基于TDLAS技術(shù)對高溫環(huán)境中CO2氣體參數(shù)的測量方法研究.pdf

1、近年來，隨著工業(yè)的快速發(fā)展和人們經(jīng)濟(jì)水平的提高，資源和環(huán)境問題也日趨嚴(yán)峻。其中，溫室效應(yīng)會造成海平面上升、氣候反常、海洋風(fēng)暴增多、土地干旱、農(nóng)作物產(chǎn)量下降等環(huán)境和社會問題，并已成為世界關(guān)注的焦點。而CO2是造成溫室效應(yīng)的主要氣體之一，其主要來源于工業(yè)生產(chǎn)、冬季采暖以及汽車尾氣等方面。因此，CO2的減排和回收已成為當(dāng)前研究的熱點。其中，對CO2排放量的監(jiān)測是尤為重要的課題研究。現(xiàn)有的氣體檢測技術(shù)中可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(Tunable

2、Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技術(shù)具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、靈敏度高、響應(yīng)速度快、非侵入等優(yōu)點，不僅可用于大氣環(huán)境的氣體檢測，還在燃煤鍋爐、航空發(fā)動機(jī)燃燒室等流場診斷方面有廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文以CO2為目標(biāo)氣體，利用TDLAS技術(shù)對CO2在實際測量應(yīng)用中遇到的問題展開研究:(1)固體光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具是TDLAS測量氣體參數(shù)的重要工具，具有精細(xì)自由譜間距(Free Spectral Ra

3、nge，F(xiàn)SR)的光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具加工難度大，成本較高，并且FSR不易精確確定，無法準(zhǔn)確獲得分布反饋式(Distributed Feedback，DFB)激光器的頻率響應(yīng)特性，給TDLAS技術(shù)中的免標(biāo)定波長調(diào)制(Calibration-free Wavelength Modulation Spectroscopy，CF-WMS)方法帶來測量誤差。(2)TDLAS技術(shù)一般采用波長調(diào)制結(jié)合雙線法測量氣體的溫度，其應(yīng)用在頻分和時分復(fù)用兩種方式下易產(chǎn)

4、生頻率串?dāng)_和降低時間分辨率等問題，在實際應(yīng)用中有一定的局限性。(3)TDLAS技術(shù)對CO2濃度的測量研究主要是線平均測量，而在燃燒流場二維非均勻環(huán)境中的CO2濃度測量研究極少，并且在燃燒流場中近紅外波段CO2的吸收較弱且容易受H2O的干擾，由于DFB激光器可調(diào)諧范圍較小，同時掃描到CO2和H2O的吸收峰存在一定的難度，因此，不適合采用多峰擬合的方式獲取積分吸收面積A以得到CO2的濃度。針對上述問題，本文開展的主要研究內(nèi)容如下:
　

5、　1、針對通過固體光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具獲取分布反饋式(DFB)激光器的頻率響應(yīng)特性(v(t))時存在的問題，提出了一種簡易確定DFB激光器的v(t)的方法。通過CF-WMS測量CO2的濃度驗證了獲取的v（t)的準(zhǔn)確性，并分析了該方法的適用條件。當(dāng)環(huán)境溫度已知時，在一定氣體濃度范圍內(nèi)，利用扣除背景經(jīng)峰值歸一化的二次諧波信號(R2f/p)對氣體濃度不敏感而僅對v(t)敏感的特性，通過最小二乘法擬合R2f/p來獲取激光器的v(t)，并選取CO2在500

6、7.787cm-1(R(50))附近的吸收峰，結(jié)合獲取的v（t)對不同CO2標(biāo)氣濃度進(jìn)行了免標(biāo)定測量。
　　2、提出了一種基于波長調(diào)制(Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS)技術(shù)的免標(biāo)定單線測量法，只利用一條吸收譜線即可實現(xiàn)對氣體溫度和濃度的同時測量。以燃燒過程中的主要產(chǎn)物之一CO2為目標(biāo)氣體，根據(jù)提出的選線準(zhǔn)則選擇中心頻率為5007.787cm-1(R(50))的吸收譜線對本方法進(jìn)行了數(shù)值

7、仿真和實驗驗證。所選譜線具有如下性質(zhì):R2f/p的線型主要由溫度決定;一次諧波歸一化的二次諧波信號(R2f/1f)的幅值與CO2濃度成正比的關(guān)系。據(jù)此，可以從R2f/p的線型中提取溫度信息，進(jìn)而再利用R2f/1f提取CO2濃度信息。
　　3、提出了一種基于TDLAS技術(shù)的非均勻流場二維濃度分布的重建方法，實現(xiàn)了對航空發(fā)動機(jī)燃燒室出口CO2濃度分布的測量。研究表明CO2的吸收譜線R(50)具有如下特點:R2f/1f在中心頻率處的幅值