DE3920470C2

DE3920470C2 -

Info

Publication number: DE3920470C2
Application number: DE19893920470
Authority: DE
Inventors: Joachim 7512 Rheinstetten De Brosi; Karlheinz 6744 Kandel De Cerff; Gunther Dr. 7500 Karlsruhe De Krieg
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1989-06-22
Filing date: 1989-06-22
Publication date: 1991-08-14
Also published as: DE3920470A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Konzentration gasförmiger Komponenten in einem Gasgemisch bzw. Prozeßgas.

Bei derartigen Verfahren muß hochselektiv und empfindlich die Konzentration von Gaskomponenten nachgewiesen werden.

Aus der DE-OS 35 10 052 ist ein Verfahren und Prozeßphotometer zur kontinuierlichen Messung von Konzentrationen bekannt. Dort wird eine Laserdiode als Strahlungsquelle verwendet, die über eine Absorptionslinie durch Temperaturvariation abgestimmt wird. Die Messung der Absorption erfolgt an einer Oberschwingung des aktivierten Moleküls. Zur Erlangung höchster Signal/Rausch-Verhältnisse wird bei der Messung mit den Laserdioden die aufwendige Derivatspektroskopie eingesetzt. Ein Referenzstrahlengang mit Referenzzelle und damit eine Strahlteilung ist notwendig.

Ein weiteres Verfahren ist aus der DE-OS 36 33 931 bekannt. Bei diesem Verfahren wird über die Messung einer Referenzintensität die Extinktion und damit die Konzentration der zu untersuchenden Komponenten durch Vergleich ermittelt. Bei diesem Verfahren sind zwei Detektoren erforderlich, zum einen für das Referenzsignal, zum anderen für das Meßsignal. Die Verarbeitung beider Signale erfolgt in der nachfolgenden Auswerteelektronik bzw. rechnergestützt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren so zu verbessern, daß eine einfache, zuverlässige und langzeitlich stabile Messung möglich wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Weitere vorteilhafte Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 gekennzeichnet.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Vorteile bestehen darin, daß das Auftreten der absorptionsspezifischen Linie während der Dauer des von der Laserdiode emittierten Lichtimpulses auf einen festen Zeitpunkt einstellbar ist, so daß ein fester zeitlicher Zusammenhang zwischen kleinerer Wellenlänge (Einsatzwellenlänge) und der absorp tionsspezifischen Linie besteht. Durch Messung des Zeitpunktes des Auftretens der Absorptionswellenlänge während des Laserimpulses und durch Vergleich mit einem Sollzeitpunkt wird ein Signal gewonnen, mit dem die Langzeitregelung der Laserdiodentemperatur auf einfache Weise möglich wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 8 ausführlich beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 Abhängigkeit des emittierten Laserlichts von der Lasertemperatur;

Fig. 2 emittierte Laserlichtbandbreite in Abhängigkeit des Strompulses;

Fig. 3 zeitliche Lage der Absorptionslinie λ_Abs während des Strompulses;

Fig. 4 Laserstrom und zugehörige optische Leistung bzw. Intensität;

Fig. 5 Intensitätsverlauf während eines Stromimpulses;

Fig. 6 Intensitätsverlauf für drei verschiedene Laser grundtemperaturen;

Fig. 7 Messung der Intensität;

Fig. 8 verstärktes Signal für die rein spezifische Ab sorption.

In Fig. 1 ist die Abhängigkeit der emittierten Wellenlänge von der Lasertemperatur dargestellt. Der Zusammenhang ist bei kleinen Änderungen hinreichend linear. Eine Temperaturerhöhung während der Stromdauer bedeutet deshalb die Emission einer ge wissen Bandbreite Δλ bzw. das Durchstimmen der Laserdiode be ginnend mit der Anfangswellenlänge λ_A.

Dieser Effekt wird ausgenützt, wie in Fig. 2 gezeigt wird. Stromimpulse durch den Laser bewirken die Emission einer Band breite, beginnend mit der Anfangswellenlänge λ_A. Während des Stromflusses wird der Laser dann bis auf eine größere Wellen länge λ_A + Δλ durchgestimmt. In Fig. 2 ist ein eingeschwunge ner Zustand angedeutet.

Für die spezifische Absorption ist wesentlich, daß die dafür vorgesehene Linie innerhalb der Bandbreite Δλ liegt. Fig. 3 zeigt die Lage derselben. Über die Einstellung der Lasergrund temperatur δ_G wird eingerichtet, daß der Zeitpunkt t₂ während des Stromimpulses immer gleich ist. Der optimale Bereich für die spezifische Absorption wird über die Regelung der Laser grundtemperatur eingestellt. Hierbei wird die zeitliche Lage des Absorptionsmaximums während des Stromimpulses erfaßt. Diese Art Regelung dient zu zweierlei Dingen: dem einen, eben beschrieben, aber auch dem anderen, nämlich der Langzeitstabi lisierung der Anfangswellenlänge λ_A zu Beginn des Strom impulses.

In Fig. 4 ist der Verlauf der gemessenen Lichtintensität nach Durchgang durch das zu untersuchende Medium, dem Prozeßgas, dem Gasgemisch während des Stromimpulses hervorgehoben.

Fig. 5 zeigt den Verlauf der gemessenen Lichtintensität bei drei verschiedenen Lasergrundtemperaturen δ₁, δ₂, δ₃.

Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß zur Ermittlung der Konzentration der gesuchten Gaskomponente ein und derselbe Lichtimpuls dient. Die Extinktion und damit die Konzentration des untersuchten Gases wird dadurch gemessen, daß von dem Meß signal für die spezifische Absorption das Meßsignal für die nichtspezifische Absorption abgezogen wird. Hierzu genügt ein Lichtdetektor. Das hat für die Signalverarbeitung dann einen Sinn, wenn gewährleistet ist, daß während der Dauer des Strom impulses Laserlicht konstanter Intensität emittiert wird. Zu diesem Zwecke wird das vom Laser emittierte Licht gemessen. Dieses Meßsignal beeinflußt die Stärke des Stromes durch die Laserdiode derart, daß über den Wellenlängenbereich Δλ hinweg konstante Emission stattfindet. Fig. 6 veranschaulicht diesen Zusammenhang.

Fig. 7 zeigt den Verlauf der Intensitätsmessung nach Durch gang des Laserlichtimpulses mit anfänglich konstanter Intensi tät durch das Prozeßgas. Die Differenz aus der Messung der nichtspezifischen Absorption und der aus der spezifischen Ab sorption sowie die anschließende Verstärkung dieses Signals wird in Fig. 8 dargestellt.

Bezugszeichenliste:

1 Absorptionswellenlänge
2 Absorptionszeitpunkt
3 Laserstrom
4 optische Leistung, Intensität
5 Bereich spezifischer Absorption
6 Bereich unspezifischer Absorption
7 reines Absorptionssignal, Kleinsignal

Claims

1. Verfahren zur Langzeitstabilisierung der zeitlichen Lage einer spezifischen Absorptionswellenlänge in von einer Laserdiode emittierten, schmalbandigen Laserimpulsen, wobei beim Durchgang dieser durch ein Gasgemisch die spezifische Absorptionswellenlänge von davon enthaltenen, zu untersuchenden Gaskomponenten maximal absorbiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Lage der maximalen Absorption während der Emissionszeit des Laserimpulses detektiert wird, die Zeitlage mit einer vorgegebenen Sollzeit verglichen wird und aus der daraus ermittelten Zeitdifferenz ein Signal zur Langzeitregelung der Temperatur (Thermostatisierung), der Laserdiode, gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn eines jeden Laserimpulses die gleiche Ausgangs wellenlänge emittiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Laserimpulses und die Periodendauer eines daraus erzeugten Laserpulses konstant gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch kontinuierliche Intensitätsmessung während des Laserimpulses ein Signal erzeugt wird, das zur Regelung des Laserdiodestromes derart verwendet wird, daß die Intensität des Laserimpulses konstant bleibt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß über die Intensitätsmessung nach Durchgang der Laserimpulse durch das Gasgemisch aus spezifischer Absorption und nichtspezifischer Absorption die Konzentration der zu untersuchenden Gaskomponeten ermittelt wird.