專利名稱：用于相關光譜法的交叉干擾校正的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于在光學過濾器相關性中更特別地在校正光譜測量中校正或減少交叉干擾的方法和設備。
背景技術：
光學吸收測量很長以來用于測量混合物中成分的濃度。所述吸收行為能夠通過Beer-Lambert定律描述。吸收光譜儀的簡單形式由光源、選擇相關波長范圍的裝置、樣品室和檢測器組成。當吸收成分存在時，透射光強度的減少使所測量的在混合物中的成分的濃度減少。同時基于吸收強度和路徑長度，可以給出所關心成分的靈敏讀數，如果存在在波長通帶內也能被吸收的其它成分，由于光源強度和交叉干擾的變化，所述讀數可能存在零位誤差和靈敏度誤差(測量誤差)。
發明內容
因為沒有對所述光源的強度隨時間的變化的參考，零位誤差和靈敏度誤差能夠發生。通過使用參考測量此影響能夠被補償，所述參考測量與所關心的測量同時監視所述源輸出信號。通過使用選擇性的檢測系統，調到所關心成分的吸收比，交叉干擾能夠被最小化。
另一個方法是通過使用單光路氣體光學過濾器相關測量。圖1中圖示了其基本布置。在此方法中，使用輪2機械地調制來自寬頻帶源1的光，所述輪2包含填充有例如氮的不顯著吸收氣體的試管(或小容器)3和含有所關心氣體的另一個試管(或小容器)4。為了增大信噪比，光通帶光學過濾器5用來選擇所關心的區域。得到的已調制發射指向測量單元(或測量室)7內，在所述測量測量單元7中，基于樣品成分，可以發生進一步的吸收。所述信號被收集到光學探測器8上，并在光學探測器8轉變成電信號，然后電信號通過處理電路9處理以便產生外部輸出信號。
來自光學探測器的信號由已調制的輸出信號組成，所述已調制的輸出對應于來自填充有不同氣體的試管的通過量(或處理量)。下面將描述填充有氮的單個非吸收試管和填充有所關心氣體的單個吸收試管的簡化例子，在此情況下，所關心氣體是NO(一氧化氮)。盡管給出簡單說明，但是此描述同樣適用于通過例如使用吸收或反射的任何光譜技術測量的任何材料。
回到我們的示例，對于樣品單元(或樣品室)內的非吸收混合物(氮)的情況，圖2a和2b圖示了輸出信號的示意圖。因為對應于吸收光譜的一些光已經被吸收，通過NO試管的信號將總是具有比通過氮試管的信號的振幅小的振幅。不同的增益通過處理電路9施加到這兩個信號上，從而所述兩個信號的量級相配。這被作為導出濃度測量的零點。
此后，當包含所關心氣體的樣品，例如在氮背景中的NO，被引入到樣品單元時，輸出信號發生變化(圖2c和2d)。因為NO試管已經預吸收了對應于NO吸收頻帶的輻射的一部分，從而氮試管信號中的變化總是大于NO試管信號中的變化。由NO試管吸收的入射輻射的量依賴于例如其濃度、溫度、背景氣體和吸收通路長度。兩個增益信號之間的差，圖2d中的 I，與樣品氣體單元中的NO濃度有關并因此設定測量的敏感度。所述差通常除以NO試管信號以提供標準化的信號，所述標準化的信號與光源強度的任何變化無關且然后與儀器系數相乘以給出NO濃度讀數。
在前面的示例中，如果它們在光學過濾器的通頻帶內吸收，背景干擾氣體的影響能夠引起讀數中的誤差。上述示例提供了會發生的兩種干擾類型正干擾和負干擾，所述正干擾引起正誤差，其中干擾吸收與NO吸收頻帶一致，所述負干擾引起負誤差，其中吸收與吸收頻帶不一致。這在圖3中圖示。正干擾是固有的不能區分NO與干擾物的結果，而負交叉干擾是施加到信號上的標準化的微分增益的結果(即與(G-1)成正比)，其中G是施加的標準化的微分增益)。兩種類型的干擾經常同時發生。
通過選擇光學過濾器的通頻帶和氣體試管的特性，特定氣體混合物的交叉干擾的量能被最小化。然而，在一些情況下，例如水作為NO的干擾氣體，這不可能滿意地移除干擾，且導致不可接受的誤差。
處理交叉干擾影響的普通方法是，不論通過氣體過濾器相關性還是其它手段，獨立地測量交叉干擾的濃度并相應地校正。當然，這需要用于第二測量的額外的設備，同時伴隨著成本增加和復雜性增加。另外，所述樣品將不會與初始測定所看到的樣品相同，但是能夠具有時間和/或空間上的分離。
本發明不依賴第二測量，但是使用已經存在于信號中的信息。通過改變基線參考有意地改變施加到信號上的微分增益以便形成對于背景氣體影響的自動校正函數(或功能)。因為正交叉干擾與干擾物和NO吸收線的吸收重疊的相對強度成比例并在校準中扣除，所述正交叉干擾不受基線參考的任何變化的影響。然而因為負交叉干擾將改變需要施加的微分增益，所述負交叉干擾將受到基線參考的影響。
為使本發明更容易理解，現在將通過示例參照附圖描述實施例，其中圖1顯示了用于光譜測量的基本設備的圖解表示；圖2和3是幫助解釋使用圖1中所示儀器的在先技術方法的圖表；和圖4至7是幫助解釋根據本發明的優選方法的圖表。
具體實施例方式
優選實施例利用與在先技術相同的基本設備，這顯示在圖1中，并且所述操作基本上相同。然而，如果同時或順序地使用兩個或更多基線參考(例如，兩個不同的增益)進行測量，那么兩個不同的信號會產生。當不存在干擾物時，兩個信號之間失配的程度能夠在校正期間確定，且此失配中隨后的變化給出背景干擾物濃度的測量。無論是干擾物獨立存在還是除NO以外存在，所述測量都保持正確。這個系統也能夠被用于多個交叉干擾物的校正。這種方法預示負交叉干擾總是存在。然而，因為兩種不同的混合物將不會有相同的光譜特性，事實上通常如此。
在圖4中以簡化的格式說明了所述概念。為簡單起見，假定當由于預吸收NO存在于單元(或室)中時，NO試管信號沒有顯著變化。盡管它們具有不同的增益G1和G2，兩個系統1和2都同樣有效。每個系統能被獨立地校正以給出對樣品單元中NO的存在的成比例的響應。這在圖5中被圖示。
當水存在時，對于具有增益G1和G2的兩個系統出現輸出信號上的誤差。這通過使用圖6中的試驗結果顯示出來，其中氮中NO為恒定水平76ppm，而增加水背景的水平。圖6也顯示了使用用水的先前校正得出的校正系數(圖7)的校正濃度讀數。水的濃度也能夠從讀數的不同推斷出，因此如果需要，能夠顯示濃度讀數。
如果相對于在密閉的試管內的NO，對于樣品單元中的NO本身出現了負交叉干擾的變化，這種方法也適用。例如由于背景氣體成分的變化和壓力或溫度的變化引起的線展寬，這可能發生。由于相關的NO靈敏度的變化，這將通常導致測量誤差。然而，使用本專利中描述的方法，也能夠校正此影響。
權利要求
1.一種方法，用于在材料的光譜測量中，通過原始測量信號的分析，自動補償背景干擾物的存在，所述原始測量信號通過在信號中人為地引入負交叉干擾的操作產生。
2.一種方法，用于在材料的光譜測量中，通過分析原始測量信號，自動補償譜展寬的存在，所述原始測量信號通過在信號中人為地引入負交叉干擾的操作產生。
3.根據權利要求1或2所述的方法，使用兩個或更多個不同水平的基線參考，進行測量。
4.根據權利要求1或2所述的方法，其中通過改變處理電路的增益獲得兩個基線參考。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的方法，使用任何介質固體、液體、氣體或等離子體的、在任何波長處的吸收測量。
6.根據權利要求1-4中任一項所述的方法，使用任何介質固體、液體、氣體和等離子體的、在任何波長處的反射系數測量。
7.根據權利要求1-4中任一項所述的方法，使用任何介質固體、液體、氣體和等離子體的、在任何波長處的發射測量。
8.根據上述權利要求中任一項所述的方法，包括監控所述干擾物的存在，并產生與干擾物濃度有關的信號。
9.根據權利要求2-7中任一項所述的方法，包括監控譜展寬的存在，并產生與導致它的原因如背景氣體成分、壓力或溫度有關的信號。
全文摘要
通過校正交叉干擾改進了相關光譜法測量。這通過把不同增益施加到輸出信號實現，由此背景干擾種類的影響能夠被計算并且自動校正系數能夠被應用。
文檔編號G01N21/17GK1971247SQ20061013201
公開日2007年5月30日 申請日期2006年10月19日 優先權日2005年11月23日
發明者詹姆斯·霍比, 馬丁·洛佩茲 申請人:仕富梅集團公司
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