基于TDLAS技术的燃烧温度与O2浓度测量研究

摘要

燃烧是当今世界上使用最为广泛的能量转换技术，实现燃烧参数的测量与监测对于理解燃烧过程、改进燃烧效率以及减少大气污染物的排放有重要的意义。基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS，Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)对气体温度及浓度的测量，具有响应时间快、精度高、系统简单以及易于实现实时在线监测等优势。同时TDLAS的测量方式属于非接触式，对恶劣条件下的气体参数的检测具有非常好的适应性。近年来半导体激光器制造技术迅速发展，激光器在性能越来越稳定的同时价格更加便宜，因此TDLAS技术有着广泛的工业应用前景。
　　扫描直接吸收光谱技术(DAS，Direct Absorption Spectroscopy)和波长调制光谱技术(WMS，Wavelength Modulation Spectroscopy)是TDLAS技术中较为常用的两种测量方法，本文中采用扫描直接吸收光谱技术实现燃烧炉内温度的测量，采用波长调制光谱技术实现O2浓度的测量。
　　本文的工作可分为三部分:①首次提出采用CORDIC算法实现光谱吸光度的提取，并在FPGA上设计和实现基于CORDIC算法的光谱吸光度在线提取算法;②在实验室TDLAS系统平台上完成H2O目标谱线对的温度标定以及实时温度测量验证，并在电站锅炉上实现锅炉炉膛温度的现场测量;③选择合适的O2浓度测量吸收谱线，搭建氧气浓度测量实验系统，在所搭建的系统平台上初步实现基于WMS法的高温环境下的氧气浓度标定以及氧气浓度测量。
　　本文首次将CORDIC(Coordinate Rotation Digital Computer)旋转算法应用到TDLAS测量系统中，完成光谱吸光度实时提取算法的研究及其在FPGA上的设计与实现。光谱吸光度的提取是实现TDLAS检测的基础，CORDIC算法由简单的加减和移位操作构成，易于在硬件上实现，而且还可实现许多不易在硬件上实现的复杂运算，本文将CORDIC算法应用到光谱吸光度在线提取算法中，解决了吸光度提取算法中的最小二乘拟合的求解与吸光度实时求取的问题。通过实验结果的验证表明所设计的算法能够正确实现光谱吸光度的提取且具有较高的计算精度，同时满足TDLAS系统快速在线监测的实时性要求。在已有的TDLAS实验硬件平台上利用所选的H2O目标谱线对完成温度标定实验，并利用所设计的吸光度实时提取算法实现温度的快速在线测量，实验结果验证了所设计的TDLAS测温系统的正确性、实时性和可重复性。根据电站锅炉燃烧的现场情况对TDLAS系统进行优化，实现现场电站锅炉燃烧温度的测量，现场测温实验结果表明所设计的TDLAS测温系统可实现燃烧温度的正确测量。使用WMS法测量氧气浓度时，选取760nm附近的一根O2谱线，在所搭建的O2浓度TDLAS测量平台上实现高温O2浓度的标定实验和测量实验，浓度测量实验结果表明所设计的O2浓度TDLAS测量系统能够实现O2浓度的正确测量，且系统具有较好的正确性与可重复性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 TDLAS技术应用研究现状及发展

1．3 论文主要研究内容及结构安排

第二章 TDLAS技术基本原理

2．1 光谱吸收理论基础

2．1．1 激光吸收理论

2．1．2 Beer-Lambert定律

2．2 温度测量原理与浓度测量原理

2．2．1 基于扫描波长直接吸收光谱技术的温度测量原理

2．2．2 基于波长调制光谱技术的浓度测量原理

2．3 CORDIC算法

2．4 最小二乘问题的CORDIC解

2．5 本章小结

第三章 基于FPGA的光谱吸光度提取算法的实现

3．1 基线拟合法原理

3．2 基于CORDIC的吸光度实时提取算法

3．3 Xilinx CORDIC IP Core中关键参数的配置

3．3．1 CORDIC算法的实现结构

3．3．2 输入／输出数据表示

3．3．3 补偿标定

3．4 数据运算模块的设计与仿真

3．4．1 arctan运算模块

3．4．2 旋转运算模块

3．4．3 ln运算模块

3．4．4 定点乘法运算模块

3．4．5 定点除法运算模块

3．5 光谱吸光度提取算法的FPGA实现总体设计

3．5．1 总体设计

3．5．2 算法实验验证

3．5．3 算法性能分析

3．6 本章小结

第四章 高温燃烧温度的TDLAS测量

4．1 吸收谱线对选取

4．2 时分复用技术

4．3 H2O谱线温度标定实验

4．3．1 标定实验系统

4．3．2 谱线对标定

4．4 三段式管式炉实时温度测量实验

4．5 电站锅炉现场测温实验

4．5．1 现场测温实验系统

4．5．2 现场实验中的关键问题

4．5．3 现场实验数据处理分析

4．6 本章小结

第五章 高温环境下O2浓度的TDLAS测量

5．1 目标谱线选择及其理论仿真分析

5．2 氧气浓度检测实验系统

5．3 实验数据处理方法

5．3．1 斜坡信号光强扣除

5．3．2 2f信号的解调

5．3．3 2f信号的光强归一化

5．4 O2浓度测量实验

5．4．1 最优调制深度测试

5．4．2 O2浓度实验测量与分析

5．4．3 O2浓度测量实验

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的科研成果