WO2023232548A1 - Verfahren zur kalibrierung einer vorrichtung zur raman-spektroskopie mit laserdioden - Google Patents

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WO2023232548A1
WO2023232548A1 PCT/EP2023/063720 EP2023063720W WO2023232548A1 WO 2023232548 A1 WO2023232548 A1 WO 2023232548A1 EP 2023063720 W EP2023063720 W EP 2023063720W WO 2023232548 A1 WO2023232548 A1 WO 2023232548A1
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WO
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gas
spectrum
measuring device
raman
calibration
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PCT/EP2023/063720
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Inventor
Heiko WITZEL
Alexander Stratmann
Theodoros Garavelis
Franziska Seitz
Michael Urhahn
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
    • G01N21/274—Calibration, base line adjustment, drift correction

Definitions

  • the invention relates to a method for calibrating a device for Raman spectroscopy using laser diodes as excitation waves. Furthermore, the invention relates to a method for Raman signal evaluation for quantitative gas concentration determination.
  • DE 10 2021 107 229 relates to a simple and improved Raman signal evaluation for quantitative gas concentration determination.
  • high-power laser diodes are used as an excitation light source instead of the otherwise usual solid-state or gas lasers, especially in multi-mode operation.
  • Raman spectroscopy on gases requires light sources or lasers with several watts of power.
  • multi-mode high-power laser diodes have come onto the market that have been used in automobile headlights in the blue/VIS spectral range.
  • laser diodes Due to their principle, laser diodes have a spectral broadband intrinsic fluorescence of up to 100 nm around the actual laser frequency. This means that the laser diodes emit light in the area of the Raman spectral range that is typically evaluated, namely the Raman-Stokes line range with relative wave numbers up to around 4500 1/cm. This diode fluorescent light is orders of magnitude stronger in intensity than the Raman signals.
  • Raman spectroscopy using laser diodes is only possible if suitable additional filtering of the laser emission area and suitable laser beam or scattered light guidance are ensured, as can be seen, for example, from DE 2021 107 229.
  • the optical measures result in the actual Raman spectrum being influenced or underlain by a spectrally irregular background signal.
  • a so-called fluorescence background arises here largely from the diode's own fluorescence and cannot be further reduced by optical measures.
  • background subtraction is required to evaluate a spectrum.
  • Raman spectroscopy with solid-state or gas lasers on gases usually do not have an irregular fluorescence background, but are not suitable for industrial use.
  • the spectrally constant background due to the dark and electronic noise can simply be subtracted constantly.
  • a Raman evaluation can then be carried out using a spectrum calculated in this way.
  • a spectrally irregular background due to the fluorescence from the sample actually being examined is from Raman spectroscopy on liquids, something from A. Stratmann and G.
  • a method for calibrating a measuring device for Raman spectroscopy of a gas stream is proposed, with at least one Laser diode as an excitation source, with at least the following
  • Process steps are carried out: a) flushing the measuring device with a non-Raman-active gas, in particular an atomic noble gas, b) recording and storing at least one background spectrum for predetermined recording times for a measurement of the gas flow, c) carrying out the measurement of the gas flow and recording a Raw measurement signal corresponding to the predetermined recording times and subtraction of the background spectrum corresponding to the respective predetermined recording time from the raw measurement signal and d) storage of the evaluable Raman spectrum determined according to c) and evaluation based on a known gas concentration.
  • a non-Raman-active gas in particular an atomic noble gas
  • the at least one background spectrum is determined and stored for a short and a long recording period.
  • the background spectrum is determined, for example, for the short and long recording durations or alternatively also for other recording durations with suitable functions regarding interpolation and extrapolation.
  • the measuring device is flushed with an atomic noble gas, such as helium, neon or argon as a background calibration gas.
  • an atomic noble gas such as helium, neon or argon
  • the calibration gas is passed through the measuring device according to a) in a pressure and temperature range, within which the gas flow is measured according to c).
  • the method proposed according to the invention is further characterized in that the background spectra according to b) are recorded in a pressure and temperature range within which the gas flow is measured according to c).
  • the measuring device records different background spectra when operating in different pressure and temperature ranges and at different pressures and different temperatures, these can be recorded and saved for each pressure and temperature range, or can be recorded for selected pressure and temperature ranges and further background spectra can be calculated for non-selected pressure and temperature ranges.
  • the further background spectra are determined according to the ideal gas law and a linear correction is made.
  • a real gas correction can be carried out, for example for gas mixtures as described in DIN EN ISO 14912.
  • a method for calibrating a measuring device for Raman spectroscopy of a gas stream with at least one laser diode as an output source is proposed, with at least the following process steps being carried out: a) generating a vacuum in the measuring device, b) determining an interfering scattered light spectrum from components of the measuring device based on the diode's own fluorescence , c) carrying out the measurement of the gas flow and recording a raw measurement signal according to the specified recording times and subtracting the background spectrum corresponding to the respective specified recording time from the raw measurement signal and d) storing the evaluable Raman spectrum determined according to c) and evaluating it based on a known gas concentration.
  • the background ie the background spectrum
  • the actually recorded spectrum ie which represents the raw spectrum or raw measurement signal
  • the noble gas or vacuum method is used.
  • a reduction in detector-based noise is achieved through detector calibration.
  • a stray light spectrum from components of the measuring device is determined based on the diode's own fluorescence.
  • each receiver chip is calibrated by signal detectors with regard to its sensitivity, which is also achieved by determining a stray light scattering spectrum of components of the measuring device based on the diode's own fluorescence.
  • the invention relates to the use of the method for calibrating a measuring device for Raman spectroscopy, which comprises at least one laser diode as an excitation source.
  • the non-Raman signal background is advantageously determined by measuring non-Raman-active gas or alternatively using a vacuum.
  • Atomic gases used in background calibration ie the noble gases helium, neon and argon, do not produce a Raman signal.
  • the disturbing scattered light is caused by the diode's own fluorescence and by elastic, i.e. non-frequency-shifted Rayleigh scattered light components of the laser/laser diodes and their secondary frequency-shifted scattered light influences. If the spectrum of the noble gas is now measured and this is subtracted from the raw measurement signal, the actual Raman spectrum can be evaluated, in particular for example using the Voigt profile method, and ultimately the gas concentration or the molecular particle concentration can be calculated by comparing it with a known gas concentration measurement.
  • the background calibration can be carried out by using an atomic noble gas, such as helium or argon as a calibration gas.
  • Argon is preferably used because this atomic noble gas is the cheapest and, due to its high molecular mass, it very effectively removes disruptive foreign gases that generate Raman signals, such as moisture, from the measuring device.
  • the calibration gas used is passed through the measuring device in the pressure and temperature range of the actually planned gas detection and the associated spectrum is recorded.
  • the measuring device is used at different pressure and/or temperature ranges, so that the background calibration spectra differ, then either for each pressure and temperature range to record and store calibration spectra or, in an advantageous embodiment, to record specific, for example high and low, pressure and temperature values and then mathematically convert the changes for the respective pressure and temperature ranges.
  • a linear correction will be sufficient due to the easily applicable ideal gas law.
  • a real gas correction can be carried out in accordance with DIN EN ISO 14912.
  • a background calibration can also be calibrated in a vacuum instead of using an atomic noble gas. No Raman spectrum is created here, and stray light from the components of the measuring device is determined based on the diode fluorescence.
  • a vacuum can be applied more easily than an atomic noble gas.
  • the stray light from the actual gas sample itself which is partly dependent on the density and therefore pressure and temperature dependent, cannot be determined.
  • this influence is not great and is negligible in certain applications, especially with short measuring times and gas concentrations that are not too small to be measured.
  • a further advantage of the two background calibration methods proposed according to the invention is the reduction of detector-based noise.
  • the background calibration method proposed according to the invention includes any additional detector calibration that may otherwise be necessary.
  • Each receiver chip of the signal detectors used e.g. B. CCD/CMOS has a slightly different sensitivity. Calibration adjusts this for everyone.
  • a CCD or CMOS detector usually comprises a two-dimensional pixel array, for example 1024 x 128 pixels. The 1024 pixels correspond to the spectral wavelength axis, while the 128 pixels correspond to the height and represent each spectral location (1 - 1024) and add the 128 pixels to a signal.
  • Each of the 1024 x 128 pixels has a slightly different light sensitivity, meaning that each of the pixels will output a slightly different signal given the same light intensity. This leads to increased noise and thus to a poorer signal-to-noise ratio during the actual Raman signal evaluation.
  • the different pixel sensitivities can be automatically calibrated out. This allows the background noise to be significantly reduced.
  • the evaluation of a Raman signal depends largely on the signal-to-noise ratio, so that even the smallest signals can be detected and evaluated with reduced noise.
  • the correct i.e. H. i.e. a gas concentration that was too low was measured.
  • condensation is recognized by the fact that there is an increased background measurement signal.
  • An increased background measurement signal arises because the condensate, which adheres to surfaces such as optical windows or measuring cell surfaces in the vicinity of the optical measuring area, generates stray light.
  • the background monitoring/calibration proposed according to the invention also automatically monitors this and thus prevents incorrect evaluations and/or incorrect use due to the formation of condensation.
  • the condensate must precipitate in the optical measuring range. This can be achieved by designing the measuring device by integrating a cold trap in the optical measuring area so that any condensate that occurs is here and not at any location, i.e. H. the coldest point in the gas flow pipe fails.
  • the cold trap can, for example, be a type of cooling rod that is thermally decoupled from the measuring cell but not from the gas flow and which is at a slightly lower temperature, e.g. B. is cooled a few Kelvin lower than the gas temperature in the gas stream.
  • One possible embodiment is, for example, in the form of a pelletizing cooling element controlled by a gas temperature sensor.
  • Reactive gases such as those with increased proportions of ammonia, sulfur compounds, acids and the like, can attack the surfaces of the measuring cell of the measuring device in the gas path with optical windows and also generate the above-mentioned background measurement signal.
  • the defined one Background signal monitoring or calibration also protects against defects in the measuring unit.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a measuring device for measuring a gas stream using Raman spectroscopy
  • Figure 3 shows an evaluable Raman spectrum of the raw measurement signal
  • Figure 5.1 an input signal with calibration values
  • FIG. 1 shows schematically the structure of a measuring device 10 proposed according to the invention.
  • This comprises, as a radiation source 12, a high-performance sensor 14, which in particular has at least one laser diode 16 as a source of stimulation.
  • the radiation source 12 as shown in Figure 1 is followed by a focusing optics 18, which is only indicated schematically here, which focuses the laser radiation, which is generated by the at least one laser diode 16, onto a part of a gas measurement space 20.
  • a gas 22 or a gas mixture 24 is contained in the gas measurement room 20.
  • the gas measurement room 20 can be part of a bypass line 26 through which a gas stream 66, for example gaseous H2, flows.
  • the gas measurement room 20 includes at least one optical access 28 and at least one optical output 30 for the laser radiation generated by the at least one laser diode 16.
  • Laser radiation emerging from the at least one optical output 30 is guided into a radiation absorber 32 in order to avoid the influence of scattered light and, after passing through the gas measurement room 20, is coupled into a further gas measurement room 56.
  • the further gas measurement room 56 which serves as a calibration cell 58, there is a known gas concentration, for example 100% N2. From the further gas measurement room 56, the laser radiation now reaches the radiation absorber 32 to avoid interference, as explained above.
  • a parallel measurement 64 can be carried out with the measuring device 10 shown in FIG.
  • the Raman scattering intensity-enhancing optics 36 are supplied in parallel with Raman scattered light 34 from the gas measurement room 20 on the one hand and Raman scattered light 34 from the further gas measurement room 56, which serves as a calibration cell 58, on the other hand.
  • the Raman scattering intensity-enhancing optics 36 therefore contain two scattered light components that can be measured parallel to one another within the Raman scattering intensity-enhancing optics 36.
  • the Raman scattered light 62 from the further gas measurement room 56 which serves as a calibration cell 58, is additionally guided into the Raman scattering intensity-amplifying optics 36 by means of the parallel measurement 64 and reaches the light detector 48 in the form of a CCD camera or a CMOS component or a number of receiver diodes.
  • a parallel measurement 64 of a gas 22 that is not in the gas stream 66 can also be carried out directly.
  • signal fluctuations of the light detector 48 are also detected. From the measurement of the Raman scattered light 62 from the further gas measurement room 56, the Raman scattered light measurements can then be recalibrated accordingly as part of the evaluations of the Raman scattered light 34 from the gas measurement room 20.
  • a background signal calibration can be carried out, furthermore, the same gases can be kept in the gas measurement rooms 20, 56 and a separation 68 of the Raman scattered light components can take place within the scope of the Raman scattering intensity-enhancing optics 36 come from the gas measurement room 20 and from the further gas measurement room 56. These can be detected in parallel as part of the parallel detection 64 in the light detector 48, which can be designed, for example, as a CCD camera.
  • the measuring device 10 is within the optical measuring range, i.e. H. within the gas measurement room 20 contains a cold trap in the form of a cooling rod 74.
  • the condensate therefore precipitates here and not at any point in the flow path of the gas stream 66.
  • the cold trap is designed as a cooling rod 74, which can be designed as a metal pin that is thermally decoupled from the measuring cell but not from the gas stream 66 and which is at a slightly lower temperature, for example 1 to 2 Kelvin lower than the gas temperature of the Gas stream 66 flowing in the flow path is cooled.
  • the cooling rod 74 can be designed as a pelletizing element, which can be controlled via the gas temperature sensor.
  • the representation according to Figure 2.1 shows a CO2 and air spectrum 78 with a CO2 peak 80 and an FbO peak 86. Furthermore, the CO2 and air spectrum 78 includes an O2 peak 82 and a pronounced IXh peak 84.
  • FIG. 2.2 shows a corrected spectrum 88.
  • the correction in the corrected spectrum 88 according to Figure 2.2 is carried out in such a way that the same measurement of the spectrum is present in the corrected spectrum 88, taking into account an extraction of the ambient air.
  • the Nj peak 84 and the Os peak 82 for air are therefore eliminated.
  • harmonics and underharmonies remain, which, however, compensate for each other as part of an integral evaluation.
  • Figure 3 shows an evaluable Raman spectrum 94, which was calculated by subtracting a previously recorded helium spectrum from the raw measurement signal. It is flushed with an atomic noble gas, with a background signal spectrum 92 being recorded and stored for all recording times specified within the gas detection.
  • a background signal spectrum is basically composed of a bias and dark level of the detector pixels (including the influences of the evaluation electronics). Both calibration methods, i.e. H. Calibration using noble gas and calibration using vacuum eliminate these influences.
  • the noble gas spectra corresponding to the specified recording times i.e. H. the background signal spectrum 92
  • the background signal spectrum 92 is subtracted from a gas raw measurement signal 90, so that a calculated, evaluable Raman spectrum 94 is obtained.
  • atomic noble gases such as helium or argon
  • argon is used for cost reasons and because, due to the high molecular mass, it very effectively removes disruptive foreign gases that generate Raman signals, such as moisture or water, from the measuring device 10.
  • the respective calibration gas is passed through the measuring device 10 in the pressure and temperature range of the actually planned gas detection in the gas stream 66 and corresponding spectra are recorded.
  • corresponding background signal spectra 92 must either be recorded and saved for each pressure and temperature range or, in a preferred embodiment, on specific ones, for example high and low pressure and temperature values and then mathematically convert the change for the respective pressure and temperature range.
  • a linear correction will be sufficient due to the easily applicable ideal gas law.
  • the measuring device 10 As an alternative to flushing the measuring device 10 with an atomic noble gas, it can also be calibrated using a vacuum. In this background calibration process, no Raman spectrum or stray stray light of the components according to the device arises due to the diode fluorescence of the at least one laser diode 16 used as an excitation source. In contrast to calibration with an atomic noble gas, the stray light, which is partly dependent on the density and therefore pressure and temperature dependent, can be produced the actual gas sample itself cannot be determined. This influence is negligible in certain applications, for example when measuring times are short and gas concentrations in the gas stream 66 that are not too small to be measured.
  • a further advantage that can be achieved by the invention is that in the two background calibration methods presented according to the invention, ie noble gas-based and vacuum-based, a reduction in the detector-based noise can occur and thus an otherwise required detector calibration is no longer necessary.
  • Each receiver chip of the signal detectors used (CCD, CMOS) has a slightly different sensitivity.
  • the calibration adjusts the sensitivity for all receiver chips of the signal detectors used. This allows the background noise to be significantly reduced.
  • a reduction in the background noise in turn enables the evaluation of very small Raman values. Signals that can now be detected better due to the significantly reduced signal-to-noise ratio and therefore even these small signals can be reliably evaluated.
  • Figure 4 shows a background signal spectrum 92 comprising a bias level 100 and a dark level 102.
  • the area of fluorescence is represented by reference numeral 104.
  • the Raman signals are designated by reference number 106, their intensity 96 is plotted over the number of pixels 98. From the graphs according to Figures 5.1 and 5.2 it can be seen that if the fluorescence 104 is not taken into account from the input signals, i.e. H. Calibration values 112 are assigned to the raw measurement signal 90. This results in an output signal 110 shown in Figure 5.2, which only contains the Raman spectrum, i.e. H. the signals 106 and the area of fluorescence 104 include.
  • a Raman spectrum is essential, which requires correct elimination of the background signal spectrum 92 or the subtraction of the background signal spectrum 92.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kalibrierung einer Messeinrichtung (10) für Raman-Spektroskopie eines Gasstroms (66) mit mindestens einer Laserdiode (16) als Anregungsquelle mit zumindest nachfolgenden Verfahrensschritten: Zunächst erfolgt eine Spülung der Messeinrichtung (10) mit einem nicht-Raman-aktiven Gas (22), insbesondere einem atomaren Edelgas. Ein Untergrundsignalspektrum (92) wird für vorgegebene Aufnahmezeitpunkte bei der Vermessung des Gasstroms (66) aufgenommen und abgespeichert. Es erfolgt die Vermessung des Gasstroms (66) und eine Aufnahme eines Rohmesssignals (90) zu den vorgegebenen Aufnahmezeitpunkten und Subtraktion des dem jeweiligen Aufnahmezeitpunkt entsprechenden Untergrundsignalspektrums (92) vom Rohmesssignal (90). Ein derart erhaltenes, auswertbares Raman-Spektrum (94) wird abgespeichert und anhand einer bekannten Gaskonzentration ausgewertet.

Description

Verfahren zur Kalibrierung einer Vorrichtung zur Raman-Spektroskopie mit Laserdioden
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kalibrieren einer Vorrichtung zur Raman-Spektroskopie unter Einsatz von Laserdioden als Anregungswelle. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Raman- Signalauswertung zur quantitativen Gaskonzentrationsbestimmung.
Stand der Technik
DE 10 2021 107 229 betrifft eine einfache und verbesserte Raman- Signalauswertung zur quantitativen Gaskonzentrationsbestimmung. Wie aus DE 10 2021 107 229 und DE 10 2009 026 744 Al sowie EP 3 748 339 A2 hevorgeht, werden Hochleistungslaserdioden, insbesondere auch im Multi-Mode- Betrieb als Anregungslichtquelle statt der sonst üblichen Festkörper- oder Gaslaser verwendet. Zur Raman-Spektroskopie an Gasen werden Lichtquellen beziehungsweise Laser mit mehreren Watt Leistung benötigt. Bisher gab es für einen geeigneten Einsatz zur Raman-Spektroskopie nur Lösungen im Nah- Infrarotbereich gemäß DE 10 2009 026 744 Al. Jüngst sind jedoch Multi-Mode- Hochleistungslaserdioden auf den Markt gekommen, die im blauen/VIS- Spektralbereich zur Anwendung in Automobilscheinwerfern gekommen sind.
Laserdioden haben prinzipbedingt eine spektralbreitbandige Eigenfluoreszenz von bis zu 100 nm um die eigentliche Laserfrequenz. Dies bedeutet, dass die Laserdioden Licht im Bereich des typischerweise auszuwertenden Raman- Spektralbereichs emittieren, nämlich dem Raman-Stokes-Linien-Bereich bei relativen Wellenzahlen bis rund 4500 1/cm. Dieses Diodenfluoreszenzlicht ist in der Intensität um Größenordnungen stärker als die Raman-Signale. Raman-Spektroskopie ist unter Einsatz von Laserdioden überhaupt nur möglich, wenn geeignete zusätzliche Filterungen des Laseremissionsbereichs und geeignete Laserstrahl- beziehungsweise Streulichtführungen sichergestellt werden, wie diese beispielsweise aus DE 2021 107 229 hervorgehen. Die optischen Maßnahmen führen dazu, dass das eigentliche Raman-Spektrum von einem spektral unregelmäßigen Untergrundsignal beeinflusst beziehungsweise von diesem unterlegt ist. Ein sogenannter Fluoreszenzuntergrund entsteht hier zu einem wesentlichen Anteil aus der Diodeneigenfluoreszenz und lässt sich durch optische Maßnahmen nicht weiter reduzieren. Für eine hochgenaue quantitative Gasanalyse ist zur Auswertung eines Spektrums eine Untergrundsubtraktion erforderlich. Raman- Spektroskopie mit Festkörper- oder Gaslasern an Gasen haben normalerweise keinen unregelmäßigen fluoreszenzbedingten Untergrund, sind jedoch für einen industriellen Einsatz nicht tauglich. Der spektral konstante Untergrund aufgrund des Dunkel- und Elektronikrauschens kann einfach konstant abgezogen werden. Mit einem derart berechneten Spektrum kann dann eine Raman-Auswertung durchgeführt werden. Ein spektral unregelmäßiger Untergrund aufgrund der Fluoreszenz aus der eigentlich zu untersuchenden Probe ist aus der Raman- Spektroskopie an Flüssigkeiten, etwas aus A. Stratmann und G. Schweiger, Fluid Phase Equlibria of Binary Mixtures with Supercritical Solvents with in-situ Concentration Measurements by Raman Spectroscopy, Fachbuchbeitrag: Chapter 1.4 in Supercritical Fluids as Solvents and Reaction Media (ISBN 0-444- 51574-7), 2004, 85-120) oder an Festkörpern (z. B. American Association for Aerosol Research (AAAR) Conference, Atlanta (US, Georgia), A. Stratmann und G. Schweiger, Fast Portable Black Carbon Analyzer Based on Raman- Spectroscopy, 10/2004) bekannt. Hier ist zur Auswertung eine eher aufwändige und im Allgemeinen, bei unbekannter Probenzusammensetzung mit vielen und/oder sich gegebenenfalls noch überlagernden Raman-Signalen, auch nur mäßig automatisierbare Untergrundsubtraktion durchzuführen.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Kalibrierung einer Messeinrichtung für Raman-Spektroskopie eines Gasstroms vorgeschlagen, mit mindestens einer Laserdiode als Anregungsquelle, wobei zumindest nachfolgende
Verfahrensschritte durchlaufen werden: a) Spülung der Messeinrichtung mit einem nicht-Raman-aktiven Gas, insbesondere einem atomaren Edelgas, b) Aufnahme und Abspeicherung mindestens eines Untergrundspektrums für vorgegebene Aufnahmezeitpunkte für eine Vermessung des Gasstroms, c) Vornahme der Vermessung des Gasstroms und Aufnahme eines Rohmesssignals entsprechend der vorgegebenen Aufnahmezeitpunkte und Subtraktion des dem jeweiligen vorgegebenen Aufnahmezeitpunkt entsprechenden Untergrundspektrums vom Rohmesssignal und d) Abspeicherung des gemäß c) ermittelten, auswertbaren Raman-Spektrums und Auswertung anhand einer bekannten Gaskonzentration.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird gemäß b) das mindestens eine Untergrundspektrum für eine kurze und für eine lange Aufnahmedauer ermittelt und abgespeichert. Die Ermittlung des Untergrundspektrums erfolgt beispielsweise für die kurze und die lange Aufnahmedauer oder alternativ auch über andere Aufnahmedauern mit geeigneten Funktionen hinsichtlich Interpolation und Extrapolation.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erfolgt gemäß Verfahrensschritt a) die Spülung der Messeinrichtung mit einem atomaren Edelgas, wie zum Beispiel Helium, Neon oder Argon als Untergrundkalibriergas.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird das Kalibriergas gemäß a) in einem Druck- und Temperaturbereich durch die Messeinrichtung geleitet, innerhalb welcher gemäß c) die Vermessung des Gasstroms erfolgt.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass die Untergrundspektren gemäß b) in einem Druck- und Temperaturbereich aufgenommen werden, innerhalb welchem gemäß c) die Vermessung des Gasstroms erfolgt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren nimmt die Messeinrichtung bei Betrieb in unterschiedlichen Druck- und Temperaturbereichen und bei verschiedenen Drücken und verschiedenen Temperaturen jeweils unterschiedliche Untergrundspektren auf, wobei diese für jeden Druck- und Temperaturbereich aufgenommen und abgespeichert werden, oder für ausgewählte Druck- und Temperaturbereiche aufgenommen werden und weitere Untergrundspektren für nicht ausgewählte Druck- und Temperaturbereiche berechnet werden.
In Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die weiteren Untergrundspektren gemäß dem idealen Gasgesetz ermittelt und es wird eine lineare Korrektur vorgenommen. Alternativ kann eine Realgaskorrektur, beispielsweise für Gasgemische wie in DIN EN ISO 14912 beschrieben, durchgeführt werden.
Alternativ wird ein Verfahren zur Kalibrierung einer Messeinrichtung für Raman- Spektroskopie eines Gasstroms mit mindestens einer Laserdiode als Ausgangsquelle vorgeschlagen, wobei zumindest nachfolgende Verfahrensschritte durchlaufen werden: a) Erzeugung eines Vakuums in der Messeinrichtung, b) Ermittlung eines Störstreulichtspektrums von Bauelementen der Messeinrichtung aufgrund der Diodeneigenfluoreszenz, c) Vornahme der Vermessung des Gasstroms und Aufnahme eines Rohmesssignals entsprechend den vorgegebenen Aufnahmezeitpunkten und Subtraktion des dem jeweiligen vorgegebenen Aufnahmezeitpunkt entsprechenden Untergrundspektrums vom Rohmesssignal und d) Abspeicherung des gemäß c) ermittelten, auswertbaren Raman-Spektrums und Auswertung anhand einer bekannten Gaskonzentration.
In vorteilhafter Weise wird erfindungsgemäß aus dem eigentlich aufgenommenen Spektrum, d. h. welches das Rohspektrum oder Rohmesssignal darstellt, den Untergrund, d. h. das Untergrundspektrum, entfernend beziehungsweise subtrahierend, um das eigentlich auswertbare Raman-Spektrum zu erhalten. Um dieses Untergrundspektrum zu erhalten, wird entweder die Edelgas- oder Vakuummethode angewandt. Für beide gilt, dass beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren eine Reduktion eines detektorbasierten Rauschens durch Detektorkalibration erreicht wird. Dazu erfolgt die Ermittlung eines Störstreulichtspektrums von Bauelementen der Messeinrichtung aufgrund der Diodeneigenfluoreszenz. In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird jeder Empfängerchip von Signaldetektoren hinsichtlich seiner Sensitivität kalibriert, was ebenfalls durch eine Ermittlung eines Störlichtstreuspektrums von Bauelementen der Messeinrichtung aufgrund der Diodeneigenfluoreszenz erreicht wird.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens zur Kalibrierung einer Messeinrichtung für Raman-Spektroskopie, die mindestens eine Laserdiode als Anregungsquelle umfasst.
Vorteile der Erfindung
In vorteilhafter Weise erfolgt die Ermittlung des Nicht-Raman-Signaluntergrunds durch Vermessung nicht-Raman-aktiven Gases oder alternativ unter Verwendung eines Vakuums. Bei der Untergrundkalibrierung eingesetzte atomare Gase, d. h. die Edelgase Helium, Neon und Argon, erzeugen kein Raman-Signal. Das störende Streulicht entsteht durch Diodeneigenfluoresezenz und durch elastische, also nicht-frequenzverschobene Rayleigh-Streulichtanteile der Laser/ Laserdioden und deren sekundären frequenzverschobenen Streulichteinflüssen. Wird nun das Spektrum des Edelgases vermessen und wird dieses vom Rohmesssignal subtrahiert, kann das eigentliche Raman-Spektrum, insbesondere beispielsweise mittels der Voigt-Profilmethode ausgewertet und letztlich die Gaskonzentration beziehungsweise die Molekülteilchenkonzentration durch Vergleich mit einer bekannten Gaskonzentrationsmessung berechnet werden. Die Untergrundkalibrierung kann mittels des Einsatzes eines atomaren Edelgases, so zum Beispiel Helium oder Argon als Kalibriergas, durchgeführt werden. Vorzugsweise wird Argon verwendet, da dieses atomare Edelgas am preiswertesten ist und es aufgrund seiner hohen Molekülmasse sehr effektiv störende, da Raman-Signal-erzeugende Fremdgase, wie etwa Feuchte, aus der Messeinrichtung entfernt. Vorzugsweise wird das jeweils eingesetzte Kalibriergas in dem Druck- und Temperaturbereich der eigentlich geplanten Gasdetektion durch die Messeinrichtung geleitet und das zugehörige Spektrum aufgenommen. Wird die Messeinrichtung hingegen bei unterschiedlichen Druck- und/oder Temperaturbereichen verwendet, so dass die Untergrundkalibrierspektren sich unterscheiden, so sind entweder für jeden Druck- und Temperaturbereich Kalibrierspektren aufzunehmen und abzuspeichern oder in einer vorteilhaften Ausführung an spezifischen, zum Beispiel an hohen und niedrigen Druck- und Temperaturwerten aufzunehmen und anschließend mathematisch die Änderungen für die jeweiligen Druck- und Temperaturbereiche umzurechnen. Bei typischen Druck- und Temperaturmessbereichen wird aufgrund des gut anwendbaren idealen Gasgesetzes eine lineare Korrektur ausreichend sein. Alternativ kann eine Realgas- Korrektur gemäß DIN EN ISO 14912 durchgeführt werden.
Alternativ kann eine Untergrundkalibrierung statt unter Einsatz eines atomaren Edelgases auch im Vakuum kalibriert werden. Hier entsteht kein Raman- Spektrum, und Störstreulicht der Bauelemente der Messeinrichtung wird aufgrund der Diodenfluoreszenz ermittelt. In bestimmten Anwendungsfällen kann ein Vakuum einfacher als ein atomares Edelgas appliziert werden. Im Gegensatz zur vorstehend genannten ersten Ausführungsvariante mit einer Edelgaskalibrierung kann bei einer Vakuumkalibrierung das teils von der Dichte abhängige und damit druck- und temperaturabhängige Störstreulicht aus der eigentlichen Gasprobe selbst nicht ermittelt werden. Dieser Einfluss ist jedoch nicht groß und bei bestimmten Anwendungsfällen, insbesondere bei kurzen Messzeiten und nicht zu kleinen zu vermessenden Gaskonzentrationen vernachlässigbar.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen beiden Untergrundkalibrierverfahren, d. h. Edelgaskalibrierung und Vakuumkalibrierung, ist die Reduktion detektorbasierten Rauschens. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Untergrundkalibrierverfahren schließt eine sonst gegebenenfalls nötige zusätzliche Detektorkalibrierung mit ein. Jeder Empfängerchip der verwendeten Signaldetektoren, z. B. CCD/CMOS hat eine geringfügig andere Sensitivität. Durch die Kalibrierung wird diese für alle justiert. Bei heutigen Anwendungen umfasst ein CCD- oder CMOS-Detektor meist ein zweidimensionales Pixel-Array, zum Beispiel 1024 x 128 Pixel. Die 1024 Pixel entsprechen der spektralen Wellenlängenachse, während die 128 Pixel der Höhe entsprechen und für jede spektrale Stelle (1 - 1024) stehen und die 128 Pixel zu einem Signal addieren. Die erhaltenen 1024 Signale, wovon jedes aus 128 zusammenaddierten besteht, bilden dann das Spektrum. Jeder der 1024 x 128 Pixel hat eine leicht unterschiedliche Lichtempfindlichkeit, was bedeutet, dass jedes der Pixel bei gleicher Lichtintensität ein etwas anderes Signal ausgibt. Dies führt zu einem erhöhten Rauschen und damit zu einem schlechteren Signal- Rausch-Verhältnis bei der eigentlichen Raman-Signalauswertung. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren, d. h. durch die Edelgas- und auch durch die Vakuummethode können die unterschiedlichen Pixelsensitivitäten automatisch mit herauskalibriert werden. Dadurch kann das Untergrundrauschen wesentlich reduziert werden. Die Auswertung eines Raman-Signals ist wesentlich vom Signal-Rausch-Verhältnis abhängig, so dass bei reduziertem Rauschen auch noch so kleine Signale erkannt und ausgewertet werden können.
Für den Fall, dass der zu vermessende Gasstrom aufgrund thermodynamischer Randbedingungen auskondensiert oder Gasbestandteile von diesem auskondensieren, insbesondere bei Feuchte, wird bei den auskondensierten Gasbestandteilen nicht mehr die richtige, d. h. also eine zu geringe Gaskonzentration gemessen. Beispielsweise wird eine Auskondensation daran erkannt, dass ein erhöhtes Untergrundmesssignal vorliegt. Ein erhöhtes Untergrundmesssignal entsteht, da das Kondensat, welches an Oberflächen, wie beispielsweise optischen Fenstern oder Messzellenoberflächen in der Nähe des optischen Messbereichs anhaftet, Störstreulicht erzeugt. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Untergrundüberwachung/Kalibrierung überwacht automatisch auch dieses und verhindert somit Fehlauswertungen und/oder Fehlnutzung aufgrund einer sich einstellenden Kondensatbildung. Das Kondensat muss jedoch dabei im optischen Messbereich ausfallen. Dies kann durch eine Ausgestaltung der Messeinrichtung herbeigeführt werden, indem im optischen Messbereich eine Kühlfalle integriert wird, so dass anfallendes Kondensat hier und nicht an einer beliebigen, d. h. der kältesten Stelle im Gasstromrohr ausfällt.
Bei der Kühlfalle kann es sich beispielsweise um eine Art Kühlstab handeln, der thermisch zur Messzelle, aber nicht zum Gasstrom entkoppelt ist und der auf eine etwas geringere Temperatur, z. B. wenige Kelvin geringer als die Gastemperatur im Gasstrom abgekühlt wird. Eine Ausführungsmöglichkeit besteht beispielsweise in Gestalt eines Pelletier-Kühlelements in Regelung mit einem Gastemperatursensor.
Reaktive Gase, etwa solche mit erhöhten Anteilen an Ammoniak, Schwefelverbindungen, Säuren und dergleichen können die Oberflächen der Messzelle der Messeinrichtung im Gaspfad mit optischen Fenstern angreifen und erzeugen auch das vorstehend erwähnte Untergrundmesssignal. Die definierte Untergrundsignalüberwachung beziehungsweise Kalibrierung sichert damit ferner Defekte der Messeinheit.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Messeinrichtung zur Vermessung eines Gasstroms mittels Raman-Spektroskopie,
Figuren 2.1 und 2.2 aufgenommene Spektren von Luft mit angereichertem COj-Gehalt,
Figur 3 ein auswertbares Raman-Spektrum vom Rohmesssignal,
Figur 4 ein Untergrundspektrum,
Figur 5.1 ein Eingangssignal mit Kalibrierwerten und
Figur 5.2 Ein Raman-Spektrum mit Kalibrierung
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt in schematischer Weise den Aufbau einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Messeinrichtung 10. Diese umfasst als Strahlungsquelle 12 einen Hochleistungssensor 14, der insbesondere mindestens eine Laserdiode 16 als Anregungsquelle umfasst. Dieser wird innerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, insbesondere innerhalb des blauen Spektralbereichs betrieben. Der Strahlungsquelle 12 gemäß der Darstellung in Figur 1 ist eine fokussierende Optik 18, die hier nur schematisch angedeutet ist, nachgeschaltet, die die Laserstrahlung, die durch die mindestens eine Laserdiode 16 erzeugt wird, auf einen Teil eines Gasvermessungsraums 20 fokussiert. Im Gasvermessungsraum 20 ist ein Gas 22 oder ein Gasgemisch 24 enthalten. Der Gasvermessungsraum 20 kann Teil einer Bypass-Leitung 26 sein, die von einem Gasstrom 66, beispielsweise gasförmigen H2, durchströmt wird.
Der Gasvermessungsraum 20 umfasst mindestens einen optischen Zugang 28 sowie mindestens einen optischen Ausgang 30 für die durch die mindestens eine Laserdiode 16 erzeugte Laserstrahlung. Aus dem mindestens einen optischen Ausgang 30 austretende Laserstrahlung wird in einen Strahlungsabsorber 32 geleitet, um Streulichteinflüsse zu vermeiden, und nach Passage des Gasvermessungsraums 20 in einen weiteren Gasvermessungsraum 56 eingekoppelt. In dem weiteren Gasvermessungsraum 56, der als Kalibrierzelle 58 dient, befindet sich eine bekannte Gaskonzentration, so zum Beispiel 100 % N2. Vom weiteren Gasvermessungsraum 56 aus gelangt die Laserstrahlung nun in den Strahlungsabsorber 32 zur Vermeidung von Störeinflüssen, wie vorstehend dargelegt.
Mit der in Figur 1 dargestellten Messeinrichtung 10 kann eine Parallelvermessung 64 vorgenommen werden. Dazu werden der Raman- Streuintensität-verstärkenden Optik 36 parallel jeweils Raman-Streulicht 34 aus dem Gasvermessungsraum 20 einerseits und Raman-Streulicht 34 aus dem weiteren Gasvermessungsraum 56, der als Kalibrierzelle 58 dient, andererseits zugeführt. Mithin enthält die Raman-Streuintensitäts-verstärkende Optik 36 zwei Streulichtanteile, die innerhalb der Raman-Streuintensitäts-verstärkenden Optik 36 parallel zueinander vermessen werden können. Das Raman-Streulicht 62 aus dem weiteren Gasvermessungsraum 56, der als Kalibrierzelle 58 dient, wird zusätzlich mittels der Parallelvermessung 64 in die Raman-Streuintensitäts- verstärkende Optik 36 geleitet und gelangt auf den Lichtdetektor 48 in Gestalt einer CCD-Kamera oder eines CMOS-Bauteils oder einer Anzahl von Empfängerdioden. Je nach Anwendungsfall kann zum Beispiel eine Parallelvermessung 64 von einem nicht im Gasstrom 66 befindlichen Gas 22 direkt mit erfolgen. Somit werden neben Laserleistungsschwankungen auch Signalschwankungen des Lichtdetektors 48 erfasst. Aus der Vermessung des Raman-Streulichts 62 aus dem weiteren Gasvermessungsraum 56 können dann die Raman- Streulichtmessungen im Rahmen der Auswertungen des Raman-Streulichts 34 aus dem Gasvermessungsraum 20 entsprechend nachkalibriert werden. Mit dem Aufbau der Messeinrichtung 10 gemäß Figur 1 kann eine Untergrundsignalkalibrierung durchgeführt werden, ferner können in den Gasvermessungsräumen 20, 56 gleiche Gase vorgehalten werden und es kann im Rahmen der Raman-Streuintensität-verstärkenden Optik 36 eine Trennung 68 der Raman-Streulichtanteile erfolgen, die aus dem Gasvermessungsraum 20 und aus dem weiteren Gasvermessungsraum 56 stammen. Diese lassen sich im Rahmen der Paralleldetektion 64 im Lichtdetektor 48, der beispielsweise als CCD-Kamera beschaffen sein kann, parallel detektieren.
Der Darstellung gemäß Figur 1 ist des Weiteren zu entnehmen, dass die Messeinrichtung 10 innerhalb des optischen Messbereichs, d. h. innerhalb des Gasvermessungsraums 20 eine Kühlfalle in Gestalt eines Kühlstabs 74 enthält. Das Kondensat fällt demnach hier und nicht an einer beliebigen Stelle im Strömungsweg des Gasstroms 66 aus. In der Darstellung gemäß Figur 1 ist die Kühlfalle als Kühlstab 74 ausgeführt, der als ein thermisch zur Messzelle, aber nicht zum Gasstrom 66 entkoppelter Metallstift ausgeführt sein kann, der auf eine etwas geringere Temperatur, zum Beispiel 1 bis 2 Kelvin niedriger als die Gastemperatur des im Strömungsweg strömenden Gasstroms 66 abgekühlt wird. Beispielsweise kann der Kühlstab 74 als ein Pelletier-Element ausgeführt sein, welches über den Gastemperatursensor regelbar ist.
In Figur 2.1 ist ein CO2- und Luftspektrum, in Figur 2.2 ein korrigiertes Spektrum dargestellt.
Die Darstellung gemäß Figur 2.1 zeigt ein CO2- und Luftspektrum 78 mit einem CO2-Peak 80 sowie einem FbO-Peak 86. Des Weiteren umfasst das CO2- und Luftspektrum 78 einen O2-Peak 82 sowie einen ausgeprägten IXh-Peak 84.
Das CO2- und Luftspektrum 78 stellt mithin ausgeatmete Luft mit angereichertem CO2 dar. Demgegenüber zeigt Figur 2.2 ein korrigiertes Spektrum 88. Die Korrektur im korrigierten Spektrum 88 gemäß Figur 2.2 erfolgt dahingehend, dass im korrigierten Spektrum 88 dieselbe Messung des Spektrums vorliegt, unter Berücksichtigung eines Abzugs der Umgebungsluft. In Figur 2.2 sind somit der Nj-Peak 84 als auch der Os-Peak 82 für Luft eliminiert. An den entsprechenden Stellen sind im korrigierten Spektrum 88 gemäß der Darstellung in Figur 2.2 Ober- und Unterschwingungen verblieben, die sich jedoch im Rahmen einer integralen Auswertung gegenseitig kompensieren.
Figur 3 ist ein auswertbares Raman-Spektrum 94 zu entnehmen, welches durch Subtraktion eines zuvor aufgenommenen Heliumspektrums vom Rohmesssignal berechnet wurde. Es wird mit einem atomaren Edelgas durchspült, wobei für alle innerhalb der Gasdetektion vorgegebenen Aufnahmezeiten ein Untergrundsignalspektrum 92 aufgenommen und abgespeichert wird. Ein Untergrundsignalspektrum setzt sich grundsätzlich aus einem Bias- und Dark- Level der Detektorpixel (inklusive der Einflüsse der Auswerteelektronik) zusammen. Beide Kalibriermethoden, d. h. die Kalibrierung mittels Edelgas sowie die Kalibrierung mittels Vakuum eliminieren diese Einflüsse. Bei der Vermessung des Gasstroms 66 in der Messeinrichtung 10 werden dann die den vorgegebenen Aufnahmezeiten entsprechenden Edelgasspektren, d. h. das Untergrundsignalspektrum 92, von einem Gasrohmesssignal 90 subtrahiert, so dass ein berechnetes, auswertbares Raman-Spektrum 94 erhalten wird. Dieses wird abgespeichert und kann dann entsprechend zur Gaskonzentrationsermittlung ausgewertet werden. Es besteht alternativ die Möglichkeit, die Untergrundspektren 92 nicht für alle Gasdetektionsaufnahmezeitpunkte, sondern nur zu einzelnen, wenigen Aufnahmezeitpunkten zu ermitteln. Die jeweils dazwischen liegenden Punkte der Gasdetektion werden mathematisch errechnet, wobei vereinfacht ein linearer Zusammenhang zugrunde gelegt werden kann.
Beim erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren werden typischerweise atomare Edelgase, wie Helium oder Argon, als Kalibriergase eingesetzt. Vorzugsweise wird aus Kostengründen Argon eingesetzt und weil es des Weiteren aufgrund der hohen Molekülmasse sehr effektiv störende, da Raman-Signal-erzeugende Fremdgase, wie etwa Feuchte oder Wasser aus der Messeinrichtung 10 entfernt. Vorzugsweise wird das jeweilige Kalibriergas in dem Druck- und Temperaturbereich der eigentlich geplanten Gasdetektion im Gasstrom 66 durch die Messeinrichtung 10 geleitet und entsprechende Spektren werden aufgenommen. Wird die Messeinrichtung 10 bei unterschiedlichen Druck- und/oder Temperaturbereichen/-bedingungen eingesetzt, so dass sich die Untergrundsignalspektren 92 unterscheiden, sind entweder für jeden Druck- und Temperaturbereich entsprechende Untergrundsignalspektren 92 aufzunehmen und abzuspeichern oder in einer vorzugsweisen Ausführung an spezifischen, zum Beispiel an hohen und niedrigen Druck- und Temperaturwerten aufzunehmen und dann mathematisch die Änderung für den jeweiligen Druck- und Temperaturbereich umzurechnen. In typischen, normalen Druck- und Temperaturmessbereichen, so zum Beispiel bei Atmosphärendruck und bei Zimmertemperatur wird aufgrund des gut anwendbaren idealen Gasgesetzes eine lineare Korrektur ausreichend sein.
Alternativ zur Spülung der Messeinrichtung 10 mit einem atomaren Edelgas kann in dieser auch am Vakuum kalibriert werden. Bei diesem Untergrundkalibrierverfahren entsteht kein Raman-Spektrum und Störstreulicht der Bauelemente gemäß Einrichtung aufgrund der Diodenfluoreszenz der eingesetzten mindestens einen als Anregungsquelle dienenden Laserdiode 16. Im Gegensatz zur Kalibrierung mit einem atomaren Edelgas kann das teils von der Dichte abhängige und damit druck- und temperaturabhängige Störstreulicht aus der eigentlichen Gasprobe selbst nicht ermittelt werden. Dieser Einfluss ist bei bestimmten Anwendungsfällen vernachlässigbar, so zum Beispiel bei etwaigen kurzen Messzeiten und nicht zu kleinen zu vermessenden Gaskonzentrationen im Gasstrom 66.
Ein weiterer, durch die Erfindung darstellbarer Vorteil liegt darin, dass bei den beiden erfindungsgemäß vorgestellten Untergrundkalibrierverfahren, d. h. edelgasbasiert sowie vakuumbasiert, eine Reduktion des detektorbasierten Rauschens erfolgen kann und somit eine ansonsten erforderliche Detektorkalibrierung nicht mehr erforderlich ist. Jeder Empfängerchip der verwendeten Signaldetektoren (CCD, CMOS) hat eine geringfügig unterschiedliche Sensitivität. Durch die Kalibrierung wird die Sensitivität für alle Empfängerchips der verwendeten Signaldetektoren justiert. Damit lässt sich das Untergrundrauschen wesentlich reduzieren. Eine Herabsetzung des Untergrundrauschens wiederum ermöglicht die Auswertung sehr kleiner Raman- Signale, die nunmehr aufgrund des wesentlich reduzierten Signalrauschverhältnisses besser detektiert werden können und daher auch diese kleinen Signale zuverlässig ausgewertet werden können.
Figur 4 zeigt ein Untergrundsignalspektrum 92 umfassend ein Bias Level 100 sowie ein Dark Level 102. Der Bereich der Fluoreszenz ist durch Bezugszeichen 104 dargestellt. Gemäß Figur 1 sind die Raman-Signale mit Bezugszeichen 106 bezeichnet, aufgetragen ist ihre Intensität 96 über die Pixelanzahl 98. Aus den Graphen gemäß Figur 5.1 und 5.2 geht hervor, dass unter Nicht- Berücksichtigung der Fluoreszenz 104 aus den Eingangssignalen, d. h. dem Rohmesssignal 90 jeweils Kalibrierwerte 112 zugeordnet sind. Daraus ergibt sich ein in Figur 5.2 dargestelltes Ausgangssignal 110, welches lediglich das Raman- Spektrum, d. h. die Signale 106 und den Bereich der Fluoreszenz 104 umfassen.
Für die Auswertung der Raman-Spektren, beispielsweise unter Heranziehung der Voigt- Methode, ist ein Raman-Spektrum essentiell, welches eine korrekte Eliminierung des Untergrundsignalspektrums 92 beziehungsweise die Subtraktion des Untergrundsignalspektrums 92 voraussetzt.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Kalibrierung einer Messeinrichtung (10) für Raman- Spektroskopie eines Gasstroms (66) mit mindestens einer Laserdiode (16) als Anregungsquelle mit zumindest nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Spülung der Messeinrichtung (10) mit einem nicht-Raman-aktiven Gas (22), insbesondere einem atomaren Edelgas, b) Aufnahme und Abspeicherung mindestens eines Untergrundsignalspektrums (92) für vorgegebene Aufnahmezeitpunkte für eine Vermessung des Gasstroms (66), c) Vornahme der Vermessung des Gasstroms (66) und Aufnahme eines Rohmesssignals (90) entsprechend der vorgegebenen Aufnahmezeitpunkte und Subtraktion des dem jeweiligen vorgegebenen Aufnahmezeitpunkt entsprechenden Untergrundsignalspektrums (92) vom Rohmesssignal (90), d) Abspeicherung des gemäß c) ermittelten, auswertbaren Raman- Spektrums (94) und Auswertung anhand einer bekannten Gaskonzentration.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß b) das mindestens eine Untergrundsignalspektrum (92) für eine kurze und für eine lange Aufnahmezeitdauer ermittelt und abgespeichert wird, und unter der Voraussetzung eines linearen Zusammenhangs eine vollständige Gasdetektion berechnet wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß a) zur Spülung ein atomares Edelgas, wie Helium, Neon oder Argon als Kalibriergas eingesetzt wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibriergas gemäß a) in einem Druck- und Temperaturbereich durch die Messeinrichtung (10) geleitet wird, in welchen gemäß c) die Vermessung des Gasstroms (66) erfolgt. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Untergrundsignalspektren (92) gemäß b) in einem Druck- und Temperaturbereich aufgenommen werden, innerhalb welcher gemäß c) die Vermessung des Gasstroms (66) vorgenommen wird. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Messeinrichtung (10) bei Betrieb in unterschiedlichen Druck- und Temperaturbereichen und bei verschiedenen Drücken und verschiedenen Temperaturen unterschiedliche Untergrundsignalspektren (92) aufgenommen werden, diese für jeden Druck- und Temperaturbereich aufgenommen und abgespeichert werden, oder für ausgewählte Druck- und Temperaturbereiche aufgenommen werden und weitere Untergrundsignalspektren (92) für nicht ausgewählte Druck- und Temperaturbereiche berechnet werden. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Untergrundsignalspektren (92) gemäß dem idealen Gasgesetz ermittelt werden und eine lineare Korrektur vorgenommen wird. Verfahren zur Kalibrierung einer Messeinrichtung (10) für Raman- Spektroskopie eines Gasstroms (66) mit mindestens einer Laserdiode (16) als Anregungsquelle und zumindest nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Erzeugung eines Vakuums in der Messeinrichtung (10), b) Ermittlung eines Störstreulichtspektrums von Bauelementen der Messeinrichtung (10) aufgrund Diodenfluoreszenz, c) Vornahme der Vermessung des Gasstroms (66) und Aufnahme eines Rohmesssignals (90) entsprechend den vorgegebenen Aufnahmezeitpunkten und Subtraktion des dem jeweiligen vorgegebenen Aufnahmezeitpunkt entsprechenden Untergrundsignalspektrums (92) vom Rohmesssignal (90), d) Abspeicherung des gemäß c) ermittelten, auswertbaren Raman- Spektrums (94) und Auswertung anhand einer bekannten Gaskonzentration.
9. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reduktion eines detektorbasierten Rauschens durch Detektorkalibration erfolgt
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Empfängerchips von Signaldetektoren hinsichtlich seiner Sensitivität kalibriert wird. 11. Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zur
Kalibrierung einer Messeinrichtung (10) für Raman-Spektroskopie, die mindestens eine Laserdiode (16) als Anregungsquelle umfasst.
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