基于声光融合的混合气体温度场浓度场测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
基于声光融合的混合气体温度场浓度场测量方法及装置
本专利技术属于声光检测
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，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：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：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。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：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。一种基于声光融合的混合气体温度场浓度场测量装置，包括：声学传感器、激光准直器、激光探测器、单片机、第一放大器、双向开关、声波发射端多路开关、声波接收端多路开关、第二放大器、相位检测模块、激光控制器、激光光源及基座、激光斩波器、激光分路器、光纤、锁相放大器、数据采集卡、计算机；其中，被测区域周围布置多个声学传感器以及对应的激光准直器和激光探测器；声学传感器分别连接声波发射端多路开关和声波接收端多路开关，声波发射端多路开关分别连接双向开关、相位检测模块、第一放大器、单片机，声学接收端多路开关分别连接第二放大器、双向开关、相位检测模块，计算机再与相位检测模块和单片机相连接；多个激光准直器与激光分路器通过光纤连接，激光分路器、激光斩波器、激光光源及基座、激光控制器依次连接，光源功率由激光控制器控制，激光探测器、锁相放大器、数据采集卡，计算机依次相连。所述声学传感器为收发一体，每个声学传感器由信号线连接至多路开关芯片，超声波发射信号由单片机提供，同时单片机提供双向开关与多路开关的控制信号，双向开关负责选择声学传感器完成发射或者接收功能，而多路开关控制信号负责声学测量通道的选择。所述计算机发出声学测量的使能信号指令，每次测量结果通过USB接口数据线传输回计算机。所述激光准直器发出激光，激光控制器控制光源发出的激光通过斩波器调制后由激光分路器分成若干束激光经过光纤传输至激光准直器，激光探测器接收衰减后的激光并转化为电压信号，通过内部自带的放大电路进行放大后输出至锁相放大器，锁相放大器输出的信号通过数据采集卡传入计算机。本专利技术提供了一种重建混合气体温度场及浓度场的新方法及装置，具有以下有益效果：(1)测量方法首次提出，原理简单，集合了声学及光学的测量优势，精度较高。(2)由于固定波长的激光光源成本较低，增加的声学设备价格也较低廉，故整个系统成本较可调谐激光检测系统低很多。(3)能同时完成温度场及浓度场的重建，具有较大的工程意义。附图说明图1为基于声光融合法的温度场、浓度场测量装置结构示意图。图2(a)-(c)为同时重建温度场、浓度场方法示意图。图3(a)-(b)为实验测量数据图。图4(a)-(b)为重建的温度场及浓度场图。其中，1-声学传感器、2-激光准直器、3-激光探测器、4-被测区域、5-单片机、6-第一放大器、7-双向开关、8-声波发射端多路开关、9-声波接收端多路开关、10-第二放大器、11-相位检测模块、12-激光控制器、13-激光光源及基座、14-激光斩波器、15-激光分路器、16-光纤、17-锁相放大器、18-数据采集卡、19-计算机。具体实施方式本专利技术提供一种基于声光融合的温度场浓度场测量方法及装置。下面结合附图，对优选实施例作详细说明。图1所示为基于声光融合法的温度场、浓本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
1.一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：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：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：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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋伟，刘岩，黄帆，任思源，刘厦，周信华，刘石，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11