CN107576505B - 用于发动机燃烧过程监测的中红外激光测量系统及方法 - Google Patents
用于发动机燃烧过程监测的中红外激光测量系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种用于发动机燃烧过程监测的中红外激光测量系统及方法。该测量系统具有激光器和探测器。激光器可发出特定波长范围的中红外激光，并被发动机燃烧火焰吸收。具体地，激光器发出的激光由分束镜分成两束，其中一束通过激光标定装置由第一探测器测得用于标定激光器产生的波长，另一束激光经过燃烧产生的二氧化碳气体部分吸收后经由第二探测器测得并通过数据采集系统采集，通过处理可获得二氧化碳的浓度信息，并从而获得发动机的燃烧效率。在本发明选用的激光波长范围内，无环境中二氧化碳的背景吸收干扰，在高温环境下对二氧化碳的吸收明显，且无水分子等其他燃烧产物和中间体的干扰，发动机的燃烧效率测量可以达到较高的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测领域，特别涉及TDLAS技术在发动机高温燃烧过程监测领域的应用。
背景技术
在发动机研制中，为了判断发动机燃烧效率和运行状况，预测燃烧性能变化趋势，可对发动机出口的高温气体进行测量，监测燃烧产物浓度、温度、热流密度等关键燃烧参数，从而对发动机燃烧的性能进行评估。发动机燃烧的产物，如水蒸气H2O、碳氧化物COx(主要为CO2和CO)、氮氧化物NOx(主要为NO2和NO)等的生成速率可以反应燃烧室的燃烧效率。因此，对发动机的燃烧室(出口排气)进行燃烧诊断，特别是对燃烧室温度场和燃烧产物浓度的实时监测，能够为发动机燃烧室设计提供参考，进而改善发动机的燃烧状况，提高燃烧效率。
可调谐半导体吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)是一种常用的气体检测方法，基于二极管激光器的窄线宽和波长快速调谐特性，扫描气体分子振动转动光谱中特定指纹峰的吸收光谱，可实现探测组分的温度、组分浓度、速度等的测量，具有高灵敏、准确、使用简单等优点，已经广泛使用于大气化学，环境监测，工业生产线过程控制等诸多方面。由于燃烧组分和中间产物如NO、CO、CO2、H2O、O2、CH4等在红外区域有特征吸收峰，可调谐二极管激光吸收光谱技术渐渐被广泛应用与燃烧诊断领域。目前，常见的发动机燃烧诊断研究主要是采用水蒸气分子的双线法(需选用两个波长不同的激光器分别进行实验)在发动机的出口测量燃烧产物H2O(水蒸气)在近红外波段的吸收。
但是发动机在运行过程中环境恶劣，有很强的噪音振动，未燃尽的低粘度航空煤油和生成的碳烟限制了TDLAS探针的灵敏度；由于水分子在近红外波段的吸收强度降低，吸收信号不明显，且空气中存在的水蒸气在常温下也存在吸收，导致难以获得准确的基线，从而无法保证吸收系数计算的准确性。
因此，亟待研发一种吸收物种单一、无背景物种干扰、测量精度高的针对高温燃烧产物测量特别优化的TDLAS激光诊断方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够更精确地监测发动机的燃烧效率的测量系统。
为了实现上述目的，发明人通过大量技术调研和实验探究，提供了一种用于发动机燃烧过程监测的中红外激光测量系统，所述测量系统包括激光发射装置、标准具、分束镜、第一探测器、第二探测器以及数据采集系统，其中所述激光发射装置包括函数发生器、控制器和激光器；其中所述激光器能够产生中红外激光，所述函数发生器能够产生周期波信号并传送给所述控制器，从而所述控制器控制所述激光器产生波长呈周期变化的激光；以及所述激光器发出的激光由所述分束镜分成两束，其中一束激光通过所述标准具并由所述第一探测器采集并传输至所述数据采集系统，通过所述标准具的激光信号与标准数据库中的特定吸收波长信息结合来标定激光器产生的波长；另一束激光经过发动机燃烧产生的气体被其中的二氧化碳气体部分吸收后经由所述第二探测器测得并通过所述数据采集系统采集，并由计算机通过计算处理，从而获得所述发动机燃烧产生的气体中二氧化碳的浓度信息。
优选地，在所述第二探测器的正前方布置有聚焦镜。
优选地，所述标准具是由圆柱形的锗晶体制成，且所述锗晶体的两个平行的顶面和底面分别是激光进入和离开锗晶体的平面；以及所述周期波为正弦函数波或者三角波，以及所述激光器产生的中红外激光的波长范围在4.171微米至4.173微米之间。
优选地，所述分束镜的材料由氟化钙或者硒化锌制成。
优选地，所述测量系统进一步包括第二分束镜和第三探测器，其中所述激光在进入所述发动机燃烧产生的气体之前通过所述第二分束镜分出另一路激光，所述另一路激光直接由所述第三探测器测得并由数据采集系统采集并用作背景信号。
优选地，所述测量系统用于测量航空发动机和超燃冲压发动机燃烧过程中产生的二氧化碳浓度。
本申请还提供了一种用于发动机燃烧过程监测的中红外激光测量方法，所述方法包括以下步骤：
(a)、提供上述的测量系统；
(b)、通过所述第二探测器测得激光并不穿过所述发动机燃烧产生的气体的信号，作为背景信号；
(c)、使得一束激光通过所述发动机燃烧产生的气体的各个不同位置，经过不同程度吸收的透射激光信号由所述第二探测器测量，以及经过所述标准具的激光信号通过所述第一探测器测得；
(d)、由步骤(b)和(c)中测得的所述背景信号和所述透射激光信号计算出各个测量位置各个采样点的路径积分吸收率，并通过已知的吸收峰对应波数以及标准具的各个峰信号标定激光的波长，并获得路径平均的吸收谱线；
(e)、将上述步骤中得到的吸收谱线与标准数据库中数据进行拟合，获得所述发动机燃烧产生的气体中的二氧化碳浓度信息。
优选地，所述已知的吸收峰对应波数范围为2397.276cm-1至2397.088cm-1。
本申请进一步提供了一种用于发动机燃烧过程监测的中红外激光测量方法，所述方法包括以下步骤：
(a)、提供一种测量系统，所述测量系统包括激光发射装置、标准具、分束镜、第一探测器、第二探测器以及数据采集系统，其中所述激光发射装置包括函数发生器、控制器和激光器；其中所述激光器能够产生中红外激光，所述函数发生器能够产生周期波信号并传送给所述控制器，从而所述控制器控制所述激光器产生波长呈周期变化的激光；以及所述激光器发出的激光由所述分束镜分成两束，其中一束通过所述标准具并由所述第一探测器采集并传输至所述数据采集系统，通过所述标准具的激光信号与标准数据库中的特定吸收波长信息结合来标定激光器产生的波长；另一束激光经过发动机燃烧产生的气体被其中的二氧化碳气体部分吸收后经由所述第二探测器测得并通过所述数据采集系统采集，并由计算机通过计算处理，从而获得所述发动机燃烧产生的气体中二氧化碳的浓度信息；以及所述测量系统进一步包括第二分束镜和第三探测器，其中所述激光在进入所述发动机燃烧产生的气体之前通过所述第二分束镜分出另一路激光；
(b)、使得激光通过所述发动机产生的气体的各个不同位置，经过不同程度吸收的透射激光信号由所述第二探测器测量；以及经过所述标准具的激光信号通过所述第一探测器测得；
(c)、由所述第二分束镜分出的所述另一路激光直接由所述第三探测器测得并由数据采集系统采集并用作背景信号；
(d)、由步骤(b)和(c)中测得的所述背景信号和所述透射激光信号计算出各个测量位置各个采样点的路径积分吸收率，并通过已知的吸收峰对应波数以及标准具的各个峰信号标定激光的波长；
(e)、对同一测量界面上的各条激光路径的进行波长标定后的路径积分吸收率在各个测量波数下进行阿贝尔逆变换运算，获得激光路径上各个位置处的各个测量波数的吸收谱线；
(f)、将上述步骤中得到的吸收谱线与标准数据库中数据进行拟合，获得所述发动机产生的气体中的二氧化碳浓度信息。
优选地，所述已知的吸收峰对应波数范围为2397.276cm-1至2397.088cm-1。
优选地，所述发动机产的气体为发动机的高温排气，其中的各项参数，包括温度、CO2组分浓度等是呈轴对称分布的。
本申请针对另一种主要燃烧产物二氧化碳(CO2)，通过其浓度测量来标定燃烧效率。由于空气中二氧化碳浓度低(400ppm)，因此非常适合针对发动机的燃烧监测。本发明的用于发动机高温燃烧过程监测的中红外激光测量装置及方法通过选用合适的激光波长，即波长范围4.171微米至4.173微米之间之间的中红外激光来测量高温燃烧产物中的二氧化碳气体，能够有效地避免空气背景以及燃烧产物中的其他气体分子如H2O、CO等的干扰，且CO2在该波数范围内有足够强的吸收，可通过直接吸收光谱的方法将实验测得的吸收光谱与数据库(较佳地，HITRAN数据库中的数据)进行拟合而获高温气体的温度和CO2浓度信息，避免了现有技术中常用的近红外双线法测量的吸收强度弱、需要结合波长调制方法且需要使用两个波长范围的激光器进行实验等缺点。
附图说明
图1是根据本发明的测量系统的一个实施例的示意图；
图2是根据本发明的测量系统的另一实施例的示意图；
图3是阿贝尔转化原理的示意图；
图4是本发明应用于同轴扩散火焰测量的装置示意图；
图5是实验中测得的激光信号的视图；
图6a是实际拍摄的同轴扩散火焰；以及
图6b是应用本发明的测量装置测量得到的同轴扩散火焰竖直剖面温度和二氧化碳浓度分布图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。
除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。
在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。
如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”、“该”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。
图1是根据本发明的一个实施例的测量系统的示意图。测量系统包括激光发射装置(1，2，3)、分束镜4、标准具5、第一探测器6、第二探测器7以及数据采集系统8，其中激光发射装置包括激光器1、控制器2和函数发生器3。激光器1能够产生中红外激光，尤其是波长范围在4.171微米至4.173微米之间的中红外激光。函数发生器3能够产生周期波信号并传送给控制器2，从而控制器2控制激光器1产生波长呈周期变化的激光。激光器1发出的激光由分束镜分成两束，其中一束激光通过标准具5并由第一探测器6采集并传输至数据采集系统8。通过标准具5的激光信号与标准数据库中的特定吸收波长信息结合来标定激光器产生的波长。另一束激光经过诸如发动机燃烧产生的气体被其中的二氧化碳气体部分吸收后经由第二探测器7测得并通过数据采集系统8采集，并由计算机通过计算处理，从而获得发动机燃烧产生的气体中二氧化碳的浓度信息。
本实施例中，激光器采用特定波长的带间级联激光器(ICL)。数据采集系统8可以采用现有的或待开发的任何合适的能够实现数据采集的装置。函数发生器发出的周期波信号经由控制器控制激光器产生周期变化的波长范围在4.171微米至4.173微米之间的中红外激光。较佳地，激光波长范围在4.171微米至4.172微米之间。
在该中红外波数范围内，仅存在对于高温二氧化碳气体的强吸收，在常温下对二氧化碳气体吸收十分微弱，小于激光本身的强度噪音和检测器噪音，因此可以忽略。无论高温还是常温环境，对其他燃烧产物气体分子如H2O或CO等皆不存在吸收。
较佳地，函数发生器发出的周期波信号为三角波。更佳地，该周期波信号为正弦波。正弦波在极点处倒数为零，可减少激光波长急剧变化对激光器的影响。激光器产生的激光经过待测量的气体介质后由第二探测器采集并传递给安装在计算机中的数据采集卡。较佳地，在第二探测器的前端部布置一个聚焦镜，防止激光通过高温气体发生偏折使得第二探测器无法探测到全部的信号。为了获得更准确的波长信息，如图1所示，使用分束镜4将激光器发射出的激光分成测量光束和校准光束，其中校准光束的激光通过标准具后由第一探测器探测到。本实施例中的标准具由圆柱形的锗晶体制作而成，圆柱的两个平行顶面和底面分别是激光进入和离开锗晶体的平面。根据数据库中的信息，校准波长所用到的三个已知波数分别为2397.27648365cm-1,2397.17610806cm-1和2397.0876161cm-1，这三个波数分别对应吸收信号的三个吸收峰，且吸收峰的位置随着温度的变化基本不变。
图2是根据本发明的另一个实施例的测量系统的示意图。与前述实施例不同的是，激光在进入高温气体之前通过另一分束镜9分出另一路激光，另一路激光直接由第三探测器10测得并由数据采集系统8采集并用作背景信号。在前述实施例中，背景信号需要在不发生吸收的位置单独测量，而本实施例中的背景信号来自于实时测量的参考光路。
本发明中分束镜由在激光波束范围内具有较大透过率的材料制成。较佳地，分束镜的材料为氟化钙或者硒化锌。
本发明中的探测器可选用Vigo systems的AC(Bandwidth：100Hz-2MHz)探测器。
对于某些情况，发动机燃烧室出口的高温气体在平行于出口的截面上，可看作是轴对称分布的，即其中的温度、组分(二氧化碳气体)浓度是呈近似轴对称分布的，即可将截面分成一个个圆环，每个圆环中的各参数是相等的，如图3所示。TDLAS直接吸收光谱方法测得的信号都是沿路径积分的，即对于某一频率v，可以得到吸收率α(r,v)的路径积分测量值P(x,v)与其分布之间的关系：
式中，基线I0为参考光路信号，I为测量光路信号，v1和v2分别是连续激光扫描频率的下限和上限。对波长校准后的积分信号在火焰不同高度的各个水平位置对每个波数分别进行Abel转化，从而获得各个位置处的吸收信号。本发明中，Abel转化采用Tikhonovregularization以及FFT变换等多种方法，且通过对已知吸收系数分布进行路径积分再做逆变换的仿真发现，选择适当的参数可保证Abel转换的准确性。在处理实验数据时，通过比较多种转化方法的结果是否接近，选择最优的Abel转化系数。Abel逆变换得到吸收系数的分布之后，对各个位置的吸收谱线(波数扫描范围内)可采用最小二乘法与Hitran数据库进行拟合(设定两个拟合自变量，分别是火焰温度和二氧化碳浓度)，从而得到火焰的温度与二氧化碳气体浓度分布。二氧化碳是重要的燃烧产物，二氧化碳浓度的测量能够反应出燃烧效率，且温度场信息也可反应燃烧状态的动态特性，因此本发明的测量系统能够对燃烧产物浓度(主要是CO2)和发动机出口排气温度进行实时监测，能够为发动机燃烧设计提供参考，进而改善发动机的燃烧状况，提高燃烧效率。
对于各项参数(包括温度和组分浓度)非轴对称的情况，可通过测量路径积分信号计算平均值来获得平均的实时温度、浓度信息，从而了解到燃烧进程，计算燃烧效率。
现介绍本发明的测量系统和方法在测量轴对称扩散火焰的温度场和CO2浓度的应用。图4示出了应用本发明测量同轴扩散火焰的装置示意图。激光器产生的激光通过两个分束镜分成三路光，即分别由三个探测器测量信号的标准具波长校准光路、参考光路和coflow火焰测量光路。为了防止激光经过高温火焰区域发生偏折而无法全部被探测器接收，在探测器前设置聚焦镜。扩散火焰的工况为，混合燃料气体中乙烯占60％、氮气占40％，燃料出口流速为5cm/s。
实验中，步进电机控制燃烧炉在水平方向和竖直方向上移动，其中水平方向测量火焰中心轴线到火焰外缘直至没有吸收信号的位置，移动间距为0.05cm，竖直方向从火焰底部到可见火焰尖部以上位置，移动间距0.1cm。探测器2测得的参考光路的信号用作背景信号，由于参考光路和经过火焰的光路初始激光强度不同，基线通过除以距离火焰较远位置处的两路信号的峰峰值的比值进行校正。经过标准具的激光信号具有相邻的峰间隔相同波数的性质，结合HITRAN数据库中已知的基本固定的吸收峰波数，可标定在每个扫描周期内的激光波长信息。
图5示出了火焰中某个测量位置的半个正弦扫描周期内的原始数据，其中背景信号经过如上所述的校正。图5中可以看出在火焰温度下，二氧化碳对4.17微米的中红外激光的吸收较强。图6a是实际拍摄的同轴扩散火焰，图6b是应用本发明的测量装置测量得到的同轴扩散火焰竖直剖面温度和二氧化碳浓度分布图。结合图6a和6b，可以发现测量结果基本上可以从温度和二氧化碳浓度的角度反应出实际火焰的轮廓。
我们知道，发动机进去的燃料量是知道的，完全燃烧产生的CO2是能算出来的，如果测量一下实际燃烧产生的CO2浓度，就能知道燃烧效率是完全燃烧的百分之多少。
在一示例中，在特定工况下，发动机的真实燃烧效率是87％。在相同工况下，通过测量H2O来得到的发动机的测量燃烧效率为92％，而通过本申请的测量CO2的方式来得到的发动机的测量燃烧效率88％。可以看到，本申请的测量方法所得到的发动机燃烧效率更接近于发动机的真实燃烧效率。
本申请的测量系统和方法尤其适用于航空发动机和超燃冲压发动机的燃烧过程监测。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
若需要，能修改实施例的方面来采用各种专利、申请和出版物的方面、特征和构思来提供另外的实施例。
考虑到上文的详细描述，能对实施例做出这些和其它变化。一般而言，在权利要求中，所用的术语不应被认为限制在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的全部等同范围。
Claims (8)
1.一种用于发动机燃烧过程监测的中红外激光测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(a)提供一种测量系统，所述测量系统包括激光发射装置、标准具、分束镜、第一探测器、第二探测器以及数据采集系统，其中所述激光发射装置包括函数发生器、控制器和激光器，所述激光器能够产生中红外激光，所述函数发生器能够产生周期波信号并传送给所述控制器，从而所述控制器控制所述激光器产生波长呈周期变化的激光；其中所述激光器发出的激光由所述分束镜分成两束，其中一束激光通过所述标准具并由所述第一探测器采集并传输至所述数据采集系统，通过所述标准具的激光信号与标准数据库中的特定吸收波长信息结合来标定激光器产生的波长，另一束激光经过发动机燃烧产生的气体被其中的二氧化碳气体部分吸收后经由所述第二探测器测得并通过所述数据采集系统采集，并由计算机通过计算处理，从而获得所述发动机燃烧产生的气体中二氧化碳的浓度信息；
(b)通过所述第二探测器测得激光并不穿过所述发动机燃烧产生的气体的信号，作为背景信号；
(c)使得一束激光通过所述发动机燃烧产生的气体的各个不同位置，经过不同程度吸收的透射激光信号由所述第二探测器测量，以及经过所述标准具的激光信号通过所述第一探测器测得；
(d)由步骤(b)和(c)中测得的所述背景信号和所述透射激光信号计算出各个测量位置各个采样点的路径积分吸收率，并通过已知的吸收峰对应波数以及标准具的各个峰信号标定激光的波长，并获得路径平均的吸收谱线；
(e)将上述步骤中得到的吸收谱线与标准数据库中数据进行拟合，获得所述发动机燃烧产生的气体中的二氧化碳浓度信息。
2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述已知的吸收峰对应波数范围为2397.276cm-1至2397.088cm-1。
3.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，在所述第二探测器的正前方布置有聚焦镜。
4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述标准具是由圆柱形的锗晶体制成，且所述锗晶体的两个平行的顶面和底面分别是激光进入和离开锗晶体的平面；以及所述周期波为正弦函数波或者三角波，以及所述激光器产生的中红外激光的波长范围在4.171微米至4.173微米之间。
5.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述分束镜的材料由氟化钙或者硒化锌制成。
6.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述测量系统用于测量航空发动机和超燃冲压发动机燃烧过程中产生的二氧化碳浓度。
7.一种用于发动机燃烧过程监测的中红外激光测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(a)提供一种测量系统，所述测量系统包括激光发射装置、标准具、分束镜、第一探测器、第二探测器以及数据采集系统，其中所述激光发射装置包括函数发生器、控制器和激光器，所述激光器能够产生中红外激光，所述函数发生器能够产生周期波信号并传送给所述控制器，从而所述控制器控制所述激光器产生波长呈周期变化的激光；其中所述激光器发出的激光由所述分束镜分成两束，其中一束激光通过所述标准具并由所述第一探测器采集并传输至所述数据采集系统，通过所述标准具的激光信号与标准数据库中的特定吸收波长信息结合来标定激光器产生的波长，另一束激光经过发动机燃烧产生的气体被其中的二氧化碳气体部分吸收后经由所述第二探测器测得并通过所述数据采集系统采集，并由计算机通过计算处理，从而获得所述发动机燃烧产生的气体中二氧化碳的浓度信息；
所述测量系统进一步包括第二分束镜和第三探测器，其中所述激光在进入所述发动机燃烧产生的气体之前通过所述第二分束镜分出另一路激光，所述另一路激光直接由所述第三探测器测得并由数据采集系统采集并用作背景信号；
(b)使得激光通过所述发动机产生的气体的各个不同位置，经过不同程度吸收的透射激光信号由所述第二探测器测量；以及经过所述标准具的激光信号通过所述第一探测器测得；
(c)由所述第二分束镜分出的所述另一路激光直接由所述第三探测器测得并由数据采集系统采集并用作背景信号；
(d)由步骤(b)和(c)中测得的所述背景信号和所述透射激光信号计算出各个测量位置各个采样点的路径积分吸收率，并通过已知的吸收峰对应波数以及标准具的各个峰信号标定激光的波长；
(e)对同一测量界面上的各条激光路径的进行波长标定后的路径积分吸收率在各个测量波数下进行阿贝尔逆变换运算，获得激光路径上各个位置处的各个测量波数的吸收谱线；
(f)将上述步骤中得到的吸收谱线与标准数据库中数据进行拟合，获得所述发动机产生的气体中的二氧化碳浓度信息。
8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述已知的吸收峰对应波数范围为2397.276cm-1至2397.088cm-1。
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