CN103969218A - 基于紫外激光吸收光谱的非接触式火焰温度及oh基浓度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于紫外激光吸收光谱的非接触式火焰温度及OH基浓度测量装置及测量方法，所述测量装置包括Nd:YAG激光器、可调谐染料激光器、小孔光阑、分束镜、一号光电探测器、二光号电探测器、燃烧器、氧气气瓶、氮气气瓶、燃料气瓶、一号流量计、二号流量计、三号流量计、预混罐、示波器、计算机。相较于其它测量方法，本方法可以同时定量测量火焰温度及火焰中OH自由基浓度信息。并且由于染料激光器具有非常广泛的调谐范围，本装置及方法具有测量多种火焰中自由基组分的潜力。本发明丰富了激光燃烧诊断的测量范围，给燃烧学定量研究提供了新的技术手段。

Description

基于紫外激光吸收光谱的非接触式火焰温度及OH基浓度测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于能源动力及光电子学领域，涉及一种基于紫外激光吸收光谱的火焰温度及组分浓度测量装置及利用该装置对火焰温度及组分浓度进行测量的方法。

背景技术

温度是表征物体冷热程度的物理量，是分子热运动的宏观表现。对温度的测量只能通过物质外在特性随温度变化的表现来间接测量。火焰温度在燃烧过程中起着至关重要的作用，它与化学反应动力学、污染物与粉尘的形成、能量释放率及总的燃烧效率具有密切的关系。在实际燃烧系统中，如航空发动机、内燃机、工业锅炉等火焰温度直接决定着燃烧器的性能，如推力、功率、燃料利用率等。因此准确的温度测量无论对于验证基础研究理论与数值模型还是分析改进实际燃烧装置均具有非常重要的意义。

自由基在火焰中的浓度测量，对于燃烧过程研究同样具有重要意义。OH基是碳氢燃料燃烧时的重要中间产物，并且大量存在于大多数燃烧过程中，对OH基浓度的测量可用来判定化学反应区域、分析化学反应过程、研究燃烧场流场结构、分析燃烧效率、研究流动与化学反应的耦合等。

现有的火焰温度和自由基浓度测量方法主要分为两类，接触式测量与非接触式测量。接触式测量以热电偶测温最为典型，但这些手段普遍存在着一些固有的缺点，由于容易干扰流场或受到不良干扰，结果一般需要谨慎校正；测量的适用范围有限，使用范围有限；由于接触式物理探针尺寸及响应速度限制，缺乏足够的空间和时间分辨率。尤其在燃烧室环境内高速、高温、高压、非稳态等特性往往使得传统的诊断手段难以胜任。而以TDLAS为代表的非接触式光谱测量技术由于目前半导体激光器输出光谱范围的限制，通常以火焰中CO₂、H2O等燃烧产物为主要测量对象，而对于OH基等火焰中间产物难以进行准确的定量测量。

发明内容

为了解决同时测量火焰温度及OH基浓度的高精度非接触式测量问题，本发明提供了一种以可调谐紫外激光作为光源的基于吸收光谱原理的火焰温度及OH基浓度测量装置及测量方法，实现了同时对火焰温度及OH基浓度的非接触式高精度测量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于紫外激光吸收光谱的非接触式火焰温度及OH基浓度测量装置，包括Nd:YAG激光器、可调谐染料激光器、小孔光阑、分束镜、一号光电探测器、二光号电探测器、燃烧器、氧气气瓶、氮气气瓶、燃料气瓶、一号流量计、二号流量计、三号流量计、预混罐、示波器、计算机，沿光轴方向依次设置有Nd:YAG激光器、可调谐染料激光器、小孔光阑、分束镜、燃烧器、二光号电探测器，一号光电探测器位于分束镜的正下方，一号光电探测器和二光号电探测器与示波器连接，示波器与计算机连接；燃气气瓶的出气口、氧气气瓶的出气口、氮气气瓶的出气口分别与预混罐的三个进气口连通；一号流量计、二号流量计、三号流量计分别设置在燃气气瓶、氧气气瓶、氮气气瓶的出气口处；预混罐的出气口与燃烧器入气口连通。

利用上述装置测量火焰温度及组分浓度的方法，由以下步骤实现：

步骤一：利用Nd:YAG激光器激光泵浦可调谐染料激光器，染料激光经倍频后输出紫外波段激光。

步骤二：紫外波段激光经过小孔光阑后入射到分束镜表面，由分束镜分束后分别射入一号光电探测器及二号光电探测器中。

步骤三：通过改变Nd:YAG激光器泵浦光强改变染料激光器输出的紫外波段激光光强，紫外波段激光入射到一号光电探测器、二号光电探测器中，其响应信号被示波器采集到并通过计算机记录下来。用线性拟合方法拟合不同紫外波段激光光强下入射一号光电探测器及二号光电探测器光强的标定关系。

步骤四：打开氧气气瓶、氮气气瓶、燃料气瓶与一号流量计、二号流量计、三号流量计阀门，经预混罐混合后，点燃被测火焰，紫外波段激光透射过分束镜后经燃烧区域入射到二号光电探测器中。将可调谐染料激光器的输出波长调谐到OH基的吸收峰光谱范围内，通过光栅扫描改变染料激光器的输出波长，扫过OH基吸收峰的光谱范围。

步骤五：光栅扫描的同时利用示波器采集一号光电探测器、二号光电探测器的响应信号，并用计算机记录数据。

步骤六：选择另外一支合适的OH基吸收峰，重复步骤四及步骤五的过程。

步骤七：利用步骤三中获得的标定关系处理计算机中记录到的数据，获得火焰中该位置处的温度及OH基浓度信息。

步骤八：移动燃烧器位置，重复步骤五至步骤七，对火焰中不同位置进行测量。

相较于其它测量方法，本方法可以同时定量测量火焰温度及火焰中OH自由基浓度信息。并且由于染料激光器具有非常广泛的调谐范围，本装置及方法具有测量多种火焰中自由基组分的潜力。传统的CARS、TDLAS等测量方法主要以火焰中稳态产物或N2等非燃烧气体为测量对象，对火焰中反应火焰结构、火焰燃烧状态的OH基等自由基中间产物缺乏测量能力。本发明丰富了激光燃烧诊断的测量范围，给燃烧学定量研究提供了新的技术手段。

附图说明

图1为本发明火焰温度及OH基浓度测量装置示意图；

图2为标定一号紫外探测器及二号紫外光电探测器入射光强比例关系拟合结果；

图3为用本方法测量的典型火焰中OH基A-X(0，0)Q₁(8)吸收峰及其拟合曲线；

图4为用本方法测量的典型火焰中OH基A-X(0，0)R₂(4)吸收峰及其拟合曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，本发明提供的基于紫外激光吸收光谱的非接触式火焰温度及OH基浓度测量装置，包括Nd:YAG激光器1、可调谐染料激光器2、小孔光阑3、分束镜4、一号光电探测器5、二光号电探测器6、燃烧器16、氧气气瓶9、氮气气瓶10、燃料气瓶11、一号流量计12、二号流量计13、三号流量计14、预混罐15、示波器7、计算机8，其中：沿光轴方向依次设置有Nd:YAG激光器1、可调谐染料激光器2、小孔光阑3、分束镜4、燃烧器16、二光号电探测器6，一号光电探测器5位于分束镜4的正下方，一号光电探测器5和二光号电探测器6与示波器7连接，示波器7与计算机8连接。燃气气瓶11内充入可燃气体，氧气气瓶9内充入氧气，氮气气瓶10内充入氮气；所述燃气气瓶11的出气口、氧气气瓶9的出气口、氮气气瓶10的出气口分别与预混罐15的三个进气口连通；一号流量计12、二号流量计13、三号流量计14分别设置在燃气气瓶11、氧气气瓶9、氮气气瓶10的出气口处；预混罐15的出气口与燃烧器16入气口连通。

上述装置中，Nd:YAG激光器输出激光重频为2～100Hz；激光中心波长532nm；激光脉宽10ns；激光单脉冲能量为30mJ至60mJ。泵浦光被注入到染料激光器中，染料激光器选用DCM、PM580共掺染料，经倍频后输出紫外激光，单脉冲能量约为1mJ，激光线宽约为0.1cm^-1。

上述装置中，小孔光阑直径为1mm，分束镜为熔融石英基片，一号光电探测器与二号光电探测器为PIN探测器，光谱响应范围200nm-1100nm。

利用上述装置测量的方法由以下步骤实现：

步骤一：利用Nd:YAG激光泵浦可调谐染料激光器，染料激光经倍频后输出紫外波段激光。

步骤二：紫外波段激光经过小孔光阑后入射到分束镜表面，由分束镜分束后分别射入一号光电探测器及二号光电探测器中。

步骤三：通过改变Nd:YAG激光器泵浦光强改变染料激光器输出的紫外激光光强，紫外激光入射到一号光电探测器、二号光电探测器中，其响应信号被示波器采集到并通过计算机记录下来。用线性拟合方法拟合不同紫外光强下入射一号光电探测器及二号光电探测器光强的定标关系，拟合结果如图2所示。

步骤四：打开气瓶与流量计阀门，点燃被测火焰，紫外激光透射过分束镜后经燃烧区域入射到二号紫外光电探测器中。将可调谐染料激光器的输出波长调谐到OH基的吸收峰范围内，通过光栅扫描改变染料激光器的输出波长，扫过OH基吸收峰的光谱范围。

步骤五：光栅扫描的同时利用示波器采集一号光电探测器、二号光电探测器的响应信号，并用计算机记录数据。

步骤六：选择另外一支合适的OH基吸收峰，重复步骤四及步骤五的过程。

步骤七：利用步骤三中获得的标定关系处理计算机中记录到的数据，获得火焰中该位置处的温度及OH基浓度信息。

步骤八：移动燃烧器位置，重复步骤五至步骤七，对火焰中不同位置进行测量。

步骤三中通过改变泵浦光能量改变紫外激光单脉冲能量，每个泵浦光能量采集30组数据求平均值消除随机误差。改变5至7次泵浦光能量，根据不同能量下一号光电探测器与二号光电探测器响应信号的数据拟合二者之间的定标关系。

步骤四与步骤六中OH基吸收峰为X²Π(v″＝0)中转动能级与A²Σ(v′＝0)中转动能级之间的跃迁，光谱范围在306nm至311nm附近。染料激光器光栅扫描步长为0.1pm，扫描吸收峰时染料激光器光栅扫描范围为30pm。

步骤五中在光栅扫描的每一步即每一个输出波长处采集30组数据，取平均值消除随机误差。

图3和图4为典型火焰中某位置的OH基A-X(0，0)跃迁中R2(4)及Q1(8)两支吸收峰，根据测量原理可以计算得到火焰中该位置温度约为1923K，OH基浓度为14000PPM。

测量原理：

假设入射到一号光电探测器的光强为I₁，入射到二号光电探测器的光强为I₂，根据步骤三中的拟合得到的定标关系I₂＝A×I₁+B，其中A、B分别为线性拟合的斜率和截距。

根据朗伯比尔定律透过火焰前后的光强满足如下公式：

I₂′＝I₀e^-αL，其中I₀为透过火焰之前的入射光强，入射光强可由之前的定标关系求得，即：I₀＝I₂＝A×I₁+B。

根据朗伯比尔定律I₂′＝I₂e^-αL，其中α＝PX_OHS(T)Φ(υ)，P为总压力、X_OH为浓度、S(T)为吸收线强度随温度的函数、Φ(υ)为伏伊特线性函数。

两条吸收线的积分吸收比

$R=\frac{\underset{{\mathrm{\υ}}_1}{\overset{{{\mathrm{\υ}}_1}^{\′}}{\∫}}{\mathrm{PX}}_{\mathrm{OH}}S\left(T\right)\mathrm{\Φ}(\mathrm{\υ}-{\mathrm{\υ}}_{01})\mathrm{d\υ}}{\underset{{\mathrm{\υ}}_2}{\overset{{{\mathrm{\υ}}_2}^{\′}}{\∫}}{\mathrm{PX}}_{\mathrm{OH}}S\left(T\right)\mathrm{\Φ}(\mathrm{\υ}-{\mathrm{\υ}}_{02})\mathrm{d\υ}}=\frac{S_1\left(T\right)}{S_2\left(T\right)}=\frac{S_1\left(T_0\right)}{S_2\left(T_0\right)}\exp [-\left(\frac{\mathrm{hc}}{k}\right)({E_1}^{\′}-{E_2}^{\′})(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0})].$

利用伏伊特线型拟合测得的吸收峰计算出积分吸收比即可计算出火焰温度T，带入α＝PX_OHS(T)Φ(ν)中即可计算得到火焰中OH基浓度。

Claims (8)

1.一种基于紫外激光吸收光谱的非接触式火焰温度及OH基浓度测量装置，其特征在于所述测量装置包括Nd:YAG激光器、可调谐染料激光器、小孔光阑、分束镜、一号光电探测器、二光号电探测器、燃烧器、氧气气瓶、氮气气瓶、燃料气瓶、一号流量计、二号流量计、三号流量计、预混罐、示波器、计算机，沿光轴方向依次设置有Nd:YAG激光器、可调谐染料激光器、小孔光阑、分束镜、燃烧器、二光号电探测器，一号光电探测器位于分束镜的正下方，一号光电探测器和二光号电探测器与示波器连接，示波器与计算机连接；燃气气瓶的出气口、氧气气瓶的出气口、氮气气瓶的出气口分别与预混罐的三个进气口连通；一号流量计、二号流量计、三号流量计分别设置在燃气气瓶、氧气气瓶、氮气气瓶的出气口处；预混罐的出气口与燃烧器入气口连通。

2.根据权利要求1所述的基于紫外激光吸收光谱的非接触式火焰温度及OH基浓度测量装置，其特征在于所述Nd:YAG激光器输出激光重频为2～100Hz；激光中心波长532nm；激光脉宽10ns；激光单脉冲能量为30mJ至60mJ。

3.根据权利要求1所述的基于紫外激光吸收光谱的非接触式火焰温度及OH基浓度测量装置，其特征在于所述可调谐染料激光器选用DCM、PM580共掺染料。

4.根据权利要求1所述的基于紫外激光吸收光谱的非接触式火焰温度及OH基浓度测量装置，其特征在于所述小孔光阑直径为1mm。

5.根据权利要求1所述的基于紫外激光吸收光谱的非接触式火焰温度及OH基浓度测量装置，其特征在于所述分束镜为熔融石英基片。

6.根据权利要求1所述的基于紫外激光吸收光谱的非接触式火焰温度及OH基浓度测量装置，其特征在于所述一号光电探测器与二号光电探测器为PIN探测器。

7.根据权利要求6所述的基于紫外激光吸收光谱的非接触式火焰温度及OH基浓度测量装置，其特征在于所述探测器的光谱响应范围200-1100nm。

8.一种利用权利要求1-7任一权利要求所述的基于紫外激光吸收光谱的非接触式火焰温度及OH基浓度测量装置测量非接触式火焰温度及OH基浓度的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

步骤一：利用Nd:YAG激光器泵浦可调谐染料激光器，染料激光经倍频后输出紫外波段激光；

步骤二：紫外波段激光经过小孔光阑后入射到分束镜表面，由分束镜分束后分别射入一号光电探测器及二号光电探测器中；

步骤三：通过改变Nd:YAG激光器泵浦光强改变可调谐染料激光器输出的紫外波段激光光强，紫外波段激光入射到一号光电探测器、二号光电探测器中，其响应信号被示波器采集到并通过计算机记录下来；用线性拟合方法拟合不同紫外波段激光光强下入射一号光电探测器及二号光电探测器光强的标定关系；

步骤四：打开氧气气瓶、氮气气瓶、燃料气瓶与一号流量计、二号流量计、三号流量计阀门，经预混罐混合后，点燃被测火焰，紫外波段激光透射过分束镜后经燃烧区域入射到二号光电探测器中；将可调谐染料激光器的输出波长调谐到OH基的吸收峰光谱范围内，通过光栅扫描改变可调谐染料激光器的输出波长，扫过OH基吸收峰的光谱范围；

步骤五：光栅扫描的同时利用示波器采集一号光电探测器、二号光电探测器的响应信号，并用计算机记录数据；

步骤六：选择另外一支合适的OH基吸收峰，重复步骤四及步骤五的过程；

步骤七：利用步骤三中获得的标定关系处理计算机中记录到的数据，获得火焰中该位置处的温度及OH基浓度信息；

步骤八：移动燃烧器位置，重复步骤五至步骤七，对火焰中不同位置进行测量。