激光測量氣體技術(shù)未來的應(yīng)用前景分析

對環(huán)保領(lǐng)域而言，溫度、壓力、濕度等方面的測量非常重要。用激光進(jìn)行高溫濕度測量，可提升我國濕度監(jiān)測水平，提高環(huán)保排放測算準(zhǔn)確性、降低工業(yè)過程排放。未來，這個技術(shù)還能延展到對各種氣體進(jìn)行檢測，應(yīng)用前景非常廣泛。

近日，國家科技部重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)——“面向復(fù)雜工況的激光高溫濕度傳感器研制及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目啟動儀式在北京召開。該項(xiàng)目專家組負(fù)責(zé)人、我國著名激光和非線性光學(xué)專家、中科院院士姚建銓教授在接收媒體采訪時稱，用激光對水氣以及各種氣體進(jìn)行檢測，可以說是一項(xiàng)革命性的技術(shù)。

那么，相比于傳統(tǒng)、常規(guī)的測量方式，用激光進(jìn)行高溫濕度測量究竟有何優(yōu)勢？激光測量氣體技術(shù)，未來的應(yīng)用前景又如何？對此，姚建銓院士進(jìn)行了相關(guān)分析和介紹。

濕度測量的重要性

據(jù)姚院士介紹，該研制項(xiàng)目的主要任務(wù)是研發(fā)面向復(fù)雜工況條件下的激光高溫濕度傳感器?！斑@個項(xiàng)目是測濕度的，也就是含水量。濕度對人類生活、工業(yè)生產(chǎn)、大氣環(huán)保、科學(xué)研究、文物保護(hù)等各個領(lǐng)域里都至關(guān)重要?！睋?jù)他介紹，人類生產(chǎn)和生活很多方面都離不開濕度測量，例如研究霧霾的形成及防治，濕度的測量就非常關(guān)鍵。在環(huán)保領(lǐng)域，排放氣體的濕度測量直接影響到環(huán)保排放測算的準(zhǔn)確性?！肮I(yè)鍋爐排放的污染物濃度采用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干氣采樣體積計(jì)算。而干氣采樣體積測算又需要測量煙氣濕度，因此煙氣含濕量測量的準(zhǔn)確性直接影響排放總量的計(jì)算準(zhǔn)確度，

不僅環(huán)保領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，對溫度、壓力、濕度等方面的測量也非常重要的。姚院士介紹，工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域可通過檢測濕度調(diào)整工藝，提高反應(yīng)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排?！氨热缁ゎI(lǐng)域氨氣合成、天然氣交接計(jì)量與貿(mào)易結(jié)算等，還有航空航天軍工領(lǐng)域的雷達(dá)定位、衛(wèi)星導(dǎo)航等，都將濕度作為一個充分參數(shù)?！?/p>

激光測濕度 技術(shù)優(yōu)勢明顯

濕度測量如此重要，但現(xiàn)有濕度測量方式卻存在很多弊端。

姚院士介紹，常用濕度測試方法存在易失效、不準(zhǔn)確、測試時間長等缺點(diǎn)，如干濕球法、阻容法受原理限制，存在高濕測量不準(zhǔn)確；冷凝法和重量法存在測試時間長，不能在線連續(xù)監(jiān)測的缺點(diǎn)。采用非接觸光學(xué)測量方法能夠解決傳統(tǒng)傳感器問題，如非分散紅外分析、紫外差分吸收光譜等，但存在氣體交叉干擾等問題。

此次啟動的激光高溫濕度傳感器的研制，是基于TDLAS技術(shù)(可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的簡稱)來實(shí)現(xiàn)對濕度的測量。采訪時，姚院士言簡意賅地介紹了該項(xiàng)目運(yùn)用的技術(shù)原理及優(yōu)勢。“用激光測量濕度這項(xiàng)技術(shù)，是基于氣體的一個特性，也就是每種氣體都會吸收特定波長的光這一基本特性。通過激光照射氣體，氣體吸收對應(yīng)波長使之強(qiáng)度變?nèi)?，進(jìn)而通過測量激光變?nèi)醯某潭忍綔y出氣體濃度。”

據(jù)姚院士介紹，用激光測濕氣或其他氣體，具有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，激光不會影響被測氣體的組分和形態(tài)；其次，它能夠?qū)ξｋU氣體進(jìn)行遠(yuǎn)程非接觸式測量，保證測試人員安全；再者，它的測量精度非常高，測量下限可能達(dá)到PPM量級；第四，每種氣體的監(jiān)測對應(yīng)特定激光波長，不存在交叉干擾，易于檢測混合氣體中的特定成分；第五，傳感器完全采用光學(xué)結(jié)構(gòu)，本質(zhì)安全，傳感端不易受到電磁輻射的干擾，不產(chǎn)生火花 ；最后，激光的響應(yīng)速度非?？?，可以達(dá)到毫秒量級。姚院士提出，“尤其是激光的反應(yīng)速度，相比較于傳統(tǒng)測量儀器響應(yīng)速度慢的問題，在實(shí)驗(yàn)室中采用激光檢測甚至能達(dá)到毫秒、微秒量級，從這點(diǎn)上來說，這也是一項(xiàng)革命性的技術(shù)創(chuàng)新。”

眾所周知，濕度測量很多時候都處于極端條件下，這增加了監(jiān)測的難度，比如高溫高壓環(huán)境的濕度測量就是個難點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)常用測量方式，使用激光在高溫條件下進(jìn)行濕度測量，具有無交叉干擾、測量范圍大、精度高、實(shí)時測量的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)高溫條件下的濕度實(shí)時監(jiān)測。“這個激光高溫濕度傳感器一旦研制成功，可提升我國濕度監(jiān)測水平，提高環(huán)保排放測算準(zhǔn)確性、降低工業(yè)過程排放。未來，這個技術(shù)還能延展到對各種氣體進(jìn)行檢測，應(yīng)用前景非常廣泛!”

TDLAS技術(shù)測試氣體 應(yīng)用前景廣闊

激光高溫濕度傳感器的研發(fā)所基于的TDLAS技術(shù)，是一種新型氣體濃度測量技術(shù)。也就是說，不僅僅是測量濕度，它還能檢測其他各種氣體。同時，由于激光氣體分析技術(shù)環(huán)境適應(yīng)性極好的特性，使得它的應(yīng)用范圍會非常廣泛，“以往的氣體測量方式，有的不適合野外使用，或者無法在極端的環(huán)境下使用，比如高溫、高壓、高腐蝕或者易燃易爆以及毒氣環(huán)境下。用TDLAS技術(shù)不僅能進(jìn)行濕度測量，還能延展到測量其他各種氣體?！?/p>

姚院士隨口提及該技術(shù)可應(yīng)用的范圍和領(lǐng)域，其廣度和深度卻是不可小覷。比如，在化工領(lǐng)域，合成氨氣，氯堿生產(chǎn)、天然氣交接計(jì)量與貿(mào)易結(jié)算、煙氣脫硝連續(xù)監(jiān)測等方面都需要進(jìn)行各類氣體監(jiān)測分析，能應(yīng)用到該項(xiàng)技術(shù)；環(huán)保領(lǐng)域中，火電廠、石油化工、鋼鐵等企業(yè)的氣體排放必須符合國家環(huán)要求，該技術(shù)對煙氣中的多種氣體可以進(jìn)行連續(xù)實(shí)時監(jiān)測；在火力發(fā)電領(lǐng)域的鍋爐熱效率和排放物處理兩個方面都需要對過程氣體進(jìn)行監(jiān)測，不僅需監(jiān)測部位很多，同時監(jiān)測氣體種類也很多樣，TDLAS激光傳感器采用純光學(xué)不接觸測量，速度快、靈敏度高、測量精準(zhǔn)。諸如此類，都可以看出TDLAS技術(shù)對于濕氣及其他各種氣體測量的高環(huán)境適應(yīng)性。

“因此，基于TDLAS技術(shù)的激光高溫濕度傳感器研制僅僅只是這個技術(shù)應(yīng)用研發(fā)的開端，未來的延展和空間會非常大!”姚建銓院士談及TDLAS技術(shù)應(yīng)用前景十分有信心。他同時指出，要達(dá)到這一步，還需要經(jīng)過一個過程?！皠倓倖拥倪@個項(xiàng)目，只是研制高溫環(huán)境中的激光濕度測試傳感器，就需要花費(fèi)兩年時間，這個周期還算快的。但這對TDLAS技術(shù)的廣泛應(yīng)用來說，是個非常好的苗頭。我相信，只要項(xiàng)目牽頭單位和參與單位能密切協(xié)作配合，不僅該項(xiàng)目研制會成功，未來還會形成一系列的應(yīng)用產(chǎn)品。這絕對是利國利民功在千秋的好事!”