快速穩(wěn)定地測量燃燒場的溫度和燃燒產(chǎn)物濃度對于提高發(fā)動機燃燒效率、優(yōu)化燃燒控制策略和減少污染物排放至關(guān)重要。然而，發(fā)動機燃燒過程和其環(huán)境十分復(fù)雜，傳統(tǒng)的接觸式溫度測量方法存在響應(yīng)時間長、測量單點、對燃燒場干擾程度不同等缺點，無法滿足現(xiàn)有的測試要求。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的馬欲飛老師研究組針對此一問題，提出一種基于TDLAS技術(shù)的溫度測量方法，實現(xiàn)快速、高精度的非接觸式燃燒場溫度檢測。研究成果《Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy Based Temperature Measurement with a Single Diode Laser Near 1.4 μm》發(fā)表于《Sensors》。
摘要：
超燃沖壓發(fā)動機中，燃燒溫度的快速變化和極寬動態(tài)范圍對現(xiàn)有測試技術(shù)來說是個重大挑戰(zhàn)。基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）的溫度測量技術(shù)具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。這篇特邀論文中展示了一種基于 TDLAS 技術(shù)的單二極管激光器溫度測量方法，該方法使用發(fā)射波長接近 1.4 μm 的連續(xù)波 (CW)、分布反饋 (DFB) 二極管激光器進行溫度測量，可同時覆蓋位于 7153.749 cm-1 和 7154.354 cm-1 處的兩條水蒸氣 (H2O) 吸收譜線。二極管激光器的輸出波長根據(jù)時域中的兩個吸收峰進行校準。采用這種策略，本文介紹的TDLAS系統(tǒng)具有不受激光波長偏移影響、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本降低、系統(tǒng)魯棒性提高等優(yōu)點。室溫下，兩條目標吸收譜線的強度約為高溫下的千分之一，避免了環(huán)境中H2O造成的測量誤差。該系統(tǒng)分別在 McKenna 平面火焰燃燒器和超燃沖壓發(fā)動機模型發(fā)動機上進行了測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與CARS技術(shù)和理論計算測得的結(jié)果相比，該TDLAS系統(tǒng)在使用McKenna平焰燃燒器時的溫度誤差小于4%。當采用超燃沖壓發(fā)動機模型時，實測結(jié)果表明該TDLAS系統(tǒng)具有優(yōu)異的動態(tài)范圍和快速響應(yīng)。本文所提出的TDLAS系統(tǒng)將來可以在實際發(fā)動機中使用。
圖一 研究組所采用的TDLAS系統(tǒng)
圖一顯示了研究組所采用的TDLAS系統(tǒng)系統(tǒng)采用了波長1397.80 nm 的 CW-DFB 二極管激光器。昕甬智測為該系統(tǒng)提供了激光驅(qū)動器（Healthy Photon DFB-2000），通過溫度和電流的調(diào)諧控制二極管激光器的輸出波數(shù)，覆蓋實驗中所選用的兩條吸收譜線（7153.749 cm-1 和 7154.354 cm-1）。激光束被準直并發(fā)送到平面火焰的燃燒區(qū)域（麥肯納標準燃燒器），鍍金反射器將激光束折射回光電探測器以進行兩次吸收。來自光電探測器的信號最終由數(shù)據(jù)采集卡采集并上傳至計算機。
該光學(xué)系統(tǒng)獲取了兩條譜線的吸光度，最終利用雙線測溫原理推導(dǎo)出相應(yīng)的溫度值。實驗中選擇了 McKenna 燃燒器以產(chǎn)生平坦的火焰進行測試。經(jīng)認證的甲烷和空氣分別用作平焰燃燒器的燃料和促進劑。激光束經(jīng)過調(diào)整，使其在穿過燃燒區(qū)域時穿過平面火焰燃燒器的中心，以確保有足夠的吸收路徑。
研究組首先使用了這個TDLAS系統(tǒng)，測量不同當量比和不同火焰高度的平焰燃燒器溫度。與CARS技術(shù)和理論計算所得結(jié)果相比，溫度測量誤差小于4%，溫度變化趨勢一致。
圖二 使用不同方法比較 McKenna 平焰燃燒器的溫度：(a) φ 為 1.0 時不同高度的火焰溫度；(b) 在 15 mm 高度處不同 φ 的火焰溫度
為進一步證實系統(tǒng)性能，研究組并將該TDLAS系統(tǒng)用于超燃沖壓發(fā)動機模型發(fā)動機的溫度測試，并展現(xiàn)出良好的動態(tài)范圍和快速響應(yīng)。
圖三 超燃沖壓發(fā)動機模型發(fā)動機尾焰的動態(tài)溫度測量
未來，該報告的 TDLAS 系統(tǒng)可應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動機、航空發(fā)動機和其他燃燒器中復(fù)雜流場的多參數(shù)測試。
參考文獻：Liu, X.; Ma, Y. Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy Based Temperature Measurement with a Single Diode Laser Near 1.4 μm. Sensors 2022, 22, 6095. https://doi.org/10.3390/s22166095
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