楊 斌，何國(guó)強(qiáng)，劉佩進(jìn)，齊宗滿

(西北工業(yè)大學(xué)燃燒、流動(dòng)和熱結(jié)構(gòu)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710072)

隨著激光的出現(xiàn)和光譜學(xué)的發(fā)展，大量激光光譜燃燒診斷技術(shù)興起并發(fā)展，推動(dòng)了燃燒研究的進(jìn)步［1］，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器吸收光譜技術(shù)(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)［2］是其中研究碳?xì)淙剂先紵顬橛辛Φ脑\斷技術(shù)之一，可實(shí)現(xiàn)諸如溫度、組分濃度、壓強(qiáng)、密度和速度等參數(shù)測(cè)量。并且該技術(shù)利用通信用途、室溫工作的半導(dǎo)體激光器，具有高可靠性、快時(shí)間響應(yīng)和遠(yuǎn)程控制能力，特別適用于高溫惡劣環(huán)境的溫度測(cè)量。

在碳?xì)淙剂先紵校琀2O作為最重要的燃燒產(chǎn)物之一，對(duì)監(jiān)控燃燒發(fā)生的位置、時(shí)間和程度有重要意義，并且H2O在通信用分布反饋式(Distributed feedback，DFB)半導(dǎo)體激光器工作波段(1．25 μm ～1．65 μm)內(nèi)具有較強(qiáng)吸收，因此，常作為 TDLAS燃燒診斷技術(shù)的目標(biāo)分子［3］。TDLAS技術(shù)通常利用雙激光器或多激光器組成的時(shí)分復(fù)用(Time Division Multiplexing，TDM)［4］或波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)［5］系統(tǒng)開展雙線測(cè)溫。目前，隨著二極管激光器的發(fā)展，利用單激光器實(shí)現(xiàn)雙線技術(shù)成為可能，這對(duì)簡(jiǎn)化系統(tǒng)、降低成本有重要意義，并且隨著半導(dǎo)體激光器光譜分辨率的提高和調(diào)制范圍的拓寬，單激光器吸收光譜系統(tǒng)測(cè)量精度不斷提高［6－9］，這為其廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。在單激光器吸收光譜系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，雙線譜線對(duì)優(yōu)選分析是關(guān)鍵，目前，普遍采用高分辨分子吸收光譜數(shù)據(jù)庫(kù)(High Resolution Transmis-sion Molecular Absorption Database，HITRAN)［10］作為TDLAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)和定量分析工具。

本文針對(duì)1 000 K～2 500 K典型碳?xì)淙剂先紵h(huán)境，利用 HITRAN 光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì) 1．25 μm ～1．65 μm內(nèi)H2O吸收譜線進(jìn)行優(yōu)選分析，據(jù)此設(shè)計(jì)用于燃?xì)鉁囟葴y(cè)量的單激光器吸收光譜系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于平面火焰爐燃?xì)鉁囟葴y(cè)量。

1 基本原理

1．1 Beer-Lambert定律

TDLAS技術(shù)是將激光波長(zhǎng)調(diào)制到特定組分吸收頻域，通過測(cè)量激光束經(jīng)待測(cè)區(qū)域的衰減程度，實(shí)現(xiàn)氣態(tài)流場(chǎng)參數(shù)測(cè)量的一種燃燒診斷技術(shù)。如圖1所示，半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光，光強(qiáng)為Ii，激光通過待測(cè)氣體后由光電探測(cè)器接收，透射光強(qiáng)為It。當(dāng)激光頻率v［cm－1］與氣體吸收組分躍遷頻率相同時(shí)，激光能量被吸收。定義傳播分?jǐn)?shù)Tv，入射光強(qiáng)與透射光強(qiáng)滿足Beer-Lambert定律:

圖1 TDLAS基本原理示意圖

其中，h［Js］為普朗克常量;c［cm/s］為真空中光速;k［J/K］為波爾茲曼常數(shù);E″［cm－1］為低能級(jí)能量;T0［K］為參考溫度(通常取296 K);Q(T)為吸收組分配分函數(shù)，是溫度的分段函數(shù)［12］。定義積分吸收率A:

1．2 雙線測(cè)溫原理

如圖2所示，在直接吸收光譜技術(shù)(Direct Absorption Spectroscopy，DAS)中，當(dāng)兩個(gè)不同頻率的激光通過同一光程，壓強(qiáng)、組分濃度和光程相同，根據(jù)式(3)可知，雙線積分吸收率之比可化簡(jiǎn)為譜線強(qiáng)度之比，并且是溫度的單值函數(shù)，即:

因此，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量雙吸收譜線中心附近吸收光譜，得到積分吸收率比值，便可通過該單值函數(shù)關(guān)系計(jì)算溫度。由式(2)、式(4)可知，雙線測(cè)溫靈敏度為:

圖2 DAS技術(shù)雙線測(cè)溫原理示意圖

2 譜線選擇

2．1 譜線選擇

雙線譜線選擇是TDLAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題，Arroyo等人［6］研究認(rèn)為，不同的雙譜線對(duì)選擇對(duì)于TDLAS系統(tǒng)測(cè)溫精度有重要影響，尤其是在單激光器吸收光譜系統(tǒng)中，由于單激光器調(diào)制范圍有限，雙線譜線對(duì)選擇更為苛刻。Zhou等人［7－9］針對(duì)溫度范圍1 000 K～2 500 K、組分濃度5% ～20%、光程5 cm、均勻的碳?xì)淙剂先紵h(huán)境，設(shè)計(jì)了基于DAS技術(shù)和二次諧波探測(cè)調(diào)制光譜技術(shù)(Wavelength Modulation Spectroscopy with 2f detection，WMS-2f)技術(shù)的單激光器吸收光譜系統(tǒng)，其譜線選擇原則如下:①雙線應(yīng)具有足夠的吸收率以保證較高的信噪比;②雙線譜線強(qiáng)度應(yīng)在低溫范圍內(nèi)較小，而在高溫范圍內(nèi)較大，以避免環(huán)境中H2O的干擾;③大氣壓條件下，雙線譜線中心應(yīng)滿足單激光器調(diào)制范圍;④雙線應(yīng)有足夠的低能級(jí)能量差以保證較高的測(cè)溫靈敏度;⑤雙線應(yīng)盡可能避免鄰近譜線干擾。

此外，對(duì)于諸如發(fā)動(dòng)機(jī)等特殊燃燒環(huán)境，由于流場(chǎng)不僅存在邊界層，還存在燃料噴霧造成的局部低溫區(qū)，而TDLAS測(cè)溫是溫度在光程上的平均值，因此，為保證溫度測(cè)量結(jié)果更具參考意義，Xiang Ouyang等人［13］認(rèn)為，譜線選擇過程還需重點(diǎn)考慮譜線強(qiáng)度與溫度的相關(guān)性。

忽略式(2)較小項(xiàng)，可得:

等式兩邊取對(duì)數(shù)，微分可得:

由于邊界層譜線強(qiáng)度受譜線低能級(jí)能量與邊界層溫度范圍的關(guān)系影響。令dS/dT=0，定義能量函數(shù)E(T):

代入H2O分子配分函數(shù)，可計(jì)算出能量函數(shù)E(T)隨溫度的變化關(guān)系，如圖3所示。

圖3 H2O分子能量函數(shù)E(T)隨溫度變化曲線

邊界層引起的積分吸收率變化量可表示為:

其中，A為邊界層中H2O的積分吸收率;δ為邊界層厚度;ξ為光程積分變量;下標(biāo)c表示與流場(chǎng)核心區(qū)一致參數(shù);下標(biāo)b表示實(shí)際邊界層參數(shù)。

式(7)、(8)代入式(9)可得，

由此可知，ΔA受參數(shù)T2影響大，在高溫范圍內(nèi)，ΔA較小，而在低溫范圍內(nèi)，ΔA較大，因此應(yīng)重點(diǎn)考慮低溫范圍內(nèi)E″對(duì)ΔA的影響。由圖3可知，在1 000 K～2 500 K溫度區(qū)間中，1 968≤E(T)≤6 435［cm1］，因此，需要排除低能級(jí)能量較小的吸收譜線。

綜上所述，對(duì)于溫度范圍1 000 K～2 500 K、組分濃度5% ～20%、光程15 cm的碳?xì)淙剂先紵鲌?chǎng)溫度測(cè)量，譜線選擇按表1步驟進(jìn)行優(yōu)選，最終得到 7 153．7487、154．354 cm－1雙線譜線對(duì)滿足上述原則，其譜線參數(shù)如表2所示。

表1 單激光器系統(tǒng)雙線譜線對(duì)選擇結(jié)果

表2 優(yōu)選譜線對(duì)譜線參數(shù)

2．2 譜線對(duì)分析

以10%H2O－90%空氣混合氣體為例，基于HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)，開展不同溫度下 7 153．748、7 154．354 cm－1雙線譜線對(duì)鄰近區(qū)域吸收光譜計(jì)算，如圖4所示，可知鄰近譜線對(duì)該譜線對(duì)干擾較小。

圖 4 7 153．748、7 154．354 cm －1譜線對(duì)H2O吸收光譜計(jì)算

根據(jù)式(2)開展譜線強(qiáng)度隨溫度變化關(guān)系計(jì)算，如圖5所示，可知在1 000 K～2 500 K溫度范圍內(nèi)，雙線譜線強(qiáng)度比值在0．2～5范圍內(nèi)，雙線測(cè)量不確定度相似，這有利于雙線比值的精確確定。根據(jù)式(5)開展雙線測(cè)溫靈敏度隨溫度變化關(guān)系計(jì)算，如圖6所示，就滿足單激光器調(diào)制范圍內(nèi)譜線對(duì)來(lái)說(shuō)，該譜線對(duì)擁有較好測(cè)溫靈敏度。

圖5 譜線強(qiáng)度隨溫度變化關(guān)系

圖6 譜線對(duì)測(cè)溫靈敏度隨溫度變化關(guān)系

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

甲烷－空氣McKenna平面火焰爐是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)均勻高溫燃?xì)獾闹匾獙?shí)驗(yàn)工具［14］，其溫度和組分濃度的等值面平行于爐面，通過調(diào)節(jié)當(dāng)量比和氣體流量，可實(shí)現(xiàn)燃?xì)鉁囟群徒M分濃度的改變。其中，燃?xì)鉁囟瓤赏ㄟ^熱電偶測(cè)量修正得到。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。本文采用直接吸收光譜技術(shù)，利用信號(hào)發(fā)生器(Tektonix AFG3022B)產(chǎn)生鋸齒波(幅值:3 V，頻率:100 Hz)控制激光控制器(ILXLightwave Inc LDC-3724B，控制溫度:37．1 ℃，控制電流:50．00 mA)輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DFB半導(dǎo)體激光器(NTT Electronics Corporation 1 397 nm)的調(diào)制。激光器輸出激光經(jīng)過1×2(10%/90%)光纖分路器分為兩束光，一束(10%)由自由光譜范圍為1．5 GHz的標(biāo)準(zhǔn)具(ThorsLab SA2000-12A)接收，用來(lái)監(jiān)控激光相對(duì)頻率變化，另一束(90%)由準(zhǔn)直器發(fā)射，經(jīng)直徑6 cm的Mckenna平面火焰爐(LaVisionUK Ltd)15 mm高度火焰，由探測(cè)器(InGaAs，Φ2 mm)接收，探測(cè)器電壓信號(hào)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(NI PXI-1042，采樣頻率:1 000 kHz)記錄并存儲(chǔ)。平面火焰爐15 mm高度處火焰溫度通過B型熱電偶(鉑銠30－鉑銠6)測(cè)量。此外，為消除環(huán)境H2O的影響，激光光程利用氮?dú)膺M(jìn)行吹除。

圖7 用于平面火焰爐溫度測(cè)量的單激光器吸收光譜系統(tǒng)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4．1 數(shù)據(jù)處理過程及分析

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開展1 s時(shí)間內(nèi)平均處理，可得時(shí)均曲線，如圖8所示，其中，入射光強(qiáng)Ii可由零吸收擬合基線獲得。標(biāo)準(zhǔn)具接收信號(hào)根據(jù)四次多項(xiàng)式擬合，可得到激光相對(duì)頻率變化與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖9所示。由此，根據(jù)式(1)便可得到譜線中心附近吸收光譜，如圖10所示。由于燃燒環(huán)境下，分子吸收光譜符合伏依特線型函數(shù)，因此，可通過多峰伏依特線型函數(shù)擬合得到雙線積分吸收率，并根據(jù)圖5所示的對(duì)應(yīng)關(guān)系推斷燃?xì)鉁囟取?/p>

圖8 探測(cè)器和標(biāo)準(zhǔn)具典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖8可知，本文開展的實(shí)驗(yàn)中，雙線譜線對(duì)在該燃燒環(huán)境下吸收較弱，這是因?yàn)槲章适枪獬躺戏肿游盏睦鄯e，而本文采用的平面火焰爐直徑相對(duì)較小，因此吸收較弱。為進(jìn)一步增強(qiáng)吸收，提高系統(tǒng)信噪比，可通過增加燃燒環(huán)境光程，或者利用平面鏡多次反射增加光程的方法實(shí)現(xiàn)，此外，對(duì)于較弱吸收，還可利用WMS-2f技術(shù)提高系統(tǒng)信噪比。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)具干涉條紋擬合曲線

圖10 實(shí)驗(yàn)測(cè)量吸收光譜與伏依特函數(shù)擬合曲線

4．2 測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析

通過調(diào)節(jié)平面火焰爐當(dāng)量比和氣體流量值，可產(chǎn)生不同溫度燃?xì)?，本文利用單激光器吸收光譜系統(tǒng)開展8個(gè)工況下平面火焰爐燃?xì)鉁囟葴y(cè)量，甲烷流量調(diào)節(jié)范圍 1．0 L/min ～4．5 L/min，空氣流量調(diào)節(jié)范圍10 L/min～45 L/min，平面火焰爐15 mm高度處燃?xì)鉁囟仍? 000 K～1 800 K范圍內(nèi)變化。與此同時(shí)，利用B型熱電偶測(cè)量平面火焰爐15 mm高度處燃?xì)鉁囟龋瑴y(cè)量值經(jīng)熱輻射損失修正。將TDLAS系統(tǒng)和熱電偶測(cè)量結(jié)果比較，如圖11所示，最大誤差為125 K(9．2%)，圖中虛線內(nèi)為熱電偶測(cè)量值±10%溫度范圍，可知，本文設(shè)計(jì)的單激光器吸收光譜系統(tǒng)對(duì)于1 000 K～1 800 K測(cè)溫范圍，誤差不超過10%。

圖11 熱電偶測(cè)溫值與TDLAS系統(tǒng)測(cè)溫結(jié)果比較

5 結(jié)論

本文針對(duì)1 000 K～2 500 K典型碳?xì)淙剂先紵h(huán)境，利用HITRAN光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)通信用分布反饋式半導(dǎo)體激光器工作波段(1．25 μm ～1．65 μm)內(nèi)H2O吸收譜線進(jìn)行優(yōu)選分析，發(fā)現(xiàn) 7 153．748、7 154．354 cm－1雙線譜線對(duì)滿足單激光器調(diào)諧條件，并且對(duì)高溫燃?xì)鉁囟葴y(cè)量具有較好的抗干擾能力和測(cè)溫靈敏度。因此，選用1 397 nm半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)了用于燃?xì)鉁囟葴y(cè)量的單激光器吸收光譜系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于平面火焰爐燃?xì)鉁囟葴y(cè)量，測(cè)量結(jié)果與熱電偶測(cè)量結(jié)果比較，最大相對(duì)差值不超過10%。

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