CN108151906A - 一种多吸收谱线测量气体温度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多吸收谱线测量气体温度的方法。根据基态气体分子在不同能级上的粒子数分布符合玻尔兹曼分布规律的特点，利用高分辨率吸收光谱仪测量气体的精细吸收光谱，对吸收光谱中各个吸收谱线的吸收强度分布进行一系列处理后，即可获得气体温度。传统的吸收光谱测量气体温度的方法一般是利用一条或两条吸收谱线，所能利用的吸收信息较少，因此导致温度测量结果的准确性较差；而本发明利用了更多吸收谱线的吸收强度信息，因此所得到的温度测量结果的准确度较高。该方法的建立为基态气体分子的温度测量工作提供了更为准确的非侵入式光学诊断方法。
Description
技术领域
本发明属于气体温度测量领域，具体涉及一种利用吸收光谱的多条吸收谱线的相对强度分布测量气体温度的方法。
背景技术
气体温度测量技术可以用二分法简单地划分为两类：接触式和非接触式。接触式温度测量技术主要有热电偶、热电阻等，这种测温方法会对被测量的温度场产生不可避免的扰动，在待测温度较高或者待测气体具有腐蚀性的场合下，这种接触式测量技术会显著地降低测温设备的寿命。非接触式温度测量技术主要包括近年来新兴的光辐射测温技术、声学测温技术、CCD图像学测温技术等等，这种非接触式测温技术的最大优点是不会扰动待测温度场、不受腐蚀性气体影响、以及测量温度范围很宽。
在光辐射测温技术中，又可以分为自发辐射光谱法和吸收光谱法。对于可以近似为黑体辐射的高温物体，利用它的红外辐射光谱强度分布，就可以得到其温度分布，例如红外热像仪等等。对于热力学非平衡状态的气体物质，比如化学反应发光的气体，也可以根据其中激发态物种的自发辐射光谱的振动谱线强度分布或转动谱线强度分布情况，再依据玻尔兹曼分布定律，就获得气体温度。然而，对于本身不发光的基态气体而言，则必须使用吸收光谱法测量气体温度，最常见的是使用可调谐二极管吸收光谱法(TDLAS)。
在使用TDLAS技术测量气体温度时，最常使用的是双吸收谱线法。其核心原理是，选择两条合适的气体吸收谱线，使其线强度之比为温度的灵敏函数，通过测量线强度之比来测量气体温度。这两条吸收谱线的吸收强度之比R可以用公式表示为：
其中，T为待测温度，T0为参考温度，S1(T0)和S2(T0)是这两条吸收谱线在参考温度T0＝296K时的吸收线强度(由数据库查询获得)，E″1和E″2是这两条吸收谱线的下能级能量(由数据库查询获得)，h为普朗克常量，c为光速，k为玻尔兹曼常数。可见，这两条吸收谱线的吸收强度之比R是温度T的单调函数，只要测得了两条吸收谱线的吸收强度之比R，利用T与R之间的一一对应关系，就可以查表得到气体温度T。双吸收谱线法测量气体温度时，R对T的灵敏度是一个重要指标，其表达式为因此两条吸收谱线的下能级能级差越大则灵敏度越高，温度T越低则灵敏度越高。
在使用TDLAS技术测量气体温度时，有时候也会使用单吸收谱线法(适用范围是低气压条件下)。其原理是，在低气压条件下，分子吸收谱线的谱线加宽是以多普勒加宽为主，其宽度满足如下关系：
其中，Δν为多普勒加宽，v0为中心频率，T和M分别是温度和分子量。可见，待测分子某条吸收谱线的多普勒加宽Δν与气体温度T呈现一一对应的单调关系，所以只要利用TDLAS技术测量得到单吸收谱线的多普勒加宽，即可计算得到气体温度T。多普勒加宽Δν对温度T的灵敏度可以表示为然而，由于Δν本身数值很小，而且准确地测量多普勒加宽是非常困难的，导致其相对测量误差较大，传递到温度T的误差也很大，从而限制了测量精度，所以单吸收谱线方法在实际应用中是很少见的。
在利用TDLAS技术进行气体温度测量时，无论是单吸收谱线法，还是双吸收谱线法，都只是利用了很少的吸收光谱信息。如果某条吸收谱线测量值产生了误差，就会完全传递到最终的气体温度测量结果上，这就导致气体温度测量结果的误差涨落会比较大。
有鉴于此，我们发明了一种多吸收谱线测量气体温度的方法。这种多吸收谱线法在进行测量时，利用了更多的吸收谱线信息，最终的气体温度测量结果是受多条谱线的共同作用而得到的。因此即使某条吸收谱线测量值产生了误差，也不会马上传递到最终的气体温度测量结果上，这就使得最终的气体测量结果受某个单条谱线测量误差的影响较小，从而可以提高气体温度测量结果的准确性和精密度。
发明内容
考虑到目前的吸收光谱技术一般只利用了一条吸收谱线(多普勒展宽法)或两条吸收谱线(吸收面积比值法)，所利用的吸收光谱信息很少，如果某条吸收谱线测量值产生了误差，就会完全传递到最终的气体温度测量结果上，这就导致气体温度测量结果的涨落误差会比较大，因此我们发明了一种多吸收谱线测量气体温度的方法。具体来讲就是，基于吸收光谱技术，测量得到含有多条吸收谱线的气体吸收光谱图，结合多条吸收谱线的吸收强度随气体温度变化的关系，就可以测量得到气体温度。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：基于某种吸收光谱技术，得到包含n条吸收谱线的气体吸收光谱，每条吸收谱线获得一对数据Xi和Yi，对一系列的Xi和Yi进行作图，可得到一条直线，利用该直线斜率可以获得气体温度。
所述的某种吸收光谱技术包括但不限于傅里叶变换吸收光谱技术、可调谐二极管激光吸收光谱技术、腔增强吸收光谱技术等等。
所述的气体吸收光谱，所包含的吸收谱线条数n≥3，以方便进行后续作图。
对每条吸收谱线，所需获得的用于作图的一对数据为 和其中Si(T)为第i条吸收谱线的峰面积(由实验测得)，Si(T0)为第i条吸收谱线的线强度参数(由数据库查询获得)，E″i为第i条吸收谱线跃迁的下能级能量(由数据库查询获得)，h为普朗克常数，c为真空中光速，k为玻尔兹曼常数。
所述利用直线斜率获得气体温度的步骤为，(1)作图得到直线斜率为k，(2)则气体温度为T＝-k。
本发明的有益效果是：
相比于传统的吸收光谱测量气体温度的方法一般是利用一条或两条吸收谱线，所能利用的吸收信息较少，因此导致温度测量结果的准确性较差的特点；本发明利用了更多吸收谱线的吸收强度信息，因此所得到的温度测量结果的准确度较高，在进行气体温度测量时实验结果的涨落误差较小。该方法的建立为基态气体分子的温度测量工作提供了更为准确的非侵入式光学诊断方法。
附图说明
图1：测试光路图。各部分为：(1)光电探测器；(2)待测氨气气体池；(3)光纤准直器；(4)可调谐二极管激光器；(5)任意波形发生器；(6)数字示波器。
图2.氨气吸收光谱测量结果(氨气压力1.5Torr，实际温度300K)。
图3.气体温度测量结果。
具体实施方式
实施例1：利用可调谐二极管吸收光谱技术(TDLAS)测量低气压条件下氨气的吸收光谱，共包含七条吸收谱线，对这七条吸收谱线进行处理后即可得到待测氨气的温度。
具体操作步骤如下：
1.利用可调谐二极管吸收光谱技术(TDLAS)测量低气压条件下氨气的吸收光谱。首先打开可调谐二极管激光器、任意波形发生器、数字示波器、光电探测器的电源，并按照图1所示连接好信号线路。接着为任意波形发生器设置好锯齿波，从而线性调节可调谐二极管激光器的工作电流，并将锯齿波的同步信号输入到数字示波器。最后将光电探测器的电压信号输入到示波器，测量得到吸收光谱，如图2所示，可以看到一共获得了七条较强的吸收谱线，其中三条谱线有一定的重叠，但可以利用分峰技术分开。
获得吸收光谱的具体原理为：任意波形发生器5与可调谐二极管激光器4和数字示波器连接6；任意波形发生器5发出锯齿波到达可调谐二极管激光器4，用于控制4输出的激光波长；任意波形发生器5发出的同步信号到达数字示波器连接6，用于触发示波器进行信号采集。可调谐二极管激光器4发出的激光经过光纤准直器3进行准直后，穿过待测氨气气体池2，最后到达光电探测器1。光电探测器1将接受到的光信号转化为电信号，传送到数字示波器6，在数字示波器6上显示出吸收光谱。
2.对测量得到的吸收光谱数据进行处理，针对每条吸收谱线，求出所需获得的用于作图的一对数据和其中Si(T)为第i条吸收谱线的峰面积(由实验测得)，Si(T0)为第i条吸收谱线的线强度参数(由Hitran数据库获得)，E″i为第i条吸收谱线跃迁的下能级能量(由Hitran数据库获得)，h为普朗克常数，c为真空中光速，k为玻尔兹曼常数。
3.将Yi对Xi作图，可以得到一条直线，如图3所示。
4.根据图3中直线斜率(k＝-304)，得到待测氨气的气体温度T＝-k，即气体温度为304K。
Claims (5)
1.一种多吸收谱线测量气体温度的方法，其特征在于：基于吸收光谱技术，光通过待测气体到达探测器获得吸收光谱，得到包含n条吸收谱线的气体吸收光谱，n≥3整，每条吸谱线收获得一对数据Xi和Yi，对一系列的Xi和Yi进行作图，可得到一条直线，利用该直线斜率可以获得气体温度。
2.按照权利要求1所述的多吸收谱线测量气体温度的方法，其特征在于：所述的吸收光谱技术包括但不限于傅里叶变换吸收光谱技术、可调谐二极管激光吸收光谱技术、或腔增强吸收光谱技术。
3.按照权利要求1或2所述的多吸收谱线测量气体温度的方法，其特征在于：所述的气体吸收光谱，所包含的吸收谱线条数n≥3整数，以方便进行后续作图，即光的波长范围至少包括三个以上波长的待测气体的吸收谱线。
4.按照权利要求1所述的多吸收谱线测量气体温度的方法，其特征在于：对每条吸收谱线，所需获得的用于作图的一对数据为 和其中Si(T)为第i条吸收谱线的峰面积，Si(T0)为第i条吸收谱线的线强度参数，E″i为第i条吸收谱线跃迁的下能级能量，h为普朗克常数，c为真空中光速，k为玻尔兹曼常数，T0＝296K。
5.按照权利要求1或4所述的多吸收谱线测量气体温度的方法，其特征在于：所述利用直线斜率获得气体温度的步骤为，(1)以Yi对Xi作图得到直线斜率为k，(2)则气体温度为T＝-k。
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