本發(fā)明涉及一種利用單條譜線同時(shí)測(cè)量氣體溫度和濃度的裝置，還涉及一種利用單條譜線同時(shí)測(cè)量氣體溫度和濃度的方法，屬于激光吸收光譜技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

溫度是日常生活和生產(chǎn)過程中是最普遍而且重要的參數(shù)之一。目前，我國(guó)電力供應(yīng)仍然是以燃煤電廠為主，對(duì)于燃燒過程中鍋爐爐內(nèi)的氣體溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以優(yōu)化燃燒控制，提高燃燒效率和經(jīng)濟(jì)效益，并且減少了污染物的排放量。

在航空領(lǐng)域，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的核心部件，其工作狀況對(duì)飛機(jī)的安全飛行起著至關(guān)重要的作用，而燃燒室出口氣體的溫度和濃度偏離正常的工作狀況，會(huì)對(duì)渦輪導(dǎo)向器葉片和轉(zhuǎn)子葉片的壽命帶來明顯影響。因此，有效地監(jiān)測(cè)氣體的溫度和濃度，能夠盡可能避免航空事故的發(fā)生。

目前，氣體溫度的測(cè)量方法主要分為接觸式和非接觸式。接觸式測(cè)量方法中熱電偶應(yīng)用最為廣泛，可以實(shí)現(xiàn)從-50到1600℃的連續(xù)測(cè)量。然而，熱電偶測(cè)量時(shí)需要將探頭伸入到流場(chǎng)中，會(huì)對(duì)溫度場(chǎng)的測(cè)量造成侵?jǐn)_，且熱電偶具有熱慣性，響應(yīng)速度慢。此外，有些場(chǎng)合的燃?xì)鉁囟纫呀?jīng)超過了熱電偶測(cè)量范圍。這些局限性使熱電偶的使用受到了限制。非接觸式測(cè)量方法中可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(tdlas)在實(shí)際燃燒環(huán)境中的應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)緊湊耐用和良好的檢測(cè)環(huán)境適應(yīng)與抗干擾能力，測(cè)量精度高、靈敏度高和響應(yīng)速度快。

tdlas技術(shù)常用的氣體溫度測(cè)量方法采用兩種方式。一種是利用氣體吸收譜線的多普勒展寬提取氣體的溫度，這種方法在實(shí)際過程中，很難精確分離氣體吸收線的多普勒展寬和碰撞展寬，一般用于高溫低壓的情況，此時(shí)多普勒展寬起主要作用。另一種方法是利用兩條譜線的線強(qiáng)比值提取氣體的溫度，這種方法最為廣泛使用，其溫度靈敏度取決于吸收譜線對(duì)的低能態(tài)能級(jí)差。能級(jí)差越大，溫度靈敏度越高。在被測(cè)溫度范圍內(nèi)兩條吸收譜線的吸收強(qiáng)度不應(yīng)太小，對(duì)于低能級(jí)較高的吸收譜線，其吸收強(qiáng)度往往很低，這就限制了能級(jí)較高的吸收譜線的選擇；另外，能級(jí)較低的吸收譜線對(duì)冷邊界層的吸收較強(qiáng)，這點(diǎn)限制了能級(jí)低的吸收譜線的選擇；此外，在雙線法測(cè)量氣體溫度過程中，采用頻分復(fù)用時(shí)，兩條譜線需要選擇合適的調(diào)制頻率，以避免頻率之間產(chǎn)生串?dāng)_，這也限制了雙線法對(duì)調(diào)制頻率的選擇，而采用時(shí)分復(fù)用方法會(huì)降低時(shí)間分辨率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種利用單條譜線同時(shí)測(cè)量氣體溫度和濃度的方法，該測(cè)量方法特別適用于在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)氣體溫度和濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種利用單條譜線同時(shí)測(cè)量氣體溫度和濃度的方法，該方法先利用峰值歸一化的二次諧波信號(hào)的線型，該線型由溫度單一決定，從中提取氣體的溫度；再利用扣除背景的一次諧波歸一化的二次諧波信號(hào)幅值，該信號(hào)幅值與濃度成正比關(guān)系，提取濃度信息，從而同時(shí)得到氣體的溫度和濃度。

該方法所使用的單條譜線，需要滿足以下條件：在氣體的溫度一定時(shí)，譜線的吸收線型不隨濃度變化，或變化很??；在氣體的濃度一定時(shí)，譜線的吸收線型隨著溫度的變化很明顯；在待測(cè)溫度范圍內(nèi)，譜線的福伊特展寬是溫度的單調(diào)函數(shù)。

上述利用單條譜線同時(shí)測(cè)量氣體溫度和濃度的方法，具體包括如下步驟：

步驟1，對(duì)測(cè)量的透射光強(qiáng)進(jìn)行處理，得到測(cè)量的峰值歸一化二次諧波信號(hào)r2f/p和一次諧波歸一化二次諧波信號(hào)r2f/1f，并提取r2f/1f的峰值，記為p，給出待測(cè)氣體溫度和濃度的初始值分別為x0、t0，并設(shè)置n的初始值為0；

步驟2，對(duì)于已知的xn，改變tn，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)得到仿真的峰值歸一化二次諧波信號(hào)，使用最小二乘法擬合測(cè)量的峰值歸一化二次諧波信號(hào)，得到tn+1；

步驟3，對(duì)于已知的tn+1，改變xn，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)得到仿真的一次諧波歸一化二次諧波信號(hào)并提取不同xn下的峰值，將p帶入仿真信號(hào)的濃度-峰值關(guān)系，使用插值法得到p對(duì)應(yīng)的濃度xn+1；

步驟4，對(duì)于足夠大的數(shù)n，滿足終止準(zhǔn)則：

式中，ε、ξ為預(yù)先設(shè)定的閾值；

若滿足，則迭代終止，則輸出xn+1、tn+1，輸出的xn+1、tn+1分別為待測(cè)氣體的濃度測(cè)量值和溫度測(cè)量值；若不滿足，則令n＝n+1，返回步驟2，重復(fù)步驟2～步驟4，直至滿足終止準(zhǔn)則。

其中，步驟1中，對(duì)測(cè)量的透射光強(qiáng)進(jìn)行數(shù)字鎖相和低通濾波處理，得到背景信號(hào)和吸收信號(hào)的各次諧波信號(hào)的x分量和y分量，由此，可以提取扣除背景的二次諧波信號(hào)，表達(dá)式如下：

式中，x2f和y2f分別是吸收信號(hào)二次諧波的x分量和y分量，和分別是背景信號(hào)二次諧波的x分量和y分量，找到s2f的峰值點(diǎn)高度p，則扣除背景的峰值歸一化的二次諧波信號(hào)r2f/p＝s2f/p?？鄢尘暗囊淮沃C波歸一化的二次諧波信號(hào)r2f/1f表達(dá)式如下：

式中，r1f和分別是吸收信號(hào)和背景信號(hào)的一次諧波，如下式：

其中，步驟2中，濃度xn已知時(shí)，假設(shè)溫度tn，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)提供的信息可以仿真光譜吸收度，其表達(dá)式如下：

α(v(t))＝sj·φj(δvc，δvd，v(t))·p·xi·l

式中，sj和φj分別為第j條譜線的線強(qiáng)和線型函數(shù)，p是氣體的總壓強(qiáng)，xi是第i種吸收氣體的摩爾份數(shù)，l是路徑的長(zhǎng)度，由此，可以得到仿真的透射光強(qiáng)：

^sit＝i0·exp(-α)

式中，i0是測(cè)量的背景光強(qiáng)，得到仿真的透射光強(qiáng)后，進(jìn)行數(shù)字鎖相和低通濾波處理，提取仿真的峰值歸一化二次諧波信號(hào)。

其中，步驟3中，在溫度一定時(shí)，改變濃度xn，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)仿真扣除背景的一次諧波歸一化的二次諧波信號(hào)r2f/1f，并提取r2f/1f的峰值p，濃度與相應(yīng)的p成線性關(guān)系，利用插值法，確定峰值對(duì)應(yīng)的氣體濃度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案具有的有益效果是：

相對(duì)于傳統(tǒng)的氣體溫度的測(cè)量方法，本發(fā)明提出的單線法測(cè)量氣體的溫度和濃度，既保留了時(shí)間分辨率高、精度高、信噪比高和靈敏度高等特點(diǎn)，又避免了雙線法測(cè)量溫度過程中需要考慮頻率串?dāng)_和時(shí)間分辨率等問題，同時(shí)將利用多普勒展寬測(cè)量溫度的適用范圍擴(kuò)大到常壓常溫情況下；另外，本發(fā)明測(cè)量方法中所用到的激光器數(shù)量比傳統(tǒng)的雙線法測(cè)量溫度用到的激光器數(shù)量少，從而降低了測(cè)量成本；最后，相較傳統(tǒng)氣體濃度測(cè)量的方法，本發(fā)明測(cè)量方法克服了單線測(cè)量氣體濃度時(shí)需要溫度已知的限制。

附圖說明

圖1是本發(fā)明利用單條譜線同時(shí)測(cè)量氣體溫度和濃度的方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中濃度不同時(shí)的r2f/p信號(hào)；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中濃度為5％，溫度不同時(shí)的r2f/p信號(hào)；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中濃度為5％，測(cè)溫相對(duì)靈敏度隨溫度的變化；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中濃度為5％，溫度不同時(shí)福伊特展寬的變化量；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例中使用最小二乘法擬合r2f/p的結(jié)果圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例中仿真不同濃度下的峰值，并使用插值法獲得待測(cè)氣體濃度；

圖8是高溫下本發(fā)明測(cè)量方法與熱電偶測(cè)量方法的溫度測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖；

圖9是高溫下本發(fā)明測(cè)量方法的濃度測(cè)量結(jié)果圖；

圖10是本發(fā)明利用單條譜線同時(shí)測(cè)量氣體溫度和濃度的裝置的原理圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明，但是本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于此。

如圖1所示，本發(fā)明利用單條譜線同時(shí)測(cè)量氣體溫度和濃度的方法，具體包括如下實(shí)施步驟：

步驟1，對(duì)測(cè)量的透射光強(qiáng)進(jìn)行處理，得到測(cè)量的峰值歸一化二次諧波信號(hào)和一次諧波歸一化二次諧波信號(hào)，并提取一次諧波歸一化二次諧波信號(hào)的峰值，記為p，給出待測(cè)氣體溫度和濃度的初始值分別為x0、t0，并設(shè)置n的初始值為0，終止條件ε、ξ；

步驟2，對(duì)于已知的xn，改變tn，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)得到仿真的峰值歸一化二次諧波信號(hào)，使用最小二乘法擬合測(cè)量的峰值歸一化二次諧波信號(hào)，得到tn+1；

步驟3，對(duì)于已知的tn+1，改變xn，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)得到仿真的一次諧波歸一化二次諧波信號(hào)并提取不同xn下的峰值，將p帶入仿真信號(hào)的濃度-峰值關(guān)系，使用插值法得到p對(duì)應(yīng)的濃度xn+1；

步驟4，對(duì)于足夠大的數(shù)n，滿足終止準(zhǔn)則：

式中，ε、ξ為預(yù)先設(shè)定的閾值；

若滿足，則迭代終止，則輸出xn+1、tn+1，輸出的xn+1、tn+1分別為待測(cè)氣體的濃度測(cè)量值和溫度測(cè)量值；若不滿足，則令n＝n+1，更新xn←xn+1，tn←tn+1，返回步驟2，重復(fù)步驟2～步驟4，直至滿足終止準(zhǔn)則。

該方法所使用的單條譜線，需要滿足以下條件：在氣體的溫度一定時(shí)，譜線的吸收線型不隨濃度變化，或變化很小；在氣體的濃度一定時(shí)，譜線的吸收線型隨著溫度的變化很明顯；在待測(cè)溫度范圍內(nèi)，譜線的福伊特展寬是溫度的單調(diào)函數(shù)。

根據(jù)展寬機(jī)制的不同，吸收譜線線型主要分為高斯線型、洛倫茲線型和福伊特線型。

高斯線型函數(shù)來源于吸收分子隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)，可以描述為：

其中，v是激光頻率，v0是譜線中心頻率。

多普勒展寬δvd可由式(2)計(jì)算：

式中，t是氣體溫度，m是氣體摩爾分子質(zhì)量。

洛倫茲線型函數(shù)來源于碰撞展寬機(jī)制，可以描述為：

其中，碰撞展寬δvc可由式(4)計(jì)算：

其中，p為氣體總壓力，xj是組分j的氣體濃度，γj是組分j的碰撞展寬系數(shù)，與溫度有關(guān)。

式中，x是氣體濃度，γself是待測(cè)氣體的自展寬系數(shù)，γair是空氣展寬系數(shù)，t0是參考溫度(通常t0＝296k)，n是溫度依賴系數(shù)。

福伊特線型函數(shù)φv(v)由高斯線型函數(shù)φd(v)和洛倫茲線型函數(shù)φc(v)的卷積構(gòu)成，可以描述為：

φv(v)＝cl·φd(v)+cg·φc(v)(6)；

其中，cl和cg分別是權(quán)重系數(shù)。

福伊特展寬δvv：

福伊特線型的峰值：

其中，γd＝δvd/2，γc＝δvc/2。

那么福伊特線型的寬高比(福伊特展寬與福伊特線型的峰值比值)可以表示為：

式中，比爾-朗伯定律是吸收光譜學(xué)的基本定律，它表征了一束頻率為v的單色激光穿過一段長(zhǎng)為l、壓力為p、溫度為t和濃度為x的均勻被測(cè)氣體介質(zhì)時(shí)，其透射光強(qiáng)度it(v)和入射光強(qiáng)度i0(v)的關(guān)系：

式中，τv為透過率，it(v)和i0(v)分別表示透射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)，α(v)表示吸光度，其表達(dá)式為：

α(v)＝pxls(t)·φ(v)(11)；

式(11)中，s(t)是譜線的線強(qiáng)，φ(v)是氣體吸收的線型函數(shù)。

實(shí)驗(yàn)過程中使用掃描頻率為fs的正弦波疊加高調(diào)制頻率fm的正弦波對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)諧，激光器輸出頻率可以表示為：

其中，為激光中心頻率，a為調(diào)制幅度。

同時(shí)，激光器的輸出光強(qiáng)變化還可以表示為：

其中，為激光中心光強(qiáng)，i0和i2分別為線性和非線性強(qiáng)度調(diào)制幅度，和分別為線性和非線性頻率調(diào)制與強(qiáng)度調(diào)制的相位差。

根據(jù)beer-lambert定律，透過率的傅里葉級(jí)數(shù)展開式為：

其中，k階傅里葉系數(shù)hk可表示為：

經(jīng)過鎖相、濾波過程后，扣除背景的二次諧波信號(hào)為：

其中，g為探測(cè)系統(tǒng)的增益系數(shù)。

使用s2f的峰值對(duì)其進(jìn)行峰值歸一化：

本發(fā)明提出的測(cè)量方法針對(duì)α(t)≤0.1，式(10)可以近似表示為：

相應(yīng)的式(15)表示為：

令即式(17)表示為：

由式(20)可以看出，r2f/p由線型函數(shù)φv(t)決定，線型函數(shù)φv(t)由碰撞展寬δvc和多普勒展寬δvd共同決定。δvc是濃度x、溫度t的函數(shù)，δvd是溫度t的函數(shù)。當(dāng)δvc對(duì)濃度x不敏感時(shí)，r2f/p由溫度t決定，根據(jù)r2f/p可以計(jì)算氣體的溫度t。

條件1，氣體的溫度一定時(shí)，譜線的吸收線型不隨濃度變化，或者變化很小。

條件2，氣體的濃度一定時(shí)，譜線的吸收線型隨著溫度的變化很明顯。

氣體的濃度一定時(shí)，隨著溫度的改變，譜線的r2f/p信號(hào)的線型發(fā)生明顯變化。相對(duì)靈敏度可以用線型函數(shù)的寬高比δvv_nor描述。此時(shí)測(cè)溫的相對(duì)靈敏度可表示為：

條件3，待測(cè)溫度范圍內(nèi)，譜線的福伊特展寬是溫度的單調(diào)函數(shù)。

如圖2所示，實(shí)施例仿真了co2溫度為800k，濃度不同時(shí)的r2f/p信號(hào)，所選譜線滿足條件1。濃度為5％，溫度不同時(shí)的r2f/p信號(hào)見圖3，r2f/p隨溫度變化十分明顯，測(cè)溫相對(duì)靈敏度如圖4所示，滿足條件2。溫度不同時(shí)福伊特展寬變化量見圖5，可見在測(cè)量溫度范圍內(nèi)，福伊特展寬是溫度的單調(diào)函數(shù)，滿足條件3。基于此情況，r2f/p的線型變化由溫度單一決定，使用本發(fā)明提出的單線法測(cè)量co2的溫度是可行的。

在常溫下檢驗(yàn)本發(fā)明提出方法的可行性。標(biāo)準(zhǔn)氣體co2的濃度10.02％，溫濕度計(jì)顯示溫度t＝20.3℃。利用最小二乘法擬合測(cè)量的r2f/p提取co2的溫度，擬合結(jié)果見圖6。仿真不同濃度下r2f/1f，結(jié)果見圖7。提取不同濃度下的峰值，并使用插值法獲得待測(cè)氣體濃度。co2的溫度測(cè)量值為t測(cè)＝294.50k，標(biāo)準(zhǔn)差1.12k，相對(duì)誤差0.36％，濃度測(cè)量值x測(cè)＝9.83％，標(biāo)準(zhǔn)差0.03％，相對(duì)誤差-1.9％。

在高溫下檢驗(yàn)本發(fā)明提出方法的可行性。標(biāo)準(zhǔn)氣體co2的濃度為5.02％。高溫管式爐的溫度設(shè)置在500℃～900℃。每間隔100℃測(cè)量一次，本發(fā)明測(cè)量方法與熱電偶比較，測(cè)量結(jié)果見圖8。對(duì)應(yīng)的各個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)的濃度測(cè)量結(jié)果見圖9。

從實(shí)施例可知，本發(fā)明提出的測(cè)量方法在所選譜線滿足本發(fā)明提出的譜線篩選條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)氣體溫度和濃度的同時(shí)測(cè)量，并能夠?qū)崿F(xiàn)較高的測(cè)量靈敏度和精度。

本發(fā)明提出的單條譜線法能夠同時(shí)測(cè)量氣體的溫度和濃度，減少了所需譜線的數(shù)量，測(cè)量方法具有靈敏度高、精度高、響應(yīng)時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)的多普勒展寬測(cè)量溫度的方法，本發(fā)明測(cè)量方法適用范圍更廣，可用于常壓或更高壓力。此外，與傳統(tǒng)的雙線法測(cè)量溫度的方法相比，不需要考慮頻率串?dāng)_和時(shí)間分辨率的問題。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。