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专利号: 2017106952011
申请人: 江苏师范大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种化石燃料燃烧温度与气体浓度测量方法,其特征在于,包括如下步骤:

步骤A.采用激光器测量技术,获得不同温度、气压环境下,CO和CO2分别所对应谱线的最佳次数谐波信号;

步骤B.根据不同温度、气压环境下,CO2所对应谱线的谱线参数、最佳次数谐波信号,以及步骤A中的激光器特性参数,基于目标化石燃料的理论燃烧温度范围和理论燃烧压力范围,建立CO2温度反演模型;

步骤C.首先采用双激光器分别接收由高频正弦波和低频正弦波相叠加的叠加信号进行工作,分别产生激光束,并经光纤耦合器针对两激光束进行耦合,然后将耦合后的激光束穿过内置正在燃烧目标化石燃料的开放式积分腔后,由光电探测器接收,并经锁相放大器进行解调,获得目标化石燃料燃烧所对应的1条CO对应的谱线、以及2条CO2对应的谱线;其中,各激光器分别所对应叠加信号中低频正弦波的频率彼此相同;

步骤D.针对所获目标化石燃料燃烧对应的1条CO对应的谱线、以及2条CO2对应的谱线进行解调,获得1条CO谱线的最佳次谐波信号,以及2条CO2谱线分别对应的最佳次谐波信号;

步骤E.针对2条CO2谱线分别对应的最佳次谐波信号,分别去除其中的背景信号,获得2条CO2谱线分别所对应的吸收相关信号;

步骤F.测量、并根据开放式积分腔内的气压,将2条CO2谱线分别所对应吸收相关信号的幅值比与CO2温度反演模型进行对比,获得开放式积分腔内气体的温度;

步骤G.基于开放式积分腔内的气压,以及开放式积分腔内气体的温度,获得该温度、气压环境下,CO和CO2分别所对应谱线最佳次数谐波信号中的吸收相关信号,并针对该CO和CO2分别所对应吸收相关信号的峰值分别进行反演,分别获得CO和CO2的浓度。

2.根据权利要求1所述一种化石燃料燃烧温度与气体浓度测量方法,其特征在于,所述步骤A中,分别针对CO气体和CO2气体,采用单激光器测量技术,获得不同温度、气压环境下,气体所对应谱线的最佳次数谐波信号。

3.根据权利要求1所述一种化石燃料燃烧温度与气体浓度测量方法,其特征在于,所述步骤A中,分别针对CO气体和CO2气体,将气体通入密封样品池管道,针对通过密封样品池管道的激光,按如下步骤进行测量,获得不同温度、气压环境下,气体所对应谱线的最佳次数谐波信号;

步骤A1.以室温作为样品池管道内的当前温度,并进入步骤A2;

步骤A2.针对样品池管道进行抽真空处理,测量当前温度下真空样品池管道分别对应各次谐波信号的背景信号,然后进入步骤A3;其中,各次谐波信号为1次谐波信号至M次谐波信号的各次谐波信号,M为预设最大次谐波信号;

步骤A3.向样品池管道注入目标气体、以及不与激光相融合的保护气体,并通过调节不与激光相融合的保护气体的注入量,控制样品池管道中气压为预设初始气压值,作为样品池管道中的当前气压,且初始化参数n=2,同时,记录目标气体浓度,作为目标气体实际浓度,然后进入步骤A4;

步骤A4.测量当前温度、气压下1次谐波信号的完整波形,并经锁相放大器和数据处理,获得当前温度、气压下1次谐波信号;以及测量当前温度、气压下n次谐波信号的完整波形,并经锁相放大器和数据处理,获得当前温度、气压下n次谐波信号;然后进入步骤A5;

步骤A5.获得当前温度、气压下1次谐波信号与当前温度下1次谐波信号的背景信号之间的矢量差,作为当前温度、气压下1次谐波信号对应的吸收相关信号;同时,获得当前温度、气压下n次谐波信号与当前温度下n次谐波信号的背景信号之间的矢量差,作为当前温度、气压下n次谐波信号对应的吸收相关信号,然后进入步骤A6;

步骤A6.采用当前温度、气压下1次谐波信号对应的吸收相关信号,针对当前温度、气压下n次谐波信号对应的吸收相关信号进行归一化操作,更新当前温度、气压下n次谐波信号对应的吸收相关信号;并获得该吸收相关信号峰值反演出的目标气体测定浓度,作为当前温度、气压下n次谐波信号所对应的目标气体测定浓度,再获得该目标气体测定浓度与目标气体实际浓度之间差值的绝对值,作为当前温度、气压下n次谐波信号所对应的目标气体浓度检测误差;同时,采用当前温度下1次谐波信号的背景信号,针对当前温度下n次谐波信号的背景信号进行归一化操作,更新当前温度下n次谐波信号的背景信号;然后进入步骤A7;

步骤A7.获得当前温度、气压下n次谐波信号所对应吸收相关信号与当前温度下n次谐波信号的背景信号之间峰值之比,作为当前温度、气压下n次谐波信号的信背比SBR,然后进入步骤A8;

步骤A8.判断n是否等于M,是则进入步骤A9;否则采用n所对应值与1的和,针对n进行更新,并返回步骤A4;

步骤A9.即获得当前温度、气压下2次谐波信号至M次谐波信号中各次谐波信号的信背比SBR;然后针对所获当前温度、气压下2次谐波信号至M次谐波信号中各次谐波信号的信背比SBR,按由大至小的顺序进行排序,并由第一个信背比SBR开始,按序选择[(M-1)·G]个信背比SBR,作为各个待选信背比SBR;然后针对各个待选信背比SBR分别所对应的谐波信号,选择最小目标气体浓度检测误差所对应的谐波信号,作为当前温度、气压下目标气体的最佳次数谐波信号;最后进入步骤A10;其中,G为预设百分比数值,0<G<50%;步骤A10.判断样品池管道中的气压是否等于到预设气压上限阈值,是则进入步骤A11;否则通过调节向样品池管道注入不与激光相融合的保护气体的注入量,控制样品池管道中的气压,以当前气压为基础,增大预设气压增量值,更新样品池管道中的当前气压,并设定参数n=2,然后返回步骤A4;

步骤A11.判断样品池管道内的温度是否等于预设温度上限阈值,是则获得不同温度、气压环境下目标气体的最佳次数谐波信号;否则通过对样品池管道内的加热,控制样品池管道内的温度,以当前温度为基础,增大预设温度增量值,更新样品池管道内的当前温度,并返回步骤A2。

4.根据权利要求1所述一种化石燃料燃烧温度与气体浓度测量方法,其特征在于,所述步骤E中,分别针对2条CO2谱线分别对应的最佳次谐波信号,按如下公式:分别去除其中的背景信号,获得2条CO2谱线分别所对应的吸收相关信号;其中,nf代表n次谐波信号,1f代表一次谐波信号,Xnf代表n次谐波信号的X分量,Ynf代表n次谐波信号的Y分量,S1f代表1次谐波信号的幅值,角标meas表示测量值,BG代表背景值。