一种宽测量范围的激光吸收光谱燃烧诊断方法技术

本发明专利技术涉及燃烧诊断技术领域，涉及一种宽测量范围的激光吸收光谱燃烧诊断方法，包括以下步骤：（1）、确定温度T、组分浓度X和压力P的状态参数范围，在状态参数范围下，进行吸收谱线的数值模拟和优选；（2）、基于优选结果进行实验系统的光路搭建，同时进行吸收谱线的测量，可采用多谱线同时测量或采用时分多路复用技术进行控制对多谱线分别测量；（3）、将测量得到的光谱信号进行后处理，基于后处理得到的光谱吸收度，利用求优算法对目标气体的温度T、组分浓度X和压力P等状态参数进行反演。本发明专利技术能扩展测量范围、提高测量准确度。提高测量准确度。提高测量准确度。

【技术实现步骤摘要】
一种宽测量范围的激光吸收光谱燃烧诊断方法


[0001]本专利技术涉及燃烧诊断
，具体地说，涉及一种宽测量范围的激光吸收光谱燃烧诊断方法，特别是关于激光吸收光谱技术在燃烧诊断中扩展测量范围、提高测量准确度的方法。

技术介绍

[0002]目前，燃烧仍然是电力生产和动力推进等过程的主要能量转换方式，研究和发展先进燃烧技术一直是科学界和工业界的重要目标之一。对于燃烧过程的测量，随着科学技术的进步，非接触式技术如激光测量等发展迅速。相比传统的接触式测量（如热电偶等），激光燃烧诊断技术在定量性和时空分辨率上有着更大的优势和发展潜力。其中，可调谐激光吸收光谱（TDLAS）燃烧诊断技术，可以在免标定的情况下快速对燃烧过程的高温以及燃烧产物进行定量测量，已成为燃烧诊断的重要技术之一。
[0003]激光吸收光谱利用分子转振状态跃迁对特定波长光子的吸收性，对分子的温度、浓度和压力等状态参数通过比尔定律进行计算。然而，对于吸收光谱燃烧诊断中广泛使用的双线测温法，仍存在测量响应范围较窄的技术难点。在选用两根吸收谱线的情况下，虽然能较为简单快速地测出目标分子的温度和浓度，但由于吸收谱线的吸收强度随温度变化较为显著，通常会出现针对高温的选线无法对低温范围区域进行测量，或针对低温的选线无法精准测量高温区域状态参数的情况。这个技术难点限制了吸收光谱在温度或目标组分浓度梯度较大的场景进行应用，通常表现在温度或浓度从较高数值到较低数值的过渡区域测量误差较大，甚至在较低数值的区域直接无法测得结果。同时，该技术难点也严重限制了利用吸收光谱技术在基础燃烧科学领域进行更多探索的可能。即使结合了层析成像和多谱线等方法，如中国专利技术专利（CN107906555A）提出的基于多谱线吸收光谱断层成像技术的燃烧优化控制方法，其吸收光谱层析有效感知区域依然存在局限。

技术实现思路

[0004]本专利技术的内容是提供一种宽测量范围的激光吸收光谱燃烧诊断方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
[0005]根据本专利技术的一种宽测量范围的激光吸收光谱燃烧诊断方法，其包括以下步骤：（1）确定温度T、组分浓度X和压力P的状态参数范围，在状态参数范围下，进行吸收谱线的数值模拟和优选；（2）基于优选结果进行实验系统的光路搭建，同时进行吸收谱线的测量，可采用多谱线同时测量或采用时分多路复用技术进行控制对多谱线分别测量；（3）将测量得到的光谱信号进行后处理，基于后处理得到的光谱吸收度，利用求优算法对目标气体的温度T、组分浓度X和压力P等状态参数进行反演。
[0006]作为优选，步骤（1）中，利用光谱计算程序在0.1~10微米波长范围内进行吸收谱线的数值模拟和优选。
[0007]作为优选，步骤（1）中，吸收谱线的数值模拟和优选包括以下步骤：（1.1）将状态参数范围分为n等分，，利用吸收谱线对应吸收度的数值模拟，选取不同状态参数等分端点下，吸收光谱实验系统信噪比参数大于5的吸收谱线n+1根，其中实验系统信噪比定义为吸收谱线峰值与系统自带噪声大小之比；（1.2）将步骤（1.1）中筛选后的吸收谱线，与现有商业可用激光波长信息库进行比对，优选已有商业可用波长，同时确保每个状态参数等分范围内均有一根吸收谱线，并且这些吸收谱线的低态能量均匀地分布于101至103cm
‑1的数量级之间，或吸收谱线强度在指定温度范围等分点附近均有谱线；由此筛选出来的吸收谱线组合适用于测量300 K至3000 K温度范围内的气体状态参数，通过调整低态能量的数量级范围或谱线吸收谱线强度的有效温度范围，即可筛选适用于不同温度范围的谱线组合。
[0008]作为优选，步骤（2）中，吸收谱线的测量时，激光光源可为窄波长光源或宽波长光源。
[0009]作为优选，窄波长光源为分布反馈激光，宽波长光源为激光光梳。
[0010]作为优选，步骤（3）中，利用求优算法对目标气体状态参数进行反演的方法为下列的一种或多种；（3.1）根据所选n+1根谱线及其相邻的波数范围，将以下函数作为优化的目标函数，对气体状态参数进行求解：；其中，i为谱线序号，v为波长或波数，α为吸收度，exp代表实验测量，sim代表数值模拟，w
i,v
为权重因子，默认值为1，可根据吸收度、线强大小及线强梯度进行优化；（3.2）根据所选n+1根谱线及其相邻的波数范围，将以下函数作为优化的目标函数，对气体状态参数进行求解：；其中，j为所选取多谱线的两两组合谱线对序号，v0为中心波长或中心波数，R为对应中心波长或中心波数的积分吸收度之比，exp代表实验测量，sim代表数值模拟，w
i,v
为权重因子，默认值为1，可根据吸收度、线强大小及线强梯度进行优化，其中，积分吸收度定义为：；（3.3）根据所选n+1根谱线，将以下函数作为优化的目标函数，对气体状态参数进行求解：
；其中，k为中心波长或中心波数序号，v0为中心波长或中心波数，α
v0
为谱线峰值吸收度，exp代表实验测量，sim代表数值模拟，w
i,v
为权重因子，默认值为1，可根据吸收度、线强大小及线强梯度进行优化。
[0011]本专利技术由于采取以上技术方案，具有以下优点：1、本专利技术通过增加吸收谱线、优选谱线和求优算法，利用多谱线在不同温度范围的信息优势，显著拓宽吸收光谱的有效感知范围，较为简单高效；2、本专利技术依靠多谱线在不同温度范围内误差响应的差异，在多谱线求优过程中，，大幅度减少最大误差，从而减少实验系统噪声对最终结果的影响；3、本专利技术的吸收谱线优选方案以最终吸收度作为主要选择标准，从而适用于不同物理尺度的目标场的诊断，灵活可靠；4、本专利技术的吸收谱线优选方案无筛选独立吸收峰，从而适用于单组分或多组分目标气体在不同温度和压力下的宽范围高精度测量；5、本专利技术与吸收光谱双线测温法具有同样的扩展性，可与层析成像等方法直接结合，对非均匀场进行宽范围测量。
附图说明
[0012]图1为实施例1中一种宽测量范围的激光吸收光谱燃烧诊断方法的流程图；图2是实施例1中应用于标准平面火焰选线结果示意图；图3是实施例1中应用于平面火焰层析成像的有效测量范围与双线法的数值实验对比示意图；图4是实施例1中应用于平面火焰层析成像的噪声免疫性与双线法的数值实验对比示意图。
具体实施方式
[0013]为进一步了解本专利技术的内容，结合附图和实施例对本专利技术作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本专利技术进行解释而并非限定。
[0014]实施例1如图1所示，本实施例提供了一种宽测量范围的激光吸收光谱燃烧诊断方法，其包括以下步骤：（1）确定温度T、组分浓度X和压力P等状态参数的大致范围，在相应状态参数范围下，利用光谱计算程序在0.1~10微米波长范围内进行吸收谱线的数值模拟和优选；吸收谱线的数值模拟和优选包括以下步骤：（1.1）将状态参数范围分为n等分， ，利用吸收谱线对应吸收度的数值模拟，选取不同状态参数等分端点下，吸收光谱实验系统信噪比参数大于5的吸收谱线n+1根，其中实验系统信噪比定义为吸收谱线峰值与系统自带本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽测量范围的激光吸收光谱燃烧诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）确定温度T、组分浓度X和压力P的状态参数范围，在状态参数范围下，进行吸收谱线的数值模拟和优选；（2）基于优选结果进行实验系统的光路搭建，同时进行吸收谱线的测量，可采用多谱线同时测量或采用时分多路复用技术进行控制对多谱线分别测量；（3）将测量得到的光谱信号进行后处理，基于后处理得到的光谱吸收度，利用求优算法对目标气体的温度T、组分浓度X和压力P状态参数进行反演。2.根据权利要求1所述的一种宽测量范围的激光吸收光谱燃烧诊断方法，其特征在于：步骤（1）中，利用光谱计算程序在0.1~10微米波长范围内进行吸收谱线的数值模拟和优选。3.根据权利要求1所述的一种宽测量范围的激光吸收光谱燃烧诊断方法，其特征在于：步骤（1）中，吸收谱线的数值模拟和优选包括以下步骤：（1.1）将状态参数范围分为n等分，，利用吸收谱线对应吸收度的数值模拟，选取不同状态参数等分端点下，吸收光谱实验系统信噪比参数大于5的吸收谱线n+1根，其中实验系统信噪比定义为吸收谱线峰值与系统自带噪声大小之比；（1.2）将步骤（1.1）中筛选后的吸收谱线，与现有商业可用激光波长信息库进行比对，选出已有商业可用波长，同时确保每个状态参数等分范围内均有一根吸收谱线，并且这些吸收谱线的低态能量均匀地分布于101至103cm
‑1的数量级之间，或吸收谱线强度在指定温度范围等分点附近均有谱线；由此筛选出来的吸收谱线组合适用于测量300 K至3000 K温度范围内的气体状态参数，通过调整低态能量的数量级范围或谱线吸收谱线强度的有效温度范围，即可筛选适用于不同温度范围的谱线组合。4.根据权利要求1所述的一种宽测量范围的激光吸收光谱燃烧诊断方法，其特征在于：步骤（2...

【专利技术属性】
技术研发人员：张健鹏，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：