用于在測量氣體中測量氣體成分濃度的方法
【專利摘要】為了測量氣體成分濃度，在透射測量氣體后檢測能調(diào)節(jié)波長的激光二極管的光強且根據(jù)光強的降低確定氣體成分的濃度，由于在氣體成分的選擇的吸收曲線的位置處吸收光線使得光強降低。為了根據(jù)波長探測吸收曲線，相應于預定的電流時間函數(shù)周期地控制激光二極管。其利用猝發(fā)脈沖信號來控制，利用在猝發(fā)脈沖信號的位置處檢測的強度使在吸收曲線的位置處檢測的光強標準化。為了直接補償在測量中的光強的這種由時效或其他條件決定的變化的影響，設定猝發(fā)脈沖信號的電流強度，以便其相應于在選擇的吸收曲線的位置處的電流時間函數(shù)的電流值。波長通過激光二極管比強度更慢地對電流反應，以便基于猝發(fā)脈沖信號的產(chǎn)生的光束的波長不處于吸收曲線的波長區(qū)域內(nèi)。
【專利說明】用于在測量氣體中測量氣體成分濃度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于在測量氣體中測量氣體成分濃度的方法，其中能調(diào)節(jié)波長的激光二極管的光束的光強度在透射測量氣體之后被檢測并且根據(jù)光強度的降低來確定氣體成分的濃度，由于在氣體成分的選擇的吸收曲線的位置處吸收光束使得光強度降低，其中相應于預定的電流時間函數(shù)周期地控制激光二極管，以便取決于波長地探測氣體成分的吸收曲線，利用猝發(fā)脈沖信號規(guī)律地控制激光二極管，并且利用在猝發(fā)脈沖信號的位置處檢測的光強度使在吸收曲線的位置處檢測的光束的光強度標準化。
【背景技術(shù)】
[0002]由EP 2 072 979 Al已知了一種這樣的方法。
[0003]在透射測量氣體時光束的較少部分被測量氣體的紅外活性氣體成分取決于波長地吸收。附加地通過在光路上的光學元件、例如光學窗口以及通過微粒狀物質(zhì)、例如煙微粒進行不取決于波長的吸收。為此需要使測量標準化，以便消除由于不取決于波長的吸收而被干擾部分影響的測量。對此例如根據(jù)每個電流時間函數(shù)規(guī)律地產(chǎn)生猝發(fā)脈沖信號，在該猝發(fā)脈沖信號中電流多次在零與最大值之間轉(zhuǎn)換。猝發(fā)脈沖信號的電流強度、即其最大值區(qū)別于電流時間函數(shù)的電流值地被選擇，由此在猝發(fā)脈沖信號的位置處產(chǎn)生的光束的波長處于測量氣體的待測量的和其他的紅外活性氣體成分的吸收曲線的波長范圍之外。通過除法利用在猝發(fā)脈沖信號的位置處檢測的光強度使在吸收曲線的位置處檢測的光強度標準化。
[0004]在已知的方法中可以附加地利用另一個猝發(fā)脈沖信號控制激光二極管，該另一個猝發(fā)脈沖信號的電流強度區(qū)別于前述的猝發(fā)脈沖信號的電流強度。這樣實現(xiàn)了關(guān)于用于控制激光二極管的電流來測量產(chǎn)生的光束的光強度的由時效條件決定(alterungsbedingte)的變化。
[0005]為了能直接抵消產(chǎn)生的光束的光強度的這種由時效或其他條件決定的變化對測量的影響，具有文件號102011080086.7的先前的德國專利申請的內(nèi)容是一種方法，在該方法中激光二極管規(guī)律地利用至少兩個不同的猝發(fā)脈沖信號來控制。根據(jù)猝發(fā)脈沖信號的電流強度和在該猝發(fā)脈沖信號的位置處檢測的光強度，通過插值法在吸收曲線的位置處計算對于電流值的光強度值并且利用這個計算出的強度值使在該處檢測的光強度標準化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]不同于公示的現(xiàn)有技術(shù)，根據(jù)本發(fā)明在開頭所述方式的這種方法中選擇猝發(fā)脈沖信號的電流強度，以使得該電流強度在所選擇的吸收曲線的位置處相應于電流時間函數(shù)的電流值。
[0007]產(chǎn)生的光束的光強度非常迅速地對激光二極管的控制作出反應，以使得該光強度實際上能直接遵循電流時間函數(shù)的變化曲線和猝發(fā)脈沖信號的變化曲線。至此其對于波長也被采用。然而要考慮的是，波長對經(jīng)過激光二極管的電流的反應明顯比對產(chǎn)生的光束的光強度的反應要緩慢。當波長還繼續(xù)能夠直接遵循典型的斜坡形或三角形電流時間函數(shù)的變化曲線時，在更加動態(tài)的猝發(fā)脈沖信號的位置處設定另一個波長，例如在利用相同的電流強度靜態(tài)地控制激光二極管時得出該另一個波長。由此可能的是，在待探測的吸收曲線的位置處設置與用于電流時間函數(shù)相同的用于猝發(fā)脈沖信號的電流值，而不是使在猝發(fā)脈沖信號的位置處產(chǎn)生的光束的波長處于吸收曲線的波長范圍內(nèi)。由此利用由激光二極管產(chǎn)生的光束的光強度在吸收曲線的位置處準確地實現(xiàn)了標準化，以使得產(chǎn)生的光束的光強度的由時效條件決定的變化不再具有對測量的干擾作用。
[0008]為了可以監(jiān)控產(chǎn)生的光束根據(jù)電流變化而出現(xiàn)的光強度變化以及由此激光二極管的控制靈敏性，能夠可選擇地利用另一個猝發(fā)脈沖信號規(guī)律地控制激光二極管，該另一個猝發(fā)脈沖信號的電流強度區(qū)別于前述猝發(fā)脈沖信號的電流強度。這個另外的猝發(fā)脈沖信號能夠以有利的方式被用于另一種氣體成分的另一個吸收曲線的測量標準化。為此相應于預定的另一個電流時間函數(shù)周期地控制激光二極管，以便取決于波長地探測該另一個吸收曲線。這樣選擇該另一個猝發(fā)脈沖信號的電流強度，即該電流強度在該另一個吸收曲線的位置處相應于該另一個電流時間函數(shù)的電流值。由此準確地利用由激光二極管產(chǎn)生的光束的光強度在另一個吸收曲線的位置處實現(xiàn)標準化，以便產(chǎn)生的光束的光強度的由時效條件決定的變化不具有對測量的干擾作用。
[0009]例如由DE 102011079342 B3已知的是，在每個控制周期中利用兩個不同的連續(xù)的電流時間函數(shù)控制激光二極管，以便探測待測量的氣體成分的吸收曲線并且同時探測參考氣體的吸收曲線。接著可以通過參考氣體的吸收曲線的位置這樣調(diào)節(jié)激光二極管的溫度，即吸收曲線一直處在相同的位置處，優(yōu)選地處于相關(guān)的電流時間函數(shù)的中間處。相應于本發(fā)明可以根據(jù)待測量的氣體成分的種類、例如氧氣或一氧化碳要么利用這一個電流時間函數(shù)要么利用另一個電流時間函數(shù)探測其吸收曲線；此外利用相應另外的電流時間函數(shù)探測分別使用的參考氣體的吸收曲線。接著利用猝發(fā)脈沖信號使具有電流時間函數(shù)的氣體成分的測量標準化并且利用另一過猝發(fā)脈沖信號使具有另一個電流時間函數(shù)的測量標準化。
[0010]由前述的DE 102011079342 B3已知的是，在由一個周期向下一個周期進行的、電流時間函數(shù)的改變中改善激光二極管的波長穩(wěn)定性，這樣根據(jù)改變的電流時間函數(shù)能直接插入時間段，在該時間段內(nèi)補償隨電流時間函數(shù)改變出現(xiàn)的傳輸?shù)郊す舛O管的電流量的改變。在本發(fā)明的范圍內(nèi)同樣可以在電流時間函數(shù)和/或猝發(fā)脈沖信號之前或之后插入時間段，然而在此該時間段具有其他的目的。如前面已經(jīng)說明地產(chǎn)生的光束的波長相對緩慢地對激光二極管的動態(tài)控制作出反應。當在時間段內(nèi)利用恒定的電流控制激光二極管時，該電流值相應于相應緊接著的電流時間函數(shù)的或緊接著的猝發(fā)脈沖信號的初始值，這樣防止了對在時間段前實現(xiàn)的動態(tài)控制(例如猝發(fā)脈沖信號)的波長的延遲反應能直接影響緊接著的動態(tài)控制(例如電流時間函數(shù))并且可以干擾該緊接著的動態(tài)控制。在動態(tài)控制與靜態(tài)控制之間的波長偏差取決于激光二極管的類型(例如分布式反饋激光器(DFB)、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL))及其運行參數(shù)(例如電流、溫度、定時);這也可以期望在相同構(gòu)造的激光二極管的各個實例之間的區(qū)別。通過對在各個猝發(fā)脈沖信號與電流時間函數(shù)之間的時間段的適當?shù)膮?shù)化可以對于每個激光二極管設定適當?shù)墓ぷ鼽c。
【專利附圖】

【附圖說明】[0011]此外根據(jù)實例參照附圖詳細說明本發(fā)明；附圖詳細示出
[0012]圖1是用于進行根據(jù)本發(fā)明的方法的激光光譜儀的示意圖，
[0013]圖2是用于取決于波長地探測吸收曲線的實例，
[0014]圖3是相應于根據(jù)本發(fā)明的方法在控制周期內(nèi)產(chǎn)生的光束的波長和光強度的變化曲線。
[0015]圖4是相應于根據(jù)本發(fā)明的方法使測量標準化的實例以及
[0016]圖5是通常的使測量標準化的實例。
【具體實施方式】
[0017]圖1示出用于對測量氣體I的至少一個所關(guān)注的氣體成分的濃度進行測量的激光光譜儀，該測量氣體包括在測量容積2內(nèi)、在此例如流過過程氣體管道。激光光譜儀包括激光二極管3，該激光二極管的光束通過測量氣體I以及必要時通過布置在后面的、以參考氣體填充的參考氣體器皿射到探測器6上。激光二極管3由可控的電流源7以注入電流i來控制，其中光強度Iifct和產(chǎn)生的光束4的波長λ取決于電流i和激光二極管3運行溫度。電流源7由第一信號發(fā)生器8周期地以預定的、優(yōu)選地斜坡形的電流時間函數(shù)9來控制，從而利用相應調(diào)制的光束4取決于波長地探測測量氣體I的所關(guān)注的氣體成分的選擇的吸收曲線。第二信號發(fā)生器10產(chǎn)生頻率f的正弦曲線的信號11，利用該信號在求和環(huán)節(jié)12中調(diào)制斜坡形的電流時間函數(shù)9。此外第一信號發(fā)生器8規(guī)律地、例如以每個周期地產(chǎn)生猝發(fā)脈沖信號13。在透射測量氣體I 時由激光二極管3產(chǎn)生的光束的較少部分被測量氣體I的紅外活性氣體成分的取決于波長地吸收。附加地通過在光路中的光學元件、例如光學窗口以及通過微粒狀物質(zhì)、例如煙微粒進行不取決于波長的吸收。
[0018]圖2示例性地示出在測量氣體I的氣體成分的選擇的吸收曲線14的區(qū)域內(nèi)取決于波長的吸收(光強度I的降低)?；谖涨€14的非線性由利用頻率為f的信號11對激光二極管3的電流i進行調(diào)制產(chǎn)生了具有或多或少強度的諧波失真的光強度I的相應變化。在吸收曲線14的中間處的極限位置(吸收最大值)處具有頻率2f的第一諧波占主導地位。在波長區(qū)域內(nèi)相反在吸收曲線14的中間處以外第一諧波的部分在光束4的光強度上強烈下降。為此通過在由探測器6根據(jù)檢測的光強度I產(chǎn)生的檢測信號15中分析2f信號部分來測定在吸收曲線14的中間處(中間波長λ 0)進行的吸收。
[0019]如圖1所示，信號處理裝置16布置在探測器6的下游，首先在該信號處理裝置中頻率選擇地放大檢測信號15的2f信號部分并且接著進一步相位靈敏地(鎖相放大器(lock-1n))處理成輸出信號I2f，該輸出信號相應于在吸收曲線14的位置處檢測的光強度。在另一個信號處理裝置17中直接放大檢測信號15的由猝發(fā)脈沖信號13產(chǎn)生的信號部分，從而獲得相應于在猝發(fā)脈沖信號13的位置處檢測的光強度的輸出信號如下還說明了，即設定脈沖信號13的電流強度，以使得該電流強度在選擇的吸收曲線14的位置處對應于電流時間函數(shù)9的電流值為此在猝發(fā)脈沖信號13的位置處測量的強度I#.#對應于光強度，在不存在吸收曲線時在吸收曲線14的位置處測量該光強度。利用這個強度值I 在標準化階段18中使在存在吸收曲線14時在吸收曲線14的位置處檢測的光強度I2f標準化。在用于測定測量氣體I的所關(guān)注的氣體成分的濃度的、緊接著的分析裝置19中分析這個這樣標準化的光強度I2f ?O[0020]圖3示出一個用于在根據(jù)本發(fā)明控制激光二極管3時利用電流i產(chǎn)生光強度Ia
1、檢測的光強度I以及波長λ的實例。周期地實現(xiàn)這種控制，其中每個控制周期包括用于探測吸收曲線14的已經(jīng)說明的斜坡形的電流時間函數(shù)9和由矩形電流脈沖構(gòu)成的猝發(fā)脈沖信號13以及用于探測在參考氣體器皿5中的參考氣體的吸收曲線21的另一個電流時間函數(shù)20和另一個猝發(fā)脈沖信號22。產(chǎn)生的光束4的光強度I 和波長λ取決于激光二極管3的電流i和運行溫度。在此光強度Ifct繼續(xù)地能直接遵循電流時間函數(shù)9，20的和猝發(fā)脈沖信號13，22的變化曲線、即電流的變化曲線。在檢測的光強度I的變化曲線中附加地看出測量氣體和參考氣體的吸收曲線14，21。激光二極管3的運行溫度可以通過參考氣體的吸收曲線21的位置這樣來調(diào)節(jié)，即參考氣體的吸收曲線21 —直位于電流時間函數(shù)20的中間處并且由此待測量的氣體成分的吸收曲線14的位置也位于電流時間函數(shù)9的中間處。
[0021]不同于光強度I波長λ非常緩慢地對電流i作出反應。當波長λ還繼續(xù)地能夠直接遵循電流時間函數(shù)9，20時，在更加動態(tài)的猝發(fā)脈沖信號13，22的位置處設定另一個波長，例如在利用同樣有效的電流強度靜態(tài)地控制激光二極管時得出該另一個波長。雖然猝發(fā)脈沖信號13在吸收曲線14的位置處具有與電流時間函數(shù)9 一樣的電流值(最大值)，在猝發(fā)脈沖信號13的位置處設定波長λ的數(shù)值，該數(shù)值處于吸收曲線的探測范圍或波長范圍以外。為此在猝發(fā)脈沖信號13的位置處測量的光強度I相應于這個強度，在不存在吸收曲線時在吸收曲線14的位置處測量該強度。
[0022]圖4分別以虛線和實線示出在控制周期中產(chǎn)生的光束4的標準化的光強度I.的兩個不同的變化曲線。不同的變化曲線以此為基礎(chǔ)，在相同的電流1、即光效率下降低光強度Ifct。此外如圖4所示，借助猝發(fā)脈沖信號13準確地利用由激光二極管3在吸收曲線14的位置處產(chǎn)生的光束的光強度實現(xiàn)使測量標準化。為此由時效或其他條件決定的、光束的光強度的改變不具有對測量的干擾作用。
[0023]圖5為了比較示出通常利用猝發(fā)脈沖信號13’使測量標準化的實例，區(qū)別于電流時間函數(shù)9的電流值來選擇該猝發(fā)脈沖信號的電流強度，由此在猝發(fā)脈沖信號13’的位置處產(chǎn)生的光束的波長處于待測量的氣體成分的吸收曲線14的波長范圍以外。這種通常的標準化是不充分的，因為在吸收曲線14的位置處的強度水平、即在不存在吸收曲線14時的光強度對于兩個以虛線和實線示出的強度變化曲線而言是不同的。
[0024]因為產(chǎn)生的光束4的波長λ相對緩慢地對激光二極管3的動態(tài)控制作出反應，波長λ的延遲作用能夠至少在開始時例如在另外的猝發(fā)脈沖信號22上使由緊接著的電流時間函數(shù)20要產(chǎn)生的波長變化曲線受到消極影響。出于這種原因，如圖3所示，分別以恒定的電流控制在時間段23，24，25內(nèi)的激光二極管3，在連續(xù)的不同的動態(tài)控制(電流時間函數(shù)，猝發(fā)脈沖信號)之間插入該時間段，該電流的數(shù)值相應于各個接著的動態(tài)控制的初始值。此外可以有利的是，當波長λ近似于穩(wěn)定的數(shù)值時，才對于相應的猝發(fā)脈沖信號13，22的終點測定光強度
[0025]當基于測量氣體的組成得出在根據(jù)發(fā)明產(chǎn)生的猝發(fā)脈沖信號的波長范圍內(nèi)的吸收曲線，替換地能夠以已知的方式產(chǎn)生兩個不同的猝發(fā)脈沖信號，該猝發(fā)脈沖信號的電流強度在一種情況下大于電流時間函數(shù)的電流值并且在另一種情況下小于電流時間函數(shù)的電流值。一種方法是在開頭所述的具有文件號102011080086.7的先前的德國專利申請的內(nèi)容，按照這種方法根據(jù)猝發(fā)脈沖信號的電流強度和在其位置處檢測的光強度，通過插值法在待測量的吸收曲線的位置處計算對于電流值的光強度，并且利用這個計算的強度值使在該處檢測的光強度標準化。
【權(quán)利要求】
1.一種用于在測量氣體(I)中測量氣體成分濃度的方法，其中能調(diào)節(jié)波長的激光二極管(3)的光束(4)的光強度(I)在透射所述測量氣體(I)之后被檢測并且根據(jù)所述光強度(I)的降低來確定所述氣體成分的濃度，由于在所述氣體成分的選擇的吸收曲線(14)的位置處吸收所述光束(4)使得所述光強度降低，其中相應于預定的電流時間函數(shù)(9)周期地控制所述激光二極管(3)，以便取決于波長地探測所述氣體成分的所述吸收曲線(14)，利用猝發(fā)脈沖信號(13)規(guī)律地控制所述激光二極管(3)，并且利用在所述猝發(fā)脈沖信號(13)的位置處檢測的強度使在所述吸收曲線(14)的位置處檢測的所述光強度(I)標準化，其特征在于，所述猝發(fā)脈沖信號(13)的電流強度相應于在選擇的所述吸收曲線(14)的位置處的所述電流時間函數(shù)(9)的電流值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，利用另一個猝發(fā)脈沖信號(22)規(guī)律地控制所述激光二極管(3)，所述另一個猝發(fā)脈沖信號的電流強度區(qū)別于所述猝發(fā)脈沖信號(13)的電流強度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，相應于預定的另一個電流時間函數(shù)(20)周期地控制所述激光二極管(3)，以便取決于波長地探測另一種氣體成分的另一個吸收曲線(21)，所述另一個猝發(fā)脈沖信號(22)的所述電流強度相應于在所述另一個吸收曲線(21)的位置處的所述另一個電流時間函數(shù)(20)的所述電流值，以及利用在所述另一個猝發(fā)脈沖信號(22)的所述位置處檢測的強度使在所述另一個吸收曲線(21)的所述位置處檢測的所述光強度(I)標準化。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在預定的時間段(24)內(nèi)在所述電流時間函數(shù)(9)和/或所述猝發(fā)脈沖信號(13)之前利用恒定的電流控制所述激光二極管(3)，所述電流的數(shù)值相應于所述電流時間函數(shù)(9)的或所述猝發(fā)脈沖信號(13)的初始值。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在預定的時間段(23)內(nèi)在所述另一個電流時間函數(shù)(20)和/或所述另一個猝發(fā)脈沖信號(22)之前利用恒定的電流控制所述激光二極管(3)，所述電流的數(shù)值相應于所述另一個電流時間函數(shù)(20)或所述另一個猝發(fā)脈沖信號(22)的初始值。
【文檔編號】G01N21/31GK103969200SQ201410040372
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月30日
【發(fā)明者】托馬斯·漢凱維奇, 克里斯托弗·沃爾夫?qū)ゑR夸特, 弗朗茨·施泰因巴赫爾 申請人:西門子公司