Detection of CO and CO2 concentrati

Detection of CO and CO2 concentrations has been accomplished by various techniques, most of which are based on tunable diode laser spectroscopy, abbreviated TDLAS [4,6–13]. Quasi-simultaneous multispecies monitoring can be accomplished with the fast laser wavelength scanning technique [9,14–16]. In the very recent work by Spearrin et al. [16] two mid-infrared quantum cascade lasers were used for simultaneous monitoring of CO and CO2 in a scramjet combustor. For temperature measurement with this method one of the lasers is scanned through two lines of CO with different energies of the lower levels of the corresponding transitions. The sensitivity of 1000 ppm CO for temperature and concentration measurements was demonstrated. The use of two line method for temperature evaluation limits the dynamic range of these measurements and the scanning requirements results in time resolution of 10 ms. An alternative approach is based on spectroscopy employing broadband light sources such as super-luminescent light-emitting diodes [17,18], multimode absorption spectroscopy, MUMAS [4], or intracavity laser absorption spectroscopy (ICLAS) [19–22] and its fiber laser-based version FLICAS [23,24]. Thomson et al. [4] used MUMAS for simultaneous detectionof CO and CO2. In spite of broadband multimode laser source used in MUMAS, it demands scanning of the cavity length that affectsthe temporal resolution. A multipass cell used to improve the sensitivity allowed maximal optical length of 10 m. Sensitivity of about 1500 ppm was demonstrated for CO at room temperature.
ICLAS and FLICAS allow truly simultaneous measurement of multiple spectral features with very high sensitivity. The spectral range of FLICAS for a erbium-doped fiber extends from 6200 to 6550 cm−1 and includes the spectra of several molecules playing key roles in combustion and combustion-related pollutant formation and abatement: CO2, CO, H2O, H2S, C2H2, HCN and OH[23,24]. Near-IR spectral range includes lines from overtone and combination transitions, which have relatively low intensity. On the other hand, these transitions often overlap, allowing for simultaneous monitoring of several species in one spectrum. Additional advantage of the ∼1.5 m spectral range used in this work is the availability of relatively low cost equipment (optics, ccd) developed for telecom applications.
The intensity of absorption spectra varies strongly with temperature due to the temperature dependence of each molecule’s Boltzmann factor and partition function. Therefore, even retrieving relative concentrations from the observed absorption spectra requires a very accurate temperature measurement. Ideally, we use a non-intrusive method to determine the temperature from the same spectral information used for species concentration measurements.
The FLICAS method observes a relatively large section of the rovibrational spectrum, which makes it possible to measure both temperature and concentration simultaneously. An additional advantage of FLICAS is that it is insensitive to broadband losses,making it possible to work directly in harsh environments with strong broadband absorption or light scattering due to soot or other aerosol particles [22,25,26].
In our previous work [24] sensitivity of 25 ppm for CO at room temperature was demonstrated, as well as the ability to observe spectra of various stable molecules and radicals. In the present work, we report an application of FLICAS to measure concentrations of CO, CO2, CH4 separately and in their mixture at temperature range from 296 to 1200 K, where in each case the temperature was extracted from the measured spectra of these molecules. The experiments were performed using a flow cell in a tubular oven,permitting us to create conditions with well-defined temperatures and concentrations. The goal of these experiments is to evaluate the feasibility and accuracy of FLICAS measurements for simultaneous temperature and concentration evaluation.

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

การตรวจสอบความเข้มข้นของ CO และ CO2 ได้รับความสำเร็จโดยใช้เทคนิคต่าง ๆ ซึ่งส่วนใหญ่จะขึ้นอยู่กับสเปคโทรพริ้งไดโอดเลเซอร์ย่อ TDLAS [4,6-13] หลายชนิดกึ่งพร้อมกันการตรวจสอบสามารถทำได้ด้วยเลเซอร์ความยาวคลื่นเทคนิคการสแกนอย่างรวดเร็ว [9,14-16] ในการทำงานที่ผ่านมามากโดย Spearrin et al, [16] สองเลเซอร์น้ำตกควอนตัมกลางอินฟราเรดถูกนำมาใช้สำหรับการตรวจสอบพร้อมกันของ CO และ CO2 ในเตาเผา scramjet สำหรับการวัดอุณหภูมิด้วยวิธีนี้อย่างใดอย่างหนึ่งของเลเซอร์สแกนผ่านสองเส้นร่วมกับพลังงานที่แตกต่างของระดับที่ต่ำกว่าของการเปลี่ยนที่สอดคล้องกัน ความไวของ 1,000 ppm CO อุณหภูมิและการวัดความเข้มข้นได้แสดงให้เห็น การใช้วิธีเส้นสองสำหรับการประเมินผลของอุณหภูมิ จำกัด ช่วงแบบไดนามิกของการวัดเหล่านี้และผลการสแกนความต้องการในความละเอียดเวลา 10 มิลลิวินาที วิธีทางเลือกจะขึ้นอยู่กับสเปคโทรจ้างแหล่งกำเนิดแสงความเร็วสูงเช่นซุปเปอร์เรืองแสงไดโอดเปล่งแสง [17,18], สเปกโทรสโกดูดซึมมัลติ MUMAS [4] หรือ intracavity สเปกโทรสโกดูดซึมเลเซอร์ (ICLAS) [19-22] และมัน ใยแก้วนำแสงเลเซอร์รุ่น FLICAS [23,24] ทอมสันและอัล [4] ใช้ MUMAS สำหรับ CO detectionof พร้อมกันและ CO2 ทั้งๆที่มีแหล่งที่มาของเลเซอร์มัลติบรอดแบนด์ที่ใช้ในการ MUMAS ก็เรียกร้องการสแกนของความยาวช่องที่ affectsthe ขมับมติ กันหลายเซลล์ที่ใช้ในการปรับปรุงความไวแสงได้รับอนุญาตให้มีความยาวสูงสุด 10 เมตร ความไวของประมาณ 1500 ppm ก็แสดงให้เห็นสำหรับ CO ที่อุณหภูมิห้อง.
ICLAS FLICAS และช่วยให้การวัดพร้อมกันอย่างแท้จริงของสเปกตรัมหลายคุณสมบัติที่มีความไวสูงมาก ช่วงสเปกตรัมของ FLICAS สำหรับเส้นใย erbium เจือขยาย 6200-6550-1 ซม. และมีสเปกตรัมของโมเลกุลหลายเล่นบทบาทสำคัญในการเผาไหม้และการก่อมลพิษที่เกี่ยวข้องกับการเผาไหม้และการลด: CO2, CO, H2O, H2S, C2H2, HCN และโอไฮโอ [23,24] ใกล้-IR ช่วงสเปกตรัมรวมถึงการเปลี่ยนจากสายรองและการรวมกันที่มีความรุนแรงค่อนข้างต่ำ ในทางกลับกันการเปลี่ยนเหล่านี้มักจะซ้อนทับกันเพื่อให้สามารถตรวจสอบพร้อมกันของหลายสายพันธุ์ในคลื่นความถี่ ประโยชน์เพิ่มเติม ~1.5? เมตรช่วงสเปกตรัมที่ใช้ในงานนี้เป็นความพร้อมของอุปกรณ์ค่าใช้จ่ายที่ค่อนข้างต่ำ (เลนส์ CCD) การพัฒนาสำหรับการใช้งานด้านโทรคมนาคม.
ความเข้มของสเปกตรัมการดูดซึมที่แตกต่างกันอย่างมากกับอุณหภูมิเนื่องจากขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของโมเลกุลของแต่ละ Boltzmann ปัจจัยและฟังก์ชั่นพาร์ทิชัน ดังนั้นแม้การเรียกความเข้มข้นญาติจากสเปกตรัมการดูดซึมสังเกตต้องมีการวัดอุณหภูมิที่ถูกต้องมาก จะเป็นการดีที่เราจะใช้วิธีการที่ไม่ล่วงล้ำเพื่อตรวจสอบอุณหภูมิจากข้อมูลสเปกตรัมเดียวกับที่ใช้สำหรับการขยายพันธุ์การวัดความเข้มข้น.
FLICAS วิธีสังเกตส่วนที่ค่อนข้างใหญ่ของคลื่นความถี่ rovibrational ซึ่งจะทำให้มันเป็นไปได้ในการวัดอุณหภูมิและความเข้มข้นพร้อมกัน ประโยชน์เพิ่มเติมของ FLICAS คือว่ามันเป็นความรู้สึกที่ความสูญเสียความเร็วสูงทำให้มันเป็นไปได้ในการทำงานโดยตรงในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงกับการดูดซึมที่แข็งแกร่งหรือบรอดแบนด์กระเจิงแสงเนื่องจากเขม่าหรืออนุภาคละอองอื่น ๆ [22,25,26].
ในการทำงานของเราก่อนหน้านี้ [ 24] ความไวของ 25 ppm สำหรับ CO ที่อุณหภูมิห้องได้แสดงให้เห็นเช่นเดียวกับความสามารถในการสังเกตสเปกตรัมของโมเลกุลที่มีเสถียรภาพต่างๆและอนุมูล ในการทำงานปัจจุบันที่เรารายงานการประยุกต์ใช้ในการวัด FLICAS ความเข้มข้นของ CO, CO2, CH4 แยกจากกันและในส่วนผสมของพวกเขาในช่วงอุณหภูมิ 296-1200 K ซึ่งในแต่ละกรณีอุณหภูมิที่ถูกดึงออกมาจากวัดสเปกตรัมของโมเลกุลเหล่านี้ ทดลองดำเนินการโดยใช้เซลล์ไหลในเตาอบท่ออนุญาตให้เราในการสร้างเงื่อนไขที่มีอุณหภูมิที่ดีที่กำหนดและความเข้มข้น เป้าหมายของการทดลองนี้คือการประเมินความเป็นไปได้และความถูกต้องของการวัด FLICAS อุณหภูมิพร้อมกันและการประเมินผลความเข้มข้น

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

การตรวจหาปริมาณ CO และ CO2 ได้สำเร็จได้ด้วยเทคนิคต่างๆ ซึ่งส่วนใหญ่จะขึ้นอยู่กับวงจรไดโอดเลเซอร์ spectroscopy ย่อ tdlas [ 6 – 13 ] กึ่ง multispecies ติดตามพร้อมกันได้ด้วยเลเซอร์ได้อย่างรวดเร็วสแกนเทคนิค 9,14 –ความยาวคลื่น [ 16 ] ในล่าสุดมากทำงานโดย spearrin et al .[ 16 ] สองกลางอินฟราเรดเลเซอร์ถูกใช้สำหรับการตรวจสอบปริมาณน้ำตกพร้อมกัน CO และ CO2 ในเตาเผาแบบสแครมเจ็ท . สำหรับการวัดอุณหภูมิด้วยวิธีนี้หนึ่งของเลเซอร์สแกนผ่านสองสายใน ร่วม กับ พลังที่แตกต่างกันของระดับที่ต่ำกว่าของการเปลี่ยนแปลงที่สอดคล้องกัน ความไวของ 1000 ppm สำหรับวัดอุณหภูมิและความเข้มข้นของ CO ) .ใช้สองเส้นวิธีการประเมินอุณหภูมิจำกัดช่วงแบบไดนามิกของการวัดเหล่านี้และความต้องการผลในการสแกนความละเอียดเวลา 10 คุณทางเลือกในวิธีการจะขึ้นอยู่กับการใช้บรอดแบนด์ต่อแหล่งแสง เช่น ซูเปอร์ 17,18 ไดโอดเปล่งแสงเรืองแสง [ ] , มัลติ absorption spectroscopy , mumas [ 4 ]หรือ intracavity เลเซอร์ absorption spectroscopy ( iclas ) [ 19 – 22 ] และเลเซอร์ไฟเบอร์ตามรุ่น flicas [ 23,24 ] ทอมสัน et al . [ 4 ] สำหรับผู้ที่ใช้ mumas พร้อมกัน CO และ CO2 ทั้งๆที่ใช้ใน mumas เลเซอร์มัลติแหล่งบรอดแบนด์ก็มีความต้องการการสแกนของโพรงความยาวที่ affectsthe การแก้ปัญหาชั่วคราวเซลล์ multipass ใช้เพื่อปรับปรุงความไวแสงสูงสุดที่อนุญาตให้ความยาวของ 10 เมตร ความไวของเกี่ยวกับ 1 , 500 ppm ) สำหรับ บริษัท ที่อุณหภูมิห้อง และให้วัด flicas
iclas พร้อมกันอย่างแท้จริงคุณสมบัติหลายสเปกตรัมมีความไวสูงมากสเปกตรัมช่วง flicas สำหรับ erbium-doped ไฟเบอร์ขยายจาก 6200 กับ 6550 cm − 1 และมีสเปกตรัมของโมเลกุลต่าง ๆมีบทบาทในการเผาไหม้และการเผาไหม้ที่เกี่ยวข้อง และการลดมลพิษ : CO2 CO , H2O , h2s c2h2 กรดไฮโดรไซยานิก , และ , โอ [ 23,24 ] ใกล้อินฟราเรดสเปกตรัม รวมถึงช่วงสาย เสียงแทรกและการเปลี่ยน ซึ่งมีความรุนแรงค่อนข้างต่ำ .บนมืออื่น ๆ , การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้มักจะทับซ้อนกันเพื่อให้สามารถตรวจสอบพร้อมกันหลายสปีชีส์ในสเปกตรัม ประโยชน์เพิ่มเติมของ∼ 1.5  M ช่วงสเปกตรัมที่ใช้ในงานนี้ คือ ความพร้อมของอุปกรณ์ต้นทุนค่อนข้างต่ำ ( เลนส์ , CCD ) ซึ่งพัฒนาขึ้นสำหรับการใช้งาน
)ความเข้มของการดูดกลืนรังสีจะแตกต่างกันอย่างมากกับอุณหภูมิเนื่องจากอุณหภูมิการพึ่งพาของโบลทซ์มันน์แฟกเตอร์เป็นโมเลกุลแต่ละฟังก์ชันพาร์ทิชัน . ดังนั้นแม้เรียกความเข้มข้นสัมพัทธ์จากอัตราการดูดกลืนรังสี ต้องมีการวัดอุณหภูมิที่ถูกต้องมาก ใจกลางเราใช้วิธีที่ไม่ล่วงล้ำเพื่อตรวจสอบอุณหภูมิจากเดิมการใช้ข้อมูลชนิดของการวัด .
วิธี flicas สังเกตส่วนที่ค่อนข้างใหญ่ของสเปกตรัม rovibrational ซึ่งทำให้มันเป็นไปได้ที่จะวัดได้ทั้งอุณหภูมิและความเข้มข้นพร้อมกัน ประโยชน์เพิ่มเติมของ flicas ก็คือว่ามันเป็นกระแสบรอดแบนด์ขาดทุนทำให้เป็นไปได้ที่จะทำงานโดยตรงในสภาพแวดล้อมที่มีการดูดซึมที่แข็งแกร่งหรือบรอดแบนด์ การกระจายแสงจากเขม่าหรืออนุภาคละอองลอย 22,25,26 [ อื่นๆ ] .
ในก่อนหน้านี้ของเราทำงาน [ 24 ] ไว 25 ppm CO ที่อุณหภูมิห้อง ) ตลอดจนความสามารถในการสังเกตสเปกตรัมที่มีโมเลกุลและอนุมูลอิสระต่าง ๆ ในงานปัจจุบันเรารายงานการ flicas เพื่อวัดความเข้มข้นของ CO , CO2 , ร่างแยกต่างหาก และในส่วนผสมของที่ช่วงอุณหภูมิ 1 , 200 K จาก 296 ในแต่ละกรณี ซึ่งมีอุณหภูมิที่ได้จากวัดสเปกตรัมของโมเลกุลเหล่านี้ ผลการทดลองการไหลของเซลล์ในเตาอบท่อ อนุญาตให้เราสร้างเงื่อนไขกับอุณหภูมิที่กำหนดและความเข้มข้น .เป้าหมายของการทดลองนี้เพื่อศึกษาความเป็นไปได้และความถูกต้องของการวัดอุณหภูมิ flicas พร้อมกันและประเมินผลความเข้มข้น