用于在测量气体中测量气体成分浓度的方法
【专利摘要】为了测量气体成分浓度，在透射测量气体后检测能调节波长的激光二极管的光强且根据光强的降低确定气体成分的浓度，由于在气体成分的选择的吸收曲线的位置处吸收光线使得光强降低。为了根据波长探测吸收曲线，相应于预定的电流时间函数周期地控制激光二极管。其利用猝发脉冲信号来控制，利用在猝发脉冲信号的位置处检测的强度使在吸收曲线的位置处检测的光强标准化。为了直接补偿在测量中的光强的这种由时效或其他条件决定的变化的影响，设定猝发脉冲信号的电流强度，以便其相应于在选择的吸收曲线的位置处的电流时间函数的电流值。波长通过激光二极管比强度更慢地对电流反应，以便基于猝发脉冲信号的产生的光束的波长不处于吸收曲线的波长区域内。
【专利说明】用于在测量气体中测量气体成分浓度的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于在测量气体中测量气体成分浓度的方法，其中能调节波长的激光二极管的光束的光强度在透射测量气体之后被检测并且根据光强度的降低来确定气体成分的浓度，由于在气体成分的选择的吸收曲线的位置处吸收光束使得光强度降低，其中相应于预定的电流时间函数周期地控制激光二极管，以便取决于波长地探测气体成分的吸收曲线，利用猝发脉冲信号规律地控制激光二极管，并且利用在猝发脉冲信号的位置处检测的光强度使在吸收曲线的位置处检测的光束的光强度标准化。
【背景技术】
[0002]由EP 2 072 979 Al已知了一种这样的方法。
[0003]在透射测量气体时光束的较少部分被测量气体的红外活性气体成分取决于波长地吸收。附加地通过在光路上的光学元件、例如光学窗口以及通过微粒状物质、例如烟微粒进行不取决于波长的吸收。为此需要使测量标准化，以便消除由于不取决于波长的吸收而被干扰部分影响的测量。对此例如根据每个电流时间函数规律地产生猝发脉冲信号，在该猝发脉冲信号中电流多次在零与最大值之间转换。猝发脉冲信号的电流强度、即其最大值区别于电流时间函数的电流值地被选择，由此在猝发脉冲信号的位置处产生的光束的波长处于测量气体的待测量的和其他的红外活性气体成分的吸收曲线的波长范围之外。通过除法利用在猝发脉冲信号的位置处检测的光强度使在吸收曲线的位置处检测的光强度标准化。
[0004]在已知的方法中可以附加地利用另一个猝发脉冲信号控制激光二极管，该另一个猝发脉冲信号的电流强度区别于前述的猝发脉冲信号的电流强度。这样实现了关于用于控制激光二极管的电流来测量产生的光束的光强度的由时效条件决定(alterungsbedingte)的变化。
[0005]为了能直接抵消产生的光束的光强度的这种由时效或其他条件决定的变化对测量的影响，具有文件号102011080086.7的先前的德国专利申请的内容是一种方法，在该方法中激光二极管规律地利用至少两个不同的猝发脉冲信号来控制。根据猝发脉冲信号的电流强度和在该猝发脉冲信号的位置处检测的光强度，通过插值法在吸收曲线的位置处计算对于电流值的光强度值并且利用这个计算出的强度值使在该处检测的光强度标准化。
【发明内容】
[0006]不同于公示的现有技术，根据本发明在开头所述方式的这种方法中选择猝发脉冲信号的电流强度，以使得该电流强度在所选择的吸收曲线的位置处相应于电流时间函数的电流值。
[0007]产生的光束的光强度非常迅速地对激光二极管的控制作出反应，以使得该光强度实际上能直接遵循电流时间函数的变化曲线和猝发脉冲信号的变化曲线。至此其对于波长也被采用。然而要考虑的是，波长对经过激光二极管的电流的反应明显比对产生的光束的光强度的反应要缓慢。当波长还继续能够直接遵循典型的斜坡形或三角形电流时间函数的变化曲线时，在更加动态的猝发脉冲信号的位置处设定另一个波长，例如在利用相同的电流强度静态地控制激光二极管时得出该另一个波长。由此可能的是，在待探测的吸收曲线的位置处设置与用于电流时间函数相同的用于猝发脉冲信号的电流值，而不是使在猝发脉冲信号的位置处产生的光束的波长处于吸收曲线的波长范围内。由此利用由激光二极管产生的光束的光强度在吸收曲线的位置处准确地实现了标准化，以使得产生的光束的光强度的由时效条件决定的变化不再具有对测量的干扰作用。
[0008]为了可以监控产生的光束根据电流变化而出现的光强度变化以及由此激光二极管的控制灵敏性，能够可选择地利用另一个猝发脉冲信号规律地控制激光二极管，该另一个猝发脉冲信号的电流强度区别于前述猝发脉冲信号的电流强度。这个另外的猝发脉冲信号能够以有利的方式被用于另一种气体成分的另一个吸收曲线的测量标准化。为此相应于预定的另一个电流时间函数周期地控制激光二极管，以便取决于波长地探测该另一个吸收曲线。这样选择该另一个猝发脉冲信号的电流强度，即该电流强度在该另一个吸收曲线的位置处相应于该另一个电流时间函数的电流值。由此准确地利用由激光二极管产生的光束的光强度在另一个吸收曲线的位置处实现标准化，以便产生的光束的光强度的由时效条件决定的变化不具有对测量的干扰作用。
[0009]例如由DE 102011079342 B3已知的是，在每个控制周期中利用两个不同的连续的电流时间函数控制激光二极管，以便探测待测量的气体成分的吸收曲线并且同时探测参考气体的吸收曲线。接着可以通过参考气体的吸收曲线的位置这样调节激光二极管的温度，即吸收曲线一直处在相同的位置处，优选地处于相关的电流时间函数的中间处。相应于本发明可以根据待测量的气体成分的种类、例如氧气或一氧化碳要么利用这一个电流时间函数要么利用另一个电流时间函数探测其吸收曲线；此外利用相应另外的电流时间函数探测分别使用的参考气体的吸收曲线。接着利用猝发脉冲信号使具有电流时间函数的气体成分的测量标准化并且利用另一过猝发脉冲信号使具有另一个电流时间函数的测量标准化。
[0010]由前述的DE 102011079342 B3已知的是，在由一个周期向下一个周期进行的、电流时间函数的改变中改善激光二极管的波长稳定性，这样根据改变的电流时间函数能直接插入时间段，在该时间段内补偿随电流时间函数改变出现的传输到激光二极管的电流量的改变。在本发明的范围内同样可以在电流时间函数和/或猝发脉冲信号之前或之后插入时间段，然而在此该时间段具有其他的目的。如前面已经说明地产生的光束的波长相对缓慢地对激光二极管的动态控制作出反应。当在时间段内利用恒定的电流控制激光二极管时，该电流值相应于相应紧接着的电流时间函数的或紧接着的猝发脉冲信号的初始值，这样防止了对在时间段前实现的动态控制(例如猝发脉冲信号)的波长的延迟反应能直接影响紧接着的动态控制(例如电流时间函数)并且可以干扰该紧接着的动态控制。在动态控制与静态控制之间的波长偏差取决于激光二极管的类型(例如分布式反馈激光器(DFB)、垂直腔面发射激光器(VCSEL))及其运行参数(例如电流、温度、定时);这也可以期望在相同构造的激光二极管的各个实例之间的区别。通过对在各个猝发脉冲信号与电流时间函数之间的时间段的适当的参数化可以对于每个激光二极管设定适当的工作点。
【专利附图】
【附图说明】[0011]此外根据实例参照附图详细说明本发明；附图详细示出
[0012]图1是用于进行根据本发明的方法的激光光谱仪的示意图，
[0013]图2是用于取决于波长地探测吸收曲线的实例，
[0014]图3是相应于根据本发明的方法在控制周期内产生的光束的波长和光强度的变化曲线。
[0015]图4是相应于根据本发明的方法使测量标准化的实例以及
[0016]图5是通常的使测量标准化的实例。
【具体实施方式】
[0017]图1示出用于对测量气体I的至少一个所关注的气体成分的浓度进行测量的激光光谱仪，该测量气体包括在测量容积2内、在此例如流过过程气体管道。激光光谱仪包括激光二极管3，该激光二极管的光束通过测量气体I以及必要时通过布置在后面的、以参考气体填充的参考气体器皿射到探测器6上。激光二极管3由可控的电流源7以注入电流i来控制，其中光强度Iifct和产生的光束4的波长λ取决于电流i和激光二极管3运行温度。电流源7由第一信号发生器8周期地以预定的、优选地斜坡形的电流时间函数9来控制，从而利用相应调制的光束4取决于波长地探测测量气体I的所关注的气体成分的选择的吸收曲线。第二信号发生器10产生频率f的正弦曲线的信号11，利用该信号在求和环节12中调制斜坡形的电流时间函数9。此外第一信号发生器8规律地、例如以每个周期地产生猝发脉冲信号13。在透射测量气体I 时由激光二极管3产生的光束的较少部分被测量气体I的红外活性气体成分的取决于波长地吸收。附加地通过在光路中的光学元件、例如光学窗口以及通过微粒状物质、例如烟微粒进行不取决于波长的吸收。
[0018]图2示例性地示出在测量气体I的气体成分的选择的吸收曲线14的区域内取决于波长的吸收(光强度I的降低)。基于吸收曲线14的非线性由利用频率为f的信号11对激光二极管3的电流i进行调制产生了具有或多或少强度的谐波失真的光强度I的相应变化。在吸收曲线14的中间处的极限位置(吸收最大值)处具有频率2f的第一谐波占主导地位。在波长区域内相反在吸收曲线14的中间处以外第一谐波的部分在光束4的光强度上强烈下降。为此通过在由探测器6根据检测的光强度I产生的检测信号15中分析2f信号部分来测定在吸收曲线14的中间处(中间波长λ 0)进行的吸收。
[0019]如图1所示，信号处理装置16布置在探测器6的下游，首先在该信号处理装置中频率选择地放大检测信号15的2f信号部分并且接着进一步相位灵敏地(锁相放大器(lock-1n))处理成输出信号I2f，该输出信号相应于在吸收曲线14的位置处检测的光强度。在另一个信号处理装置17中直接放大检测信号15的由猝发脉冲信号13产生的信号部分，从而获得相应于在猝发脉冲信号13的位置处检测的光强度的输出信号如下还说明了，即设定脉冲信号13的电流强度，以使得该电流强度在选择的吸收曲线14的位置处对应于电流时间函数9的电流值为此在猝发脉冲信号13的位置处测量的强度I#.#对应于光强度，在不存在吸收曲线时在吸收曲线14的位置处测量该光强度。利用这个强度值I 在标准化阶段18中使在存在吸收曲线14时在吸收曲线14的位置处检测的光强度I2f标准化。在用于测定测量气体I的所关注的气体成分的浓度的、紧接着的分析装置19中分析这个这样标准化的光强度I2f ?O[0020]图3示出一个用于在根据本发明控制激光二极管3时利用电流i产生光强度Ia
1、检测的光强度I以及波长λ的实例。周期地实现这种控制，其中每个控制周期包括用于探测吸收曲线14的已经说明的斜坡形的电流时间函数9和由矩形电流脉冲构成的猝发脉冲信号13以及用于探测在参考气体器皿5中的参考气体的吸收曲线21的另一个电流时间函数20和另一个猝发脉冲信号22。产生的光束4的光强度I 和波长λ取决于激光二极管3的电流i和运行温度。在此光强度Ifct继续地能直接遵循电流时间函数9，20的和猝发脉冲信号13，22的变化曲线、即电流的变化曲线。在检测的光强度I的变化曲线中附加地看出测量气体和参考气体的吸收曲线14，21。激光二极管3的运行温度可以通过参考气体的吸收曲线21的位置这样来调节，即参考气体的吸收曲线21 —直位于电流时间函数20的中间处并且由此待测量的气体成分的吸收曲线14的位置也位于电流时间函数9的中间处。
[0021]不同于光强度I波长λ非常缓慢地对电流i作出反应。当波长λ还继续地能够直接遵循电流时间函数9，20时，在更加动态的猝发脉冲信号13，22的位置处设定另一个波长，例如在利用同样有效的电流强度静态地控制激光二极管时得出该另一个波长。虽然猝发脉冲信号13在吸收曲线14的位置处具有与电流时间函数9 一样的电流值(最大值)，在猝发脉冲信号13的位置处设定波长λ的数值，该数值处于吸收曲线的探测范围或波长范围以外。为此在猝发脉冲信号13的位置处测量的光强度I相应于这个强度，在不存在吸收曲线时在吸收曲线14的位置处测量该强度。
[0022]图4分别以虚线和实线示出在控制周期中产生的光束4的标准化的光强度I.的两个不同的变化曲线。不同的变化曲线以此为基础，在相同的电流1、即光效率下降低光强度Ifct。此外如图4所示，借助猝发脉冲信号13准确地利用由激光二极管3在吸收曲线14的位置处产生的光束的光强度实现使测量标准化。为此由时效或其他条件决定的、光束的光强度的改变不具有对测量的干扰作用。
[0023]图5为了比较示出通常利用猝发脉冲信号13’使测量标准化的实例，区别于电流时间函数9的电流值来选择该猝发脉冲信号的电流强度，由此在猝发脉冲信号13’的位置处产生的光束的波长处于待测量的气体成分的吸收曲线14的波长范围以外。这种通常的标准化是不充分的，因为在吸收曲线14的位置处的强度水平、即在不存在吸收曲线14时的光强度对于两个以虚线和实线示出的强度变化曲线而言是不同的。
[0024]因为产生的光束4的波长λ相对缓慢地对激光二极管3的动态控制作出反应，波长λ的延迟作用能够至少在开始时例如在另外的猝发脉冲信号22上使由紧接着的电流时间函数20要产生的波长变化曲线受到消极影响。出于这种原因，如图3所示，分别以恒定的电流控制在时间段23，24，25内的激光二极管3，在连续的不同的动态控制(电流时间函数，猝发脉冲信号)之间插入该时间段，该电流的数值相应于各个接着的动态控制的初始值。此外可以有利的是，当波长λ近似于稳定的数值时，才对于相应的猝发脉冲信号13，22的终点测定光强度
[0025]当基于测量气体的组成得出在根据发明产生的猝发脉冲信号的波长范围内的吸收曲线，替换地能够以已知的方式产生两个不同的猝发脉冲信号，该猝发脉冲信号的电流强度在一种情况下大于电流时间函数的电流值并且在另一种情况下小于电流时间函数的电流值。一种方法是在开头所述的具有文件号102011080086.7的先前的德国专利申请的内容，按照这种方法根据猝发脉冲信号的电流强度和在其位置处检测的光强度，通过插值法在待测量的吸收曲线的位置处计算对于电流值的光强度，并且利用这个计算的强度值使在该处检测的光强度标准化。
【权利要求】
1.一种用于在测量气体(I)中测量气体成分浓度的方法，其中能调节波长的激光二极管(3)的光束(4)的光强度(I)在透射所述测量气体(I)之后被检测并且根据所述光强度(I)的降低来确定所述气体成分的浓度，由于在所述气体成分的选择的吸收曲线(14)的位置处吸收所述光束(4)使得所述光强度降低，其中相应于预定的电流时间函数(9)周期地控制所述激光二极管(3)，以便取决于波长地探测所述气体成分的所述吸收曲线(14)，利用猝发脉冲信号(13)规律地控制所述激光二极管(3)，并且利用在所述猝发脉冲信号(13)的位置处检测的强度使在所述吸收曲线(14)的位置处检测的所述光强度(I)标准化，其特征在于，所述猝发脉冲信号(13)的电流强度相应于在选择的所述吸收曲线(14)的位置处的所述电流时间函数(9)的电流值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用另一个猝发脉冲信号(22)规律地控制所述激光二极管(3)，所述另一个猝发脉冲信号的电流强度区别于所述猝发脉冲信号(13)的电流强度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，相应于预定的另一个电流时间函数(20)周期地控制所述激光二极管(3)，以便取决于波长地探测另一种气体成分的另一个吸收曲线(21)，所述另一个猝发脉冲信号(22)的所述电流强度相应于在所述另一个吸收曲线(21)的位置处的所述另一个电流时间函数(20)的所述电流值，以及利用在所述另一个猝发脉冲信号(22)的所述位置处检测的强度使在所述另一个吸收曲线(21)的所述位置处检测的所述光强度(I)标准化。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在预定的时间段(24)内在所述电流时间函数(9)和/或所述猝发脉冲信号(13)之前利用恒定的电流控制所述激光二极管(3)，所述电流的数值相应于所述电流时间函数(9)的或所述猝发脉冲信号(13)的初始值。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在预定的时间段(23)内在所述另一个电流时间函数(20)和/或所述另一个猝发脉冲信号(22)之前利用恒定的电流控制所述激光二极管(3)，所述电流的数值相应于所述另一个电流时间函数(20)或所述另一个猝发脉冲信号(22)的初始值。
【文档编号】G01N21/31GK103969200SQ201410040372
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月27日 优先权日:2013年1月30日
【发明者】托马斯·汉凯维奇, 克里斯托弗·沃尔夫冈·马夸特, 弗朗茨·施泰因巴赫尔 申请人:西门子公司