CN111239072A - 一种精确测量燃烧气体温度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精确测量燃烧气体温度的方法，属于气体温度测量领域。本发明实现方法为：求取两个频率梳重复频率差和脉冲时域重复周期延迟时间；在气体样品池两边搭建测量光路装置；选取在红外波段具有吸收谱信息的气体成分；调整光路，并确定拍频后的频谱信息与原光谱映射关系及映射系数；对光电探测器探测到的光强数据进行采集；分析得到频谱信息，转换得到被测气体的红外吸收光谱；根据HITRAN数据库，转换得到被测气体的分子全部内部分割求和函数；将函数代入吸收光谱线型函数公式得到吸收光谱线型函数；将吸收光谱线型函数代入被测气体温度计算公式得到被测量气体温度，实现实时非接触精确测量燃烧气体温度。本发明具有实时性强、测量精度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃烧气体温度测量方法，属于气体温度测量领域。
背景技术
近年来，光学频率梳技术在频标计量及前沿基础物理研究领域发挥了巨大作用。光学频率梳在频域上具有整齐分布的一系列光谱谱线，这些光谱谱线间距相等，数量众多，光谱范围大，是进行光谱分析的天然精密刻度，而且每个刻度的线宽很窄，具有很高的分辨率，得益于这些内在特性，光学频率梳在光谱测量领域也具有重要的应用前景。
目前的激光测温法主要有以下几种：
激光拉曼法：利用光谱线型与温度存在确定的对应关系，通过采集到的光谱线型与特定温度下的理论计算出的光谱线型相拟合即可得到温度信息。目前对激光拉曼法的研究主要集中在测量结果可靠性、测量的时间、空间和光谱分辨率等实际应用方面。由于其散射截面小，散射光很弱，系统的信噪比很小，所以主要研究方向在于提高系统信噪比。激光诱导荧光光谱(LIFS)：荧光是粒子被激发后的发射光谱，LIF仪是以激光作为激发光源的荧光光谱。由于LIFS可以做到共振激发，因此具有较高的灵敏度。通过柱面透镜将激光整形为平面激光，采用CCD探测器，可以实现对二维的温度场进行测量，称为PLIF，时空分辨率较高。随着图像测量技术的发展，PLIF得到了广泛应用。LIFS方法对材料和耦合的要求较高，需要大量的设备投入，并且需要可靠的光谱数据进行运算，同时，采用CCD图像方法对火焰进行处理大多用于定性分析，用于定量分析还显不足。可调谐半导体激光器吸收光谱法(TDLAS)：利用激光能量被气体分子吸收形成吸收光谱的原理来测量气体浓度。激光器发出的特定波长的激光束穿过被测气体时，气体对激光束进行吸收使激光强度产生衰减，激光强度的衰减与气体的浓度、温度等参量相关，通过分析与检测来计算气体的温度。TDLAS扫描光谱范围较窄，覆盖的吸收谱线数量较少，对于激光器的选择有一定要求。
发明内容
本发明公开的一种精确测量燃烧气体温度的方法要解决的技术问题是：基于高相干度双飞秒激光频率梳光学扫描测量技术，在红外波段选取被测气体成分，通过测量与分析气体成分在红外波段的吸收光谱实现燃烧气体温度测量。因为光学扫描速度快，拍频谱线密集，因此本发明具有实时性强、测量精度高的优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种精确测量燃烧气体温度的方法实现方法为：选取两个具有微小重复频率差的飞秒光学频率梳，并求取两个频率梳重复频率差和脉冲时域重复周期延迟时间；设置被测气体样品池，在气体样品池两边搭建测量光路装置；确定用于分析计算的气体成份，选取在红外波段具有吸收谱信息的气体成分；调整光路，并确定拍频后的频谱信息与原光谱映射关系及映射系数；使用数据采集模块对光电探测器探测到的光强数据进行采集；对采集到的数据进行分析，得到射频段的频谱信息，通过傅里叶光谱变换方法将该射频谱转换得到被测气体的红外吸收光谱；根据HITRAN数据库，通过拟合算法转换得到被测气体的分子全部内部分割求和函数：将内部分割求和函数带入吸收光谱线型函数计算公式，得到吸收光谱线型函数；根据比尔定律，将吸收光谱线型函数代入被测气体温度计算公式得到被测量气体温度，即基于双飞秒激光频率梳实现实时非接触精确测量燃烧气体温度。
本发明公开的一种精确测量燃烧气体温度的方法，包括如下步骤：
步骤一：选取两个具有微小重复频率差的飞秒光学频率梳，定义为第一飞秒光学频率梳、第二飞秒光学频率梳，并求取两个频率梳重复频率差和脉冲时域重复周期延迟时间。
步骤一实现方法为：选取两个具有微小重复频率差的的飞秒光学频率梳，即选取重复频率为frep1为的第一飞秒光学频率梳和选取重复频率为frep2的第二飞秒光学频率梳，两个频率梳重复频率差为Δf，则两个飞秒光学频率梳的脉冲时域重复周期延迟为：
作为优选，步骤一所述微小重复频率差控制在在kHz～MHz范围内。
步骤二：设置被测气体样品池，在气体样品池留出测量光通路，在气体样品池两边搭建测量光路装置。
步骤三：确定用于分析计算的气体成份，选取在红外波段具有吸收谱信息的气体成分。
作为优选，在红外波段具有吸收谱信息的气体成分包括H2O、CO2，所述H2O吸收谱中心波长为1.1μm、1.6μm等，所述CO2吸收谱中心波长为2.0μm、2.7μm等。
步骤四：调整光路，使第一飞秒光学频率梳出射的激光束通过气体样品池。
步骤五：调整光路，使第一飞秒光学频率梳出射的激光束在通过气体样品池后与第二飞秒光学频率梳出射的激光束干涉拍频，由于时域脉冲重复周期的差别，两束光的脉冲在时域上的重叠度不同，在光电探测器探测到的是两束光的干涉拍频图样，确定拍频后的频谱信息与原光谱映射关系及映射系数。
步骤五实现方法为：调整光路，使飞秒光学频率梳出射的激光束在通过气体样品池后与飞秒光学频率梳出射的激光束干涉拍频，由于时域脉冲重复周期的差别，两束光的脉冲在时域上的重叠度不同，在光电探测器探测到的是两束光的干涉拍频图样，确定拍频后的频谱信息与原光谱映射关系，映射系数m为：
m＝frep1/Δf (2)
步骤六：使用数据采集模块对光电探测器探测到的光强数据进行采集。
步骤七：在分析处理模块中，对采集到的数据进行分析，得到射频段的频谱信息，通过傅里叶光谱变换方法将该射频谱转换得到被测气体的红外吸收光谱。
步骤八：根据HITRAN数据库，通过拟合算法转换得到被测气体的分子全部内部分割求和函数。
作为优选，据HITRAN数据库，通过公式(3)转换得到样品的分子全部内部分割求和函数：
Q(T)＝a+bT+cT2+dT3 (3)
式中，T为温度值，a，b，c为拟合系数。
步骤九：将步骤八得到的内部分割求和函数带入吸收光谱线型函数计算公式，得到吸收光谱线型函数。
步骤九实现方法为：将如公式(3)所示的内部分割求和函数带入吸收光谱线型函数计算公式，得到如公式(4)所示的吸收光谱线型函数。
式中，Q(t)是公式(3)中得到的分割求和函数，T是温度，h是普朗克常量，c是光速，k是波尔兹曼常数，Ei”是谱线的低跃迁态能量。
步骤十：根据比尔定律，将吸收光谱线型函数代入被测气体温度计算公式得到被测量气体温度。
步骤十实现方法为：根据比尔定律，将公式(4)代入公式(5)，得到被测量气体温度T：
式中，S(T0)是T0时的吸收谱线强度；E1”、E2”是谱线的低跃迁态能量；h是普朗克常量；c是光速；k是波尔兹曼常数；R是吸收强度比。
即基于双飞秒激光频率梳实现实时非接触精确测量燃烧气体温度。
有益效果：
1、本发明公开的一种精确测量燃烧气体温度的方法，基于高相干度双飞秒激光频率梳光学扫描测量技术，在红外波段选取被测气体成分，通过测量与分析气体成分在红外波段的吸收光谱实现燃烧气体温度测量。因为光学扫描速度快，拍频谱线密集，因此本发明具有实时性强、采样率高、测量精度高的优点。
附图说明
图1本发明公开的一种精确测量燃烧气体温度的方法流程图；
图2双光梳光谱转换原理图；
图3双光梳测温系统框图。
其中：1—第一飞秒光学频率梳、2—第二飞秒光学频率梳、3—气体样品池、4—光电探测器、5—数据采集模块、6—分析处理模块、7—第一偏振分光镜、8—第二偏振分光镜、9—第三偏振分光镜、10—反射镜。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
如图3所示，本实施例公开的一种精确测量燃烧气体温度的方法，基于所述精确测量燃烧气体温度系统实现，所述系统由第一飞秒光学频率梳1、第二飞秒光学频率梳2、气体样品池3、光电探测器4、数据采集模块5、分析处理模块6、第一偏振分光镜7、第二偏振分光镜8、第三偏振分光镜9、反射镜10组成。
如图1所示，本实施例公开的一种精确测量燃烧气体温度的方法，具体实现步骤如下：
步骤一：选取两个具有微小重复频率差的飞秒光学频率梳，第一飞秒光学频率梳1重复频率为192866250.84797701Hz，、第二飞秒光学频率梳2重复频率为192864169.77471301Hz，两台光梳的重复频率差约为2kHz。
步骤二：采用平面火焰燃烧炉做为燃烧源，设置被测气体样品池3温度大约为750K，在气体样品池3留出测量光通路，在气体样品池3两边搭建测量光路装置。
步骤三：确定用于分析计算的气体成份，选用燃烧产生的CO2为分析用气体成份，选用1.65μm处的CO2吸收峰。
步骤四：调整光路，使第一飞秒光学频率梳1出射的激光束首先通过第一偏振分光镜7，再通过气体样品池3，通过第二偏振分光镜8调整光束偏振方向；
步骤五：调整光路，使第一飞秒光学频率梳1出射的激光束在通过气体样品池3后与第二飞秒光学频率梳2出射的激光束干涉拍频，由于时域脉冲重复周期的差别，两束光的脉冲在时域上的重叠度不同，使用光电探测器4采集拍频后的射频谱，采集到的射频谱为映射关系，覆盖吸收光谱范围，映射系数为96000，则从1.65μm～1.66μm范围内共有约300000条谱线，通过吸收谱线的强度分布能够得到吸收谱曲线；
步骤六：使用数据采集模块对光电探测器探测到的光强数据进行采集。
步骤七：在分析处理模块中，对采集到的数据进行分析，得到射频段的频谱信息，通过傅里叶光谱变换方法将该射频谱转换得到被测气体CO2吸收光谱的红外吸收光谱。
步骤八：根据HITRAN数据库，建立吸收谱模型，通过多项式拟合方法，拟合出分子全部内部分割求和函数Q(T)；
步骤九：将步骤八得到的内部分割求和函数带入吸收光谱线型函数计算公式(4)，得到吸收光谱线型函数。
步骤十：根据比尔定律，将吸收光谱线型函数代入被测气体温度计算公式(5)得到被测量气体温度，即基于双飞秒激光频率梳实现实时非接触精确测量燃烧气体温度。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种精确测量燃烧气体温度的方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：选取两个具有微小重复频率差的飞秒光学频率梳，定义为第一飞秒光学频率梳(1)、第二飞秒光学频率梳(2)，并求取两个频率梳重复频率差和脉冲时域重复周期延迟时间；
步骤二：设置被测气体样品池(3)，在气体样品池(3)留出测量光通路，在气体样品池(3)两边搭建测量光路装置；
步骤三：确定用于分析计算的气体成份，选取在红外波段具有吸收谱信息的气体成分；
步骤四：调整光路，使第一飞秒光学频率梳(1)出射的激光束通过气体样品池(3)；
步骤五：调整光路，使第一飞秒光学频率梳(1)出射的激光束在通过气体样品池(3)后与第二飞秒光学频率梳(2)出射的激光束干涉拍频，由于时域脉冲重复周期的差别，两束光的脉冲在时域上的重叠度不同，在光电探测器(4)探测到的是两束光的干涉拍频图样，确定拍频后的频谱信息与原光谱映射关系及映射系数；
步骤六：使用数据采集模块(5)对光电探测器(4)探测到的光强数据进行采集；
步骤七：在分析处理模块(6)中，对采集到的数据进行分析，得到射频段的频谱信息，通过傅里叶光谱变换方法将该射频谱转换得到被测气体的红外吸收光谱；
步骤八：根据HITRAN数据库，通过拟合算法转换得到被测气体的分子全部内部分割求和函数；
步骤九：将步骤八得到的内部分割求和函数带入吸收光谱线型函数计算公式，得到吸收光谱线型函数；
步骤十：根据比尔定律，将吸收光谱线型函数代入被测气体温度计算公式得到被测量气体温度，即基于双飞秒激光频率梳实现实时非接触精确测量燃烧气体温度。
2.如权利要求1所述的一种精确测量燃烧气体温度的方法，其特征在于：步骤一实现方法为：选取两个具有微小重复频率差的的飞秒光学频率梳，即选取重复频率为frep1为的第一飞秒光学频率梳(1)和选取重复频率为frep2的第二飞秒光学频率梳(2)，两个频率梳重复频率差为Δf，则两个飞秒光学频率梳的脉冲时域重复周期延迟为：
3.如权利要求3所述的一种精确测量燃烧气体温度的方法，其特征在于：步骤五实现方法为，调整光路，使飞秒光学频率梳(1)出射的激光束在通过气体样品池(3)后与飞秒光学频率梳(2)出射的激光束干涉拍频，由于时域脉冲重复周期的差别，两束光的脉冲在时域上的重叠度不同，在光电探测器(4)探测到的是两束光的干涉拍频图样，确定拍频后的频谱信息与原光谱映射关系，映射系数m为：
m＝frep1/Δf (2)
4.如权利要求3所述的一种精确测量燃烧气体温度的方法，其特征在于：步骤八中，据HITRAN数据库，通过公式(3)转换得到样品的分子全部内部分割求和函数：
Q(T)＝a+bT+cT2+dT3 (3)
式中，T为温度值，a，b，c为拟合系数。
5.如权利要求4所述的一种精确测量燃烧气体温度的方法，其特征在于：步骤九实现方法为，将如公式(3)所示的内部分割求和函数带入吸收光谱线型函数计算公式，得到如公式(4)所示的吸收光谱线型函数；
式中，Q(t)是公式(3)中得到的分割求和函数，T是温度，h是普朗克常量，c是光速，k是波尔兹曼常数，Ei”是谱线的低跃迁态能量。
6.如权利要求5所述的一种精确测量燃烧气体温度的方法，其特征在于：步骤十实现方法为，根据比尔定律，将公式(4)代入公式(5)，得到被测量气体温度T：
式中，S(T0)是T0时的吸收谱线强度；E1”、E2”是谱线的低跃迁态能量；h是普朗克常量；c是光速；k是波尔兹曼常数；R是吸收强度比；
即基于双飞秒激光频率梳实现实时非接触精确测量燃烧气体温度。
7.如权利要求6所述的一种精确测量燃烧气体温度的方法，其特征在于：步骤一所述微小重复频率差控制在在kHz～MHz范围内。
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