CN103411918A - 一种精确测量高温气体光谱参数的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精确测量高温气体光谱参数的装置，包括三温区高温真空管式炉、真空泵、套管、透光棒、水冷法兰；套管设置在三温区高温真空管式炉的炉腔内，套管的中段位于炉腔的恒温区，套管的两端伸出炉腔与水冷法兰连接，水冷法兰通过密封圈与套管的两端连接，使得套管的内腔气密；水冷法兰的端面上设有用于激光导入和导出的透明观察窗；套管内腔设有两根透光棒，透光棒置于炉腔两端的非恒温区内，透光棒外端紧贴透明观察窗；透光棒由支撑件支撑使得透光棒、套管、水冷法兰的轴心线相同；水冷法兰设有用于冷却水循环的进水口和出水口；其中一端的水冷法兰还设有进气口，另一端的水冷法兰设有排气口并与真空泵连接。

Description

一种精确测量高温气体光谱参数的装置
技术领域
    本发明涉及吸收光谱技术测量燃烧过程各参量领域，具体涉及一种精确测量高温气体光谱参数的装置。
背景技术
燃烧是最普遍的能量转换方式，各种航空航天发动机、工业燃烧炉等都是通过燃烧过程来转换能量的；燃烧又是一种复杂的物理化学过程,燃烧过程涉及的温度场、浓度场、速度场和压力场互相交错、相互影响、变化迅速。燃烧参数的监测为燃烧过程优化方法研究、提升发动机性能研究、新型飞行器技术研究提供了必要的分析基础。同时，对燃烧过程温度、组分浓度等参数进行实时监测对有效减少污染物的排放和提高燃料的燃烧效率有极为重要的作用。
当前燃烧监测主要依赖于传统的接触式测量技术，限制了新型节能减排技术和新型飞行器的发展。基于可调谐激光吸收光谱技术的非接触光学测量技术是一种无干扰的测试手段，在不干扰流场情况下实现动态瞬时测量和空间立体测量，能达到时间信息和空间信息的高度结合及测量数据的高速处理，已成为国际航空航天发动机等领域的热门研究课题。
基于可调谐半导体激光器的吸收光谱技术对燃烧流场组分分布、温度分布以及其它参量测量的精度和准度依赖于高温气体光谱参数的准确测量。科研中常利用HITRAN/HITEMP 光谱数据库模拟出高温气体的光谱信息，为该技术的实际应用提供理论基础。然而，模拟的高温光谱信息与实际的高温光谱信息存在偏差，因此，需要通过实验精确测量高温气体光谱参数。
精确测量高温气体光谱参数装置主要存在以下难点： 
1. 保证高温气体光谱测量的有效光程所处温度的均匀性。一般而言，商用管式高温炉靠发热元件升高温度，有加热元件的地方温度高，没有加热元件的地方温度低，工作区间存在温度梯度。若温度低于1100℃，勉强还能用像实用新型《一种高温气体光谱测量防干扰装置》中所述的氮气保护区来获得恒温有效光程；但当温度高于1100℃，甚至达到1800℃时，氮气保护区的办法已经不能满足要求。
2. 保证装置有很好的气密性。为了精确地测量待测气体的高温光谱参数，需要排除空气、水的干扰，要求充入待测气体前整个装置抽真空，整个升温降温过程中装置不漏气。
发明内容：
本发明目的是提供一种能够精确测量高温气体光谱参数的装置，以解决现有的高温气体光谱参数测量不准确的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种精确测量高温气体光谱参数的装置，包括三温区高温真空管式炉和真空泵，所述三温区高温真空管式炉的炉腔包括中间的恒温区与位于两端的非恒温区，所述三温区高温真空管式炉的炉腔还包括套管、透光棒、水冷法兰；所述套管设置在三温区高温真空管式炉的炉腔内，套管的中段位于炉腔的恒温区，所述套管的两端伸出炉腔与水冷法兰连接，所述水冷法兰通过密封圈与套管的两端气密连接；所述水冷法兰的端面上设有用于激光导入和导出的透明观察窗；所述水冷法兰设有储水腔，所述储水腔设有用于冷却水循环的进水口和出水口；其中一端的水冷法兰设有用于待测气体的进气口，另一端的水冷法兰设有排气口；所述进气口与排气阀内均设有气阀，所述排气口与真空泵连接；所述套管内腔设有两根透光棒，两根透光棒分别位于炉腔两端的非恒温区内，所述透光棒的外端紧贴透明观察窗；所述透光棒通过支撑件支撑使得透光棒、套管、水冷法兰的轴心线位于同一直线上。
套管材料要求与炉腔内温度相适配，作为优选，套管为氧化铝陶瓷材料制成。
对于透光棒材料要求与炉腔内温度相适配，作为优选，透光棒为石英玻璃制成。
作为优选，透光棒为蓝宝石材质或红宝石材质制成。
作为优选，支撑件为氧化铝陶瓷材料制成。
作为优选，透明观察窗为厚度由厚到薄的楔形玻璃。
作为优选，楔形玻璃为石英玻璃。
作为优选，密封圈为硅胶制成。
作为优选，水冷法兰设有用于对套管内压强进行显示的真空计。
作为优选，三温区高温真空管式炉带有三套温度控制装置和温度显示仪表。
本发明的有益效果是：
1. 高温气体光谱测量的有效光程所处温度均匀；
2. 能够同时准确测量待测气体的温度和压强。
3. 采用楔形观察窗玻璃以及合适的透光棒位置，能够避免光路上的干涉干扰。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一种精确测量高温气体光谱参数的装置的结构示意图。
图2为本发明设有排气口的水冷法兰结构示意图。
图中标号，1-气阀，2-真空计，3-进水口，4-套管，5-恒温区，6-三温区高温真空管式炉，7-设有排气口的水冷法兰，8-石英玻璃，9-排气口，10-单向阀，11-真空泵，12-出水口，13-支撑件，14-透光棒，15-设有进气口的水冷法兰，16-进气口，17-密封圈。
具体实施方式
本实施例是一种能够测量1800℃高温的精确测量高温气体光谱参数的装置，由三温区高温真空管式炉6、套管4、透光棒15、水冷法兰和真空泵10组成。
如图1所示，三温区高温真空管式炉6的炉腔的正中间为恒温区5，两端为非恒温区。套管4为一中空圆柱体，设置在三温区高温真空管式炉6的炉腔内，套管4的中段置于恒温区5内，套管4的两端伸出炉腔，一端与设有进气口的水冷法兰15连接，另一端与设有排气口的水冷法兰7连接。水冷法兰是通过密封圈17与套管4的两端连接，使得套管的内腔气密。
在套管4内腔设有两根圆柱形的透光棒14，透光棒位于炉腔两端的非恒温区内，其外端紧贴在水冷法兰端面所设的透明观察窗的石英玻璃，透光棒的内端伸入恒温区5的边缘处。透光棒14由支撑件13支撑使得透光棒、套管、两端的水冷法兰的轴心线相同。
设有进气口的水冷法兰15与设有排气口的水冷法兰7均设有环形的储水腔，储水腔设有冷却水循环的进水口3和出水口12（图2）。通往冷却水循环可降低法兰的温度， 以延长密封圈17的寿命，提高了装置的密封性能。
密封圈17设有两层，均为耐高温硅胶制成的密封圈。两层密封圈之间用环形件隔开。
其中设有进气口的水冷法兰15还设有用于待测气体的进气口16，设有排气口的水冷法兰7设有排气口9。进气口设有气阀1，排气口均设有单向阀10，排气口9与真空泵11连接。
上述套管、透光棒和支撑件的选用原则，是根据炉腔内最终达到的温度来选用相适配的材料，目的是保证所用材料在所设定温度下不产生变形而影响测量的准确性。
本实施例中，套管4要求能够耐受1800℃的高温，因此采用99.8%高纯度氧化铝陶瓷的材质制成。如果温度低于1800℃，也可以使用稍低纯度的氧化铝陶瓷或其他耐高温材料制成的管件。
本实施例中，透光棒14采用合成蓝宝石材质制成，使其能够耐受1800℃的高温不变形，并具有很好的透光性能，也可以使用透明的红宝石材料制成。如果温度不超过1200℃，还可以选择石英玻璃作为透光棒，具有同样的效果。
支撑件13同样采用氧化铝陶瓷制成，如果需要耐受1800℃的高温，可以使用99.8%高纯度氧化铝陶瓷材料制成。如果温度低于1800℃，可选用稍低纯度的氧化铝陶瓷或其他耐高温材料制成。
在水冷法兰的端面上设有用于激光导入和导出的观察窗。观察窗装有上厚下薄的楔形石英玻璃8（图2），观察窗之所以采用楔形玻璃，目的是减少光束干涉现象。
设有进气口的水冷法兰15设有与进气口连通的真空计2，用于显示套管4内的压强。
三温区高温真空管式炉带有三套温度控制装置和温度显示仪表。各套温度控制装置和温度显示仪表分别用于控制和显示一个温区的温度。
本实施例工作过程如下：
在测量光谱参数前，先通过真空泵11对套管4内抽真空，接着从进气口16充入室温下的待测气体（纯气或混合气），真空计2实时显示套管内的压强，达到所需压强时停止充气。通过温度控制装置设定好实验所需的温度变化曲线，打开三温区高温真空管式炉的工作开关开始加温。由可调谐半导体激光器发出的激光光束从位于左端的设有进气口的水冷法兰15观察窗入射，光束首先进入位于套管内腔左端的蓝宝石透光棒，穿过蓝宝石透光棒后进入恒温区的待测气体，携带有待测气体光谱信息的激光光束由位于套管内腔右端的蓝宝石透光棒导出，经过右端的设有排气口的水冷法兰7观察窗到达光电探测器，探测器将光信号转换为电信号送入信号采集与分析系统进行数据处理与光谱参数分析。
在本实施例中，由于高温炉内腔的温度分布不均匀，只有中间那一部分为恒温区，炉腔两端的温度存在温差为非恒温区，恒温区的温度可以精确控制。为测定在一定温度下的气体的特性（1700°），采用蓝宝石透光棒导光，其作用为在激光通过非恒温区时隔绝了温度不均匀的气体的对光的吸收，从而保证只有在恒温区的达到特定温度的气体对光有吸收。如果不用透光棒。不同温度的气体都有吸收，那么无法得到特定温度下的气体吸收特性。因此，本实施例可用于精确测量不超过1800℃的不同特定温度下气体的光谱参数。

Claims (10)

1.一种精确测量高温气体光谱参数的装置，包括三温区高温真空管式炉和真空泵，所述三温区高温真空管式炉的炉腔包括中间的恒温区与位于两端的非恒温区，其特征在于：所述三温区高温真空管式炉的炉腔还包括套管、透光棒、水冷法兰；所述套管设置在三温区高温真空管式炉的炉腔内，套管的中段位于炉腔的恒温区，所述套管的两端伸出炉腔与水冷法兰连接，所述水冷法兰通过密封圈与套管的两端气密连接；所述水冷法兰的端面上设有用于激光导入和导出的透明观察窗；所述水冷法兰设有储水腔，所述储水腔设有用于冷却水循环的进水口和出水口；其中一端的水冷法兰设有用于待测气体的进气口，另一端的水冷法兰设有排气口；所述进气口与排气阀内均设有气阀，所述排气口与真空泵连接；所述套管内腔设有两根透光棒，两根透光棒分别位于炉腔两端的非恒温区内，所述透光棒的外端紧贴透明观察窗；所述透光棒通过支撑件支撑使得透光棒、套管、水冷法兰的轴心线位于同一直线上。
2.根据权利要求1所述的精确测量装置，其特征在于：所述套管为氧化铝陶瓷材料制成。
3.根据权利要求1所述的精确测量装置，其特征在于：所述透光棒为石英玻璃制成。
4.根据权利要求1所述的精确测量装置，其特征在于：所述透光棒为蓝宝石材质或红宝石材质制成。
5.根据权利要求1所述的精确测量装置，其特征在于：所述支撑件为氧化铝陶瓷材料制成。
6.根据权利要求1所述的精确测量装置，其特征在于：所述透明观察窗为厚度由厚到薄的楔形玻璃。
7.根据权利要求6所述的精确测量装置，其特征在于：所述楔形玻璃为石英玻璃。
8.根据权利要求1所述的精确测量装置，其特征在于：所述密封圈为硅胶制成。
9.根据权利要求1所述的精确测量装置，其特征在于：所述水冷法兰设有用于对套管内压强进行显示的真空计。
10.根据权利要求1所述的精确测量装置，其特征在于：所述三温区高温真空管式炉带有三套温度控制装置和温度显示仪表。
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