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)隊研發(fā)和設(shè)計的，它通過精準(zhǔn)的控溫、壓力補(bǔ)償和高溫測量技術(shù)，實現(xiàn)激光對氨氣（NH3）濃度高溫精準(zhǔn)測量。TDLAS-NH3激光氨氣傳感器模塊可適應(yīng)嚴(yán)酷的現(xiàn)場環(huán)境，適用于各種要求嚴(yán)格的氣體分析場合。 

主要特點

?  基于可靠的調(diào)諧激光吸收光譜

?  T90響應(yīng)時間快，達(dá)1秒

?  高溫200℃下，“熱測量”

? 高精度，低漂移

? 多次反射技術(shù)

應(yīng)用

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

?          環(huán)境監(jiān)測               ? 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、壓力和測量濃度數(shù)值。

② 以下為科研團(tuán)隊采用標(biāo)準(zhǔn)氣體所測得的前期基礎(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)行實驗，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光電探測器上，光電信號由采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和分析。

圖1  實驗測量裝置示意圖

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)。測量實驗裝置的實物圖如圖2所示。

圖2  儀器測量裝置實物圖

2.       NH3吸附性影響

為了評估NH₃吸附性對實驗的影響，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不到NH₃信號，每隔10 ℃以此遞增對多通池進(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 ℃時開始有NH₃氣體溢出，一直加熱到200 ℃左右時，NH₃氣體基本全部溢出。實驗中為了避免NH₃吸附性對測量結(jié)果的影響，我們的實驗都是在多通池加熱到180 ℃的條件下再進(jìn)行測量的。

圖3 測量NH₃濃度隨溫度的變化關(guān)系

3.       不同測量方法的比較

采用的單邊調(diào)制信號可以同時使用二次諧波檢測和直接吸收方法對待測氣體進(jìn)行探測，因此對兩種方法進(jìn)行對比分析研究是很重要的一個環(huán)節(jié)。實驗中在控制溫度180 ℃和壓強(qiáng)0.5 atm不變的情況下，對固定濃度的NH₃氣體，對測量結(jié)果進(jìn)行了比對分析。圖4給出了NH₃氣體濃度為34 ppm時，利用諧波探測方法與直接吸收方法的連續(xù)6000 s的濃度測量對比結(jié)果。由圖可看出，利用諧波探測方法測量時的一次標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.66 ppm，直接吸收方法測量時的一次標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.16 ppm，其濃度測量精度諧波探測約為直接吸收方法的2倍。諧波探測方法一定程度上消除了激光器1/f噪聲，提高了信號的信噪比，系統(tǒng)的測量精度得到了提升。

圖4 不同方法的連續(xù)監(jiān)測結(jié)果比較

4.       系統(tǒng)穩(wěn)定性與檢測極限評估

為了評估測量系統(tǒng)的長時間穩(wěn)定性，實驗中在控制溫度180 ℃和壓強(qiáng)0.5 atm不變的情況下，采用二次諧波探測方法對濃度33 ppm的NH₃標(biāo)準(zhǔn)氣體，進(jìn)行了連續(xù)1個小時的檢測，采樣時間為1 s，對測量得到的濃度數(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。可得系統(tǒng)在平均一次，采樣時間為1 s時的探測極限為0.33 ppm，從圖中可以看出，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間在200 s左右，通過平均可以提高測量精度，當(dāng)平均時間為200 s時探測極限可達(dá)到0.11 ppm。

圖5  NH₃激光分析模塊的Allan方差評估結(jié)果