[發(fā)明專利]一種基于TDLAS?DAS的飛機氣體滅火劑濃度測量系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711098726.3
• 申請日: 2017-11-09
• 公開（公告）號: CN107941748A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張和平;袁偉;陸松;管雨
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;G01N21/3504
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司11251
• 代理人: 楊學(xué)明,鄧治平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種對飛機氣體滅火劑的濃度測量技術(shù)，特別是涉及一種基于TDLAS-DAS的氣體滅火劑濃度測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)

三氟溴甲烷，又名Halon 1301，是一種無毒無殘留的高效滅火劑，因其優(yōu)越的滅火性能，目前仍是飛機防火系統(tǒng)、地面裝甲車防爆系統(tǒng)最重要的氣體滅火劑。

五氟乙烷(HFC-125)是一種新型的哈龍?zhí)娲鷾缁饎錈岱€(wěn)定性較好、不導(dǎo)電，目前已應(yīng)用于美國的部分軍用飛機的發(fā)動機艙中。

滅火劑濃度測量是飛機防火系統(tǒng)性能評估的一項重要實驗，用以評估系統(tǒng)設(shè)計的合理性與滅火的可靠性。因此，測量精準(zhǔn)、快速響應(yīng)、高靈敏度的滅火劑濃度測量系統(tǒng)對于飛機防火系統(tǒng)的設(shè)計、驗證、改進(jìn)有著重要意義。

根據(jù)FAA(聯(lián)邦航空局)咨詢通告AC 20-100，三氟溴甲烷在飛機發(fā)動機艙及輔助動力艙的滅火區(qū)域內(nèi)應(yīng)能在0.5s內(nèi)維持不低于6％的濃度，以確保滅火可靠性。此外，在FAA對飛機貨艙哈龍?zhí)娲鷾缁鹣到y(tǒng)認(rèn)證的四類火災(zāi)場景驗證實驗中，也需要滅火劑連續(xù)分析儀來測量記錄滅火劑濃度的變化；氣體滅火劑的滅火性能測試實驗也需要此類的可靠設(shè)備。

目前，滅火劑濃度測量設(shè)備主要集中于壓差法和紅外吸收法兩類。其中，壓差法設(shè)備的成本相對較低，但容易受到背景氣體干擾；基于紅外吸收法NIST開發(fā)了非分光紅外式(NDIR)測量設(shè)備，光源為碳硅棒，使用斬波器進(jìn)行機械調(diào)制，可測量三氟溴甲烷在0-20％范圍內(nèi)的濃度值。可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)是一種基于氣體吸收光譜的檢測方法，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器具有這樣的特性：在電流激發(fā)下，發(fā)射出特定波長的激光，注入電流強度的變化會引發(fā)波長在小范圍內(nèi)的線性變化。利用該特性可以將激光波長調(diào)至待測分子的某一吸收線，并在吸收線附近進(jìn)行周期性掃描。與其他原理的探測設(shè)備相比，TDLAS具有非入侵性、高靈敏度、高精度、儀器體積小巧等眾多優(yōu)點，已廣泛地應(yīng)用于大氣監(jiān)測、工業(yè)氣體在線分析、機動車尾氣測量等氣體檢測領(lǐng)域。目前，飛機防火系統(tǒng)滅火劑濃度測量主要依靠租借國外設(shè)備，租借費用高、周期長。研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的飛機氣體滅火劑TDLAS濃度測量系統(tǒng)對打破國外技術(shù)封鎖、促進(jìn)飛機安全系統(tǒng)設(shè)計的發(fā)展及基礎(chǔ)科研研究有著重要意義。

根據(jù)測量方法及適用條件，TDLAS主要有兩種類型：

1.直接吸收法

直接吸收法(Direct Absorption Spectroscopy，DAS)使用三角波或鋸齒波掃描電流信號，實現(xiàn)波長在吸收峰附近的掃描，在吸收線處探測器輸出的電壓曲線將會有明顯的降低，對電壓信號衰減值與對應(yīng)的氣體濃度進(jìn)行擬合可以得到待測濃度的反演公式，直接吸收法適用于吸收強烈的測量環(huán)境。

2.波長調(diào)制法

波長調(diào)制法(Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS)結(jié)合了波長調(diào)制技術(shù)和諧波探測技術(shù)，配合使用長光程多次反射氣體吸收池可以實現(xiàn)ppm-ppt級別的檢測限。在三角波或鋸齒波低頻掃描信號上疊加高頻正弦信號實現(xiàn)信號的調(diào)制，利用鎖相放大器檢測諧波信號，所得到的二次諧波信號與目標(biāo)氣體濃度成正比，此類方法可以有效地抑制噪聲，適用于測量微弱吸收。

本發(fā)明根據(jù)測量目的及使用環(huán)境，選擇了直接吸收法(DAS)作為系統(tǒng)的基本檢測原理。

發(fā)明內(nèi)容

為了滿足飛機滅火系統(tǒng)性能測試需求，本發(fā)明提出了一種精度高、響應(yīng)快速的滅火劑濃度測量裝置，基于TDLAS-DAS原理，以可調(diào)諧的分布反饋式量子級聯(lián)激光器(QCL-DFB)為中紅外光源，從系統(tǒng)的整體設(shè)計、光路結(jié)構(gòu)、吸收線的選擇、元器件的選擇、光源的調(diào)制、以及測量方法等方面進(jìn)行了研究。