基于TDLAS技術的殼內氣體溫度測量

郝祖龍， 辛明偉， 王志遠

(華北電力大學 非能動核能安全技術北京市重點實驗室,北京 102206)

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基于TDLAS技術的殼內氣體溫度測量

郝祖龍， 辛明偉， 王志遠

(華北電力大學 非能動核能安全技術北京市重點實驗室,北京 102206)

針對熱電偶測溫法在安全殼傳熱實驗中存在的不足，研究利用可調諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術用于殼內溫度的非接觸式測量。簡要介紹了TDLAS測溫原理，依據一定規則選取了H2O分子吸收譜線對7 181.155 8和7 166.050 4 cm-1。利用現有的鋼制安全殼試驗裝置搭建了TDLAS測溫系統，采用波長掃描-直接吸收法對殼內溫度進行測量。結果表明，在273～373 K，基于TDLAS技術的殼內溫度線性誤差小于1%，最大波動為±2 K，測量結果能夠較準確地反映殼內某一光程方向上的平均溫度。該方法也可推廣到其他大空間內氣體溫度的測量。

測試裝置； 光譜學； 溫度測量； 可調諧二極管激光吸收光譜

0 引 言

安全殼作為核電站的最終熱阱，應具有較強的熱量導出能力。目前國內已陸續建成多個安全殼試驗臺架用于研究正常及事故工況下安全殼內氣體的流動、傳熱特性。安全殼傳熱實驗中大多采用熱電偶法測量殼內溫度，但該方法屬于接觸式測溫技術，不適宜用于中低溫時的氣體溫度測量，而且上百個熱電偶測點會干擾被測氣體的溫度場及流場，造成測量誤差，同時在蒸汽環境下也會腐蝕測溫點的材料，可靠性降低。紅外輻射測溫作為一種應用廣泛的非接觸式測溫技術，雖然具有不干擾被測溫度場、測溫速度快、靈敏度高等優點，但是易受氣體環境和鏡頭積灰等影響。

作為一種新型的非接觸式氣體溫度測量技術，可調諧二極管激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS) 技術是利用氣體的吸收光譜隨溫度變化的特性實現溫度測量，不但有較高的測量精度和較快的響應速度，而且具有可靠性高、不干擾流場、受氣體環境影響小等優點，在燃燒場診斷[1-9]、大氣環境質量監測[10-12]等方面已有一定應用，但研究對象大都為高溫環境或小腔室，未見用于鋼制安全殼等大空間內較低溫的測量。

吸收光譜測量技術的實驗方法主要有固定波長法、波長掃描法和波長調制法。其中，波長掃描-直接吸收法應用最為廣泛，它是利用鋸齒波信號調制半導體二極管激光器的輸出，使激光掃描整個吸收線的線型。通過積分整個吸收線型得到積分吸收率，然后根據積分吸收率與溫度的關系得到被測氣體溫度。

本文選擇一對H2O分子吸收譜線進行溫度測量。利用已建成的鋼制安全殼試驗臺架，嘗試采用波長掃描-直接吸收法用于殼內溫度測量，驗證該技術用于大空間溫度場測量的可行性。

1 測量原理

利用TDLAS技術對氣體溫度進行測量，其理論依據為比爾-朗伯定律[13]：

(1)

式中:It和I0分別表示頻率為v的激光穿過被測氣體后的光強和基準光強，mW；Kv為吸收率，cm-1；L為吸收路徑長度，cm。其中，吸收率可表示為：

(2)

譜線的線強度可以通過HITRAN分子光譜軟件[14]進行查詢計算。但為便于程序使用，線強度S(T)可由下式計算得到[1]：

(3)

式中:T0為參考溫度;Q為氣體分子內部分割函數;E″i為低躍遷態的能量;v0,i為躍遷態的頻率;k為波爾茲曼常數;h為普朗克常數;c為光束，最后一項為激勵輻射，在波長低于2 μm和溫度低于2 500 K的情況下可以忽略此項。

由式(1)和(2)可得：

(4)

分子內部分割函數Q可通過查詢HITRAN數據庫得到，也可通過多項式擬合[1]的方式計算得到。

式(2)兩端對頻率積分可得到該譜線的積分吸收率A=∫Kvdv。由于φ(v)在整個頻域范圍內的積分值為1，因此積分吸收率只和溫度和組分濃度有關。依據掃描波長-直接吸收法，利用兩條獨立的吸收線按一定掃描周期依次穿過被測氣體，則它們的積分吸收比R可表示為：

(5)

將式(4)代入式(5)，則有：

(6)

式中:I01和It1分別為吸收線1的參考光強和出射光強;I02和It2分別為吸收線2的參考光強和出射光強。

由式(6)可以看出，R可看成是溫度T的單值函數。若R-T的關系已知，則通過測量兩條被測氣體吸收譜線的積分吸收比值便可計算出氣體溫度。

2 譜線選擇

測量前進行譜線選擇主要有兩個目的：①盡量避免其他氣體的吸收譜線對測量的干擾，防止出現吸收譜線重疊；②保證待選擇的吸收線有較大的譜線強度，有利于增加測量精度。

選擇譜線[15]主要從譜線的強度、位置、溫度特性以及測溫靈敏度等方面進行綜合考慮。首先，吸收線須有較高的峰值吸收率，以保證高信噪比，但同時吸收率不能過高，否則透射光會很弱，導致探測器低信噪比。其次，在選擇孤立線時，一般是將距離譜線中心線5倍半寬的頻率范圍內沒有其他吸收線干擾的吸收線作為孤立吸收線，但該條件在實際操作中可適當放寬。同時，選擇譜線應具有較高的低能級能量以保證在測量范圍內有較好的溫度特性。而為提高譜線的測溫靈敏度，應盡可能加大兩條孤立吸收線的低能級能量差。

由于實驗過程中殼內氣體溫度在273～373 K范圍內變化，依據上述原則，利用HITRAN數據庫選擇了1對H2O分子吸收線，其中心頻率分別為7 181.155 8和7 166.050 4 cm-1。

3 實驗系統

如圖1所示，TDLAS測溫系統由激光器、激光控制器、信號發生器、準直器、光電探測器、示波器以及數據采集裝置等組成。激光器選用的是德國SACHER公司的DFB半導體激光器，其典型功率為10 mW，激光譜線半寬小于10 MHz。激光探測器選用的是高精度鍺探測器。激光器控制器用于改變激光器的輸出波長和功率，利用控制器電流來調節激光器的輸出功率，激光波長的調節可通過改變控制器的溫度來實現。

圖1 TDLAS測溫系統原理框圖

為驗證TDLAS技術在大空間溫度測量方面的有效性，將上述TDLAS測溫系統應用于已搭建的鋼制安全殼試驗裝置，如圖2、3所示。

圖2 鋼制安全殼 圖3 TDLAS測溫技術在安全殼裝置上的應用

實驗流程如下：首先利用信號發生器輸出的三角波來調制控制器的輸出電流，實驗時應保證控制器掃過所選定的兩條吸收線。激光器依據控制器的電流信后輸出一定頻率的激光，該激光經單模光纖耦合后傳送到準直器。激光信號經石英玻璃窗口穿過被測氣體時，選定的兩條吸收線光強因一部分被H2O分子吸收而減弱。透射激光由放置在被測氣體另一側的鍺探測器接收并轉換為電信號。信號經模-數轉換器采樣后送入計算機進行數據分析，最后可得到被測氣體溫度。

4 實驗結果

利用波長掃描法進行數據處理，通常選取遠離吸收峰的原始數據點用于基線擬合，原始吸收信號及擬合后的基線如圖4所示。用擬合基線歸一化整個吸收線型的吸收率，并用Voigt線型進行擬合，結果如圖5所示，吸收線型輪廓經數值積分后可得到積分吸收率。

圖4 原始吸收數據及基線擬合

圖5 Voigt線型擬合

實驗時，殼內溫度變化范圍在273～373 K之間，壓力為0.1 MPa，光程長度為1 m。通過線型擬合和數值積分后，可求得H2O分子吸收線7 166.050 4 cm-1與7 181.155 8 cm-1的積分吸收比R，最后再依據R-T曲線便可得到殼內氣體溫度。經多工況實驗測量，結果表明，在273～373 K范圍內,TDLAS方法的線性誤差小于1%，最大波動為±2 K，從而驗證了該方法的有效性和可行性。

5 結 語

基于波長掃描-直接吸收法建立了一套TDLAS測溫系統，選取的吸收譜線為1 392.5 nm附近的兩條H2O吸收線7 181.155 8 cm-1和7 166.050 4 cm-1。

將TDLAS測溫系統應用于安全殼傳熱實驗，在273～373 K范圍內線性誤差小于1%，最大波動為±2 K，基本滿足實驗要求。作為一種新型的非接觸式溫度測量方法，TDLAS技術在大空間氣體溫度測量中具有一定應用前景。

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Gas Temperature Measurement in Containment Vessel Experimental Facility with Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy

HAOZu-long，XINMing-wei，WANGZhi-yuan

(Beijing Key Laboratory of Passive Safety Technology for Nuclear Energy,North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

In view of deficiencies of traditional temperature measuring method by thermocouple, a new kind of non-contact technology bsed on tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) was investigated in order to measure the gas temperature in containment vessel experimental facility. A brief principle of TDLAS technology and selecting rules of absorption lines was introduced. A pair of H2O absorption lines, 7 181.155 8 cm-1and 7 166.050 4 cm-1, were optimally selected. A new temperature measuring system using TDLAS technique was set up on the basis of the existing steel containment vessel, and the wavelength scanning-direct absorption method was used to obtain its internal temperature. Experimental results showed that the linear error and maximum fluctuation of the measured gas temperature were 1% and ±2 K, respectively. Within the temperature range of 273-373 K, and the measured temperature could reflect accurately the average temperature of a certain optical path inside the vessel. The TDLAS technology could be used to measure gas temperature in large enclosure.

testing equipments； spectroscopy； temperature measurement； tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS)

2014-12-16

中央高校基本科研業務費專項資金資助(2014MS52)

郝祖龍(1980-),男,河南焦作人,講師,現主要從事核反應堆控制、先進熱工測量技術等研究。

Tel.:010-61773173;E-mail:haozulong@163.com

N 33

A

1006-7167(2015)10-0059-03