CN113108917B - 一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统 - Google Patents

一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统，属于光谱检测及高温测量领域；包括控制器、激光器、分束器、高温标校管、管式高温炉、第一探测器、第二探测器和2个筛状挡板；高温标校管沿轴向穿过管式高温炉，且高温标校管的轴向两端伸出管式高温炉；第一探测器与高温标校管的一端连接；第二探测器与高温标校管的另一端连接；2个筛状挡板设置在高温标校管的内腔中，将高温标校管的内腔分为三段；本发明实现了几乎全光谱波段的测量测试，同时在选择筛状挡板材料时无需考虑材料的光学特性，使选用耐受温度更高的材料成为可能，有利于实现超高温的温度校准测试。

Description

一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统
技术领域
本发明属于光谱检测及高温测量领域，涉及一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统。
背景技术
高温燃烧场温度检测在工业、制造、冶金、火箭发动机等领域有重要应用，传统的高温燃烧场检测主要采用热电偶接触式测温，但热电偶测温存在高温易熔断、测温迟滞、干扰燃烧流场等问题。随着红外光谱技术及光学器件制备技术的发展成熟，基于红外光谱的非接触式测温技术迅速发展。目前常用的非接触式测温技术主要有红外辐射测温、相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS)、平面激光诱导荧光光谱(PLIF)、遥测傅里叶变换光谱(FTIR)和可调谐激光吸收光谱(TDLAS)等。相比接触式温度检测技术，非接触式测温技术不干扰燃烧流场，对传感器的耐温特性要求较低，同时系统响应速度快可以实现瞬时测量等，具有较好的发展和应用前景。
测量系统的标定和校准是保证系统检测准确性的关键，传统热电偶式检测方法属于单点测温，校准和标定也是单点测试，产生标准的检测校准温度相对容易实现。但非接触式测温技术中，如TDLAS等属于视线检测技术，即测量结果是光线传播路径上积分的平均值，对系统进行校准时需要保证测量区域内温度分布的均匀性和稳定性。TDLAS技术检测温度是通过检测光线传播路径上特定气体分子对特定波长光的吸收变化实现对温度的测量，因此利用TDLAS技术检测温度需保证测试环境中包含特定的检测组分。当检测校准温度在器件的耐受温度范围内时，可以较好的保证在整个光线传播路径上温度分布的均匀与稳定。但当检测校准温度远高于器件的耐受温度时，为保证器件不受损害，检测校准温度区域和器件之间会存在一段变温区，从而导致测量结果不准。
目前普遍采用的高温管式炉对线温度进行校准，但是管式高温炉只有中间一段为恒温区，两端均为变温区，为消除变温区对测试结果的影响，往往采用耐高温的光学透镜将恒温区与变温区进行隔离。在变温区充入与温度检测无关的惰性气体分子，从而消除变温区对整体测试结果的影响，但是检测校准温度的上限受限于光学透镜的耐受温度，同时检测光束的波长受限于选择的光学透镜材料。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统，实现了几乎全光谱波段的测量测试，同时在选择筛状挡板材料时无需考虑材料的光学特性，使选用耐受温度更高的材料成为可能，有利于实现超高温的温度校准测试。
本发明解决技术的方案是：
一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统，包括控制器、激光器、分束器、高温标校管、管式高温炉、第一探测器、第二探测器和2个筛状挡板；高温标校管沿轴向穿过管式高温炉，且高温标校管的轴向两端伸出管式高温炉；第一探测器与高温标校管的一端连接；第二探测器与高温标校管的另一端连接； 2个筛状挡板设置在高温标校管的内腔中，将高温标校管的内腔分为三段；
控制器：发出控制信号至激光器，根据控制信号调节激光器电流和温度的实现对激光器的输出光进行调制；接收第一探测器传来的2路电信号；接收第二探测器传来的2路电信号；根据4路电信号计算高温标校管内腔的温度；
激光器：接收控制器传来的控制信号，输出初始光束至分束器；
分束器：接收激光器传来的初始光束，将初始光束分为第一光束和第二光束；第一光束从设置有第一探测器的高温标校管一端射入高温标校管；第二光束从设置有第二探测器的高温标校管一端射入高温标校管；
高温标校管：接收分束器传来的第一光束和第二光束；其中，第一光束经 2个筛状挡板后，生成第一透射光束和第一反射光束；第一透射光束输出至第二探测器；第一反射光束输出至第一探测器；第二光束经2个筛状挡板后，生成第二透射光束和第二反射光束；第二透射光束输出至第一探测器；第二反射光束输出至第二探测器；
第一探测器：接收高温标校管传来的第一反射光束将光信号转换为电信号，输出至控制器；接收第二透射光束，将光信号转换为电信号，输出至控制器；
第二探测器：接收高温标校管传来的第一透射光束，将光信号转换为电信号，输出至控制器；接收第二反射光束，将光信号转换为电信号，输出至控制器。
在上述的一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统，所述分束器为分时工作方式，先输出第一光束进入高温标校管，当第二探测器接收第一透射光束，转化成电信号输出至控制器；同时第一探测器接收第一反射光束，转化成电信号输出至控制器后，分束器再输出第二光束进入高温标校管。
在上述的一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统，所述2个筛状挡板同轴设置在高温标校管的内腔中，将高温标校管的内腔分为2个变温区和1个恒温区；其中，恒温区位于2个筛状挡板之间；每个筛状挡板的外侧为变温区。
在上述的一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统，所述筛状挡板采用耐高温材料，筛状挡板上的通孔为圆形或其它形状，通孔的数量为一个或多个。
在上述的一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统，所述高温标校管为真空密封管；测温过程中，通过管式高温炉对高温标校管的中的恒温区进行均匀的加热，并实现对恒温区的温度稳定性控制。
在上述的一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统，所述筛状挡板与变温区的接触面表面采用镀膜或抛光处理增大表面发射率，反射率大于60％；筛状挡板与恒温区的接触面表面采用镀膜或磨毛处理减小表面反射率，反射率小于20％。
在上述的一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统，所述控制器计算高温标校管内腔温度的方法为：
控制器计算第一透射光束的路径积分温度A，并计算路径积分温度A的平均值A′；
计算第一反射光束的路径积分温度B，并计算路径积分温度B的平均值B′；则B′为指向第一探测器的变温区温度；
计算第二透射光束的路径积分温度C，并计算路径积分温度C的平均值C′；
计算第二反射光束的路径积分温度D，并计算路径积分温度D的平均值D′；则D′为指向第二探测器的变温区温度；
A′-B′为恒温区温度+指向第二探测器的变温区温度之和；A′-B′-D′即为恒温区温度；
同样，C′-D′为恒温区温度+指向第一探测器的变温区温度之和；C′-D′-B′为恒温区温度。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明提出了一种利用管式高温炉进行高温校准测试的系统，其核心是三段式高温标校管结构，其变温区与恒温区之间采用筛状挡板进行分隔，提出了一种校准测试方法，消除高温标校管两端变温区对校准测试结果的影响；
(2)本发明突破了传统标校装置对温度、波长、透镜材料等方面的限制，可以实现几乎全光谱波段的测量测试，同时在选择筛状挡板材料时无需考虑材料的光学特性，使选用耐受温度更高的材料成为可能，有利于实现超高温的温度校准测试。
附图说明
图1为本发明高温标校系统示意图；
图2为本发明高温标校管示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
为消除线温度标定校准系统对光学透镜材料的依赖，实现更高温度的检测标定，本发明提出了一种用于吸收光谱温度检测的高温标校装置和方法，突破传统标校装置对温度、波长、透镜材料等方面的限制，在线温度检测系统的高温标定和校准检测方面更具普适性。
基于吸收光谱温度检测的高温标校系统，如图1所示，具体包括控制器1、激光器2、分束器3、高温标校管4、管式高温炉5、第一探测器6、第二探测器7和2个筛状挡板8；高温标校管4沿轴向穿过管式高温炉5，且高温标校管4的轴向两端伸出管式高温炉5；第一探测器6与高温标校管4的一端连接；第二探测器7与高温标校管4的另一端连接；2个筛状挡板8设置在高温标校管4的内腔中，将高温标校管4的内腔分为三段；如图2所示，2个筛状挡板 8同轴设置在高温标校管4的内腔中，将高温标校管4的内腔分为2个变温区和1个恒温区；其中，恒温区位于2个筛状挡板8之间；每个筛状挡板8的外侧为变温区。
控制器1：发出控制信号至激光器2，根据控制信号调节激光器2电流和温度的实现对激光器2的输出光进行调制；接收第一探测器6传来的2路电信号；接收第二探测器7传来的2路电信号；根据4路电信号计算高温标校管4 内腔的温度；
激光器2：接收控制器1传来的控制信号，输出初始光束至分束器3。
分束器3：接收激光器2传来的初始光束，将初始光束分为第一光束11和第二光束12；第一光束11从设置有第一探测器6的高温标校管4一端射入高温标校管4；第二光束12从设置有第二探测器7的高温标校管4一端射入高温标校管4；分束器3为分时工作方式，先输出第一光束11进入高温标校管4，当第二探测器7接收第一透射光束13，转化成电信号输出至控制器1；同时第一探测器6接收第一反射光束14，转化成电信号输出至控制器1后，分束器3 再输出第二光束12进入高温标校管4。
高温标校管4：接收分束器3传来的第一光束11和第二光束12；其中，第一光束11经2个筛状挡板8后，生成第一透射光束13和第一反射光束14；第一透射光束13输出至第二探测器7；第一反射光束14输出至第一探测器6；第二光束12经2个筛状挡板8后，生成第二透射光束15和第二反射光束16；第二透射光束15输出至第一探测器6；第二反射光束16输出至第二探测器7；高温标校管4为真空密封管；测温过程中，通过管式高温炉5对高温标校管8 的中的恒温区进行均匀的加热，并实现对恒温区的温度稳定性控制。高温标校管作为炉管安装在管式高温炉炉体中间，安装于高温标校管两端的探测器，分别用于接收透射光和反射光信号光束，并将其转化为电信号传送至控制器进行处理。高温标校管可以是一体成型式结构，也可以是多种材料拼接结构。
第一探测器6：接收高温标校管4传来的第一反射光束14将光信号转换为电信号，输出至控制器1；接收第二透射光束15，将光信号转换为电信号，输出至控制器1。
第二探测器7：接收高温标校管4传来的第一透射光束13，将光信号转换为电信号，输出至控制器1；接收第二反射光束16，将光信号转换为电信号，输出至控制器1。
筛状挡板8采用耐高温材料，筛状挡板8上的通孔为圆形或其它形状，通孔的数量为一个或多个。筛状挡板8与变温区的接触面表面采用镀膜或抛光处理增大表面发射率，反射率大于60％；筛状挡板8与恒温区的接触面表面采用镀膜或磨毛处理减小表面反射率，反射率小于20％。
控制器1计算高温标校管4内腔温度的方法为：
控制器1计算第一透射光束13的路径积分温度A，并计算路径积分温度A 的平均值A′；
计算第一反射光束14的路径积分温度B，并计算路径积分温度B的平均值 B′；则B′为指向第一探测器6的变温区温度；
计算第二透射光束15的路径积分温度C，并计算路径积分温度C的平均值 C′；
计算第二反射光束16的路径积分温度D，并计算路径积分温度D的平均值 D′；则D′为指向第二探测器7的变温区温度；
A′-B′为恒温区温度+指向第二探测器7的变温区温度之和；A′-B′-D′即为恒温区温度；
同样，C′-D′为恒温区温度+指向第一探测器6的变温区温度之和； C′-D′-B′为恒温区温度。
具体的，控制器产生温度控制信号使激光器工作于特定温度，控制器产生电流调制信号使激光器的出光波长周期性的扫过气体分子的一个或几个特征吸收峰。可选的，控制器可以通过调制单只激光器的驱动电流，使激光器出射光波长扫过多个待检测吸收峰，也可以分时调制多只激光器的驱动电流，使出射光波长分别扫过多个待检测吸收峰。
本发明提出了一种利用管式高温炉进行高温校准测试的装置和方法，其核心是三段式高温标校管结构，其变温区与恒温区之间采用筛状挡板进行分隔，提出了一种校准测试方法，消除高温标校管两端变温区对校准测试结果的影响。该装置及方法突破了传统标校装置对温度、波长、透镜材料等方面的限制，可以实现几乎全光谱波段的测量测试，同时在选择筛状挡板材料时无需考虑材料的光学特性，使选用耐受温度更高的材料成为可能，有利于实现超高温的温度校准测试。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统，其特征在于：包括控制器(1)、激光器(2)、分束器(3)、高温标校管(4)、管式高温炉(5)、第一探测器(6)、第二探测器(7)和2个筛状挡板(8)；高温标校管(4)沿轴向穿过管式高温炉(5)，且高温标校管(4)的轴向两端伸出管式高温炉(5)；第一探测器(6)与高温标校管(4)的一端连接；第二探测器(7)与高温标校管(4)的另一端连接；2个筛状挡板(8)设置在高温标校管(4)的内腔中，将高温标校管(4)的内腔分为三段；
控制器(1)：发出控制信号至激光器(2)，根据控制信号调节激光器(2)电流和温度实现对激光器(2)的输出光进行调制；接收第一探测器(6)传来的2路电信号；接收第二探测器(7)传来的2路电信号；根据4路电信号计算高温标校管(4)内腔的温度；
激光器(2)：接收控制器(1)传来的控制信号，输出初始光束至分束器(3)；
分束器(3)：接收激光器(2)传来的初始光束，将初始光束分为第一光束(11)和第二光束(12)；第一光束(11)从设置有第一探测器(6)的高温标校管(4)一端射入高温标校管(4)；第二光束(12)从设置有第二探测器(7)的高温标校管(4)一端射入高温标校管(4)；
高温标校管(4)：接收分束器(3)传来的第一光束(11)和第二光束(12)；其中，第一光束(11)经2个筛状挡板(8)后，生成第一透射光束(13)和第一反射光束(14)；第一透射光束(13)输出至第二探测器(7)；第一反射光束(14)输出至第一探测器(6)；第二光束(12)经2个筛状挡板(8)后，生成第二透射光束(15)和第二反射光束(16)；第二透射光束(15)输出至第一探测器(6)；第二反射光束(16)输出至第二探测器(7)；
第一探测器(6)：接收高温标校管(4)传来的第一反射光束(14)将光信号转换为电信号，输出至控制器(1)；接收第二透射光束(15)，将光信号转换为电信号，输出至控制器(1)；
第二探测器(7)：接收高温标校管(4)传来的第一透射光束(13)，将光信号转换为电信号，输出至控制器(1)；接收第二反射光束(16)，将光信号转换为电信号，输出至控制器(1)。
2.根据权利要求1所述的一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统，其特征在于：所述分束器(3)为分时工作方式，先输出第一光束(11)进入高温标校管(4)，当第二探测器(7)接收第一透射光束(13)，转化成电信号输出至控制器(1)；同时第一探测器(6)接收第一反射光束(14)，转化成电信号输出至控制器(1)后，分束器(3)再输出第二光束(12)进入高温标校管(4)。
3.根据权利要求2所述的一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统，其特征在于：所述2个筛状挡板(8)同轴设置在高温标校管(4)的内腔中，将高温标校管(4)的内腔分为2个变温区和1个恒温区；其中，恒温区位于2个筛状挡板(8)之间；每个筛状挡板(8)的外侧为变温区。
4.根据权利要求3所述的一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统，其特征在于：所述筛状挡板(8)采用耐高温材料，筛状挡板(8)上的通孔为圆形或其它形状，通孔的数量为一个或多个。
5.根据权利要求4所述的一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统，其特征在于：所述高温标校管(4)为真空密封管；测温过程中，通过管式高温炉(5)对高温标校管(4 )的中的恒温区进行均匀的加热，并实现对恒温区的温度稳定性控制。
6.根据权利要求5所述的一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统，其特征在于：所述筛状挡板(8)与变温区的接触面表面采用镀膜或抛光处理增大表面反射率 ，反射率大于60％；筛状挡板(8)与恒温区的接触面表面采用镀膜或磨毛处理减小表面反射率，反射率小于20％。
7.根据权利要求6所述的一种基于吸收光谱温度检测的高温标校系统，其特征在于：所述控制器(1)计算高温标校管(4)内腔温度的方法为：
控制器(1)计算第一透射光束(13)的路径积分温度A，并计算路径积分温度A的平均值A′；
计算第一反射光束(14)的路径积分温度B，并计算路径积分温度B的平均值B′；则B′为指向第一探测器(6)的变温区温度；
计算第二透射光束(15)的路径积分温度C，并计算路径积分温度C的平均值C′；
计算第二反射光束(16)的路径积分温度D，并计算路径积分温度D的平均值D′；则D′为指向第二探测器(7)的变温区温度；
A′-B′为恒温区温度+指向第二探测器(7)的变温区温度之和；A′-B′-D′即为恒温区温度；
同样，C′-D′为恒温区温度+指向第一探测器(6)的变温区温度之和；C′-D′-B′为恒温区温度。
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