[发明专利]确定污染物浓度的光谱测量装置和方法

说明书

本发明涉及一种借助于光谱测量装置(1)确定吸收气体的浓度的方法，其中，获得用于光强度的与波长相关的测量值，并基于这些值表示与波长相关的测量值函数。限定了与波长相关的理论函数，所述理论函数包括标定参数和作为参数的浓度。标定参数被限定为装置参数和与浓度相关的校正因子的函数。将包括步骤序列的循环连续执行多次，其中，在第一步骤中，从浓度的规定的假定值计算校正因子的数值，在第二步骤中，使用计算的数值确定理论函数，在第三步骤中，通过第二步骤中确定的理论函数与测量值函数之间的曲线调整计算确定浓度值，并且规定为新的假定值。在最后一个循环的第三步骤中获得的假定值被输出作为测量值。

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的使用光谱测量装置确定在待测量的气体混合物中的吸收气体的浓度的方法。本发明还涉及一种光谱测量装置。

背景技术

传统上，光谱测量装置被用于确定在测量的气体混合物中的吸收气体的浓度。例如，待测量的气体混合物可以是将要确定其中吸收气体的浓度的环境空气。吸收气体是吸收特定波长范围内的光的气体组合物的总称。例如，诸如NO、NO₂、NO₃或O₃的痕量气体被术语“吸收气体”所涵盖。特别地，这种痕量气体的浓度常常使用相应的光谱测量装置测量。所有光谱测量装置的基本原理是每种吸收气体由于其特有的分子结构而在被光激发时具有特定的吸收结构。如果这种吸收气体的分子通过光源在特定光谱宽度、即特定波长范围上发射具有与波长相关的光强度的光而被激发，则该分子将吸收该光的对应于分子的特定吸收结构的一部分，其中被吸收的光的部分与波长相关。因此，吸收结构限定了吸收气体的在光的吸收方面的与波长相关的吸收特性。当来自光源的光发射到气体混合物，从而光在气体混合物中经过光路时，在此根据吸收气体的特定吸收结构，如果光在它的光路上照射更多的吸收气体分子，则更多的光强度被吸收。在从光源发射的光在具有特定吸收气体的特定气体混合物中行进某一光路之后测量的光强度相应地与光路的路径长度和气体混合物中的吸收气体的浓度相关。在数学上，该基本原理可以使用比尔-朗伯定律来描述：I＝I₀*exp[-σ*χ*L]，其中I是光在气体混合物中经过光路后的光强度，I₀是从光源发射到气体混合物的光强度，σ是痕量气体的吸收截面，χ是痕量气体的浓度并且L是光路的路径长度。当然，痕量气体的吸收截面当然与波长相关并精确地表示痕量气体的吸收结构。

根据这个基本原理，传统的光谱测量装置总是被设计为一种组件，其中从光源发射的光行进预定的或可确定的光路，其中在光路的端部处布置有可以测量光强度的检测器。用于实现光谱测量装置的各种非常不同的选项是已知的。例如，在一些光谱测量装置中，光路以及光路的路径长度是通过起点与终点之间的反射镜的几何布置来几何地固定的。为了保证高测量精度，已知具有若干千米长度的几何固定光路的光谱测量装置。具有包括光学谐振器的测量单元的光谱测量装置采用完全不同的方式。光学谐振器位于测量单元中并且包括反射镜装置以尽可能频繁地在反射镜装置内反射光。使用这样的设置，光路不是几何上预限定的，而是与例如反射镜装置的反射率和测量单元内的光的吸收相关。反射镜组件的反射率越高且吸收越低，则光路越长。吸收可以例如由气体混合物的组分、诸如所包含的痕量气体和/或反射镜装置的吸收行为引起。在这种包括光学谐振器的测量装置中，由检测器测量从测量单元耦合出的光强度。耦出可以例如使用测量单元中的部分地透明的分束器或者反射镜装置的部分地透明的反射镜来完成。由于光路不是几何上预知的，因此需要标定测量，从而可以从测得的光强度得出关于测量单元中提供的气体混合物中的吸收气体的浓度的结论。通过这些标定测量，确定表征光路的路径长度的值，例如“平均路径长度”、反射镜装置的“反射率”或测量单元中的光的“平均停留时间”。描述的用于表征路径长度的选项是等效的，并且可以相互转换。与具有固定几何光路的上述示例性测量装置相比，包括光学谐振器的测量装置具有以下重要优点：即使谐振器和整个光谱测量装置的整体尺寸很小，由于光学谐振器中的多次反射，也可以获得足够长的光路以使得精确测量气体混合物中的吸收气体。因此，这种光谱测量装置特别适用于吸收气体浓度的局部、即空间分辨测量，并且价格低廉，易于制造。