本發(fā)明涉及一種用于基于波長調(diào)制光譜學的方法(wms)對測量氣體中的氣體成分的濃度進行測量的吸收光譜分析儀，其具有

-能調(diào)諧波長的光源，

-調(diào)制裝置，所述調(diào)制裝置周期地在氣體成分的感興趣的吸收線之上根據(jù)預設(shè)的時間函數(shù)改變能調(diào)諧的光源的光線的波長，并且同時以高的頻率和小的幅度正弦形地調(diào)制能調(diào)諧的光源的光線的波長，

-檢測器，檢測器檢測光線在透射測量氣體之后的強度，和

-評估裝置，評估裝置包含部件，該部件用于在頻率和/或其諧波中相位敏感地解調(diào)由檢測器產(chǎn)生的測量信號。

背景技術(shù)：

這種吸收光譜分析儀例如從de102013201459a1中已知。

在所謂的直插式測量(in-line)或原位測量中，例如在加工工業(yè)或能源經(jīng)濟中，通常由引導測量氣體的氣體管道、例如管、煙囪等形成測量體積3。光源和檢測器此時設(shè)置在加工設(shè)施的不同的部位處，由此將光譜分析儀劃分成兩個子設(shè)備，即具有光源的發(fā)射器和包含檢測器的接收器。這些子設(shè)備經(jīng)由專用的耦聯(lián)線路彼此連接，以便子設(shè)備能夠作為整體設(shè)備工作。特別地，經(jīng)由耦聯(lián)線路傳遞系統(tǒng)節(jié)拍，以便在發(fā)射器和接收器之間執(zhí)行同步，使得由檢測器產(chǎn)生的測量信號能夠相對于其調(diào)制相位敏感地被解調(diào)。

設(shè)置和布設(shè)這種耦聯(lián)線路、尤其在工業(yè)環(huán)境中設(shè)置和布設(shè)這種耦聯(lián)線路導致相應的成本耗費。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明所基于的目的是：降低吸收光譜分析儀中的、尤其原位吸收光譜分析儀中的設(shè)備技術(shù)和安裝技術(shù)方面的耗費。

根據(jù)本發(fā)明，所述目的通過如下方式實現(xiàn)：在前文所述類型的吸收光譜分析儀中

-調(diào)制裝置還構(gòu)造用于：在每個周期中或在每個第n個周期中在時間函數(shù)開始之前的時間區(qū)間中利用頻率開始調(diào)制，并且利用與在時間函數(shù)期間相比更高的幅度執(zhí)行調(diào)制，并且

-評估裝置構(gòu)造用于，在時間區(qū)間期間根據(jù)包含在測量信號中的頻率對用于相位敏感地解調(diào)的部件進行同步。

發(fā)射器和接收器之間的同步因此有利地通過在時間函數(shù)開始之前的時間區(qū)間中進行的、對光線的正弦形調(diào)制來實現(xiàn)，其中，該時間函數(shù)用于波長相關(guān)地掃描吸收線。在此，調(diào)制幅度相對高，使得實現(xiàn)足夠高的信噪間距，以便也在不利的傳輸條件下，例如由于測量氣體中的氣溶膠引起的不利傳輸條件下確保可靠的同步。如下面進一步詳細闡述的那樣，與此不同的是，對感興趣的測量氣體成分的吸收線的掃描需要疊加的正弦形調(diào)制的相對小的幅度，以便獲得最佳的測量結(jié)果。

用于相位敏感地解調(diào)測量信號的部件的同步優(yōu)選通過具有可控的正弦振蕩器的鎖相環(huán)路的輸出信號來進行。測量信號經(jīng)由可控的開關(guān)輸送給鎖相環(huán)路的輸入端，開關(guān)在該時間區(qū)間期間為了執(zhí)行同步而被閉合，使得利用正弦形調(diào)制的包含在測量信號中的頻率相位準確地調(diào)節(jié)正弦振蕩器。正弦振蕩器經(jīng)由保持件獲得其控制信號，使得中斷調(diào)節(jié)并且正弦振蕩器以最后調(diào)節(jié)的頻率自由地繼續(xù)振蕩，保持件在時間區(qū)間之外被激活。

用于相位敏感地解調(diào)測量信號的部件的同步的開始時間點能夠從測量信號的走向中確定。因此，例如能夠通過對測量信號進行帶通濾波和隨后通過監(jiān)控帶通濾波過的測量信號是否超過閾值來檢測，何時利用更高幅度進行正弦調(diào)節(jié)。優(yōu)選地，對于時間函數(shù)是斜坡形的或在每個周期的開始和/或結(jié)束時借助猝發(fā)信號來驅(qū)控能調(diào)諧波長的光源的情況而言，在測量信號中檢測下降的斜坡邊沿或猝發(fā)信號，以便在隨后的預設(shè)的時間之后執(zhí)行同步。在此，自運行(freilaufend)的計數(shù)器在達到預設(shè)的計數(shù)器讀數(shù)時預設(shè)同步的時間點，其中計數(shù)器在每次檢測到下降的斜坡邊沿或猝發(fā)信號時重置。

為了能夠可靠地檢測測量信號相中的下降的斜坡邊沿或猝發(fā)信號，有利地事先差分測量信號，使得斜坡信號的陡峭邊沿或猝發(fā)信號的邊沿顯示為良好分辨的峰值。通過對峰值計數(shù)能夠尤其可靠地確定猝發(fā)信號的開始和結(jié)束。

附圖說明

此外，參考附圖的視圖根據(jù)實施例闡述本發(fā)明；詳細地示出

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的吸收光譜分析儀的一個實施例的示意圖，

圖2示出用于在驅(qū)控周期期間驅(qū)控能調(diào)諧波長的光源的電流的走向的實例，

圖3示出用于將用于相位敏感地解調(diào)的部件進行同步的同步裝置的一個實例，和

圖4示出檢測器的差分的測量信號的一個實例。

具體實施方式

圖1示出吸收光譜分析儀，其具有激光二極管形式的能調(diào)諧波長的光源1，光源的光線2以光束的形式穿過測量體積3引導至檢測器4，檢測器檢測光強度。測量體積3能夠為測量單元，測量單元包含測量氣體5，在測量氣體中應測量至少一個感興趣的氣體成分的濃度。在原位測量的情況下，測量體積3能夠由過程氣體管道、例如管或腔管構(gòu)成，測量氣體5流動經(jīng)過過程氣體管道。激光二極管1和檢測器4此時通常布置在兩個不同的測量罐中，測量罐在對角線相對置的部位處借助于法蘭連接安裝在過程氣體管道上，并且其將光線穿過窗口導入到過程氣體管道中或者從過程氣體管道中接收光線。

激光二極管1由可控制的電流源6借助注入電流i來驅(qū)控，其中所產(chǎn)生的光線2的強度和波長與激光二極管1的電流i和運行溫度相關(guān)。電流源6由調(diào)制裝置7驅(qū)控，調(diào)制裝置包含第一信號發(fā)生器8、第二信號發(fā)生器9和第三信號發(fā)生器10。第一信號發(fā)生器8周期地產(chǎn)生預設(shè)的、優(yōu)選斜坡形的時間函數(shù)11，以便借助相應調(diào)制的光線2波長相關(guān)地掃描測量氣體5的感興趣的氣體成分的所選擇的吸收線。第二信號發(fā)生器9產(chǎn)生具有頻率f的正弦信號12，在加和件13中以所述頻率調(diào)制斜坡形的時間函數(shù)11。第三信號發(fā)生器10產(chǎn)生猝發(fā)信號14，注入電流i能夠借助猝發(fā)信號被多重依次地接通和切斷。信號11、12、14的時間序列和其用于周期地驅(qū)控激光二極管1的相應的偏移通過控制單元15來控制，控制單元也經(jīng)由乘法件16、17、18調(diào)節(jié)信號大小(幅度)。

圖2示出在驅(qū)控周期期間的激光二極管1的注入電流i的變化的實例。因為所產(chǎn)生的光線2的強度和波長相應地變化并且應掃描測量氣體5的感興趣的氣體成分的所選擇的吸收線，所以在橫坐標上繪制掃描時間點。

在周期開始時，電流i借助猝發(fā)信號14被多次接通和斷開，其中在兩個連續(xù)跟隨的時間段中應用兩個不同的接通電流強度，這兩個接通電流強度分別如下地選擇，使得光線2的所產(chǎn)生的波長位于測量氣體5的要測量的氣體成分和其他紅外活性的氣體成分的波長范圍之外。周期也能夠被限定為，使得猝發(fā)信號14在周期結(jié)束時產(chǎn)生，或者這兩個時間段中的一個處于周期開始時并且另一個處于周期結(jié)束時。猝發(fā)信號14用于將測量歸一化，其例如從前文提出的de102013201459a1中已知。

在切斷猝發(fā)信號14之后，電流i在預設(shè)的時間區(qū)間19期間通過具有頻率f和相對高幅度的正弦信號10進行調(diào)制。隨后，降低正弦調(diào)制的幅度并且附加地借助斜坡形的時間函數(shù)11改變電流。相應地，所產(chǎn)生的光線2的波長也線性地改變，其中光線2的一少部分由測量氣體1的紅外活性的氣體成分波長相關(guān)地被吸收。由此能夠波長相關(guān)地掃描測量氣體5中的感興趣的氣體成分的吸收線。因為吸收線的輪廓是線性的并且光線2的波長在相對緩慢地掃描吸收線期間附加地以高頻率f和小幅度正弦形地調(diào)制(波長調(diào)制光譜分析儀或wms)，所以產(chǎn)生由檢測器4檢測的光強度中的更高次諧波。尤其當應測量低濃度的感興趣氣體成分時，通過相位敏感的鎖相技術(shù)對該較高的、優(yōu)選二次諧波進行評估是有利的，因為由此能夠更好地從測量信號中濾除噪聲。

如圖1示出，檢測器4產(chǎn)生對應于檢測到的光強的測量信號20，測量信號在放大器21中放大并且根據(jù)在猝發(fā)信號14的部位處檢測到的光強歸一化。放大的測量信號20隨后在評估裝置22中評估。評估裝置22包含用于在頻率2f下相位敏感地解調(diào)測量信號20的部件23和計算裝置24，在計算裝置中評估2f信號份額以確定測量氣體5的感興趣的氣體成分的濃度。

為了與測量信號的調(diào)制同步地進行測量信號20的相位敏感的檢測，用于相位敏感的解調(diào)的部件23在時間區(qū)間19期間根據(jù)包含在測量信號20中的頻率f被同步。對此，評估裝置22包含同步裝置25，同步裝置從測量信號20中產(chǎn)生用于使部件23同步的控制信號26。

圖3示出用于同步裝置25的實例，在同步裝置中，將放大的測量新號20在差分件27中差分，從而獲得圖4中示出的信號28。布置在下游的閾值檢測器28檢測：差分的測量信號的從斜坡形的時間函數(shù)11的下降的邊沿或猝發(fā)信號14中得出的峰值超過正的閾值30或低于負的閾值30'，并且將計數(shù)器31重置。在最后的猝發(fā)峰值之后或者如果不應用猝發(fā)信號，就在斜坡形的時間函數(shù)11的下降的邊沿的峰值之后，計數(shù)器31開始向上計數(shù)直至下一次猝發(fā)或下一邊沿為止。隨后，根據(jù)計數(shù)器讀數(shù)產(chǎn)生控制信號26，其中該相關(guān)性能夠被參數(shù)化。在所示出的實施例中，控制信號26包括用于猝發(fā)信號14的時間和持續(xù)時間的第一控制信號32、用于時間函數(shù)11的時間和持續(xù)時間的第二控制信號33，和第三控制信號34，第三控制信號標記預設(shè)的時間區(qū)間19，在該時間區(qū)間中通過具有頻率f和相對高幅度的正弦信號10調(diào)制注入電流i。借助該第三控制信號34，對于預設(shè)的時間區(qū)間19的持續(xù)時間閉合可控的開關(guān)35，以便將放大的測量信號20輸送給鎖相環(huán)路36(phase-lockedloop或者pll)。鎖相環(huán)路36在所示出的實施例中由具有環(huán)路濾波器37的科斯塔斯環(huán)(costasloop)構(gòu)成，借助環(huán)路濾波器的輸出信號控制正弦振蕩器38，在此為dds-vco(directdigitalsynthesis直接數(shù)字合成；voltage-controlledoscillator電壓控制的振蕩器)。鎖相環(huán)路36的放大能夠通過具有系數(shù)k的環(huán)路濾波器37的輸出端的乘法來調(diào)節(jié)。在環(huán)路濾波器37與正弦振蕩器38之間設(shè)置有保持件39，保持件與開關(guān)35相比反向地驅(qū)控。

對于預設(shè)的時間區(qū)間19的持續(xù)時間，開關(guān)35是閉合的并且保持件39去激活，使得正弦振蕩器38借助包含在測量信號20中的頻率f相位精確地進行調(diào)節(jié)。在正弦信號作為鎖相環(huán)路36的輸出信號40輸送給用于相位敏感地解調(diào)測量信號20的部件23之前，由正弦振蕩器38產(chǎn)生的正弦信號經(jīng)過移相器41。因為測量信號20在其放大時和隨后以頻率nf解調(diào)時被濾波，所以在移相器41中進行相位調(diào)整，相位調(diào)整考慮了濾波器的不同的相位變化。鎖相環(huán)路36的輸出信號40在頻率和相位方面與正弦的調(diào)制信號12相同，使得放大的測量信號20相對于調(diào)制能夠相位精確地被解調(diào)。相應的解調(diào)頻率nf能夠通過頻率倍增直接地從輸出信號40中導出?？尚械氖牵簽榱藢λa(chǎn)生的光線2進行多重調(diào)制，附加地借助另外的正弦信號對斜坡形的時間函數(shù)11進行調(diào)制，該正弦信號的頻率從調(diào)制信號12的頻率f中導出。在該情況下，測量信號12也能夠容易地通過對輸出信號40的分別期望的解調(diào)頻率進行求導來相位精確地解調(diào)。

因為正弦調(diào)制信號12的幅度在時間區(qū)間19期間相對高，所以信噪間距足夠高，以便也在不利的傳輸條件中、例如由于測量氣體中的噪聲顆?；蚧覊m造成不利的傳輸條件中確?？煽康耐?。

相反，為了借助斜坡形的時間函數(shù)11掃描感興趣的氣體成分的吸收線，疊加的正弦調(diào)制的幅度、即所產(chǎn)生的光線2的波長差必須匹配于要掃描的吸收線的寬度，并且在實際中該幅度為了同步的目的而過小。因此，對于洛倫茲形的吸收線的理想情況而言，測量信號20的2f信號份額在調(diào)制系數(shù)(光譜調(diào)制幅度與所掃描的吸收線的半值寬的比例)為2.2時最大。

在預設(shè)的時間區(qū)間19之外，開關(guān)35打開并且激活保持件39，使得正弦振蕩器38根據(jù)最后由環(huán)路濾波器37產(chǎn)生的且由保持件39保持的輸出值自由振蕩。