用于检测气体浓度的激光光谱仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种用于检测气体浓度的激光光谱仪。
【背景技术】
[0002] 在已知的光谱仪中（例如SICK股份公司的GM700)，激光二极管的光穿过被测气 体，然后被光电二极管检测到。激光二极管的波长被设定到与待确定的气体组分的吸收谱 线匹配。通过波长的调制/调谐来采样吸收谱线，并随后传输的信号（发送的信号与接收 到的信号之比）被光电二极管采集到。吸收谱线的大小提供了相应的信号估值，根据其可 计算出气体浓度。运种方法称之为可调二极管激光光谱法CTOL巧。运里所使用的激光二极 管发出的波长为窄线宽，从而能可靠地采样吸收谱线。激光二极管的壳体中安装了巧耳帖 元件和溫度传感器，其确保系统具有准确的溫度稳定性并因此确保系统具有精确的波长稳 定性。
[0003]为了校准和稳定波长而设置了参考池巧eferenzkilvette)，其被构造成被永久装 填的气体池或流动池，其中装有包含某种气体组分的已知试验气体，所述气体组分在待测 波长AO附近有吸收。借助所述参考池可W-直检测激光二极管的波长位置并将其校准， 即可W追踪到激光器的工作点。运可W自动进行，也可W手动进行。由此，激光光谱仪确定 在参考池中气体吸收线的位置并用该值再来调节由于老化效应所导致的、可能会缓慢改变 的激光波长。运种方法也称之为"线锁定化ine-Locking)"。
[0004] 此外理想的是，不仅能够将吸收波长AO的绝对位置识别出来并对其进行再调 节，而且还能够对可调谐的波长范围AA进行校准。
[0005] 为此US2013/0341502Al提出，设置填充有试验气体的参考池，所述参考池在可 调谐的波长范围必须有至少两个吸收，W便得到关于波长差的值并可用两点校准法来校准 波长范围AA。但运有多种缺点。一方面在可调谐的波长范围必须有两个吸收，但运种情 况并非总是可能的。另一方面必须为每种波长范围，即为每种气体使用一个单独的池或给 所述池填充新的气体。运会造成成本高昂而且可能会有泄漏问题。此外，两点校准法只有 两个控制点（Stiltzstellen)。
[0006] 基于现有技术，本实用新型的任务在于，提供一种经过改进的用来检测气体浓度 的激光光谱仪，该激光光谱仪使得能够更加简单且尽可能更好地进行校准。 【实用新型内容】
[0007] 此任务通过根据本实用新型所述的特征的激光光谱仪得W实现。
[0008] 根据本实用新型，设置用于检测气体浓度的激光光谱仪，所述激光光谱仪具有：
[0009]-激光器，其在一定宽度的波长范围内是可调谐的，
[0010] -测量体积，其中有待测气体，所述待测气体具有在波长范围中的待测吸收，
[0011] -第一光检测器，化及
[0012] -评估和控制单元，其用于控制激光器并对第一光检测器上检测到的光强度进行 评估并从而确定气体浓度，
[0013]-用于校准波长范围的宽度的装置，
[0014] 其特征在于，
[0015]-用于校准宽度的装置具有干设仪，并且
[0016]-至少一部分激光被引导通过所述装置且被第一光检测器或另一个光检测器检测 至山，化及
[0017]-评估和控制单元被设计成用于根据所生成的干扰信号推断出对波长范围的宽度 进行的校准。
[0018]通过如本实用新型所述的用于对波长范围的宽度AA，即对激光光谱仪的激光器 的调谐范围进行校准的装置，确保了持续监测并根据预期波长走势来控制激光器的波长变 化的走势，其中所述校准独立于参考池中的试验气体的吸收线并从而独立于所使用的光谱 范围，因为所述校准仅仅W干设信号为基础。
[0019] 干设装置可在没有试验气体时构造，运样一来还额外消除了气体池的所有问题 (密封、老化、表面吸附等等）。
[0020] 通过对在一定波长范围上的激光器调谐（即相对于激光电流来进行激光波长调 谐）的持续监测，一旦出现变化则可立即校准，W便延长光谱仪的可用性。如果变化特别大 则可立即关闭光谱仪，运样就确保了与安全相关的应用（SIL"安全完整性等级"设备）中 的故障安全停机。
[0021] 根据本实用新型所述的激光光谱仪本身独立校准激光器的老化过程并从而提高 测量的可用性，运是因为激光器的老化会被立即识别出来。早在光谱仪发生故障前就可更 换激光器，运会提高用户友好性和可靠性。
[0022] 本实用新型的优选应用领域是TDLS，从而使得激光器为二极管激光器并且有利地 在控制或调节电路中通过匹配激光二极管的驱动电流来校准波长范围的宽度。
[0023] 已知的是为了进行线锁定，即为了在波长范围始终有感兴趣的吸收，而设置有参 考气体池W校准在波长范围内的绝对值。
[0024] 然后有利的是，参考气体池本身可构成用于校准波长范围的装置，其中为了实现 此目的有利的是参考气体池具有平面平行的窗口，运些窗口构成干设仪。因此借助所述参 考池进行线锁定并生成干扰信号用于校准调谐范围（波长范围的宽度）。
[00巧]在校准装置的一个特别简单的结构中，所述装置被构造成标准具巧talon)并包 括简单的玻璃块。运种实施形式不需要维护。
[0026] 借助如本实用新型所述的激光光谱仪可实施用于操作激光光谱仪的方法，所述方 法包括W下步骤：
[0027] -通过可调谐激光器生成在一定宽度的波长范围内的激光束并在该波长范围的 宽度上调谐波长，
[0028]-引导激光通过装有待测气体的测量体积，所述待测气体具有在所述波长范围中 的待测吸收，
[002引-用第一光探测器检测激光，并且
[0030]-在评估和控制单元中评估检测到的光并从而确定气体浓度，
[0031]-校准波长范围的宽度，
[0032] 其特征在于，
[0033]-为了校准波长范围的宽度，至少一部分光被引导通过干设仪，并且
[0034]-检测在调谐时的所述一部分光，W及
[0035]-根据所生成的干扰信号推断出对所述波长范围的宽度进行的校准。
[0036] 借助参考气体池来确定所述波长范围内的至少一个波长的绝对值用于波长的绝 对测量（线锁定）。
[0037] 在所述方法的改进实施形式中，在对激光光谱仪工作运行进行记录之前要先记录 在所述波长范围的宽度上的预期干扰曲线。为了对所述波长范围上的激光器的调谐进行监 ，在工作运行时要切换到校准模式，在运种模式下比较实际干扰曲线和预期干扰曲线。从 比较结果得出校准值，运些校准值有利地用于调节被构造成二极管激光器的激光器的驱动 电流。
[0038] 也可将校准值用来校准待测气体的最终吸收光谱，即用来校准所述光谱的波长刻 度（WellenUi'ngenskalierun呂）。
[0039]如果波长范围与期望的波长范围有较大偏差AA，那么在W下情况输出错误信号 是有用的，例如波长范围经过一段时间移动得很远，使得吸收位于激光器可到达的波长范 围的边缘或者甚至超出该波长范围，而且所述吸收不再能完全被测定出来。
[0040] 当测得的吸收线的宽度因压力变化或杂质气体而发生巨大变化时也可有利地使 用本实用新型。运是因为对调谐范围的宽度进行匹配同样是有利的。通过精确测量激光器 的调谐，可通过激光电流对其进行调节，从而使得测得的吸收信号不受压力变化或杂质气 体量的影响占据在经过扫描的光谱范围中的最佳部分。
【附图说明】
[0041] 下面借助实施例并且参考附图来详细阐述本实用新型。图中显示：
[0042] 图1示出了第一实施形式中的如本实用新型所述的激光光谱仪；
[0043] 图2示出了激光二极管相对于时间变化的控制函数、驱动电流；
[0044] 图3示出了随时间推移或波长范围变化的检测器信号；
[0045] 图4示出了在所述波长范围中的吸收；
[0046] 图5示出了在所述波长范围内不同时间的吸收W阐述老化效应；
[0047] 图6示出了用于校准波长范围宽度的装置的干扰信号；
[0048] 图7示出了示例性的调谐曲线，其具有在波长范围的校准值；
[0049] 图8和图9示出了其它实施形