[发明专利]一种基于超光谱的高温气体二维瞬态温度场、浓度场分布同时测量的方法

说明书

技术领域

本发明涉及红外激光吸收光谱领域，特别涉及一种基于超光谱的高温气体二维瞬态温度场、浓度场分布同时测量的方法。 

背景技术

温度作为化学反应和工业过程中的重要参数，对温度场的测量，尤其是对于燃烧过程中温度和组分浓度场的有效、准确监测，是提高燃烧效率、控制污染排放、研究燃烧机理、开发高效燃烧器的决定性条件。 

目前温度测量主要分为两类：接触式和非接触式测量方法。 

接触式测量：对于燃烧火焰温度的测量，长期以来使用各种不同类型热电偶、示温漆、热电阻等接触式物理探针或测量仪器进行测量。如采用水冷或气冷的多点热电偶测量燃烧器出口温度分布；采用动态补偿气体温度热电偶测量方法，测量燃气涡轮发动机燃烧室出口；采用薄膜热电偶测量高温表面分布；也有文献报道，采用示温漆测量高温旋转部件和复杂结构部件表面的温度场，最高温度可达1300℃，但测温精度较低。这些物理探针经过工程实践的检验，在其适应范围内，具有测量稳定、成本低和使用简便等优点。不过由于物理探针容易干扰流场或受到不良干扰，结果一般需要谨慎校正；且受燃烧装置尺寸过大、过小或过于复杂的限制，结构上很难实现多点测量，使用范围有限；在高温、高速气流或涉及化学反应过程中，容易损坏和烧毁；一般仅能测量宏观平均物理量，缺乏足够的空间和时间分辨率等。可见，经典的接触式测量方法不仅干扰流场，测量误差大，而且在很多场合无法使用，已不能适应现代科技发展的需要，更为重要的是接触式测量方法很难实现温度场测量。 

非接触式燃烧诊断技术具有不干扰流场的优点，大体上可以分为基于激光诊断技术（激光光谱法）和非激光诊断技术（超声法）。 

激光光谱燃烧诊断法是利用激光信号经过被测介质（高温火焰流场）时信号的物理特性会发生改变，探测器则根据物理特性改变与介质温度（或其它参数）的耦合关系来计算温度（或其它参数）。主要有拉曼散射光谱法、相干反斯托克斯拉曼散射等，但这些方法往往对测量条件要求较高且容易受环境因素的干扰，系统复杂昂贵，操作调试困难，限制 了这些方法在实际工业过程中的应用。 

声学法用于测量燃烧温度，其基本原理是基于声速与气体静态温度的热力学关系，u=(γRT)^1/2。理论上，可以通过测量在已知距离的一对声波传感器之间的声信号传播时间来确定气体温度。声学测温技术以其测量精度高、非插入式、测量范围广（零下～2000℃）、实时连续测量、维护方便等优点，并已实际应用在大型工业炉膛的温度场重建与监测中。但由于高温燃烧火焰烟气介质并非处于静止状态，具有非均匀的速度场分布，声波传递的实际速度应是声速和气流速度的叠加，因此检测获得声波传递速度除了携带气体介质的温度分析信息外，还受到气体流场的影响。 

传统气体浓度检测技术包括人工采样和连续采样两大类，人工采样方法（如化学分析，气象色谱法等）需对气体进行人工采样和实验分析，只能单一成分的逐个进行检测分析，因而该方法效率较低且受操作者分析技能影响较大。连续采样方式常用紫外线、热导式等分析仪器，由采样预处理系统和分析仪器两部分组成，该方法在测量过程中需进行气体采样，响应速度慢，难以进行浓度实时在线监测；单个气体采样点只能得到浓度场中某一处的值，而多点采样测量又会增加设备投资。同时气体在采样过程中易于发生干扰反应，导致测量值和真实值之间存在偏差。 

因此，发展二维瞬态温度场、气体组分浓度场同时实时准确监测技术对高温火焰的燃烧诊断具有重要的意义。 

发明内容

本发明的目的是提供一种基于超光谱的高温气体二维瞬态温度场、浓度场分布同时测量的方法，实现高温气体二维温度场、浓度场的监测。 

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是： 

一种基于超光谱的高温气体二维瞬态温度场、浓度场分布同时检测的方法，其特征是，该方法包括以下步骤： 

步骤一、根据气体组分浓度和温度的空间分辨率要求，对待测二维区域进行网格离散化，划分成M×N的网格，每个网格分别对应一个温度和浓度待测值，总的待测值数目为2×M×N； 

步骤二、根据上述待测值的数目，从HITRAN数据库中选择I条相应气体的特征吸收谱线，其中并提取各谱线的中心波长λ₀、参考温度下线强度S(T₀)、跃迁低态能级E″、分子配分函数Q(T)的系数[a,b,c,d]；