基于固定波长法吸收光谱技术的CO2温度测量 
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1 引言
可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术在对气体组分的浓度、温度、压力等参数的测量方面具有响应快、精确度高、非侵入等优点[1-7],因此被广泛应用于火焰燃烧诊断和痕量气体检测领域[8-10]。蔡廷栋等[11]在利用吸收光谱技术测量CO2浓度时发现,随着压力升高,直接吸收信号和二次谐波信号的宽度明显增加,光谱严重重叠,导致线型拟合困难,于是提出了基于固定波长法的波长调制技术,结果显示,归一化的二次谐波幅值与浓度具有良好的线性关系。但这项研究工作主要针对浓度测量,并未涉及温度的测量。Brittelle等[12]采用波长位于1.3 μm附近的8台激光器结合固定波长法测量了水蒸气的温度,测量误差约为0.43%;所用测量系统具有较高的测量精确度和时间分辨率,但装置较复杂,成本较高。本研究组曾采用扫描波长法直接吸收光谱技术对高温环境中CO2气体的温度和浓度测量进行研究[13],由于所选的光谱存在重叠,无法直接进行积分计算,因此利用Origin软件的多峰拟合功能来解决光谱重叠问题。多峰拟合法是解决光谱重叠问题的一个重要方法,但算法较复杂,而且当光谱重叠严重时误差较大。本研究组也曾采用中心波长位于2302 nm的激光器,结合固定波长法直接吸收光谱技术测量了高温环境中CO的浓度[14],验证了固定波长法在测量高温气体浓度时的可行性和准确性。在燃烧诊断和着火机理研究中,CO2是燃烧过程的主要产物之一,温度是重要的观测指标之一,因此探究燃烧过程中CO2温度的测量方法具有重要意义。
相比于扫描波长法,固定波长法只需要获取吸收光谱的峰值信息,不需要对吸收光谱进行积分计算,可适用于光谱重叠严重的环境[11]。同时,固定波长法所需采集和处理的数据量较少,可有效提高测量系统的时间分辨率[14]。本文基于固定波长法,将激光波长固定在吸收光谱中心附近约3 pm的波长范围内进行扫描,获取吸收光谱的峰值信息,再依据双线比值法反演气体温度。
2 基本原理
2.1 固定波长法测温原理
一束特定频率为
式中:
图 2. 固定波长法吸收光谱技术采集到的信号示意图
Fig. 2. Diagram of signal acquired using fixed-wavelength absorption spectroscopy
在计算出
2.2 测量谱线选择
采用双线比值法进行气体温度测量时,为保证测量结果的准确性,所选的谱线需要符合以下要求:1)谱线强度较高,以保证较高的信噪比;2)两条谱线的低跃迁态能量的差值较大,以保证线强比值对温度有较高的灵敏度[13]。根据以上要求,选取中心波数位于4997.805,4997.811,4996.106 cm-1的三条谱线作为本实验的目标谱线,分别记作谱线1、谱线2、谱线3。其中:谱线1和谱线2的距离较近,在压强为1.013×105 Pa时会合成一个吸收峰,记作吸收峰
表 1. CO2吸收谱线的参数表
Table 1. CO2 spectral absorption-line parameters
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定义
式中:
2.3 光谱线型函数
光谱线型函数反映了吸收系数随波长的相对变化情况,目前主要有三种线型函数:Lorentzian线型函数,Gaussian线型函数和Voigt线型函数。Lorentzian线型函数一般在碰撞加宽作用主导的情况下使用,适用于压力较高而温度较低的测量环境;Gaussian线型函数一般在热力加宽作用主导的情况下使用,适用于压力较低的测量环境。本文测量环境中碰撞加宽作用和热力加宽作用相当,因此需要使用Voigt线型函数,它是Lorentzian线型函数与Gaussian线型函数的卷积形式,一般采用数值计算求解[16]。
在CO2体积分数为10%、压强为1.013×105 Pa时,模拟得到的所选谱线的线型函数峰值及峰值比值如
图 5. 模拟的吸收光谱峰值比值和相对误差。(a)吸收光谱峰值比值;(b)相对误差
Fig. 5. Simulated absorption spectrum peak ratio and relative error. (a) Absorption spectrum peak ratio; (b) relative error
2.4 吸收峰值比值与温度的关系
3 实验过程与装置
所搭建的温度测量系统示意图如
实验首先利用流量计配制CO2体积分数为8%的混合气体,将气体充满整个吸收段后停止通气,设置管式炉(SGL-1400型,中国科学院上海光学精密机械研究所,中国)的炉温分别为673,773,873,973,1073,1173,1273 K,每个温度保持30 min,待管式炉显示温度稳定后进行数据采集。
4 实验结果与讨论
图 7. 实验测量温度与设定温度的对比
Fig. 7. Comparison between experimental measurement temperature and set temperature
图 8. 固定波长法与扫描波长法测温的相对误差绝对值
Fig. 8. Absolute relative errors obtained by fixed-wavelength method and scanning-wavelength method
5 结论
搭建了基于固定波长法的温度测量系统,实现了对高温环境下CO2气体温度的快速测量。应用固定波长法进行测温具有较高的测量准确性和时间分辨率,在673~1273 K,平均测温误差为1.22%。固定波长法可有效避免光谱重叠对测量结果的影响。在873~1073 K,待测波长处的光谱重叠度较高,因此固定波长法比扫描波长法的测温误差小;在1173~1273 K,由于光谱重叠度降低,扫描波长法的测温误差降低,而固定波长法受谱线强度降低的影响,测温误差增大。在673~1273 K,固定波长法的测温误差在3%以内,具有较高的精确度。
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