CN103175634B

CN103175634B - Tdlas温度校准系统

Info

Publication number: CN103175634B
Application number: CN201310048162.8A
Authority: CN
Inventors: 贾军伟; 张书锋; 金光远; 柴昊; 杨力; 刘展; 张明志
Original assignee: 514 Institute of China Academy of Space Technology of CASC
Current assignee: 514 Institute of China Academy of Space Technology of CASC
Priority date: 2013-02-06
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2033-02-06
Also published as: CN103175634A

Abstract

TDLAS温度校准系统，用于实现对TDLAS温度测量的校准，其特征在于，包括标准传感器温度测量系统和被校准的在真空环境下测量气体温度的TDLAS温度测量系统，所述TDLAS温度测量系统中的光学系统位于恒温槽中，所述光学系统的壳体与所述恒温槽周壁之间具有恒温液，所述标准传感器温度测量系统中的标准传感器位于所述恒温液内。

Description

TDLAS温度校准系统

技术领域

本发明涉及真空环境下气体温度测量与校准技术，特别是一种TDLAS温度校准系统，所述TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）是指可调谐二极管激光吸收光谱技术。

背景技术

真空环境不仅会导致温度传感器表面材料解吸，而且其传热机理与常压不同，如在真空环境中，固体表面到气层间存在“温度突变现象”，因此采用常压下标定和校准的温度传感器测量真空环境下气体温度存在诸多不确定性因素。本发明人认为，利用热电偶温度传感器对TDLAS在真空环境下气体温度的测量进行校准能够有效提高真空环境下气体温度测量的确定性。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种TDLAS温度校准系统，所述TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）是指可调谐二极管激光吸收光谱技术。

本发明的技术方案如下：

TDLAS温度校准系统，其特征在于，包括标准传感器温度测量系统和被校准的在真空环境下测量气体温度的TDLAS温度测量系统，所述TDLAS温度测量系统中的光学系统位于恒温槽中，所述光学系统的壳体与所述恒温槽周壁之间具有恒温液，所述标准传感器温度测量系统中的标准传感器位于所述恒温液内。

所述标准传感器采用一等标准铂电阻温度计，所述一等标准铂电阻温度计连接温度显示仪表。

所述光学系统包括光学透镜组，所述光学透镜组的上端连接激光系统，所述光学透镜组的下端通过接收光纤连接数据处理系统。

所述光学系统附设有接收光纤通道。

所述光学系统通过抽气管路连接真空抽气系统。

所述光学系统通过供气管路连接待测气体供气系统。

所述待测气体采用C₂H₂气体。

所述待测气体供气系统包括混气罐，所述混气罐通过第一截止阀管路连接气体罐，并通过第二截止阀管路连接机械泵。

所述数据处理系统包括与所述接收光纤连接的锁相放大器，所述锁相放大器连接数据采集系统，所述数据采集系统连接数据分析系统，所述数据分析系统连接数据显示系统。

所述激光系统包括激光器，所述激光器连接激光控制单元，所述激光控制单元连接信号调制单元，所述信号调制单元连接信号发生器，所述信号调制单元连接所述锁相放大器。

本发明技术效果如下：本发明通过恒温槽提供均匀稳定的温场，在均匀的温场中TDLAS校准真空室、恒温槽和一等标准温度传感器达到温度平衡。TDLAS温度校准系统既能够通过TDLAS温度测量系统得到真空条件下待测气体分子的温度，与此同时又能够通过一等标准铂电阻得到恒温液的温度，并将待测气体分子的温度与一等标准铂电阻的温度进行比对，实现对TDLAS温度测量的校准。

附图说明

图1是实施本发明的TDLAS温度测量系统结构示意图。

图2是实施本发明的TDLAS温度测量系统另一结构示意图。

图3是待测气体C₂H₂分子1.53um附近处吸收谱线分布图。

附图标记列示如下：100-数据处理系统；200-激光系统；300-光学系统；400-标准传感器温度测量系统；500-待测气体供气系统；600-真空抽气系统；1-数据分析系统；2-数据采集系统；3-锁相放大器；4-数据显示系统；5-信号发生器；6-信号调制单元；7-激光控制单元；8-DFB（distributed feed back）激光器；9-光电探测器；10-接收光纤；11-恒温槽液面；12-光学透镜组；13-光学真空腔；14-一等标准铂电阻温度计；15恒温槽；16-温度显示仪表；17-供气管路；18-混气罐；19，20，24-截止阀；21-（高纯）气体罐；22-机械泵；23-抽气管路；25-插板阀；26-分子泵；27-机械泵；28-接收光纤通道。

具体实施方式

下面结合附图（图1-图3）对本发明进行说明。

图1是实施本发明的TDLAS温度测量系统结构示意图。图2是实施本发明的TDLAS温度测量系统另一结构示意图。如图1和图2所示，TDLAS温度校准系统，包括标准传感器温度测量系统400和被校准的在真空环境下测量气体温度的TDLAS温度测量系统，所述TDLAS温度测量系统中的光学系统300位于恒温槽15中，所述光学系统300的壳体与所述恒温槽15周壁之间具有恒温液（其达到恒温槽液面11位置），所述标准传感器温度测量系统400中的标准传感器（例如，一等标准铂电阻温度计14）位于所述恒温液内。所述标准传感器采用一等标准铂电阻温度计14，所述一等标准铂电阻温度计14连接温度显示仪表16。所述光学系统300包括光学透镜组12，所述光学透镜组12的上端连接激光系统200，所述光学透镜组12的下端通过接收光纤10连接数据处理系统100。所述光学系统300附设有接收光纤通道28。所述光学系统300通过抽气管路23连接真空抽气系统600。所述光学系统300通过供气管路17连接待测气体供气系统500。所述待测气体采用C₂H₂气体，待测气体C₂H₂分子1.53um附近处吸收谱线分布如图3，横轴为波长，波长单位为nm，标注范围1510～1545，纵轴为线强度，单位为每平方厘米每大气压，标注范围0.00～0.35。所述待测气体供气系统500包括混气罐18，所述混气罐18通过第一截止阀20管路连接气体罐21，并通过第二截止阀19管路连接机械泵22。所述数据处理系统100包括与所述接收光纤10连接的锁相放大器3，所述锁相放大器3连接数据采集系统2，所述数据采集系统2连接数据分析系统1，所述数据分析系统1连接数据显示系统4。所述激光系统200包括激光器8，所述激光器8连接激光控制单元7，所述激光控制单元7连接信号调制单元6，所述信号调制单元6连接信号发生器5，所述信号调制单元6连接所述锁相放大器3。所述真空抽气系统600包括截止阀24、插板阀25、分子泵26和机械泵27。

TDLAS技术经过多年的发展已逐渐成熟，已广泛地应用于各种环境下气体温度和浓度的在线测量。TDLAS温度测量原理如下：当一束波长为v的单色激光穿越待测气体介质时，由于气体分子的吸收作用使得激光强度发生变化，而根据激光强度的变化即可以推导出待测气体的温度。

TDLAS温度测量系统主要包括五个部分，激光系统、光学系统、数据处理系统、温度传感器系统和真空抽气系统。激光系统是用来产生特定频率的窄带激光，输出激光通过光纤入射到光学系统中，入射激光在光学系统中经过多次反射并被待测气体吸收，透射激光经透镜聚焦会聚到光电探测器中，并将光信号转化成电信号输入到数据处理系统中进行分析和计算，最后得到各种真空环境下气体的温度。

激光系统是用来产生特定频率的窄带激光，其主要由信号发生器、锁相放大器、激光器控制单元、加法器、激光器底座、DFB半导体激光器、光纤和准直透镜等组成。在实验过程中，信号发生器产生的低频锯齿波（扫描信号）和锁相放大器产出的高频正弦波（调制信号）经加法器叠加后加载在激光器控制单元，驱动DFB半导体激光器的波长在特征谱线处发生扫描和调制，产生的激光由光纤输出并通过透镜准直后入射到光学系统中。激光系统参数如下：中心波长：1531.0nm，可测量C₂H₂、CO、CO₂等气体；调谐范围：±1.0nm，通过激光器的温度和电流调谐；激光功率：10mW；激光带宽：20MHz，小于谱线线宽的百分之一；工作电流：（0～150）mA；工作温度：（15～40）°C；工作电压：220V；扫描频率：（10～100）Hz；调制频率：（5～20）kHz。

数据处理系统是通过分析和计算激光强度变化得到待测气体的温度，其主要由光电探测器、锁相放大器、数字示波器、计算机和数据处理软件等组成。在实验过程中，光电探测器将激光信号转换成电信号，并将电信号输入到锁相放大器中进行谐波检测，而输出的谐波信号由数字示波器和计算机操作系统采集和记录，然后通过自行编写的数据处理软件对上述数据进行分析和计算，进而得到待测气体的温度。

光学系统：DFB激光器输出的激光进入光学系统中被待测气体分子特征谱线吸收，光学系统主要由高反射率CRD（cavity ring-down，光腔衰荡）反射镜、反射镜支架、固定支架法兰、样品室、光学调整架和聚焦透镜等光学元件组成。在实验过程中，首先利用514所提供的真空抽气系统将样品室抽至极限真空，然后充入待测气体，并根据实验需要将样品室抽至某个真空度；与此同时，激光系统产生的特定频率激光由低部窗口入射到样品室中，激光光束在两块CRD反射镜之间多次反射并被气体特征谱线吸收，透射激光由底部窗口输出并通过聚焦透镜会聚到光纤中，并通过光电探测器接收，光学系统参数如下：CRD镜片反射率：99.99%；样品室极限真空：1.0×10^-4Pa；工作压力范围：1.0×10^-2Pa～1.0×10⁵Pa。恒温槽作为稳定热源。TDLAS温度测量系统主要由激光系统、光学系统和数据处理系统三大部分组成。在实验过程中，激光系统产生特定频率的窄带激光由光纤输出，输出激光经透镜准直后入射到光学系统中，入射激光在两片高反射率CRD镜片之间经过多次反射并被待测气体分子特征谱线吸收，透射激光经透镜聚焦后由光电探测器接收，并将光信号转换成电信号输入到锁相放大器中进行谐波检测，然后通过数据处理系统对实验数据进行分析和计算，从而得到气体分子的温度。与此同时，一等标准铂电阻作为温度标准测量恒温槽的温度，并将其与TDLAS温度测量系统测量得到的温度进行比对。

当真空度较高时，单位体积内的气体分子数量很少，因此需要选取吸收强度大的气体分子作为待测气体。本项研究在考虑到激光系统、光学系统工作特征的同时，对目前国际上通用的吸收光谱数据库Hitran2008进行了详细地分析和计算，拟采用C₂H₂分子1.53μm附近的特征吸收谱线作为研究对象（如图3所示），该谱线不仅具有吸收强度大、不宜被干扰、光谱常数齐全等优点，而且测量温度时具有较高的灵敏度和精度。另外，1.53μm附近的激光系统和光学系统技术成熟且便于实验操作，同时还可以用于CO₂、CO等气体温度和浓度的测量。

在TDLAS温度测量技术中，特征谱线光谱常数的测量精度直接决定着气体温度的测量精度，而Hitran2008数据库中的光谱常数都是国内外科研工作者基于理论计算或实验研究得到的，因此往往存在一定的不确定度。为此本项研究首先需要通过实验精确标定出C₂H₂分子特征谱线的光谱常数，主要包括碰撞增宽系数、温度指数、谱线线强度等常数，并通过理论分析计算上述光谱常数的不确定度，然后再根据实验标定得到光谱常数测量各种真空环境下气体温度。

在上述研究的基础上，通过改变恒温槽的温度和样品室的真空度，利用TDLAS温度测量技术研究各种真空度和温度条件下样品室中气体分子对激光的吸收作用，并根据吸收信号和数据处理系统推导出待测气体的温度。与此同时，利用一等标准铂电阻作为标准对TDLAS温度测量进行比对校准。

在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims

1.TDLAS温度校准系统，其特征在于，包括标准传感器温度测量系统和被校准的在真空环境下测量气体温度的TDLAS温度测量系统，所述TDLAS温度测量系统中的光学系统位于恒温槽中，所述光学系统的壳体与所述恒温槽周壁之间具有恒温液，所述标准传感器温度测量系统中的标准传感器位于所述恒温液内；所述标准传感器采用一等标准铂电阻温度计，所述一等标准铂电阻温度计连接温度显示仪表；所述光学系统包括光学透镜组，所述光学透镜组的上端连接激光系统，所述光学透镜组的下端通过接收光纤连接数据处理系统；所述光学系统附设有接收光纤通道；所述光学系统通过抽气管路连接真空抽气系统；所述光学系统通过供气管路连接待测气体供气系统。

2.根据权利要求1所述的TDLAS温度校准系统，其特征在于，所述待测气体采用C₂H₂气体。

3.根据权利要求1所述的TDLAS温度校准系统，其特征在于，所述待测气体供气系统包括混气罐，所述混气罐通过第一截止阀管路连接气体罐，并通过第二截止阀管路连接机械泵。

4.根据权利要求1所述的TDLAS温度校准系统，其特征在于，所述数据处理系统包括与所述接收光纤连接的锁相放大器，所述锁相放大器连接数据采集系统，所述数据采集系统连接数据分析系统，所述数据分析系统连接数据显示系统。

5.根据权利要求4所述的TDLAS温度校准系统，其特征在于，所述激光系统包括激光器，所述激光器连接激光控制单元，所述激光控制单元连接信号调制单元，所述信号调制单元连接信号发生器，所述信号调制单元连接所述锁相放大器。