Verfahren und Gasanalysator zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Gasanalysator gemäß dem Oberbe ^¬ griff des Anspruchs 6. Ein derartiges Verfahren bzw. ein derartiger Gasanalysator sind aus der EP 1 475 618 Bl bekannt.

Bei dem bekannten Gasanalysator handelt es sich um ein Laser- spektrometer, das insbesondere für die optische Gasanalyse in der Prozessmesstechnik eingesetzt wird. Eine wellenlängen- abstimmbaren Lichtquelle in Form einer Laserdiode erzeugt Licht im Infrarotbereich, das durch ein zu messendes Prozess ^¬ gas (Messgas) geführt und anschließend detektiert wird. Die Wellenlänge des Lichts wird auf eine spezifische Absorptions- linie der jeweils zu messenden Gaskomponente abgestimmt, wo ^¬ bei die Laserdiode die Absorptionslinie periodisch wellenlän ^¬ genabhängig 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 ho ^¬ her 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 für jedes Abtastintervall zu einem Mess ^¬ ergebnis ausgewertet. Bei kleiner Modulationsamplitude ist die Detektion der n-ten Harmonischen direkt proportional zu der n-ten Ableitung des direkten Messsignals. Die Auswertung erfolgt z. B. durch Anfitten (Curve-Fitting) des Lorentz-Pro- fils einer idealen Absorptionslinie bzw. dessen n-ten Ableitung an den Verlauf des demodulierten Messsignals. Aus dem dabei erhaltenen Messergebnis wird schließlich die Konzentra ^¬ tion der zu messenden Gaskomponente bestimmt.

Temperaturänderungen innerhalb des Gasanalysators können zu Änderungen der Messergebnisse führen. Diese als Drift be ^¬ zeichnete Charakteristik des Gasanalysators schränkt sein Messverhalten und zu realisierende Applikationen maßgeblich ein. Eine Ursache für die Drift können unter anderem Etalons im optischen Strahlengang sein. Diese führen in dem Verlauf des demodulierten Messsignals zu periodischen Strukturen, die im Frequenzbereich des zu erwartenden Absorptionssignals liegen. Beim Curve-Fitting führt dies zu fehlangefitteten Funktionen und Abweichungen zwischen der ermittelten Konzentrationen von der tatsächlichen Konzentrationen der zu messenden Gaskomponente.

Zur Unterdrückung dieser Störsignalanteile ist es aus der oben genannten EP 1 475 618 Bl bekannt, einen Teil des von der Lichtquelle erzeugten Lichts unmittelbar auf einen Moni- tordetektor zu führen und das erhaltene Monitorsignal bei der n-ten Oberschwingung zu demoduliert und auszuwerten. Jede Ab ^¬ weichung des demodulierten Monitorsignals von einer Nulllinie beruht auf einer optischen Störung, die, soweit sie im Be ^¬ reich der Lichtquelle oder in dem von Mess- und Monitorkanal gemeinsamen genutzten Wegabschnitt des Strahlengangs liegt, auch das Messsignal beeinträchtigt. Diese Störung wird durch eine Vorverzerrung der Ansteuerung der Lichtquelle kompensiert, indem die Wellenlänge des Lichts zusätzlich mit der n- ten Oberschwingung moduliert wird, wobei die Modulationsin- tensität von dem demodulierten Monitorsignal abhängig ist.

Die Auskopplung eines Teils des erzeugten Lichts auf den Mo ^¬ nitordetektor ist jedoch mit einem erhöhten konstruktiven und schaltungstechnischen Aufwand verbunden, der mit einer höhe- ren Störempfindlichkeit einhergeht. Außerdem können außerhalb der gemeinsamen Abschnitte des Mess- und Monitorkanals auf ^¬ tretende Störungen des Messsignals nicht kompensiert werden. Aus der EP 2 336 738 AI oder EP 1 927 831 AI ist es bekannt, die optische Weglänge beispielsweise durch mechanische Vibra ^¬ tion der Lichtquelle zu variieren und die störenden periodi ^¬ schen Strukturen aus dem demodulierten Messsignal herauszu- mittein. Dadurch lassen sich aber nur bestimmte, von parallelen optischen Oberflächen im Stahlengang erzeugte Interferenz-Störungen reduzieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus Temperaturände- rungen in dem Gasanalysator resultierende Driften in den Messergebnissen zu reduzieren.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch das in Anspruch 1 definierte Verfahren sowie den in Anspruch 6 angegebenen Gas- analysator gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht also vor,

- dass die sinusförmige Modulation in aufeinanderfolgenden Abtastintervallen mit mindestens zwei unterschiedlichen Modulationsamplituden erfolgt,

- dass zur Messkalibrierung in einer Speichereinrichtung bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der zu messenden Gaskomponente für die unterschiedlichen Modulations ^¬ amplituden erhaltene Messergebnisse und ihre Änderungen bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen oder Verläufen der Betriebstemperatur des Gasanalysators abgespeichert werden, und

- dass beim Messen einer unbekannten Konzentration der Gaskomponente durch Vergleich der in aufeinanderf oIgenden Ab ^¬ tastintervallen bei unterschiedlichen Modulationsamplituden erhaltenen Messergebnisse mit den abgespeicherten Messergebnissen die zu messende Konzentration ermittelt wird .

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die aus der si ^¬ nusförmigen Modulation mit unterschiedlichen Modulationsamp- lituden resultierenden demodulierten Messsignale von derselben Störung unterschiedlich stark beeinflusst werden. Wenn diese demodulierten Messsignale bei derselben Konzentration der zu messenden Gaskomponente erhalten werden, enthalten sie zusammen eine Zusatzinformation über die Störung, wobei diese Zusatzinformation umso detaillierter und genauer ist, je mehr unterschiedliche Modulationsamplituden verwendet werden. Mit dieser Zusatzinformation kann die Störung erkannt und kompensiert werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen : Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gas- analysator,

Figur 2 ein Beispiel für die Störung eines demodulierten

Messsignals ,

Figur 3 ein Beispiel für das demodulierte Messsignal bei un ^¬ terschiedlichen Modulationsamplituden,

Figur 4 beispielhaft die Frequenzspektren der Störung und des demodulierten Messsignals bei unterschiedlichen

Modulationsamplituden, und

Figur 5 ein Beispiel für die Kalibrationsmatrix . Bei dem in Figur 1 in Form eines vereinfachten Blockschaltbildes gezeigten Gasanalysator handelt es sich um ein Laser- spektrometer zur Messung der Konzentration mindestens einer interessierenden Gaskomponente eines Messgases 1, das in ei ^¬ nem Messvolumen 2, beispielsweise einer Messküvette oder ei- ner Prozessgasleitung, enthalten ist. Das Spektrometer enthält eine Lichtquelle 3 in Form einer Laserdiode, deren Licht

4 nach Durchstrahlen des Messgases 1, auf einen Messdetektor

5 fällt. Eine von einer Modulationseinrichtung 6 gesteuerte Stromquelle 7 speist die Laserdiode 3 mit einem Injektions- ström 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 perio- disch mit einer vorgegebenen, vorzugsweise rampen- oder drei- eckförmigen Funktion 9 angesteuert, um mit der mehr oder weniger linear dem Verlauf des Stromes i folgenden Wellenlänge des erzeugten Lichts 4 eine ausgewählte Absorptionslinie der interessierenden Gaskomponente abzutasten. Ein zweiter Sig- nalgenerator 10 erzeugt ein sinusförmiges Signal 11 höherer Frequenz f ₀ , mit dem in einem Summierglied 12 die rampen- oder dreieckförmige Funktion 9 moduliert wird. Eine von dem ersten Signalgenerator 8 gesteuerte Steuereinheit 13 wählt aus mindestens zwei in einem Funktionsblock 14 enthaltenen unterschiedliche Werten Kl, K2 einen Wert aus, mit dem in ei ^¬ nem Multiplizierer 15 das sinusförmige Signal 11 multipli ^¬ ziert und so seine Modulationsamplitude eingestellt wird. In jeweils unmittelbar oder in vorgegebener Anzahl aufeinanderfolgenden Abtastintervallen werden unterschiedliche Modulati- onsamplituden eingestellt (z. B. Kl, K2, Kl, K2 usw. oder Kl, Kl, K2, K2, Kl, Kl, K2, K2 usw.), wobei insbesondere bei Modulation mit mehr als zwei verschiedenen Modulationsamplitu ^¬ den jede der Modulationsamplituden einmal verwendet worden sein muss, bevor sich die Konzentration der zu messenden Gas- komponente messbar geändert hat.

Der Messdetektor 5 erzeugt in Abhängigkeit von der detektier- ten Lichtintensität ein Messsignal 16, das in einem Lock-in- Verstärker 17 einer Auswerteeinrichtung 18 bei einer Harmoni- sehen n-f ₀ der Modulationsfrequenz f ₀ demoduliert wird. In einer nachgeordneten Auswerteeinheit 19 wird das demodulierte Messsignal 16' für jedes Abtastintervall zu einem Messergeb ^¬ nis ausgewertet. Die in aufeinanderfolgenden Abtastinterval ^¬ len bei unterschiedlichen Modulationsamplituden Kl, K2 er- zeugten Messergebnisse 20 (Kl), 20 (K2) werden einer Speichereinrichtung 21 zugeführt und mit dort z. B. in einer Kalibra- tionsmatrix 22 abgespeicherten Messergebnissen verglichen, die bei einer Kalibration des Gasanalysators erhalten worden sind. Bei den abgespeicherten Messergebnissen handelt es sich um die bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der zu messenden Gaskomponente für die unterschiedlichen Modulationsamplituden erhaltenen Messergebnisse und ihre Änderungen bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen oder Verläufen der Betriebstemperatur des Gasanalysators . Die zu messende Kon ^¬ zentration der Gaskomponente 23 wird dann durch Vergleich der in den aufeinanderfolgenden Abtastintervallen bei den unterschiedlichen Modulationsamplituden Kl, K2 erhaltenen Messergebnisse 20 (Kl ) , 20 (K2 ) mit den abgespeicherten Messergeb- nissen ermittelt und ausgegeben .

Wie eingangs bereits erläutert, können Temperaturänderungen innerhalb des Gasanalysators zu einer Drift der Messergebnis ^¬ se führen . Eine Ursache für die Drift können unter anderem Etalons im optischen Strahlengang sein, die zu periodischen Strukturen im Verlauf des demodulierten Messsignals 16' führen .

Figur 2 zeigt beispielhaft ein bei der zweiten Harmonischen 2f ₀ der Modulationsfrequenz f ₀ demoduliertes ideales Messsig ^¬ nal 16 'a, das der zweiten Ableitung der abgetasteten Absorptionslinie entspricht, eine periodische Störung 24 sowie das von der Störung 24 überlagerte Messsignal 16 'b. Es ist sofort erkennbar, dass ein Anfitten der 2-ten Ableitung des Lorentz- Profils einer idealen Absorptionslinie an das gestörte Mess ^¬ signal 16 ' b nicht zu einer korrekten Konzentrationsbestimmung führt .

Figur 3 zeigt beispielhaft zwei bei Abtastung jeweils der- selben Absorptionslinie erhaltene demodulierte Messsignale

16' (Kl), 16' (K2), wobei im Falle des Messsignals 16' (Kl) die Modulation bei der Frequenz f ₀ mit einer kleineren Modulationsamplitude Kl und im Falle des Messsignals 16' (K2) Modula ^¬ tionsamplitude K2 erfolgte.

Figur 4 zeigt beispielhaft die Frequenzspektren der Störung 24 und der demodulierten Messsignale 16' (Kl), 16' (K2). Aus den Figuren 2 bis 4 ergibt sich, dass die aus der f ₀ -Mo- dulation mit unterschiedlichen Modulationsamplituden Kl, K2 resultierenden demodulierten Messsignale 16' (Kl), 16' (K2) von derselben Störung 24 unterschiedlich stark beeinflusst wer- den, was sich insbesondere im Frequenzbereich zeigt. Da beide demodulierten Messsignale 16' (Kl), 16' (K2) bei derselben Konzentration der zu messenden Gaskomponente aufgenommen worden sind, enthalten sie gemeinsam eine Zusatzinformation über die Störung, wobei diese Zusatzinformation umso detaillierter und genauer ist, je mehr unterschiedliche Modulationsamplituden Kl, K2, ... verwendet werden.

In der Auswerteeinheit 19 (vgl. Figur 1) wird das demodulierte Messsignal 16' (das sich aus den abwechselnd aufeinander folgenden demodulierten Messsignalen 16' (Kl) und 16' (Kl) zusammensetzt) für jedes Abtastintervall zu den Messergebnissen 20 (Kl), 20 (K2) ausgewertet, die neben der zu bestimmenden Konzentration der Gaskomponente auch die Zusatzinformation über die Störung enthalten. Die Auswertung kann in an sich bekannter Weise durch Curve-Fitting erfolgen. Wie anhand von Figur 4 leicht zu erkennen ist, können z. B. auch die Frequenzspektren der demodulierten Messsignalen 16' (Kl),

16' (Kl), oder auf besonders einfache Weise die Maxima 25, 26 der Frequenzspektren ausgewertet werden.

Figur 5 zeigt ein Beispiel für die Kalibrationsmatrix 22 (vgl. Figur 1), in der im Verlauf einer Kalibrierung des Gas- analysators bei unterschiedlichen bekannten Konzentrationen der zu messenden Gaskomponente für die beiden unterschiedli- che Modulationsamplituden Kl, K2 erhaltene Messergebnisse

20 (Kl), 20 (K2) zusammen mit den zugehörigen Konzentrationswerten als Wertepaare (2-Tupel) 27 abgespeichert sind. Das Wertepaar 27a wurde bei der Konzentration Null und das Paar 27e bei der höchsten zu erwartenden Konzentration (Endkonzen- tration) ermittelt. Die ermittelten Wertepaare liegen auf ei ^¬ ner Kennlinie 28, hier z. B. einer Geraden, deren übrige Werte durch Interpolation berechnet werden können. Durch mehrfache Kalibrierung des Gasanalysators bei unter ^¬ schiedlichen Betriebstemperaturen oder Betriebstemperaturverläufen werden Informationen über Abweichungen von der Kennlinie 28 erhalten, die ebenfalls abgespeichert werden. Im einfachsten Fall verläuft die Störbeeinflussung in eine Richtung 29, indem die Kennlinie 28 z . B . gedreht oder verschoben wird . Beim Messen einer unbekannten Konzentration der Gaskomponente wird ein dabei erhaltenes Wertepaar 30 mit den ab ^¬ gespeicherten Wertepaaren 27 verglichen und anhand der eben- falls abgespeicherten Informationen über die Abweichung, hier also die Information über die Richtung 29, rechnerisch auf die Kennlinie 28 zurückverschoben, um dort an der Stelle 31 die korrekte Konzentration 23 (vgl . Figur 1 ) der Gaskomponente abzulesen .

Wie bereits erwähnt, kann ein komplizierteres Driftverhalten des Gasanalysators kompensiert werden, indem die Modulation bei der Frequenz f ₀ mit n > 2 verschiedenen Modulationsamplituden Kl, Kn durchgeführt wird und die n erhaltenen Messergebnisse 20 (Kl), 20 (Kn) mit n-Tupeln in einer n- dimensionalen Kalibrationsmatrix verglichen werden. Anstatt bei der Kalibrierung die Änderungen der Messergebnisse bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen oder ihren Verläufen zu erfassen, so wie Richtung 29 der Änderung bei dem voran- gegangenen Beispiel , können die n-Tupel selbst mit den zuge ^¬ hörigen bekannten Konzentrationen der Gaskomponente abgespeichert werden, so dass später beim Messen der unbekannten Konzentration der Gaskomponente der Konzentrationswert für das dabei erhaltene n-Tupel aus der Kalibrationsmatrix 22 heraus- gelesen oder durch Interpolation mit den Konzentrationswerten der jeweils benachbarten abgespeicherten n-Tupel ermittelt werden kann .