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基于吸收光谱原理的高温水汽浓度测量方法研究

Study of High Temperature Water Vapor Concentration Measurement Method Based on Absorption Spectroscopy

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摘要

可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy, 简称为TDLAS)技术具有高灵敏度、 快速响应、 非接触式、 环境适应性强等优点, 能够实现燃烧温度、 组分浓度、 速度等参量的实时动态在线测量。 为准确测量高温下的水汽浓度, 采用窄带半导体激光器作为光源, 结合实验室的高温测量系统, 记录了常压下1.39 μm附近水汽在773~1 273 K温度范围内的吸收光谱, 利用多线组合非线性最小二乘法拟合得到高温吸收光谱的吸光度, 找出了两条适合高温水汽浓度测量的吸收线7 154.35和7 157.73 cm-1, 首次提出高温水汽浓度测量的模型求解方法, 该方法测得的高温下水汽浓度符合理论推理, 浓度测量的标准误差低于0.2%, 相对误差低于6%。 通过实验验证了该测量方法的可行性。

Abstract

Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) has been developed to realize the real-time and dynamic measurement of the combustion temperature, gas component concentration, velocity and other flow parameters, owing to its high sensitivity, fast time response, non-invasive character and robust nature. In order to obtain accurate water vapor concentration at high temperature, several absorption spectra of water vapor near 1.39 μm from 773 to 1 273 K under ordinary pressure were recorded in a high temperature experiment setup using a narrow band diode laser. The absorbance of high temperature absorption spectra was calculated by combined multi-line nonlinear least squares fitting method. Two water vapor absorption lines near 7 154.35 and 7 157.73 cm-1 were selected for measurement of water vapor at high temperature. A model method for high temperature water vapor concentration was first proposed. Water vapor concentration from the model method at high temperature is in accordance with theoretical reasoning, concentration measurement standard error is less than 0.2%, and the relative error is less than 6%. The feasibility of this measuring method is verified by experiment.

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补充资料

中图分类号:P427.1

DOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2014)12-3174-04

基金项目:国家自然科学基金项目(61108034), 国家自然科学基金青年科学基金项目(61205151), 中国科学院先导专项(XDA05040102), 国家(973计划)重点基础研究发展计划项目(2013CB632803)资助

收稿日期:2013-07-18

修改稿日期:2013-11-05

网络出版日期:--

作者单位    点击查看

陈玖英:中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥230031
刘建国:中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥230031
何俊峰:中国人民解放军陆军军官学院, 安徽 合肥230031
何亚柏:中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥230031
张光乐:中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥230031
许振宇:中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥230031
冮强:中国航天科工集团三十一研究所, 高超声速冲压发动机技术重点实验室, 北京100074
王辽:中国航天科工集团三十一研究所, 高超声速冲压发动机技术重点实验室, 北京100074
姚路:中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥230031
袁松:中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥230031
阮俊:中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥230031
戴云海:中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥230031
阚瑞峰:中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥230031

联系人作者:陈玖英(jychen@aiofm.ac.cn)

备注:陈玖英, 女, 1982年生, 中国科学院安徽光学精密机械研究所博士研究生

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引用该论文

CHEN Jiu-ying,LIU Jian-guo,HE Jun-feng,HE Ya-bai,ZHANG Guang-le,XU Zhen-yu,GANG Qiang,WANG Liao,YAO Lu,YUAN Song,RUAN Jun,DAI Yun-hai,KAN Rui-feng. Study of High Temperature Water Vapor Concentration Measurement Method Based on Absorption Spectroscopy[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2014, 34(12): 3174-3177

陈玖英,刘建国,何俊峰,何亚柏,张光乐,许振宇,冮强,王辽,姚路,袁松,阮俊,戴云海,阚瑞峰. 基于吸收光谱原理的高温水汽浓度测量方法研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2014, 34(12): 3174-3177

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