基于可调谐激光吸收光谱技术的气体在线检测及二维分布重建研究

摘要

近年来，随着国家对于环境保护的日趋重视，以及出于保证工业生产安全高效进行的需要，光学非接触式的气体检测技术发展十分迅速。基于可调谐激光吸收光谱的气体测量技术具有无需预处理，响应快速，数据准确，多参数同时检测等优势，成为了当前气体实时在线检测的代表性技术之一。本文研究的主要目的是利用可调谐激光吸收光谱技术，针对于燃烧领域中具有重要意义的气态物质进行在线检测，并同时对气体温度，以及气体分布的二维重建进行研究。 本文首先利用工作波长位于1.53μm波段的可调谐激光二极管，针对于利用SCR技术脱除燃烧产生烟气中NOx的工作环境，对其中的NH3浓度进行了在线测量。实验室内借助于波长位于1527nm的NH3特征气体吸收谱线，在常温常压下利用直接吸收测量的方法达到10ppm-m的浓度测量下限。在小型燃烧试验台上，通过对燃烧产生的烟气中喷洒NH3，以模拟现场测量工况，实现对烟气中NH3的实时在线检测。 其次，利用工作波长位于1.58μm处的可调谐激光二极管，针对于泛频区内的CO2与CO气体吸收谱线，分别利用直接吸收测量技术以及波长调制技术对其浓度检测进行了试验研究，在常温下实验室内达到的浓度测量下限分别为0.14％-m与400ppm-m。讨论了环境温度压力等条件变化时线宽对于二次谐波信号的影响，采用二次谐波峰谷比值的方法来对其进行修正，大大提高了利用波长调制方法进行浓度测量的精度。设计加工了适合于现场安装和在线检测使用的测枪，对不同工况下燃油炉燃烧产生烟气中的CO2进行了连续测量。 其次，通过利用高精度分子光谱数据库，在1.58μm波段内选择两条CO2特征吸收谱线，利用其线强比值来实现对于光路中均匀气体温度的测量研究。在373K至773K的温度范围内，温度测量误差均方值为17K。针对于光路中存在明显温度梯度的测量环境，通过扫描多条CO2气体吸收谱线，借助于离散化的数学模型并利用带约束的最小二乘拟合方法来进行求解。在实验室内对两段温度分布重建进行了相应的数值模拟和试验研究，并讨论了相关影响因素。 针对于焦炉煤气中O2的在线检测，在实验室内采用工作波长位于763nm处的可调谐激光二极管在不同的气体组分，温度，压力，激光透射率等工况下对其浓度检测进行了测量试验，验证了浓度测量结果的准确性，以保证在O2超标时可以及时进行报警从而确保工业生产安全。 另外，对波长调制过程中颗粒对于二次谐波信号的影响进行了理论分析。分别采用180μm与800μm两种不同粒径的石英沙颗粒，对颗粒存在环境下的气体浓度测量进行试验研究。并结合基于Mie理论上的消光法，进行了颗粒物浓度的测量试验。搭建了小型气固两相流动试验台，利用固定浓度的CO2气体吹动石英沙颗粒进行流化，实现了对于不同流化位置处的气体浓度与颗粒物浓度的同时在线测量。 最后，将CT断层重建技术与TDLAS技术相结合，在实验室内搭建了高速CT重建测量系统，以实现对于气体二维分布的重建。通过利用四个高速旋转台进行重建断面的扫描，使得扫描时间控制在100ms。利用数值模拟的方法验证了测量的准确性与精度。借助于NH3气体吸收谱线，通过采用ART代数重建算法，成功实现了对于气体浓度分布的快速二维重建。并通过采用扫描两条特征谱线的方法，利用变量轮换的最优化策略，对气体浓度与温度场同时重建进行了初步试验研究，为今后针对于燃烧环境中的气体重建工作提供借鉴。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 绪论

1.1课题背景

1.2传统的气体测量技术

1.3 TDLAS测量技术的主要特点

1.4 TDLAS技术在气体浓度检测方面的研究现状

1.5 TDLAS技术应用于温度及温度分布方面的研究现状

1.6气体浓度场分布的研究现状

1.7 TDLAS的典型应用领域

1.8本文主要研究内容

2可调谐激光吸收光谱技术测量原理

2.1测量背景简介

2.2 TDLAS测量的基本原理

2.3直接吸收测量法

2.4波长调制技术

2.5测量系统中的噪音

2.6测量灵敏度与精度

2.7TDLAS测量系统中相关仪器介绍

2.8本章小结

3近红外1.53μm处的NH3在线测量

3.1测量背景

3.2 NH3测量的谱线选择

3.3利用直接吸收技术对于NH3浓度的测量

3.4利用波长调制技术对于NH3浓度的静态测量

3.5烟气中NH3的动态在线测量

3.6本章小结

4近红外1.58μm处CO2与CO的浓度测量

4.1测量背景

4.2谱线选择分析

4.3利用直接吸收技术对CO2浓度的测量

4.4 CO浓度的波长调制测量研究

4.5线宽变化对于波长调制测量的影响及其修正

4.6燃油燃烧炉中CO2浓度的在线测量

4.7本章小结

5利用CO2谱线进行的温度及其光路温度分布测量研究

5.1背景介绍

5.2温度测量的基本原理

5.3 CO2温度测量谱线的选择

5.4利用直接吸收技术对于CO2气体温度的测量

5.5利用二次谐波信号对CO2气体温度的测量研究

5.6光路中温度分布重建的测量研究

5.7本章小结

6 O2气体浓度的在线测量

6.1测量背景

6.2 O2测量的谱线选择

6.3利用波长调制技术对O2浓度的测量

6.4本章小结

7颗粒物对于TDLAS的影响及其颗粒物与气体浓度的同时测量

7.1背景介绍

7.2 Mie散射理论及其消光法原理

7.3颗粒物对TDLAS测量影响的理论分析

7.4颗粒物对TDLAS气体测量影响的试验验证

7.5利用消光法对颗粒物浓度的测量

7.6小型气固两相流动试验台内的测量研究

7.7本章小结

8基于TDLAS技术的CT系统及其气体分布二维重建试验研究

8.1背景介绍

8.2计算机断层重建技术简介

8.3基于TDLAS技术的多源CT断层扫描测量系统

8.4气体浓度场二维重建试验研究

8.5气体温度与浓度分布的同时重建

8.6本章小结

9全文总结和研究展望

9.1全文工作和总结

9.2本文的主要创新点

9.3研究展望

参考文献

作者简历