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（二）

激光控制器的主要作用是驱动激光器工作和控制调节激光器温度，可调谐半导体激光器被1个频率为4Hz锯齿波叠加1个高频正弦波驱动，激光器温度由激光控制器控制的热电制冷片控制。数据处理系统具有锁相放大功能，能够提取透射信号中的可信号，2f信号与激光发射信号Io之比与被测物的浓度值成正比，见式(3)。为了保证分析仪测量结果不受温度变化影响，气室外部加有恒温装置。

2.2 水的吸收谱线

TDLAS技术是在分子水平上对被测量气体组份进行精确测量，特定频率的光子传递过程中激发低能级的气相分子到高能级。正是利用光与被测气体组份之间的这种相互作用，可以很容易地从光信号中提取出被测组份的一些相关物理特性，从而让非接触快速测量成为可能，并且可以实现快速、连续的实时测量。H₂0的吸收谱线如图3和图4所示。

3 主要设备仪器和工艺流程

3.1 仪器研制

通过采用TDLAS法，采用抽取式测量，提高取样量的准确度；通过开展现场实验，确定现场分析的检测下限、准确度和稳定性；通过实验数据的分析处理，掌握激光法水露点在线测量技术。主要设备组成如图5所示。

3.2 工艺流程

直接吸收光谱法为传统的基于波长调制技术的优化谐波信号方法。直接吸收光谱法虽然测试系统简单，但是如果待测气体浓度较低，而信噪比又很小的时候，会存在较大的测量误差。为了提高天然气中待测气体组份浓度测量的信噪比，需要采用波长调制技术。波长调制技术测量示意图如图6所示，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制，得到其二次谐波信号；用二次谐波信号可以大大提高系统测量精度和量程，如图7所示。

3.3 技术指标

1)测量介质：管输高压天然气，压力为0.2～12MPa：

2)测量范围和精度：水含量分析测量范围为0～400μL/L，测量误差为±2％FS；

3)测量速度：实时在线测量，不低于1次/s；4)无耗材，6个月内仪表偏移量不超过±2％FS。

3.4 仪器内部结构

图8为分析仪内部结构示意图，其中虚线为光路。激光控制器2控制半导体激光器5发光，发出的红外光通过光学窗口进入气室，红外光在被气室中气体吸收部分能量后，被反射镜13反射至红外探测器6，探测器将光信号转换为电信号，由数据处理系统3完成最终的数据处理并在显示屏上显示结果。从图8中可以看出激光器与探测器并不与被测气体接触，因此被测气体中的污染物不会对激光器与探测器造成影响。而且由于系统测量结果是由被测信号与激光强度的比值决定的，因此即使光学窗口或者反射镜被一定程度污染，分析仪仍然能够正常工作，不会影响到系统的测量精度。

声明：本文所用图片、文字来源《计量学报》，版权归原作者所有。如涉及作品内容、版权等问题，请与本网联系

相关链接：天然气，污染物，天然气水合物气体标准物质