测量气体的气体组分的浓度的测量方法和气体分析仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的方法和根据权利要求7的前序部分所述的气体分析仪。
【背景技术】
[0002]这种类型的方法和激光光谱仪的形式的这种类型的装置同样由
[0003]D1:US 7 969 576 BI，
[0004]D2:R ? Eichholz等:“Frequency modulat1n spectroscopy with a THzquantum-cascade laser”，Optics Express 21(26)，32199(2013)，
[0005]D3:US 6 351 309 BI和
[0006]D4:H.C.Sun等:“combined wavelength and frequency modulat1nspectroscopy:a novel diagnostic tool for materials processing”，Applied Optics32(6) ,885-893(1993)所公开。
[0007]激光光谱仪尤其用于在过程测量技术中的光学气体分析。在此，激光二极管产生红外范围内的光线，其沿着在处理设备或者气体单元中的测量路径穿过过程气体(测量气体)引导并且接下来被检测。光线的波长与相应待测量的气体组分的特定的吸收谱线协调一致，其中激光二极管周期性地根据波长地扫描吸收谱线。为此，激光二极管在彼此跟随的扫描间隔中以斜坡形的或者三角形的电流信号(注入电流)控制。
[0008]在直接吸收光谱学(DAS)中，由检测器产生的测量信号直接被评估，其中待测量的气体组分的浓度直接地由在吸收谱线的位置处检测到的光线强度(吸收)的降低来确定。缺点是，该检测在极低的频率范围中实现，在该频率范围中气体分析仪的噪音(激光噪音，检测器噪音)以及来自测量路径的噪音(由涡流、颗粒引起)非常高。
[0009]为了避免该问题，用于激光二极管的注入电流附加地以预设的频率和振幅正弦地调制。在波长调制光谱学(WMS)中，该调制以这样的频率实现，该频率比吸收谱线的半值宽度(FWHM=full Width at Half Maximum)小很多，通常在kHz范围中。调制振幅相比斜坡形或三角形的电流信号要小，但是另一方面却如此大，即激光光线的所产生的光谱上的调制振幅大于吸收谱线的半值宽度(FWHM = full Width at Half Maximum)。因为吸收谱线的轮廓不是线性的，因此在测量信号中产生更高等级的谐波。该测量信号通常在第η次谐波时，优选在二次谐波时通过相位敏感的锁定技术解调并且对于每个扫描间隔评估成测量结果。由于很小的调制振幅，第η次谐波的检测与直接测量信号的第η次导数直接成正比。对于洛伦茨形的吸收谱线的理想情况来说，例如2f测量信号在调制指数为2.2时是最大的(调制指数是光谱上的调制振幅与被扫描的吸收谱线的半值宽度的比例)。进一步评估可以例如通过在理想的情况中期待的且借助近似模型分析性地描述的解调测量信号(额定曲线)的走向与其实际的走向(实际曲线)的拟合(Curve-Fitting)来实现。因为近似模型的参数中的一个与气体组分的浓度成比例，因此作为评估的结果、并进而作为测量结果获得待测量的气体组分的浓度。
[0010]在频率调制光谱学(FMS)的情况中，用于激光二极管的注入电流以非常高的频率来调制，该频率能与吸收谱线的半值宽度相类似或者大于该半值宽度并因此能够达到多个1MHz直至GHz的范围。HF调制在激光二极管的发射频率的两侧产生边带，其与发射频率以整数倍的调制频率间隔开。调制指数比在丽S时的情况中更小地并如此小地选择，即仅仅调制的激光光线的两个第一边带具有显著的振幅。利用该边带检查吸收谱线。如已经在WMS的情况中一样，FMS除了对波长的调制之外还导致对激光光线的强度的调制，其中，波长调制占主导地位并且振幅调制仅为测量信号作出很少的贡献。为FMS使用的激光二极管(例如铅盐激光器，量子级联激光器)因此必须在所谓的高频率时才能够进行波长调制并且检测器也必须具有极大的带宽。FM光谱仪的组件和构造因此非常昂贵和复杂。为了能够使用具有很小带宽的检测器，在双调FMS的情况中，激光二极管在两个紧密彼此相邻的高频中被调制，检测在拍频(Schwebungs-Frequenz)中实现。
[0011 ] DAS，丽S和FMS具有特定的优点和缺点。丽S和FMS尤其在测量较小的浓度时是有优点的，因为其能够良好地过滤出测量信号中的噪音。但是，在较高的浓度时，对于测量信号的评估来说重要的近似值越来越不精确，由此使得测量失误上升。FMS是非常昂贵和复杂的。在DAS中相反；由于较高的噪音敏感性，测量失误在较小的浓度时很高。但是因为不需要吸收谱线的近似描述，因此测量精度随着增加的浓度而变得更好，因为可用信号变得更强了。一旦在特别高的浓度时(吸收饱和时)该测量方法又变得不精确了。
[0012]由上述的US7 969 576 BI公开的方法或者气体分析仪以WMS为基础工作，其中除了测量信号的第η次谐波之外，还有其第一谐波，也就是调制的基础频率需要被评估，从而对测量结果进行标准化。
[0013]用于气体组分的浓度测量的指示和确定频率通过噪音被限制，该噪音与测量信号重叠并且主要由气体分析仪的噪音(激光器噪音，检测器噪音)以及测量路径的噪音(通过涡流，颗粒导致)组成。测量路径越长，吸收和获得的测量信号就越大。如果要测量较小的浓度，那么就需要足够长的测量路径。
【发明内容】
[0014]本发明的目的在于改善测量信号噪音比并且在相同的测量路径的情况下实现明显较低的指示限制。
[0015]根据本发明，该目的通过在权利要求1中限定的方法以及在权利要求7中给出的气体分析仪实现。
[0016]相应于本发明，激光二极管以这样的频率调制，其根据激光二极管的特性如此高地选择，即与WMS和FMS不同的是不发生对所产生的光线的波长调制。光线的波长通过激光二极管内部的温度调节和改变，其中，该内部的温度又能够通过激光器电流的损失功率和通过环境温度来调节或者改变。因此，波长调制可以仅仅以低的调制频率、最大在kHz范围中的调制频率实现。在较高的频率时，相反仅仅调制光线的强度，但是不调制其波长。因此在当前获得的V C S E激光器的情况中，该波长调制在几个M H z的频率时停止(J.C h e η等:“Experimental characterizat1n of the frequency modulat1n behav1r ofvertical cavity surface emitting lasers，，Applied Physics Letters 91,141105(2007))。
[0017]通过根据本发明的高频的(HF)调制，待评估的测量信号的基带被从通过气体分析仪和测量路径的噪音干扰的靠近DC的频率范围中复制到高频范围中，在该范围中这些干扰不再存在。在HF调制的频率中解调的测量信号因此获得与来自激光二极管的常规控制的、在不使用根据本发明的HF调制时产生的测量信号的情况中一样的分析信息(可用信息)，并进而不取决于，是否为了根据波长地扫描感兴趣的吸收谱线和为了基于直接吸收光谱学(DAS)评估信号的目的而仅仅实现电流的斜坡形或者三角形的变化或者附加地为了测量信号的WMS评估的目的实现电流NF调制。在HF调制的频率中解调的测量信号因此可以以如至今使用的测量信号相同的方式在其位置处或者对其进行补充地来评估。
[0018]在通过周期性地改变激光二极管的电流来对气体组分的