用于测量在测试气体中的气体成分的浓度的方法
【专利摘要】本发明涉及一种测量测试气体的气体成分浓度的方法。在根据波长调制光谱的气体分析方法中，在调制频率的谐波振荡中解调获得的测量信号并通过将额定曲线拟合到解调的测量信号变化曲线上得出测量结果。为减少干扰影响引起的测量结果中的改变，在分析时附加地将与额定曲线正交的函数拟合到解调的测量信号变化曲线上，产生测量结果的正交分量。正交分量不与测量信号而与干扰信号的正交分量关联，其同相分量在其方面作为干扰信号部分直接显现在测量信号中。在测量校准时，改变如气体分析仪的工作温度且测定误差以及误差的同相和正交分量间的关联。在测量气体成分的未知浓度时，以同相分量校正测量结果，其由正交分量及在使用测量校准时测定的关联确定。
【专利说明】用于测量在测试气体中的气体成分的浓度的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于借助气体分析仪测量测试气体中的气体成分浓度的方法，其中
[0002]-为了与波长相关地扫描气体成分的感兴趣的吸收谱线，波长能调谐的光源的光的波长在周期性依次连续的扫描区间之中改变并且在此附加地利用频率调制该波长，
[0003]-经过调制的光引导穿过测试气体到探测器上，
[0004]-在该频率的谐波振荡中解调由探测器产生的测量信号，并且
[0005]-通过将额定曲线拟合到解调的测量信号的变化曲线上产生测量结果。
【背景技术】
[0006]由EP I 475 618 BI中已知这种方法。
[0007]在已知方法中，激光二极管的形式的波长能调谐的光源产生红外波段中的光，所述光引导穿过待测量的过程气体(测试气体)并且随后探测所述光。光的波长调谐到相应的待测量的气体成分的特殊吸收谱线上，其中周期性地与波长相关地扫描吸收谱线。为此，在周期性依次连续的扫描区间内利用斜面或三角形电流信号操控激光二极管。在较慢的扫描吸收谱线期间，附加地利用高频率和小的振幅正弦地调制所产生的光的波长。因为吸收谱线的轮廓不是线性的，在探测中获得的测量信号中也产生在调制频率之上的谐波。通常在η次谐波振荡中、优选地在二次谐波中通过相位敏感的锁定(Lock-1n)技术解调测量信号，并且为每个扫描区间分析出一个测量结果。在小调制振幅时，η次谐波的探测直接与直接测量信号的η阶导数成比例。该分析例如通过将理想情况中的解调测量信号的应出现的变化曲线(额定曲线)拟合(Curve-Fitting曲线拟合)到其实际变化曲线(实际曲线)上来实现。最后，由此时获得的测量结果确定了待测气体成分的浓度。
[0008]气体分析仪之中的温度改变能够导致测量结果的改变。这种称为偏移(Drift)的气体分析仪特性限制了其测量表现并且决定性地限制了待实现的应用。偏移的原因可能在于光路中的其他标准器中。这在解调的测量信号的变化曲线中导致了周期性的结构，其位于应产生的吸收信号的频率区域中。在曲线拟合中，这导致了错误拟合的函数以及在待测气体成分的测定浓度和实际浓度之间的偏差。
[0009]为了抑制这些干扰信号部分，由前面所述的EP I 475 618 BI中已知，由光源产生的光的一部分直接引导到监视探测器上，并且在η次谐波振荡中解调和分析所获得的监视信号。解调的监视信号与零线的每个偏差都基于光学干扰，只要该光学干扰位于光源的区域中或者在光路的由测量和检测信道共同使用的部段中，其也妨碍了测量信号。通过附加地利用η次谐波振荡调制光的波长，借助预矫正光源的控制来补偿该干扰，其中调制强度取决于解调的监视信号。
[0010]然而，所产生的光的部分脱耦到监视探测器上导致了增长了的结构上的和电路技术上的花费，其随着更高的干扰灵敏度而出现。此外，没有补偿在测量监视信道的共同部段之外出现的测量信号的干扰。
[0011]从EP 2 336 738 Al或EP I 927 831 Al中已知，例如通过光源的机械震荡来改变光学路径长，并且从解调的测量信号中算出周期性的干扰性结构。但是，由此仅能减少确定的、由并联的光学表面在光路中产生的干涉干扰被减少。
【发明内容】
[0012]本发明基于以下目的，减少由气体分析仪中的干扰影响例如温度改变产生的测量结果中的改变。
[0013]根据本发明，该目的由此实现，即在前面所述类型的方法中
[0014]-提供与额定曲线正交的函数，以及通过将正交函数拟合到解调的测量信号变化曲线上产生测量结果的正交分量，
[0015]-为了测量校准，在已知的待测气体成分的浓度中改变干扰参数并且此时测定误差，该误差由同相分量和正交分量构成，同向分量的形式是在所获得的测量结果和额定测量结果之间的差值，其中还测定在误差的同相分量和其正交分量之间的关联，并且
[0016]-在测量测试气体成分的未知浓度时，利用同向分量校正此时获得的测量结果，同向分量根据在测量校准时测定的关联由同样获得的正交分量来确定。
[0017]与额定曲线、即与理想情况中应出现的解调的测量信号变化曲线正交的函数，基于其正交特性而不与待测吸收谱线(确切地说是其解调频率分量的变化曲线)的形状相关。替代地，正交函数与干扰信号的正交分量相关，正交分量的同相分量在其方面直接显现为测量信号中的干扰信号部分。
[0018]通过除了将额定曲线还将与其正交的函数拟合到解调的测量信号上，除了含有干扰的测量结果(确切地说测量结果的含有干扰的同相分量)，也获得了测量结果的正交分量，其与干扰的正交分量相同。因此在测量校准的范畴中，在待测气体成分的已知浓度中，利用同相分量以及正交分量能够测定测量误差，其中误差的同相分量由在获得的测量结果和已知浓度的额定测量结果之间的差值构成。因此在测定误差的同相分量和正交分量之间的关联之后，在测试气体成分的未知浓度时，可以通过使用所谓的关联和同样获得的正交分量校正此时获得的测量结果。
[0019]如上述，干扰或误差的很大部分可能与温度相关。因此在校准期间，可以改变气体分析仪的工作温度，以使得测定的误差根据温度或者说在气体分析仪的变热或冷却变化曲线中改变。在光路中的标准器效应导致了，误差在温度走向上周期性地改变，即由误差的同相分量和正交分量形成的矢量是转动的。其他的干扰效应、例如标准器的反射的改变，相反地导致了误差矢量的长度改变和/或同相分量与正交分量的偏移量。因此可能的是，由于误差走向、即误差改变的方式和方法，在不同的干扰类型之间进行区分。
[0020]因为如所述，标准器效应在温度变化曲线上导致了误差的周期性改变或波动，以使得误差矢量转动，在误差的同相分量和正交分量之间的待测定的关联是不明确的。因此在测量校准时，优选地也测量温度，以便能够测定误差的同相分量、其正交分量和测量的温度之间的函数关联以及进而明确的关联。
[0021]替代性地或补充地，也可以补偿在测试气体中的干扰气体成分的误差影响，干扰气体成分在光谱上与待测气体成分的感兴趣的吸收谱线相重合。在这种情况下，在干扰气体成分的不同的已知浓度中校准气体分析仪，并且此时测定在误差的同相分量、其正交分量和干扰气体成分的浓度之间的函数关联。虽然干扰气体成分能够以与待测气体成分相同的方式通过将相应的额定曲线拟合到解调的测量信号的变化曲线上来测定，然而相反地，此时待测气体成分将明显地进行干扰。与此相对地，根据本发明的方法具有以下优点，即感兴趣的气体成分不影响干扰气体测量。此外，干扰气体测量局限在与光谱相关的和与频率相关的部分上，这防止了，其他的影响参量影响干扰气体测量，例如在光谱上仅与干扰气体成分重合、然而不与待测量的气体成分重合第三气体成分。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]为了继续阐述本发明，下面参考附图的图示；各图示出:
[0023]图1是用于执行根据本发明的方法的气体分析仪的实施例，
[0024]图2是已解调的测量信号的干扰的实例，
[0025]图3是理想情况中应出现的解调测量信号变化曲线的相应额定曲线和与其正交的函数的实例，
[0026]图4是通过将额定曲线和正交函数拟合到包括已解调的测量信号的与温度相关的测量结果的实例，和
[0027]图5是在不同的温度区域之中的测量结果的改变的实例。
【具体实施方式】
[0028]在图1中以简化的方框图示出的气体分析仪涉及用于测量测试气体I的至少一种感兴趣的气体成分的浓度的激光光谱仪，该测试气体存在于测试容积2中、例如在测量容器或过程气体管道中。光谱仪包括激光二极管形式的光源3，其光4在透射测试气体I之后射到测量探测器5上。由调制装置6控制的电源7为激光二极管3输送注入电流i，其中所产生的光4的强度和波长取决于激光二极管3的电流i和工作温度。调制装置6包括第一信号发生器8，其周期性地以预定的、优选地斜面或三角形的函数9操控电源7，以便利用与电流i的变化曲线或多或少成线性跟随的所产生的光4的波长扫描感兴趣的气体成分的所选择的吸收谱线。第二信号发生器10产生更高频率的正弦信号11，利用该信号在累加器12中调制斜坡或三角形状的函数9。
[0029]根据已探测的光强，测量探测器5产生测量信号13，在锁定(Lock-1n)放大器14中于调制频率fo的谐波Iiftl (n = 1,2,3...)、此处例如为2&，中解调该信号。在下游的分析装置15中，解调的测量信号13’对于每一个扫描区间分析出一个测量信号。为此在第一计算单元16中与理想的解调的测量信号13’相对应的额定曲线和在第二计算单元17中与额定曲线正交的函数拟合到解调的测量信号13’上。
[0030]如前述，在气体分析仪内部的温度改变能够导致测量结果的偏移，其中偏移的原因是光路中的标准器，其导致了解调的测量信号13’的变化曲线中的周期性结构。
[0031]图2示例性示出在调制频率&的二次谐波中的解调的无干扰的测量信号13’ a、周期性的干扰18以及由干扰18叠加的测量信号13’ b。立刻能识别的是，将与理想的解调的测量信号13’a相对应的额定曲线(图3中的19)拟合到受干扰的测量信号13’b处没有导致正确的浓度确定。
[0032]图3示例性示出与理想方式下应出现的解调的测量信号13’的变化曲线相对应的额定曲线19和与其正交的函数20。区别于额定曲线19，正交函数20与解调的测量信号13’或13’a不相关，而是与干扰信号的正交分量相关，其同相分量在其方面直接作为干扰信号部分显现在解调的测量信号13’或13’ a中。
[0033]回到图1，计算单元16提供或多或少有干扰的测量结果M，确切地说由有效部分S=Sin和同相干扰部分Nin构成的测量结果M的同相分量Min。计算单元17产生由正交干扰部分NOTth。构成的测量结果M的正交分量MOTth。:
[0034]M = Min+Mortho = (S+Nin) +Northo 其中 S = Sin 且 Sortho = O。
[0035]图4不例性不出具有其同相分量和正交分量的测量结果M的矢量图。为了测量校准，在待测气体成分的已知浓度中，改变气体分析仪的工作温度并且在此测定误差N，其由同相分量Nin和正交分量Mtjrth。构成，通向分量的形式是在同相测量结果Min和额定测量结果Sin之间的差值。在下一步骤中测定在误差N的同相分量Nin和其正交分量NOTth。之间的关联。图4示出了简单的情况，其中以围绕额定测量结果Sin的大约的圆说明了基于标准器效应的温度T上的误差N。这种关联保存在于计算单元16，17的下游布置的其他计算单元19的存储器18(图1)中，该计算单元在测量气体成分的未知浓度时利用同相分量校正此时获得的同相测量结果Min，其通过应用所存储的关联由同样获得的正交分量MOTth。中确定。在图4中示出的简单的实例中，在测量校准的范畴中，确定圆的半径R= |N|并且在测量气体成分的未知浓度时，如下地校正此时获得的同相测量结果Min:
[0036]Min korr = Min ± (R2 - M2ortho)1/2
[0037]图5示出了在不同的温度区域Tl和T2、例如Tl = 45°C至49°C和Tl = _6°C至_2°C内的测量结果M的改变。在实际测量中，根据情况多个具有不同的温度相关性和温度敏感性的标准器起作用，从而由其引起的误差能在矢量图中以不同的速度转动。此外，振幅(矢量长度)由于强度的改变(温度的调整相关性)或者通过反射的改变(例如光学面的涂层)而改变。当附加其他的干扰影响、即不同于标准器的表现的干扰影响时，那么振幅也改变。此时，测量结果M(T1)，M(T2)由在矢量图中与温度相关的成直线地运动的分量MtMns—T1，Mtransj2和这种旋转地运动的MMt—T1，MMt—Τ2。
【权利要求】
1.一种用于借助气体分析仪测量测试气体(I)中的气体成分的浓度的方法，其中 为与波长相关地扫描所述气体成分的感兴趣的吸收谱线，波长能调谐的光源(3)的光(4)的波长在周期性依次连续的扫描区间之中变化，并且在此附加地利用频率(&)调制所述波长， 经过调制的所述光(4)引导穿过所述测试气体(I)至探测器(5)上， 在所述频率(fo)的谐波振荡(Iiftl)中解调由所述探测器(5)产生的测量信号(16)，并且 通过将额定曲线(19)拟合到解调的测量信号(13’)的变化曲线上产生测量结果， 其特征在于， 提供与所述额定曲线(19)正交函数(20)，并通过将所述正交函数(20)拟合到所述解调的测量信号(13’)的变化曲线上产生所述测量结果的正交分量(MOTth。) 为了测量校准，在已知的待测的所述气体成分的浓度中改变干扰参数并且在此测定误差(N)，所述误差由所获得的所述测量结果(Min)和额定测量结果(Sin)之间的差值的形式的同相分量(Nin)和所述正交分量(MOTth。)构成，其中还测定在所述误差(N)的所述同相分量(Nin)和所述误差的正交分量(MOTth。)之间的关联，并且 在测量所述气体成分的未知浓度时，利用同相分量校正在此所获得的所述测量结果(Min)，所述同向分量根据在所述测量校准时测定的所述关联由同样获得的所述正交分量(Mortho)来确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述测量校准时测定的所述关联测定为以在所述误差(N)的所述同相分量(Nin)、所述误差的正交分量(NOTth。)和所测量的或已知的所述干扰参数之间的函数关联的形式。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述气体分析仪的所述工作温度(T)作为干扰参数来变化。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在用于所述校准的所述测试气体中，干扰气体成分的所述浓度作为干扰参数来变化。
【文档编号】G01N21/3504GK104515746SQ201410523029
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2013年10月2日
【发明者】拉尔夫·比特, 托马斯·汉凯维奇, 克里斯托弗·沃尔夫冈·马夸特, 扬·奈格伦, 凯-乌韦·普莱班, 弗朗茨·施泰因巴赫尔 申请人:西门子公司