Water vapor correction functions for CO2 and CH4 in cavity ring-down spectroscopy
| Title: | Water vapor correction functions for CO2 and CH4 in cavity ring-down spectroscopy |
| Author(s): | Korkiakoski, Mika |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics |
| Discipline: | Meteorology |
| Language: | English |
| Acceptance year: | 2014 |
| Abstract: |
Cavity ring-down spectroscopy is a laser absorption technique based on the principle of measuring the rate of exponential decay of light intensity inside the ring-down cavity. When the absorption spectrum of a gas is known, it is possible to determine the mole fraction of this gas by measuring the height of the absorption peak, which can be acquired from the rate of decay of light. This technique is used in G1301, G2301 and G2401 (Picarro Inc.) gas analyzers which measure carbon dioxide (CO2), methane (CH4) and water vapor. However, measured gas mole fractions are diluted from their actual value; mostly due to variations in atmospheric water vapor. This effect causes large errors and it has to be corrected either by drying the sample or applying a water vapor correction. A default water vapor correction is included in Picarro gas analyzers, but it might not be accurate enough for use in some measurements.
In this study, determination of water vapor correction coefficients was carried out by doing several droplet tests for seven different gas analyzers, which included one G2401, two G1301, four G2301gas analyzers. Mean correction functions determined for the analyzers were compared to the Picarro default correction. In addition, the comparison was made with time series data for one of the analyzers. Also, the water vapor measurement of the gas analyzers was calibrated to acquire the actual water vapor mole fraction.
As a result, the factory correction for CO2 was proved sufficient for high accuracy measurements only up to 0.7 % water vapor mole fraction. For CH4, the factory coefficient was enough up to 2.0 %, which corresponds to dew point temperature of 18 °C. In conclusion, neither of factory corrections is enough for use all year round. So, the water vapor correction should be made for each gas analyzer when making high accuracy measurements. Due to cyclic drift of water vapor measurement, the correction should remain stable over time, but this needs further verification. Currently, the correction should be made at least once per year.
Ontelovaimenemisspektroskopia on absorptiomenetelmä, jossa mitataan valon intensiteetin eksponentiaalista vaimenemista useita voimakkaasti heijastavia peilejä sisältävässä ontelossa. Kun tiedetään kaasun absorptiospektri, niin pystytään määrittämään kaasun mooliosuus mittaamalla absorptiopiikin korkeutta, mikä saadaan valon intensiteetin vaimenemisnopeudesta. Tätä tekniikkaa käytetään G1301, G2301 and G2401 -kaasuanalysaattoreissa (Picarro Inc.), jotka mittaavat hiilidioksidin, metaanin ja vesihöyryn mooliosuuksia. Mittausten ongelmana on kaasujen mooliosuuksien laimeneminen, joka johtuu pääosin ilmakehän vesihöyryn määrän vaihtelusta. Tämä ilmiö aiheuttaa suuria virheitä ja se täytyy korjata joko kuivaamalla näyte ennen mittausta tai tekemällä vesihöyrykorjaus. Korjaus on sisäänrakennettu Picarron valmistamissa kaasuanalysaattoreissa, mutta tämä tehdaskorjaus ei välttämättä ole riittävä mittauksissa, joissa tarvitaan suurta tarkkuutta.
Tässä tutkielmassa vesihöyrykorjaus suoritettiin kahdelle G1301, neljälle G2301 ja yhdelle G2401-kaasuanalysaattorille tekemällä jokaiselle muutama pisarakoe. Pisarakokeista saaduista korjausfunktioista laskettiin keskiarvot eri analysaattoreille, mitä verrattiin tehdaskorjauksen arvoihin. Lisäksi vertailu tehtiin yhden kaasuanalysaattorin kohdalla myös aikasarja-analyysin avulla. Kaikille kaasuanalysaattoreille tehtiin myös vesihöyrykalibrointi, jotta saatiin selville todellinen vesihöyryn mooliosuus.
Hiilidioksidin tehdaskorjaus osoittautui riittäväksi, mikäli vesihöyryn mooliosuus on alle 0.7 %. Metaanille tehdaskorjaus oli riittävä 2.0 % mooliosuuteen asti, mikä vastaa 18 °C kastepistelämpötilaa. Kumpikaan näistä tehdaskorjauksista ei ole riittävä ympärivuotiseen mittaamiseen, joten on suositeltavaa tehdä vesihöyrykorjaus erikseen jokaiselle kaasuanalysaattorille, jotta mittauksen tarkkuus olisi mahdollisimman hyvä. Vesihöyrymittauksen ryömintä on laitetekniikasta johtuen jaksottainen, joten vesihöyrykorjauksen pitäisi pysyä stabiilina ajan kanssa, mutta tätä ei ole vielä vahvistettu. Tällä hetkellä vesihöyrykorjaus tulisi tehdä vähintään kerran vuodessa.
|
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| G_korkiakoski.pdf | 1.434Mb |
This item appears in the following Collection(s)
-
Faculty of Science [4026]