[发明专利]可调谐半导体激光吸收光谱温度实时监测仪

说明书

技术领域

本发明涉及温度监测仪器领域，尤其是一种适用于燃烧现场环境的可调谐半导体激光吸收光谱温度实时监测仪。

背景技术

温度是燃烧效率衡量的最重要的参数之一，温度的测量在工业燃烧锅炉的燃烧效率优化和废气排放控制、发动机燃烧状态诊断控制等领域都占据及其重要的地位。近年来，我国为改善燃烧状况对燃烧器等做了大量改造工作，但燃烧监测技术仍是相对落后的环节。燃烧状态的监测以及新的燃烧模型建立和验证，都急需要相应的技术手段来提供燃烧场区的温度及CO、CO2、O2和NOx浓度等参数的实时准确测量。因而，燃烧温度的准确实时在线监测对燃烧优化和燃烧控制具有重要的意义。

现有的温度测量方法总体分为两类：接触式和非接触式。接触测温中广泛应用的为热电偶、黑体腔式热辐射高温计。热电偶利用两种不同导体或半导体组成的回路两端节点在不同温度环境下分别达到局域热平衡是的热电势，通过标定来测温，这种测量装置比较简单易于操作，但对氧化、还原气氛有特殊要求，存在老化更换问题；黑体腔式热辐射高温计利用耐温蓝宝石单晶光纤作基体材料在端部涂覆金属膜构成黑体腔，在和火焰达成局域热平衡时，利用黑体腔内的自发热辐射采用双色测温法测量当地温度；以上两种接触式测量均为点式侵入测量，场测量需要多点分布，实际中存在困难且会对燃烧场区造成影响，同时局域热平衡的要求也限制了其响应的速度。

燃烧温度场，特别是对瞬态燃烧温度场，接触式测量会打乱温度长的初始分布，而且接触式测量响应速度较慢，不能实现温度场的实时测量。而且对于有较高流速的燃烧气体温度场，接触式测量会因气体冲击转换的热能而温度升高，测量为总温而不是温度场的静温。因而需要发展具有较好瞬态响应特性的非接触式温度测量技术。

传统的非接触测温分为两种：一是通过燃烧介质的热力学性质参数测温，如声学法；二是利用火焰辐射特性用光学法测温(亮度法，全辐射法，比色法)；声学法测温利用声波在介质中传播速率随气体温度变化来求解温度或温度场，测温基于理想气体假设，所测火焰温度为路径平均温度，实际燃烧环境的粉尘颗粒浓度、粒径分布、气流等影响需要进行建模并对测量作出相应修正，使其普适性和精度受到很大影响。辐射测温以黑体辐射定律、普朗克定律、维恩位移定律、斯特藩-波尔兹曼定律为基础，因实际物体均不是黑体，辐射测温受实际物体发射率的影响。全辐射测温仪、亮度测温仪、比色测温仪分别通过接收目标全光谱范围总辐射、测量目标在给定波长附近一窄带光谱内的辐射亮度、两个波段内单色辐射能量比值来确定目标温度。其中全辐射测温受发射率影响大，响应慢，精度不高，测温范围较小；亮度测温测量精度相对要高，仅适用于高温测量；比色法测量误差较小，但受光路上尘埃、烟雾影响，要保证两波段的辐射吸收率相近，所选波长如在光路上存在组分的选择性吸收会产生较大误差。

新发展的非接触激光光谱测温，如瑞利散射(RS)光谱，拉曼光谱和相干反斯托克斯拉曼散射光谱法(CARS)，平面激光诱导荧光发(PLIF)及吸收光谱法(AS)。激光光谱测温除瑞利散射光谱外，总体来说是基于波尔兹曼分布的，不同温度下不同能级的布居数不同。拉曼光谱测温通过测量入射光垂直或其他方向分子对入射激光的散射，通过拉曼散射光强度分布对温度进行测量。CARS方法测温，对热平衡系统，特定温度对应特定强度的相干反斯托克斯光，确定其强度来测温。PLIF方法测温用激光束激励原子或分子到激发态，在垂直激光束方向收集由不稳定激发态向低能级自发辐射产生的荧光，利用波尔兹曼分数和温度的关系进行温度测量，PLIF方法可以实现面的温度场瞬时成像。CRRS和PLIF方法测量精度相对较高，但两者光学结构复杂，信号调节和处理困难，光源功率要求高，不适宜实际的工业环境应用。

AS方法，利用气体在红外光谱区的特征吸收，采用双线或多条吸收线来给出温度信息，测量精度相对CARS和PLIF方法要略低。测量温度为路径平均意义下的静温，通过多条路径的测量结合CT算法可以给出温度场的分布。窄线宽的可调谐半导体激光器光源的迅速发展，推动了高分辨吸收光谱技术的发展，即可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术。国外已经在上世纪80年代即开展了TDLAS气体检测方法研究，TDLAS燃烧监测已成功应用于工业燃烧锅炉和发动机诊断。国内TDLAS燃烧监测则处于起步状态。TDLAS测温系统实现简单，光纤发射和耦合方式使系统容易适应测量环境和小型化。对其他测量环境气体组分没有特殊要求，不受其他气体成分及其变化的干扰，仅要求光路所需的光学发射和接收窗口，具备一定的抗粉尘、烟雾干扰能力，能够实现非侵入的实时在线温度监测，具有工业环境应用前景。