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

1、近年來(lái)，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(wèn)題也日趨嚴(yán)峻。其中，溫室效應(yīng)會(huì)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(huì)問(wèn)題，并已成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)。而CO2是造成溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w之一，其主要來(lái)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(diǎn)。其中，對(duì)CO2排放量的監(jiān)測(cè)是尤為重要的課題研究?，F(xiàn)有的氣體檢測(cè)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(diǎn)，不僅可用于大氣環(huán)境的氣體檢測(cè)，還在燃煤鍋爐、航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室等流場(chǎng)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(duì)CO2在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中遇到的問(wèn)題展開(kāi)研究:(1)固體光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具是TDLAS測(cè)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(wú)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(zhǎng)調(diào)制(Calibration-free Wavelength Modulation Spectroscopy，CF-WMS)方法帶來(lái)測(cè)量誤差。(2)TDLAS技術(shù)一般采用波長(zhǎng)調(diào)制結(jié)合雙線法測(cè)量氣體的溫度，其應(yīng)用在頻分和時(shí)分復(fù)用兩種方式下易產(chǎn)

4、生頻率串?dāng)_和降低時(shí)間分辨率等問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性。(3)TDLAS技術(shù)對(duì)CO2濃度的測(cè)量研究主要是線平均測(cè)量，而在燃燒流場(chǎng)二維非均勻環(huán)境中的CO2濃度測(cè)量研究極少，并且在燃燒流場(chǎng)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(shí)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(duì)上述問(wèn)題，本文開(kāi)展的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　

5、　1、針對(duì)通過(guò)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(shí)存在的問(wèn)題，提出了一種簡(jiǎn)易確定DFB激光器的v(t)的方法。通過(guò)CF-WMS測(cè)量CO2的濃度驗(yàn)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(shí)，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(hào)(R2f/p)對(duì)氣體濃度不敏感而僅對(duì)v(t)敏感的特性，通過(guò)最小二乘法擬合R2f/p來(lái)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(duì)不同CO2標(biāo)氣濃度進(jìn)行了免標(biāo)定測(cè)量。
　　2、提出了一種基于波長(zhǎng)調(diào)制(Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS)技術(shù)的免標(biāo)定單線測(cè)量法，只利用一條吸收譜線即可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體溫度和濃度的同時(shí)測(cè)量。以燃燒過(guò)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(duì)本方法進(jìn)行了數(shù)值

7、仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(hào)(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(chǎng)二維濃度分布的重建方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口CO2濃度分布的測(cè)量。研究表明CO2的吸收譜線R(50)具有如下特點(diǎn):R2f/1f在中心頻率處的幅值