基于波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)的高溫高壓流場(chǎng)溫度測(cè)量方法*

張步強(qiáng) 許振宇 劉建國(guó) 姚路 阮俊 胡佳屹 夏暉暉 聶偉 袁峰 闞瑞峰

1) (中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230031)

2) (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),合肥 230026)

3) (中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,長(zhǎng)春 130033)

溫度是衡量燃燒效率的重要參數(shù)之一,溫度的測(cè)量對(duì)工業(yè)燃燒過(guò)程的節(jié)能減排控制和發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)診斷等都具有重要意義.可調(diào)諧半導(dǎo)體吸收光譜技術(shù)是一種非侵入式測(cè)量技術(shù),具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性,可實(shí)現(xiàn)快速、原位檢測(cè).本文基于H2O在7185.6,6807.8以及7444.35/37 cm—1三條吸收線集成測(cè)量系統(tǒng),三只激光器為時(shí)分復(fù)用方式,選擇波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù),利用扣除背景的1f 歸一化2f 信號(hào)反演燃燒流場(chǎng)溫度,通過(guò)直接比較實(shí)際測(cè)量的諧波信號(hào)與建立的吸收模型獲得的諧波信號(hào),實(shí)現(xiàn)了某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)模型噴口溫度的準(zhǔn)確測(cè)量,測(cè)量系統(tǒng)時(shí)間分辨小于1 ms,最高測(cè)量溫度和最大壓強(qiáng)可到1512 K和10.58 atm (1 atm = 1.013×105Pa),測(cè)量誤差小于5.68%,驗(yàn)證了該測(cè)量方法的實(shí)用性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

1 引 言

全球范圍降低化石燃料消耗的要求促使高溫高壓能源系統(tǒng)(煤氣化爐、爆震燃燒器、均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)等)的發(fā)展,為了研究其復(fù)雜的物理過(guò)程,需要對(duì)其過(guò)程診斷獲得溫度、組分、流速等流場(chǎng)參數(shù)[1].經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展,基于可調(diào)諧半導(dǎo)體吸收光譜(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)的氣體傳感技術(shù)已成功應(yīng)用在多種能源系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量,包括工業(yè)過(guò)程控制[2-5]、燃?xì)廨啓C(jī)[6-9]、內(nèi)燃機(jī)[10-12]、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)[13-16]、爆轟燃燒器[17-19]等.吸收光譜方法對(duì)惡劣燃燒流場(chǎng)診斷時(shí)會(huì)面臨更多的挑戰(zhàn),如吸收基線難以獲得、光束偏轉(zhuǎn)、非吸收損耗變大、發(fā)射干擾以及壓力升高帶來(lái)的譜線展寬和重疊[20].

TDLAS技術(shù)可分為直接吸收(direct absorption,DA)和波長(zhǎng)調(diào)制光譜(wavelength modulation spectroscopy,WMS)兩種技術(shù),由于高頻諧波信號(hào)對(duì)整體抬高和慢變信號(hào)不敏感,波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)更有利于應(yīng)對(duì)高溫高壓流場(chǎng)帶來(lái)的挑戰(zhàn).本文選擇燃燒的主要產(chǎn)物之一H2O作為為目標(biāo)分子,吸收中心分別為在7185.6,6807.8以及7444.35/37 cm—1附近的三條吸收線,利用TDLAS技術(shù)易于小型化的特點(diǎn)集成一套流場(chǎng)診斷系統(tǒng),光源部分包括中心波長(zhǎng)分別為1392,1469和1343 nm的三只激光器,使用時(shí)分復(fù)用技術(shù),激光器注入的鋸齒掃描頻率為1.1 kHz,高頻正弦調(diào)制頻率為322 kHz,利用提取的1f 歸一化2f 信號(hào)直接與吸收模型得到的諧波信號(hào)比較反演流場(chǎng)溫度,使WMS-2f /1f 策略成功應(yīng)用在高溫高壓流場(chǎng)診斷中,實(shí)現(xiàn)了最大壓強(qiáng)為10.58 atm (1 atm = 1.013×105Pa)的流場(chǎng)溫度測(cè)量,最大測(cè)量誤差為5.68%,驗(yàn)證了測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性.

2 理論與原理

2.1 理論部分

一束頻率為 υ的光穿過(guò)光程為 L的氣體介質(zhì)時(shí),透射光強(qiáng) It和入射光強(qiáng) I0滿足Beer-Lambert定律：

式中 τ(υ) 表示透過(guò)率,αν表示吸光度,對(duì)于單一躍遷,吸光度在頻域上積分可得積分吸光度 A,L為吸收光程(單位為cm),P為總壓強(qiáng)(單位為atm),X為吸收氣體的體積濃度,S(T) 為吸收線在溫度T(單位為K)下的線強(qiáng)(單位為cm—2·atm—1),φυ表示吸收線型函數(shù),其在頻域的積分為1.根據(jù)展寬機(jī)制,實(shí)際吸收為多普勒展寬和碰撞展寬綜合作用,故 φυ選擇Voigt線型[21],其為高斯線型和洛倫茲線型的卷積,其中多普勒和碰撞展寬機(jī)制的半高寬(full width at half maximum,FWHM)可分別表示為：

其中 υ0(單位為cm—1)表示吸收線中心頻率,M(單位為g·mol—1)表示目標(biāo)分子的摩爾質(zhì)量,γ(單位為cm—1·atm—1)表示壓力展寬系數(shù),

其中 n 表示展寬系數(shù)的溫度依賴系數(shù).在波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)中,激光器波長(zhǎng)和頻率同時(shí)被調(diào)制,為更好描述激光器出光情況,出光頻率 υ(t) 和強(qiáng)度 I0(t) 隨時(shí)間變化的關(guān)系可表示為：

其中 X2f,Y2f表示經(jīng)鎖相放大器解調(diào)得到的2f 的X分量和Y分量信號(hào)；表示2f 的X分量和Y分量的背景信號(hào)；分別表示雙通道解調(diào)得到的1f 信號(hào)和背景.

2.2 測(cè)量原理

波長(zhǎng)調(diào)制反演流場(chǎng)參數(shù)的原理即將測(cè)量信號(hào)與建立的模型直接比較,要求模型中的參數(shù)與實(shí)際值盡量一致,包括激光器調(diào)制參數(shù)以及譜線參數(shù),根據(jù)選線依據(jù)定則[22],選取的三條吸收線(其中Line1,ν0=7185.6cm-1；Line2,ν0=6807.83cm-1；Line3,ν0=7444.35/37cm-1)譜線參數(shù)如表1所列.

根據(jù)表中的譜線參數(shù),分別模擬不同壓強(qiáng)的吸光度,結(jié)果如圖1所示.圖1中的模擬環(huán)境溫度為T(mén)= 1500 K,水汽濃度X= 5%,光程L= 10 cm,可以看到壓力升高帶來(lái)的吸收線自身展寬變大,臨近吸收譜線重疊使獨(dú)立吸收線很難分辨,直接吸收需要獲取吸收線的完整特征,并且需要零吸收基線部分,該方法在壓力升高后很難測(cè)到精確流場(chǎng)參數(shù).本文采用波長(zhǎng)調(diào)制的方法,根據(jù)選線法則[23],使Line2& Line1及Line2& Line3組成兩組吸收線對(duì),模擬壓強(qiáng)P= 5 atm,水汽濃度為1%—20%,溫度為1000—2000 K,兩組吸收線對(duì)2f /1f 峰值的比值變化如圖2所示(C1表示Line2與Line1的2f /1f 的峰值比,C2表示Line2與Line3的2f /1f 的峰值比).

從圖2中可以看出,壓強(qiáng)固定時(shí),兩對(duì)吸收線的2f /1f 峰值比隨溫度和濃度變化,并且同一濃度下,隨溫度單調(diào)變化,基于此,可利用所選吸收線對(duì)諧波信號(hào)峰值比測(cè)量流場(chǎng)溫度.波長(zhǎng)調(diào)制反演流場(chǎng)溫度的本質(zhì)是將測(cè)量和模擬的吸收線對(duì)的諧波信號(hào)直接比較,將模型中的水汽濃度和溫度輪換迭代,流程如圖3所示.具體過(guò)程如下：

表1 三條吸收線譜線參數(shù)Table 1.Spectroscopic parameters of three absorption lines.

圖1 模擬不同壓強(qiáng)下的吸光度 (a) Line1；(b) line2；(c) line3Fig.1.Simulated absorbance at different pressures：(a) Line1；(b) line2；(c) line3.

圖2 模擬兩對(duì)吸收線2f /1f 峰值比隨溫度和濃度變化 (a) Line2 & Line1；(b) Line2 & Line3Fig.2.The peak ratio of 2f /1f of the two pairs of absorption lines obtained by simulation varies with temperature and concentration：(a) Line2 & Line1；(b) Line2 & Line3.

1)為避免激光器出光強(qiáng)度擬合帶來(lái)的誤差,選擇無(wú)吸收強(qiáng)度信號(hào)作為 I0(t) ,結(jié)合譜線參數(shù)和初始流場(chǎng)條件(壓強(qiáng) P、組分濃度 X0、溫度 T0),獲得經(jīng)流場(chǎng)吸收的模擬信號(hào) It,sim(t)；

2)將模擬信號(hào) It,sim(t) 和測(cè)量的透射信號(hào)It,mea(t)經(jīng)過(guò)解調(diào)獲得對(duì)應(yīng)扣除背景的歸一化諧波信號(hào) S2f/1f,sim和 S2f/1f,mean；

3)模擬和測(cè)量的吸收線對(duì)的諧波信號(hào)峰值比分別為 Csim和 Cmean,固定初始?jí)簭?qiáng)和水汽濃度,根據(jù)相同條件下諧波信號(hào)峰值比隨溫度單調(diào)變化,更新溫度,用 T1代替 T0；

4)由其中一條吸收線的峰值,根據(jù)公式X1=(Pmean/Psim)/X0更新水汽濃度,其中 Psim,Pmean表示模擬和測(cè)量的諧波信號(hào)峰值；

5)驗(yàn)證|Csim-Cmean|＜ε & |Psim-Pmean|＜ε1迭代條件是否成立,如果成立,則上一步的溫度為流場(chǎng)溫度,不成立,則重復(fù)3)、4)兩步,直到迭代條件成立,通過(guò)模擬,正演得到三條吸收線的諧波信號(hào),利用上述方法再反演溫度,兩對(duì)吸收均可得到預(yù)設(shè)溫度值.

3 實(shí)驗(yàn)裝置

為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)便攜式測(cè)量,在實(shí)驗(yàn)室集成高溫高壓流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng),系統(tǒng)分為光源主機(jī)部分和信號(hào)處理兩部分(兩部外殼分尺寸均為250 mm×229 mm×89 mm).主機(jī)部分利用分時(shí)復(fù)用集成三只激光器,激光器均為NEL公司生產(chǎn)的分布反饋式半導(dǎo)體激光器,工作中心波長(zhǎng)分別在1392,1469,1343 nm附近,同時(shí)包括溫控、電流控制和合束器；信號(hào)處理部分包括光源分束,光耦探測(cè)器及放大電路,探測(cè)器為GPD公司生產(chǎn),型號(hào)為GAP1000 FC,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置如圖4所示.

由于常溫環(huán)境 υ0=7185.6cm-1的吸收線相對(duì)較強(qiáng),無(wú)法避免常溫段水汽吸收背景,故系統(tǒng)中加入 Λ=1343 nm的激光器,使Line2& Line3作為備用吸收線對(duì).三只激光器采用分時(shí)復(fù)用方式,每只激光器的掃描頻率為3.3 kHz,均采用正弦調(diào)制方式,調(diào)制頻率均為322 kHz,系統(tǒng)的時(shí)間分辨為0.9 ms.測(cè)量區(qū)域?yàn)槟承吞?hào)發(fā)動(dòng)機(jī)模型噴口,垂直氣流方向兩側(cè)開(kāi)孔,使激光通過(guò)測(cè)量區(qū)域,吸收后的光經(jīng)多模光纖傳輸?shù)叫盘?hào)處理部分的探測(cè)器,經(jīng)放大接入采集卡(美國(guó)NI公司生產(chǎn),型號(hào)：PCI-5105).發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后,燃料質(zhì)量流量的改變使噴口燃燒流場(chǎng)發(fā)生變化,達(dá)到某工況時(shí),流場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài),壓力傳感器和熱電偶得到的壓強(qiáng)和溫度可同時(shí)被采集.每個(gè)工況利用光譜方法采集三組吸收信號(hào),每組可得到連續(xù)的200個(gè)溫度值,試驗(yàn)過(guò)程中共采集三個(gè)工況的數(shù)據(jù),各工況狀態(tài)參數(shù)如表2所列.

圖4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.4.Device diagram of field test.

表2 不同工況參數(shù)Table 2.Parameters of different operating conditions.

4 結(jié)果與分析

激光器出光頻率-時(shí)間響應(yīng)對(duì)波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)非常關(guān)鍵,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)前對(duì)三只激光器的調(diào)制參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,根據(jù)激光器出光強(qiáng)度增加頻率下降的特性,使激光通過(guò)固體標(biāo)準(zhǔn)具,圖5為 Λ=1469 nm的激光器標(biāo)定結(jié)果圖線.

圖5中“*”表示通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具的干涉峰,實(shí)線表示根據(jù)(6)式給出的模型得到的擬合結(jié)果,該激光器的頻率-時(shí)間響應(yīng)為

同樣的方法可得到 Λ=1392nm 和Λ=1343nm兩只激光器的頻率時(shí)間響應(yīng),用于吸收模型構(gòu)建.圖6為現(xiàn)場(chǎng)第2工況采集的某組原始吸收信號(hào)和解調(diào)得到的諧波信號(hào).

圖6中上部分表示經(jīng)吸收的強(qiáng)度信號(hào),按時(shí)序分別為 Λ=1392nm ,Λ=1469nm ,Λ=1343nm三只激光器,下部分表示解調(diào)得到的諧波信號(hào),Peak1,Peak2,Peak3分別對(duì)應(yīng) ν0=7185.6cm-1,ν0=6807.8cm-1,ν0=7444.35/37cm-1三條吸收線諧波信號(hào)的峰值.可明顯看出光強(qiáng)信號(hào)由于輻射整體抬高,調(diào)制技術(shù)對(duì)整體偏移或信號(hào)緩慢變化不敏感,鎖定需要的諧波信號(hào)峰位置,即可用于反演燃燒場(chǎng)溫度.吸收線低態(tài)能級(jí)不同,線強(qiáng)最大值對(duì)應(yīng)的溫度也不同,并且低態(tài)能級(jí)越高對(duì)應(yīng)的溫度值越大,三條低態(tài)能級(jí)測(cè)量段兩側(cè)各有1.0 cm光路傳輸,該部分溫度隨測(cè)量段溫度升高而升高,反演溫度時(shí)需扣除其影響,工況1時(shí),背景吸收部分溫度較低,可利用Line1& Line2反演溫度,工況2和工況3時(shí),背景吸收部分溫度較工況1升高,Line1吸收更強(qiáng),對(duì)背景扣除不利,選用Line2& Line3反演溫度,三個(gè)工況的溫度測(cè)量結(jié)果如圖7所示.

圖5 Λ=1469nm 的標(biāo)定結(jié)果Fig.5.Calibration result of Λ=1469nm.

圖6 原始吸收信號(hào)(上)和諧波信號(hào)(下)Fig.6.Original absorption signal (top) and harmonic signal (bottom).

圖7中將每個(gè)工況連續(xù)采集的三組數(shù)據(jù)得到的溫度連續(xù)畫(huà)在一起,可以看出每個(gè)工況的溫度值相對(duì)穩(wěn)定,工況1,2,3溫度測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差分別為驗(yàn)證了測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復(fù)性.將每個(gè)工況的三組測(cè)量結(jié)果分別計(jì)算平均溫度、絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差,結(jié)果如表3所列.

表3中數(shù)據(jù)顯示,同一工況各組的測(cè)量結(jié)果差異較小,相對(duì)誤差最大值出現(xiàn)在工況3的第三組數(shù)據(jù)：5.92%.工況1,2,3的各組測(cè)量誤差及總的測(cè)量誤差均依次變大,工況1的相對(duì)誤差只有2.26%,而工況3的相對(duì)誤差達(dá)到了5.68%,這是由于工況隨時(shí)間變化時(shí),燃燒場(chǎng)壓強(qiáng)和溫度均升高,測(cè)量環(huán)境越發(fā)惡劣,精確測(cè)量的挑戰(zhàn)變大.另外測(cè)量段外側(cè)背景吸收部分更為復(fù)雜,對(duì)吸收的貢獻(xiàn)隨著測(cè)量段壓強(qiáng)升高而變大,背景扣除的難度變大,測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了利用吸收光譜諧波信號(hào)峰值反演高溫高壓環(huán)境溫度的方法,同時(shí)集成系統(tǒng)的實(shí)用性得到驗(yàn)證.

圖7 三種不同工況溫度測(cè)量結(jié)果Fig.7.Temperature measurement results of three different working conditions.

表3 測(cè)量結(jié)果Table 3.Measurement result.

5 總 結(jié)

水分子作為重要的燃燒產(chǎn)物之一,在中紅外波段具有豐富的躍遷吸收,不同的低態(tài)能級(jí)使其吸收線線強(qiáng)隨溫度變化不同,單一吸收線線強(qiáng)隨溫度為非單調(diào)變化,而合適的吸收線對(duì)峰值比隨溫度單調(diào)變化,反映在波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)中,即扣除背景的2f /1f 信號(hào)峰值比隨溫度單調(diào)變化.利用掃描式波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)測(cè)量了高溫高壓流場(chǎng)溫度,利用TDLAS技術(shù)易于集成的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了小型化,選擇H2O為目標(biāo)分子,利用時(shí)分復(fù)用方式集成三只近紅外激光器,與常規(guī)的雙波長(zhǎng)測(cè)量相比,增加了備用方案,成功解決了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的背景扣除問(wèn)題.與單純高溫流場(chǎng)相比,壓力提高,同時(shí)增加了測(cè)量難度,文中利用吸收模型和實(shí)測(cè)信號(hào)的直接比較,通過(guò)迭代方式實(shí)現(xiàn)了高溫高壓流場(chǎng)的測(cè)量,并成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中,實(shí)現(xiàn)了溫度的準(zhǔn)確測(cè)量,驗(yàn)證了該測(cè)量方法的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性.惡劣流場(chǎng)的診斷,一直是相關(guān)研究的難點(diǎn),利用諧波信號(hào)峰值迭代的方法為該類(lèi)型流場(chǎng)診斷提供了參考.同時(shí),對(duì)更高壓強(qiáng)、更高溫度的流場(chǎng)診斷還未得到驗(yàn)證,組分濃度、流速等其他流場(chǎng)參數(shù)可在未來(lái)研究中同時(shí)測(cè)量,實(shí)現(xiàn)惡劣流場(chǎng)多參數(shù)的同時(shí)測(cè)量.