1 引言

可調(diào)諧半導體激光吸收光譜(tunablediodelaserabsortionspectroscopy，TDLAS)技術(shù)廣泛用于痕量氣體的檢測、溫室氣體通量的測量。但當時普遍采用鉛鹽激光器，輸出功率低、單色性差、需要液氮制冷，這些因素使系統(tǒng)的構(gòu)成和操作復雜，成本昂貴，檢測結(jié)果也不可靠、不穩(wěn)定，激光器的技術(shù)水平限制了TDLAS的發(fā)展。隨著光通訊技術(shù)以及光電子技術(shù)的發(fā)展，基于半導體材料的可調(diào)諧激光二極管迅速產(chǎn)業(yè)化和商品化，特別是近紅外激光器具有體積小、壽命長、光電轉(zhuǎn)換效率高等特點，成為此項技術(shù)的理想光源，TDLAS技術(shù)得以迅速發(fā)展。

TDLAS通常采用波長調(diào)制技術(shù)和二次諧波檢測技術(shù)進行氣體檢測。同時，應(yīng)用可調(diào)諧二極管輸出波長在一定范圍內(nèi)可調(diào)的特點，可以同時分析多種氣體物質(zhì)，如甲烷、硫化氫、一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、氨氣等。自20世紀90年代后期以來，基于TDLAS的甲烷氣體檢測技術(shù)大量涌現(xiàn)，并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的在線監(jiān)測，標志著TDLAS技術(shù)的應(yīng)用逐漸從實驗室研究轉(zhuǎn)向現(xiàn)場應(yīng)用。

目前國外多家公司生產(chǎn)的TDLAS氣體測量儀測量精度高，產(chǎn)品較為成熟。而國內(nèi)TDLAS技術(shù)起步較晚，與發(fā)達國家存在一定差距，但經(jīng)過近20年的發(fā)展也取得了長足的進步。目前TDLAS技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)過程檢測與控制、環(huán)境氣體檢測以及特殊場合危險氣體檢測等。國內(nèi)對此項技術(shù)的應(yīng)用需求主要集中在工業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域，并呈逐步擴大的趨勢，然而檢測儀器仍然依賴于國外進口。面對廣闊的應(yīng)用需求，國內(nèi)的TDLAS技術(shù)有很大的發(fā)展空間和很好的發(fā)展前景。

伴隨著跨地區(qū)重要天然氣輸氣干線工程的建設(shè)和運行，天然氣輸送和貿(mào)易交接過程中的酸性氣體和水蒸氣成為越來越受關(guān)注的因素。一方面水蒸氣和酸性氣體結(jié)合容易形成酸液極易腐蝕管道，另一方面天然氣會與水分結(jié)合形成水合物堵塞管道。無論是天然氣的輸送還是貿(mào)易交接，都離不開天然氣質(zhì)量的檢測和計量，只有做到天然氣質(zhì)量的準確檢測和科學計量，才能為天然氣的合理使用和節(jié)能降耗提供準確依據(jù)，才能使天然氣資源經(jīng)濟效益最大化。這就對生產(chǎn)過程的分析能力提出了更高的要求，必須進一步提高過程分析儀的檢測精度、響應(yīng)時間、系統(tǒng)穩(wěn)定性等指標。過程氣體濃度的在線、實時及快速分析在生產(chǎn)過程中非常重要，可大幅提高生產(chǎn)過程的分析能力。傳統(tǒng)的水露點測量，需要現(xiàn)場制冷、操作使用繁瑣，且核心技術(shù)被國外壟斷，測量誤差也較大。因此，開展用激光法在線測量天然氣水露點的應(yīng)用研究，實現(xiàn)水露點的快速準確測定，可為促進企業(yè)貫徹實施新的國家天然氣標準、保證天然氣生產(chǎn)的安全性、加強質(zhì)量控制、維護交易公平奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2 技術(shù)原理

2.1 基本原理

氣體分子的內(nèi)在結(jié)構(gòu)決定了其特有的自然振動頻率。當入射光束剛好滿足被測分子的自然振動頻率時，該分子便會吸收入射光束的能量。當具有該選定頻率v的一定強度的光束通過樣品池時，由于被測氣體的吸收作用，光束的強度會產(chǎn)生衰減，激光法測量的原理如圖1所示。圖l中I₀(v)為入射光強；I(v)為透射光強；L為光程。

根據(jù)Beer-Lambert定律，剩余強度(透射光強)I(v)為：

(v)=lo(v)exp[-PS(T)ψ_vLX](1)

式中：P為總壓強，MPa；S(T)為譜線強度，表征了該譜線的吸收能力，是溫度T的單值函數(shù)，cm^-2·MPa^-1；ψ_v為線性函數(shù)，cm；L為光程，cm；X為被測組份分子濃度。當其它參數(shù)確定后，氣體濃度只與吸收曲線的面積A成正比，即：

為進一步提高濃度測量的信噪比，在實際的測量中采用波長調(diào)制技術(shù)。其原理是在原有的激光驅(qū)動信號中加載一個高頻正弦信號，產(chǎn)生的激光信號經(jīng)過氣體介質(zhì)吸收后，利用鎖相放大器解調(diào)，得到其二次諧波信號，如圖2所示。

文獻證明了二次諧波信號高度(P_2f)與被測組份分子濃度X之間的關(guān)系如式(3)。

式中：△v為線寬；m為調(diào)制系數(shù)。

從式(3)可以看出，當其它參數(shù)不變時，氣體濃度與二次諧波峰值大小成正比。因此，可以通過測量二次諧波峰值大小來測量氣體濃度。

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