CN107367571A - 一种化石燃料燃烧效率检测装置与检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种化石燃料燃烧效率检测装置与检测方法，解决了目前使用扫描波长WMS技术和固定波长WMS技术，无法对温度和多中碳氧化合物分子进行测量，且无法实现μs量级测量的问题，能够基于准固定波长，实现温度及CO、CO2气体浓度的同时空检测，并且本发明可以达到μs量级的时间分辨测量，对CO2和CO气体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效率检测装置与检测方法，属于化石燃料燃烧技术领域。
背景技术
化石燃料的燃烧作为目前能量的最主要来源，被广泛应用于生产生活的各个方面，如燃煤电厂生产、发动机工作过程及工业锅炉的运转等；但化石燃料燃烧也是产生污染的重要来源，燃烧过程中产生的灰粒、硫氧化物、烟尘、氮氧化物、碳黑粒子、碳氧化合物等多种有害物质，会造成环境恶化。在化石燃料燃烧的复杂瞬变过程中，由于高温造成的分子能级粒子数布居变化及高振转量子数的跃迁使得光谱信号变得复杂；同时一些极端条件下，辐射背景信号严重影响到了传统二次谐波信号测量的准确性；另外从燃烧充分性角度看，不能单独由温度或者CO2含量给出该方面的信息，必须同时由温度及CO2和CO浓度对燃烧充分性做出判定，并且需要在尽可能高的时间分辨率下得到这些参数的演变信息，以便深入了解燃烧规律。
A.Farooq等利用2.7μm处的可调谐二极管激光器通过一对CO2谱线的二次谐波信号实现了对激波管中温度以及CO2浓度的测量；R.Sur等利用2.3μm及2.1μm处的可调谐二极管激光器作为激发光源，通过扫描波长的调制光谱技术对高压输运反应型煤气化炉中的CO及CO2的浓度进行了测量；R.M.Spearrin等通过中心波长分别位于2.7μm和4.2μm的两台可调谐二极管激光器相结合，利用CO2的三条谱线测量了激波管中的温度及CO2浓度分布；K.Sun等利用4.3μm的量子级联激光器，结合腔增强吸收光谱技术，实现了对激波管中的CO气体浓度的时间分辨测量；W.Y.Peng等通过使用两台量子级联激光器测量CO2和CO位于4176nm和4865nm处的吸收谱线，利用其一次谐波归一化的二次谐波信号实现了在kHz量级上对两种气体浓度的反演；K.Wu等使用4.2μm的量子级联激光器，利用CO2谱线对的直接吸收信号实现了对温度的测量。通过4-5μm波段处碳氧化合物分子谱线的测量可以令系统具有较高的信噪比，但所用激光器及光学元件均较为昂贵且使用不便。
综上，已有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效率检测装置，能够基于准固定波长，实现温度及CO、CO2气体浓度的同时空检测，解决了目前使用扫描波长WMS技术和固定波长WMS技术，无法对温度和多中碳氧化合物分子进行测量，且无法实现μs量级测量的问题。
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效率检测装置，用于针对化石燃料燃烧下温度、CO和CO2，实现同时检测获得，其特征在于：包括函数信号发生器、第一激光控制器、第二激光控制器、第一激光器、第二激光器、光纤耦合器、准直透镜、第一高反射率透镜、燃烧器、第二高反射率透镜、透镜、光电探测器、数据采集卡和数据处理终端；其中，函数信号发生器分别与第一激光控制器的输入端、第二激光控制器的输入端相连接，函数信号发生器用于产生两路叠加信号，并分别发送给各激光控制器，其中，各路叠加信号分别由高频正弦波和低频正弦波相叠加，且两路叠加信号中低频正弦波的频率彼此相同；第一激光控制器的输出端与第一激光器的输入端相连接，第二激光控制器的输出端与第二激光器的输入端相连接，第一激光器的输出端、第二激光器的输出端分别连接光纤耦合器的输入端；光纤耦合器的输出端指向准直透镜的一端；燃烧器的两端敞开，且相互贯通，以及燃烧器两端之间连通区的中心线为直线；第一高反射率透镜和第二高反射率透镜分别活动设置燃烧器两端的外侧，第一高反射率透镜的主光轴和第二高反射率透镜的主光轴彼此共线，且主光轴经燃烧器的两端、穿越燃烧器两端之间的连通区，第一高反射率透镜和第二高反射率透镜分别沿两者共线的主光轴来回移动；准直透镜的另一端指向第一高反射率透镜上背向燃烧器的一侧，第二高反射率透镜上背向燃烧器的一侧指向透镜的其中一侧，透镜的另一侧指向光电探测器的输入端，光电探测器的输出端与数据采集卡的输入端相连接，数据采集卡的输出端与数据处理终端的输入端相连接。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括导轨，导轨位于燃烧器的下方，导轨上活动设置两个支撑架，支撑架沿导轨进行滑动移动，第一高反射率透镜和第二高反射率透镜分别设置于两个支撑架上，第一高反射率透镜和第二高反射率透镜分别随所连支撑架在导轨上的移动，沿两高反射率透镜上共线的主光轴来回移动。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括滤波器，所述光电探测器的输出端与滤波器的输入端相连接，滤波器的输出端与所述数据采集卡的输入端相连接。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第一激光器和第二激光器均采用DFB可调谐半导体激光器。
本发明所述一种化石燃料燃烧效率检测装置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效率检测装置，解决了目前使用扫描波长WMS技术和固定波长WMS技术，无法对温度和多中碳氧化合物分子进行测量，且无法实现μs量级测量的问题，能够基于准固定波长，实现温度及CO、CO2气体浓度的同时空检测，并且本发明可以达到μs量级的时间分辨测量，对CO2和CO气体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％。
基于上述设计化石燃料燃烧效率检测装置，本发明还要解决的技术问题是提供一种化石燃料燃烧效率检测装置的检测方法，能够基于准固定波长，实现温度及CO、CO2气体浓度的同时空检测，解决了目前使用扫描波长WMS技术和固定波长WMS技术，无法对温度和多中碳氧化合物分子进行测量，且无法实现μs量级测量的问题。
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效率检测装置的检测方法，经所述透镜射出的激光被光电探测器所接收，由锁相放大器采用对应的调制频率进行解调，获得所需包含一次谐波信号的各次谐波信号，其中，一次谐波信号用于消除光强与光电探测器增益的影响，然后将各次谐波信号经所述数据采集卡发送至数据处理终端中，由数据处理终端进行如下处理：
首先根据测量所获激光器的波长覆盖范围，模拟出调制过程中激光器输出频率的变化，并结合所要测量的目标温度、目标气体浓度及激光器调制振幅的初始值，模拟出所测目标气体分子的吸收信号，进而模拟出透射光强信号；
然后将扣除过背景信号的测量信号与上述模拟光强信号之间进行拟合，得到激光器频率调制和强度调制间的相移量，并利用该相移量再次模拟出调制过程中激光器输出频率的变化、模拟出吸收信号、模拟出与该相移量相匹配的的光强信号；
最后把新的模拟光强信号，以及扣除背景之后的所测光强信号经低通滤波后送入到数字锁相软件中进行解调，把解调出的测量信号与模拟信号进行比对，从而反演出所测目标气体浓度和温度值。
本发明所述一种化石燃料燃烧效率检测装置的检测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效率检测装置的检测方法，解决了目前使用扫描波长WMS技术和固定波长WMS技术，无法对温度和多中碳氧化合物分子进行测量，且无法实现μs量级测量的问题，能够基于准固定波长，实现温度及CO、CO2气体浓度的同时空检测，并且本发明可以达到μs量级的时间分辨测量，对CO2和CO气体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效率检测装置的示意图；
图2是本发明所设计一种石燃料燃烧效率检测装置的检测方法的示意图。
其中，1.函数信号发生器，2.第一激光控制器，3.第二激光控制器，4.第一激光器，5.第二激光器，6.光纤耦合器，7.准直透镜，8.第一高反射率透镜，9.燃烧器，10.第二高反射率透镜，11.透镜，12.光电探测器，13.滤波器，14.数据采集卡，15.数据处理终端，16.导轨，17.支撑架。
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效率检测装置，用于针对化石燃料燃烧下温度、CO和CO2，实现同时检测获得，实际应用当中，具体包括函数信号发生器1、第一激光控制器2、第二激光控制器3、第一激光器4、第二激光器5、光纤耦合器6、准直透镜7、第一高反射率透镜8、燃烧器9、第二高反射率透镜10、透镜11、光电探测器12、滤波器13、数据采集卡14、数据处理终端15和导轨16；其中，函数信号发生器1分别与第一激光控制器2的输入端、第二激光控制器3的输入端相连接，函数信号发生器1用于产生两路叠加信号，并分别发送给各激光控制器，其中，各路叠加信号分别由高频正弦波和低频正弦波相叠加，且两路叠加信号中低频正弦波的频率彼此相同，第一激光控制器2的输出端与第一激光器4的输入端相连接，第二激光控制器3的输出端与第二激光器5的输入端相连接，第一激光器4的输出端、第二激光器5的输出端分别连接光纤耦合器6的输入端。
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。
光纤耦合器6的输出端指向准直透镜7的一端；燃烧器9的两端敞开，且相互贯通，以及燃烧器9两端之间连通区的中心线为直线；实际应用中，第一高反射率透镜8和第二高反射率透镜10的反射率为99％，直径为25mm；第一高反射率透镜8和第二高反射率透镜10分别活动设置燃烧器9两端的外侧，第一高反射率透镜8的主光轴和第二高反射率透镜10的主光轴彼此共线，且主光轴经燃烧器9的两端、穿越燃烧器9两端之间的连通区；导轨16位于燃烧器9的下方，导轨16上活动设置两个支撑架17，支撑架17沿导轨16进行滑动移动，第一高反射率透镜8和第二高反射率透镜10分别设置于两个支撑架17上，第一高反射率透镜8和第二高反射率透镜10分别随所连支撑架17在导轨16上的移动，沿两高反射率透镜上共线的主光轴来回移动；准直透镜7的另一端指向第一高反射率透镜8上背向燃烧器9的一侧，第二高反射率透镜10上背向燃烧器9的一侧指向透镜11的其中一侧，透镜11的另一侧指向光电探测器12的输入端，光电探测器12的输出端与滤波器13的输入端相连接，滤波器13的输出端与所述数据采集卡14的输入端相连接，数据采集卡14的输出端与数据处理终端15的输入端相连接。实际应用中，第一激光器4和第二激光器5，均具体采用DFB可调谐半导体激光器进行实施，并且两台DFB可调谐半导体激光器的中心波长分别采用2.0μm及2.3μm。
基于上述所具体设计的化石燃料燃烧效率检测装置，如图2所示，本发明进一步设计了化石燃料燃烧效率检测装置的检测方法，经所述透镜11射出的激光被光电探测器12所接收，由锁相放大器采用对应的调制频率进行解调，获得所需包含一次谐波信号的各次谐波信号，其中，一次谐波信号用于消除光强与光电探测器增益的影响，然后将各次谐波信号经所述数据采集卡14发送至数据处理终端15中，由数据处理终端15具体进行如下处理：
首先根据测量所获激光器的波长覆盖范围，模拟出调制过程中激光器输出频率的变化，并结合所要测量的目标温度、目标气体浓度及激光器调制振幅的初始值，模拟出所测目标气体分子的吸收信号，进而模拟出透射光强信号。
然后将扣除过背景信号的测量信号与上述模拟光强信号之间进行拟合，得到激光器频率调制和强度调制间的相移量，并利用该相移量再次模拟出调制过程中激光器输出频率的变化、模拟出吸收信号、模拟出与该相移量相匹配的的光强信号。
最后把新的模拟光强信号，以及扣除背景之后的所测光强信号经低通滤波后送入到数字锁相软件中进行解调，把解调出的测量信号与模拟信号进行比对，从而反演出所测目标气体浓度和温度值。
基于上述所设计化石燃料燃烧效率检测装置与检测方法，解决了目前使用扫描波长WMS技术和固定波长WMS技术，无法对温度和多中碳氧化合物分子进行测量，且无法实现μs量级测量的问题，能够基于准固定波长，实现温度及CO、CO2气体浓度的同时空检测，并且本发明可以达到μs量级的时间分辨测量，对CO2和CO气体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 (5)
1.一种化石燃料燃烧效率检测装置，用于针对化石燃料燃烧下温度、CO和CO2，实现同时检测获得，其特征在于：包括函数信号发生器(1)、第一激光控制器(2)、第二激光控制器(3)、第一激光器(4)、第二激光器(5)、光纤耦合器(6)、准直透镜(7)、第一高反射率透镜(8)、燃烧器(9)、第二高反射率透镜(10)、透镜(11)、光电探测器(12)、数据采集卡(14)和数据处理终端(15)；其中，函数信号发生器(1)分别与第一激光控制器(2)的输入端、第二激光控制器(3)的输入端相连接，函数信号发生器(1)用于产生两路叠加信号，并分别发送给各激光控制器，其中，各路叠加信号分别由高频正弦波和低频正弦波相叠加，且两路叠加信号中低频正弦波的频率彼此相同；第一激光控制器(2)的输出端与第一激光器(4)的输入端相连接，第二激光控制器(3)的输出端与第二激光器(5)的输入端相连接，第一激光器(4)的输出端、第二激光器(5)的输出端分别连接光纤耦合器(6)的输入端；光纤耦合器(6)的输出端指向准直透镜(7)的一端；燃烧器(9)的两端敞开，且相互贯通，以及燃烧器(9)两端之间连通区的中心线为直线；第一高反射率透镜(8)和第二高反射率透镜(10)分别活动设置燃烧器(9)两端的外侧，第一高反射率透镜(8)的主光轴和第二高反射率透镜(10)的主光轴彼此共线，且主光轴经燃烧器(9)的两端、穿越燃烧器(9)两端之间的连通区，第一高反射率透镜(8)和第二高反射率透镜(10)分别沿两者共线的主光轴来回移动；准直透镜(7)的另一端指向第一高反射率透镜(8)上背向燃烧器(9)的一侧，第二高反射率透镜(10)上背向燃烧器(9)的一侧指向透镜(11)的其中一侧，透镜(11)的另一侧指向光电探测器(12)的输入端，光电探测器(12)的输出端与数据采集卡(14)的输入端相连接，数据采集卡(14)的输出端与数据处理终端(15)的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述一种化石燃料燃烧效率检测装置，其特征在于：还包括导轨(16)，导轨(16)位于燃烧器(9)的下方，导轨(16)上活动设置两个支撑架(17)，支撑架(17)沿导轨(16)进行滑动移动，第一高反射率透镜(8)和第二高反射率透镜(10)分别设置于两个支撑架(17)上，第一高反射率透镜(8)和第二高反射率透镜(10)分别随所连支撑架(17)在导轨(16)上的移动，沿两高反射率透镜上共线的主光轴来回移动。
3.根据权利要求1所述一种化石燃料燃烧效率检测装置，其特征在于：还包括滤波器(13)，所述光电探测器(12)的输出端与滤波器(13)的输入端相连接，滤波器(13)的输出端与所述数据采集卡(14)的输入端相连接。
4.根据权利要求1所述一种化石燃料燃烧效率检测装置，其特征在于：所述第一激光器(4)和第二激光器(5)均采用DFB可调谐半导体激光器。
5.一种基于权利要求1所述一种化石燃料燃烧效率检测装置的检测方法，其特征在于：经所述透镜(11)射出的激光被光电探测器(12)所接收，由锁相放大器采用对应的调制频率进行解调，获得所需包含一次谐波信号的各次谐波信号，其中，一次谐波信号用于消除光强与光电探测器增益的影响，然后将各次谐波信号经所述数据采集卡(14)发送至数据处理终端(15)中，由数据处理终端(15)进行如下处理：
首先根据测量所获激光器的波长覆盖范围，模拟出调制过程中激光器输出频率的变化，并结合所要测量的目标温度、目标气体浓度及激光器调制振幅的初始值，模拟出所测目标气体分子的吸收信号，进而模拟出透射光强信号；
然后将扣除过背景信号的测量信号与上述模拟光强信号之间进行拟合，得到激光器频率调制和强度调制间的相移量，并利用该相移量再次模拟出调制过程中激光器输出频率的变化、模拟出吸收信号、模拟出与该相移量相匹配的的光强信号；
最后把新的模拟光强信号，以及扣除背景之后的所测光强信号经低通滤波后送入到数字锁相软件中进行解调，把解调出的测量信号与模拟信号进行比对，从而反演出所测目标气体浓度和温度值。
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