DE69507176T2

DE69507176T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Absorption einer elektromagnetischen Strahlung durch ein Gas

Info

Publication number: DE69507176T2
Application number: DE69507176T
Authority: DE
Inventors: Francois F-92260 Fontenay-Aux-Roses Grasdepot
Original assignee: Schlumberger SA
Current assignee: Itron France SAS
Priority date: 1994-03-03
Filing date: 1995-02-28
Publication date: 1999-07-22
Anticipated expiration: 2015-03-01
Also published as: ES2127955T3; ATE175775T1; EP0670487A1; FR2716973B1; EP0670487B1; DE69507176D1; US5506685A; FR2716973A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Absorption einer elektromagnetischen Strahlung mit veränderlicher Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich durch ein Gas, das eine selektive Absorption dieser Strahlung in dem Wellenlängenbereich aufweist, sowie auf eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
Es ist bekannt, daß bestimmte Gase eine elektromagnetische Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung selektiv absorbieren, wenn diese Körper eine Struktur von verhältnismäßig feinen und getrennten Linien und keine Streifenstrukur aufweisen.
Diese Eigenschaft wird ausgenutzt, um die Absorption dieser Körper zu bestimmen und daraus ihre Konzentration abzuleiten.
Häufig wird versucht, die Konzentration eines Gases in einem Gemisch anderer Gase ohne Ausführung von Analysen, die einen physischen Kontakt mit dem Fluid erfordern, zu bestimmen. Dieser Analysetyp ist übrigens nicht immer einfach, wenn beispielsweise schnell ein Gasverlust erfaßt werden soll.
Es sind verschiedene physische Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Gases bekannt, das eine selektive Absorption einer elektromagnetischen Strahlung in einem Wellenlängenbereich dieser Strahlung besitzt. Diese physischen Verfahren ermöglichen die Ausführung einer Messung ohne Kontakt mit dem Gas, was im Gegensatz zu chemischen Messungen steht, und weisen außerdem eine gute Selektivität auf.
Es ist beispielsweise ein zuverlässiges Verfahren bekannt, das auf einem Interferometer mit Fourier-Transformation basiert und darin besteht, sämtliche Absorptionseigenschaften des Gases in einem großen Bereich von Lichtwellenlängen zu bestimmen. Dieses Verfahren ist jedoch sehr komplex.
Es ist außerdem bekannt, die Emissionswellenlänge eines Diodenlasers in einem Wellenlängenbereich, der eine Absorptionslinie eines Gases enthält, wovon die Konzentration bestimmt werden soll, zu modulieren und die von dem Diodenlaser emittierte modulierte Lichtstrahlung durch eine gasgefüllte Zelle zu schicken. Ein optischer Detektor ermöglicht dann die Aufnahme der Lichtstrahlung mit veränderlicher Amplitude, die für das Gas und seine Konzentration charakteristisch ist.
Nun ist diese Strahlung im allgemeinen durch eine durch die Modulation des Lasers bedingte Strahlung gebildet, der Spitzen überlagert sind, die durch die differentielle Absorption des Gases bedingt sind (wobei diese zwei Strahlungen durch konstante Verluste in Abhängigkeit von der Wellenlänge gedämpft werden und durch verschiedene Opazitäten bedingt sind, die von der von dem Diodenlaser stammenden modulierten Lichtstrahlung angetroffen werden), weshalb es nicht möglich ist, nur den Beitrag des Gases in der Strahlung zu isolieren.
Es ist ein Verfahren bekannt, das in dem Artikel "Absorption measurements of water-vaper concentration, temperature and line-shape parameters using a tunable InGaAsp Diode Laser", APPLIED OPTICS, Bd. 32, Nr. 30, S. 6104-6116, 20. Oktober 1993, erwähnt ist und das ermöglicht, auf optischem Weg die Konzentration des Wasserdampfs zu bestimmen wobei bestimmte der obengenannten Probleme nicht mehr bestehen.
Gemäß diesem Verfahren wird ein Diodenlaser verwendet, dessen Emissionswellenlänge moduliert wird, indem der Injektionsstrom und/oder die Temperatur des Lasers moduliert werden, wobei ein Wellenlängenbereich gewählt wird, der den Wellenlängenbereich abdeckt, für den der Wasserdampf eine differentielle Absorption aufweist.
Dieser Diodenlaser emittiert eine modulierte Lichtstrahlung, die anschließend in zwei modulierte Lichtstrahlungen aufgeteilt wird, wovon eine als Referenzstrahlung dient und die andere eine Zelle durchquert, die mit einem Gasgemisch gefüllt ist, das Wasserdampf enthält, dessen Konzentration zu bestimmen ist, und als Meßstrahlung dient.
Am Ausgang der Gaszelle empfängt ein Detektor für die Lichtstrahlung die Meßlichtstrahlung mit veränderlicher Amplitude, die für den Wasserdampf und seine Konzentration charakteristisch ist, und setzt sie in ein elektrisches Meßsignal um. Die Referenzstrahlung wird ebenfalls von einem weiteren Detektor für Lichtstrahlung empfangen und in ein elektrisches Referenzsignal umgesetzt.
Das beschriebene Verfahren besteht anschließend darin, das Meßsignal vom Referenzsignal zu subtrahieren und das erhaltene elektrische Signal durch das Referenzsignal zu dividieren, um daraus die Absorption der Lichtstrahlung durch den Wasserdampf und somit dessen Konzentration abzuleiten.
Freilich erwähnt dieser Artikel nur, daß für die Erlangung einer zuverlässigen Messung der Absorption die Amplitude dieser zwei elektrischen Signale, die von den Detektoren für Lichtstrahlung ausgegeben werden, vollkommen abgeglichen sein muß.
Die geringste Differenz in ihrer Verstärkung hat nämlich eine Störung der Absorptionsmessung zur Folge.
Außerdem fällt in dem Zeitintervall, das den Abgleich der Absorptionsmeßsignale trennt, jede Veränderung der optischen Verluste mit einer Veränderung der Absorption zum Nachteil der Messung zusammen.
In diesem Artikel wird übrigens präzisiert, daß mehrere Wege beschritten worden sind, um die elektrischen Signale, die von den Detektoren für Lichtstrahlung ausgegeben werden, perfekt abzugleichen, keiner von ihnen war indessen vollkommen zufriedenstellend. Dieses Problem trifft für die Absorptionsmeßverfahren des Standes der Technik in der Tat allgemein zu, wobei bestätigt werden kann, daß die bekannten Verfahren des Standes der Technik keine einfache und zuverlässige Bestimmung der Absorption und daher der Konzentration eines Gases, das eine selektive Absorption in einem gegebenen Wellenlängenbereich einer elektromagnetischen Strahlung aufweist, ermöglichen, weil sie für unvermeidliche parasitäre Verluste nicht unempfindlich sind.
Die vorliegende Erfindung zielt daher auf die Beseitigung dieser Nachteile, indem sie ein Verfahren zur Bestimmung der Absorption einer elektromagnetischen Strahlung mit veränderlicher Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich durch ein Gas, das eine selektive Absorption dieser Strahlung in dem Wellenlängenbereich aufweist, sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens vorschlägt, die einfach und unabhängig von parasitären Verlusten und Dämpfungen sind, welche die elektromagnetischen Strahlungen und die elektrischen Signale nachteilig beeinflussen.
Die vorliegende Erfindung hat somit ein Verfahren zur Bestimmung der Absorption einer elektromagnetischen Strahlung mit veränderlicher Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich durch ein Gas, das eine selektive Absorption dieser Strahlung in dem Wellenlängenbereich aufweist zum Gegenstand, wobei das Verfahren darin besteht:
- zwei elektromagnetische Strahlungen mit derselben zeitlich modulierten Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich zu erzeugen, wobei eine der elektromagnetischen Strahlungen, die Meßstrahlung genannt wird, das Gas durchquert, während die andere elektromagnetische Strahlung Referenzstrahlung genannt wird, und dann
- sowohl die elektromagnetische Meßstrahlung als auch die elektromagnetische Referenzstrahlung zu erfassen und sie in elektrische Signale umzusetzen, die Meßsignale Mes(t) bzw. Referenzsignale Ref(t) genannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren anschließend darin besteht, das elektrische Meßsignal Mes(t) durch das elektrische Referenzsignal Ref(t) zu dividieren, um ein erstes elektrisches Divisionssignal Div1(t) zu erhalten, das aus einem zeitlich veränderlichen Wechselstromanteil und aus einem zeitlich unveränderlichen Gleichstromanteil gebildet ist, die Wechselstrom- und Gleichstromanteile zu trennen und den Wechselstromanteil des ersten elektrischen Divisionssignals Div1(t) durch den Gleichstromanteil desselben Signals zu dividieren, um ein zweites elektrisches Divisionssignal Div2(t) zu erhalten, das ausschließlich die Absorption der elektromagnetischen Strahlung durch dieses Gas repräsentiert.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist daher sehr einfach auszuführen und ermöglicht die Beseitigung parasitärer Verluste und Dämpfungen, die die elektromagnetischen Strahlungen und die elektrischen Signale nachteilig beeinflussen. Das so erhaltene elektrische Signal stellt eine Größe dar, die direkt mit der Konzentration des Gases in Beziehung steht und einfach auswertbar ist, um die Konzentration dieses Gases präzise zu bestimmen.
Somit werden bessere Ergebnisse als im Stand der Technik erhalten, und dies bei Verwendung viel einfacherer Techniken als jene, die bereits vorgeschlagen worden sind.
Gemäß der Erfindung:
- besitzen die elektromagnetischen Strahlungen Amplituden, deren Verhältnis zeitlich konstant ist;
- werden von einer Quelle, die eine elektromagnetische Basisstrahlung emittiert, zwei elektromagnetische Strahlungen erzeugt und wird die elektromagnetische Basisstrahlung aufgeteilt, um die elektromagnetischen Meß- und Referenzstrahlungen zu erhalten;
- ist die elektromagnetische Strahlung eine Lichtstrahlung;
- ist die Lichtquelle ein Diodenlaser, der mit dem Injektionsstrom und/oder der Temperatur moduliert wird;
- werden die Wechselstrom- und Gleichstromanteile durch elektrische Filterung getrennt.
Die vorliegende Erfindung hat außerdem eine Vorrichtung zur Bestimmung der Absorption einer elektromagnetischen Strahlung mit veränderlicher Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich durch ein Gas, das eine selektive Absorption dieser Strahlung in dem Wellenlängenbereich aufweist, mit der das obenbeschriebene Verfahren ausgeführt wird, zum Gegenstand, die enthält:
- Mittel zur Erzeugung zweier elektromagnetischer Strahlungen mit gleicher Wellenlänge, die in dem Wellenlängenbereich zeitlich moduliert ist, wobei eine der elektromagnetischen Strahlungen, die Meßstrahlung genannt wird, das Gas durchquert, während die andere elektromagnetische Strahlung Referenzstrahlung genannt wird,
- Mittel zur Erfassung sowohl der elektromagnetischen Meßstrahlung als auch der elektromagnetischen Referenzstrahlung und zur Umsetzung dieser Strahlungen in elektrische Signale, die Meßsignale bzw. Referenzsignale genannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung außerdem enthält:
- erste Mittel zur Division des elektrischen Meßsignals durch das elektrische Referenzsignal, um ein erstes elektrisches Divisionssignal zu erhalten, das durch einen zeitlich veränderlichen Wechselstromanteil und einen zeitlich unveränderlichen Gleichstromanteil gebildet ist,
- Mittel zum Trennen der Wechselstrom- und Gleichstromanteile des elektrischen Divisionssignals,
- und zweite Mittel zur Division des Wechselstromanteils des ersten elektrischen Divisionssignals durch den Gleichstromanteil desselben Signals, um ein zweites elektrisches Divisionssignal zu erhalten, das ausschließlich die Absorption der elektromagnetischen Strahlung durch dieses Gas repräsentiert.
Diese Vorrichtung weist den Vorteil auf, einen besonders einfachen Aufbau zu besitzen, und benötigt keine komplexen, großen und teuren elektronischen Mittel.
Gemäß der Erfindung enthalten die Mittel zur Erzeugung zweier elektromagnetischer Strahlungen eine Quelle, die eine elektromagnetische Basisstrahlung emittiert, und Mittel zum Aufteilen der Basisstrahlung, um die elektromagnetischen Meß- und Refe renzstrahlungen zu erhalten. Die elektromagnetische Strahlung ist eine Lichtstrahlung.
Die Aufteilungsmittel sind durch ein Glasplättchen gebildet, das im Weg der Basislichtstrahlung unter einer Neigung mit dieser Strahlung angeordnet ist und zweckmäßig auf einer seiner Flächen, die dieses Signal empfängt, einen halbdurchlässigen Metallniederschlag besitzt, um die Reflexion der Fläche zu erhöhen.
Die Quelle ist ein Diodenlaser, der mit einem System zur Modulation der Lichtwellenlänge der Basislichtstrahlung durch Modulation des Injektionsstroms und/oder der Temperatur versehen ist.
Die Mittel zur Erfassung der Meß- und Referenzlichtstrahlungen und zur Umsetzung dieser Strahlungen in elektrische Signale sind durch Photodioden desselben Typs gebildet.
Gemäß weiterer Merkmale der Erfindung:
- enthalten die Mittel zum Trennen der Wechselstrom- und Gleichstromanteile des ersten elektrischen Divisionssignals ein erstes elektrisches Filter zum Wählen des Wechselstromanteils des Signals und ein zweites elektrisches Filter zum Wählen des Gleichstromanteils dieses Signals;
- ist das erste elektrische Filter aus einer seriellen Kapazität und einem parallelen Widerstand, die ein Hochpaßfilter bilden, gebildet;
- ist das zweite elektrische Filter aus einem seriellen Widerstand und einer parallelen Kapazität, die ein Tiefpaßfilter bilden, gebildet.
Die Erfindung findet eine besonders nützliche Anwendung bei dem Versuch, die Konzentration eines spezifischen Gases wie etwa Methan oder Kohlenmonoxid in einem Gemisch aus anderen Gasen beispielsweise zur Rechnungsstellung zu bestimmen oder wenn gewünscht ist, einen Verlust dieses Gases zu erfassen.
Die Bestimmung der Absorption einer Lichtstrahlung durch ein Gas gemäß der Erfindung ermöglicht dann in einfacher Weise, einen zuverlässigen Meßwert der Konzentration des Gases abzuleiten, und dies unabhängig davon, ob die Konzentration des Gases gering oder hoch ist.
Weitere Merkmale und Vorteile werden deutlich im Verlauf der folgenden Beschreibung, die anhand eines nichtbeschränkenden Beispiels gegeben wird und auf die beigefügte Zeichnung Bezug nimmt, worin:
- Fig. 1 eine Gesamtansicht der verschiedenen Elemente ist, die die Vorrichtung gemäß der Erfindung bilden,
- Fig. 2 ein elektrisches Signal zeigt, das der modulierten Lichtemissionsstrahlung entspricht,
- Fig. 3 das elektrische Signal zeigt, das der Meßlichtstrahlung nach dem Durchgang durch die Gaszelle entspricht,
- Fig. 4 das elektrische Signal zeigt, das der Referenzlichtstrahlung entspricht,
- Fig. 5 das erste elektrische Divisionssignal zeigt,
- die Fig. 6a und 6b ein Hochpaßfilter bzw. ein Tiefpaßfilter zeigen, die dazu bestimmt sind, den zeitlich veränderlichen Wechselstromanteil und den zeitlich unveränderlichen Gleichstromanteil des ersten elektrischen Divisionssignals zu wählen,
- Fig. 7 den Wechselstromanteil des ersten elektrischen Divisionssignals zeigt,
- Fig. 8 den Gleichstromanteil des ersten elektrischen Divisionssignals zeigt,
- Fig. 9 das zweite elektrische Divisionssignal zeigt,
- Fig. 10 eine Lichtabsorptionslinie von Methan zeigt,
- Fig. 11 für Methan den Wert Rms des Absorptionssignals in Abhängigkeit von der Gaskonzentration zeigt,
- Fig. 12 das Signal von Fig. 2 zeigt, das zeitlich verändert ist,
- Fig. 13 das Signal von Fig. 3 zeigt, das zeitlich verändert ist.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung, die in Fig. 1 gezeigt und als Ganzes mit dem allgemeinen Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, wird auf Methan angewendet, das eine selektive Absorption einer Lichtstrahlung mit veränderlicher Wellenlänge in einem Bereich von Lichtwellenlängen aufweist. Der Bereich von Lichtwellenlängen ist in der Weise gewählt, daß er wenigstens eine Wellenlänge λ&sub0; enthält, für die Methan eine Absorptionslinie enthält. Diese Wellenlänge λ&sub0; ist beispielsweise gleich 1,333 um, wobei der Wellenlängenbereich beispielsweise die Wellenlängen abdeckt, die sich von λ&sub0; - Δλ = 1,332 um bis λ&sub0; + Δλ = 1,334 um erstrecken.
Diese Vorrichtung enthält Mittel 10 zur Erzeugung zweier Lichtstrahlungen: Eine wird Meßlichtstrahlung genannt und mit Mes(t) bezeichnet, während die andere Referenzlichtstrahlung genannt und mit Ref(t) bezeichnet wird. Diese beiden Lichtstrahlungen stammen von einer Basislichtstrahlung Bas(t), die von einer Lichtquelle emittiert wird, die beispielsweise ein herkömmlicher Monomoden-Diodenlaser 12 ist. Der Diodenlaser 12 ist beispielsweise mit einem Referenzsystem 14 OEM DYLOR LT20-200 ausgerüstet und wird von der Firma LASER 2000 vertrieben, das die Versorgung der Diode und die zeitlich veränderliche Modulation der Emissionswellenlänge dieser Diode in dem obengenannten Bereich von Lichtwellenlängen ermöglicht. Das Modulationssystem 14 hält die Temperatur des Diodenlasers konstant, während die Stärke des elektrischen Stroms im Übergang der Diode um einen im voraus definierten Wert 10, der beispielsweise gleich 50 mA ist, mit einer zeitabhängigen und periodischen Amplitude Δi mit der Periode T = 0,1 ms moduliert wird: I(t) = i&sub0; + Δi(t). Der Wert der maximalen Amplitude Δi(t) ist beispielsweise gleich 30 mA. Der Verlauf des Signals, das den elektrischen Strom darstellt, ist beispielsweise ein Sägezahn. Die Wellenlänge λ der Basislichtstrahlung Bas(t), die von dem Diodenlaser emittiert wird, und die Energie E dieser Strahlung sind ebenfalls zeitabhängig, periodisch und besitzen die Periode T.
Fig. 2 zeigt den Verlauf des elektrischen Signals, das der modulierten Basislichtstrahlung Bas(t) entspricht.
Die modulierte optische Basisstrahlung Bas(t) wird anschließend durch optische Trennmittel, die beispielsweise aus einem halbdurchlässigen Glasplättchen 16, das Trennplättchen genannt wird und im Weg der Basislichtstrahlung wie in Fig. 1 gezeigt angeordnet ist, gebildet ist, optisch aufgeteilt. Das Glasplättchen weist eine Neigung zur Basislichtstrahlung auf und ist auf seiner Fläche 16a, die der Basislichtstrahlung ausgesetzt ist, mit einem metallischen Niederschlag beschichtet, der dazu dient, die Reflexionsleistung der Fläche zu erhöhen.
Beispielsweise ist das Glasplättchen mit einer Dicke von 1 mm mit einer dünnen Goldschicht mit einer Dicke von 60 nm beschichtet.
Ein Teil der Basislichtstrahlung durchquert das Glasplättchen 16 und ergibt eine Meßlichtstrahlung Mes(t). Um der Klarheit der Darstellung willen sind die Meßlichtstrahlung (bzw. Referenzstrahlung) und das elektrische Meßsignal (bzw. Referenzsignal) mit dem gleichen Ausdruck Mes(t) (bzw. Ref(t)) bezeichnet.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung enthält außerdem eine Zelle 22, die ein Gasgemisch enthält, das insbesondere Methan enthält. Diese Zelle ist im Weg der Meßlichtstrahlung Mes(t) in der Weise angeordnet, daß diese Strahlung durch das Vorhandensein von Methan beeinflußt wird.
Optische Erfassungsmittel, die durch eine InGaAs-Photodiode 22 gebildet sind, empfangen die Meßlichtstrahlung nach ihrem Durchgang durch die Zelle 20 und setzen sie in ein analoges elektrisches Meßsignal um, dessen Verlauf in Fig. 3 gezeigt ist. Ein Vergleich mit dem Verlauf des Signals von Fig. 2 zeigt umgekehrte Spitzen, die dem Basissignal überlagert sind und die der Absorptionslinie von Methan entsprechen. Das elektrische Meßsignal wird folgendermaßen ausgedrückt:
Mes(t) = T · G[λ(t)]. E(t) oder T gibt die optische und die elektrische Gesamtdämpfung an, die die Meßlichtstrahlung und das Meßsignal ab der Lichtemission erfahren, während G die optische Übertragung durch das Gas beim Durchgang durch die Zelle 20 angibt.
Die optische Übertragung ist in Abhängigkeit von der Lichtabsorption p[λ(t)] gegeben. Folglich lautet das elektrische Meßsignal: Mes(t) = T · (1 - p[λ(t)]) · E(t).
Nach der Lichtaufteilung wird außerdem die Referenzlichtstrahlung Ref(t) erhalten, die von der beschichteten Fläche 16a des Glasplättchens reflektiert wird und anschließend durch optische Erfassungsmittel, die beispielsweise aus einer herkömmlichen InGaAS-Photodiode 24, die mit der Photodiode 22 völlig übereinstimmt und im Weg der reflektierten Lichtstrahlung angeordnet ist, gebildet sind, optisch erfaßt.
Die Referenzlichtstrahlung wird in ein analoges elektrisches Referenzsignal Ref(t) umgesetzt, wobei am Ausgang der Photodiode 24 das elektrische Referenzsignal durch die folgende Form Ref(t) = R · E(t) gegeben ist, wobei R die optische und elektrische Gesamtdämpfung bezeichnet, der die Referenzstrahlung und das Referenzsignal ab der Lichtemission unterliegen. Der Verlauf dieses Signals ist in Fig. 4 gezeigt.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, enthält die Vorrichtung gemäß der Erfindung erste Mittel zur Division des elektrischen Meßsignals durch das elektrische Referenzsignal, um ein erstes elektrisches Divisionssignal Div1(t) zu erhalten. Solche Mittel sind beispielsweise durch eine herkömmliche analoge Referenzdivisionsschaltung 26 DIV100KP, die von der Firma BURR BROWN vertrieben wird, gebildet.
Es ist auch möglich, einen Analog/Digital-Umsetzer zu verwenden, um diese Divisionsfunktion zu verwirklichen.
Die Wirkung dieses ersten Divisors besteht darin, den folgenden Quotienten zu verwirklichen:
also
Der Verlauf des ersten elektrischen Divisionssignals Div1(t) ist in Fig. 5 gezeigt und veranschaulicht die umgekehrten Spitzen, die die Lichtabsorption von Methan darstellen. Dieses erste elektrische Divisionssignal enthält zwei Teile: eines ist mit AC bezeichnet und gleich -(T/R)p[λ(t)] und zeitabhängig, während der andere Teil mit DC bezeichnet ist und gleich (T/R) ist und zeitlich unveränderlich ist.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung sieht anschließend Mittel zum Trennen der Wechselstrom- und Gleichstromanteile im ersten elektrischen Divisionssignal Div1(t) vor.
Diese Mittel sind beispielsweise durch ein erstes elektrisches Filter 28, das ausschließlich den Wechselstromanteil des Signals Div1(t) wählt, und durch ein zweites elektrisches Filter 30, das ausschließlich den Gleichstromanteil des Signals Div1(t) wählt, gebildet.
Wie in Fig. 6a gezeigt ist, ist das erste elektrische Filter beispielsweise aus einer seriellen Kapazität C&sub1; mit einem Wert von 0,1 uF und aus einem parallelen Widerstand R&sub1; mit einem Wert von 1 kΩ, die ein herkömmliches Hochpaßfilter bilden, gebildet.
Das Signal, das den Wechselstromanteil darstellt, ist in Fig. 7 gezeigt. Das zweite elektrische Filter ist beispielsweise aus einem seriellen Widerstand R&sub2; mit einem Wert von 1 kΩ und aus einer parallelen Kapazität C&sub2; mit einem Wert von 0,1 uF, die ein elektrisches Tiefpaßfilter bilden, gebildet (Fig. 6b). Das Signal, das den Gleichstromanteil darstellt, ist in Fig. 8 gezeigt.
Ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen, empfiehlt es sich anzumerken, daß mittels eines ersten Divisors auch eine erste Division des Meßsignals durch das Referenzsignal ausgeführt werden kann, woraufhin der Wechselstromanteil des elektrischen Divisionssignals entnommen wird, und daß gleichzeitig mittels eines zweiten Divisors eine zweite Division des Meßsignals durch das Referenzsignal ausgeführt werden kann, woraufhin der Gleichstromanteil des elektrischen Divisionssignals entnommen wird.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, enthält die Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung ein letztes Element 32, das durch die zweiten Divisionsmittel des zeitlich veränderlichen Teils AC des ersten Divisionssignals Div1(t) durch den zeitlich unveränderlichen Teil DC desselben Signals gebildet ist.
Somit wird ein zweites elektrisches Divisionssignal Div2(t) erhalten. Diese Mittel sind beispielsweise aus einer herkömmlichen analogen Referenzdivisorschaltung 32 DIV100KP, die von der Firma BURR BROWN vertrieben wird, gebildet.
Es ist auch möglich, einen Analog/Digital-Umsetzer zu verwenden, um diese Divisionsfunktion auszuführen.
Die Wirkung dieses zweiten Divisors besteht darin, den folgenden Quotienten zu verwirklichen:
, also Div2(t) = -p[λ(t)]
Der Verlauf des zweiten elektrischen Divisionssignals Div2(t) ist in Fig. 9 gezeigt.
Somit zeigt das erhaltene Signal Div2(t) absolut den Beitrag p[λ(t)] des Gases, das auf dem von der Lichtstrahlung durchlaufenen gesamten Lichtweg angetroffen wird.
Vorteilhaft sind die Werte der Lichtabsorption Absolutwerte für die Wellenlänge λ(t) und daher unabhängig von der vom Diodenlaser stammenden Modulation und unempfindlich für die Störung des Diodenlasers. Es ist somit möglich, die Temperatur des Diodenlasers und die Stärke des elektrischen Stroms im Übergang in einer weniger präzisen Weise als im Stand der Technik zu stabilisieren und somit ein System 14 zur Versorgung und zur Modulation der Wellenlänge des Diodenlasers zu verwenden, das weniger hoch entwickelt ist als jene des Standes der Technik.
Es empfiehlt sich außerdem anzumerken, daß die Verarbeitung des Signals, die erfolgt, nachdem die optischen Meß- und Referenzstrahlungen erfaßt worden sind, auch in digitaler Weise verwirklicht werden kann.
In dem obenbeschriebenen Ausführungsbeispiel für Methan ist es, sobald ein Signal erhalten worden ist, das ausschließlich die optische Absorption des Gases darstellt, ausreichend, den sogenannten Rms-Wert zu berechnen, der im folgenden beispiels weise mittels eines Voltmeters ausgedrückt wird, und diesen Wert Rms mit einem Proportionalitätskoeffizienten zu multiplizieren, der in bekannten Meßtabellen verfügbar ist, um daraus die Konzentration von Methan in der Zelle 20 abzuleiten.
Es empfiehlt sich anzumerken, daß für die Verwirklichung eines Gaszählers in Betracht gezogen werden kann, diesen Wert Rms am Ausgang des elektrischen Filters 28 zu berechnen und anschließend das Signal -(T/R)Rms durch den Gleichstromanteil des ersten elektrischen Divisionssignals zu dividieren, um am Ausgang des Divisors 32 direkt den Wert Rms zu erhalten.
Wie in Fig. 10 gezeigt ist, entspricht der Wert Rms tatsächlich dem schraffierten Bereich unter der Kurve, die die Lichtabsorption von Methan im Bereich von Lichtwellenlängen darstellt, der im voraus definiert ist und zu einer Absorptionsspitze bei λ&sub0; = 1,333 um führt.
Die Erfindung ermöglicht somit die Berechnung der Konzentration eines Gases mit derselben Auflösung wie jene des Standes der Technik, jedoch mit einer höheren Genauigkeit.
Wie nämlich in Fig. 11 gezeigt ist, die den Wert Rms des Ausgangssignals der Vorrichtung in Abhängigkeit von der Konzentration des Gases (Methan) zeigt, sind die auf dieser Kurve erhaltenen Werte ausschließlich der Messung der Absorption zuschreibbar. Wenn hingegen die Techniken des Standes der Technik verwendet werden, kann dieselbe Kurve wie jene von Fig. 11 erhalten werden, die Metrologie der auf dieser Kurve erhaltenen Werte kann jedoch nicht gewährleistet werden. Außerdem ermöglicht die Tatsache, einen Meßwert der Konzentration eines Gases anzuordnen, beispielsweise die schnelle und zuverlässige Schätzung des Brennwertes dieses Gases. Außerdem kann schnell ein Gasverlust erfaßt werden und kann beispiels weise die Auslösung eines visuellen und/oder akustischen Alarms in einem solchen Fall vorgesehen sein.
Kraft der Erfindung wird außerdem der Einfluß der Temperatur und des Drucks des Gases beseitigt.
Darüber hinaus weist die Vorrichtung gemäß der Erfindung eine langfristige Stabilität auf, da sie sich ständig neu ohne äußere Unterstützung kalibriert, was im Gegensatz zu der Vorrichtung steht, die in dem Dokument "Applied Optics" des Standes der Technik beschrieben ist, wo eine manuelle Abgleichung der Verstärkungen der elektrischen Meßsignale und Referenzsignale notwendig ist.
Daher kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung vorteilhaft in verschiedenen Industrien angewendet werden, wobei es möglich ist, sie an schwer zugänglichen Orten zu installieren, wo wenig Platz vorhanden ist und wo es nicht notwendig ist, ihren Betrieb ständig zu kontrollieren. Sie kann auch problematischen Umgebungen (Verschmutzung, Schwingungen, ...) ausgesetzt werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß die Messung der ausgeführten Messungen nachteilig beeinflußt wird.
Wie in den Fig. 3, 5, 7 und 9 gezeigt ist, verändert sich die Zeit τ, die zwei aufeinanderfolgende Absorptionsspitzen trennt, für dasselbe Signal nicht, hingegen kann es sich zeitlich aus verschiedenen Gründen, die mit der Funktionsweise des Diodenlasers in Verbindung stehen, verändern.
In den herkömmlichen Techniken bildet diese Veränderung einen Nachteil, weil sie die Metrologie der Messung beeinflußt, wobei die in dem Dokument "Applied Optics" erwähnte Vorrichtung diesen Nachteil durch Regelung der Emissionswellenlänge des Lasers auf die Linie des Gases beseitigt.
Vorteilhaft kann mit der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung diese Zeit während des Verfahrens geändert werden, wie in den Fig. 12 und 13 gezeigt ist, die die erhaltenen Signale Bas(t) und Mes(t) veranschaulichen, ohne daß dies die Metrologie der Messung beeinflußt, weshalb es nicht notwendig ist, eine zusätzliche Ausrüstung für die Regelung der Emissionswellenlänge des Lasers auf die Gaslinie vorzusehen.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Absorption einer elektromagnetischen Strahlung mit veränderlicher Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich durch ein Gas, das eine selektive Absorption dieser Strahlung in dem Wellenlängenbereich aufweist, wobei das Verfahren darin besteht:

- zwei elektromagnetische Strahlungen mit derselben zeitlich modulierten Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich zu erzeugen, wobei eine der elektromagnetischen Strahlungen, die Meßstrahlung genannt wird, das Gas durchquert, während die andere elektromagnetische Strahlung Referenzstrahlung genannt wird, und dann

- sowohl die elektromagnetische Meßstrahlung als auch die elektromagnetische Referenzstrahlung zu erfassen und sie in elektrische Signale umzusetzen, die Meßsignale Mes(t) bzw. Referenzsignale Ref(t) genannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren anschließend darin besteht, das elektrische Meßsignal Mes(t) durch das elektrische Referenzsignal Ref(t) zu dividieren, um ein erstes elektrisches Divisionssignal Div1(t) zu erhalten, das aus einem zeitlich veränderlichen Wechselstromanteil und aus einem zeitlich unveränderlichen Gleichstromanteil gebildet ist, die Wechselstrom- und Gleichstromanteile zu trennen und den Wechselstromanteil des ersten elektrischen Divisionssignals Div1(t) durch den Gleichstromanteil desselben Signals zu dividieren, um ein zweites elektrisches Divisionssignal Div2(t) zu erhalten, das ausschließlich die Absorption der elektromagnetischen Strahlung durch dieses Gas repräsentiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Quelle, die eine elektromagnetische Grundstrahlung emittiert, zwei elektromagnetische Strahlungen erzeugt werden und daß die elektromagnetische Grundstrahlung geteilt wird, um die elektromagnetischen Meß- und Referenzstrahlungen zu erhalten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung eine Lichtstrahlung ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle eine Laserdiode ist, deren Injektionsstrom und/oder deren Temperatur moduliert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstrom- und Gleichstromanteile durch elektrische Filterung getrennt werden.

6. Vorrichtung zur Bestimmung der Absorption einer elektromagnetischen Strahlung mit veränderlicher Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich durch ein Gas, das eine selektive Absorption dieser Strahlung in dem Wellenlängenbereich aufweist, mit

- Mitteln (10) zur Erzeugung zweier elektromagnetischer Strahlungen mit gleicher Wellenlänge, die in dem Wellenlängenbereich zeitlich moduliert ist, wobei eine der elektromagnetischen Strahlungen, die Meßstrahlung genannt wird, das Gas durchquert, während die andere elektromagnetische Strahlung Referenzstrahlung genannt wird,

- Mitteln (22, 24) zur Erfassung sowohl der elektromagnetischen Meßstrahlung als auch der elektromagnetischen Referenzstrahlung und zur Umsetzung dieser Strahlungen in elektrische Signale, die Meßsignale Mes(t) bzw. Referenzsignale Ref(t) genannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung außerdem enthält:

- erste Mittel (26) zur Division des elektrischen Meßsignals Mes(t) durch das elektrische Referenzsignal Ref(t), um ein erstes elektrisches Divisionssignal Div1(t) zu erhalten, das durch einen zeitlich veränderlichen Wechselstromanteil und einen zeitlich unveränderlichen Gleichstromanteil gebildet ist,

- Mittel (28, 30) zum Trennen der Wechselstrom- und Gleichstromanteile des elektrischen Divisionssignals,

- und zweite Mittel (32) zur Division des Wechselstromanteils des ersten elektrischen Divisionssignals durch den Gleichstromanteil desselben Signals, um ein zweites elektrisches Divisionssignal Div2(t) zu erhalten, das ausschließlich die Absorption der elektromagnetischen Strahlung durch dieses Gas repräsentiert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (10) zur Erzeugung der beiden elektromagnetischen Strahlungen eine Quelle (12), die eine elektromagnetische Grundstrahlung Bas(t) emittiert, sowie Teilungsmittel (16) für die Grundstrahlung, um die elektromagnetische Meßstrahlung und die elektromagnetische Referenzstrahlung zu erhalten, enthalten.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung eine Lichtstrahlung ist.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilungsmittel durch ein Glasplättchen (16) gebildet sind, das in dem Weg der Grundlichtstrahlung Bas(t) mit einer Neigung zu dieser Strahlung angeordnet ist und auf einer seiner Flächen (16a), die dieses Signal empfängt, einen metallischen Niederschlag besitzt, um die Reflexion der Fläche zu erhöhen.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle eine Laserdiode (12) ist, die mit einem System (14) zur Modulation der Lichtwellenlänge der Grundlichtstrahlung durch Modulation des Injektionsstroms und/oder der Temperatur versehen ist.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erfassung der Meßlichtstrahlung und der Referenzlichtstrahlung und zur Umsetzung dieser Strahlungen in elektrische Signale durch Photodioden (22, 24) desselben Typs gebildet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Trennen der Wechselstrom- und Gleichstromanteile des ersten elektrischen Divisionssignals Div1(t) ein erstes elektrisches Filter (28) zum Wählen des Wechselstromanteils des Signals und ein zweites elektrisches Filter (30) zum Wählen des Gleichstromanteils dieses Signals enthalten.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das erste elektrische Filter (28) aus einer Kapazität und einem Widerstand, die ein Hochpaßfilter bilden, gebildet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite elektrische Filter (30) aus einem Widerstand und einer Kapazität, die ein Tiefpaßfilter bilden, gebildet ist.