CN211235536U - 一种燃烧场温度与气体组分浓度测试仪 - Google Patents

一种燃烧场温度与气体组分浓度测试仪 Download PDF

Info

Publication number
CN211235536U
CN211235536U CN201922464412.1U CN201922464412U CN211235536U CN 211235536 U CN211235536 U CN 211235536U CN 201922464412 U CN201922464412 U CN 201922464412U CN 211235536 U CN211235536 U CN 211235536U
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
lasers
combustion field
temperature
division multiplexer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201922464412.1U
Other languages
English (en)
Inventor
张启蕊
李钊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anshan Yasai Electro Magnetic Equipment Co ltd
Original Assignee
Anshan Yasai Electro Magnetic Equipment Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anshan Yasai Electro Magnetic Equipment Co ltd filed Critical Anshan Yasai Electro Magnetic Equipment Co ltd
Priority to CN201922464412.1U priority Critical patent/CN211235536U/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN211235536U publication Critical patent/CN211235536U/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本实用新型一种燃烧场温度与气体组分浓度测试仪，采用信号发生器、包括信号发生器、多路激光控制器、多个激光器、一个准直器波分复用器、两个反射镜、激光耦合器、探测器、锁相放大器、数据采集卡和计算机控制器，多路激光控制器连接多个激光器以控制其工作电流和激光器温度，多个激光器发出的不同波长的激光通过光纤接入第一个波分复用器，耦合成一束激光通过一根光纤与准直器相连接；经准直器后的多波长信息经平面光镜来回穿过火焰燃烧场将光纤内的光转变成为平行光束，并对燃烧场进行检测，其输出信号再经激光耦合器、探测器、数据采集卡及锁相放大器与计算机控制器，能够实现对多种气体同时检测，具有实时性、多组分、可靠性高等优点。

Description

一种燃烧场温度与气体组分浓度测试仪
技术领域
本实用新型属于火焰燃烧场测量领域，具体涉及一种燃烧场温度与气体组分浓度测试仪。
背景技术
能源与环境是我国社会和经济发展的突出问题，其中燃烧是当今世界最主要的能量来源，因此为了提高燃烧效率，实现对自然资源有效利用并降低燃烧产生的污染物对大气质量的影响，需要对燃烧过程进行全面深入的研究。在燃烧诊断研究中，温度和燃烧产生的气体是尤其关键的物理量，它们与燃烧过程的总体效率密切相关。
以往针对燃烧场的测量往往都是分开测量燃烧场的温度和燃烧产生气体的浓度，其中温度表征了燃烧过程中所释放的热能大小以及效率高低，组分浓度表征了燃料成分配比和燃烧是否完全。单一种类检测并不能完整反映燃烧效率，故需要一种仪器可以将温度信息和浓度信息同时检测出来。
与火场检测不同的是，火场检测主要针对毒性气体和烟雾浓度测量，其测量原理是将火场气体放入气体吸收池中进行检测，而火焰燃烧场则是检测火焰燃烧的温度和燃烧气体浓度，通过这些参数进行燃烧诊断，它是利用空间反射镜直接架在火焰上面，对火焰的燃烧场进行检测。
以往仪器使用的合波器只能将多根光纤的输出激光按时间顺序选通，本质并不能将每个波段包含的信息融合到一起，难以做到对多种组份气体浓度的实时在线检测。
发明内容：
本实用新型提供一种具有高选择性与高精度的基于可调谐激光吸收光谱的燃烧场温度与气体组分浓度测试仪。
本实用新型的一种燃烧场温度与气体组分浓度测试仪，包括信号发生器、多路激光控制器、激光器、准直器、反射镜、激光耦合器、探测器、锁相放大器、数据采集卡和计算机控制器，其特征在于，还包括第一波分复用器和第二波分复用器，
所述的信号发生器与多路激光控制器相连接，信号发生器用于提供调制激光器的扫描波形和调制波形，所述多个激光器与多路激光控制器连接以控制其工作电流和激光器温度，多个激光器发出的不同波长的激光通过光纤接入第一个波分复用器，耦合成一束激光通过一根光纤与准直器相连接；
所述的反射镜为安装在火焰炉体四周窗口的外侧后方平面镜，所述的准直器的输出端对准平面镜的进口处，包含多波长信息的激光经准直器后变成平行光束，穿过火焰燃烧场，并对燃烧场进行检测；
在所述平面镜的出口处安装有激光耦合器、第二波分复用器、探测器、数据采集卡和锁相放大器，所述的探测器为多个探测器，经过激光耦合器将包含气体浓度和温度信息的平行光进行汇聚，使光最大效率的耦合进入光纤；被汇聚的激光传递给第二波分复用器，第二波分复用器输出的激光包含多个波段的信息，按波段被分成多路光束送入多个探测器中，将检测到的气体浓度和火焰燃烧场温度的输出信号接入数据采集卡和锁相放大器，解析出包含的燃烧产生气体浓度信息和火焰燃烧场温度信息，最后由计算机控制器处理保存。
优选地，所述的多个激光器为四个激光器，型号为DFB、vesel、ICL或QCL激光器，激光器的功率在1—500mw，波长在红外或紫外波段。
优选地，所述的探测器为光电探测器，将光信号转换成电信号，探测150nm到550nm的紫外光选用磷化镓光电二极管；探测900nm到2600nm近红外光选用铟镓砷光电二极管；探测2.0µm到10.6µm的中红外波段选用光伏探测器。
本实用新型利用波分复用的方式依次对多个波段的激光进行驱动。使用的波分复用器则是将一系列载有信息、但波长不同的激光融合成一束光，沿着单根光纤传输。相反的，也可以将各个不同波长的，包含不同信息的激光分开。这样就能实现多个波段的激光同时驱动，可以更加快速的对温度和气体进行同时检测。
仪器可以对整个温度场检测而非单点检测，并同时测量温度场与气体浓度。多组分气体同时测量，可根据测量现场的实际需求，根据需要检测的气体，自由组合不同中心波长的激光器。算法上采用Wms2f/1f算法，可以有效去除燃烧烟尘影响。实现对火焰燃烧场的温度与浓度等参数进行高时间、空间分辨的无损测量。
目前，工程上应用的燃烧过程绝大多数都是碳氢化合物的氧化，因此，水蒸气和CO2 是两种最基本的燃烧产物。由于二者在近红外区域内都有着丰富的吸收谱线，故常被用于TDLAS燃烧场测温的目标气体。其中，最常用的检测气体是水蒸气。因为水蒸气不仅浓度较高，而且在近红外波段有着很强的吸收（比CO2高2~3量级），更易于测量。
同时，伴随燃烧产生的多种气体包括CO、CH4、C2H6、C2H4、C3H8等。可以根据现场实际要求，自由组合测量气体的种类，根据待检测的气体选择对应波长的激光器。
本实用新型气体组分浓度检测与测温原理：
朗伯比尔定律是吸收光谱测量的理论基石。在直接吸收光谱测量中，入射光强度为Ii，经样品气体传输后的光强为It，如图所示，当激光的频率ν与气体分子的某一跃迁产生共振时，入射光的能量就会因吸收而减弱。衰减的激光能量-dIν与所经路径微分元dl相关，由辐射的爱因斯坦理论定量描述。
Figure 505897DEST_PATH_IMAGE002
其中，Iv为激光能量，P[atm]为气体总压强，T(l) [K]为温度，x(l)为吸收气体的摩尔分数，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
[cm]是气体吸收谱线的线型函数，Si[cm-2atm-1]为i谱线线强。
根据式，激光穿过光程为L的被测气体，透过率τv可表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中，I0为相同条件下，无吸收时接收到的光强。实际测量中，由于存在光束转向、窗口衰减、小液滴或烟尘散射等其它非共振传输损耗，I0小于入射光强度Ii。在波长扫描直接吸收测量中，I0一般是通过对非吸收区域进行拟合而得到，从而避免了激光强度起伏、探测器增益和非共振传输损耗等因素的影响。如果再激光波长扫描范围内得不到非吸收区域，比如恶劣条件下测量时吸收线受压力展宽影响或所测谱线附近存在密集干扰谱线的影响，此时，通过对待测区域用无吸收气体（一般为N2）进行吹扫，然后利用测得的透射光光强近似为I0。
定义吸光度αv为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
由于线性函数
Figure 659536DEST_PATH_IMAGE003
的归一化特性
Figure 992428DEST_PATH_IMAGE008
，光谱的积分吸光度A[cm-1]即吸收谱线覆盖的面积可由下式计算：
Figure 744483DEST_PATH_IMAGE010
当气体介质均匀（沿测量路径的气体温度T和浓度x值恒定）时，式简化为DAS中最常用的朗伯比尔定律：
Figure 566946DEST_PATH_IMAGE012
相应的吸光度和积分吸光度简化为：
Figure 833979DEST_PATH_IMAGE014
Figure 32879DEST_PATH_IMAGE016
由此可知，对于均匀的被测气体，积分吸光度为吸收气体的压强、摩尔浓度、所测温度下的线强以及路径长度四者的乘积。气体浓度越大，对光的衰减也越大，因此,可通过测量气体对激光的衰减来测量气体浓度。
而常用的双线测温法是，两条线的积分吸光度（面积）是在同一摩尔浓度，同一压力，同一光程下同时测得的，因此二者之比可简化为线强之比，即只是温度的单值单调函数：
Figure 137976DEST_PATH_IMAGE018
Figure 131340DEST_PATH_IMAGE020
因此，温度可以由下式得到：
Figure 885670DEST_PATH_IMAGE022
温度得到之后，可以根据任一条谱线的积分吸光度得到被测气体的摩尔浓度。
Figure 560364DEST_PATH_IMAGE024
为了提高气体浓度测量结果的准确性和灵敏度，提高测量系统对各种噪声的抗干扰能力，实际检测系统中多采用波长调制光谱（WMS）技术作为检测原理。
波长调制光谱技术的工作原理为：激光器的波长不仅在一定范围内扫描，还同时被一个频率为f的高频正弦信号调制，光电探测器接收被待测气体吸收后的透射光，并将调制后的光信号转化为电信号，送入锁相放大器，同时给锁相放大器输入参考信号，就可以对输入的调制信号进行解调，其中可以根据解调出的二次谐波（Second Harmonics，简称2f）信号确定气体的浓度，并根据双线测温法，来反向推倒出气体温度。
本实用新型的优点是：
1）多路激光控制器将电压转换为电流控制对激光器进行调制，它能够同时启动所有激光器，发出对应各种检测气体的特定波长的激光光束，同时激光控制器还控制激光器的温度。
2）多个激光器发出的不同波长的激光，经第一个波分复用器将多路激光耦合成一束包含各个波长信息的光，并进入一根光纤进行输出，经准直器后的多波长信息经平面光镜来回穿过火焰燃烧场将光纤内的光转变成为平行光束，并对燃烧场进行检测，其输出信号再经激光耦合器、探测器、数据采集卡及锁相放大器与计算机控制器，能够实现对多种气体同时检测，具有实时性、多组分、可靠性高等优点。
附图说明
图1是为本实新型的一种燃烧场温度与气体组分浓度测试仪的原理框图。
图2是反射镜安装结构图。
图3为2D分布温度场示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
如图1和图2所示，本实用新型的一种燃烧场温度与气体组分浓度测试仪，包括信号发生器1、多路激光控制器2、激光器3、准直器5、反射镜6、激光耦合器7、探测器9、数据采集卡10、锁相放大器11和计算机控制器，其特征在于，还包括第一波分复用器4和第二波分复用器8，所述的信号发生器1与多路激光控制器相连接，信号发生器1用于提供调制激光器的扫描波形和调制波形，所述多个激光器与多路激光控制器连接以控制其工作电流和激光器温度，多个激光器发出的不同波长的激光通过光纤接入第一个波分复用器，耦合成一束激光通过一根光纤与准直器相连接；
本实用新型所述的多个激光器为四个激光器，3-1、3-2、3-3、3-n，型号为DFB、vesel、ICL或QCL激光器，激光器的功率为1mw—500mw，波长在红外或紫外波段。激光器分为测温激光器和测组分浓度激光器，本实施例中，根据测温原理选择测量水蒸气来计算燃烧场温度。选择水蒸气在7185.60cm-1和6807.86cm-1处的吸收线作为线对，选择1391nm和1468nm两个中心波长的激光器作为测温激光器。本实施例中，对燃烧时产生的CO和CH4浓度进行测量，故测组分浓度激光器选择1580nm和1654nm中心波长的激光器。多路激光控制器亦为四路激光控制器，2-1、2-2、2-3、2-n，与四个激光器对应设置，对其进行波长扫描和波长控制；信号发生器1与激光器控制器输出的调制信号不仅同时控制四个激光器，也可采用时分复用的方式控制激光器，四个激光器输出的激光交替地被激活调谐工作，实现多激光器分时工作。
根据双线测温原理，也可以选择2743nm和2752nm中心波长的激光器，利用CO2的吸收线对燃烧场的温度进行测量。
所述的反射镜为安装在火焰炉体四周窗口的外侧后方的四个平面镜6-1、6-2、6-3、6-4，四块平面镜安装在距火焰炉体15mm处，所述的准直器5的输端安装在平镜的进口处，包含多波长信息的激光经准直器后变成平行光束，多波长信息激穿过火焰燃烧场将光纤内的光转变成为平行光束，并对燃烧场进行检测；
在所述平面镜的出口处安装有激光耦合器7、第二波分复用器8、探测器9、数据采集卡10和锁相放大器11，所述的探测器9为多个探测器，探测器个数与激光器个数相同。经过激光耦合器7将包含气体浓度和温度信息的平行光进行汇聚，使光最大效率的耦合进入光纤；被汇聚的激光传递给第二波分复用器8，第二波分复用器8输出的激光包含多个波段的信息，按波段被分成多路光束送入多个探测器9中，将检测到的气体浓度和火焰燃烧场温度的输出信号接入数据采集卡10和锁相放大器11，解析出包含的燃烧产生气体浓度信息和火焰燃烧场温度信息，最后由计算机控制器处理保存。
可将非均匀特性的待测区域划分成的M×N的正交网格，并由M×N条正交排布的LOS测量路径对火焰燃烧场进行测量，实现2D分布温度场测量，如图3所示。
伴随燃烧产生的多种气体包括CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C3H8等。根据待检测的气体选择对应波长的激光器，以下提供气体的吸收谱线，可以根据检测需求，自由选择激光器进行组合测量，如下表所示激光器选用根据实际需求选用DFB，vesel，ICL或QCL激光器，激光器的功率在1mw—500mw，波长在红外或紫外波段。
气体 谱线（nm）
O2 760/761/763nm
H2O 1392/1468/1877/2740nm
CO 1580/2330nm
CO2 2004/2743/2752nm
NO 1800nm/2650nm/5262nm
NO2 6138nm
N2O 2257nm
CH4 1654nm/2332nm
C2H6 1653nm
C2H4 1626nm/10.5um
C3H8 3370nm
HC fuels 3.4um

Claims (3)

1.一种燃烧场温度与气体组分浓度测试仪，包括信号发生器、多路激光控制器、激光器、准直器、反射镜、激光耦合器、探测器、锁相放大器、数据采集卡和计算机控制器，其特征在于，还包括第一波分复用器和第二波分复用器，
所述的信号发生器与多路激光控制器相连接，信号发生器用于提供调制激光器的扫描波形和调制波形，所述多个激光器与多路激光控制器连接以控制其工作电流和激光器温度，多个激光器发出的不同波长的激光通过光纤接入第一个波分复用器，耦合成一束激光通过一根光纤与准直器相连接；
所述的反射镜为安装在火焰炉体四周窗口的外侧后方平面镜，所述的准直器的输出端对准平面镜的进口处，包含多波长信息的激光经准直器后变成平行光束，穿过火焰燃烧场，并对燃烧场进行检测；
在所述平面镜的出口处安装有激光耦合器、第二波分复用器、探测器、数据采集卡和锁相放大器，所述的探测器为多个探测器，经过激光耦合器将包含气体浓度和温度信息的平行光进行汇聚，使光最大效率的耦合进入光纤；被汇聚的激光传递给第二波分复用器，第二波分复用器输出的激光包含多个波段的信息，按波段被分成多路光束送入多个探测器中，将检测到的气体浓度和火焰燃烧场温度的输出信号接入数据采集卡和锁相放大器，解析出包含的燃烧产生气体浓度信息和火焰燃烧场温度信息，最后由计算机控制器处理保存。
2.根据权利要求1所述的一种燃烧场温度与气体组分浓度测试仪，其特征在于，所述的多个激光器为四个激光器，型号为DFB、vesel、ICL或QCL激光器，激光器的功率在1—500mw，波长在红外或紫外波段。
3.根据权利要求1所述的一种燃烧场温度与气体组分浓度测试仪，其特征在于，所述的探测器为光电探测器，将光信号转换成电信号，探测150nm到550nm的紫外光选用磷化镓光电二极管；探测900nm到2600nm近红外光选用铟镓砷光电二极管；探测2.0µm到10.6µm的中红外波段选用光伏探测器。
CN201922464412.1U 2019-12-31 2019-12-31 一种燃烧场温度与气体组分浓度测试仪 Active CN211235536U (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201922464412.1U CN211235536U (zh) 2019-12-31 2019-12-31 一种燃烧场温度与气体组分浓度测试仪

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201922464412.1U CN211235536U (zh) 2019-12-31 2019-12-31 一种燃烧场温度与气体组分浓度测试仪

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN211235536U true CN211235536U (zh) 2020-08-11

Family

ID=71916506

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201922464412.1U Active CN211235536U (zh) 2019-12-31 2019-12-31 一种燃烧场温度与气体组分浓度测试仪

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN211235536U (zh)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112255186A (zh) * 2020-10-30 2021-01-22 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 一种非均匀流场积分吸光度的计算方法和系统
CN112504993A (zh) * 2020-09-28 2021-03-16 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置
CN112611477A (zh) * 2020-12-14 2021-04-06 东南大学 一种激光吸收光谱扫描光路重建燃烧火焰温度场的装置
CN113125380A (zh) * 2021-04-13 2021-07-16 内蒙古光能科技有限公司 基于波分复用技术的多组分痕量气体在线检测装置和方法
CN113533207A (zh) * 2021-07-27 2021-10-22 吉林大学 一种基于tdlas技术的高准确度检测装置及修正方法
CN113702321A (zh) * 2021-10-11 2021-11-26 天津工业大学 一种用于高空间分辨率气体测量的激光检测装置及方法
CN114486846A (zh) * 2022-01-06 2022-05-13 西北核技术研究所 一种多气体组分和浓度的检测装置及检测方法
CN114518230A (zh) * 2022-03-01 2022-05-20 上海交通大学 一种发动机羽流场速度温度同步测量系统
CN114877951A (zh) * 2022-06-22 2022-08-09 北京航空航天大学 一种燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置及方法

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112504993A (zh) * 2020-09-28 2021-03-16 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置
CN112504993B (zh) * 2020-09-28 2024-05-07 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种用于矩形燃烧流场的一对多高密度光纤光学探测装置
CN112255186A (zh) * 2020-10-30 2021-01-22 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 一种非均匀流场积分吸光度的计算方法和系统
CN112255186B (zh) * 2020-10-30 2021-09-28 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 一种非均匀流场积分吸光度的计算方法和系统
CN112611477A (zh) * 2020-12-14 2021-04-06 东南大学 一种激光吸收光谱扫描光路重建燃烧火焰温度场的装置
CN113125380A (zh) * 2021-04-13 2021-07-16 内蒙古光能科技有限公司 基于波分复用技术的多组分痕量气体在线检测装置和方法
CN113533207A (zh) * 2021-07-27 2021-10-22 吉林大学 一种基于tdlas技术的高准确度检测装置及修正方法
CN113702321A (zh) * 2021-10-11 2021-11-26 天津工业大学 一种用于高空间分辨率气体测量的激光检测装置及方法
CN114486846A (zh) * 2022-01-06 2022-05-13 西北核技术研究所 一种多气体组分和浓度的检测装置及检测方法
CN114518230A (zh) * 2022-03-01 2022-05-20 上海交通大学 一种发动机羽流场速度温度同步测量系统
CN114518230B (zh) * 2022-03-01 2022-10-28 上海交通大学 一种发动机羽流场速度温度同步测量系统
CN114877951A (zh) * 2022-06-22 2022-08-09 北京航空航天大学 一种燃烧温度场及水蒸气含量同步测量装置及方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN211235536U (zh) 一种燃烧场温度与气体组分浓度测试仪
EP1616207B1 (en) Method and apparatus for the monitoring and control of combustion
US7005645B2 (en) Apparatus and methods for launching and receiving a broad wavelength range source
CN104280362B (zh) 一种高温水汽激光光谱在线检测系统
US8456634B2 (en) Optical interrogation sensors for combustion control
CN110044837B (zh) 一种基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置
CN208013060U (zh) 一种波长范围以及波长连续可调谐的多气体检测系统
CN107576505A (zh) 用于发动机燃烧过程监测的中红外激光测量系统及方法
CN108279209A (zh) 一种波长范围以及波长连续可调谐的多气体检测系统
CN105531580A (zh) 多成分用激光式气体分析计
JP2013127414A (ja) 多成分用レーザ式ガス分析計
US7064329B2 (en) Amplifier-enhanced optical analysis system and method
CN113916802A (zh) 一种自动校准开路式激光气体探测装置及实现方法
US20030038237A1 (en) Amplifier-enhanced optical analysis system and method
CN107764774B (zh) 一种同时测量烟气脱硝中一氧化氮和氨气的装置及方法
CN113607687A (zh) 一种基于气体吸收光谱的单端漫反射多组分测量系统
CN110736713A (zh) 气体分析仪和气体分析方法
CN115452768A (zh) 湍流燃烧场三维温度、气体浓度、颗粒浓度分布测量系统
CN211263143U (zh) 一种多组分气体遥测系统
Yu et al. Long-distance in-situ near-infrared gas sensor system using a fabricated fiber-coupled Herriott cell (FC-HC) operating within 1.5–2.3 μm
CN112461785A (zh) 一种基于tdlas结合法布里-珀罗光室的航空氧气监测系统
CN114965358B (zh) 基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测装置及方法
CN114509412A (zh) 一种在线式光学谐振腔腔镜反射率自动测量装置
CN112147098A (zh) 一种基于反常色散效应的气体种类与浓度检测系统

Legal Events

Date Code Title Description
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant