CN104458650B - 用于测量试样气体的气体成分浓度的气体分析仪和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于测量试样气体中气体成分浓度的方法和气体分析仪。为依波长扫描试样气体中待测气体成分的吸收谱线，能调谐波长的光源的光的波长在周期性依次连续的扫描区间中变化并在此附加利用调制频率来调制。调制光引导穿过试样气体至探测器，其测量信号在调制频率的二次谐波中来解调并分析在此获得的解调的测量信号来得出每个扫描区间的测量结果。为改进测量信号噪音关系，附加利用至少一个其他频率调制光源光的波长，该频率比下一个更低的其他频率或者调制频率大调制频率值的两倍。在至少一个其他频率的二次谐波中附加解调测量信号。此时获得的至少一个其他解调测量信号或与解调测量信号组合，或经分析得出其他测量结果，其与测量结果组合。

Description

用于测量试样气体的气体成分浓度的气体分析仪和方法
技术领域
本发明涉及一种方法以及一种气体分析仪。
背景技术
这种方法或者这种气体分析仪例如由EP 1 475 618 B1中已知。
在已知的气体分析仪中，涉及一种激光光谱仪，其特别用于过程测量技术中光学上的气体分析。激光二极管形式的能调谐波长的光源制造红外频带的光，其穿过待测的过程气体(试样气体)并且随后探测上述光。光的波长调谐到待测气体成分各自的特殊吸收谱线上，其中激光二极管周期性地与波长相关地探测吸收谱线。为此，在周期性依次连续的探测区间内利用斜面或者三角形的电流信号控制激光二极管。在吸收谱线的较慢的探测期间，附加的利用高频和小振幅正弦地调制所制造的光的波长。因为吸收谱线的形态不是线性的，在探测时获得的测量信号中还产生了调制频率之上的谐波。通常在n-次上部振荡中、优选的在二次谐波中通过相位敏感的锁定(Lock-in)技术解调测量信号并且对于每个探测区间的测量信号评估出一个测量结果。在调制振幅很小时，n-次谐波的探测直接与直接测量信号的n-次导数成比例。例如通过将理想状态中期待的解调测量信号的变化曲线(额定曲线)拟合(曲线拟合Curve-Fitting)到其实际变化曲线上(实际曲线)来进行评估。
随后，由上述过程中获得的测量结果确定待测气体成分的浓度。
气体成分浓度测量的探测极限和测定极限通过气体分析仪的与测量信号重叠的噪声(例如：激光噪声、探测器噪声)来限定。
发明内容
本发明基于以下目的，改进测量信号和噪声的关系。
根据本发明，该目的通过一种方法以及一种气体分析仪来实现。
根据本发明，不仅利用一个频率而且利用特别多个频率(2n-1)f，n＝1，2，3…，调制光源的光的波长。在该频率的二次谐波2(2n-1)f或者如下还将阐述的、在2nf频率中解调测量信号。在此过程中获得的解调测量信号例如通过数据融合(Data Fusion，Multi-Sensor Data Fusion多传感器数据融合)来组合，在最简单的情况下即相加，并且随后例如通过曲线评估、曲线拟合或者与参照信号的关联性评估出测量结果。替代性的，首先可以逐一评估解调的测量信号并且随后组合所获得的测量结果，例如相加。
由于吸收谱线的非线性形式，测量信号不仅包括多重在调制时使用的频率(谐波)，而且也包括这些频率的和与差。因为调制频率彼此间隔双倍的最小调制频率f并且在调制频率的二次谐波中进行测量信号的解调，和频率和差频率或者与调制频率的二次谐波重合或者刚好位于二次谐波的中间，从而测量信号的频率部分彼此间隔双倍的最小调制频率f并且因而间隔双倍的信号带宽。位于二次谐波之上的频率振幅相应的明显小于二次谐波的振幅，并且因此不会干扰。因此，在利用四个不同频率f，3f，5f，7f调制光的波长时，在测量信号中显示了连续的频率部分：
2f：由调制频率f产生的测量信号部分的二次谐波，
调制频率3f和f之差，
调制频率5f和3f之差，
调制频率7f和5f之差；
4f：调制频率5f和f之差，
调制频率7f和3f之差，
调制频率f和3f之和；
6f：由调制频率3f产生的测量信号部分的二次谐波，
调制频率7f和f之差，
调制频率f和5f之和；
8f：调制频率7f和f之和，
调制频率3f和5f之和；
10f：由调制频率5f产生的测量信号部分的二次谐波，
调制频率3f和7f之和；
12f：调制频率5f和7f之和；
14f：由调制频率7f产生的测量信号部分的二次谐波。
因为不同的频带中的噪声不是相关的并且不同的信号部分在频率2f至4f中相加，在评估得出测量结果时产生极高的信号噪声间隔。
优选地，对于评估，使用具有2f至14f的所有测量信号部分。但是还可以仅使用具有由调制频率f，3f，5f，7f产生的谐波2f，6f，10f，14f的测量信号部分。在有干扰的情况下，评估还可以限定到各个最佳的频带上。
如同已经描述的，首先可以将解调的测量信号相加并且然后评估出测量结果，或者首先逐一评估并且随后相加所获得的测量结果。如果噪声在两个变量上不相关联，可以计算或者相加这两个变量，如此可以导致进一步地改善噪声间隔。逐一评估解调测量信号具有以下优势，可以根据单个的测量结果修正或者调整不同的频率调制。但是此外，还显示了可以良好拟合解调的测量信号之和的仿真并且结果并不明显差于已相加的单个拟合结果。
附图说明
下面参考附图进一步阐述本发明；在每张图中示出：
图1是根据本发明的气体分析仪的第一实施例，
图2是该气体分析仪中的激光二极管的注入电流的变化曲线实例，以及
图3是根据本发明的气体分析仪的第二实施例。
具体实施方式
图1中以简化的框图形式示出的气体分析仪涉及用于测量试样气体1的至少一种感兴趣的气体成分浓度的激光光谱仪，试样气体包含在测试体2中、例如测试罐或者过程气体导管中。光谱仪包含激光二极管形式的光源3，其光4在透射试样气体1之后入射到探测器5上。受调制装置6控制的电源7为激光二极管3输送注入电流i，其中所产生的光4的强度和波长与电流i和激光二极管3的运行温度相关。调制装置6包括第一信号发生器8，其利用预设地、优选地为斜面或者三角形的函数9周期性地操控电源7，以便利用所产生的或多或少与电流i的变化曲线呈线性关联的光4的波长扫描所选择的感兴趣的气体成分的吸收谱线。此外，第一信号发生器8还有规律地、例如在每个扫描周期之后产生一个突发脉冲信号。多个、此处为四个信号发生器11制造具有更高频率f，3f，5f，7f的正弦信号12，该频率在加法环节13中与斜面或者三角形函数9叠加。
图2示出了在操控周期内的注入电流i(t)的变化曲线实例。此时，借助斜面形函数9产生两个不同的电流斜面，以便可以扫描两个不同的吸收谱线，例如试样气体1的待测气体成分的吸收谱线和参照气体(图1中未示出)的吸收谱线。附加的，利用频率f，3f，5f，7f和很小的振幅正弦地调制电流斜面。利用突发脉冲信号10产生两个突发电流，其强度等于电流斜面的起始值和终值。
返回到图1，探测器5根据探测到的光强度产生测量信号14，测量信号在放大器15中高通过滤并且根据由突发脉冲信号10所产生的信号部分自动地放大并且单位化。在评估装置16中，在调制频率f，3f，5f，7f的二次谐波2f，6f，10f，14f中解调单位化的测量信号14，并且解调位于谐波之间的调制频率f，3f，5f，7f的和频率与差频率4f，8f，12f。解调在平行的通道中进行，该通道分别具有带通滤波器17和附带低通滤波器19的锁定(Lock-in)放大器18。此时，带通过滤的测量信号14通过与参照信号相乘而在相应的解调频率2f、4f、至14f中相位灵敏地解调，并且通过随后的低通过滤提取解调的测量信号142f，144f至1414f的同相成分、即使用信号部分。解调的测量信号142f，144f至1414f、准确说是使用信号部分，在加法器20中累加成和信号21并且随后在计算单元22中评估。在此，例如通过将理想情况下在二次谐波中解调的测量信号的期待变化曲线拟合(曲线拟合Curve-Fitting)到和信号21的变化曲线上来进行评估。(不仅来自不同调制频率的二次谐波所产生的测量信号部位、而且由调制频率之差与和产生的测量信号部分也具有相同的变化曲线。)随后，由通过评估获得的测量结果23确定待测气体成分的浓度24。
图3示出了根据本发明的气体分析仪的替代实施例，气体分析仪与图1的气体分析仪不同点在于，解调的测量信号142f，144f至1414f，更确切地说其使用信号部分在运算单元25中逐一拟合，并且在加法器27中将曲线拟合的结果262f，264f至2614f累加成测量结果23。
下面给出气体分析仪的设计的数字实例：
数字信号处理具有192kHz的扫描速率、6kHz的带宽，也就是频率间隔12kHz并且4个调制频率f＝6kHz，3f＝18kHz，5f＝30kHz以及7f＝42kHz。对于更多的调制频率，信号处理必须模拟地进行、提高扫描速率或者缩小带宽。在探测器方面，此时需要下列频带：2f＝12kHz，4f＝24kHz，6f＝36kHz，8f＝48kHz，10f＝60kHz，12f＝72kHz以及14f＝84kHz。如此，调制频率的间隔是多倍的，此处也就是2f＝12kHz的多倍。调制频率的数量和因此导致的频带数量最终取决于所应用的光源，其中目前VCSEL激光器可以利用直到几百kHz来调制。

Claims (8)

1.一种用于借助气体分析仪测量试样气体(1)中的气体成分浓度的方法，其中
为了与波长相关地扫描感兴趣的所述气体成分的吸收谱线，能调谐波长的光源(3)的光(4)的波长在周期性依次连续的扫描区间中变化，并且附加地通过第一调制频率(f)和比所述第一调制频率高三倍的第二调制频率(3f)正弦地调制所述波长，经过调制的所述光(4)引导穿过所述试样气体(1)至探测器(5)，并且
在所述第一调制频率(f)的二次谐波(2f)中相位敏感地解调由所述探测器(5)产生的测量信号(14)，并且，评估因此获得的经过解调的第一测量信号(142f)得出对于每个所述扫描区间的第一单独测量结果(262f)，
其特征在于，
在所述第二调制频率(3f)的二次谐波(6f)中相位敏感地附加地解调所述测量信号(14)，并且
因此获得的经过解调的第二测量信号(146f)要么和经过解调的所述第一测量信号(142f)组合得出和信号(21)，要么评估经过解调的所述第二测量信号(146f)得出与所述第一单独测量结果(262f)组合的第二单独测量结果(266f)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，附加地通过至少一个其他频率(5f，7f)调制所述光源(3)的所述光(4)的所述波长，该其他频率比下一个更低的其他频率或者所述第一调制频率(f)大所述第一调制频率(f)的值的两倍，并且
因此获得的至少一个经过解调的其他测量信号(1410f，1414f)要么与经过解调的所述第一测量信号(142f)和经过解调的所述第二测量信号(146f)组合得出所述和信号(21)，要么评估至少一个经过解调的所述其他测量信号(1410f，1414f)得出与所述第一单独测量结果(262f)和所述第二单独测量结果(266f)组合的其他单独测量结果(2610f，2614f)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
附加地在用于调制的所述第一调制频率(f)、所述第二调制频率(3f)和所述其他频率(5f，7f)的至少一个和频率与差频率中解调所述测量信号(14)，并且
在此获得的至少一个经过调制的附加测量信号(144f，148f，1412f)要么与经过解调的所述第一测量信号(142f)和经过解调的所述第二测量信号(146f)和/或经过解调的所述其他测量信号(1410f，1414f)组合得出所述和信号(21)，要么经评估得出附加的单独测量结果(264f，268f，2612f)，所述附加的单独测量结果与所述第一单独测量结果(262f)和所述第二单独测量结果(266f)和/或其他单独测量结果(2610f，2614f)相组合得出总测量结果(23)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，为了评估所述和信号(21)、经过解调的所述第一测量信号(142f)、解调的所述第二测量信号(146f)、解调的所述其他测量信号(1410f，1414f)或经过调制的附加测量信号(144f，148f，1412f)，将理想曲线在所述扫描区间上分别拟合到上述信号的变化曲线上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述组合通过数据融合或者相加来进行。
6.一种用于测量试样气体(1)中的气体成分浓度的气体分析仪，具有能调谐波长的光源(3)，
调制装置(6)，为了与波长相关地扫描感兴趣的所述气体成分的吸收谱线，所述调制装置使所述光源(3)的光(4)的波长在周期性依次连续的扫描区间中变化，并且附加地通过第一调制频率(f)和比所述第一调制频率高三倍的第二调制频率(3f)正弦地调制所述波长，
引导经过调制的所述光(4)穿过所述试样气体(1)到探测器(5)的装置，以及
评估装置(16)，在所述第一调制频率(f)的二次谐波(2f)中，所述评估装置相位敏感地解调由所述探测器(5)产生的测量信号(14)并且评估因此获得的经过解调的第一测量信号(142f)得出对于每个扫描区间的第一单独测量结果(262f)，
其特征在于
所述评估装置(16)设计用于，在所述第二调制频率(3f)的二次谐波(6f)中相位敏感地附加地解调所述测量信号(14)，并且，因此获得的经过解调的第二测量信号(146f)要么和经过解调的所述第一测量信号(142f)组合得出和信号(21)，要么评估经过解调的所述第二测量信号(146f)得出与所述第一单独测量结果(262f)组合的第二单独测量结果(266f)。
7.根据权利要求6所述的气体分析仪，其特征在于，所述调制装置(6)还设计用于，附加地通过至少一个其他频率(5f，7f)调制所述光源(3)的所述光(4)的所述波长，该其他频率比下一个更低的其他频率或者所述第一调制频率(f)大所述第一调制频率(f)的值的两倍，并且
因此获得的至少一个经过解调的其他测量信号(1410f，1414f)要么与经过解调的所述第一测量信号(142f)和经过解调的所述第二测量信号(146f)组合得出所述和信号(21)，要么经评估至少一个经过解调的所述其他测量信号(1410f，1414f)得出与所述第一单独测量结果(262f)和所述第二单独测量结果(266f)组合的其他测量结果(2610f，2614f)。
8.根据权利要求7所述的气体分析仪，其特征在于，所述评估装置(16)还设计用于，附加地，在用于调制的所述第一调制频率(f)、所述第二调制频率(3f)和所述其他频率(5f，7f)的至少一个和频率与差频率中解调所述测量信号(14)，并且在此获得的至少一个经过调制的附加测量信号(144f，148f，1412f)要么与经过解调的所述第一测量信号(142f)和经过解调的所述第二测量信号(146f)和/或经过解调的所述其他测量信号(1410f，1414f)组合得出所述和信号(21)，或者经评估得出附加的单独测量结果(264f，268f，2612f)，所述附加的单独测量结果与所述第一单独测量结果(262f)和所述第二单独测量结果(266f)和/或所述其他单独测量结果(2610f，2614f)相组合得出总测量结果(23)。
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