濕度測量的重要性

據(jù)姚院士介紹，該研制項目的主要任務(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。“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(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。”據(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。“工業(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算準(zhǔn)確度，影響國家環(huán)保指標(biāo)考核。”

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，實現(xiàn)節(jié)能減排。“比如化工領(lǐng)域氨氣合成、天然氣交接計量與貿(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)。”

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)來實現(xiàn)對濕度的測量。采訪時，姚院士言簡意賅地介紹了該項目運(yùn)用的技術(shù)原理及優(yōu)勢。“用激光測量濕度這項技術(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)酰M(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)速度非常快，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，在實驗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、實時測量的優(yōu)勢，可實現(xiàn)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(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。”

姚院士隨口提及該技術(shù)可應(yīng)用的范圍和領(lǐng)域，其廣度和深度確實不可小覷。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);航空航天軍工領(lǐng)域中，導(dǎo)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(shù)也有著用武之地;工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多生產(chǎn)車間廠房或者生產(chǎn)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(jìn)行監(jiān)測是生產(chǎn)安全工作的重要內(nèi)容。還有文物保護(hù)領(lǐng)域，墓葬等文物環(huán)境都是高濕度的環(huán)境，應(yīng)用該技術(shù)可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)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(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。“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(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(yīng)用產(chǎn)品。這絕對是利國利民功在千秋的好事!”