(一)本發(fā)明提出一種基于氣體取樣分析的瑞利散射燃燒場氣體溫度測量方法與系統(tǒng)，屬于光學(xué)測量。該方法與系統(tǒng)將氣體取樣分析與瑞利散射相結(jié)合，消除了燃燒場氣體濃度仿真分析帶來的不確定性及誤差，實現(xiàn)燃燒場氣體溫度的完備測量，同時利用鉑電阻測量室溫，在測量前常溫空氣環(huán)境中瑞利散射測溫被鉑電阻校準，使得該非接觸式溫度測量結(jié)果直接溯源至溫度標準its-90。

背景技術(shù)：

0、(二)背景技術(shù)

1、瑞利散射(rayleigh?scattering)是一種彈性光散射現(xiàn)象，當光與比其波長更小的粒子(如氣體分子或微粒)相互作用時產(chǎn)生。散射光的強度與入射光的波長、粒子的濃度及溫度有關(guān)。

2、傳統(tǒng)的接觸式測量火焰溫度需要直接接觸火焰，會干擾燃燒過程，影響火焰的流場、化學(xué)反應(yīng)以及溫度分布，而現(xiàn)有的瑞利散射火焰溫度測量方法普遍需要仿真軟件來獲取燃燒場中各物質(zhì)的組分濃度，通過仿真獲得的數(shù)據(jù)與實際情況存在一定偏差。本發(fā)明采用氣體取樣分析與瑞利散射測溫相結(jié)合的方法來獲取燃燒場中各物質(zhì)的組分濃度，使得燃燒場中各物質(zhì)濃度的獲取不再依賴于仿真軟件，利用校準過的鉑電阻測量室溫，隨后，使用瑞利散射技術(shù)測量同一環(huán)境內(nèi)的室溫，記錄散射光信號，通過多次對比測量，建立瑞利散射測量溫度系統(tǒng)與標準溫度之間的關(guān)系，從而實現(xiàn)溫度標準its-90的溯源。

技術(shù)實現(xiàn)思路

0、(三)
技術(shù)實現(xiàn)要素：

1、針對傳統(tǒng)的火焰測量方法空間分辨率低、會影響火焰的流場以及溫度分布等問題，本發(fā)明提出了一種基于瑞利散射測量溫度的方法與系統(tǒng)，采取燃氣取樣的方法得到火焰中各物質(zhì)的組分濃度，使得瑞利散射測量溫度過程中各物質(zhì)組分濃度的獲取不再依賴于gaseq等仿真軟件，利用鉑電阻校準實現(xiàn)its-90的溯源。

2、該系統(tǒng)由激光光源、斬波器、光闌、套筒、半波片、高功率激光偏振分光棱鏡、暗室、麥肯納燃燒器、位移臺、功率計及探頭、凸透鏡、濾光片、光電倍增管、采集系統(tǒng)、上位機、數(shù)字多用表、四線制鉑電阻、燃氣取樣瓶、燃氣分析儀組成；由激光器持續(xù)發(fā)出激光，通過光學(xué)斬波器調(diào)制成間歇性脈沖信號，通過光闌、套筒等裝置進行鎖光，隨后激光通過半波片與高功率激光偏振分光棱鏡分成p偏振光與s偏振光，通過同軸光路后進入暗室，抵達麥肯納燃燒爐火焰區(qū)域，麥肯納燃燒爐火焰的瑞利散射信號通過凸透鏡成像系統(tǒng)匯聚到接收裝置-光電倍增管上，光電倍增管前有532nm的濾光片進行非瑞利散射信號的過濾，接收的信號通過采集系統(tǒng)上傳至上位機；在上位機內(nèi)實現(xiàn)信號的解調(diào)，輸出火焰溫度場內(nèi)的光信號值，利用燃氣分析儀獲得火焰溫度場內(nèi)各物質(zhì)的組分濃度，通過查閱資料與計算獲得各物質(zhì)不同濃度下的火焰瑞利散射截面，通過公式計算與迭代獲得火焰溫度值。整個過程中，利用功率計實現(xiàn)對激光功率的監(jiān)控。具體測量步驟如下：

3、步驟一：按照權(quán)利要求1所述的一種基于氣體取樣分析的瑞利散射燃燒場氣體溫度測量方法與系統(tǒng)，其特征在于，利用鉑電阻測量室溫，在測量前常溫空氣環(huán)境中瑞利散射測溫被鉑電阻校準，使得該非接觸式溫度測量結(jié)果直接溯源至溫度標準its-90的基本定義；首先啟動激光器進行預(yù)熱，用校準過的四線制鉑電阻測量實驗區(qū)域的室溫，通過數(shù)字多用表讀取鉑電阻的阻值，讀取的阻值跟pt100的分度表對照，記錄下實驗開始時的室溫t1；預(yù)熱完畢后開啟激光，激光器發(fā)出連續(xù)激光，通過光學(xué)斬波器將連續(xù)激光調(diào)制成間歇性脈沖信號，調(diào)制后的激光通過套筒、光闌等裝置進行光束直徑的約束，同時屏蔽掉光學(xué)系統(tǒng)中不必要的雜散光，提高信噪比；隨后激光通過半波片與高功率激光偏振分光棱鏡，半波片通過對線偏振光引入相位延遲，改變光的偏振方向，偏振分光鏡根據(jù)光的偏振狀態(tài)將光束分為p偏振光與s偏振光，p偏振光透射通過，而s偏振光被反射，二者結(jié)合能精確控制入射激光的偏振方向，進行散射光的優(yōu)化，提高實驗的信噪比，實驗過程中通過旋轉(zhuǎn)半波片調(diào)整激光的偏振方向，使得垂直于光路方向上的s偏振光達到最大值，提高了接收裝置最終接收到的瑞利散射光的強度；隨后激光的散射光通過接收裝置的成像系統(tǒng)匯聚到光電倍增管上，光電倍增管前有濾光片進行過濾，能夠有效地濾除不需要的光譜成分，只留下532nm的瑞利散射光，確保了溫度測量的準確性，室溫下光電倍增管接收到的信號記錄為s(t1)：

4、

5、最終激光穿過暗室照射在功率計探頭的耙面上，由功率計實現(xiàn)對激光實時功率的監(jiān)控，觀察激光的穩(wěn)定性。

6、步驟二：按照權(quán)利要求1所述的一種基于氣體取樣分析的瑞利散射燃燒場氣體溫度測量方法與系統(tǒng)，其特征在于，通過燃氣取樣瓶和燃氣分析儀實現(xiàn)了對火焰中各物質(zhì)濃度的實時分析，排除了gaseq等仿真軟件獲取的物質(zhì)濃度與實際不符的情況，使得溫度的計算過程更加具有說服力；首先打開氮氣閥門，通入一段時間氮氣后打開丙烷與空氣氣瓶，通過流量控制系統(tǒng)來控制兩種氣體的流量以此來達到特定的當量比，氣閥開啟后進行點火，移動位移臺直至光電倍增管中心面與爐頭最左端齊平，爐頭表面距離激光20mm。通過采集系統(tǒng)和上位機實現(xiàn)該采樣點的信號采集工作，此時采集到的火焰光信號記錄為s(t2)：

7、

8、通過理想氣體定律公式化簡后得到溫度與信號之間的關(guān)系式如下：

9、

10、將燃氣取樣瓶通過取樣閥門連接到取樣點，打開取樣閥門，保證燃氣能夠順利流入取樣瓶，取樣前需要對取樣瓶進行排氣，確保取樣瓶內(nèi)部的空氣或殘留氣體被清除，取樣完成后將取樣瓶連接到取樣分析儀，獲得該采樣點各物質(zhì)的組分濃度，即可得到火焰的瑞利散射截面：

11、

12、xi為各物質(zhì)的組分濃度，即為火焰的瑞利散射截面。將上述所求的值代入公式(3)中即可求得該采樣點的火焰溫度。信號采集完成后，將位移臺向左移動2mm，重復(fù)上續(xù)步驟，直至光電倍增管不能接收到火焰場中的瑞利散射信號為止，此時就得到了距離爐頭20mm高度的水平面上的火焰溫度分布情況。

技術(shù)特征：

1.一種基于氣體取樣分析的瑞利散射(rayleigh?scattering)燃燒場氣體溫度測量方法與系統(tǒng)，該系統(tǒng)由激光光源、光學(xué)斬波器、光闌、半波片、高功率激光偏振分光棱鏡、暗室、位移臺、麥肯納燃燒器、功率計及探頭、凸透鏡、濾光片、光電倍增管、采集系統(tǒng)、上位機、四線制鉑電阻、數(shù)字多用表、流量計、流量控制系統(tǒng)、燃氣取樣瓶、燃氣分析儀組成；由激光器持續(xù)發(fā)出激光，通過光學(xué)斬波器調(diào)制成間歇性脈沖信號，通過光闌、套筒等裝置進行鎖光，隨后激光通過半波片與高功率激光偏振分光棱鏡分成p偏振光與s偏振光，通過同軸光路后進入暗室，抵達麥肯納燃燒爐火焰區(qū)域，標準火焰的瑞利散射信號通過凸透鏡成像系統(tǒng)匯聚到接收裝置-光電倍增管上，光電倍增管前有532nm的濾光片進行非瑞利散射信號的過濾，接收的信號通過采集系統(tǒng)上傳至上位機；在上位機內(nèi)實現(xiàn)信號的解調(diào)，輸出火焰溫度場內(nèi)的光信號值，利用燃氣分析儀獲得火焰溫度場內(nèi)各物質(zhì)的組分濃度，通過查閱資料與計算獲得各物質(zhì)不同濃度下的火焰瑞利散射截面，通過公式計算與迭代獲得火焰溫度值。

2.按照權(quán)利要求1所述的一種基于氣體取樣分析的瑞利散射燃燒場氣體溫度測量方法與系統(tǒng)，其特征在于，利用鉑電阻測量室溫，在測量前常溫空氣環(huán)境中瑞利散射測溫被鉑電阻校準，使得該非接觸式溫度測量結(jié)果直接溯源至溫度標準its-90的基本定義，利用麥肯納標準平焰器構(gòu)建穩(wěn)定、可控、可重現(xiàn)火焰，并通過氣體取樣分析來獲得燃燒場中各物質(zhì)的組分濃度；首先記錄鉑電阻測量得到的室溫值t1，啟動激光器，室溫下測量得到的瑞利散射光信號記為s(t1)，標準火焰場中測量得到的瑞利散射光信號記為s(t2)

3.按照權(quán)利要求1所述的一種基于氣體取樣分析的瑞利散射燃燒場氣體溫度測量方法與系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)中所述的光學(xué)原件都與激光光路同軸，其中信號接收裝置與激光光路正交，且與激光光路位于同一水平面上。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出一種基于氣體取樣分析的瑞利散射燃燒場氣體溫度測量方法與系統(tǒng)，屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，用于標準火焰燃燒場氣體溫度測量。與傳統(tǒng)的接觸式測量火焰溫度的方法相比，瑞利散射法不影響火焰特性且具備高精度和高分辨率，現(xiàn)有的瑞利散射火焰溫度測量方法普遍需要仿真軟件來獲取燃燒場中各物質(zhì)的組分濃度，但是通過仿真獲得的數(shù)據(jù)與實際情況存在一定偏差。本發(fā)明采用氣體取樣的方法來獲取燃燒場中各物質(zhì)的組分濃度，使得燃燒場中各物質(zhì)濃度的獲取不再依賴于仿真軟件，具體測量時，將燃氣取樣瓶通過取樣閥門連接到取樣點進行取樣，隨后將燃氣取樣瓶接入燃氣分析儀進行各物質(zhì)的組分濃度分析。此外，該技術(shù)在測量前在常溫空氣環(huán)境中被鉑電阻校準，使得該非接觸式溫度測量結(jié)果直接溯源至溫度標準ITS?90。該方法與系統(tǒng)實現(xiàn)了燃燒場氣體溫度的完備測量，在標準火焰測量方面具有廣闊應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：黃昂,王景輝,夏文濤,黃帥,楊雪
受保護的技術(shù)使用者：中國計量科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2