基于波長調制技術的高溫高壓流場溫度測量方法*

張步強 許振宇 劉建國 姚路 阮俊 胡佳屹 夏暉暉 聶偉 袁峰 闞瑞峰

1) (中國科學院合肥物質科學研究院,安徽光學精密機械研究所,環境光學與技術重點實驗室,合肥 230031)

2) (中國科學技術大學,合肥 230026)

3) (中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,長春 130033)

溫度是衡量燃燒效率的重要參數之一,溫度的測量對工業燃燒過程的節能減排控制和發動機狀態診斷等都具有重要意義.可調諧半導體吸收光譜技術是一種非侵入式測量技術,具有較強的環境適應性,可實現快速、原位檢測.本文基于H2O在7185.6,6807.8以及7444.35/37 cm—1三條吸收線集成測量系統,三只激光器為時分復用方式,選擇波長調制技術,利用扣除背景的1f 歸一化2f 信號反演燃燒流場溫度,通過直接比較實際測量的諧波信號與建立的吸收模型獲得的諧波信號,實現了某型號發動機模型噴口溫度的準確測量,測量系統時間分辨小于1 ms,最高測量溫度和最大壓強可到1512 K和10.58 atm (1 atm = 1.013×105Pa),測量誤差小于5.68%,驗證了該測量方法的實用性和系統的穩定性.

1 引 言

全球范圍降低化石燃料消耗的要求促使高溫高壓能源系統(煤氣化爐、爆震燃燒器、均質壓燃發動機等)的發展,為了研究其復雜的物理過程,需要對其過程診斷獲得溫度、組分、流速等流場參數[1].經過40多年的發展,基于可調諧半導體吸收光譜(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)的氣體傳感技術已成功應用在多種能源系統實際測量,包括工業過程控制[2-5]、燃氣輪機[6-9]、內燃機[10-12]、沖壓發動機[13-16]、爆轟燃燒器[17-19]等.吸收光譜方法對惡劣燃燒流場診斷時會面臨更多的挑戰,如吸收基線難以獲得、光束偏轉、非吸收損耗變大、發射干擾以及壓力升高帶來的譜線展寬和重疊[20].

TDLAS技術可分為直接吸收(direct absorption,DA)和波長調制光譜(wavelength modulation spectroscopy,WMS)兩種技術,由于高頻諧波信號對整體抬高和慢變信號不敏感,波長調制技術更有利于應對高溫高壓流場帶來的挑戰.本文選擇燃燒的主要產物之一H2O作為為目標分子,吸收中心分別為在7185.6,6807.8以及7444.35/37 cm—1附近的三條吸收線,利用TDLAS技術易于小型化的特點集成一套流場診斷系統,光源部分包括中心波長分別為1392,1469和1343 nm的三只激光器,使用時分復用技術,激光器注入的鋸齒掃描頻率為1.1 kHz,高頻正弦調制頻率為322 kHz,利用提取的1f 歸一化2f 信號直接與吸收模型得到的諧波信號比較反演流場溫度,使WMS-2f /1f 策略成功應用在高溫高壓流場診斷中,實現了最大壓強為10.58 atm (1 atm = 1.013×105Pa)的流場溫度測量,最大測量誤差為5.68%,驗證了測量系統的穩定性和實用性.

2 理論與原理

2.1 理論部分

一束頻率為 υ的光穿過光程為 L的氣體介質時,透射光強 It和入射光強 I0滿足Beer-Lambert定律：

式中 τ(υ) 表示透過率,αν表示吸光度,對于單一躍遷,吸光度在頻域上積分可得積分吸光度 A,L為吸收光程(單位為cm),P為總壓強(單位為atm),X為吸收氣體的體積濃度,S(T) 為吸收線在溫度T(單位為K)下的線強(單位為cm—2·atm—1),φυ表示吸收線型函數,其在頻域的積分為1.根據展寬機制,實際吸收為多普勒展寬和碰撞展寬綜合作用,故 φυ選擇Voigt線型[21],其為高斯線型和洛倫茲線型的卷積,其中多普勒和碰撞展寬機制的半高寬(full width at half maximum,FWHM)可分別表示為：

其中 υ0(單位為cm—1)表示吸收線中心頻率,M(單位為g·mol—1)表示目標分子的摩爾質量,γ(單位為cm—1·atm—1)表示壓力展寬系數,

其中 n 表示展寬系數的溫度依賴系數.在波長調制技術中,激光器波長和頻率同時被調制,為更好描述激光器出光情況,出光頻率 υ(t) 和強度 I0(t) 隨時間變化的關系可表示為：

其中 X2f,Y2f表示經鎖相放大器解調得到的2f 的X分量和Y分量信號；表示2f 的X分量和Y分量的背景信號；分別表示雙通道解調得到的1f 信號和背景.

2.2 測量原理

波長調制反演流場參數的原理即將測量信號與建立的模型直接比較,要求模型中的參數與實際值盡量一致,包括激光器調制參數以及譜線參數,根據選線依據定則[22],選取的三條吸收線(其中Line1,ν0=7185.6cm-1；Line2,ν0=6807.83cm-1；Line3,ν0=7444.35/37cm-1)譜線參數如表1所列.

根據表中的譜線參數,分別模擬不同壓強的吸光度,結果如圖1所示.圖1中的模擬環境溫度為T= 1500 K,水汽濃度X= 5%,光程L= 10 cm,可以看到壓力升高帶來的吸收線自身展寬變大,臨近吸收譜線重疊使獨立吸收線很難分辨,直接吸收需要獲取吸收線的完整特征,并且需要零吸收基線部分,該方法在壓力升高后很難測到精確流場參數.本文采用波長調制的方法,根據選線法則[23],使Line2& Line1及Line2& Line3組成兩組吸收線對,模擬壓強P= 5 atm,水汽濃度為1%—20%,溫度為1000—2000 K,兩組吸收線對2f /1f 峰值的比值變化如圖2所示(C1表示Line2與Line1的2f /1f 的峰值比,C2表示Line2與Line3的2f /1f 的峰值比).

從圖2中可以看出,壓強固定時,兩對吸收線的2f /1f 峰值比隨溫度和濃度變化,并且同一濃度下,隨溫度單調變化,基于此,可利用所選吸收線對諧波信號峰值比測量流場溫度.波長調制反演流場溫度的本質是將測量和模擬的吸收線對的諧波信號直接比較,將模型中的水汽濃度和溫度輪換迭代,流程如圖3所示.具體過程如下：

表1 三條吸收線譜線參數Table 1.Spectroscopic parameters of three absorption lines.

圖1 模擬不同壓強下的吸光度 (a) Line1；(b) line2；(c) line3Fig.1.Simulated absorbance at different pressures：(a) Line1；(b) line2；(c) line3.

圖2 模擬兩對吸收線2f /1f 峰值比隨溫度和濃度變化 (a) Line2 & Line1；(b) Line2 & Line3Fig.2.The peak ratio of 2f /1f of the two pairs of absorption lines obtained by simulation varies with temperature and concentration：(a) Line2 & Line1；(b) Line2 & Line3.

1)為避免激光器出光強度擬合帶來的誤差,選擇無吸收強度信號作為 I0(t) ,結合譜線參數和初始流場條件(壓強 P、組分濃度 X0、溫度 T0),獲得經流場吸收的模擬信號 It,sim(t)；

2)將模擬信號 It,sim(t) 和測量的透射信號It,mea(t)經過解調獲得對應扣除背景的歸一化諧波信號 S2f/1f,sim和 S2f/1f,mean；

3)模擬和測量的吸收線對的諧波信號峰值比分別為 Csim和 Cmean,固定初始壓強和水汽濃度,根據相同條件下諧波信號峰值比隨溫度單調變化,更新溫度,用 T1代替 T0；

4)由其中一條吸收線的峰值,根據公式X1=(Pmean/Psim)/X0更新水汽濃度,其中 Psim,Pmean表示模擬和測量的諧波信號峰值；

5)驗證|Csim-Cmean|＜ε & |Psim-Pmean|＜ε1迭代條件是否成立,如果成立,則上一步的溫度為流場溫度,不成立,則重復3)、4)兩步,直到迭代條件成立,通過模擬,正演得到三條吸收線的諧波信號,利用上述方法再反演溫度,兩對吸收均可得到預設溫度值.

3 實驗裝置

為實現現場便攜式測量,在實驗室集成高溫高壓流場測量系統,系統分為光源主機部分和信號處理兩部分(兩部外殼分尺寸均為250 mm×229 mm×89 mm).主機部分利用分時復用集成三只激光器,激光器均為NEL公司生產的分布反饋式半導體激光器,工作中心波長分別在1392,1469,1343 nm附近,同時包括溫控、電流控制和合束器；信號處理部分包括光源分束,光耦探測器及放大電路,探測器為GPD公司生產,型號為GAP1000 FC,現場試驗裝置如圖4所示.

由于常溫環境 υ0=7185.6cm-1的吸收線相對較強,無法避免常溫段水汽吸收背景,故系統中加入 Λ=1343 nm的激光器,使Line2& Line3作為備用吸收線對.三只激光器采用分時復用方式,每只激光器的掃描頻率為3.3 kHz,均采用正弦調制方式,調制頻率均為322 kHz,系統的時間分辨為0.9 ms.測量區域為某型號發動機模型噴口,垂直氣流方向兩側開孔,使激光通過測量區域,吸收后的光經多模光纖傳輸到信號處理部分的探測器,經放大接入采集卡(美國NI公司生產,型號：PCI-5105).發動機點火后,燃料質量流量的改變使噴口燃燒流場發生變化,達到某工況時,流場處于穩定狀態,壓力傳感器和熱電偶得到的壓強和溫度可同時被采集.每個工況利用光譜方法采集三組吸收信號,每組可得到連續的200個溫度值,試驗過程中共采集三個工況的數據,各工況狀態參數如表2所列.

圖4 現場實驗裝置圖Fig.4.Device diagram of field test.

表2 不同工況參數Table 2.Parameters of different operating conditions.

4 結果與分析

激光器出光頻率-時間響應對波長調制技術非常關鍵,現場試驗前對三只激光器的調制參數進行標定,根據激光器出光強度增加頻率下降的特性,使激光通過固體標準具,圖5為 Λ=1469 nm的激光器標定結果圖線.

圖5中“*”表示通過標準具的干涉峰,實線表示根據(6)式給出的模型得到的擬合結果,該激光器的頻率-時間響應為

同樣的方法可得到 Λ=1392nm 和Λ=1343nm兩只激光器的頻率時間響應,用于吸收模型構建.圖6為現場第2工況采集的某組原始吸收信號和解調得到的諧波信號.

圖6中上部分表示經吸收的強度信號,按時序分別為 Λ=1392nm ,Λ=1469nm ,Λ=1343nm三只激光器,下部分表示解調得到的諧波信號,Peak1,Peak2,Peak3分別對應 ν0=7185.6cm-1,ν0=6807.8cm-1,ν0=7444.35/37cm-1三條吸收線諧波信號的峰值.可明顯看出光強信號由于輻射整體抬高,調制技術對整體偏移或信號緩慢變化不敏感,鎖定需要的諧波信號峰位置,即可用于反演燃燒場溫度.吸收線低態能級不同,線強最大值對應的溫度也不同,并且低態能級越高對應的溫度值越大,三條低態能級測量段兩側各有1.0 cm光路傳輸,該部分溫度隨測量段溫度升高而升高,反演溫度時需扣除其影響,工況1時,背景吸收部分溫度較低,可利用Line1& Line2反演溫度,工況2和工況3時,背景吸收部分溫度較工況1升高,Line1吸收更強,對背景扣除不利,選用Line2& Line3反演溫度,三個工況的溫度測量結果如圖7所示.

圖5 Λ=1469nm 的標定結果Fig.5.Calibration result of Λ=1469nm.

圖6 原始吸收信號(上)和諧波信號(下)Fig.6.Original absorption signal (top) and harmonic signal (bottom).

圖7中將每個工況連續采集的三組數據得到的溫度連續畫在一起,可以看出每個工況的溫度值相對穩定,工況1,2,3溫度測量結果的標準差分別為驗證了測量系統的穩定性和重復性.將每個工況的三組測量結果分別計算平均溫度、絕對誤差、相對誤差,結果如表3所列.

表3中數據顯示,同一工況各組的測量結果差異較小,相對誤差最大值出現在工況3的第三組數據：5.92%.工況1,2,3的各組測量誤差及總的測量誤差均依次變大,工況1的相對誤差只有2.26%,而工況3的相對誤差達到了5.68%,這是由于工況隨時間變化時,燃燒場壓強和溫度均升高,測量環境越發惡劣,精確測量的挑戰變大.另外測量段外側背景吸收部分更為復雜,對吸收的貢獻隨著測量段壓強升高而變大,背景扣除的難度變大,測量結果驗證了利用吸收光譜諧波信號峰值反演高溫高壓環境溫度的方法,同時集成系統的實用性得到驗證.

圖7 三種不同工況溫度測量結果Fig.7.Temperature measurement results of three different working conditions.

表3 測量結果Table 3.Measurement result.

5 總 結

水分子作為重要的燃燒產物之一,在中紅外波段具有豐富的躍遷吸收,不同的低態能級使其吸收線線強隨溫度變化不同,單一吸收線線強隨溫度為非單調變化,而合適的吸收線對峰值比隨溫度單調變化,反映在波長調制技術中,即扣除背景的2f /1f 信號峰值比隨溫度單調變化.利用掃描式波長調制技術測量了高溫高壓流場溫度,利用TDLAS技術易于集成的特點實現了小型化,選擇H2O為目標分子,利用時分復用方式集成三只近紅外激光器,與常規的雙波長測量相比,增加了備用方案,成功解決了現場測量的背景扣除問題.與單純高溫流場相比,壓力提高,同時增加了測量難度,文中利用吸收模型和實測信號的直接比較,通過迭代方式實現了高溫高壓流場的測量,并成功應用于現場測量中,實現了溫度的準確測量,驗證了該測量方法的準確性和系統的穩定性.惡劣流場的診斷,一直是相關研究的難點,利用諧波信號峰值迭代的方法為該類型流場診斷提供了參考.同時,對更高壓強、更高溫度的流場診斷還未得到驗證,組分濃度、流速等其他流場參數可在未來研究中同時測量,實現惡劣流場多參數的同時測量.