测量测量气体中气体成分的浓度的方法和气体分析仪技术

本发明专利技术涉及测量测量气体中气体成分的浓度的方法和气体分析仪。为了通过气体分析仪测量测量气体(5)中的气体成分的浓度，利用电流(i)驱控能调整波长的激光二极管(1)，将激光二极管产生的光(2)的一部分穿过测量气体引到生成测量信号(17)的测量检测器(6)上，将光的其他部分引到生成监控信号(19)的监控检测器(7)上，在周期性接续的扫描间隔内改变电流以根据波长扫描气体成分的感兴趣的吸收线，还利用高频噪声信号(14)调制电流，高频噪声信号的下截止频率根据激光二极管的特性被选择为高到不发生波长调制的频率，并且将测量信号与监控信号关联，并且随后评估测量信号以生成测量结果(40)。

【技术实现步骤摘要】
测量测量气体中气体成分的浓度的方法和气体分析仪
本专利技术涉及一种用于测量测量气体中气体成分的浓度的方法。本专利技术还涉及一种用于测量测量气体中气体成分的浓度的气体分析仪。
技术介绍
激光光谱仪特别用于过程测量技术中的气体光学分析。在此，激光二极管产生红外范围内的光，该光沿过程设备或气室中的测量路径被引导通过过程气体(测量气体)并且随后被检测。光的波长匹配相应要测量的气体成分的特定吸收线，其中激光二极管根据波长周期性地扫描吸收线。为此，在连续的扫描间隔内用斜坡或三角形的电流信号控制激光二极管。在直接吸收光谱法(DAS)中，可以直接从在吸收线的点处检测到的光强度减少(吸收)来确定感兴趣的气体成分的浓度。在波长调制光谱法(WMS)中，在吸收线的相对缓慢的、与波长相关的扫描过程中，产生的光的波长以kHz范围内的频率和微小的振幅进行正弦调制。由于吸收线的轮廓不是线性的，因此在检测或测量信号中也会产生高次谐波。通常使用相敏锁定技术以n次谐波(优选二次谐波)对测量信号进行解调，并针对每个扫描间隔对测量信号进行评估，以给出包含待测气体成分浓度的测量结果。用于测量气体成分浓度的检测和测定极限被叠加在测量信号上的噪声限制。噪声主要由来自激光和检测器侧的气体分析仪的噪声以及来自测量路径(由湍流、颗粒引起)的噪声组成。从WO2016/050577A1或DE102015207192A1中已知还以高频(HF)来调制用于驱控激光二极管的电流，该高频率根据激光二极管的特性被选择为高到不发生产生的光的波长调制的频率。以附加高频调制的频率对检测或测量信号进行解调，并对获得的已解调的测量信号进行评估以生成测量结果。由于利用激光二极管的内部温度设定或更改光的波长，并且又能利用由激光电流和环境温度引起的功率损耗来设定或更改该内部温度，因此波长调制只能以低的调制频率实现，最多在kHz范围内实现。相反，在MHz范围内的较高频率中，仅还调制光的强度，而不调制其波长。通过高频调制将待评估的测量信号的基带从被气体分析仪的和测量路径的噪声干扰的接近直流(DC)的频率范围复制到该噪声不再存在的高频范围中。由于高频调制只能以到激光二极管的控制极限实现，因此在DE102015207192A1中提出，将高频调制与扩频码相乘，以使高频调制的信号能量分布到宽的频谱上并因此获得更高的可评估总能量。在检测器侧，通过关联将已解调的测量信号与扩频码关联，并对获得的关联信号进行评估。已解调的测量信号与扩频码的关联还降低了包含在测量信号中的、气体分析仪的噪声，因为该噪声与扩频码不关联。作者JingjingWang等的“High-sensitivityoff-axisintegratedcavityoutputspectroscopyimplementingwavelengthmodulationandwhitenoiseperturbation(实现波长调制和白噪声扰动的高灵敏度离轴集成腔输出光谱)”(《OpticsLetters(光学通讯)》，第44卷，第13期，2019年7月1日，第3298页)公开了一种离轴集成腔输出光谱仪(OA-ICOS)，其中将包含测量气体的气室设计为光谐振器，激光束在其中偏移并相对于光轴倾斜地耦合输入并因此激发谐振器的多种模式。为了抑制由谐振器模式的波动(残留腔模式的波动)引起的噪声，以激光二极管的用于波长扫描的斜坡形调制以及用于波长调制的正弦形调制的电流还以白噪声被调制。然而，白噪声的耦合输入还导致吸收线变宽以及吸收线高度减小，从而必须在有效抑制谐振器模式噪声与频谱线形状尽量少变形之间实现折衷。US2005/046852A1公开了一种具有分束器的WMS激光光谱仪，该分束器将由激光二极管产生的光的一部分通过测量气体引导到测量检测器上，而将其他部分引导到监控检测器上。在感兴趣的吸收线的波长相关扫描的扫描周期之外，在规则的间隔内用突发信号来驱控产生用于激光二极管的电流的电流源。该突发信号在测量信号和监控信号中被检测并被用于测量的标准化。EP3339839A1公开了一种具有分束器的WMS激光光谱仪，该分束器将由激光二极管产生的光的一部分引导通过测量气体并将其他部分通过参考气体引导到参考检测器上，该参考检测器检测参考气体的吸收光谱。为了确定测量气体的感兴趣的气体成分的浓度，从测量气体的吸收光谱中减去单独检测到的参考气体的吸收光谱。
技术实现思路
本专利技术的目的是进一步改善测量信噪比。根据本专利技术，该目的通过本专利技术限定的方法和气体分析仪实现。本专利技术提出一种通过气体分析仪测量测量气体中气体成分的浓度的方法，其中，利用电流驱控能调整波长的激光二极管，将由激光二极管产生的光的一部分穿过测量气体引导到测量检测器上，该测量检测器生成测量信号，将光的其他部分引导到监控检测器上，该监控检测器生成监控信号，在周期性接续的扫描间隔内改变电流，以根据波长扫描气体成分的感兴趣的(目标)吸收线，还利用高频(射频)噪声信号调制电流，该高频噪声信号的下截止频率根据激光二极管的特性被选择为高到不发生波长调制的频率，并且将测量信号与监控信号关联并且随后评估测量信号以产生测量结果。本专利技术还一种气体分析仪，其用于测量测量气体中气体成分的浓度，该气体分析仪具有：能调整波长的激光二极管；为激光二极管供应电流的电流源；信号发生器，该信号发生器控制电流源以在周期性接续的扫描间隔内改变电流，从而根据波长扫描气体成分的感兴趣的(目标)吸收线；噪声信号发生装置，该噪声信号发生装置控制电流源以利用高频噪声信号调制电流，该高频噪声信号的下截止频率根据激光二极管的特性被选择为高到不发生波长调制的频率；用于产生测量信号的测量检测器；用于产生监控信号的监控检测器；分束器，该分束器将由激光二极管产生的光的一部分穿过测量气体引导到测量检测器上，并将光的其他部分引导到监控检测器上；关联器，该关联器将测量信号与监控信号关联并产生关联信号；和评估装置，该评估装置评估关联信号以产生测量结果。与从DE102015207192A1已知的方法不同，用于激光二极管的电流在没有高频载波的情况下直接以高频噪声调制。在穿过测量气体照射之后从激光二极管的光获得的测量信号与直接从激光二极管的光生成的监控信号相关联。在气体分析仪的激光侧的激光二极管的噪声、驱动器电子设备等的噪声成为以高频噪声信号进行的调制的一部分，以使测量信号的噪声与监控信号的噪声的区别仅在于由测量气体中的吸收引起的影响。附图说明为了进一步阐述本专利技术，下面参考附图。图1示例性地示出了根据本专利技术的气体分析仪的非常简化的框图。具体实施方式气体分析仪包含激光二极管1，激光二极管的光2通过分束器3的一部分穿过包含在测量空间4(例如气室或过程气体管线)中的测量气体5被引导到测量检测器6上，并且其他部分被引导到监控检测器7上。可控的电流源(驱动器)8利用注入电流i驱控激光二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过气体分析仪测量测量气体(5)中气体成分的浓度的方法，其中，/n利用电流(i)驱控能调整波长的激光二极管(1)，/n将由所述激光二极管(1)产生的光(2)的一部分穿过所述测量气体(5)引导到测量检测器(6)上，所述测量检测器生成测量信号(17)，/n将所述光(2)的其他部分引导到监控检测器(7)上，所述监控检测器生成监控信号(19)，/n在周期性接续的扫描间隔内改变所述电流(i)，以根据波长扫描所述气体成分的感兴趣的吸收线，/n还利用高频噪声信号(14)调制所述电流(i)，所述高频噪声信号的下截止频率根据所述激光二极管(1)的特性被选择为高到不发生波长调制的频率，并且/n将所述测量信号(17)与所述监控信号(19)关联并且随后评估所述测量信号以产生测量结果(40)。/n

【技术特征摘要】
20190930 EP 19200607.01.一种通过气体分析仪测量测量气体(5)中气体成分的浓度的方法，其中，
利用电流(i)驱控能调整波长的激光二极管(1)，
将由所述激光二极管(1)产生的光(2)的一部分穿过所述测量气体(5)引导到测量检测器(6)上，所述测量检测器生成测量信号(17)，
将所述光(2)的其他部分引导到监控检测器(7)上，所述监控检测器生成监控信号(19)，
在周期性接续的扫描间隔内改变所述电流(i)，以根据波长扫描所述气体成分的感兴趣的吸收线，
还利用高频噪声信号(14)调制所述电流(i)，所述高频噪声信号的下截止频率根据所述激光二极管(1)的特性被选择为高到不发生波长调制的频率，并且
将所述测量信号(17)与所述监控信号(19)关联并且随后评估所述测量信号以产生测量结果(40)。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述关联之前，以比所述高频噪声信号(14)的截止频率更低的截止频率对所述测量信号(17)和所述监控信号(19)进行高通滤波。


3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法基于直接吸收光谱法。


4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法基于波长调制光谱法，其中，还以至少一个附加频率和小的振幅来调制所述激光二极管(1)的所述电流(i)，所述附加频率被选择为低到发生波长调制的频率。


5.一种气体分析仪，用于测量测量气体(5)中气体成分的浓度，所述气体分析仪具有：
能调整波长的激光二极管(1)；
为所述激光二极管(1)供应电流(i)的电流源(8)；
信号发生器(9)，所述信号发生器控制所述电流源(8)以在周期性接续的扫描间隔内改变所述电流(i)，从而根据波长扫描所述气体成分的感兴趣的吸收线；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗朗茨·施泰因巴赫尔，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE