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

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（T_{90-10, 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

      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。

      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）

      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。 

（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。

      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（T_{90-10，10-90}< 9 秒), 高精度(±0.3 ppb, 1σ/10秒)

      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T_90-10及T_10-90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。

      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）。

      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。 

      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_

9a0b68c19c090b2793ee3270fecfcf8a.pdf (7.67 MB)