用于确定气体组分浓度的方法和光谱仪技术

本发明专利技术涉及用于确定气体组分浓度的方法和光谱仪。所述方法具有以下步骤：‑生成具有在波长范围中可变的波长的光束，‑引导光束通过一测量体积，测量体积中存在待确定的气体组分，其中所述气体组分在波长范围有吸收，‑调谐波长范围，‑检测光束通过测量体积后的强度，‑在调谐时存储测量点，测量点分别由时间点和与此相关的强度值组成，由此得到直接吸收谱线，‑从存储的测量点生成仿真测量曲线，通过在时间轴上移动测量点来实现，‑其中，移动通过以下方式进行，即在波长时间曲线中移动测量点之后产生仿真调制，‑根据波长调制光谱法对仿真测量曲线进行评估，并从中确定第一浓度值。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及用于确定气体组分浓度的方法以及用于实施所述方法的光谱仪。已知各种用于确定待测气体中气体组分浓度的方法。此类方法包括直接吸收光谱法(DAS)和波长调制光谱法(WMS)。在直接吸收光谱法中，通过电流斜坡来改变激光器的波长并记录检测器信号。在通过电流斜坡的过程中，当激光器通过吸收谱线区域时待测气体吸收光，根据朗伯-比尔定律：I＝I0*e-α(λ)cL式中α(λ)为取决于波长的吸收系数，c为被测气体的浓度，以及L为气体吸收通过的光程。检测器信号由此形变，使得相比于没有气体吸收的检测器信号可以看到吸收谱线，所述吸收谱线随后例如通过利用物理模型函数(通常为Voigt吸收谱线)的拟合方式来进行拟合，如此就可以确定吸收区(吸收曲线下方的面积)，其与气体浓度成比例。波长调制光谱(WMS)是一种光吸收光谱形式，其可将非常小的光吸收检测出来，因为吸收测量会从(在其中光源具有很大的噪声的)低频率(接近DC)移至高频率(其中散粒噪声(shot-noise)是限制因素)。所述频移可将测量灵敏度提高三至五个数量级。WMS通常用连续可调谐的激光器，如二极管激光器(TDL)来进行。在这一过程中，缓慢地通过待测气体的吸收谱线来调节波长，并且还另外用比这高的调制频率f，通常为正弦形状，来便捷地调制波长。如果被这样波长调制过的光束传播通过测量段时，由于激光器的强度变化以及待测气体的吸收会产生光的振幅调制。如果接着在光接收器中检测到光并随着时间的变化产生接收信号，该接收信号在调制频率f及其谐波2f、3f、4f等等处具有交流分量。可选出其中一个交流分量来进行分析，并且用相敏法，例如锁定法来对其进行分析。该方法也称为解调。在解调时，在频率nf上得到的信号称为nf信号(n＝1、2、3...)。因此，经过解调的信号包含光束的光吸收和强度方面的信息。待检测的待测气体中的气体组分的浓度可通过这样测得的吸收来确定。应用光学第31期707-717页(1992年)的“Frequency-modulationspectroscopyfortracespeciesdetection:theoryandcomparisonamongexperimentalmethods”一文中有一种详细的理论，该理论描述了WMS和吸收谱线形状与经过解调的信号形状之间关系。如果缓慢地运行通过吸收谱线并同时在频率nf时调制波长，则在WMS上得到的信号形式定性地与吸收谱线的n阶微分一致，所以WMS也使用名称导数吸收光谱。从DE10238356A1已知一种方法，其中两种所述测量方法WMS和DAS交替地在连续的周期中使用，并将检测到的信号也交替引入两个单独的平均数进行评估。当进行WMS评估时可以使用DAS评估的结果，例如用于校准。这样就得到了直接吸收光谱的校准自由度和波长调制光谱的精确度。在US7616316B2公开的方法中，在待测气体组分高浓度时的DAS与低浓度时的WMS之间切换。因此，分别使用看起来最合适的测量方法。在DE102012223874B3中，同时地或如同在DE10238356A1中一样交替地使用两种测量方法WMS和DAS，并将这两种测量的结果通过求平均值联系起来，由此可实现结果中的误差更小。本专利技术的目的在于，提高在确定气体浓度时的功能安全(SIL；安全完整性等级)；以便可以符合SIL定义的安全标准。在功能安全中可以要求容错等于1。这通常涉及硬件。独立于所使用的硬件，在测定气体浓度时由于外部影响，例如强度起伏、压力变化、压力、温度和干扰，可能会出现非随机误差。因此本专利技术的任务在于，提供在功能安全方面得到改进的、用于确定气体组分的方法和光谱仪。这样提高安全性可能通过使用两种不同的测量方法，DAS和WMS来实现，这些方法和DE10238356A1和DE102012223874B3中公开的一样。但缺点是，这意味着有关时间和设备方面的花费翻倍。在DE102012223874B3中公开，同时使用所述测量方法时必须通过斜坡加正弦调制来驱动激光器。这对DAS来说是不利的，因为WMS的直接检测器信号不适合根据DAS来评估，原因在于正弦调制不仅会导致功率调制，而且也会导致波长调制。即使在例如正弦周期内取平均数后，正弦调制会使吸收变形，并且评估会变得很难并且不再通过利用物理模型的拟合就可实现。这种DAS的结果不是那么令人信服，这是因为对激光器进行了不利的驱动。因此，本专利技术以另外的方式解决问题并且通过权利要求1所述的方法或权利要求10所述的光谱仪来解决问题。本专利技术所述用于确定气体组分浓度的方法具有以下步骤：-生成具有在波长范围中可变波长的光束，-引导光束通过其中存在待确定的气体组分的测量体积，其中气体组分在波长范围有吸收，-调谐波长范围，-检测光束通过测量体积后的强度，-调谐时存储测量点，这些测量点分别由时间点和与此相关的强度值组成，由此得到直接吸收谱线，-从存储的测量点生成仿真测量曲线，通过在时间轴上移动测量点来进行，-其中移动通过以下方式进行，即在波长时间曲线中移动测量点之后产生仿真调制，-根据波长调制光谱法对所述仿真测量曲线进行评估并从中确定第一浓度值。因此，基本思想是仅实施一次测量且实际上通过驱动激光器，即调谐波长范围来进行，用于根据DAS进行测量。然而，所获得的测量信号随后根据DAS或WMS这两种方法进行评估。以这种方式，在两种不同路径上获得两种结果。这一点才有可能是因为存储了测量点并且存储了测量点的新序列(移动)以便从之前的测量值生成仿真测量曲线，测量值随后可以根据WMS进行评估。所述基本思想就在于此。此类方法的主要优点是，有可能用两种不同的评估方法来评估检测器信号，使得外部影响不会产生任何非随机误差，从而可以达到高SIL等级。另一个优点是，激光器的“高频行为”，即激光器的变化不再对WMS起作用，所述变化仅通过快速正弦调制激光波长中的激光电流才出现。所述变化起因于以下事实，即波长变化主要由于热效应触发并且通常缓慢进行并且不能跟上快速正弦调制，从而使得波长调制意外地变得越来越小且只有强度调制依然存在。通过本专利技术所述方法，激光特性的所述变化不再重要，因为用于WMS评估的测量曲线只有通过在时间轴上重新排列(移动)测量点才能进行并且所述测量点无需快速正弦调制就得到。另一个优点是，整个测量非常快，因为只需要使激光器沿斜坡协调(波长范围的调谐)且没有组分必须采取快速的正弦调制。为此，斜坡(调谐)的较高重复率是可能的，因为随后通过重新排列测量点产生的调制独立于用于检测器信号的放大器的频率响应并且不必记录正弦调制。为了达到一定的SIL等级则合理的是，获得第二浓度值，这一点在本专利技术的改进形式中通过以下方式实现，即将测量值存储后根据直接吸收光谱法实施对直接吸收谱线的评估并确定第二浓度值。因此，可将生成的两个浓度值用于通过相互的真实性检查实现有关功能安全的较高等级。两个在不同路径上获得的浓度值可以相互比较，以便将两个值中的其中一个仅用于检验另一个。作为替代或补充的是，可通过求平均值从这两个浓度值生成共同的浓度值，该浓度值具有的误差比单个值小。有意义且降低费用的是做法是，在调谐过程中无需另外高频调制波长地调谐波长范围，从而产生无高频调制的单调波长时间曲线。在本专利技术的不同改进形式中，可使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于确定气体组分浓度的方法，包括：‑生成具有在波长范围[λ1、λ2]中可变的波长的光束，‑引导所述光束通过一测量体积，所述测量体积中存在待确定的气体组分，其中所述气体组分在所述波长范围中有吸收，‑调谐所述波长范围，‑检测所述光束在通过所述测量体积后的强度，‑在调谐时存储测量点，所述测量点分别由时间点和与此相关的强度值组成，由此得到直接吸收谱线，‑通过在时间轴上移动所存储的测量点来从所述测量点生成仿真测量曲线，‑其中所述移动通过以下方式进行，即在波长时间曲线中移动测量点之后产生所述波长的仿真调制，‑根据波长调制光谱法对所述仿真测量曲线进行评估，并从中确定第一浓度值。

【技术特征摘要】
2015.06.29 EP 15174243.41.一种用于确定气体组分浓度的方法，包括：-生成具有在波长范围[λ1、λ2]中可变的波长的光束，-引导所述光束通过一测量体积，所述测量体积中存在待确定的气体组分，其中所述气体组分在所述波长范围中有吸收，-调谐所述波长范围，-检测所述光束在通过所述测量体积后的强度，-在调谐时存储测量点，所述测量点分别由时间点和与此相关的强度值组成，由此得到直接吸收谱线，-通过在时间轴上移动所存储的测量点来从所述测量点生成仿真测量曲线，-其中所述移动通过以下方式进行，即在波长时间曲线中移动测量点之后产生所述波长的仿真调制，-根据波长调制光谱法对所述仿真测量曲线进行评估，并从中确定第一浓度值。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述测量值存储之后，根据直接吸收光谱法来实施对所述直接吸收谱线的评估并确定第二浓度值。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将所生成的两个浓度值用于通过所述值相互的真实性检查来实现有关功能安全的被提高的安全性。4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，从所述两个浓度值生成共同的浓度值。5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在调谐过程中无需对所述波长进行另外的高频调制地调谐所述波长范围，从而产生无需高频调制的单调波长时间曲线。6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，以不一定恒定的>＝0的速度在正向方向上改变对所述波长范围的调谐，并且以不一定恒定的>＝0的速度在负向方向上改变对随后变化进行的调谐，在这种情况下两个方向或只有一个方向能够用于评估。7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述仿真调制是正弦型、矩形或三角形。8.如前...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·拜尔，朱利安·埃德勒，
申请(专利权)人：西克股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE