Amount of Carbon Dioxide Fraction Determination by TDLAS : Evidences for a Potential Primary Method Directly Applied in Gas Analysis
Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) is a very powerful measurement technique. Compared with other traditional methods used in gas analysis, TDLAS is very selective and fit for field measurements. This work regards its ability to perform calibration-free measurements of amount of substance fractions serving as a potential primary method of measurement directly applied (PMDA) in gas analysis. This PMDA effectively reduces the uncertainty of field measurement results being independent of relatively large traceability chains supported by e. g. primary gas mixtures. The method based on the application of the Beer-Lambert law. The measurement equation of the method considered all significant uncertainty sources and all correction factors that substantially contribute to the uncertainty budget. For the first time a GUM-compliant, transparent and complete uncertainty budget for calibration-free amount of carbon dioxide fraction measurements by TDLAS is given. The performance of the calibration-free method was proved measuring amount of carbon dioxide fractions xCO2 of gravimetrically prepared CO2 in N2 gas mixtures in the interval of 10 to 100 mmol/mol. The TDLAS based xCO2 results were compared with respective gravimetric values and exhibited no bias, i. e. within their uncertainties. To improve the TDLAS-based method a new traceable linestrength value for the R12 line of the 2 µm band of CO2 was measured. The uncertainty of this line was improved from 2 - 5 % given in HITRAN to 1.1 % (k=2). The performance of the PMDA-TDLAS method was also proved in two applications at extreme opacity conditions: the measurement of xCO2 in a commercially certified multi-component gas mixture with xCO2 = 140 mmol/mol and in CO2 measurements in room air with xCO2 = 400 µmol/mol. The TDLAS measurements for both of them also rendered unbiased measurement results when they were compared with reference values.
Diodenlaserabsorptionsspektroskopie (TDLAS) ist eine leistungsfähige Messtechnik. Verglichen mit anderen traditionellen Messverfahren der Gasanalytik besitzt TDLAS eine höhere Selektivität und ist für Feldmessungen geeignet. Diese Arbeit behandelt die Durchführbarkeit kalibrationsfreier Messungen von Stoffmengenanteilen als ein potentielles direkt angewandtes Primärverfahren (PMDA) in der Gasanalytik. Ein PMDA könnte die Unsicherheit von Feldmessungen wirksam verringern, da es unab- hängig von Rückführungsketten wäre, die auf Primärgasgemischen basieren. Das Messverfahren basiert auf der Anwendung des Beer-Lambertsches Gesetzes. Die Modellgleichung des Verfahrens betrachtet alle signifikanten Unsicherheitsquellen und Korrektionsfaktoren, die zum Unsicherheitsbudget beitragen. Erstmals wird ein GUM-kompatibles, transparentes und vollständiges Unsicherheitsbudget für kalibrationsfreie Messungen von Stoffmengenanteilen mit TDLAS angegeben. Die Performance des TDLAS-Verfahrens wurde anhand von Messungen des Stoff- mengenanteils xCO2 in gravimetrisch hergestellten Gasgemischen mit 10 bis 100 mmol/mol CO2 in N2 nachgewiesen. Dazu wurden die laserbasierten xCO2-Werte mit gravimetrisch bestimmten Messergebnissen verglichen. Die TDLAS-basierten Werte zeigten innerhalb der Unsicherheit keine Abweichung. Um das TDLAS-basierte Messverfahren zu verbessern, wurde ein neuer, rück- führbarer Wert der R12-Linienstärke in der 2-µm-Bande gemessen, dessen Unsicher- heit gegenüber der von HITRAN mit 2-5 % angegebenen auf 1,1 % (k=2) verringert wurde. Die Leistungsfähigkeit des TDLAS-Messverfahrens als PMDA wurde in zwei An- wendungen unter extremeren optischen Dichten erprobt: die Messung von xCO2 in einem kommerziellen zertifizierten Mehrkomponentengasgemisch mit xCO2 = 140 mmol/mol und in Raumluft mit xCO2 = 400 µmol/mol. Die TDLAS- Messungen lieferten für beide Anwendungen keine Abweichungen von den entsprechenden Referenzwerten.
Preview
Cite
Access Statistic
Rights
Use and reproduction:
All rights reserved