[發(fā)明專利]一種多吸收譜線測量氣體溫度的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611095668.4
• 申請(qǐng)日: 2016-12-02
• 公開（公告）號(hào): CN108151906A
• 公開（公告）日: 2018-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李留成;多麗萍;金玉奇;于海軍;王元虎;王增強(qiáng);唐書凱;李國富;汪健;曹靖;康元福
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號(hào): G01K11/00
• 分類號(hào): G01K11/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發(fā)明涉及一種多吸收譜線測量氣體溫度的方法。根據(jù)基態(tài)氣體分子在不同能級(jí)上的粒子數(shù)分布符合玻爾茲曼分布規(guī)律的特點(diǎn)，利用高分辨率吸收光譜儀測量氣體的精細(xì)吸收光譜，對(duì)吸收光譜中各個(gè)吸收譜線的吸收強(qiáng)度分布進(jìn)行一系列處理后，即可獲得氣體溫度。傳統(tǒng)的吸收光譜測量氣體溫度的方法一般是利用一條或兩條吸收譜線，所能利用的吸收信息較少，因此導(dǎo)致溫度測量結(jié)果的準(zhǔn)確性較差；而本發(fā)明利用了更多吸收譜線的吸收強(qiáng)度信息，因此所得到的溫度測量結(jié)果的準(zhǔn)確度較高。該方法的建立為基態(tài)氣體分子的溫度測量工作提供了更為準(zhǔn)確的非侵入式光學(xué)診斷方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣體溫度測量領(lǐng)域，具體涉及一種利用吸收光譜的多條吸收譜線的相對(duì)強(qiáng)度分布測量氣體溫度的方法。

背景技術(shù)

氣體溫度測量技術(shù)可以用二分法簡單地劃分為兩類：接觸式和非接觸式。接觸式溫度測量技術(shù)主要有熱電偶、熱電阻等，這種測溫方法會(huì)對(duì)被測量的溫度場產(chǎn)生不可避免的擾動(dòng)，在待測溫度較高或者待測氣體具有腐蝕性的場合下，這種接觸式測量技術(shù)會(huì)顯著地降低測溫設(shè)備的壽命。非接觸式溫度測量技術(shù)主要包括近年來新興的光輻射測溫技術(shù)、聲學(xué)測溫技術(shù)、CCD圖像學(xué)測溫技術(shù)等等，這種非接觸式測溫技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)擾動(dòng)待測溫度場、不受腐蝕性氣體影響、以及測量溫度范圍很寬。

在光輻射測溫技術(shù)中，又可以分為自發(fā)輻射光譜法和吸收光譜法。對(duì)于可以近似為黑體輻射的高溫物體，利用它的紅外輻射光譜強(qiáng)度分布，就可以得到其溫度分布，例如紅外熱像儀等等。對(duì)于熱力學(xué)非平衡狀態(tài)的氣體物質(zhì)，比如化學(xué)反應(yīng)發(fā)光的氣體，也可以根據(jù)其中激發(fā)態(tài)物種的自發(fā)輻射光譜的振動(dòng)譜線強(qiáng)度分布或轉(zhuǎn)動(dòng)譜線強(qiáng)度分布情況，再依據(jù)玻爾茲曼分布定律，就獲得氣體溫度。然而，對(duì)于本身不發(fā)光的基態(tài)氣體而言，則必須使用吸收光譜法測量氣體溫度，最常見的是使用可調(diào)諧二極管吸收光譜法(TDLAS)。

在使用TDLAS技術(shù)測量氣體溫度時(shí)，最常使用的是雙吸收譜線法。其核心原理是，選擇兩條合適的氣體吸收譜線，使其線強(qiáng)度之比為溫度的靈敏函數(shù)，通過測量線強(qiáng)度之比來測量氣體溫度。這兩條吸收譜線的吸收強(qiáng)度之比R可以用公式表示為：

其中，T為待測溫度，T₀為參考溫度，S₁(T₀)和S₂(T₀)是這兩條吸收譜線在參考溫度T₀＝296K時(shí)的吸收線強(qiáng)度(由數(shù)據(jù)庫查詢獲得)，E″₁和E″₂是這兩條吸收譜線的下能級(jí)能量(由數(shù)據(jù)庫查詢獲得)，h為普朗克常量，c為光速，k為玻爾茲曼常數(shù)。可見，這兩條吸收譜線的吸收強(qiáng)度之比R是溫度T的單調(diào)函數(shù)，只要測得了兩條吸收譜線的吸收強(qiáng)度之比R，利用T與R之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以查表得到氣體溫度T。雙吸收譜線法測量氣體溫度時(shí)，R對(duì)T的靈敏度是一個(gè)重要指標(biāo)，其表達(dá)式為因此兩條吸收譜線的下能級(jí)能級(jí)差越大則靈敏度越高，溫度T越低則靈敏度越高。

在使用TDLAS技術(shù)測量氣體溫度時(shí)，有時(shí)候也會(huì)使用單吸收譜線法(適用范圍是低氣壓條件下)。其原理是，在低氣壓條件下，分子吸收譜線的譜線加寬是以多普勒加寬為主，其寬度滿足如下關(guān)系：

其中，Δν為多普勒加寬，v₀為中心頻率，T和M分別是溫度和分子量。可見，待測分子某條吸收譜線的多普勒加寬Δν與氣體溫度T呈現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)的單調(diào)關(guān)系，所以只要利用TDLAS技術(shù)測量得到單吸收譜線的多普勒加寬，即可計(jì)算得到氣體溫度T。多普勒加寬Δν對(duì)溫度T的靈敏度可以表示為然而，由于Δν本身數(shù)值很小，而且準(zhǔn)確地測量多普勒加寬是非常困難的，導(dǎo)致其相對(duì)測量誤差較大，傳遞到溫度T的誤差也很大，從而限制了測量精度，所以單吸收譜線方法在實(shí)際應(yīng)用中是很少見的。

在利用TDLAS技術(shù)進(jìn)行氣體溫度測量時(shí)，無論是單吸收譜線法，還是雙吸收譜線法，都只是利用了很少的吸收光譜信息。如果某條吸收譜線測量值產(chǎn)生了誤差，就會(huì)完全傳遞到最終的氣體溫度測量結(jié)果上，這就導(dǎo)致氣體溫度測量結(jié)果的誤差漲落會(huì)比較大。