應用基于光腔增強型激光吸收光譜技術(shù)的下一代分析儀測量NH3

J.B. Leen, G. Sornsen, R. Provencal, K. Owen, M. Gupta, D. Baer; ABB – Los Gatos Research

摘要

? ? ? 基于最新的光腔增強型激光吸收技術(shù)—OA-ICOS（離軸積分腔輸出光譜技術(shù)），美國能源部應用兩種不同商業(yè)氣體分析儀測量NH₃。
? ? ? 分析儀#1（型號：914-0012），搭載于美國能源部在Yakima山谷Gulfstream-1研究飛機上，采用中紅外量子級聯(lián)激光器測量NH₃。通過(guò)調節高分辨率吸收光譜的激光波長(cháng)振動(dòng)帶近9.7um,測量NH₃。在寬動(dòng)態(tài)范圍（0-101ppb）內獲得了線(xiàn)性度:響應速率（1 / e）8 Hz，精度±0.09ppb（1σ，1秒）。一共執行兩次飛行研究：飛行# 1，分析器在低風(fēng)平穩大氣條件下，采用高垂直分辨率和空間分辨率用來(lái)確定奶牛場(chǎng)牲畜排泄物特征。飛行# 2，分析儀在有風(fēng)條件下捕獲到動(dòng)物糞便特征。
? ? ? 分析儀# 2（型號：911-0016），采用近紅外二極管激光測定空氣中的氨。通過(guò)調節高分辨率吸收光譜激光波長(cháng)接近1.52um的NH₃結合帶進(jìn)行測量。線(xiàn)性度在寬動(dòng)態(tài)范圍（0-0.1ppm）內獲得：響應速率（T_{90-10, 10-90}）分別為＜8秒和＜9秒，精度±0.3ppb（10秒1σ）±0.8ppb（1秒1σ）。通過(guò)帶水氣/不帶水氣測量得到的兩次結果，來(lái)量化儀器的精度、準度、漂移率、動(dòng)態(tài)范圍和水氣交叉敏感度。

分析儀# 1（型號：914-0012）：快速響應（8Hz），高精度（±0.09ppb，1σ/秒）

機載測量

? ? ? 儀器搭載美國能源部飛機Gulfstream-1 (G-1)，在華盛頓Yakima山谷上空對流層飛行測量可行性被證實(shí) 。在明顯不同的大氣條件下，兩次飛行，分別對當地奶牛飼養場(chǎng)NH₃特征執行了檢測。
? ? ? 第一次飛行（2012年5月24日），在低風(fēng)穩定大氣條件下，從630米，1200米和1820米三個(gè)海拔高度下橫向穿越山谷。
? ? ? 第二次飛行（2012年5月25日），在持續東北偏北風(fēng)條件下，從670米和1270米兩個(gè)海拔高度處測量。在大型飼養場(chǎng)測量到NH3混合比為低至0.75 ppb，高至100 ppb。

? ? ? 飛行測量：WA, Yakima山谷NH₃摩爾數據：(a)2012年5月24日（b）2012年5月25日，紅色表示飛行測量高度。5月24日，平穩大氣條件NH₃羽流延伸范圍廣。5月25日多風(fēng)的條件下NH₃羽流受到極大限制。插圖顯示低噪聲（a）和高頻反應（b）

? ? ? NH₃?VS 高度（左圖、中圖）：（a） 2012月5月24日（b）2012年5月25日。紅圈為每個(gè)穿越高度平均± 1σNH₃的濃度。NH₃濃度在有風(fēng)條件下要低得多（2012,5.25）。
飛行測量數據（右圖）：2012年5月25日（a）Yakima山谷飛行測量區域，NH₃混合比（b）1820米處（c）1200米（d）630米。一股強大分離的NH₃羽流在山谷飼養場(chǎng)上方清晰可見(jiàn)。（e）空氣中高NH₃水平與飼養場(chǎng)有明顯關(guān)聯(lián)性。?

（左圖）線(xiàn)性：使用零氣稀釋的滲透管測量 ? ?

（右圖）精度：0-078ppb,1σ1HZ，使用含18ppb NH3的壓縮空氣測量?

時(shí)間響應
? ? ? 因氨分子的粘滯性，氨測量快速響應較困難。LGR光腔涂層的濕潤表面和較大的氣體流速可減輕該影響，保證儀器的快速響應速率。

? ? ? 時(shí)間響應：兩臺儀器測量NH₃濃度階躍變化的響應時(shí)間，階躍變化是由小濃度NH₃壓縮空氣（30 psi)送回電磁閥實(shí)現的。
（a）儀器優(yōu)化渦通量至30 SLPM流量。
（b）儀器優(yōu)化機載測量至6 SLPM流量。

分析儀# 2（型號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)的帶水氣環(huán)境與(w/o NH₃)不帶水氣環(huán)境間進(jìn)行交換，記錄HN₃測量反應的時(shí)間。2.4升/分泵速下測得T_90-10及T_10-90時(shí)間分別為9秒和8秒。記錄數據：紅色為1秒/點(diǎn)；黑色為10秒的平均水平。

? ? ? 自然大氣背景下，已知的NH3恒定流速，測量NH₃的精度。測得1σ精度為 < 0.3 ppb and < 0.1 ppb時(shí)間分別為10秒和100秒。Allan方差曲線(xiàn)圖圖示：測量結果（紅點(diǎn)）參數（藍色正方形）。

? ? ? 描述NH₃滲透流線(xiàn)性，調節與滲透爐連接的零氣流速，得到一系列梯度的NH₃標氣。?

? ? ? 為了監測水氣濃度變化對NH₃測量的影響，將一個(gè)零氣流與不同量水氣反復混合，沒(méi)有觀(guān)測到顯著(zhù)的變化， 這說(shuō)明，NH₃測量對水氣濃度變化不敏感。

閱讀原文：

Next-generation_analyzers_for_am monia_measurements_ased_on_

9a0b68c19c090b2793ee3270fecfcf8a.pdf?(7.67 MB)