基于TDLAS的非均勻流場溫度分布的測量

摘 要： 基于可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）溫度測量技術，使用多條譜線能夠實現非均勻流場的氣體溫度分布的測量，主要有剖面擬合和溫度離散兩種方法。對剖面擬合方法進行理論分析和仿真，并且假設電爐上方0.5 cm處的溫度分布為二次函數ax2+bx+c，采用剖面擬合方法進行測量，與熱電偶測量的溫度進行對比，溫度最大波動為49 K。

關鍵詞： 可調諧半導體激光吸收光譜； 溫度測量； 剖面擬合； 溫度離散； 非均勻流場

中圖分類號： TN911?34； O433.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）12?0021?04

隨著我國航空航天、石油化工、生產制藥等行業的迅速發展，溫度的實時在線測量對其生產和研究過程的優化控制尤為重要。對于溫度測量，目前常用的是熱電偶等測量設備，雖然成本較低，但只能實現單點測量，且存在反應時間慢，對溫度場有一定影響等缺點，因此，快速、靈敏有效的非接觸式溫度檢測手段的需求非常迫切。可調諧半導體激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）技術主要是利用半導體激光器的波長調諧特性，獲得被測氣體特征光譜范圍內的吸收光譜，實現對被測氣體的定性或定量分析[1?2]。

基于TDLAS的溫度測量技術是一種新型的非接觸式測量技術，與熱電偶等接觸式測溫方法相比，具有響應快、可靠性高、不會對被測環境造成擾動等突出優點，在工業過程監測控制、發動機流場診斷、燃燒過程分析、爆炸檢測等領域得到了廣泛的應用[3?7]。

使用傳統的TDLAS方法測量溫度時，通常假設流場近似均勻，但在實際的流場區域內，由于流場邊界層效應、流動混合及化學反應等，可能會存在溫度或濃度梯度，非均勻流場區域的溫度分布測量需要使用多條譜線進行測量，國內外很多研究者進行過相關研究[8?11]。本文采用DFB激光器，掃描6條水蒸氣譜線，對電爐上方的非均勻流場的氣體溫度分布測量進行了探索。

1 基于TDLAS的溫度測量技術

直接吸收光譜測量技術具有操作簡單、免標定等諸多優勢，其廣泛地應用于氣體參數的測量，例如溫度、組分濃度和速度等，主要包括掃描波長直接吸收光譜測量技術和固定波長直接吸收光譜測量技術，典型的掃描波長直接吸收光譜測量原理如圖1所示。

2 剖面擬合方法數值模擬

2.1 剖面擬合方法理論分析

2.2 剖面擬合方法仿真

3 實驗驗證

試驗中壓強和組分濃度保持不變，函數信號發生器產生鋸齒波電流，通過調節激光控制器的溫度，驅動水蒸氣DFB激光器，將激光頻率分別調到表1中的譜線頻率處，輸出的激光被分束器分成兩束，其中一束激光穿過標準具，由探測器探測，標準具的自由光譜范圍（FSR）為1.5 GHz，利用標準具將激光強度隨時間的變化轉化為激光強度隨頻率的變化；另一束激光穿過被測區域，由探測器探測到透射光強。

4 結 語

本文使用剖面擬合方法進行了數值模擬，并使用該方法測量了電爐上方的非均勻區域的溫度分布，將其與熱電偶的測量結果進行了比較，得到如下結論：實驗中所采用的TDLAS測量系統響應速度快、測量精度高，測量結果的可靠性較高。實驗中所采用的模型需要進一步優化，電爐附近的點的溫度隨x的變化有待進一步研究。使用TDLAS進行相關實驗時，光譜參數的選擇十分重要，HITRAN 2008數據庫提供了很多光譜參數，但是存在著誤差，重新測量譜線的光譜參數，能夠有效地提高實驗精度。

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