基于聲光融合的混合氣體溫度場濃度場測量方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于聲光檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于聲光融合的混合氣體溫度場濃 度場測量方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，氣體溫度及組分濃度已經(jīng)成為化學(xué)工業(yè)有毒氣體檢測、 生物工程、燃燒診斷等領(lǐng)域中不可或缺的監(jiān)測對象。特別對于大型火力發(fā)電鍋爐以及工業(yè) 爐內(nèi)的燃燒過程，由于溫度及濃度總是耦合的反映燃燒過程參數(shù)，若能同時精確的測量其 溫度場及濃度場，將對控制運行工況具有重要意義。
[0003] 在聲學(xué)法測溫方面，早在1873年，Mayler就首次提出并成功利用聲學(xué)法確定了氣 體環(huán)境下的熱力條件，但是直到20世紀80年代左右，聲學(xué)法測溫技術(shù)才作為一種新興的科 學(xué)技術(shù)被正式提出并受到各國學(xué)者及工程技術(shù)人員的關(guān)注，但利用該方法測溫會受到測量 氣體濃度變化的影響，而在聲學(xué)法測濃度方面，最早是由Zener、Landau、Teller研宄的弛 豫衰減理論用于雙原子氣體的測量，Schwarz、Kneser提出了 SSH理論，以氣體分子在聲波 的影響下發(fā)生碰撞從而導(dǎo)致的分子內(nèi)部微觀振動自由能、轉(zhuǎn)動自由能及宏觀分子平動自由 能之間能量互相轉(zhuǎn)移模型來解釋氣體弛豫聲衰減，而后，Tanczos將SSH理論成功應(yīng)用于分 析多原子氣體。本世紀初，美國西北大學(xué)DairuLueptow等發(fā)展了 SSH理論，提出的D-L理 論能夠用于三種多原子氣體成分的測量，但是由于高溫轉(zhuǎn)動弛豫及振動弛豫振動機理的復(fù) 雜性，該理論尚在研宄階段。
[0004] 而在光學(xué)法方面，二十世紀中葉，Schawlow和Townes提出了設(shè)計激光器的原理， 隨著可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器制造技術(shù)的發(fā)展，到了二十世紀六十年代利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光 光源來得到高分辨率的吸收光譜成為了可能。Goulard等在80年代首先提出了利用光學(xué)重 建技術(shù)來進行非反應(yīng)流體的研宄，隨后國外研宄學(xué)者在基于激光吸收光譜技術(shù)的氣體重建 方面進行了大量的算法研宄和實驗分析?？烧{(diào)諧吸收光譜技術(shù)具有高靈敏度及精確度，但 是可調(diào)諧設(shè)備本身價格昂貴，不利于應(yīng)用推廣，且由于函數(shù)關(guān)系的復(fù)雜性，對于其溫度場濃 度場的同時重建在算法上僅能選擇遺傳模擬退火等迭代算法，重建的實時性得不到保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] -種基于聲光融合的混合氣體溫度場濃度場測量方法，包括：
[0006] 步驟1、測量在被測區(qū)域中傳播的聲速以及固定波長激光的光譜積分吸收率；
[0007] 步驟2、分別建立并聯(lián)合聲速、固定波長激光的光譜積分吸收率與混合氣體濃度、 溫度間的關(guān)系模型，提出了基于聲光融合同時確定混合氣體溫度、濃度耦合模型；
[0008] 步驟3、在二維區(qū)域中，利用步驟1得到聲速及固定波長激光的光譜積分吸收率信 息，基于指數(shù)SVD反問題求解算法，計算得到二維區(qū)域不同處的聲速及固定波長激光的光 譜積分吸收率；再利用步驟2建立的耦合模型，實現(xiàn)對被測二維區(qū)域溫度場及濃度場的重 建計算。
[0009] 所述步驟1中的聲速的測量方法為：利用窄帶寬的兩個聲波頻率，測量收-發(fā)信號 的相位差，實現(xiàn)準確的傳播時間的測量；根據(jù)聲學(xué)傳感器的安裝位置計算對應(yīng)聲波傳播距 離，聲速是聲波傳播距離與對應(yīng)聲波傳播時間的商。
[0010] 所述步驟1中的固定激光的光譜積分吸收率的信息是通過激光探測器接收信號 強度與對應(yīng)準直器激光發(fā)射強度來獲取。
[0011] 所述的步驟2中，聲速同混合氣體溫度、濃度關(guān)系表達如下：
【主權(quán)項】
1. 一種基于聲光融合的混合氣體溫度場濃度場測量方法，其特征在于，包括： 步驟1、測量在被測區(qū)域中傳播的聲速以及固定波長激光的光譜積分吸收率； 步驟2、分別建立并聯(lián)合聲速、固定波長激光的光譜積分吸收率與混合氣體濃度、溫度 間的關(guān)系模型，提出了基于聲光融合同時確定混合氣體溫度、濃度耦合模型； 步驟3、在二維區(qū)域中，利用步驟1得到聲速及固定波長激光的光譜積分吸收率信息， 基于指數(shù)SVD反問題求解算法，計算得到二維區(qū)域不同處的聲速及固定波長激光的光譜積 分吸收率；再利用步驟2建立的耦合模型，實現(xiàn)對被測二維區(qū)域溫度場及濃度場的重建計 算。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述步驟1中的聲速的測量方法為：利用窄 帶寬的兩個聲波頻率，測量收-發(fā)信號的相位差，實現(xiàn)準確的傳播時間的測量；根據(jù)聲學(xué)傳 感器的安裝位置計算對應(yīng)聲波傳播距離，聲速是聲波傳播距離與對應(yīng)聲波傳播時間的商。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述步驟1中的固定激光的光譜積分吸收率 的信息是通過激光探測器接收信號強度與對應(yīng)準直器激光發(fā)射強度來獲取。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述的步驟2中，聲速同混合氣體溫度、濃度 關(guān)系表達如下：
其中，c為聲速，Ymix為混合氣體定壓熱容與定體積熱容之比，R為氣體常數(shù)，T為煙氣 溫度，Mmix為混合氣體平均分子質(zhì)量；γ mix和Mmix與氣體組成成分濃度及溫度有關(guān)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述的步驟2中，固定波長激光的光譜積分 吸收率同混合氣體溫度、濃度之間的關(guān)系式表達如下：
其中，A為固定波長激光的光譜積分吸收率，Itl為入射光強，It為投射光強，V為激光 頻率，P為測量環(huán)境的壓力，L為吸收光程，X為吸收組分濃度，α v為吸收系數(shù)，S v (T)為測 量所用譜線在溫度T下的強度；:^與I t符合的Beer-Lambert定律及Sv(T)的表達式如下：
其中，p為線型函數(shù)，滿足
為分割函數(shù)，其可用溫度T的多項式 擬合，h為普朗克常數(shù)，c為真空中的光速，E為低能級能量，kB為玻爾茲曼常數(shù)，T為測量溫 度，Ttl為參考溫度，Sv(Ttl)為參考溫度Ttl下的譜線強度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述的步驟3中，對被測二維空間不同處混 合氣體的溫度和濃度同時重建用以下兩式進行描述：
其中，Lab表示A處到B處的聲波路徑，L m表示C處到D處的聲波路徑，t AB為聲波從A 處到B處的傳播時間，c (X，y)為坐標（X，y)處的聲速，AmS激光從C處到D處的積分吸收 率，a (x，y)為坐標（x，y)處的吸收系數(shù)。
7. -種基于聲光融合的混合氣體溫度場濃度場測量裝置，其特征在于，包括：聲學(xué)傳 感器、激光準直器、激光探測器、單片機、第一放大器、雙向開關(guān)、聲波發(fā)射端多路開關(guān)、聲波 接收端多路開關(guān)、第二放大器、相位檢測模塊、激光控制器、激光光源及基座、激光斬波器、 激光分路器、光纖、鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機； 其中，被測區(qū)域周圍布置多個聲學(xué)傳感器以及對應(yīng)的激光準直器和激光探測器；聲學(xué) 傳感器分別連接聲波發(fā)射端多路開關(guān)和聲波接收端多路開關(guān)，聲波發(fā)射端多路開關(guān)分別連 接雙向開關(guān)、相位檢測模塊、第一放大器、單片機，聲學(xué)接收端多路開關(guān)分別連接第二放大 器、雙向開關(guān)、相位檢測模塊，計算機再與相位檢測模塊和單片機相連接；多個激光準直器 與激光分路器通過光纖連接，激光分路器、激光斬波器、激光光源及基座、激光控制器依次 連接，光源功率由激光控制器控制，激光探測器、鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡，計算機依次相 連。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述裝置，其特征在于，所述聲學(xué)傳感器為收發(fā)一體，每個聲學(xué)傳感 器由信號線連接至多路開關(guān)芯片，超聲波發(fā)射信號由單片機提供，同時單片機提供雙向開 關(guān)與多路開關(guān)的控制信號，雙向開關(guān)負責(zé)選擇聲學(xué)傳感器完成發(fā)射或者接收功能，而多路 開關(guān)控制信號負責(zé)聲學(xué)測量通道的選擇。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述裝置，其特征在于，所述計算機發(fā)出聲學(xué)測量的使能信號指令， 每次測量結(jié)果通過USB接口數(shù)據(jù)線傳輸回計算機。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述裝置，其特征在于，所述激光準直器發(fā)出激光，激光控制器控 制光源發(fā)出的激光通過斬波器調(diào)制后由激光分路器分成若干束激光經(jīng)過光纖傳輸至激光 準直器，激光探測器接收衰減后的激光并轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過內(nèi)部自帶的放大電路進行 放大后輸出至鎖相放大器，鎖相放大器輸出的信號通過數(shù)據(jù)采集卡傳入計算機。
【專利摘要】本發(fā)明屬于聲光檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于聲光融合的混合氣體溫度場濃度場測量方法及裝置。該方法根據(jù)測量計算得到的若干聲波線及固定波長激光光路穿越測量區(qū)域的聲速及光譜積分吸收率，結(jié)合指數(shù)SVD反演算法確定了氣體二維區(qū)域內(nèi)的聲速及光譜吸收系數(shù)分布，利用聲速及光譜吸收系數(shù)與混合氣體溫度和濃度的函數(shù)關(guān)系，同時重建混合氣體在測量區(qū)域的溫度場及濃度場，該裝置利用窄帶寬的兩個聲波頻率，測量收-發(fā)信號的相位差，實現(xiàn)準確的聲波傳播時間的測量，利用探測器接收的激光強度與準直器入射激光強度之比得到固定光譜積分吸收率。本發(fā)明可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和生活中的多個領(lǐng)域，特別是鍋爐內(nèi)燃燒過程的監(jiān)測及控制。
【IPC分類】G01D21-02
【公開號】CN104677426
【申請?zhí)枴緾N201510118826
【發(fā)明人】宋偉, 劉巖, 黃帆, 任思源, 劉廈, 周信華, 劉石
【申請人】華北電力大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年3月18日