derartiger Gasanalysator in Form eines Laserspektrometers sind beispielsweise aus Cassidy D. T. et al: "Harmonic Detection with Tunable Diode Lasers – Two-Tone Modulation", Applied Physics B, Bd. 29, Nr. 4, 1. Dezember 1982, Seiten 279–285 bekannt.
Laserspektrometer werden insbesondere für die optische Gasanalyse in der Prozessmesstechnik eingesetzt wird. Eine wellenlängenabstimmbare Lichtquelle in Form einer Laserdiode erzeugt Licht im Infrarotbereich, das entlang einer Messstrecke in einer Prozessanlage oder einer Gaszelle durch ein 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 beispielsweise durch Anfitten (Curve-Fitting) des im Idealfall zu erwartenden und mittels eines Näherungsmodells analytisch beschriebenen Verlaufs des demodulierten Messsignals (Sollkurve) an dessen tatsächlichen Verlauf (Istkurve). Da einer der Parameter des Näherungsmodells zu der Konzentration der Gaskomponente proportional ist, erhält man als Ergebnis der Auswertung und damit als Messergebnis die Konzentration der zu messenden Gaskomponente.
Bei dem aus Cassidy D. T. et al bekannten Verfahren bzw. Gasanalysator wird die Wellenlänge des Lichts zusätzlich zu der Modulation mit der Frequenz f₁ mit einer Jitterfrequenz f₂ moduliert, um den Einfluss von Interferenzen auf das bei der zweiten Harmonischen demodulierte Messsignal zu verringern. Die Amplitude bzw. der Modulationsindex (d. h. das Verhältnis der spektralen Modulationsamplitude zur Halbwertsbreite der abgetasteten Absorptionslinie) der Modulation mit der Frequenz f₁ ist mit m₁ = 2,2 so gewählt, dass das demodulierte Messsignal an der Stelle der Absorptionslinie maximal ist. Die Jitterfrequenz f₂ und der Modulationsindex m₂ für die Modulation mit der Jitterfrequenz sind so gewählt, dass der Einfluss bestimmter Interferenzen minimal wird. Dabei ist die Jitterfrequenz grundsätzlich unabhängig von der Modulationsfrequenz und steht in keinem harmonischen Zusammenhang mit ihr. Lediglich für den Fall, dass die Breite der Absorptionslinie und die Abstände der Interferenzlinien vergleichbar sind, wird vorgeschlagen, die Jitterfrequenz f₂ = 3f₁ zu wählen; der Modulationsindex m₂ beträgt dabei m₂ = m₁/2. Die zweite Harmonische des demodulierten Messsignals setzt sich aus der zweite Harmonischen 2f₁ des aus der Modulationsfrequenz f₁ resultierenden Messsignalanteils und den Summen- und Differenzfrequenzen f₂ – f₁, 2f₂ – 4f₁, 5f₁ – f₂, 3f₂ – 7f₁, 8f₁ – 24f₂ usw. zusammen.
Aus der EP 1 475 618 B1 ist es bekannt, zur Kompensation von Nichtlinearitäten bei der Wellenlängenmodulation, einen Teil des von der Lichtquelle erzeugten Lichts unmittelbar auf einen Monitordetektor zu führen und das erhaltene Monitorsignal bei der n-ten Oberschwingung der Modulationsfrequenz, vorzugsweise der zweiten Harmonischen, zu demodulieren 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 Nachweis- und Bestimmungsgrenze für die Messung der Konzentration der Gaskomponente wird durch Rauschen begrenzt, welches dem Messsignal überlagert ist und sich hauptsächlich aus dem Rauschen des Gasanalysators (Laserrauschen, Detektorrauschen) sowie dem Rauschen aus der Messstrecke (verursacht durch Turbulenzen, Partikel) zusammensetzt. Je länger die Messstrecke ist, umso größer sind die Absorption und das erhaltene Messsignal. Sollen geringe Konzentrationen gemessen werden, benötigt man eine ausreichend lange Messstrecke.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Messsignal-Rausch-Verhältnis zu verbessern und so bei gleicher Messstrecke eine deutlich niedrigere Nachweisgrenze zu erreichen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch das in Anspruch 1 oder 6 definierte Verfahren sowie den in Anspruch 9 oder 12 angegebenen Gasanalysator gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Entsprechend der Erfindung wird die Wellenlänge des Lichts der Lichtquelle nicht nur mit einer sondern mehreren Frequenzen (2n – 1)f, n = 1, 2, 3..., moduliert. Das Messsignal wird bei den zweiten Harmonischen 2(2n – 1)f dieser Frequenzen oder vorzugsweise, wie unten noch erläutert wird, den Frequenzen 2nf demoduliert. Alternativ oder ergänzend kann das Messsignal auch an den Stellen der Modulationsfrequenzen ausgewertet werden. Die dabei erhaltenen demodulierten Messsignale werden, beispielsweise durch Datenfusion (Data Fusion, Multi-Sensor Data Fusion), zusammengeführt, im einfachsten Fall addiert, und dann weiter, z. B. durch Kurvenauswertung, Curve-Fitting oder Korrelation mit Referenzsignalen, zu einem Messergebnis ausgewertet. Alternativ können zuerst die demodulierten Messsignale einzeln ausgewertet und anschließend die erhaltenen Einzel-Messergebnisse zu einem Gesamt-Messergebnis zusammengeführt, z. B. addiert werden.
Aufgrund der nichtlinearen Form der Absorptionslinie enthält das Messsignal nicht nur die Vielfachen (Harmonischen) der bei der Modulation verwendeten Frequenzen sondern auch die Summen- und Differenzen dieser Frequenzen. Da die verwendeten Modulationsfrequenzen um den doppelten Betrag 2f der kleinsten Modulationsfrequenz f auseinander liegen, fallen die Summen- und Differenzfrequenzen entweder mit den zweiten Harmonischen der Modulationsfrequenzen zusammen oder liegen genau in der Mitte zwischen diesen. Daher liegen auch die Frequenzanteile des Messsignals jeweils um den doppelten Betrag 2f der kleinsten Modulationsfrequenz f und damit um die doppelte Signalbandbreite auseinander. Die zweiten Harmonischen der aus den unterschiedlichen Modulationsfrequenzen resultierenden Messsignalanteile und die aus den Differenzen und Summen der Modulationsfrequenzen resultierenden Messsignalanteile weisen jeweils die gleichen Verläufe auf, so dass ihre Überlagerungen bei den Frequenzen 2nf konstruktiv erfolgen. Die dritten, vierten und höheren Harmonischen der jeweiligen Modulationsfrequenzen haben dagegen andere Signalverläufe, jedoch sind ihre Amplituden jeweils deutlich kleiner als die der zweiten Harmonischen, so dass sie nicht stören.
Indem nun die Wellenlänge des Lichts mit möglichst vielen Frequenzen (2n – 1)f moduliert wird und im Weiteren von dem erhaltenen Messsignal möglichst viele zweite Harmonische 2(2n – 1)f oder, noch besser, möglichst viele Frequenzen 2nf ausgewertet werden, gelingt es, entsprechend viel auswertbare Signalenergie aus der Absorption zu erhalten. Da das Rauschen in den unterschiedlichen Frequenzbändern nicht korreliert ist und sich die unterschiedlichen Signalanteile bei den Frequenzen 2f bis 14f addieren, entsteht bei der Auswertung zu dem Messergebnis ein sehr hoher Signal-Rauschabstand. Die niedrigste Modulationsfrequenz f darf nicht niedriger sein als die Signalbandbreite des auszuwertenden demodulierten Messsignals, besser etwas höher, um die Flankensteilheit der benötigten Bandpassfilter zu berücksichtigen. Andererseits sollte die niedrigste Modulationsfrequenz f nicht zu hoch sein, um bis zur maximal möglichen Modulationsfrequenz der wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle möglichst viele unterschiedliche Modulationsfrequenzen (2n – 1)f verwenden zu können.
Es werden also vorzugsweise alle Messsignalanteile mit den Frequenzen 2nf für die Auswertung genutzt. Wie bereits erwähnt, ist es aber auch möglich nur die Messsignalanteile mit den aus den Modulationsfrequenzen (2n – 1)f resultierenden zweiten Harmonischen (2n – 1)f zu nutzen. Auch kann im Falle von Störungen die Auswertung auf die jeweils besten Frequenzbänder begrenzt werden. Selbst im einfachsten Fall, wenn nur ein Frequenzband ausgewertet wird, führt die Überlagerung der Summen- und Differenzfrequenzen zu einer Verbesserung des Messergebnisses.
Wie bereits erwähnt, können die demodulierten Messsignale zunächst addiert und dann zu dem Messergebnis ausgewertet werden oder zuerst einzeln ausgewertet und danach die erhaltenen Einzel-Messergebnisse zu dem Gesamt-Messergebnis addiert werden. Ist das Rauschen auf beiden Varianten nicht korreliert, können beide Varianten berechnet und addiert werden, was zu einer weiteren Verbesserung des Signal-Rauschabstandes führen kann. Die Einzelauswertung der demodulierten Messsignale hat den Vorteil, dass die unterschiedlichen Frequenzmodulationen in Abhängigkeit von den einzelnen Messergebnissen korrigiert oder angepasst werden können. Im Übrigen hat jedoch eine Simulation gezeigt, dass die Summe der demodulierten Messsignale gut gefittet werden kann und das Ergebnis nicht wesentlich schlechter ist als das der addierten Einzel-Messergebnisse.
Wie oben bereits erwähnt, kann das Messsignal in analoger Weise auch an den Stellen der Modulationsfrequenzen ausgewertet werden. Die dabei erhaltenen Einzel-Messergebnisse oder das Gesamt-Messergebnis können dann mit dem Ergebnis oder den Ergebnissen der Messsignalauswertung bei den zweiten Harmonischen der Modulationsfrequenzen und/oder den dazwischen liegenden Summen- und Differenzfrequenzen zusammengeführt, im einfachste Fall addiert, werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasanalysators,
2 ein Beispiel für den Verlauf des Injektionsstroms einer Laserdiode in dem Gasanalysator,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasanalysators,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasanalysators und
5 ein Beispiel für eine Zusammenführung der Messergebnissen der in den 1, 3 und 4 gezeigten Gasanalysatoren.
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 Gaszelle 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 Detektor 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. Der erste Signalgenerator 8 erzeugt weiterhin regelmäßig, z. B. nach jeder Abtastperiode, ein Burstsignal 10. Mehrere, hier als einfaches Beispiel nur vier, Signalgeneratoren 11 erzeugen sinusförmige Signale 12 höherer Frequenzen f, 3f, 5f, 7f, die in einem Summierglied 13 der rampen- oder dreieckförmigen Funktion 9 überlagert werden.
2 zeigt ein Beispiel für den Verlauf des Injektionsstroms i(t) während einer Ansteuerperiode. Mittels der rampenförmigen Funktion 9 werden hier zwei unterschiedliche Stromrampen erzeugt, um zwei unterschiedliche Absorptionslinien, z. B. die der zu messenden Gaskomponente des Messgases 1 und die eines Referenzgases (in 1 nicht gezeigt), abtasten zu können. Die Stromrampen sind zusätzlich mit den Modulationsfrequenzen f, 3f, 5f, 7f und kleiner Amplitude sinusförmig moduliert. Mit dem Burstsignal 10 werden zwei Strombursts erzeugt, deren Stärke dem Anfangs- bzw. Endwert der Stromrampe entspricht.
Zurück zu 1 erzeugt der Detektor 5 in Abhängigkeit von der detektierten Lichtintensität ein Messsignal 14, das in einem Verstärker 15 hochpassgefiltert und anhand der aus dem Burstsignal 10 resultierenden Signalanteile automatisch verstärkt und normalisiert wird. In einer Auswerteeinrichtung 16 wird das normalisierte Messsignal 14 bei den zweiten Harmonischen 2f, 6f, 10f, 14f der Modulationsfrequenzen f, 3f, 5f, 7f und den dazwischen liegenden Summen- und Differenzfrequenzen 4f, 8f, 12f der Modulationsfrequenzen f, 3f, 5f, 7f demoduliert. Die Demodulation erfolgt in parallelen Kanälen, die jeweils ein Bandpassfilter 17 und einen Zweiphasen-Lockin Verstärker 18 mit Tiefpassfilter 19 aufweisen. Dabei wird das bandpassgefilterte Messsignal 14 durch Multiplikation mit einem Referenzsignal bei der jeweiligen Demodulationsfrequenz 2f, 4f bis 14f phasensensitiv demoduliert, und durch die anschließende Tiefpassfilterung die Inphasenkomponente, also der Nutzsignalanteil 14 _i,2f, 14 _i,4f bis 14 _i,14f des demodulierten Messsignals extrahiert. Dabei wird die Phase des Referenzsignals so angepasst, dass die durch eine weitere Multiplikation des bandpassgefilterten Messsignals 14 mit dem um 90° phasenverschobenen Referenzsignal erhaltene Quadraturkomponente minimal und die für die weitere Auswertung allein verwendete Inphasenkomponente maximal ist.
Die Modulationsfrequenzen, ihre zweiten Harmonischen und die Summen- und Differenzfrequenzen leisten in den einzelnen Frequenzbändern folgende Beiträge:
2f:

– zweite Harmonische des aus der Modulationsfrequenz f resultierenden Messsignalanteils,
– Differenz der Modulationsfrequenzen 3f und f,
– Differenz der Modulationsfrequenzen 5f und 3f,
– Differenz der Modulationsfrequenzen 7f und 5f;

4f:

– Differenz der Modulationsfrequenzen 5f und f,
– Differenz der Modulationsfrequenzen 7f und 3f,
– Summe der Modulationsfrequenzen f und 3f;

6f:

– zweite Harmonische des aus der Modulationsfrequenz 3f resultierenden Messsignalanteils,
– Differenz der Modulationsfrequenzen 7f und f,
– Summe der Modulationsfrequenzen f und 5f;

8f:

– Summe der Modulationsfrequenzen f und 7f,
– Summe der Modulationsfrequenzen 3f und 5f;

10f:

– zweite Harmonische des aus der Modulationsfrequenz 5f resultierenden Messsignalanteils,
– Summe der Modulationsfrequenzen 3f und 7f;

12f:

– Summe der Modulationsfrequenzen 5f und 7f;

14f:

– zweite Harmonische des aus der Modulationsfrequenz 7f resultierenden Messsignalanteils.

Die zweiten Harmonischen der aus den unterschiedlichen Modulationsfrequenzen resultierenden Messsignalanteile und die aus den Differenzen und Summen der Modulationsfrequenzen resultierenden Messsignalanteile weisen an den Ausgängen der Tiefpassfilter 19 jeweils die gleichen Signalverläufe auf, so dass sie sich addieren und so die Nutzsignalanteile 14 _i,2f, 14 _i,4f bis 14 _i,14f des demodulierten Messsignals verstärken. Die dritten, vierten und höheren Harmonischen der Modulationsfrequenzen haben dagegen andere Signalverläufe, jedoch sind ihre Amplituden jeweils deutlich kleiner als die der zweiten Harmonischen, so dass sie nicht stören. Bei dem vorliegenden Beispiel gelangen lediglich die vierte, sechste, achte, zehnte, zwölfte und vierzehnte Harmonische des aus der Modulationsfrequenz f resultierenden Messsignalanteils in die Frequenzbänder 4f, 6f, 8f, 10f, 12f bzw. 14f und die vierte Harmonische des aus der Modulationsfrequenz 3f resultierenden Messsignalanteils in das Frequenzband 12f.
Die demodulierten Messsignale 14 _i,2f, 14 _i,4f bis 14 _i,14f, genauer ihre Nutzsignalanteile, werden in einem Addierer 20 zu einem Überlagerungssignal 21 aufsummiert und anschließend in einer Recheneinheit 22 ausgewertet. Die Auswertung erfolgt hier z. B. durch Anfitten des im Idealfall zu erwartenden Verlaufs für das bei der zweiten Harmonischen demodulierte Messsignal an den Verlauf des Überlagerungssignals 21 ("2f curve fitting" oder "2nd harmonic curve fitting"). Aus dem durch die Auswertung erhaltenen Gesamt-Messergebnis 23 wird schließlich die Konzentration 24 der zu messenden Gaskomponente bestimmt.
3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasanalysators, dessen Auswerteeinrichtung 16’ sich von der Auswerteeinrichtung 16 des Gasanalysators nach 1 dadurch unterscheidet, dass die demodulierten Messsignale 14 _i,2f, 14 _i,4f bis 14 _i,14f bzw. ihre Nutzsignalanteile in Recheneinheiten 25 einzeln gefittet werden und die Einzel-Messergebnisse 26 _2f, 26 _4f bis 26 _14f des Curve-Fittings in einem Addierer 27 zu dem Gesamt-Messergebnis 23 aufsummiert werden.
Im Folgenden wird ein Zahlenbeispiel für die Auslegung der in den 1 und 3 gezeigten Gasanalysatoren gegeben:
Digitale Signalverarbeitung mit 192 kHz Abtastrate, 6 kHz Bandbreite, also Frequenzabstand 12 kHz und 4 Modulationsfrequenzen f = 6 kHz, 3f = 18 kHz, 5f = 30 kHz und 7f = 42 kHz. Für mehr Modulationsfrequenzen müsste die Signalverarbeitung analog erfolgen, die Abtastrate erhöht, oder die Bandbreite verkleinert werden. Auf der Detektorseite werden dann folgende Frequenzbänder benötigt: 2f = 12 kHz, 4f = 24 kHz, 6f = 36 kHz, 8f = 48 kHz, 10f = 60 kHz, 12f = 72 kHz und 14f = 84 kHz. Dies sind Vielfache der Abstände der Modulationsfrequenzen, hier also Vielfache von 2f = 12 kHz. Die Anzahl der Modulationsfrequenzen und damit die Anzahl der Frequenzbänder hängt letztlich von der verwendeten Lichtquelle ab, wobei zurzeit ein VCSEL-Laser mit bis zu einigen 100 kHz moduliert werden kann.
Bei den der in den 1 und 3 gezeigten Gasanalysatoren wird das Messsignal 14 detektorseitig an den Stellen der zweiten Harmonischen der laserseitigen Modulationsfrequenzen sowie an den Stellen der Summen- und Differenzfrequenzen der Modulationsfrequenzen demoduliert und ausgewertet.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasanalysators, dass sich von dem nach 3 dadurch unterscheidet, dass das hochpassgefilterte, automatisch verstärkte und normalisierte Messsignal 14 in einer Auswerteeinrichtung 16’’ an den Stellen der Modulationsfrequenzen f, 3f, 5f, 7f demoduliert und ausgewertet wird. Die Demodulation erfolgt in parallelen Kanälen, die jeweils ein Bandpassfilter 28 und einen Zweiphasen-Lock-in Verstärker 29 mit Tiefpassfilter 30 aufweisen. Dabei wird das bandpassgefilterte Messsignal 14 durch Multiplikation mit einem Referenzsignal und demselben um 90° phasenverschobenen Referenzsignal mit der jeweiligen Demodulationsfrequenz f, 3f, 5f, 7f phasensensitiv demoduliert und durch die anschließende Tiefpassfilterung die Inphasenkomponente 14 _i,f, 14 _i,3f, 14 _i,5f, 14 _i,7f sowie die Quadraturkomponente 14 _o,f, 14 _o,3f, 14 _o,5f, 14 _o,7f des demodulierten Messsignals extrahiert. Die Phase des Referenzsignals wird so angepasst, dass die Inphasenkomponente maximal wird. Abgesehen von einem hohen Gleichanteil der Inphasenkomponente, der leicht zu beseitigen ist, und einen meist invertierten Verlauf der Quadraturkomponente weisen die Inphasenkomponenten und Quadraturkomponenten an den Ausgängen der Tiefpassfilter 30 die gleichen Signalverläufe auf. Die demodulierten Messsignale bzw. ihre Inphasenkomponenten 14 _i,f, 14 _i,3f, 14 _i,5f, 14 _i,7f und Quadraturkomponenten 14 _o,f, 14 _o,3f, 14 _o,5f, 14 _o,7f werden daher bei dem gezeigten Beispiel in Recheneinheiten 31 einzeln durch Anfitten des im Idealfall zu erwartenden und mittels eines Näherungsmodells analytisch beschriebenen Verlaufs des bei der Modulationsfrequenz demodulierten Messsignals ausgewertet ("1f curve fitting"). Da, wie erwähnt, die 1f-Quadraturkomponenten meist invertiert sind, liefert das Curve-Fitting positive und negative Ergebnisse, so dass die Absolutwerte ausgewertet werden müssen. Die Einzel-Messergebnisse 32 _i,f, 32 _o,f, 32 _i,3f, 32 _o,3f, 32 _i,5f, 32 _o,5f, 32 _i,7f, 32 _o,7f des Curve-Fittings werden in einem Addierer 33 zu einem Gesamt-Messergebnis 34 aufsummiert, aus dem schließlich die Konzentration 24 der zu messenden Gaskomponente bestimmt wird.
Analog zu dem Beispiel nach 1 können die phasengleichen Inphasenkomponenten 14 _i,f, 14 _i,3f, 14 _i,5f, 14 _i,7f und Quadraturkomponenten 14 _o,f, 14 _o,3f, 14 _o,5f, 14 _o,7f auch paarweise oder alle zusammen zuerst addiert und dann gefittet werden.
Darüber hinaus können in allen gezeigten Beispielen einzelne Messsignale oder Ergebnisse statt durch Addition (Addierer 20, 27, 33) unter Zuhilfenahme der statistischen Signalverarbeitung zusammengeführt werden (z. B. Bayes- und Kalman-Filter), was eine weitere Verbesserung der Nachweisgrenze bewirken kann.
5 zeigt ein Beispiel für die Kombination der anhand der 1, 3 und 4 beschriebenen Signalauswertungen, was zu einer noch höheren Anzahl auswertbarer Signale und damit zu einer weiteren Verbesserung der Nachweisgrenze führt. Das hochpassgefilterte, automatisch verstärkte und normalisierte Messsignal 14 wird in der Auswerteeinrichtung 16 und/oder der Auswerteeinrichtung 16’ an den Stellen der zweiten Harmonischen der laserseitigen Modulationsfrequenzen sowie an den Stellen der Summen- und Differenzfrequenzen der Modulationsfrequenzen demoduliert und ausgewertet und parallel dazu auch in der Auswerteeinrichtung 16’’ an den Stellen der Modulationsfrequenzen f, 3f, 5f, 7f demoduliert und ausgewertet. Die die Ergebnisse 23 (oder 26 _2f, 26 _4f bis 26 _14f) und 34 der Curve-Fittings werden in einer Recheneinrichtung 35 addiert oder unter Zuhilfenahme der statistischen Signalverarbeitung zusammengeführt, um schließlich die Konzentration 24 der zu messenden Gaskomponente zu bestimmen.
Die Modulation der Wellenlänge des Lichts 4 bei den unterschiedlichen Modulationsfrequenzen f, 3f, 5f, 7f kann mit gleichen oder auch unterschiedlichen Amplituden erfolgen. Prinzipiell könnte die Wellenlänge mit einem einzigen Rechtecksignal moduliert werden. Die Amplituden der Oberschwingungen 3f, 5f, 7f... nehmen jedoch mit 1/3, 1/5, 1/7,... sehr schnell ab, so dass das Rechtecksignal hier weniger geeignet ist, Zumal auch die Bandbreite für die Modulation begrenzt ist. Sind die Amplituden zu groß, so weicht der Verlauf des bei der zweiten Harmonischen demodulierten Messsignals zu sehr von der typischen 2f-Kurvenform ab. Die Amplituden sollten daher nicht wesentlich größer sein als die Breite der Absorptionslinie. Vorzugsweise sind die Amplituden und Phasen mit denen die Wellenlänge des Lichts mit den unterschiedlichen Modulationsfrequenzen moduliert wird, zu Anpassungs- und Optimierungszwecken verstellbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1475618 B1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Cassidy D. T. et al: "Harmonic Detection with Tunable Diode Lasers – Two-Tone Modulation", Applied Physics B, Bd. 29, Nr. 4, 1. Dezember 1982, Seiten 279–285 [0002]

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) in periodisch aufeinanderfolgenden Abtastintervallen variiert und dabei zusätzlich mit einer ersten Modulationsfrequenz (f) und einer dreimal größeren zweiten Modulationsfrequenz (3f) sinusförmig moduliert wird, – das modulierte Licht (4) durch das Messgas (1) auf einen Detektor (5) geführt wird, und – ein von dem Detektor (5) erzeugtes Messsignal (14) bei der zweiten Harmonischen (2f) der Modulationsfrequenz (f) phasensensitiv demoduliert und ein dabei erhaltenes erstes demoduliertes Messsignal (14 _2f) für jedes Abtastintervall zu einem ersten Einzel-Messergebnis (26 _2f) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass das Messsignal (14) zusätzlich bei der zweiten Harmonischen (6f) der zweiten Modulationsfrequenz (3f) phasensensitiv demoduliert wird und – dass ein dabei erhaltenes zweites demoduliertes Messsignal (14 _6f) entweder mit dem ersten demodulierten Messsignal (14 _2f) zu einem Überlagerungssignal (21) zusammengeführt wird, das anschließend zu einem Gesamt-Messergebnis (23) ausgewertet wird, oder dass das zweite demodulierte Messsignal (14 _6f) zu einem zweiten Einzel-Messergebnis (26 _6f) ausgewertet wird, das mit dem ersten Einzel-Messergebnis (26 _2f) zu dem Gesamt-Messergebnis (23) zusammengeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die Wellenlänge des Lichts (4) zusätzlich mit mindestens einer weiteren Modulationsfrequenz (5f, 7f) sinusförmig moduliert wird, die um den doppelten Betrag (2f) der ersten Modulationsfrequenz (f) größer als die nächst kleinere verwendete Modulationsfrequenz ist, – dass das Messsignal (14) zusätzlich bei der zweiten Harmonischen (10f, 14f) der mindestens einen weiteren Modulationsfrequenz (5f, 7f) phasensensitiv demoduliert wird und – dass ein dabei jeweils erhaltenes weiteres demoduliertes Messsignal (14 _10f, 14 _14f) entweder mit dem ersten und zweiten demodulierten Messsignal (14 _2f 14 _6f) zu dem Überlagerungssignal (21) zusammengeführt wird oder zu einem weiteren Einzel-Messergebnis (26 _10f, 26 _14f) ausgewertet wird, das mit dem ersten und zweiten Einzel-Messergebnis (26 _2f 26 _6f) zu dem Gesamt-Messergebnis (23) zusammengeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass das Messsignal (14) zusätzlich bei mindestens einer der Summen- und Differenzfrequenzen (4f, 8f, 12f) der verwendeten Modulationsfrequenzen (f, 3f, 5f, 7f) demoduliert wird und – dass ein dabei jeweils erhaltenes zusätzliches demoduliertes Messsignal (14 _4f, 14 _8f, 14 _12f) entweder mit dem ersten und zweiten demodulierten Messsignal (14 _2f 14 _6f) und/oder dem weiteren demodulierten Messsignal (14 _10f, 14 _14f) zu dem Überlagerungssignal (21) zusammengeführt wird oder zu einem zusätzlichen Messergebnis (26 _4f, 26 _8f, 26 _12f) ausgewertet wird, das mit dem ersten und zweiten Einzel-Messergebnis (26 _2f 26 _6f) und/oder dem weiteren Einzel-Messergebnis (26 _10f, 26 _14f) zu dem Gesamt-Messergebnis (23) zusammengeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung des Überlagerungssignals (21), des ersten und zweiten demodulierten Messsignals (14 _2f, 14 _6f), des weiteren demodulierten Messsignals (14 _10f, 14 _14f) oder des zusätzlichen demodulierten Messsignals (14 _4f, 14 _8f, 14 _12f) an deren Verläufe über das Abtastintervall jeweils eine Idealkurve angefittet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammenführung durch Datenfusion oder Addition erfolgt.
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) in periodisch aufeinanderfolgenden Abtastintervallen variiert und dabei zusätzlich mit einer ersten Modulationsfrequenz (f) und einer dreimal größeren zweiten Modulationsfrequenz (3f) sinusförmig moduliert wird, – das modulierte Licht (4) durch das Messgas (1) auf einen Detektor (5) geführt wird, und – ein von dem Detektor (5) erzeugtes Messsignal (14) phasensensitiv demoduliert und ein dabei erhaltenes demoduliertes Messsignal für jedes Abtastintervall zu einem ersten Einzel-Messergebnis ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass das Messsignal (14) bei der ersten und zweiten Modulationsfrequenz (f, 3f) phasensensitiv demoduliert wird und – dass die dabei erhaltenen demodulierten Messsignale (14 _i,f, 14 _o,f, 14 _i,3f, 14 _o,3f) entweder zu einem Überlagerungssignal zusammengeführt werden, das anschließend zu einem Gesamt-Messergebnis ausgewertet wird, oder dass die demodulierten Messsignale (14 _i,f, 14 _o,f, 14 _i,3f, 14 _o,3f) zu Einzel-Messergebnissen (32 _i,f, 32 _o,f, 32 _i,3f, 32 _o,3f) ausgewertet werden, die anschließend zu dem Gesamt-Messergebnis (34) zusammengeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, – dass die Wellenlänge des Lichts (4) zusätzlich mit mindestens einer weiteren Modulationsfrequenz (5f, 7f) sinusförmig moduliert wird, die um den doppelten Betrag (2f) der ersten Modulationsfrequenz (f) größer als die nächst kleinere verwendete Modulationsfrequenz ist, – dass das Messsignal (14) zusätzlich bei der mindestens einer weiteren Modulationsfrequenz (5f, 7f) phasensensitiv demoduliert wird und – dass ein dabei jeweils erhaltenes weiteres demoduliertes Messsignal (14 _i,5f, 14 _o,5f, 14 _i,7f, 14 _o,7f) entweder mit den demodulierten Messsignalen (14 _i,f, 14 _o,f, 14 _i,3f, 14 _o,3f) zu dem Überlagerungssignal zusammengeführt werden oder zu weiteren Einzel-Messergebnissen (32 _i,5f, 32 _o,5f, 32 _i,7f, 32 _o,7f) ausgewertet werden, die mit den Einzel-Messergebnissen (32 _i,f, 32 _o,f, 32 _i,3f, 32 _o,3f) zu dem Gesamt-Messergebnis (23) zusammengeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in Kombination mit dem Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Demodulation des Messsignals (14) bei den zweiten Harmonischen (2f, 6f, 10f, 14f) der Modulationsfrequenzen (f, 3f, 5f, 7f) und/oder ihren Summen- und Differenzfrequenzen (4f, 8f, 12f) erhaltenen Einzel-Messergebnisse (26 _2f, 26 _4f bis 26 _14f) oder Gesamt-Messergebnisse (23) mit den durch Demodulation des Messsignals (14) bei den Modulationsfrequenzen erhaltenen Einzel-Messergebnissen (32 _i,5f, 32 _o,5f, 32 _i,7f, 32 _o,7f) oder Gesamt-Messergebnisse (34) zusammengeführt 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) in periodisch aufeinanderfolgenden Abtastintervallen variiert und dabei zusätzlich mit einer ersten Modulationsfrequenz (f) und einer dreimal größeren zweiten Modulationsfrequenz (3f) sinusförmig moduliert, – Mitteln, die das modulierte Licht (4) durch das Messgas (1) auf einen Detektor (5) führen, und – einer Auswerteeinrichtung (16), ein von dem Detektor (5) erzeugtes Messsignal (14) bei der zweiten Harmonischen (2f) der Modulationsfrequenz (f) phasensensitiv demoduliert und ein dabei erhaltenes erstes demoduliertes Messsignal (14 _2f) für jedes Abtastintervall zu einem ersten Einzel-Messergebnis (26 _2f) auswertet, dadurch gekennzeichnet, – dass die Auswerteeinrichtung (16) dazu ausgebildet ist, das Messsignal (14) zusätzlich bei der zweiten Harmonischen (6f) der zweiten Modulationsfrequenz (3f) phasensensitiv zu demodulierend und – ein dabei erhaltenes zweites demoduliertes Messsignal (14 _6f) entweder mit dem ersten demodulierten Messsignal (14 _2f) zu einem Überlagerungssignal (21) zusammenzuführen und dieses zu einem Gesamt-Messergebnis (23) auszuwerten, oder das zweite demodulierte Messsignal (14 _6f) zu einem zweiten Einzel-Messergebnis (26 _6f) auszuwerten und dieses mit dem ersten Einzel-Messergebnis (26 _2f) zu dem Gesamt-Messergebnis (23) zusammenzuführen.
Gasanalysator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinrichtung (6) ferner dazu ausgebildet ist, die Wellenlänge des Lichts (4) zusätzlich mit mindestens einer weiteren Modulationsfrequenz (5f, 7f) sinusförmig zu modulieren, die um den doppelten Betrag (2f) der ersten Modulationsfrequenz (f) größer als die nächst kleinere verwendete Modulationsfrequenz ist, und dass die Auswerteeinrichtung (16) ferner dazu ausgebildet ist, das Messsignal (14) zusätzlich bei der zweiten Harmonischen (10f, 14f) der mindestens einen weiteren Modulationsfrequenz (5f, 7f) phasensensitiv zu demodulieren und ein dabei jeweils erhaltenes weiteres demoduliertes Messsignal (14 _10f, 14 _14f) entweder mit dem ersten und zweiten demodulierten Messsignal (14 _2f 14 _6f) zu dem Überlagerungssignal (21) zusammenzuführen oder zu einem weiteren Einzel-Messergebnis (26 _10f, 26 _14f) auszuwerten und dieses mit dem ersten und zweiten Einzel-Messergebnis (26 _2f 26 _6f) zu dem Gesamt-Messergebnis (23) zusammenzuführen.
Gasanalysator nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (16) ferner dazu ausgebildet ist, das Messsignal (14) zusätzlich bei mindestens einer der Summen- und Differenzfrequenzen (4f, 8f, 12f) der verwendeten Modulationsfrequenzen (f, 3f, 5f, 7f) zu demodulierend und ein dabei jeweils erhaltenes zusätzliches demoduliertes Messsignal (14 _4f, 14 _8f, 14 _12f) entweder mit dem ersten und zweiten demodulierten Messsignal (14 _2f 14 _6f) und/oder dem weiteren demodulierten Messsignal (14 _10f, 14 _14f) zu dem Überlagerungssignal (21) zusammenzuführen oder zu einem zusätzlichen Messergebnis (26 _4f, 26 _8f, 26 _12f) auszuwerten und dieses mit dem ersten und zweiten Einzel-Messergebnis (26 _2f 26 _6f) und/oder dem weiteren Einzel-Messergebnis (26 _10f, 26 _14f) zu dem Gesamt-Messergebnis (23) zusammenzuführen.
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) in periodisch aufeinanderfolgenden Abtastintervallen variiert und dabei zusätzlich mit einer ersten Modulationsfrequenz (f) und einer dreimal größeren zweiten Modulationsfrequenz (3f) sinusförmig moduliert, – Mitteln, die das modulierte Licht (4) durch das Messgas (1) auf einen Detektor (5) führen, und – einer Auswerteeinrichtung (16), ein von dem Detektor (5) erzeugtes Messsignal (14) phasensensitiv demoduliert und ein dabei erhaltenes demoduliertes Messsignal für jedes Abtastintervall zu einem ersten Einzel-Messergebnis auswertet, dadurch gekennzeichnet, – dass die Auswerteeinrichtung (16'') dazu ausgebildet ist, das Messsignal (14) bei der ersten und zweiten Modulationsfrequenz (f, 3f) phasensensitiv zu demodulieren und – die dabei erhaltenen demodulierten Messsignale (14 _i,f, 14 _o,f, 14 _i,3f, 14 _o,3f) entweder zu einem Überlagerungssignal zusammenzuführen und anschließend zu einem Gesamt-Messergebnis auszuwerten, oder die demodulierten Messsignale (14 _i,f, 14 _o,f, 14 _i,3f, 14 _o,3f) zu Einzel-Messergebnissen (32 _i,f, 32 _o,f, 32 _i,3f, 32 _o,3f) auszuwerten und diese anschließend zu dem Gesamt-Messergebnis (34) zusammenzuführen.
Gasanalysator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinrichtung (6) ferner dazu ausgebildet ist, die dass die Wellenlänge des Lichts (4) zusätzlich mit mindestens einer weiteren Modulationsfrequenz (5f, 7f) sinusförmig zu modulieren, die um den doppelten Betrag (2f) der ersten Modulationsfrequenz (f) größer als die nächst kleinere verwendete Modulationsfrequenz ist, und dass die Auswerteeinrichtung (16) ferner dazu ausgebildet ist, das Messsignal (14) zusätzlich bei der mindestens einer weiteren Modulationsfrequenz (5f, 7f) phasensensitiv zu demodulieren und ein dabei jeweils erhaltenes weiteres demoduliertes Messsignal (14 _i,5f, 14 _o,5f, 14 _i,7f, 14 _o,7f) entweder mit den demodulierten Messsignalen (14 _i,f, 14 _o,f, 14 _i,3f, 14 _o,3f) zu dem Überlagerungssignal zusammenzuführen oder zu weiteren Einzel-Messergebnissen (32 _i,5f, 32 _o,5f, 32 _i,7f, 32 _o,7f) auszuwerten und diese mit den Einzel-Messergebnissen (32 _i,f, 32 _o,f, 32 _i,3f, 32 _o,3f) zu dem Gesamt-Messergebnis (23) zusammenzuführen.