GB/T 33672-2017 大气甲烷光腔衰荡光谱观测系统

　　ICS 07 . 060 A 47

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 33672—2017

　　大气甲烷光腔衰荡光谱观测系统

　　CavityRing-DownSpectroscopysystem formeasurementofatmosphericmethane

　　2017-05-12 发布 2017-12-01 实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 33672—20 17

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本标准由中国气象局提出。

　　本标准由全国气候与气候变化标准化技术委员会大气成分观测预报预警服务分技术委员会(SAC/TC 540/SC 1)归 口 。

　　本标准起草单位：中国气象局气象探测中心、中国气象科学研究院。

　　本标准主要起草人：方双喜、梁苗、刘立新、姚波、夏玲君、王红阳、潘京京、李耕、许丽娜、陈丽曲。

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　　大气甲烷光腔衰荡光谱观测系统

　　1 范围

　　本标准规定了观测大气甲烷浓度的光腔衰荡光谱观测系统的工作原理、构成和功能、技术指标要求和安装环境要求。

　　本标准适用于大气甲烷的光腔衰荡光谱观测，也适用于观测系统的设计、加工等。

　　2 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　2.1

　　光腔衰荡光谱法 CavityRing-DownSpectroscopymethod;CRDS

　　一束单波长激光进入光腔后，光束在腔镜之间来回反射。 当切断光源后，其能量将随时间而衰减，衰减的速度与光腔自身的损耗(包括透射、散射)和腔内介质的吸收有关。 根据光能量衰减的速度定量被测组分的含量的方法。

　　2.2

　　标气 standardgas

　　以干洁空气为底气、目标物质浓度已知的混合气体。

　　注 ：改写 自 QX/ T 125—2011,定义 10 . 2 。

　　2.3

　　工作标气 workingstandardgas

　　用于对样品中 目标物质浓度进行定量测量的标气。

　　注 ：改写 自 QX/ T 125—2011,定义 10 . 8 。

　　2.4

　　目标标气 targetstandardgas

　　用于检查和评估测量系统运行状况而被当作样品进行定期和重复测量的标气。

　　注 ：改写 自 QX/ T 125—2011,定义 10 . 9 。

　　2.5

　　样气 samplegas

　　由测量系统进行测量的气体。

　　3 工作原理

　　样品采集及处理单元将空气由采样管线抽入，经温度平衡、压力控制、干燥等处理后，由空气/标气选择单元选择样气或标气进入光腔衰荡主机单元测量，相关数据保存在数据采集及处理单元内。 根据系统对空气/标气的不同响应，可以定量样品中 目标物质浓度。 目标物质含量根据式(1)确定：

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　　式中：

　　χ — 甲烷含量，单位为摩尔每摩尔(mol/mol) ;

　　D — 被测分子密度，与含量成正比，单位为每立方米(m-3 ) ;

　　D总 — 气体分子总密度，单位为每立方米(m-3 ) ;

　　NA — 阿伏伽德罗常数，6.022 136 7 × 1023 mol- 1 ;

　　P — 光腔池中的压力，单位为帕(Pa) ;

　　V — 光腔池体积，单位为立方米(m3 ) ;

　　R — 气体常数，8.314 510 Pa · m3 /(mol · K) ;

　　T — 光池中的温度，单位为开(K) ;

　　c — 光速，单位为米每秒(m/s ) ;

　　σ(υ) — 分子在激光频率 υ 的吸收横截面，单位为平方米(m2 ) ;

　　τ(υ) — 有吸收介质(甲烷)的衰荡时间，单位为秒(s) ;

　　τempty — 无吸收介质时的衰荡时间，单位为秒(s)。

　　4 系统

　　4 . 1 系统构成

　　主要包括样品采集及处理单元、空气/标气选择单元、光腔衰荡主机单元、标气单元以及数据采集及处理单元，典型系统结构参见附录 A所示，各单元主要构成如下：

　　— 样品采集及处理单元：包括进气过滤器、采样管线、采样泵、压力控制器、温度平衡设备、样气除湿设备等;

　　— 空气/标气选择单元：包括流量控制器、空气/标气选择模块(电磁阀、多口样品选择阀等);

　　— 光腔衰荡主机单元：包括光腔、激光发生器、信号接收处理模块、温度压力控制模块等;

　　— 标气单元：包括工作标气、目标标气、标气减压阀等;

　　— 数据采集及处理单元：包括具有控制及数据记录功能的终端如计算机、数据采集器等。

　　4 . 2 单元功能

　　单元功能如下：

　　— 样品采集及处理单元：采集环境大气样品，并进行温度平衡、压力控制和样品除水等;

　　— 空气/标气选择单元：用于设定和控制标气或空气样品进入主机测量;

　　— 光腔衰荡主机单元：对气体甲烷浓度进行测量;

　　— 标气单元：提供接近环境浓度的标气，作为参比因子定量样品浓度或者检验系统准确度;

　　— 数据采集处理单元：采集系统输出信号及仪器参数等相关信息，并存贮和转换运算等。

　　5 技术指标要求

　　5 . 1 总体技术指标

　　测定大气甲烷浓度范围为( 1 200 ~ 4 000) × 10- 9(摩尔分数)，5 min 平均甲烷测量精度应优于±2×10-9(摩尔分数)，系统所有管线及连接头应对甲烷无吸附或者污染。

　　5 . 2 各单元技术要求

　　5 . 2 . 1 样品采集及处理单元

　　5.2. 1 . 1 样气从室外进样口至光腔衰荡主机单元的驻留时间应不超过 5 min。

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　　5.2. 1 .2 进气过滤器应能去除粒径大于 7 μm 颗粒物，宜使用不锈钢或聚四氟乙烯过滤膜。

　　5 . 2 . 1 . 3 样气在进入空气/标气选择单元之前应经过温度平衡、压力控制。 进入光腔衰荡主机单元的空气/标气温度应大致相同，压力接近于环境压力。 除湿装置对甲烷无明显吸附或污染，宜采用不锈钢或者硬质玻璃材质，除水后样气内含水率低于 5×10-6(体积分数)，推荐经过低于-50 ℃环境除水。

　　5 . 2 . 1 . 4 采样泵应为无油泵，内部材质宜为聚四氟乙烯材质。

　　5 . 2 . 2 空气/标气选择单元

　　5 . 2 . 2 . 1 在不同管路之间切换时密封性要好，不漏气且无交叉污染，并可编程控制。

　　5.2.2.2 样气进气流量不大于 300 mL · min- 1 。

　　5 . 2 . 3 光腔衰荡主机单元

　　5 .2 .3 . 1 5 min平均甲烷测量精度应优于 ±2×10-9(摩尔分数)。

　　5 .2 .3 .2 24 h 漂移甲烷应小于 2×10-9(摩尔分数)。

　　5 . 2 . 4 标气单元

　　5 . 2 . 4 . 1 应使用 1 瓶或以上工作标气，浓度接近或者跨度基本涵盖观测地点大气甲烷浓度变化范围。

　　5 . 2 . 4 . 2 应使用 1 瓶或以上目标标气，浓度接近观测地点大气甲烷浓度。

　　5 . 2 . 4 . 3 标气内甲烷定值不确定度应优于千分之一 。

　　5.2.4.4 当标气(或目标标气)压力低于 2 MPa 时，该标气(或目标标气)应停止使用并重新标定。

　　5 . 2 . 5 数据采集单元

　　信号采集设备应保存仪器输出的各项参数信息，包括日期、时间、甲烷响应信号、空气/标气标识、样气含水率、光腔温压等。 信号采集设备采集频率应不低于仪器信号输出频率。

　　6 安装环境要求

　　6 . 1 进样口要求

　　应位于地面植被冠层顶部以上至少 10 m,较少受人为活动直接影响，且有一定的防尘、防水、防虫

　　措施。

　　6 . 2 站点周围环境要求

　　周边 50 m 范围或更大距离范围内相对开阔，气流畅通。

　　6 . 3 实验室温度要求

　　为避免环境温度波动对观测的影响，光腔衰荡光谱主机单元安装环境温度应保持相对稳定，宜保持在 25 ℃ ±3 ℃ 。

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　　附 录 A (资料性附录)典型系统结构

　　典型系统结构见图 A. 1 。

　　图 A.1 典型系统结构图

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　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 5832 . 3—2011 气体中微量水分的测定 第 3 部分：光腔衰荡光谱法 .

　　[2] QX/T 125—2011 温室气体本底观测术语.

　　[3] 中国气象局.大气成分观测业务规范(试行).北京：气象出版社，2012 .

　　[4] 中国气象局综合观测司.大气成分观测业务技术手册(第一分册：温室气体及相关微量成分).北京：气象出版社，2014 .

　　[5] GAW Report No. 213. 17th WMO/IAEA Meeting on Carbon Dioxide, Other Greenhouse Gases and Related Tracers Measurement Techniques (GGMT-2013) , 2014.