低溫風洞極低露點原位在線測量技術研究

王斌，許振宇，張文清，闞瑞峰，蓋文, *

1. 中國空氣動力研究與發展中心 設備設計與測試技術研究所，綿陽 621000

2. 中國科學院 安徽光學精密機械研究所，合肥 230031

0 引 言

在大型飛機、先進戰機、往返大氣層航天飛行器研制過程中，低溫高雷諾數風洞是開展復雜黏性流場性能研究必不可少的設備[1]。為避免水汽在風洞試驗模型表面結霜/結冰，影響測試精度，低溫風洞對水汽的控制要求比常溫風洞更為嚴格。在低溫跨聲速風洞降溫前的清洗干燥過程中，需將氣體中的水汽含量降至足夠低。露點（即露點溫度）是指在壓力不變的條件下，氣體中的水汽降溫至凝露或結霜時的溫度，可用于表征氣體中的水汽含量。在《氣體分析 微量水分的測定 第2部分：露點法》（GB/T 5832.2—2016）中，露點和霜點一般統稱為“露點”。根據低溫風洞設計需求，在低溫風洞清洗和降溫過程中需對氣體露點進行在線監測，露點測量范圍為–100～20 ℃（–100～–80 ℃，測量誤差小于2 ℃；–80～20 ℃，測量誤差小于1 ℃）[2]。

目前，風洞露點主要采用冷鏡式露點儀[3-4]進行氣體抽取式測量。在抽取式測量中，管路對水汽的吸脫附效應會導致測量誤差甚至測量錯誤；冷鏡式露點儀鏡面易受污染，也會影響測量精度；在極低露點條件下，冷鏡式露點儀的測量響應時間較長（露點低于–80 ℃時，響應時間會達到10 min 左右）。為滿足低溫風洞露點測量需求，亟需研究開發寬溫域、高精度、原位在線露點測量技術。

激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS）技術[5-11]具有高靈敏度、連續在線、快速響應、適應性強等特點，是當前國際上公認的最有希望實現寬溫域、高精度、原位在線露點測量的技術。2013 年，Buchholz 等[12]開發了大氣平流層球載TDLAS 水汽測量系統，測得大氣平流層水汽體積分數為0.01‰～8‰（約–60.5～4.0 ℃），與露點濕度計（Frost-Point Hygrometer, FPH）和拉曼–阿爾法熒光濕度計（LAFH）測量結果具有較好的一致性。2017 年，Buchholz 等[13-14]升級了雙波長球載濕度傳感器，完成了體積分數為0.01‰～400‰（約–76.2～76.0 ℃）的水汽測量。為研究中緯度卷云特性，哈佛大學Sargent 等[15]研制了TDLAS 水汽測量系統（HALO），搭載于WB–57 飛機上，測量對流層上部和平流層下部的水汽含量，測得水汽體積分數為0.0035‰～0.6‰（約–68.0～25.4 ℃），不確定度為5%。HALO 采用了開放光路測試方法，證實了TDLAS 可應用于原位測量（圖1[15]）。受此啟發，可在風洞試驗段構建測試光路，采用TDLAS 對風洞試驗段露點進行原位在線測量（圖2）。HALO 證實了開放光路測試的可行性，但TDLAS 應用于低溫風洞露點測量還存在以下不足：HALO 采用單波長測試技術，露點測量范圍較小，尚不能滿足寬溫域（–100～20 ℃）測量需求；測量精度較差，不滿足低溫風洞露點高精度測量需求。

圖1 TDLAS 露點測量開放光路示意圖[15]Fig. 1 Schematic diagram of open optical path for TDLAS dew point measurement[15]

圖2 TDLAS 風洞試驗段露點原位在線測量示意圖Fig. 2 Schematic diagram of in-situ on-line measurement of dew point with TDLAS in wind tunnel test section

本文對基于TDLAS 的極低露點原位在線測量技術進行研究，開展寬溫域露點測量光譜選型與高精度光譜參數標定，研究光譜數據處理算法，研制原理樣機并在低溫平臺、低溫引導風洞及上海市計量測試技術研究院（簡稱上海計量院）、北京長城計量測試技術研究所（簡稱長城計量所）進行試驗測試，以證實TDLAS 應用于低溫風洞試驗段原位在線測量的可行性。

1 TDLAS 露點測量

1.1 TDLAS 露點測量原理

在等壓條件下對氣體進行冷卻，氣體中的水汽處于凝結臨界點時的氣體溫度即為露點。此時，氣體所能容納的水汽分壓達到最大值，即飽和蒸氣壓。根據Murphy–Koop 公式[16]，露點與飽和蒸氣壓一一對應，因此，可以通過直接測量水汽分壓來計算露點，實現任意水汽含量氣體的露點測量。

TDLAS 主要利用可調諧半導體激光器的窄線寬和波長可調諧特性，掃描覆蓋目標氣體吸收譜線，獲取高分辨吸收光譜，實現目標氣體組分的狀態參數測量。TDALS 典型測量光路如圖3 所示，半導體激光器（LD）出射激光后，穿過待測氣體，被光電探測器（PD）接收，水汽吸收造成激光光強衰減，衰減量遵守Lambert–Beer 定律，即：

圖3 TDLAS 測量原理圖Fig. 3 Schematic diagram of TDLAS measurement

式中：I0(f)、It(f)分別為入射光強、經水汽吸收后的透射光強；f0和f 分別為吸收線的中心頻率和入射光頻率；L 為有效吸收光程；S(T)為目標氣體吸收線強，在選定吸收線時僅為環境靜溫T 的函數；?(f–f0)為面積歸一化線型函數；p 為環境靜壓；x 為水汽體積分數。

線強的計算公式為：

式中：S(T0)為參考溫度T0=296 K 的線強值；k 為玻爾茲曼常數，h 為普朗克常數；c 為真空光速；E 為低態能級；Q(T)為配分函數值，通過查表或分溫度段擬合的多項式系數計算。

水汽吸收光譜吸光度α定義為：

積分吸光度A 定義為：

根據環境靜壓p 和水汽體積分數x 計算水汽分壓e：

對于大氣壓露點計算，需要根據道爾頓定律，將當前壓強p 下的水汽分壓e 轉換為標準大氣壓p0下的水汽分壓e′：

再根據Murphy–Koop 公式[16]計算標準大氣壓下的露點。當氣體溫度高于–20 ℃時，以液態水平面公式計算：

當氣體溫度低于–20 ℃時，采用冰平面公式計算：

式中：Td為露點溫度，單位K；

綜上，TDLAS 露點測量的計算流程如下：

第1 步：采用TDLAS 測量氣體中水汽吸收譜線，以線型擬合方法計算積分吸光度A。

第2 步：測量環境靜溫T，以式（2）計算S(T)；

第3 步：測量環境靜壓p，以式（5）計算水汽分壓e；

第4 步：以式（6）計算標準大氣壓下水汽分壓e′；

第5 步：以Murphy–Koop 公式計算露點Td。

式（5）的水汽分壓是水含量的一種描述，表明水的絕對分壓與當前溫度下飽和蒸氣壓的比值會隨壓力變化。本文直接測量水汽分壓，結合環境靜壓獲得水的體積分數，體積分數不隨壓強和溫度變化，與大氣壓露點一一對應。因此，在采樣測量過程中，TDLAS 露點測量方法無需使測量腔內與待測環境中的溫度和壓力保持一致。

1.2 面向寬溫域露點測量的吸收譜線選型

采用單一波長吸收譜線無法覆蓋–100 ～20 ℃露點范圍對應的水的體積分數。–100 ℃對應水汽分壓1.4×10–3Pa，20 ℃對應水汽分壓2.3×103Pa，橫跨6 個數量級。選擇吸收譜線的一般準則包括：在測溫范圍內具有合適的吸收強度；不受其他氣體的光譜干擾；吸收譜線相對孤立，適應不同壓力測量；所在波段具有合適的激光光源和通光窗口材料。

在上述準則下綜合考慮測量精度和器件選取。對于水汽長期在線測量，考慮以氟化鈣、藍寶石和石英玻璃等作為窗片，優選波長在3.2 μm 以下的JGS1、JGS3 石英玻璃。水汽吸收帶強度如圖4 所示（1 atm=1.013×105Pa）。1～10 μm 內，水汽最強吸收帶在6 μm，次強吸收帶在2.7 和1.8 μm。1.8 μm次強吸收帶的優勢在于此波段內具有相對成熟的光纖器件，可作為備選波段。因此，對于低露點測量，從2 個次強吸收帶分別篩選，優選強吸收譜線保證低露點的測量精度，2626 nm 吸收譜線為首選，其次為1854 nm 吸收譜線，測試對比后選取2626 nm；對于高露點測量，則在1.4 μm 波段選取，除了1383 nm之外，其他吸收譜線如1370 nm 等也都可實現一定范圍的露點測量，最終選擇1383 nm，主要原因在于該波長的激光器可同時覆蓋強弱不同的3 條臨近吸收譜線，其中的弱吸收譜線可拓展應用于20 ℃以上的露點測量。所選波段覆蓋的露點范圍如表1 所示（參考溫度T0=296 K）。

圖4 水汽吸收帶強度Fig. 4 Strength of water vapor absorption band

表1 選擇光譜譜線參數和對應激光器Table 1 Selection of spectral line parameters and corresponding lasers

利用HITRAN2012 數據庫[17]在相同光程（20 m）和壓力（1.013×105Pa）下對3 個波段進行不同露點光譜模擬計算。圖5（a）為2626 nm 波長模擬結果，上為–60 ℃下、露點–60 ℃時的吸收譜線，下為–60 ℃下、露點–100 ℃時的吸收譜線。圖5（b）為1854 nm波長模擬結果，上為30 ℃下、露點–40 ℃時的吸收譜線，下為–60 ℃下、露點–80 ℃時的吸收譜線。圖5（c）為1383 nm 波長模擬結果，上為30 ℃下、露點20 ℃時的吸收譜線，下為30 ℃下、露點–40 ℃時的吸收譜線。

圖5 典型狀態模擬吸收光譜Fig. 5 Typical state simulated absorption spectrum

所選波長的水汽吸收峰值隨露點的變化如圖6所示，其中，2626 nm 激光的吸收譜線為3807 cm–1，1854 nm 激光的吸收譜線為5394 cm–1，1383 nm 激光的吸收譜線為7223、7226 和7228 cm–1。在吸光度峰值檢測范圍2×10–4～5 內，2626 nm（3807 cm–1）激光器可覆蓋–100～–40 ℃露點，1854 nm 激光器可覆蓋–95～–25 ℃露點，1383 nm 激光器可覆蓋–60～30 ℃露點。1383 和1854 nm 激光的吸收譜線較弱，主要用于高露點測量；1383 nm 激光的吸收譜線最弱，可避免高體積分數下吸收飽和對測量結果的影響；吸收譜線最強的2626 nm 激光則用于低露點測量。

圖6 水汽吸收峰值隨露點的變化Fig. 6 Variation of H2O absorption peak with dew point

圖7 進一步給出了線強隨溫度的變化，對低露點測量2626 nm 吸收譜線（包括1854 和1383 nm 部分吸收譜線），其線強隨溫度降低而升高。在實際應用過程中，低露點一般出現于風洞降溫后，2626 nm吸收譜線比圖中仿真環境溫度（–60 ℃）下更高，–100 ℃露點測量的裕量更大。圖7 給出了5 條水汽吸收譜線（7223、7226、7228、3807 和5394 cm–1）在78～320 K 溫度范圍內的線強變化。從圖中可以看出，5 條吸收譜線的線強均隨著溫度的降低而增大，有利于在風洞低溫條件下進行低露點測量?；谝陨戏治觯疚倪x擇1383 和2626 nm 雙波長方案用于–100～20 ℃的露點測量。

圖7 線強隨溫度的變化Fig. 7 Variation of line strength with temperature

1.3 光譜信號處理方法

為解決–100～20 ℃下水汽體積分數10–2～10–8量級超高動態范圍的露點檢測難題，同時進行直接吸收和免定標波長調制測量。直接吸收、波長調制結合露點反演算法流程如圖8 所示。與1.1 節露點計算的區別在于，計算積分吸光度時，根據吸收光譜信號強度選擇直接吸收或波長調制：吸光度峰值較高時，采用直接吸收光譜技術；吸光度峰值較低時，采用波長調制技術提升測量靈敏度和精度。

圖8 直接吸收、波長調制結合露點反演算法Fig. 8 Direct absorption, wavelength modulation and dew point inversion algorithm

2 技術原理驗證試驗

2.1 TDLAS 露點測量驗證裝置

TDLAS 露點測量驗證裝置主要由激光器、激光器驅動、多次反射光路、探測器、溫度傳感器、壓力傳感器、數據采集模塊和露點溫度計算機等組成。設計了3 套裝置：高露點驗證裝置、低露點驗證裝置和低溫平臺試驗裝置，分別用于高、低露點測量范圍和精度測試及低溫環境原位在線測量實驗。具體實現過程后文介紹。

2.2 低溫環境光譜參數標定

目前，光譜計算中普遍使用的HITRAN 數據庫中的吸收譜線強度、展寬系數和依賴系數等參數存在一定誤差，大部分吸收譜線強度的不確定度在5%～20%之間，嚴重影響低溫露點測量的準確性。為此，采用低溫光譜試驗平臺（–163～77 ℃，恒溫氣池，1 m 光程，如圖9 所示）對吸收譜線強度、水汽自碰撞展寬系數、壓力頻移系數及碰撞展寬系數進行精確測量[18]，將不確定度控制在1%以下。

圖9 低溫平臺光譜標定Fig. 9 Spectral calibration with cryogenic platform

2.3 TDLAS 露點測量精度評估

為驗證TDLAS 露點測量技術的測量范圍和精度，分別在上海計量院、長城計量所進行了–100～30 ℃露點測量計量。其中，高露點（–10～30 ℃）采用原位測量方法進行驗證，低露點（–100～–10 ℃）采用抽取式測量方法進行驗證。

由于高露點實際由1383 nm 波段吸收譜線覆蓋，測試中僅采用一個1383 nm 激光器，激光器及控制電路位于溫濕度箱C4–600 之外。激光經光纖引至溫濕度箱內分為2 束，一束經準直器直接進入探測器作為參考光路，一束經過58 cm 光程后進入探測器作為測量光路。光纖和探測器電纜線通過溫濕度箱預留穿線孔進出，并以軟塞密封。TDLAS 與冷鏡473/SH2 同時進行測量，冷鏡采用抽取式方法進行測量。TDLAS 以NI PCI5015 采集2 路（測量光路、參考光路）信號，溫度和壓力則采用溫濕度箱內的環境監控值。溫濕度箱內光路布置及TDLAS 現場測量情況如圖10 所示。測試結果對比如圖11 所示，各露點偏差小于0.5 ℃。

圖11 TDLAS 與冷鏡露點測量結果對比（?10～30 ℃）Fig. 11 Comparison of TDLAS and cold mirror dew point measurement results from ?10 ℃ to 30 ℃

低露點抽取式測量采用多次反射池結構，光程21 m，開放式多次反射池置于密封筒體內。在露點測量試驗中，微量水分發生裝置以正壓從筒體一端法蘭氣管通入露點空氣，從另一端氣管排出。為避免環境水汽吸收影響測量，將激光器、探測器置于筒體內部，通過法蘭上的密封航空插頭與外部控制電路連接，同時在筒體內設置參考光路，用于抵扣激光器、探測器封裝內部可能殘余水汽的吸收本底（背景扣除法）。如圖12（a）所示，測試裝置包含3 支激光器（1383、1854 和2626 nm），分時出光（每個激光器均包括直接吸收和波長調制部分），通過合束進行同光路測量。圖12（b）為實物圖。

圖12 低露點抽取式測量多次反射筒體設計圖和實物Fig. 12 The multiple reflection cylinder for low dew point extraction measurement（design drawing and physical object）

采用抽取式測量方法，分別在上海計量院、長城計量所進行了–90～–10 ℃范圍內、–100 ℃露點測量精度測試。將圖12 所示的TDLAS 測試裝置、MBW373 冷鏡式露點儀連接至同一標準微量水分發生裝置的不同輸出分支氣路，進行同步測量對比（如圖13 所示）。

圖13 低露點抽取式測量Fig. 13 Low dew point extraction measurement

在上海計量院的測試中，測試范圍為–90～–10 ℃，試驗由低露點–90 ℃開始，每隔10 ℃進行一次測量。首先，將TDLAS 測量腔與高精度冷鏡式露點儀同時接入微量水分發生裝置出氣口，以露點為–90 ℃的干氣對抽氣采樣腔體進行為期5 d 的吹洗，去除腔體內壁及其他表面吸附的水汽，然后進行連續測量。TDLAS 測量結果與冷鏡測量結果對比如圖14所示，單次露點實際測量時間為1 s。在上海計量院直接對–100 ℃露點進行測試對比。–100～30 ℃露點測試對比結果如表2 所示，測量誤差小于1℃。

圖14 ?90 ～?10 ℃露點TDLAS 與MBW373 測量結果對比Fig. 14 The comparison of TDLAS and MBW373 measurement results from ?90 ℃ to ?10 ℃

表2 TDLAS 與冷鏡式露點儀測量（計量）對比Table 2 Measurement results of TDLAS and cold mirror dew point instrument

冷鏡式露點儀在引出氣體進行測量時，引氣管路對水汽存在脫吸附干擾。為減小該干擾帶來的影響，采取了以下措施：1）從標準濕氣源至MBW373露點儀之間，采用孔徑小、距離短、內部拋光的引氣管路，減小脫吸附影響；2）按照從低露點至高露點的順序進行測試，使所有測試管路由干燥變得濕潤，進一步減小管路脫吸附的影響。其中，將低露點標準濕氣引入測量氣室需要持續幾天時間，以確保管路脫吸附至充分干燥。

2.4 低溫平臺原位在線露點測量

為驗證TDLAS 技術應用于低溫風洞試驗段露點測量的可行性，在中國空氣動力研究與發展中心的低溫平臺上進行了原位在線露點測量試驗。測量方案和測量現場分別如圖15 和16 所示。采用1381 nm激光器及2 路光纖，一路光纖引入低溫腔內，在低溫腔內設置1 個二次反射折疊光路，構成4 m 光程開放測試光路，用于模擬原位測量；另一路光纖引入11.5 m 光程封閉測試光路，并從低溫平臺抽取氣體引入封閉測試光路中。在開放測試光路、封閉測試光路中設置光電探測器，采集吸收光譜信號并傳輸至數據采集模塊（數據采集模塊通過PCIe 安裝于計算機上）。在計算機上運行TDLAS 露點測量程序，計算露點測量值。與此同時，將封閉測試光路與冷鏡式露點儀串聯，對測量精度進行評估。其中，抽氣管路為長度15 m 的鑄鐵管。在低溫平臺試驗中，為降低系統復雜度，未采用在計量中使用的背景扣除方法。

圖15 TDLAS 低溫平臺原位露點測量試驗示意圖Fig. 15 Schematic diagram of in-situ dew point measurement test of TDLAS low temperature platform

圖16 低溫平臺試驗Fig. 16 Low temperature platform experiment

低溫平臺保持壓力不變，分別設置20、–15、–45、–75、–35、–15 和20 ℃共7 個溫度臺階，以產生不同的露點。圖17 為氣體溫度（Tgas）、TDLAS 露點測量結果（Tdp_T）時間變化曲線?？梢钥闯觯涸谠粶y量時，露點測量結果與氣體溫度變化趨勢相同；但由于光程較短，能測量的最低露點約為–56 ℃，在3 h附近存在數據丟失情況，這是因為在接近–60 ℃時探測信號快速衰減。

圖17 原位露點測量結果Fig. 17 In-situ dew point measurement results

圖18 給出了抽取式TDLAS 與冷鏡式露點儀同時測量的結果Tdp_T和Tdp_CMH：測量結果一致性較好；在3～5 h 時間段，冷鏡式露點儀測量結果波動較大，檢查發現是鏡面受到了污染。圖19 為4 m 光程開放光路原位測量結果與11.5 m 光程多次反射封閉光路測量結果的對比。因低溫平臺自帶的鑄鐵管路存在污染干擾，導致引出氣體的測量方式較原位測量存在較大時間滯后，且測量曲線差異較大，說明管路吸脫附對露點測量影響較大。

圖18 抽取式TDLAS 與冷鏡式露點儀測量結果對比Fig. 18 Comparison of dew point measurement results between extraction TDLAS and cold mirror dew point meter

圖19 TDLAS 原位測量與抽取式測量結果對比Fig. 19 Comparison of TDLAS in-situ measurement and extraction measurement results

在低溫平臺試驗中，光電探測器信號隨著溫度降低而不斷減弱，當溫度達到–70 ℃時，探測器無探測信號；另外，支撐裝置在試驗中產生了溫度變形，導致光路發生偏差、光強信號減弱。因此，在實際應用中，需對整個測量裝置進行低溫防護，確保裝置工作于常溫條件下，同時對光路變形進行主動調整，避免溫度應變對光路帶來的影響。導管，從低溫引導風洞駐室引出氣體，接入多次反射封閉測試光路裝置（圖16（c））中，再串聯冷鏡式露點儀進行測量。測量結果對比如圖20 所示。

圖20 0.3 m 低溫引導風洞中冷鏡式露點儀與TDLAS 露點測量結果Fig. 20 Dew point measurement results of cold mirror dew point instrument and TDLAS in 0.3 m low temperature guide wind tunnel

2.5 0.3 m 低溫引導風洞露點測量

在中國空氣動力研究與發展中心0.3 m 低溫引導風洞中進行了實際露點測量。采用內拋光不銹鋼

從圖中可以看出，2 種方法測量結果總體趨勢相同，露點高于–60 ℃時，兩者偏差較?。? 1 ℃），露點低于–60 ℃時，兩者偏差約為–5 ℃（后經查驗，系未擦拭冷鏡式露點儀鏡面而導致了測量錯誤）。TDLAS 系統測量時間響應速度約為0.8 s，狀態重復測量與單點光譜數據誤差估計小于1 ℃。

3 結 論

面向低溫風洞極低露點原位在線測量需求，研究了基于TDLAS 的極低露點原位在線測量技術，給出了先以TDLAS 測量水汽體積分數，再以Murphy–Koop 公式直接計算露點的方法。該方法的測量數據傳遞鏈路物理意義清晰，是對以溫度傳感器測量水汽發生凝結時氣體溫度作為露點的方法的有效補充。選用2 種吸光強度的激光器組合為雙波長測試系統，實現了寬溫域露點測量。采用直接吸收與波長調制結合的方法，實現了高精度露點測量。進行了低溫環境下開放光路TDLAS 露點測量，驗證了TDLAS 應用于原位在線測量的可行性。由于探測器在低溫下會失去信號探測能力，在實際應用中還需對TDLAS 露點測量裝置進行低溫防護。對TDLAS 露點測量裝置的計量結果表明：TDLAS 露點測量技術可實現寬溫域（–100～30 ℃）、高精度（測量誤差小于1 ℃）、快速（小于1 s）的露點測量。低溫平臺原位在線測量與抽取式露點測量對比試驗表明：管路吸附對露點測量存在較大影響，因此，原位在線測量對低溫風洞露點測量具有重要意義。