[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

摘要

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。该方法根据测量计算得到的若干声波线及固定波长激光光路穿越测量区域的声速及光谱积分吸收率，结合指数SVD反演算法确定了气体二维区域内的声速及光谱吸收系数分布，利用声速及光谱吸收系数与混合气体温度和浓度的函数关系，同时重建混合气体在测量区域的温度场及浓度场，该装置利用窄带宽的两个声波频率，测量收‑发信号的相位差，实现准确的声波传播时间的测量，利用探测器接收的激光强度与准直器入射激光强度之比得到固定光谱积分吸收率。本发明可应用于工业生产和生活中的多个领域，特别是锅炉内燃烧过程的监测及控制。

主权项

一种基于声光融合的混合气体温度场浓度场测量方法，其特征在于，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；所述的步骤3中，对被测二维空间不同处混合气体的温度和浓度同时重建用以下两式进行描述：tAB=∫LABdsc(x,y)]]>ACD=∫LCDα(x,y)ds]]>其中，LAB表示A处到B处的声波路径，LCD表示C处到D处的声波路径，tAB为声波从A处到B处的传播时间，c(x,y)为坐标(x,y)处的声速，ACD为激光从C处到D处的积分吸收率，α(x,y)为坐标(x,y)处的吸收系数；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：c=γmixRTMmix]]>其中，c为声速，γmix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，Mmix为混合气体平均分子质量；γmix和Mmix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：A=∫-∞+∞-ln(ItI0)dv=PLXSv(T)=αvL]]>其中，A为固定波长激光的光谱积分吸收率，I0为入射光强，It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，αv为吸收系数，Sv(T)为测量所用谱线在温度T下的强度；I0与It符合的Beer‑Lambert定律及Sv(T)的表达式如下：Sv(T)=Sv(T0)Q(T0)Q(T)exp[-hcEkB(1T-1T0)]×[1-exp(hcE/kBT)1-exp(hcE/kBT0)]]]>其中，为线型函数，满足Q(T)为分割函数，其可用温度T的多项式拟合，h为普朗克常数，c为真空中的光速，E为低能级能量，kB为玻尔兹曼常数，T为测量温度，T0为参考温度，Sv(T0)为参考温度T0下的谱线强度。