[发明专利]一种同时测量高温气体二维瞬态温度场和浓度场的方法

说明书

本发明公开了一种结合超光谱与波长调制来同时测量高温气体二维瞬态温度场和浓度场的方法，该方法通过在待测高温区域布置激光阵列，对待测区域进行超光谱扫描，获得水蒸气吸收谱线信息，并使用数字锁相技术解调得到其各次谐波信号，然后对其进行扣除背景的一次谐波归一化处理，提取信号的最大幅值，来进行区域温度场和水蒸气浓度场的测量，测量过程中，需要对待测区域进行网格离散化处理，通过在网格各行、各列分别布置激光束，对待测气体的特征谱线进行波长调制方式下的宽光谱扫描，借助智能寻优算法实现对温度场、气体浓度场的反演。本发明的测量方法结合了超光谱与波长调制光谱技术，特别适用于在恶劣的工业现场实现高温气体二维温度场和浓度场的监测。

技术领域

本发明涉及一种结合超光谱与波长调制来同时测量高温气体二维瞬态温度场和浓度场的方法，属于激光吸收光谱领域。

背景技术

在科学研究和工程应用中，气体在某些特定区域的温度、浓度参数是研究某些特定设备的工作过程和性能参数、测量和控制物质状态与行为、提高能源利用率的重要物理参数。实现对气体温度场、浓度场的实时有效监测对保证系统的正常运行、环保、节能和安全都具有重要意义。

目前，气体温度测量技术主要分为两大类：接触式测量和非接触式测量。虽然接触式气体温度测量方法经过工程实践检验，在其适用范围内具有结果可信、成本低廉和使用简单等优点，但由于接触式测量过程中物理探针会侵入待测区域，进而对被测对象的温度产生影响，因此，测量结果一般需要谨慎校正；而且由于受到制作材料的限制，在高温、高压等场合均无法使用，这限制了其适用范围；再者，由于接触式测量一般进行单点温度的测量，缺乏足够的空间和时间分辨率，而众多瞬态温度场的描述需要多点非接触式测量技术，比如电厂锅炉内部的温度场分布、发动机燃烧室内的温度场分布等，这些瞬态场的分布靠接触式的单点测量是不可能完成的。相比之下，需要发展非接触式温度测量方法。非接触式测量方法克服了接触式测量方法的缺陷，具有测量仪器无需侵入待测区域、温度不受外界因素干扰等优点。

激光吸收光谱技术是气体传感检测应用方面最为强大的工具之一，利用其高灵敏度、高光谱分辨率、快速响应性以及非侵入性的特点，基于此项技术的气体检测系统在现场测量应用方面具有显著的优势。基于直接吸收法的传统超光谱技术测量高温气体二维瞬态温度场、浓度场的方法，使用积分吸收率计算值和测量值之间的相对误差作为目标函数进行迭代寻优计算，只适用于气体浓度较大、吸收率较高、现场干扰较小、可以拟合基线的情况，然而在许多环境恶劣的工业应用场合，如流化床中的颗粒物，气化炉中的煤粉颗粒和飞灰，会发生光散射，导致非吸收性损耗较大并且时刻变化，同时由于存在谱线干扰，拟合基线存在困难。以上因素均导致基于直接吸收法的传统超光谱技术难以应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结合超光谱与波长调制来同时测量高温气体二维瞬态温度场和浓度场的方法，该测量方法特别适用于在恶劣的工业现场实现高温气体二维温度场和浓度场的监测。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种同时测量高温气体二维瞬态温度场和浓度场的方法，包括如下操作步骤：

步骤一，测量信号的采集：

首先，待测二维区域的形状为L×D的矩形区域，根据待测二维区域的形状和大小，同时结合温度、气体组分浓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；

其次，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，其中并提取各谱线在参考温度下线强度S(T₀)、跃迁低态能级E″、分子配分函数Q(T)的系数[a，b，c，d]，第r条特征吸收谱线的中心波长记为λ_r；其中，r取值为1～I中的整数；