一种基于TDLAS技术的气波管内波系运动的光学检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于TDLAS技术的气波管内波系运动的检测方法，在气波管内通入含某组分的气体，通过TDLAS设备可实现非接触式采集管内因气波运动产生的光强变化信号；并对光强信号进行处理，从而得到管内特定气体组分的浓度信号特征量，以实现对高频非定常波系运动特征的检测。本发明专利技术所采用的光学检测是一种非接触式在线检测方法，检测装置简单、安全、环保，响应频率快，填补了非定常气波检测领域的空白。白。白。

【技术实现步骤摘要】
一种基于TDLAS技术的气波管内波系运动的光学检测方法


[0001]本专利技术涉及的是一种气波管内含湿、含甲烷混合气体的高频运动特征，尤其涉及的是一种气波管内高频非定常波系运动特征的光学检测方法。

技术介绍

[0002]膨胀制冷是利用气体压力能实现制冷的有效方式，常见的膨胀制冷机械有节流阀、透平膨胀机、气波制冷机等。相对于传统的节流膨胀与透平膨胀设备，气波制冷设备具有结构简单、加工容易、操作维护方便、可带液操作等优点，可用于轻烃回收、天然气处理等工业领域，具有广泛的应用前景。
[0003]气波制冷机通过气波管内气体非定常运动形成激波与膨胀波，从而实现能量交换达到制冷效果。当高压进气含有可凝组分时，由于膨胀波作用管内将发生非平衡凝结，释放凝结潜热，改变波系运动行为。而管内波系运动的改变以及冷热掺混会造成液滴的二次蒸发，进而影响气波制冷机的制冷效果。目前对于气波管内相变行为的计算多基于理想气体状态方程，未考虑水等极性分子之间的氢键作用；又由于有效实验手段的缺失，无法对管内波动流场中的液相参数(温度、质量分数等)进行测量，难以支撑数值模拟结果。因此，针对气波管高频复杂的波系非定常波系运动开发相应的检测手段，准确分析凝结与蒸发两种相变行为的关联和其对制冷效果的影响，对提高气波制冷机工作性能非常重要。
[0004]综上，实现对气波管内非定常流场中高频波系运动特征(尤其是存在含相变的条件下)的检测仍然是该领域的一大难题。本专利技术采用非接触式可调谐半导体激光吸收光谱技术(简称TDLAS技术)，通过采集气波管内含相变气体运动产生的光强变化信号，结合激波理论和气波运动过程的机理分析，建立一种气波管内高频非定常波系运动的光学检测方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于填补研究空白，提供一种高频气波管内波系运动特征的光学检测方法。通过非接触式采集气波管内水蒸气和甲烷气体运动过程中产生的光强信号并加以分析，利用LabVIEW软件处理数据，实现气波管内水蒸气浓度与甲烷浓度的高频瞬态检测，以探究管内凝结与蒸发行为对波系运动的影响。
[0006]本专利技术首先提供了一种基于TDLAS技术的气波管内波系运动的光学检测方法，其包括以下步骤：
[0007](1)根据目标气体分子对红外光谱的特征吸收区，选择相匹配的激光器，布置TDLAS设备，在透明材质气波管外壁面设置1对或多对激光器发射端和接收端，获取测量位置光强信号；采用惰性气体通入气波管，获得校正光强信号的基线；
[0008](2)通入待测气体，采集光强信号，并进行数据处理，得到气波管内目标气体浓度分布参数；
[0009](3)根据步骤(2)得到的目标气体浓度分布参数获得气波波系运动特征。
[0010]优选的，所述步骤(1)中TDLAS设备由控制机箱、激光器、光纤、气体检测池、上位机组成，其中控制机箱包含放大器、数据采集卡；利用激光器的电流调制特性，激光器的输出波长在目标气体的吸收峰附近来回扫描的同时进行高频调制，激光穿过气体检测池后信号发生变化，通过光纤传输将带有气体浓度信号的光强信号传输至控制机箱；在控制机箱内，光强信号经过放大器放大、滤波、光/电转换后，由数据采集卡采集至上位机，进行信号处理得到浓度信息。
[0011]优选的，所述步骤(1)中，还包括获取标准曲线的步骤，其方法为：通入不同已知浓度的目标气体，利用TDLAS设备获得浓度测量值，根据测量值与真实值绘制标准曲线，获得校正系数；
[0012]所述步骤(2)中数据处理时，先将获取得到的光强信号扣除步骤(1)中获得的校正光强信号的基线，然后对扣除基线后的光强信号进行转换得到浓度信号，之后根据校正系数对各个检测位置的浓度信号进行校正，并根据校正后的浓度信号得到气波管内目标气体浓度分布参数。
[0013]所述步骤(2)中，先将获取得到的光强随时间的变化信号扣除步骤(1)中获得的校正光强信号的基线，是为了除去气波管内原有气体的干扰，使激光信号处于零吸收状态。
[0014]标准曲线的必要性在于，TDLAS的浓度测量机理基于朗伯
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比尔定律，而气波管各个位置的激光穿透率有所差异，在每个测量位置都需要对标准曲线进行测定。
[0015]优选的，步骤(1)中，同种目标气体可布置1
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2个不同波长的激光器；对不同目标气体可同时布置多个不同波长的激光器同时进行检测；当激光器的布置数量为多个时，激光器沿平行于轴线方向布置在透明材质气波管的外壁面上。
[0016]优选的，所述步骤(2)的数据处理基于朗伯
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比尔定律，采用LabVIEW软件，对锁相提取的二次谐波信号进行数据滤波、背景扣除以及信号转换计算。
[0017]在对光信号进行光电转换和前置放大系统处会引入噪声，主要包含散粒噪声、热噪声、频率噪声等。三种噪声都可通过降低电路通频带来减小，其中，频率噪声与调制频率成反比，可通过提高调制频率来减小。在进行波长调制时伴随着振幅调制，会产生残余幅度调制噪声，使谐波信号产生偏移，可通过背景扣除法来消除。根据消噪和背景扣除后的二次谐波信号，推算待测气体的吸收线型，计算出吸收系数值和待测气体浓度大小。
[0018]优选的，所述步骤(3)中的描述气波波系运动特征的参数主要是由气体浓度在待测位置的变化情况分析获得下列a～d中的一项或多项，：
[0019]a.根据所测气体浓度信号的波形变化，判断分析激波、膨胀波、凝结激波的存在与强度；
[0020]b.根据所测气体浓度信号的出峰频率,检测气波管内激波生成频率；
[0021]c.根据所测气体浓度信号峰形的持续时间，检测气波管内单个激波持续时间；
[0022]d.根据水蒸气浓度信号与压力信号，检测气波管内流体特性变化。
[0023]优选的，所述d项中，当气波管内出现流体相态变化时，即存在气相向液相转变的行为时，水蒸气浓度信号会出现减小的趋势，即为出现凝结激波，通过与压力信号相对比，可实现气波管内凝结激波的检测和管内液含率大小的检测。
[0024]本专利技术还公开了一种基于TDLAS技术的气波管内波系运动的光学检测装置，该检测装置包括至少1组TDLAS激光器、光纤、控制机箱和上位机；根据管内所测气体组分不同，
选择不同波长的TDLAS激光器，TDLAS激光器发射端与接收端分别置于透明气波管同一轴向位置的两侧并对齐光路，光强信号通过光纤传输至控制机箱内，控制机箱进行光电信号转换、信号放大、锁相提取、信号采集，采集到的信号传输至上位机进行数据处理分析，得到表征气波管内波系运动特征的参数。
[0025]当激光器数量增加时，发射端和接收端优先沿气波管轴向均匀布置；当需要对某一已设置检测点位置附近进行浓度信号的完整变化过程检测时，在该检测点的附近沿轴向均匀布置激光器的发射
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接收端。
[0026]优选的，所述TDLAS激光器的频率响应特性相同，频率响应范围为1Hz～1MHz。
[0027]本专利技术具有以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于TDLAS技术的气波管内波系运动的光学检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据目标气体分子对红外光谱的特征吸收区，选择相匹配的激光器，布置TDLAS设备，在透明材质气波管外壁面设置1对或多对激光器发射端和接收端，获取测量位置光强信号；采用惰性气体通入气波管，获得校正光强信号的基线；(2)通入待测气体，采集光强信号，并进行数据处理，得到气波管内目标气体浓度分布参数；(3)根据步骤(2)得到的目标气体浓度分布参数获得气波波系运动特征。2.根据权利要求1所述的气波管内波系运动特征的光学检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中TDLAS设备由控制机箱、激光器、光纤、气体检测池、上位机组成，其中控制机箱包含放大器、数据采集卡；利用激光器的电流调制特性，激光器的输出波长在目标气体的吸收峰附近来回扫描的同时进行高频调制，激光穿过气体检测池后信号发生变化，通过光纤传输将带有气体浓度信号的光强信号传输至控制机箱；在控制机箱内，光强信号经过放大器放大、滤波、光/电转换后，由数据采集卡采集至上位机，进行信号处理得到浓度信息。3.根据权利要求1所述的气波管内波系运动特征的光学检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，还包括获取标准曲线的步骤，其方法为：通入不同已知浓度的目标气体，利用TDLAS设备获得各个检测位置的浓度测量值，根据测量值与真实值绘制标准曲线，获得各个位置的校正系数；所述步骤(2)中数据处理时，先将获取得到的光强信号扣除步骤(1)中获得的校正光强信号的基线，然后对扣除基线后的光强信号进行转换得到浓度信号，之后根据校正系数对各个检测位置的浓度信号进行校正，并根据校正后的浓度信号得到气波管内目标气体浓度分布参数。4.根据权利要求1所述的气波管内波系运动特征的光学检测方法，其特征在于，步骤(1)中，同种目标气体可布置1
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2个不同波长的激光器；对不同目标气体可同时布置多个不同波长的激光器同时进行检测；当激光器的布置数量为多个时，激光器沿平行于轴线方向布置在透明材质气波管的外壁面上。5.根据权利要求1所述的气波管内波系运动特征的光学检测方法，其特征在于，所述步...

【专利技术属性】
技术研发人员：张浩淼，徐琴，王靖岱，黄正梁，杨遥，孙婧元，阳永荣，廖祖维，蒋斌波，冯艺荣，张梦波，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：