一种用于火焰中气体浓度及温度的检测方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于火焰中气体浓度及温度的检测方法和装置，所述方法是：获取两条互相垂直并相交穿过火焰的激光线信号光谱数据，用双波长温度算法得到激光线穿过火焰的被测气体浓度及温度，装置包括激光发生器、激光准直器、光电探测器和光电数据处理器，激光发生器发出的激光经激光准直器后被光电探测器吸收送入光电数据处理器处理检测火焰中气体浓度及温度；与现有技术相比，本发明专利技术利用半导体激光器输出多路激光组成分布式测量网格，分时复用，实时检测燃烧火焰中的特定气体浓度并利用特定算法反演出气体温度分布，实现火焰燃烧气体浓度及温度分布的非接触测量。

A method and device for detecting gas concentration and temperature in flame

The invention discloses a method and device for detecting the concentration and temperature of gas in a flame. The method is to obtain two laser line signal spectral data perpendicular to each other and cross through the flame, and to obtain the measured gas concentration and temperature of the laser line through the flame by the dual wavelength temperature algorithm. The device includes a laser generator, a laser generator, and a laser generator. Laser collimator, photodetector and photoelectric data processor, the laser emitted by the laser collimator is absorbed into the photoelectric data processor after the laser collimator is absorbed and sent to the photoelectric data processor to detect the gas concentration and temperature in the flame. Compared with the existing technology, the invention makes use of the semiconductor laser output multiplex laser to form a distributed system. Measurement grid, time division multiplexing, real-time detection of specific gas concentration in the combustion flame and using specific algorithms to reverse the gas temperature distribution, to achieve non-contact measurement of the gas concentration and temperature distribution of flame.

【技术实现步骤摘要】
一种用于火焰中气体浓度及温度的检测方法和装置
本专利技术涉及一种用于火焰中气体浓度及温度的检测方法和装置。
技术介绍
传统技术在测量火焰燃烧中的特定气体浓度时一般采用单点式气体探测器，例如催化燃烧式气体传感器、红外光谱式气体传感器以及插入式热电偶等方法来采集火焰中的特定气体浓度，如：H2O、CO2、CO等及温度。然而，这些传统的方法得到的都是单点状态下的火焰燃烧的气体浓度及温度，同时也存在着在响应速度慢、高温状态下测量不准确及插入式测量引入干扰的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于火焰中气体浓度及温度的检测方法和装置，采用可调谐半导体激光吸收技术，解决现有技术手段无法快速、精确、无干扰的测定燃烧火焰中多种气体浓度及温度分布的问题。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种用于火焰中气体浓度及温度的检测方法，其特征在于，获取两条互相垂直并相交穿过火焰的激光线信号光谱数据，用双波长温度算法得到激光线穿过火焰的被测气体浓度及温度，其算法步骤是：由朗伯比尔定律的公式(1)推导出公式(2)其中：A是气体在一个频率光波下的吸光度；X为气体浓度；L是光波通过的光程；k为气体吸收系数；αv为在v频率光波下气体吸收系数；It为透射光强；I0为入射光强；It(v)为波长为v下的透射光强；I0(v)为波长为v下的入射光强；φ(v)为归一化的线型函数；对公式(2)中在光波频率上积分得到公式(3)和公式(4)其中：P为混合气体总压；S为吸收线强度；T为温度；由公式(4)得到谱线强度公式(5)其中：T0为参考温度Eη为低能态能量；c2＝hc/k为第二辐射常量1.1388；νηη'为谱线跃迁频率；S(T0)为参考温度下的谱线强度；Q(T)、Q(T0)为气体配分函数；根据公式(1)和(5)将互相垂直的2条激光线吸光度A1和A2相除消掉配分函数，得到吸光度的比值R的公式(6)其中：h为普拉克常量；c为光速；E”为低能态能量；并由公式(6)得到激光线穿过火焰的待测区域温度T表示公式(7)由公式(4)和(7)获得激光线穿过火焰的被测气体浓度及温度。方案进一步是：所述方法进一步包括：将待测火焰区域划分为若干离散网格，网格由2m条所述互相垂直并相交的激光线组成，m是大于1的整数，用所述双波长温度算法通过代数迭代算法反演得到火焰燃烧区域内的气体浓度及温度分布；所述代数迭代算法反演中第m条光线的吸光度可表示为公式(8)其中：m为第m条激光；i为第i个网格；Lim代表第m条激光穿过编号为i网格的光程长度；αi代表第i网格内气体吸收系数；由所述的吸光度公式(8)得到吸收系数的代数迭代算法公式(9)：采用最小二乘法计算积分吸光度的计算值和测量值差值的最小值，从而得到网格内分布的气体吸收系数。方案进一步是：所述激光线信号是锯齿波或正弦波或锯齿波和正弦波叠加的周期信号。方案进一步是：所述激光线信号是由两路激光器驱动控制模块和可调谐半导体激光器产生，两路激光线信号分时复用实现实时检测。一种用于火焰中气体浓度及温度的检测装置，包括激光发生器、激光准直器、光电探测器和光电数据处理器，激光发生器发出的激光经激光准直器后被光电探测器吸收送入光电数据处理器处理检测火焰中气体浓度及温度；其中，所述激光准直器有2m个，2m个激光准直器平均分为两路，两路激光准直器设置在一个水平面上，激光发生器发出的激光通过一个光纤分束器分为两路分别发送给两路激光准直器，经所述两路激光准直器发出的激光相互垂直并相交通过被测火焰到光电探测器，所述光电探测器相对两路激光准直器配对设置，所述m是等于或大于1的整数。方案进一步是：当m是大于1的整数值时，每一路的多个激光准直器水平等距离均匀排列，每一路的多个激光准直器发出的激光线相互平行，两路激光准直器发出的激光线在火焰燃烧区水平相交形成激光线网格。方案进一步是：所述激光发生器包括有信号发生器模块、激光器驱动控制模块和可调谐半导体激光器，信号发生器模块产生的信号经激光器驱动控制模块产生激光，产生的激光经可调谐半导体激光器调制送入光纤分束器分为两路，所述可调谐半导体激光器是产生锯齿波或正玄波或锯齿波和正玄波叠加的激光周期信号的可调谐半导体激光器。方案进一步是：有两组所述激光器驱动控制模块和可调谐半导体激光器，两组所述激光器驱动控制模块和可调谐半导体激光器分时产生激光周期信号。与现有技术相比，本专利技术利用多只特定气体吸收的半导体激光器输出多路激光组成分布式测量网格，分时复用，实时检测燃烧火焰中的特定气体浓度并利用特定算法反演出气体温度分布，实现火焰燃烧气体浓度及温度分布的非接触测量。下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细描述。附图说明图1是本专利技术离散网格示意图；图2是本专利技术检测装置结构示意图。具体实施方式实施例1：一种用于火焰中气体浓度及温度的检测方法，本方法是采用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)提供的一种在线测量火焰中气体浓度及温度的方法，其基本原理来自朗伯比尔定律。如果要在线测量火焰中一点的温度及气体浓度，可通过如下方法：首先获取两条互相垂直并相交穿过火焰的激光线信号光谱数据，用双波长温度算法得到激光线穿过火焰的被测气体浓度及温度，其算法步骤是：由朗伯比尔定律的公式(1)推导出公式(2)其中：A是气体在一个频率光波下的吸光度；X为气体浓度；L是光波通过的光程；k为气体吸收系数；αv为在v频率光波下气体吸收系数；It为透射光强；I0为入射光强；It(v)为波长为v下的透射光强；I0(v)为波长为v下的入射光强；φ(v)为归一化的线型函数；对公式(2)中在光波频率上积分得到公式(3)和公式(4)其中：P为混合气体总压；S为吸收线强度；T为温度；由公式(4)得到谱线强度公式(5)其中：T0为参考温度Eη为低能态能量；c2＝hc/k为第二辐射常量1.1388；νηη'为谱线跃迁频率；S(T0)为参考温度下的谱线强度；Q(T)、Q(T0)为气体配分函数；由式中可以看出，检测气体浓度与气体所在区域的温度有关，因此，需要得到气体的温度；根据公式(1)和(5)将互相垂直的2条激光线吸光度A1和A2相除消掉配分函数，得到吸光度的比值R的公式(6)其中：h为普拉克常量；c为光速；E”为低能态能量；并由公式(6)得到激光线穿过火焰的待测区域温度T表示公式(7)由公式(4)和(7)获得激光线穿过火焰的被测气体浓度及温度。对于需要对一个火焰区域的多点实施检测，则：所述方法进一步包括：将待测火焰区域划分为若干离散网格，网格由2m条所述互相垂直并相交的激光线组成，m是大于1的整数，用所述双波长温度算法通过代数迭代算法反演得到火焰燃烧区域内的气体浓度及温度分布，其网格如图1所示；所述代数迭代算法反演中第m条光线的吸光度可表示为公式(8)其中：m为第m条激光；i为第i个网格；Lim代表第m条激光穿过编号为i网格的光程长度；αi代表第i网格内气体吸收系数；由所述的吸光度公式(8)得到吸收系数的代数迭代算法公式(9)：采用最小二乘法计算积分吸光度的计算值和测量值差值的最小值，从而得到网格内分布的气体吸收系数。通过上述公式采用的同种气体的两条吸收线分别计算网格分布吸收系数，从而利用双波长温度算法得到火焰的网格温度分布以及被测气体浓度。实施例中：所述激光线信号是锯齿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于火焰中气体浓度及温度的检测方法，其特征在于，获取两条互相垂直并相交穿过火焰的激光线信号光谱数据，用双波长温度算法得到激光线穿过火焰的被测气体浓度及温度，其算法步骤是：由朗伯比尔定律的公式(1)推导出公式(2)

【技术特征摘要】
1.一种用于火焰中气体浓度及温度的检测方法，其特征在于，获取两条互相垂直并相交穿过火焰的激光线信号光谱数据，用双波长温度算法得到激光线穿过火焰的被测气体浓度及温度，其算法步骤是：由朗伯比尔定律的公式(1)推导出公式(2)其中：A是气体在一个频率光波下的吸光度；X为气体浓度；L是光波通过的光程；k为气体吸收系数；αv为在v频率光波下气体吸收系数；It为透射光强；I0为入射光强；It(v)为波长为v下的透射光强；I0(v)为波长为v下的入射光强；φ(v)为归一化的线型函数；对公式(2)中在光波频率上积分得到公式(3)和公式(4)其中：P为混合气体总压；S为吸收线强度；T为温度；由公式(4)得到谱线强度公式(5)其中：T0为参考温度Eη为低能态能量；c2＝hc/k为第二辐射常量1.1388；νηη'为谱线跃迁频率；S(T0)为参考温度下的谱线强度；Q(T)、Q(T0)为气体配分函数；根据公式(1)和(5)将互相垂直的2条激光线吸光度A1和A2相除消掉配分函数，得到吸光度的比值R的公式(6)其中：h为普拉克常量；c为光速；E”为低能态能量；并由公式(6)得到激光线穿过火焰的待测区域温度T表示公式(7)由公式(4)和(7)获得激光线穿过火焰的被测气体浓度及温度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：将待测火焰区域划分为若干离散网格，网格由2m条所述互相垂直并相交的激光线组成，m是大于1的整数，用所述双波长温度算法通过代数迭代算法反演得到火焰燃烧区域内的气体浓度及温度分布；所述代数迭代算法反演中第m条光线的吸光度可表示为公式(8)其中：m为第m条激光；i为第i个网格；Lim代表第m条激光穿过编号为i网格的光程长度；αi代表第i网格内气体吸收系数；由所述的吸光度公式(8)得到吸收系数的代数迭代算法公式(9)：采用最...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏占峰，吕佳明，常洋，鞠昱，
申请(专利权)人：北京航天易联科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11