秋冬季節(jié)，進入霧霾高發(fā)期，對于霧霾形成機理的研究與爭議重又成為人們關注的焦點。近來有媒體援引專家意見稱：火力發(fā)電行業(yè)對排放煙氣采用濕法脫硫是導致環(huán)境污染的罪魁禍首。對此，也有專家認為沒有足夠數據支撐上述論點。無論該爭議最終結論如何，可以肯定的是，對污染氣體實現實時監(jiān)測是進行霧霾形成機理研究以及大氣環(huán)境監(jiān)控的基礎。而在對氣體實施監(jiān)測的過程中，濕度測量又是一個關鍵值，尤其是高溫條件下的煙氣濕度測量，從技術實現上來講最為困難。近日，一項旨在高溫環(huán)境中進行濕度測量的重大科學儀器研制計劃正式啟動。
9月19日，國家科技部重大科學儀器設備開發(fā)專項——“面向復雜工況的激光高溫濕度傳感器研制及產業(yè)化”項目啟動儀式在北京召開。該項目專家組負責人、我國著名激光和非線性光學專家、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行檢測，可以說是一項革命性的技術。
那么，相比于傳統(tǒng)、常規(guī)的測量方式，用激光進行高溫濕度測量究竟有何優(yōu)勢?激光測量氣體技術，未來的應用前景又如何?對此，姚建銓院士進行了相關分析和介紹。
據姚院士介紹，該研制項目的主要任務是研發(fā)面向復雜工況條件下的激光高溫濕度傳感器。“這個項目是測濕度的，也就是含水量。濕度對人類生活、工業(yè)生產、大氣環(huán)保、科學研究、文物保護等各個領域里都至關重要。”據他介紹，人類生產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鍵。在環(huán)保領域，排放氣體的濕度測量直接影響到環(huán)保排放測算的準確性。“工業(yè)鍋爐排放的污染物濃度采用標準狀態(tài)下干氣采樣體積計算。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確性直接影響排放總量的計算準確度，影響國家環(huán)保指標考核。”
不僅環(huán)保領域，在工業(yè)生產領域中，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)生產領域可通過檢測濕度調整工藝，提高反應效率，實現節(jié)能減排。“比如化工領域氨氣合成、天然氣交接計量與貿易結算等，還有航空航天軍工領域的雷達定位、衛(wèi)星導航等，都將濕度作為一個充分參數。”
激光測濕度 技術優(yōu)勢明顯
濕度測量如此重要，但現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、不準確、測試時間長等缺點，如干濕球法、阻容法受原理限制，存在高濕測量不準確;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。采用非接觸光學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(可調諧半導體激光吸收光譜技術的簡稱)來實現對濕度的測量。采訪時，姚院士言簡意賅地介紹了該項目運用的技術原理及優(yōu)勢。“用激光測量濕度這項技術，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，氣體吸收對應波長使之強度變弱，進而通過測量激光變弱的程度探測出氣體濃度。”
據姚院士介紹，用激光測濕氣或其他氣體，具有很多優(yōu)點。首先，激光不會影響被測氣體的組分和形態(tài);其次，它能夠對危險氣體進行遠程非接觸式測量，保證測試人員安全;再者，它的測量精度非常高，測量下限可能達到PPM量級;第四，每種氣體的監(jiān)測對應特定激光波長，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結構，本質安全，傳感端不易受到電磁輻射的干擾，不產生火花 ;最后，激光的響應速度非?？欤梢赃_到毫秒量級。姚院士提出，“尤其是激光的反應速度，相比較于傳統(tǒng)測量儀器響應速度慢的問題，在實驗室中采用激光檢測甚至能達到毫秒、微秒量級，從這點上來說，這也是一項革命性的技術創(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。相比于傳統(tǒng)常用測量方式，使用激光在高溫條件下進行濕度測量，具有無交叉干擾、測量范圍大、精度高、實時測量的優(yōu)勢，可實現高溫條件下的濕度實時監(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)保排放測算準確性、降低工業(yè)過程排放。未來，這個技術還能延展到對各種氣體進行檢測，應用前景非常廣泛!”
TDLAS技術測試氣體 應用前景廣闊
激光高溫濕度傳感器的研發(fā)所基于的TDLAS技術，是一種新型氣體濃度測量技術。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環(huán)境適應性極好的特性，使得它的應用范圍會非常廣泛，“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技術不僅能進行濕度測量，還能延展到測量其他各種氣體。”
姚院士隨口提及該技術可應用的范圍和領域，其廣度和深度確實不可小覷。比如，在化工領域，合成氨氣，氯堿生產、天然氣交接計量與貿易結算、煙氣脫硝連續(xù)監(jiān)測等方面都需要進行各類氣體監(jiān)測分析，能應用到該項技術;環(huán)保領域中，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，該技術對煙氣中的多種氣體可以進行連續(xù)實時監(jiān)測;在火力發(fā)電領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不接觸測量，速度快、靈敏度高、測量精準;航空航天軍工領域中，導彈、衛(wèi)星、武器的研發(fā)、實驗、制造過程中，大量需要高精度氣體測量，激光探測氣體技術也有著用武之地;工業(yè)生產過程中，許多生產車間廠房或者生產工藝流程中，都處于高溫高壓或者易燃易爆、高腐蝕有毒害的環(huán)境條件，對氣體進行監(jiān)測是生產安全工作的重要內容。還有文物保護領域，墓葬等文物環(huán)境都是高濕度的環(huán)境，應用該技術可以實現實時數據采集與評估文物保存環(huán)境的溫濕度變化。諸如此類，都可以看出TDLAS技術對于濕氣及其他各種氣體測量的高環(huán)境適應性。
“因此，基于TDLAS技術的激光高溫濕度傳感器研制僅僅只是這個技術應用研發(fā)的開端，未來的延展和空間會非常大!”姚建銓院士談及TDLAS技術應用前景十分有信心。他同時指出，要達到這一步，還需要經過一個過程。“剛剛啟動的這個項目，只是研制高溫環(huán)境中的激光濕度測試傳感器，就需要花費兩年時間，這個周期還算快的。但這對TDLAS技術的廣泛應用來說，是個非常好的苗頭。我相信，只要項目牽頭單位和參與單位能密切協(xié)作配合，不僅該項目研制會成功，未來還會形成一系列的應用產品。這絕對是利國利民功在千秋的好事!”
9月19日，國家科技部重大科學儀器設備開發(fā)專項——“面向復雜工況的激光高溫濕度傳感器研制及產業(yè)化”項目啟動儀式在北京召開。該項目專家組負責人、我國著名激光和非線性光學專家、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行檢測，可以說是一項革命性的技術。
那么，相比于傳統(tǒng)、常規(guī)的測量方式，用激光進行高溫濕度測量究竟有何優(yōu)勢?激光測量氣體技術，未來的應用前景又如何?對此，姚建銓院士進行了相關分析和介紹。
據姚院士介紹，該研制項目的主要任務是研發(fā)面向復雜工況條件下的激光高溫濕度傳感器。“這個項目是測濕度的，也就是含水量。濕度對人類生活、工業(yè)生產、大氣環(huán)保、科學研究、文物保護等各個領域里都至關重要。”據他介紹，人類生產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鍵。在環(huán)保領域，排放氣體的濕度測量直接影響到環(huán)保排放測算的準確性。“工業(yè)鍋爐排放的污染物濃度采用標準狀態(tài)下干氣采樣體積計算。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確性直接影響排放總量的計算準確度，影響國家環(huán)保指標考核。”
不僅環(huán)保領域，在工業(yè)生產領域中，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)生產領域可通過檢測濕度調整工藝，提高反應效率，實現節(jié)能減排。“比如化工領域氨氣合成、天然氣交接計量與貿易結算等，還有航空航天軍工領域的雷達定位、衛(wèi)星導航等，都將濕度作為一個充分參數。”
激光測濕度 技術優(yōu)勢明顯
濕度測量如此重要，但現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、不準確、測試時間長等缺點，如干濕球法、阻容法受原理限制，存在高濕測量不準確;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。采用非接觸光學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(可調諧半導體激光吸收光譜技術的簡稱)來實現對濕度的測量。采訪時，姚院士言簡意賅地介紹了該項目運用的技術原理及優(yōu)勢。“用激光測量濕度這項技術，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，氣體吸收對應波長使之強度變弱，進而通過測量激光變弱的程度探測出氣體濃度。”
據姚院士介紹，用激光測濕氣或其他氣體，具有很多優(yōu)點。首先，激光不會影響被測氣體的組分和形態(tài);其次，它能夠對危險氣體進行遠程非接觸式測量，保證測試人員安全;再者，它的測量精度非常高，測量下限可能達到PPM量級;第四，每種氣體的監(jiān)測對應特定激光波長，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結構，本質安全，傳感端不易受到電磁輻射的干擾，不產生火花 ;最后，激光的響應速度非?？欤梢赃_到毫秒量級。姚院士提出，“尤其是激光的反應速度，相比較于傳統(tǒng)測量儀器響應速度慢的問題，在實驗室中采用激光檢測甚至能達到毫秒、微秒量級，從這點上來說，這也是一項革命性的技術創(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。相比于傳統(tǒng)常用測量方式，使用激光在高溫條件下進行濕度測量，具有無交叉干擾、測量范圍大、精度高、實時測量的優(yōu)勢，可實現高溫條件下的濕度實時監(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)保排放測算準確性、降低工業(yè)過程排放。未來，這個技術還能延展到對各種氣體進行檢測，應用前景非常廣泛!”
TDLAS技術測試氣體 應用前景廣闊
激光高溫濕度傳感器的研發(fā)所基于的TDLAS技術，是一種新型氣體濃度測量技術。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環(huán)境適應性極好的特性，使得它的應用范圍會非常廣泛，“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技術不僅能進行濕度測量，還能延展到測量其他各種氣體。”
姚院士隨口提及該技術可應用的范圍和領域，其廣度和深度確實不可小覷。比如，在化工領域，合成氨氣，氯堿生產、天然氣交接計量與貿易結算、煙氣脫硝連續(xù)監(jiān)測等方面都需要進行各類氣體監(jiān)測分析，能應用到該項技術;環(huán)保領域中，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，該技術對煙氣中的多種氣體可以進行連續(xù)實時監(jiān)測;在火力發(fā)電領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不接觸測量，速度快、靈敏度高、測量精準;航空航天軍工領域中，導彈、衛(wèi)星、武器的研發(fā)、實驗、制造過程中，大量需要高精度氣體測量，激光探測氣體技術也有著用武之地;工業(yè)生產過程中，許多生產車間廠房或者生產工藝流程中，都處于高溫高壓或者易燃易爆、高腐蝕有毒害的環(huán)境條件，對氣體進行監(jiān)測是生產安全工作的重要內容。還有文物保護領域，墓葬等文物環(huán)境都是高濕度的環(huán)境，應用該技術可以實現實時數據采集與評估文物保存環(huán)境的溫濕度變化。諸如此類，都可以看出TDLAS技術對于濕氣及其他各種氣體測量的高環(huán)境適應性。
“因此，基于TDLAS技術的激光高溫濕度傳感器研制僅僅只是這個技術應用研發(fā)的開端，未來的延展和空間會非常大!”姚建銓院士談及TDLAS技術應用前景十分有信心。他同時指出，要達到這一步，還需要經過一個過程。“剛剛啟動的這個項目，只是研制高溫環(huán)境中的激光濕度測試傳感器，就需要花費兩年時間，這個周期還算快的。但這對TDLAS技術的廣泛應用來說，是個非常好的苗頭。我相信，只要項目牽頭單位和參與單位能密切協(xié)作配合，不僅該項目研制會成功，未來還會形成一系列的應用產品。這絕對是利國利民功在千秋的好事!”
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