CN107367570B - 一种化石燃料燃烧温度与气体浓度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种化石燃料燃烧温度与气体浓度测量方法，基于准固定波长，能够实现μs量级上的温度及CO、CO2气体浓度的同时空检测方法，其中，本发明可以达到μs量级的时间分辨测量，并且，针对CO2和CO浓度的探测灵敏度可达到ppb水平，对温度的测量准确度优于±1％。
Description
技术领域
本发明涉及一种化石燃料燃烧温度与气体浓度测量方法，属于化石燃料燃烧气体检测技术领域。
背景技术
对于化石燃料的燃烧而言，燃料利用率和燃烧效率常被同时用作其评价指标，简单起见，燃料利用率可以通过燃烧温度体现，燃烧效率目前一般常用燃烧气体中CO2含量与CO2含量和CO含量之和间的比值表示；作为一种重要的温室气体及化石燃料燃烧的主要产物，CO2的排放被严格控制，同时CO2在化石燃料燃烧过程中的气化反应对燃烧速率有重要影响；因此，燃烧场中温度及CO2和CO组分浓度在相同时空维度上的时间演变信息对于燃烧充分性的判定具有重要意义，同时也是认识及建立高热效率的燃烧机理及概念模型、进而设计高效燃烧室的前提。
传统的热电偶测温属于接触式测量，不但会对待测流场产生干扰，易被测量环境中高温高压高流速的气体毁坏，而且测温范围有限，缺乏足够的空间和时间分辨率。调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)用于燃烧流场的温度测量时不会干扰待测流场，具有高灵敏度、高的谱分辨率、快速的响应时间、大的动态测量范围、多参量同时测量等优点，受到了越来越多的关注。但已有的基于TDLAS技术的燃烧诊断研究大多是对温度或者单一碳氧化合物分子进行测量，仅有的部分多参数研究也是在不同时间或者空间上进行测量，且未见有对上述参数μs量级时间演变规律的研究，因此对于燃烧效率的判定及复杂瞬变环境下燃烧模型的建立帮助有限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种化石燃料燃烧温度与气体浓度测量方法，基于准固定波长，能够实现μs量级上的温度及CO、CO2气体浓度的同时空检测方法。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种化石燃料燃烧温度与气体浓度测量方法，包括如下步骤：
步骤A.采用激光器测量技术，获得不同温度、气压环境下，CO和CO2分别所对应谱线的最佳次数谐波信号；
步骤B.根据不同温度、气压环境下，CO2所对应谱线的谱线参数、最佳次数谐波信号，以及步骤A中的激光器特性参数，基于目标化石燃料的理论燃烧温度范围和理论燃烧压力范围，建立CO2温度反演模型；
步骤C.首先采用双激光器分别接收由高频正弦波和低频正弦波相叠加的叠加信号进行工作，分别产生激光束，并经光纤耦合器针对两激光束进行耦合，然后将耦合后的激光束穿过内置正在燃烧目标化石燃料的开放式积分腔后，由光电探测器接收，并经锁相放大器进行解调，获得目标化石燃料燃烧所对应的1条CO对应的谱线、以及2条CO2对应的谱线；其中，各激光器分别所对应叠加信号中低频正弦波的频率彼此相同；
步骤D.针对所获目标化石燃料燃烧对应的1条CO对应的谱线、以及2条CO2对应的谱线进行解调，获得1条CO谱线的最佳次谐波信号，以及2条CO2谱线分别对应的最佳次谐波信号；
步骤E.针对2条CO2谱线分别对应的最佳次谐波信号，分别去除其中的背景信号，获得2条CO2谱线分别所对应的吸收相关信号；
步骤F.测量、并根据开放式积分腔内的气压，将2条CO2谱线分别所对应吸收相关信号的幅值比与CO2温度反演模型进行对比，获得开放式积分腔内气体的温度；
步骤G.基于开放式积分腔内的气压，以及开放式积分腔内气体的温度，获得该温度、气压环境下，CO和CO2分别所对应谱线最佳次数谐波信号中的吸收相关信号，并针对该CO和CO2分别所对应吸收相关信号的峰值分别进行反演，分别获得CO和CO2的浓度。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A中，分别针对CO气体和CO2气体，采用单激光器测量技术，获得不同温度、气压环境下，气体所对应谱线的最佳次数谐波信号。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A中，分别针对CO气体和CO2气体，将气体通入密封样品池管道，针对通过密封样品池管道的激光，按如下步骤进行测量，获得不同温度、气压环境下，气体所对应谱线的最佳次数谐波信号；
步骤A1.以室温作为样品池管道内的当前温度，并进入步骤A2；
步骤A2.针对样品池管道进行抽真空处理，测量当前温度下真空样品池管道分别对应各次谐波信号的背景信号，然后进入步骤A3；其中，各次谐波信号为1次谐波信号至M次谐波信号的各次谐波信号，M为预设最大次谐波信号；
步骤A3.向样品池管道注入目标气体、以及不与激光相融合的保护气体，并通过调节不与激光相融合的保护气体的注入量，控制样品池管道中气压为预设初始气压值，作为样品池管道中的当前气压，且初始化参数n＝2，同时，记录目标气体浓度，作为目标气体实际浓度，然后进入步骤A4；
步骤A4.测量当前温度、气压下1次谐波信号的完整波形，并经锁相放大器和数据处理，获得当前温度、气压下1次谐波信号；以及测量当前温度、气压下n次谐波信号的完整波形，并经锁相放大器和数据处理，获得当前温度、气压下n次谐波信号；然后进入步骤A5；
步骤A5.获得当前温度、气压下1次谐波信号与当前温度下1次谐波信号的背景信号之间的矢量差，作为当前温度、气压下1次谐波信号对应的吸收相关信号；同时，获得当前温度、气压下n次谐波信号与当前温度下n次谐波信号的背景信号之间的矢量差，作为当前温度、气压下n次谐波信号对应的吸收相关信号，然后进入步骤A6；
步骤A6.采用当前温度、气压下1次谐波信号对应的吸收相关信号，针对当前温度、气压下n次谐波信号对应的吸收相关信号进行归一化操作，更新当前温度、气压下n次谐波信号对应的吸收相关信号；并获得该吸收相关信号峰值反演出的目标气体测定浓度，作为当前温度、气压下n次谐波信号所对应的目标气体测定浓度，再获得该目标气体测定浓度与目标气体实际浓度之间差值的绝对值，作为当前温度、气压下n次谐波信号所对应的目标气体浓度检测误差；同时，采用当前温度下1次谐波信号的背景信号，针对当前温度下n次谐波信号的背景信号进行归一化操作，更新当前温度下n次谐波信号的背景信号；然后进入步骤A7；
步骤A7.获得当前温度、气压下n次谐波信号所对应吸收相关信号与当前温度下n次谐波信号的背景信号之间峰值之比，作为当前温度、气压下n次谐波信号的信背比SBR，然后进入步骤A8；
步骤A8.判断n是否等于M，是则进入步骤A9；否则采用n所对应值与1的和，针对n进行更新，并返回步骤A4；
步骤A9.即获得当前温度、气压下2次谐波信号至M次谐波信号中各次谐波信号的信背比SBR；然后针对所获当前温度、气压下2次谐波信号至M次谐波信号中各次谐波信号的信背比SBR，按由大至小的顺序进行排序，并由第一个信背比SBR开始，按序选择[(M-1)·G]个信背比SBR，作为各个待选信背比SBR；然后针对各个待选信背比SBR分别所对应的谐波信号，选择最小目标气体浓度检测误差所对应的谐波信号，作为当前温度、气压下目标气体的最佳次数谐波信号；最后进入步骤A10；其中，G为预设百分比数值，0＜G＜50％；
步骤A10.判断样品池管道中的气压是否等于到预设气压上限阈值，是则进入步骤A11；否则通过调节向样品池管道注入不与激光相融合的保护气体的注入量，控制样品池管道中的气压，以当前气压为基础，增大预设气压增量值，更新样品池管道中的当前气压，并设定参数n＝2，然后返回步骤A4；
步骤A11.判断样品池管道内的温度是否等于预设温度上限阈值，是则获得不同温度、气压环境下目标气体的最佳次数谐波信号；否则通过对样品池管道内的加热，控制样品池管道内的温度，以当前温度为基础，增大预设温度增量值，更新样品池管道内的当前温度，并返回步骤A2。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤E中，分别针对2条CO2谱线分别对应的最佳次谐波信号，按如下公式：
分别去除其中的背景信号，获得2条CO2谱线分别所对应的吸收相关信号；其中，nf代表n次谐波信号，1f代表一次谐波信号，Xnf代表n次谐波信号的X分量，Ynf代表n次谐波信号的Y分量，S1f代表1次谐波信号的幅值，角标meas表示测量值，BG代表背景值。
本发明所述一种化石燃料燃烧温度与气体浓度测量方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明设计的一种化石燃料燃烧温度与气体浓度测量方法，基于准固定波长，能够实现μs量级上的温度及CO、CO2气体浓度的同时空检测方法，其中，本发明可以达到μs量级的时间分辨测量，并且，针对CO2和CO浓度的探测灵敏度可达到ppb水平，对温度的测量准确度优于±1％。
附图说明
图1是本发明所设计一种化石燃料燃烧温度与气体浓度测量方法的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明设计了一种化石燃料燃烧温度与气体浓度测量方法，具体包括如下步骤：
步骤A.分别针对CO气体和CO2气体，将气体通入密封样品池管道，针对通过密封样品池管道的激光，按如下步骤，采用单激光器测量技术进行测量，获得不同温度、气压环境下，气体所对应谱线的最佳次数谐波信号；
步骤A1.以室温作为样品池管道内的当前温度，并进入步骤A2；
步骤A2.针对样品池管道进行抽真空处理，测量当前温度下真空样品池管道分别对应各次谐波信号的背景信号，然后进入步骤A3；其中，各次谐波信号为1次谐波信号至M次谐波信号的各次谐波信号，M为预设最大次谐波信号；
步骤A3.向样品池管道注入目标气体、以及不与激光相融合的保护气体，并通过调节不与激光相融合的保护气体的注入量，控制样品池管道中气压为预设初始气压值，作为样品池管道中的当前气压，且初始化参数n＝2，同时，记录目标气体浓度，作为目标气体实际浓度，然后进入步骤A4；
步骤A4.测量当前温度、气压下1次谐波信号的完整波形，并经锁相放大器和数据处理，获得当前温度、气压下1次谐波信号；以及测量当前温度、气压下n次谐波信号的完整波形，并经锁相放大器和数据处理，获得当前温度、气压下n次谐波信号；然后进入步骤A5；
步骤A5.获得当前温度、气压下1次谐波信号与当前温度下1次谐波信号的背景信号之间的矢量差，作为当前温度、气压下1次谐波信号对应的吸收相关信号；同时，获得当前温度、气压下n次谐波信号与当前温度下n次谐波信号的背景信号之间的矢量差，作为当前温度、气压下n次谐波信号对应的吸收相关信号，然后进入步骤A6；
步骤A6.采用当前温度、气压下1次谐波信号对应的吸收相关信号，针对当前温度、气压下n次谐波信号对应的吸收相关信号进行归一化操作，更新当前温度、气压下n次谐波信号对应的吸收相关信号；并获得该吸收相关信号峰值反演出的目标气体测定浓度，作为当前温度、气压下n次谐波信号所对应的目标气体测定浓度，再获得该目标气体测定浓度与目标气体实际浓度之间差值的绝对值，作为当前温度、气压下n次谐波信号所对应的目标气体浓度检测误差；同时，采用当前温度下1次谐波信号的背景信号，针对当前温度下n次谐波信号的背景信号进行归一化操作，更新当前温度下n次谐波信号的背景信号；然后进入步骤A7；
步骤A7.获得当前温度、气压下n次谐波信号所对应吸收相关信号与当前温度下n次谐波信号的背景信号之间峰值之比，作为当前温度、气压下n次谐波信号的信背比SBR，然后进入步骤A8；
步骤A8.判断n是否等于M，是则进入步骤A9；否则采用n所对应值与1的和，针对n进行更新，并返回步骤A4；
步骤A9.即获得当前温度、气压下2次谐波信号至M次谐波信号中各次谐波信号的信背比SBR；然后针对所获当前温度、气压下2次谐波信号至M次谐波信号中各次谐波信号的信背比SBR，按由大至小的顺序进行排序，并由第一个信背比SBR开始，按序选择[(M-1)·G]个信背比SBR，作为各个待选信背比SBR；然后针对各个待选信背比SBR分别所对应的谐波信号，选择最小目标气体浓度检测误差所对应的谐波信号，作为当前温度、气压下目标气体的最佳次数谐波信号；最后进入步骤A10；其中，G为预设百分比数值，0＜G＜50％；
步骤A10.判断样品池管道中的气压是否等于到预设气压上限阈值，是则进入步骤A11；否则通过调节向样品池管道注入不与激光相融合的保护气体的注入量，控制样品池管道中的气压，以当前气压为基础，增大预设气压增量值，更新样品池管道中的当前气压，并设定参数n＝2，然后返回步骤A4；
步骤A11.判断样品池管道内的温度是否等于预设温度上限阈值，是则获得不同温度、气压环境下目标气体的最佳次数谐波信号；否则通过对样品池管道内的加热，控制样品池管道内的温度，以当前温度为基础，增大预设温度增量值，更新样品池管道内的当前温度，并返回步骤A2。
步骤B.根据不同温度、气压环境下，CO2所对应谱线的谱线参数、最佳次数谐波信号，以及步骤A中的激光器特性参数，基于目标化石燃料的理论燃烧温度范围和理论燃烧压力范围，建立CO2温度反演模型。
步骤C.首先采用双激光器分别接收由高频正弦波和低频正弦波相叠加的叠加信号进行工作，分别产生激光束，并经光纤耦合器针对两激光束进行耦合，然后将耦合后的激光束穿过内置正在燃烧目标化石燃料的开放式积分腔后，由光电探测器接收，并经锁相放大器进行解调，获得目标化石燃料燃烧所对应的1条CO对应的谱线、以及2条CO2对应的谱线；其中，各激光器分别所对应叠加信号中低频正弦波的频率彼此相同。
这里实际应用中，每台激光器均被一高频正弦波和一低频正弦波叠加后控制，其中对两台激光器施加的低频正弦波用于激光器波长的扫描，其频率相同，均为100kHz，以便实现对各参数在μs量级上的同时测量；该低频正弦波幅值以能够使激光器波长调谐范围覆盖过谱线峰值左右0.03cm-1为限，如此则可获得吸收峰值处的波形，消除固定波长WMS中高压测量下由于压力位移造成的误差，同时与扫描波长WMS相比还可保持高频扫描速率(如前所述，DFB半导体激光器波长输出范围会随着扫描频率的增加而变窄，在高频扫描速率下通过传统的扫描波长WMS技术无法得到目标谱线的完整波形)，此外通过正弦波代替传统的三角波进行高速扫描，还可有助于高频扫描速率下对调制信号的解调，因此把该方法称为准固定波长的WMS技术。两台激光器的中心波长分别采用2.0μm及2.3μm，并通过光纤耦合器针对两激光束进行耦合。
步骤D.针对所获目标化石燃料燃烧对应的1条CO对应的谱线、以及2条CO2对应的谱线进行解调，获得1条CO谱线的最佳次谐波信号，以及2条CO2谱线分别对应的最佳次谐波信号。
步骤E.分别针对2条CO2谱线分别对应的最佳次谐波信号，按如下公式：
分别去除其中的背景信号，获得2条CO2谱线分别所对应的吸收相关信号；其中，nf代表n次谐波信号，1f代表一次谐波信号，Xnf代表n次谐波信号的X分量，Ynf代表n次谐波信号的Y分量，S1f代表1次谐波信号的幅值，角标meas表示测量值，BG代表背景值。
步骤F.测量、并根据开放式积分腔内的气压，将2条CO2谱线分别所对应吸收相关信号的幅值比与CO2温度反演模型进行对比，获得开放式积分腔内气体的温度。
步骤G.基于开放式积分腔内的气压，以及开放式积分腔内气体的温度，获得该温度、气压环境下，CO和CO2分别所对应谱线最佳次数谐波信号中的吸收相关信号，并针对该CO和CO2分别所对应吸收相关信号的峰值分别进行反演，分别获得CO和CO2的浓度。
上述技术方案所设计的一种化石燃料燃烧温度与气体浓度测量方法，基于准固定波长，能够实现μs量级上的温度及CO、CO2气体浓度的同时空检测方法，其中，本发明可以达到μs量级的时间分辨测量，并且，针对CO2和CO浓度的探测灵敏度可达到ppb水平，对温度的测量准确度优于±1％。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变动。
Claims (4)
1.一种化石燃料燃烧温度与气体浓度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A.采用激光器测量技术，获得不同温度、气压环境下，CO和CO2分别所对应谱线的最佳次数谐波信号；
步骤B.根据不同温度、气压环境下，CO2所对应谱线的谱线参数、最佳次数谐波信号，以及步骤A中的激光器特性参数，基于目标化石燃料的理论燃烧温度范围和理论燃烧压力范围，建立CO2温度反演模型；
步骤C.首先采用双激光器分别接收由高频正弦波和低频正弦波相叠加的叠加信号进行工作，分别产生激光束，并经光纤耦合器针对两激光束进行耦合，然后将耦合后的激光束穿过内置正在燃烧目标化石燃料的开放式积分腔后，由光电探测器接收，并经锁相放大器进行解调，获得目标化石燃料燃烧所对应的1条CO对应的谱线、以及2条CO2对应的谱线；其中，各激光器分别所对应叠加信号中低频正弦波的频率彼此相同；
步骤D.针对所获目标化石燃料燃烧对应的1条CO对应的谱线、以及2条CO2对应的谱线进行解调，获得1条CO谱线的最佳次谐波信号，以及2条CO2谱线分别对应的最佳次谐波信号；
步骤E.针对2条CO2谱线分别对应的最佳次谐波信号，分别去除其中的背景信号，获得2条CO2谱线分别所对应的吸收相关信号；
步骤F.测量、并根据开放式积分腔内的气压，将2条CO2谱线分别所对应吸收相关信号的幅值比与CO2温度反演模型进行对比，获得开放式积分腔内气体的温度；
步骤G.基于开放式积分腔内的气压，以及开放式积分腔内气体的温度，获得该温度、气压环境下，CO和CO2分别所对应谱线最佳次数谐波信号中的吸收相关信号，并针对该CO和CO2分别所对应吸收相关信号的峰值分别进行反演，分别获得CO和CO2的浓度。
2.根据权利要求1所述一种化石燃料燃烧温度与气体浓度测量方法，其特征在于，所述步骤A中，分别针对CO气体和CO2气体，采用单激光器测量技术，获得不同温度、气压环境下，气体所对应谱线的最佳次数谐波信号。
3.根据权利要求1所述一种化石燃料燃烧温度与气体浓度测量方法，其特征在于，所述步骤A中，分别针对CO气体和CO2气体，将气体通入密封样品池管道，针对通过密封样品池管道的激光，按如下步骤进行测量，获得不同温度、气压环境下，气体所对应谱线的最佳次数谐波信号；
步骤A1.以室温作为样品池管道内的当前温度，并进入步骤A2；
步骤A2.针对样品池管道进行抽真空处理，测量当前温度下真空样品池管道分别对应各次谐波信号的背景信号，然后进入步骤A3；其中，各次谐波信号为1次谐波信号至M次谐波信号的各次谐波信号，M为预设最大次谐波信号；
步骤A3.向样品池管道注入目标气体、以及不与激光相融合的保护气体，并通过调节不与激光相融合的保护气体的注入量，控制样品池管道中气压为预设初始气压值，作为样品池管道中的当前气压，且初始化参数n＝2，同时，记录目标气体浓度，作为目标气体实际浓度，然后进入步骤A4；
步骤A4.测量当前温度、气压下1次谐波信号的完整波形，并经锁相放大器和数据处理，获得当前温度、气压下1次谐波信号；以及测量当前温度、气压下n次谐波信号的完整波形，并经锁相放大器和数据处理，获得当前温度、气压下n次谐波信号；然后进入步骤A5；
步骤A5.获得当前温度、气压下1次谐波信号与当前温度下1次谐波信号的背景信号之间的矢量差，作为当前温度、气压下1次谐波信号对应的吸收相关信号；同时，获得当前温度、气压下n次谐波信号与当前温度下n次谐波信号的背景信号之间的矢量差，作为当前温度、气压下n次谐波信号对应的吸收相关信号，然后进入步骤A6；
步骤A6.采用当前温度、气压下1次谐波信号对应的吸收相关信号，针对当前温度、气压下n次谐波信号对应的吸收相关信号进行归一化操作，更新当前温度、气压下n次谐波信号对应的吸收相关信号；并获得该吸收相关信号峰值反演出的目标气体测定浓度，作为当前温度、气压下n次谐波信号所对应的目标气体测定浓度，再获得该目标气体测定浓度与目标气体实际浓度之间差值的绝对值，作为当前温度、气压下n次谐波信号所对应的目标气体浓度检测误差；同时，采用当前温度下1次谐波信号的背景信号，针对当前温度下n次谐波信号的背景信号进行归一化操作，更新当前温度下n次谐波信号的背景信号；然后进入步骤A7；
步骤A7.获得当前温度、气压下n次谐波信号所对应吸收相关信号与当前温度下n次谐波信号的背景信号之间峰值之比，作为当前温度、气压下n次谐波信号的信背比SBR，然后进入步骤A8；
步骤A8.判断n是否等于M，是则进入步骤A9；否则采用n所对应值与1的和，针对n进行更新，并返回步骤A4；
步骤A9.即获得当前温度、气压下2次谐波信号至M次谐波信号中各次谐波信号的信背比SBR；然后针对所获当前温度、气压下2次谐波信号至M次谐波信号中各次谐波信号的信背比SBR，按由大至小的顺序进行排序，并由第一个信背比SBR开始，按序选择[(M-1)·G]个信背比SBR，作为各个待选信背比SBR；然后针对各个待选信背比SBR分别所对应的谐波信号，选择最小目标气体浓度检测误差所对应的谐波信号，作为当前温度、气压下目标气体的最佳次数谐波信号；最后进入步骤A10；其中，G为预设百分比数值，0＜G＜50％；
步骤A10.判断样品池管道中的气压是否等于到预设气压上限阈值，是则进入步骤A11；否则通过调节向样品池管道注入不与激光相融合的保护气体的注入量，控制样品池管道中的气压，以当前气压为基础，增大预设气压增量值，更新样品池管道中的当前气压，并设定参数n＝2，然后返回步骤A4；
步骤A11.判断样品池管道内的温度是否等于预设温度上限阈值，是则获得不同温度、气压环境下目标气体的最佳次数谐波信号；否则通过对样品池管道内的加热，控制样品池管道内的温度，以当前温度为基础，增大预设温度增量值，更新样品池管道内的当前温度，并返回步骤A2。
4.根据权利要求3所述一种化石燃料燃烧温度与气体浓度测量方法，其特征在于，所述步骤E中，分别针对2条CO2谱线分别对应的最佳次谐波信号，按如下公式：
分别去除其中的背景信号，获得2条CO2谱线分别所对应的吸收相关信号；其中，nf代表n次谐波信号，1f代表一次谐波信号，Xnf代表n次谐波信号的X分量，Ynf代表n次谐波信号的Y分量，S1f代表1次谐波信号的幅值，角标meas表示测量值，BG代表背景值。
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