KR101580606B1 - 가스의 레이저 분광을 위한 방법 - Google Patents

가스의 레이저 분광을 위한 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101580606B1
KR101580606B1 KR1020140059199A KR20140059199A KR101580606B1 KR 101580606 B1 KR101580606 B1 KR 101580606B1 KR 1020140059199 A KR1020140059199 A KR 1020140059199A KR 20140059199 A KR20140059199 A KR 20140059199A KR 101580606 B1 KR101580606 B1 KR 101580606B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas
signal
gas concentration
concentration value
measured gas
Prior art date
Application number
KR1020140059199A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140135661A (ko
Inventor
에들러 줄리안
베이어 토마스
디쉬 롤프
Original Assignee
식아게
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 식아게 filed Critical 식아게
Publication of KR20140135661A publication Critical patent/KR20140135661A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101580606B1 publication Critical patent/KR101580606B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G01J3/433—Modulation spectrometry; Derivative spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G01J3/433—Modulation spectrometry; Derivative spectrometry
    • G01J3/4338—Frequency modulated spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
    • G01N21/274—Calibration, base line adjustment, drift correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3554—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for determining moisture content
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
    • G01N2021/396—Type of laser source
    • G01N2021/399—Diode laser
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/069—Supply of sources
    • G01N2201/0691—Modulated (not pulsed supply)
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/12—Circuits of general importance; Signal processing
    • G01N2201/121—Correction signals
    • G01N2201/1211—Correction signals for temperature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/12—Circuits of general importance; Signal processing
    • G01N2201/121—Correction signals
    • G01N2201/1215—Correction signals for interfering gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/12—Circuits of general importance; Signal processing
    • G01N2201/121—Correction signals
    • G01N2201/1218—Correction signals for pressure variations

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

분광계를 이용하여 샘플에서의 가스(15)의 농도 및/또는 가스(15)의 조성을 결정하는 방법은: 파장이 실질적으로 연속적으로 파장 범위를 통과하는 방사(19)를 전달하는 단계 -여기서, 파장 범위의 연속적인 통과는 파장 변조, 바람직하게는 실질적으로 조화 파장 변조에 의해 중첩됨- ; 상기 가스(15)에 의한 상기 방사(19)의 흡수로부터 흡수 신호(29)를 상기 방사(19)의 파장의 함수로 측정하는 단계(27); 상기 흡수 신호(29)를 제1 미분 신호로 변환하는 단계(31); 상기 제1 미분 신호(33)로부터 적어도 하나의 제1 측정 가스 농도 값(39)을 도출하는 단계(37); 상기 적어도 하나의 제1 측정 가스 농도 값(39)으로부터 상기 가스(15)의 농도 및/또는 조성(49)를 결정하는 단계(47)를 포함하고, 상기 파장 변조는 상기 가스(15)의 적어도 하나의 상태 변수의 변화에 대응하여 적응되며, 상기 방법은: 상기 흡수 신호(29)를 제2 미분 신호(35)로 변환하는 단계(31); 상기 제2 미분 신호(35)로부터 적어도 하나의 제2 측정 가스 농도 값(41)을 도출하는 단계(37)를 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 파장 변조는, 상기 제1 측정 가스 농도 값(39)과 상기 제2 측정 가스 농도 값(41)의 비(43)가 실질적으로 일정하게 유지되도록, 바람직하게는 연속적으로, 순응되는(45) 것을 특징으로 한다.

Description

가스의 레이저 분광을 위한 방법{Method for the laser spectroscopy of gases}
본 발명은 분광계(spectrometer)를 사용하여 샘플에서의 가스들의 농도 및/또는 가스의 조성(composition)을 결정하는 방법에 관한 것이다. 방법은 방사(radiation)의 전송, 흡수 신호(absorption signal)의 측정, 흡수 신호의 미분 신호(derivative signal)로의 변환, 측정된 가스 농도 값으로부터의 가스 농도 및/또는 조성의 결정뿐만 아니라 미분 신호로부터의 측정된 가스 농도 값의 미분을 포함하고, 방사의 파장 변조(wavelength modulation)가 가스의 상태 변수(state variable)의 변화에 대응하여 조정된다. 본 발명은 또한 이러한 방법을 수행하기 위한 분광계에 관한 것이다.
그 조성에 관한 가스 샘플의 시험 및 특히 샘플의 특정 가스의 농도에 관한 시험을 위해, 다른 가스 또는 가스 혼합물을 통하는 빛과 같은 방사의 특정 흡수를 참고로 하는 분광을 이용하여 이 정보를 도출하는 것이 알려져 있다. 레이저 분광계가 예를 들어 측정 셀(measurement cell)과 같은 측정 공간에 위치하는 샘플을 통해 방사되거나 측정 공간을 통해 흐르는 레이저 분광계가 이러한 목적을 위해 통상적으로 사용된다. 레이저 전파(propagation) 방향으로의 샘플의 알려진 범위(측정 공간의 범위)로, 방사되는 레이저 광의 파장에 의존하는 흡수 계수(absorption coefficient)는 람베르트-베르 법칙(Lambert-Beer's law)에 따라 결정될 수 있다. 샘플에서 가스의 농도 또는 그 비율에 대한 결론은 서로 다른 가스들의 스펙트럼들을 사용하는 이러한 방식에 의해 얻어지는 흡수 스펙트럼(absorption spectrum)의 비교로부터 도출될 수 있다.
서로 다른 가스들은 그들이 특히 높은 흡수를 가지는 서로 다른 고유 파장을 가진다. 전달 스펙트럼의 최소값들에 대응하는 흡수 스펙트럼의 대응하는 최대값들은 이상적으로는 예리한 흡수 라인들이다. 그러나, 가스의 압력 및 온도 의존 도플러 효과(Doppler effect)에 대한 약한 관련에 의해, 실제 흡수 라인들은 특정 흡수 라인 형태를 형성하도록 넓어진다. 일반적으로, 통상적으로 압력에 의존적인 너비를 갖는 로렌쯔 곡선(Lorentz curve)에 의해 온도 의존적인 도플러 확장(temperature dependent Doppler broadening)에 전형적인 가우시안 곡선 폴딩(folding of a Gaussian curve)의 겹침을 낳는 포크트 프로파일(Voigt profile)을 실질적으로 가진다.
따라서 전체 파장 범위가 예를 들어 분광계의 레이저가 선형 파장 램프(ramp)를 통과하는 흡수 스펙트럼에서 하나 이상의 그러한 흡수 라인들의 측정을 위해 검사된다. 이런 점에서, 선형 램프는 복수의 횟수로 동일한 파장 범위를 통과하기 위해 톱니 함수(saw tooth function) 또는 삼각 함수(triangle function)의 일부일 수 있다. 파장 범위는 시험되는 가스의 하나 또는 그 이상의 흡수 라인이 그것에 의해 커버되도록 선택된다. 준비는 동일한 가스 및/또는 샘플의 서로 다른 가스의 서로 다른 흡수 라인들을 검출하도록 복수의 분리된 파장 범위를 통과하도록 이루어질 수 있다.
이 직접 분광의 연장은 파장 범위의 실질적으로 연속적인 통과(running through)가 그것에 대해 빠른 파장의 변조에 의해 중첩되는 파장 변조 분광에 의해 나타난다. 이러한 파장 변조는 고정되게 미리 정의된 변조 주파수를 가지는 전형적으로 싸인파 형태(sinusoidal)이다. 그러나, 파장 변조는, 실제 레이저가 대체로 예를 들어 변조된 전류 신호 또는 전압 신호로 미리 정의된 변조를 파장 변조로 완벽하게 변환하지 않기 때문에, 조화 범위(harmonic extent)와는 다를 수 있다. 흡수 스펙트럼이 전달 함수로 작용하기 때문에, 레이저 광의 파장 변조는 흡수로 인한 샘플에 의해 분광계에 의해 기록되는 대응하게 변조된 흡수 신호로 변환된다.
변조 주파수 및 변조 주파수의 정수 배수(whole-number multiples)에서의 부분 (portions)은 산정을 위한 변조된 흡수 신호로부터 결정된다. 예를 들어 이것은 위상 판별 증폭기(phase-sensitive amplifier), 전형적으로 락인 증폭기(lock-in amplifier)를 사용하거나 계산 과정, 예를 들어 푸리에 분석(Fourier analysis)에 의해 일어날 수 있다. 변조 주파수 또는 모든 파장에 대한 변조 주파수의 배수에서의 변조된 흡수 신호의 부분을 나타내는 이와 같이 결정된 신호들은, 그들이 실질적으로, 즉 특히 작은 변조 진폭의 이도 저도 아닌 경우(borderline case), 흡수 스펙트럼의 (수학적) 미분(derivation)에 실질적으로 대응하기 때문에, 또한 미분 신호로 불린다. 이런 점에서 변조 주파수 그 자체에서의 비율은 제1 미분(first derivation)에 대응하고 또한 1f 신호라 불리며, 변조 주파수의 두 배에서의 비율은 2f 신호라고 불리고 제2 미분(second derivation)에 대응하고 이하 이와 같다.
이러한 연관에 기초하여, 미분 신호들은, 가스 농도 또는 샘플 조성이 각각의 미분 신호로부터 결정될 수 있도록, 직접 흡수 신호에 포함되어 있는 동일한 정보를 실질적으로 포함한다. 이런 점에서 미분 신호 사용의 장점은 결정될 정보가 신호대 노이즈 비율(signal to noise ratio)이 낮은 주파수 범위들 내에서 보다 대체로 더 좋은 더 높은 주파수 범위들 내로 대체될 수 있다는 것이다. 또한, 흡수 스펙트럼을 제외될 베이스 라인으로 위조하는 백그라운드 신호들이 미분 신호들에 의해 부분적으로 제거될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 일정 오프셋(constant offset)의 영향은 1f 신호에서; 2f 신호에서 임의의 요구되는 선형 베이스 라인들의 영향은 제거되고 이하 이와 같다. 미분 신호의 차수가 높을 수록, 더 복잡한 베이스 라인들이 신호로부터 필터링되지만, 신호 강도는 더 낮아진다. 이러한 이유로 인해, 2f 신호는 산정의 더 높은 미분의 장점과 단점 사이의 좋은 타협으로 통상적으로 사용된다. 그리고 측정된 가스 농도 값은 가스의 농도 및/또는 조성의 측정인 미분 신호로부터 도출될 수 있다.
파장 변조 분광의 원리에 따른 레이저 분광을 사용하는 가스 분석을 위한 방법은 EP 1 873 513 A2에서 기술된다. 신호 산정의 일부로서, 결론이 흡수 스펙트럼의 2f 신호로부터의 가수의 농도와 같은 파라미터로 어떻게 귀결되는지가 거기에 특히 나타난다. 나아가, 가스 농도의 결정에서, 캘리브레이션(calibration)의 일부로서 결정되는 가변 조건들, 예를 들어 압력, 온도 및 외부 가스 영향과 같은 상태 변수(state variables)의 변화가 고려되는 것이 기술된다.
측정된 가스 농도 값에 대한 가변 파라미터들의 가능한 많은 조합의 각각의 위조 영향이 고려될 수 있는 가능한 많은 그러한 조합에서 결정되어야만 하기 때문에, 그러한 캘리브레이션은 매우 복잡할 수 있다. 더욱이, 위조의 범위는, 특히 장치 특성에 관련된 파라미터들에서, 시간이 흐르면서 변화하고 그에 따라 캘리브레이션은 변화된 영향에 적합하도록 일정 간격으로 반복되어야 한다.
그러나, 측정된 가스 농도 값은 가스 농도 그 자체 및 소위 위조 영향뿐만 아니라 특히 선택된 파장 변조에 의존할 수 있다. 그에 따라 측정된 가스 농도에 대한 위조 영향, 특히 가스의 압력의 위조 영향은 후속 산정의 일부로서뿐만 아니라 측정에서 이미 보상된다.
캘리브레이션의 일부로서의 특정 압력 범위에 대해, EP 2 520 925 A1은 예를 들어 거기에서 측정된 가스 농도 값에 대한 압력의 영향이 너무 작아서 그것이 본적으로 무시될 수 있는 파장 변조 진폭을 측정에서 결정하고 그리고 나서 이용하는 것을 제안한다. WO 2008/112955 A1에서, 가스의 현재 압력을 측정하기 위한 압력 센서를 포함하고, 파장 변조의 진폭이 측정된 압력에 따라 변화되는, 파장 변조 분광을 위한 분광계가 기술된다. 이러한 점에서 측정된 가스 농도 값에 대한 압력의 영향이 보상되도록 진폭이 변화된다. 그러나 이들 방법은 변조 진폭을 결정하기 위해 별도의 캘리브레이션 과정이 수행되어야 하거나 분광계가 샘플의 압력을 결정하기 위한 압력 센서를 포함하여야 한다는 점에서 상대적으로 복잡하다.
본 발명의 목적은, 특히 별도의 압력 센서, 외부 가스 영향 및 측정될 가스의 농도와 무관하게, 측정될 가스의 상태 변수의 위조 영향이 샘플에서의 측정에서 저렴한 비용으로 미리 보상될 수 있는, 분광계를 사용하여 샘플에서의 가스 농도 및/또는 샘플에서의 가스 조성을 결정하는 방법을 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 제1항의 특징을 가지는 방법에 의해 달성되고, 특히 방법이 제2 미분 신호로부터 적어도 하나의 제2 측정된 가스 농도 값의 미분뿐만 아니라 흡수 신호의 제2 미분 신호로의 변환을 포함하는 점에서, 그리고 파장 변조가 제1 측정 가스 농도 값과 제2 측정 가스 농도 값 사이의 비가 실질적으로 일정하게 유지되도록 파장 변조가, 바람직하게는 계속적으로, 변화되는 점에서, 달성된다. 그 목적은 본 발명에 따른 방법을 수행하도록 형성된 분광계에 의해 그에 따라 달성된다. 바람직한 추가적인 것은 종속 청구항들의 내용이다.
예를 들어 미분 신호에서 결정될 수 있는 영역 및 유사한 측정을 나타내는 각각의 미분 신호로부터 도출될 수 있고 측정될 가스 농도 및/또는 측정될 가스 조성에 대한 정보를 측정된 값으로 포함하는 값들은 이 점에서 측정된 가스 농도 값으로 이해되어야 한다. 측정된 가스 농도 값은 가스 농도를 반영하는 측정된 값이다. 이러한 점에서 가스 농도의 결정은 샘플에서의 가스 농도의 결정을 의미하고, 이 용어는 가스 내의 가스 성부의 농도의 결정 또는 가스의 조성의 결정을 포함하여야 한다.
제1 측정 가스 농도 값 및 제2 측정 가스 농도 값은 같은 방식으로 또는 다른 방식으로 제1 및 제2 미분 신호로부터 각각 도출될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 측정 가스 농도 값은 각 미분 신호의 레벨, 스페이싱(spacing), 폭 또는 영역(area)일 수 있거나, 제1 측정 가스 농도 값은 예를 들어 제1 미분 신호의 레벨일 수 있고 제2 측정 가스 농도 값은 예를 들어 제2 미분 신호의 영역 일 수 있다.
이러한 점에서 "제1 미분 신호"라는 표현은 흡수 신호(1f 신호)의 제1 미분에 대응하는 미분 신호에 한정되기 않고 미분 신호들(1f, 2f, 등) 중 임의의 하나를 나타낼 수 있다. 동일한 것이 2f 신호에 한정되는 것으로 이해되어서는 안 되는 "제2 미분 신호"라는 표현에 적용된다. 그러나 제2 미분 신호는 바람직하게는 제1 미분 신호와는 다른 신호이다.
본 발명에 따른 방법에서, 그에 따라 파장 변조를 상태 변수의 변화에 따라 순응(adapt)시키기 위해 직접 모니터링되는 측정된 가스 농도 값에 대한 위조 효과를 가지는 가스의 상태 변수가 아니다. 파장 변조의 순응은 오히려 제1 및 제2 미분 신호 및 이로부터 도출된 제1 및 제2 측정 가스 농도 값에 대한 영향을 가지는 흡수 신호의 변화에 대해 발생한다. 이 이유로 인해, 상태 변수는 별도의 센서에 의해 검출되어야만 하는 것이 아니다.
마지막으로, 파장 변조의 순응은 본 발명에 따른 방법에서 상태 변수의 변화에 대응하여 일어난다. 그러나, 이 변화는, 상태 변수의 별도의 측정에 의해서가 아니라, 임의의 방식으로 측정된 흡수 신호를 참조로, 소위 흡수 신호의 미분 신호로부터 도출되는 두 개의 측정 가스 농도 값의 비율에 의해, 결정된다. 이런 점에서 이 비율은 순응(adaptation)을 위한 조절 값(regulation value)으로 상태 변수를 대체한다.
파장 변조의 순응(adaptation)은 특히 연속적으로, 즉 연속적인 제어의 의미로 일어날 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 측정 가스 농도 값의 비의 각각의 현재 실제 값은 원하는 값으로 미리 정의된 비와 연속적으로 비교된다. 원하는 값으로부터의 실제 값의 편차에서, 파장 변조는 정정이 편차를 가능한 크게 보상하도록 편차를 상쇄하는 알려진 제어 원칙에 따라 순응된다. 이러한 방식으로, 실제 비는 미리 정의된 원하는 값에 실질적으로 일정하게 유지된다. 원하는 값은 이러한 점에서 외부적으로 미리 결정될 수 있거나, 반면 그 방법 자체 내에서 예를 들어 테이블을 참조하고/하거나 가스의 상태 변수 또는 측정의 다른 파라미터에 의존하여 결정될 수 있다.
특히 본 발명에 따른 방법에서 가스의 상태 변수의 변화가 동일한 흡수 신호의 두 개의 서로 다른 미분 신호에 대해 서로 다른 효과를 가진다는 것이 이용된다. 측정에서 상태 변수의 영향은 그에 따라 두 개의 서로 다른 미분 신호(제1 미분 신호 및 제2 미분 신호)로부터의 정보의 혼합된 관찰에 의해 도출될 수 있다. 이러한 혼합된 관찰은 비(ratio)의 형성에 의해 실질적으로 발생한다. 측정된 가스 농도가 일정하게 유지되는 조절 값(regulation value)으로 직접 사용되면, 가스 농도에 대한 정보는 또한 조절되어 없어지기 때문에 그로부터 더 이상 얻어질 수 없다. 그러나, 두 측정 가스 농도의 값의 비가 일정하게 유지되기 때문에, 가스 농도에 대한 정보가 유지되고 제1, 제2, 또는 다른 측정 가스 농도 값으로부터 얻어지면서, 상태 변수의 영향은 특별히 조절되어 없어질 수 있다.
파장 변조의 순응은 서로 다른 변경을 포함할 수 있고 서로 다른 방식으로 일어날 수 있다. 파장 변조의 순은은 특히 그 진폭의 순응이다. 이를 대체하거나 이에 추가적으로, 파장 변조의 주파수도 역시 순응될 수 있다.
비록 흡수 라인이 가스의 상태 변수에 의존하여 형태가 변경되지만, 파장 변조는 본 발명에 따른 방법에 의해 지속적으로 최적화될 수 있다. 파장 변조의 이러한 최적화는, 방사 소스, 예를 들어 레이저의 실질적 특징에 대한 측정의 캘리브레이션이 생략될 수 있다는 추가적인 장점을 갖는데, 이는 이들 특징의 변화가 본 발명에 따른 방법의 프레임워크 내에서 대략적으로 보상될 수 있기 때문이다. 방사 소스는 소위 실제로 전달되는 방사에 대한 디폴트 값과 차이를 가진다. 그러나 이 차이는 본 발명에 따른 방법의 프레임워크 내에서 대략적으로 보상될 수 있다.
유리한 실시예에 따르면, 제1 및/또는 제2 미분 신호는 방사의 강도에 따라 또는 흡수 신호의 강도에 따라 표준화된다. 이러한 점에서, 표준화(norming)는 특히 강도에 비례하도록 일어날 수 있다. 예를 들어 강도는 흡수 신호의 일부로서 또는 그와는 별도로 예를 들어 분광계의 디텍터에 의해 수신되는 방사의 강도로서 측정될 수 있다.
그 변화에 파장 변조가 순응되는 가스의 상태 변수의 적어도 하나는 바람직하게는 압력 및/또는 가스의 외부 영향을 포함한다. 예를 들어, 가스의 압력 및/또는 가스의 외부 가스 영향에 대한 측정의 의존이 보상되도록 일정하게 유지되는 비가 선택될 수 있다. 상태 변수가 적어도 가스 압력을 포함하면, 측정된 데이터의 후속 압력 보정을 위한 가스 압력의 결정을 위한 압력 센서가 유리하게 필요 없어질 수 있다. 상태 변수가 가스의 적어도 하나의 외부 가스 영향을 포함하면, 시험된 샘플의 임의의 미확인 외부 가스 부분에 의한 흡수 신호의 확장이 측정의 산정에서 별도로 고려될 필요가 없다.
유리한 추가적인 내용에서, 적어도 하나의 제1 측정 가스 농도 값 및/또는 적어도 하나의 제2 측정 가스 농도 값은 극한 레벨(level of an extreme)로부터, 최대 및 최소 사이의 간격으로부터, 폭으로부터 또는 미분 신호의 영역으로부터 도출된다. 예를 들어 극한 레벨은 가스의 흡수 파장의 중심 최대값의 레벨일 수 있다. 각각의 미분 신호가 흡수 신호의 짝수차 미분(2f, 4f, 등)에 대응하는 미분 신호이면, 이 신호는 대체로 가스의 각각의 흡수 라인의 중심 파장에서 지배적인 최대값을 가지고 이 최대값의 양 사이드에서 대칭으로 각각의 최소값을 가진다. 두 개의 최소값으로부터 또는 두 개의 최소값의 평균값으로부터의 중심 최대값의 값에 기반하는 간격이 언급된 간격으로 사용될 수 있다. 흡수 신호의 홀수차 미분(1f, 3f 등)에 대응하는 미분 신호는 대체로 각각의 흡수 라인의 중심 파장에 대해 점 대칭이고 중심 파장에서 영(0)과 교차하고 영과의 교차점의 일측에서 이에 인접하는 최소값 및 영과의 교차점의 다른 일측에서 이에 인접하는 최대값을 가진다. 이 경우에, 이러한 최대값 및 최소값의 값 기반의 간격은 언급된 영역(area)을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 언급된 폭은 바람직하게는 각각의 미분 신호의 극한의 절반 최대값에서의 전체 폭 또는 두 개의 극한값 사이, 두 개의 영 교차점 사이, 또는 이러한 미분 신호의 하나의 극한값 및 하나의 영 교차점 사이의 간격이다. 미분 신호의 모든 실질적으로 언급되고 명백히 식별될 수 있는 점들은 그에 따라 흡수 라인이 서로 다른 가능한 영향들에 의해 확장되는 정도를 결정하는 것을 가능하게 하는 폭을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 각각의 미분 신호의 영역은 예를 들어 x축과 미분 신호 사이에 둘러싸인 영역이고, 그 영역은 예를 들어 두 개의 영 교차점 사이의 파장 범위로 제한될 수 있고 또한 x축 아래의 그 영역은 x축 위의 영역에서 제외되거나 그에 더해질 수 있다.
실질적으로 일정하게 유지되는 비가 가스의 압력 범위에 의존하여 고정되면 더욱 바람직하다. 예를 들어, 상대적으로 높게 일정하게 유지되는 비 압력은 제1 값에 고정될 수 있고 상대적으로 낮은 압력은 그로부터 선택이 이루어질 수 있는 제2 값에 고정될 수 있다. 그러나 비와 압력 범위 사이의 연속적인 연결에 이르는 더 좋은 점진적 변화가 또한 가능하다. 압력 범위는 이와 관련하여 외부에서 또는 예측되어 미리 정의될 수 있다. 이와 관련하여, 정확한 압력을 측정하는 것이 문제가 아니고 적어도 약간의 가능성으로 실제 압력이 위치하는 범위를 결정하는 것이 문제이다. 비록 일반적으로 서로 다른 비가 각각의 압력 범위에서 독립적으로 조절 값으로서 사용될 수 있다고 하더라도, 몇몇 비는 압력 범위에 따라 이 압력 범위에서의 상태 변수의 영향을 보상하기 위해 다른 것들보다 더 적합할 수 있다.
실질적으로 일정하게 유지되는 비는 바람직하게는 이 비에 들어가는 제1 측정 가스 농도 값이 실질적으로 최대값이 되도록 고정된다. 일반적으로, 파장 변조를 순응시켜 측정 데이터에서 측정에 대한 적어도 하나의 상태 변수의 영향을 보상하는 목표는 조절의 각각의 원하는 값과 다른 비를 사용하여 달성될 수 있다. 그러나, 측정 가스 농도 값들 중 적어도 하나(제1)가 특히 예상되는 압력 범위에서 특히 큰 일정 비를 유지하는 것이 유리하다. 이러한 방식으로, 적어도 이러한 측정 가스 농도 값은 노이즈 비(noise ratio)에 대해 특히 우수하며, 반면에 노이즈 대 다른 측정 가스 농도 값의 비의 신호는 악화될 수 있다. 노이즈 대 제1 및 제2 측정 가스 농도 값의 비의 신호의 동시적인 최적화는 일반적으로 가능하지 않기 때문에, 일정하게 유지되는 비는 적어도 하나의 측정 가스 농도 값이 최대가 되고 그에 따라 노이즈 비에 대한 최적화된 신호를 갖도록 이 추가 내용에 따라 선택된다. 이러한 저 노이즈 측정 가스 농도 값은 가스의 농도 및/또는 조성을 결정하기 위해 유리하게 사용될 수 있으며, 반면에 이와 대조적으로 비에 들어가는 다른 측정 가스 농도 값은 노이즈 비에 대한 최적화된 신호를 갖지 않으며 그에 따라 농도 결정을 위해 사용되지 않는 것이 바람직하다. 일정 비의 조절은 그에 의해 실질적으로 부정적으로 영향을 받지 않고 측정 가스 농도 값은 직접 노이즈-최적화되며, 반면에 다른 측정된 가스 농도 값은 노이즈 비에 대한 더 나쁜 신호를 가지는 것으로 받아들여 진다.
추가적인 내용에 따르면, 가스의 농도 및/또는 조성은 실질적으로 일정하게 유지되는 비에 의존하여 결정되는 적어도 하나의 캘리브레이션 함수를 고려하면서 제1 측정 가스 농도 값으로부터 결정된다. 측정 함수는 특히 제1 측정 가스 농도 값으로부터의 가스의 농도 및/또는 조성의 결정에 추가적으로 적용되는 파장 변조의 적응에 의해 보상되지 않는 측정에 대한 그러한 위조 영향을 보상하기 위해 제공될 수 있다. 종래의 프로세스에서, 이 캘리브레이션 함수는 측정에 대한 위조 영향의 유일한 보상을 나타낸다. 캘리브레이션 함수는 특히 본 발명에 따른 방법에 의해 제1 측정 가스 농도 값에서 그 영향이 제거된 적어도 하나의 상태 변수에 영향을 고려한다. 본 발명에 따른 방법의 사용에 있어서, 캘리브레이션 함수는 유리하게는 이에 따라 더 작은 수의 위조 영향을 보상해야 하며 그에 따라 종래의 캘리브레이션 함수보다 실질적으로 덜 복잡하다. 예를 들어, 캘리브레이션 함수는 고려되어야 하는 가스의 상태 변수의 함수일 수 있다.
고려되어야 할 상태 변수가 많을수록, 캘리브레이션 함수의 차수가 더 커진다. 그러나, 캘리브레이션 함수의 차수는 본 발명에 따른 방법에 의해 감소될 수 있다. 예를 들어, 압력, 외부 가스 영향 및 가스 온도를 고려하는 캘리브레이션 함수 대신에, 단지 온도가 고려되어야 하는 캘리브레이션 함수가 제공될 수 있다. 반면에 압력, 외부 가스 영향 및 온도를 복합적으로 고려하는 캘리브레이션 함수의 결정을 위해, 시험 측정이 서로 다른 압력, 외부 가스 영향 및 온도에서 수행되어야만 하나, 온도 관계가 순전히 물리적인 것이고 알려진 관계이므로 단지 온도를 고려하는 캘리브레이션 함수는 계산에 의해 결정될 수 있다. 측정된 데이터의 추가적인 캘리브레이션은 그에 따라 본 발명에 따른 방법에 의해 간략화될 수 있다. 영역 또는 다차원 공간의 하이퍼 영역(hyperarea) 대신에, 캘리브레이션 함수는 예를 들어 단순 캘리브레이션 커브일 수 있으며 특히 단지 하나의 파라미터 또는 소수의 파라미터에 의존할 수 있다.
캘리브레이션 함수가 실질적으로 일정하게 유지되는 비에 의존하여 더욱 고정되기 때문에, 캘리브레이션 함수는 특히 일정하게 유지되는 비에 의해 보상되지 않는 측정 신호의 위조 부분을 단지 보상하기에 적합하다. 대응하는 캘리브레이션 함수는 특히 각각의 측정 이전에 서로 다른 비로 이미 결정될 수 있다. 측정을 위해 어떤 비가 선택되는지 여부에 의존하여(예를 들어 압력 범위에 의존하여), 적당한 캘리브레이션 함수가 찾아질 수 있으며 가스의 농도 및/또는 조성의 결정을 위해 고려될 수 있다.
추가 내용에서, 적어도 하나의 캘리브레이션 함수를 고려하면서, 그러한 캘리브레이션 함수는 그에 의해 외부 가스 영향 및/또는 흡수 신호에 대한 압력의 영향이 보상될 수 없으며, 가스의 농도 및/또는 조성이 제1 측정 가스 농도 값으로부터 결정된다. 그에 의해 흡수 신호에 대한 온도 및/또는 장치 특성의 영향이 적어도 실질적으로 보상될 수 있는 그러한 캘리브레이션 함수가 고려된다. 외부 가스 영향 및/또는 가스의 압력의 영향은 본 발명에 따른 방법에 의해 파장 변조의 순응을 통해 이미 보상될 수 있다. 캘리브레이션 함수는 그에 따라 온도의 영향 및/또는 장치 특성과 같은 다른 영향들을 고려하는 것으로 유리하게 제한될 수 있다. 이와 관련하여, 흡수 신호에 대한 온도의 영향은 캘리브레이션 함수를 통해 단순한 방식으로 고려될 수 있는 알려진 순전히 물리적인 관계이다.
가스의 농도 및/또는 조성이 제2 미분 신호로부터 도출되는 측정 가스 농도 값을 고려하지 않고 제1 미분 신호로부터 도출되는 적어도 하나의 제1 측정 가스 농도로부터 결정되면 더욱 유리하다. 이상적으로, 가스의 농도는 거기에서 가능한 최대값에서의 노이즈 대 신호 비(signal to noise ratio)를 가지는 적어도 하나의 측정 가스 농도 값으로부터 도출된다. 본 발명에 따르면 제1 측정 가스 농도 값과 제2 측정 가스 농도 값 사이의 비는 실질적으로 일정하게 유지되기 때문에, 제1 측정 가스 농도 값과 제2 측정 가스 농도 값의 노이즈 대 신호 비는 동시에 최대화될 수 없다. 따라서 가스의 농도 및 조성의 결정이 미분 신호 중 어느 하나, 즉 바람직하게는 더 좋은 노이즈 대 신호 비율을 갖는 것을 기초로 하면 유리하다. 대체로 제1 측정 가스 농도는 특히, 바람직하게는 단지 이 측정된 가스 농도 값이 가스의 농도 및/또는 조성을 결정하기 위해 사용되도록 제1 측정 가스 농도 값이 실질적으로 최대값에 있도록 고정되는 실시예와 관련하여, 더 좋은 노이즈 대 신호 비를 갖는다.
가스의 농도 및/또는 조성이 제1 측정 가스 농도 값으로부터의 또는 제2 측정 가스 농도 값으로부터의 압력에 의존하여 결정되면 더욱 유리하다. 즉, 단일의 측정 가스 농도 값이 항상 가스의 농도 및/또는 조성을 결정하기 위해 사용되어야 하는 것은 아니나, 두 개의 제1 측정 가스 농도 값이 사용될 수 있다. 하나 또는 두 개의 제1 측정 가스 농도 값이 사용될 것인지에 대한 결정은 가스의 압력 또는 압력 범위(예측되거나 다른 방식으로 결정된)에 의존한다. 두 개의 제1 측정 가스 농도 값들이 "첫번 째"로 측정된 가스 농도 값들이기 때문에, 그것들은 동일한 (제1) 미분 신호로부터 도출된다. 예를 들어, 두 개의 제1 측정 가스 농도 신호 중 하나는 신호 레벨일 수 있고 다른 하나는 제1 미분 신호의 신호 폭일 수 있다.
두 개의 측정 가스 농도 값들을 고려하는 것은 특히 흡수 신호가 이상적 로렌쯔(Lorentz) 곡선과 다르고 확장되었을 때, 즉 가우시안(Gaussian) 커브의 실질적 부분을 가질 때, 가스의 농도 및/도는 조성의 올바른 결정에 유용하고 필요하다. 높은 압력에서, 로렌쯔 커브의 부분은 흡수 라인 형태를 지배한다. 낮은 압력에서, 가우시안 커브의 부분이 증가하여 단일 측정 가스 농도 값이 가스의 농도 및/또는 조성의 결정을 위해 더 이상 충분하지 않는 것이 가능해지게 된다. 따라서 높은 압력 범위의 압력에서 가스의 농도 및/또는 조성이 제1 측정 가스 농도 값으로부터 결정되고 낮은 압력 범위의 압력에서 두 개의 제1 측정 가스 농도 값으로부터 결정되면 특히 바람직하다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 방법, 특히 보여진 실시예들 중 어느 하나에 따른 방법을 수행하기 위해 변경된 분광계에 관한 것이다. 그러한 분광계는 예를 들어 대략 자동화된 방식 또는 부분적으로 자동화된 방식으로 각 방법을 수행할 수 있으며, 마지막으로 명명된 케이스에서 사용자는 방법의 개별 단계를 통해서, 예를 들어 분광계의 디스플레이 장치를 통해서, 가이드될 수 있다. 분광계는 프로세싱 유닛(processing unit), 예를 들어 본 발명에 따른 방법 또는 그 일부가 저장되고 루틴으로 수행될 수 있는 마이크로프로세서(microprocessor)를 더 포함할 수 있다.
분광계가 방사를 전달하기 위한 하나 이상의 방사 소스, 특히 각각의 레이저의 형태, 바람직하게는 다이오드 레이저를 포함하면 더 바람직하다. 레이저의 사용은 간단한 방식으로 예리하게 정의된 파장을 갖는 고 강도의 방사를 얻는 것을 가능하게 한다. 이러한 레이저의 파장은 바람직하게는 조정 가능하다. 특히 다이오드 레이저, 예를 들어 본 발명에 따른 분광계에 바람직하게 사용되는 수직 공진 다이오드 레이저(vertical cavity diode laser) 또는 분포 귀환형 다이오드 레이저(distributed feedback diode laser)의 형태의 다이오드 레이저는 이러한 목적에 적합하다. 그러나 다른 방사 소스 또한 고려될 수 있으며, 예를 들어 퀀텀 케스케이드 레이저(quantum cascade laser), 인터밴드 케이케이스 레이저(interband cascade laser), 솔리드 스테이트 레이저(solid state laser) 또는 가스 레이저(gas laser) 등이 있다. 예를 들어 복수의 방사 소스의 사용은 더 큰 파장 범위를 커버할 수 있도록 작용한다.
분광계의 개별 광 소스의 파장이 정확하게 설정되고 흡수 신호의 파장 의존적인 측정을 위한 큰 파장 범위에 걸쳐 이상적으로 연속적으로 변경될 수 있으면 본 발명의 실시예에 따른 방법의 수행에 더욱 유리하다. 날카로운 파장의 방사를 얻기 위해, 예를 들어 필터(filters) 또는 그리드(grids)가 종래의 방사 소스 앞에 삽입될 수 있다.
분광계는 바람직하게는 흡수 신호를 측정하기 위한 디텍터를 포함하며, 디텍터는 예를 들어 실리콘 디텍터(silicon detector), 인듐 갈륨 비화물 디텍터(indium gallium arsenide detector), 수은 카드뮴 텔루라이드 디텍터(mercury cadmium telluride detector), 게르마늄 디텍터(germanium detector) 또는 인듐 비화물 디텍터(indium arsenide detector )일 수 있다.
특히 화이트 셀(White cells) 또는 해리옷 셀(Herriot cells)이 특히 광학 경로 길이가 방사가 가스에 의해 흡수되는 것으로 정의되는 디텍터의 측정 셀로 고려될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 분광계는 위상 판별 증폭기(phase-sensitive amplifier) 또는 흡수 신호를 변환하기 위한 흡수 신호의 퓨리에 변환을 위해 적어도 적합한 프로세싱 유닛을 포함한다. 프로세싱 유닛은 특히 분광계를 제어하기 위해 사용되는 프로세싱 유닛일 수 있다. 위상 판별 증폭기는 바람직하게는 아날로그 또는 디지털로 구성될 수 있는 락인 증폭기일 수 있다. 흡수 신호를 위한 개별 미분 신호는 그러한 증폭기 또는 퓨리에 변환에 적합한 프로세싱 유닛과 같은 수단에 의해 단순한 방식으로 생성될 수 있다.
본 발명은 첨부된 개략적인 도면을 참조로 이하에서 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방법을 수행하기 위해 적용되는 스펙트로미터의 실시예의 개략적인 도시이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 실시예의 루틴을 순서도로 보여준다.
도 1에 개략적으로 도시된 분광계(11)는 시험되는 가스(15)의 샘플이 저장되고 이를 통해 가스(15)의 샘플이 흐르는 측정 셀(13)(파선)의 형태의 측정 공간을 가진다. 방사(19)(점선)는 분광계(11)의 방사 소스로서 레이저(17)에 의해 생성되고 전달될 수 있다. 레이저(17)에 의해 전달되는 방사(19)는 실질적으로 단색성(monochromatic)이다. 그러나 방사(19)의 파장은 특정 파장 범위를 넘어 균일하게 조절될 수 있다.
파장 범위의 계속적인 통과(running through)는 파장 변조에 의해 중첩된다. 도시된 실시예에서, 변조기(modulator)(21)는 레이저(17)로 실질적인 조화 변조(harmonic modulation)을 출력하는 함수 생성기(function generator)의 형태로 이 목적을 위해 구비된다. 레이저(17)가 변조기(21)로부터 수신하는 신호에 따라, 레이저(17)는 전달하는 방사(19)를 변조한다. 이를 대신하여, 변조기(21)는 레이저(17)가 전달된 방사(19)의 파장을 위한 제어 신호로서 변조기(21)의 신호를 직접 이용할 수 있도록 실질적인 조화 변조로 영역의 계속적인 통과를 그 자체로 이미 중첩할 수 있다. 특히 변조기(21)는 레이저(17)와 일체가 될 수 있다.
방사(19)는 측정 셀(13)를 통과하고 그에 의해 파장에 따라 가스에 의해 흡수된다. 그리고 나서, 방사(19)는 시간에 따라 방사(19)의 강도를 검출하는 분광계(11)의 디텍터(detector)(23) 상에 입사된다. 각 지점에서 시간 별로 레이저(17)가 어떤 파장을 시간 별로 각 지점에 전달하는지를 알 수 있기 때문에, 방사(19)의 측정된 강도는 이 관계를 이용하여 전달된 방사(19)의 각각의 파장과 관계 지워질 수 있다. 마지막으로, 이 방식으로, 가스(15)에 의한 방사(19)의 흡수로부터의 흡수 신호(29)(도1에 도시되지 않음)는 방사(19)의 파장의 함수로 측정되고 그리고 나서 상기 흡수 신호는 분광계(11)(도2 참조)의 처리 유닛(processing unit)(25)에서 평가된다. 처리 유닛(25)은 측정된 흡수 신호(29)로부터 도출되는 값에 따라 방사(19)의 파장 변조를 변경할 수 있도록 하기 위해 변조기(21)에 연결된다. 이 방식으로, 바람직하게는 큰 시간 상수(time constant)를 가지는 폐쇄 조절 회로(closed regulation circuit)가 생성된다.
방법의 실시예의 루틴이 아래에서 설명되는 전달된 방사(19)로부터 시작하는 순서도로서 도 2에 도시되어 있다. 방사(19)의 파장은 실질적으로 계속하여 파장 영역을 통해 지나가며, 그것은 실질적인 조화 파장 변조에 의해 중첩된다. 측정(27) 단계는 가스(15)를 갖는 측정 셀(13)을 통과한 전달된 방사(19)를 방사(19)의 강도를 나타내는 흡수 신호(29)로 변환한다. 이 점에서 가스(15)에 의한 방사(19)의 흡수는 전달된 방사(19)를 디텍터(23)에 입사되는 방사(19)의 흡수 신호(29)로 변환하는 변환 함수(transfer function)로 작용한다. 방사(19)의 파장 변조에 대응하여, 흡수 신호(29)는 이에 따라 시간 변조(time modulation)를 가진다.
흡수 신호(29)의 비율들은 처리 유닛(25)에서 수행되는 퓨리에 분석(Fourier analysis)에 의한 변조 주파수의 서로 다른 곱으로 결정된다. 이 방식으로, 흡수 신호(29)는 단계(31)에서 제1 미분 신호(derivative signal)(33) 및 제2 미분 신호(35)로 변환된다. 이와 관련하여, 도시된 실시예에서, 제1 미분 신호(33)는 2f 신호에 대응하고 제2 미분 신호(35)는 흡수 신호(29)의 3f 신호에 대응한다. 이어지는 단계(37)에서, 제1 측정 가스 농도 값(39)과 제2 측정 가스 농도 값(41)이 제1 미분 신호(33) 및 제2 미분 신호(35)로부터 각각 도출된다. 예를 들어 이들 측정 가스 농도 값들(39, 41)은 각각 측정된 가스(15)의 흡수 라인의 영역에서 제1 및 제2 미분 신호의 최대값 및 그에 인접하는 최소값 사이의 간격이다.
그리고 나서, 제1 측정 가스 농도 값(39) 및 제2 측정 가스 농도 값(41) 사이의 비율(43)이 결정된다. 예를 들어 이것은 단순 몫 방정식(quotient formation)에 의해 이루어질 수 있으며, 개별 측정된 가스 농도 값들(39, 41)은 다른 방식으로 미리 계량되거나 수정될 수 있다. 그리고 나서 이 비율(43)을 일정하게 유지하기 위한 목적으로 또는 그것이 원하는 값으로부터 편차가 있다면 그것을 원하는 값으로 되돌리기 위해, 방사(19)의 파장 변조의 순응(adaptation)(45)이 일어난다. 이 목적으로 구비되는 조절 장치는 도면에 도시되어 있지 않으며 예를 들어 처리 유닛(25)에 통합될 수 있다. 특히 일정하게 유지되는 원하는 값은 측정(27)이 일어나는 압력 범위에 의존하여 선택될 수 있다.
가스(15)의 농도 및/또는 조성은 최초 측정된 가스 농도 값(39)으로부터 방법의 마지막 단계(47)로서 결정될 수 있다. 이와 관련하여 도시된 흐름도는 하나의 제1 측정 가스 농도 값(39)이 가스(15)의 농도 및/또는 조성(49)을 결정하기 위해 충분한 다소 높은 압력 범위에서의 측정에 대응한다. 다소 낮은 압력 범위에서의 측정에서는, 추가 제1 측정 가스 농도 값(39')이 제1 측정 가스 농도 값(39) 및 제2 측정 가스 농도 값(41)에 추가로 단계(37)에서 제1 미분 신호(33)로부터 도출될 수 있다. 그리고 가스(15)의 농도 및/또는 조성(49)은 예를 들어 미분 신호(33)의 단일 레벨 또는 단일 폭일 수 있는 두 개의 제1 측정 가스 농도 값(39, 39')으로부터 낮은 압력에서 신뢰성 있게 결정될 수 있다.
11 분광계
13 측정 셀
15 가스
17 레이저
19 방사
21 변조기
23 디텍터
25 처리 유닛
27 측정 단계
29 흡수 신호
31 변환 단계
33 제1 미분 신호
35 제2 미분 신호
37 미분 단계
39 제1 측정 가스 농도 값
41 제2 측정 가스 농도 값
43 비(ratio)
45 순응(adaptation) 단계
47 결정 단계
49 농도 및/또는 조성

Claims (15)

  1. 분광계를 이용하여 샘플에서의 가스(15)의 농도 및/또는 가스(15)의 조성을 결정하는 방법으로서:
    파장이 실질적으로 연속적으로 파장 범위를 통과하는 방사(19)를 전달하는 단계 -여기서, 파장 범위의 연속적인 통과는 파장 변조에 의해 중첩됨- ;
    상기 가스(15)에 의한 상기 방사(19)의 흡수로부터 흡수 신호(29)를 상기 방사(19)의 파장의 함수로 측정하는 단계(27);
    상기 흡수 신호(29)를 제1 미분 신호로 변환하는 단계(31);
    상기 제1 미분 신호(33)로부터 적어도 하나의 제1 측정 가스 농도 값(39)을 도출하는 단계(37);
    상기 적어도 하나의 제1 측정 가스 농도 값(39)으로부터 상기 가스(15)의 농도 및/또는 조성(49)을 결정하는 단계(47)를 포함하고,
    상기 파장 변조는 상기 가스(15)의 적어도 하나의 상태 변수의 변화에 대응하여 적응되며,
    상기 방법은:
    상기 흡수 신호(29)를 제2 미분 신호(35)로 변환하는 단계(31);
    상기 제2 미분 신호(35)로부터 적어도 하나의 제2 측정 가스 농도 값(41)을 도출하는 단계(37)를 더 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 파장 변조는, 상기 제1 측정 가스 농도 값(39)과 상기 제2 측정 가스 농도 값(41)의 비(43)가 일정하게 유지되도록, 순응되는(45) 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 미분 신호(33) 및/또는 상기 제2 미분 신호(35)는 상기 방사의 강도 또는 상기 흡수 신호(29)의 강도에 의존하여, 표준화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에서,
    그 변화에 상기 파장 변조가 순응되는(45)는 상기 가스(15)의 적어도 하나의 상태 변수는 상기 가스(15)의 압력 및/또는 외부 가스 영향을 포함하는 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 적어도 하나의 제1 측정 가스 농도 값(39)은 극한의 레벨로부터, 최대값 및 최소값 사이의 간격(spacing)으로부터, 폭으로부터, 또는 상기 제1 미분 신호(33)의 영역으로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에서,
    상기 적어도 하나의 제2 측정 가스 농도 값(41)은 극한 레벨로부터, 최대값과 최소값 사이의 간격으로부터, 폭으로부터, 또는 상기 제2 미분 신호(35)의 영역으로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에서,
    일정하게 유지되는 상기 비(43)는 상기 가스(15)의 압력 범위에 의존하여 고정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에서,
    일정하게 유지되는 상기 비(43)는 상기 비(43)에 들어가는 상기 제1 측정 가스 농도 값(39)이 실질적으로 최대값에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에서,
    상기 가스(15)의 농도 및/또는 조성(49)은, 일정하게 유지되는 상기 비(43)에 의존하여 고정되는 적어도 하나의 캘리브레이션 함수를 고려하면서, 상기 제1 측정 가스 농도 값(39)으로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에서,
    상기 가스(15)의 농도 및/또는 조성(49)은 적어도 하나의 캘리브레이션 함수를 고려하면서 상기 제1 측정 가스 농도 값(39)으로부터 결정되고, 그에 의해, 상기 흡수 신호(29)에 대한 외부 가스 영향 및/또는 압력의 영향은 아니고, 상기 흡수 신호(29)에 대한 온도 및/또는 장치 특성들의 영향이 보상될 수 있는 그러한 캘리브레이션 함수가 고려되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에서,
    상기 가스(15)의 농도 및/또는 조성(49)은, 상기 제2 비분 신호(35)로부터 도출되는 제2 측정 가스 농도 값(41)을 고려하지 않고, 상기 제1 미분 신호(33)로부터 도출되는 적어도 하나의 제1 측정 가스 농도 값으로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에서,
    상기 가스(15)의 농도 및/또는 조성(49)은, 제1 측정 가스 농도 값(39)으로부터 또는 두 개의 제1 측정 가스 농도 값(39)으로부터, 상기 가스(15)의 압력에 의존하여 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제1항에서,
    상기 가스(15)의 농도 및/또는 조성(49)은, 제1 압력 범위 내의 압력에서의 제1 측정 가스 농도 값(39)으로부터 및 상기 제1 압력 범위보다 낮은 제2 압력 범위 내의 압력에서의 두 개의 제1 측정 가스 농도 값(39)으로부터, 상기 가스(15)의 압력에 의존하여 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제1항에서,
    상기 파장 변조는 조화 파장 변조인 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020140059199A 2013-05-17 2014-05-16 가스의 레이저 분광을 위한 방법 KR101580606B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP13168237.9A EP2803975B1 (de) 2013-05-17 2013-05-17 Verfahren zur Laserspektroskopie von Gasen
EP13168237.9 2013-05-17

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140135661A KR20140135661A (ko) 2014-11-26
KR101580606B1 true KR101580606B1 (ko) 2015-12-28

Family

ID=48470764

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140059199A KR101580606B1 (ko) 2013-05-17 2014-05-16 가스의 레이저 분광을 위한 방법

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9046481B2 (ko)
EP (1) EP2803975B1 (ko)
KR (1) KR101580606B1 (ko)

Families Citing this family (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5983779B2 (ja) * 2013-01-07 2016-09-06 株式会社島津製作所 ガス吸収分光装置及びガス吸収分光方法
US10244504B2 (en) * 2013-03-15 2019-03-26 DGS Global Systems, Inc. Systems, methods, and devices for geolocation with deployable large scale arrays
US10231206B2 (en) 2013-03-15 2019-03-12 DGS Global Systems, Inc. Systems, methods, and devices for electronic spectrum management for identifying signal-emitting devices
US10257727B2 (en) 2013-03-15 2019-04-09 DGS Global Systems, Inc. Systems methods, and devices having databases and automated reports for electronic spectrum management
US10122479B2 (en) * 2017-01-23 2018-11-06 DGS Global Systems, Inc. Systems, methods, and devices for automatic signal detection with temporal feature extraction within a spectrum
US11646918B2 (en) 2013-03-15 2023-05-09 Digital Global Systems, Inc. Systems, methods, and devices for electronic spectrum management for identifying open space
US10237770B2 (en) 2013-03-15 2019-03-19 DGS Global Systems, Inc. Systems, methods, and devices having databases and automated reports for electronic spectrum management
US10271233B2 (en) 2013-03-15 2019-04-23 DGS Global Systems, Inc. Systems, methods, and devices for automatic signal detection with temporal feature extraction within a spectrum
US10219163B2 (en) 2013-03-15 2019-02-26 DGS Global Systems, Inc. Systems, methods, and devices for electronic spectrum management
US10257729B2 (en) 2013-03-15 2019-04-09 DGS Global Systems, Inc. Systems, methods, and devices having databases for electronic spectrum management
US10299149B2 (en) 2013-03-15 2019-05-21 DGS Global Systems, Inc. Systems, methods, and devices for electronic spectrum management
US10257728B2 (en) 2013-03-15 2019-04-09 DGS Global Systems, Inc. Systems, methods, and devices for electronic spectrum management
US8750156B1 (en) 2013-03-15 2014-06-10 DGS Global Systems, Inc. Systems, methods, and devices for electronic spectrum management for identifying open space
US9078162B2 (en) 2013-03-15 2015-07-07 DGS Global Systems, Inc. Systems, methods, and devices for electronic spectrum management
FI125907B (en) * 2013-09-24 2016-03-31 Vaisala Oyj Method and apparatus for measuring the concentration of gases dissolved in liquids
EP3112846B1 (de) * 2015-06-29 2017-05-17 Sick Ag Verfahren zur bestimmung der konzentration einer gaskomponente und spektrometer dafür
EP3130912B1 (de) * 2015-08-14 2017-06-28 Sick Ag Verfahren zur bestimmung der konzentration einer gaskomponente und spektrometer dafür
JP6513762B2 (ja) * 2016-12-15 2019-05-15 株式会社堀場製作所 分析装置、分析装置用プログラム及び分析方法
US10700794B2 (en) 2017-01-23 2020-06-30 Digital Global Systems, Inc. Systems, methods, and devices for automatic signal detection based on power distribution by frequency over time within an electromagnetic spectrum
US10498951B2 (en) 2017-01-23 2019-12-03 Digital Global Systems, Inc. Systems, methods, and devices for unmanned vehicle detection
US10459020B2 (en) 2017-01-23 2019-10-29 DGS Global Systems, Inc. Systems, methods, and devices for automatic signal detection based on power distribution by frequency over time within a spectrum
US10529241B2 (en) 2017-01-23 2020-01-07 Digital Global Systems, Inc. Unmanned vehicle recognition and threat management
WO2018137562A1 (en) 2017-01-26 2018-08-02 Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute Company Limited Methods and apparatus for on-chip derivative spectroscopy
US10670517B2 (en) * 2017-06-02 2020-06-02 Nec Corporation Wavelength modulation spectroscopy gas sensor calibration
US10228322B2 (en) * 2017-07-13 2019-03-12 Cymer LLC Apparatus for and method of sensing fluorine concentration
DE102017220103A1 (de) * 2017-11-10 2019-05-16 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Identifizierung eines oder mehrerer spektraler Merkmale in einem Spektrum einer Probe für eine Inhaltsstoffanalyse
US10466106B2 (en) * 2017-12-22 2019-11-05 Nec Corporation Gas concentration measurement by 2F signal trough distance
US10943461B2 (en) 2018-08-24 2021-03-09 Digital Global Systems, Inc. Systems, methods, and devices for automatic signal detection based on power distribution by frequency over time
CN110208204A (zh) * 2019-06-13 2019-09-06 苗春磊 一种基于dlp技术的傅里叶变换光谱仪
CN112326597A (zh) * 2020-11-02 2021-02-05 河北地质大学 气体浓度吸收函数重构方法、电子设备及介质
CN112730178A (zh) * 2020-12-22 2021-04-30 杭州春来科技有限公司 一种车载透射式烟度计及车辆

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007040995A (ja) 2005-08-04 2007-02-15 Ir Microsystems Sa ガス検出方法及びガス検出装置
US20080225296A1 (en) 2007-03-14 2008-09-18 Spectrasensors, Inc. Pressure-invariant trace gas detection

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3274605B2 (ja) * 1996-05-01 2002-04-15 日本無線株式会社 炭素同位体分析装置
JP3459564B2 (ja) * 1998-03-11 2003-10-20 日本酸素株式会社 ガスの分光分析装置および分光分析方法
JP3336256B2 (ja) * 1998-07-02 2002-10-21 日本酸素株式会社 レーザ光によるガスの分光分析方法
DE19840345B4 (de) 1998-09-04 2004-09-30 Dräger Medical AG & Co. KGaA Verfahren und Vorrichtung zum quantitativen Aufspüren eines vorgegebenen Gases
DE10238356A1 (de) 2002-07-01 2004-01-22 Fernholz, Thomas, Dr. Quantitative spektroskopische Bestimmung eines Absorbers
DE602004000374T2 (de) * 2003-09-12 2006-09-28 Ir Microsystems S.A. Gasdetektionsverfahren und gasdetektoreinrichtung
FI20041197A0 (fi) 2004-09-15 2004-09-15 Vaisala Oyj Menetelmä optisen kaasunpitoisuuden mittauksen parantamiseksi
DE102006030296A1 (de) 2006-06-30 2008-01-03 Siemens Ag Gasanalyse mit Laser-Spektroskopie
US7969576B1 (en) * 2007-03-23 2011-06-28 The Regents Of The University Of California Optical sensing based on wavelength modulation spectroscopy
US7653497B2 (en) * 2007-05-15 2010-01-26 Spectrasensors, Inc. Energy flow measurement in gas pipelines
US7943915B2 (en) 2008-10-10 2011-05-17 Ge Infrastructure Sensing, Inc. Method of calibrating a wavelength-modulation spectroscopy apparatus
EP2520925B1 (en) 2011-05-03 2013-05-01 Axetris AG Method and apparatus for detecting a gas concentration with reduced pressure dependency
DE102012215594B3 (de) 2012-09-03 2013-08-01 Sick Ag Verfahren zur Laserspektroskopie von Gasen

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007040995A (ja) 2005-08-04 2007-02-15 Ir Microsystems Sa ガス検出方法及びガス検出装置
US20080225296A1 (en) 2007-03-14 2008-09-18 Spectrasensors, Inc. Pressure-invariant trace gas detection

Also Published As

Publication number Publication date
US20140340684A1 (en) 2014-11-20
US9046481B2 (en) 2015-06-02
EP2803975A1 (de) 2014-11-19
KR20140135661A (ko) 2014-11-26
EP2803975B1 (de) 2015-07-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101580606B1 (ko) 가스의 레이저 분광을 위한 방법
US9546902B2 (en) Method and system for correcting incident light fluctuations in absorption spectroscopy
JP5983779B2 (ja) ガス吸収分光装置及びガス吸収分光方法
US8233150B2 (en) Sample concentration detector with temperature compensation
KR100747768B1 (ko) 파장 변조 방법을 이용한 유해 가스 측정 장치
US8665442B2 (en) Cavity enhanced laser based isotopic gas analyzer
AU2008224897B2 (en) Pressure-invariant trace gas detection
US20140067282A1 (en) Method for the laser spectroscopy of gases
US8378304B2 (en) Continuous referencing for increasing measurement precision in time-domain spectroscopy
JP2013050403A (ja) ガス分析装置
EP3133380B1 (en) Photodetector output correction method used for spectroscopic analyzer or spectroscope, spectroscopic analyzer or spectroscope using this method and program for spectroscopic analyzer or spectroscope instructing this method
JP6863831B2 (ja) 光検出器の出力補正用演算式の算出方法、及び光検出器の出力補正方法
JP7135608B2 (ja) ガス吸収分光装置、及びガス吸収分光方法
KR101923003B1 (ko) 가스 성분의 농도를 결정하기 위한 방법 및 이를 위한 분광계
JP2018096974A (ja) 分析装置、分析装置用プログラム及び分析方法
US20140247843A1 (en) Method and arrangement for actuating a wavelength-tunable laser diode in a spectrometer
US5202560A (en) System for measuring the concentration of a gaseous component by detecting positions of mode jumps in a laser diode
CN101915748B (zh) 一种***体浓度检测的拟合动态寻峰方法
US10241044B2 (en) NDIR glucose detection in liquids
JP2014142299A (ja) ガス濃度測定装置
JP7014701B2 (ja) 光学分析装置、並びに光学分析装置に用いられる機械学習装置及びその方法
RU2381463C1 (ru) Пирометрический способ определения термодинамической температуры металлов и устройство для его осуществления
RU2461814C1 (ru) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВЛАГИ В ЛИСТЬЯХ РАСТЕНИЙ in vivo
JP5994593B2 (ja) 分光光度計
Raval et al. Tunable diode laser absorption spectroscopy using a multi-pass white cell for O2 detection

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181210

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191217

Year of fee payment: 5