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激光技术在环境监测应用上有何优势?

导读: 相比于传统、常规的测量方式,用激光进行高温湿度测量究竟有何优势?中科院院士姚建铨教授在接收媒体采访时称,用激光对水气以及各种气体进行检测,可以说是一项革命性的技术。

9月19日,国家科技部重大科学仪器设备开发专项——“面向复杂工况的激光高温湿度传感器研制及产业化”项目启动仪式在北京召开。该项目专家组负责人、我国著名激光和非线性光学专家、中科院院士姚建铨教授在接收媒体采访时称,用激光对水气以及各种气体进行检测,可以说是一项革命性的技术。

那么,相比于传统、常规的测量方式,用激光进行高温湿度测量究竟有何优势?激光测量气体技术,未来的应用前景又如何?对此,姚建铨院士进行了相关分析和介绍。

湿度测量的重要性

据姚院士介绍,该研制项目的主要任务是研发面向复杂工况条件下的激光高温湿度传感器。“这个项目是测湿度的,也就是含水量。湿度对人类生活、工业生产、大气环保、科学研究、文物保护等各个领域里都至关重要。”据他介绍,人类生产和生活很多方面都离不开湿度测量,例如研究雾霾的形成及防治,湿度的测量就非常关键。在环保领域,排放气体的湿度测量直接影响到环保排放测算的准确性。“工业锅炉排放的污染物浓度采用标准状态下干气采样体积计算。而干气采样体积测算又需要测量烟气湿度,因此烟气含湿量测量的准确性直接影响排放总量的计算准确度,影响国家环保指标考核。”

不仅环保领域,在工业生产领域中,对温度、压力、湿度等方面的测量也非常重要的。姚院士介绍,工业生产领域可通过检测湿度调整工艺,提高反应效率,实现节能减排。“比如化工领域氨气合成、天然气交接计量与贸易结算等,还有航空航天军工领域的雷达定位、卫星导航等,都将湿度作为一个充分参数。”

激光测湿度 技术优势明显

湿度测量如此重要,但现有湿度测量方式却存在很多弊端。

姚院士介绍,常用湿度测试方法存在易失效、不准确、测试时间长等缺点,如干湿球法、阻容法受原理限制,存在高湿测量不准确;冷凝法和重量法存在测试时间长,不能在线连续监测的缺点。采用非接触光学测量方法能够解决传统传感器问题,如非分散红外分析、紫外差分吸收光谱等,但存在气体交叉干扰等问题。

此次启动的激光高温湿度传感器的研制,是基于TDLAS技术(可调谐半导体激光吸收光谱技术的简称)来实现对湿度的测量。采访时,姚院士言简意赅地介绍了该项目运用的技术原理及优势。“用激光测量湿度这项技术,是基于气体的一个特性,也就是每种气体都会吸收特定波长的光这一基本特性。通过激光照射气体,气体吸收对应波长使之强度变弱,进而通过测量激光变弱的程度探测出气体浓度。”

据姚院士介绍,用激光测湿气或其他气体,具有很多优点。首先,激光不会影响被测气体的组分和形态;其次,它能够对危险气体进行远程非接触式测量,保证测试人员安全;再者,它的测量精度非常高,测量下限可能达到PPM量级;第四,每种气体的监测对应特定激光波长,不存在交叉干扰,易于检测混合气体中的特定成分;第五,传感器完全采用光学结构,本质安全,传感端不易受到电磁辐射的干扰,不产生火花 ;最后,激光的响应速度非常快,可以达到毫秒量级。姚院士提出,“尤其是激光的反应速度,相比较于传统测量仪器响应速度慢的问题,在实验室中采用激光检测甚至能达到毫秒、微秒量级,从这点上来说,这也是一项革命性的技术创新。”

众所周知,湿度测量很多时候都处于极端条件下,这增加了监测的难度,比如高温高压环境的湿度测量就是个难点。相比于传统常用测量方式,使用激光在高温条件下进行湿度测量,具有无交叉干扰、测量范围大、精度高、实时测量的优势,可实现高温条件下的湿度实时监测。“这个激光高温湿度传感器一旦研制成功,可提升我国湿度监测水平,提高环保排放测算准确性、降低工业过程排放。未来,这个技术还能延展到对各种气体进行检测,应用前景非常广泛!”

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