[发明专利]基于声光融合的混合气体温度场浓度场测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于声光检测技术领域，尤其涉及一种基于声光融合的混合气体温度场浓度场测量方法及装置。

背景技术

随着工业化的快速发展，气体温度及组分浓度已经成为化学工业有毒气体检测、生物工程、燃烧诊断等领域中不可或缺的监测对象。特别对于大型火力发电锅炉以及工业炉内的燃烧过程，由于温度及浓度总是耦合的反映燃烧过程参数，若能同时精确的测量其温度场及浓度场，将对控制运行工况具有重要意义。

在声学法测温方面，早在1873年，Mayler就首次提出并成功利用声学法确定了气体环境下的热力条件，但是直到20世纪80年代左右，声学法测温技术才作为一种新兴的科学技术被正式提出并受到各国学者及工程技术人员的关注，但利用该方法测温会受到测量气体浓度变化的影响，而在声学法测浓度方面，最早是由Zener、Landau、Teller研究的弛豫衰减理论用于双原子气体的测量，Schwarz、Kneser提出了SSH理论，以气体分子在声波的影响下发生碰撞从而导致的分子内部微观振动自由能、转动自由能及宏观分子平动自由能之间能量互相转移模型来解释气体弛豫声衰减，而后，Tanczos将SSH理论成功应用于分析多原子气体。本世纪初，美国西北大学Dain、Lueptow等发展了SSH理论，提出的D-L理论能够用于三种多原子气体成分的测量，但是由于高温转动弛豫及振动弛豫振动机理的复杂性，该理论尚在研究阶段。

而在光学法方面，二十世纪中叶，Schawlow和Townes提出了设计激光器的原理，随着可调谐半导体激光器制造技术的发展，到了二十世纪六十年代利用可调谐半导体激光光源来得到高分辨率的吸收光谱成为了可能。Goulard等在80年代首先提出了利用光学重建技术来进行非反应流体的研究，随后国外研究学者在基于激光吸收光谱技术的气体重建方面进行了大量的算法研究和实验分析。可调谐吸收光谱技术具有高灵敏度及精确度，但是可调谐设备本身价格昂贵，不利于应用推广，且由于函数关系的复杂性，对于其温度场浓度场的同时重建在算法上仅能选择遗传模拟退火等迭代算法，重建的实时性得不到保证。

发明内容

一种基于声光融合的混合气体温度场浓度场测量方法，包括：

步骤1、测量在被测区域中传播的声速以及固定波长激光的光谱积分吸收率；

步骤2、分别建立并联合声速、固定波长激光的光谱积分吸收率与混合气体浓度、温度间的关系模型，提出了基于声光融合同时确定混合气体温度、浓度耦合模型；

步骤3、在二维区域中，利用步骤1得到声速及固定波长激光的光谱积分吸收率信息，基于指数SVD反问题求解算法，计算得到二维区域不同处的声速及固定波长激光的光谱积分吸收率；再利用步骤2建立的耦合模型，实现对被测二维区域温度场及浓度场的重建计算。

所述步骤1中的声速的测量方法为：利用窄带宽的两个声波频率，测量收-发信号的相位差，实现准确的传播时间的测量；根据声学传感器的安装位置计算对应声波传播距离，声速是声波传播距离与对应声波传播时间的商。

所述步骤1中的固定激光的光谱积分吸收率的信息是通过激光探测器接收信号强度与对应准直器激光发射强度来获取。

所述的步骤2中，声速同混合气体温度、浓度关系表达如下：

其中，c为声速，γ_mix为混合气体定压热容与定体积热容之比，R为气体常数，T为烟气温度，M_mix为混合气体平均分子质量；γ_mix和M_mix与气体组成成分浓度及温度有关。

所述的步骤2中，固定波长激光的光谱积分吸收率同混合气体温度、浓度之间的关系式表达如下：

其中，A为固定波长激光的光谱积分吸收率，I₀为入射光强，I_t为投射光强，ν为激光频率，P为测量环境的压力，L为吸收光程，X为吸收组分浓度，α_v为吸收系数，S_v(T)为测量所用谱线在温度T下的强度；I₀与I_t符合的Beer-Lambert定律及S_v(T)的表达式如下：