WO2020053089A1 - Spectroscopic determination of gas concentrations - Google Patents

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WO2020053089A1
WO2020053089A1 PCT/EP2019/073821 EP2019073821W WO2020053089A1 WO 2020053089 A1 WO2020053089 A1 WO 2020053089A1 EP 2019073821 W EP2019073821 W EP 2019073821W WO 2020053089 A1 WO2020053089 A1 WO 2020053089A1
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WO
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gases
determined
gas
gas mixture
concentrations
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PCT/EP2019/073821
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Andreas Hangauer
Robert Heinrich
Alexandru POPESCU
Rainer Strzoda
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
    • GPHYSICS
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis

Definitions

  • the invention relates to a measuring device, a spectrometer and a method for the spectroscopic determination of the
  • the invention also relates to an associated computer program product and an associated computer-readable medium.
  • the irradiating intensity depends on the
  • Absorption depends on the wavelength l of the light.
  • the strength of the absorption scales linearly with the concentration c and length of the path l through the gas, the intensity 1 (A) decreasing exponentially.
  • the absorption of gases can be measured very precisely using tunable laser spectroscopy. Other methods of spectroscopy are the Fourier
  • Equation (1) describes the transmission of a gas at a constant pressure and temperature.
  • the strength of the light absorption is not only dependent on the pressure and temperature, but can also be influenced by the interaction of the gas molecules with other gases. On top of that, in some
  • New laser technologies e.g. quantum cascade and
  • Interband cascade lasers (QCL / ICL) enable one
  • Tunability makes it possible to measure spectra with a resolution not previously documented, which makes the evaluation of overlapping spectra of mixtures significantly easier.
  • Tunable laser spectroscopy is increasingly becoming the focus.
  • concentrations of several gases in a mixture are often determined by measurements with a
  • FTIR Fourier Transformation Infrared Spectroscopy
  • Measurement systems are too large and too complex to use with the required resolution in an industrial environment.
  • a laser-based gas analysis process is in the
  • Measurement method refers to saturated and unsaturated hydrocarbons with one to three carbon atoms and uses reference spectra of the individual gases and reference spectra of their mixtures for data evaluation. The methodology depends on the individual spectra according to the
  • the method is based on the correlation between the area below the absorption peak of the gas and the gas concentration.
  • Concentration determination of the gas is also stored in a database during the evaluation.
  • the external broadening parameters of gases determined from self-broadening parameters are used for a simulation-based determination of the concentration of the gases in a gas mixture.
  • the invention claims a measuring device for
  • control and evaluation unit which is designed and programmed, from that of the first detector
  • the comparison signal as a simulation of a
  • Multiplication of an experimentally determined constant dependent on the respective pair of gases can be determined.
  • the invention offers the advantage of determining the concentration of gases in a gas mixture more precisely.
  • the deviation is determined using the mathematical method of least squares.
  • the light source can be modulatable, the first signal being demodulated and the
  • Comparison signal adapted to the demodulated first signal is simulated.
  • the light source can be a quantum cascade laser or an interband cascade laser.
  • the invention also claims a high resolution Fourier transform infrared spectrometer orcardi with an inventive measuring V.
  • the invention also claims a method for
  • a gas mixture formed from gases is provided, light is emitted by a tunable, monochromatic light source,
  • a predefinable convergence criterion for example in the simplest case a threshold value
  • the comparison signal being determined as a simulation of a characteristic part of the spectrum of the gas mixture
  • Multiplication of an experimentally determined constant dependent on the respective pair of gases can be determined.
  • Deviation can be determined using a least squares method.
  • the invention also claims a computer program product comprising a computer program, the computer program being stored in a storage device according to the invention
  • Measuring device can be loaded, with the computer program performing the steps of a method according to the invention when the computer program is executed on the measuring device.
  • the invention claims a computer-readable medium on which a computer program is stored, the computer program being loadable into a memory device of a measuring device according to the invention, with the computer program taking the steps of an inventive method
  • Procedure are executed when the computer program is executed on the measuring device.
  • Fig. 1 a block diagram of a measuring device for
  • Fig. 2 a graph of determined
  • Fig. 5 a table of the concentrations of a
  • the measuring method and the measuring device are described, in which a monochromatic light source that can be tuned over wide wavelength ranges, for example a
  • Multicomponent mixtures in the medium infrared range can be measured.
  • Components of an exhaust gas mixture are typical
  • Gas mixtures are carried out using a process that allows the interaction of the gases with one another to be taken into account. This procedure is not on the high resolution
  • Spectroscopy eg QCL based spectroscopy
  • Laser diodes used. Laser diodes, VCSEL, MEMS-VECSELs, DFG and OPO based laser sources, frequency combs in the infrared, individual QCLs, individual ICLs, with external ones
  • Resonators equipped variations of these lasers, but also lasers combined into an array can be used.
  • laser arrays it is advantageous to use laser arrays, since they are inexpensive and robust in order to cover the widest possible spectral range.
  • lasers e.g.
  • DFB distributed feedback
  • These laser arrays have a very narrow-band emission spectrum and high powers in the MIR, so that they have a high
  • Carbon-hydrogen compounds which is why they absorb particularly strongly in this wavelength range.
  • the lasers in the array used can be controlled individually.
  • the intensity and wavelength of the emitted radiation can be continuously tuned by varying the operating current and the laser temperature. Through a combination
  • the continuous individual spectra of the different lasers is thus covered over a wide absorption range of the respective gases.
  • Fig. 1 shows a block diagram of an optical one
  • monochromatic light source 10 for example a
  • Laser / QCL array radiation emitted is via mirror 1 and beam splitter 2 via three optical paths A, B, C and
  • Radiation-focusing parabolic mirrors 3 are directed to the detectors 4.1, 4.2, 4.3.
  • the powers measured by the detectors 4.1, 4.2, 4.3 are recorded with an analog-digital converter and the measured signals are analyzed with analysis software which determines the gases and their concentrations. Furthermore, the current and the voltage impressed on the light source are recorded in parallel with the optical signals via a control circuit 11.
  • the sample will be at
  • the first detector 4.1 is located in the first path A.
  • a temperature stabilization of the measuring cell 5 enables reproducible measurements over a long period of time. An increased temperature avoids possible condensation of the
  • Target gases such as long-chain hydrocarbons in the measuring system.
  • the light output is measured with the second detector 4.2 without prior absorption. This signal is used to standardize the
  • the third path C with an etalon 6 serves as a relative
  • the etalon 6 causes one
  • Wavelength of the light source 10 can be determined relatively to the wavelength axis of the absorption spectra
  • the third detector 4.3 is located in the third path C.
  • Evaluations can be displayed on a display unit 8.
  • the evaluation of the spectra requires detailed knowledge of the individual spectra of the gas components, which is illustrated below using an example.
  • the spectra of gases are based on the molecule-specific absorption at certain wavelengths, which excite vibrations and rotational vibrations in the infrared gas.
  • the absorption for a certain wavelength can be determined by a so-called
  • Line profile can be described (e.g. the Voigt profile), which essentially consists of the parameters position,
  • Line width and half width the line is characterized.
  • Other parameters such as pressure-dependent widening or displacement enable the line to be described for different measuring conditions.
  • the transmission function of the gas is given by the Lambert-Beer law
  • T (n, r, T, a, .., Ck) exp (-a (n, r, T, a, .., Ck) 1), (2) with 1 the length of the interaction between the sample gas and the light and the wavelength dependent
  • Absorption coefficient This is a linear combination of the absorption coefficients of the individual gases: with K the number of gases and their concentrations c K.
  • the absorption coefficient of a gas cx ⁇ (v), which can be described with a line spectrum, is given by a
  • u (r, T, c lt .., c K ) is the (Lorentz) half width, the wave number of the center of the line, uP (T) the Doppler broadening coefficient, sPcr) the line thickness of the i-th line, the j-th gas.
  • F also denotes the Voigt function and k B the Boltzmann constant.
  • An analytical formula is known for uP (T), uP and S® (To) are tabulated in databases, and for S j ® CO / s cr ,,), i.e. the
  • Air absorption lines are usually not taken into account, since Cg and N 2 absorb only very weakly.
  • the concentration of hydrocarbons in a mixture of up to 7 components should be determined.
  • the methane and ethane contained in the mixture have a typical line spectrum.
  • the mean value Ymean of all considered methane lines is formed as follows:
  • Methane absorption can be simulated with the Voigt profile and is shown as an example in the diagram in FIG. 3.
  • the line parameters are taken from the HITRAN database.
  • the transmission is simulated for 80%, 100% and 120% of the pressure-broadened line width.
  • a pressure-broadened line width For illustration purposes, a
  • the procedure is as follows.
  • the pure spectrum of 100% methane is measured at a fixed pressure and temperature.
  • the broadening parameters g pb > of the lines in the binary mixtures with other hydrocarbons are determined.
  • the self-expansion coefficient for the methane lines and the external expansion parameter in the mixture is 30 - 50% depending on the external gas.
  • Methane concentration goes to zero. So the spectrum can be simulated with a line width of 145% of the self-broadened methane line values.
  • g is the assumed broadening coefficient due to a foreign gas.
  • Y x / Yi H4 (T0.100%) 1.45.
  • Fig. 4 shows a diagram of the relative error fei in the methane determination if a broadened spectrum is fitted with a non-broadened reference spectrum. At maximum broadening, i.e. Cflt towards zero, the relative error fei is almost 14%. With increasing
  • Relative error tends towards zero in methane concentration. However, if the broadening of the fit is taken into account, the relative error fei in the concentration determination of a line spectrum can be corrected.
  • the broadening effect is different for the individual gases and in this example for alkanes is significantly lower for binary mixtures of the long-chain hydrocarbons (C3-C5) with one another.
  • the concentrations of the components in a calibrated mixture of the seven hydrocarbons under consideration are determined by measuring the absorption of the mixture over different wavelength ranges.
  • the mean broadening coefficient is therefore 41% larger than the self-broadening coefficient of methane alone. If the concentration determination is repeated in a mixture with a simulated methane spectrum as a reference, the line widths of which are widened by 41% (lines with Voigt- Simulated profile, line parameters from HITRAN database), it clearly shows that the concentration now determined is significantly better than the calibrated concentration value
  • the difference between the determined methane concentrations in the measurement without taking the broadening into account is -12.9% relative.
  • Difference between the measurement and the simulated relative error free can result from permanent measurement uncertainties, such as noise in the detector signal,
  • Line spectra occur, the positions of which are known and thus their widths can also be fitted in a mixture.
  • the error tends towards 0 if the concentration-dependent relative error fell for the respective gas and the measured concentration is corrected by the curve value. This assumes that the other components can be measured so precisely that the average broadening of the line spectrum can be measured using the
  • respective gas concentrations can be determined iteratively.
  • Iteration step determines the concentrations of the components with the non-widened reference spectra. Based on
  • Measuring device allows high-resolution spectra of gases and especially gas mixtures in the infrared, e.g. of hydrocarbons, to be measured with a resolution that has not previously been tabulated or only partially in databases.
  • a broadening parameter y of the lines for the interaction of methane with the other gases in the binary mixture can be determined. This parameter enables the average broadening of the methane lines in mixtures with several hydrocarbons to be estimated, and thus one Calculation of the expected error in the
  • the determination of the concentration of gas mixtures with simulated line spectra which takes into account the broadening of the line profile as a function of the concentrations of the other components in the mixture, and simplifies assuming the same percentage broadening of the measured lines, is a new method.
  • the method has the advantage that the line broadening is simulated depending on the concentrations of the other components in the mixture and is therefore not dependent on isolated lines. Heavily overlaid
  • the method can be transferred to any gas combination that is accessible to optical spectroscopy, in particular measurements in different
  • Wavelength ranges can be combined (e.g. NIR and MIR).
  • the mutual influence of the line shape of an individual gas component by the remaining components can be taken into account with the method described.
  • the invention has been illustrated and described in detail by means of the exemplary embodiments, the invention is not restricted by the disclosed examples and other variations can be derived therefrom by a person skilled in the art without departing from the scope of protection of the invention.
  • the invention is not restricted to high-resolution spectroscopy (eg QCL-based spectroscopy), but can also be used for FTIR or in Raman spectroscopy.
  • a first path (measurement path)

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Abstract

The invention relates to a measuring device for spectroscopically determining concentrations (cfit) of gases, comprising: a tunable, monochromatic, light-emitting light source (10); a gas mixture (5) formed from the gases; a first detector (4.1), which the light hits after being partially absorbed by the gas mixture (5); a control and evaluation unit (7), which is designed and programmed to determine the concentrations of the gases from the wave-number-dependent first signal output by the first detector (4.1) and converted from analog to digital, wherein: the deviation between the wave-number-dependent first signal converted from analog to digital and a comparison signal varied by variation of the concentrations of the gases is determined until a specifiable convergence criterion is reached; the comparison signal is determined as a simulation of a characteristic part of the spectrum of the gas mixture; for each gas described by line spectra, collisional broadening parameters for the other gases of the gas mixture are determined from the particular self-broadening parameter by means of addition or multiplication of an experimentally determined constant (gp(j)) dependent on the particular pair of gases. The invention further relates to an associated infrared spectometer, to an associated method, to an associated computer program product and to an associated computer-readable medium.

Description

Beschreibung description
Spektroskopische Bestimmung von Gaskonzentrationen Gebiet der Erfindung Spectroscopic Determination of Gas Concentrations Field of the Invention
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung, ein Spektrometer und ein Verfahren zur spektroskopischen Bestimmung der The invention relates to a measuring device, a spectrometer and a method for the spectroscopic determination of the
Konzentration von Gasen eines Gasgemisches. Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Computerprogrammprodukt sowie ein zugehöriges computerlesbares Medium. Concentration of gases in a gas mixture. The invention also relates to an associated computer program product and an associated computer-readable medium.
Hintergrund der Erfindung Background of the Invention
Die quantitative Bestimmung von Gaskonzentrationen hat in verschiedensten Bereichen der Industrie und Gesellschaft eine hohe Bedeutung. Dazu zählen beispielsweise die The quantitative determination of gas concentrations is of great importance in various areas of industry and society. These include, for example
kontinuierliche Analyse von Prozessgasen in der Petro- chemischen Industrie, die Brennwertbestimmung von Heizgasen, die Abgasanalyse oder die Messung von Treibhausgasen in der Atmosphäre. Viele Gase absorbieren charakteristisch Licht im Infraroten und können dadurch mit optischen Messtechniken detektiert werden. Continuous analysis of process gases in the petrochemical industry, calorific value determination of heating gases, exhaust gas analysis or measurement of greenhouse gases in the atmosphere. Many gases characteristically absorb light in the infrared and can therefore be detected using optical measurement techniques.
Allgemein wird die Transmission von Licht durch ein Gas durch das Lambert-Beer Gesetz beschrieben:
Figure imgf000003_0001
In general, the transmission of light through a gas is described by the Lambert-Beer law:
Figure imgf000003_0001
Die einstrahlende Intensität /owird abhängig von der The irradiating intensity depends on the
Wellenlänge l unterschiedlich stark absorbiert. Der Wavelength l absorbed to different extents. The
molekülspezifische Absorptionskoeffizient gibt die molecule-specific absorption coefficient gives the
Absorption abhängig von der Wellenlänge l des Lichts an. Die Stärke der Absorption skaliert linear mit der Konzentration c und Länge des Weges l durch das Gas, wobei die Intensität 1(A) exponentiell abnimmt. Mittels einer durchstimmbaren Laser-Spektroskopie lässt sich die Absorption von Gasen sehr genau messen. Andere Verfahren der Spektroskopie sind etwa die Fourier Absorption depends on the wavelength l of the light. The strength of the absorption scales linearly with the concentration c and length of the path l through the gas, the intensity 1 (A) decreasing exponentially. The absorption of gases can be measured very precisely using tunable laser spectroscopy. Other methods of spectroscopy are the Fourier
Transformationsspektroskopie oder die Raman Spektroskopie. Transformation spectroscopy or Raman spectroscopy.
Die Spektroskopie ist daher eine ideale Technologie zur Spectroscopy is therefore an ideal technology for
Messung von Spurengasen. Die quantitative Messung von Measurement of trace gases. The quantitative measurement of
mehreren Komponenten in einem Gasgemisch ist allerdings eine Herausforderung und mittels optischer Spektroskopie bisher nur unzureichend gelöst. However, several components in a gas mixture is a challenge and has so far only been insufficiently solved by means of optical spectroscopy.
In einem Gasgemisch kommt es zur Superposition der Spektren der Einzelgase und zur Stoßwechselwirkung der verschiedenen Komponenten. Die Gleichung (1) beschreibt die Transmission eines Gases bei einem konstanten Druck und einer konstanten Temperatur. Die Stärke der Lichtabsorption ist aber nicht nur abhängig vom Druck und von der Temperatur, sondern kann auch durch die Wechselwirkung der Gasmoleküle mit anderen Gasen beeinflusst werden. Hinzu kommt, dass in manchen In a gas mixture there is a superposition of the spectra of the individual gases and a collision interaction of the different components. Equation (1) describes the transmission of a gas at a constant pressure and temperature. The strength of the light absorption is not only dependent on the pressure and temperature, but can also be influenced by the interaction of the gas molecules with other gases. On top of that, in some
Wellenlängenbereich sich die Absorptionen mehrerer Gase überlagern und eine Diskriminierung erschweren. Diese Absorbance of several gases overlap in the wavelength range and make discrimination more difficult. This
Wechselwirkungseffekte treten bei allen Verfahren der Interaction effects occur in all processes of
Spektroskopie auf, nicht nur bei der Laserspektroskopie. Spectroscopy, not only in laser spectroscopy.
Im Folgenden wird jedoch der Fall der Laserspektroskopie näher dargestellt. Das beanspruchte Verfahren ist aber ohne weiteres auf die Raman Spektroskopie anwendbar (die keine Absorptionsspektroskopie ist) , sowie die However, the case of laser spectroscopy is described in more detail below. However, the claimed method is readily applicable to Raman spectroscopy (which is not absorption spectroscopy) as well as
Absorptionsspektroskopie mit anderen Spektrometerbauarten, wie das Fourier-Transformation-Spektrometer, usw. Hier ist die erzielbare spektrale Auflösung geringer als bei der  Absorption spectroscopy with other types of spectrometers, such as the Fourier transform spectrometer, etc. Here the achievable spectral resolution is lower than that of the
Laserspektroskopie, und daher sind die Verbreiterungseffekte etwas weniger relevant, jedoch nicht vernachlässigbar. Laser spectroscopy, and therefore the broadening effects are somewhat less relevant, but not negligible.
Die quantitative Bestimmung solcher Gasgemische ist The quantitative determination of such gas mixtures is
spektroskopisch schwierig, da nur das zusammengesetzte spectroscopically difficult because only the compound
Spektrum aller Gasmoleküle vermessen werden kann und daher ein sehr exaktes Wissen über die Spektren der Einzelgase notwendig ist, um eine Diskriminierung durch geschickte Datenauswertung zu ermöglichen. D.h. man benötigt eine hohe Wellenlängenauflösung sowie Informationen über das Verhalten der Form der Spektren abhängig von den Konzentrationen der Komponenten im Gemisch. Zwar sind die Spektren vieler Gase in spezifischen Datenbanken tabelliert, doch decken diese nicht alle Messbedingungen (Wechselwirkung im Gemisch) ab bzw. sind zum Teil mit limitierter Auflösung vermessen. Spectrum of all gas molecules can be measured and therefore a very precise knowledge of the spectra of the individual gases is necessary to avoid discrimination by skillful To enable data evaluation. That means you need a high wavelength resolution and information about the behavior of the shape of the spectra depending on the concentrations of the components in the mixture. Although the spectra of many gases are tabulated in specific databases, these do not cover all measurement conditions (interaction in the mixture) or are measured in part with limited resolution.
Neue Lasertechnologien (z.B. Quantenkaskaden- und New laser technologies (e.g. quantum cascade and
Interbandkaskadenlaser, QCL/ICL) ermöglichen eine Interband cascade lasers (QCL / ICL) enable one
hochauflösende Vermessung weiter Bereiche im mittleren high-resolution measurement of wide areas in the middle
Infrarot. Ihre schmalbandige Emission und breite Infrared. Your narrowband emission and broad
Durchstimmbarkeit erlaubt es, Spektren mit bisher nicht dokumentierter Auflösung zu vermessen, was die Auswertung überlappender Spektren von Gemischen deutlich erleichtert.Tunability makes it possible to measure spectra with a resolution not previously documented, which makes the evaluation of overlapping spectra of mixtures significantly easier.
Die quantitative Bestimmung von Gasgemischen mittels The quantitative determination of gas mixtures using
durchstimmbarer Laserspektroskopie rückt damit zunehmend in den Fokus. Tunable laser spectroscopy is increasingly becoming the focus.
Die Bestimmung von Konzentrationen mehrerer Gase in einem Gemisch erfolgt oftmals durch Messungen mit einem The concentrations of several gases in a mixture are often determined by measurements with a
Gaschromatographen. Gaschromatographen stellen eine seit Jahrzenten erfolgreich eingesetzte und weit entwickelte Gas chromatograph. Gas chromatographs have been successfully used and developed for decades
Technologie dar. Sie ermöglichen die genaue Bestimmung beliebiger Gasgemische. Die Nachteile von Gaschromatographen sind jedoch der hohe Kalibrierungsaufwand, der notwendige Einsatz von Träger- und Referenzgasen und eine relativ lange Messzeit von wenigen bis mehreren Minuten abhängig von den zu messenden Gasen. Technology. They enable the precise determination of any gas mixture. However, the disadvantages of gas chromatographs are the high calibration effort, the necessary use of carrier and reference gases and a relatively long measuring time of a few to several minutes depending on the gases to be measured.
Optische Messmethoden ermöglichen die schnellere und genauere Detektion von Einzelgasen, sind aber bisher noch limitiert in der Messung von Gasgemischen, wegen der beschränkten Optical measurement methods enable the faster and more accurate detection of single gases, but are still limited in the measurement of gas mixtures because of the limited
Wellenlängen-Abstimmbarkeit, der beschränkten spektralen Auflösung und aufgrund der beschriebenen Variation der Wavelength tunability, the limited spectral resolution and due to the described variation of
Spektrenform abhängig von Druck, Temperatur und Spectra shape depending on pressure, temperature and
Gaskonzentration. Bisher wurden für die optische Messung von Gasgemischen oftmals breitbandige Lichtquellen verwendet. Eine bereits vielfach erprobte Messmethode ist die Fourier Transformation Infrarot Spektroskopie (FTIR) . Diese Gas concentration. So far, broadband light sources have often been used for the optical measurement of gas mixtures. A measurement method that has already been tried and tested many times is Fourier Transformation Infrared Spectroscopy (FTIR). This
ermöglicht die Messung einer Vielzahl von enables the measurement of a variety of
Absorptionsmerkmalen der jeweiligen Gase, kann jedoch meist nicht die gleiche spektrale Auflösung sowie die hohen  Absorption characteristics of the respective gases, however, usually cannot have the same spectral resolution as well as the high ones
Intensitäten und damit eine Sensitivität wie bei der Laser- Spektroskopie erreichen. Zwar ist auch hier eine höhere Achieve intensities and thus a sensitivity as in laser spectroscopy. There is a higher one here too
Auflösung erzielbar, jedoch ist diese mit einem sehr hohen technischen Aufwand verbunden, da lange optische Wege und eine sehr genau Kalibrierung erforderlich sind. Diese hohen Anforderungen limitieren dieses Verfahren auf Resolution achievable, but this is associated with a very high technical outlay, since long optical paths and a very precise calibration are required. These high requirements limit this process
Laborapplikationen zur Grundlagenforschung, da die Laboratory applications for basic research, because the
Messsysteme zu groß und zu aufwendig sind, um sie mit der benötigten Auflösung in einem industriellen Umfeld zu nutzen. Measurement systems are too large and too complex to use with the required resolution in an industrial environment.
Ähnliches gilt für die Raman-Spektroskopie an Gasen. Durch die Messung von einer Vielzahl von kalibrierten Testgasen wurde bisher versucht mit Standard FTIR Messsystemen, wie sie auch für den Feldeinsatz verwendbar sind, die Messung von Gasgemischen zu ermöglichen. Die Spektren können mittels verschiedener Algorithmen, z.B. neuronaler Netze, ausgewertet werden und ermöglichen damit eine quantitative Bestimmung der Komponenten. Dafür ist allerdings ein aufwendiger The same applies to Raman spectroscopy on gases. By measuring a large number of calibrated test gases, attempts have so far been made to enable gas mixtures to be measured using standard FTIR measuring systems which can also be used in the field. The spectra can be calculated using various algorithms, e.g. neural networks, are evaluated and thus enable a quantitative determination of the components. However, this is a complex process
Trainingsprozess nötig, und die gewonnenen Ergebnisse sind oftmals gerätespezifisch. Zudem beschränkt sich die Training process necessary, and the results obtained are often device-specific. In addition, the
Auswertung auf die Komponenten, die vorher im Trainingssatz berücksichtigt wurden. Das Systemverhalten bei einem Evaluation of the components that were previously considered in the training set. The system behavior with one
Betriebszustand außerhalb des Trainingsraumes ist Operating status is outside the training room
Undefiniert. Zudem kann dieser Betriebszustand auch nicht leicht detektiert werden. Undefined. In addition, this operating state cannot be easily detected.
Ein laserbasiertes Gasanalyseverfahren ist in der A laser-based gas analysis process is in the
Offenlegungsschrift US 2015/0260646 Al angegeben. Dieses beruht auf der Verwendung eines Messgeräts, welches mittels zweier im nahe Infrarot (NIR) emittierender MEMS-VCSEL Publication US 2015/0260646 Al indicated. This is based on the use of a measuring device which uses two MEMS-VCSELs emitting in the near infrared (NIR)
(microelectro-mechanical vertical cavity surface emitting laser) die Konzentrationen der Komponenten in Kohlenwasserstoffgemischen bestimmt. Das beschriebene (microelectro-mechanical vertical cavity surface emitting laser) the concentrations of the components in Determined hydrocarbon mixtures. The described
Messverfahren bezieht sich auf gesättigte und ungesättigte Kohlenwasserstoffe mit ein bis drei Kohlenstoffatomen und verwendet zur Datenauswertung Referenzspektren der Einzelgase sowie Referenzspektren von deren Gemischen. Dabei ist die Methodik darauf angewiesen die Einzelspektren nach der Measurement method refers to saturated and unsaturated hydrocarbons with one to three carbon atoms and uses reference spectra of the individual gases and reference spectra of their mixtures for data evaluation. The methodology depends on the individual spectra according to the
Messung zu trennen und möglichst isolierte Absorptionspeaks einer jeweiligen Komponente zu analysieren. Dem Verfahren zugrunde liegt die Korrelation zwischen der Fläche unterhalb des Absorptionspeaks des Gases und der Gaskonzentration. To separate measurement and to analyze, if possible, isolated absorption peaks of a respective component. The method is based on the correlation between the area below the absorption peak of the gas and the gas concentration.
Unter der Annahme, dass die Fläche der Absorptionslinie direkt über einen Faktor mit der Gaskonzentration verknüpft ist und Querbeeinflussungen durch Absorptionsmerkmale andere Gase nicht auftreten oder sich von der analysierten Linie trennen lassen, erreichen sie die Konzentrationsbestimmung aller Komponenten in Gemischen mit fünf verschiedenen Assuming that the area of the absorption line is directly linked to the gas concentration via a factor and that cross-effects due to absorption characteristics do not occur or other gases can be separated from the analyzed line, they achieve the concentration determination of all components in mixtures with five different ones
Kohlenwasserstoffen. Der zur Fläche unter der Hydrocarbons. The area under the
Absorptionslinie gehörige Faktor für die Absorption line associated factor for that
Konzentrationsbestimmung des Gases ist bei der Auswertung ebenfalls in einer Datenbank hinterlegt.  Concentration determination of the gas is also stored in a database during the evaluation.
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung für die It is an object of the invention to provide a solution for that
Spektroskopie anzugeben, die eine verbesserte quantitative Bestimmung von Gaskonzentrationen in Gasgemischen ermöglicht. Specify spectroscopy, which enables an improved quantitative determination of gas concentrations in gas mixtures.
Nachfolgend wird eine Erfindung vorgestellt, die die An invention is presented below, which
quantitative Bestimmung von Gaskonzentrationen in Gemischen mittels direkter Spektroskopie verbessert, indem Spektren über einen weiten Wellenlängenbereich gemessen werden und die Abweichungen der Spektrenform einzelner Komponenten auf Grund der Wechselwirkungen im Gasgemisch berücksichtigt werden. quantitative determination of gas concentrations in mixtures improved by means of direct spectroscopy by measuring spectra over a wide wavelength range and taking into account the deviations in the spectral shape of individual components due to the interactions in the gas mixture.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der According to the invention the object is achieved with the
Vorrichtung, dem Spektrometer, dem Verfahren, dem Device, the spectrometer, the method, the
Computerprogrammprodukt und dem computerlesbaren Medium der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Computer program product and the computer readable medium of independent claims solved. Advantageous further developments are specified in the dependent claims.
Erfindungsgemäß werden die aus Selbstverbreiterungsparametern ermittelten Fremdverbreiterungsparameter von Gasen für eine simulationsbasierte Bestimmung der Konzentration der Gase in einem Gasgemisch verwendet. According to the invention, the external broadening parameters of gases determined from self-broadening parameters are used for a simulation-based determination of the concentration of the gases in a gas mixture.
Die Erfindung beansprucht eine Messvorrichtung zur The invention claims a measuring device for
spektroskopischen Bestimmung von Konzentrationen von Gasen, aufweisend : spectroscopic determination of concentrations of gases, comprising:
eine durchstimmbare, monochromatische, Licht aussende Lichtquelle,  a tunable, monochromatic, light-emitting light source,
ein aus den Gasen gebildetes Gasgemisch (bestehend aus Zielgas und Fremgasen bzw. Störgasen),  a gas mixture formed from the gases (consisting of target gas and foreign gases or interfering gases),
einen ersten Detektor, auf den das Licht nach teilweiser Absorption durch das Gasgemisch trifft,  a first detector which the light strikes after being partially absorbed by the gas mixture,
eine Steuer- und Auswerteeinheit, die ausgebildet und programmiert ist, aus dem von dem ersten Detektor  a control and evaluation unit, which is designed and programmed, from that of the first detector
abgegebenen analog-digital gewandelten,  delivered analog-digital converted,
wellenzahlabhängigen ersten Signal die Konzentration der Gase zu ermitteln,  to determine the concentration of the gases based on the wave number,
wobei die Abweichung zwischen dem analog-digital  being the deviation between the analog-digital
gewandelten, wellenzahlabhängigen ersten Signal und einem durch Variation der Konzentrationen der Gase sich  converted, wavenumber-dependent first signal and one by varying the concentrations of the gases themselves
veränderndem Vergleichssignal so lange ermittelt wird, bis ein vorgebbares Konvergenzkriterium erreicht ist,  changing comparison signal is determined until a predeterminable convergence criterion is reached,
wobei das Vergleichssignal als Simulation eines  the comparison signal as a simulation of a
charakteristischen Teils des Spektrums des Gasgemisches ermittelt wird,  characteristic part of the spectrum of the gas mixture is determined,
wobei für jedes durch Linienspektren beschriebene Gas (auch als Zielgas bezeichnet) Fremdverbreitungsparameter für die jeweils anderen Gase (auch als Fremdgase oder Störgase bezeichnet) des Gasgemisches aus dem jeweiligen Selbstverbreiterungsparameter mittels Addition oder  whereby for each gas described by line spectra (also referred to as target gas) external distribution parameters for the other gases (also referred to as external gases or interfering gases) of the gas mixture from the respective self-expansion parameter by means of addition or
Multiplikation einer von dem jeweiligen Paar der Gase abhängigen experimentell ermittelten Konstanten bestimmt werden . Die Erfindung bietet den Vorteil, die Konzentration von Gasen eines Gasgemisches genauer zu ermitteln. Multiplication of an experimentally determined constant dependent on the respective pair of gases can be determined. The invention offers the advantage of determining the concentration of gases in a gas mixture more precisely.
In einer weiteren Ausführung wird die Abweichung mittels der mathematischen Methode der Least Squares ermittelt. In a further embodiment, the deviation is determined using the mathematical method of least squares.
In einer Weiterbildung kann die Lichtquelle modulierbar sein, wobei das erste Signal demoduliert wird und das In one development, the light source can be modulatable, the first signal being demodulated and the
Vergleichssignal dem demodulierten ersten Signal angepasst simuliert wird. Comparison signal adapted to the demodulated first signal is simulated.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Lichtquelle ein Quantenkaskadenlaser oder ein Interband-Kaskaden-Laser sein. In a further embodiment, the light source can be a quantum cascade laser or an interband cascade laser.
Die Erfindung beansprucht auch ein hochaufgelöstes Fourier- Transform-Infrarotspektrometer mit einer erfindungsgemäßen MessVorrichtung . The invention also claims a high resolution Fourier transform infrared spectrometer orrichtung with an inventive measuring V.
Die Erfindung beansprucht auch ein Verfahren zur The invention also claims a method for
spektroskopischen Bestimmung von Konzentrationen von Gasen, wobei : spectroscopic determination of concentrations of gases, whereby:
ein aus Gasen gebildetes Gasgemisch bereitgestellt wird, durch eine durchstimmbare, monochromatische Lichtquelle Licht ausgesandt wird,  a gas mixture formed from gases is provided, light is emitted by a tunable, monochromatic light source,
das Licht auf einen ersten Detektor nach teilweiser  the light on a first detector after partial
Absorption durch das Gasgemisch trifft,  Absorption by the gas mixture hits,
aus dem von dem ersten Detektor abgegebenen analog-digital gewandelten, wellenzahlabhängigen ersten Signal die  from the analog-to-digital converted, wavenumber-dependent first signal emitted by the first detector
Konzentration der Gase ermittelt wird,  Concentration of the gases is determined
wobei die Abweichung zwischen dem analog-digital  being the deviation between the analog-digital
gewandelten, wellenzahlabhängigen ersten Signal und einem durch Variation der Konzentrationen der Gase sich  converted, wavenumber-dependent first signal and one by varying the concentrations of the gases themselves
veränderndem Vergleichssignal so lange ermittelt wird, bis ein vorgebbares Konvergenzkriterium (beispielsweise im einfachsten Fall ein Schwellwert) erreicht wird, wobei das Vergleichssignal als Simulation eines charakteristischen Teils des Spektrums des Gasgemisches ermittelt wird, changing comparison signal is determined until a predefinable convergence criterion (for example in the simplest case a threshold value) is reached, the comparison signal being determined as a simulation of a characteristic part of the spectrum of the gas mixture,
wobei für jedes durch Linienspektren beschriebene Gas (auch als Zielgas bezeichnet) Fremdverbreitungsparameter für die jeweils anderen Gase (auch als Fremdgase oder Störgase bezeichnet) des Gasgemisches aus dem jeweiligen Selbstverbreiterungsparameter mittels Addition oder  whereby for each gas described by line spectra (also referred to as target gas) external distribution parameters for the other gases (also referred to as foreign gases or interfering gases) of the gas mixture from the respective self-expansion parameter by means of addition or
Multiplikation einer von dem jeweiligen Paar der Gase abhängigen experimentell ermittelten Konstanten bestimmt werden .  Multiplication of an experimentally determined constant dependent on the respective pair of gases can be determined.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann die In a further embodiment of the method, the
Abweichung mittels einer Least Squares Methode ermittelt werden . Deviation can be determined using a least squares method.
Die Erfindung beansprucht auch ein Computerprogrammprodukt, umfassend ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm in eine Speichereinrichtung einer erfindungsgemäßen The invention also claims a computer program product comprising a computer program, the computer program being stored in a storage device according to the invention
Messvorrichtung ladbar ist, wobei mit dem Computerprogramm die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Computerprogramm auf der Messvorrichtung ausgeführt wird. Measuring device can be loaded, with the computer program performing the steps of a method according to the invention when the computer program is executed on the measuring device.
Außerdem beansprucht die Erfindung ein computerlesbares Medium, auf welchem ein Computerprogramm gespeichert ist, wobei das Computerprogramm in eine Speichereinrichtung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung ladbar ist, wobei mit dem Computerprogramm die Schritte eines erfindungsgemäßen In addition, the invention claims a computer-readable medium on which a computer program is stored, the computer program being loadable into a memory device of a measuring device according to the invention, with the computer program taking the steps of an inventive method
Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Computerprogramm auf der Messvorrichtung ausgeführt wird. Procedure are executed when the computer program is executed on the measuring device.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich. Further special features and advantages of the invention will become apparent from the following explanations of several exemplary embodiments with the aid of schematic drawings.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigen: Brief description of the drawings Show it:
Fig. 1: ein Blockschaltbild einer Messvorrichtung zur Fig. 1: a block diagram of a measuring device for
spektroskopischen Bestimmung von  spectroscopic determination of
Gaskonzentrationen,  Gas concentrations,
Fig. 2: ein Schaubild von ermittelten Fig. 2: a graph of determined
Verbeiterungsparametern y und ihre  Processing parameters y and their
Messabweichungen für untersuchte Störgase,  Measurement deviations for investigated interfering gases,
Fig. 3: ein Schaubild zur Darstellung der Auswirkung einer prozentualen Verbreiterung auf das Linienprofil einer beispielhaften Methanabsorption, 3: a diagram to illustrate the effect of a percentage broadening on the line profile of an exemplary methane absorption,
Fig , ein Schaubild des relativen Fehlers fiel bei der Fig, a graph of the relative error dropped at the
Methanbestimmung und  Methane determination and
Fig. 5: eine Tabelle der Konzentrationen eines Fig. 5: a table of the concentrations of a
kalibrierten Gasgemischs mit sieben Komponenten  calibrated gas mixture with seven components
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Detailed description of the invention
Beschrieben wird das Messverfahren und die Messvorrichtung, bei denen mittels über weite Wellenlängenbereiche abstimmbare monochromatische Lichtquelle, beispielsweise ein The measuring method and the measuring device are described, in which a monochromatic light source that can be tuned over wide wavelength ranges, for example a
Quantenkaskadenlaser (QCL) , hochaufgelöste direkte Quantum Cascade Laser (QCL), high-resolution direct
Absorptionsspektren von einzelnen Gasen und deren Absorption spectra of individual gases and their
Multikomponenten-Gemische im mittleren Infrarotbereich (MIR) gemessen werden. Die Analyse von Gemischen verschiedener Kohlenwasserstoffe, aber auch die Analyse einzelner Multicomponent mixtures in the medium infrared range (MIR) can be measured. The analysis of mixtures of different hydrocarbons, but also the analysis of individual ones
Komponenten eines Abgasgemisches sind typische Components of an exhaust gas mixture are typical
Anwendungsbeispiele . Examples of use.
Die quantitative Bestimmung der Einzelkomponenten von The quantitative determination of the individual components of
Gasgemischen erfolgt mit einem Verfahren, das es ermöglicht, die Wechselwirkung der Gase untereinander zu berücksichtigen. Dieses Verfahren ist nicht auf die hochaufgelöste Gas mixtures are carried out using a process that allows the interaction of the gases with one another to be taken into account. This procedure is not on the high resolution
Spektroskopie (z.B. QCL basierte Spektroskopie) beschränkt und kann auch für FTIR oder Raman Spektroskopie verwendet werden. Die hier zugrundeliegende Messtechnik und die Spectroscopy (eg QCL based spectroscopy) limited and can also be used for FTIR or Raman spectroscopy. The underlying measurement technology and the
dazugehörige Analysemethodik werden im Folgenden erläutert. the associated analysis methodology is explained below.
Für die Messung der Gase werden je nach Applikation und Depending on the application, and for measuring the gases
Zielgasen passende durchstimmbare monochromatische Matching tunable monochromatic target gases
Lichtquellen verwendet. Es können Laserdioden, VCSEL, MEMS- VECSELs, DFG und OPO basierte Laserquellen, Frequenzkämme im Infraroten, einzelne QCLs, einzelne ICLs, mit externen Light sources used. Laser diodes, VCSEL, MEMS-VECSELs, DFG and OPO based laser sources, frequency combs in the infrared, individual QCLs, individual ICLs, with external ones
Resonatoren ausgestatte Variationen dieser Laser, aber auch zu einem Array zusammengefügte Laser verwendet werden. Resonators equipped variations of these lasers, but also lasers combined into an array can be used.
Ausschlaggebend ist, dass die verwendeten Lichtquellen das Absorptionsspektrum aller Zielkomponenten des Gasgemisches abdecken. Es kommt nicht darauf an, dass die spektrale It is crucial that the light sources used cover the absorption spectrum of all target components of the gas mixture. It does not matter that the spectral
Abdeckung lückenlos ist, sondern alle relevanten Coverage is complete, but all relevant
Absorptionslinien und -bereiche erfasst werden. Absorption lines and areas are recorded.
Vorteilhaft ist es Laser-Arrays zu verwenden, da diese kostengünstig und robuste sind, um einen möglichst breiten Spektralbereich abzudecken. Dabei sind mehrere Laser, z.B.It is advantageous to use laser arrays, since they are inexpensive and robust in order to cover the widest possible spectral range. There are several lasers, e.g.
DFB (distributed feedback) QCLs oder auch ICLs, auf einem Chip aufgebracht, wobei jeder in einem anderen, aber DFB (distributed feedback) QCLs or ICLs, applied on one chip, each in a different one, however
benachbarten, Wellenlängenbereich emittiert. Diese Laser- Arrays weisen ein sehr schmalbandiges Emissionsspektrum und hohe Leistungen im MIR auf, sodass sie eine hohe neighboring, emitted wavelength range. These laser arrays have a very narrow-band emission spectrum and high powers in the MIR, so that they have a high
Wellenlängenauflösung und große Sensitivität der Messung ermöglichen . Enable wavelength resolution and high sensitivity of the measurement.
Die hohe Sensitivität wird neben der hohen Laserleistung durch die starke Absorption vieler Gase im mittleren Infrarot ermöglicht. Kohlenwasserstoffe besitzen bei 3,3 gm und 6,8 gm die Grundmoden für Streck- und Biegeschwingungen ihrer In addition to the high laser power, the high sensitivity is made possible by the strong absorption of many gases in the middle infrared. At 3.3 gm and 6.8 gm, hydrocarbons have the basic modes for stretching and bending vibrations
Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen, weshalb sie in diesem Wellenlängenbereich besonders stark absorbieren. Die Laser im verwendeten Array können einzeln angesteuert werden. Durch eine Variation des Betriebsstroms und der Lasertemperatur können Intensität und Wellenlänge der emittierten Strahlung kontinuierlich durchgestimmt werden. Durch eine Kombination der kontinuierlichen Einzelspektren der unterschiedlichen Laser wird somit ein weiter Absorptionsbereich der jeweiligen Gase überstrichen. Carbon-hydrogen compounds, which is why they absorb particularly strongly in this wavelength range. The lasers in the array used can be controlled individually. The intensity and wavelength of the emitted radiation can be continuously tuned by varying the operating current and the laser temperature. Through a combination The continuous individual spectra of the different lasers is thus covered over a wide absorption range of the respective gases.
Fig . 1 zeigt ein Blockschaltbild einer optischen Fig. 1 shows a block diagram of an optical one
Messvorrichtung zur spektroskopischen Bestimmung von Measuring device for the spectroscopic determination of
Gaskonzentrationen. Die von der durchstimmbaren Gas concentrations. The one from the tunable
monochromatischen Lichtquelle 10, beispielsweise ein monochromatic light source 10, for example a
Laser/QCL Array, emittierte Strahlung wird über Spiegel 1 und Strahlteiler 2 über drei optische Pfade A, B, C und die Laser / QCL array, radiation emitted is via mirror 1 and beam splitter 2 via three optical paths A, B, C and
Strahlung fokussierende Parabolspiegel 3 zu den Detektoren 4.1, 4.2, 4.3 gelenkt. Radiation-focusing parabolic mirrors 3 are directed to the detectors 4.1, 4.2, 4.3.
Die von den Detektoren 4.1, 4.2, 4.3 gemessenen Leistungen werden mit einem analog-digital-Wandler aufgenommen und die gemessenen Signale mit einer Analysesoftware analysiert, welche die Gase und deren Konzentrationen bestimmt. Ferner werden parallel zu den optischen Signalen der der Lichtquelle aufgeprägte Strom und die Spannung über eine Steuerschaltung 11 aufgenommen. The powers measured by the detectors 4.1, 4.2, 4.3 are recorded with an analog-digital converter and the measured signals are analyzed with analysis software which determines the gases and their concentrations. Furthermore, the current and the voltage impressed on the light source are recorded in parallel with the optical signals via a control circuit 11.
Im ersten Pfad A (= Messpfad) befindet sich die Messzelle 5, durch welche die Laserstrahlung transmittiert wird und das jeweilige Probengas absorbiert. Die Probe wird bei The first path A (= measuring path) contains the measuring cell 5, through which the laser radiation is transmitted and the respective sample gas is absorbed. The sample will be at
kontinuierlichem Gasfluss durch die Messzelle 5 gemessen, wobei das Gas auf Unterdrück und Temperaturen oberhalb der Raumtemperatur stabilisiert wird. Durch den Unterdrück kommt es zu einer besseren Unterscheidbarkeit der Spektren der Einzelkomponenten aufgrund der reduzierten Druckverbreiterung und einer daraus folgenden geringeren Überlappung der Continuous gas flow through the measuring cell 5 measured, the gas being stabilized to negative pressure and temperatures above room temperature. The suppression leads to a better distinguishability of the spectra of the individual components due to the reduced pressure broadening and consequently less overlap of the
Absorptionslinien. Im ersten Pfad A befindet sich der erste Detektor 4.1. Absorption lines. The first detector 4.1 is located in the first path A.
Eine Temperaturstabilisierung der Messzelle 5 ermöglicht reproduzierbare Messungen über einen langen Zeitraum. Eine erhöhte Temperatur vermeidet mögliche Kondensation der A temperature stabilization of the measuring cell 5 enables reproducible measurements over a long period of time. An increased temperature avoids possible condensation of the
Zielgase, wie z.B. von langkettigen Kohlenwasserstoffen im Messsystem. In dem zweiten Pfad B wird als Referenz die Lichtleistung ohne vorherige Absorption mit dem zweiten Detektor 4.2 gemessen. Dieses Signal dient zur Normierung der Target gases, such as long-chain hydrocarbons in the measuring system. In the second path B, the light output is measured with the second detector 4.2 without prior absorption. This signal is used to standardize the
Lichtquellenleistung. Da die einfallende Lichtleistung variabel ist, lässt sich diese anhand dieses Signals Light source power. Since the incident light output is variable, this can be based on this signal
referenzieren . reference.
Der dritte Pfad C mit einem Etalon 6 dient als relative The third path C with an etalon 6 serves as a relative
Wellenlängenreferenz. Das Etalon 6 verursacht eine Wavelength reference. The etalon 6 causes one
wellenlängenabhängige periodische Modulation der periodic modulation of the
transmittierten Strahlung. Anhand der äquidistanten Minima und Maxima der modulierten Leistung kann die emittierte transmitted radiation. On the basis of the equidistant minima and maxima of the modulated power, the emitted
Wellenlänge der Lichtquelle 10 relativ bestimmt werden, um die Wellenlängenachse der Absorptionsspektren zu Wavelength of the light source 10 can be determined relatively to the wavelength axis of the absorption spectra
linearisieren . Im dritten Pfad C befindet sich der dritte Detektor 4.3. linearize. The third detector 4.3 is located in the third path C.
Alle drei Detektorsignale werden mittels eines nicht All three detector signals are not using one
dargestellten analog-digital Wandlers aufgenommen und auf einer Steuer- und Auswerteeinheit 7 ausgewertet. Die shown analog-digital converter recorded and evaluated on a control and evaluation unit 7. The
Auswertungen können auf eine Anzeigeeinheit 8 dargestellt werden . Evaluations can be displayed on a display unit 8.
Die Auswertung der Spektren setzt ein detailliertes Wissen über die Einzelspektren der Gaskomponenten voraus, welches im Folgenden an einem Bespiel verdeutlicht wird. Die Spektren von Gasen beruhen auf der molekülspezifischen Absorption bei bestimmten Wellenlängen, welche im Infraroten Vibrations- und Rotationsschwingungen im Gas anregen. Die Absorption für eine bestimmte Wellenlänge kann durch ein sogenanntes The evaluation of the spectra requires detailed knowledge of the individual spectra of the gas components, which is illustrated below using an example. The spectra of gases are based on the molecule-specific absorption at certain wavelengths, which excite vibrations and rotational vibrations in the infrared gas. The absorption for a certain wavelength can be determined by a so-called
„Linienprofil" beschrieben werden (z.B. das Voigt-Profil), das im Wesentlichen durch die Parameter Position, "Line profile" can be described (e.g. the Voigt profile), which essentially consists of the parameters position,
Linienstärke und Halbwertsbreite die Linie charakterisiert wird. Weitere Parameter wie druckabhängige Verbreiterung oder Verschiebung, ermöglichen die Beschreibung der Linie für unterschiedliche Messbedingungen . Die Transmissionsfunktion des Gases ist gegeben durch das Lambert-Beer Gesetz Line width and half width the line is characterized. Other parameters such as pressure-dependent widening or displacement enable the line to be described for different measuring conditions. The transmission function of the gas is given by the Lambert-Beer law
T (n,r,T,a,.., Ck) = exp( -a(n,r,T,a,.., Ck) 1 ), (2) mit 1 der Länge der Interaktion zwischen dem Messgas und dem Licht und dem wellenlängenabhängigen T (n, r, T, a, .., Ck) = exp (-a (n, r, T, a, .., Ck) 1), (2) with 1 the length of the interaction between the sample gas and the light and the wavelength dependent
Absorptionskoeffizienten. Dieser ist eine Linearkombination aus den Absorptionskoeffizienten der individuellen Gase:
Figure imgf000015_0001
mit K der Anzahl der Gase und ihrer Konzentrationen cK. Der Absorptionskoeffizient eines Gases cx^(v), welches mit einem Linienspektrum beschreibbar ist, ist gegeben durch eine
Absorption coefficient. This is a linear combination of the absorption coefficients of the individual gases:
Figure imgf000015_0001
with K the number of gases and their concentrations c K. The absorption coefficient of a gas cx ^ (v), which can be described with a line spectrum, is given by a
Summation über alle (Voigt) Absorptionslinien: ί,lFinien
Figure imgf000015_0002
Summation over all (Voigt) absorption lines: ί, l lines
Figure imgf000015_0002
Hierbei ist u (r, T, clt .., cK) die (Lorentz-) Halbwertsbreite,
Figure imgf000015_0003
die Wellenzahl der Linienmitte, uP(T) der Doppler- Verbreiterungskoeffizient, sPcr) die Linienstärke der jeweils i-ten Linie, des j-ten Gases. Weiter bezeichnet f die Voigt Funktion, und kB die Boltzmann Konstante. Für uP(T) ist eine analytische Formel bekannt, uP und S®(To) sind in Datenbanken tabelliert, und für Sj ®CO/s cr,,), also die
Here u (r, T, c lt .., c K ) is the (Lorentz) half width,
Figure imgf000015_0003
the wave number of the center of the line, uP (T) the Doppler broadening coefficient, sPcr) the line thickness of the i-th line, the j-th gas. F also denotes the Voigt function and k B the Boltzmann constant. An analytical formula is known for uP (T), uP and S® (To) are tabulated in databases, and for S j ® CO / s cr ,,), i.e. the
Temperaturabhängigkeit, sind analytische Formeln bekannt. Die (Lorentz-) Halbwertsbreite oder „Druckverbreiterung der Linie" ist proportional zu Druck und den Konzentrationen, wie folgt :
Figure imgf000015_0004
Die g werden Verbreiterungskoeffizienten genannt. Bei einer Referenztemperatur werden diese in Datenbanken tabelliert. Typischerweise werden aber nur der
Temperature dependency, analytical formulas are known. The (Lorentz) half-width or "pressure broadening of the line" is proportional to pressure and the concentrations as follows:
Figure imgf000015_0004
The g are called broadening coefficients. At a reference temperature, these are tabulated in databases. Typically, however, only the
Selbstverbreiterungskoeffizient und der Luft- Verbreiterungskoeffizient gespeichert. In diesem Fall wäre K =2 und j=l das Zielgas und j=2 (trockene) Luft. Daraus wird aus der Datenbank der Selbstverbreiterungskoeffizient wie folgt erhalten: gi )(T0,100%,0%) (6) und der für Luft: g1}(T0,0%, 100%) (7) für alle Absorptionslinien i des Zielgases. Die Self-widening coefficient and the air-widening coefficient saved. In this case, K = 2 and j = 1 would be the target gas and j = 2 (dry) air. From this, the self-expansion coefficient is obtained from the database as follows: g i ) (T0.100%, 0%) (6) and that for air: g 1} (T0.0%, 100%) (7) for all absorption lines i of the target gas. The
Absorptionslinien von Luft werden üblicherweise nicht berücksichtigt, da Cg und N2 nur sehr schwach absorbieren.Air absorption lines are usually not taken into account, since Cg and N 2 absorb only very weakly.
Der formalen Korrektheit wegen müssten auch die Because of the formal correctness they should also
Verbreiterungskoeffizienten g[2)(to,ioo%,o%) (8) und Broadening coefficients g [ 2) (to, ioo%, o%) (8) and
g2)(T0,0%, 100%) (9) berücksichtigt werden. Hier sind die Rollen von Selbst- und Fremdverbreiterungskoeffizient aber vertauscht. Die g 2) (T0.0%, 100%) (9) are taken into account. Here, the roles of self-expansion and external expansion coefficient are reversed. The
tabellierten Linienparameter werden aus Messungen einmalig bestimmt. Dies gelingt für die Fremd-Tabulated line parameters are determined once from measurements. This succeeds for the foreign
Verbreiterungskoeffizienten aber nur dann gut, wenn sich die Spektren der einzelnen Gaskomponenten nicht überlappen. Den anderen Fall, dass die Spektren der einzelnen Gaskomponenten überlappen behandelt die vorliegende Erfindung. Broadening coefficients are only good if the spectra of the individual gas components do not overlap. The present invention deals with the other case in which the spectra of the individual gas components overlap.
Die Messungen mit der Messvorrichtung ermöglichen, eben jene Auswirkung auf die Linienbreite in Gasgemischen zu The measurements with the measuring device make it possible to have exactly that effect on the line width in gas mixtures
untersuchen. Das Verfahren zeigt, dass sich durch die Berücksichtigung der Verbeiterung eine bessere examine. The process shows that the Considering the processing a better
Konzentrationsbestimmung in Gasgemischen erzielen lässt. Concentration determination in gas mixtures can be achieved.
Als beispielshafte Messanwendung soll die Konzentration von Kohlenwasserstoffen in einem Gemisch von bis zu 7 Komponenten bestimmt werden. Das im Gemisch enthaltene Methan und Ethan weisen dabei ein typisches Linienspektrum auf. As an exemplary measurement application, the concentration of hydrocarbons in a mixture of up to 7 components should be determined. The methane and ethane contained in the mixture have a typical line spectrum.
Aus der Messung des Reinspektrums von Methan kann die From the measurement of the pure spectrum of methane, the
ungestörte Linienbreite Uj (rq, T0,100%, 0%, ... ) bestimmt werden. Zudem sind die zugehörigen Selbstverbreiterungskoeffizienten auch in der HITRAN Datenbank hinterlegt. Im Gemisch undisturbed line width U j (rq, T0,100%, 0%, ...) can be determined. The associated self-expansion coefficients are also stored in the HITRAN database. In a mixture
verbreitern sich die Linien jedoch abhängig von den however, the lines widen depending on the
Konzentrationen aller Gase. Für Kohlenwasserstoffe Concentrations of all gases. For hydrocarbons
untereinander ist diese Verbreiterung bisher kaum untersucht. Mit der Messvorrichtung kann die Verbreiterung der this broadening has hardly been examined among one another. The widening of the
Linienbreiten von Methan in binären Gemischen mit anderen Kohlenwasserstoffen sowie Stickstoff bestimmt werden. Bei der Bestimmung wurde die Vereinfachung getroffen, dass alle Line widths of methane in binary mixtures with other hydrocarbons as well as nitrogen can be determined. When determining, the simplification was made that all
Linien des j-ten Gases sich abhängig von der Störgasspezies und dessen Konzentration cP um den gleichen Faktor gP0) verbreitern. Hierbei werden die Lines of the jth gas widen depending on the interfering gas species and its concentration c P by the same factor g P 0 ) . Here, the
Fremdverbreiterungskoeffizienten für das Gas p aus gP® und den Selbstverbreiterungskoeffizienten wie folgt bestimmt:
Figure imgf000017_0001
External broadening coefficients for the gas p from g P ® and the self-broadening coefficient determined as follows:
Figure imgf000017_0001
Alternativ kann auch eine multiplikative Form verwendet werden, wenn sich erweist, dass dies die gemessenen Spektren besser beschreibt:
Figure imgf000017_0002
Alternatively, a multiplicative form can be used if it proves that this better describes the measured spectra:
Figure imgf000017_0002
Es ist zu beachten, dass entweder die Gleichung (11a) oder die Gleichung (11b) verwendet wird und dass die Konstanten gp } in beiden Gleichungen verschieden definiert sind. Der Einfachheit halber werden hier die gleichen Symbole Note that either equation (11a) or equation (11b) is used and that the constants g p } are defined differently in both equations. The For the sake of simplicity, the same symbols are used here
verwendet, da dies die folgende Darstellung vereinfacht. used because this simplifies the following illustration.
Die SelbstverbreiterungskoeffizientenThe self-expansion coefficients
Figure imgf000018_0001
Figure imgf000018_0001
für das j-te Gas werden mittels eines Kurvenfits aus dem gemessenen Reingasspektrum bestimmt. Zur iterativen for the jth gas are determined from the measured clean gas spectrum using a curve fit. For iterative
Simulation des Transmissionsspektrums werden die Gleichungen (2) -(5) herangezogen. Weitere Gleichungen werden nicht benötigt, da in der Gleichung (5) nur ein Cj = 100% ist und alle anderen Terme gleich Null sind. Da in der Gleichung (5) nur der Selbstverbreiterungsterm relevant ist, kann dieser für alle Linien i individuell bestimmt werden. Hierbei ist notwendig, dass die übrigen Linienparameter bekannt sind, sowie die Konzentration, Druck und Temperatur fest bestimmt sind. Die (noch unbekannten) Zahlen gp® werden nicht Equations (2) - (5) are used to simulate the transmission spectrum. No further equations are required, since in equation (5) only one C j = 100% and all other terms are zero. Since only the self-broadening term is relevant in equation (5), this can be determined individually for all lines i. It is necessary that the other line parameters are known and that the concentration, pressure and temperature are firmly determined. The (as yet unknown) numbers g p ® are not
benötigt . needed.
Um nun die Zahlen gPö) zu bestimmen, werden, nachdem alle Reingasspektren vermessen wurden und für die Linienspektren die Selbstverbreiterungskoeffizienten für alle Linien bestimmt worden sind, nun für sämtliche binäre Gemische (aus Gas j und Gas p) Spektren vermessen. Hierbei werden In order to determine the numbers g P ö ) , after all clean gas spectra have been measured and the self-broadening coefficients for all lines have been determined for the line spectra, spectra are now measured for all binary mixtures (from gas j and gas p). Here are
typischerweise Mischverhältnisse von 50:50, 10:90 oder 90:10 verwendet . typically mixing ratios of 50:50, 10:90 or 90:10 are used.
Nun wird mittels der Gleichungen (2) -(5) sowie der Gleichung (11a) oder alternativ der Gleichung (11b) wieder ein Now equations (2) - (5) and equation (11a) or alternatively equation (11b) are used again
iterativer Kurvenfit für jedes vermessene binäre Gemisch durchgeführt, nur diesmal mit dem unbekannten gPö) und, falls Gas p auch ein Linienspektrum besitzt, welches im relevanten Spektralbereich absorbiert, auch
Figure imgf000018_0002
als zu schätzender Parameter .
iterative curve fit for each measured binary mixture, only this time with the unknown g P ö ) and, if gas p also has a line spectrum that absorbs in the relevant spectral range, also
Figure imgf000018_0002
as a parameter to be estimated.
Diese Vorgehensweise vermeidet den Aufwand, die individuelle Verbeiterung für jede Linie abhängig von dem Störgas und dessen Konzentration zu bestimmen. Bekannte Auswertemethoden ignorieren entweder die Verbreiterung oder versuchen This procedure avoids the effort, the individual processing for each line depending on the interference gas and to determine its concentration. Known evaluation methods either ignore the broadening or try
Abweichungen durch datengetriebene Auswertung (machine learning) zu korrigieren. Correct deviations by data-driven evaluation (machine learning).
Anhand der Gleichungen (5) und (11a) oder (11b) lässt sich die Verbreiterung der Linie abhängig von der Konzentration eines Störgases cP und einen störgasspezifischen Faktor gp® nun die theoretische Linienbreite für 100 % Konzentration des Störgases ermitteln. Using equations (5) and (11a) or (11b), the broadening of the line depending on the concentration of an interfering gas c P and an interfering gas-specific factor g p ® can now be determined for the theoretical line width for 100% concentration of the interfering gas.
Das Schaubild der Fig. 2 zeigt den ermittelten mittleren Verbreiterungsparameter und seine Messabweichung für jedes untersuchte Störgas (= perturber) für ein exemplarisches Band von benachbarten Absorptionsübergangen von Methan. Dabei wird der Mittelwert Ymean aller betrachteten Methanlinien wie folgt gebildet:
Figure imgf000019_0001
The diagram of FIG. 2 shows the determined broadening parameter and its measurement deviation for each investigated interfering gas (= perturber) for an exemplary band of neighboring absorption transitions of methane. The mean value Ymean of all considered methane lines is formed as follows:
Figure imgf000019_0001
Die Auswirkung einer prozentualen Verbreiterung der The effect of a percentage widening of the
Lorent zbreite auf das Linienprofil einer beispielhaften Lorent shared the line profile of an exemplary one
Methanabsorption kann mit dem Voigt-Profil simuliert werden und wird im Schaubild der Fig. 3 exemplarisch dargestellt. Die Linienparameter sind der HITRAN Datenbank entnommen. Methane absorption can be simulated with the Voigt profile and is shown as an example in the diagram in FIG. 3. The line parameters are taken from the HITRAN database.
Unter beispielhaften Bedingungen für Temperatur, Druck und Lichtweg durch das Gas wird die Transmission für 80 %, 100 % und 120 % der druckverbreiterten Linienbreite simuliert. Für diese Darstellung wird zur Veranschaulichung auf einen Under exemplary conditions for temperature, pressure and light path through the gas, the transmission is simulated for 80%, 100% and 120% of the pressure-broadened line width. For illustration purposes, a
Einfluss von Fremdgasen verzichtet. No influence of foreign gases.
Die Möglichkeit, das Spektrum zu simulieren, erlaubt es nun, den zu erwartenden Fehler abzuschätzen, falls bei der The possibility of simulating the spectrum now makes it possible to estimate the expected error if the
Spektrenanpassung zur Konzentrationsbestimmung die Adjustment of spectra to determine the concentration
Verbreiterung vernachlässigt wird. Broadening is neglected.
Die Vorgehensweise ist wie folgt. Das Reinspektrum von 100 % Methan wird bei festem Druck und fester Temperatur gemessen. Die Verbreiterungsparameter gpb> der Linien in den binären Gemischen mit anderen Kohlenwasserstoffen werden bestimmt.The procedure is as follows. The pure spectrum of 100% methane is measured at a fixed pressure and temperature. The broadening parameters g pb > of the lines in the binary mixtures with other hydrocarbons are determined.
Der Unterschied zwischen dem The difference between that
Selbstverbreiterungskoeffizienten für die Methanlinien und den Fremdverbreiterungsparameter im Gemisch beträgt je nach Fremdgas 30 - 50 %. Wir nehmen hier exemplarisch eine  The self-expansion coefficient for the methane lines and the external expansion parameter in the mixture is 30 - 50% depending on the external gas. We take one as an example
Verbreiterung um 45 % für ein Gemisch an, wenn die Broadening by 45% for a mixture when the
Methankonzentration gegen null geht. Also kann das Spektrum mit einer Linienbreite von 145 % der selbstverbreiterten Methanlinienwerte simuliert werden. Mit zunehmender Methane concentration goes to zero. So the spectrum can be simulated with a line width of 145% of the self-broadened methane line values. With increasing
Konzentration des Methans sinkt die Verbreiterung, da die Methanmoleküle bei steigender Methankonzentration mit weniger Fremdgasmolekülen interagieren und somit die Concentration of the methane decreases the broadening, since the methane molecules interact with fewer foreign gas molecules with increasing methane concentration and thus the
Selbstverbreiterung überwiegt. Es gilt nach (5) folgender Zusammenhang :
Figure imgf000020_0001
Self-expansion prevails. According to (5), the following relationship applies:
Figure imgf000020_0001
Hierbei ist g der angenommene Verbreiterungskoeffizient durch ein Fremdgas. Wir setzten Yx/YiH4(T0,100%)=1,45. Here g is the assumed broadening coefficient due to a foreign gas. We set Y x / Yi H4 (T0.100%) = 1.45.
Nun wird überprüft, welcher Fehler auftritt, falls ein konzentrationsabhängig verbreitertes Methanspektrum mit dem gemessenen Reinspektrum gefittet wird. Dabei wird davon ausgegangen, dass das Fremdgas nur einen Einfluss auf die Linienbreite des Methans hat, aber im relevanten  Now it is checked which error occurs if a concentration-dependent broadened methane spectrum is fitted with the measured pure spectrum. It is assumed that the extraneous gas only has an influence on the line width of the methane, but in the relevant one
Spektralbereich selber nicht absorbiert. Die Mischung behält daher Druck und Temperatur bei und das simulierte Spektrum wird hypothetisch mit einer Konzentration c skaliert. Spectral range itself not absorbed. The mixture therefore maintains pressure and temperature and the simulated spectrum is hypothetically scaled with a concentration c.
Folgender Zusammenhang wird schließlich mit einem Least The following connection is finally with a least
Squares Algorithmus gelöst: minS (exp (csim log sim ( T, p, cMethan, Y, i) )) - exp ( cfit - log ( Squares algorithm solved: minS (exp (c si m log sim (T, p, c methane , Y, i))) - exp (c fit - log (
i i
Figure imgf000020_0002
Figure imgf000020_0002
Als Ergebnis wird ein Konzentrationswert Cfit erhalten, der die ermittelte Methan Konzentration angibt, wenn eine As a result, a concentration value Cfit is obtained, which indicates the determined methane concentration, if one
Verbreiterung des Linienspektrums nicht berücksichtigt wird. Mittels (18) wird lediglich ein Test-spektrum simuliert was anstelle eines Messspektrums in den Kurvenfit gegeben wird. Aus den Kurvenfit-Ergebnissen für unterschiedliche Broadening of the line spectrum is not taken into account. By means of (18) only a test spectrum is simulated, which is given in the curve fit instead of a measurement spectrum. From the curve fit results for different ones
Konzentrationen Csim lässt sich der relative Fehler fei Concentrations Csim let the relative error be free
abhängig von der Methankonzentration Cflt im Gasgemisch wie folgt bestimmen:
Figure imgf000021_0001
depending on the methane concentration Cflt in the gas mixture, determine as follows:
Figure imgf000021_0001
Fig . 4 zeigt ein Schaubild des relativer Fehler fei bei der Methanbestimmung, falls ein verbreitertes Spektrum mit einem nicht verbreiterten Referenzspektrum gefittet wird. Bei maximaler Verbreiterung, also Cflt gegen Null, beträgt der relative Fehler fei fast 14 %. Mit steigender  Fig. 4 shows a diagram of the relative error fei in the methane determination if a broadened spectrum is fitted with a non-broadened reference spectrum. At maximum broadening, i.e. Cflt towards zero, the relative error fei is almost 14%. With increasing
Methankonzentration strebt der relative Fehler fei gegen Null. Wird jedoch die Verbreiterung beim Fit berücksichtigt, lässt sich der relative Fehler fei in der Konzentrationsbestimmung eines Linienspektrums korrigieren.  Relative error tends towards zero in methane concentration. However, if the broadening of the fit is taken into account, the relative error fei in the concentration determination of a line spectrum can be corrected.
Neben der Verbreiterung von Methan kann durch die In addition to the broadening of methane
hochaufgelösten Messungen auch gezeigt werden, dass der high resolution measurements also show that the
Verbreiterungseffekt für die einzelnen Gase unterschiedlich ist und in diesem Beispiel für Alkane deutlich geringer für binäre Gemische der langkettigen Kohlenwasserstoffe (C3-C5) untereinander ausfällt. The broadening effect is different for the individual gases and in this example for alkanes is significantly lower for binary mixtures of the long-chain hydrocarbons (C3-C5) with one another.
Um den Zusammensetzung eines komplexen Gasgemischs zu To the composition of a complex gas mixture
bestimmen, ist es zunächst nötig, die Spektren aller Reingase als Referenz zu bestimmen. Durch das Wissen über die determine, it is first necessary to determine the spectra of all pure gases as a reference. By knowing about the
Verbreiterung der einzelnen Gase miteinander im binären Broadening of the individual gases with each other in binary
Gemisch lässt sich abschätzen, welche Linienprofile sich im Gemisch mit mehreren Komponenten stärker ändern und welche schwächer. Für Gase, deren Linienposition und Parameter bekannt sind, ist es nun möglich, mit dem bestimmten Mixture can be used to estimate which line profiles change more when mixed with several components and which weaker. For gases whose line position and parameters are known, it is now possible to use the specific one
Fremdverbeiterungsparameter die Abweichung in der Absorptionsbestimmung zu korrigieren (durch Anwendung der in Fig. 4 gezeigten Kurve) . External processing parameters the deviation in the Correct absorption determination (using the curve shown in Fig. 4).
Dies kann mit der Messvorrichtung auch an realen Messungen gezeigt werden. In einem kalibrierten Gemisch der sieben betrachteten Kohlenwasserstoffe werden die Konzentrationen der Komponenten bestimmt, indem die Absorption des Gemischs über verschiedene Wellenlängenbereiche gemessen wird. Eine einfache Skalierung (lineare Kurvenanpassung) der This can also be shown with the measuring device on real measurements. The concentrations of the components in a calibrated mixture of the seven hydrocarbons under consideration are determined by measuring the absorption of the mixture over different wavelength ranges. A simple scaling (linear curve fitting) of the
Reinspektren ergibt bereits eine gute Bestimmung der Pure spectra already gives a good determination of the
jeweiligen Konzentrationen der sieben Komponenten im Gemisch, wie an den Zeilen (a) und (b) der Tabelle der Fig. 5 zu erkennen ist, wobei Zeile (a) die tatsächliche respective concentrations of the seven components in the mixture, as can be seen from rows (a) and (b) of the table in FIG. 5, where row (a) is the actual
Konzentrationen des Gasgemisches zeigt und die Zeile (b) die Konzentrationen ohne Berücksichtigung der Verbreiterung angibt . Shows concentrations of the gas mixture and line (b) shows the concentrations without taking into account the broadening.
Allerdings wird aus Fig. 5 auch deutlich, dass die Bestimmung für Methan am stärksten abweicht (~0,5 % absolut) . In diesem beispielhaften Fall lässt sich nun der mittlere However, it is also clear from FIG. 5 that the determination for methane deviates the most (~ 0.5% absolute). In this exemplary case, the middle one can now
Verbreiterungskoeffizient ymean der Methanlinien bestimmen, da die Konzentrationen der Komponenten aus der ersten Anpassung (ungefähr) bekannt sind sowie die mittleren Determine the broadening coefficient ymean of the methane lines, since the concentrations of the components from the first adjustment (approximately) are known, as well as the mean
Fremdverbreiterungskoeffizienten bekannt sind (siehe Fig. 2) . Es gilt:
Figure imgf000022_0001
External broadening coefficients are known (see FIG. 2). The following applies:
Figure imgf000022_0001
Was in Zahlenwerten aus dem Beispiel Folgendes ergibt: Which results in numerical values from the example:
Ymean = 1-41 Ymean (T, 0%, - ,0%, 100%, 0% ) (22) Ymean = 1-41 Ymean (T, 0%, -, 0%, 100%, 0%) (22)
j mal  y times
Der mittlere Verbreiterungskoeffizient ist also 41% größer als der Selbstverbreiterungskoeffizient von Methan alleine. Wird nun die Konzentrationsbestimmung im Gemisch mit einem simulierten Methanspektrum als Referenz wiederholt, dessen Linienbreiten um 41 % verbreitert sind (Linien mit Voigt- Profil simuliert, Linienparameter aus HITRAN Datenbank) , zeigt sich eindeutig, dass die nun bestimmte Konzentration deutlich besser dem kalibrierten Konzentrationswert The mean broadening coefficient is therefore 41% larger than the self-broadening coefficient of methane alone. If the concentration determination is repeated in a mixture with a simulated methane spectrum as a reference, the line widths of which are widened by 41% (lines with Voigt- Simulated profile, line parameters from HITRAN database), it clearly shows that the concentration now determined is significantly better than the calibrated concentration value
entspricht, während die Konzentrationsbestimmung der anderen Gase etwa konstant bleibt (Fig. 5, Zeile (c) ) . Der corresponds, while the concentration determination of the other gases remains approximately constant (FIG. 5, line (c)). The
Unterschied der ermittelten Methankonzentrationen in der Messung ohne Berücksichtigung der Verbreiterung beträgt -12,9 % relativ. The difference between the determined methane concentrations in the measurement without taking the broadening into account is -12.9% relative.
Die Simulation, die den relativen Fehler fiel abschätzt (siehe Schaubild der Fig. 4: relativer Fehler frei der The simulation that estimated the relative error fell (see diagram in FIG. 4: relative error free of
Methanbestimmung, falls ein verbreitertes Spektrum mit einem nicht verbreiterten Referenzspektrum gefittet wird. Bei maximaler Verbreiterung beträgt der relative Fehler fast 14 %. Mit steigender Methankonzentration strebt der Fehler gegen 0.), bestimmt eine zu erwartende Abweichung von -12.3 %. Die gute Übereinstimmung der Werte zeigt, dass sich die zu erwartenden Abweichungen für die Spektren mit dem  Methane determination if a broadened spectrum is fitted with a non-broadened reference spectrum. With maximum broadening, the relative error is almost 14%. With increasing methane concentration, the error tends towards 0.), determines an expected deviation of -12.3%. The good agreement of the values shows that the expected deviations for the spectra differ with the
beschriebenen Modell Vorhersagen lassen. Die geringe let orhersagen Model V described. The minor
Differenz zwischen der Messung und dem simulierten relativen Fehler frei kann aus bleibenden Messunsicherheiten resultieren, wie beispielweise Rauschen im Detektorsignal, Difference between the measurement and the simulated relative error free can result from permanent measurement uncertainties, such as noise in the detector signal,
Hintergrundeinfluss anderer Spektren, Background influence of other spectra,
Konzentrationsunsicherheit kalibriertes Gemisch, etc.  Concentration uncertainty, calibrated mixture, etc.
In diesem Fall wäre es nun auch möglich, die Verbreiterung für Ethan zu berücksichtigen, da hier ebenfalls In this case, it would now also be possible to take the broadening for ethane into account, since here too
Linienspektren auftreten, deren Positionen bekannt sind und somit ihre Breiten ebenso im Gemisch gefittet werden kann.Line spectra occur, the positions of which are known and thus their widths can also be fitted in a mixture.
Das gleiche Verfahren ermöglicht dann ebenfalls die The same procedure then also enables
Bestimmung einer mittleren Verbreiterung und damit eine Determination of an average broadening and thus a
Korrektur des Konzentrationswerts mittels eines simulierten Ethanspektrums . Correction of the concentration value using a simulated ethane spectrum.
Die vorgestellte Methodik macht dabei zwei Verfahren zur Konzentrationskorrektur möglich: 1. Mittels einer Fehlerkurve wie in Fig. 4 mit einem The methodology presented here makes two methods of concentration correction possible: 1. By means of an error curve as in FIG. 4 with a
relativen Fehler fiel der Methanbestimmung, falls ein relative error occurred when determining a methane
verbreitertes Spektrum mit einem nicht verbreiterten broadened spectrum with a non-broadened one
Referenzspektrum gefittet wird. Bei maximaler Verbreiterung cm 0 beträgt der relative Fehler frei fast 14 %. Mit Reference spectrum is fitted. At maximum widening cm 0, the relative error is almost 14%. With
steigender Methankonzentration strebt der Fehler frei gegen 0, wenn der konzentrationsabhängig relative Fehler fiel für das jeweilige Gas abgelesen und die gemessene Konzentration um den Kurvenwert korrigiert wird. Dies setzt voraus, dass die anderen Komponenten so genau gemessen werden können, dass die mittlere Verbreiterung des Linienspektrums anhand der As the methane concentration increases, the error tends towards 0 if the concentration-dependent relative error fell for the respective gas and the measured concentration is corrected by the curve value. This assumes that the other components can be measured so precisely that the average broadening of the line spectrum can be measured using the
Konzentration der anderen Komponenten im Gemisch nach den Gleichungen (21) und (22) bestimmt werden kann. Damit wäre es lediglich notwendig einen zusammensetzungsabhängigen Concentration of the other components in the mixture can be determined according to equations (21) and (22). So it would only be necessary a composition-dependent
Korrekturfaktor nach den Gleichungen (21) und (23) zu Correction factor according to equations (21) and (23)
bestimmen, um die Genauigkeit der Konzentrationsbestimmung zu verbessern . determine to improve the accuracy of the concentration determination.
Für das vorher erläuterte Messbeispiel (Tabelle der Fig. 5, Korrektur von Methanwerte ohne Verbreiterung um -12,3 % relativen Fehler) folgt nach Gleichung (20) mit frei= -12,3 %, der aus der Korrekturkurve abgelesen wird, wobei Cfit der bestimmte Konzentrationswert mit dem unverbreiterten Methan- Referenzspektrum ist, die zu bestimmende korrigierte For the measurement example explained above (table of FIG. 5, correction of methane values without widening by -12.3% relative error), equation (20) follows with free = -12.3%, which is read from the correction curve, Cfit is the determined concentration value with the undifferentiated methane reference spectrum, the corrected one to be determined
Methankonzentration Csim zu 4,08 %. Das Ergebnis zeigt eine deutlich bessere Übereinstimmung mit dem kalibrierten Methane concentration Csim at 4.08%. The result shows a significantly better agreement with the calibrated
Konzentrationswert . Concentration value.
2. Für Spektren in denen Linienspektren mehrerer Gase oder die verbreiterten Linien über einen weiten Bereich auch mit den unverbreiterten (bzw. schwach verbreiterten) Spektren überlappen, müssen die Verbreiterungen und damit die 2. For spectra in which line spectra of several gases or the widened lines overlap over a wide range with the non-widened (or weakly widened) spectra, the widenings and thus the
jeweiligen Gaskonzentrationen iterativ bestimmt werden. respective gas concentrations can be determined iteratively.
Dabei werden analog zur vorherigen Auswertung im ersten Analogous to the previous evaluation in the first
Iterationsschritt die Konzentrationen der Komponenten mit den unverbreiterten Referenzspektren bestimmt. Anhand der Iteration step determines the concentrations of the components with the non-widened reference spectra. Based on
bestimmten Konzentrationswerte der Gase kann nun die Verbreiterung nach den Gleichungen (21) und (22) für die Linienspektren bestimmt werden. Im nächsten Iterationsschritt werden die Konzentrationen aller Komponenten erneut bestimmt, wobei diesmal mit dem ermitteln Verbreiterungsparametern simulierte Linienspektren gefittet werden. Mit den nun erhaltenen Konzentrationswerten lässt sich ein neuer certain concentration values of the gases can now Broadening according to equations (21) and (22) can be determined for the line spectra. In the next iteration step, the concentrations of all components are determined again, this time simulated line spectra being fitted with the determined broadening parameters. With the concentration values now obtained, a new one can be created
Verbreiterungsparameter bestimmen und die Konzentrationswerte mit einem angepassten Linienspektrum erneute bestimmen. Die Iteration wird so lange fortgesetzt, bis der Fehler zu einem vorgebbaren Grenzwert konvergiert. Determine broadening parameters and redetermine the concentration values with an adapted line spectrum. The iteration continues until the error converges to a predefinable limit.
Diese Vorgehensweise lässt sich damit auf unbekannte Gemische anwenden, insofern man weiß, welche Gaskomponenten zu This procedure can thus be applied to unknown mixtures, provided that one knows which gas components
erwarten sind. Beispielsweise in Prozessgasströmen von are expected. For example in process gas streams from
Raffinerien ist dies eine reale Messaufgabe. This is a real measurement task for refineries.
Zur Verdeutlichung der Vorgehensweise soll diese hier nochmal schrittweise dargelegt werden. Die beschriebene In order to clarify the procedure, this will be explained step by step here again. The one described
Messvorrichtung erlaubt es, hochaufgelöste Spektren von Gasen und insbesondere von Gasgemischen im Infraroten, z.B. von Kohlenwasserstoffen, mit bisher nicht oder nur teilweise in Datenbanken tabellierter Auflösung zu messen. Measuring device allows high-resolution spectra of gases and especially gas mixtures in the infrared, e.g. of hydrocarbons, to be measured with a resolution that has not previously been tabulated or only partially in databases.
Dabei werden Spektren der Reingase gemessen, welche als Spectra of the pure gases are measured, which as
Referenz dienen, um die Konzentrationen der jeweiligen Serve to reference the concentrations of each
Komponente im Gemisch durch die Skalierung der Reinspektren zu bestimmen. Eine verbesserte Unterscheidung der To determine the component in the mixture by scaling the pure spectra. An improved differentiation of the
überlagerten Spektren im Gemisch wird durch reduzierten Druck gegenüber Atmosphärendruck und Stabilisierung von Druck und Temperatur während der Messung des Gases ermöglicht. Ein weiterer entscheidender Aspekt ist dabei die Berücksichtigung der Linienbreiten eines Gasspektrums, abhängig von der Superimposed spectra in the mixture is made possible by reduced pressure compared to atmospheric pressure and stabilization of pressure and temperature during the measurement of the gas. Another crucial aspect is the consideration of the line widths of a gas spectrum, depending on the
Zusammensetzung des Gasgemischs. Wie für Methan gezeigt wurde, lässt sich ein Verbreiterungsparameter y der Linien für die Wechselwirkung von Methan mit den anderen Gasen im binären Gemisch bestimmen. Dieser Parameter ermöglicht die Abschätzung der mittleren Verbreiterung der Methanlinien in Gemischen mit mehreren Kohlenwasserstoffen und damit eine Berechnung des zu erwartenden Fehlers bei der Composition of the gas mixture. As shown for methane, a broadening parameter y of the lines for the interaction of methane with the other gases in the binary mixture can be determined. This parameter enables the average broadening of the methane lines in mixtures with several hydrocarbons to be estimated, and thus one Calculation of the expected error in the
Konzentrationsbestimmung . Concentration determination.
Zwei Verfahren zur verbesserten Konzentrationsbestimmung werden beschrieben: Two methods for improved concentration determination are described:
1. Korrektur des Konzentrationswerts um den in einer  1. Correct the concentration value by that in a
berechneten Fehlerkurve abgelesenen relativen Fehler undcalculated error curve, read relative errors and
2. Fitverfahren mit iterativer Bestimmung der Verbreiterung des Linienspektrums anhand der Konzentrationen der Gase im Gemisch und Simulation von verbreiterten Linienspektren zur Konzentrationsbestimmung . 2. Fit method with iterative determination of the broadening of the line spectrum based on the concentrations of the gases in the mixture and simulation of broadened line spectra for determining the concentration.
Die Konzentrationsbestimmung von Gasgemischen mit simulierten Linienspektren, welche die Verbreiterung des Linienprofils in Abhängigkeit der Konzentrationen der weiteren Komponenten im Gemisch berücksichtigt, und vereinfachend die prozentual gleiche Verbreiterung der gemessenen Linien annimmt, ist ein neues Verfahren. Das Verfahren hat den Vorteil, dass die Linienverbreiterung abhängig von den Konzentrationen der anderen Komponenten im Gemisch simuliert wird und damit nicht auf isolierte Linien angewiesen ist. Stark überlagerte The determination of the concentration of gas mixtures with simulated line spectra, which takes into account the broadening of the line profile as a function of the concentrations of the other components in the mixture, and simplifies assuming the same percentage broadening of the measured lines, is a new method. The method has the advantage that the line broadening is simulated depending on the concentrations of the other components in the mixture and is therefore not dependent on isolated lines. Heavily overlaid
Spektren können dadurch trotzdem ausgewertet werden. This allows spectra to be evaluated anyway.
Das Verfahren ist übertragbar auf beliebige Gas- Kombinationen, die der optischen Spektroskopie zugänglich sind, insbesondere können Messungen in verschiedenen The method can be transferred to any gas combination that is accessible to optical spectroscopy, in particular measurements in different
Wellenlängenbereichen kombiniert werden (z.B. NIR und MIR). Die gegenseitige Beeinflussung der Linienform einer einzelnen Gaskomponente durch die restlichen Komponenten lässt sich mit dem dargestellten Verfahren berücksichtigen. Wavelength ranges can be combined (e.g. NIR and MIR). The mutual influence of the line shape of an individual gas component by the remaining components can be taken into account with the method described.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Die Erfindung kann ist insbesondere nicht auf eine hochaufgelöste Spektroskopie (z.B. QCL basierte Spektroskopie) beschränkt, sondern kann auch für FTIR oder in der Raman Spektroskopie eingesetzt werden. Although the invention has been illustrated and described in detail by means of the exemplary embodiments, the invention is not restricted by the disclosed examples and other variations can be derived therefrom by a person skilled in the art without departing from the scope of protection of the invention. In particular, the invention is not restricted to high-resolution spectroscopy (eg QCL-based spectroscopy), but can also be used for FTIR or in Raman spectroscopy.
Bezugszeichenliste Reference list
1 Spiegel 1 mirror
2 Strahlteiler  2 beam splitters
3 Parabolspiegel  3 parabolic mirrors
4.1 erster Detektor  4.1 first detector
4.2 zweiter Detektor  4.2 second detector
4.3 dritter Detektor  4.3 third detector
5 Messzelle mit Gasgemisch 5 measuring cell with gas mixture
6 Etalon 6 etalon
7 Steuer- und Auswerteeinheit 7 control and evaluation unit
8 Anzeigeeinheit 8 display unit
10 Lichtquelle  10 light source
A erster Pfad (Messpfad)A first path (measurement path)
B zweiter Pfad (Referenzpfad)B second path (reference path)
C dritter Pfad (Etalonpfad) C third path (etalon path)
Cfit Methankonzentration C fit methane concentration
frei Relativer Fehler f Relative error rei
M Molekülmasse  M molecular mass
T Transmission  T transmission
g Verbreiterungsparameter v Wellenzahl g broadening parameters v wavenumber

Claims

Patentansprüche Claims
1. Messvorrichtung zur spektroskopischen Bestimmung von 1. Measuring device for the spectroscopic determination of
Konzentrationen (Cf±t) von Gasen, aufweisend: Concentrations (C f ± t) of gases, showing:
eine durchstimmbare, monochromatische, Licht aussende Lichtquelle (10),  a tunable, monochromatic, light-emitting light source (10),
ein aus den Gasen gebildetes Gasgemisch (5) und  a gas mixture formed from the gases (5) and
einen ersten Detektor (4.1), auf den das Licht nach teilweiser Absorption durch das Gasgemisch (5) trifft, gekennzeichnet durch :  a first detector (4.1), which the light strikes after partial absorption by the gas mixture (5), characterized by:
eine Steuer- und Auswerteeinheit (7), die ausgebildet und programmiert ist, aus dem von dem ersten Detektor (4.1) abgegebenen analog-digital gewandelten,  a control and evaluation unit (7), which is designed and programmed, from the analog-digital converted output by the first detector (4.1),
wellenzahlabhängigen ersten Signal die Konzentration der Gase zu ermitteln,  to determine the concentration of the gases based on the wave number,
wobei die Abweichung zwischen dem analog-digital  being the deviation between the analog-digital
gewandelten, wellenzahlabhängigen ersten Signal und einem durch Variation der Konzentrationen der Gase sich  converted, wavenumber-dependent first signal and one by varying the concentrations of the gases themselves
veränderndem Vergleichssignal so lange ermittelt wird, bis ein vorgebbares Konvergenzkriterium erreicht ist,  changing comparison signal is determined until a predeterminable convergence criterion is reached,
wobei das Vergleichssignal als Simulation eines  the comparison signal as a simulation of a
charakteristischen Teils des Spektrums des Gasgemisches ermittelt wird,  characteristic part of the spectrum of the gas mixture is determined,
wobei für jedes durch Linienspektren beschriebene Gas Fremdverbreitungsparameter für die jeweils anderen Gase des Gasgemisches aus dem jeweiligen  whereby for each gas described by line spectra external distribution parameters for the other gases of the gas mixture from the respective
Selbstverbreiterungsparameter mittels Addition oder  Self-broadening parameters using addition or
Multiplikation einer von dem jeweiligen Paar der Gase abhängigen experimentell ermittelten Konstanten (gP0)) bestimmt werden. Multiplication of an experimentally determined constant (g P 0 ) ) which is dependent on the respective pair of gases.
2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, 2. Measuring device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Abweichung mittels eines Least Squares Verfahren ermittelbar ist. that the deviation can be determined using a least squares method.
3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, 3. Measuring device according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (10) moduliert ist, das erste Signal demoduliert ist und das Vergleichssignal dem demodulierten ersten Signal angepasst simuliert ist. characterized, that the light source (10) is modulated, the first signal is demodulated and the comparison signal is simulated to match the demodulated first signal.
4. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 4. Measuring device according to one of claims 1 to 3,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Lichtquelle (10) ein Quantenkaskadenlaser oder ein Interband-Kaskaden-Laser ist. that the light source (10) is a quantum cascade laser or an interband cascade laser.
5. Hochaufgelöstes Fourier-Transform-Infrarotspektrometer mit einer Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche. 5. High-resolution Fourier transform infrared spectrometer with a measuring device according to one of the preceding claims.
6. Verfahren zur spektroskopischen Bestimmung von 6. Method for the spectroscopic determination of
Konzentrationen (Cf±t) von Gasen, wobei: Concentrations (C f ± t) of gases, where:
ein aus Gasen gebildetes Gasgemisch bereitgestellt wird, durch eine durchstimmbare, monochromatische Lichtquelle (10) Licht ausgesandt wird und  a gas mixture formed from gases is provided, light is emitted by a tunable, monochromatic light source (10) and
das Licht auf einen ersten Detektor (4.1) nach teilweiser Absorption durch das Gasgemisch (5) trifft,  the light strikes a first detector (4.1) after partial absorption by the gas mixture (5),
gekennzeichnet durch : marked by :
dass aus dem von dem ersten Detektor (4.1) abgegebenen analog-digital gewandelten, wellenzahlabhängigen ersten Signal die Konzentration der Gase ermittelt wird,  that the concentration of the gases is ascertained from the first signal (4.1) emitted by the analog-digitally converted, wave number-dependent signal
wobei die Abweichung zwischen dem analog-digital  being the deviation between the analog-digital
gewandelten, wellenzahlabhängigen ersten Signal und einem durch Variation der Konzentrationen der Gase sich  converted, wavenumber-dependent first signal and one by varying the concentrations of the gases themselves
veränderndem Vergleichssignal so lange ermittelt wird, bis ein vorgebbares Konvergenzkriterium erreicht wird, wobei das Vergleichssignal als Simulation eines  changing comparison signal is determined until a predefinable convergence criterion is reached, the comparison signal as a simulation of a
charakteristischen Teils des Spektrums des Gasgemisches ermittelt wird,  characteristic part of the spectrum of the gas mixture is determined,
wobei für jedes durch Linienspektren beschriebene Gas Fremdverbreitungsparameter für die jeweils anderen Gase des Gasgemisches aus dem jeweiligen  whereby for each gas described by line spectra external distribution parameters for the other gases of the gas mixture from the respective
Selbstverbreiterungsparameter mittels Addition oder  Self-broadening parameters using addition or
Multiplikation einer von dem jeweiligen Paar der Gase abhängigen experimentell ermittelten Konstanten bestimmt werden . Multiplication of an experimentally determined constant dependent on the respective pair of gases can be determined.
7. Verfahren nach Anspruch 6, 7. The method according to claim 6,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Abweichung mittels eines Least Squares Verfahren ermittelt wird. that the deviation is determined using a least squares method.
8. Computerprogrammprodukt, umfassend ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm in eine Speichereinrichtung einer Messvorrichtung nach Anspruch 1 ladbar ist, wobei mit dem Computerprogramm die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 oder 7 ausgeführt werden, wenn das 8. A computer program product comprising a computer program, wherein the computer program can be loaded into a storage device of a measuring device according to claim 1, wherein the steps of a method according to one of claims 6 or 7 are carried out with the computer program if the
Computerprogramm auf der Messvorrichtung ausgeführt wird. Computer program running on the measuring device.
9. Computerlesbares Medium, auf welchem ein Computerprogramm gespeichert ist, wobei das Computerprogramm in eine 9. Computer-readable medium on which a computer program is stored, the computer program being in a
Speichereinrichtung einer Messvorrichtung nach den Anspruch 1 ladbar ist, wobei mit dem Computerprogramm die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 oder 7 ausgeführt werden, wenn das Computerprogramm auf der Messvorrichtung ausgeführt wird. Storage device of a measuring device according to claim 1 is loadable, with the computer program performing the steps of a method according to one of claims 6 or 7 when the computer program is executed on the measuring device.
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