DE19525415A1

DE19525415A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Gasen

Info

Publication number: DE19525415A1
Application number: DE1995125415
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Phys Dr Kohns
Original assignee: WISSENSCHAFTLICH TECH OPTIKZEN
Current assignee: OPTISENSE GESELLSCHAFT FUER OPTISCHE PROZESSMESSTE
Priority date: 1995-07-12
Filing date: 1995-07-12
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2015-07-13
Also published as: DE19525415C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor richtung zur berührungslosen quantitativen Bestimmung der Konzentration von bestimmten Gasen in verschiede nen Medien. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise eig net sich dabei bevorzugt für die Bestimmung der Was serdampfkonzentration in Industrieöfen zur Vermeidung von Oberflächenschäden auf dem Brenngut, die durch kondensierenden Wasserdampf hervorgerufen werden.

Es ist bekannt, optische Verfahren zur quantitativen Gasanalyse zu verwenden. So ist beispielsweise in J. Staab, "Industrielle Gasanalyse", Oldenbourg-Ver lag München, 1994, der Einsatz der Absorptionsspek troskopie, die gegenüber den anderen Analyseverfah ren, wie beispielsweise die Gaschromatographie oder gar chemischen Analysen, einen enormen Zeitvorteil aufweisen, beschrieben. Die verwendeten Meßgeräte sind relativ einfach aufgebaut, arbeiten berührungs frei und kommen in der Regel ohne eine Entnahme von Proben aus. Messungen können über einen breiten Tem peraturbereich durchgeführt werden. Nachteilig ist es jedoch, daß bei den normalerweise mit einer Weiß lichtquelle (Halogenlampe) und einem Filterrad arbei tenden Verfahren relativ breitbandige Filter verwen det werden und so die Absorptionslinien mehrerer im Gasgemisch enthaltenen Komponenten innerhalb der Fil terkurve liegen. Wird aber ein sehr schmalbandiger Filter gewählt, ist der Anteil des durch diesen transmittierten Lichtes zu klein. Die große räumliche Ausdehnung der Lichtquelle schränkt die Fokussierbar keit des Lichtstrahles ein, und es sind dadurch nur sehr kleine Absorptionswege möglich, so daß Messungen großer Volumina ausscheiden.

In jüngster Vergangenheit werden auch abstimmbare Diodenlaser als schmalbandige Lichtquelle in der La serspektrometrie für eine Gasanalyse verwendet. Ge genüber der oben beschriebenen Möglichkeit weisen solche Laser eine hohe und gut fokussierbare spektra le Leistungsdichte auf, bauen sehr klein und haben einen relativ hohen Wirkungsgrad.

Die Wellenlänge eines solchen Lasers wird auf eine Absorptionswellenlänge der zu bestimmenden Komponente des Gases mit einer Temperatur- oder Stromregelung eingestellt. Mit dem Absorptionsverlust, der auf tritt, wenn das Licht mit vorgegebener Wellenlänge durch das Gasgemisch gesendet und anschließend gemes sen wird, kann die Gaskonzentration bestimmt werden.

Einer breiten Anwendung eines solchen Meßprinzips stehen jedoch mehrere Probleme entgegen. Einmal ist ein gut durchstimmbarer Laser erforderlich, der in der Lage ist, die Absorptionswellenlänge über einen langen Zeitraum einzuhalten. Aus Gründen der er wünschten Störunanfälligkeit und Wartungsarmut können keine aufwendigen Laser (z. B. mit externem Resonator) oder Diodenlasersysteme im MIR-Bereich auf Bleisalz basis verwendet werden. Bei den letztgenannten Dio denlasern ist eine ständige Flüssigstickstoffkühlung erforderlich, die einen sehr hohen, auch finanziellen Aufwand bewirkt. Fehler, die beispielsweise durch Verschmutzungen, die im Laufe der Zeit bei der indu striellen Anwendung an den Fenstern, durch die der Meßstrahl gesendet wird, auftreten, verfälschen die Meßergebnisse ebenfalls in unerwünschter Form. Die von der zu bestimmenden Gaskomponente hervorgerufene Absorption darf nicht zu klein sein, so daß sie im Rauschen des Meßsignales nicht mehr erkennbar ist, darf jedoch auch nicht so groß sein, daß das vom De tektor erfaßbare Signal zu klein ist.

Beim Betreiben von großen Öfen kann es unter bestimm ten Bedingungen zur Kondensation von Wasserdampf auf noch kaltem Brenngut (Temperatur ca. 30°C) kommen. Bei steigender Temperatur können durch das dann ver dampfende Wasser Schäden an der Oberfläche des Brenn gutes auftreten. Diesem Problem kann durch gezielte Vorheizung des Brenngutes entgegengetreten werden. Dazu ist eine relativ genaue Bestimmung des Taupunk tes im Bereich weniger Kelvin günstig, um die Ener giekosten so klein wie möglich zu halten.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, die Konzentration von Gasen auf einfache Weise berührungslos und mit guter Genauigkeit messen zu können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 für das Verfahren und des Anspruchs 8 für die Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausgestal tungen und Weiterbildungen ergeben sich bei Verwen dung der in den untergeordneten Ansprüchen enthalte nen Merkmale.

Die erfindungsgemäße Verfahrensweise eignet sich ins besondere zur Bestimmung der Wasserdampfkonzentration auch in Verbindung mit der Überwachung des Taupunktes in Öfen, wie dies Gegenstand der nebengeordneten An sprüche 7 und 18 ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der dafür verwendeten Vorrichtung können nur Laserdioden ver wendet werden, die unter den verschiedensten Be triebsbedingungen nur in einer longitudinalen Mode schwingen. Dies ist unbedingt erforderlich, um einen stabilen und automatischen Betrieb des als Meßgerät dienenden Spektrometers zu gewährleisten. Mögliche Laserdioden sind: "Distributed Feedback" (DFB-), "Distributed Bragg Reflection" (DBR-) und oberfläche nemittierende Dioden, für ausgewählte Wellenlängenbe reiche können zwischen 750 und 900 nm auch selektier ter gealterte Fabry-Perot-Laser eingesetzt werden.

Aus Kostengründen sollten Laserdioden eingesetzt wer den, die auch in der Nachrichtentechnik verwendet werden können. Die dort erforderlichen hohen Stück zahlen haben zu relativ kleinen Preisen für die ein zelnen Laserdioden geführt. Insbesondere für den Nachweis von Spurengasen sind geeignete Speziallösun gen für Laserdioden anderer Wellenlängenbereiche be kannt, deren Preise jedoch z.Zt. so hoch sind, daß eine breite Anwendung ausgeschlossen ist. Im Wellen längenbereich, der auch für die Nachrichtentechnik interessant ist, liegen mehrere Wasserabsorptionsli nien, die verwendet werden können. So können der HI TRAN-Datenbank, die vom Philips Laboratory/Geophysics Directorate, 1992, erstellt wurde, die folgenden Wel lenlängen für Wasserdampf entnommen werden: 1303,5 nm, 1306,9 nm, 1308,1 nm, 1314,8 nm und 1317,3 nm. Diese genannten Linien zeigen bei einem Taupunkt von 40°C, einem Absorptionsweg von 2,50 m, wie er in Öfen in der industriellen Anwendung üblich ist, und bei einer Temperatur im Ofen von 700 K eine Absorption von mindestens 1%.

Bevorzugt wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Wellenlänge 1303,5 nm (Doppellinie [551] → [660] und [550] → [661] der Bande V′′ = 1 → V′ = 14 des Was sermoleküls) ausgewählt. Hierfür sprechen entschei dende Gründe. Bei der ausgewählten Wellenlänge liegt die Absorption bei den genannten Parametern für den Ofenbetrieb bei 10% und ist somit der Meßaufgabe op timal angepaßt. Eine Absorption in dieser Größenord nung führt zu Meßwerten, die weder zu klein noch zu groß sind.

Ein weiterer Vorteil für die Verwendung dieser Wel lenlänge ist die äußerst geringe Temperaturabhängig keit der Absorption. Insbesondere bei der Taupunkt messung in den genannten Industrieöfen ist die Kennt nis der Ofentemperatur in einem Bereich von ± 100 K ausreichend. Andere Wellenlängen, die ebenfalls in der Nachrichtentechnik verwendet werden, unterliegen bei vergleichbarer Absorption einem wesentlich stär keren Temperatureinfluß im Bereich von 100°C bis 500°C. Dadurch wäre eine große Anzahl von Temperatur sensoren entlang des Lichtweges erforderlich, um die Temperaturverteilung im Ofen ausgleichen zu können.

Weiter ist es vorteilhaft, daß die beiden ausgewähl ten Linien einen kleinen Abstand von 100 MHz haben und so bei normalem Luftdruck durch Druckverbreitung zu einer Linie mit einer Breite von 2,7 GHz ver schmelzen. Daneben ist es günstig, daß diese Linie einen ausreichend großen Abstand zu anderen Absorp tionslinien von anderen in einem solchen Ofen eventu ell vorhandenen Gasen, wie beispielsweise CO₂ und CH₄, haben.

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungs beispiel näher beschrieben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Meßaufbaus;

Fig. 2 ein Diagramm der Funktion der normierten Spannung in Abhängigkeit des Modulations hubes, und

Fig. 3 eine Tabelle 1 des Taupunktes und eines gastemperaturabhängigen Wertes µ(T).

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde eine DFB-Laserdiode verwendet, bei der durch Veränderung der Gehäusetemperatur eine Durchstimmung erreicht werden konnte. Die Temperaturänderung lag hierbei im Bereich Δλ/ΔT = 0,1 nm/K. Durch eine Vorselektion aus einer größeren Anzahl von Laserdioden konnte die gewünschte Wellenlänge bei einer Temperatur, die etwas oberhalb normaler Zimmertemperatur liegt, erreicht werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit der Kühlung der Laserdiode, so daß es auch ohne Schutzgas nicht zu einer Wasserkondensation auf der Diode kommt. Bei der im Ausführungsbeispiel vorgeschlagenen Vorrichtung wurde auf die Möglichkeit der Stromregelung verzich tet.

Mit der verwendeten Laserdiode kann eine Lichtlei stung von einigen mW erreicht werden, und bei 25°C tritt ein Schwellstrom von 17 mA auf. Die ausgewählte Laserdiode oszillierte schon ab 1 mA oberhalb der Schwelle stabil in einer longitudinalen Mode mit ei ner Linienbreite von 100 MHz. Das erzeugte Licht war also schmalbandiger als die ausgewählte Absorptions linie. Weder beim Erwärmen des Lasers auf 65°C noch bei Veränderung des Betriebsstromes bis hin zur maxi mal zulässigen Stromstärke von 80 mA konnten Moden sprünge, die die Verwendung von Fabry-Perot-Lasern erschweren, festgestellt werden.

Neben der Einflußnahme auf die Wellenlänge durch Än derung der Temperatur kann auch eine entsprechende Stromregelung mit einer Rate von Δλ/ΔI = 0,0025 nm/mA durchgeführt werden, was zu einer insgesamten Strom änderung von 6 mA führt, um die gesamte druckverbrei terte Doppellinie zu überstreichen.

Eine Temperaturregelschaltung 1 stellt über ein Pel tierelement 2 die Betriebstemperatur der Laserdiode 3 mit einer Stabilität von 10 mK ein. Die Temperatur der Diode ermittelt ein Temperatursensor 4. Der Tem peratursollwert wird dabei von einem Steuerrechner 5 und einer Regelschaltung 6 vorgegeben. Eine rauschar me Stromquelle 7 stellt den Betriebsstrom der Laser diode 3 bereit. Das Laserlicht wird durch eine ent spiegelte Siliziumlinse 8 gebündelt. Im Diodengehäuse befindet sich eine Monitorphotodiode 9, die einen der Laserleistung proportionalen Strom erzeugt. Wie alle Diodenlaser ist auch die verwendete DFB-Diode anfäl lig gegenüber der Rückreflexion emittierter Strahlung in den Laserchip, die zur spektralen Verbreiterung des Laserlichtes und in ungünstigen Fällen sogar zur Zerstörung führen kann. Als Gegenmaßnahme unterdrückt ein optischer Isolator 10 (OFR Typ IQ-2,5-IR1) mit einer Isolation von 46 dB unmittelbar vor der Laser diode 3 Rückreflexion auf ein unschädliches Maß.

Das durch den Isolator 10 transmittierte Licht wird durch zwei Strahlteiler 11 und 12 in drei Teilstrah len geteilt. Etwa 10% durchlaufen ein Interferenzfil ter 13, dessen Transmissionskurve eine steile Kante bei der Wellenlänge 1303,5 nm aufweist. Die Filter transmission steigt von etwa 10% bei 1302 nm über 30% bei 1303,5 nm auf 50% bei 1305 nm. Ein Germaniumde tektor 14 mit vorgeschalteter Fokussierlinse 15 er mittelt die transmittierte Lichtleistung. Diese An ordnung dient zur groben Einstellung der Laserwellen länge.

Weitere 10% werden zur Feinabstimmung der Laserfre quenz mit Hilfe einer Wasserdampfzelle 16 benutzt, die durch eine Temperaturregelung 17 auf (25±1)°C stabilisiert wird. Durch eine Innenverspiegelung aus Gold mit zwei unbeschichteten Flächen zum Strahlein- und -austritt kann mittels Vielfachreflexion eine Weglänge von 2 m erzielt werden. Der Photodetektor 18 ermittelt die durch die Zelle transmittierte Licht leistung. Auch hier fokussiert eine Linse 19 die Strahlung auf den Detektor 18.

Der verbleibende Teil des Lichtes wird mit einer wei teren Linse 20 in eine Glasfaser 21 eingekoppelt. Dadurch ist eine räumliche Trennung von Laser 3 und Ofen 23 möglich. Die Linse 22 koppelt das Licht aus der Faser 21 aus. Die Transmission des Ofens 23 wird mit einem weiteren Photodetektor 24 bestimmt. Ein vorgeschaltetes Interferenzfilter 25 unterdrückt das Hintergrundleuchten des Ofens. Die Linse 26 fokus siert das Licht auf den Detektor 24.

Vier Vorverstärker 27, 28, 29 und 30 wandeln die Aus gangsströme der Photodetektoren 9, 14, 18 und 24 in Spannungen um. Schwankungen der abgestrahlten Laser leistung werden mit Hilfe dreier Analogdividierer 31, 32 und 33 weggerechnet, die die verstärkten Ausgangs signale der Detektoren 14, 18 und 24 durch das Signal vom Detektor 9 teilen. Damit liegen drei von der ak tuellen Laserleistung unabhängige Werte vor, die zur Stabilisierung der Laserwellenlänge sowie zur Ermitt lung der Ofentransmission benutzt werden. Diese Auf gabe erfüllen drei Lock-In-Verstärker 34,35 und 36, ein Tiefpaß 37, eine Regelschaltung 6 und ein Steuer rechner 5.

Um die Absorption des Laserlichtes beim Durchgang durch den Ofen 23 zu ermitteln, muß man natürlich die Laserwellenlänge stets bei der Linienmitte halten. Beim Einschalten des Systems muß dazu die korrekte Laserwellenlänge über die Temperatur und den Be triebsstrom der Laserdiode 3 automatisch eingestellt werden. Es genügt hierzu nicht, einmal ermittelte Werte zu reproduzieren, da sich das emittierte Spek trum von Laserdioden im Lauf der Zeit auch bei gleichgehaltener Temperatur und Stromstärke verschie ben kann.

So ist C.E. Wiemann und L. Hollberg, "Using diode lasers for atomics physics", Rev. Sci. Instr. 62, 1 (1991) eine alterungsbedingte Verschiebung von bis zu 30 MHz pro Stunde zu entnehmen. Die optimale Be triebstemperatur der verwendeten DFB-Diode kann sich in 3 Jahren um etwa 15 K verschieben.

Als Alternative bestimmt der Detektor 14 die wellen längenabhängige Transmission des Kantenfilters 13. Der Steuerrechner 5 stellt anhand des auf die Laser leistung normierten Meßwertes die Betriebstemperatur der Laserdiode 3 über den Soll-Eingang der Tempera turregelung 1 ein. Bei zu kleiner Filtertransmission (d. h. zu kleiner Laserwellenlänge) wird die Soll-Tem peratur in 1 K-Schritten erhöht bzw. bei zu großer Transmission in 1 K-Schritten verringert, bis die Filtertransmission 30% beträgt. Aufgrund der Steil heit der Filterkante gelingt so die Einstellung der Laserwellenlänge auf 0,1 nm genau.

Zur Feinabstimmung wird das auf die Laserleistung normierte Transmissionssignal der Wasserdampf-Refe renzzelle 16 verwendet. Hierbei kommt eine Lock-In-Technik zum Einsatz. Dazu wird die Laserfrequenz mit einem Hub von ein bis zwei Linienbreiten moduliert und die dabei auftretende periodische Änderung des Signals beim Durchgang durch die Wasserdampf-Refe renzzelle phasensynchron detektiert. So erhält man ein Fehlersignal mit ungerader Symmetrie, mit dem man die Mittenfrequenz des Lasers auf die Wasserlinie stabilisieren kann [W. Demtröder, "Laserspektroskopie - Grundlagen und Techniken", Springer-Verlag Berlin (1993)]. Die Wellenlängenmodulation erfolgt einfach durch die Betriebsstrommodulation der Laserdiode 3. Ein Funktionsgenerator 38 erzeugt die sinusförmige Modulationsfrequenz von 3 kHz zur periodischen Durch stimmung der Laserwellenlänge. Der Modulationshub beträgt 10 mA, was einen Frequenzhub von 5 GHz ent spricht. Die mit der Strommodulation verbundene Lei stungsänderung wird durch die Normierung der Signale der Detektoren 14, 18 und 24 auf die mit dem Detektor 9 bestimmte Laserleistung berücksichtigt. Das Fehler signal mit ungerader Symmetrie liefert der Lock-In-Verstärker 34, dessen Referenzeingang die Modula tionsfrequenz erhält. Damit erzeugt er ein zur Ablei tung der Absorptionskurve proportionales Signal, das bei der maximalen Absorption eine Flanke mit Nulldurchgang hat.

Die Ausgangsspannung vom Verstärker 34 steuert einen PID-Regler 6 an, der die Laserfrequenz durch Regelung der Lasertemperatur bei der Wasserlinie hält. Der Steuerrechner 5 aktiviert den Regelkreis erst dann, wenn die Transmission des Kantenfilters bei 30% liegt. Dazu bedient er sich eines Analogschalters, durch den er den Integrator im PID-Regler 6 kurz schließen kann.

Alternativ ist auch eine Realisierung der PID-Rege lung durch ein geeignetes Unterprogramm im Steuer rechner 5 möglich, der dazu das Signal des Lock-In-Verstärkers 34 direkt erhält. Die beiden die Laser solltemperatur bestimmenden Spannungen der groben und feinen Wellenlängenregelung werden mit einer geeigne ten Gewichtung in einem Analogschaltkreis 39 oder bei Verwendung eines PID-Softwarereglers direkt im Rech ner addiert. Die Summe steuert den Solleingang der Temperaturregelung der Laserdiode 3 an.

Parallel zur Frequenzstabilisierung wird das Photode tektorsignal vom Detektor 18 mit der zweiten Harmoni schen der Modulation des Modulationssignals demodu liert. Das Ausgangssignal dieser Demodulation ist proportional zur Absorption der Linie in der Re ferenzzelle 16. Dieses 2f-Signal wird vom Lock-In-Verstärker 35 produziert. Sein Referenzeingang ist mit der um π/2 phasenverschobenen zweiten Harmoni schen der Modulationsfrequenz beschaltet, die von einem Frequenzverdoppler 40 generiert wird. Sein Aus gangssignal dient zur Kontrolle der korrekten Funk tion des Regelkreises durch den Steuerrechner 5, da es aufgrund der konstanten Feuchte in der Referenz zelle 16 bei korrekt arbeitender Frequenzstabilisie rung konstant bleiben muß.

Zur Messung der Ofentransmission wird das auf die Laserleistung normierte Ausgangssignal vom Detektor 24 ausgewertet. Entsprechend der Ermittlung des Kon trollsignals durch den Lock-In-Verstärker 35 demodu liert ein weiterer Lock-In-Verstärker 36 die normier te Transmission des Ofens 23 mit der zweiten Har monischen Modulationsfrequenz. Sein Ausgangssignal errechnet sich folgendermaßen:

Die Absorptionslinie wird bei einem Meßgasdruck von ca. 1 bar in sehr guter Näherung durch eine Lorentz funktion beschrieben:

Dabei bezeichnet Δν die Verstimmung der Laserdiode 3 von der Linienmitte und Δν₀ die halbe Halbwertsbreite der Absorptionslinie, also hier etwa 1,35 GHz. Mit einer sinusförmigen Frequenzmodulation der Laserdiode 3 mit der Kreisfrequenz ω_mod und dem Hub Δν_max, um die Linienmitte, also

Δν(t) = Δν_max _* sin(ω_modt)

wird der normierte Photostrom vom Detektor 24, also das Ausgangssignal des Normierers 33

Dabei ist U₀ die Ausgangsspannung des Normierers bei fehlender Gasabsorption, d. h. völlig verstimmter La serdiode 3, und A die Absorption des Gases in Linien mitte. Der Verstärker 36 erhält dieses Signal als Eingangsspannung und als Referenz die frequenzverdop pelte, um π/2 verschobene Modulationsfrequenz

U_REF(t) α sin(2ω_modt+π/2)

seine Ausgangsspannung ist dann mit ϕ = ω_modt

mit einem geräteabhängigen, zeitlich konstanten Pro portionalitätsfaktor C.

Die Fig. 2 zeigt die durch (C_*A_*U₀) dividierte Span nung U_abs als Funktion des Modulationshubs (Δν_max/Δν₀). Im hier betrachteten Fall Δν_max ≈ 2_*Δν₀ ist dann

U_Abs = 0,17 _* C _* A _* U₀

Die Wahl von Δν_max ≈ 2 _* Δν₀ bietet sich an, weil hier U_Abs/(C_*A_*U₀) ein Maximum hat und sich eine leichte Schwankung des Modulationshubes nicht so stark aus wirkt.

Durch die phasenempfindliche Detektion fallen Störun gen z. B. durch das Eigenleuchten des Ofens 23 oder Fremdlicht heraus. An dieser Stelle ist allerdings zusätzlich zu berücksichtigen, daß sich die Lichtlei stung hinter dem Ofen 23 (und damit U₀) auch durch Effekte verändern kann, die von der Feuchte im Ofen 23 unabhängig sind. Zu diesen störenden Effekten zählt z. B. die langsame Verschmutzung der Ofenfenster sowie eine Veränderung der Justage. Diese Störein flüsse führen zu einer (im Rahmen der Wellenlängen modulation) von der Laserwellenlänge unabhängigen Veränderung des Signals von Detektor 24, während die Wasserabsorption von der Laserwellenlänge abhängt. Damit kann der Einfluß der Störgrößen aufgefangen werden, indem das Ausgangssignal vom Verstärker 36 auf den tiefpaßgefilterten Gleichstromwert des nor mierten Signals von Detektor 24 bezogen wird.

Eine Verschlechterung der Ofentransmission, z. B. durch Fensterverschmutzung, reduziert sowohl das Si gnal von Verstärker 36 als auch den durch Tiefpaß 37 ermittelten Gleichstromwert um den gleichen Faktor, der bei der Quotientenbildung dieser Signale wieder herausfällt. Da beide Signale sich nur langsam än dern, wird die Division digital im Steuerrechner 5 durchgeführt. Sie liefert durch Herauskürzen von U₀ letztlich 0,17 _* C _* A, so daß der Steuerrechner 5 die Absorption A des Gases bestimmen kann, wenn C einmal ermittelt und gespeichert wurde.

Nun ist zur Bestimmung des Wasserdampfpartialdruckes c (gemessen in mbar) lediglich noch das Beersche Ge setz zu berücksichtigen:

mit der Länge l des Absorptionsweges und einem von der Gastemperatur abhängigen Wert µ(T), der mit Hilfe der HITRAN-Datenbank für die verwendete Linie berech net wurde (Tab. 1). Wie schon oben erwähnt, ist die geringe Temperaturabhängigkeit von µ eine besondere Eigenschaft der benutzten Linie.

Der Wasserdampfpartialdruck kann dann über eine im Steuerrechner 5 abgelegte Tabelle auch als Taupunkt ausgegeben werden. Eine solche Tabelle ist z. B. in der 61. Auflage des CRC Handbook of Chemistry and Physics, ed. R.C. Weast, CRC Press, Boca Raton, Flo rida (1980), abgedruckt.

Insgesamt hat damit der Steuerrechner 5 folgende Auf gaben:

a) Über die Temperatur der Laserdiode 3 stellt er beim Einschalten des Systems die Laserwellenlän ge ein. Dabei orientiert er sich an der gemesse nen Transmission des Filters 13. Aufgrund der steilen Flanke gelingt die Einstellung der Wel lenlänge auf besser 0,1 nm.
b) Im nächsten Schritt wird die Frequenzregelung anhand des Referenzzellensignals aktiviert. Die Laserfrequenz wird nun um die Absorptionslinie des Wasserdampfes moduliert.
c) Die Frequenzregelung wird nun fortlaufend anhand des 2f-Lock-In-Signals von Verstärker 35 der Referenzzelle 16, das der konstanten Feuchte in der Zelle entspricht, kontrolliert. Verläßt das Signal ein festgelegtes Intervall, beginnt der Steuerrechner 5 wieder bei a).
d) Bei korrekt arbeitender Frequenzregelung nor miert der Steuerrechner 5 das Ausgangssignal von Lock-In-Verstärker 36 auf den tiefpaßgefilterten Gleichstromanteil vom Normierer 33. Zusätzlich erhält der Steuerrechner 5 die Gastemperatur. Über den angegebenen Algorithmus bestimmt der Steuerrechner 5 schließlich die Wasserdampf-Kon zentration bzw. den Taupunkt im Ofen 23 und stellt diesen Wert sowohl per Display als auch über eine 0-20-mA-Schnittstelle zur Prozeßsteue rung (hier: Brenngutvorheizung) bereit.
e) Er gibt auch bei einem zu kleinen Signal von Tiefpaß 37 ein Fehlersignal aus, anhand dessen der Grad der Fensterverschmutzung abgelesen wer den kann.

Hinzu kommt unter Umständen die Durchführung des be reits beschriebenen PID-Regelalgorithmus.

Der beschriebene Regelalgorithmus stabilisiert die Laserfrequenz selbständig innerhalb von etwa 30 min. nach dem Einschalten des Systems. Der im Umgang mit Lasern ungeübte Anwender erhält als Betriebsinforma tion lediglich die Anzeige des Taupunktes sowie den Zustand des Gerätes (Frequenz korrekt ⇔ inkorrekt, Fenster reinigen ja ⇔ nein) über ein Display.

Neben der Bestimmung der Wasserdampfkonzentration kann auch mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise die Konzentration anderer Gaskomponenten bestimmt werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Gasen,
bei dem Licht einer Laserlichtquelle mit einer Absorptionswellenlänge des zu bestimmenden Gases durch dieses Gas gesendet, und
die Laserlichtquelle mittels Temperatur- und/oder Stromregelung auf die ausgewählte Absorp tionswellenlänge mit geringer Temperaturabhän gigkeit durchgestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Absorptionswellenlänge mit einer groben und einer feinen Frequenzregelung einge stellt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Lichtschwan kungen hervorgerufene Meßfehler des Meßsignales für die Gaskonzentration durch Normierung mit einem die abgestrahlte Laserleistung repräsen tierenden Meßsignal ausgeglichen werden.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Licht schwankungen hervorgerufene Meßfehler von Meßsi gnalen für die Einstellung der Absorptionswel lenlänge durch Normierung mit dem die abge strahlte Laserleistung repräsentierenden Meßsi gnal ausgeglichen werden.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von der Absorptionswellenlänge der Laser lichtquelle unabhängige Meßfehler durch Normie rung ausgeglichen werden.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Absorptionswellenlänge ein Fehlersignal mit ungerader Symmetrie erzeugt wird.

7. Verfahren zur Bestimmung der Wasserdampfkonzen tration und/oder des Taupunktes, dadurch gekennzeichnet,
daß Licht einer Laser lichtquelle mit der Absorptionswellenlänge des Wasserdampfes von 1303,5 nm zum Nachweis einer Wasserdampfkonzentration durch ein Medium gesen det,
und die Laserlichtquelle mittels Temperatur- und/oder Stromregelung auf die Wellenlänge von 1303,5 nm abgestimmt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Licht einer ausgewählten Absorptionswellenlänge aus strahlende Laserdiode (3) mit mindestens einem Strahlteiler (11, 12), einem Detektor (14 oder 18) zuführend und durch einen Gas enthaltenden Behälter (23) auf einen Photodetektor (24) sen dend, angeordnet ist, wobei das Meßsignal der Detektoren (14, 18) einer Temperaturregelschal tung (1) und/oder einer Stromregelschaltung für die Laserdiode (3) zuführbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß zwischen Strahlteiler (11) und Detektor (14) ein Kantenfilter (13) angeordnet ist, dessen wellenlängenabhängige Transmission zur groben Durchstimmung der ausgewählten Ab sorptionswellenlänge der Laserdiode (3) einsetz bar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß der Strahlteiler (12) einen Teil des von der Laserdiode (3) abgestrahlten Lichtes über eine das zu bestimmende Gas enthal tende Referenzzelle (16) auf den Detektor (18) richtend angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß an der Referenzzelle (16) eine Temperaturregelung (17) vorhanden ist.

12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsi gnale des Photodetektors (24) einem Normierer (33), an dem das Meßsignal einer Monitordiode (9), das der abgestrahlten Laserleistung ent spricht, anliegt, zuführbar ist.

13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Nor mierer (33) einem Lock-In-Verstärker (36) und einem Tiefpaßfilter (37) vorgeschaltet ist.

14. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsi gnale der Detektoren (14, 18) diesen jeweils nachgeschalteten Normierern (31, 32) zuführbar sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn zeichnet, daß die normierten Meßsignale nachge schalteten Lock-In-Verstärkern (34, 35) zuführ bar sind.

16. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Nor mierer (31, 32, 33) Analogdividierer sind.

17. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die nor mierten Meßsignale zur Regelung der Temperatur und/oder des Stromes der Laserdiode (3) einem Steuerrechner (5) zuführbar sind.

18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Licht einer Wellenlänge von 1303,5 nm ausstrahlenden Laser diode (3) mittels eines Strahlteilers (12) über einen Teil des Lichtes eine Wasserdampf enthal tende Referenzzelle (16) einem Detektor (18) zuführbar angeordnet ist und ein weiterer Teil des von der Laserdiode (3) abgestrahlten Lichtes durch einen Ofen (23) auf einen Photodetektor (24) sendbar ist,
und das Meßsignal des Detektors (18) zur feinen Regelung der Wellenlänge des abgestrahlten Lich tes einer Temperaturregelschaltung (1) und/oder einer Stromregelschaltung zuführbar ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekenn zeichnet, daß ein weiterer Teil des abgestrahl ten Lichtes mit dem Strahlteiler (11) zur groben Regelung der Wellenlänge auf den Detektor (14) richtbar ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekenn zeichnet, daß die Referenzzelle (16) eine licht reflektierende Innenbeschichtung aufweist.