基于TDLAS 氣體溫度測量

1、基于TDLAS 的氣體溫度測量目錄測量范圍、特性測量方法及原理誤差分析測量范圍、特性在鋼鐵冶金、航空航天、石油化工、材料和電力等行業(yè)中, 氣體溫度的實時準確測量對生產(chǎn)工藝優(yōu)化、能耗和污染降低、生產(chǎn)效率提高和安全生產(chǎn)等具有重要的意義氣體溫度測量技術(shù)按其工作方式可以分為兩類:接觸式和非接觸式。前者主要有熱電偶、熱電阻和集成溫度傳感器等測溫技術(shù) 1 , 它會對被測溫度場產(chǎn)生擾動而造成測量誤差, 高溫或腐蝕性氣體介質(zhì)還會降低測溫元件的壽命。后者主要有紅外輻射、CCD 圖像和聲學(xué)測溫等 1 , 它雖不會擾動被測溫度場, 但受氣體環(huán)境的影響較大?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大氣污

2、染物的濃度測量 2 , 3 。利用氣體吸收光譜隨溫度變化的特性, TDLAS 技術(shù)也可以實現(xiàn)溫度測量。該技術(shù)屬于非接觸式測量技術(shù), 并具有受氣體環(huán)境影響小、響應(yīng)速度快和可靠性高等優(yōu)點, 并且可以實現(xiàn)氣體溫度和濃度的同時測量本文研究基于TDLAS 的氣體溫度測量技術(shù)。由于O2 存在于大量工業(yè)過程中, 選擇1 對O2 吸收譜線來進行溫度測量;在搭建的高溫測量實驗裝置上, 實現(xiàn)了823 1 323 K 內(nèi)O2 溫度和濃度的同時測量:在823 1 323 K , 溫度測量的線性誤差小于0. 65 %, 波動小于15 K , 并且壓力變化對溫度測量的影響非常小;同時還可以高精度地實現(xiàn)濃度的同時測量。因此

3、, 基于TDLAS 的氣體溫度測量技術(shù)能較好地滿足眾多氣體溫度測量需求,特別在高溫、強腐蝕性和高響應(yīng)速度等應(yīng)用場合具有較廣泛的應(yīng)用前景。測量原理TDLAS 測溫的核心原理是:選擇合適的氣體吸收譜線對使其線強之比為溫度的靈敏函數(shù), 通過測量線強之比來測量溫度 4 6 。頻率為的單頻激光束通過長度為L 、壓力為P 、溫度為T 和濃度為X 的被測氣體, 被測氣體對激光的吸收滿足Beer-Lambert 關(guān)系 7 , 即其中:I 0 和I 分別是入射激光和透射激光強度; 線型函數(shù)決定了被測氣體吸收譜線的形狀;該譜線的線強S(T)是T 的函數(shù), 可表示為其中:S(T0 )為參考溫度T0 下被測吸收譜線的

4、線強;Q(T0)和Q(T)分別為被測氣體在T0 和T 下的配分函數(shù);h 為普朗克常數(shù);c 為光速;k 為玻爾茲曼常數(shù);E為吸收譜線躍遷對應(yīng)的低能級能量。Beer-Lambert 關(guān)系TDLAS 溫度測量原理TDLAS 溫度測量技術(shù)利用Bee r-Lamber t 關(guān)系測量2 條被測氣體吸收譜線的吸收光譜, 從而測量獲得該譜線對的線強之比從而可得一譜線對T時的線強之比為可見,R 是溫度T 的函數(shù)。因此, 通過測量R 就可以測量T 。R 與譜線對下能級差有關(guān), 譜線對的選擇會直接影響氣體溫度的測量 8 , 因此選擇合理的譜線對在TDLAS 溫度測量中至關(guān)重要 采用調(diào)制吸收光譜技術(shù), 使用較高頻率正

5、弦波來調(diào)制激光器的工作電流, 把檢測頻率移到噪音較低的高頻處來有效抑制1 / f 噪聲, 從而實現(xiàn)較高的檢測靈敏度調(diào)制吸收光譜技術(shù)通常使用鎖相放大器檢測測量激光束穿過被測氣體后光透過率的二次諧波信號,在弱吸收情況下, 鎖相放大器輸出二次諧波信號為 9:v 為調(diào)制后激光頻率;u 為正弦波調(diào)制信號的瞬時相位。式(4)表明, 二次諧波信號取決于調(diào)制幅度a 、氣體壓力P 、溫度T 、光程L 和濃度XTDLAS 溫度測量原理由式(4)可得2 條吸收譜線二次諧波信號的比值為 可見, R2 f 也是T 的函數(shù)。通過測量R2 f , 可實現(xiàn)T 的測量。R2 f 與T 的函數(shù)關(guān)系除了與R 有關(guān)外, 還與2 條譜

6、線的有關(guān)。不僅與T 相關(guān), 還與P 有關(guān)。也就是說,P 的變化也會改變R 2 f , 這給利用調(diào)制吸收光譜技術(shù)測量溫度帶來了一定的復(fù)雜性。但是, P 變化對R 2 f 的影響非常小, 在絕大多數(shù)應(yīng)用場合, 即使不考慮P 變化因素也不會影響T 測量精度。這是由于P 的變化對2 條譜線的影響幾乎相同, 式(5)中部分的比值基本與P 無關(guān)“譜線對”選擇O2 在近紅外波段的吸收譜線及所選譜線對圖示意了13 100 cm-1 附近O2 的弱吸收譜線帶, 其由O2 分子的電子躍遷1 +g 3 -g 產(chǎn)生, 通常稱為A-band 。通過測量該譜線帶中的1 對譜線, 實現(xiàn)氣體溫度的測量?！白V線對”選擇。選擇上

7、述2 條譜線, 主要考慮:1) 所選譜線對的頻率間隔較小,為0.393 cm- 1 ,落在激光器頻率調(diào)諧范圍內(nèi);同時該譜線對又沒有發(fā)生明顯重疊。2) 該對譜線的線強在測量溫度范圍內(nèi)較大, 可測量獲得信噪比較好的譜線測量數(shù)據(jù), 從而得到較好的溫度測量精度。“譜線對”選擇兩條譜線的S(T)及其比值與溫度的關(guān)系低能級能量差越大, R 對T 的靈敏度越高。根據(jù)表1的光譜數(shù)據(jù), 所選2 條譜線的低能級能量差為814. 77 cm- 1 。在823 1 323 K ,R 對T 的靈敏度均大于0. 9 。由于R 是R 2 f 的決定性因素, 所以R2 f 對T的靈敏度也較高。3) 在823 1 323 K

8、, 線強比值是溫度的單調(diào)函數(shù);圖2 示意了2 條譜線的線強及線強比R 與溫度T的關(guān)系。利用T 與R 的唯一對應(yīng)關(guān)系, 測量得到R就可以得到T 。4) R 對T 的靈敏度是TDLAS 溫度測量技術(shù)的一個重要指標, 表示為實驗裝置實驗中, 石英氣體室內(nèi)通入空氣(O2 濃度20. 95 %), 氣體壓力由閥門及真空泵調(diào)節(jié), 并通過壓力表準確測量。另外, 在測量光路上用高純N2 進行吹掃, 保證測量光路上只有石英氣體室中存在O2 , 避免空氣中O2 的吸收對測量結(jié)果造成誤差。搭建的高溫實驗裝置如圖3 所示。LD 激光器發(fā)出的激光束穿過石英氣體室中的被測氣體后由傳感器接收。該石英氣體室長30 cm ,

9、放置于加熱爐的恒溫區(qū)中, 恒溫區(qū)溫度可調(diào)節(jié)。氣體室中氣體的溫度可通過熱電偶準確測量。實驗裝置使用頻率為7 Hz 的三角波調(diào)制LD 的驅(qū)動電流, 使LD 輸出激光頻率線性掃描過譜線對R23Q24和R33Q34 , 頻率掃描范圍為1 cm - 1 。實驗中, 還使用頻率為20 kHz 的正弦波調(diào)制LD 的驅(qū)動電流, 從而調(diào)制激光頻率來實現(xiàn)調(diào)制吸收光測量。測量激光束經(jīng)被測氣體吸收后被硅傳感器接收并轉(zhuǎn)換為電信號。該信號經(jīng)過放大、濾波等處理后通過鎖相放大器對其40 kHz(正弦波電流調(diào)制頻率的2 倍)信號分量進行相敏檢測得到二次諧波信號。該二次諧波信號經(jīng)放大后由A /D 采樣, 并在計算機中進行處理和計

10、算。根據(jù)二次諧波信號得到氣體溫度、濃度值。誤差分析在該溫度范圍內(nèi), 譜線R23Q 24 的二次諧波信號峰峰值H1 變化了 40 %,而譜線R33Q34 的二次諧波信號峰峰值H2 變化了 10 %, 兩者的比值R2 f 隨溫度單調(diào)減小, 在823 1 323 K 變化了 40 %。利用T 與R 2 f 的單調(diào)函數(shù)關(guān)系, 測量得到R2 f 后就可以得到T 。實驗數(shù)據(jù)表明,在823 1 323 K , 溫度測量的線性誤差為0. 65 %, 最大溫度測量波動為15 K 。誤差分析從式(4)可知, 在測量獲得T 后可從譜線的二次諧波信號幅度獲得O2 的濃度。采用譜線R23Q24 測量O2 濃度, 因為其

11、二次諧波信號幅度更強, 信噪比更高。實驗數(shù)據(jù)表明, 在各個溫度下, 濃度測量的最大相對誤差為0. 83 %, 最大波動1.02%(相對值)。由式(5)可以知道, R2 f 不僅是T 的函數(shù), 而且還受P 的影響。圖6 給出了823 1 323 K 內(nèi)R2 f 隨P變化的實驗數(shù)據(jù)?？梢钥闯? R 2 f 受P 的影響較小,在823 1 323 K , 20 %的P 變化只對R2 f 產(chǎn)生1. 35 %的變化。由于絕大多數(shù)應(yīng)用場合是在大氣環(huán)境壓力下, 即使不考慮大氣環(huán)境壓力的變化也不會影響溫度測量的精度 1 NI Zhen-chu, YUAN Hong-yong, SHU Xue-ming. Pr

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