基于TDLAS技术的壳内气体温度测量

郝祖龙， 辛明伟， 王志远

(华北电力大学 非能动核能安全技术北京市重点实验室,北京 102206)



基于TDLAS技术的壳内气体温度测量

郝祖龙， 辛明伟， 王志远

(华北电力大学 非能动核能安全技术北京市重点实验室,北京 102206)

针对热电偶测温法在安全壳传热实验中存在的不足，研究利用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术用于壳内温度的非接触式测量。简要介绍了TDLAS测温原理，依据一定规则选取了H2O分子吸收谱线对7 181.155 8和7 166.050 4 cm-1。利用现有的钢制安全壳试验装置搭建了TDLAS测温系统，采用波长扫描-直接吸收法对壳内温度进行测量。结果表明，在273～373 K，基于TDLAS技术的壳内温度线性误差小于1%，最大波动为±2 K，测量结果能够较准确地反映壳内某一光程方向上的平均温度。该方法也可推广到其他大空间内气体温度的测量。

测试装置； 光谱学； 温度测量； 可调谐二极管激光吸收光谱

0 引 言

安全壳作为核电站的最终热阱，应具有较强的热量导出能力。目前国内已陆续建成多个安全壳试验台架用于研究正常及事故工况下安全壳内气体的流动、传热特性。安全壳传热实验中大多采用热电偶法测量壳内温度，但该方法属于接触式测温技术，不适宜用于中低温时的气体温度测量，而且上百个热电偶测点会干扰被测气体的温度场及流场，造成测量误差，同时在蒸汽环境下也会腐蚀测温点的材料，可靠性降低。红外辐射测温作为一种应用广泛的非接触式测温技术，虽然具有不干扰被测温度场、测温速度快、灵敏度高等优点，但是易受气体环境和镜头积灰等影响。

作为一种新型的非接触式气体温度测量技术，可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS) 技术是利用气体的吸收光谱随温度变化的特性实现温度测量，不但有较高的测量精度和较快的响应速度，而且具有可靠性高、不干扰流场、受气体环境影响小等优点，在燃烧场诊断[1-9]、大气环境质量监测[10-12]等方面已有一定应用，但研究对象大都为高温环境或小腔室，未见用于钢制安全壳等大空间内较低温的测量。

吸收光谱测量技术的实验方法主要有固定波长法、波长扫描法和波长调制法。其中，波长扫描-直接吸收法应用最为广泛，它是利用锯齿波信号调制半导体二极管激光器的输出，使激光扫描整个吸收线的线型。通过积分整个吸收线型得到积分吸收率，然后根据积分吸收率与温度的关系得到被测气体温度。

本文选择一对H2O分子吸收谱线进行温度测量。利用已建成的钢制安全壳试验台架，尝试采用波长扫描-直接吸收法用于壳内温度测量，验证该技术用于大空间温度场测量的可行性。

1 测量原理

利用TDLAS技术对气体温度进行测量，其理论依据为比尔-朗伯定律[13]：

(1)

式中:It和I0分别表示频率为v的激光穿过被测气体后的光强和基准光强，mW；Kv为吸收率，cm-1；L为吸收路径长度，cm。其中，吸收率可表示为：

(2)

谱线的线强度可以通过HITRAN分子光谱软件[14]进行查询计算。但为便于程序使用，线强度S(T)可由下式计算得到[1]：

(3)

式中:T0为参考温度;Q为气体分子内部分割函数;E″i为低跃迁态的能量;v0,i为跃迁态的频率;k为波尔兹曼常数;h为普朗克常数;c为光束，最后一项为激励辐射，在波长低于2 μm和温度低于2 500 K的情况下可以忽略此项。

由式(1)和(2)可得：

(4)

分子内部分割函数Q可通过查询HITRAN数据库得到，也可通过多项式拟合[1]的方式计算得到。

式(2)两端对频率积分可得到该谱线的积分吸收率A=∫Kvdv。由于φ(v)在整个频域范围内的积分值为1，因此积分吸收率只和温度和组分浓度有关。依据扫描波长-直接吸收法，利用两条独立的吸收线按一定扫描周期依次穿过被测气体，则它们的积分吸收比R可表示为：

(5)

将式(4)代入式(5)，则有：

(6)

式中:I01和It1分别为吸收线1的参考光强和出射光强;I02和It2分别为吸收线2的参考光强和出射光强。

由式(6)可以看出，R可看成是温度T的单值函数。若R-T的关系已知，则通过测量两条被测气体吸收谱线的积分吸收比值便可计算出气体温度。

2 谱线选择

测量前进行谱线选择主要有两个目的：①尽量避免其他气体的吸收谱线对测量的干扰，防止出现吸收谱线重叠；②保证待选择的吸收线有较大的谱线强度，有利于增加测量精度。

选择谱线[15]主要从谱线的强度、位置、温度特性以及测温灵敏度等方面进行综合考虑。首先，吸收线须有较高的峰值吸收率，以保证高信噪比，但同时吸收率不能过高，否则透射光会很弱，导致探测器低信噪比。其次，在选择孤立线时，一般是将距离谱线中心线5倍半宽的频率范围内没有其他吸收线干扰的吸收线作为孤立吸收线，但该条件在实际操作中可适当放宽。同时，选择谱线应具有较高的低能级能量以保证在测量范围内有较好的温度特性。而为提高谱线的测温灵敏度，应尽可能加大两条孤立吸收线的低能级能量差。

由于实验过程中壳内气体温度在273～373 K范围内变化，依据上述原则，利用HITRAN数据库选择了1对H2O分子吸收线，其中心频率分别为7 181.155 8和7 166.050 4 cm-1。

3 实验系统

如图1所示，TDLAS测温系统由激光器、激光控制器、信号发生器、准直器、光电探测器、示波器以及数据采集装置等组成。激光器选用的是德国SACHER公司的DFB半导体激光器，其典型功率为10 mW，激光谱线半宽小于10 MHz。激光探测器选用的是高精度锗探测器。激光器控制器用于改变激光器的输出波长和功率，利用控制器电流来调节激光器的输出功率，激光波长的调节可通过改变控制器的温度来实现。

图1 TDLAS测温系统原理框图

为验证TDLAS技术在大空间温度测量方面的有效性，将上述TDLAS测温系统应用于已搭建的钢制安全壳试验装置，如图2、3所示。

图2 钢制安全壳 图3 TDLAS测温技术在安全壳装置上的应用

实验流程如下：首先利用信号发生器输出的三角波来调制控制器的输出电流，实验时应保证控制器扫过所选定的两条吸收线。激光器依据控制器的电流信后输出一定频率的激光，该激光经单模光纤耦合后传送到准直器。激光信号经石英玻璃窗口穿过被测气体时，选定的两条吸收线光强因一部分被H2O分子吸收而减弱。透射激光由放置在被测气体另一侧的锗探测器接收并转换为电信号。信号经模-数转换器采样后送入计算机进行数据分析，最后可得到被测气体温度。

4 实验结果

利用波长扫描法进行数据处理，通常选取远离吸收峰的原始数据点用于基线拟合，原始吸收信号及拟合后的基线如图4所示。用拟合基线归一化整个吸收线型的吸收率，并用Voigt线型进行拟合，结果如图5所示，吸收线型轮廓经数值积分后可得到积分吸收率。

图4 原始吸收数据及基线拟合

图5 Voigt线型拟合

实验时，壳内温度变化范围在273～373 K之间，压力为0.1 MPa，光程长度为1 m。通过线型拟合和数值积分后，可求得H2O分子吸收线7 166.050 4 cm-1与7 181.155 8 cm-1的积分吸收比R，最后再依据R-T曲线便可得到壳内气体温度。经多工况实验测量，结果表明，在273～373 K范围内,TDLAS方法的线性误差小于1%，最大波动为±2 K，从而验证了该方法的有效性和可行性。

5 结 语

基于波长扫描-直接吸收法建立了一套TDLAS测温系统，选取的吸收谱线为1 392.5 nm附近的两条H2O吸收线7 181.155 8 cm-1和7 166.050 4 cm-1。

将TDLAS测温系统应用于安全壳传热实验，在273～373 K范围内线性误差小于1%，最大波动为±2 K，基本满足实验要求。作为一种新型的非接触式温度测量方法，TDLAS技术在大空间气体温度测量中具有一定应用前景。

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Gas Temperature Measurement in Containment Vessel Experimental Facility with Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy

HAOZu-long，XINMing-wei，WANGZhi-yuan

(Beijing Key Laboratory of Passive Safety Technology for Nuclear Energy,North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

In view of deficiencies of traditional temperature measuring method by thermocouple, a new kind of non-contact technology bsed on tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) was investigated in order to measure the gas temperature in containment vessel experimental facility. A brief principle of TDLAS technology and selecting rules of absorption lines was introduced. A pair of H2O absorption lines, 7 181.155 8 cm-1and 7 166.050 4 cm-1, were optimally selected. A new temperature measuring system using TDLAS technique was set up on the basis of the existing steel containment vessel, and the wavelength scanning-direct absorption method was used to obtain its internal temperature. Experimental results showed that the linear error and maximum fluctuation of the measured gas temperature were 1% and ±2 K, respectively. Within the temperature range of 273-373 K, and the measured temperature could reflect accurately the average temperature of a certain optical path inside the vessel. The TDLAS technology could be used to measure gas temperature in large enclosure.

testing equipments； spectroscopy； temperature measurement； tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS)

2014-12-16

中央高校基本科研业务费专项资金资助(2014MS52)

郝祖龙(1980-),男,河南焦作人,讲师,现主要从事核反应堆控制、先进热工测量技术等研究。

Tel.:010-61773173;E-mail:haozulong@163.com

N 33

A

1006-7167(2015)10-0059-03