(一)本發(fā)明提出一種基于氣體取樣分析的瑞利散射燃燒場(chǎng)氣體溫度測(cè)量方法與系統(tǒng)，屬于光學(xué)測(cè)量。該方法與系統(tǒng)將氣體取樣分析與瑞利散射相結(jié)合，消除了燃燒場(chǎng)氣體濃度仿真分析帶來(lái)的不確定性及誤差，實(shí)現(xiàn)燃燒場(chǎng)氣體溫度的完備測(cè)量，同時(shí)利用鉑電阻測(cè)量室溫，在測(cè)量前常溫空氣環(huán)境中瑞利散射測(cè)溫被鉑電阻校準(zhǔn)，使得該非接觸式溫度測(cè)量結(jié)果直接溯源至溫度標(biāo)準(zhǔn)its-90。

背景技術(shù)：

0、(二)背景技術(shù)

1、瑞利散射(rayleigh?scattering)是一種彈性光散射現(xiàn)象，當(dāng)光與比其波長(zhǎng)更小的粒子(如氣體分子或微粒)相互作用時(shí)產(chǎn)生。散射光的強(qiáng)度與入射光的波長(zhǎng)、粒子的濃度及溫度有關(guān)。

2、傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量火焰溫度需要直接接觸火焰，會(huì)干擾燃燒過(guò)程，影響火焰的流場(chǎng)、化學(xué)反應(yīng)以及溫度分布，而現(xiàn)有的瑞利散射火焰溫度測(cè)量方法普遍需要仿真軟件來(lái)獲取燃燒場(chǎng)中各物質(zhì)的組分濃度，通過(guò)仿真獲得的數(shù)據(jù)與實(shí)際情況存在一定偏差。本發(fā)明采用氣體取樣分析與瑞利散射測(cè)溫相結(jié)合的方法來(lái)獲取燃燒場(chǎng)中各物質(zhì)的組分濃度，使得燃燒場(chǎng)中各物質(zhì)濃度的獲取不再依賴于仿真軟件，利用校準(zhǔn)過(guò)的鉑電阻測(cè)量室溫，隨后，使用瑞利散射技術(shù)測(cè)量同一環(huán)境內(nèi)的室溫，記錄散射光信號(hào)，通過(guò)多次對(duì)比測(cè)量，建立瑞利散射測(cè)量溫度系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)溫度之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)溫度標(biāo)準(zhǔn)its-90的溯源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

0、(三)
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

1、針對(duì)傳統(tǒng)的火焰測(cè)量方法空間分辨率低、會(huì)影響火焰的流場(chǎng)以及溫度分布等問題，本發(fā)明提出了一種基于瑞利散射測(cè)量溫度的方法與系統(tǒng)，采取燃?xì)馊拥姆椒ǖ玫交鹧嬷懈魑镔|(zhì)的組分濃度，使得瑞利散射測(cè)量溫度過(guò)程中各物質(zhì)組分濃度的獲取不再依賴于gaseq等仿真軟件，利用鉑電阻校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)its-90的溯源。

2、該系統(tǒng)由激光光源、斬波器、光闌、套筒、半波片、高功率激光偏振分光棱鏡、暗室、麥肯納燃燒器、位移臺(tái)、功率計(jì)及探頭、凸透鏡、濾光片、光電倍增管、采集系統(tǒng)、上位機(jī)、數(shù)字多用表、四線制鉑電阻、燃?xì)馊悠?、燃?xì)夥治鰞x組成；由激光器持續(xù)發(fā)出激光，通過(guò)光學(xué)斬波器調(diào)制成間歇性脈沖信號(hào)，通過(guò)光闌、套筒等裝置進(jìn)行鎖光，隨后激光通過(guò)半波片與高功率激光偏振分光棱鏡分成p偏振光與s偏振光，通過(guò)同軸光路后進(jìn)入暗室，抵達(dá)麥肯納燃燒爐火焰區(qū)域，麥肯納燃燒爐火焰的瑞利散射信號(hào)通過(guò)凸透鏡成像系統(tǒng)匯聚到接收裝置-光電倍增管上，光電倍增管前有532nm的濾光片進(jìn)行非瑞利散射信號(hào)的過(guò)濾，接收的信號(hào)通過(guò)采集系統(tǒng)上傳至上位機(jī)；在上位機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)，輸出火焰溫度場(chǎng)內(nèi)的光信號(hào)值，利用燃?xì)夥治鰞x獲得火焰溫度場(chǎng)內(nèi)各物質(zhì)的組分濃度，通過(guò)查閱資料與計(jì)算獲得各物質(zhì)不同濃度下的火焰瑞利散射截面，通過(guò)公式計(jì)算與迭代獲得火焰溫度值。整個(gè)過(guò)程中，利用功率計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光功率的監(jiān)控。具體測(cè)量步驟如下：

3、步驟一：按照權(quán)利要求1所述的一種基于氣體取樣分析的瑞利散射燃燒場(chǎng)氣體溫度測(cè)量方法與系統(tǒng)，其特征在于，利用鉑電阻測(cè)量室溫，在測(cè)量前常溫空氣環(huán)境中瑞利散射測(cè)溫被鉑電阻校準(zhǔn)，使得該非接觸式溫度測(cè)量結(jié)果直接溯源至溫度標(biāo)準(zhǔn)its-90的基本定義；首先啟動(dòng)激光器進(jìn)行預(yù)熱，用校準(zhǔn)過(guò)的四線制鉑電阻測(cè)量實(shí)驗(yàn)區(qū)域的室溫，通過(guò)數(shù)字多用表讀取鉑電阻的阻值，讀取的阻值跟pt100的分度表對(duì)照，記錄下實(shí)驗(yàn)開始時(shí)的室溫t1；預(yù)熱完畢后開啟激光，激光器發(fā)出連續(xù)激光，通過(guò)光學(xué)斬波器將連續(xù)激光調(diào)制成間歇性脈沖信號(hào)，調(diào)制后的激光通過(guò)套筒、光闌等裝置進(jìn)行光束直徑的約束，同時(shí)屏蔽掉光學(xué)系統(tǒng)中不必要的雜散光，提高信噪比；隨后激光通過(guò)半波片與高功率激光偏振分光棱鏡，半波片通過(guò)對(duì)線偏振光引入相位延遲，改變光的偏振方向，偏振分光鏡根據(jù)光的偏振狀態(tài)將光束分為p偏振光與s偏振光，p偏振光透射通過(guò)，而s偏振光被反射，二者結(jié)合能精確控制入射激光的偏振方向，進(jìn)行散射光的優(yōu)化，提高實(shí)驗(yàn)的信噪比，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)旋轉(zhuǎn)半波片調(diào)整激光的偏振方向，使得垂直于光路方向上的s偏振光達(dá)到最大值，提高了接收裝置最終接收到的瑞利散射光的強(qiáng)度；隨后激光的散射光通過(guò)接收裝置的成像系統(tǒng)匯聚到光電倍增管上，光電倍增管前有濾光片進(jìn)行過(guò)濾，能夠有效地濾除不需要的光譜成分，只留下532nm的瑞利散射光，確保了溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，室溫下光電倍增管接收到的信號(hào)記錄為s(t1)：

4、

5、最終激光穿過(guò)暗室照射在功率計(jì)探頭的耙面上，由功率計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光實(shí)時(shí)功率的監(jiān)控，觀察激光的穩(wěn)定性。

6、步驟二：按照權(quán)利要求1所述的一種基于氣體取樣分析的瑞利散射燃燒場(chǎng)氣體溫度測(cè)量方法與系統(tǒng)，其特征在于，通過(guò)燃?xì)馊悠亢腿細(xì)夥治鰞x實(shí)現(xiàn)了對(duì)火焰中各物質(zhì)濃度的實(shí)時(shí)分析，排除了gaseq等仿真軟件獲取的物質(zhì)濃度與實(shí)際不符的情況，使得溫度的計(jì)算過(guò)程更加具有說(shuō)服力；首先打開氮?dú)忾y門，通入一段時(shí)間氮?dú)夂蟠蜷_丙烷與空氣氣瓶，通過(guò)流量控制系統(tǒng)來(lái)控制兩種氣體的流量以此來(lái)達(dá)到特定的當(dāng)量比，氣閥開啟后進(jìn)行點(diǎn)火，移動(dòng)位移臺(tái)直至光電倍增管中心面與爐頭最左端齊平，爐頭表面距離激光20mm。通過(guò)采集系統(tǒng)和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)該采樣點(diǎn)的信號(hào)采集工作，此時(shí)采集到的火焰光信號(hào)記錄為s(t2)：

7、

8、通過(guò)理想氣體定律公式化簡(jiǎn)后得到溫度與信號(hào)之間的關(guān)系式如下：

9、

10、將燃?xì)馊悠客ㄟ^(guò)取樣閥門連接到取樣點(diǎn)，打開取樣閥門，保證燃?xì)饽軌蝽樌魅肴悠?，取樣前需要?duì)取樣瓶進(jìn)行排氣，確保取樣瓶?jī)?nèi)部的空氣或殘留氣體被清除，取樣完成后將取樣瓶連接到取樣分析儀，獲得該采樣點(diǎn)各物質(zhì)的組分濃度，即可得到火焰的瑞利散射截面：

11、

12、xi為各物質(zhì)的組分濃度，即為火焰的瑞利散射截面。將上述所求的值代入公式(3)中即可求得該采樣點(diǎn)的火焰溫度。信號(hào)采集完成后，將位移臺(tái)向左移動(dòng)2mm，重復(fù)上續(xù)步驟，直至光電倍增管不能接收到火焰場(chǎng)中的瑞利散射信號(hào)為止，此時(shí)就得到了距離爐頭20mm高度的水平面上的火焰溫度分布情況。

技術(shù)特征：

1.一種基于氣體取樣分析的瑞利散射(rayleigh?scattering)燃燒場(chǎng)氣體溫度測(cè)量方法與系統(tǒng)，該系統(tǒng)由激光光源、光學(xué)斬波器、光闌、半波片、高功率激光偏振分光棱鏡、暗室、位移臺(tái)、麥肯納燃燒器、功率計(jì)及探頭、凸透鏡、濾光片、光電倍增管、采集系統(tǒng)、上位機(jī)、四線制鉑電阻、數(shù)字多用表、流量計(jì)、流量控制系統(tǒng)、燃?xì)馊悠?、燃?xì)夥治鰞x組成；由激光器持續(xù)發(fā)出激光，通過(guò)光學(xué)斬波器調(diào)制成間歇性脈沖信號(hào)，通過(guò)光闌、套筒等裝置進(jìn)行鎖光，隨后激光通過(guò)半波片與高功率激光偏振分光棱鏡分成p偏振光與s偏振光，通過(guò)同軸光路后進(jìn)入暗室，抵達(dá)麥肯納燃燒爐火焰區(qū)域，標(biāo)準(zhǔn)火焰的瑞利散射信號(hào)通過(guò)凸透鏡成像系統(tǒng)匯聚到接收裝置-光電倍增管上，光電倍增管前有532nm的濾光片進(jìn)行非瑞利散射信號(hào)的過(guò)濾，接收的信號(hào)通過(guò)采集系統(tǒng)上傳至上位機(jī)；在上位機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)，輸出火焰溫度場(chǎng)內(nèi)的光信號(hào)值，利用燃?xì)夥治鰞x獲得火焰溫度場(chǎng)內(nèi)各物質(zhì)的組分濃度，通過(guò)查閱資料與計(jì)算獲得各物質(zhì)不同濃度下的火焰瑞利散射截面，通過(guò)公式計(jì)算與迭代獲得火焰溫度值。

2.按照權(quán)利要求1所述的一種基于氣體取樣分析的瑞利散射燃燒場(chǎng)氣體溫度測(cè)量方法與系統(tǒng)，其特征在于，利用鉑電阻測(cè)量室溫，在測(cè)量前常溫空氣環(huán)境中瑞利散射測(cè)溫被鉑電阻校準(zhǔn)，使得該非接觸式溫度測(cè)量結(jié)果直接溯源至溫度標(biāo)準(zhǔn)its-90的基本定義，利用麥肯納標(biāo)準(zhǔn)平焰器構(gòu)建穩(wěn)定、可控、可重現(xiàn)火焰，并通過(guò)氣體取樣分析來(lái)獲得燃燒場(chǎng)中各物質(zhì)的組分濃度；首先記錄鉑電阻測(cè)量得到的室溫值t1，啟動(dòng)激光器，室溫下測(cè)量得到的瑞利散射光信號(hào)記為s(t1)，標(biāo)準(zhǔn)火焰場(chǎng)中測(cè)量得到的瑞利散射光信號(hào)記為s(t2)

3.按照權(quán)利要求1所述的一種基于氣體取樣分析的瑞利散射燃燒場(chǎng)氣體溫度測(cè)量方法與系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)中所述的光學(xué)原件都與激光光路同軸，其中信號(hào)接收裝置與激光光路正交，且與激光光路位于同一水平面上。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出一種基于氣體取樣分析的瑞利散射燃燒場(chǎng)氣體溫度測(cè)量方法與系統(tǒng)，屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，用于標(biāo)準(zhǔn)火焰燃燒場(chǎng)氣體溫度測(cè)量。與傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量火焰溫度的方法相比，瑞利散射法不影響火焰特性且具備高精度和高分辨率，現(xiàn)有的瑞利散射火焰溫度測(cè)量方法普遍需要仿真軟件來(lái)獲取燃燒場(chǎng)中各物質(zhì)的組分濃度，但是通過(guò)仿真獲得的數(shù)據(jù)與實(shí)際情況存在一定偏差。本發(fā)明采用氣體取樣的方法來(lái)獲取燃燒場(chǎng)中各物質(zhì)的組分濃度，使得燃燒場(chǎng)中各物質(zhì)濃度的獲取不再依賴于仿真軟件，具體測(cè)量時(shí)，將燃?xì)馊悠客ㄟ^(guò)取樣閥門連接到取樣點(diǎn)進(jìn)行取樣，隨后將燃?xì)馊悠拷尤肴細(xì)夥治鰞x進(jìn)行各物質(zhì)的組分濃度分析。此外，該技術(shù)在測(cè)量前在常溫空氣環(huán)境中被鉑電阻校準(zhǔn)，使得該非接觸式溫度測(cè)量結(jié)果直接溯源至溫度標(biāo)準(zhǔn)ITS?90。該方法與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了燃燒場(chǎng)氣體溫度的完備測(cè)量，在標(biāo)準(zhǔn)火焰測(cè)量方面具有廣闊應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：黃昂,王景輝,夏文濤,黃帥,楊雪
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2