用于测量测试气体中的气体成分浓度的方法.pdf

本发明涉及一种基于波长调制光谱学(WMS)的、用于气体分析的方法，在该方法中，在调制频率的谐波中解调所获得的测量信号(13)并且通过使额定曲线(19)拟合到解调的测量信号(13′)的变化曲线上分析出测量结果(17)。为了减少由于干扰影响(例如：温度变化，干扰气体的浓度变化)所产生的测量结果的变化，无论是解调的测量信号(13′)还是额定曲线(19)均利用相同的过滤函数(滤波器15，20)过滤，其中，过滤函数设计用于，抑制干扰信号部分，其既与解调的测量信号(13′)的有效信号部分发生干涉也与额定曲线(19)发生干涉。

1.  一种用于借助气体分析仪测量测试气体(1)中的气体成分的浓度的方法，其中，为了取决于波长地扫描所述气体成分的所关注的吸收谱线，能调谐波长的光源(3)的光(4)的波长在周期性的依次连续的扫描间隔中变化并且在此附加地利用频率(f₀)来调制，引导所经调制的所述光(4)穿过所述测试气体(1)到探测器(5)上，由所述探测器(5)产生的测量信号(16)在所述频率(f₀)的谐波(nf₀)中解调，并且通过使额定曲线(19)拟合到经解调的所述测量信号(13′)的变化曲线上来产生测量结果，其特征在于，
不管是经解调的所述测量信号(13′)还是所述额定曲线(19)均利用相同的过滤函数过滤，其中，所述过滤函数设计用于抑制经解调的所述测量信号(13′)的、与经解调的所述测量信号(13′)的有效信号部分发生干涉并且与所述额定曲线(19)发生干涉的干扰信号部分。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用高通滤波器的过滤函数。

用于测量测试气体中的气体成分浓度的方法
技术领域
本发明涉及了一种用于借助气体分析仪测量测试气体中的气体成分浓度的方法，其中，为了取决于波长地扫描气体成分的所关注的吸收谱线，能调谐波长的光源的光波长在周期性的依次连续的扫描间隔(Abtastintervalle)中变化并且在此附加地利用频率来调制，引导所调制的光穿过测试气体到探测器上，由探测器产生的测量信号在频率的谐波中解调，并且通过使额定曲线拟合到解调的测量信号的变化曲线上而产生测量结果。
背景技术
EP 1 475 618 B1公知了以下方法。
在公知的方法中，激光二极管形式的能调谐波长的光源产生红外区域中的光，引导光穿过待测量的过程气体(测试气体)并且随后探测光。光的波长调谐到相应的待测量的气体成分的特定吸收谱线，其中，周期性地取决于波长地扫描该吸收谱线。为此，在周期性的依次连续的扫描间隔内利用斜坡形或三角形的电流信号操控激光二极管。在较慢地扫描吸收谱线时，附加地利用高频率和小振幅正弦状地调制所产生的光的波长。由于吸收谱线的形态不是线性的，在探测时所获得的测量信号中也产生了调制频率的谐波。测量信号通常在n次谐波中、优选地在二次谐波中通过相位敏感的锁定(Lock-in)技术解调，并且对于每个扫描间隔都分析出测量结果。在小的调制振幅时，n次谐波的探测直接与直接的测量信号的n次导数成比例。例如通过使理想情况下所期望的解调测量信号的变化曲线(额定曲 线)拟合到其实际变化曲线(实际曲线)上(曲线拟合Curve-Fitting)来实现所述分析。由此时所获得的测量结果最终确定待测量的气体成分的浓度。
气体分析仪内的温度变化能够导致测量结果的变化。气体分析仪的这种称为漂移(Drift)的特性决定性地限制了其测量性能和待实现的应用。此外，漂移的原因可能在于光路中的校准器(Etalons)。这些校准器在解调的测量信号的变化曲线中导致了在所期望的吸收信号的频率范围内的周期性结构。在曲线拟合时，这导致了错误拟合的函数并且导致了待测量的气体成分的所测定浓度和实际浓度之间的偏差。
为了抑制这种干扰信号部分，由上述EP 1 475 618 B1中公知，由光源产生的光的一部分直接引导到监视探测器上，并且在n次谐波中解调并分析所获得的监控信号。解调的监控信号相对于零线的每个偏差均基于以下光学干扰，其只要处在光源范围内或光路的由测量和监控信道共同使用的路线段中就也影响了测量信号。这种干扰以附加地利用n次谐波调制光的波长的方式通过预校正对光源的操控来补偿，其中，调制强度取决于解调了的监控信号。
然而，使所产生的光的一部分脱耦到监控探测器上引起了结构上的和接线技术上的费用增长，这伴随着更高的干扰敏感度。另外，不能补偿在测量和监控信道的共用部段之外出现的测量信号干扰。
由EP 2 336 738 A1或EP 1 927 831 A1公知了，通过机械地震动光源来改变光路长度并且由解调的测量信号求出干扰的周期性结构。但由此仅能够减少由平行的光学表面在光路中所产生的确定的干涉干扰。
发明内容
本发明基于以下目的，减少由干扰影响、例如气体分析仪中的温度变化而导致的测量结果中的变化。
根据本发明，该目的由此来实现，即在开头所述类型的方法中，无论是解调的测量信号还是额定曲线均利用相应的相同过滤函数来过滤，其中，过滤函数设计用于，抑制解调的测量信号的以下干扰信号部分，其与解调的测量信号的有效信号部分发生干涉并且与额定曲线发生干涉。
如果出现干扰，例如上述的校准器干扰主要出现在特定的频率中，该干扰能够通过过滤来减弱或从解调的测量信号中分离。如果测量信号的干扰信号部分和有效信号部分的光谱重叠，则滤波器也影响了有效信号；也就是说，所过滤的有效信号由于过滤而改变了它的形状。因此根据本发明，应当拟合到的额定曲线以与解调的测量信号相同的过滤函数来过滤。所过滤的额定曲线拟合到所过滤的解调的测量信号上。过滤的目的是，使干扰信号部分比有效信号部分更强地减弱并且因此实现了有效信号/干扰信号比的改善。当干扰信号部分和有效信号部分的光谱不同时，上述在原则上是可行的。因此，校准器的干扰信号部分比有效信号部分更宽且因此包含与有效信号相比更多的低频部分。
根据本发明，过滤函数设计用于，过滤函数抑制解调的测量信号的以下干扰信号部分，其与解调的测量信号的有效信号部分发生干扰并且与额定曲线发生干扰。而只要到目前为止已经过滤了解调的测量信号，该过滤以适当的宽频形式进行，因为光谱随着吸收谱线的宽度而变化，而吸收谱线的宽度又取决于压力。因此，如下地选择到目前为止的过滤的带宽，使得无论是窄的还是宽的解调的测量信号均不受到干扰。但曲线拟合算法(Curve-Fit-Algorithmus)几乎不受到不包含在待拟合的信号中的频率的干扰并且由此自身具有良好的过滤作用。这意味着，与根据本发明的过滤不同，根据额定函数对滤波器或滤波函数的精确调整(滤波器匹配)仅产生了微小的改进，其中，干扰频率可能继续起作用，因为其与有效信号位于相同的区域内。
由于干扰主要出现在低频区域内，所以优选地使用高通滤波器的过滤函数。这种方法的缺陷是，因为过滤掉了有效信号的信号部分而在恒定的环境温度下有较小信噪比。由此在恒定的环境温度下，温度相关性减小到指示极限(Nachweisgrenze)的成本。然而由于在恒定的环境温度下温度相关性明显大于噪声，所以能够忽略其缺陷。由此看出，通过平均化或卡尔曼过滤(Kalman-Filterung)能够相对简单地抑制噪声，而校准器干扰仅能够随后艰难地去除。
附图说明
下面参考附图以进一步阐述本发明，各个附图示出：
图1是用于执行根据本发明的方法的气体分析仪的实施例，
图2是受干扰的解调测量信号在其过滤之前和之后的实例，
图3是在未过滤解调的测量信号时的曲线拟合的实例，以及
图4是在已过滤解调的测量信号时的曲线拟合的实例。
具体实施方式
在图1中以简化的框图形式示出的气体分析仪涉及，用于测量测试气体1的至少一种所关注的气体成分的浓度的激光光谱仪，该测试气体容纳在测量容积2、例如测量器具或过程气体管道中。光谱仪包括激光二极管形式的光源3，其光4在照射穿过测试气体1之后落到测量探测器5上。由调制装置6操控的电源7为激光二极管3供应注入电流i，其中，所产生的光4的强度和波长取决于电流i和激光二极管3的运行温度。调制装置6包括第一信号发生器8，该信号发生器周期性地利用预定的、优选为斜坡形或三角形函数控制电源7，以便利用所产生的光4的跟随电流i的变化的或多或少线性的波长扫描所选择的所关注的气体成分的吸收谱线。
第二信号发生器10生成具有更高频率f₀的正弦信号11，利用该正弦信号在求和元件12中调制斜坡形或三角形函数9。
测量探测器5根据所探测到的光强度生成测量信号13，该测量信号在锁定放大器14中，在调制频率f₀的谐波nf₀(n＝1，2，3…)、在此例如在2f₀中解调。解调的测量信号13′在过滤器15中利用预定的、固定的或例如能够根据温度变化的过滤函数过滤，以便抑制干扰信号部分。在下游布置的分析装置16中，为每个扫描间隔分析已过滤的解调测量信号13″以得出测量结果17。为此，通过单元18提供与理想的解调的测量信号13′相对应的额定曲线19，额定曲线在滤波器20中利用与滤波器15的过滤函数相同的过滤函数来过滤；此时得到的已过滤的额定曲线19′随后在分析装置16中拟合到已过滤的解调的测量信号13″上。
如开头所述，气体分析仪内的温度变化能够导致测量结果17的漂移，其中，漂移的原因是光路中的校准器，该校准器导致在解调的测量信号13″的变化曲线中的周期性结构。另外，解调的测量信号13″可能消失。
图2示例性示出了对于包含大约7000个扫描间隔的测量序列所获得的测量结果，在此即待测量的气体成分的浓度值C，其中上方的曲线走向17(13′)示出了，在没有根据本发明的对解调的测量信号13′的过滤时获得的测量结果，并且下方的曲线走向17(13″)示出了，基于根据本发明过滤的、在此例如高通过滤的、解调的测量信号13″获得的测量结果。识别出大约包括1700个测量值的第一区域，在该区域中温度保持恒定并且所测量的浓度值C基本上均受到了噪声的影响。在后面的区域中，温度呈斜面形地升高，其中校准器干扰变得明显可见。由于通过根据本发明的过滤也过滤掉有效信号的信号部分，已过滤的测量信号17(13″)的噪声略大于未过滤的测量信号17(13′)的噪声。由此在环境温度恒定时，温度相关性减小到了确定边界的成本。但这种效果的大小是可忽略不计的，特别是通过平均化或卡尔曼过滤相对简单地抑制了噪声。但另一方面，校准 器干扰在已过滤的测量结果17(13″)中明显小于在未过滤的测量信号17(13″)中。
图3示出了与理想的解调测量信号13′相对应的额定曲线19常规地拟合到实际的解调的测量信号13′的实例。
图4示出了已过滤的额定曲线19′根据本发明拟合到实际已过滤的解调的测量信号13″的实例。