环境空气中氨气检测方案(氨气分析仪)

HEALTHYPHOTON 海尔欣光电 型号：HT8700高精度大气氨本底激光开路分析仪 Open-path NH3 Analyzer 日期 备注 2018/3/28 第一版 2019/7/18 第二版 2020/5/26 第三版(加入测试数据) 目录 目录.. .2 1.产品简介. .3 2.产品描述. 3 2.1.产品优势. 3 2.2.产品参数.. .4 3.应用案例. 5 3.1.涡动相关(Eddy Covariance) 氨通量测试. 5 3.2.畜牧业大气氨浓度巡检系统. 7 1. 产品简介 采用量子级联激光吸收光谱技术(QCLAS)，应用两面暴露在大气中的高反射率镜面对中红外激光进行多次反射，有效光程达数十米，测量目标气体对特征吸收峰处中红外激光能量的微弱吸收，通过对吸收峰光谱曲线的实时积分进行痕量气体的浓度反演。 HT8700 的高频浓度分析特性，使之非常适合于微气象气动相关(Eddy Covariance)测量技术，结合通量观测系统可准确定量不同生态系统和大气间氨的净交换通量。 2.产品描述 2.1.产品优势 开路气体分析技术： 不同于常见的抽取式采样+闭路气体池技术，开路氨气分析技术对浓度变化的响应时间可达0.1秒，不存在采样和预处理通道管壁对氨分子的吸附和滞后现象。 ● 低功耗、部署范围广： 无需采样泵降低了整机功耗和质量，方便携带，结合太阳能电池板，有利于在无供电电网地区部署，提高了用户选择研究地点的自由度。 波长调制技术： 采用预设的程序，在目标气体的吸收范围内选取波长进行扫描式复合测量，以此获得最佳的峰型(用于光谱积分反演)，排除非目标气体的的扰。 信号噪音屏蔽： 优化的模拟电子技术，极低噪声激光电流源，探测器前放，结合锁相放大数字信号处理算法，避免了自然环境中的电磁干扰，以及光电子噪声的影响，以此获得最准确的测量结果。 中心波长控制器： 通过参考光路以及自动反馈将激光器中心波长锁定在特征吸收谱中心，确保获得最准确的特征波谱。 ● 稳定的温度控制： 通过被动散热和半导体制冷，保证激光器温度的精准控制。在外界不断变化的温度条件下获得最准确的测量结果。 ● 稳定的环境气压和温度测量补偿： 对环境温度和压力实时精准测量，结合内置的温度和压力补偿算法，确保在环境条件不断变化下获得最准确的测量结果。 ● 冬季/夏季两种工作模式： 冬季、夏季模式可根据环境温度进行切换，拓展仪器工作温度范围，提高测量准确度。 2.2.产品参数 测量技术 量子级联激光吸收光谱技术 (QCLAS) 光学路径 物理路径：0.5m；等效测量路径：46m NH测量精度(1o；0.1s/1s/10s) 0.12ppb/0.07ppb/0.01ppb 量程范围 0 -2000 ppb (其量量程可定制) 浓度输出频率 10 Hz/1 Hz/0.1 Hz 大气压力范围 70-110kPa 工作环境温度 -15°℃~45℃ 工作环境湿度 0~ 100% R.H. 不凝露 数据接口 RS-232 电源需求 20-28 VDC 功率 50 W (热机过程~100W) 尺寸 834mm×o200mm 重量 <10kg 防护等级 IP67 Fig. 2.2.1阿兰方差图 Fig. 3.1.1基于 HT8700的涡动相关大气氨通量测量系统 Fig. 3.1.2部署于水稻田的大气氨通量测量系统 Fig.3.1.3人为施肥前后的氨通量数据及日变化(蓝色) 6 3.2.大气氨浓度巡检系统 车载大气氨开路车载系统主要包括有：海尔欣 HT8700分析仪、坎贝尔公司 CR3000数据采集、GPS模块、超声风速仪、实时云数据运算处理模块。HT8700 通过旅行架搭建在 SUV 车顶实时采集10Hz 高速浓度数据，同时 GPS 实时采集经纬度坐标数据，超声风速仪可记录该区域瞬时风向、风速。数据即可进行实时运算，也可由5G网络传回海尔欣的数据云平台，进行云端数据的提取、运算、分析、存储，为用户提供精准的氨排放溯源及监控结果。 Fig. 3.2.1车载大气氨浓度巡检系统 Fig. 3.2.2位于宁波某生猪养殖场附近的大气氨浓度地图 高精度大气氨本底激光开路分析仪 (HT 摘要：为了推进国家环境空气氨气在线监测技术标准的制定工作，2020年底，应中国环境监测总站的邀请，海尔欣科技携HT-8700（国产）分别在北京和上海开展了大气氨自动监测设备对比测试实验，与数台进口、国产的氨气分析仪同台竞技，开展技术摸底实验。        HT-8700是海尔欣自主研发的一款基于量子级联激光吸收光谱（QCLAS）的高灵敏大气痕量氨气分析仪。它采用开放式光腔设计，避免了采样管路对氨气分子的吸附和迟滞效应。不到100W的仪器功耗，非常适合在无电网区域的偏僻台站和移动载具上部署和观测。图1. HT-8700具备IP67设计防水标准可直接安装于监测站楼顶露天环境    在北京总站，工作人员测试了在不同标气浓度下仪器的响应情况。图2. 标气测试响应曲线         可以看出仪器从高浓度回落至零点附近的时间响应非常快，这也是直接光谱测量方法相比传统的间接化学发光法的优势之一。通过对配气浓度和测量浓度进行线性拟合，得到仪器在0 - 700ppb测量范围内的测量/标气线性斜率为0.9983，R2 为0.99929。图3. 0 - 700ppb范围线性拟合        在上海，工作人员将HT-8700横向安装，测试了在低浓度范围0-200ppb之内的仪器性能。图4. 横向安装的HT-8700图5. 0 - 200ppb浓度阶梯测试曲线         通过图5曲线可以看出仪器的线性和稳定性。对配气浓度和测量浓度进行线性拟合，可以得到斜率为0.98，R2 为0.99957。图6. 0 - 200ppb线性拟合          北京和上海的测试结果表明，在不同安装方式和高浓度和低浓度标准气体的测试下，HT-8700分析仪具有良好的线性度和准确度。用户可以根据不同应用场景，选择合适的安装方式进行测量。如:车载时可选择横向安装，野外氨通量观测时可选择纵向安装，当主风向稳定时，也可选择横向安装。      接下来，分别测试了零点噪声、24小时零点漂移、80%量程漂移及量程噪声、20%量程漂移及量程精密度。01零点噪声：1小时数据检查HT-8700E的零点噪声。图7.  1小时数据零点噪声根据HJ654-2013 中零点噪声及检出限的测试方法测试零点噪声及检出限。经过计算:          零点噪声S0：0.06ppb         检出限RDL：0.12ppb02漂移:按 HJ654-2013 的测试要求计算 24小时的零点漂移、20%量程漂移和80%量程漂移。测试如下图。图8. 80%量程（160ppb）24小时漂移图9. 20%量程（40ppb）24小时漂移根据图8和图9测试结果，可以看到20%量程漂移和80%量程漂移均小于2%。说明HT-8700具有良好的重复性和稳定性。测试结果       零点噪声S0: 0.06ppb        检出限RDL：0.12ppb        响应时间*：2min        20%量程漂移：0.67%        20%量程精密度：2.15%        80%量程漂移：2.37%         80%量程噪声：1.22ppb*该响应时间是在仪器标定阶段使用了标定管测量得到的，实际测量中光路开放，响应时间远远低于该值。           此外，HT-8700也与基于激光腔衰荡(CRDS)原理的某进口知名品牌的痕量氨分析仪在室内进行了数据比对。图10. HT-8700和进口CRDS仪器测试对比              从图10的对比数据中，我们可以看出HT-8700与基于激光腔衰荡CRDS原理的进口仪器的结果非常接近，双方的变化趋势，测量精度和响应时间也相当一致。        从本质上来讲，HT-8700既是一台氨气浓度分析仪，其特有的高频测量性能也使其具备利用涡动协方差(Eddy Covariance)技术实现氨通量的测量的能力。对于氨气这类活性强，本地化特性明显的分子，通量测量是观测氨排放源(Source)与汇(Sink)的重要方法，逐渐成为国际上对氨观测的流行方法。因此，用户选择HT-8700系列产品，可以实现在大气边界层特定观测条件下，大气氨本底浓度与氨排放（沉降）通量数据的同时获取。海尔欣的使命保护全球生态，守护人类家园，海尔欣在行动！我们致力于为全球生态环境科学家们提供仪器和服务。我们可以根据客户的需求定制开发多组分、高精度的大气痕量污染物和温室气体开路或闭路分析仪器和整体解决方案。背景介绍：  海尔欣与中科院大气物理所深入合作，成功推出大气活性氮激光开路分析仪（HT8700系列）。  我们创新性的采用量子级联激光技术，Sampling-free®设计克服氨分子的高吸附性及水溶性，对氨气的分析达到前所未有的频率与精度。目前，海尔欣在农业面源氨通量分析系统方面，与头部客户开展深度合作和观测研究，为我国大气氨源普查以及排放清单精细化测定贡献力量。