用于中红外甲烷检测的压强测量与补偿（英文）

利用一个波长为3.291μm的室温连续、带间级联激光器和一个有效光程长为54.6 m的多通池,研究了用于中红外甲烷检测的压强测量及补偿技术。通过对测得的甲烷直接吸收光谱信号进行洛伦兹吸收线型拟合,测量了吸收池内气体压强并补偿了压强变化对甲烷浓度的影响。利用浓度为2.1×10~(-6)的甲烷气体样品,在1.33×10~4~10.64×10~4 Pa的范围内进行了压强标定;对压强为9.31×10~4 Pa、浓度为2.1×10~(-6)甲烷气体样品的压强测量结果进行阿仑方差分析,结果表明,当积分时间为2.2s时,压强的测量精度约为219.5Pa。在1.33×104、3.99×10~4和6.65×10~4 Pa三种不同压强条件下,对浓度分别为1.0×10~(-6)、1.2×10~(-6)、1.4×10~(-6)、1.6×10~(-6)、2.1×10~(-6)甲烷气体样品的浓度和压强做了15组测量,验证了所给出的压强测量和补偿技术的可行性。     

基于自发瑞利-布里渊散射的相关参数误差对气体温度准确测量的影响

仿真了氮气在温度为298 K,压强为20265.0～810600.0 Pa下的自发瑞利-布里渊散射光谱,利用仿真光谱研究了法布里-珀罗干涉仪的仪器函数线宽、散射角、气体体黏滞系数、压强参数误差,以及存在气溶胶时米散射干扰对气体温度反演结果的影响。仿真结果显示:在仪器函数线宽偏差≤5 MHz,散射角偏差≤0.2°,体黏滞系数偏差≤0.2×10~(-5) kg·m~(-1)·s~(-1),以及压强相对误差≤3%的条件下,单个参数偏差导致的温度反演的最大绝对误差为1.7 K。米散射的相对强度为0.3～2.5时,温度反演的误差通常低于2 K。此外,还开展了在温度为298 K,压强在70927.5～709275.0 Pa范围内的侧向90°的氮气自发瑞利-布里渊散射实验,经参数优化后,根据测量光谱对温度进行反演,结果表明:实验结果与仿真分析结论具有较好的一致性,在与仿真相同的参数误差条件下,实验获得的温度绝对误差小于1.2 K。该研究对实现不同压强条件下温度的高精度绝对探测及气体状态的准确分析具有一定的参考意义。     

气体自发瑞利-布里渊散射的理论分析及压强反演

气体压力是描述体系状态的重要参数,许多物理、化学性质都与压力有关.传统侵入式的压力测量方法会对气体状态产生干扰,影响测量精度,因此需要一种无扰式的测量方法.本实验测量了压强为2,4和6 atm(1 atm=1.01325×10~5 Pa)下加入气溶胶的N2在90?散射方向的自发瑞利-布里渊散射光谱,利用卷积后的Tenti S6模型对测量光谱进行直接拟合,拟合得到的压强值总体误差小于6.0%,求和归一化的均方根误差总体小于6.5%;利用理想的Tenti S6模型对经维纳滤波器反卷积处理后的测量光谱进行拟合,拟合得到的压强值误差总体小于5.0%,求和归一化的均方根误差总体小于6.0%.通过对两种方法的详细对比,发现压强低于2 atm时,对测量光谱进行反卷积处理在一定程度上可以消除仪器函数的影响,提高测量光谱的准确性,其光谱拟合效果和压强反演精度要优于卷积光谱.而在压强高于2 atm的情况下,卷积光谱的拟合效果和压强反演精度要优于反卷积光谱.     

用压力传感器和温度传感器测量绝对零度

介绍用贮气球体与压力传感器和温度传感器配合,在定容条件下测量气体的压强与温度,采用外推法估算理想气体可以达到的最低温度,即绝对零度的摄氏温度值,替代原先用玻璃管测体积和水银温度计测温度.使用这种绝对零度实验装置,可以更明显地观察分析热力学现象,并使测得的绝对零度值较为精确.     

大气环境条件下波长调制光谱无标测量的压强修正

可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS)由于其高灵敏度、高选择性等优势广泛用于痕量气体检测领域。然而其测量结果容易受到目标气体压力波动的影响,特别是在大气环境下尤为明显,现有方法多为在现场安装压力传感器,对测量结果进行校正。提出了一种无需压力传感装置的气体浓度修正方法。选取碰撞展宽占主导地位的气体吸收谱线,分别建立谱线展宽与波长调制光谱一次谐波(WMS-1f)信号的峰谷值间距和二次谐波(WMS-2f)过零点间距的解析表达式,通过测量一次谐波峰谷值间距或二次谐波过零点间距直接得到被测气体压强,进而利用波长调制光谱一次谐波归一化的二次谐波(WMS-2f/1f)技术补偿测量环境中压力波动对气体浓度测量结果的影响。实验以浓度为1 980 mg·m~(-3)的CO_2为目标气体,选取其位于4 989.97 cm~(-1)的吸收作为目标谱线,在大气压附近进行不同调制深度的变压力测量实验,通过实验分析了压强变化对二氧化碳吸收谱线谐波信号的影响,利用一次谐波峰谷值间距和二次谐波过零点间距分别反演了气体压强,并与气体压强传感器测得的压强数据进行对比,压强偏差在1%以内,验证了通过谐波间距解析表达式计算压强的正确性及通过测量谐波间距对浓度补偿的可行性。最后利用WMS-2f/1f技术和通过谐波间距测得的压强数据对气体浓度进行压强补偿修正,结果表明通过测量谐波间距修正后的浓度与通过高精度压力表补偿后浓度相比误差小于2%,与通过谐波间距推导得出的压力不确定度(小于2%)一致,验证了该方法的可行性和有效性,进一步提高了TDLAS技术在压强波动较大环境下进行气体浓度检测的测量精度。利用谐波间距对气体浓度补偿的方法无需额外的气体压力传感器,简单易行,特别适合于大气环境中气体成分的高灵敏高精度开放光路遥测,也可用于气体浓度和压强的同时测量。     

基于TDLAS技术的水汽低温吸收光谱参数测量

精确的气体光谱参数对气体浓度、温度等的光谱精确反演测量具有十分重要的意义,针对当前主流光谱数据库(例如HITRAN)中数据与实际数值存在相当误差的问题,自主研制了一套基于静态冷却技术的低温光谱实验平台,用于精确测量低温下的气体吸收光谱参数.运用该低温光谱实验平台,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术测量了温度为230—340 K、压强为10—1000 Pa时7240—7246 cm~(-1)波段的纯水汽振转跃迁光谱.采用Voigt线型多峰拟合方法,获得了5条水汽振转跃迁谱在不同温度、不同压强下的积分吸光度值及洛伦兹展宽值,运用线性拟合的方法得到这5条吸收线的自展宽半峰全宽系数及参考温度下的线强值.运用不确定度传递公式,计算得到实验结果的不确定度,与HITRAN2012数据库中的线参数进行对比,所测的5条吸收线中实验结果与数据库值最大相差10.96%,且实验结果的不确定度为1.11%—2.98%(置信概率p=95%,包含因子k=2),小于HITRAN2012数据库值的不确定度.     

基于近红外光谱的超声速燃烧场气体参数测量研究

基于近红外H_2O的吸收光谱,开发了一种同时测量高速气流温度、速度及H_2O摩尔分数等参数的方法并在超声速燃烧场中开展了应用研究,分析了超声速燃烧场中存在的现象及规律。基于扫描波长调制光谱技术,利用两条H_2O吸收谱线在超燃直连台隔离段和扩张段中开展了实验研究,实现了多参数的同时测量。燃烧室点火后:隔离段内无激波时,气流速度、温度、压强和H_2O摩尔分数测量值与预测值基本吻合,相对偏差分别小于3.0%、7.2%、8.2%和3.9%;有激波时,气体速度、温度、H_2O摩尔分数和压力都发生了明显变化,空气质量流量均值变化不明显,但波动明显增大。实验结果表明,基于波长调制光谱的传感器具有重要的工程应用价值。     

基于光谱拟合的燃烧场气体参数测量方法研究

基于波长调制光谱(WMS)理论,提出一种利用光谱拟合实现燃烧场气体参数测量的方法;通过拟合谱线的谐波信号实现谱线积分吸光度、多普勒线宽和碰撞线宽的测量,进而实现燃烧场内气体温度、压强和水蒸气浓度的测量;通过数值仿真研究了积分吸光度和碰撞线宽对谐波信号的影响,并在样品池中进行实验研究。结果表明:谐波信号光谱对积分吸光度的灵敏度约为1,而对碰撞线宽的灵敏度则随碰撞线宽增大而先增大后基本不变;光谱拟合测量方法具有较高的测量精度,气体温度、压强、水蒸气物质的量分数的测量值与预测值的最大相对偏差分别小于4%、6%、5.5%。     

基于吸收光谱和激光干涉技术的气体压力测量方法研究

气体压力光学非接触测量是目前激光技术重要应用领域之一,其中气压测量过程中温度耦合问题是现在面临的研究难点。故而提出一种光谱测量技术与激光干涉技术组合测量方法,通过积分吸光度和折射率融合的方式实现气体压力、温度解耦的目的。分析可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)的直接吸收法测量原理和基于折射率的激光干涉测量原理,建立基于吸收光谱的气压测量模型和基于折射率的激光干涉气压测量模型,通过利用三次多项式拟合吸收谱线强度函数的方式,建立了基于积分吸光度和折射率的气体压力、温度解耦的数学模型。实验搭建了基于TDLAS技术和激光干涉技术的气体压力检测系统,采用中心波长为2 004 nm的可调谐半导体激光器和波长为632.8 nm的激光干涉仪,气室长度为24.8 cm,将CO₂作为研究对象,并以高精度压力控制器和温度传感器的测量结果分别作为压力温度参考值,以真空为背景信号,在室温环境中测量并计算出气体压力变化后积分吸光度值和折射率值,进而解算得到气体压力和温度值。实验结果显示：压力测量结果最大相对误差为3.61%,最小相对误差为0.5%,测量平均相对误差为1.99%;在以开尔文温度为前提下,温度解算结果最大绝对误差为7.66 K,最小绝对误差为0.78 K,测量平均绝对误差为3.29 K,测量结果与参考结果具有较高的吻合度,该研究可为以后光学法测量气体压力温度影响分析提供参考。     

高温高压水比定压热容的实验测量

本文基于流动型量热法建立了一套适用于测量高温高压下比定压热容的实验系统,通过改进传统流动型量热器的管路布置及合理的系统结构设计,使该系统温度、压力适用范围为:293~673 K、0.1~30 MPa。该实验系统温度、压力、比定压热容的测量不确定度分别小于土0.05 K、士13 kPa、:±0.98%。为了验证实验系统的测量精度和可靠性,测量了温度为296~313 K、压力为0.1~6 MPa范围内纯水的比定压热容,与文献值的相对偏差小于1%。本文还对温度在355~666K、压力在1~23 MPa范围内的高温高压水的比定压热容进行了测量。     

液体气化热实验研究

设计了气化热量热器本体,该装置测量压力可达6 MPa,温度范围233~400 K。建立了绝热量热气化热实验系统,利用该系统对制冷剂R134a及制冷剂R600a的气化热数据进行了测量,温度范围分别为284.88~340.95 K和281.71~335.48 K,测量结果与NIST相比最大相对偏差为-2.29%,平均相对偏差小于±1%。     

基于自发瑞利-布里渊散射的氮气体黏滞系数的测量

体黏滞系数是从微观角度认识气体分子黏滞性的重要参数,传统的兆赫兹声频范围的声波吸收方法无法直接应用于声波弛豫效应在千兆赫兹范围的高频领域,而瑞利-布里渊散射则能实现对声波弛豫效应在千兆赫兹的气体体黏滞系数的测量.本文测量了532 nm激光激发的常温下压强分别为1-9 bar的氮气的自发瑞利-布里渊散射光谱,利用已知温度和压强的理论模型对测量光谱进行了比较,获得了准确的散射角.利用该散射角并结合χ~2值最小原理反演得到不同压强(4—9 bar)下氮气的平均体黏滞系数为(1.46±0.14)×10~(-5)kg·m~(-1)·s~(-1),该结果与文献中利用自发瑞利-布里渊散射获得的结果和理论计算结果相近,但与相干瑞利-布里渊散射的测量结果相差明显.利用该平均体黏滞系数对氮气在不同压强下的温度进行了反演,得到各压强下的温度与实际温度的绝对误差小于2.50 K,反演温度的平均值与实际温度误差小于0.15 K,该结果证明了实验测量得到的氮气的体黏滞系数具有较高的准确性,同时也说明利用瑞利-布里渊散射反演气体参数具有较高的准确性和可靠性.     

基于吸收光谱法的CO_(2)正压测量技术分析北大核心CSCD

为了研究可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术在气体检测过程中,正压条件下的相邻谱线影响问题,建立基于积分吸光度的压力测量模型。以CO_(2)为研究对象,在室温、高纯度条件下进行了范围为(1~2)atm的压力测量仿真和实验。实验结果显示:随着压力的增大,相邻吸收谱线相互影响程度加剧,吸光度曲线偏离零基线的程度加大;实验测量结果在1.25 atm处最大相对偏差为4.94%,在2.00 atm处最小相对偏差为0.73%,平均相对偏差为3%。     

利用波长调制光谱技术测量高温环境中的气体压强、温度和H_2O组分浓度

利用基于可调谐半导体激光器的扫描波长调制光谱技术,实现了高温燃烧场内气体参数的测量。提出了基于迭代算法实现气体压强、温度和组分浓度同时测量的方法,迭代算法具有收敛速度快以及对初始值不敏感等优点。采用频分复用技术,利用两条H_2O吸收谱线(7 454.45和6 806.03cm-1)的谐波信号,对高温燃烧场进行了实验研究,并将气体压强、温度和H_2O组分浓度测量结果与压力传感器、热电偶和直接吸收光谱法的测量结果进行比较,结果表明,基于波长调制光谱技术测得的气体压强、温度和H_2O浓度与预测值基本符合,最大偏差分别在7.6%,8.1%和7.5%以内。此方法具有多参数同时测量、免标定等显著优势,但由于依赖的参数较多,容易对测量精度造成影响。     

用压力传感器和温度传感器测量绝对零度

介绍用绝对零度球体与压力传感器和温度传感器配合,在定容条件下测量气体的压强与温度,采用外推法估算理想气体可以达到的最低温度(绝对零度)的摄氏温度值,替代原先用玻璃管测体积和水银温度计测温度。使用新的绝对零度实验装置,可以更明显地观察分析热力学现象,并使测得的绝对零度值较为精确。     

自发布里渊散射法异丙醚音速的实验测量

本文研制了一套基于自发布里渊散射法的流体音速测量实验系统,分析得到该实验系统温度、压力测量的不确定度分别为0.02 K,10 kPa,音速测量的扩展不确定度为0.5%。测量了标准物质正戊烷310 K到470 K饱和液体和350 K到470 K饱和气体的音速,与文献值比较得到,该实验测量值的测量偏差为2.5%左右,验证了本实验系统的可靠性与稳定性。在温度为303.15 K~453.15 K,压力达5.5 MPa范围内,对燃料添加剂异丙醚的饱和液体和过冷液体的音速进行了测量,并依据实验数据给出了异丙醚音速的经验关联式,关联式的计算偏差为0.51%(饱和液体)和0.54%(过冷液体)。     

环境气氛对高能量激光诱导等离子体辐射特性的影响

采用高能量钕玻璃激光器(～25 J)激发诱导金属等离子体,研究了环境气体及其压力对等离子体辐射特性的影响。实验结果表明,相同压强下,氩气中等离子体的谱线强度明显高于空气中等离子体的谱线强度;0.8×105Pa氩气条件下,光谱标钢等离子体的谱线强度达到了最大值;随着环境气压的增大,谱线自吸明显增强,当环境气压达到(0.8～0.93)×105Pa时,标样铝的AlⅠ308.22 nm和AlⅠ309.27 nm两条谱线产生了严重自蚀;另外,等离子体的激发温度也随环境气压的增大而增大,0.93×105Pa氩气条件下标钢等离子体的激发温度相对于0.43×105Pa时升高了近1 500 K。     

温度相关法测量吸热型碳氢燃料流速实验研究

为实现超临界压力下吸热型碳氢燃料流速的准确在线测量,本文基于相关原理设计搭建一套流速在线测量系统。以管道上、下游两只快速响应热电偶作为温度相关法的传感器,对热扰动信号进行相关计算后得出流速,并通过高采样率和相关系数来保证上、下游信号的准确性和相似性。为标定系统精度,将实验室测得的截面平均流速实验值与流速计算值做误差分析,其中流速计算值为基于质量守恒定律在已知物质密度、质量流量和管道直径的基础上计算得出。标定物为纯物质正十烷及质量比1:1正辛烷正庚烷二元混合物,实验结果与文献计算值的最大偏差在±1.2%以内,相对偏差绝对平均值小于0。65%。在此基础上,对压力p=3.0,4.0,5.0 MPa,温度T=302.0～529.6 K,吸热型碳氢燃料流速进行在线测量。该方法的应用为超临界压力下吸热型碳氢燃料流速的准确测量提供了新思路。     

氧碘化学激光器运行模式对其脉冲化影响的模拟研究

根据氧碘化学激光器的反应机理建立了一维预混脉冲出光理论模型,从理论上研究了气体总压力在660-2660 Pa, 温度在150-400 K区间内对单脉冲能量、脉宽和峰值功率的影响.分析了气体总压和温度对出光特性影响的内在原因. 计算结果表明:增益介质温度对单脉冲能量的影响要远大于对激光脉宽的影响;增益介质温度在150 K, 气体总压在1330 Pa可以获得比温度在400 K,气体总压为2660 Pa时更高的峰值功率. 因此在不干扰超音速流动状态条件下瞬间大量产生碘原子,可以实现高效的脉冲氧碘化学激光器.     

原子吸收光谱对碱金属原子蒸气密度与压强的测量方法

利用SERF原子自旋效应能够实现高灵敏度的磁场测量,碱金属原子密度与缓冲气体压强是敏感表头碱金属气室的重要参数,需要精确地测量。提出一种应用原子吸收光谱对碱金属蒸气的原子密度与压强测量方法,通过扫描碱金属原子的吸收光谱,进行Lorentz线型拟合,经解算同时得到原子密度和压强,一次实验获得两个物理量。由于多普勒展宽和压力展宽主要受到碱金属气室温度和缓冲气体压强的影响,从这两个方面进行了仿真分析。结果表明,充入2 amg缓冲气体时,313～513 K温度范围内的Lorentz线型与Voigt线型计算的光子吸收截面积峰值的理论误差始终小于0.015%;缓冲气体压强高于0.6 amg(393 K)时,其峰值误差小于0.1%,表明该条件下多普勒展宽对吸收光谱的影响可以忽略,可用Lorentz线型拟合原子的吸收谱线。最后分析了该方法能够获得的理论分辨率以及激光器的功率波动、波长波动和气室温度波动对测量精度的影响,得出同等条件下温度波动的影响比其他两个因素高1~2个数量级。