用于測量在測試氣體中的氣體成分的濃度的方法
【專利摘要】本發明涉及一種測量測試氣體的氣體成分濃度的方法。在根據波長調制光譜的氣體分析方法中，在調制頻率的諧波振蕩中解調獲得的測量信號并通過將額定曲線擬合到解調的測量信號變化曲線上得出測量結果。為減少干擾影響引起的測量結果中的改變，在分析時附加地將與額定曲線正交的函數擬合到解調的測量信號變化曲線上，產生測量結果的正交分量。正交分量不與測量信號而與干擾信號的正交分量關聯，其同相分量在其方面作為干擾信號部分直接顯現在測量信號中。在測量校準時，改變如氣體分析儀的工作溫度且測定誤差以及誤差的同相和正交分量間的關聯。在測量氣體成分的未知濃度時，以同相分量校正測量結果，其由正交分量及在使用測量校準時測定的關聯確定。
【專利說明】用于測量在測試氣體中的氣體成分的濃度的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于借助氣體分析儀測量測試氣體中的氣體成分濃度的方法，其中
[0002]-為了與波長相關地掃描氣體成分的感興趣的吸收譜線，波長能調諧的光源的光的波長在周期性依次連續的掃描區間之中改變并且在此附加地利用頻率調制該波長，
[0003]-經過調制的光引導穿過測試氣體到探測器上，
[0004]-在該頻率的諧波振蕩中解調由探測器產生的測量信號，并且
[0005]-通過將額定曲線擬合到解調的測量信號的變化曲線上產生測量結果。
【背景技術】
[0006]由EP I 475 618 BI中已知這種方法。
[0007]在已知方法中，激光二極管的形式的波長能調諧的光源產生紅外波段中的光，所述光引導穿過待測量的過程氣體(測試氣體)并且隨后探測所述光。光的波長調諧到相應的待測量的氣體成分的特殊吸收譜線上，其中周期性地與波長相關地掃描吸收譜線。為此，在周期性依次連續的掃描區間內利用斜面或三角形電流信號操控激光二極管。在較慢的掃描吸收譜線期間，附加地利用高頻率和小的振幅正弦地調制所產生的光的波長。因為吸收譜線的輪廓不是線性的，在探測中獲得的測量信號中也產生在調制頻率之上的諧波。通常在η次諧波振蕩中、優選地在二次諧波中通過相位敏感的鎖定(Lock-1n)技術解調測量信號，并且為每個掃描區間分析出一個測量結果。在小調制振幅時，η次諧波的探測直接與直接測量信號的η階導數成比例。該分析例如通過將理想情況中的解調測量信號的應出現的變化曲線(額定曲線)擬合(Curve-Fitting曲線擬合)到其實際變化曲線(實際曲線)上來實現。最后，由此時獲得的測量結果確定了待測氣體成分的濃度。
[0008]氣體分析儀之中的溫度改變能夠導致測量結果的改變。這種稱為偏移(Drift)的氣體分析儀特性限制了其測量表現并且決定性地限制了待實現的應用。偏移的原因可能在于光路中的其他標準器中。這在解調的測量信號的變化曲線中導致了周期性的結構，其位于應產生的吸收信號的頻率區域中。在曲線擬合中，這導致了錯誤擬合的函數以及在待測氣體成分的測定濃度和實際濃度之間的偏差。
[0009]為了抑制這些干擾信號部分，由前面所述的EP I 475 618 BI中已知，由光源產生的光的一部分直接引導到監視探測器上，并且在η次諧波振蕩中解調和分析所獲得的監視信號。解調的監視信號與零線的每個偏差都基于光學干擾，只要該光學干擾位于光源的區域中或者在光路的由測量和檢測信道共同使用的部段中，其也妨礙了測量信號。通過附加地利用η次諧波振蕩調制光的波長，借助預矯正光源的控制來補償該干擾，其中調制強度取決于解調的監視信號。
[0010]然而，所產生的光的部分脫耦到監視探測器上導致了增長了的結構上的和電路技術上的花費，其隨著更高的干擾靈敏度而出現。此外，沒有補償在測量監視信道的共同部段之外出現的測量信號的干擾。
[0011]從EP 2 336 738 Al或EP I 927 831 Al中已知，例如通過光源的機械震蕩來改變光學路徑長，并且從解調的測量信號中算出周期性的干擾性結構。但是，由此僅能減少確定的、由并聯的光學表面在光路中產生的干涉干擾被減少。
【發明內容】
[0012]本發明基于以下目的，減少由氣體分析儀中的干擾影響例如溫度改變產生的測量結果中的改變。
[0013]根據本發明，該目的由此實現，即在前面所述類型的方法中
[0014]-提供與額定曲線正交的函數，以及通過將正交函數擬合到解調的測量信號變化曲線上產生測量結果的正交分量，
[0015]-為了測量校準，在已知的待測氣體成分的濃度中改變干擾參數并且此時測定誤差，該誤差由同相分量和正交分量構成，同向分量的形式是在所獲得的測量結果和額定測量結果之間的差值，其中還測定在誤差的同相分量和其正交分量之間的關聯，并且
[0016]-在測量測試氣體成分的未知濃度時，利用同向分量校正此時獲得的測量結果，同向分量根據在測量校準時測定的關聯由同樣獲得的正交分量來確定。
[0017]與額定曲線、即與理想情況中應出現的解調的測量信號變化曲線正交的函數，基于其正交特性而不與待測吸收譜線(確切地說是其解調頻率分量的變化曲線)的形狀相關。替代地，正交函數與干擾信號的正交分量相關，正交分量的同相分量在其方面直接顯現為測量信號中的干擾信號部分。
[0018]通過除了將額定曲線還將與其正交的函數擬合到解調的測量信號上，除了含有干擾的測量結果(確切地說測量結果的含有干擾的同相分量)，也獲得了測量結果的正交分量，其與干擾的正交分量相同。因此在測量校準的范疇中，在待測氣體成分的已知濃度中，利用同相分量以及正交分量能夠測定測量誤差，其中誤差的同相分量由在獲得的測量結果和已知濃度的額定測量結果之間的差值構成。因此在測定誤差的同相分量和正交分量之間的關聯之后，在測試氣體成分的未知濃度時，可以通過使用所謂的關聯和同樣獲得的正交分量校正此時獲得的測量結果。
[0019]如上述，干擾或誤差的很大部分可能與溫度相關。因此在校準期間，可以改變氣體分析儀的工作溫度，以使得測定的誤差根據溫度或者說在氣體分析儀的變熱或冷卻變化曲線中改變。在光路中的標準器效應導致了，誤差在溫度走向上周期性地改變，即由誤差的同相分量和正交分量形成的矢量是轉動的。其他的干擾效應、例如標準器的反射的改變，相反地導致了誤差矢量的長度改變和/或同相分量與正交分量的偏移量。因此可能的是，由于誤差走向、即誤差改變的方式和方法，在不同的干擾類型之間進行區分。
[0020]因為如所述，標準器效應在溫度變化曲線上導致了誤差的周期性改變或波動，以使得誤差矢量轉動，在誤差的同相分量和正交分量之間的待測定的關聯是不明確的。因此在測量校準時，優選地也測量溫度，以便能夠測定誤差的同相分量、其正交分量和測量的溫度之間的函數關聯以及進而明確的關聯。
[0021]替代性地或補充地，也可以補償在測試氣體中的干擾氣體成分的誤差影響，干擾氣體成分在光譜上與待測氣體成分的感興趣的吸收譜線相重合。在這種情況下，在干擾氣體成分的不同的已知濃度中校準氣體分析儀，并且此時測定在誤差的同相分量、其正交分量和干擾氣體成分的濃度之間的函數關聯。雖然干擾氣體成分能夠以與待測氣體成分相同的方式通過將相應的額定曲線擬合到解調的測量信號的變化曲線上來測定，然而相反地，此時待測氣體成分將明顯地進行干擾。與此相對地，根據本發明的方法具有以下優點，即感興趣的氣體成分不影響干擾氣體測量。此外，干擾氣體測量局限在與光譜相關的和與頻率相關的部分上，這防止了，其他的影響參量影響干擾氣體測量，例如在光譜上僅與干擾氣體成分重合、然而不與待測量的氣體成分重合第三氣體成分。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]為了繼續闡述本發明，下面參考附圖的圖示；各圖示出:
[0023]圖1是用于執行根據本發明的方法的氣體分析儀的實施例，
[0024]圖2是已解調的測量信號的干擾的實例，
[0025]圖3是理想情況中應出現的解調測量信號變化曲線的相應額定曲線和與其正交的函數的實例，
[0026]圖4是通過將額定曲線和正交函數擬合到包括已解調的測量信號的與溫度相關的測量結果的實例，和
[0027]圖5是在不同的溫度區域之中的測量結果的改變的實例。
【具體實施方式】
[0028]在圖1中以簡化的方框圖示出的氣體分析儀涉及用于測量測試氣體I的至少一種感興趣的氣體成分的濃度的激光光譜儀，該測試氣體存在于測試容積2中、例如在測量容器或過程氣體管道中。光譜儀包括激光二極管形式的光源3，其光4在透射測試氣體I之后射到測量探測器5上。由調制裝置6控制的電源7為激光二極管3輸送注入電流i，其中所產生的光4的強度和波長取決于激光二極管3的電流i和工作溫度。調制裝置6包括第一信號發生器8，其周期性地以預定的、優選地斜面或三角形的函數9操控電源7，以便利用與電流i的變化曲線或多或少成線性跟隨的所產生的光4的波長掃描感興趣的氣體成分的所選擇的吸收譜線。第二信號發生器10產生更高頻率的正弦信號11，利用該信號在累加器12中調制斜坡或三角形狀的函數9。
[0029]根據已探測的光強，測量探測器5產生測量信號13，在鎖定(Lock-1n)放大器14中于調制頻率fo的諧波Iiftl (n = 1,2,3...)、此處例如為2&，中解調該信號。在下游的分析裝置15中，解調的測量信號13’對于每一個掃描區間分析出一個測量信號。為此在第一計算單元16中與理想的解調的測量信號13’相對應的額定曲線和在第二計算單元17中與額定曲線正交的函數擬合到解調的測量信號13’上。
[0030]如前述，在氣體分析儀內部的溫度改變能夠導致測量結果的偏移，其中偏移的原因是光路中的標準器，其導致了解調的測量信號13’的變化曲線中的周期性結構。
[0031]圖2示例性示出在調制頻率&的二次諧波中的解調的無干擾的測量信號13’ a、周期性的干擾18以及由干擾18疊加的測量信號13’ b。立刻能識別的是，將與理想的解調的測量信號13’a相對應的額定曲線(圖3中的19)擬合到受干擾的測量信號13’b處沒有導致正確的濃度確定。
[0032]圖3示例性示出與理想方式下應出現的解調的測量信號13’的變化曲線相對應的額定曲線19和與其正交的函數20。區別于額定曲線19，正交函數20與解調的測量信號13’或13’a不相關，而是與干擾信號的正交分量相關，其同相分量在其方面直接作為干擾信號部分顯現在解調的測量信號13’或13’ a中。
[0033]回到圖1，計算單元16提供或多或少有干擾的測量結果M，確切地說由有效部分S=Sin和同相干擾部分Nin構成的測量結果M的同相分量Min。計算單元17產生由正交干擾部分NOTth。構成的測量結果M的正交分量MOTth。:
[0034]M = Min+Mortho = (S+Nin) +Northo 其中 S = Sin 且 Sortho = O。
[0035]圖4不例性不出具有其同相分量和正交分量的測量結果M的矢量圖。為了測量校準，在待測氣體成分的已知濃度中，改變氣體分析儀的工作溫度并且在此測定誤差N，其由同相分量Nin和正交分量Mtjrth。構成，通向分量的形式是在同相測量結果Min和額定測量結果Sin之間的差值。在下一步驟中測定在誤差N的同相分量Nin和其正交分量NOTth。之間的關聯。圖4示出了簡單的情況，其中以圍繞額定測量結果Sin的大約的圓說明了基于標準器效應的溫度T上的誤差N。這種關聯保存在于計算單元16，17的下游布置的其他計算單元19的存儲器18(圖1)中，該計算單元在測量氣體成分的未知濃度時利用同相分量校正此時獲得的同相測量結果Min，其通過應用所存儲的關聯由同樣獲得的正交分量MOTth。中確定。在圖4中示出的簡單的實例中，在測量校準的范疇中，確定圓的半徑R= |N|并且在測量氣體成分的未知濃度時，如下地校正此時獲得的同相測量結果Min:
[0036]Min korr = Min ± (R2 - M2ortho)1/2
[0037]圖5示出了在不同的溫度區域Tl和T2、例如Tl = 45°C至49°C和Tl = _6°C至_2°C內的測量結果M的改變。在實際測量中，根據情況多個具有不同的溫度相關性和溫度敏感性的標準器起作用，從而由其引起的誤差能在矢量圖中以不同的速度轉動。此外，振幅(矢量長度)由于強度的改變(溫度的調整相關性)或者通過反射的改變(例如光學面的涂層)而改變。當附加其他的干擾影響、即不同于標準器的表現的干擾影響時，那么振幅也改變。此時，測量結果M(T1)，M(T2)由在矢量圖中與溫度相關的成直線地運動的分量MtMns—T1，Mtransj2和這種旋轉地運動的MMt—T1，MMt—Τ2。
【權利要求】
1.一種用于借助氣體分析儀測量測試氣體(I)中的氣體成分的濃度的方法，其中 為與波長相關地掃描所述氣體成分的感興趣的吸收譜線，波長能調諧的光源(3)的光(4)的波長在周期性依次連續的掃描區間之中變化，并且在此附加地利用頻率(&)調制所述波長， 經過調制的所述光(4)引導穿過所述測試氣體(I)至探測器(5)上， 在所述頻率(fo)的諧波振蕩(Iiftl)中解調由所述探測器(5)產生的測量信號(16)，并且 通過將額定曲線(19)擬合到解調的測量信號(13’)的變化曲線上產生測量結果， 其特征在于， 提供與所述額定曲線(19)正交函數(20)，并通過將所述正交函數(20)擬合到所述解調的測量信號(13’)的變化曲線上產生所述測量結果的正交分量(MOTth。) 為了測量校準，在已知的待測的所述氣體成分的濃度中改變干擾參數并且在此測定誤差(N)，所述誤差由所獲得的所述測量結果(Min)和額定測量結果(Sin)之間的差值的形式的同相分量(Nin)和所述正交分量(MOTth。)構成，其中還測定在所述誤差(N)的所述同相分量(Nin)和所述誤差的正交分量(MOTth。)之間的關聯，并且 在測量所述氣體成分的未知濃度時，利用同相分量校正在此所獲得的所述測量結果(Min)，所述同向分量根據在所述測量校準時測定的所述關聯由同樣獲得的所述正交分量(Mortho)來確定。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述測量校準時測定的所述關聯測定為以在所述誤差(N)的所述同相分量(Nin)、所述誤差的正交分量(NOTth。)和所測量的或已知的所述干擾參數之間的函數關聯的形式。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述氣體分析儀的所述工作溫度(T)作為干擾參數來變化。
4.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，在用于所述校準的所述測試氣體中，干擾氣體成分的所述濃度作為干擾參數來變化。
【文檔編號】G01N21/3504GK104515746SQ201410523029
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年9月30日 優先權日:2013年10月2日
【發明者】拉爾夫·比特, 托馬斯·漢凱維奇, 克里斯托弗·沃爾夫岡·馬夸特, 揚·奈格倫, 凱-烏韋·普萊班, 弗朗茨·施泰因巴赫爾 申請人:西門子公司
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