AT500543B1 - Verfahren zur raschen spektroskopischen konzentrations-, temperatur- und druckmessung von gasförmigem wasser - Google Patents

Description

2 AT 500 543 B1

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Konzentration, Temperatur und Druck von gasförmigem Wasser. Sie setzt eine abgewandelte und erweiterte Form der Laserabsorptionsspektroskopie mittels durchstimmbarer Diodenlaser ein. Oberflächenemittierende Laser (VCSEL) im nahen Infrarot werden um bestimmte, für Wasser selektive Wellenlängen, in der 5 Emissionswellenlänge so weit durchgestimmt, dass die Absorption über vollständige, einzelne Linien oder Kombinationen hiervon aufgezeichnet werden kann. Die Bestimmung der Konzentration des Wassers erfolgt nach dem Lambert Beer’schen Gesetz. Festgestellte, selektive Wellenlängen für die Wassermessungen im Bereich von 1.8 - 2.5 pm sind etwa 1.80 pm, 1.87 pm, 1.97 pm, 1.98 pm, 1.99 pm, 2.0 pm, 2.1 pm, 2.2 pm, 2.47 pm, 2.48 pm, und 2.50 pm. 10 Für Durchstimmraten bis in den kHz Bereich lassen sich konventionelle Laserdiodentreiber verwenden. Für die rasche Durchstimmung im Bereich bis zu einigen MHz der in dem vorgestellten Verfah-15 ren verwendeten Laser (VCSEL) wird eine Spannungsrampe (typischerweise Größenordnung 0 - 10 V) beliebiger Form (Sägezahn, Dreieck, Stufe, Sinus,...) an den Laser und einen vorgeschalteten Widerstand (typischerweise größenordnungsmäßig 2 kOhm) angelegt, wodurch der Laser stromkontrolliert mit typischerweise größenordnungsmäßig 0-5 mA beaufschlagt wird. 20 Der Laser wird temperaturgeregelt, was vorteilhaft elektrothermisch, aber auch durch Luftkühlung erfolgen kann.

Die Temperaturbestimmung des Wassers erfolgt über die simultane Auswertung eines Linienpaares bei zwei Wellenlängen, wobei eine der Linienstärken mit der Temperatur ansteigt, die 25 andere jedoch fällt.

Das Verfahren eignet sich für Anwendungen im Temperaturbereich < 300 K - 2500 K, Drücke von < 1 mbar - 300 bar über einen mehrere Dekaden umspannenden Konzentrationsbereich. Es ist möglich, auch andere Spezies als Wasser mit dem vorgestellten Verfahren spektrosko-30 pisch zu untersuchen.

Stand der Technik

Die akkurate in-situ Messbarkeit von Wasser stark variabler Konzentration insbesondere bei 35 hohen Drücken und hohen Temperaturen ist eine technologisch wichtige Aufgabe, und sie stellt eine hohe Herausforderung an die Messtechnik dar.

Die Kenntnis der Konzentration von Wasser, wie sie etwa für manche Anwendungen mittels Hygrometern bestimmt wird, ist in vielen chemischen und industriellen Prozessen ein wichtiger 40 Parameter aus Verbrennung, Gaserzeugung, Eisenerzreduktion und Hydrolysen. Die genaue Wasserkonzentration in einem heißen, mehrphasigen Messvolumen wird vielfach benötigt zur Prozessoptimierung und -kontrolle.

Spektroskopische Methoden werden erfolgreich zur berührungslosen, selektiven und sensitiven 45 Konzentrationsmessung bestimmter Spezies angewandt. Absorptionsspektroskopie mittels durchstimmbarer Diodenlaser ist eine erfolgreich angewandte Technik. Sie vermag wegen des Durchstimmens der Wellenlänge über ein vollständiges Absorptionsmerkmal, etwa eine einzelne Rotationslinie im infraroten Spektralbereich, die durch den Analyten bedingte Absorption von unspezifischer Lichtschwächung (etwa Streuung) zu unterscheiden. Dadurch ergibt sich ein so großer Vorteil gegenüber Verfahren, die bei einer fixen Wellenlänge Konzentrationen messen (vgl. Manfred Hesse, Herbert Meier, Bernd Zeeh: Spektroskopische Methoden in der organischen Chemie, 4. Auflage, Thieme, 1991, und Wolfgang Demtröder: Laserspektroskopie. •Grundlagen und Techniken, 4. Auflage, Springer, 2000). 55 Es ist bekannt, die Technik der Absorptionsspektroskopie mittels durchstimmbarer Diodenlaser 3 AT 500 543 B1 für die Konzentrationsmessung von Wasser einzusetzen. Sämtliche bekannte Verfahren erlauben jedoch nur die Anwendung für Bedingungen von maximal etwa 5 bar Druck bei Raumtemperatur und maximal 10 bar bei erhöhter Temperatur. Der Grund hierfür ist in der Linienverbreiterung, bedingt durch Kollisionen bei steigendem Druck, zu suchen. 5

Viele Prozesse und Fragestellungen jedoch weisen deutlich höhere Drücke auf. So wäre etwa die Verfolgung der Wasserkonzentration in einem Motor unter realen Bedingungen als diagnostisches Werkzeug interessant. io Nichtlineare optische Methoden sind ein gangbarer Weg, Umgebungen mit hohen vorherrschenden Drücken zu untersuchen. Hierdurch ergeben sich jedoch substanzielle Nachteile in der Komplexität und auf der Kostenseite.

Das vorgestellte Verfahren löst das dargestellte Problem der Drucklimitation. Oberflächenemit-15 tierende Laser (VCSEL) werden so weit in ihrer Wellenlänge durchgestimmt, dass selbst stark druckverbreiterte Absorptionsmerkmale vollständig vermessen werden können. Ein Absorptionsmerkmal steht hier für einen im Spektrum beobachteten Peak, der aus einer einzelnen, aus einem Übergang resultierenden, Linie oder aber auch aus mehreren, jedoch nicht auflösbaren Linien (Kombination) besteht. Der Begriff Absorptionsmerkmal wird mit dem Begriff Linie syno-20 nym verwendet. US 6,274,879 beschreibt die Verwendung eines VCSEL bei einer Wellenlänge von 760 nm.

Die US 6,091,504 beschreibt ebenfalls die Verwendung von kurzwelligen VCSEL bei einer 25 Wellenlänge von 650 -1100 nm.

Die EP 0 692 222 A1 beschreibt die Verwendung eines VCSEL bei einer Wellenlänge von 760 nm zur spektroskopischen Messung von Sauerstoff. 30 Auch in einem Artikel von Sanders et al., Applied Optics 40 (24), 2001; „Diode-Laser absorption sensor for line-of-sight gas temperature distributions“ wird bei ähnlichen Wellenlängen gearbeitet.

Es wird eine Möglichkeit vorgestellt, die es erlaubt, Messungen von Wasser mit Repetitionsra-35 ten im MHz Bereich durchzuführen. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, zeitlich hoch aufgelöste Molekülspektroskopie zu betreiben.

Offenlegung der Erfindung 40 Oberflächenemittierende Laser (vertical cavity surface emitting lasers, VCSELs) im infraroten Spektralbereich werden seit einigen Jahren massiv in der Datenkommunikation eingesetzt. Es wurde festgestellt, dass sich Laser diesen Typs mit der Temperatur und dem Strom sehr viel weiter in ihrer Emissionswellenlänge durchstimmen lassen als Diodenlaser konventionellen Aufbaus (sogenannte Kantenemitter). Außerdem wurde die Eigenschaft einer sehr raschen 45 Durchstimmfähigkeit festgestellt. Die Frequenz, mit welcher sich die Emissionswellenlänge durch Variation des Stroms verändern lässt, liegt weit über der Bandbreite der für die Absorptionsspektroskopie üblichen Frequenzen (einige hundert Hz bis kHz). Im nahen Infrarot zeigt eine Vielzahl kleiner Moleküle spezifische Absorption durch Anregung von Rotationsschwingungen. Die messbaren Absorptionslinien haben eine Linienbreite, welche stark vom Druck abhängt. Mit so steigendem Druck verbreitert sich eine einzelne Absorptionslinie um typischerweise 0.2 cm'1/bar. (Bei einer Wellenlänge von 1.8 pm entspricht 1 cm'1 etwa 0.3 nm, bei 2.0 pm sind es 0.4 nm und bei 2.5 pm sind es 0.6 nm). Kantenemitter lassen sich üblicherweise über 1 cm'1 kontinuierlich (d.h. eine dominante Mode, keine Modensprünge) durchstimmen. Um die durch den Analyten bedingte Absorption von unspezifischer Lichtschwächung zu unterscheiden, muss 55 man die Emissionsfrequenz des Lasers so weit durchstimmen, dass ein vollständiges Absorpti- 4 AT 500 543 B1 onsmerkmal vermessen werden kann.

Mit der Temperatur verschmälern sich die Linien wieder, so dass höhere Temperaturen den Messbereich nach oben ein wenig öffnen. Über etwa 10 bar lässt sich das Verfahren der kon-5 ventionellen Absorptionsspektroskopie mittels durchstimmbarer Diodenlaser folglich nicht anwenden. VCSEL können jedoch über bis zu 30 cm'1 durchgestimmt werden. Hierbei sind Durchstimmraten im Bereich weniger Hertz bis zu mehreren MHz möglich.

Figurenübersicht 10

Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Einsatzes eines VCSEL zur Spektroskopie von Wasser.

Figur 2 stellt das prinzipielle Schema der Datenauswertung dar.

Figur 3 stellt eine Auftragung von Durchstimmbereich gegen Durchstimmfrequenz dar. 15 Figur 4 zeigt eine Auftragung der Absorbanz des Messsignals für Wasser in Abhängigkeit der Temperatur für zwei Absorptionslinien.

Figuren 5 und 6 zeigen ein Absorptionsspektrum von Wasser bei einem Druck von 50 bar.

Die dargestellte Erfindung setzt VCSEL zur Spektroskopie von Wasser nach Fig. 1. ein Hierzu 2o wird ein das Licht eines geeigneten VCSEL (1), welcher sich in einem Block (2) befindet, durch eine entsprechende Optik (3) gebündelt und über der Justierung dienende Spiegel (4), (5), (6) und (7) auf einen Detektor (8) gelenkt. Das Messmedium, welches der Messstrahl durchdringt, ist mit der Bezugsziffer 13 angedeutet. 25 Bezugsziffer 12 deutet eine Einheit zur Verarbeitung der vom Detektor (3) übermittelten Daten an.

Diodenlaser lassen sich mit dem Strom und der Temperatur durchstimmen. Andererseits bedeutet dies, dass die Temperatur, bei welcher sich der Laser befindet, konstant gehalten wer-30 den muß. Diese Bedingung ist für die in diesem Verfahren angewandten VCSEL nicht so streng wie für Diodenlaser konventionellen Aufbaus (Kantenemitter). Es ist daher nicht wesentlich, die Temperatur genau zu regeln. Die Befestigung des VCSELs in einem Block (2), in einer vorteilhaften Ausführung aus Metall, reicht somit in manchen Fällen aus. Eine Thermostatisierung der Laserhalterung kann aber auch durch Wasserkühlung oder einen thermoelektrischen Kühler 35 erfolgen.

Der Detektor (8) muss auf die Wellenlänge des VCSEL abgestimmt sein, seine Bandbreite muss der gewünschten Durchstimmrate angepasst sein (vgl. Nyquist Abtasttheorem, wonach die Abtastfrequenz zur Signalrekonstruktion mindestens doppelt so hoch sein muss wie die 40 Frequenz des Signals selbst). Der VCSEL (1) wird wahlweise über einen konventionellen Lasertreiber (11) oder über einen Funktionsgenerator (9) in Serie mit einem Ohmschen Widerstand (10) betrieben. Der Lasertreiber (11) erzeugt eine Stromkurve beliebiger Form (symmetrisches oder asymmetrisches Dreieck, Sinus, Stufe,...) von typischerweise größemordnungsmäßig 0-10 mA. Hierbei ist es nicht notwendig, die Rampe von 0 mA oder vom Schellstrom Ith begin-45 nen zu lassen. Es ist möglich und manchmal sinnvoll, den Laser mit einer Stromrampe, welche bei I > l^ beginnt, zu beaufschlagen. Kommerziell erhältliche Lasertreiber haben Bandbreiten im Bereich bis zu einigen 100 kHz. Um den Laser rascher durchzustimmen, bietet sich für das dargestellte Verfahren folgende vorteilhafte Ausführungsform: Ein Funktionsgenerator (9) wird benutzt, um eine Spannungskurve beliebiger Form (symmetrisches oder asymmetrisches Drei-50 eck, Sinus, Stufe,...), typischerweise von etwa 0 - 10V, zu erzeugen. Ausgehend von einem Widerstand von etwa 100 Ohm eines VCSELs muss ein Vorwiderstand (10) von etwa 2000 Ohm in Serie mit dem VCSEL geschaltet werden, um den durchgeschickten Strom zu begrenzen (VCSEL sind empfindlich gegen Spannungs- und Stromspitzen). Hierdurch ist es möglich, den VCSEL sehr rasch (bis zu MHz) durchzustimmen. Eine der Spannungskurve 55 entsprechende Stromkurve sorgt nun für die Veränderung der Laseremissionsfrequenz. Es 5 AT 500 543 B1 wurde festgestellt, dass der Durchstimmbereich eines VCSEL mit der Durchstimmfrequenz abnimmt. Dadurch ergibt sich bei etwa 20 MHz ein Limit für das Verfahren. Während jeder Rampe ist eine einzelne Messung möglich. Die Signalauswertung erfolgt nach 5 dem Lambert Beer1 sehen Gesetz (siehe weiter unten bei der Theorie). Durch Bildung von A=ln(lo/l) erhält man mit der Absorbanz A eine der Konzentration des Wassers direkt proportionale Größe. I0 ist die Intensität des einfallenden Laserlichts (in Abhängigkeit der Wellenlänge), I jene des transmittierten Lichts, ebenfalls in Abhängigkeit der Wellenlänge. io Die Intensität l0, die Basislinie gewissermaßen, lässt sich ermitteln, indem die Laserintensität in Abhängigkeit der Wellenlänge ohne absorbierendes Wasser im Strahlengang gemessen wird. Es ist auch möglich, diese rechnerisch zu ermitteln. In Fig. 2 ist das prinzipielle Schema der Datenauswertung dargestellt. Im ersten Teilbild ist eine Stromrampe dargestellt, mit welcher der VCSEL betrieben wird. Das zweite Teilbild zeigt das entsprechende Detektorsignal. Sobald ein is gewisser Schwellstrom erreicht ist, steigt die Laserausgangsleistung in erster Näherung linear an. Gleichzeitig ändert sich die Wellenlänge, ebenfalls annähernd linear. Befindet sich nun ein absorbierendes Molekül (z.B. Wasser) im Strahlengang, so kommt es bei der richtigen Wellenlänge zur Signalschwächung. Das ist durch die Einbuchtung der Kurve im dritten Teilbild veranschaulicht. Das Teilbild rechts schließlich zeigt die Absorbanz, berechnet aus 20 ln(Ausgangsintensität/Transmittierte Intensität) als Funktion der Wellenlänge. Die Absorbanz ist der Konzentration des absorbierenden Moleküls direkt proportional.

Die gemessene Absorbanz hängt von der Temperatur ab. Für eine konstant gehaltene Konzentration des absorbierenden Wassers lässt sich daher aus dem Wert der Absorbanz die Tempera-25 tur des Wassers in-situ ermitteln. In Fig. 4 sieht man ein eine Auftragung der Absorbanz (normiert) des Meßsignals für Wasser mit einem Partialdruck 5 bar bei einem Gesamtdruck von 50 bar über eine Weglänge von 1 cm in Abhängigkeit der Temperatur für zwei Absorptionslinien (1.92 und 2.02 pm). Der untersuchte Bereich erstreckt sich von 300 K bis 1500 K. 30 Man erkennt, dass bei der einen Wellenlänge (1.92 pm) die Signalstärke mit der Temperatur abfällt, bei der anderen (2.02 pm) jedoch zunimmt. Eine theoretische Erklärung für diese Beobachtung lässt sich über die Boltzmannverteilung und die Energie des Grundzustands des jeweiligen Übergangs liefern. Niveaus, deren Energie hoch liegt, sind erst bei höherer Temperatur ausreichend besetzt, dass Absorption von ihnen ausgehend beobachtet werden kann. 35

Das vorgestellte Verfahren erlaubt es, die Temperatur des absorbierenden Wassers durch Vergleich der Signalstärke bei zwei Linien zu bestimmen. Vorteilhafterweise ist eine der Linien bei tiefer Temperatur stark, während die andere bei hoher Temperatur ausgeprägter in Erscheinung tritt. Das geschieht vorteilhaft durch Auswertung des Quotienten der Absorbanzen bei 40 zwei Absorptionslinien. Eine hiervon sollte bei höherer Temperatur, die andere bei tieferer Temperatur stark sein.

Ist es nicht möglich, mit einem VCSEL dessen Emissionsfrequenz so weit durchzustimmen, dass zwei geeignete Linien vermessen werden können, lässt sich Multiplexing anwenden. In 45 einer vorteilhaften Ausführung kommt Time Division Multiplexing zum Einsatz. Das bedeutet, dass zwei VCSEL eingesetzt werden, von denen jeder eine der beiden Linien vermisst. Die Laserstrahlen laufen parallel und treffen auf denselben Detektor. Die Laser werden nun alternierend angesteuert, wodurch eine quasi-simultane Messung möglich ist. Multiplexing ist aber nicht nur auf Temperaturmessungen beschränkt. Auch zur Konzentrationsmessung kann dieses so Prinzip angewandt werden.

In Fig. 5 und 6 sieht man ein Absorptionsspektrum von Wasser bei einem Druck von 50 bar. Es wurde für 10% Wasser (Volumsprozent) auf einer Wegstrecke von 1 cm erhalten. Die Temperaturen betrugen 300 K und 1200 K. 55 6 AT 500 543 B1

Man sieht, dass im Bereich von 1.80 bis 2.05 pm (Fig. 5) und 2.40 - 2.50 μιη (Fig. 6) geeignete Linien, bestehend aus Einzellinien und durch Druckverbreiterung entstandene Linienkombinationen, vorliegen. Im Bereich von etwa 1.95 - 2.05 pm und 2.45 - 2.5 pm existieren „Hochtemperaturlinien“. Hierunter sind Absorptionslinien zu verstehen, welche erst bei erhöhter Temperatur 5 ein starkes Signal hervorrufen. Der Vorteil bei Verwendung dieser Wellenlängen liegt darin, dass bei Messungen bei hohen Temperaturen im Raum außerhalb des heißen Messvolumens keine Absorption auftritt. Hierdurch ist es nicht nötig, etwa den Bereich um Laser und Detektor mit trockenem Stickstoff zu spülen oder auf sonstige Korrekturen, etwa rechnerischer Art, zurückgreifen zu müssen. 10

Sind Temperatur und Konzentration des Wassers bekannt, lassen sich sowohl der herrschende Gesamtdruck als auch der Partialdruck des Wassers bestimmen. Durch das rasche Messverfahren sind Druckschwankungen viel besser (d.h. rascher, bessere Zeitauflösung) messbar als mit konventionellen Manometern. Fig. 7 zeigt Spektren von Wasser bei verschiedenem Druck. 15 Man sieht, dass bei höherem Druck einzelne Linien zu einer breiten Peakform zusammenfließen. Konventionelle Diodenlaser lassen sich nicht vollständig über derart breite Formationen durchstimmen. Das hier vorgestellte Verfahren ist dazu in der Lage. Selbstverständlich eignet sich das hier offengelegte Verfahren auch, um in einem Zweistrahlexperiment verwendet zu werden. Hierzu wird, wie bekannt ist, der Ausgangsstrahl geteilt; Einer der beiden Teilstrahlen 20 passiert das Messvolumen und erfährt hier spezifische Absorption, der andere, Referenzstrahl genannt, wird hieran vorbeigeführt. Der Referenzstrahl kann in Analogie zu vorher mit l0, der Messstrahl mit I bezeichnet werden.

Es ist nicht zwingend notwendig, dass der das Messvolumen passierende und der Referenz-25 strahl gleich groß sind. Zwei Detektoren nehmen die Signale auf. Der Referenzstrahl dient dazu, eine Basislinie zur Berechnung der Absorption zu erhalten. Die Kombination mit einer Auto Balancing Technik, etwa nach Hobbs, erlaubt eine signifikante Rauschunterdrückung, wenn der Quotient von lo/l vor der Signalverstärkung der Einzelsignale I und l0 gebildet wird. Werden beide Signale erst verstärkt und dann dividiert und logarithmiert, enthalten diese unkorreliertes 30 Rauschen.

Ferner eignet sich das hier dargelegte Verfahren, mit einer der gängigen und der einschlägigen Literatur bekannten Modulationstechniken kombiniert zu werden. Wellenlängenmodulation bzw. Frequenzmodulation ermöglichen eine verbesserte Detektionsgrenze, verglichen mit einfacher 35 Absorption.

Auch die Verwendung in Cavity Ring Down Aufbauten wurde erfolgreich getestet und eignet sich sehr gut in Kombination mit dem Verfahren. 40 Letztlich ist es möglich und vorteilhaft, das hier dargestellte Verfahren mit Cavity Ring Down Spektroskopie und einer Modulationstechnik gleichzeitig zu verwenden. Es wird herausgestrichen, dass sich hierdurch besonders gute Nachweisgrenzen erzielen lassen.

Das Verfahren eignet sich zum Einbau in Sensoren und Meßsystemen zur Wasserdampf- und 45 Luftfeuchtigkeitsmessung.

Es gibt messtechnische Anwendungen, in denen vorhandenes Wasser Absorptionssignale anderer Gase teilweise überlagert und so deren Quantifizierung erschwert. so Ist der Gehalt des interferierenden Wassers in der Luft jedoch bekannt, kann die Konzentration des eigentlichen Analyten hierum berichtigt werden.

Das Verfahren eignet sich daher auch dann zur Messung von Wasser, wenn dessen Konzentration nur mittelbar festgestellt werden soll, um auf die Konzentration anderer Spezies zu schließen. 55

Claims (23)

1. 7 AT 500 543 B1 Speziell bei Verwendung des beschriebenen Verfahrens in Sensoren und Meßsystemen bietet sich die Faserkopplung an. Die optischen Fasern ermöglichen eine einfachere Handhabung eines nach dem Verfahren aufgebauten Systems bei Feldmessungen. Die Fasern können beispielsweise aus Quarz gefertigt sein. 5 Die Vorteile des hier vorgestellten Verfahrens lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die sehr rasche Durchstimmfähigkeit erlaubt schnelle Messungen bzw. hohe Zeitauflösung. Die sehr weite Durchstimmbarkeit gestattet auch die Untersuchung bei hohen Drücken, io Der Aufbau und die Auswertung sind einfach. Die Temperaturkontrolle ist nicht so wichtig wie bei konventionellen Messsystemen mit Diodenlasern. Das Verfahren ist kostengünstig. 15 Patentansprüche: 1. Verfahren zur Laser-Absorptionsspektroskopie von Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß die spektroskopische Messung in einem Wellenlängenbereich von 1,8 pm bis 2,5 pm und 20 mittels zumindest eines oberflächenemittierenden Diodenlasers (VCSEL) durchgeführt wird.
2. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Detektion von gasförmigem Wasser eingesetzt wird. 25
3. 3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die VCSEL durch eine mittels ohmschem Widerstand begrenzte Spannungsrampe durchgestimmt wird/werden.
4. 4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsrampe eine Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 20 MHz hat.
5. 5. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungskurve in Form eines symmetrischen oder asymmetrischen Dreieckes, einer Sinuskurve oder einer 35 Stufe angelegt wird.
6. 6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorwiderstand von etwa 2000 Ohm in Serie mit dem VCSEL geschaltet wird.
7. 7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der spektroskopischen Messung direkt oder indirekt eine oder mehrere der folgenden Meßgrößen bestimmt wird/werden: - Konzentration des zu detektierenden Gases - Partialdruck des zu detektierenden Gases
8. 45 - Temperatur des Meßmediums - Druck des Meßmediums.
9. 8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorption des zu detek tierenden Gases bei zwei ausgewählten Wellenlängen gemessen wird und aus dem Verso hältnis der Absorption bei den verschiedenen Wellenlängen die Temperatur bzw. verschie dene Temperaturen des Gases ermittelt wird/werden.
10. 9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß aus der ermittelten Meßgröße des zu detektierenden Gases, bevorzugt aus der Konzentration, eine 55 oder mehrere Meßgrößen anderer im Meßmedium befindlicher Spezies, insbesondere 8 AT 500 543 B1 deren Konzentration ermittelt wird/werden.
11. 10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur spektroskopischen Messung eine Einstrahltechnik verwendet wird. 5
12. 11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur spektroskopischen Messung eine Zweistrahltechnik verwendet wird.
13. 12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß io die spektroskopische Messung mit Hilfe einer Modulationstechnik, z.B. einer Frequenzmo dulation oder einer Wellenlängenmodulation durchgeführt wird.
14. 13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spektroskopische Messung mit einer Wiederholrate von mehr als 1 MHz, bevorzugt bis 15 zu 20 MHz durchgeführt wird.
15. 14. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spektroskopische Messung bei einem Druck von < 1 mbar bis zu 300 bar durchgeführt wird. 20
16. 15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die spektroskopische Messung bei einem Druck von mehr als 1 bar durchgeführt wird.
17. 16. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 25 die spektroskopische Messung bei einer Temperatur im Bereich von 300 K bis 2500 K, be vorzugt bis 1500 K durchgeführt wird.
18. 17. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine optische Faser zur Strahlführung verwendet wird. 30
19. 18. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur spektroskopischen Messung eine Multiplexing-Methode, bevorzugt Time-Division-Multiplexing angewendet wird.
20. 19. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spektroskopische Messung in einem Cavity-Ringdown-Aufbau durchgeführt wird.
21. 20. Verfahren gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die spektroskopische Messung in einem Cavity-Ringdown-Aufbau in Kombination mit einer Modulationstechnik 40 durchgeführt wird.
22. 21. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spektroskopische Messung mittels mehrerer oberflächenemittierender Diodenlaser (VCSEL) durchgeführt wird. 45
23. 22. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit der spektroskopischen Messung gleichzeitig mehrere verschiedene Moleküle und/oder Atome detektiert werden. so 23. Verfahren gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß mit der spektroskopischen Messung gleichzeitig Wasser und zumindest ein anderes Molekül und/oder Atom detektiert werden. 55 Hiezu 4 Blatt Zeichnungen