DE102019135302A1

DE102019135302A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Gaskonzentration und Messgerät

Info

Publication number: DE102019135302A1
Application number: DE102019135302.5A
Authority: DE
Inventors: Torsten WALDMANN; Thomas Beyer; Julian Edler
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-06-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Messgerät zur Bestimmung einer Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas mit den Schritten: Erzeugen eines Sendelichtstrahls mit einer durchstimmbaren Laserlichtquelle , wobei ein durchstimmbarer Wellenlängenbereich eine Absorptionslinie einer zu messenden Gaskomponente enthält, deren Absorption eine temperatur- und/oder druckabhängige Linienstärke aufweist, Führen des Sendelichtstrahls entlang einer Messstrecke mit einer Gesamtlänge durch ein Volumen, welches aus einer Vielzahl von Teilvolumina gebildet wird und die zu messende Gaskomponente in mindestens einem Teilvolumen vorliegt, wobei die Messtrecke aus Teilmessstrecken mit Teillängen in den Teilvolumina gebildet wird, Empfangen des durch die Teilvolumina geführten Lichtstrahls und Erzeugen von Empfangssignalen mit einem Empfänger, Erzeugen von Messwerten aus den Empfangssignalen, wobei die Messwerte ein Absorptionsspektrum bilden und Bestimmen der Konzentration der Gaskomponente aus dem Absorptionsspektrum mit einer Auswerteeinheit, wobei eine Modellkurve numerisch an die Messwerte angepasst wird und die numerische Anpassung der Modellkurve an die Messwerte durch Variieren von Anpassungsparametern unter Berücksichtigung der Linienstärke der Absorption der Gaskomponente erfolgt und die Linienstärke in den Teilvolumina mit den Teillängen der Teilmessstrecken in den Teilvolumina gewichtet wird, wobei die Anpassungsparameter Linienpositionen, Linienbreiten und Linienflächen und/oder Linienhöhen der Absorptionslinie der Gaskomponente in den Teilvolumina umfassen, und wobei aus den so ermittelten Anpassungsparametern die Konzentration der Gaskomponente bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Gaskonzentration in einem Volumen und ein Gaskonzentrationsmessgerät zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der gattungsbildenden EP 3 364 169 A1 ist ein Messgerät bekannt, bei dem ein Messgasgemisch mit dem Licht einer wellenlängendurchstimmbaren Laserdiode (Tuneable Diode Laser, TDL) durchstrahlt wird und die Konzentration von Sauerstoff in dem Messgas anhand der durch die Absorption des Lichts an der Stelle einer ausgewählten Absorptionslinie der Gaskomponente hervorgerufenen Minderung der Lichtintensität bestimmt. Dabei wird die Laserdiode periodisch mit einer dreieck- oder sägezahnförmigen Strom-Zeit-Funktion (Stromrampe) angesteuert, um die Absorptionslinie der Gaskomponente wellenlängenabhängig abzutasten. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit wird die Strom-Zeit-Funktion zusätzlich mit einem sinusförmigen Signal vorgegebener Frequenz f und Amplitude moduliert und das Licht bei einer höheren Harmonischen der Frequenz, üblicherweise der doppelten Frequenz 2f, phasensensitiv detektiert und ausgewertet (sogenannte Wellenlängenmodulationsspektroskopie oder WMS). Bei kleiner Modulationsamplitude ist der 2f-Signalanteil direkt proportional zu der zweiten Ableitung des Detektorsignals. Aus dem aufgenommenen Absorptionsspektrum (2f-Signal) wird schließlich die Konzentration der zu messenden Gaskomponente bestimmt.
Eine detaillierte Theorie, die die WMS und die Beziehungen zwischen der Form der Absorptionslinie und der Form des demodulierten Signals beschreibt, ist in „Frequency-modulation spectroscopy for trace species detection: theory and comparison among experimental methods," Applied Optics 31, 707-717(1992) gegeben. Die Signalform, die bei der WMS erhalten wird, wenn man langsam über die Absorptionslinie fährt und gleichzeitig die Wellenlänge bei der Frequenz nf moduliert, entspricht qualitativ der n-ten Ableitung der Absorptionslinie, weswegen für die WMS auch die Bezeichnung derivative Absorptionsspektroskopie verwendet wird. Im Folgenden wird der Begriff „Absorptionslinie“ synonym gebraucht für das Messsignal in irgendeiner Form, wenn man über die Absorption fährt. Mit „Absorptionslinie“ im Sinne der Erfindung ist also ein Absorptionssignal gemeint, dass ein Signal der direkten Absorption sein kann oder ein 1f-, 2f- oder nf-Signal.
Typischerweise werden Gasmessgeräte (auch TDLS Geräte (Tuneable Diode Laser Spectroscopy Geräte) genannt) so aufgebaut, dass sich in den Sendern und Empfängereinheiten, in denen sich die Laser und Detektoren befinden, zwischen den Glasoptiken (Linsen, Fenster etc.) und dem Laser bzw. dem Empfänger, Luftstrecken befinden. Der Laserstrahl verläuft also in der Regel durch ein Volumen, dass sowohl mindestens ein erstes Teilvolumen mit dem Messgas (beispielsweise ein Prozesskanal in der petrochemischen Industrie) mit dem zu bestimmenden Anteil der Gaskomponente, als auch mindestens ein zweites Teilvolumen mit Umgebungsluft aufweisen kann. Der Laserstrahl wechselwirkt dabei sowohl mit den Molekülen der zu messenden Gaskomponente im Messgas als auch in der Umgebungsluft. Daher kommt es bei der Messung zu einer spektralen Überlagerung von Absorptionslinien der Gaskomponente aus dem Messgas und von der Gaskomponente aus der Umgebungsluft. Besonders problematisch ist dies, wenn die zu bestimmende Gaskomponente des Messgases auch in der Umgebungsluft vorkommt, wie insbesondere Sauerstoff.
Dabei ist zusätzlich zu berücksichtigen, dass sich die Absorptionslinien der Gaskomponenten unter verschiedenen Umgebungsbedingungen (Konzentration, Temperatur, Druck, Feuchte und Anwesenheit weiterer Gaskomponenten, z.B. CO₂ oder H₂O im Messgas) unterscheiden. Beispielsweise liegt der Druck in der Umgebungsluft typischerweise bei 1020 hPa +/- 200 hPa und der Druck in einem Prozesskanal zwischen 100 hPa und 5000 hPa. Zudem können hohe Temperaturgradienten zwischen den und innerhalb der Teilvolumina auftreten, da die Temperaturen in der Umgebung zwischen -40 und +60°C und die im Prozesskanal typischerweise zwischen 0° und 600°C liegen.
Ein Anwendungsbeispiel für TDLS Geräte ist die Überwachung einer Explosionsgrenze eines Gasgemischs. Dies geschieht typischerweise durch die Überwachung der Sauerstoffkonzentration im Gasgemisch. Der dabei zu überwachende Sauerstoffanteil liegt typischerweise bei ca. 1-4 Vol.%. Wird diese Grenze überschritten so besteht in den Anlagen ein explosionsfähiges Gemisch. Der Sensor muss daher möglichst geringe Konzentrationen, typischerweise < 1 Vol.%, mit einer Auflösung < 0.1 Vol.% erkennen, um explosionsfähige Gemische sicher auszuschließen. Der Sauerstoffanteil in der Umgebungsluft ist jedoch deutlich höher und liegt bei ca. 20.9 Vol.%. Dies kann dazu führen, dass das Absorptionssignal aus dem Bereich mit Umgebungsluft größer ist, als das Absorptionssignal aus dem Messgas. Dies gilt analog auch für andere Gaskomponenten, die sich in Luft befinden, wie z.B. Wasser, Stickstoff und Kohlendioxid.
Zur Bestimmung der Konzentration einer bestimmten Gaskomponente im Messgas muss daher ein Auswertealgorithmus die Überlagerung der unterschiedlichen Absorptionslinien auflösen oder den Effekt der Überlagerung korrigieren.
Die EP 3 364 169 A1 schlägt dazu vor, den Einfluss von Luftsauerstoff in Messköpfen, die an diametral gegenüberliegenden Seiten eines Anlagenteils mit einem darin geführten Messgas montiert sind, dadurch zu kompensieren, dass

- in wenigstens einem der beiden Messköpfe ein Temperatursensor angeordnet ist;
- in einem Speicher einer Auswerteeinrichtung bei unterschiedlichen Temperaturen und ohne Messgasgemisch aufgenommene Umgebungs-Referenzspektren der in den beiden Messköpfen enthaltenen Umgebungsluft abgespeichert sind;
- die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, eines der abgespeicherten Umgebungs-Referenzspektren in Abhängigkeit von der mit dem Temperatursensor erfassten aktuellen Temperatur auszuwählen oder aus zwei abgespeicherten Umgebungs-Referenzspektren zu berechnen
- und es von dem aktuell detektierten Absorptionsspektrum des Messgasgemischs zu subtrahieren und aus dem Differenzspektrum die Sauerstoffkonzentration in dem Messgasgemisch zu bestimmen.

Nachteilig ist, dass eine Vielzahl von Spektren gespeichert sein muss und das Umgebungsspektrum an Hand der aktuellen Umgebungsfeuchte, -druck, -temperatur aus einer Datenbank ausgewählt werden muss. Zudem werden Temperaturänderungen entlang der Messstecke, die ebenfalls einen Einfluss auf das Absorptionsspektrum des Messgasgemischs, nicht berücksichtigt
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem eine möglichst einfache und exaktere Korrektur erfolgen kann und ein entsprechendes Messgerät bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Gaskonzentrationsmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas umfasst die Schritte:

- Erzeugen eines Sendelichtstrahls mit einer durchstimmbaren Laserlichtquelle , wobei ein durchstimmbarer Wellenlängenbereich eine Absorptionslinie einer zu messenden Gaskomponente enthält, deren Absorption eine temperatur- und/oder druckabhängige Linienstärke aufweist,
- Führen des Sendelichtstrahls entlang einer Messstrecke mit einer Gesamtlänge durch ein Volumen, welches aus einer Vielzahl von Teilvolumina gebildet wird und die zu messende Gaskomponente in mindestens einem Teilvolumen vorliegt, wobei die Messtrecke aus Teilmessstrecken mit Teillängen in den Teilvolumina gebildet wird,
- Empfangen des durch die Teilvolumina geführten Lichtstrahls und Erzeugen von Empfangssignalen mit einem Empfänger,
- Erzeugen von Messwerten aus den Empfangssignalen, wobei die Messwerte ein Absorptionsspektrum bilden und Bestimmen der Konzentration der Gaskomponente aus dem Absorptionsspektrum mit einer Auswerteeinheit, wobei eine Modellkurve numerisch an die Messwerte angepasst wird und die numerische Anpassung der Modellkurve an die Messwerte durch Variieren von Anpassungsparametern unter Berücksichtigung der Linienstärke der Absorption der Gaskomponente erfolgt und die Linienstärke in den Teilvolumina mit den Teillängen der Teilmessstrecken in den Teilvolumina gewichtet wird, wobei die Anpassungsparameter Linienpositionen, Linienbreiten und Linienflächen und/oder Linienhöhen der Absorptionslinie der Gaskomponente in den Teilvolumina umfassen, und wobei aus den so ermittelten Anpassungsparametern die Konzentration der Gaskomponente bestimmt wird.

Der wesentliche Vorteil ist, dass es sich dabei um eine einfache, kostengünstige Methode handelt, um die überlagerten Absorptionslinien der zu messenden Gaskomponente in den Teilvolumina (beispielsweise in einem ersten mit Umgebungsluft gefüllten Teilvolumen und einem zweiten mit Messgas gefüllten Teilvolumen) eines Volumens aufzutrennen, um somit den störenden Effekt einer Absorption der Gaskomponente aus einem Teilvolumen bei der Bestimmung der Konzentration der zu messenden Gaskomponente in einem anderen Teilvolumen zu unterdrücken. Dabei werden insbesondere die Linienstärken, also die Stärke der molekularen Absorptionsübergänge der Absorptionslinien, berücksichtigt, da diese nicht von der Konzentration der zu messenden Gaskomponente abhängen, sondern nur von der Temperatur und vom Gasdruck im Teilvolumen. Die Linienstärken werden bei der Konzentrationsbestimmung in den Teilvolumina mit Teillängen der vom Sendelicht im jeweiligen Teilvolumen durchlaufenen Teilmesstrecke gewichtet. Die Gewichtung erfolgt durch Multiplikation der Linienstärke mit dem Quotienten aus der Teillänge des betrachteten Teilvolumens und der Gesamtlänge der Messtrecke des Volumens, die sich aus der Summe der Teillängen der Teilvolumina ergibt.
Die Linienstärken vieler Gase sowie deren Abhängigkeit von Temperatur und Druck sind wohlbekannt und beispielsweise über die sogenannte HITRAN-Datenbank verfügbar (high-resolution transmission molecular absorption database, https://hitran.org/).
Durch Berücksichtigung der Temperaturen in den Teilvolumina ist eine effizientere Bestimmung der Anpassungsparameter möglich. In der Regel wird dabei für jedes Teilvolumen eine Temperatur bestimmt, die im Wesentlichen eine durchschnittliche Temperatur in dem Teilvolumen repräsentiert und durch einen dem Teilvolumen zugeordneten Temperatursensor ermittelt werden kann. Bei hohen Temperaturgradienten kann es dabei sinnvoll sein, ein Teilvolumen in mehrere Teilvolumina aufzuteilen und für jedes Teilvolumen eine Temperatur zu bestimmen, entweder über jeweils individuelle Temperatursensoren für jedes Teilvolumen oder über Extrapolation.
Als Teilvolumina sind dabei nicht zwingend physikalisch getrennte Volumen gemeint, sondern auch eine rein mathematische Aufteilung eines Volumens in mehrere virtuelle Teilvolumina.
In Weiterbildung der Erfindung können Drucksensoren vorgesehen sein, die einen Gasdruck der Gaskomponente in den Teilvolumina erfassen und mit denen zum einen die Linienstärke der Gaskomponente genauer bestimmt werden kann und zum anderen der Wertebereich der Anpassungsparameter in den Teilvolumina weiter eingeschränkt werden kann.
Wenn Fremdgasanteile bekannt sind können in weiterer Ausbildung die Startwerte für die Anpassungsparameter mit Kenntnis von Fremdgasanteilen eingeschränkt werden.
Auch kann eine Feuchte in einem oder mehreren der Teilvolumina mit einem Feuchtesensor erfasst werden und damit die Wertebereiche der Anpassungsparameter der Absorptionslinie der Gaskomponenten in den Teilvolumina weiter eingeschränkt werden auf Werte, die sich aus der gemessenen Feuchte bestimmen.
Alle diese Einschränkungen der Wertebereiche der Anpassungsparameter dienen dazu, mit wenig Aufwand ein gutes Ergebnis für die numerische Anpassung zu erhalten. Dafür kann es auch dienlich sein, wenn für die Anpassungsparameter Toleranzen festgelegt sind, innerhalb derer diese beim numerischen Anpassen variieren können. Damit kann ein instabiles Anpassungsverhalten verhindert werden.
Das Absorptionsspektrum kann ein direktes Absorptionsspektrum sein oder bevorzugt eines das nach den Methoden der Wellenlängenmodulationsspektroskopie gewonnen wurde, denn dieses liefert genauere Messergebnisse und kann kleinere Konzentrationen messen.
Vorteilhafterweise erstreckt sich das Absorptionsspektrum über mehr als eine Absorptionslinie der zu messenden Gaskomponente, beispielsweise über zwei oder drei Absorptionslinien. Die Anzahl der Anpassungsparameter ist dann entsprechend höher, dafür aber die Ergebnisse genauer.
Ein Teilvolumen kann auch als Referenzvolumen ausgelegt sein, in dem sich ein Gas bekannter Zusammensetzung unter definierten Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur) befindet. Der Anteil des Referenzvolumens am Absorptionsspektrum des gesamten Volumens ist dann bekannt und erleichtert die Anpassung der Modellkurve an das Absorptionsspektrum.
Die numerische Anpassung der Modellkurve an das Absorptionsspektrum kann mit numerischen Anpassungsverfahren wie beispielsweise der Levenberg-Marquardt-Optimierung, Particle-Swarm-Optimierung oder der Simulated-Annealing-Optimierung erfolgen.
Die numerische Anpassung der Modellkurve an das gemessene Absorptionsspektrum kann mit Hilfe eines Gütekriteriums bewertet. Das Gütekriterium kann beispielsweise die Summe der quadratischen Abweichungen zwischen der Modellkurve und dem gemessenen Absorptionsspektrum sein
Bei der zu messenden Gaskomponente kann es sich beispielsweise um Sauerstoff handeln. Bei Sauerstoffmessungen ist der Sauerstoff aus der Umgebungsluft besonders störend und die vorliegende Erfindung ist zur Lösung dieses „Sauerstoffproblems“ besonders vorteilhaft. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist nämlich eine exaktere Bestimmung der Konzentration möglich, als im Stand der Technik, bei dem ein vordefiniertes Spektrum subtrahiert wird. Nach der Erfindung wird nämlich stets das gesamte Spektrum inklusive der aktuellen, in der Messung selbst vorhandenen Umgebungsluft ausgewertet.
Dieses Verfahren ist auch einfacher und kostengünstiger, da keine Umgebungsluftreferenzspektren vorher aufgenommen oder simuliert und gespeichert werden müssen.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Gaskonzentrationsmessgerät, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist und dass daher die gleichen Vorteile liefert, wobei als Gaskonzentrationsmessgeräte nicht nur TDLS Geräte, sondern auch andere Spektrometer wie beispielsweise Gitterspektrometer, Fabry-Perot Spektrometer oder FTIR (Fourier-Transform-Infrarot) Spektrometer in Betracht kommen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgeräts mit Temperaturverlaufsdiagramm;
2 eine schematische Darstellung eines 2f-Signals (Absorptionsspektrum);
3 eine schematische Darstellung eines aus drei Teilvolumina bestehenden Volumens;
4 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgeräts;
5 eine schematische Darstellung eines aus vier Teilvolumina bestehenden Volumens mit einem Teilvolumen als Referenzvolumen;
6 eine „cross-duct“ Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgeräts.

Ein erfindungsgemäßes Gaskonzentrationsmessgerät 10 dient zur Bestimmung einer Konzentration einer Gaskomponente, beispielsweise Sauerstoff, in einem Messgas. In dem in 1 dargestellten Beispiel strömt das Messgas in einem Prozesskanal 12. Der Messgasstrom ist durch den Pfeil 14 angedeutet. Das Messgerät 10 umfasst ein Gehäuse 16, das über ein lanzenartiges Messrohr 18, das einen Flansch 20 aufweist, gehalten ist. Der Flansch 20 ist außen an dem Prozesskanal 12 montiert. Das lanzenartige Messrohr 18 ragt in das Innere des Prozesskanals 12 hinein und weist Öffnungen 22 auf, durch die Messgas in das Innere des Messrohres 18 gelangen kann. Die Öffnungen 22 können Filter 24 aufweisen, so dass störende Partikel, wie Staub, Tröpfen oder dergleichen, die als Punkte angedeutet sind, nicht in das Messrohr 18 gelangen können.
In dem Gehäuse 16 ist eine durchstimmbare Laserlichtquelle 26 angeordnet, vorzugsweise ein durchstimmbarer Diodenlaser (Tunable Diode Laser, TDL), der einen Sendelichtstrahl 28 emittiert, der mittels optischer Elemente 30 durch ein Fenster 32 in das Messrohr 18 geführt wird. Das Fenster 32 trennt das Innere des Gehäuses 16 von dem Inneren des Messrohres 18. Am anderen Ende 34 des Messrohres 18 (in 1 das rechte Ende) ist eine Umlenkeinheit 36 angeordnet, durch die das Licht durch das Fenster 32 in das Gehäuse 16 zurückgeführt wird. Über eine Optik 38, z.B. bestehend aus Linse und Umlenkspiegel wird das zurückreflektierte Licht auf einen Lichtempfänger 40 (im Folgenden auch einfach Empfänger genannt) fokussiert.
In dem Messrohr 18 bildet der Sendelichtstrahl 28 und der zurückreflektierte Teil des Lichtstrahls ein erstes Teilvolumen 42, indem das Licht von im Teilvolumen 42 vorkommendem Messgas absorbiert werden kann. Dazu enthält ein durchstimmbarer Wellenlängenbereich [λ1, λ2] der Laserlichtquelle 26 wenigstens eine Absorptionslinie von der zu messenden Gaskomponente.
Bei der Führung des Lichtstrahls 28 von der Laserlichtquelle 26 zum Empfänger 40 tritt der Lichtstrahl 28 in einem zweiten Teilvolumen 44 durch Umgebungsluft hindurch. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist das der Bereich des Lichtstrahls 28 innerhalb des Gehäuses 16. Das zweite Teilvolumen 44 ist wie das Volumen 42 durch die Ausdehnung des Lichtstrahls 28 definiert.
im Gehäuse 16 des Messgeräts 10 liegt in der Regel eine andere Temperatur vor als im Prozesskanal 12. Zur Temperaturmessung kann das Messgerät mehrere Temperatursensoren aufweisen, beispielsweise einen ersten Temperatursensor 60a im Gehäuse 16 und einen zweiten Temperatursensor 60b im Messrohr 18.
Im vorliegenden Beispiel kann die Temperatur im Prozesskanal höher sein als in der Umgebung. Dadurch ergibt sich ein beispielhafter Temperaturverlauf in einem aus dem ersten Teilvolumen 42 und dem zweiten Teilvolumen 44 gebildeten Volumen wie im Temperaturdiagramm 80 gezeigt. Im Gehäuse 16 kann dabei eine erste Temperatur T_60a vorliegen, im Prozesskanal 12 eine zweite Temperatur T_60b, die höher ist als die erste Temperatur T_60a im Messgerät 16. Daraus kann im ersten Teilvolumen 44 beim Übergang zum Prozesskanal 12 ein Temperaturgradient 82 resultieren, so dass sich das Teilvolumen 44 in zwei Teilvolumina 44a und 44b aufteilen lässt, wobei dann dem Teilvolumen 44a, die erste Temperatur T_60a und dem Teilvolumen 44b eine dritte Temperatur T_ex zugeordnet werden kann Die dritte Temperatur T_ex kann beispielsweise durch eine Extrapolation der ersten Temperatur T_60a und der zweiten Temperatur T_60b bestimmt werden. Eine weitere Aufspaltung des Teilvolumens 44b zur besseren Approximation des Temperaturgradienten 82 ist selbstverständlich möglich, ebenso die Verwendung weiterer Temperatursensoren zur genaueren Bestimmung eines Temperaturverlaufs. Selbiges gilt grundsätzlich auch für die Temperaturbestimmung im Prozesskanal 12.
Da im zweiten Teilvolumen 44 auch die zu messende Gaskomponente vorliegen kann, erfolgt auch dort eine Absorption. Diese Absorption ist störend, so dass die Erfindung sich auch damit beschäftigt, die dadurch entstehenden Verfälschungen der Messergebnisse zu berücksichtigen.
Die Kompensation erfolgt in einer Auswerteeinheit 46, was im Folgenden erläutert werden soll.
Das erfindungsgemäße Messgerät 10 arbeitet vorzugsweise nach der Methode der WMS. Eine nicht dargestellte Steuereinheit, die sinnvollerweise in der Auswerteeinheit 46 integriert ist, steuert den Steuerstrom für die Laserlichtquelle 26 zum Durchstimmen des Wellenlängenbereichs und Modulieren der Wellenlänge wie eingangs beschrieben.
Das ausgesandte Licht wird wie oben beschrieben nach Durchlaufen des aus mehreren Teilvolumina 42, 44a, 44b bestehenden Volumens von dem Empfänger 40 empfangen, der in Abhängigkeit des empfangenen Lichts Empfangssignale erzeugt, die der Auswerteeinheit 46 zugeführt werden.
Die Auswerteeinheit 46 erzeugt aus den Empfangssignalen Messwerte, die ein Absorptionsspektrum 50 bilden, wie es beispielsweise in 2 dargestellt ist, in diesem Beispiel ein 2f-Signal („Absorptionslinie“). Bei einer Wellenlänge λ0 liegt eine Absorption der zu messenden Gaskomponente in dem Wellenlängenbereich [λ1, λ2] vor.
Dieses Absorptionsspektrum 50 (durchgezogene Linie) ist ein Gesamtspektrum und setzt sich beispielsweise zusammen aus dem Absorptionsspektrum 52 der Gaskomponente im Prozesskanal 12 aus dem Teilvolumen 42 und den Absorptionsspektren 54, 56 der Gaskomponente im Gehäuse 16, also aus dem Teilvolumen 44a und dem Teilvolumen 44b, wobei die Teilvolumen 44a und 44b aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche Beitrage 54, 56 zum Absorptionsspektrum 50 liefern.
Das gemessene Gesamtspektrum 50 lässt sich also als Überlagerung der Teilspektren 52, 54, 56 darstellen, im konkreten Fall der Messung von 2f-Spektren als Summation der 2f-Teilspektren. Das Verfahren ist aber auch anwendbar, falls das Intensitätsspektrum direkt gemessen wird, dann muss lediglich die Summation durch eine Multiplikation ersetzt werden.
Um letztendlich auf das Absorptionsspektrum der Gaskomponente im Prozesskanal 12 zu kommen und damit auf die gesuchte Konzentration der Gaskomponente im Prozesskanal 12 wird das Gesamtspektrum 50 in bestimmter Weise numerisch angepasst.
Das Verfahren soll nun für das in 1 dargestellte Gasmessgerät weiter erläutert werden, wobei auch auf die 3 Bezug genommen wird, die schematisiert die Aufteilung des Volumens in drei Teilvolumina 42, 44a, 44b zeigt, die sich zum einen hinsichtlich der Konzentration der zu messenden Gaskomponente unterscheiden. Teilvolumen 42 weist eine erste Konzentration C₄₂ der Gaskomponente auf, Teilvolumina 44a und 44b weisen eine zweite Konzentration c₄₄ der Gaskomponente auf, die sich von der ersten Konzentration unterscheidet. Zum anderen unterscheiden sich die Temperaturen in den einzelnen Teilvolumina wie oben beschrieben. Im Teilvolumen 42 im Prozesskanal 12 wird in der Regel eine hohe Temperatur T₆₀ vorliegen, im Teilvolumen 44a eine Temperatur T_60a, die der Temperatur der Umgebungsluft entspricht. Im Teilvolumen 44b wird die Temperatur ansteigen, so dass hier beispielsweise eine durchschnittliche Temperatur T_ex für die spektrale Modellierung angenommen werden kann, die zwischen der Temperatur T₄₂ im Teilvolumen 42 und der Temperatur T₄₄ im Teilvolumen 44a liegt und durch einen weiteren Temperatursensor oder Extrapolation bestimmt werden kann.
Allgemein lässt sich ein 2f-Spektrum ist für eine Absorptionslinie einer zu messenden Gaskomponente mit der folgenden Formel beschreiben: $S_{2 f} = F_{2 f} (λ, c, \vec{p} (c, T, P, \vec{a}), A_{l_{0}} (T, P, \vec{b}), \vec{d}),$
wobei

λ eine Wellenlänge oder Wellenzahl,
c eine Gaskonzentration
$\vec{p} (c, T, P, \vec{a})$
einen Satz von Anpassungsparametern die von T, P und $\vec{a}$
abhängen. Anpassungsparameter sind Linienposition und Linienbreite sowie auch zumindest einer der Parameter Linienfläche und Linienhöhe. Mit Linienhöhe ist das gemeint, was der Fachmann darunter versteht, nämlich der Messwert/Funktionswert der Absorptionslinie bei einer bestimmten Wellenlänge.
T eine Temperatur,
P einen Druck,
$A_{l}_{0} (T, P, \vec{b})$
eine auf eine Referenzlänge l₀ bezogene Linienstärke, welche von von
T, P und $\vec{b}$
abhängt.
$\vec{a}, \vec{b}$
und $\vec{d}$
ggf. weitere Parameter mit beliebigen Abhängigkeiten, und
F_2f eine elementare Modellfunktion für eine einzelne Absorptionslinie bezeichnen.

Im Beispiel der 2f-Absorptionsspektroskopie ist F_2f eine Modellfunktion für eine 2f-Absorptionslinie. Es kann aber auch die Modellfunktion einer Absorptionslinie, gemessen in Extinktion bzw. Absorption sein, solange sich das Gesamtspektrum als Summation oder Multiplikation darstellen lässt. Für den Fall, dass das Intensitätsspektrum direkt gemessen wird, muss im Folgenden lediglich die Summation durch die Multiplikation ersetzt werden. Beide Fälle, Gesamtspektrum ist Summation über die Absorptionslinien, oder Gesamtspektrum ist Multiplikation der Absorptionslinien, sind Teil der Erfindung.
Für den Fall des in 3 dargestellten, aus den drei Teilvolumina (42, 44a, 44b) bestehenden Volumen ergeben sich somit drei zu überlagernde Spektren:

Für das Teilvolumen 42 (Prozesskanal 12): $S_{2 f (42)} = F_{2 f} (λ, c_{42}, \vec{p} (c_{42}, T_{60 b}, P, \vec{a}), \frac{l_{42}}{l_{0}} * A_{l_{0}} (T_{60 b}, P, \vec{b}), \vec{d}),$
Für das Teilvolumen 44a (Gehäuse 16): $S_{2 f (44 a)} = F_{2 f} (λ, c_{44 a}, \vec{p} (c_{44 a}, T_{60 a}, P, \vec{a}), \frac{l_{44 a}}{l_{0}} * A_{l_{0}} (T_{60 a}, P, \vec{b}), \vec{d}),$
Für das Teilvolumen 44b (Gehäuse 16 nahe Flansch 20): $S_{2 f (44 b)} = F_{2 f} (λ, c_{44 b}, \vec{p} (c_{44 b}, T_{ex}, P, \vec{a}), \frac{l_{44 b}}{l_{0}} * A_{l_{0}} (T_{ex}, P, \vec{b}), \vec{d}),$
Das Gesamtspektrum für die Absorptionslinie ergibt sich dann zu

S_{2 f} = S_{2 f (42)} + S_{2 f (44 a)} + S_{2 f (44 b)}

c42: die Konzentration der Gaskomponente
T60b: die Temperatur
l42: die Teillänge der Teilmessstrecke im Teilvolumen 42,
c44a: die Konzentration der Gaskomponente
T60a: die Temperatur
l44a: die Teillänge der Teilmessstrecke im Teilvolumen 44a, und
c44b: die Konzentration der Gaskomponente
Tex: die Temperatur und
l44b: die Teillänge der Teilmessstrecke im Teilvolumen 44b sind (wobei im vorliegenden Beispiel c_44a = c_44b gilt), und
l0: die Gesamtlänge der Messstrecke im Volumen, also die Summe der Teillängen I₄₂, I_44a, l_44b der Teilmesstrecken der Teilvolumina 42, 44a, 44b ist.

Wesentlich ist nun, dass die Linienstärke A_l
0, die unabhängig von der Konzentration der zu messenden Gaskomponente ist, in den Funktionen der Spektren der Teilvolumina 42, 44a, 44b mit den Teillängen I₄₂, I_44a, l_44b der Teilmesstrecken gewichtet wird, die im jeweiligen Teilvolumen vom Sendelicht durchlaufen werden.
Die Gewichtung der Linienstärke A_l
0 erfolgt wie oben gezeigt durch Multiplikation der Linienstärke A_l
o mit dem Quotienten aus der Teillänge I₄₂, I_44a, l_44b des betrachteten Teilvolumens 42, 44a, 44b und der Gesamtlänge l₀ der Messtrecke des Volumens, die sich aus der Summe der Teillängen I₄₂, I_44a, l_44b der Teilvolumina 42, 44a, 44b ergibt: l₀ = l₄₂ + l_44a + l_44b
In den Formeln wurde zunächst von einem konstanten Druck in den Teilvolumina (42, 44a, 44b) ausgegangen. Aber auch ein veränderlicher Druck kann in die Modellierung aufgenommen werden, wie später gezeigt wird.
Zunächst kann eine Verallgemeinerung auf eine beliebige Anzahl N Teilvolumina mit Teillängen l_i und Temperaturen T_i vorgenommen werden. Das Gesamtspektrum für die Absorptionslinie ergibt sich dann zu: $S_{2 f} = \sum_{i = 1}^{N} F_{2 f} (λ, c, \vec{p} (c, T_{i}, P, \vec{a}), \frac{l_{i}}{l_{0}} * A_{l_{0}} (T_{i}, P, \vec{b}), \vec{d}) .$
Weiterhin kann die Modellierung dahingegen verallgemeinert werden, dass sich der durchstimmbare Wellenlängenbereich [λ1, λ2] über mehr als eine Absorptionslinie der Gaskomponente erstreckt, beispielsweise über M Linien welche mit einem Index j nummeriert werden. Dabei werden dann für jede Absorptionslinie die entsprechende Linienstärke A_l
0,j sowie Anpassungsparameter $\vec{p_{j}}$
verwendet. $S_{2 f} = \sum_{\begin{array}{l} i = 1 \\ j = 1 \end{array}}^{\begin{array}{l} M \\ N \end{array}} F_{2 f} (λ, c, \vec{p_{j}} (c, T_{i}, P, \vec{a_{j}}), \frac{l_{i}}{l_{0}} * A_{l_{0}, j} (T_{i}, P, \vec{b_{j}}), \vec{d_{j}})$
Da in der Regel mehr als eine Gaskomponente in den Teilvolumina (42, 44a, 44b) vorliegt kann die Modellierung auch auf eine beliebige Anzahl G Gaskomponenten erweitert werden, die hier mit einem Index k nummeriert sind: $S_{2 f} = \sum_{\begin{array}{l} i = 1 \\ j = 1 \\ k = 1 \end{array}}^{\begin{array}{l} G \\ M_{k} \\ N \end{array}} F_{2 f} (λ, c_{k}, \vec{p_{j, k}} (c_{k}, T_{i}, P, \vec{a_{j, k}}), \frac{l_{i}}{l_{0}} * A_{l_{0}, j, k} (T_{i}, P, \vec{b_{j, k}}), \vec{d_{j, k}})$
Auch die Modellierung von mehreren, beispielsweise einer Anzahl L, Messstrecken mit unterschiedlichen Gaszusammensetzungen folgt dem beschriebenen Prinzip: das Gesamtspektrum wird dann als Summe bzw. Multiplikation der einzelnen Spektren der hier mit einem Index m nummerierten Messstrecken modelliert: $\begin{array}{l} S_{2 f} = \sum_{\begin{array}{l} i = 1 \\ j = 1 \\ k = 1 \\ m = 1 \end{array}}^{\begin{array}{l} L \\ G_{m} \\ M_{k} \\ N_{m} \end{array}} F_{2 f} (λ, c_{k, m}, \vec{p_{j, k, m}} (c_{k, m}, T_{i, m}, P_{m}, \vec{a_{j, k, m}}), \frac{l_{i, m}}{l_{0, m}} \\ * A_{l_{0}, j, k, m} (T_{i, m}, P_{m}, \vec{b_{j, k, m}}), \vec{d_{j, k, m}}) \end{array}$
Die numerische Modellierung kann zusätzlich durch einen weiteren Term erweitert werden, der nicht von der Wechselwirkung des Sendelichtstrahls 28 mit den zu messenden Gaskomponenten herrührt, sondern von der Wechselwirkung des Sendelichtstrahls 28 mit dem Messgerät 10 und/oder der Umgebung oder von Wechselwirkungen des Sendelichtstrahls 28 mit dem zu messenden Gaskomponenten, die sich nicht durch die Beschreibung mittels der Linien-Absorptionsstrukturen darstellen lassen. Durch eine solche spektrale Basislinie, hier als B(A, $\vec{e}$
) bezeichnet, können beispielsweise Nichtlinearitäten der durchstimmbaren Laserquelle 26 oder des Empfängers 40, Interferenzen, Etalon-Effekte, optische Verschmutzungen, oder wellenlängenabhängige Abschwächungen der Intensität durch Staub oder Ähnliches modelliert werden: $\begin{array}{l} S_{2 f} = \sum_{\begin{array}{l} i = 1 \\ j = 1 \\ k = 1 \\ m = 1 \end{array}}^{\begin{array}{l} L \\ G_{m} \\ M_{k} \\ N_{m} \end{array}} F_{2 f} (λ, c_{k, m}, \vec{p_{j, k, m}} (c_{k, m}, T_{i, m}, P_{i, m}, \vec{a_{j, k, m}}), \frac{l_{i, m}}{l_{0, m}} \\ * A_{l_{0}, j, k, m} (c_{k, m}, T_{i, m}, P_{i, m}, \vec{b_{j, k, m}}), \vec{d_{j, k, m}}) + B (λ, \vec{e}), \end{array}$
Häufig sollen die Konzentrationen einer Gaskomponente nur in einer oder mehrerer, aber nicht in allen der modellierten Messstrecken m gemessen werden, da die Konzentrationen in den restlichen der Messstrecken m bekannt sind. Dies ist beispielsweise der Fall beim oben beschriebenen Messgerät 10, in dem das Gehäuse 16 mit Umgebungsluft gefüllt ist, und nur die Sauerstoffkonzentration im Prozesskanal 12 gemessen werden soll. Die bekannten Konzentrationen sind dann nicht Teil der numerischen Anpassung des Modellspektrums an das gemessene Spektrum in dem Sinne, dass sie numerisch variiert werden, sondern in dem Sinne, dass sie in der spektralen Modellierung berücksichtigt werden.
In dieser beispielhaften Ausführungsform wird so getan, als lägen zwei verschiedene Gase vor, nämlich die Gaskomponente im Prozesskanal 12 und die Gaskomponente in Umgebungsluft, also im Gehäuse 16 des Messgeräts. Jedes dieser Gase erhält eigene Anpassungsparameter, die es bei der numerischen Anpassung zu bestimmen gilt. Die Gaskomponente im Prozesskanal 12 hat erste Anpassungsparameter die Linienposition, Linienbreite und Linienfläche und/oder Linienhöhe der Absorptionslinie der Gaskomponente im Prozesskanal 12 und die Gaskomponente in Umgebungsluft, also im Gehäuse 16, hat zweite Anpassungsparameter, nämlich die Linienposition, Linienbreite und Linienfläche und/oder Linienhöhe der Absorptionslinie der Gaskomponente in Umgebungsluft. Linienposition und Linienbreite sind obligatorische Anpassungsparameter sowie auch zumindest einer der Parameter Linienfläche und Linienhöhe. Mit Linienhöhe ist das gemeint, was der Fachmann darunter versteht, nämlich der Messwert/Funktionswert der Absorptionslinie bei einer bestimmten Wellenlänge.
Mit den so ermittelten Anpassungsparametern kann die Konzentration der Gaskomponente im Prozesskanal 12 bestimmt werden, insbesondere aus dem sich ergebenden Anpassungsparameter Linienfläche der Gaskomponente im Prozesskanal 12. Die Separation zwischen Gaskomponente im Prozesskanal 12 und Gaskomponente in Umgebungsluft, also im Gehäuse 16, also die Kompensation des „Fehlers“ durch die Absorption der Gaskomponente im Gehäuse 16, erfolgt somit durch das Vorsehen unterschiedlicher Anpassungsparameter für die Gaskomponente im Prozesskanal 12 und im Gehäuse 16.
Mit den erhaltenen Anpassungsparametern lassen sich dann auch separate 2f-Signale für die Gaskomponente im Prozesskanal 12 und die Gaskomponente in Umgebungsluft in den Teilvolumina 44a, 44b im Gehäuse 16 kreieren und darstellen, wie dies in 2 mit den Kurven 52 für die Gaskomponente im Teilvolumen 42 (punktiert-gestrichelte Linie), Kurve 54 für die Gaskomponente im Teilvolumen 44a (gestrichelte Linie) und Kurve 56 für die Gaskomponente im Teilvolumen 44b (punktierte Linie) gemacht wurde, wobei wie bereits weiter oben erläutert die Teilvolumen 44a und 44b aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche Beitrage 54, 56 zum Absorptionsspektrum 50 liefern.
Um Rechenzeit zu sparen und um eine stabile numerische Anpassung zu erhalten, empfiehlt es sich Vorkenntnisse bzgl. der Anpassungsparameter einzubringen und dadurch die Varianz bestimmter Anpassungsparameter einzuschränken. Durch Vorkenntnisse können die Startwerte gesetzt werden und auch erlaubte Toleranzen, in denen sich Anpassungsparameter während der numerischen Anpassung bewegen können, gesetzt werden. Solche Vorgaben betreffen insbesondere die Gaskomponente in Umgebungsluft, denn die Bedingungen im Volumen 44 des Gehäuses 16 (also in den Teilvolumina 44a, 44b) sind meist gut bekannt.
Die Anpassungsparameter der Gaskomponente in Umgebungsluft sind größtenteils abhängig von Einflussgrößen wie Druck, Temperatur, Fremdgasen, Feuchte oder Wegstrecke im Umgebungsluftvolumen 44. Um Werte für diese Einflussgrößen zu bestimmen können ein Temperatursensor 60a sowie ein Feuchtesensor 62 und ein Drucksensor 64 im Gehäuse 16 vorgesehen sein, deren Messwerte direkt der Auswerteinheit 46 zugeführt werden können. So kann beispielsweise vorgegeben werden, dass die numerische Anpassung für die Umgebungsluft nur Werte für Temperaturen erlaubt, die +/- 2°C um den gemessenen Wert variieren dürfen.
Die Linienposition hat eine geringe Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Fremdgasen, so dass man auch diesen Anpassungsparameter für die Gaskomponente in Umgebungsluft einschränken kann. Die Feuchte beeinflusst auch die Konzentration der Gaskomponente in Umgebungsluft, so dass der Anpassungsparameter Linienfläche auch dadurch eingeschränkt werden kann.
Nicht nur durch Messen der Einflussgrößen können die Anpassungsparameter eingeschränkt werden. In einer Ausführungsform könnten Startwerte insbesondere der zweiten Anpassungsparameter durch spezielle Messungen bestimmt werden. Dazu kann in regelmäßigen Zeitintervallen das Volumen 42 mit einem Inertgas (zum Beispiel Stickstoff (N₂)), das keine Absorptionslinien im untersuchten Bereich zeigt, gespült werden. Das dann aufgenommene Absorptionsspektrum wird numerisch angepasst, wobei ausschließlich die Gaskomponente in Umgebungsluft numerisch angepasst wird, da das Absorptionsspektrum im Volumen 42 wohldefiniert ist. Die numerische Anpassung liefert dann optimierte Parameter für die zweiten Anpassungsparameter Linienbreite, Linienposition und Linienfläche. Diese zweiten Anpassungsparameter werden nun gespeichert und als Startwerte für die numerische Anpassung für die Gaskomponente in Umgebungsluft in der nachfolgenden richtigen Messung, in der Volumen 42 wieder mit Messgas beaufschlagt wird, verwendet. Die numerische Anpassung kann nun die Werte in festgelegten Toleranzbereichen numerisch anpassen.
Eine solche „Kalibration“ kann auch bei der Herstellung des Messgerätes 10 im Werk erfolgen, um die Wegstrecken innerhalb des Gehäuses zu bestimmen und so bereits beim ersten Einsatz Startwerte für die zweiten Anpassungsparameter zu haben. Mit genauer Kenntnis der Wegstrecken im Gehäuse 16 kann man auch Änderungen der Wegstrecke durch thermische Ausdehnungen berücksichtigen.
Das in 1 dargestellte Messgerät 10 ist nur schematisch und auch vereinfacht dargestellt.
Eine andere Ausführungsform zeigt 4. Zwar ist diese Darstellung immer noch schematisch und vereinfacht, aber etwas realistischer ist in dieser Ausführungsform die Umlenkeinheit 36 in einem schützenden Reflektorgehäuse 70 angeordnet und das Fenster 32 des Gehäuses 16 befindet sich in etwas geschützterer Position zurückgezogen von dem Volumen, in dem häufig aggressive und verschmutzte Messgase vorliegen. Dass bedeutet aber auch, dass im Reflektorgehäuse 70 ein weiteres zweites Umgebungsluftvolumen 72 vorhanden ist. Auch ein Bereich 74 zwischen dem eigentlichen Volumen 42, das im Bereich der Öffnungen 22 liegt und dem Fenster 32 kann als drittes Umgebungsluftvolumen 74 bezeichnet werden, insbesondere, wenn eine Spülluftvorrichtung 76 vorhanden ist, die das Fenster 32 vor Verschmutzung durch Ablagerungen aus dem Messgas schützt.
In einem solchen Fall werden die Absorptionen weiter aufgetrennt. Es wird nämlich im Prozess der numerischen Anpassung so getan, als lägen vier Gase vor, nämlich die Gaskomponente im Prozess, die Gaskomponente aus dem ersten Umgebungsluftvolumen 44 im Gehäuse 16, aus dem zweiten Umgebungsluftvolumen 72 im Reflektorgehäuse 70 und aus dem dritten Umgebungsluftvolumen 74. Es werden also vier Absorptionslinien numerisch angepasst. Jedes der drei Umgebungsluftvolumen hat verschiedene Umgebungsbedingungen. Das zweite Umgebungsluftvolumen 72 wird eine Temperatur haben, die im Bereich der Temperatur des Messgases liegt. Das dritte Umgebungsluftvolumen 74 wird eine Temperatur haben, die zwischen der Temperatur im Gehäuse 16 und der im Volumen 44 liegt.
Die Temperatur T_60c für diese Absorptionslinie kann mit einem Temperatursensor 60c gemessen werden oder, wenn ein solcher nicht vorhanden ist, wie im Beispiel aus 1 aus den mit den Temperatursensoren 60a, 60b gemessenen Temperaturen T_60b des Prozesskanals 12 und T_60a des Gehäuses 16 gemittelt werden.
Für den Fall des in 4 dargestellten, aus den vier Teilvolumina (42, 44, 74, 72) bestehenden Volumen ergeben sich somit vier zu überlagernde Spektren, wobei zunächst wieder von einem konstanten Druck in den Teilvolumina ausgegangen wird:

Für das Teilvolumen 44 (Gehäuse 16): $S_{2 f (44)} = F_{2 f} (λ, c_{44}, \vec{p} (c_{44}, T_{60 a}, P, \vec{a}), \frac{l_{44}}{l_{0}} * A_{l_{0}} (T_{60 a}, P, \vec{b}), \vec{d}),$
Für das Teilvolumen 74 (Messrohr zwischen Gehäuse 16 und Prozesskanal 12): $S_{2 f (74)} = F_{2 f} (λ, c_{74}, \vec{p} (c_{74}, T_{60 c}, P, \vec{a}), \frac{l_{74}}{l_{0}} * A_{l_{0}} (T_{60 c}, P, \vec{b}), \vec{d}),$
Für das Teilvolumen 42 (Prozesskanal 12): $S_{2 f (42)} = F_{2 f} (λ, c_{42}, \vec{p} (c_{42}, T_{60 b}, P, \vec{a}), \frac{l_{42}}{l_{0}} * A_{l_{0}} (T_{60 b}, P, \vec{b}), \vec{d}),$
Für das Teilvolumen 72 (Reflektorgehäuse 70): $S_{2 f (72)} = F_{2 f} (_{72}, \vec{p} (c_{72}, T_{60 b}, P, \vec{a}), \frac{l_{72}}{l_{0}} * A_{l_{0}} (T_{60 b}, P, \vec{b}), \vec{d}),$
Das Gesamtspektrum für die Absorptionslinie ergibt sich dann zu $S_{2 f} = S_{2 f (42)} + S_{2 f (44 a)} + S_{2 f (44 b)} + S_{2 f (72)}$

Eine weitere mögliche Ausführungsform ist als Blockschema in 5 gezeigt. Die Ausführungsform lehnt sich an die Ausführungsform aus 1 an wobei dem Volumen 44 im Messgerät ein weiteres Volumen 90 in Form einer Kalibrierzelle (nicht gezeigt) vorgeschaltet ist. Im Volumen 90 kann sich ein Kalibriergas, beispielswiese Stickstoff (N₂) mit bekannten Parametern befinden, insbesondere bekannter Konzentration c₉₀, Temperatur T₉₀, Gasdruck P₉₀ und Linienstärke A₉₀. Rein beispielhaft ist hier die Temperatur T₉₀ des Kalibriergases niedriger als die Temperatur T_60a im Gehäuse 16 gewählt.
Somit ergeben sich für diese Ausführungsform vier zu überlagernde Spektren, wobei nun auch unterschiedliche Gasdrücke in den Teilvolumina 44,42, nämlich der Gasdruck P₄₄ im Gehäuse 16 sowie der Gasdruck P₄₂ im Messkanal 12, berücksichtigt werden:

Für das Teilvolumen 90 (Kalibrierzelle): $S_{2 f (90)} = F_{2 f} (λ, c_{90}, \vec{p} (c_{90}, T_{90}, P_{90}, \vec{a}), A_{90} (T_{90}, P_{90}, \vec{b}), \vec{d}),$
Für das Teilvolumen 44a (Gehäuse 16): $S_{2 f (44 a)} = F_{2 f} (λ, c_{44}, \vec{p} (c_{44}, T_{60 a}, P_{44}, \vec{a}), \frac{l_{44 a}}{l_{0}} * A_{l_{0}} (T_{60 a}, P_{44}, \vec{b}), \vec{d}),$
Für das Teilvolumen 44b (Gehäuse 16 nahe Flansch 20): $S_{2 f (44 b)} = F_{2 f} (λ, c_{44 b}, \vec{p} (c_{44}, T_{ex}, P_{44}, \vec{a}), \frac{l_{44 b}}{l_{0}} * A_{l_{0}} (T_{ex}, P_{44}, \vec{b}), \vec{d}),$
Für das Teilvolumen 42 (Prozesskanal 12): $S_{2 f (42)} = F_{2 f} (λ, c_{42}, \vec{p} (c_{42}, T_{60 b}, P_{42}, \vec{a}), \frac{l_{42}}{l_{0}} * A_{l_{0}} (T_{60 b}, P_{42}, \vec{b}), \vec{d}),$

Das Gesamtspektrum für die Absorptionslinie ergibt sich dann zu $S_{2 f} = S_{2 f (90)} + S_{2 f (44 a)} + S_{2 f (44 b)} + S_{2 f (42)},$
wobei der Beitrag der Kalibrierzelle zum Gesamtspektrum aufgrund der bekannten Parameter gut definiert ist und somit eine schnellere und stabilere numerische Anpassung ermöglicht wird.
Die Anordnung einer Kalibrierzelle im Sendelichtstrahl ist grundsätzlich im Rahmen der gerätetechnischen Gegebenheiten frei wählbar, eine Positionierung direkt vor einer Sendelichtquelle oder einem Empfänger ist nicht zwingend notwendig.
Eine gute Trennung von Teilspektren kann auch erreicht werden, wenn man einen Spektralbereich wählen kann, in dem mindestens zwei Absorptionslinien der Gaskomponente mit unterschiedlicher Temperaturabhängigkeit liegen. Eine der Absorptionslinien hat bei hohen Temperaturen (Prozesstemperaturen > 100°C) eine deutlich stärkere Linienstärke (mindestens Faktor 1.5) als bei niedrigen Temperaturen (Umgebungsbedingungen -20°C bis 60°C), oder umgekehrt. Dadurch kann die numerische Anpassung die Temperatur im entsprechenden Bereich anpassen und so die Temperaturen ermitteln und die Linien gut trennen.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgeräts 10 zeigt 6. Dies ist eine sogenannte cross-duct Ausführung, bei der die Laserlichtquelle 26 und der Empfänger 40 auf gegenüberliegenden Seiten des Prozessbereichs angeordnet sein sind und das Volumen 42 sich über den ganzen Durchmesser des Prozesskanals 12 erstreckt. Die Laserlichtquelle 26 ist also in einem ersten Gehäuseteil 16a angeordnet und der Lichtstrahl 28 ist durch den Kanal 12 in einen zweiten Gehäuseteil 16b auf der gegenüberliegenden Seite geführt. In diesem zweiten Gehäuseteil 16b ist der Empfänger 40 angeordnet. Das bedeutet, dass mehrere Umgebungsluftvolumina vorhanden sind, nämlich wenigstens ein Umgebungsluftvolumen 44 im ersten Gehäuseteil 16a und ein Umgebungsluftvolumen 72 im zweiten Gehäuseteil. Analog zu dem Ausführungsbeispiel aus 3 können auch weitere Umgebungsluftvolumina 74 in Anflanschrohren 18a und 18b berücksichtigt werden. Die Auswerteeinheit ist ebenso zweigeteilt in eine Steuereinheit 46a, die den Sender ansteuert und eine Verarbeitungseinheit 46b, die die Empfangssignale verarbeitet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3364169 A1 [0002, 0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Frequency-modulation spectroscopy for trace species detection: theory and comparison among experimental methods,“ Applied Optics 31, 707-717(1992) [0003]

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration einer Gaskomponente mit den Schritten - Erzeugen eines Sendelichtstrahls (28) mit einer durchstimmbaren Laserlichtquelle (26), wobei ein durchstimmbarer Wellenlängenbereich ([λ1, λ2]) eine Absorptionslinie einer zu messenden Gaskomponente enthält, deren Absorption eine temperatur- und/oder druckabhängige Linienstärke (Al₀) aufweist, - Führen des Sendelichtstrahls (28) entlang einer Messstrecke mit einer Gesamtlänge (l₀) durch ein Volumen, welches aus einer Vielzahl von Teilvolumina (42, 44, 44a, 44b) gebildet wird und die zu messende Gaskomponente in mindestens einem Teilvolumen (42, 44, 44a, 44b) vorliegt, wobei die Messtrecke aus Teilmessstrecken mit Teillängen (I₄₂, I₄₄, I_44a, I_44b) in den Teilvolumina (42, 44, 44a, 44b) gebildet wird, - Empfangen des durch die Teilvolumina (42, 44, 44a, 44b) geführten Lichtstrahls (28) und Erzeugen von Empfangssignalen mit einem Empfänger (40), - Erzeugen von Messwerten aus den Empfangssignalen, wobei die Messwerte ein Absorptionsspektrum (50) bilden und Bestimmen der Konzentration der Gaskomponente aus dem Absorptionsspektrum (50) mit einer Auswerteeinheit (46), wobei eine Modellkurve numerisch an die Messwerte angepasst wird, dadurch gekennzeichnet, - dass die numerische Anpassung der Modellkurve an die Messwerte durch Variieren von Anpassungsparametern unter Berücksichtigung der Linienstärke (A_l
0) der Absorption der Gaskomponente erfolgt und die Linienstärke (A_l0) in den Teilvolumina (42, 44, 44a, 44b) mit den Teillängen (I₄₂, I₄₄, I_44a, I_44b) der Teilmessstrecken in den Teilvolumina (42, 44, 44a, 44b) gewichtet wird, wobei die Anpassungsparameter Linienpositionen, Linienbreiten und Linienflächen und/oder Linienhöhen der Absorptionslinie der Gaskomponente in den Teilvolumina (42, 44, 44a, 44b) umfassen, und wobei aus den so ermittelten Anpassungsparametern die Konzentration der Gaskomponente bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Teilvolumen (42, 44, 44a, 44b) eine Temperatur (T_60a, T_60b, T_60c, T_ex) bestimmt wird, und die Linienstärke der Absorption der Gaskomponente in den Teilvolumina (42, 44, 44a, 44b) abhängig von der bestimmten Temperatur (T_60a, T_60b, T_60c, T_ex) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung einer Temperatur (T_60a, T_60b, T_60c) in wenigstens einem Teilvolumen (44a, 42) durch Messung der Temperatur (T_60a, T_60b, T_60c) mit wenigstens einem Temperatursensor (60a, 60b, 60c) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung einer Temperatur (T_ex) in wenigstens einem Teilvolumen (44b) durch Extrapolation von Messungen mehrerer Temperatursensoren (60a, 60b) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Teilvolumen (44, 42) mit einem Drucksensor (64) ein Gasdruck (P₄₄, P₄₂) der Gaskomponente bestimmt wird, und die Linienstärke (A_l0) der Gaskomponente abhängig vom bestimmten Gasdruck (P₄₄, P₄₂) angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Teilvolumen (44, 42) eine Feuchte mit einem Feuchtesensor (62) erfasst wird und ein Startwert eines Anpassungsparameters der Gaskomponente in dem Teilvolumen eingeschränkt wird auf Werte, die sich aus der in dem Teilvolumen gemessenen Feuchte bestimmen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Startwerte für die Anpassungsparameter mit Kenntnis von Fremdgasanteilen eingeschränkt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Anpassungsparameter Toleranzen festgelegt sind, innerhalb derer diese beim numerischen Anpassen variieren können.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionsspektrum nach den Methoden der Wellenlängenmodulationsspektroskopie, der direkten Absorptionsspektroskopie oder der Dispersionsspektroskopie aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionsspektrum sich über mehr als eine Absorptionslinie der zu messenden Gaskomponente erstreckt und die Anzahl der Anpassungsparameter entsprechend erhöht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilvolumen als Referenzvolumen mit einem Gas bekannter Zusammensetzung und definierten Umgebungsbedingungen ausgelegt ist.
Gaskonzentrationsmessgerät 10 zur Durchführung eines Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung einer Konzentration einer Gaskomponente mit - einer durchstimmbaren Laserlichtquelle (26) zur Erzeugung eines Sendelichtstrahls (28), wobei ein durchstimmbarer Wellenlängenbereich (λ1, λ2]) eine Absorptionslinie der zu messenden Gaskomponente enthält, - einem Volumen, welches aus einer Vielzahl von Teilvolumina (42, 44, 44a, 44b) gebildet wird, wobei die zu messende Gaskomponente in mindestens einem Teilvolumen (42, 44, 44a, 44b) vorliegt und der Sendelichtstrahl (28) entlang von Teilmessstrecken mit Teillängen (I₄₂, I₄₄, I_44a, I_44b) durch die Teilvolumina (42, 44, 44a, 44b) geführt wird und die Teilmessstrecken eine Messtrecke im Volumen mit einer Gesamtlänge (l₀) bilden, - einem Empfänger (40) zum Empfang des durch die Teilvolumina (42, 44, 44a, 44b) geführten Lichtstrahls (28) und zum Erzeugen von Empfangssignalen, - einer Auswerteeinheit (46), die dazu ausgebildet ist, aus den Empfangssignalen Messwerte zu erzeugen, die ein Absorptionsspektrum (50) bilden und aus dem Absorptionsspektrum (50) die Konzentration der zu messenden Gaskomponente zu bestimmen, wobei eine Modellkurve an die Messwerte numerisch angepasst wird, dadurch gekennzeichnet, - dass die Auswerteeinheit (46) weiter dazu ausgebildet ist, Anpassungsparameter zur numerischen Anpassung der Modellkurve an die Messwerte unter Berücksichtigung einer Linienstärke (Al₀) der Absorption der Gaskomponente zu bestimmen, wobei die Linienstärke (Al₀) in den Teilvolumina (42, 44, 44a, 44b) mit den Teillängen (I₄₂, I₄₄, I_44a, I_44b) der Teilmessstrecken in den Teilvolumina (42, 44, 44a, 44b) gewichtet wird, und die Anpassungsparameter Linienpositionen, Linienbreiten und Linienflächen und/oder Linienhöhen der Absorptionslinien der Gaskomponente in den Teilvolumina (42, 44, 44a, 44b) umfassen, und - dass die Auswerteeinheit (46) aus den so ermittelten Anpassungsparametern die Konzentration der Gaskomponente bestimmt.
Messgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die durchstimmbare Laserlichtquelle (26) und der Empfänger (40) auf gegenüberliegenden Seiten eines Prozesskanals 12 angeordnet sind.
Messgerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (60a, 60b. 60c, 62, 64) vorgesehen sind, die Druck und/oder Temperatur und/oder Feuchte in wenigstens einem Teilvolumen (42, 44, 44a, 44b) erfassen können.