DE102015215411A1

DE102015215411A1 - Method for measuring the concentration of a gas component in a sample gas

Info

Publication number: DE102015215411A1
Application number: DE102015215411.4A
Authority: DE
Inventors: Ralf Bitter
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2015-08-12
Filing date: 2015-08-12
Publication date: 2017-02-16

Abstract

Zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas nach dem Verfahren der Wellenlängenmodulationsspektroskopie (WMS) werden mindestens zwei Absorptionslinien (18a, 18b, 18c) der Gaskomponente mit unterschiedlichem Temperaturverhalten abgetastet, wobei das erhaltene Messsignal an den Stellen der abgetasteten Absorptionslinien bei einer Oberschwingung der Modulationsfrequenz demoduliert und ausgewertet wird. Um eine Temperaturbestimmung des Messgases unabhängig davon zu ermöglichen, ob die dazu verwendeten Absorptionslinien einander überlappen oder nicht, werden für die Abtastung sich überlappende Absorptionslinien (18a, 18b) verwendet, für die ein einziges gemeinsames Demodulationssignal (16ab) gebildet wird, und/oder an den Stellen von isolierten Absorptionslinien (18c) erhaltene Demodulationssignale (16c) werden zu dem oder einem einzigen gemeinsamen Demodulationssignal (16) zusammengeführt. Empirisch und/oder analytisch für unterschiedliche Konzentrationen und unterschiedliche Temperaturen der Gaskomponente ermittelte Sollkurven der Demodulationssignale der abgetasteten Absorptionslinien (18a, 18b, 18c) werden zu einem Sollprofil zusammengeführt. Ein Messergebnis für die Konzentration der Gaskomponente und die Temperatur des Messgases wird durch Vergleich des einzigen gemeinsamen Demodulationssignals (16) mit dem Sollprofil ermittelt.To measure the concentration of a gas component in a measurement gas by the method of wavelength modulation spectroscopy (WMS) at least two absorption lines (18a, 18b, 18c) of the gas component with different temperature behavior are sampled, wherein the obtained measurement signal at the locations of the sampled absorption lines at a harmonic of the modulation frequency demodulated and evaluated. In order to enable a temperature determination of the measurement gas, regardless of whether the absorption lines used for this overlap or not, overlapping absorption lines (18a, 18b) are used for the sampling, for which a single common demodulation signal (16ab) is formed, and / or on Demodulation signals (16c) obtained from locations of isolated absorption lines (18c) are merged into the single demodulation signal (16). Empirically and / or analytically determined for different concentrations and different temperatures of the gas component desired curves of the demodulation signals of the sampled absorption lines (18a, 18b, 18c) are combined to form a desired profile. A measurement result for the concentration of the gas component and the temperature of the measurement gas is determined by comparing the single common demodulation signal (16) with the target profile.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas mittels eines Gasanalysators, wobei

– das Licht einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle durch das Messgas auf einen Detektor geführt wird,
– mindestens zwei Absorptionslinien der Gaskomponente mit unterschiedlichem Temperaturverhalten wellenlängenabhängig abgetastet werden, indem die Wellenlänge des Lichts variiert und dabei zusätzlich mit einer Frequenz moduliert wird,
– ein von dem Detektor erzeugtes Messsignal an den Stellen der abgetasteten Absorptionslinien bei einer Oberschwingung der Frequenz demoduliert wird, und
– die dabei erhaltenen Demodulationssignale zu einem Messergebnis für die Konzentration der Gaskomponente und die Temperatur des Messgases ausgewertet werden.

The invention relates to a method for measuring the concentration of a gas component in a measurement gas by means of a gas analyzer, wherein

The light of a wavelength-tunable light source is passed through the measurement gas to a detector,
- At least two absorption lines of the gas component with different temperature behavior are scanned wavelength dependent by the wavelength of the light is varied and additionally modulated with a frequency,
- A measurement signal generated by the detector at the locations of the sampled absorption lines at a harmonic frequency is demodulated, and
- The demodulation signals obtained thereby are evaluated to a measurement result for the concentration of the gas component and the temperature of the sample gas.

Ein derartiges Verfahren ist aus der US 5 026 991 A oder US 2011/0150035 A1 bekannt. Such a method is known from US 5 026 991 A or US 2011/0150035 A1 known.

Für die optische Gasanalyse in der Prozessmesstechnik werden insbesondere Laserspektrometer eingesetzt, bei denen eine wellenlängenabstimmbare Lichtquelle in Form einer Laserdiode Licht im Infrarotbereich erzeugt, das durch ein zu messendes Prozessgas (Messgas) geführt und anschließend detektiert wird. Die Wellenlänge des Lichts wird auf eine spezifische Absorptionslinie der jeweils zu messenden Gaskomponente abgestimmt, wobei die Laserdiode die Absorptionslinie wellenlängenabhängig abtastet. Dazu wird die Laserdiode innerhalb von periodisch aufeinanderfolgenden Abtastintervallen mit einem rampen- oder dreieckförmigen Stromsignal angesteuert. Während der vergleichsweise langsamen Abtastung der Absorptionslinie wird zusätzlich die Wellenlänge des erzeugten Lichts mit hoher Frequenz und kleiner Amplitude sinusförmig moduliert. Da das Profil der Absorptionslinie nicht linear ist, werden in dem bei der Detektion erhaltenen Messsignal auch Harmonische oberhalb der Modulationsfrequenz erzeugt. Das Messsignal wird üblicherweise bei einer n-ten Oberschwingung, vorzugsweise der zweiten Harmonischen, durch phasensensitive Lock-in Technik demoduliert und das dabei erhaltene Demodulationssignal für jedes Abtastintervall zu einem Messergebnis ausgewertet. Bei kleiner Modulationsamplitude ist die Detektion der n-ten Harmonischen direkt proportional zu der n-ten Ableitung des direkten Messsignals. Die Auswertung kann z. B. durch Anfitten (Curve-Fitting) des im Idealfall zu erwartenden und mittels eines Näherungsmodells analytisch beschriebenen Verlaufs des demodulierten Messsignals (Sollkurve) an dessen tatsächlichen Verlauf (Istkurve) erfolgen. Da einer der Parameter des Näherungsmodells zu der Konzentration der Gaskomponente proportional ist, erhält man als Ergebnis der Auswertung, und damit als Messergebnis, die Konzentration der zu messenden Gaskomponente. Laser spectrometers are used in particular for optical gas analysis in process measurement technology, in which a wavelength-tunable light source in the form of a laser diode generates light in the infrared range, which is guided through a process gas (measurement gas) to be measured and subsequently detected. The wavelength of the light is tuned to a specific absorption line of the respective gas component to be measured, wherein the laser diode scans the absorption line as a function of the wavelength. For this purpose, the laser diode is driven within periodically successive sampling intervals with a ramped or triangular current signal. In addition, during the comparatively slow scanning of the absorption line, the wavelength of the generated light with high frequency and small amplitude is sinusoidally modulated. Since the profile of the absorption line is not linear, harmonics above the modulation frequency are also generated in the measurement signal obtained during the detection. The measurement signal is usually demodulated at an nth harmonic, preferably the second harmonic, by phase-sensitive lock-in technique and the resulting demodulation signal is evaluated for each sampling interval to form a measurement result. With a small modulation amplitude, the detection of the nth harmonic is directly proportional to the nth derivative of the direct measurement signal. The evaluation can z. B. by fitting (curve fitting) of the expected in the ideal case and analytically described by means of an approximation model course of the demodulated measurement signal (setpoint curve) to its actual course (actual curve). Since one of the parameters of the approximation model is proportional to the concentration of the gas component, the concentration of the gas component to be measured is obtained as a result of the evaluation, and thus as a measurement result.

Da die Position, Höhe und Breite von Absorptionslinien temperatur- und druckabhängig sein können, werden bei der Bestimmung der Konzentration der zu messenden Gaskomponente auch der Druck und die Temperatur des Messgases benötigt. Diese können mittels entsprechender Sensoren gemessen und über einen separaten Messkanal dem Laserspektrometer zur Verfügung gestellt werden. Since the position, height and width of absorption lines can be temperature- and pressure-dependent, the pressure and the temperature of the measuring gas are also required in determining the concentration of the gas component to be measured. These can be measured by means of appropriate sensors and made available to the laser spectrometer via a separate measuring channel.

Bei der sog. zwei-Linien-Thermometrie, wie sie z. B. aus der oben erwähnten US 5 026 991 A oder US 2011/0150035 A1 bekannt ist, wird die Temperatur direkt mit Hilfe des Laserspektrometers bestimmt, indem die Tatsache ausgenutzt wird, dass verschiedene Absorptionslinien derselben Gaskomponente ein unabhängiges Temperaturverhalten aufweisen können, d. h., ihre Lage, Höhe und/oder Breite sich in Abhängigkeit von der Temperatur unterschiedlich stark verändern kann. Dazu werden zwei unterschiedliche Absorptionslinien der Gaskomponente abgetastet. Das von dem Detektor erzeugte Messsignal wird an den Stellen der beiden Absorptionslinien demoduliert, wobei aus dem Verhältnis der dabei erhaltenen Demodulationssignale die Temperatur des Messgases bestimmt wird. Damit wird eine von Temperatureinflüssen unabhängige Bestimmung der Konzentration der Gaskomponente ermöglicht. In the so-called. Two-line thermometry, as z. B. from the above US 5 026 991 A or US 2011/0150035 A1 is known, the temperature is determined directly by means of the laser spectrometer by taking advantage of the fact that different absorption lines of the same gas component can have an independent temperature behavior, ie, their position, height and / or width can vary differently depending on the temperature , For this purpose, two different absorption lines of the gas component are scanned. The measurement signal generated by the detector is demodulated at the locations of the two absorption lines, wherein the temperature of the measurement gas is determined from the ratio of the demodulation signals obtained thereby. This makes it possible to determine the concentration of the gas component independently of temperature influences.

Voraussetzung für die vorstehend beschriebene Temperaturbestimmung ist jedoch, dass die beiden verwendeten Absorptionslinien voneinander getrennt, also isoliert sind. Dies ist jedoch bei vielen Messaufgaben nicht gegeben. So überlagern sich beispielsweise im Fall von Ammoniak die jeweils geeigneten Absorptionslinien bei realen Prozessbedingungen aufgrund der Druckverbreiterung so stark, dass eine isolierte Betrachtung nicht möglich ist. The prerequisite for the temperature determination described above, however, is that the two absorption lines used are separated from one another, ie isolated. However, this is not the case with many measuring tasks. For example, in the case of ammonia, the respectively suitable absorption lines under real process conditions overlap so much due to the pressure broadening that isolated observation is not possible.

In der Prozessmesstechnik, z. B. bei Messung in einem Kamin, ändert sich die Temperatur entlang des Strahlweges durch das Messgas. In diesem Fall können mittels Zwei- oder Mehr-Linien-Thermometrie und unter Verwendung eines sog. Bin- oder Binning-Verfahrens ungleichförmige Temperaturverteilungen ermittelt werden ( US 2011/0150035 A1 ). In process measurement, z. As measured in a fireplace, the temperature changes along the beam path through the sample gas. In this case non-uniform temperature distributions can be determined by means of two-line or multi-line thermometry and using a so-called binning or binning process ( US 2011/0150035 A1 ).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturbestimmung des Messgases aus den spektralen Informationen der jeweils zu messenden Gaskomponente unabhängig davon zu ermöglichen, ob die dazu verwendeten Absorptionslinien einander überlappen oder nicht. The invention has for its object to enable a temperature determination of the measurement gas from the spectral information of each gas component to be measured regardless of whether the absorption lines used for this overlap or not.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei dem Verfahren der eingangs angegebenen Art

– für die Abtastung sich überlappende Absorptionslinien verwendet werden, für die ein einziges gemeinsames Demodulationssignal gebildet wird und/oder an den Stellen von isolierten Absorptionslinien erhaltenen Demodulationssignale zu dem oder einem einzigen gemeinsamen Demodulationssignal zusammengeführt werden,
– empirisch und/oder analytisch für unterschiedliche Konzentrationen und unterschiedliche Temperaturen der Gaskomponente ermittelte Sollkurven der Demodulationssignale der abgetasteten Absorptionslinien zu einem Sollprofil zusammengeführt werden und
– das Messergebnis für die Konzentration der Gaskomponente und die Temperatur des Messgases durch Vergleich des einzigen gemeinsamen Demodulationssignals mit dem Sollprofil ermittelt wird.

According to the invention, the object is achieved in that in the method of the type specified

For the scanning, overlapping absorption lines are used for which a single common demodulation signal is formed and / or demodulation signals obtained at the locations of isolated absorption lines are combined to form the one or a single common demodulation signal,
- Determined empirically and / or analytically for different concentrations and different temperatures of the gas component desired curves of the demodulation signals of the sampled absorption lines are combined into a desired profile and
- The measurement result for the concentration of the gas component and the temperature of the sample gas is determined by comparing the single common demodulation signal with the desired profile.

Sich überlappende Absorptionslinien mit unterschiedlichem Temperaturverhalten werden zusammen wellenlängenabhängig abgetastet, wobei durch Demodulation des von dem Detektor erzeugten Messsignals ein gemeinsames Demodulationssignal erzeugt wird. Sind die Absorptionslinien voneinander isoliert oder werden isolierte Absorptionslinien zusätzlich zu den sich überlappenden Absorptionslinien für die Messung herangezogen, so werden die an den Stellen dieser isolierten Absorptionslinien erhaltenen Demodulationssignale (genauer: ihre Verläufe oder Kurven) zu einem gemeinsamen Demodulationssignal zusammengeführt bzw. mit dem gemeinsamen Demodulationssignal der überlappenden Absorptionslinien zusammengeführt. Dazu werden die von den isolierten Absorptionslinien erhaltenen Demodulationssignale jeweils um einen vorgegebenen spektralen Versatz (Offset) verschoben, so dass sie sich überlappen. Der dabei erhaltene Verlauf des gemeinsamen Demodulationssignals ist charakteristisch für die Konzentration und Temperatur der zu messenden Gaskomponente. Overlapping absorption lines with different temperature behavior are scanned together depending on the wavelength, wherein a common demodulation signal is generated by demodulating the measurement signal generated by the detector. If the absorption lines are isolated from one another or if isolated absorption lines are used in addition to the overlapping absorption lines for the measurement, the demodulation signals obtained at the locations of these isolated absorption lines (more precisely: their courses or curves) are combined to form a common demodulation signal or with the common demodulation signal the overlapping absorption lines merged. For this purpose, the demodulation signals obtained from the isolated absorption lines are each shifted by a predetermined spectral offset so that they overlap. The resulting course of the common demodulation signal is characteristic of the concentration and temperature of the gas component to be measured.

Auf empirischem und/oder analytischem Wege lassen sich für die unterschiedlichen Konzentrationen und Temperaturen der Gaskomponente Sollkurven der Demodulationssignale der abgetasteten Absorptionslinien ermitteln. So hat eine ungestörte Absorptionslinie die Form einer Lorentz-Kurve, aus deren nten Ableitung der Sollverlauf des zugehörigen Demodulationssignals ermittelt werden kann. Der Einfluss der Temperatur auf die Lage, Höhe und Breite der Absorptionslinie ist entweder bekannt oder kann im Rahmen einer Kalibration ermittelt werden. Die Sollkurven der Demodulationssignale der Absorptionslinien werden einander überlagert, wobei sie ggf. jeweils um denselben spektralen Versatz verschoben werden, wie die bei der Messung erhaltenen Demodulationsssignale. Auf diese Weise kann man für jede Konzentration und Temperatur der Gaskomponente den im Idealfall zu erwartenden Sollverlauf des gemeinsamen Demodulationssignals ermitteln. Die Sollverläufe können auch ausschließlich durch Kalibration ermittelt werden. Die Summe aller dieser Sollverläufe bei unterschiedlichen Konzentrationen und Temperaturen der Gaskomponente bildet ein Sollprofil. In der Praxis werden auf empirischem und/oder analytischem Wege lediglich Stützwerte des Sollprofils für vorgegebene unterschiedliche Konzentrationen und Temperaturen bestimmt und die übrigen Werte des Sollprofils durch Interpolation ermittelt. For the different concentrations and temperatures of the gas component, desired curves of the demodulation signals of the sampled absorption lines can be determined empirically and / or analytically. Thus, an undisturbed absorption line has the form of a Lorentz curve, from whose nth derivative the desired course of the associated demodulation signal can be determined. The influence of the temperature on the position, height and width of the absorption line is either known or can be determined in the context of a calibration. The desired curves of the demodulation signals of the absorption lines are superimposed on one another, wherein they are possibly shifted in each case by the same spectral offset as the demodulation signals obtained during the measurement. In this way, one can determine for each concentration and temperature of the gas component the expected ideal course of the common demodulation signal. The nominal curves can also be determined exclusively by calibration. The sum of all these nominal curves at different concentrations and temperatures of the gas component forms a nominal profile. In practice, only basic values of the nominal profile for predetermined different concentrations and temperatures are determined empirically and / or analytically, and the remaining values of the nominal profile are determined by interpolation.

Durch Vergleich des bei der Messung erhaltenen gemeinsamen Demodulationssignals mit dem einmalig ermittelten Sollprofil werden schließlich die Konzentration der Gaskomponente und die Temperatur des Messgases ermittelt. Dies beinhaltet ausdrücklich auch die Möglichkeit, dass die Temperatur selbst nicht als Messwert ausgegeben wird, sondern nur dazu verwendet wird, die Konzentration der Gaskomponente frei von Temperatureinflüssen zu bestimmen, d. h. Temperatureinflüsse aus dem Messergebnis für die Konzentration herauszurechnen. Umgekehrt besteht die Möglichkeit, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Konzentration der Gaskomponente nicht als Messwert auszugeben, sondern in bekannter Weise durch Abtastung einer einzigen Absorptionslinie zu ermitteln und dann bezüglich ihrer Temperaturabhängigkeit durch die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Temperatur zu korrigieren. By comparing the common demodulation signal obtained during the measurement with the once determined desired profile, the concentration of the gas component and the temperature of the measurement gas are finally determined. This explicitly includes the possibility that the temperature itself is not output as a measured value, but is used only to determine the concentration of the gas component free of temperature influences, ie. H. To deduct the temperature influences from the measurement result for the concentration. Conversely, there is the possibility of not outputting the concentration of the gas component obtained by the method according to the invention as a measured value, but to determine in a known manner by scanning a single absorption line and then correcting with respect to their temperature dependence by the temperature obtained by the method according to the invention.

Der Vergleich des bei der Messung erhaltenen gemeinsamen Demodulationssignals mit dem Sollprofil kann auf der Grundlage unterschiedlicher Verfahren wie Korrelation, Regression, Curve-Fitting oder multivariate Datenauswertung erfolgen. The comparison of the common demodulation signal obtained during the measurement with the desired profile can be made on the basis of different methods such as correlation, regression, curve fitting or multivariate data evaluation.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren auf die Messung des Drucks in dem Messgas ausgedehnt, indem mindestens drei Absorptionslinien der Gaskomponente mit unterschiedlichem Temperatur- und Druckverhalten wellenlängenabhängig abgetastet werden und die Sollkurven der Demodulationssignale der abgetasteten Absorptionslinien für unterschiedliche Konzentrationen, Temperaturen und Drücke der Gaskomponente ermittelt werden. Preferably, the inventive method is extended to the measurement of the pressure in the measurement gas by wavelength-dependent scanned at least three absorption lines of the gas component with different temperature and pressure behavior and the desired curves of the demodulation signals of the sampled absorption lines for different concentrations, temperatures and pressures of the gas component are determined.

Grundsätzlich gilt, dass das erfindungsgemäße Verfahren umso robuster und genauer ist, je mehr Absorptionslinien der Gaskomponente für die Messung verwendet werden. In principle, the more absorption lines of the gas component are used for the measurement, the more robust and accurate the method according to the invention is.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels eines Bin-Verfahrens eine Häufigkeitsverteilung verschiedener Temperaturklassen (Temperaturbereiche) für unterschiedliche Intervalle der Messstrecke zwischen der Lichtquelle und dem Detektor ermittelt. In der Regel ist das qualitative Temperaturprofil entlang der Messstrecke bekannt (beispielsweise wird in einem Kamin die Temperatur in der Mitte am höchsten sein und zu den Wänden hin abfallen) und wird über die ermittelte Häufigkeitsverteilung zusätzlich quantifiziert. In an advantageous development of the method according to the invention, a frequency distribution of different temperature classes (temperature ranges) for different intervals of the measurement path between the light source and the detector is determined by means of a bin method. Usually the qualitative temperature profile along the measuring distance is known (for example, in a chimney the temperature in the middle will be highest and fall off towards the walls) and will be additionally quantified by the determined frequency distribution.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen: To further explain the invention, reference will be made below to the figures of the drawing; in detail show:

1 ein Ausführungsbeispiel eines Gasanalysator zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 An embodiment of a gas analyzer for carrying out the method according to the invention,

2 ein Beispiel für die Temperaturabhängigkeit einer Absorptionslinie, 2 an example of the temperature dependence of an absorption line,

3 ein Beispiel für die Abtastung mehrerer Absorptionslinien und die Bildung eines einzigen gemeinsamen Demodulationssignals und 3 an example of the sampling of multiple absorption lines and the formation of a single common demodulation signal and

4 ein Beispiel für den idealen Sollverlauf des einzigen gemeinsamen Demodulationssignals. 4 an example of the ideal desired course of the single common demodulation signal.

Bei dem in 1 in Form eines vereinfachten Blockschaltbildes gezeigten Gasanalysator handelt es sich um ein Laserspektrometer zur Messung der Konzentration mindestens einer interessierenden Gaskomponente eines Messgases 1, das hier z. B. eine Prozessgasleitung 2 durchströmt. Das Spektrometer enthält eine Lichtquelle 3 in Form einer Laserdiode, deren Licht 4 nach Durchstrahlen des Messgases 1 auf einen Detektor 5 fällt. Eine von einer Modulationseinrichtung 6 gesteuerte Stromquelle 7 speist die Laserdiode 3 mit einem Injektionsstrom i, wobei die Intensität und Wellenlänge des erzeugten Lichts 4 von dem Strom i und der Betriebstemperatur der Laserdiode 3 abhängen. Die Modulationseinrichtung 6 umfasst einen ersten Signalgenerator 8, der die Stromquelle 7 periodisch mit einer vorgegebenen, vorzugsweise rampen- oder dreieckförmigen Funktion 9 ansteuert, um mit der mehr oder weniger linear dem Verlauf des Stromes i folgenden Wellenlänge des erzeugten Lichts 4 ausgewählte Absorptionslinien der interessierenden Gaskomponente abzutasten. Ein zweiter Signalgenerator 10 erzeugt ein sinusförmiges Signal 11 höherer Frequenz f, mit dem in einem Summierglied 12 die rampen- oder dreieckförmige Funktion 9 moduliert wird. At the in 1 The gas analyzer shown in the form of a simplified block diagram is a laser spectrometer for measuring the concentration of at least one gas component of interest of a measuring gas 1 that here z. B. a process gas line 2 flows through. The spectrometer contains a light source 3 in the form of a laser diode whose light 4 after irradiating the sample gas 1 on a detector 5 falls. One of a modulation device 6 controlled power source 7 feeds the laser diode 3 with an injection current i, where the intensity and wavelength of the generated light 4 from the current i and the operating temperature of the laser diode 3 depend. The modulation device 6 includes a first signal generator 8th who is the power source 7 periodically with a predetermined, preferably ramped or triangular function 9 to control with the more or less linearly the course of the current i following wavelength of the generated light 4 to scan selected absorption lines of the gas component of interest. A second signal generator 10 generates a sinusoidal signal 11 higher frequency f, with in a summing 12 the ramp or triangular function 9 is modulated.

Der Detektor 5 erzeugt in Abhängigkeit von der detektierten Lichtintensität ein Messsignal 13, das in einem Lock-in-Verstärker 14 bei einer Harmonischen nf (n = 1, 2, 3 ...), hier z. B. 2f, der Modulationsfrequenz f demoduliert wird. In einer nachgeordneten Auswerteeinrichtung 15 werden, wie weiter unten noch näher erläutert wird, für die jeweils abgetasteten Absorptionslinien erhaltene Demodulationssignale 16ab, 16c zu einem Messergebnis 17 für die Konzentration der Gaskomponente und die Temperatur des Messgases 1 ausgewertet. The detector 5 generates a measuring signal as a function of the detected light intensity 13 that in a lock-in amplifier 14 at a harmonic nf (n = 1, 2, 3 ...), here z. B. 2f, the modulation frequency f is demodulated. In a downstream evaluation device 15 are, as will be explained in more detail below, obtained for each sampled absorption lines demodulation signals 16a-b . 16c to a measurement result 17 for the concentration of the gas component and the temperature of the sample gas 1 evaluated.

2 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt aus dem Absorptionsspektrum der zu messenden Gaskomponente mit einer Absorptionslinie 18 bei verschiedenen Temperaturen, wobei sich die Position, Höhe und Breite der Absorptionsline 18 in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Aufgrund der normierten Darsstellung des Absorptionsspektrums ist vor allem eine Änderung der Form der Absorptionslinie 18 zu erkennen. 2 shows by way of example a section of the absorption spectrum of the gas component to be measured with an absorption line 18 at different temperatures, with the position, height and width of the absorption line 18 depending on the temperature changes. Due to the normalized Darsstellung of the absorption spectrum is above all a change of the form of the absorption line 18 to recognize.

Mit dem von der Laserdiode 3 erzeugten Licht 4 werden mehrere solcher Absorptionslinien der Gaskomponente abgetastet, von denen bekannt ist, dass sie ein unterschiedliches Temperaturverhalten aufweisen, d. h. ihre Formen sich in Abhängigkeit von der Temperatur unterschiedlich stark verändern. With the from the laser diode 3 generated light 4 several such absorption lines of the gas component are sensed, which are known to have a different temperature behavior, that is, their shapes vary differently depending on the temperature.

3 zeigt anhand eines sehr einfachen Beispiels zwei Wellenlängenabschnitte 19, 20 des Absorptionsspektrums der Gaskomponente, in denen drei solcher Absorptionslinien 18a, 18b, 18c abgetastet werden. Die Absorptionslinien 18a, 18b in dem Abschnitt 19 überlappen sich und werden gemeinsam abgetastet. Die isolierte Absorptionslinie 18c in dem Abschnitt 19 wird separat abgetastet. 3 shows by means of a very simple example two wavelength sections 19 . 20 of the absorption spectrum of the gas component, in which three such absorption lines 18a . 18b . 18c be scanned. The absorption lines 18a . 18b in the section 19 overlap and are scanned together. The isolated absorption line 18c in the section 19 is scanned separately.

Das bei der Abtastung des Absorptionsspektrums in den Wellenlängenabschnitten 19, 20 von dem Detektor 5 erzeugte Messsignal 13 wird bei der Frequenz 2f demoduliert, wobei für die sich überlappenden Absorptionslinien 18a, 18b ein gemeinsames Demodulationssignal 16ab und für die isolierte Absorptionslinie 18c ein Demodulationssignal 16c erzeugt wird. Das von der isolierten Absorptionslinie 18c erhaltene Demodulationssignal 16c wird in einer Recheneinheit 21 der Auswerteeinrichtung 15 um einen vorgegebenen Offset 22 verschoben und mit dem Demodulationssignal 16ab zu einem einzigen Demodulationssignal 16 zusammengeführt bzw. überlagert. Der Verlauf des für alle abgetasteten Absorptionslinien gemeinsamen einzigen Demodulationssignals 16 ist charakteristisch für die Konzentration und Temperatur der zu messenden Gaskomponente. That when sampling the absorption spectrum in the wavelength segments 19 . 20 from the detector 5 generated measuring signal 13 is demodulated at the frequency 2f, where for the overlapping absorption lines 18a . 18b a common demodulation signal 16a-b and for the isolated absorption line 18c a demodulation signal 16c is produced. That of the isolated absorption line 18c obtained demodulation signal 16c is in a computing unit 21 the evaluation device 15 by a predetermined offset 22 shifted and with the demodulation signal 16a-b to a single demodulation signal 16 merged or superimposed. The course of the common for all sampled absorption lines single demodulation signal 16 is characteristic of the concentration and temperature of the gas component to be measured.

Das Demodulationssignal 16 wird in einer weiteren Recheneinheit 23 der Auswerteeinrichtung 15 mit einem dort in einer Speichereinheit 24 abgelegten Sollprofil 25 verglichen und aus dem Vergleich das Messergebnis 17 für die Konzentration der Gaskomponente und die Temperatur des Messgases 1 ermittelt. The demodulation signal 16 will be in another arithmetic unit 23 the evaluation device 15 with one there in a storage unit 24 stored nominal profile 25 compared and from the comparison the measurement result 17 for the concentration of the gas component and the temperature of the sample gas 1 determined.

Das Sollprofil 25 besteht aus Sollkurven der Demodulationssignale der abgetasteten Absorptionslinien, die empirisch und/oder analytisch für unterschiedliche Konzentrationen und unterschiedliche Temperaturen der Gaskomponente ermittelt und zu dem Sollprofil 25 zusammengeführt werden. The target profile 25 consists of nominal curves of the demodulation signals of the sampled absorption lines, which are empirically and / or analytically for different concentrations and different Temperatures of the gas component determined and the target profile 25 be merged.

Die für die Messung verwendeten Absorptionslinien 18a, 18b, 18c können analytisch beschrieben werden. So hat eine ideale Absorptionslinie die Form einer Lorentz-Kurve, so dass aus deren zweiten Ableitung der Sollverlauf des jeweiligen Demodulationssignals 16a, 16b, 16c ermittelt werden kann. Der Einfluss der Temperatur auf die Lage, Höhe und Breite der Absorptionslinie ist entweder bekannt und in der analytischen Beschreibung enthalten oder er kann durch Kalibration ermittelt werden. The absorption lines used for the measurement 18a . 18b . 18c can be described analytically. Thus, an ideal absorption line has the form of a Lorentz curve, so that from the second derivative of the desired course of the respective demodulation signal 16a . 16b . 16c can be determined. The influence of temperature on the location, height and width of the absorption line is either known and included in the analytical description or it can be determined by calibration.

4 zeigt ein Beispiel für die Sollkurven 26 der Demodulationssignale einer Vielzahl von unterschiedlichen Absorptionslinien derselben Gaskomponente bei einer bestimmten Konzentration und Temperatur. Ihre Überlagerung ist der Sollverlauf 27 des einzigen gemeinsamen Demodulationssignals 16 für diese eine Konzentration und Temperatur. Bei der Überlagerung der Sollkurven 26 werden diese ggf. jeweils um denselben Offset 22 verschoben, wie die bei der Messung erhaltenen Demodulationsssignale, z. B. das in 3 gezeigte Demodulationssignal 16c. 4 shows an example of the setpoint curves 26 the demodulation signals of a plurality of different absorption lines of the same gas component at a certain concentration and temperature. Your overlay is the target course 27 the single common demodulation signal 16 for this one concentration and temperature. When superimposing the desired curves 26 if necessary, these are each offset by the same amount 22 shifted as the demodulation signals obtained in the measurement, z. B. in 3 shown demodulation signal 16c ,

Alle Sollverläufe 27 des Demodulationssignals 16 für unterschiedliche Konzentrationen und Temperaturen bilden schließlich das erwähnte Sollprofil 25. Dazu werden in der Praxis die Sollverläufe 27 lediglich für bestimmte Temperatur- und Konzentrationswerte unmittelbar ermittelt; die übrigen Sollverläufe 27 für die dazwischen liegenden Werte können dann durch Interpolation berechnet werden. All nominal curves 27 the demodulation signal 16 for different concentrations and temperatures finally form the mentioned target profile 25 , For this purpose, in practice, the nominal curves 27 only directly determined for certain temperature and concentration values; the remaining nominal curves 27 for the intermediate values can then be calculated by interpolation.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 5026991 A [0002, 0005]
US 2011/0150035 A1 [0002, 0005, 0007]

Claims

Method for measuring the concentration of a gas component in a measuring gas ( 1 ) by means of a gas analyzer, wherein - the light ( 4 ) of a wavelength tunable light source ( 3 ) through the sample gas ( 1 ) to a detector ( 5 ), - at least two absorption lines ( 18a . 18b . 18c ) of the gas component with different temperature behavior are scanned wavelength-dependent by the wavelength of the light ( 4 ) and additionally modulated with a frequency (f), - one from the detector ( 5 ) generated measuring signal ( 13 ) at the locations of the sampled absorption lines ( 18a . 18b . 18c ) is demodulated at a harmonic (nf) of the frequency (f), and - the demodulation signals obtained thereby result in a measurement result ( 17 ) for the concentration of the gas component and the temperature of the measuring gas ( 1 ), characterized in that - for the scanning, overlapping absorption lines ( 18a . 18b ), for which a single common demodulation signal ( 16a-b ) and / or at the locations of isolated absorption lines ( 18c ) obtained demodulation signals ( 16c ) to the or a single common demodulation signal ( 16 ), that empirically and / or analytically determined setpoint curves for different concentrations and different temperatures of the gas component (US Pat. 26 ) of the demodulation signals of the sampled absorption lines ( 18a . 18b . 18c ) to a target profile ( 25 ) and - that the measurement result ( 17 ) for the concentration of the gas component and the temperature of the measuring gas ( 1 ) by comparing the single common demodulation signal ( 16 ) with the nominal profile ( 25 ) is determined.

A method according to claim 1, characterized in that at least three absorption lines of the gas component with different temperature and pressure behavior are scanned wavelength dependent and that the setpoint curves ( 26 ) of the demodulation signals of the sampled ( 18a . 18b . 18c ) Absorption lines for different concentrations, temperatures and pressures of the gas component can be determined.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the concentration of ammonia is measured.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that by means of a bin method a frequency distribution of different temperature classes for different intervals of the measuring section between the light source ( 3 ) and the detector ( 5 ) is determined.