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秋冬季節(jié)，進(jìn)入霧霾高發(fā)期，對(duì)于霧霾形成機(jī)理的研究與爭(zhēng)議重又成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。近來有媒體援引專家意見稱：火力發(fā)電行業(yè)對(duì)排放煙氣采用濕法脫硫是導(dǎo)致環(huán)境污染的罪魁禍?zhǔn)住?duì)此，也有專家認(rèn)為沒有足夠數(shù)據(jù)支撐上述論點(diǎn)。無論該爭(zhēng)議最終結(jié)論如何，可以肯定的是，對(duì)污染氣體實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是進(jìn)行霧霾形成機(jī)理研究以及大氣環(huán)境監(jiān)控的基礎(chǔ)。而在對(duì)氣體實(shí)施監(jiān)測(cè)的過程中，濕度測(cè)量又是一個(gè)關(guān)鍵值，尤其是高溫條件下的煙氣濕度測(cè)量，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)上來講最為困難。近日，一項(xiàng)旨在高溫環(huán)境中進(jìn)行濕度測(cè)量的重大科學(xué)儀器研制計(jì)劃正式啟動(dòng)。
9月19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(dòng)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(shí)稱，用激光對(duì)水氣以及各種氣體進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)量方式，用激光進(jìn)行高溫濕度測(cè)量究竟有何優(yōu)勢(shì)?激光測(cè)量氣體技術(shù)，未來的應(yīng)用前景又如何?對(duì)此，姚建銓院士進(jìn)行了相關(guān)分析和介紹。
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。“這個(gè)項(xiàng)目是測(cè)濕度的，也就是含水量。濕度對(duì)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(gè)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(cè)量，例如研究霧霾的形成及防治，濕度的測(cè)量就非常關(guān)鍵。在環(huán)保領(lǐng)域，排放氣體的濕度測(cè)量直接影響到環(huán)保排放測(cè)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(jì)算。而干氣采樣體積測(cè)算又需要測(cè)量煙氣濕度，因此煙氣含濕量測(cè)量的準(zhǔn)確性直接影響排放總量的計(jì)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(duì)溫度、壓力、濕度等方面的測(cè)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(cè)濕度調(diào)整工藝，提高反應(yīng)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。“比如化工領(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(gè)充分參數(shù)。”
激光測(cè)濕度 技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯
濕度測(cè)量如此重要，但現(xiàn)有濕度測(cè)量方式卻存在很多弊端。
姚院士介紹，常用濕度測(cè)試方法存在易失效、不準(zhǔn)確、測(cè)試時(shí)間長等缺點(diǎn)，如干濕球法、阻容法受原理限制，存在高濕測(cè)量不準(zhǔn)確;冷凝法和重量法存在測(cè)試時(shí)間長，不能在線連續(xù)監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)。采用非接觸光學(xué)測(cè)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(dòng)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(jiǎn)稱)來實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測(cè)量。采訪時(shí)，姚院士言簡(jiǎn)意賅地介紹了該項(xiàng)目運(yùn)用的技術(shù)原理及優(yōu)勢(shì)。“用激光測(cè)量濕度這項(xiàng)技術(shù)，是基于氣體的一個(gè)特性，也就是每種氣體都會(huì)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(duì)應(yīng)波長使之強(qiáng)度變?nèi)酰M(jìn)而通過測(cè)量激光變?nèi)醯某潭忍綔y(cè)出氣體濃度。”
據(jù)姚院士介紹，用激光測(cè)濕氣或其他氣體，具有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，激光不會(huì)影響被測(cè)氣體的組分和形態(tài);其次，它能夠?qū)ξｋU(xiǎn)氣體進(jìn)行遠(yuǎn)程非接觸式測(cè)量，保證測(cè)試人員安全;再者，它的測(cè)量精度非常高，測(cè)量下限可能達(dá)到PPM量級(jí);第四，每種氣體的監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)特定激光波長，不存在交叉干擾，易于檢測(cè)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(jí)。姚院士提出，“尤其是激光的反應(yīng)速度，相比較于傳統(tǒng)測(cè)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(cè)甚至能達(dá)到毫秒、微秒量級(jí)，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(cè)量很多時(shí)候都處于極端條件下，這增加了監(jiān)測(cè)的難度，比如高溫高壓環(huán)境的濕度測(cè)量就是個(gè)難點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)常用測(cè)量方式，使用激光在高溫條件下進(jìn)行濕度測(cè)量，具有無交叉干擾、測(cè)量范圍大、精度高、實(shí)時(shí)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)高溫條件下的濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。“這個(gè)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(cè)水平，提高環(huán)保排放測(cè)算準(zhǔn)確性、降低工業(yè)過程排放。未來，這個(gè)技術(shù)還能延展到對(duì)各種氣體進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)用前景非常廣泛!”
TDLAS技術(shù)測(cè)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(cè)量技術(shù)。也就是說，不僅僅是測(cè)量濕度，它還能檢測(cè)其他各種氣體。同時(shí)，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(huì)非常廣泛，“以往的氣體測(cè)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(cè)量，還能延展到測(cè)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(shí)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(cè)等方面都需要進(jìn)行各類氣體監(jiān)測(cè)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(duì)煙氣中的多種氣體可以進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);在火力發(fā)電領(lǐng)域的鍋爐熱效率和排放物處理兩個(gè)方面都需要對(duì)過程氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不僅需監(jiān)測(cè)部位很多，同時(shí)監(jiān)測(cè)氣體種類也很多樣，TDLAS激光傳感器采用純光學(xué)不接觸測(cè)量，速度快、靈敏度高、測(cè)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(shí)驗(yàn)、制造過程中，大量需要高精度氣體測(cè)量，激光探測(cè)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(duì)氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與評(píng)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(duì)于濕氣及其他各種氣體測(cè)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(gè)技術(shù)應(yīng)用研發(fā)的開端，未來的延展和空間會(huì)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(shí)指出，要達(dá)到這一步，還需要經(jīng)過一個(gè)過程。“剛剛啟動(dòng)的這個(gè)項(xiàng)目，只是研制高溫環(huán)境中的激光濕度測(cè)試傳感器，就需要花費(fèi)兩年時(shí)間，這個(gè)周期還算快的。但這對(duì)TDLAS技術(shù)的廣泛應(yīng)用來說，是個(gè)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(huì)成功，未來還會(huì)形成一系列的應(yīng)用產(chǎn)品。這絕對(duì)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(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(dòng)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(shí)稱，用激光對(duì)水氣以及各種氣體進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)量方式，用激光進(jìn)行高溫濕度測(cè)量究竟有何優(yōu)勢(shì)?激光測(cè)量氣體技術(shù)，未來的應(yīng)用前景又如何?對(duì)此，姚建銓院士進(jìn)行了相關(guān)分析和介紹。
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。“這個(gè)項(xiàng)目是測(cè)濕度的，也就是含水量。濕度對(duì)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(gè)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(cè)量，例如研究霧霾的形成及防治，濕度的測(cè)量就非常關(guān)鍵。在環(huán)保領(lǐng)域，排放氣體的濕度測(cè)量直接影響到環(huán)保排放測(cè)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(jì)算。而干氣采樣體積測(cè)算又需要測(cè)量煙氣濕度，因此煙氣含濕量測(cè)量的準(zhǔn)確性直接影響排放總量的計(jì)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(duì)溫度、壓力、濕度等方面的測(cè)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(cè)濕度調(diào)整工藝，提高反應(yīng)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。“比如化工領(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(gè)充分參數(shù)。”
激光測(cè)濕度 技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯
濕度測(cè)量如此重要，但現(xiàn)有濕度測(cè)量方式卻存在很多弊端。
姚院士介紹，常用濕度測(cè)試方法存在易失效、不準(zhǔn)確、測(cè)試時(shí)間長等缺點(diǎn)，如干濕球法、阻容法受原理限制，存在高濕測(cè)量不準(zhǔn)確;冷凝法和重量法存在測(cè)試時(shí)間長，不能在線連續(xù)監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)。采用非接觸光學(xué)測(cè)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(dòng)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(jiǎn)稱)來實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測(cè)量。采訪時(shí)，姚院士言簡(jiǎn)意賅地介紹了該項(xiàng)目運(yùn)用的技術(shù)原理及優(yōu)勢(shì)。“用激光測(cè)量濕度這項(xiàng)技術(shù)，是基于氣體的一個(gè)特性，也就是每種氣體都會(huì)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(duì)應(yīng)波長使之強(qiáng)度變?nèi)酰M(jìn)而通過測(cè)量激光變?nèi)醯某潭忍綔y(cè)出氣體濃度。”
據(jù)姚院士介紹，用激光測(cè)濕氣或其他氣體，具有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，激光不會(huì)影響被測(cè)氣體的組分和形態(tài);其次，它能夠?qū)ξｋU(xiǎn)氣體進(jìn)行遠(yuǎn)程非接觸式測(cè)量，保證測(cè)試人員安全;再者，它的測(cè)量精度非常高，測(cè)量下限可能達(dá)到PPM量級(jí);第四，每種氣體的監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)特定激光波長，不存在交叉干擾，易于檢測(cè)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(jí)。姚院士提出，“尤其是激光的反應(yīng)速度，相比較于傳統(tǒng)測(cè)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(cè)甚至能達(dá)到毫秒、微秒量級(jí)，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(cè)量很多時(shí)候都處于極端條件下，這增加了監(jiān)測(cè)的難度，比如高溫高壓環(huán)境的濕度測(cè)量就是個(gè)難點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)常用測(cè)量方式，使用激光在高溫條件下進(jìn)行濕度測(cè)量，具有無交叉干擾、測(cè)量范圍大、精度高、實(shí)時(shí)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)高溫條件下的濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。“這個(gè)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(cè)水平，提高環(huán)保排放測(cè)算準(zhǔn)確性、降低工業(yè)過程排放。未來，這個(gè)技術(shù)還能延展到對(duì)各種氣體進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)用前景非常廣泛!”
TDLAS技術(shù)測(cè)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(cè)量技術(shù)。也就是說，不僅僅是測(cè)量濕度，它還能檢測(cè)其他各種氣體。同時(shí)，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(huì)非常廣泛，“以往的氣體測(cè)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(cè)量，還能延展到測(cè)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(shí)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(cè)等方面都需要進(jìn)行各類氣體監(jiān)測(cè)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(duì)煙氣中的多種氣體可以進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);在火力發(fā)電領(lǐng)域的鍋爐熱效率和排放物處理兩個(gè)方面都需要對(duì)過程氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不僅需監(jiān)測(cè)部位很多，同時(shí)監(jiān)測(cè)氣體種類也很多樣，TDLAS激光傳感器采用純光學(xué)不接觸測(cè)量，速度快、靈敏度高、測(cè)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(shí)驗(yàn)、制造過程中，大量需要高精度氣體測(cè)量，激光探測(cè)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(duì)氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與評(píng)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(duì)于濕氣及其他各種氣體測(cè)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(gè)技術(shù)應(yīng)用研發(fā)的開端，未來的延展和空間會(huì)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(shí)指出，要達(dá)到這一步，還需要經(jīng)過一個(gè)過程。“剛剛啟動(dòng)的這個(gè)項(xiàng)目，只是研制高溫環(huán)境中的激光濕度測(cè)試傳感器，就需要花費(fèi)兩年時(shí)間，這個(gè)周期還算快的。但這對(duì)TDLAS技術(shù)的廣泛應(yīng)用來說，是個(gè)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(huì)成功，未來還會(huì)形成一系列的應(yīng)用產(chǎn)品。這絕對(duì)是利國利民功在千秋的好事!”
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