基于TDLAS 的气体温度测量

1、基于TDLAS 的气体温度测量目录测量范围、特性测量方法及原理误差分析测量范围、特性在钢铁冶金、航空航天、石油化工、材料和电力等行业中, 气体温度的实时准确测量对生产工艺优化、能耗和污染降低、生产效率提高和安全生产等具有重要的意义气体温度测量技术按其工作方式可以分为两类:接触式和非接触式。前者主要有热电偶、热电阻和集成温度传感器等测温技术 1 , 它会对被测温度场产生扰动而造成测量误差, 高温或腐蚀性气体介质还会降低测温元件的寿命。后者主要有红外辐射、CCD 图像和声学测温等 1 , 它虽不会扰动被测温度场, 但受气体环境的影响较大。可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术已广泛应用于大气污

2、染物的浓度测量 2 , 3 。利用气体吸收光谱随温度变化的特性, TDLAS 技术也可以实现温度测量。该技术属于非接触式测量技术, 并具有受气体环境影响小、响应速度快和可靠性高等优点, 并且可以实现气体温度和浓度的同时测量本文研究基于TDLAS 的气体温度测量技术。由于O2 存在于大量工业过程中, 选择1 对O2 吸收谱线来进行温度测量;在搭建的高温测量实验装置上, 实现了823 1 323 K 内O2 温度和浓度的同时测量:在823 1 323 K , 温度测量的线性误差小于0. 65 %, 波动小于15 K , 并且压力变化对温度测量的影响非常小;同时还可以高精度地实现浓度的同时测量。因此

3、, 基于TDLAS 的气体温度测量技术能较好地满足众多气体温度测量需求,特别在高温、强腐蚀性和高响应速度等应用场合具有较广泛的应用前景。测量原理TDLAS 测温的核心原理是:选择合适的气体吸收谱线对使其线强之比为温度的灵敏函数, 通过测量线强之比来测量温度 4 6 。频率为的单频激光束通过长度为L 、压力为P 、温度为T 和浓度为X 的被测气体, 被测气体对激光的吸收满足Beer-Lambert 关系 7 , 即其中:I 0 和I 分别是入射激光和透射激光强度; 线型函数决定了被测气体吸收谱线的形状;该谱线的线强S(T)是T 的函数, 可表示为其中:S(T0 )为参考温度T0 下被测吸收谱线的

4、线强;Q(T0)和Q(T)分别为被测气体在T0 和T 下的配分函数;h 为普朗克常数;c 为光速;k 为玻尔兹曼常数;E为吸收谱线跃迁对应的低能级能量。Beer-Lambert 关系TDLAS 温度测量原理TDLAS 温度测量技术利用Bee r-Lamber t 关系测量2 条被测气体吸收谱线的吸收光谱, 从而测量获得该谱线对的线强之比从而可得一谱线对T时的线强之比为可见,R 是温度T 的函数。因此, 通过测量R 就可以测量T 。R 与谱线对下能级差有关, 谱线对的选择会直接影响气体温度的测量 8 , 因此选择合理的谱线对在TDLAS 温度测量中至关重要 采用调制吸收光谱技术, 使用较高频率正

5、弦波来调制激光器的工作电流, 把检测频率移到噪音较低的高频处来有效抑制1 / f 噪声, 从而实现较高的检测灵敏度调制吸收光谱技术通常使用锁相放大器检测测量激光束穿过被测气体后光透过率的二次谐波信号,在弱吸收情况下, 锁相放大器输出二次谐波信号为 9:v 为调制后激光频率;u 为正弦波调制信号的瞬时相位。式(4)表明, 二次谐波信号取决于调制幅度a 、气体压力P 、温度T 、光程L 和浓度XTDLAS 温度测量原理由式(4)可得2 条吸收谱线二次谐波信号的比值为 可见, R2 f 也是T 的函数。通过测量R2 f , 可实现T 的测量。R2 f 与T 的函数关系除了与R 有关外, 还与2 条谱

6、线的有关。不仅与T 相关, 还与P 有关。也就是说,P 的变化也会改变R 2 f , 这给利用调制吸收光谱技术测量温度带来了一定的复杂性。但是, P 变化对R 2 f 的影响非常小, 在绝大多数应用场合, 即使不考虑P 变化因素也不会影响T 测量精度。这是由于P 的变化对2 条谱线的影响几乎相同, 式(5)中部分的比值基本与P 无关“谱线对”选择O2 在近红外波段的吸收谱线及所选谱线对图示意了13 100 cm-1 附近O2 的弱吸收谱线带, 其由O2 分子的电子跃迁1 +g 3 -g 产生, 通常称为A-band 。通过测量该谱线带中的1 对谱线, 实现气体温度的测量。“谱线对”选择。选择上

7、述2 条谱线, 主要考虑:1) 所选谱线对的频率间隔较小,为0.393 cm- 1 ,落在激光器频率调谐范围内;同时该谱线对又没有发生明显重叠。2) 该对谱线的线强在测量温度范围内较大, 可测量获得信噪比较好的谱线测量数据, 从而得到较好的温度测量精度。“谱线对”选择两条谱线的S(T)及其比值与温度的关系低能级能量差越大, R 对T 的灵敏度越高。根据表1的光谱数据, 所选2 条谱线的低能级能量差为814. 77 cm- 1 。在823 1 323 K ,R 对T 的灵敏度均大于0. 9 。由于R 是R 2 f 的决定性因素, 所以R2 f 对T的灵敏度也较高。3) 在823 1 323 K

8、, 线强比值是温度的单调函数;图2 示意了2 条谱线的线强及线强比R 与温度T的关系。利用T 与R 的唯一对应关系, 测量得到R就可以得到T 。4) R 对T 的灵敏度是TDLAS 温度测量技术的一个重要指标, 表示为实验装置实验中, 石英气体室内通入空气(O2 浓度20. 95 %), 气体压力由阀门及真空泵调节, 并通过压力表准确测量。另外, 在测量光路上用高纯N2 进行吹扫, 保证测量光路上只有石英气体室中存在O2 , 避免空气中O2 的吸收对测量结果造成误差。搭建的高温实验装置如图3 所示。LD 激光器发出的激光束穿过石英气体室中的被测气体后由传感器接收。该石英气体室长30 cm ,

9、放置于加热炉的恒温区中, 恒温区温度可调节。气体室中气体的温度可通过热电偶准确测量。实验装置使用频率为7 Hz 的三角波调制LD 的驱动电流, 使LD 输出激光频率线性扫描过谱线对R23Q24和R33Q34 , 频率扫描范围为1 cm - 1 。实验中, 还使用频率为20 kHz 的正弦波调制LD 的驱动电流, 从而调制激光频率来实现调制吸收光测量。测量激光束经被测气体吸收后被硅传感器接收并转换为电信号。该信号经过放大、滤波等处理后通过锁相放大器对其40 kHz(正弦波电流调制频率的2 倍)信号分量进行相敏检测得到二次谐波信号。该二次谐波信号经放大后由A /D 采样, 并在计算机中进行处理和计

10、算。根据二次谐波信号得到气体温度、浓度值。误差分析在该温度范围内, 谱线R23Q 24 的二次谐波信号峰峰值H1 变化了 40 %,而谱线R33Q34 的二次谐波信号峰峰值H2 变化了 10 %, 两者的比值R2 f 随温度单调减小, 在823 1 323 K 变化了 40 %。利用T 与R 2 f 的单调函数关系, 测量得到R2 f 后就可以得到T 。实验数据表明,在823 1 323 K , 温度测量的线性误差为0. 65 %, 最大温度测量波动为15 K 。误差分析从式(4)可知, 在测量获得T 后可从谱线的二次谐波信号幅度获得O2 的浓度。采用谱线R23Q24 测量O2 浓度, 因为其

11、二次谐波信号幅度更强, 信噪比更高。实验数据表明, 在各个温度下, 浓度测量的最大相对误差为0. 83 %, 最大波动1.02%(相对值)。由式(5)可以知道, R2 f 不仅是T 的函数, 而且还受P 的影响。图6 给出了823 1 323 K 内R2 f 随P变化的实验数据。可以看出, R 2 f 受P 的影响较小,在823 1 323 K , 20 %的P 变化只对R2 f 产生1. 35 %的变化。由于绝大多数应用场合是在大气环境压力下, 即使不考虑大气环境压力的变化也不会影响温度测量的精度 1 NI Zhen-chu, YUAN Hong-yong, SHU Xue-ming. Pr

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