專利名稱：Tdlas溫度校準系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及真空環(huán)境下氣體溫度測量與校準技術(shù)，特別是一種TDLAS溫度校準系統(tǒng)，所述 TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)是指可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)。
背景技術(shù)：
真空環(huán)境不僅會導致溫度傳感器表面材料解吸，而且其傳熱機理與常壓不同，如在真空環(huán)境中，固體表面到氣層間存在“溫度突變現(xiàn)象”，因此采用常壓下標定和校準的溫度傳感器測量真空環(huán)境下氣體溫度存在諸多不確定性因素。本發(fā)明人認為，利用熱電偶溫度傳感器對TDLAS在真空環(huán)境下氣體溫度的測量進行校準能夠有效提高真空環(huán)境下氣體溫度測量的確定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，提供一種TDLAS溫度校準系統(tǒng)，所述TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)是指可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:TDLAS溫度校準系統(tǒng)，其特征在于，包括標準傳感器溫度測量系統(tǒng)和被校準的在真空環(huán)境下測量氣體溫度的TDLAS溫度測量系統(tǒng)，所述TDLAS溫度測量系統(tǒng)中的光學系統(tǒng)位于恒溫槽中，所述光學系統(tǒng)的殼體與所述恒溫槽周壁之間具有恒溫液，所述標準傳感器溫度測量系統(tǒng)中的標準傳感器位于所述恒溫液內(nèi)。所述標準傳感器采用一等標準鉬電阻溫度計，所述一等標準鉬電阻溫度計連接溫度顯示儀表。所述光學系統(tǒng)包括光學透鏡組，所述光學透鏡組的上端連接激光系統(tǒng)，所述光學透鏡組的下端通過接收光纖連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。所述光學系統(tǒng)附設(shè)有接收光纖通道。所述光學系統(tǒng)通過抽氣管路連接真空抽氣系統(tǒng)。所述光學系統(tǒng)通過供氣管路連接待測氣體供氣系統(tǒng)。 所述待測氣體采用C2H2氣體。所述待測氣體供氣系統(tǒng)包括混氣罐，所述混氣罐通過第一截止閥管路連接氣體罐，并通過第二截止閥管路連接機械泵。所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括與所述接收光纖連接的鎖相放大器，所述鎖相放大器連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)連接數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)。所述激光系統(tǒng)包括激光器，所述激光器連接激光控制單元，所述激光控制單元連接信號調(diào)制單元，所述信號調(diào)制單元連接信號發(fā)生器，所述信號調(diào)制單元連接所述鎖相放大器。本發(fā)明技術(shù)效果如下:本發(fā)明通過恒溫槽提供均勻穩(wěn)定的溫場，在均勻的溫場中TDLAS校準真空室、恒溫槽和一等標準溫度傳感器達到溫度平衡。TDLAS溫度校準系統(tǒng)既能夠通過TDLAS溫度測量系統(tǒng)得到真空條件下待測氣體分子的溫度，與此同時又能夠通過一等標準鉬電阻得到恒溫液的溫度，并將待測氣體分子的溫度與一等標準鉬電阻的溫度進行比對，實現(xiàn)對TDLAS溫度測量的校準。


圖1是實施本發(fā)明的TDLAS溫度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是實施本發(fā)明的TDLAS溫度測量系統(tǒng)另一結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是待測氣體C2H2分子1.53um附近處吸收譜線分布圖。附圖標記列不如下:100-數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；200-激光系統(tǒng)；300-光學系統(tǒng)；400-標準傳感器溫度測量系統(tǒng)；500_待測氣體供氣系統(tǒng)；600_真空抽氣系統(tǒng)；1-數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)；2-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；3_鎖相放大器；4_數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)；5_信號發(fā)生器；6_信號調(diào)制單元；7-激光控制單元；8-DFB (distributed feed back)激光器；9_光電探測器；10-接收光纖；11-恒溫槽液面；12-光學透鏡組；13-光學真空腔；14-一等標準鉬電阻溫度計；15恒溫槽；16-溫度顯示儀表；17-供氣管路；18-混氣罐；19，20，24_截止閥；21_ (高純)氣體罐；22_機械泵；23_抽氣管路；25_插板閥；26_分子泵；27_機械泵；28_接收光纖通道。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖(圖1-圖3)對本發(fā)明進行說明。圖1是實施本發(fā)明的TDLAS溫度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是實施本發(fā)明的TDLAS溫度測量系統(tǒng)另一結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1和圖2所示，TDLAS溫度校準系統(tǒng)，包括標準傳感器溫度測量系統(tǒng)400和被校準的在真空環(huán)境下測量氣體溫度的TDLAS溫度測量系統(tǒng)，所述TDLAS溫度測量系統(tǒng)中的光學系統(tǒng)300位于恒溫槽15中，所述光學系統(tǒng)300的殼體與所述恒溫槽15周壁之間具有恒溫液(其達到恒溫槽液面11位置)，所述標準傳感器溫度測量系統(tǒng)400中的標準傳感器(例如，一等標準鉬電阻溫度計14)位于所述恒溫液內(nèi)。所述標準傳感器采用一等標準鉬電阻溫度計14，所述一等標準鉬電阻溫度計14連接溫度顯示儀表
16。所述光學系統(tǒng)300包括光學透鏡組12,所述光學透鏡組12的上端連接激光系統(tǒng)200,所述光學透鏡組12的下端通過接收光纖10連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)100。所述光學系統(tǒng)300附設(shè)有接收光纖通道28。所述光學系統(tǒng)300通過抽氣管路23連接真空抽氣系統(tǒng)600。所述光學系統(tǒng)300通過供氣管路17連接待測氣體供氣系統(tǒng)500。所述待測氣體采用C2H2氣體，待測氣體C2H2分子1.53um附近處吸收譜線分布如圖3，橫軸為波長，波長單位為nm，標注范圍1510 1545，縱軸為線強度，單位為每平方厘米每大氣壓，標注范圍0.00 0.35。所述待測氣體供氣系統(tǒng)500包括混氣罐18，所述混氣罐18通過第一截止閥20管路連接氣體罐21，并通過第二截止閥19管路連接機械泵22。所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)100包括與所述接收光纖10連接的鎖相放大器3，所述鎖相放大器3連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2連接數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)I，所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)I連接數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)4。所述激光系統(tǒng)200包括激光器8，所述激光器8連接激光控制單元7，所述激光控制單元7連接信號調(diào)制單元6，所述信號調(diào)制單元6連接信號發(fā)生器5，所述信號調(diào)制單元6連接所述鎖相放大器3。所述真空抽氣系統(tǒng)600包括截止閥24、插板閥25、分子泵26和機械泵27。TDLAS技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已逐漸成熟，已廣泛地應(yīng)用于各種環(huán)境下氣體溫度和濃度的在線測量。TDLAS溫度測量原理如下:當一束波長為V的單色激光穿越待測氣體介質(zhì)時，由于氣體分子的吸收作用使得激光強度發(fā)生變化，而根據(jù)激光強度的變化即可以推導出待測氣體的溫度。TDLAS溫度測量系統(tǒng)主要包括五個部分，激光系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、溫度傳感器系統(tǒng)和真空抽氣系統(tǒng)。激光系統(tǒng)是用來產(chǎn)生特定頻率的窄帶激光，輸出激光通過光纖入射到光學系統(tǒng)中，入射激光在光學系統(tǒng)中經(jīng)過多次反射并被待測氣體吸收，透射激光經(jīng)透鏡聚焦會聚到光電探測器中，并將光信號轉(zhuǎn)化成電信號輸入到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中進行分析和計算，最后得到各種真空環(huán)境下氣體的溫度。激光系統(tǒng)是用來產(chǎn)生特定頻率的窄帶激光，其主要由信號發(fā)生器、鎖相放大器、激光器控制單元、加法器、激光器底座、DFB半導體激光器、光纖和準直透鏡等組成。在實驗過程中，信號發(fā)生器產(chǎn)生的低頻鋸齒波(掃描信號)和鎖相放大器產(chǎn)出的高頻正弦波(調(diào)制信號)經(jīng)加法器疊加后加載在激光器控制單元，驅(qū)動DFB半導體激光器的波長在特征譜線處發(fā)生掃描和調(diào)制，產(chǎn)生的激光由光纖輸出并通過透鏡準直后入射到光學系統(tǒng)中。激光系統(tǒng)參數(shù)如下:中心波長:1531.0nm，可測量C2H2、CO、CO2等氣體；調(diào)諧范圍:±1.0nm，通過激光器的溫度和電流調(diào)諧；激光功率=IOmW ;激光帶寬:20MHz，小于譜線線寬的百分之一；工作電流:(0 150)mA ;工作溫度:(15 40) ° C ;工作電壓:220V ;掃描頻率:(10 100)Hz ;調(diào)制頻率:(5 20) kHz。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是通過分析和計算激光強度變化得到待測氣體的溫度，其主要由光電探測器、鎖相放大器、數(shù)字示波器、計算機和數(shù)據(jù)處理軟件等組成。在實驗過程中，光電探測器將激光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并將電信號輸入到鎖相放大器中進行諧波檢測，而輸出的諧波信號由數(shù)字示波器和計算機操作系統(tǒng)采集和記錄，然后通過自行編寫的數(shù)據(jù)處理軟件對上述數(shù)據(jù)進行分析和計算，進而得到待測氣體的溫度。光學系統(tǒng):DFB激光器輸出的激光進入光學系統(tǒng)中被待測氣體分子特征譜線吸收，光學系統(tǒng)主要由高反射率CRD (cavity ring-down，光腔衰蕩)反射鏡、反射鏡支架、固定支架法蘭、樣品室、光學調(diào)整架和聚焦透鏡等光學元件組成。在實驗過程中，首先利用514所提供的真空抽氣系統(tǒng)將樣品室抽至極限真空，然后充入待測氣體，并根據(jù)實驗需要將樣品室抽至某個真空度；與此同時，激光系統(tǒng)產(chǎn)生的特定頻率激光由低部窗口入射到樣品室中，激光光束在兩塊CRD反射鏡之間多次反射并被氣體特征譜線吸收，透射激光由底部窗口輸出并通過聚焦透鏡會聚到光纖中，并通過光電探測器接收，光學系統(tǒng)參數(shù)如下:CRD鏡片反射率:99.99%;樣品室極限真空:1.0X KT4Pa ;工作壓力范圍:1.0X KT2Pa LOXlO5Pa0恒溫槽作為穩(wěn)定熱源。TDLAS溫度測量系統(tǒng)主要由激光系統(tǒng)、光學系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三大部分組成。在實驗過程中，激光系統(tǒng)產(chǎn)生特定頻率的窄帶激光由光纖輸出，輸出激光經(jīng)透鏡準直后入射到光學系統(tǒng)中，入射激光在兩片高反射率CRD鏡片之間經(jīng)過多次反射并被待測氣體分子特征譜線吸收，透射激光經(jīng)透鏡聚焦后由光電探測器接收，并將光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸入到鎖相放大器中進行諧波檢測，然后通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對實驗數(shù)據(jù)進行分析和計算，從而得到氣體分子的溫度。與此同時，一等標準鉬電阻作為溫度標準測量恒溫槽的溫度，并將其與TDLAS溫度測量系統(tǒng)測量得到的溫度進行比對。當真空度較高時，單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)量很少，因此需要選取吸收強度大的氣體分子作為待測氣體。本項研究在考慮到激光系統(tǒng)、光學系統(tǒng)工作特征的同時，對目前國際上通用的吸收光譜數(shù)據(jù)庫Hitran2008進行了詳細地分析和計算，擬采用C2H2分子
1.53 附近的特征吸收譜線作為研究對象(如圖3所示)，該譜線不僅具有吸收強度大、不宜被干擾、光譜常數(shù)齊全等優(yōu)點，而且測量溫度時具有較高的靈敏度和精度。另外，1.53um附近的激光系統(tǒng)和光學系統(tǒng)技術(shù)成熟且便于實驗操作，同時還可以用于C02、C0等氣體溫度和濃度的測量。在TDLAS溫度測量技術(shù)中，特征譜線光譜常數(shù)的測量精度直接決定著氣體溫度的測量精度，而Hitran2008數(shù)據(jù)庫中的光譜常數(shù)都是國內(nèi)外科研工作者基于理論計算或?qū)嶒炑芯康玫降模虼送嬖谝欢ǖ牟淮_定度。為此本項研究首先需要通過實驗精確標定出C2H2分子特征譜線的光譜常數(shù)，主要包括碰撞增寬系數(shù)、溫度指數(shù)、譜線線強度等常數(shù)，并通過理論分析計算上述光譜常數(shù)的不確定度，然后再根據(jù)實驗標定得到光譜常數(shù)測量各種真空環(huán)境下氣體溫度。在上述研究的基礎(chǔ)上，通過改變恒溫槽的溫度和樣品室的真空度，利用TDLAS溫度測量技術(shù)研究各種真空度和溫度條件下樣品室中氣體分子對激光的吸收作用，并根據(jù)吸收信號和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)推導出待測氣體的溫度。與此同時，利用一等標準鉬電阻作為標準對TDLAS溫度測量進行比對校準。在此指明，以上敘述有助于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明創(chuàng)造，但并非限制本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍。任何沒有脫離本發(fā)明創(chuàng)造實質(zhì)內(nèi)容的對以上敘述的等同替換、修飾改進和/或刪繁從簡而進行的實施，均落入本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍。
權(quán)利要求
1.TDLAS溫度校準系統(tǒng)，其特征在于，包括標準傳感器溫度測量系統(tǒng)和被校準的在真空環(huán)境下測量氣體溫度的TDLAS溫度測量系統(tǒng)，所述TDLAS溫度測量系統(tǒng)中的光學系統(tǒng)位于恒溫槽中，所述光學系統(tǒng)的殼體與所述恒溫槽周壁之間具有恒溫液，所述標準傳感器溫度測量系統(tǒng)中的標準傳感器位于所述恒溫液內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TDLAS溫度校準系統(tǒng)，其特征在于，所述標準傳感器采用一等標準鉬電阻溫度計，所述一等標準鉬電阻溫度計連接溫度顯示儀表。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TDLAS溫度校準系統(tǒng)，其特征在于，所述光學系統(tǒng)包括光學透鏡組，所述光學透鏡組的上端連接激光系統(tǒng)，所述光學透鏡組的下端通過接收光纖連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TDLAS溫度校準系統(tǒng)，其特征在于，所述光學系統(tǒng)附設(shè)有接收光纖通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TDLAS溫度校準系統(tǒng)，其特征在于，所述光學系統(tǒng)通過抽氣管路連接真空抽氣系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TDLAS溫度校準系統(tǒng)，其特征在于，所述光學系統(tǒng)通過供氣管路連接待測氣體供氣系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的TDLAS溫度校準系統(tǒng)，其特征在于，所述待測氣體采用C2H2氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的TDLAS溫度校準系統(tǒng)，其特征在于，所述待測氣體供氣系統(tǒng)包括混氣罐，所述混氣罐通過第一截止閥管路連接氣體罐，并通過第二截止閥管路連接機械栗。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的TDLAS溫度校準系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括與所述接收光纖連接的鎖相放大器，所述鎖相放大器連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)連接數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的TDLAS溫度校準系統(tǒng)，其特征在于，所述激光系統(tǒng)包括激光器，所述激光器連接激光控制單元，所述激光控制單元連接信號調(diào)制單元，所述信號調(diào)制單元連接信號發(fā)生器，所述信號調(diào)制單元連接所述鎖相放大器。
全文摘要
TDLAS溫度校準系統(tǒng)，用于實現(xiàn)對TDLAS溫度測量的校準，其特征在于，包括標準傳感器溫度測量系統(tǒng)和被校準的在真空環(huán)境下測量氣體溫度的TDLAS溫度測量系統(tǒng)，所述TDLAS溫度測量系統(tǒng)中的光學系統(tǒng)位于恒溫槽中，所述光學系統(tǒng)的殼體與所述恒溫槽周壁之間具有恒溫液，所述標準傳感器溫度測量系統(tǒng)中的標準傳感器位于所述恒溫液內(nèi)。
文檔編號G01K15/00GK103175634SQ20131004816
公開日2013年6月26日 申請日期2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月6日
發(fā)明者賈軍偉, 張書鋒, 金光遠, 柴昊, 楊力, 劉展, 張明志 申請人:北京東方計量測試研究所