用于测量试样气体的气体成分浓度的气体分析仪和方法

摘要

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。

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的方法以及一种根 据权利要求7的前序部分所述的气体分析仪。

背景技术

这种方法或者这种气体分析仪例如由EP 1 475 618B1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，该目的通过权利要求1中限定的方法以及权利要求7 中给出的气体分析仪来实现。

本发明的有利的改进方案在从属权利要求中给出。

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14_2f，14_4f至14_14f的同相成分、即 使用信号部分。解调的测量信号14_2f，14_4f至14_14f、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14_2f，14_4f至14_14f，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26_2f，26_4f至26_14f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。