Aerodyne痕量温室气体检测仪

撰稿人:佚名 日期:2018-09-03 点击次数:323

Aerodyne测量原理及优势
Aerodyne痕量温室气体&同位素气体监测仪使用可调谐红外激光直接吸收光谱(TILDAS),在中红红外波长段,来探测分子最显著的指纹跃迁频率。采用像散型多光程吸收池技术(获得专利)——其光路可达76m甚至更长,进一步提高了灵敏度。直接吸收光谱法,可以实现痕量气体浓度的快速测量(<1s),而且不需要复杂的校准步骤。此外,采用TILDAS技术,可不受其他分子的干扰,能够得到非常精准的检测。


图1 Aerodyne气体监测仪工作原理图
 
   • 快速响应时间,可达10HZ,可同时用于涡度测量
   • 高灵敏度,检测线低,ppt级
   • 连续气流不间断监测,光谱no gap
   • 具备双激光器,可多种分子同时测量
   • 采样系统灵活多样,具备复杂程序的门阀控制能力,实现自动化背景校准,可同时用于涡度测量、自动箱测量
    (可配备颗粒分离装置和活性钝化装置)
   • 气流平滑切换技术,扩展测量适用范围,减小样品消耗(约12ml),消除长期测量时产生的漂移
   • 无需标定气体,亦可得到绝对气体浓度
   • 可实现远程无人值守的野外测量
  
双激光配置优势
Aerodyne有着独一无二的双激光技术,在一台紧凑的设备内装有两个激光器,同时测量多种分子组合(多达6种甚至更多),有效减小多台仪器测量时形成的系统误差。N2O测量研究中,国内科学家报告指出systematic errors平均为-18%。
图2 Aerodyne双激光气体监测仪内部光路图                                            图3 像散型多程吸收池二维平面图

采用像散型多程吸收池,实现激光可控通道数大于200个,有效测量光程高达400m,有效提高气体分子的测量精度。
图4 Dual laser 双激光主机

双激光配置,可同时测量多气体分子组合,满足各种实验测量需求。
如:
- CO2, 13C-CO2, 18O-CO2, 17O-CO2
- Clumped CO2 isotope monitor
- N2O, CH4, CO2, CO, COS and H2O
- N2O, CO, NH3, CO2, O3 and H2O
- NO, NO2, NH3 and H2O

通量塔(Flux)测量优势
涡度协方差测量技术以及梯度廓线观测技术,是测定生态系统植被-大气界面和土壤-大气界面的温室气体及其稳定同位素等通量的主要原位连续观测技术。两种技术进气口的安装,通常安装于通量塔上。Aerodyne在高测量频率和进气口自动切换等方面,有着独有的优势和专利技术。

   • 快速响应时间,可高达10HZ,用于涡度协方差测量;并可在1-10HZ之间自由选择。
   • 进气口颗粒分离装置---专利技术
   • 特殊的加热管线,减小水分子凝结
   • 热电制冷技术,保证激光器所需要的低温
   • 高灵敏度,检测线PPT级
   • 连续气流不间断监测,整个数据光谱no gap
   • 灵活的采样系统,实现管线之间的自动切换,与校准气配合,消除漂移
   • 总控设计,远程控制,适应于野外长期无人值守的测量

图5 Aerodyne在全球通量塔上的安装应用


自动箱(Chamber)测量优势
自动箱观测技术,是测量生态系统等气体交换的常用方法之一。它采用自动闭合的箱体置于研究对象上,一段时间内其内部气体(N2O、CH4、CO2等)浓度的增加或减小的速率,来计算气体的交换通量。而对于痕量气体交换,Aerodyne给出了让人满意的解决方案。

图6 自动箱测量N2O小通量                                                   图7 多通道采样系统(涡度跟自动箱切换)
 
   • 小通量测量(small flux)
        流速采用1slpm,不会对土壤排放造成压力
        图6中以N2O测量为例,可监测到3.4ppt/sec上升率的排放
        相当于可检测到0.08nmol/m2/s的通量值
   • 多通道管路采样系统,多达16个自动箱,并可在自动箱管路跟涡度测量管路之间自动切换(自动切换采样频率)
   • 特殊管路设计,减小管路中气体压力,避免冷凝水的形成及样品气体的损耗
   • 自动箱具有压力平衡装置,并可通过计算补偿箱体开合时目标气体的损失值
 
粘性气体分子(NH3、HONO等)测量优势
氮排放是环境变化的主要驱动力。氮氧化物是光化学烟雾反应的起始反应物,是环境污染的主要物质。但是,由于一些含N气体,如NH3和HONO等,化学性质活跃,粘性非常大,易于附着在器壁或固体颗粒上,且其易于在气相和颗粒相之间相互转化,这些特性造成了其测量的困难性。许多重要研究机构,都发表了关于NH3等粘性含氮气体分子测量的难度。

图8 NH3测量研究的相关文献
 
   • NH3粘附在器壁表面,稍后才会被释放,甚至不被释放。
        器壁表面的颗粒物会释放NH3
        NH3会吸附在颗粒物上
        因此,我们在测量NH3等粘性分子时,具有非常大的挑战性,需要非常特别的设计:取样材质、流速设置、水汽
          处理、颗粒物处理等等。 
   • HONO作为跟NH3相似化学性质的粘性气体分子,在光解氧化和空气污染方面扮演者重要角色。
        HONO是OH自由基的强力光解源
        涉及土壤和大气多圈层间的相互作用,具有很强的学科交叉特点,开启了全球氮循环研究的新视野

图9 HONO测量相关文献

Aerodyne在诸如NH3、HONO等粘性分子测量方面,有着独特的优势:
   • 测量精度为ppt级
粘性分子 1S 100S
NH3 50ppt 10ppt
HONO 210 ppt   
75ppt
   • 活性钝化系统(Aerodyne Active Passivation system),提高粘性分子的响应时间,且对高频10HZ测量有着很小
     的损失量(如图10)
   • 惰性颗粒分离装置(Aerodyne Inertial Inlet),有效减小颗粒对粘性分子的影响,保证进样口及内部镜片的整洁
   • 特殊渗透管路(permeation tube),减小管路壁的黏着,并有效减小管路中的水凝结及压力
   • 针对全自动动态箱测量,采用特殊telflon材料,具备critical orifice装置,多通路同时进气,并采取气压式控制方
     式,降低能耗。
   • 采用全新中红外光谱范围,可以测量更多分子,并保证精度,如NH3、O3和CO2;HONO、N2O可在一个激光下测
     得,如果采用双激光,可测量更多的气体分子。
   • 与普通气体分子具备一致的快速响应时间(10HZ)
   • 适配于涡度协方差测量和全自动箱自动测量,并可通过独特采样系统实现自由切换

图10 采用活性钝化系统后,                                                                                图11 活性钝化系统
NH3测量的时间常数和高频通量变化                                                                                                 
(时间常数更快,高频通量损失修正更少)                                                                   
                     


图12 HONO和NH3测量:时间响应
 
Aerodyne不同测量模式
Aerodyne由于其坚固、独特的固定方式以及螺纹设计,使其具备了在移动平台(车载、航测(飞艇)、船测)上连续稳定测量的优势。并已经有着大量应用,且发表论文。如:

Evaluation of the airborne quantum cascade laser spectrometer (QCLS) measurements of the carbon and greenhouse gas suite – CO2, CH4, N2O, and CO – during the CalNex and HIPPO campaigns, G. W. Santoni, B. C. Daube, E. A. Kort, R. Jiménez, S. Park, J. V. Pittman, E. Gottlieb, B. Xiang, M. S. Zahniser, D. D. Nelson, J. B. McManus, J. Peischl, T. B. Ryerson, J. S. Holloway, A. E. Andrews, C. Sweeney, B. Hall, E. J. Hintsa, F. L. Moore, J. W. Elkins, D. F. Hurst, B. B. Stephens, J. Bent, and S. C. Wofsy, Atmos. Meas. Tech., 7, 1509-1526, 2014.

Comparison of emissions from on-road sources using a mobile laboratory under various driving and operational sampling modes, M. Zavala, S. C. Herndon, E. C. Wood, J. T. Jayne, D. D. Nelson, A. M. Trimborn, E. Dunlea, W. B. Knighton, A. Mendoza, D. T. Allen, C. E. Kolb, M. J. Molina, and L. T. Molina, Atmos. Chem. Phys., 9, 1-14, 2009.

ACRP Report 7: Aircraft and Airport-Related Hazardous Air Pollutants: Research Needs and Analysis, E. Wood, S. Herndon, R. C. Miake-Lye, D. Nelson, M. Seeley,  65p. (2008).  Airport Cooperative Research Program, Transportation Research Board, Washington, DC

Real-time measurements of SO2 H2CO, and CH4 emissions from in-use curbside passenger buses in New York City  using a chase vehicle, S.C. Herndon, J.H. Shorter, M.S. Zahniser, J. Wormhoudt, D.D. Nelson, K.L. Demerjian, C.E. Kolb, Environ. Sci. Technol. 39, 7984-7990, 2005.

Real-time measurements of nitrogen oxide emissions from in-use New York City transit buses using a chase vehicle, J.H. Shorter, S. Herndon, M.S. Zahniser, D.D. Nelson, J. Wormhoudt, K.L. Demerjian, C.E. Kolb, Environ. Sci. Technol. 39, 7991-8000, 2005.

NO and NO2 Emission Ratios Measured from In-Use Commercial Aircraft during Taxi and Takeoff, S.C. Herndon, J.H. Shorter, M.S. Zahniser, D.D. Nelson, J.T. Jayne, R.C. Brown, R.C. Miake-Lye, I. Waitz, P. Silva, T. Lanni, K. Demerjian, C.E. Kolb, Environ. Sci. Technol., 38, 6078-6084, 2004.

Cross road and mobile tunable infrared laser measurements of nitrous oxide emissions from motor vehicles, J.L. Jimenez, J.B. McManus, J.H. Shorter, D.D. Nelson, M.S. Zahniser, M. Koplow, G.J. McRae, and C.E. Kolb, Chemosphere - Global Change Science, 2, 397-412 (1999).



图13 Aerodyne在全球移动测量应用