PDF《CO2 高温光谱参数测量系统设计与实验》

1 测量原理 TDLAS 技术的基本原理为 Beer- Lambert 定律, 对于单一跃迁 i, 有[16 ] : It ( υ) I0 ( υ) = exp( - Pxabs Si ( T) v L) , ( 1) 其中, I0 ( υ) 为入射光强( 单位为 mW) ;

It ( υ) 为透射 光强 ( 单位为 mW) ;

υ 为入射光的频率 ( 单位为 cm -

1 ) ;

P 为混合气体的静态总压强( 单位为 atm) ;

xabs 为吸收气体的体积浓度( 单位为 1) ;

Si ( T) 为跃 迁i在温度 T( K) 下的线强( 单位为 cm -

2 ・atm -

1 ) ;

v 为归一化的线型函数( 单位为 cm) ;

L 为有效吸 收光程( 单位为 cm) . 吸光度可表示为: A( υ) = ln I0 ( υ) It ( υ ( ) ) = Pxabs Si ( T) υ L , ( 2) 从而得到气体浓度: xabs = A( υ) PSi ( T) υ L . ( 3) 由式( 3) 可知, 为准确测得气体浓度, 除吸光 度、 总压强和光程外, 还需要准确获得气体的吸收线 型和线强. 一般情况下, 吸收线型 V 为高斯线型和 洛伦兹线型的卷积, 即Voigt 线型: V( υ) = ∫ +∞ -∞ D ( u) C ( V - u) du , ( 4) 其中, V( υ) , D ( V) , C ( υ) 分别为 Voigt 线型函数、 高斯线型函数和洛伦兹线型函数. 通常, Voigt 采用 以下的展开形式: V( υ) =

2 ΔυD ln2 πaπ∫+∞ -∞ exp( - y2 ) a2 + ( w - y)

2 dy , ( 5)

9 5

3 红外与毫米波学报38 卷 其中, a =ln2ΔυC /ΔυD , w =2ln2( υ - υ0 ) /ΔυD . Voigt 线型的线宽( FWHM) 可近似表示为: ΔυV = 0.

534 6ΔυC + 0.

216 6Δυ

2 C + Δυ

2 D,(6) ΔυD = υ0 8kB Tln2 mc 2=7.

163 2 * 10-7 υ0 T M,(7) ΔυC = P∑ j xj2γi-j ( T) , ( 8) γi-j ( T) = γi-j ( T0 ) T0 ( ) T nj , ( 9) 其中, ΔυV[ cm -

1 ] , ΔυC[ cm -

1 ] , ΔυD[ cm -

1 ] 为Voigt 线型、 洛伦兹线型和多普勒线型的半高全宽(FWHM) ;

多普勒线型的半高全宽是温度的函数, m 为分子质量, M 为相对分子量;

xj 为组分 j 的浓度, γi - j[ cm -

1 ・atm -

1 ] 为温度 T 下组分 i、 j 间的碰撞加 宽半高半宽系数, 也是温度的函数, nj 为温度系数, 洛伦兹线型的半高全宽与总压强、 气体组分浓度及 碰撞加宽系数有关. 由式( 5) ~ ( 9) 可知, 要得到准 确的气体分子吸收线型函数, 则需要知道洛伦兹线 型和多普勒线型的半高全宽, 其中多普勒线型半高 全宽可由温度和气体相对分子量求得, 而求洛伦兹 线型半高全宽则需要碰撞加宽系数和温度系数. 对式( 2) 两边积分, 可得线强与积分吸光度满 足如下关系: Ai xabs L = PSi ( T) , ( 10) 其中, Ai 为积分吸光度. 从式( 10) 可知, 利用已知浓 度的标准气体开展高温实验, 可测得不同总压强下 的积分吸光度, 从而得到高温下气体线强.

2 测量系统设计与实验设计 2.

1 系统设计 为了通过实验的方法得到高温气体吸收光谱参 数, 设计了高温气体光谱参数测量系统. 设计难点主 要有: ( 1) 设计温度高达

2 073 K, 保证高温气体光谱 测量的有效光程所处温度的均匀性. ( 2) 保证高温环境下系统测量区域有很好的气 密性. ( 3) 保证大尺寸多元件光路的同轴性. 高温气体光谱参数测量系统设计方案为: 系统 包括三温区高温真空管式炉和真空泵, 结构示意图 如图

1 所示, 高温炉( MTI, GSL- 1800X- III) 是三温区 管式炉( 最高温度可达

2 073 K) , 加热元件为 Kathal Super-

1900 硅钼棒, 不锈钢水冷密封法兰直径为

60 mm, 用耐高温硅胶 O 型圈密封. 温度控制系统包括

3 个数字温度控制器, 采用 PID 调节温度, 控制精度 为±1K. 利用