CN112484783A - 一种基于光学的气体压力温度高精度同步测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光学的气体压力温度高精度同步测量方法，属于计量测试技术领域。本发明通过融合折射率法和吸收光谱法中的波长调制法两种光学压力和温度测量方法模型，结合了基于折射率的气体压力测量方法精度高，和基于分子吸收光谱的气体压力测量方法蕴含信息丰富的特点，实现了气体压力和温度分离和同步精确测量。

Description

一种基于光学的气体压力温度高精度同步测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于光学的气体压力温度高精度同步测量方法，属于计量测试技术领域。

背景技术

压力是力学计量和测试的重要参数之一，其在航空、航天、核工业、舰船、兵器等领域应用非常广泛。在国防工业测试过程中，压力量值的准确与否直接影响到国防工业各个领域的安全和发展。利用光学测量的高精度、高分辨率、高动态等优势，建立的光学压力测量技术正在成为压力计量领域的新的热点和趋势，将为未来实现高精度压力测试、高精度压力标准、现场自校准压力测试和现场标准提供重要的技术支持。目前常用的光学压力测量方法主要为基于折射率和吸收光谱两种，一般情况下，这两种方法的压力测量装置都处于温度变化的环境中，被测气体的压力和温度参数同时变化且相互影响，如何实现动态环境下气体压力和温度的高精度同步测量是目前气体压力光学测量中面临的突出问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于光学的气体压力温度高精度同步测量方法，用于动态环境下气体压力和温度的高精度同步测量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种变温环境下高精度压力光学测量方法，包括如下步骤：

步骤一、利用吸收光谱法中的波长调制技术测量多个谱线线形参数，并通过迭代算法解算出含有系统误差的压力p_s与温度值T_s。

步骤二、利用折射率法测量气体折射率变化值，由气体状态方程建立气体折射率、压力和温度关系如下所示：

p＝ρRT[1+Bρ+Cρ²+Dρ³+...]

式中：p为气体压力，R是理想气体常数，T为温度，B，C和D分别为第一，第二和第三密度维里系数，ρ为介质密度，计算公式为：

式中：n为气体折射率，A_ε，b_ε分别为第一，第二介电维里系数。

步骤三、针对步骤一计算得到的可能含有较大系统误差的压力p_s与温度T_s，利用步骤二建立的气体的压力，与温度和折射率之间的关系模型，进行修正，得到精确的压力值p₀和温度值T₀：

有益效果

本发明的一种基于光学的气体压力温度高精度同步测量方法，通过融合折射率法和吸收光谱法中的波长调制法两种光学压力和温度测量方法模型，结合了基于折射率的气体压力测量方法精度高，和基于分子吸收光谱的气体压力测量方法蕴含信息丰富的特点，实现了气体压力和温度分离和同步精确测量。

附图说明

图1为本发明所述方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图1和实施例对本发明作进一步详述。本实施例以本发明技术方案为前提，给出了具体的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

对于航空发动机而言，温度和压力是对其性能测量中的量个关键参数，实现发动机中温度和压力的高精度同步测量对于发动机运行状态和性能的判断具有重要的作用。现有的针对发动机温度和压力的测量大都采用接触式测量的方法，在测量的过程中不仅要中要考虑传感器自身结构，同时还要考虑传感器的安装方式。如高温环境下动态压力的测量往往需要设计合理的引压管腔避免传感器与高温环境直接接触，温度传感器则需考虑铠装带来的温度信号的延迟，无法实现温度的实时准确测量。此外，还需考虑发动机内部自身的结构限制，往往无法实现相同空间位置压力和温度的同时测量，无法为热力学装置的设计提供准确、可靠的温度压力信息。本实施例提供一种基于光学的气体压力温度高精度同步测量方法，可以实现动态流场温度和压力的非接触测量，消除传感器自身结构及安装条件对测量结果产生的影响，实现空间同一位置压力和温度的同步测量。具体分析过程如下：

步骤一、利用吸收光谱法中的波长调制技术测量流场中某一位置的多个谱线的线形参数，并通过迭代算法解算出可能含有较大系统误差的压力与温度值。

利用吸收光谱法中的波长调制技术，测量激光的谐波信号，其中通过理论推导得到不同谐波表达式见公式(1)，建立气体压力测量仿真模型。

式中，I₀(t)为激光器初始光强，p为压力，C为气体体积比，L为气体腔有效长度，S(T)为吸收谱线的线强度，v_m为调制深度，φ(ν)为线型函数，v₀为激光频率，i为谐波次数。

谐波信号是关于气体压力、温度的函数，利用不同谐波信号的幅值，通过迭代算法可实现气体压力、温度的同时测量。迭代的核心思想是不同的谐波信号对气体参数的敏感性不同，其中每条谱线的2f/1f(二次谐波信号比一次谐波信号)信号峰值的比值是关于气体温度的灵敏性单调函数，4f_peak/2f_peak(四次谐波信号幅值与二次谐波信号幅值的比值)是关于气体压力的灵敏性单调函数。利用两条谱线的2f/1f信号和4f_peak/2f_peak，结合建模仿真和实验可实现气体压力、温度的同时测量，其迭代过程如下：

(1)给定初始压强p₀和温度T₀；

(2)建立两条谱线的2f/1f信号幅值及幅值的比值与温度的仿真曲线，对比仿真曲线与实验测得的两条谱线2f/1f信号峰值的比值，获得温度T_i，利用T_i时的某条吸收谱线的仿真2f/1f信号峰值和式(2)更新压力值，直至满足条件：(|T_i+1-T_i|/T_i)≤δ_T，迭代结束，δ_T为迭代误差，从而得到压力p₀时的温度T_s。

式中：(C_2f/1f)_meas表示实验测得的2f/1f信号峰值，(C_2f/1f)_sim表示数值仿真的2f/1f信号峰值。

(3)利用得到的温度T，建立某条谱线4f_peak/2f_peak信号与压力的仿真曲线，通过对比仿真曲线与实验测得的4f_peak/2f_peak，获得压强p_i，更新压强，直至满足收敛条件(|p_i+1-p_i|/p_i)≤δ_p，迭代结束，δ_P为压力迭代误差，获得气体压力p_s。

步骤二：建立基于折射率法的气体压力测量模型。

根据电磁波在空间传播理论可知，气体折射率与气体相对磁导率和介电常数(即相对电导率)存在如下关系

n²＝ε_rμ_r (3)

式中：n为气体折射率，ε_r为相对介电常数，μ_r是相对磁导率，大多数情况下μ_r≈1，因此有：n²＝ε_r。

根据Clausius-Mossotti方程和Lorentz-Lorenz方程，非极性气体的相对介电常数率和相对磁导率可以分别按密度展开成维里方程的形式：

式中，ρ为介质密度，A_ε，b_ε和c_ε分别为第一，第二和第三介电维里系数。带入折射率和机电常数的关系公式，并忽略高阶项，有：

进一步推到：

b_ερ²+A_ερ-(n²-1)/(n²+2)＝0 (6)

求解得到：

再根据理想气体状态方程，有：

p＝ρRT[1+Bρ+Cρ²+Dρ³+...] (8)

式中，p为气体压力，R是理想气体常数，T为温度，B，C和D分别为第一，第二和第三密度维里系数。将密度公式(7)带入式(8)，建立气体的压力p，与温度T，折射率n之间的关系模型。

步骤三、针对步骤一计算得到的可能含有较大系统误差的压力p_s与温度T_s，利用步骤二建立的气体的压力，与温度和折射率之间的关系模型，进行修正，得到精确的压力值。

高精度压力值判断依据为：气体的压力，与温度和折射率关系模型上与最接近的点。根据公式(8)可知，当折射率确定时，气体的压力和温度几乎呈线性关系，可变形为：

ρR[1+Bρ+Cρ²+Dρ³]T-p＝0 (9)

进一步计算点(T_s，p_s)到以上直线的垂点坐标，即横坐标为最终计算的被测位置的高精度温度值T₀，从坐标为被测位置的高精度的压力值p₀，得：

通过以上测量过程和分析计算，精确实现了被测气体介质在动态环境下的实时压力和温度的同步测量，可以实现流场中动态压力和温度的高精度非接触测量，为航空发动机压气机动力系统的进一步提升提供更加有效的数据支撑。

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 (1)

1.一种基于光学的气体压力温度高精度同步测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、利用吸收光谱法中的波长调制技术测量多个谱线线形参数，并通过迭代算法解算出可能含有较大系统误差的压力p_s与温度值T_s。

步骤二、利用折射率法测量气体折射率变化值，由气体状态方程建立气体折射率、压力和温度关系如下所示：

p＝ρRT[1+Bρ+Cρ²+Dρ³+...]

式中：p为气体压力，R是理想气体常数，T为温度，B，C和D分别为第一，第二和第三密度维里系数，ρ为介质密度，计算公式为：

式中：n为气体折射率，A_ε，b_ε分别为第一，第二介电维里系数。

步骤三、针对步骤一计算得到的可能含有较大系统误差的压力p_s与温度T_s，利用步骤二建立的气体的压力，与温度和折射率之间的关系模型，进行修正，得到精确的压力值p₀和温度值T₀：

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