基于可调谐半导体激光吸收光谱法测定天然气水露点技术研究（一）

1 引言

可调谐半导体激光吸收光谱(tunablediodelaserabsortionspectroscopy，基于激光究TDLAS)技术广泛用于痕量气体的可调检测、温室气体通量的谐半吸收测量。但当时普遍采用铅盐激光器，导体定天点技输出功率低、光谱单色性差、法测需要液氮制冷，然气这些因素使系统的水露术研构成和操作复杂，成本昂贵，基于激光究检测结果也不可靠、可调不稳定，谐半吸收激光器的导体定天点技技术水平限制了TDLAS的发展。随着光通讯技术以及光电子技术的光谱发展，基于半导体材料的法测可调谐激光二极管迅速产业化和商品化，特别是然气近红外激光器具有体积小、寿命长、光电转换效率高等特点，成为此项技术的理想光源，TDLAS技术得以迅速发展。

TDLAS通常采用波长调制技术和二次谐波检测技术进行气体检测。同时，应用可调谐二极管输出波长在一定范围内可调的特点，可以同时分析多种气体物质，如甲烷、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、氨气等。自20世纪90年代后期以来，基于TDLAS的甲烷气体检测技术大量涌现，并应用于工业现场的在线监测，标志着TDLAS技术的应用逐渐从实验室研究转向现场应用。

目前国外多家公司生产的TDLAS气体测量仪测量精度高，产品较为成熟。而国内TDLAS技术起步较晚，与发达国家存在一定差距，但经过近20年的发展也取得了长足的进步。目前TDLAS技术的主要应用领域包括工业过程检测与控制、环境气体检测以及特殊场合危险气体检测等。国内对此项技术的应用需求主要集中在工业和环境领域，并呈逐步扩大的趋势，然而检测仪器仍然依赖于国外进口。面对广阔的应用需求，国内的TDLAS技术有很大的发展空间和很好的发展前景。

伴随着跨地区重要天然气输气干线工程的建设和运行，天然气输送和贸易交接过程中的酸性气体和水蒸气成为越来越受关注的因素。一方面水蒸气和酸性气体结合容易形成酸液极易腐蚀管道，另一方面天然气会与水分结合形成水合物堵塞管道。无论是天然气的输送还是贸易交接，都离不开天然气质量的检测和计量，只有做到天然气质量的准确检测和科学计量，才能为天然气的合理使用和节能降耗提供准确依据，才能使天然气资源经济效益最大化。这就对生产过程的分析能力提出了更高的要求，必须进一步提高过程分析仪的检测精度、响应时间、系统稳定性等指标。过程气体浓度的在线、实时及快速分析在生产过程中非常重要，可大幅提高生产过程的分析能力。传统的水露点测量，需要现场制冷、操作使用繁琐，且核心技术被国外垄断，测量误差也较大。因此，开展用激光法在线测量天然气水露点的应用研究，实现水露点的快速准确测定，可为促进企业贯彻实施新的国家天然气标准、保证天然气生产的安全性、加强质量控制、维护交易公平奠定技术基础。

2 技术原理

2.1 基本原理

气体分子的内在结构决定了其特有的自然振动频率。当入射光束刚好满足被测分子的自然振动频率时，该分子便会吸收入射光束的能量。当具有该选定频率v的一定强度的光束通过样品池时，由于被测气体的吸收作用，光束的强度会产生衰减，激光法测量的原理如图1所示。图l中I₀(v)为入射光强；I(v)为透射光强；L为光程。

根据Beer-Lambert定律，剩余强度(透射光强)I(v)为：

(v)=lo(v)exp[-PS(T)ψ_vLX](1)

式中：P为总压强，MPa；S(T)为谱线强度，表征了该谱线的吸收能力，是温度T的单值函数，cm^-2·MPa^-1；ψ_v为线性函数，cm；L为光程，cm；X为被测组份分子浓度。当其它参数确定后，气体浓度只与吸收曲线的面积A成正比，即：

为进一步提高浓度测量的信噪比，在实际的测量中采用波长调制技术。其原理是在原有的激光驱动信号中加载一个高频正弦信号，产生的激光信号经过气体介质吸收后，利用锁相放大器解调，得到其二次谐波信号，如图2所示。

文献证明了二次谐波信号高度(P_2f)与被测组份分子浓度X之间的关系如式(3)。

式中：△v为线宽；m为调制系数。

从式(3)可以看出，当其它参数不变时，气体浓度与二次谐波峰值大小成正比。因此，可以通过测量二次谐波峰值大小来测量气体浓度。

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