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应用基于光腔增强型激光吸收光谱技术的下一代分析仪测量NH3

日期: 2016-03-15
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J.B. Leen, G. Sornsen, R. Provencal, K. Owen, M. Gupta, D. Baer; ABB – Los Gatos Research

摘要

      基于最新的光腔增强型激光吸收技术—OA-ICOS(离轴积分腔输出光谱技术),美国能源部应用两种不同商业气体分析仪测量NH3
      分析仪#1(型号:914-0012),搭载于美国能源部在Yakima山谷Gulfstream-1研究飞机上,采用中红外量子级联激光器测量NH3。通过调节高分辨率吸收光谱的激光波长振动带近9.7um,测量NH3。在宽动态范围(0-101ppb)内获得了线性度:响应速率(1 / e)8 Hz,精度±0.09ppb(1σ,1秒)。一共执行两次飞行研究:飞行# 1,分析器在低风平稳大气条件下,采用高垂直分辨率和空间分辨率用来确定奶牛场牲畜排泄物特征。飞行# 2,分析仪在有风条件下捕获到动物粪便特征。
      分析仪# 2(型号:911-0016),采用近红外二极管激光测定空气中的氨。通过调节高分辨率吸收光谱激光波长接近1.52um的NH3结合带进行测量。线性度在宽动态范围(0-0.1ppm)内获得:响应速率(T90-10, 10-90)分别为<8秒和<9秒,精度±0.3ppb(10秒1σ)±0.8ppb(1秒1σ)。通过带水气/不带水气测量得到的两次结果,来量化仪器的精度、准度、漂移率、动态范围和水气交叉敏感度。

分析仪# 1(型号:914-0012):快速响应(8Hz),高精度(±0.09ppb,1σ/秒)

机载测量
应用基于光腔增强型激光吸收光谱技术的下一代分析仪测量NH3
      仪器搭载美国能源部飞机Gulfstream-1 (G-1),在华盛顿Yakima山谷上空对流层飞行测量可行性被证实 。在明显不同的大气条件下,两次飞行,分别对当地奶牛饲养场NH3特征执行了检测。
      第一次飞行(2012年5月24日),在低风稳定大气条件下,从630米,1200米和1820米三个海拔高度下横向穿越山谷。
      第二次飞行(2012年5月25日),在持续东北偏北风条件下,从670米和1270米两个海拔高度处测量。在大型饲养场测量到NH3混合比为低至0.75 ppb,高至100 ppb。
应用基于光腔增强型激光吸收光谱技术的下一代分析仪测量NH3
      飞行测量:WA, Yakima山谷NH3摩尔数据:(a)2012年5月24日(b)2012年5月25日,红色表示飞行测量高度。5月24日,平稳大气条件NH3羽流延伸范围广。5月25日多风的条件下NH3羽流受到极大限制。插图显示低噪声(a)和高频反应(b)
应用基于光腔增强型激光吸收光谱技术的下一代分析仪测量NH3
      NH3 VS 高度(左图、中图):(a) 2012月5月24日(b)2012年5月25日。红圈为每个穿越高度平均± 1σNH3的浓度。NH3浓度在有风条件下要低得多(2012,5.25)。
飞行测量数据(右图):2012年5月25日(a)Yakima山谷飞行测量区域,NH3混合比(b)1820米处(c)1200米(d)630米。一股强大分离的NH3羽流在山谷饲养场上方清晰可见。(e)空气中高NH3水平与饲养场有明显关联性。 
应用基于光腔增强型激光吸收光谱技术的下一代分析仪测量NH3
(左图)线性:使用零气稀释的渗透管测量    

(右图)精度:0-078ppb,1σ1HZ,使用含18ppb NH3的压缩空气测量 

时间响应
      因氨分子的粘滞性,氨测量快速响应较困难。LGR光腔涂层的湿润表面和较大的气体流速可减轻该影响,保证仪器的快速响应速率。
应用基于光腔增强型激光吸收光谱技术的下一代分析仪测量NH3
      时间响应:两台仪器测量NH3浓度阶跃变化的响应时间,阶跃变化是由小浓度NH3压缩空气(30 psi)送回电磁阀实现的。
(a)仪器优化涡通量至30 SLPM流量。
(b)仪器优化机载测量至6 SLPM流量。

分析仪# 2(型号911-0016):快速(T90-10,10-90< 9 秒), 高精度(±0.3 ppb, 1σ/10秒)
应用基于光腔增强型激光吸收光谱技术的下一代分析仪测量NH3
      在3ppm NH3 (w/ 1.2% H2O)的带水气环境与(w/o NH3)不带水气环境间进行交换,记录HN3测量反应的时间。2.4升/分泵速下测得T90-10及T10-90时间分别为9秒和8秒。记录数据:红色为1秒/点;黑色为10秒的平均水平。
应用基于光腔增强型激光吸收光谱技术的下一代分析仪测量NH3
      自然大气背景下,已知的NH3恒定流速,测量NH3的精度。测得1σ精度为 < 0.3 ppb and < 0.1 ppb时间分别为10秒和100秒。Allan方差曲线图图示:测量结果(红点)参数(蓝色正方形)。
应用基于光腔增强型激光吸收光谱技术的下一代分析仪测量NH3
      描述NH3渗透流线性,调节与渗透炉连接的零气流速,得到一系列梯度的NH3标气。 
应用基于光腔增强型激光吸收光谱技术的下一代分析仪测量NH3
      为了监测水气浓度变化对NH3测量的影响,将一个零气流与不同量水气反复混合,没有观测到显著的变化, 这说明,NH3测量对水气浓度变化不敏感。

阅读原文:

Next-generation_analyzers_for_am monia_measurements_ased_on_
应用基于光腔增强型激光吸收光谱技术的下一代分析仪测量NH39a0b68c19c090b2793ee3270fecfcf8a.pdf (7.67 MB)


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