CN109270013A - 一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法和系统 - Google Patents
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Classifications
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Abstract
本发明涉及一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法和系统。激光器发射m种第一激光；光开关将m种第一激光耦合成一路激光，并控制每一种激光按预设时序交替输出；分光器将每一种激光都分为2np路激光；2np路激光穿过燃烧气体，所述待测气体中的每一组分吸收与其对应的中心波长的第一激光；未被完全吸收的m种第一激光按时序穿过所述燃烧气体，每种第一激光形成2np路第二激光；光电转换器按时序将第二激光进行光电转换，每2np路第二激光形成2np个电信号；锁相放大器对电信号进行处理，按时序依次产生m×2np个二次谐波信号；上位机对依次产生的二次谐波信号进行处理，以获取多维燃烧气体温度和多组分浓度。
Description
技术领域
本发明涉及气体非接触测量领域，尤其涉及一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法和系统。
背景技术
锅炉是火力发电厂中的能量输出设备，炉内涉及复杂的燃烧过程。炉内燃烧参数的测量对研究燃烧机理、提高燃烧效率和控制污染物排放等具有积极意义。燃烧温度和组分浓度是炉内最基础的燃烧参数。常规的热电偶和烟气分析仪等测量手段均为单点测量，但单点测量只能反映炉内整体的燃烧状况而无法反映炉内局部的燃烧状况。由于单点测量很难监测炉内火焰中心是否偏离等，从而造成锅炉效率下降、污染物排放增加、水冷壁高温腐蚀和结渣严重等问题。此外，常规的热电偶和烟气分析仪等接触式测量手段无法长期适应于高温、多尘和湍流的炉内环境。
激光燃烧诊断技术是一种在线非接触式测量手段，可以实现燃烧参数的快速无干扰测量。可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术具有系统结构简单、精度高、响应快和适应环境能力强等优点。传统的TDLAS技术是通过对待测区域内某一组分沿光学路径的积分吸收度进行测量，从而反演出光学路径上的平均温度和组分浓度。由于实际炉膛为三维结构，炉内燃烧气体温度和组分浓度分布差异较大，目前，基于TDLAS技术测量温度和组分浓度主要还局限于实验室水平，尚未有关于在实际锅炉上的应用。此外，现有的TDLAS技术不能满足对燃烧气体温度和多种组分浓度的同时在线测量。
因此，如何提供一种能够同时在线测量炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度的方法或系统，就成了现有技术的需求。
发明内容
本发明提供一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法和系统，以解决现有测量装置不能测量燃烧气体三维温度和组份浓度的技术问题。
第一方面，本发明提供了一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法，该炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法包括：激光器发射m种第一激光，其中，1≤m≤M，M为待测气体组分数；所述m种第一激光的波段分别涵盖待测气体组分的分子吸收谱线范围；光开关将m种第一激光耦合成一路激光，并控制m种第一激光中每一种激光按预设时序交替输出；分光器将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光，n和p都为正整数；2np路激光穿过燃烧气体，2np路激光形成p层n×n的光路网格，所述待测气体中的每一组分吸收与其对应的中心波长的第一激光；未被完全吸收的m种第一激光按时序穿过所述燃烧气体，每一种第一激光形成2np路第二激光；光电转换器按时序将m种2np路第二激光进行光电转换，每2np路第二激光形成2np个电信号；锁相放大器对按时序依次形成的电信号进行处理，按时序依次产生m×2np个二次谐波信号；上位机对依次产生的m×2np个二次谐波信号进行处理，以获取多维燃烧气体温度和多组分浓度。
第二方面，本发明还提供一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量系统，其特征在于：该炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量系统包括上位机、激光器、光开关、分光器、光电转换器、锁相放大器和采集卡；所述激光器和上位机电性连接，所述激光器发射m种第一激光，其中，1≤m≤M，M为待测气体组分数；所述m种第一激光的波段分别涵盖待测气体组分的分子吸收谱线范围；所述光开关与激光器连接，所述光开关还和上位机电性连接，所述光开关将m种第一激光耦合成一路激光，并控制m种第一激光中每一种激光按预设时序交替输出；所述分光器和光开关连接，所述分光器将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光，n和p都为正整数；2np路激光穿过燃烧气体，2np路激光形成p层n×n的光路网格，所述待测气体中的每一组分吸收与其对应的中心波长的第一激光；未被完全吸收的m种第一激光按时序穿过所述燃烧气体，每一种第一激光形成2np路第二激光；所述光电转换器，其用于按时序将m种2np路第二激光进行光电转换，每2np路第二激光形成2np个电信号；所述采集卡和光电转换器电性连接，所述采集卡按时序将m种2np路第二激光进行光电转换形成的电信号采集并转换成数字信号传输给锁相放大器；所述锁相放大器和采集卡电性连接，所述锁相放大器还和上位机电性连接，所述锁相放大器对按时序依次形成的数字信号信号进行处理，按时序依次产生m×2np个二次谐波信号；所述上位机用于对依次产生的m×2np个二次谐波信号进行处理，以获取多维燃烧气体温度和多组分浓度。
与现有技术相比，本发明通过提供一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法和系统，激光器发射m种第一激光，其中，1≤m≤M，M为待测气体组分数；所述m种第一激光的波段分别涵盖待测气体组分的分子吸收谱线范围；光开关将m种第一激光耦合成一路激光，并控制m种第一激光中每一种激光按预设时序交替输出；分光器将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光，n和p都为正整数；2np路激光穿过燃烧气体，2np路激光形成p层n×n的光路网格，所述待测气体中的每一组分吸收与其对应的中心波长的第一激光；未被完全吸收的m种第一激光按时序穿过所述燃烧气体，每一种第一激光形成2np路第二激光；光电转换器按时序将m种2np路第二激光进行光电转换，每2np路第二激光形成2np个电信号；锁相放大器对按时序依次形成的电信号进行处理，按时序依次产生m×2np个二次谐波信号；上位机对依次产生的m×2np个二次谐波信号进行处理，以获取多维燃烧气体温度和多组分浓度，实现炉内多维燃烧气体温度和多组份浓度测量，针对高温恶劣的炉内环境，基于TDLAS技术实现了炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度的非接触式在线测量，具有无干扰、精度高、响应速度快和适应环境强等优点；光开关技术作为一种分时测量技术实现了多个燃烧参数的同时测量并消除了多组分气体之间的相互干扰，分光器技术则实现了多维燃烧参数场的测量，简化了系统结构，节约了设备成本。
附图说明
图1为本发明第一实施例的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法的流程示意图。
图2为本发明第一实施例中2np路激光形成p层n×n的光路网格的结构示意图。
图3为本发明第二实施例的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法的流程示意图。
图4为本发明第三实施例的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法的流程示意图。
图5为本发明第四实施例的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法的流程示意图。
图6为本发明第五实施例的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量系统的模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种方向、动作、步骤或元件等，但这些方向、动作、步骤或元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个方向、动作、步骤或元件与另一个方向、动作、步骤或元件区分。举例来说，在不脱离本发明的范围的情况下，可以将第一速度差值称为第二速度差值，且类似地，可将第二速度差值称为第一速度差值。第一速度差值和第二速度差值两者都是速度差值，但其不是同一速度差值。术语“第一”、“第二”等而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多”的含义是至少为二，例如多个为两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
请一并参阅图1和图2，本发明的第一实施例提供了一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法，该炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法用于测量锅炉内多维燃烧气体温度和燃烧气体中待测气体的组分浓度。炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法包括：
S1：激光器发射m种第一激光，其中，1≤m≤M，M为待测气体组分数；所述m种第一激光的波段分别涵盖待测气体组分的分子吸收谱线范围；
S2：光开关将m种第一激光耦合成一路激光，并控制m种第一激光中每一种激光按预设时序交替输出；
S3：分光器将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光，n和p都为正整数；
S4：2np路激光穿过燃烧气体，2np路激光形成p层n×n的光路网格，所述待测气体中的每一组分吸收与其对应的中心波长的第一激光；未被完全吸收的m种第一激光按时序穿过所述燃烧气体，每一种第一激光形成2np路第二激光；
S5：光电转换器按时序将m种2np路第二激光进行光电转换，每2np路第二激光形成2np个电信号；
S6：锁相放大器对按时序依次形成的电信号进行处理，按时序依次产生m×2np个二次谐波信号；
S7：上位机对依次产生的m×2np个二次谐波信号进行处理，以获取多维燃烧气体温度和多组分浓度。
在S1中，激光器的数目为m个，每一个激光器发射出一种第一激光，每一种第一激光用于测量至少一种气体组分，如测CO和CO2仅需同一种第一激光，测NO则需另一种第一激光。m≥1，优选地，m≥2。m和M都为正整数。激光器的具体数目m不做限定，其根据需要待测气体种类数量来限定。在本实施例中，m＝3，本实施例中待测气体组分包括H2O、CO、CO2和NO；对应H2O，所述第一激光的中心波长范围为1393.8nm～1401.8nm，优选为1397.8nm，以获取波长7153.75cm-1和7154.35cm-1处的H2O两条吸收谱线。对应CO和CO2，所述第一激光的中心波长范围为1575nm～1563nm，优选为1759nm，以获取6338.59cm-1处的CO吸收谱线和6337.99cm-1处的CO2吸收谱线。对应NO，所述第一激光的中心波长范围为5259nm～5267nm，优选为5263nm，以获取1900.07cm-1处的NO吸收谱线。
在S2中，光开关是一种具有一个或多个可选传输端口的光学器件，其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进行物理切换或逻辑操作。m种第一激光中每一种激光按预设时序依次交替输出，即在第一激光的一个输出周期内，m种激光中的每一种激光都要输出一次。本实施例中，预设的时序不做限定。如m＝3时，第一激光包括A激光、B激光和C激光，一个周期内，可以A激光、B激光和C激光依次输出，也可以B激光、A激光和C激光依次输出，也可以C激光、A激光和B激光依次输出。可以理解，3种激光的按预设时序交替输出的方式不止上述3种，本申请中不再一一列举。
在S3中，分光器是一种无源器件，又称光分路器，它们不需要外部能量，只要有输入一路光即可把该路光分为多路光。n为正整数，n的数目不做限定。优选地，n≥2。若光开关在第一时段输出A激光，在第二时段输出B激光，第三时段输出C激光，则分光器在第一时段把A激光分为2np路激光，在第二时段把B激光分为2np路激光，在第三时段把C激光分为2np路激光。2np路激光即为2×n×p路激光。p为正整数，p≥1，优选地，p≥2，如p为3、4或5等。
在S4中，2np路激光形成p层n×n的光路网格穿过燃烧气体，即分光器将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光，2np路激光包括第一部分np路激光和第二部分np路激光，第一部分np路激光中各路激光相互平行，第二部分np路激光中各路激光相互平行；第一部分np路激光和第二部分np路激光相互垂直。每2n路激光在同一平面内形成一个n×n的光路网格，同一平面内的2n路激光中，n路激光与另n路激光相互垂直。当2np路激光的频率刚好满足待测气体组分的气体分子的自然振动频率时，第一激光的光子与待测气体组分的气体分子共振，引起待测气体分子内部偶极矩变化，导致光子被气体分子吸收，剩余的激光穿过燃烧气体后即为第二激光。由于m种第一激光按预设时序交替输出，故一个时序时穿过燃烧气体时只有一种2np路第二激光。燃烧气体可以为锅炉、燃气轮机或内燃机等内部的高温燃烧气体。可以理解，分光器输出的2np路激光进入燃烧气体时，可以借助一定的装置，如使用单模光纤使2np路激光中的每一路激光分别从预设的位置和角度射出。当p＝1时，本发明测量的为同一平面内的燃烧气体，即二维燃烧气体温度和多组分浓度；当p≥2时，本发明测量的为多个平面内的燃烧气体，即测量第1层、第i层至第p层平面内的燃烧气体，1≤i≤p，i为正整数，从而可以测量出多维燃烧气体温度和多组分浓度。
在S5中，光电转换器包括2np个，每个光电转换器分别转换一路第二激光。由于m种2np路第二激光按预设时序交替穿过所述燃烧气体，故一个时序只有一种2np路第二激光穿过燃烧气体，2np个光电转换器在一个时序也只接收2np路激光并形成2np个电信号，在第一激光的一个输出周期内依次形成了m×2np个电信号。
在S6中，锁相放大器用于低通滤波、微弱信号提取以及谐波检测，用以完成二次谐波的采集与处理。锁相放大器一个时序需要对2np个电信号进行处理即可。在第一激光的一个输出周期内，锁相方法器对依次形成的m×2np个电信号进行处理，依次产生m×2np个二次谐波信号。
在S7中，上位机基于TDLAS测量原理及代数迭代算法以得到多维燃烧气体温度和多组分浓度。
TDLAS测量原理
Beer-Lambert定律表示为，假设一束频率为v的激光穿过待测气体的区域，被均匀的待测气体的介质吸收，光路上的积分吸光度A为：
A＝∫vAv(v)dv＝∫v-ln(It/I0)dv＝P·X·S(T)L＝αvL (1)
其中：A是光路上的积分吸光度；Aν为吸光度；I0和It分别为入射光强和透射光强；P为混合气体总压；X为介质气体组分浓度；L为激光路在介质气体中的传输距离；S为吸收线强度；T为温度；αv为气体吸收系数。
在热平衡体系的条件下，温度T时的谱线强度S(T)为：
其中：S(T0)为在参考温度T0时的谱线强度；E为低态能级值；h为Planck常数；k为Boltzmann常数；c为光速；ν0为吸收谱线中心频率。
Q(T)为温度T时的配分函数值可表示为：
Q(T)＝a+bT+cT2+dT3 (3)
在TDLAS的双线测温法中，挑选同种气体分子的两条吸收谱线，将两个吸收线强值相除消掉配分函数，得到不同吸收谱线强度的比值R为：
则待测区域温度T通过式(2)和式(4)可表示为：
获取温度T后，一般选择吸收较大的谱线来计算介质气体组分浓度X为：
代数迭代算法
代数迭代算法(Algebraic Reconstruction Technique,ART)是一种典型的CT算法。对待测区域进行二维重建时，将待测区域划分成n×n个网格单元，并假定网格单元内待测量分布均匀。单光路的积分吸收率可表示为光路经过的所有网格对吸收的贡献之和：
式中，i为射线编号；j为网格编号；Lj表示光路经过第j个网格的光程；J为网格总数；a为网格内积分吸收系数。
基于ART算法，网格单元的吸收系数的迭代计算式为：
式中，k为迭代次数序号；Ai表示第i条射线的积分吸收率；β为松弛系数，Lij第i条射线穿过第j个网格的光程。
利用修正型ART算法获取谱线v1和v2的吸收系数αν1,i和αν2,i，并计算各网格内吸收谱线强度的比值Ri：
Ri＝av1,i/av2,i (9)
利用式(5)计算网格单元的温度Ti。通过式(2)获取谱线v1和v2的谱线强度Sν1,i(Ti)和Sν2,i(Ti)，并由式(6)计算网格单元的对应气体组分浓度Xv1,i和Xv2,i。
根据上述表达式，可以反演出多维燃烧气体温度和待测气体组分的浓度。根据双吸收谱线气体所对应的二次谐波信号，可以反演出与该信号对应的气体温度和组分浓度；根据单吸收谱线气体对应的二次谐波信号，可以反演出与该信号对应的气体组分浓度。所述待测气体温度利用双吸收谱线气体进行反演；所述待测气体浓度利用单/双吸收谱线气体进行反演。
优选地，所述待测气体组分包括H2O，所述待测气体组分还包括CO、CO2和NO中至少一个，所述待测气体温度利用H2O双吸收谱线进行反演。
本方法同时反演出p层燃烧气体的温度和多组分的浓度，从而重构出多维燃烧气体温度和多组分浓度。本方法所采用的上位机、激光器、光开关、光电转换器、锁相放大器等元器件均可选用市面上售卖的元器件，本方法简单，易于实现测量气体温度和多组分浓度。
请参阅图3，本发明的第二实施例也提供了一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法，该方法包括：
S01：信号发生器输出控制信号给激光控制器，以使激光控制器控制激光器，信号发生器还发出参考信号给锁相放大器；
S1：激光器发射m种第一激光，其中，1≤m≤M，M为待测气体组分数；所述m种第一激光的波段分别涵盖待测气体组分的分子吸收谱线范围；
S2：光开关将m种第一激光耦合成一路激光，并控制m种第一激光中每一种激光按预设时序交替输出；
S3：分光器将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光，n和p都为正整数；
S4：2np路激光穿过燃烧气体，2np路激光形成p层n×n的光路网格，所述待测气体中的每一组分吸收与其对应的中心波长的第一激光；未被完全吸收的m种第一激光按时序穿过所述燃烧气体，每一种第一激光形成2np路第二激光；
S5：光电转换器按时序将m种2np路第二激光进行光电转换，每2np路第二激光形成2np个电信号；
S6’：锁相放大器对按时序依次形成的电信号和参考信号进行处理，按时序依次产生m×2np个二次谐波信号；
S7：上位机对依次产生的m×2np个二次谐波信号进行处理，以获取多维燃烧气体温度和多组分浓度。
在步骤S01中，信号发生器输出的控制信号为调制信号，信号发生器输出的参考信号为正弦信号。激光控制器的数量和激光器的数量一致，激光器有m个，则激光控制器也有m个。一个激光控制器和一个激光器电性连接，一个激光控制器控制一个激光器。
在步骤S6’中，锁相放大器不仅对按时序依次形成的电信号进行处理，还对参考信号进行处理，得出的m×2np个二次谐波信号更准确，使最终反演出的多维燃烧气体温度和多组分浓度更精确。
请参阅图4，本发明的第三实施例也提供了一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法，该方法包括以下步骤：
S1：激光器发射m种第一激光，其中，1≤m≤M，M为待测气体组分数；所述m种第一激光的波段分别涵盖待测气体组分的分子吸收谱线范围；
S2：光开关将m种第一激光耦合成一路激光，并控制m种第一激光中每一种激光按预设时序交替输出；
S3：分光器将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光，n和p都为正整数；
步骤S31：光纤准直器按时序分别将2np路激光中每一路激光都校正为一路平行激光；
S4：2np路激光穿过燃烧气体，2np路激光形成p层n×n的光路网格，所述待测气体中的每一组分吸收与其对应的中心波长的第一激光；未被完全吸收的m种第一激光按时序穿过所述燃烧气体，每一种第一激光形成2np路第二激光；
S5：光电转换器按时序将m种2np路第二激光进行光电转换，每2np路第二激光形成2np个电信号；
S6：锁相放大器对按时序依次形成的电信号进行处理，按时序依次产生m×2np个二次谐波信号；
S7：上位机对依次产生的m×2np个二次谐波信号进行处理，以获取多维燃烧气体温度和多组分浓度。
在步骤S31中，光纤准直器按时序分别将2np路激光中每一路激光都校正为一路平行激光，使后续穿出燃烧气体的第二激光更加集中，不会容易分散，更利于光电转换器进行光电转换，进一步使最终反演出的多维燃烧气体温度和多组分浓度更精确。可以理解，光电转换器包括2np个，光纤准直器也包括2np个，所述每一光纤准直器的中心和每一光电转换器的中心位于同一轴线上，即光纤准直器发出的激光能被光电转换器接收到。
请参阅图5，本发明的第四实施例也提供了一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法，该方法包括以下步骤：
S1：激光器发射m种第一激光，其中，1≤m≤M，M为待测气体组分数；所述m种第一激光的波段分别涵盖待测气体组分的分子吸收谱线范围；
S2：光开关将m种第一激光耦合成一路激光，并控制m种第一激光中每一种激光按预设时序交替输出；
S3：分光器将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光，n和p都为正整数；
S4：2np路激光穿过燃烧气体，2np路激光形成p层n×n的光路网格，所述待测气体中的每一组分吸收与其对应的中心波长的第一激光；未被完全吸收的m种第一激光按时序穿过所述燃烧气体，每一种第一激光形成2np路第二激光；
S5：光电转换器按时序将m种2np路第二激光进行光电转换，每2np路第二激光形成2np个电信号；
S51：采集卡按时序将m种2np路第二激光进行光电转换形成的电信号采集并转换成数字信号传输给锁相放大器；
S6”：锁相放大器对按时序依次形成的数字信号进行处理，按时序依次产生m×2np个二次谐波信号；
S7：上位机对依次产生的m×2np个二次谐波信号进行处理，以获取多维燃烧气体温度和多组分浓度。
在步骤S51中，采集卡是捕获外界光电、音频等模拟信号并将其数字化导入计算机进行数字处理的捕获设备，主要用图像采集卡、音频采集卡(比如声卡)、数据采集卡等。采集卡将光电转换形成的电信号采集、转换成数字信号并传输给锁相放大器，提高了锁相放大器的运行速度。
请参阅图6，本发明的第五实施例提供了一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量系统，该系统1可以运用上述任一实施例所述的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法对燃烧气体进行测量。炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量系统1包括上位机10、信号发生器11、激光控制器12、激光器13，光开关14、分光器15、光纤准直器16、光电转换器17、采集卡18和锁相放大器19。
信号发生器11和上位机10电性连接，信号发生器11还同时和激光控制器12电性连接，信号发生器11用于输出控制信号给激光控制器12，以使激光控制器12控制激光器13发射激光，信号发生器11还发出参考信号给锁相放大器19。信号发生器11输出的控制信号为调制信号，信号发生器11发出的参考信号为正弦信号。
激光控制器12通过信号发生器11和上位机10电性连接，激光控制器12还和激光器13电性连接，所述激光控制器12用于控制激光器13发出第一激光。激光控制器12的数目和激光器13的数目一致。如激光器13有m个，则激光控制器12也有m个。一个激光控制器12和一个激光器13电性连接，一个激光控制器12控制一个激光器13。本实施例中，m＝3，即激光控制器12包括第一激光控制器121、第二激光控制器122和第三激光控制器123。三个激光控制器都和信号发生器12电性连接。
激光器13用于发射m种第一激光，其中，1≤m≤M，M为待测气体组分数；所述m种第一激光的波段分别涵盖待测气体组分的分子吸收谱线范围；激光器13的数目和第一激光的数目一致。优选地，激光器13选用DFB激光器(Distributed Feedback Laser，分布式反馈激光器)。激光器13包括m个，每一个激光器13发射一种第一激光。在本实施例中，m＝3，激光器13包括第一激光器131、第二激光器132和第三激光器133，第一激光器131和第一激光控制器121电性连接，第二激光器132和第二激光控制器122电性连接，第三激光器133和第三激光控制器123电性连接，三个激光器都和光开关14连接。本实施例中待测气体组分包括H2O、CO、CO2和NO；对应H2O，所述第一激光的中心波长范围为1393.8nm～1401.8nm，优选为1397.8nm，以获取波长7153.75cm-1和7154.35cm-1处的H2O两条吸收谱线；对应CO和CO2，所述第一激光的中心波长范围为1575nm～1563nm，优选为1759nm，以获取6338.59cm-1处的CO吸收谱线和6337.99cm-1处的CO2吸收谱线；对应NO，所述第一激光的中心波长范围为5259nm～5267nm，优选为5263nm，以获取1900.07cm-1处的NO吸收谱线。
所述光开关14与激光器13连接，所述光开关14还和上位机10电性连接，所述光开关14用于将m种第一激光耦合成一路激光，并控制m种第一激光中每一种激光按预设时序交替输出。光开关14和激光器13连接时，采用光纤连接，优选采用单模光纤连接。单模光纤的中心玻璃芯很细，芯径一般为9或10μm，只能传一种模式的光纤，其模间色散很小，使用单模光纤进一步增加了测量的精确度。
分光器15和光开关14连接，所述分光器15分别将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光，n和p都为正整数。分光器15和光开关连接时，采用光纤连接，优选采用单模光纤连接。
光纤准直器16和分光器15连接，所述光纤准直器16用于按时序分别将2np路激光中每一路激光都校正为一路平行激光。2np路激光穿过燃烧气体，2np路激光形成p层n×n的光路网格，所述待测气体中的每一组分吸收与其对应的中心波长的第一激光；未被完全吸收的m种第一激光按时序穿过所述燃烧气体，每一种第一激光形成2np路第二激光；光纤准直器16和分光器15连接时，采用光纤连接，优选采用单模光纤连接。
光电转换器17，其用于按时序将m种2np路第二激光进行光电转换，每2np路第二激光形成2np个电信号。
采集卡18和光电转换器17电性连接，所述采集卡18按时序将m种2np路第二激光进行光电转换形成的电信号采集并转换成数字信号传输给锁相放大器19；
锁相放大器19和采集卡18电性连接，锁相放大器19还和上位机10电性连接，所述锁相放大器19用于对依次形成的m×2np个数字信号和参考信号进行处理，依次产生m×2np个二次谐波信号。
所述上位机10用于对依次产生的m×2np个二次谐波信号进行处理，以获取多维燃烧气体温度和多组分浓度。上位机10的类型不做限定，如上位机10可以为计算机或工业电脑。上位机还用于控制其他装置的工作，如光开关14的工作。
优选地，所述待测气体组分包括H2O，所述待测气体组分还包括CO、CO2和NO中至少一个，所述待测气体温度利用H2O双吸收谱线进行反演。
在使用时，上位机10控制信号发生器11发出控制信号给激光控制器12，上位机10还控制信号发生器11发出参考信号给锁相放大器19，激光控制器12根据控制信号控制激光器13发射m种第一激光，上位机10控制光开关14将m种第一激光中每一种激光按预设时序交替输出，分光器15分别将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光，光纤准直器16用于按时序分别将2np路激光中每一路激光都校正为一路平行激光，2np路激光包括第一部分n路激光和第二部分n路激光，第一部分n路激光中各路激光相互平行，第二部分n路激光中各路激光相互平行；第一部分n路激光和第二部分n路激光相互垂直，2np路激光都在同一个平面内，2np路激光穿过燃烧气体，2np路激光形成n×n的光路网格，所述待测气体中的每一组分吸收与其对应中心波长的第一激光；未被完全吸收的m种第一激光按时序穿过所述燃烧气体，每种第一激光形成2np路第二激光，光电转换器17按时序将m种2np路第二激光进行光电转换，每2np路第二激光形成2np个电信号，采集卡18按时序将m种2np路第二激光进行光电转换形成的电信号采集并转换成数字信号传输给锁相放大器19，锁相放大器19对依次形成的m×2np个数字信号和参考信号进行处理，依次产生m×2np个二次谐波信号，上位机10对依次产生的m×2np个二次谐波信号进行处理，以获取多维燃烧气体温度和多组分浓度。
可以理解，炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量系统和炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法中的内容可互为补充和说明。
炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量系统所采用的上位机、激光器、光开关、光电转换器、锁相放大器等元器件均可选用市面上售卖的元器件，利用光开关技术和分光器技术实现了多个燃烧参数场的同时测量，且实现了简化系统结构、节约系统成本、消除气体间的相互干扰。
值得注意的是，上述所有实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法，其特征在于，该炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法包括：
激光器发射m种第一激光，其中，1≤m≤M，M为待测气体组分数；所述m种第一激光的波段分别涵盖待测气体组分的分子吸收谱线范围；
光开关将m种第一激光耦合成一路激光，并控制m种第一激光中每一种激光按预设时序交替输出；
分光器将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光，n和p都为正整数；
2np路激光穿过燃烧气体，2np路激光形成p层n×n的光路网格，所述待测气体中的每一组分吸收与其对应的中心波长的第一激光；未被完全吸收的m种第一激光按时序穿过所述燃烧气体，每一种第一激光形成2np路第二激光；
光电转换器按时序将m种2np路第二激光进行光电转换，每2np路第二激光形成2np个电信号；
锁相放大器对按时序依次形成的电信号进行处理，按时序依次产生m×2np个二次谐波信号；
上位机对依次产生的m×2np个二次谐波信号进行处理，以获取多维燃烧气体温度和多组分浓度。
2.如权利要求1所述的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法，其特征在于：
所述燃烧气体温度为
所述待测气体组分的浓度为
其中，A＝∫vAv(v)dv＝∫v-ln(It/I0)dv＝P·X·S(T)L＝αvL，
A是光路上的积分吸光度；Av为吸光度；I0和It分别为入射光强和透射光强；P为混合气体总压；X为介质气体组分浓度；L为激光路在介质气体中的传输距离；S为吸收线强度；T为温度；αν为气体吸收系数；
温度T时的谱线强度S(T)为：
S(T0)为在参考温度T0时的谱线强度；E为低态能级值；h为Planck常数；k为Boltzmann常数；c为光速；v0为吸收谱线中心频率；
Q(T)为温度T时的配分函数值，表示为
Q(T)＝a+bT+cT2+dT3，
不同吸收谱线强度的比值R为
单光路的积分吸收率可表示为光路经过的所有网格对吸收的贡献之和为：
i为射线编号；j为网格编号；Lj表示光路经过第j个网格的光程；J为网格总数；a为网格内积分吸收系数；
k为迭代次数序号；Ai表示第i条射线的积分吸收率；β为松弛系数，Lij第i条射线穿过第j个网格的光程；
网格内吸收谱线强度的比值Ri为：
Ri＝av1,i/av2,i。
3.如权利要求1所述的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法，其特征在于，所述激光器发射m种第一激光，其中，1≤m≤M，M为待测气体组分数之前，还包括：
信号发生器输出控制信号给激光控制器，以使激光控制器控制激光器，信号发生器还发出参考信号给锁相放大器；
所述锁相放大器对按时序依次形成的电信号和参考信号进行处理，按时序依次产生m×2np个二次谐波信号。
4.如权利要求1所述的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法，其特征在于，所述分光器将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光之后，还包括：
光纤准直器按时序分别将2np路激光中每一路激光都校正为一路平行激光。
5.如权利要求1所述的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法，其特征在于，分光器将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光中，2np路激光包括第一部分np路激光和第二部分np路激光，第一部分np路激光中各路激光相互平行，第二部分np路激光中各路激光相互平行；第一部分np路激光和第二部分np路激光相互垂直。
6.如权利要求1所述的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法，其特征在于，所述锁相放大器对按时序依次形成的电信号进行处理，按时序依次产生m个二次谐波信号之前，还包括：
采集卡按时序将m种2np路第二激光进行光电转换形成的电信号采集并转换成数字信号传输给锁相放大器；
锁相放大器对按时序依次形成的数字信号进行处理，按时序依次产生m×2np个二次谐波信号。
7.如权利要求1所述的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法，其特征在于：所述待测气体温度利用双吸收谱线气体进行反演；所述待测气体浓度利用单/双吸收谱线气体进行反演。
8.一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量系统，其特征在于：该炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量系统包括上位机、激光器、光开关、分光器、光电转换器、锁相放大器和采集卡；
所述激光器和上位机电性连接，所述激光器发射m种第一激光，其中，1≤m≤M，M为待测气体组分数；所述m种第一激光的波段分别涵盖待测气体组分的分子吸收谱线范围；
所述光开关与激光器连接，所述光开关还和上位机电性连接，所述光开关将m种第一激光耦合成一路激光，并控制m种第一激光中每一种激光按预设时序交替输出；
所述分光器和光开关连接，所述分光器将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光，n和p都为正整数；
2np路激光穿过燃烧气体，2np路激光形成p层n×n的光路网格，所述待测气体中的每一组分吸收与其对应的中心波长的第一激光；未被完全吸收的m种第一激光按时序穿过所述燃烧气体，每种第一激光形成2np路第二激光；
所述光电转换器，其用于按时序将m种2np路第二激光进行光电转换，每2np路第二激光形成2np个电信号；
所述采集卡和光电转换器电性连接，所述采集卡按时序将m种2np路第二激光进行光电转换形成的电信号采集并转换成数字信号传输给锁相放大器；
所述锁相放大器和采集卡电性连接，所述锁相放大器还和上位机电性连接，所述锁相放大器对按时序依次形成的数字信号进行处理，按时序依次产生m×2np个二次谐波信号；
所述上位机用于对依次产生的m×2np个二次谐波信号进行处理，以获取多维燃烧气体温度和多组分浓度。
9.如权利要求8所述的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量系统，其特征在于：所述激光器为DFB激光器，所述激光器包括m个，每一个激光器发射1种第一激光。
10.如权利要求8所述的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量系统，其特征在于：所述待测气体组分包括H2O，所述待测气体组分还包括CO、CO2和NO中至少一个，所述待测气体温度利用H2O双吸收谱线进行反演；
对应H2O，所述第一激光的中心波长范围为1393.8nm～1401.8nm；
对应CO和CO2，所述第一激光的中心波长范围为1575nm～1563nm；
对应NO，所述第一激光的中心波长范围为5259nm～5267nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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