CN111238677B - 一种基于单谱线tdlas测量气体温度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单谱线TDLAS测量气体温度方法，该方法应用于一种单谱线TDLAS测量气体温度的***，该方法主要包括将同一束激光分为两束、利用标准气体池获得标定参数、利用标定参数测量待测气体温度等步骤。与现有技术方案相比，利用本发明只需要一台二极管激光器即可用于测量气体温度，并且无需额外使用高精度标准具对吸收光谱的波长进行精确定标，特别适合于低压条件下谱线之间分布间隔很远的情况，例如氟化氢化学激光器、氟化氘化学激光器等。

Description

一种基于单谱线TDLAS测量气体温度方法

技术领域

本发明属于光谱测量技术领域，具体涉及一种利用光学方法测量气体温度的方法，主要用于低气压条件下气体温度测量，特别适用于目标分子各个吸收谱线之间分布间隔很远的情况，可以仅用一台二极管激光器就能实现测量气体温度的目的。

背景技术

气体温度测量技术主要可以分为两类，接触式和非接触式。接触式温度测量技术主要有热电偶、热电阻等，在待测温度较高或者待测气体具有腐蚀性的场合下，这种接触式测量技术会显著地降低测温设备的寿命。非接触式温度测量技术主要包括近年来新兴的光学测温技术、声学测温技术、CCD图像学测温技术等等，这种非接触式测温技术的最大优点是不会扰动待测温度场、不受腐蚀性气体影响、以及测量温度范围很宽。

在光学测温技术中，又可以分为自发辐射光谱法和吸收光谱法。对于可以近似为黑体辐射的高温物体，利用它的红外辐射光谱强度分布，就可以得到其温度分布，例如红外热像仪等等。对于热力学非平衡状态的气体物质，比如化学反应发光的气体，也可以根据其中激发态物种的自发辐射光谱的振动谱线强度分布或转动谱线强度分布情况，再依据玻尔兹曼分布定律，就获得气体温度。对于本身不会发光的基态条件下的气体，则必须使用吸收光谱法测量气体温度，最常见的是使用可调谐二极管吸收光谱技术(TDLAS)。

在使用TDLAS技术测量气体温度时，最常使用的是双吸收谱线法，其核心原理是，选择两条合适的气体吸收谱线，使其线强度之比为温度的灵敏函数，通过测量线强度之比来测量气体温度。然而，由于绝大多数的可调谐二极管激光器的波长调谐范围很窄，只有±1nm或者几个nm，所以在这两条谱线距离较远时往往必须使用两***立的可调谐二极管激光器(包含激光控制器)进行同时测量，从而导致测量仪器的造价较高。另外，同时使用两台激光器进行测量时，还必须使用时分复用或者波分复用技术，导致实验方案较为复杂。

从性价比角度考虑，在使用TDLAS技术测量气体温度时，有时候也会使用单吸收谱线法(适用范围是低气压条件下)，其基本原理是，在低气压条件下，分子吸收谱线的谱线加宽是以多普勒加宽为主，而多普勒加宽的谱线宽度是温度的函数：

通过测量吸收谱线的谱线宽度Δv即可测量气体温度。这种方法优点是使用简单、鲁棒性好、造价低，缺点是必须使用高精度标准具对吸收光谱的横坐标进行时域频域变换和波长校准。这是由于TDLAS直接吸收光谱的横坐标一般是时间(秒)或者等时间隔的采样点数，而公式中的谱线宽度则必须换算成为波数(cm^-1)才可以用于计算气体温度T。

有鉴于此，为了降低造价，实现仅仅使用一台可调谐二极管激光器进行气体温度测量，同时不使用高精度标准具对吸收光谱进行时域频域变换或波长校准，我们发明了一种新的基于单谱线TDLAS测量气体温度的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在低气压条件下基于单谱线TDLAS的气体温度测量方法，并且不需要使用高精度标准具对吸收光谱进行时域频域变换或波长校准，尤其适用于分子吸收谱线之间分布间隔很远的情况，例如氟化氢化学激光器、氟化氘化学激光器等，形成了一套切实可行的方法。

本发明提供了一种基于单谱线TDLAS测量气体温度方法，应用于一种单谱线TDLAS测量气体温度***，该方法包括如下步骤：

步骤一、将可调谐二极管激光器发出的光分为两束，一束通过标准气体池，另一束通过待测气体区域，分别用两个光电探测器接收后，将放大后的电信号输送到示波器或数据采集卡；

步骤二、调节标准气体池的温度，分别获得两个温度T₁和T₂条件下标准气体池的直接吸收光谱S₁和S₂，其横坐标单位是时间(秒)或等效时间(采样点数)，纵坐标单位是光电探测器的信号强度(伏特)，经过数据分析处理后获得标定参数k和b，具体步骤如下：

1)、对直接吸收光谱S₁和S₂进行处理，使其纵坐标单位变为吸光度A；

2)、利用光谱拟合公式A＝A₀+a exp(-(t-t₀)²/2W²)对处理后的吸收光谱S₁和S₂进行拟合，分别获得与横坐标有关的光谱宽度参数W₁和W₂；在光谱拟合公式中，t为光谱横坐标(时间)，A为光谱纵坐标(吸光度)，A₀、a、t₀和W为拟合参数；

3)、利用标定公式

对温度参数T₁、T₂和光谱宽度参数W₁和W₂进行计算，获得标定参数k和b；

步骤三、测量可调二极管激光通过待测气体区域后的直接吸收光谱S，进行如步骤二所述的数据分析处理后，得到光谱宽度参数W，然后利用标定参数k和b，通过标定公式

进行计算得到待测气体的温度T；

本发明在通过调节标准气体池的温度进行参数标定时，需要调节两个温度T₁和T₂；

本发明所述光谱宽度参数W、W₁和W₂的单位为时间(秒)或等效时间(采样点数)；

本发明所述标准气体池压强和待测气体区域压强范围在50～2000Pa。

本发明的有益效果是：

1.与传统TDLAS测温装置相比，本发明仅仅使用一台可调谐二极管激光器即可进行气体温度测量，大幅度降低了仪器造价；

2.对于示波器测量得到的吸收光谱直接进行分析即可得到气体温度，不需要利用高精度标准具进行波长定标，不需要进行时域频域变换，降低了数据分析的复杂度。

本发明具有造价低、操作简单、鲁棒性好等特点，适用于低气压条件下的气体温度测量，尤其适合于低气压条件下谱线之间分布间隔很远的情况，例如氟化氢化学激光器、氟化氘化学激光器等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图作简单介绍。显然，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，而不是全部的实施例。对于本领域普通技术人员而言，在没有做出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的基于单谱线TDLAS测量气体温度方法的流程图。

图2为本发明的实验测得的HF化学激光器光腔待测气体的原始吸收光谱，横坐标为时间(秒)，纵坐标为光电探测器信号强度(伏特)。

图3为本发明的实验测得的HF化学激光器光腔待测气体的原始吸收光谱分析处理示意图。图3中所示的蓝色曲线为实验测量得到的原始吸收光谱。(1)和(2)代表两侧未吸收部分，作为基线，可以利用公式I＝at+c对基线进行直线拟合，获得直线拟合的参数a和c。将横坐标数据t代入公式I＝at+c，即可获得未吸收前的光强度，记作I₀(图3中所示的红色曲线即为I₀)。经过公式A＝ln(I₀/I)运算后获得吸光度A。

图4为本发明的进行数据处理后的光谱图，横坐标为时间t(秒)，纵坐标为吸光度A。

图5为本发明的温度测量的吸收光谱拟合结果，横坐标为时间，纵坐标为吸光度。利用光谱拟合公式A＝A₀+a exp(-(t-t₀)²/2W²)进行拟合后，获得各个拟合参数为A₀＝0.00184，a＝0.38374，t₀＝1.97124×10^-5s，W＝3.35468×10^-6s，从而可以得到光谱宽度参数为W＝3.35468×10^-6s。

图6为本发明的标准气体池标定结果以及待测气体测量结果。根据标准气体池测量结果得到标定参数k＝6.956×10⁶，b＝-4.154。再根据待测气体测量结果(光谱宽度W＝3.35468×10^-6s)，即可获得HF化学激光器的光腔待测气体温度为T＝368K。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的基于单谱线TDLAS测量气体温度方法的技术方案作进一步详细描述。显然，此处所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1，公开了一种基于单谱线TDLAS测量气体温度方法，应用于一种单谱线TDLAS测量气体温度的***，具体是HF化学激光器的光腔气体温度测量，光腔中气体压强为500Pa。

图1给出了本发明的基于单谱线TDLAS测量气体温度方法的具体流程图，包含如下具体实施步骤：

步骤一、将同一束激光分为两束。

首先信号发生器给二极管激光器提供锯齿波，用于连续扫描激光波长；二极管激光器发出的激光经过一个一分为二的分束器分为两部分，一部分经过HF标准气体池后被光电探测器接收，然后将电信号送入示波器；另一部分穿过HF化学激光器光腔区域待测气体后被光电探测器接收，然后将电信号送入示波器；示波器用于保存HF标准气体池和HF化学激光器光腔区域待测气体的原始直接吸收光谱。图2给出了典型的原始直接吸收光谱。

步骤二、利用标准气体池获得标定参数。

在测量待测气体温度之前，首先利用标准气体池获得标定参数k和b。调节标准气体池的温度，分别获得两个温度T₁＝298K和T₂＝405K条件下标准气体池的原始直接吸收光谱S₁和S₂，典型的原始直接吸收光谱可以参照图2。

接着经过如下的数据分析处理步骤后获得标定参数k和b。

数据分析处理步骤的具体方法如下：

1)、如图3所示，以吸收光谱S₁为例，在进行光谱数据处理时，以吸收谱线两侧的未吸收部分(1)和(2)作为基线，利用公式I＝at+c对基线进行直线拟合，其中I是光电探测器信号强度(伏特)，t为时间(秒)，a和c为拟合参数；最终获得直线拟合的参数a＝47.4928和c＝0.0928。将横坐标数据(即时间t)代入公式I₀＝47.4928t+0.0928，即可获得未吸收前的光强度，记作I₀(图3中所示的红色曲线即为I₀)；以吸收后的光强度作为I(图3中所示的蓝色曲线即为I)，经过公式A＝ln(I₀/I)运算后获得吸光度A。经过处理后的吸收光谱，横坐标仍为时间，纵坐标为吸光度A，如图4所示。类似地，可以通过对吸收光谱S₂进行变换处理得到纵坐标为吸光度A的吸收光谱。

2)、如图5所示，以吸收光谱S₁为例，在将其纵坐标化为吸光度A后，直接用光谱拟合公式A＝A₀+a exp(-(t-t₀)²/2W²)进行拟合，获得各个拟合参数为A₀＝0.00162，a＝0.39268，t₀＝1.98462×10^-5s，W＝3.08098×10^-6s。

注意到，在光谱拟合公式A＝A₀+a exp(-(t-t₀)²/2W²)中，t为光谱横坐标(时间)，A为光谱纵坐标(吸光度)，A₀、a、t₀和W为拟合参数；其中，只有拟合参数W是我们所进行下一步计算所需要的(命名为光谱宽度参数)，其他参数则不太重要。

在吸收光谱S₁中，所获得的拟合参数W被记为光谱宽度参数W₁＝3.08098×10^-6s。

类似地，可以通过对吸收光谱S₂进行处理，获得各个拟合参数为A₀＝0.00127，a＝0.41389，t₀＝2.00473×10^-5s，W＝3.4931410^-6s，从而得到光谱宽度参数W₂＝3.4931410^-6s。

3)、如图6所示，利用标定公式

对所获得的两组数据(W₁＝3.08098×10^-6，T₁＝298)、(W₂＝3.49314×10^-6，T₂＝405)进行计算，可以很容易地获得标定参数k＝6.956×10⁶和b＝-4.154。

步骤三、利用标定参数测量待测气体温度。

测量可调二极管激光通过待测气体区域后的直接吸收光谱S，进行数据分析处理后，获得各个拟合参数为A₀＝0.00184，a＝0.38374，t₀＝1.97124×10^-5s，W＝3.35468×10^{- 6}s，从而可以得到光谱宽度参数W＝3.35468×10^-6s，并利用标定公式

进行计算得到待测气体的温度T＝368K。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、同等替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于单谱线TDLAS测量气体温度方法，应用于一种单谱线TDLAS测量气体温度***，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤一、将可调谐二极管激光器发出的光分为两束，一束通过标准气体池，另一束通过待测气体区域，分别用两个光电探测器接收后，将放大后的电信号输送到示波器或数据采集卡；

步骤二、调节标准气体池的温度，分别获得两个温度T₁和T₂条件下标准气体池的直接吸收光谱S₁和S₂，其横坐标为时间或等效时间，时间单位为秒，等效时间的单位为采样点数，纵坐标为光电探测器的信号强度，光电探测器的信号强度的单位为伏特，经过数据分析处理后获得标定参数k和b，具体步骤如下：

1）、对直接吸收光谱S₁和S₂进行处理，使其纵坐标单位变为吸光度A；

2）、利用光谱拟合公式

对处理后的吸收光谱S₁和S₂进行拟合，分别获得与横坐标有关的光谱宽度参数W ₁和W ₂；在光谱拟合公式中，时间t为光谱横坐标，吸光度A为光谱纵坐标，

为拟合参数，将拟合参数W命名为光谱宽度参数；

3）、利用标定公式

对温度参数T ₁、T ₂和光谱宽度参数W ₁和W ₂进行计算，获得标定参数k和b；

步骤三、测量可调二极管激光通过待测气体区域后的直接吸收光谱S，进行如步骤二所述的数据分析处理后，得到光谱宽度参数

，然后利用标定参数k和b，通过标定公式

进行计算得到待测气体的温度T。

2.按照权利要求1所述的一种基于单谱线TDLAS测量气体温度方法，其特征在于：在通过调节标准气体池的温度进行参数标定时，需要调节两个温度T₁和T₂。

3.按照权利要求1所述的一种基于单谱线TDLAS测量气体温度方法，其特征在于：所述光谱宽度参数W、W₁和W₂的单位为秒或采样点数。

4.按照权利要求1所述的一种基于单谱线TDLAS测量气体温度方法，其特征在于：所述标准气体池压强和待测气体区域压强范围在50 ~ 2000 Pa。

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