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Dokumentenidentifikation DE19525415C2 27.11.1997
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Wasserdampfkonzentration bzw. des Taupunktes
Anmelder "Optikzentrum NRW GmbH (OZ)", 44799 Bochum, DE
Erfinder Kohns, Peter, Dipl.-Phys. Dr., 53179 Bonn, DE
Vertreter PFENNING MEINIG & PARTNER, 80336 München
DE-Anmeldedatum 12.07.1995
DE-Aktenzeichen 19525415
Offenlegungstag 16.01.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.11.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.11.1997
IPC-Hauptklasse G01N 21/39
IPC-Nebenklasse G01N 21/59   G01J 3/42   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen quantitativen Bestimmung der Konzentration von bestimmten Gasen in verschiedenen Medien. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise eignet sich dabei bevorzugt für die Bestimmung der Wasserdampfkonzentration in Industrieöfen zur Vermeidung von Oberflächenschäden auf dem Brenngut, die durch kondensierenden Wasserdampf hervorgerufen werden.

Es ist bekannt, optische Verfahren zur quantitativen Gasanalyse zu verwenden. So ist beispielsweise in J. Staab, "Industrielle Gasanalyse", Oldenbourg-Verlag München, 1994, der Einsatz der Absorptionsspektroskopie, die gegenüber den anderen Analyseverfahren, wie beispielsweise die Gaschromatographie oder gar chemischen Analysen, einen enormen Zeitvorteil aufweisen, beschrieben. Die verwendeten Meßgeräte sind relativ einfach aufgebaut, arbeiten berührungsfrei und kommen in der Regel ohne eine Entnahme von Proben aus. Messungen können über einen breiten Temperaturbereich durchgeführt werden. Nachteilig ist es jedoch, daß bei den normalerweise mit einer Weißlichtquelle (Halogenlampe) und einem Filterrad arbeitenden Verfahren relativ breitbandige Filter verwendet werden und so die Absorptionslinien mehrerer im Gasgemisch enthaltenen Komponenten innerhalb der Filterkurve liegen. Wird aber ein sehr schmalbandiger Filter gewählt, ist der Anteil des durch diesen transmittierten Lichtes zu klein. Die große räumliche Ausdehnung der Lichtquelle schränkt die Fokussierbarkeit des Lichtstrahles ein, und es sind dadurch nur sehr kleine Absorptionswege möglich, so daß Messungen großer Volumina ausscheiden.

In jüngster Vergangenheit werden auch abstimmbare Diodenlaser als schmalbandige Lichtquelle in der Laserspektrometrie für eine Gasanalyse verwendet. Gegenüber der oben beschriebenen Möglichkeit weisen solche Laser eine hohe und gut fokussierbare spektrale Leistungsdichte auf, bauen sehr klein und haben einen relativ hohen Wirkungsgrad.

Die Wellenlänge eines solchen Lasers wird auf eine Absorptionswellenlänge der zu bestimmenden Komponente des Gases mit einer Temperatur- oder Stromregelung eingestellt. Mit dem Absorptionsverlust, der auftritt, wenn das Licht mit vorgegebener Wellenlänge durch das Gasgemisch gesendet und anschließend gemessen wird, kann die Gaskonzentration bestimmt werden.

Einer breiten Anwendung eines solchen Meßprinzips stehen jedoch mehrere Probleme entgegen. Einmal ist ein gut durchstimmbarer Laser erforderlich, der in der Lage ist die Absorptionswellenlänge über einen langen Zeitraum einzuhalten. Aus Gründen der erwünschten Störunanfälligkeit und Wartungsarmut können keine aufwendigen Laser (z. B. mit externem Resonator) oder Diodenlasersysteme im MIR-Bereich auf Bleisalzbasis verwendet werden. Bei den letztgenannten Diodenlasern ist eine ständige Flüssigstickstoffkühlung erforderlich, die einen sehr hohen, auch finanziellen Aufwand bewirkt. Fehler, die beispielsweise durch Verschmutzungen, die im Laufe der Zeit bei der industriellen Anwendung an den Fenstern, durch die der Meßstrahl gesendet wird, auftreten, verfälschen die Meßergebnisse ebenfalls in unerwünschter Form. Die von der zu bestimmenden Gaskomponente hervorgerufene Absorption darf nicht zu klein sein, so daß sie im Rauschen des Meßsignals nicht mehr erkennbar ist, darf jedoch auch nicht so groß sein, daß das vom Detektor erfaßbare Signal zu klein ist.

Beim Betreiben von großen Öfen kann es unter bestimmten Bedingungen zur Kondensation von Wasserdampf auf noch kaltem Brenngut (Temperatur ca. 30°C) kommen. Bei steigender Temperatur können durch das dann verdampfende Wasser Schäden an der Oberfläche das Brenngutes auftreten. Diesem Problem kann durch gezielte Vorheizung des Brenngutes entgegengetreten werden. Dazu ist eine relativ genaue Bestimmung des Taupunktes im Bereich weniger Kelvin günstig, um die Energiekosten so klein wie möglich zu halten.

Bisher ist es bekannt, verschiedene gasförmige Komponenten mit ihrer Konzentration auf verschiedenen Art und Weise zu bestimmen. So ist in der DE 35 10 052 A1 ein Verfahren und ein Prozeßphotometer zur kontinuierlichen Messung von Konzentrationen, insbesondere von Fluorwasserstoff beschrieben. Dabei wird eine Laserdiode als Strahlungsquelle verwendet, die durch Temperaturvariation auf eine Absorptionslinie abgestimmt wird. Außerdem wird in dieser Offenlegungsschrift auf die Möglichkeit der Teilung des Lichtstrahls in ein Meß- und ein Referenzsignal hingewiesen, um eine Wellenlängenjustierung der Laserdiode durchführen zu können.

Eine weitere Möglichkeit zur Gas- oder Dampfkonzentrationsüberwachung ist der GB 2 165 640 A zu entnehmen, bei der ebenfalls ein Laser, der wellenlängenabstimmbar ist, eingesetzt wird. Der Laser soll dabei innerhalb drei verschiedener Treiberstromwerte betrieben werden. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung wird auf die Möglichkeit der Bestimmung der Konzentration von beispielsweise Methan oder anderen Kohlenwasserstoffen hingewiesen.

In der DE 36 33 931 A1 ist ein weiteres Verfahren und eine entsprechend ausgebildete Einrichtung zur kontinuierlichen Messung der Konzentration eines Gasbestandteiles unter Verwendung eines Laser beschrieben. Dabei soll der verwendete Single-Mode-Laser auf eine gasspezifische Absorptionslinie durch Bandbreiten-Modulation derart linear abgestimmt werden, daß mindestens zwei verschiedene Intensitätswerte der transmittierten Strahlung gewonnen werden, aus denen die Extinktion und somit die Konzentration der Gaskomponente ermittelbar ist. Das Verfahren soll insbesondere ebenfalls bei der Bestimmung von Fluorwasserstoffen und Fluorwasserstoffkonzentrationen eingesetzt werden.

In der DE 37 41 026 A1 ist die Möglichkeit der Gasanalyse von Rauchgasen aus Kraftwerken oder anderen Industrieabgasen beschrieben. Auch hier wird ein Laser verwendet, der zwischen zwei seiner ihm eigenen Resonanzlinien hin- und hergeschaltet wird, wobei eine der Wellenlängen ein Absorptionsmaximum und die andere Wellenlänge ein Absorptionsminimum des zu detektierenden Gases ist. Hier wird die Extinktion und damit die Konzentration des zu untersuchenden Gases durch die Bildung des Verhältnisses der Intensitätsabschwächung dieser beiden Wellenlängen bestimmt.

Aus der US 5,252,060 kann man ein Verfahren zur Überwachung der Verbrennung und besonders die Bildung von gefährlichen Gaskomponenten entnehmen. Dabei wird ebenfalls ein abstimmbarer Diodenlaser eingesetzt. Bei dieser Lösung wird der Strahl des Lasers zur Bildung eines Referenzsignales ebenfalls geteilt und ein Meßstrahl zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente verwendet.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, die Konzentration von Wasserdampf auf einfache Weise berührungslos und mit guter Genauigkeit messen zu können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 für das Verfahren und des Anspruchs 7 für die Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich bei Verwendung der in den untergeordneten Ansprüchen enthaltenen Merkmale.

Die erfindungsgemäße Verfahrensweise eignet sich insbesondere zur Bestimmung der Wasserdampfkonzentration auch in Verbindung mit der Überwachung des Taupunktes in Öfen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der dafür verwendeten Vorrichtung können nur Laserdioden verwendet werden, die unter den verschiedensten Betriebsbedingungen nur in einer longitudinalen Mode schwingen. Dies ist unbedingt erforderlich, um einen stabilen und automatischen Betrieb des als Meßgerät dienenden Spektrometers zu gewährleisten. Mögliche Laserdioden sind: "Distributed Feedback", (DFB-), "Distributed Bragg Reflection" (DBR-) und oberflächenemittierende Dioden, für ausgewählte Wellenlängenbereiche können zwischen 750 und 900 nm auch selektierte, gealterte Fabry-Perot-Laser eingesetzt werden.

Aus Kostengründen sollten Laserdioden eingesetzt werden, die auch in der Nachrichtentechnik verwendet werden können. Die dort erforderlichen hohen Stückzahlen haben zu relativ kleinen Preisen für die einzelnen Laserdioden geführt. Insbesondere für den Nachweis von Spurengasen sind geeignete Speziallösungen für Laserdioden anderer Wellenlängenbereiche bekannt, deren Preis jedoch z.Zt. so hoch sind, daß eine breite Anwendung ausgeschlossen ist. Im Wellenlängenbereich, der auch für die Nachrichtentechnik interessant ist, liegen mehrere Wasserabsorptionslinien, die verwendet werden können. So können der HI- TRAN-Datenbank, die vom Philips Laboratory/Geophysics Directorate, 1992, erstellt wurde, die folgenden Wellenlängen für Wasserdampf entnommen werden: 1303,5 nm, 1306,9 nm, 1308,1 nm, 1314,8 nm und 1317,3 nm. Diese genannten Linien zeigen bei einem Taupunkt von 40°C, einem Absorptionsweg von 2,50 m, wie er in Öfen in der industriellen Anwendung üblich ist, und bei einer Temperatur im Ofen von 700 K eine Absorption von mindestens 1%.

Bevorzugt wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Wellenlänge 1303,5 nm (Doppellinie [551] → [660] und [550] → [661] der Bande V&min;&min; = 1 → V&min; = 14 des Wassermoleküls) ausgewählt. Hierfür sprechen entscheidende Gründe. Bei der ausgewählten Wellenlänge liegt die Absorption bei den genannten Parametern für den Ofenbetrieb bei 10% und ist somit der Meßaufgabe optimal angepaßt. Eine Absorption in dieser Größenordnung führt zu Meßwerten, die weder zu klein noch zu groß sind.

Ein weiterer Vorteil für die Verwendung dieser Wellenlänge ist die äußerst geringe Temperaturabhängigkeit der Absorption. Insbesondere bei der Taupunktmessung in den genannten Industrieöfen ist die Kenntnis der Ofentemperatur in einem Bereich von ± 100 K ausreichend. Andere Wellenlängen, die ebenfalls in der Nachrichtentechnik verwendet werden, unterliegen bei vergleichbarer Absorption einem wesentlich stärkeren Temperatureinfluß im Bereich von 100°C bis 500°C. Dadurch wäre eine große Anzahl von Temperatursensoren entlang des Lichtweges erforderlich, um die Temperaturverteilung im Ofen ausgleichen zu können.

Weiter ist es vorteilhaft, daß die beiden ausgewählten Linien einen kleinen Abstand von 100 MHz haben und so bei normalem Luftdruck durch Druckverbreitung zu einer Linie mit einer Breite von 2,7 GHz verschmelzen. Daneben ist es günstig, daß diese Linie einen ausreichend großen Abstand zu anderen Absorptionslinien von anderen in einem solchen Ofen eventuell vorhandenen Gasen, wie beispielsweise CO&sub2; und CH&sub4;, haben.

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Meßaufbaus;

Fig. 2 ein Diagramm der Funktion der normierten Spannung in Abhängigkeit des Modulationshubes, und

Fig. 3 eine Tabelle 1 des Taupunktes und eines gastemperaturabhängigen Wertes µ(T).

Diese Figuren wurden nachgereicht. Aus ihnen werden keine Rechte hergeleitet. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde eine DFB-Laserdiode verwendet, bei der durch Veränderung der Gehäusetemperatur eine Durchstimmung erreicht werden konnte. Die Temperaturänderung lag hierbei im Bereich Δλ/ΔT = 0,1 nm/K. Durch eine Vorselektion aus einer größeren Anzahl von Laserdioden konnte die gewünschte Wellenlänge bei einer Temperatur, die etwas oberhalb normaler Zimmertemperatur liegt, erreicht werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit der Kühlung der Laserdiode, so daß es auch ohne Schutzgas nicht zu einer Wasserkondensation auf der Diode kommt. Bei der im Ausführungsbeispiel vorgeschlagenen Vorrichtung wurde auf die Möglichkeit der Stromregelung verzichtet.

Mit der verwendeten Laserdiode kann eine Lichtleistung von einigen mW erreicht werden, und bei 25°C tritt ein Schwellstrom von 17 mA auf. Die ausgewählte Laserdiode oszillierte schon ab 1 mA oberhalb der Schwelle stabil in einer longitudinalen Mode mit einer Linienbreite von 100 MHz. Das erzeugte Licht war also schmalbandiger als die ausgewählte Absorptionslinie. Weder beim Erwärmen des Lasers auf 65°C noch bei Veränderung des Betriebsstromes bis hin zur maximal zulässigen Stromstärke von 80 mA konnten Modensprünge, die die Verwendung von Fabry-Perot-Lasern erschweren, festgestellt werden.

Neben der Einflußnahme auf die Wellenlänge durch Änderung der Temperatur kann auch eine entsprechende Stromregelung mit einer Rate von Δλ/ΔI = 0,0025 nm/mA durchgeführt werden, was zu einer insgesamten Stromänderung von 6 mA führt, um die gesamte druckverbreiterte Doppellinie zu überstreichen.

Eine Temperaturregelschaltung 1 stellt über ein Peltierelement 2 die Betriebstemperatur der Laserdiode 3 mit einer Stabilität von 10 mK ein. Die Temperatur der Diode ermittelt ein Temperatursensor 4. Der Temperatursollwert wird dabei von einem Steuerrechner 5 und einer Regelschaltung 6 vorgegeben. Eine rauscharme Stromquelle 7 stellt den Betriebsstrom der Laserdiode 3 bereit. Das Laserlicht wird durch eine entspiegelte Siliziumlinse 8 gebündelt. Im Diodengehäuse befindet sich eine Monitorphotodiode 9, die einen der Laserleistung proportionalen Strom erzeugt. Wie alle Diodenlaser ist auch die verwendete DFB-Diode anfällig gegenüber der Rückreflexion emittierter Strahlung in den Laserchip, die zur spektralen Verbreiterung des Laserlichtes und in ungünstigen Fällen sogar zur Zerstörung führen kann. Als Gegenmaßnahme unterdrückt ein optischer Isolator 10 (OFR Typ IQ-2,5-IR1) mit einer Isolation von 46 dB unmittelbar vor der Laserdiode 3 Rückreflexion auf ein unschädliches Maß.

Das durch den Isolator 10 transmittierte Licht wird durch zwei Strahlteiler 11 und 12 in drei Teilstrahlen geteilt. Etwa 10% durchlaufen ein Interferenzfilter 13, dessen Transmissionskurve eine steile Kante bei der Wellenlänge 1303,5 nm aufweist. Die Filtertransmission steigt von etwa 10% bei 1302 nm über 30% bei 1303,5 nm auf 50% bei 1305 nm. Ein Germaniumdetektor 14 mit vorgeschalteter Fokussierlinse 15 ermittelt die transmittierte Lichtleistung. Diese Anordnung dient zur groben Einstellung der Laserwellenlänge.

Weitere 10% werden zur Feinabstimmung der Laserfrequenz mit Hilfe einer Wasserdampfzelle 16 benutzt, die durch eine Temperaturregelung 17 auf (25 ± 1)°C stabilisiert wird. Durch eine Innenverspiegelung aus Gold mit zwei unbeschichteten Flächen zum Strahlein- und -austritt kann mittels Vielfachreflexion eine Weglänge von 2 m erzielt werden. Der Photodetektor 18 ermittelt die durch die Zelle transmittierte Lichtleistung. Auch hier fokussiert eine Linse 19 die Strahlung auf den Detektor 18.

Der verbleibende Teil des Lichtes wird mit einer weiteren Linse 20 in eine Glasfaser 21 eingekoppelt. Dadurch ist eine räumliche Trennung von Laser 3 und Ofen 23 möglich. Die Linse 22 koppelt das Licht aus der Faser 21 aus. Die Transmission des Ofens 23 wird mit einem weiteren Photodetektor 24 bestimmt. Ein vorgeschaltetes Interferenzfilter 25 unterdrückt das Hintergrundleuchten des Ofens. Die Linse 26 fokussiert das Licht auf den Detektor 24.

Vier Vorverstärker 27, 28, 29 und 30 wandeln die Ausgangsströme der Photodetektoren 9, 14, 18 und 24 in Spannungen um. Schwankungen der abgestrahlten Laserleistung werden mit Hilfe dreier Analogdividierer 31, 32 und 33 weggerechnet, die die verstärkten Ausgangssignale der Detektoren 14, 18 und 24 durch das Signal vom Detektor 9 teilen. Damit liegen drei von der aktuellen Laserleistung unabhängige Werte vor, die zur Stabilisierung der Laserwellenlänge sowie zur Ermittlung der Ofentransmission benutzt werden. Diese Aufgabe erfüllen drei Lock-In-Verstärker 34, 35 und 36, ein Tiefpaß 37, eine Regelschaltung 6 und ein Steuerrechner 5.

Um die Absorption des Laserlichtes beim Durchgang durch den Ofen 23 zu ermitteln, muß man natürlich die Laserwellenlänge stets bei der Linienmitte halten. Beim Einschalten des Systems muß dazu die korrekte Laserwellenlänge über die Temperatur und den Betriebsstrom der Laserdiode 3 automatisch eingestellt werden. Es genügt hierzu nicht, einmal ermittelte Werte zu reproduzieren, da sich das emittierte Spektrum von Laserdioden im Lauf der Zeit auch bei gleichgehaltener Temperatur und Stromstärke verschieben kann.

So ist C.E. Wieman und L. Hollberg, "Using diode lasers for atomic physics", Rev. Sci. Instr. 62, 1 (1991) eine alterungsbedingte Verschiebung von bis zu 30 MHz pro Stunde zu entnehmen. Die optimale Betriebstemperatur der verwendeten DFB-Diode kann sich in 3 Jahren um etwa 15 K verschieben.

Als Alternative bestimmt der Detektor 14 die wellenlängenabhängige Transmission des Kantenfilters 13. Der Steuerrechner 5 stellt anhand des auf die Laserleistung normierten Meßwertes die Betriebstemperatur der Laserdiode 3 über den Soll-Eingang der Temperaturregelung 1 ein. Bei zu kleiner Filtertransmission (d. h. zu kleiner Laserwellenlänge) wird die Soll-Temperatur in 1 K-Schritten erhöht bzw. bei zu großer Transmission in 1 K-Schritten verringert, bis die Filtertransmission 30% beträgt. Aufgrund der Steilheit der Filterkante gelingt so die Einstellung der Laserwellenlänge auf 0,1 nm genau.

Zur Feinabstimmung wird das auf die Laserleistung normierte Transmissionssignal der Wasserdampf-Referenzzelle 16 verwendet. Hierbei kommt eine Lock-In-Technik zum Einsatz. Dazu wird die Laserfrequenz mit einem Hub von ein bis zwei Linienbreiten moduliert und die dabei auftretende periodische Änderung des Signals beim Durchgang durch die Wasserdampf-Referenzzelle phasensynchron detektiert. So erhält man ein Fehlersignal mit ungerader Symmetrie, mit dem man die Mittenfrequenz des Lasers auf die Wasserlinie stabilisieren kann [W. Demtröder, "Laserspektroskopie - Grundlagen und Techniken", Springer-Verlag Berlin (1993)]. Die Wellenlängenmodulation erfolgt einfach durch die Betriebsstrommodulation der Laserdiode 3. Ein Funktionsgenerator 38 erzeugt die sinusförmige Modulationsfrequenz von 3 kHz zur periodischen Durchstimmung der Laserwellenlänge. Der Modulationshub beträgt 10 mA, was einen Frequenzhub von 5 GHz entspricht. Die mit der Strommodulation verbundene Leistungsänderung wird durch die Normierung der Signale der Detektoren 14, 18 und 24 auf die mit dem Detektor 9 bestimmte Laserleistung berücksichtigt. Das Fehlersignal mit ungerader Symmetrie liefert der Lock-In-Verstärker 34, dessen Referenzeingang die Modulationsfrequenz erhält. Damit erzeugt er ein zur Ableitung der Absorptionskurve proportionales Signal, das bei der maximalen Absorption eine Flanke mit Nulldurchgang hat.

Die Ausgangsspannung vom Verstärker 34 steuert einen PID-Regler 6 an, der die Laserfrequenz durch Regelung der Lasertemperatur bei der Wasserlinie hält. Der Steuerrechner 5 aktiviert den Regelkreis erst dann, wenn die Transmission des Kantenfilters bei 30% liegt. Dazu bedient er sich eines Analogschalters, durch den er den Integrator im PID-Regler 6 kurzschließen kann.

Alternativ ist auch eine Realisierung der PID-Regelung durch ein geeignetes Unterprogramm im Steuerrechner 5 möglich, der dazu das Signal des Lock-In-Verstärkers 34 direkt erhält. Die beiden die Lasersolltemperatur bestimmenden Spannungen der groben und feinen Wellenlängenregelung werden mit einer geeigneten Gewichtung in einem Analogschaltkreis 39 oder bei Verwendung eines PID-Softwarereglers direkt im Rechner addiert. Die Summe steuert den Solleingang der Temperaturregelung der Laserdiode 3 an.

Parallel zur Frequenzstabilisierung wird das Photodetektorsignal vom Detektor 18 mit der zweiten Harmonischen der Modulation des Modulationssignals demoduliert. Das Ausgangssignal dieser Demodulation ist proportional zur Absorption der Linie in der Referenzzelle 16. Dieses 2f-Signal wird vom Lock-In-Verstärker 35 produziert. Sein Referenzeingang ist mit der um π/2 phasenverschobenen zweiten Harmonischen der Modulationsfrequenz beschaltet, die von einem Frequenzverdoppler 40 generiert wird. Sein Ausgangssignal dient zur Kontrolle der korrekten Funktion des Regelkreises durch den Steuerrechner 5, da es aufgrund der konstanten Feuchte in der Referenzzelle 16 bei korrekt arbeitender Frequenzstabilisierung konstant bleiben muß.

Zur Messung der Ofentransmission wird das auf die Laserleistung normierte Ausgangssignal vom Detektor 24 ausgewertet. Entsprechend der Ermittlung des Kontrollsignals durch den Lock-In-Verstärker 35 demoduliert ein weiterer Lock-In-Verstärker 36 die normierte Transmission des Ofens 23 mit der zweiten Harmonischen Modulationsfrequenz. Sein Ausgangssignal errechnet sich folgendermaßen:

Die Absorptionslinie wird bei einem Meßgasdruck von ca. 1 bar in sehr guter Näherung durch eine Lorentzfunktion beschrieben:



Dabei bezeichnet Δν die Verstimmung der Laserdiode 3 von der Linienmitte und Δν&sub0; die halbe Halbwertsbreite der Absorptionslinie, also hier etwa 1,35 GHz. Mit einer sinusförmigen Frequenzmodulation der Laserdiode 3 mit der Kreisfrequenz ωmod und dem Hub Δνmax um die Linienmitte, also

Δν(t) = Δνmax* sin(ωmodt)

wird der normierte Photostrom vom Detektor 24, also das Ausgangssignal des Normierers 33



Dabei ist U&sub0; die Ausgangsspannung des Normierers bei fehlender Gasabsorption, d. h. völlig verstimmter Laserdiode 3, und A die Absorption des Gases in Linienmitte. Der Verstärker 36 erhält dieses Signal als Eingangsspannung und als Referenz die frequenzverdoppelte, um π/2 verschobene Modulationsfrequenz

UREF(t) α sin(2ωmodt+π/2)

seine Ausgangsspannung ist dann mit φ = ωmodt



mit einem geräteabhängigen, zeitlich konstanten Proportionalitätsfaktor C.

Die Fig. 2 zeigt die durch (C * A * U&sub0;) dividierte Spannung Uabs als Funktion des Modulationshubs (Δνmax/Δν&sub0;). Im hier betrachteten Fall Δνmax ≈ 2 * Δν&sub0; ist dann

UAbs = 0,17 * C * A * U&sub0;

Die Wahl von Δνmax ≈ 2 * Δν&sub0; bietet sich an, weil hier UAbs/(C * A * U&sub0;) ein Maximum hat und sich eine leichte Schwankung des Modulationshubes nicht so stark auswirkt.

Durch die phasenempfindliche Detektion fallen Störungen z. B. durch das Eigenleuchten des Ofens 23 oder Fremdlicht heraus. An dieser Stelle ist allerdings zusätzlich zu berücksichtigen, daß sich die Lichtleistung hinter dem Ofen 23 (und damit U&sub0;) auch durch Effekte verändern kann, die von der Feuchte im Ofen 23 unabhängig sind. Zu diesen störenden Effekten zählt z. B. die langsame Verschmutzung der Ofenfenster sowie eine Veränderung der Justage. Diese Störeinflüsse führen zu einer (im Rahmen der Wellenlängenmodulation) von der Laserwellenlänge unabhängigen Veränderung des Signals von Detektor 24, während die Wasserabsorption von der Laserwellenlänge abhängt. Damit kann der Einfluß der Störgrößen aufgefangen werden, indem das Ausgangssignal vom Verstärker 36 auf den tiefpaßgefilterten Gleichstromwert des normierten Signals von Detektor 24 bezogen wird.

Eine Verschlechterung der Ofentransmission, z. B. durch Fensterverschmutzung, reduziert sowohl das Signal von Verstärker 36 als auch den durch Tiefpaß 37 ermittelten Gleichstromwert um den gleichen Faktor, der bei der Quotientenbildung dieser Signale wieder herausfällt. Da beide Signale sich nur langsam ändern, wird die Division digital im Steuerrechner 5 durchgeführt. Sie liefert durch Herauskürzen von U&sub0; letztlich 0,17 * C * A, so daß der Steuerrechner 5 die Absorption A des Gases bestimmen kann, wenn C einmal ermittelt und gespeichert wurde.

Nun ist zur Bestimmung des Wasserdampfpartialdruckes c (gemessen in mbar) lediglich noch das Beersche Gesetz zu berücksichtigen:



mit der Länge l des Absorptionsweges und einem von der Gastemperatur abhängigen Wert µ(T), der mit Hilfe der HITRAN-Datenbank für die verwendete Linie berechnet wurde (Tab. 1). Wie schon oben erwähnt, ist die geringe Temperaturabhängigkeit von µ eine besondere Eigenschaft der benutzten Linie.

Der Wasserdampfpartialdruck kann dann über eine im Steuerrechner 5 abgelegte Tabelle auch als Taupunkt ausgegeben werden. Eine solche Tabelle ist z. B. in der 61. Auflage des CRC Handbook of Chemistry and Physics, ed. R.C. Weast, CRC Press, Boca Raton, Florida (1980), abgedruckt.

Insgesamt hat damit der Steuerrechner 5 folgende Aufgaben:

  • a) Über die Temperatur der Laserdiode 3 stellt er beim Einschalten des Systems die Laserwellenlänge ein. Dabei orientiert er sich an der gemessenen Transmission des Filters 13. Aufgrund der steilen Flanke gelingt die Einstellung der Wellenlänge auf besser 0,1 nm.
  • b) Im nächsten Schritt wird die Frequenzregelung anhand des Referenzzellensignals aktiviert. Die Laserfrequenz wird nun um die Absorptionslinie des Wasserdampfes moduliert.
  • c) Die Frequenzregelung wird nun fortlaufend anhand des 2f-Lock-In-Signals von Verstärker 35 der Referenzzelle 16, das der konstanten Feuchte in der Zelle entspricht, kontrolliert. Verläßt das Signal ein festgelegtes Intervall, beginnt der Steuerrechner 5 wieder bei a).
  • d) Bei korrekt arbeitender Frequenzregelung normiert der Steuerrechner 5 das Ausgangssignal von Lock-In-Verstärker 36 auf den tiefpaßgefilterten Gleichstromanteil vom Normierer 33. Zusätzlich erhält der Steuerrechner 5 die Gastemperatur. Über den angegebenen Algorithmus bestimmt der Steuerrechner 5 schließlich die Wasserdampf-Konzentration bzw. den Taupunkt im Ofen 23 und stellt diesen Wert sowohl per Display als auch über eine 0-20-mA-Schnittstelle zur Prozeßsteuerung (hier: Brenngutvorheizung) bereit.
  • e) Er gibt auch bei einem zu kleinen Signal von Tiefpaß 37 ein Fehlersignal aus, anhand dessen der Grad der Fensterverschmutzung abgelesen werden kann.


Hinzu kommt unter Umständen die Durchführung des bereits beschriebenen PID-Regelalgorithmus.

Der beschriebene Regelalgorithmus stabilisiert die Laserfrequenz selbständig innerhalb von etwa 30 min. nach dem Einschalten des Systems. Der im Umgang mit Lasern ungeübte Anwender erhält als Betriebsinformation lediglich die Anzeige des Taupunktes sowie den Zustand des Gerätes (Frequenz korrekt &rlarr2; inkorrekt, Fenster reinigen ja &rlarr2; nein) über ein Display.

Neben der Bestimmung der Wasserdampfkonzentration kann auch mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise die Konzentration anderer Gaskomponenten bestimmt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Bestimmung der Wasserdampfkonzentration und/oder des Taupunktes, bei dem Licht einer Laserlichtquelle mit der Absorptionswellenlänge des Wasserdampfes von 1303,5 nm zum Nachweis einer Wasserdampfkonzentration durch ein Medium gesendet, und die Laserlichtquelle mittels Temperatur- und/oder Stromregelung auf die Wellenlänge von 1303,5 nm abgestimmt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionswellenlänge mit einer groben und einer feinen Frequenzregelung eingestellt wird.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Lichtschwankungen hervorgerufene Meßfehler des Meßsignales für die Gaskonzentration durch Normierung mit einem die abgestrahlte Laserleistung repräsentierenden Meßsignal ausgeglichen werden.
  4. 4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Lichtschwankungen hervorgerufene Meßfehler von Meßsignalen für die Einstellung der Absorptionswellenlänge durch Normierung mit dem die abgestrahlte Laserleistung repräsentierenden Meßsignal ausgeglichen werden.
  5. 5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von der Absorptionswellenlänge der Laserlichtquelle unabhängige Meßfehler durch Normierung ausgeglichen werden.
  6. 6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Absorptionswellenlänge ein Fehlersignal mit ungerader Symmetrie erzeugt wird.
  7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht einer eine Wellenlänge von 1303,5 nm ausstrahlenden Laserdiode (3) mittels eines ersten Strahlteilers (12) über eine Wasserdampf enthaltende Referenzzelle (16) einem ersten Detektor (18) zuführbar ist und ein weiterer Teil des von der Laserdiode (3) abgestrahlten Lichtes durch einen Ofen (23) auf einen Photodetektor (24) sendbar ist, und das Meßsignal des ersten Detektors (18) zur feinen Regelung der Wellenlänge des abgestrahlten Lichtes einer Temperaturregelschaltung (1) und/oder einer Stromregelschaltung zuführbar ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Teil des abgestrahlten Lichtes mit einem zweiten Strahlteiler (11) zur groben Regelung der Wellenlänge auf einen weiteren Detektor (14) richtbar ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zweiten Strahlteiler (11) und dem weiteren Detektor (14) ein Kantenfilter (13) angeordnet ist, dessen wellenlängenabhängige Transmission zur groben Durchstimmung der ausgewählten Absorptionswellenlänge der Laserdiode (3) einsetzbar ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Referenzzelle (16) eine Temperaturregelung (17) vorhanden ist.
  11. 11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale des mit durch den Ofen (23) geführtem Licht beaufschlagten Photodetektors (24) einem ersten Normierer (33), an dem das Meßsignal einer Monitordiode (9), das der abgestrahlten Laserleistung entspricht, anliegt, zuführbar ist.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Normierer (33) einem Lock-In-Verstärker (36) und einem Tiefpaßfilter (37) vorgeschaltet ist.
  13. 13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale des dem zweiten Strahlteiler (11) zugeordneten weiteren Detektors (14) und des ersten Detektors (18) zur feinen Regelung diesen weiteren jeweils nachgeschalteten Normierern (31, 32) zuführbar sind.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die normierten Meßsignale nachgeschalteten weiteren Lock-In-Verstärkern (34, 35) zuführbar sind.
  15. 15. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Normierer (31, 32, 33) Analogdividierer sind.
  16. 16. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die normierten Meßsignale zur Regelung der Temperatur und/oder des Stromes der Laserdiode (3) einem Steuerrechner (5) zuführbar sind.
  17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzzelle (16) eine lichtreflektierende Innenbeschichtung aufweist.






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