本發(fā)明屬于光學的技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種用于吸收系數(shù)標定的高溫高壓光學腔，以及其使用方法。

背景技術(shù)：

激光吸收光譜測量技術(shù)是建立在精確的光譜參數(shù)的基礎(chǔ)之上。最常用的分子光譜數(shù)據(jù)庫HITRAN(high resolution transmission molecular absorption database)是基于量子計算獲得的光譜參數(shù)，經(jīng)過40多年的發(fā)展，該數(shù)據(jù)庫已經(jīng)涵蓋了H₂O,CO,CO₂等47種分子。然而，HITRAN數(shù)據(jù)庫也存在明顯不足，即缺乏高溫光譜參數(shù)，為此L.S.Rothman等人組織發(fā)展了HITEMP光譜數(shù)據(jù)庫，但其分子光譜參數(shù)仍缺乏足夠的實驗驗證，光譜參數(shù)的準確度受到質(zhì)疑，特別是高溫、高壓下的復雜加寬機制影響，實測參數(shù)與HITRAN/HITEMP數(shù)據(jù)庫有差異。因此需要對光譜參數(shù)的進行標定，與此同時，基于激光吸收光譜的氣體分析儀也需要復雜環(huán)境(高溫高壓)下的測量精度標定。

根據(jù)波段范圍，吸收光譜的標定可分為近紅外吸收標定和中紅外吸收吸收標定，近紅外波段的大多利用石英管作為標定池，標定系統(tǒng)較為成熟，相關(guān)的光譜標定工作有大量的積累。斯坦福大學R.K.Hason小組對H₂O在近紅外的眾多譜線進行高溫標定，其中包括X.Liu等人利用石英吸收池和高溫馬弗爐對1.4μm附近H₂O的多條譜線進行標定，并與HITRAN 2004數(shù)據(jù)庫進行了對比；C.S.Goldenstein等人對2.4μm附近H₂O吸收線進行標定。這些基于石英管的近紅外標定腔的最大困難是無法形成高壓環(huán)境，因此無法用于高壓吸收標定。

在波長方面，石英在近紅外波段具有良好的透過性，但其長波截止波長約為2.5μm，不能用于透過中紅外激光，因此中紅外標定系統(tǒng)需更換光學窗口。鑒于藍寶石玻璃的良好中紅外透過性和絕佳的耐高溫、耐高壓特性，目前中紅外吸收實驗和標定實驗大都選用藍寶石窗口作為透光材料。國外在中紅外高溫標定實驗方面，有先例可循，J.Rice、S.Hahn等人發(fā)展的藍寶石-銅密封標定系統(tǒng)，然而該系統(tǒng)存在高溫漏氣問題。G.B.Rieker等在上述基礎(chǔ)上，采用新的密封方式，即藍寶石兩端密封(前端楔形銅墊片密封、后端平銅墊片密封)的方式，部分解決了高溫(900K)下標定腔漏氣的問題，但并不成熟，難以對中紅外氣體的光譜常數(shù)進行精確的、長時間的標定試驗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于吸收系數(shù)標定的高溫高壓光學腔，其解決近紅外光譜標定無法兼顧高溫和高壓的問題，以及中紅外標定的密封漏氣問題，克服現(xiàn)有標定系統(tǒng)無法對近、中紅外光譜進行從低壓、低溫至高壓、高溫的寬范圍標定的局限，發(fā)展、建立了一種寬波段的高溫、低壓至高壓標定系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：這種用于吸收系數(shù)標定的高溫高壓光學腔，該高溫高壓光學腔包括固定氣室、藍寶石光學柱、薄壁鋼管、可安裝冷卻法蘭、壓緊法蘭、壓緊螺母、加熱帶、密封圈、壓力表、真空壓力表、供氣/排氣模塊；

固定氣室包含充氣口和放氣口，分別與供氣/排氣模塊連接，固定氣室內(nèi)是一段圓柱孔，兩端與薄壁鋼管真空焊接密封；

薄壁鋼管內(nèi)部嵌入藍寶石光學柱，薄壁鋼管的一端與固定氣室焊接密封，另一端與可安裝冷卻法蘭焊接；

可安裝冷卻法蘭固定和密封藍寶石光學柱；

密封圈包括大線徑密封圈和小線徑密封圈，壓緊法蘭壓緊大線徑密封圈，壓緊螺母壓緊小線徑密封圈；

加熱帶圍繞固定氣室設置；

供氣/排氣模塊包括高壓氣瓶和若干個控制閥門，高壓氣瓶、壓力表、真空壓力表分別通過控制閥門連接到固定氣室的充氣口，從而向固定氣室內(nèi)充入濃度確定的待測氣體，真空泵通過閥門連接到固定氣室的放氣口。

還提供了這種用于吸收系數(shù)標定的高溫高壓光學腔的使用方法，包括以下步驟：

(1)對高溫高壓光學腔和供氣/排氣模塊進行氣密性測試，分別對低壓、高壓環(huán)境進行氣密性檢查，保證標定系統(tǒng)具有良好的氣密性；

(2)通過加熱帶加熱至設定溫度,設定溫度值通過繼電器和熱電偶進行溫度控制，使氣室內(nèi)熱電偶測溫穩(wěn)定在設定溫度，保持幾十分鐘；

(3)使用真空泵對固定氣室進行抽真空，真空度接近0.1Pa，維持穩(wěn)定；

(4)通過供氣/排氣模塊，逐步放入一定壓力的氣體進入固定氣室，固定氣室的壓力通過真空壓力表獲得；使氣室內(nèi)標準氣體的溫度、壓力保持穩(wěn)定；

(5)利用標定系統(tǒng)進行光譜測量：將激光通過氣室，信號被探測器接收后，通過示波器采集，獲得一組壓力、穩(wěn)定條件下的光譜信號；之后，改變設定的氣室壓力和溫度，依次進行不同壓力、不同溫度下的光譜測量。

本發(fā)明通過固定氣室包含充氣口和放氣口，分別與供氣/排氣模塊連接，固定氣室內(nèi)是一段圓柱孔，兩端與薄壁鋼管真空焊接密封；薄壁鋼管內(nèi)部嵌入藍寶石光學柱，薄壁鋼管的一端與固定氣室焊接密封，另一端與可安裝冷卻法蘭焊接；可安裝冷卻法蘭固定和密封藍寶石光學柱；密封圈包括大線徑密封圈和小線徑密封圈，壓緊法蘭壓緊大線徑密封圈，壓緊螺母壓緊小線徑密封圈；加熱帶圍繞固定氣室設置；供氣/排氣模塊包括高壓氣瓶和若干個控制閥門，高壓氣瓶、壓力表、真空壓力表分別通過控制閥門連接到固定氣室的充氣口，從而向固定氣室內(nèi)充入濃度確定的待測氣體，真空泵通過閥門連接到固定氣室的放氣口；從而解決了近紅外光譜標定無法兼顧高溫和高壓的問題，以及中紅外標定的密封漏氣問題，克服現(xiàn)有標定系統(tǒng)無法對近、中紅外光譜進行從低壓、低溫至高壓、高溫的寬范圍標定的局限，發(fā)展、建立了一種寬波段的高溫、低壓至高壓標定系統(tǒng)。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的用于吸收系數(shù)標定的高溫高壓光學腔的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的用于吸收系數(shù)標定的高溫高壓光學腔的局部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的用于吸收系數(shù)標定的高溫高壓光學腔的充放氣示意圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的用于吸收系數(shù)標定的高溫高壓光學腔的吸收光譜常數(shù)標定過程示意圖。

具體實施方式

如圖1、2、3所示，這種用于吸收系數(shù)標定的高溫高壓光學腔，該高溫高壓光學腔包括固定氣室、藍寶石光學柱、薄壁鋼管、可安裝冷卻法蘭、壓緊法蘭、壓緊螺母、加熱帶、密封圈、壓力表、真空壓力表、供氣/排氣模塊；

固定氣室包含充氣口和放氣口，分別與供氣/排氣模塊連接，固定氣室內(nèi)是一段圓柱孔，兩端與薄壁鋼管真空焊接密封；

薄壁鋼管內(nèi)部嵌入藍寶石光學柱(用于透過可見、近紅外和中紅外波段的激光)，薄壁鋼管的一端與固定氣室焊接密封，另一端與可安裝冷卻法蘭焊接；

可安裝冷卻法蘭固定和密封藍寶石光學柱；另外，由于采用的密封圈會在高溫下融化，必須水冷卻該法蘭的溫度，使其小于200℃，在保護密封圈的同時，保證最小熱變形，提高其密封效果。

壓緊法蘭：用于壓緊大線徑(2.5mm)密封圈，保證低壓、高壓條件下，該標定系統(tǒng)具有良好的密封性；

壓緊螺母：將小線徑的密封圈壓緊，在提高密封能力的同時，向氣室內(nèi)壓緊藍寶石光學柱，抵抗高壓下的氣體壓力；

密封圈包括大線徑密封圈和小線徑密封圈，壓緊法蘭壓緊大線徑密封圈，壓緊螺母壓緊小線徑密封圈；

加熱帶圍繞固定氣室設置；

供氣/排氣模塊包括高壓氣瓶和若干個控制閥門，高壓氣瓶、壓力表、真空壓力表(用于低壓光譜標定時的壓力測量)分別通過控制閥門連接到固定氣室的充氣口，從而向固定氣室內(nèi)充入濃度確定的待測氣體，真空泵(對標定腔抽真空，最低壓力可小于1Pa)通過閥門連接到固定氣室的放氣口。

另外，該高溫高壓光學腔還與標定系統(tǒng)連接，所述標定系統(tǒng)包括信號發(fā)生器(產(chǎn)生鋸齒波信號，對激光器控制器進行波長和強度調(diào)制)、激光控制器(用于控制激光器的工作溫度和工作電流，試驗中根據(jù)信號發(fā)生器的信號，對激光器的輸出波長進行快速調(diào)制)、激光器(輸出激光，激光器的波長范圍覆蓋目標組分的特征吸收譜，比如CO2的中紅外吸收譜在4.3um附近，CO的中紅外吸收譜在4.6um附近，激光器的輸出功率一般在幾個mW量級)、準直透鏡(激光器(15)輸出激光大多具有較大的發(fā)散角，需要對其準直，以獲得較好的空間遠距離傳輸特性，準直后的光斑一般約為1～2mm直徑)、光電探測器(接收穿過光學標定腔的透射光，將光強信號轉(zhuǎn)換為電壓信號)、示波器(采集記錄探測器(18)輸出的電壓信號)；

利用信號發(fā)生器對激光控制器(14)進行電流調(diào)制，調(diào)制后的電流信號驅(qū)動激光器(15)，激光器輸出特定波長范圍內(nèi)的激光，經(jīng)準直透鏡(17)準直之后通過高溫高壓光學腔的藍寶石光學柱(2)進入固定氣室，被濃度、溫度、壓力確定的待測氣體吸收后，光強衰減，穿過右側(cè)的藍寶石光學柱(2)，被光電探測器(18)接收，通過示波器(19)采集獲得。

另外，所述激光器(15)設有冷卻系統(tǒng)(16)。對激光器內(nèi)部元件進行冷卻，保證激光器(15)正常、穩(wěn)定工作。

另外，所述固定氣室是不銹鋼氣室。

另外，所述薄壁鋼管是壁厚為0.5mm的不銹鋼鋼管(304鋼管)。

另外，所述加熱帶還設有繼電器和熱電偶，以便進行溫度控制和保持。

另外，所述大線徑密封圈和小線徑密封圈均為全氟橡膠密封圈，線徑分別為2.5mm和1.5mm。

另外，所述壓力表的有效量程：0.1-2MPa，精度：±0.5％；所述真空壓力表包括兩組真空表，其有效量程分別為：0.1-100Torr，1-1000Torr。

另外，所述高壓氣瓶內(nèi)氣體為O₂，CO，CO₂，NO中的一種，并利用N₂或Ar氣作為平衡載氣。

如圖4所示，還提供了這種用于吸收系數(shù)標定的高溫高壓光學腔的使用方法，包括以下步驟：

(1)對高溫高壓光學腔和供氣/排氣模塊進行氣密性測試，分別對低壓、高壓環(huán)境進行氣密性檢查，保證標定系統(tǒng)具有良好的氣密性；

(2)通過加熱帶加熱至設定溫度,設定溫度值通過繼電器和熱電偶進行溫度控制，使氣室內(nèi)熱電偶測溫穩(wěn)定在設定溫度，保持幾十分鐘；

(3)使用真空泵對固定氣室進行抽真空，真空度接近0.1Pa，維持穩(wěn)定；

(4)通過供氣/排氣模塊，逐步放入一定壓力的氣體進入固定氣室，固定氣室的壓力通過真空壓力表獲得；使氣室內(nèi)標準氣體的溫度、壓力保持穩(wěn)定；

(5)利用標定系統(tǒng)進行光譜測量：將激光通過氣室，信號被探測器接收后，通過示波器采集，獲得一組壓力、穩(wěn)定條件下的光譜信號；之后，改變設定的氣室壓力和溫度，依次進行不同壓力、不同溫度下的光譜測量。

本發(fā)明通過固定氣室包含充氣口和放氣口，分別與供氣/排氣模塊連接，固定氣室內(nèi)是一段圓柱孔，兩端與薄壁鋼管真空焊接密封；薄壁鋼管內(nèi)部嵌入藍寶石光學柱，薄壁鋼管的一端與固定氣室焊接密封，另一端與可安裝冷卻法蘭焊接；可安裝冷卻法蘭固定和密封藍寶石光學柱；密封圈包括大線徑密封圈和小線徑密封圈，壓緊法蘭壓緊大線徑密封圈，壓緊螺母壓緊小線徑密封圈；加熱帶圍繞固定氣室設置；供氣/排氣模塊包括高壓氣瓶和若干個控制閥門，高壓氣瓶、壓力表、真空壓力表分別通過控制閥門連接到固定氣室的充氣口，從而向固定氣室內(nèi)充入濃度確定的待測氣體，真空泵通過閥門連接到固定氣室的放氣口；從而解決了近紅外光譜標定無法兼顧高溫和高壓的問題，以及中紅外標定的密封漏氣問題，克服現(xiàn)有標定系統(tǒng)無法對近、中紅外光譜進行從低壓、低溫至高壓、高溫的寬范圍標定的局限，發(fā)展、建立了一種寬波段的高溫、低壓至高壓標定系統(tǒng)。在溫度范圍：常溫-1000K，壓力范圍：1Torr-1MPa條件下，該系統(tǒng)具有良好的密封效果?？梢酝瑫r適用于低壓的光譜參數(shù)標定和高壓下的譜線線型加寬參數(shù)標定，可獲得精確的光譜參數(shù)，同時可以模擬多種高溫、高壓燃燒環(huán)境，進行光譜吸收模擬，用于驗證測量系統(tǒng)的測量精度

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。