TDLAS-NH3高溫激光氨氣模塊

TDLAS-NH3是基于可調(diào)諧激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy ,TDLAS）技術(shù)的高精度、低漂移激光氨氣傳感器模塊，由科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)和設(shè)計(jì)的，它通過精準(zhǔn)的控溫、壓力補(bǔ)償和高溫測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)激光對(duì)氨氣（NH3）濃度高溫精準(zhǔn)測(cè)量。TDLAS-NH3激光氨氣傳感器模塊可適應(yīng)嚴(yán)酷的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，適用于各種要求嚴(yán)格的氣體分析場(chǎng)合。 

主要特點(diǎn)

?  基于可靠的調(diào)諧激光吸收光譜

?  T90響應(yīng)時(shí)間快，達(dá)1秒

?  高溫200℃下，“熱測(cè)量”

? 高精度，低漂移

? 多次反射技術(shù)

應(yīng)用

?        尾氣排放測(cè)試            ?  SCR/SNCR           ?  農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖           

?          環(huán)境監(jiān)測(cè)               ? 科學(xué)研究               ?   更多...

一、性能指標(biāo)

注：① 儀器采用微處理器只發(fā)送吸收池溫度、壓力和測(cè)量濃度數(shù)值。

② 以下為科研團(tuán)隊(duì)采用標(biāo)準(zhǔn)氣體所測(cè)得的前期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

二、技術(shù)描述

1.       裝置

TDLAS-NH3激光氨氣模塊測(cè)量裝置如圖1所示，DFB激光輸出激光經(jīng)準(zhǔn)直器（CL）后耦合到防腐蝕多通吸收池內(nèi)，多通池外面裝有加熱板和溫度控制器，保證多通池能夠在高溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過多通池多次反射后出射的光束，經(jīng)過聚焦透鏡（Lens）后，被匯聚到InGaAs光電探測(cè)器上，光電信號(hào)由采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和分析。

圖1  實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置示意圖

TDLAS-NH3激光氨氣模塊多通池結(jié)構(gòu)緊湊，主體上裝有加熱板和溫度傳感器PT100，多通池內(nèi)溫度控制精度可達(dá)到0.1 ℃。待測(cè)氣體通過不銹鋼管，由不銹鋼鋼卡套鏈接多通池主體，進(jìn)入到多通池內(nèi)。測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)物圖如圖2所示。

圖2  儀器測(cè)量裝置實(shí)物圖

2.       NH3吸附性影響

為了評(píng)估NH₃吸附性對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，在多通池內(nèi)通入初始濃度為100 ppm的NH₃標(biāo)準(zhǔn)氣體，在常溫下基本完全吸附檢測(cè)不到NH₃信號(hào)，每隔10 ℃以此遞增對(duì)多通池進(jìn)行加溫，得到NH₃濃度隨多通池溫度的變化關(guān)系如圖3所示。由圖可以得到，在常溫下NH₃氣體基本全部吸附到多通池壁上，溫度超過140 ℃時(shí)開始有NH₃氣體溢出，一直加熱到200 ℃左右時(shí)，NH₃氣體基本全部溢出。實(shí)驗(yàn)中為了避免NH₃吸附性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，我們的實(shí)驗(yàn)都是在多通池加熱到180 ℃的條件下再進(jìn)行測(cè)量的。

圖3 測(cè)量NH₃濃度隨溫度的變化關(guān)系

3.       不同測(cè)量方法的比較

采用的單邊調(diào)制信號(hào)可以同時(shí)使用二次諧波檢測(cè)和直接吸收方法對(duì)待測(cè)氣體進(jìn)行探測(cè)，因此對(duì)兩種方法進(jìn)行對(duì)比分析研究是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)中在控制溫度180 ℃和壓強(qiáng)0.5 atm不變的情況下，對(duì)固定濃度的NH₃氣體，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)分析。圖4給出了NH₃氣體濃度為34 ppm時(shí)，利用諧波探測(cè)方法與直接吸收方法的連續(xù)6000 s的濃度測(cè)量對(duì)比結(jié)果。由圖可看出，利用諧波探測(cè)方法測(cè)量時(shí)的一次標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.66 ppm，直接吸收方法測(cè)量時(shí)的一次標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.16 ppm，其濃度測(cè)量精度諧波探測(cè)約為直接吸收方法的2倍。諧波探測(cè)方法一定程度上消除了激光器1/f噪聲，提高了信號(hào)的信噪比，系統(tǒng)的測(cè)量精度得到了提升。

圖4 不同方法的連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果比較

4.       系統(tǒng)穩(wěn)定性與檢測(cè)極限評(píng)估

為了評(píng)估測(cè)量系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)中在控制溫度180 ℃和壓強(qiáng)0.5 atm不變的情況下，采用二次諧波探測(cè)方法對(duì)濃度33 ppm的NH₃標(biāo)準(zhǔn)氣體，進(jìn)行了連續(xù)1個(gè)小時(shí)的檢測(cè)，采樣時(shí)間為1 s，對(duì)測(cè)量得到的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行Allan方差分析，得到系統(tǒng)的Allan方差分析結(jié)果如圖5所示?？傻孟到y(tǒng)在平均一次，采樣時(shí)間為1 s時(shí)的探測(cè)極限為0.33 ppm，從圖中可以看出，系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間在200 s左右，通過平均可以提高測(cè)量精度，當(dāng)平均時(shí)間為200 s時(shí)探測(cè)極限可達(dá)到0.11 ppm。

圖5  NH₃激光分析模塊的Allan方差評(píng)估結(jié)果