测量测量气的感兴趣的气体组分浓度的吸收光谱仪和方法

文档序号:9614866阅读:785来源:国知局
测量测量气的感兴趣的气体组分浓度的吸收光谱仪和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于测量测量气的感兴趣的气体组分的浓度的吸收光谱仪,具有
[0002] -波长可调谐的激光器,
[0003] -用于产生测量信号的探测器,
[0004] -处于激光器和探测器之间的光路中并且包含测量气的气体单元,
[0005] -用于改变激光器的注射流的控制部件,从而将光线的波长调谐到感兴趣的气体 组分的特定的吸收谱线上,以及
[0006] -用于评估测量信号和测定用于待测量的浓度的测量结果的评估部件。
[0007] 本发明还涉及一种用于测量测量气的感兴趣的气体组分的浓度的方法,其中,
[0008] -将激光器的光线的波长调制到感兴趣的气体组分的特定的吸收谱线上,
[0009] -将调制过的光线穿过包含测量气的多反射气体单元引导到探测器上,和
[0010] -对由探测器产生的、用于测定用于待测量的浓度的测量结果的测量信号进行评 估。
【背景技术】
[0011] 这种类型的吸收光谱仪或者方法例如由WO2012/109030A1公开。
[0012] 激光光谱仪被用于在例如过程测量技术中的光学气体分析。在此,激光、通常是激 光二极管产生红外范围中的光线,将其穿过待测量的测量气(过程气体)引导,并且接下来 被探测。光线的波长被谐调到相应地待测量的气体组分的特定的吸收谱线上,激光二极管 为此通常周期性地以斜坡形的或者三角形的电流信号进行驱控,从而以产生的光线周期性 地取决于波长地扫描该吸收谱线。
[0013] 在直接的吸收光谱学中,感兴趣的气体组分的浓度直接由在吸收谱线的位置处探 测到的光强的降低(吸收)确定。在波长调制光谱学中,在相对较慢地取决于波长地对吸 收谱线进行扫描时,附加地以在kHz区域中的高频率并且以较小的振幅对产生的光线的波 长进行正弦形地调制。因为吸收谱线的线型是非线性的,因此在探测器信号或测量信号中 产生较高等级的谐波。测量信号在这样的较高的谐波中、优选地在二次谐波中通过相位敏 感的锁定(Lock-in)技术解调,并且在相对于测量结果的每个扫描间隔都进行评估。该评 估例如通过在理想情况中解调的测量信号的期待的并且通过近似模型分析地描述的曲线 (额定曲线)与其实际的曲线(实际曲线)的配合(曲线拟合Curve-Fitting)实现。因为 近似模型的参数中的一个参数与气体组分的浓度成比例,因此获得作为评估的结果并进而 作为测量结果的待测量的气体组分的浓度。
[0014] 波长调制光谱学尤其在测量较低的浓度时是有优点的,因为其能够更好地过滤出 测量信号中的噪音。然而,在较高的浓度时,对于测量信号的评估来说必要的近似越来越不 精确,这提高了测量错误。相反,在吸收光谱学中,测量错误因为较高的噪音敏感度在较小 的浓度时更高。但是,因为吸收谱线的近似描述不是必要的,因此测量精度随着增加的浓度 而改善,这是因为有效信号也变强了。
[0015] 测量信号的数值相反于在从激光器至探测器的路径上的光线的吸收而成比例。在 特定的吸收谱线的位置处的吸收在其自身方面取决于光吸收基本定律(Lambert-Beer定 律)是单调的,其中多数测量任务以近似的方式与感兴趣的气体组分和在激光器和探测器 之间的光路的长度的乘积成比例。待测量的浓度越低,吸收路径就必要越长,从而获得足够 大的测量信号。在通常基于过程设备的结构条件进行的原位测量期间提供了长的吸收路径 (例如在燃烧设备中的烟囱)时,对于萃取测量来说(其中测量气穿过在激光器和探测器之 间的气体单元被引导)的要求在于,在小的空间上实现长吸收路径。这通常通过多反射气 体单元实现,例如像赫里奥特(Herriott)单元或者怀特(White)单元,在该单元中,光路长 度以及进而吸收路径通过光线在镜子之间的多次反射变长。然而,这样的气体单元的弱点 在于其在环境影响、如温度波动或者振动方面的敏感性。因此,几何参数、如激光器的入射 角或者镜子的角度和间距的相对小的变化都导致光路长度进而吸收路径的较大的变化,尤 其在由此改变反射的数量时。

【发明内容】

[0016] 因此,本发明的目的在于对由在吸收光谱仪中的光路长度的变化导致的对测量结 果的影响进行补偿。
[0017] 根据本发明,该目的通过在权利要求1,2,3或4中给出的吸收光谱仪和在权利要 求6, 7,8或9中给出的方法实现。
[0018] 根据本发明的吸收光谱仪或者方法的优选的改进方案在从属权利要求中给出。
[0019] 根据本发明的第一个方面,激光器的光线通过其注射流以在MHz区域中的至少一 个导频调制。测量信号对于导频相位敏感地进行评估。在此获得的相位信息与在校准吸收 光谱仪时获得的相位信息进行比较,并且根据两个相位信息的差校正测量结果。
[0020] 在测量信号中获得的、具有导频的信号分量的相位取决于光线从激光器至探测器 的渡越时间并进而取决于光学路径。由于在多反射气体单元中的多次反射的原因,鉴于在 气体单元和激光器或者探测器之间的较短的路径,吸收路径尽可能与光学路径相同。在MHz 区域中的导频对应于米级范围中的波长,从而使光路长度的改变能够可靠地通过相位信息 测定。
[0021] 由于干扰的原因,光路长度不仅仅能在彼此跟随的测量之间改变,也能在每个测 量周期内部进行改变。然而,因为光路长度的变化直接地并且同时与对吸收的测量一同检 测,因此检测到的光路长度的变化对于测量结果的校正而被平均。
[0022] 测量结果,也就是感兴趣的气体组分的浓度由在吸收谱线的位置处探测到的吸收 以及吸收路径的长度来确定。不受干扰和环境影响的吸收路径或者被公开,其可以被测量; 或者其隐含地在对吸收光谱仪进行校准时被测定,当在不同的已知的浓度值时,测量不同 的吸收值并且与所属的浓度值一同存储。
[0023] 在以多于一个的导频对激光光线进行调制并且相位敏感地评估测量信号时,相应 地获得多个相位信息,从而使得测量结果的校正更加精确或者稳固。
[0024] 根据本发明的第二个方面,激光器的光线通过其注射流以在MHz区域中的两个导 频交替地或者同时地调制。对包含在测量信号中的具有导频的信号分量分别相位敏感地进 行评估。两个信号分量的在此获得的相位信息的差与在校准吸收光谱仪时获得的相位信息 进行比较。根据两个差的比校正测量结果。
[0025] 两个导频的应用和获得的相位信息的差的评估具有优点,即在信号产生和信号评 估时发生的并且在两个频率时同样起作用的相位错误或者偏差相互取消。此外在于,如迟 些时候要描述的那样,对于选择合适频率值的较大的自由空间。
[0026] 根据本发明的第三个方面,激光器的光线同样以在MHz区域中的两个导频进行调 制,并且对包含在测量信号中的具有导频的信号分量分别相位敏感地进行评估。由两个信 号分量的在此获得的相位信息的差确定光路的长度,并且与在校准吸收光谱仪时获得的长 度或者光路的已知的长度进行比较。根据两个长度的比校正测量结果。
[0027] 在此优点在于,光路的瞬间(实际)长度通过获得的相位信息的差直接测定,从而 能够相关于已知的和通过校准确定的光路的额定长度来简单地对测量结果进行校正。
[0028] 根据本发明的第四个方面,激光器的光线再次以在MHz区域中的两个导频进行调 制,其中对包含在测量信号中的具有导频的信号分量分别相位敏感地进行评估。由两个信 号分量的在此获得的相位信息的差确定光路的长度,利用该长度由利用测量信号代表的吸 收直接地测定测量结果。
[0029] 在吸收减小的直接测量中,也就是在直接的吸收光谱学的情况中,基本上可能的 是,感兴趣的气体组分的正确的浓度直接从吸收中确定。因为光路的瞬间的长度通过获得 的相位信息的差直接测量,因此能够由此通过测量信号直接地确定用于待测量的浓度的测 量结果。
[0030] 在根据本发明的吸收光谱仪基于波长调制光谱学运行时,导频或者导频中的一个 能够以优选的方式作为调制频率使用,其中,测量信号以自身已知的
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