CN108760681A - 一种基于波形分解的路径平均温度测量系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于波形分解的路径平均温度测量系统与方法，测量系统包括信号发生器、可调谐二极管激光器、激光控制器、准直镜、光电探测器、标准具、数据采集卡和计算机等。本发明通过以下步骤获得路径平均温度：激光器输出波长周期变化的激光，分别通过吸收气体和标准具进入探测器，从探测器信号中处理得到激光吸收光谱；对得到的激光吸收谱进行拟合，得到吸收谱参数：温度、压力和吸收气体浓度；利用拟合得到的参数计算独立吸收谱的吸收率；计算独立吸收谱峰值的积分吸收面积，进而求出路径平均温度。该方法能求出吸收谱线交叠情况下气体的路径平均温度，提高了激光吸收谱测温技术的准确性和适应性，具有广泛的应用前景。

Description

一种基于波形分解的路径平均温度测量系统与方法
技术领域
本发明涉及一种基于波形分解的路径平均温度测量系统与方法，属于可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)领域。在测量高压气体温度时，将得到的交叠吸收光谱分解成独立吸收谱峰值，利用分解结果计算气体路径平均温度。
背景技术
燃烧气体温度测量一直是一个重要的研究方向，基于激光吸收光谱测量技术的气体温度测量方法得益于其高速、适应性强和测量精确的特点而成为备受关注的研究重点，吸收光谱的获取是这一技术的核心内容。
直接吸收法能够直接获取特定波段的吸收光谱，是TDLAS技术最为常用的技术方法。2011年Li S.等人发表在《测量科学与技术》(Measurement Science&Technology)22卷12期，第201-311页的论文《利用2.9微米附近激光吸收测定低压火焰水分子温度的传感器》(H2O temperature sensor for low-pressure flames using tunable diode laserabsorption near 2.9μm)描述了直接吸收法的典型测量过程。激光器的输出波长在一个周期内连续变化，扫描整个吸收峰，进而得到吸收谱。
从测得的吸收谱中计算温度，需要得到独立吸收谱线的吸收率。2006年Liu X.等人发表在《应用物理B》(Applied Physics B)82卷3期，469-478页上题为《燃气轮机排气温度的可调二极管激光传感器发展》(Development of a tunable diode laser sensor formeasurements of gas turbine exhaust temperature)的文章就从水分子吸收谱中选择两条独立谱线测定积分吸收面积，并用其积分吸收面积的比值求出吸收路径上的平均温度。计算吸收峰的吸收面积需要用到线型函数拟合，常用的线型函数有三种，即Gauss线型函数，Lorentz线型函数和Voigt线型函数。Gauss线型函数考虑的是多普勒展宽机制，这是由气体组分的微观粒子的随机热运动引起的。Lorentz线型函数考虑的是激光的光子和吸收分子会相互作用，它们的相互碰撞会导致处于激发态的分子寿命缩短，使得谱线的吸收区间加大。Voigt线型函数是Gauss线型函数和Lorentz线型函数的卷积积分，对两种线型函数代表的展宽机理都有考虑，因此相较于两者而言适用范围更广，模型也更加精确。
由于分子的碰撞展宽效应，高压环境下的激光吸收光谱存在谱线交叠的情况。这种情况下，吸收谱线的半宽增大，相邻的谱线互相覆盖，难以获得独立吸收谱的吸收率，不利于激光吸收光谱技术的应用。1997年Nagali V.等人发表在《应用光学》(AppliedOptics)36卷36期，9518-9527页上题为《在高压燃烧气体中检测水蒸气的二极管激光传感器设计》(Design of a diode-laser sensor to monitor water vapor in high-pressure combustion gases)的文章中指出，由于碰撞展宽导致的谱线交叠，基于波长扫描的直接吸收法在高压环境中不适用。
通过对交叠吸收光谱进行波形分解，得到独立谱线的吸收率，可以在高压环境下实现路径平均温度的测量。相对于这种基于波形分解的平均温度测量方法，现有的基于深度波长调制的高压气体温度测量方法有其局限性。2006年Li H.等发表在《应用光学》(Applied Optics)45卷5期，第1052页上题为《大调制深度的波长调制法在高压气体激光吸收谱测量中的拓展》(Extension of wavelength-modulation spectroscopy to largemodulation depth for diode laser absorption measurements in high-pressuregases)提出采用深度调制的波长调制法测量高压气体的温度。这一方法对激光波长进行深度调制，再用一次谐波归一化二次谐波，进而解算出气体温度。由于高压环境吸收谱的展宽，这一方法的测量结果有较大不确定度，而且深度调制会降低系统的时间分辨率。2013年Sun K.等发表在《应用物理B》(Applied Physics B)110卷4期，第497-508页的论文《波长调制激光吸收光谱法用于高压气体传感》(Wavelength modulation diode laserabsorption spectroscopy for high-pressure gas sensing)进一步提出，采用高次谐波可以抑制高压环境下波长调制法测量的不确定度。但是高次谐波的幅值较低，这一方法对信噪比的要求很高。相对的，基于波形分解的直接吸收法可以有较高的时间分辨率和测量精度，而且无需采用高次谐波计算。因此，通过波形分解的方法，在高压环境下实现直接吸收法测量路径平均温度非常重要。
基于以上背景，本发明提出一种基于波形分解的路径平均温度测量系统与方法。由直接吸收法得到交叠的激光吸收谱，无需进行对激光信号进行调制与谐波分析。通过对交叠激光吸收谱进行波形分解，得到各谱线独立的吸收峰。由独立吸收谱峰值的积分吸收面积之比，即可求出吸收路径上的平均温度。
发明内容
针对在较高压力下，激光吸收光谱谱线交叠严重，无法利用独立吸收谱峰值计算吸收路径平均温度的问题，本发明提出一种基于波形分解的路径平均温度测量系统与方法。该系统包括可调谐二极管激光器、激光控制器、光纤分束器、准直镜、光电探测器、标准具、数据采集卡和计算机等。激光控制器控制可调谐激光器输出波长随时间变化的激光，激光分为两路：一路经准直镜变换为空间光，经过待测气体之后进入光电探测器A；另一路经过标准具后进入探测器B。在计算机中综合两路信号可得到激光吸收光谱，将光谱中的交叠谱线分解成独立谱线，并用独立谱线求出吸收路径上的平均温度。
本发明所涉及的测量方法，特征在于包括如下步骤：
步骤一、获取激光吸收光谱。控制可调谐激光器在一定的频率范围内扫描，用光电探测器获得经过吸收气体的激光信号。结合从标准具中获得的信号计算吸收谱，即经过气体的透射光强与入射光强之比的负对数，如公式(1)所示
式中I(ν)，I0(ν)与α(ν)分别表示激光频率为ν时的透射光强，入射光强与吸收率。
步骤二、对得到的激光吸收谱进行拟合，求出温度、压力以及吸收分子的浓度作为谱线参数。吸收气体的温度、压力以及吸收分子的浓度确定了吸收谱的形状，可以表示为三维空间中的点(T,P,χ)，其中T为气体温度，P为气体总压，χ为气体浓度。每一个点对应特定频率范围内的吸收谱强度，可以用(2)可以算出。
Si(T)表示第i条吸收谱线的吸收强度，是温度的函数，可由公式(3)求出
其中h为普朗克常数，c为光速，T0为参考温度，一般取296K，k为玻尔兹曼常数，E”为吸收跃迁的低能级能量，ν0为吸收谱线所在的波长，T为气体温度，Q(T)是配分函数，反映了吸收跃迁中低能级粒子占所有粒子的比例。
公式(2)中φi(ν)表示第i条吸收谱线的线型函数，可由公式(4)求出
其中ΔνC为吸收谱线的洛伦兹半宽，可用公式(5)求出
式中P为气体总压，T为气体温度，χi为气体中第i种物质的浓度，γi为该物质扰动引起的碰撞展宽系数，T0为参考温度，ni为温度对半宽的影响系数。
ΔνD为高斯半宽，可用公式(6)求出
式中T为气体温度，ν0为吸收谱线所在频率，c为光速，k为玻尔兹曼常数，m为分子质量。
由上述公式，每一组参数(T,P,χ)都能确定对应的吸收谱，记作α(T,P,χ；ν)。设步骤一得到的吸收谱为α(ν)，两者之间的差别大小可用公式(7)度量，式中的Ns为吸收光谱数据点的数量。
用公式(8)迭代求出温度、压力、气体浓度三个参数的取值，作为s最小化问题的解
其中ρ为迭代步长，▽(Tk,Pk,χk)为第k个结果的梯度，(T0,P0,χ0)是选定的迭代起点。当某次迭代后梯度▽(Tk,Pk,χk)的模长小于给定的阈值r时，迭代中止，得到结果记作
步骤三、利用拟合得到的参数计算独立的谱线的吸收率。将步骤二得到的谱线参数代入公式(9)，计算独立吸收谱的吸收系数αi(ν)。公式中的谱线强度和线型函数φi(ν)用公式(3)与公式(4)计算。
步骤四、利用步骤三得到的独立谱线的吸收系数计算被测气体的温度。设公式(9)求出的两条独立谱线为α1(ν)与α2(ν)，它们的积分吸收面积为
得到两条独立谱线的面积后，可按照公式(11)计算被测气体的路径平均温度
式中的E1”,E'2'分别为两条谱线的低能态能量；h,c分别为普朗克常数和真空中光速；T0,k为参考温度。
本发明的效果：利用可调谐激光器扫描得到特定波段的气体分子吸收光谱，并对高压情况下形成的交叠吸收谱进行拟合与分解，得到独立的吸收峰。求出独立吸收谱峰值的吸收面积，即可得到吸收路径上的平均温度。
附图说明
图1是本发明测量系统结构图，由以下部分构成：激光控制器(101)，可调谐二极管激光器(102)，光纤分束器(103)，准直镜(104)，标准具(105)，光电探测器(106)和(107)，数据采集卡(108)和计算机(109)等。
图2是仿真得到的水分子在7179-7184cm-1激光吸收谱，存在严重的谱线交叠。
图3是仿真得到的水分子在7444-7445cm-1激光吸收谱，存在严重的谱线交叠
图4是7179-7184cm-1波段激光吸收谱分解结果。
图5是7444-7445cm-1波段激光吸收谱分解结果。
图6是所述测量方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步说明。
本实例采用水分子在7179-7184cm-1波段以及7444-7445cm-1波段，总压为4atm时得到的交叠谱线求出路径平均温度，包括以下步骤：
步骤一、用计算机仿真的方法获得吸收谱数据。本实例采用水分子在7179-7184cm-1波段以及7444-7445cm-1波段，在温度为300K，气体总压为4atm，水分子浓度为2％，吸收距离为1米条件下的吸收光谱。这两段段吸收光谱存在明显的谱线交叠现象，如附图2与附图3所示为这一条件下的吸收谱，其中增加了相对大小为百分之一的随机噪声。将交叠的两条谱线分解开之后，才能用两条谱线的信息完成图像重建等工作。
步骤二、对存在交叠谱线的激光吸收谱进行拟合，求出温度、压力以及吸收分子的浓度作为谱线参数。拟合的目标是最小化公式(1)所示的s
式中的α(T,P,χ；ν)表示气体温度为T，总压为P，浓度为χ时的激光吸收光谱。α(ν)为步骤(1)得到的待分解的吸收光谱。采用迭代法，得到使s最小化的参数迭代形式如公式(1)所示
取迭代起点(T0,P0,χ0)为T0＝500K,P0＝1atm,χ0＝1％，迭代步长为ρ＝0.1，迭代终止条件为梯度▽(Tk,Pk,χk)的模长小于r＝10-6。
图2所示的待分解曲线，迭代得到的参数结果为温度307.1K压力为4.01atm，浓度为1.8％；图3所示的待分解曲线，迭代得到的参数结果为温度303.2K压力为3.98atm，浓度为2.3％；与仿真数据的参数基本一致。
步骤三、利用拟合得到的参数分解交叠谱线，得到独立谱线的吸收率。在得出吸收气体参数之后，即可按照公式(2)分别求出各个吸收峰的谱线数据
式中的就是步骤二迭代得到的参数。如附图4与附图5所示为分解得到的独立吸收谱线。
步骤四、利用分解得到的独立谱线计算被测气体的温度。取步骤三得到的两条独立谱线，中心频率分别位于7181.1cm-1和7444.2cm-1附近，分别记作α1(ν)与α2(ν)。计算其吸收面积分别为
得到吸收面积之后，可以用其比值计算温度为
与仿真时设置的温度相比，相对误差为1.2％。上述实例成功地分解了交叠谱线，并计算出被测气体的温度。

Claims (2)

1.一种基于波形分解的路径平均温度测量系统与方法，该系统包括可调谐二极管激光器、激光控制器、光纤分束器、准直镜、光电探测器、标准具、数据采集卡和计算机等；激光控制器控制可调谐激光器输出波长随时间变化的激光，激光经光纤分束器分为两路：一路经准直镜变换为空间光，经过待测气体之后进入光电探测器，另一路经过标准具后进入探测器B；在计算机中将探测器B获得的波长随时间的变化曲线与探测器A所获得的吸收光强比对得到激光吸收光谱，并利用交叠谱线分解方法获取独立谱线，从而测得吸收路径上的平均温度。
2.按照权利要求1所述的一种基于波形分解的路径平均温度测量系统与方法，其特征在于测量方法包括以下步骤：
步骤一、获取激光吸收光谱；控制可调谐激光器在一定的频率范围内扫描，用光电探测器获得经过吸收气体的激光信号；结合从标准具中获得的信号计算吸收谱，即经过气体的透射光强与入射光强之比的负对数，如公式(1)所示
式中I(ν)，I0(ν)与α(ν)分别表示激光频率为ν时的透射光强，入射光强与吸收率；
步骤二、对得到的激光吸收谱进行拟合，求出温度、压力以及吸收分子的浓度作为谱线参数；吸收气体的温度、压力以及吸收分子的浓度确定了吸收谱的形状，可以表示为三维空间中的点(T,P,χ)，其中T为气体温度，P为气体总压，χ为气体浓度；每一个点对应特定频率范围内的吸收谱强度，可以用(2)可以算出
Si(T)表示第i条吸收谱线的吸收强度，是温度的函数，可由公式(3)求出
其中h为普朗克常数，c为光速，T0为参考温度，一般取296K，k为玻尔兹曼常数，E”为吸收跃迁的低能级能量，ν0为吸收谱线所在的波长，T为气体温度，Q(T)是配分函数，反映了吸收跃迁中低能级粒子占所有粒子的比例；
公式(2)中φi(ν)表示第i条吸收谱线的线型函数，可由公式(4)求出
其中ΔνC为吸收谱线的洛伦兹半宽，可用公式(5)求出
式中P为气体总压，T为气体温度，χi为气体中第i种物质的浓度，γi为该物质扰动引起的碰撞展宽系数，T0为参考温度，ni为温度对半宽的影响系数；
ΔνD为高斯半宽，可用公式(6)求出
式中T为气体温度，ν0为吸收谱线所在频率，c为光速，k为玻尔兹曼常数，m为分子质量；
由上述公式，每一组参数(T,P,χ)都能确定对应的吸收谱，记作α(T,P,χ；ν)；设步骤一得到的吸收谱为α(ν)，两者之间的差别大小可用公式(7)度量，式中的Ns为吸收光谱数据点的数量；
用公式(8)迭代求出温度、压力、气体浓度三个参数的取值，作为s最小化问题的解
其中ρ为迭代步长，为第k个结果的梯度，即
(T0,P0,χ0)是选定的迭代起点。当某次迭代后梯度的模长小于给定的阈值r时，迭代中止，得到结果记作
步骤三、利用拟合得到的参数计算独立的谱线的吸收率；将步骤二得到的谱线参数代入公式(10)，计算独立吸收谱的吸收系数αi(ν)；公式中的谱线强度和线型函数φi(ν)用公式(3)与公式(4)计算；
步骤四、利用步骤三得到的独立谱线的吸收系数计算被测气体的温度；设公式(10)求出的两条独立谱线为α1(ν)与α2(ν)，它们的积分吸收面积A1与A2用公式(11)计算
得到两条独立谱线的面积后，可按照公式(12)计算被测气体的路径平均温度
式中的E”1,E”2分别为两条谱线的低能态能量；h,c分别为普朗克常数和真空中光速；T0,k为参考温度和玻尔兹曼常数。
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