基于聲光融合的混合氣體溫度場(chǎng)濃度場(chǎng)測(cè)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(cè)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(chǎng)濃 度場(chǎng)測(cè)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(cè)、 生物工程、燃燒診斷等領(lǐng)域中不可或缺的監(jiān)測(cè)對(duì)象。特別對(duì)于大型火力發(fā)電鍋爐以及工業(yè) 爐內(nèi)的燃燒過(guò)程，由于溫度及濃度總是耦合的反映燃燒過(guò)程參數(shù)，若能同時(shí)精確的測(cè)量其 溫度場(chǎng)及濃度場(chǎng)，將對(duì)控制運(yùn)行工況具有重要意義。
[0003] 在聲學(xué)法測(cè)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(jì)80年代左右，聲學(xué)法測(cè)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(guó)學(xué)者及工程技術(shù)人員的關(guān)注，但利用該方法測(cè)溫會(huì)受到測(cè)量 氣體濃度變化的影響，而在聲學(xué)法測(cè)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(cè)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(dòng)自由能、轉(zhuǎn)動(dòng)自由能及宏觀分子平動(dòng)自由 能之間能量互相轉(zhuǎn)移模型來(lái)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(jì)初，美國(guó)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(cè)量，但是由于高溫轉(zhuǎn)動(dòng)弛豫及振動(dòng)弛豫振動(dòng)機(jī)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(jì)中葉，Schawlow和Townes提出了設(shè)計(jì)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(jì)六十年代利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光 光源來(lái)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(lái)進(jìn)行非反應(yīng)流體的研宄，隨后國(guó)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(jìn)行了大量的算法研宄和實(shí)驗(yàn)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(jià)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(duì)于其溫度場(chǎng)濃 度場(chǎng)的同時(shí)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(shí)時(shí)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(chǎng)濃度場(chǎng)測(cè)量方法，包括：
[0006] 步驟1、測(cè)量在被測(cè)區(qū)域中傳播的聲速以及固定波長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)激光的光譜積分吸收率信 息，基于指數(shù)SVD反問(wèn)題求解算法，計(jì)算得到二維區(qū)域不同處的聲速及固定波長(zhǎng)激光的光 譜積分吸收率；再利用步驟2建立的耦合模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)二維區(qū)域溫度場(chǎng)及濃度場(chǎng)的重 建計(jì)算。
[0009] 所述步驟1中的聲速的測(cè)量方法為：利用窄帶寬的兩個(gè)聲波頻率，測(cè)量收-發(fā)信號(hào) 的相位差，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的傳播時(shí)間的測(cè)量；根據(jù)聲學(xué)傳感器的安裝位置計(jì)算對(duì)應(yīng)聲波傳播距 離，聲速是聲波傳播距離與對(duì)應(yīng)聲波傳播時(shí)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(guò)激光探測(cè)器接收信號(hào) 強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)準(zhǔn)直器激光發(fā)射強(qiáng)度來(lái)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(dá)如下：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于聲光融合的混合氣體溫度場(chǎng)濃度場(chǎng)測(cè)量方法，其特征在于，包括： 步驟1、測(cè)量在被測(cè)區(qū)域中傳播的聲速以及固定波長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)激光的光譜積分吸收率信息， 基于指數(shù)SVD反問(wèn)題求解算法，計(jì)算得到二維區(qū)域不同處的聲速及固定波長(zhǎng)激光的光譜積 分吸收率；再利用步驟2建立的耦合模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)二維區(qū)域溫度場(chǎng)及濃度場(chǎng)的重建計(jì) 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(cè)量方法為：利用窄 帶寬的兩個(gè)聲波頻率，測(cè)量收-發(fā)信號(hào)的相位差，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的傳播時(shí)間的測(cè)量；根據(jù)聲學(xué)傳 感器的安裝位置計(jì)算對(duì)應(yīng)聲波傳播距離，聲速是聲波傳播距離與對(duì)應(yīng)聲波傳播時(shí)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(guò)激光探測(cè)器接收信號(hào)強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)準(zhǔn)直器激光發(fā)射強(qiáng)度來(lái)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(dá)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(zhǎng)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(dá)如下：
其中，A為固定波長(zhǎng)激光的光譜積分吸收率，Itl為入射光強(qiáng)，It為投射光強(qiáng)，V為激光 頻率，P為測(cè)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(cè) 量所用譜線在溫度T下的強(qiáng)度；:^與I t符合的Beer-Lambert定律及Sv(T)的表達(dá)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(xiàng)式 擬合，h為普朗克常數(shù)，c為真空中的光速，E為低能級(jí)能量，kB為玻爾茲曼常數(shù)，T為測(cè)量溫 度，Ttl為參考溫度，Sv(Ttl)為參考溫度Ttl下的譜線強(qiáng)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(duì)被測(cè)二維空間不同處混 合氣體的溫度和濃度同時(shí)重建用以下兩式進(jìn)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(shí)間，c (X，y)為坐標(biāo)（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(biāo)（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(chǎng)濃度場(chǎng)測(cè)量裝置，其特征在于，包括：聲學(xué)傳 感器、激光準(zhǔn)直器、激光探測(cè)器、單片機(jī)、第一放大器、雙向開(kāi)關(guān)、聲波發(fā)射端多路開(kāi)關(guān)、聲波 接收端多路開(kāi)關(guān)、第二放大器、相位檢測(cè)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(jì)算機(jī)； 其中，被測(cè)區(qū)域周圍布置多個(gè)聲學(xué)傳感器以及對(duì)應(yīng)的激光準(zhǔn)直器和激光探測(cè)器；聲學(xué) 傳感器分別連接聲波發(fā)射端多路開(kāi)關(guān)和聲波接收端多路開(kāi)關(guān)，聲波發(fā)射端多路開(kāi)關(guān)分別連 接雙向開(kāi)關(guān)、相位檢測(cè)模塊、第一放大器、單片機(jī)，聲學(xué)接收端多路開(kāi)關(guān)分別連接第二放大 器、雙向開(kāi)關(guān)、相位檢測(cè)模塊，計(jì)算機(jī)再與相位檢測(cè)模塊和單片機(jī)相連接；多個(gè)激光準(zhǔn)直器 與激光分路器通過(guò)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(cè)器、鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡，計(jì)算機(jī)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(gè)聲學(xué)傳感 器由信號(hào)線連接至多路開(kāi)關(guān)芯片，超聲波發(fā)射信號(hào)由單片機(jī)提供，同時(shí)單片機(jī)提供雙向開(kāi) 關(guān)與多路開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)，雙向開(kāi)關(guān)負(fù)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(kāi)關(guān)控制信號(hào)負(fù)責(zé)聲學(xué)測(cè)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(jì)算機(jī)發(fā)出聲學(xué)測(cè)量的使能信號(hào)指令， 每次測(cè)量結(jié)果通過(guò)USB接口數(shù)據(jù)線傳輸回計(jì)算機(jī)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述裝置，其特征在于，所述激光準(zhǔn)直器發(fā)出激光，激光控制器控 制光源發(fā)出的激光通過(guò)斬波器調(diào)制后由激光分路器分成若干束激光經(jīng)過(guò)光纖傳輸至激光 準(zhǔn)直器，激光探測(cè)器接收衰減后的激光并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部自帶的放大電路進(jìn)行 放大后輸出至鎖相放大器，鎖相放大器輸出的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳入計(jì)算機(jī)。
【專利摘要】本發(fā)明屬于聲光檢測(cè)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(chǎng)濃度場(chǎng)測(cè)量方法及裝置。該方法根據(jù)測(cè)量計(jì)算得到的若干聲波線及固定波長(zhǎng)激光光路穿越測(cè)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(shí)重建混合氣體在測(cè)量區(qū)域的溫度場(chǎng)及濃度場(chǎng)，該裝置利用窄帶寬的兩個(gè)聲波頻率，測(cè)量收-發(fā)信號(hào)的相位差，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的聲波傳播時(shí)間的測(cè)量，利用探測(cè)器接收的激光強(qiáng)度與準(zhǔn)直器入射激光強(qiáng)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(gè)領(lǐng)域，特別是鍋爐內(nèi)燃燒過(guò)程的監(jiān)測(cè)及控制。
【IPC分類】G01D21-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104677426
【申請(qǐng)?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(qǐng)人】華北電力大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年3月18日