基于双谱线吸收光谱的温度测试技术及校正方法研究

戚俊成,白建胜,牛瑞兴,张 扬,张丕壮,张惠芳

(1.中北大学信息与通信工程学院,山西 太原 030051;2.中北大学信机电工程学院,山西 太原 030051)

1 引 言

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术利用分布反馈式半导体激光器(DFB)的可调谐、窄线宽(10 MHz)特性,通过对激光器温度和注入电流的控制,使DFB激光器输出波长在气体的吸收谱线附近扫描,进一步获取激光在扫描过程中的入射光强和透射强度,可精确计算得到激光传播路径上气体的浓度、压强以及温度等环境参数,实现对被测气体特性参数的非入侵性、高灵敏度、快速精确检测[1-3]。由于从原理上可实现更宽的温度测量范围、更快的响应速度、更高温度测量精确度,该技术从20世纪70年代问世以来,其在燃烧温度场诊断等多方面的应用中受到了科学家的广泛研究并取得了显著的成果[4-7]。

根据DFB激光器的调制方式、信号的采集和处理方式,TDLAS技术可分为直接吸收法[6,8]、双波长法[8]、波长调制技术[6]。直接吸收光谱法是原理最简单、设备最直观的TDLAS吸收光谱测量温度方法,在压强较高、谱线强度较大的环境下应用较为广泛。但是测量结果容易受到背景噪声、待测温度场的折射和散射、系统噪声等干扰因素的影响。波长调制技术设备较为复杂,测量得到的结果经过标定校准之后才能得到准确的温度等参数,测量环境的变化对测量结果的影响也较大,同时从谐波结果中很难对谱线干扰,噪音的来源等信息进行详细分析,且对于时间分辨率较高的瞬态场合,测试精度受到一定限制。基于直接吸收法的双吸收谱线TDLAS测温技术利用待测气体两条吸收谱线的积分吸光度之比进行温度测量,可以消除气体浓度、压强等环境因素对测试结果的影响,且具有测量范围宽、响应速度快、测量准确的优点,而且无需预先知道被测气体的浓度、压强等信息,可对不均匀温度场进行重建。同时,在获取了被测气体温度的条件下,只要已知气体的压强,利用任意其中任意一条谱线的积分吸光度,就可以计算得到被测气体的摩尔浓度,因此双吸收谱线TDLAS测温技术得到了广泛的研究。

由于在燃烧等高温场中的许多气体都具有红外活性[9],利用TDLAS技术对这些气体的吸收光谱进行测量分析即可获取燃烧场的特征信息,因此,TDLAS技术可以实现燃烧场的诊断。但是相关的研究主要集中于仿真模拟、理论分析和较为理想的实验验证等方面,少有成熟且商业化的产品。同时相关应用研究实验也表明,吸收光谱测温技术具有较好的火光环境适应性,但是在具体实验中也遇到了许多困难,尤其是在高温高压情况,邻近谱线之间的干扰变得极为严重,使得基线拟合精度受到极大的影响,进一步限制了其在燃爆场等瞬态温度的测量领域的潜在的应用前景,需要进一步的研究。

综上所述,本文基于双波长吸收光谱温度测量技术,利用其原理成熟、精度高、量程大、响应速度快的技术优点,选择波数分别为 7182.94962 cm-1和7179.7524 cm-1的两条水分子吸收谱线,搭建双谱线TDLAS测温系统,开展快速温度测试技术研究。通过吸收光程修正和干扰谱线修正之后,提高了温度的测试精度,实现了高温炉内温度的准确测量,为燃爆等瞬态温度场的温度诊断技术奠定基础。

2 双谱线温度测量原理

一束强度为I0的激光穿过长度为L的气体介质时,激光会因气体的受激吸收而发生衰减现象,根据 Beer-Lambert 定律,激光强度衰减可表示为:

It=I0exp[-pα(λ,T)XL]

(1)

其中,I0为入射激光强度；It为穿过吸收介质后的光强；p为气体的总压强；L为激光在气体介质中传播的光程；X为吸收气体的摩尔分数;α(λ,T)表示激光在吸收介质中的衰减因子,且α(λ,T)=S(T)φ(ν-ν0),φ(ν-ν0)为被测气体受激吸收中心频率位于ν0的吸收谱线线型函数[6],与温度、压力、各组分含量有关；S(T)为谱线强度,对于特定气体对应的特定吸收谱线,其线强大小只与温度T有关。 理论上,S(T)可以通过查找HITRAN[10]数据库获取,但是在实际运用时,一般先选取一个参考温度T0,通过计算或查找 HITRAN 光谱数据库得到其线强度S(T0),然后通过式(2)来进行计算温度T时的线强S(T):

(2)

式中,Q(T)为配分函数,可以通过查找HITRAN数据库获得。

根据公式(1)所示的Beer-Lambert定律,穿过气体后激光的衰减除了与温度T有关外,还与气体介质的总压强,激光在气体介质中的传输光程以及气体的摩尔分数有关。可见在测试条件未知的情况下,根据激光的单一吸收谱线的吸收特性不能解出温度等参数,基于直接吸收法的双谱线法吸收光谱技术可以消除环境参数对测试结果的影响。

定义在频率ν处的吸光度δν并将式(1)代入得:

(3)

(4)

选择两条谱线,让其同一时刻以同一路径(光程)穿过温度场,则两条线的积分吸光度是在同一摩尔浓度、同一压力、同一光程下同时测得的,因此两条谱线的积分吸光度之比可简化为线强之比,即只是温度的单值单调函数:

(5)

将式(2)和式(4)代入式(5)中可得:

(6)

对式(6)进一步化简即可得到温度的计算公式:

(7)

其中,E1和E2为λ1和λ2相对应的低能态能级,可以由HITRAN数据库获得；c为真空光速,c=3×108m/s；h为普朗克常数,h=6.62606957×10-27erg·s；k为玻尔兹曼常数;k=1.3806488×10-16erg/K;S(λ1,T0)和S(λ2,T0)分别表示参考温度T0时,波长λ1和波长λ2对应的谱线强度。

但是在实际的测试中,水分子的吸收谱线很多,而且相互之间距离很近,甚至会发生重叠,如果仍然按照双谱线进行温度计算,会引入较大的误差。因此,在实际测试中,多条谱线进行测试分析会提高计算的准确度。

如果某一段谱线区域有多条吸收谱线,根据式(4)可得,多条谱线叠加情况下,整体的积分吸收度可以表达为:

(8)

此时,将计算得到的两组谱线的积分吸光度代入式(6)中,可得:

(9)

由式(9)可得,两组谱线的积分吸光度比值仍然与温度存在紧密联系,通过吸光度之比可以推算出温度情况。

3 结果分析

3.1 谱线吸收特性分析

在燃烧和爆炸情况下,最终的化学反应生成物中,水分子的含量都比较高,因此本文选用水分子作为吸收介质开展温度测试技术等相关研究。水蒸气在波数7180 cm-1附近的吸收峰较多,如图1所示,根据式(7),要使得双谱线测温具有足够的温度计算精度,E1和E2之间的差值应该尽可能的大,同时谱线应该相对比较独立,同时,两条波长的谱线强度S2与S1的比值应具有足够的温度变化率,即S2/S1随着温度的变化应有较大的斜率从而使得系统具足够的温度检测灵敏度,如图2所示为S2/S1随着温度的变化规律,由图2可以看出,在整个温度测试范围内,这两条谱线都具有足够的温度分辨力。因此本文选取波数为WN1=7182.94962 cm-1(λ1=1392.185 nm)和WN2=7179.7524(λ2=1392.805 nm)两条谱线进行温度测试及相关研究,两条谱线在温度为800 K时,谱线强度等参数如表1所示。

图1 800 K时水蒸气吸收谱Fig.1 Vapor absorption spectrum at 800 K

图2 S2/S1随着温度的变化规律Fig.2 S2/S1 vs temperature variation diagram

表1 实验选取谱线的谱线参数Tab.1 The spectral parameters of the spectral lines selected in te experiment

3.2 实验装置及测试过程

系统的整体设计方案如图3所示。系统由激光器,激光温度控制器与驱动器,调谐信号发生器,光纤耦合器,扩束器,探测器和计算机(含采集卡)等几部分构成。激光器选用的是两个DFB激光器,激光器的中心波长分别为1391 nm和1392.2 nm。由激光控制器分别两个对DFB激光器进行温度和电流控制,进而调整其输出波长,并且由调谐信号发生器提供调谐信号对两个DFB激光器进行分时调谐,也使得两个激光器分时工作。调谐信号发生器输出的电压信号如图4所示,两个DFB激光器输出的激光经光纤耦合器耦合进一根光纤,到达待测温度场之后,再经光纤准直器发出后穿过温度场,经温度场中的高温水蒸气分子吸收以后的激光被光电探测器接收,最后由高速采集卡采集并交于计算机保存处理。

图3 系统整体方案图Fig.3 Overall scheme diagram of the system

图4 信号发生器电压输出调谐信号Fig.4 Tuned voltage outputs of the signal generator

在实验前,为保证探测器能够准确接收到DFB激光器发出的激光信号,首先通过可见光光纤激光笔对光路进行调整校准。在进行温度测试过程中,调谐控制器的调谐电流范围为20～140 mA,经过调制后的激光穿过高温炉进行实验测试,炉内长度为2 m,如图5所示。在实验中,首先采集室温情况的吸收数据,然后对马弗炉进行升温,从100 ℃开始,每隔100 ℃采集一组吸收数据,采集数据的最高温度为600 ℃。在测试过程中,炉内温度到达预设值之后,稳定15 min,使炉内温度均匀,然后开始采集数据。

(a)高温炉 (b)控制柜实物图图5 实验用高温炉Fig.5 High temperature furnace for experiment

3.3 实验结果及分析

实验过程中,采集到的吸收曲线如图6所示。图中6(a)所示为炉内温度为373 K采集的吸收数据。由图中可以看出,随着调谐电流的升高,两个激光器的输出光强近似线性变化,且每一条谱线都有独立的吸收峰可用于后续的温度计算等数据处理。得到吸收数据后,本文首先进行吸收曲线的分离,即将WN1和WN2两个波长所对应的谱线分开,然后进行基于无吸收区域数据的基线拟合(图6(b)),进一步按照公式(3)进行吸光度计算。在计算得到吸光度后(图6(c)),数据的横坐标仍然是采样点,因此需要将横坐标由采样点变换为波数,本文在实验前,通过电流控制器直流工作模式下让其输出20～140 mA的恒定电流,通过波长计测量每个电流下激光器的输出波长,对DFB激光器进行标定,最后得到电流和激光器输出波长的曲线,又由图4可见,通过调谐控制器的参数设置可以得到采样点和调谐电流曲线,最终可以实现横坐标由采样点到波数的转换(图6(d))。

图6 数据处理结果Fig.6 Data processing results

将图6(d)所示的吸光度曲线的横坐标由采样点变为波数之后,并进行洛伦兹线型的拟合[11],图中的点是实际采集的数据点,曲线代表洛伦兹线型函数拟合得到的结果。

对所有温度的结果进行如上步骤计算之后,得到每一条谱线在每一个温度下的积分吸光度,最后通过公式(7)对其进行温度计算之后得到的积分吸光度和温度结果如表2所示。

表2 直接温度计算结果Tab.2 Direct temperature calculation results

由表2可以看出,两条曲线随着温度的变化规律与实际温度测试相同,但是在温度的计算结果中存在一定误差,尤其在高温段,温度误差较大。在实验测试过程中,由图5实验装置可见,为了避免探测器和准直器在测试过程中被高温损坏,激光发射端和接收端的准直器距离高温炉口大约是20 cm,通过实际测量可知,这两段距离的温度与炉内温度相差较大。在整个测试过程中,虽然这段距离上会由于辐射等原因温度有一定的升高,但是由于空气对流作用,这段距离上的空气温度基本都保持室温状态,因此在实际测试中会引入相应的误差。通过湿度计和温度计可以得到室温条件下的湿度和温度,进一步将湿度计的相对湿度换算为水蒸气的摩尔百分数,直接代入公式(4)即可计算得到这两段距离上的积分吸光度,如表3中的第二行所示,减去这两段距离的吸光度以后,得到的吸光度和温度计算结果如表3所示。

表3 考虑了炉外影响的温度计算结果Tab.3 The calculation results of temperature with consideration of outside furnace influence

由表2可以看出,经过校准以后,温度测试的准确性进一步提高,但是误差仍然较大。由图1可见,温度为800 K时水分子吸收系数随着波数(WN)的变化规律在于WN= 7179.7524重叠位置处还存在一条干扰谱线,其波数值为7179.753363,其谱线强度较小,由于这两条谱线相距太近,在测试得到的吸收谱线图中,两个吸收峰合并为一个吸收峰,在前面的数据处理过程中,也按照一个吸收峰进行了计算,导致如上的计算结果仍然存在误差。在考虑了干扰吸收峰之后,公式(9)可以化简为:

(10)

式中,分母同时存在E2和E3,但是由表1可以看出,E2和E3非常接近,即E2≈E3,代入后,公式(11)即可化简为与公式(6)非常相近。

进一步温度计算公式(10)可以化简为:

(11)

考虑了干扰谱线之后,并将相应的吸光度结果带入公式(11)中,温度计算计算结果如表4所示。

表4 考虑干扰谱线和炉外影响的温度计算结果Tab.4 The calcalation results of temperature with consideration of outside frunace and interference line influence

由表4可以看出,在综合考虑了干扰谱线和环境因素的前提下,温度测试精度进一步提高,基本可达到5 %的要求,满足大部分实际应用场合的测试要求,具有较高的应用价值。

4 结 论

本文在理论分析水蒸气吸收特性的基础上,基于双谱线吸收光谱技术搭建了相应的温度测量系统并编写了相应的数据处理及误差校正软件,实验结果表明,经过误差修正以后,温度的实际测试结果与炉内设定的温度非常的相似,可以作为温度测量系统使用。但是测试结果中仍然存在有一定的误差,误差主要由两方面原因引起的,第一就是系统本身存在的测试误差；第二,炉子内部温度分布的具有不均匀性,也是测温误差的主要来源,由于炉子内部实际温度测试是通过炉体内部分布的2个热电偶进行测试的,而没有热电偶的区域,实际温度具有不确定性。本文的后续工作,将在目前的测试基础上,从理论上研究上述三方面误差对测试的影响,并更进一步通过软件和硬件的方式,消除上述误差,提高测试精度,为实际的燃烧和爆炸温度场测试奠定基础。