一种利用单条谱线同时测量气体温度和浓度的装置和方法与流程

本发明涉及一种利用单条谱线同时测量气体温度和浓度的装置，还涉及一种利用单条谱线同时测量气体温度和浓度的方法，属于激光吸收光谱技术领域。

背景技术：

温度是日常生活和生产过程中是最普遍而且重要的参数之一。目前，我国电力供应仍然是以燃煤电厂为主，对于燃烧过程中锅炉炉内的气体温度实时监测，可以优化燃烧控制，提高燃烧效率和经济效益，并且减少了污染物的排放量。

在航空领域，航空发动机是飞机的核心部件，其工作状况对飞机的安全飞行起着至关重要的作用，而燃烧室出口气体的温度和浓度偏离正常的工作状况，会对涡轮导向器叶片和转子叶片的寿命带来明显影响。因此，有效地监测气体的温度和浓度，能够尽可能避免航空事故的发生。

目前，气体温度的测量方法主要分为接触式和非接触式。接触式测量方法中热电偶应用最为广泛，可以实现从-50到1600℃的连续测量。然而，热电偶测量时需要将探头伸入到流场中，会对温度场的测量造成侵扰，且热电偶具有热惯性，响应速度慢。此外，有些场合的燃气温度已经超过了热电偶测量范围。这些局限性使热电偶的使用受到了限制。非接触式测量方法中可调谐半导体激光吸收光谱技术(tdlas)在实际燃烧环境中的应用成为研究热点，其优点是系统紧凑耐用和良好的检测环境适应与抗干扰能力，测量精度高、灵敏度高和响应速度快。

tdlas技术常用的气体温度测量方法采用两种方式。一种是利用气体吸收谱线的多普勒展宽提取气体的温度，这种方法在实际过程中，很难精确分离气体吸收线的多普勒展宽和碰撞展宽，一般用于高温低压的情况，此时多普勒展宽起主要作用。另一种方法是利用两条谱线的线强比值提取气体的温度，这种方法最为广泛使用，其温度灵敏度取决于吸收谱线对的低能态能级差。能级差越大，温度灵敏度越高。在被测温度范围内两条吸收谱线的吸收强度不应太小，对于低能级较高的吸收谱线，其吸收强度往往很低，这就限制了能级较高的吸收谱线的选择；另外，能级较低的吸收谱线对冷边界层的吸收较强，这点限制了能级低的吸收谱线的选择；此外，在双线法测量气体温度过程中，采用频分复用时，两条谱线需要选择合适的调制频率，以避免频率之间产生串扰，这也限制了双线法对调制频率的选择，而采用时分复用方法会降低时间分辨率。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种利用单条谱线同时测量气体温度和浓度的方法，该测量方法特别适用于在恶劣的工业现场对气体温度和浓度的实时检测。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种利用单条谱线同时测量气体温度和浓度的方法，该方法先利用峰值归一化的二次谐波信号的线型，该线型由温度单一决定，从中提取气体的温度；再利用扣除背景的一次谐波归一化的二次谐波信号幅值，该信号幅值与浓度成正比关系，提取浓度信息，从而同时得到气体的温度和浓度。

该方法所使用的单条谱线，需要满足以下条件：在气体的温度一定时，谱线的吸收线型不随浓度变化，或变化很小；在气体的浓度一定时，谱线的吸收线型随着温度的变化很明显；在待测温度范围内，谱线的福伊特展宽是温度的单调函数。

上述利用单条谱线同时测量气体温度和浓度的方法，具体包括如下步骤：

步骤1，对测量的透射光强进行处理，得到测量的峰值归一化二次谐波信号r2f/p和一次谐波归一化二次谐波信号r2f/1f，并提取r2f/1f的峰值，记为p，给出待测气体温度和浓度的初始值分别为x0、t0，并设置n的初始值为0；

步骤2，对于已知的xn，改变tn，结合数据库得到仿真的峰值归一化二次谐波信号，使用最小二乘法拟合测量的峰值归一化二次谐波信号，得到tn+1；

步骤3，对于已知的tn+1，改变xn，结合数据库得到仿真的一次谐波归一化二次谐波信号并提取不同xn下的峰值，将p带入仿真信号的浓度-峰值关系，使用插值法得到p对应的浓度xn+1；

步骤4，对于足够大的数n，满足终止准则：

式中，ε、ξ为预先设定的阈值；

若满足，则迭代终止，则输出xn+1、tn+1，输出的xn+1、tn+1分别为待测气体的浓度测量值和温度测量值；若不满足，则令n＝n+1，返回步骤2，重复步骤2～步骤4，直至满足终止准则。

其中，步骤1中，对测量的透射光强进行数字锁相和低通滤波处理，得到背景信号和吸收信号的各次谐波信号的x分量和y分量，由此，可以提取扣除背景的二次谐波信号，表达式如下：

式中，x2f和y2f分别是吸收信号二次谐波的x分量和y分量，和分别是背景信号二次谐波的x分量和y分量，找到s2f的峰值点高度p，则扣除背景的峰值归一化的二次谐波信号r2f/p＝s2f/p。扣除背景的一次谐波归一化的二次谐波信号r2f/1f表达式如下：

式中，r1f和分别是吸收信号和背景信号的一次谐波，如下式：

其中，步骤2中，浓度xn已知时，假设温度tn，结合数据库提供的信息可以仿真光谱吸收度，其表达式如下：

α(v(t))＝sj·φj(δvc，δvd，v(t))·p·xi·l

式中，sj和φj分别为第j条谱线的线强和线型函数，p是气体的总压强，xi是第i种吸收气体的摩尔份数，l是路径的长度，由此，可以得到仿真的透射光强：

^sit＝i0·exp(-α)

式中，i0是测量的背景光强，得到仿真的透射光强后，进行数字锁相和低通滤波处理，提取仿真的峰值归一化二次谐波信号。

其中，步骤3中，在温度一定时，改变浓度xn，结合数据库仿真扣除背景的一次谐波归一化的二次谐波信号r2f/1f，并提取r2f/1f的峰值p，浓度与相应的p成线性关系，利用插值法，确定峰值对应的气体浓度。

与现有技术相比，本发明技术方案具有的有益效果是：

相对于传统的气体温度的测量方法，本发明提出的单线法测量气体的温度和浓度，既保留了时间分辨率高、精度高、信噪比高和灵敏度高等特点，又避免了双线法测量温度过程中需要考虑频率串扰和时间分辨率等问题，同时将利用多普勒展宽测量温度的适用范围扩大到常压常温情况下；另外，本发明测量方法中所用到的激光器数量比传统的双线法测量温度用到的激光器数量少，从而降低了测量成本；最后，相较传统气体浓度测量的方法，本发明测量方法克服了单线测量气体浓度时需要温度已知的限制。

附图说明

图1是本发明利用单条谱线同时测量气体温度和浓度的方法的流程图；

图2是本发明实施例中浓度不同时的r2f/p信号；

图3是本发明实施例中浓度为5％，温度不同时的r2f/p信号；

图4是本发明实施例中浓度为5％，测温相对灵敏度随温度的变化；

图5是本发明实施例中浓度为5％，温度不同时福伊特展宽的变化量；

图6是本发明实施例中使用最小二乘法拟合r2f/p的结果图；

图7是本发明实施例中仿真不同浓度下的峰值，并使用插值法获得待测气体浓度；

图8是高温下本发明测量方法与热电偶测量方法的温度测量结果对比图；

图9是高温下本发明测量方法的浓度测量结果图；

图10是本发明利用单条谱线同时测量气体温度和浓度的装置的原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于此。

如图1所示，本发明利用单条谱线同时测量气体温度和浓度的方法，具体包括如下实施步骤：

步骤1，对测量的透射光强进行处理，得到测量的峰值归一化二次谐波信号和一次谐波归一化二次谐波信号，并提取一次谐波归一化二次谐波信号的峰值，记为p，给出待测气体温度和浓度的初始值分别为x0、t0，并设置n的初始值为0，终止条件ε、ξ；

步骤2，对于已知的xn，改变tn，结合数据库得到仿真的峰值归一化二次谐波信号，使用最小二乘法拟合测量的峰值归一化二次谐波信号，得到tn+1；

步骤3，对于已知的tn+1，改变xn，结合数据库得到仿真的一次谐波归一化二次谐波信号并提取不同xn下的峰值，将p带入仿真信号的浓度-峰值关系，使用插值法得到p对应的浓度xn+1；

步骤4，对于足够大的数n，满足终止准则：

式中，ε、ξ为预先设定的阈值；

若满足，则迭代终止，则输出xn+1、tn+1，输出的xn+1、tn+1分别为待测气体的浓度测量值和温度测量值；若不满足，则令n＝n+1，更新xn←xn+1，tn←tn+1，返回步骤2，重复步骤2～步骤4，直至满足终止准则。

该方法所使用的单条谱线，需要满足以下条件：在气体的温度一定时，谱线的吸收线型不随浓度变化，或变化很小；在气体的浓度一定时，谱线的吸收线型随着温度的变化很明显；在待测温度范围内，谱线的福伊特展宽是温度的单调函数。

根据展宽机制的不同，吸收谱线线型主要分为高斯线型、洛伦兹线型和福伊特线型。

高斯线型函数来源于吸收分子随机热运动，可以描述为：

其中，v是激光频率，v0是谱线中心频率。

多普勒展宽δvd可由式(2)计算：

式中，t是气体温度，m是气体摩尔分子质量。

洛伦兹线型函数来源于碰撞展宽机制，可以描述为：

其中，碰撞展宽δvc可由式(4)计算：

其中，p为气体总压力，xj是组分j的气体浓度，γj是组分j的碰撞展宽系数，与温度有关。

式中，x是气体浓度，γself是待测气体的自展宽系数，γair是空气展宽系数，t0是参考温度(通常t0＝296k)，n是温度依赖系数。

福伊特线型函数φv(v)由高斯线型函数φd(v)和洛伦兹线型函数φc(v)的卷积构成，可以描述为：

φv(v)＝cl·φd(v)+cg·φc(v)(6)；

其中，cl和cg分别是权重系数。

福伊特展宽δvv：

福伊特线型的峰值：

其中，γd＝δvd/2，γc＝δvc/2。

那么福伊特线型的宽高比(福伊特展宽与福伊特线型的峰值比值)可以表示为：

式中，比尔-朗伯定律是吸收光谱学的基本定律，它表征了一束频率为v的单色激光穿过一段长为l、压力为p、温度为t和浓度为x的均匀被测气体介质时，其透射光强度it(v)和入射光强度i0(v)的关系：

式中，τv为透过率，it(v)和i0(v)分别表示透射光强和入射光强，α(v)表示吸光度，其表达式为：

α(v)＝pxls(t)·φ(v)(11)；

式(11)中，s(t)是谱线的线强，φ(v)是气体吸收的线型函数。

实验过程中使用扫描频率为fs的正弦波叠加高调制频率fm的正弦波对激光器进行调谐，激光器输出频率可以表示为：

其中，为激光中心频率，a为调制幅度。

同时，激光器的输出光强变化还可以表示为：

其中，为激光中心光强，i0和i2分别为线性和非线性强度调制幅度，和分别为线性和非线性频率调制与强度调制的相位差。

根据beer-lambert定律，透过率的傅里叶级数展开式为：

其中，k阶傅里叶系数hk可表示为：

经过锁相、滤波过程后，扣除背景的二次谐波信号为：

其中，g为探测系统的增益系数。

使用s2f的峰值对其进行峰值归一化：

本发明提出的测量方法针对α(t)≤0.1，式(10)可以近似表示为：

相应的式(15)表示为：

令即式(17)表示为：

由式(20)可以看出，r2f/p由线型函数φv(t)决定，线型函数φv(t)由碰撞展宽δvc和多普勒展宽δvd共同决定。δvc是浓度x、温度t的函数，δvd是温度t的函数。当δvc对浓度x不敏感时，r2f/p由温度t决定，根据r2f/p可以计算气体的温度t。

条件1，气体的温度一定时，谱线的吸收线型不随浓度变化，或者变化很小。

条件2，气体的浓度一定时，谱线的吸收线型随着温度的变化很明显。

气体的浓度一定时，随着温度的改变，谱线的r2f/p信号的线型发生明显变化。相对灵敏度可以用线型函数的宽高比δvv_nor描述。此时测温的相对灵敏度可表示为：

条件3，待测温度范围内，谱线的福伊特展宽是温度的单调函数。

如图2所示，实施例仿真了co2温度为800k，浓度不同时的r2f/p信号，所选谱线满足条件1。浓度为5％，温度不同时的r2f/p信号见图3，r2f/p随温度变化十分明显，测温相对灵敏度如图4所示，满足条件2。温度不同时福伊特展宽变化量见图5，可见在测量温度范围内，福伊特展宽是温度的单调函数，满足条件3。基于此情况，r2f/p的线型变化由温度单一决定，使用本发明提出的单线法测量co2的温度是可行的。

在常温下检验本发明提出方法的可行性。标准气体co2的浓度10.02％，温湿度计显示温度t＝20.3℃。利用最小二乘法拟合测量的r2f/p提取co2的温度，拟合结果见图6。仿真不同浓度下r2f/1f，结果见图7。提取不同浓度下的峰值，并使用插值法获得待测气体浓度。co2的温度测量值为t测＝294.50k，标准差1.12k，相对误差0.36％，浓度测量值x测＝9.83％，标准差0.03％，相对误差-1.9％。

在高温下检验本发明提出方法的可行性。标准气体co2的浓度为5.02％。高温管式炉的温度设置在500℃～900℃。每间隔100℃测量一次，本发明测量方法与热电偶比较，测量结果见图8。对应的各个温度测量点的浓度测量结果见图9。

从实施例可知，本发明提出的测量方法在所选谱线满足本发明提出的谱线筛选条件下，能够实现气体温度和浓度的同时测量，并能够实现较高的测量灵敏度和精度。

本发明提出的单条谱线法能够同时测量气体的温度和浓度，减少了所需谱线的数量，测量方法具有灵敏度高、精度高、响应时间快的优点。相较于传统的多普勒展宽测量温度的方法，本发明测量方法适用范围更广，可用于常压或更高压力。此外，与传统的双线法测量温度的方法相比，不需要考虑频率串扰和时间分辨率的问题。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。