一种火焰中CH和NH2自由基浓度测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种火焰中CH和NH2自由基浓度测量系统及方法，该系统包括：宽谱光源，用于产生光源；多通光路，包括三片凹面反射镜，所述多通光路用于将预先控制好的火焰上方光束直径的光线，分别经过所述三片凹面反射镜的反射输出反射光线；光谱仪，用于接收并测量所述反射光线中CH和NH2自由基的浓度和吸收光谱。本发明专利技术可以以较低的成本实现多种自由基浓度的同步测量。同步测量。同步测量。

【技术实现步骤摘要】
一种火焰中CH和NH2自由基浓度测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及光谱测量
，尤其涉及一种火焰中CH和NH2自由基浓度测量系统及方法。

技术介绍

[0002]燃烧中重要气体分子浓度的测量对于研究燃烧反应机理、了解燃烧内部状态、控制燃烧污染物生成等具有重要作用。而其中，CH、NH2等微量自由基参与重要的燃烧基元反应过程，其浓度测量对于燃烧机理研究具有非常高的价值。但这些微量自由基的测量非常困难：一方面其浓度极低，体积分数往往只有ppm甚至ppb水平；另一方面其存在时间非常短，仅分布在非常狭窄的范围内，常压下往往只有0.5mm左右，对测量系统的测量检出限和空间分辨率提出了非常高的要。
[0003]现有测量技术中，存在如下三种方案：方案1使用可调谐、窄线宽的紫外
‑
可见激光器，进行吸收光谱测量，如图1所示，方案2使用紫外
‑
可见激光器结合腔衰荡光谱(CRDS)技术测量，如图2所示，方案3使用紫外
‑
可见激光器结合激光诱导荧光(LIF)技术进行测量，并通过紫外
‑
可见激光腔衰荡光谱(CRDS)进行定量化标定，如图3所示。1)现有技术均使用紫外
‑
可见激光器进行测量，价格过于昂贵，而且体积较为庞大，测量系统复杂；2)方案(1)仅使用紫外
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可见激光器进行吸收光谱测量，检出限不够低，许多工况下不足以测量浓度较低的CH和NH2自由基；3)方案(2)和方案(3)，结合腔衰荡光谱和激光诱导荧光技术，测量系统复杂、实验难度较大，而且由于紫外
‑
可见激光器和腔衰荡光谱高反射镜在波长范围上的限制，单一测量系统无法实现多种自由基如CH和NH2的同时测量。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0005]为此，本专利技术的目的在于提出一种基于紫外
‑
可见宽带吸收光谱的火焰中CH和NH2自由基浓度测量系统，使用宽谱光源和光谱仪作为测量设备，测量CH或NH2自由基的吸收光谱；采用平面White型多通光路以获得更低的CH或NH2自由基测量的检出限；采用单通光路测量OH自由基光谱以提供温度测量；利用反射式准直器、凸透镜、双光阑的光路结构控制光束直径；基于宽带吸收光谱的数据采集及处理程序。解决了火焰中浓度极低的微量自由基CH和NH2测量的困难。
[0006]为达上述目的，本专利技术另一方面提出了一种火焰中CH和NH2自由基浓度测量方法。
[0007]本专利技术一方面提出了一种火焰中CH和NH2自由基浓度测量系统，包括：
[0008]宽谱光源，用于产生光源；
[0009]多通光路，包括三片凹面反射镜，所述多通光路用于将预先控制好的火焰上方光束直径的光线，分别经过所述三片凹面反射镜的反射输出反射光线；
[0010]光谱仪，用于接收并测量所述反射光线中CH和NH2自由基的浓度和吸收光谱。
[0011]根据本专利技术实施例的火焰中CH和NH2自由基浓度测量系统还可以具有以下附加技
术特征：
[0012]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述系统，还包括：单通光路，用于利用光谱仪对所述预先控制好的火焰上方光束直径的光源进行OH自由基光谱测量，以提供温度数据；其中，所述单通光路是通过所述宽谱光源连接分束光纤的方式得到。
[0013]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述系统，还包括：光路结构，用于控制所述火焰上方光束直径，所述光路结构分别应用于所述多通光路和所述单通光路；其中，所述光路结构包括反射式准直器、凸透镜和双光阑。
[0014]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述三片凹面反射镜，分别为第一、第二和第三凹面反射镜，所述第一凹面反射镜的尺寸大于所述第二和第三凹面反射镜，所述三片凹面反射镜的焦距相同，所述第一凹面反射镜分别与所述第二和第三凹面反射镜的距离为2倍焦距。
[0015]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述系统，还包括：数据采集处理模块，所述数据采集处理模块包括，数据采集子单元和数据处理子单元，其中，所述数据采集子单元，用于点燃火焰，采集火焰辐射I
f
；打开光源，采集吸收光谱信号I
t
；关闭火焰，采集原始光强I0；关闭光源，采集背景信号I
b
；所述数据处理子单元，用于利用宽带吸收光谱的理论模型，根据拟合公式对所述数据采集子单元采集的光谱进行最小二乘拟合：
[0016][0017]其中，P是压强，X是体积分数(浓度)，L是光程，T是温度，S
P,i
(T)第i条谱线的单位压强吸收线强度，φ
i
是谱线自身展宽，Φ是光谱仪仪器函数。
[0018]为达到上述目的，本专利技术另一方面提出了一种基于紫外
‑
可见宽带吸收光谱的火焰中CH和NH2自由基浓度测量方法，包括：
[0019]构建基于宽带吸收光谱的单通光路和多通光路耦合的测量系统；
[0020]利用光束直径控制光路，调节光阑的通光孔径以控制光束直径；
[0021]使用单通光路，调节光谱仪至第一波长，测量OH自由基的宽带吸收光谱，并根据拟合公式进行最小二乘拟合，得到温度数据和浓度数据；
[0022]使用多通光路，调节光谱仪至第二波长测量CH自由基的光谱，调节光谱仪至第三波长测量NH2自由基的光谱，并基于所述CH自由基的光谱和所述NH2自由基的光谱以及温度数据和浓度数据，最终完成CH和NH2自由基的浓度测量。
[0023]本专利技术实施例的火焰中CH和NH2自由基浓度测量系统及方法，采用宽谱光源和光谱仪进行测量，并采用平面White型多通池提高光程、获得更低的检出限，可以以较低的成本实现多种自由基浓度的同步测量。本方案的设备成本和体积、以及系统复杂程度和实验难度均远低于现有技术。并且相比于现有技术中单一测量系统只能实现一种自由基的浓度测量，本方案具有多种自由基(包括CH和NH2)同步测量的能力。
[0024]本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0025]本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得
明显和容易理解，其中：
[0026]图1为使用可调谐、窄线宽的紫外
‑
可见激光器示意图；
[0027]图2为使用紫外
‑
可见激光器结合腔衰荡光谱(CRDS)技术测量示意图；
[0028]图3为使用紫外
‑
可见激光器结合激光诱导荧光(LIF)技术进行测量示意图；
[0029]图4为根据本专利技术实施例的火焰中CH和NH2自由基浓度测量系统的结构示意图；
[0030]图5为根据本专利技术实施例的多通光路原理示意图；
[0031]图6为根据本专利技术实施例的光束直径控制光路示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种火焰中CH和NH2自由基浓度测量系统，其特征在于，包括：宽谱光源，用于产生光源；多通光路，包括三片凹面反射镜，所述多通光路用于将预先控制好的火焰上方光束直径的光线，分别经过所述三片凹面反射镜的反射输出反射光线；光谱仪，用于接收并测量所述反射光线中CH和NH2自由基的浓度和吸收光谱。2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述系统，还包括：单通光路，用于利用光谱仪对所述预先控制好的火焰上方光束直径的光源进行OH自由基光谱测量，以提供温度数据；其中，所述单通光路是通过所述宽谱光源连接分束光纤的方式得到。3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述系统，还包括：光路结构，用于控制所述火焰上方光束直径，所述光路结构分别应用于所述多通光路和所述单通光路；其中，所述光路结构包括反射式准直器、凸透镜和双光阑。4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述三片凹面反射镜，分别为第一、第二和第三凹面反射镜，所述第一凹面反射镜的尺寸大于所述第二和第三凹面反射镜，所述三片凹面反射镜的焦距相同，所述第一凹面反射镜分别与所述第二和第三凹面反射镜的距离为2倍焦距。5.根据权利要求4所述系统，其特征在于，所述系统，还包括：数据采集处理模块，所述数据采集处理模块包括，数据采集子单元和数据处理子单元，其中，所述数据采集子单元，用于点燃火焰，采集火焰辐射I
f
；打开光源，采集吸收光谱信号I
t
；关闭火焰，采集原始光强I0；关闭光源，采集背景信号I
b
；所述数据处理子单元，用于利用宽带吸收光谱的理论模型，根据拟合公式对所述数据采集子单元采集的光谱进行最小二乘拟合：其中P是压强，X是体积分数(浓度)，L是光程，T是温度，S
P,i
(T)第i条谱线的单位压强吸收线强度，φ
i
是谱线自身展宽，Φ是光谱仪仪器函数。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜艳君，杨鑫宇，彭志敏，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：