(19)
(11)EP 3 543 682 A1

(12)EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43)Veröffentlichungstag:
25.09.2019  Patentblatt  2019/39

(21)Anmeldenummer: 18163424.7

(22)Anmeldetag:  22.03.2018
(51)Int. Kl.: 
G01N 21/39  (2006.01)
H01S 5/068  (2006.01)
G01J 3/433  (2006.01)
(84)Benannte Vertragsstaaten:
AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR
Benannte Erstreckungsstaaten:
BA ME
Benannte Validierungsstaaten:
KH MA MD TN

(71)Anmelder: Axetris AG
6056 Kägiswil (CH)

(72)Erfinder:
  • WITTMANN, Andreas
    6074 Giswil (CH)
  • SCHLESINGER, Sven
    6072 Sachseln (CH)
  • PLATZ, Torsten
    6353 Weggis (CH)

(74)Vertreter: Klocke, Peter 
ABACUS Patentanwälte Lise-Meitner-Strasse 21
72202 Nagold
72202 Nagold (DE)

  


(54)VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES OPTISCHEN MESSSYSTEMS ZUR MESSUNG DER KONZENTRATION EINER GASKOMPONENTE IN EINEM MESSGAS


(57) Verfahren zum Betreiben eines optischen Messsystems zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas, basierend auf der Wellenlängen-Modulationsspektroskopie, wobei eine Laserlichtquelle mit einem Grundstrom IDC und einem Modulationsstrom IAC strommoduliert betrieben wird und einen Laserstrahl der Wellenlänge λ0 mit einer Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC emittiert und die Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC des Laserlichtes über eine variable Einstellung der Strom-Modulationsamplitude ΔIAC konstant gehalten wird. Die Erfindung sieht vor, am Arbeitspunkt eine modulierte Leistung ΔPAC an einem Innenwiderstand RI der Laserlichtquelle konstant zu halten, um die Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC zu stabilisieren.




Beschreibung


[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Messsystems zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas, basierend auf der Wellenlängen-Modulationsspektroskopie, mit einer wellenlängenabstimmbaren temperaturstabilisierten Laserlichtquelle, welche eine zentrale Basiswellenlänge λ0 des Laserlichts der Laserlichtquelle periodisch durch Änderung des Grundstroms über eine interessierende Absorptionslinie der Gaskomponente an einem Arbeitspunkt variiert und gleichzeitig mit einer Frequenz (f) und einer bestimmbaren Amplitude mittels einer Modulationseinrichtung moduliert, einem Lichtdetektor, der die Intensität des Laserlichtes nach dem Durchtritt durch das Messgas detektiert, und mit einer Auswerteeinrichtung, die Mittel zur phasensensitiven Demodulation eines von dem Lichtdetektor erzeugten Messsignals bei der Frequenz (f) und/oder einer ihrer Harmonischen enthält, wobei die Laserlichtquelle mit einem Grundstrom IDC und einem Modulationsstrom IAC strommoduliert betrieben wird und einen Laserstrahl der Wellenlänge λ0 mit einer Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC emittiert und die Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC des Laserlichtes über eine variable Einstellung der Strom-Modulationsamplitude ΔIAC konstant gehalten wird.

[0002] Optische Messsysteme zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas, basierend auf der Wellenlängenmodulationsspektroskopie, sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausführungsformen bekannt, ebenso eine Vielzahl von unterschiedlichen Verfahren zum Betreiben eines solchen optischen Messsystems.

[0003] In der Tunable Laser Absorption Spektroskopie (TLAS), insbesondere der Wellenlängen-Modulations-Spektroskopie (WMS), spielt generell die Wellenlängen-Modulationsamplitude eine wichtige Rolle. Diese wird über die Einstellung der Strom-Modulationsamplitude bei der Kalibrierung für den Arbeitspunkt definiert. Veränderungen des Arbeitspunktes bzw. Langzeit-Veränderungen des Lasers führen jedoch dazu, dass (trotz unveränderter Strommodulations-Amplitude) sich die Wellenlängen-Modulationsamplitude ändert. Als Folge führt die Veränderung der Wellenlängen-Modulationsamplitude auch dazu, dass die Sensor-Kalibrierung aus den Spezifikationsgrenzen läuft, was dann oft eine Neukalibrierung des optischen Messsystems erforderlich macht.

[0004] Es ist bei gattungsgemäßen optischen Messsystemen bekannt, bei Veränderungen des Arbeitspunktes bzw. bei Langzeit-Veränderungen der Laserlichtquelle gegenüber dem Kalibrierungszeitpunkt zur Stabilisierung der Sensorgenauigkeit, die Wellenlängen-Modulationsamplitude während des Betriebes neu einzustellen, indem die Intensität des Modulationsstromes für die Laserlichtquelle, d.h. die Strom-Modulationsamplitude derart angepasst wird, dass die Wellenlängen-Modulationsamplitude wieder zumindest annähernd dem Kalibrierungszeitpunkt entspricht. Beispielhaft wird diesbezüglich auf die Druckschrift EP 2 610 608 B1 verwiesen.

[0005] Die Schrift EP 2 610 608 B1 offenbart eine Gasmessvorrichtung zum Messen eines Zielgases und ein Verfahren zur Einstellung einer Breite einer Wellenlängenmodulation der Gasmessvorrichtung, mit einer Lichtquelle und einer Detektionseinheit durch Oszillieren einer Wellenlänge eines Laserlichts von der Quelle, um eine durch einen Hauptstrom bestimmte zentrale Wellenlänge zu haben und gemäß einem Modulationsstrom bei einer Oszillationsfrequenz und mit einer Breite einer Wellenlängenmodulation moduliert zu werden, während die zentrale Wellenlänge variiert wird, indem der Hauptstrom mit einem längeren Zyklus als demjenigen des Modulationsstroms geändert wird, wodurch die Detektionseinheit ein Signal gemäß einer Intensität des durch ein Standardgas transmittierten Laserlichts abgibt. Das Verfahren weist ferner das Erhalten eines Detektionssignals auf, indem das durch die Standardprobe transmittierte Laserlicht detektiert wird, während die zentrale Wellenlänge variiert wird, das Erhalten einer spezifischen Frequenzkomponente des Detektionssignals, das bei einer Frequenz oszilliert, die ein positives ganzzahlig Vielfaches einer Oszillationsfrequenz des Modulationsstroms ist, und das Berechnen eines Verhältnisses einer Größe eines lokalen Minimums der spezifischen Frequenzkomponente bezüglich der zentralen Wellenlänge des Laserlichts und einer Größe eines lokalen Maximums der spezifischen Frequenzkomponente bezüglich der zentralen Wellenlänge des Laserlichts, sowie das Einstellen der Breite der Wellenlängenmodulation des Laserlichts, so dass das Verhältnis eine vorbestimmte Bedingung erfüllt. Dies ist eine Bedingung, bei der das Verhältnis, das der Breite der Wellenlängenmodulation eins zu eins entspricht, einem vorbestimmten Zielwert gleichkommt. Beim Einstellen der Modulationsbreite des Laserlichts wird die Breite der Wellenlängenmodulation eingestellt, indem eine Intensität des Modulationsstroms angepasst wird.

[0006] Davon ausgehend liegt der beanspruchten Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine andere einfachere und genauere Möglichkeit vorzuschlagen, die Wellenlängen-Modulationsamplitude trotz sich ändernder Lasereigenschaften, wie z.B. Temperatur, Betriebsstrom, Langzeitdrift, konstant zu halten.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Messsystems zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas, basierend auf der Wellenlängen-Modulations-Spektroskopie, mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind den rückbezogenen Ansprüchen zu entnehmen.

[0008] Bei optischen Messsystemen zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas, basierend auf der Wellenlängen-Modulationsspektroskopie ist die Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC der entscheidende Parameter, der während der Kalibrierung des Sensors über die Strommodulations-Amplitude ΔIAC für den gewählten Arbeitspunkt IDC eingestellt wird. Abweichungen vom Arbeitspunkt, z.B. durch Veränderung der Außentemperatur relativ zur Kalibrierungstemperatur bzw. durch Wellenlängen-Drift durch Alterung des Lasers führen jedoch dazu, dass sich die Wellenlängen-Modulationsamplitude ändert. Als Folge reduziert sich die Sensorgenauigkeit und es bedarf unter Umständen einer Neukalibierung.

[0009] Der Erfindung liegt der Kerngedanke zugrunde, beim Betrieb des Messsystems beim vorgesehenen Arbeitspunkt die Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC des Laserlichtes unter Verwendung von zum Zeitpunkt der Kalibrierung der Laserlichtquelle, vorzugsweise einer Laserdiode, für den Arbeitspunkt eingestellten, dann erfassten und abgespeicherten Betriebsparametern und von im Betrieb gemessenen Spannungen und/oder Strömen an der Laserlichtquelle zu stabilisieren. Bei der Entwicklung des neuen Verfahrens hat sich herausgestellt, dass die Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC proportional zu der modulierten AC-Leistung ΔPAC ist.



[0010] Erfindungsgemäß wird demnach die Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC des Laserlichtes über eine variable Einstellung der Strom-Modulationsamplitude ΔIAC konstant gehalten, indem am Arbeitspunkt eine modulierte Leistung ΔPAC des Laserlichtes an einem Innenwiderstand RI der Laserlichtquelle konstant gehalten wird. Dazu wird unter anderem die Spannung an der Laserlichtquelle gemessen.

[0011] Es ist allgemein bekannt, dass jedes Laserlichtquellen-Schaltbild durch ein Ersatzschaltbild ersetzt werden kann, das einen Laseremitter (aktive Zone) und einen dazu in Serie geschalteten Innenwiderstand RI umfasst. Sobald durch die Laserlichtquelle ein mit einem Modulationsstrom IAC modulierter Grundstrom IDC fließt, liegt an der Laserlichtquelle eine Spannung UL an, die zum Teil am Laseremitter als Teilspannung UE und an dem Innenwiderstand RI als Teilspannung URi abfällt.

[0012] Für die Berechnung der modulierten Leistung ist nicht die Spannung über dem Laser UL relevant, sondern nur die über dem Innenwiderstand RI abgefallene Spannung URi. Die Leistungs-Modulationsamplitude ΔPAC errechnet sich wie folgt:

Wobei ΔlAC die Strom-Modulationsamplitude bezeichnet und URi die am Innenwiderstand abgefallene Spannung darstellt. Alternativ kann die Spannung auch über den Wert des Innenwiderstandes RI und den durch diesen fließenden DC-Laserstroms IDC berechnet werden.

[0013] Die DC-Spannung über dem Innenwiderstand RI ergibt sich zu

wobei UE je nach Lasertyp (mit Telekom-naher Wellenlänge) einen Wert von 0.9-1.1 V aufweist.

[0014] Allgemein ist festzustellen, dass beim Betrieb des optischen Messsystems in einer nicht-thermostabilisierten Umgebung eine Veränderung der Umgebungstemperatur dazu führt, dass die Laserlichtquelle des Sensors eine leicht höhere oder niedrigere Temperatur annimmt. Somit verschiebt sich die Zielwellenlänge des Sensors zu einem niedrigerem bzw. höherem DC-Laserstrom IDC. Als Folge davon ändert sich auch die Leistungs-Modulationsamplitude ΔPAC gemäß Formel 2. Als Konsequenz dieser Leistungs-Modulationsamplituden-Veränderung ändert sich nach der Formel 1 folglich auch die Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC.

[0015] Selbst bei konstantem DC-Laserstrom IDC kann sich die Leistungs-Modulationsamplitude ΔPAC verändern, wenn sich der Innenwiderstand RI der Laserlichtquelle aufgrund verschiedener (Langzeit-)Einflüsse während des Betriebs verändert.

[0016] Um nun sicherzustellen, dass die Laserlichtquelle zu jedem Zeitpunkt mit gleicher Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC betrieben wird, wird erfindungsgemäß die aktuelle Leistungs-Modulationsamplitude ΔPAC_Act gleich der Leistungs-Modulationsamplitude ΔPAC_Calib zum Zeitpunkt der Kalibrierung des optischen Messsystems gehalten.

Setzt man Formel 2 in Formel 4 ein und löst dann nach der aktuellen Strom-Modulationsamplitude ΔIAC_Act auf, so ergibt sich

wobei die kalibrierten Werte gegenüber den aktuellen Spannungs-Werten ins Verhältnis gesetzt werden. Die Formel 5 ist noch weiter auflösbar. Die Spannung URi am Innenwiderstand RI kann nach der Formel 3 als UL - UE dargestellt werden.

[0017] Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird entsprechend die Strom-Modulationsamplitude ΔIAC unter Berücksichtigung einer bei der Kalibrierung der Laserlichtquelle eingestellten Strom-Modulationsamplitude ΔIAC_Calib derart angepasst, dass die modulierte Leistungs-Modulationsamplitude ΔPAC konstant gehalten wird.

[0018] Vorzugsweise wird bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zur Stabilisierung der Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC durch Anpassung der Strom-Modulationsamplitude ΔIAC die Spannungsänderung ΔURi an dem Innenwiderstand RI der Laserlichtquelle bestimmt, wobei der Anpassung der Strom-Modulationsamplitude ΔIAC der Quotient aus UL-Calib und UL_Act zugrunde gelegt wird.

[0019] Vorteilhafterweise wird bei einer besonders günstigen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens der Innenwiderstand RI der Laserlichtquelle aus einer Spannung/Strom-Kennlinie der Laserlichtquelle bestimmt, bei der der Spannungsabfall UL an der Laserlichtquelle abhängig von dem Grundstrom IDC aufgenommen ist. Die Spannung/Strom-Kennlinie der Laserlichtquelle wird üblicherweise erstmals bei der Kalibrierung des optischen Messsystems aufgenommen. Dies kann später bei Bedarf wiederholt werden, beispielsweise bei einer erneuten Kalibrierung oder zur Kontrolle während des normalen Betriebes.

[0020] Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird bei der Kalibrierung des optischen Messsystems zumindest die modulierte Leistung ΔPAC der Laserlichtquelle ermittelt. Anstatt der Leistung ΔPAC kann auch die Amplitude ΔIAC des Modulationsstroms IAC und der Spannungsabfall UI am Innenwiderstand RI, herangezogen werden. Alternativ kann auch die Amplitude ΔIAC des Modulationsstroms IAC, der Innenwiderstand RI und der Grundstrom IDC am Arbeitspunkt ermittelt werden. Die ermittelten jeweiligen Parameter werden zum Zeitpunkt der Kalibrierung abgespeichert. Der Grundstrom IDC bestimmt den Arbeitspunkt des optischen Messsystems. Dies ermöglicht im laufenden Betrieb auf einfache Weise diesbezügliche Abweichungen zu erkennen und entsprechend dem vorstehenden beschriebenen Verfahren darauf zu reagieren.

[0021] Das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete optische Messsystem zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas, basierend auf der Wellenlängen-Modulationsspektroskopie, weist eine wellenlängenabstimmbare temperaturstabilisierte Laserlichtquelle, vorzugsweise eine Halbleiterlaserlichtquelle in Form einer Laserdiode, welche eine zentrale Basiswellenlänge λ0 des Laserlichts der Laserlichtquelle periodisch über eine interessierende Absorptionslinie der Gaskomponente an einem Arbeitspunkt, beispielweise rampenförmig (Sägezahn), variiert und gleichzeitig mit einer Frequenz (f) und einer Amplitude mittels einer Modulationseinrichtung moduliert. Das Messsystem weist außerdem einen Lichtdetektor, der die Intensität des Laserlichtes nach dem Durchtritt durch das Messgas detektiert, und eine Auswerteeinrichtung, die Mittel zur phasensensitiven Demodulation eines von dem Lichtdetektor erzeugten Messsignals bei der Frequenz (f) und/oder einer ihrer Harmonischen enthält, auf. Die Modulation kann beispielsweise sinusförmig oder dreiecksförmig sein. Die Laserlichtquelle wird mit einem Grundstrom IDC und einem Modulationsstrom IAC strommoduliert betrieben und emittiert einen Laserstrahl der Wellenlänge λ0 mit einer Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC. Dabei wird die Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC des Laserlichtes über eine variable Einstellung der Strom-Modulationsamplitude ΔIAC von der Auswerteeinrichtung in Verbindung mit der Modulationseinrichtung konstant gehalten.

[0022] Hierbei wird bei der Kalibrierung und im regulären Betrieb des optischen Messsystems zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente vorzugsweise eine Auswerteeinrichtung mit Lock-in-Technik verwendet, um in bekannter Art und Weise eine Rauschreduzierung zu erreichen, um insbesondere das vom 1/f-Signal bedingte Rauschen deutlich zu mindern. Der Aufbau und die Funktionsweise eines Lock-in-Verstärkers sind dem Fachmann allgemein vertraut, so dass eine umfassende Beschreibung nicht von Nöten ist. Kurz zusammengefasst handelt es sich bei einem Lock-in-Verstärker, der auch manchmal als phasenempfindlicher Gleichrichter oder Trägerfrequenzverstärker bezeichnet wird, um einen Verstärker zur Messung eines schwachen elektrischen Wechselsignals, das mit einem in Frequenz und Phase bekannten Referenzsignal moduliert ist. Das Gerät stellt einen extrem schmalbandigen Bandpassfilter dar und verbessert dadurch das Signal-Rausch-Verhältnis. Der Vorteil beim Einsatz eines solchen Gerätes liegt darin, dass Gleichspannungen und Wechselspannungen anderer Frequenz und Rauschen effizient gefiltert werden.

[0023] Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert eine elektrische Leitung von der Laserlichtquelle zu der Auswerteeinheit, um die Leistungs-Modulationsamplitude ΔPAC des Laserlichtes über den Innenwiderstand RI der Laserlichtquelle möglichst exakt zu ermitteln. Ist diese bei einem zur Anwendung des vorgeschlagenen neuen Verfahrens vorgesehenen optischen Messsystems nicht vorhanden, so ist eine Hardware-Anpassung erforderlich, ansonsten ist diese Methode nicht anwendbar. Der Aufbau eines optischen Messsystems, das geeignet ist, die Spannung am Innenwiderstand der Laserlichtquelle über eine Spannungsmessung an der Laserlichtquelle zu bestimmen und anschließend daraus die Strom-Modulationsamplitude ΔIAC_Act zur Stabilisierung der Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC des Laserlichtes anzupassen, wird später nachfolgend an Hand einer schematischen Darstellung nochmals kurz erläutert.

[0024] Die Kalibrierung des optischen Messsystems erfolgt weitgehend nach der üblichen dem Fachmann geläufigen Methode mittels eines bekannten Referenzgases, das als Messgas im regulären Betrieb von dem optischen Messsystems detektiert und dessen Konzentration gemessen werden soll. Zunächst wird für die Festlegung des Arbeitspunktes die Laserlichtquelle mit einem üblichen Grundstrom IDC und Modulationsstrom IAC betrieben und die Temperatur der temperaturstabilisierten Laserlichtquelle solange verändert, bis ein Absorptionssignal für das Referenzgas detektiert wird. Anschließend wird bei der ermittelten Temperatur, die z.B. mittels eines Peltier-Elementes temperaturstabilisiert wird, der Grundstrom IDC mit einem Modulationsstrom IAC strommoduliert, sodass die Laserlichtquelle einen Laserstrahl der Wellenlänge λ0 mit einer Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC emittiert. Anschließend kann die Strom-Modulationsamplitude bzw die Wellenlängen-Modulationsamplitude entsprechend diverser Kriterien des Messsystems, beispielsweise optimalem Signal-zu-Rauschen Verhältnis, optimiert werden. Dies ist insbesondere notwendig, da sich die Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC mit dem Grundstrom IDC ändert. Die Wellenlängen-Modulationsamplitude des Laserlichtes nimmt mit steigendem Grundstrom zu, d.h. sie ist unterhalb eines gewählten Arbeitspunktes kleiner als oberhalb des Arbeitspunktes und muss somit für jeden Arbeitspunkt separat festgelegt werden.

[0025] Diese grundlegende Vorgehensweise schließt auch die Berücksichtigung von Maßnahmen bei der Wellenlängen-Modulationsspektroskopie ein, die geeignet sind, optische Interferenzphänomene ganz oder teilweise zu unterdrücken. Damit wird die Wellenlängen-Modulationsamplitude bzw. die Strom-Modulationsamplitude basierend auf diversen Kriterien des Messsystems und des zu detektierenden Gases grundlegend festgelegt. Die dementsprechende modulierte Leistung, d.h. die Leistungs-Modulationsamplitude ΔPAC, oder eine äquivalente Größe, wie beispielsweise der Modulationsstrom und die Spannung der Laserlichtquelle wird auch zum Zeitpunkt der Kalibration ermittelt und abgespeichert.

[0026] Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar. Zur Ausführung der Erfindung müssen nicht alle Merkmale des Anspruchs 1 verwirklicht sein. Auch können einzelne Merkmale der unabhängigen oder nebengeordneten Ansprüche durch andere offenbarte Merkmale oder Merkmalskombinationen ersetzt werden.

[0027] Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnungen nochmals näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Figur 1
ein für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes optisches Messsystem;
Figur 2
das Ersatzschaltbild für die Laserlichtquelle;
Figur 3
eine aufgenommene Spannungs-Strom-Kennlinie zur Bestimmung des Innenwiderstandes der Laserlichtquelle; und
Figur 4
ein Ablaufschema für die Anpassung der Strom-Modulationsamplitude.


[0028] Die Figur 1 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau eines optischen Messsystems 1 zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas 2, basierend auf der Wellenlängen-Modulationsspektroskopie. Das Messsystem 1 weist eine wellenlängenabstimmbare temperaturstabilisierte Laserlichtquelle 3, eine Modulationseinrichtung 4, einen Lichtdetektor 5, und eine Auswerteeinrichtung 6 auf. Die Laserlichtquelle 3 emittiert einen Laserstrahl 7 der Wellenlänge λ0 mit einer Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC. Die Modulationseinrichtung 4 variiert die zentrale Basiswellenlänge λ0 des Laserlichts der Laserlichtquelle 3 periodisch über eine interessierende Absorptionslinie der Gaskomponente an einem Arbeitspunkt und moduliert diese zudem gleichzeitig dreiecksförmig mit einer Frequenz (f) und einer Amplitude. Sie beinhaltet zudem mindestens eine DC- und/oder AC-Spannungsquelle oder eine DC- und AC-Stromquelle 4a und zugeordnete Modulationsmittel 4b zum Betrieb der Laserlichtquelle 3. Die Modulationseinrichtung 4 ist direkt mit der Laserlichtquelle 3 verbunden. Der Lichtdetektor 5 erfasst den von der Laserlichtquelle 3 ausgehenden Laserstrahl 7, nachdem dieser das Messgas 2 passiert hat, und erzeugt ein Empfangssignal, das von der Intensität des Laserlichtes nach dem Durchtritt durch das Messgas 2 abhängig ist und der Auswerteinheit 6 zugeführt wird. Die Auswerteinheit 6 umfasst Mittel zur phasensensitiven Demodulation eines von dem Lichtdetektor 5 erzeugten Messsignals bei der Frequenz (f) und/oder einer ihrer Harmonischen. Die Auswerteinheit 6 weist zwei Lock-in-Verstärker 6a, 6b und eine Recheneinheit 6c auf. Die Recheneinheit 6c wertet das demodulierte Empfangssignal des Lichtdetektors 5 aus und steuert davon abhängig die Modulationsmittel 4b der Modulationseinrichtung 4, um die Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC des Laserlichtes über eine Anpassung der Strom-Modulationsamplitude ΔIAC konstant zu halten. Dazu weist sie eine elektrische Steuerleitung 8 zu der Modulationseinrichtung 4 auf. Des Weiteren führt eine elektrische Verbindungsleitung 9 von der Laserlichtquelle 3 zu dem Lock-in-Verstärker 6b, mit der die an der Laserlichtquelle 3 anliegende Spannung erfasst und ausgewertet wird. Bei der Auswertung werden unter anderem die vorstehend aufgeführten Formeln 1 bis 5 verwendet.

[0029] Die Figur 2 stellt das Ersatzschaltbild für die Laserlichtquelle 3 dar. Die Laserlichtquelle 3 kann demnach durch einen Lichtemitter 3a und einen dazu seriell angeordneten Innenwiderstand RI, 3b rechnerisch ersetzt werden. Die Laserlichtquelle 3 wird mit einem Grundstrom IDC und einem Modulationsstrom IAC strommoduliert betrieben. An der Laserlichtquelle 3 liegt Spannung UL an, die jeweils teilweise an dem Innenwiderstand 3b als Teilspannung URi und am Lichtemitter 3a als Teilspannung UE abfällt.

[0030] Die Figur 3 veranschaulicht eine bei der Kalibrierung des optischen Messsystems 1 aufgenommene Strom/Spannungskennlinie 10 zur Bestimmung des Innenwiderstandes RI der Laserlichtquelle 3. Der Innenwiderstand RI wird aus der Beziehung der Strom-Spannungs-Charakteristik der Laserlichtquelle 3 im Arbeitspunkt 12 bestimmt. Dazu ist die Strom-Spannungs-Kennlinie 10 (durchgezogene Linie) mit linearer Approximationslinie 11 (gestrichelte Linie) im Arbeitspunkt 12 zur Bestimmung des Innenwiderstandes RI versehen. Die Steigung der Approximationslinie 11 entspricht dem Innenwiderstandes RI, 3b am Arbeitspunkt 12.

[0031] Die Figur 4 verbildlicht das Ablaufschema für die Anpassung der Strom-Modulationswerte, wobei die Bestimmung der aktuell modulierten Leistung entweder beim DC-Laserstrom durchgeführt wird, der dem Maximum des Absorptionssignals zugeordnet ist, oder über mehrere DC-Laserstromwerte des Scans der Messung ermittelt wird. In der Regel erfolgen dabei mehrere Scans über die interessierende Absorptionslinie, d.h. die entsprechende zentrale Basiswellenlänge λ0 des Laserlichts der Laserlichtquelle wird mehrfach periodisch über die Absorptionslinie der Gaskomponente am Arbeitspunkt 12 variiert und gleichzeitig moduliert, wobei üblicherweise eine Anzahl von Messpunkten aufgenommen und rechnerisch ausgewertet werden. Dabei kann die Strom-Modulationsamplitude für jeden Messpunkt beibehalten werden, oder zur Optimierung des Ergebnisses für den nächsten Messpunkt aus der Berechnung des aktuellen Messpunktes berechnet werden. In dem in der Figur 4 symbolisch gezeigten Verfahrensablauf, der den aktuellen Betrieb des optischen Messsystems wiedergibt, wird in einem ersten Verfahrensschritt S1 die aktuelle modulierte AC-Leistung an dem Innenwiderstand RI festgestellt. In dem darauf folgenden zweiten Verfahrensschritt S2 wird anschließend der aktuelle Strom-Modulationswert bestimmt. In dem nächsten anschließenden dritten Verfahrensschritt S3 erfolgt danach die eigentliche Konzentrationsmessung für das Messgas mit dem aktuellen Strom-Modulationswert. Die Verfahrensschritte S1 bis S3 werden in einer Schleife mehrfach ausgeführt, wobei zwischen den Verfahrensdurchläufen die Strom-Modulationsamplitude ΔIAC bei Bedarf angepasst werden kann, wenn der aktuelle Strom-Modulationswert ΔIAC_Act von dem idealen Strom-Modulationswert ΔIAC_Calib bei der Kalibrierung des optischen Messsystems abweicht und somit die Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC gegenüber der Kalibrierung verändert ist.


Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines optischen Messsystems (1) zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas (2), basierend auf der Wellenlängen-Modulationsspektroskopie, mit einer wellenlängenabstimmbaren temperaturstabilisierten Laserlichtquelle (3), welche eine zentrale Basiswellenlänge λ0 des Laserlichts der Laserlichtquelle (3) periodisch über eine interessierende Absorptionslinie der Gaskomponente an einem Arbeitspunkt (12) variiert und gleichzeitig mit einer Frequenz (f) und einer Amplitude mittels einer Modulationseinrichtung (4) moduliert, einem Lichtdetektor (5), der die Intensität des Laserlichtes nach dem Durchtritt durch das Messgas (2) detektiert, und mit einer Auswerteeinrichtung (6), die Mittel (6a) zur phasensensitiven Demodulation eines von dem Lichtdetektor (5) erzeugten Messsignals bei der Frequenz (f) und/oder einer ihrer Harmonischen enthält, wobei die Laserlichtquelle (3) mit einem Grundstrom IDC und einem Modulationsstrom IAC strommoduliert betrieben wird und einen Laserstrahl (7) der Wellenlänge λ0 mit einer Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC emittiert und die Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC des Laserlichtes über eine variable Einstellung der Strom-Modulationsamplitude ΔIAC konstant gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass am Arbeitspunkt (12) die Spannung an der Laserlichtquelle (3) gemessen und darüber eine modulierte Leistung ΔPAC an einem Innenwiderstand RI (3b) der Laserlichtquelle (3) konstant gehalten wird.
 
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom-Modulationsamplitude ΔIAC unter Berücksichtigung einer bei der Kalibrierung der Laserlichtquelle eingestellten Strom-Modulationsamplitude ΔIAC_Calib derart angepasst wird, dass die modulierte Leistungs-Modulationsamplitude ΔPAC konstant gehalten wird.
 
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stabilisierung der Wellenlängen-Modulationsamplitude ΔλAC durch Anpassung der Strom-Modulationsamplitude ΔIAC, die durch Spannungsänderung ΔURi an dem Innenwiderstand RI (3b) der Laserlichtquelle (3) bestimmt wird.
 
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anpassung der Strom-Modulationsamplitude ΔIAC der Quotient aus UL_Calib und UL_Act zugrunde gelegt wird.
 
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kalibrierung des optischen Messsystems (1) die modulierte Leistung ΔPAC der Laserlichtquelle (3), die Amplitude ΔIAC des Modulationsstroms IAC und der Spannungsabfall UI am Innenwiderstand RI (3b) oder die Amplitude ΔIAC des Modulationsstroms IAC, der Innenwiderstand RI und der Grundstrom IDC am Arbeitspunkt (12) ermittelt und abgespeichert werden.
 
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwiderstand RI (3b) der Laserlichtquelle (3) aus einer Spannung-Strom-Kennlinie der Laserlichtquelle (3) bestimmt wird, bei der der Spannungsabfall UL an der Laserlichtquelle (3) abhängig von dem Grundstrom IDC aufgenommen ist.
 
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinrichtung (6) mit Lock-in-Technik verwendet wird.
 




Zeichnung

















IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE



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In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente