基于紫外激光吸收光譜的非接觸式火焰溫度及oh基濃度測量裝置及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于紫外激光吸收光譜的非接觸式火焰溫度及OH基濃度測量裝置及測量方法，所述測量裝置包括Nd:YAG激光器、可調(diào)諧染料激光器、小孔光闌、分束鏡、一號光電探測器、二光號電探測器、燃燒器、氧氣氣瓶、氮?dú)鈿馄俊⑷剂蠚馄?、一號流量?jì)、二號流量計(jì)、三號流量計(jì)、預(yù)混罐、示波器、計(jì)算機(jī)。相較于其它測量方法，本方法可以同時定量測量火焰溫度及火焰中OH自由基濃度信息。并且由于染料激光器具有非常廣泛的調(diào)諧范圍，本裝置及方法具有測量多種火焰中自由基組分的潛力。本發(fā)明豐富了激光燃燒診斷的測量范圍，給燃燒學(xué)定量研究提供了新的技術(shù)手段。
【專利說明】基于紫外激光吸收光譜的非接觸式火焰溫度及OH基濃度測量裝置及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于能源動力及光電子學(xué)領(lǐng)域，涉及一種基于紫外激光吸收光譜的火焰溫度及組分濃度測量裝置及利用該裝置對火焰溫度及組分濃度進(jìn)行測量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是分子熱運(yùn)動的宏觀表現(xiàn)。對溫度的測量只能通過物質(zhì)外在特性隨溫度變化的表現(xiàn)來間接測量。火焰溫度在燃燒過程中起著至關(guān)重要的作用，它與化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、污染物與粉塵的形成、能量釋放率及總的燃燒效率具有密切的關(guān)系。在實(shí)際燃燒系統(tǒng)中，如航空發(fā)動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、工業(yè)鍋爐等火焰溫度直接決定著燃燒器的性能，如推力、功率、燃料利用率等。因此準(zhǔn)確的溫度測量無論對于驗(yàn)證基礎(chǔ)研究理論與數(shù)值模型還是分析改進(jìn)實(shí)際燃燒裝置均具有非常重要的意義。
[0003]自由基在火焰中的濃度測量，對于燃燒過程研究同樣具有重要意義。OH基是碳?xì)淙剂先紵龝r的重要中間產(chǎn)物，并且大量存在于大多數(shù)燃燒過程中，對OH基濃度的測量可用來判定化學(xué)反應(yīng)區(qū)域、分析化學(xué)反應(yīng)過程、研究燃燒場流場結(jié)構(gòu)、分析燃燒效率、研究流動與化學(xué)反應(yīng)的耦合等。
[0004]現(xiàn)有的火焰溫度和自由基濃度測量方法主要分為兩類，接觸式測量與非接觸式測量。接觸式測量以熱電偶測溫最為典型，但這些手段普遍存在著一些固有的缺點(diǎn)，由于容易干擾流場或受到不良干擾，結(jié)果一般需要謹(jǐn)慎校正；測量的適用范圍有限，使用范圍有限；由于接觸式物理探針尺寸及響應(yīng)速度限制，缺乏足夠的空間和時間分辨率。尤其在燃燒室環(huán)境內(nèi)高速、高溫、高壓、非穩(wěn)態(tài)等特性往往使得傳統(tǒng)的診斷手段難以勝任。而以TDLAS為代表的非接觸式光譜測量技術(shù)由于目前半導(dǎo)體激光器輸出光譜范圍的限制，通常以火焰中CO2, H20等燃燒產(chǎn)物為主要測量對象，而對于OH基等火焰中間產(chǎn)物難以進(jìn)行準(zhǔn)確的定量測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決同時測量火焰溫度及OH基濃度的高精度非接觸式測量問題，本發(fā)明提供了一種以可調(diào)諧紫外激光作為光源的基于吸收光譜原理的火焰溫度及OH基濃度測量裝置及測量方法，實(shí)現(xiàn)了同時對火焰溫度及OH基濃度的非接觸式高精度測量。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種基于紫外激光吸收光譜的非接觸式火焰溫度及OH基濃度測量裝置，包括Nd: YAG激光器、可調(diào)諧染料激光器、小孔光闌、分束鏡、一號光電探測器、二光號電探測器、燃燒器、氧氣氣瓶、氮?dú)鈿馄俊⑷剂蠚馄?、一號流量?jì)、二號流量計(jì)、三號流量計(jì)、預(yù)混罐、示波器、計(jì)算機(jī)，沿光軸方向依次設(shè)置有Nd:YAG激光器、可調(diào)諧染料激光器、小孔光闌、分束鏡、燃燒器、二光號電探測器，一號光電探測器位于分束鏡的正下方，一號光電探測器和二光號電探測器與示波器連接，示波器與計(jì)算機(jī)連接；燃?xì)鈿馄康某鰵饪?、氧氣氣瓶的出氣口、氮?dú)鈿馄康某鰵饪诜謩e與預(yù)混罐的三個進(jìn)氣口連通；一號流量計(jì)、二號流量計(jì)、三號流量計(jì)分別設(shè)置在燃?xì)鈿馄?、氧氣氣瓶、氮?dú)鈿馄康某鰵饪谔?；預(yù)混罐的出氣口與燃燒器入氣口連通。
[0008]利用上述裝置測量火焰溫度及組分濃度的方法，由以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0009]步驟一:利用Nd: YAG激光器激光泵浦可調(diào)諧染料激光器，染料激光經(jīng)倍頻后輸出紫外波段激光。
[0010]步驟二:紫外波段激光經(jīng)過小孔光闌后入射到分束鏡表面，由分束鏡分束后分別射入一號光電探測器及二號光電探測器中。
[0011]步驟三:通過改變Nd = YAG激光器泵浦光強(qiáng)改變?nèi)玖霞す馄鬏敵龅淖贤獠ǘ渭す夤鈴?qiáng)，紫外波段激光入射到一號光電探測器、二號光電探測器中，其響應(yīng)信號被示波器采集到并通過計(jì)算機(jī)記錄下來。用線性擬合方法擬合不同紫外波段激光光強(qiáng)下入射一號光電探測器及二號光電探測器光強(qiáng)的標(biāo)定關(guān)系。
[0012]步驟四:打開氧氣氣瓶、氮?dú)鈿馄?、燃料氣瓶與一號流量計(jì)、二號流量計(jì)、三號流量計(jì)閥門，經(jīng)預(yù)混罐混合后，點(diǎn)燃被測火焰，紫外波段激光透射過分束鏡后經(jīng)燃燒區(qū)域入射到二號光電探測器中。將可調(diào)諧染料激光器的輸出波長調(diào)諧到OH基的吸收峰光譜范圍內(nèi)，通過光柵掃描改變?nèi)玖霞す馄鞯妮敵霾ㄩL，掃過OH基吸收峰的光譜范圍。
[0013]步驟五:光柵掃描的同時利用示波器采集一號光電探測器、二號光電探測器的響應(yīng)信號，并用計(jì)算機(jī)記錄數(shù)據(jù)。
[0014]步驟六:選擇另外一支合適的OH基吸收峰，重復(fù)步驟四及步驟五的過程。
[0015]步驟七:利用步驟三中獲得的標(biāo)定關(guān)系處理計(jì)算機(jī)中記錄到的數(shù)據(jù)，獲得火焰中該位置處的溫度及OH基濃度信息。
[0016]步驟八:移動燃燒器位置，重復(fù)步驟五至步驟七，對火焰中不同位置進(jìn)行測量。
[0017]相較于其它測量方法，本方法可以同時定量測量火焰溫度及火焰中OH自由基濃度信息。并且由于染料激光器具有非常廣泛的調(diào)諧范圍，本裝置及方法具有測量多種火焰中自由基組分的潛力。傳統(tǒng)的CARS、TDLAS等測量方法主要以火焰中穩(wěn)態(tài)產(chǎn)物或N2等非燃燒氣體為測量對象，對火焰中反應(yīng)火焰結(jié)構(gòu)、火焰燃燒狀態(tài)的OH基等自由基中間產(chǎn)物缺乏測量能力。本發(fā)明豐富了激光燃燒診斷的測量范圍，給燃燒學(xué)定量研究提供了新的技術(shù)手段。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明火焰溫度及OH基濃度測量裝置示意圖；
[0019]圖2為標(biāo)定一號紫外探測器及二號紫外光電探測器入射光強(qiáng)比例關(guān)系擬合結(jié)果；
[0020]圖3為用本方法測量的典型火焰中OH基A-X (Oj)Q1⑶吸收峰及其擬合曲線；
[0021]圖4為用本方法測量的典型火焰中OH基A-X(0，O) R2⑷吸收峰及其擬合曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。[0023]如圖1所示，本發(fā)明提供的基于紫外激光吸收光譜的非接觸式火焰溫度及OH基濃度測量裝置，包括Nd = YAG激光器1、可調(diào)諧染料激光器2、小孔光闌3、分束鏡4、一號光電探測器5、二光號電探測器6、燃燒器16、氧氣氣瓶9、氮?dú)鈿馄?0、燃料氣瓶11、一號流量計(jì)12、二號流量計(jì)13、三號流量計(jì)14、預(yù)混罐15、示波器7、計(jì)算機(jī)8，其中:沿光軸方向依次設(shè)置有Nd: YAG激光器1、可調(diào)諧染料激光器2、小孔光闌3、分束鏡4、燃燒器16、二光號電探測器6, —號光電探測器5位于分束鏡4的正下方,一號光電探測器5和二光號電探測器6與示波器7連接，示波器7與計(jì)算機(jī)8連接。燃?xì)鈿馄?1內(nèi)充入可燃?xì)怏w，氧氣氣瓶9內(nèi)充入氧氣，氮?dú)鈿馄?0內(nèi)充入氮?dú)猓凰鋈細(xì)鈿馄?1的出氣口、氧氣氣瓶9的出氣口、氮?dú)鈿馄?0的出氣口分別與預(yù)混罐15的三個進(jìn)氣口連通；一號流量計(jì)12、二號流量計(jì)13、三號流量計(jì)14分別設(shè)置在燃?xì)鈿馄?1、氧氣氣瓶9、氮?dú)鈿馄?0的出氣口處；預(yù)混罐15的出氣口與燃燒器16入氣口連通。
[0024]上述裝置中，NdiYAG激光器輸出激光重頻為2?IOOHz ;激光中心波長532nm ;激光脈寬IOns ;激光單脈沖能量為30mJ至60mJ。泵浦光被注入到染料激光器中，染料激光器選用DCM、PM580共摻染料，經(jīng)倍頻后輸出紫外激光，單脈沖能量約為lmj，激光線寬約為
0.1cm、
[0025]上述裝置中，小孔光闌直徑為1mm，分束鏡為熔融石英基片，一號光電探測器與二號光電探測器為PIN探測器，光譜響應(yīng)范圍200nm-1100nm。
[0026]利用上述裝置測量的方法由以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0027]步驟一:利用Nd: YAG激光泵浦可調(diào)諧染料激光器，染料激光經(jīng)倍頻后輸出紫外波段激光。
[0028]步驟二:紫外波段激光經(jīng)過小孔光闌后入射到分束鏡表面，由分束鏡分束后分別射入一號光電探測器及二號光電探測器中。
[0029]步驟三:通過改變Nd = YAG激光器泵浦光強(qiáng)改變?nèi)玖霞す馄鬏敵龅淖贤饧す夤鈴?qiáng)，紫外激光入射到一號光電探測器、二號光電探測器中，其響應(yīng)信號被示波器采集到并通過計(jì)算機(jī)記錄下來。用線性擬合方法擬合不同紫外光強(qiáng)下入射一號光電探測器及二號光電探測器光強(qiáng)的定標(biāo)關(guān)系，擬合結(jié)果如圖2所示。
[0030]步驟四:打開氣瓶與流量計(jì)閥門，點(diǎn)燃被測火焰，紫外激光透射過分束鏡后經(jīng)燃燒區(qū)域入射到二號紫外光電探測器中。將可調(diào)諧染料激光器的輸出波長調(diào)諧到OH基的吸收峰范圍內(nèi)，通過光柵掃描改變?nèi)玖霞す馄鞯妮敵霾ㄩL，掃過OH基吸收峰的光譜范圍。
[0031]步驟五:光柵掃描的同時利用示波器采集一號光電探測器、二號光電探測器的響應(yīng)信號，并用計(jì)算機(jī)記錄數(shù)據(jù)。
[0032]步驟六:選擇另外一支合適的OH基吸收峰，重復(fù)步驟四及步驟五的過程。
[0033]步驟七:利用步驟三中獲得的標(biāo)定關(guān)系處理計(jì)算機(jī)中記錄到的數(shù)據(jù)，獲得火焰中該位置處的溫度及OH基濃度信息。
[0034]步驟八:移動燃燒器位置，重復(fù)步驟五至步驟七，對火焰中不同位置進(jìn)行測量。
[0035]步驟三中通過改變泵浦光能量改變紫外激光單脈沖能量，每個泵浦光能量采集30組數(shù)據(jù)求平均值消除隨機(jī)誤差。改變5至7次泵浦光能量，根據(jù)不同能量下一號光電探測器與二號光電探測器響應(yīng)信號的數(shù)據(jù)擬合二者之間的定標(biāo)關(guān)系。
[0036]步驟四與步驟六中OH基吸收峰為Χ2Π (V" =0)中轉(zhuǎn)動能級與Α2Σ (y' = O)中轉(zhuǎn)動能級之間的躍遷，光譜范圍在306nm至31 Inm附近。染料激光器光柵掃描步長為0.1pm,掃描吸收峰時染料激光器光柵掃描范圍為30pm。
[0037]步驟五中在光柵掃描的每一步即每一個輸出波長處采集30組數(shù)據(jù)，取平均值消除隨機(jī)誤差。
[0038]圖3和圖4為典型火焰中某位置的OH基A-X(0，O)躍遷中R2(4)及Ql⑶兩支吸收峰，根據(jù)測量原理可以計(jì)算得到火焰中該位置溫度約為1923K，OH基濃度為14000PPM。
[0039]測量原理:
[0040]假設(shè)入射到一號光電探測器的光強(qiáng)為I1，入射到二號光電探測器的光強(qiáng)為I2，根據(jù)步驟三中的擬合得到的定標(biāo)關(guān)系I2 = AXIi+B，其中A、B分別為線性擬合的斜率和截距。
[0041]根據(jù)朗伯比爾定律透過火焰前后的光強(qiáng)滿足如下公式:
[0042]I2' = ，其中Itl為透過火焰之前的入射光強(qiáng)，入射光強(qiáng)可由之前的定標(biāo)關(guān)系求得，即:1。= I2 = AX Ii+Bo
[0043]根據(jù)朗伯比爾定律I2' =I2e_aL，其中a = PXqhS(T) Φ ( u )，P為總壓力、Xqh為濃度、S (T)為吸收線強(qiáng)度隨溫度的函數(shù)、φ( U)為伏伊特線性函數(shù)。
[0044]兩條吸收線的積分吸收比
【權(quán)利要求】
1.一種基于紫外激光吸收光譜的非接觸式火焰溫度及OH基濃度測量裝置，其特征在于所述測量裝置包括Nd:YAG激光器、可調(diào)諧染料激光器、小孔光闌、分束鏡、一號光電探測器、二光號電探測器、燃燒器、氧氣氣瓶、氮?dú)鈿馄俊⑷剂蠚馄?、一號流量?jì)、二號流量計(jì)、三號流量計(jì)、預(yù)混罐、示波器、計(jì)算機(jī)，沿光軸方向依次設(shè)置有Nd:YAG激光器、可調(diào)諧染料激光器、小孔光闌、分束鏡、燃燒器、二光號電探測器，一號光電探測器位于分束鏡的正下方，一號光電探測器和二光號電探測器與示波器連接，示波器與計(jì)算機(jī)連接；燃?xì)鈿馄康某鰵饪?、氧氣氣瓶的出氣口、氮?dú)鈿馄康某鰵饪诜謩e與預(yù)混罐的三個進(jìn)氣口連通；一號流量計(jì)、二號流量計(jì)、三號流量計(jì)分別設(shè)置在燃?xì)鈿馄?、氧氣氣瓶、氮?dú)鈿馄康某鰵饪谔?；預(yù)混罐的出氣口與燃燒器入氣口連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紫外激光吸收光譜的非接觸式火焰溫度及OH基濃度測量裝置，其特征在于所述Nd: YAG激光器輸出激光重頻為2~IOOHz ;激光中心波長532nm ；激光脈寬IOns ;激光單脈沖能量為30mJ至60mJ。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紫外激光吸收光譜的非接觸式火焰溫度及OH基濃度測量裝置，其特征在于所述可調(diào)諧染料激光器選用DCM、PM580共摻染料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紫外激光吸收光譜的非接觸式火焰溫度及OH基濃度測量裝置，其特征在于所述小孔光闌直徑為1mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紫外激光吸收光譜的非接觸式火焰溫度及OH基濃度測量裝置，其特征在于所述分束鏡為熔融石英基片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紫外激光吸收光譜的非接觸式火焰溫度及OH基濃度測量裝置，其特征在于所述一號光電探測器與二號光電探測器為PIN探測器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于紫外激光吸收光譜的非接觸式火焰溫度及OH基濃度測量裝置，其特征在于所述探測器的光譜響應(yīng)范圍200-1 lOOnm。
8.一種利用權(quán)利要求1-7任一權(quán)利要求所述的基于紫外激光吸收光譜的非接觸式火焰溫度及OH基濃度測量裝置測量非接觸式火焰溫度及OH基濃度的方法，其特征在于所述方法步驟如下: 步驟一:利用Nd: YAG激光器泵浦可調(diào)諧染料激光器，染料激光經(jīng)倍頻后輸出紫外波段激光； 步驟二:紫外波段激光經(jīng)過小孔光闌后入射到分束鏡表面，由分束鏡分束后分別射入一號光電探測器及二號光電探測器中； 步驟三:通過改變Nd: YAG激光器泵浦光強(qiáng)改變可調(diào)諧染料激光器輸出的紫外波段激光光強(qiáng)，紫外波段激光入射到一號光電探測器、二號光電探測器中，其響應(yīng)信號被示波器采集到并通過計(jì)算機(jī)記錄下來；用線性擬合方法擬合不同紫外波段激光光強(qiáng)下入射一號光電探測器及二號光電探測器光強(qiáng)的標(biāo)定關(guān)系； 步驟四:打開氧氣氣瓶、氮?dú)鈿馄?、燃料氣瓶與一號流量計(jì)、二號流量計(jì)、三號流量計(jì)閥門，經(jīng)預(yù)混罐混合后，點(diǎn)燃被測火焰，紫外波段激光透射過分束鏡后經(jīng)燃燒區(qū)域入射到二號光電探測器中；將可調(diào)諧染料激光器的輸出波長調(diào)諧到OH基的吸收峰光譜范圍內(nèi)，通過光柵掃描改變可調(diào)諧染料激光器的輸出波長，掃過OH基吸收峰的光譜范圍； 步驟五:光柵掃描的同時利用示波器采集一號光電探測器、二號光電探測器的響應(yīng)信號，并用計(jì)算機(jī)記錄數(shù)據(jù)；步驟六:選擇另外一支合適的OH基吸收峰，重復(fù)步驟四及步驟五的過程； 步驟七:利用步驟三中獲得的標(biāo)定關(guān)系處理計(jì)算機(jī)中記錄到的數(shù)據(jù)，獲得火焰中該位置處的溫度及OH基濃度信息； 步驟八:移動燃燒器位 置，重復(fù)步驟五至步驟七，對火焰中不同位置進(jìn)行測量。
【文檔編號】G01N21/39GK103969218SQ201410225315
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月24日
【發(fā)明者】于欣, 楊超博, 張亞麗, 彭江波, 馬欲飛, 李曉暉, 樊榮偉, 陳德應(yīng), 楊振, 于楊 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)