固定波长法测量CO2气体温度

封面文章|张雅琪,王飞,崔海滨. 基于固定波长法吸收光谱技术的CO2温度测量[J].激光与光电子学进展,2019,56(19):193001.

在能源应用领域,化石燃料燃烧是主要的能源供应方式,同时也是空气污染物的重要来源,对燃烧过程中的温度以及燃烧产物的浓度进行在线精确测量可以实时的反映燃烧状况,对燃烧过程实现在线诊断与优化控制具有重要的指导意义,例如碳氢燃烧的产物之一CO2。

可调谐半导体激光吸收光谱技术对气体组分的浓度、温度、压力等参数的测量具有响应快、精确度高、非侵入等优点,因此被广泛应用在燃烧诊断和痕量气体检测领域。但是可调谐半导体激光吸收光谱技术需要在整个谱线上扫描,从而会导致扫描过程中可能存在其他谱线干扰以及测量速度较慢的问题。

针对此问题,浙江大学王飞教授课题组提出了固定波长直接吸收测量方法。该方法采用固定波长下的直接吸收计算气体温度,避免了谱线干扰的问题,并且提高了测量速度,尤其适合于动态燃烧化学反应的研究。

固定波长法由于只需要获取吸收光谱峰值信息,不需要对吸收光谱进行积分计算,可适用于光谱重叠严重的环境,且固定波长法所需采集和处理的数据量较少,可有效提高测量系统的时间分辨率。该课题组基于固定波长法,将激光波长固定在吸收光谱中心附近约3pm的波长范围内进行扫描,获取吸收光谱峰值信息,再依据双线比值法反演气体温度。通过查询数据库模拟了待测光谱的线型函数峰值,仿真待测工况下吸收峰值比值与温度的关系,如图1所示。


图1 模拟的吸收光谱峰值比值与线强比值

最后利用管式炉进行实验测量,测量系统如图2所示,实验结果显示该方法的测量温度与设定温度具有高度一致性,如图3所示,在673K至1273K范围内,测温平均误差为1.22%,证明了固定波长法直接吸收光谱技术应用于温度测量的可行性与准确性,为其应用于燃烧诊断提供了依据。

               
                          图2 温度测量系统示意图                              图3 实验测量温度与设定温度的对比

研究人员表示,未来将结合时分复用技术,对燃烧场中多组分气体浓度和温度实现快速、高精度实时检测。