基于dles技術的燃燒過程相關分子參數的測定

1精密度的測量在汽車燃料燃燒過程中，產生的有害氣體將排出，減少車輛動態運行過程（快速增長和減速）的廢水排放是排放標準的關鍵。為了減少氮氧化合物(NOX)的排放,發動機控制中采用廢氣循環(EGR)技術,即把部分排氣廢氣重新引入發動機進氣系統,通過降低發動機內燃燒溫度來大幅減少NOX排放。由于EGR會造成發動機輸出功率下降,必須針對發動機的工況采用不同EGR率。EGR率以廢氣中CO2濃度表征,精確測量CO2動態濃度,就能優化發動機EGR控制。傳統的廢氣測量是以廢氣取樣后的實驗室分析為基礎。這種測量方法由于在取樣過程中要對氣體進行預處理,包括冷卻等,而溫度的改變將導致氣體分子的濃度產生一定變化。另外采樣、預處理和化學分析都需時間,測量頻率一般低于20Hz,無法滿足實時測量的要求。直接注入電流來調制半導體激光二極管技術出現后,可調諧半導體激光二極管吸收光譜學(TDLAS)技術逐漸應用于燃燒氣體排放物的監測上,并成為當前環境污染在線自動監測的發展方向和技術主流。采用TDLAS測量的主要優點:(1)可以同時監測幾種污染物的濃度,測量頻率最高可超過10kHz,實現完全非接觸動態測量;(2)儀器的靈敏度高,只要選取合適的檢測波段,就可以測出低于1ppm的濃度;(3)測量距離可以從幾厘米到數公里,測出一個區域的平均污染程度,監測結果比單點監測更具有代表性。2氣體分子的吸收特性基于Lambert-Beer理論的TDLAS技術有較高的靈敏度和較高的分辨率,實用指標可以做到ppm量級。由于TDL的體積小、能夠測量更長的距離,且信噪比高;特別是狹窄的線寬、大范圍的波長調諧和穩定的輸出,使其比起以往系統有更快的響應時間。當激光光源發出一定頻率ν(cm-1)的單頻光穿透一定濃度的待測氣體時,假設入射光強為I0,穿透光強為It,依據Lambert-Beer定律,得出式中kv(cm-1)是吸收系數,L是通過吸收氣體光程。在穿越單一吸收氣體單一吸收區域時,kv=S(T)g(v)PabsN。S(T)(cm-2atm-1)是一定溫度下的譜線強度,g(v)(cm)是吸收譜線線型函數,并且∫vg(v)≡1,Pabs(atm)是總體壓強,N是吸收氣體的克分子分數,代表氣體濃度。假設整個系統的氣體達到均勻狀態,因此,由(1)式得αν為吸收積分。吸收區域的譜線強度S(T)是吸收氣體分子的一個基本屬性。各種氣體分子的譜線強度可以在公開數據庫:美國空軍研究的紅外吸收應用的HITRAN數據庫查到。一定溫度下的S(T)可由下述公式計算得出:式中,Q是分子配分函數,E是分子躍遷的底層能量,h是布朗克常量,k是玻爾茲曼常量,c是光速,S(T0)是在參考溫度下T0的光譜線強度。譜線線型函數g(v)描述的是由于溫度和壓強引起的分子碰撞加寬的影響。氣體的吸收譜線線型主要取決于線型加寬原因中的多普勒加寬,即由于氣體分子運動而引起的多普勒效應而造成分子吸收光譜的加寬;還有一種是分子的碰撞加寬。氣體分子吸收峰的線型g(v)是Voigt函數V(a,w),具體如下:式中ΔvL(cm-1)和ΔvD(cm-1)是壓強和多普勒加寬的半最大值全寬(FWHM)。如果同時檢測同一吸收路徑中的同一吸收分子的兩個不同吸收波長區域,由于濃度N和光程L都是一樣的,通過對兩個區域的吸收測量積分比值α1/α2和式(4)可以得到一個T為參數的比率函數:根據式(6)和(3)便可測量氣體溫度T和濃度N。3co分子濃度和溫度動態測量系統的方案系統由光源及光源驅動電路、氣室、光探測器、數字信號處理器及連接光纖等部分組成。3.1cod的理想線性關系選擇光源時應滿足:輸出中心頻率同氣體的吸收譜線特性相吻合;溫度特性良好,工作于室溫下;與光纖的個體低損耗窗口相適應特性良好;輸出功率足夠大且在工作范圍內與注入電流存在良好線性關系。CO2是主要燃燒產物和造成溫室效應的重要氣體。CO2在波長1300nm～1600nm、1900nm～2300nm和4600nm處都有依次增強的吸收,而且較少受到水分子的干擾,是理想的吸收區域。如圖1所示。分布反饋式半導體激光器(DFBLD)作為光源的氣體傳感技術在靈敏度、選擇性、動態范圍、信噪比和響應時間等方面比傳統方法具有諸多優點:譜線窄,功率大,單縱模運行等,并且可以通過調整溫度和注入電流來粗調和精調其輸出波長,且有很高的短期穩定度和長期穩定度。3.2基于光強i0的射入氣室檢測檢測系統如圖2所示。從TDL發出的光通過分光器分成兩部分,其中一束直接傳輸到PIN光電探測器,作為參考光強I0;另一束射入氣室由另一個PIN光電探測器檢測,為入射光強It。通過光纖可以將激光器發出的光傳輸很長距離,所以光源及電路處理單元均可安裝于遠離高溫氣室或危險源,實現遙測。4氣體濃度lorenz曲線調制光譜技術把檢測頻率提高到一個較高頻率上,能有效減少由于激光源和探測器自身帶來的噪音,并通過相敏檢測技術減少檢測的頻譜帶寬,從而可以提高測量信噪比幾個數量級。通過對光源的注入電流進行正弦調制,光源頻率和輸出光強也將受到相應的調制。假設光源沒經調制時的中心頻率為v0(cm-1);νm為頻率調制幅度;η為光強調制系數,f為電流調制頻率。代入(2)式得當氣體壓力接近一個標準大氣壓,碰撞加寬起主要作用,可以用Lorentz曲線描述CO2分子的吸收譜線型:作以下定義:m通常稱為波長調制系數,把式(9)代入(8)式中并作數學變換,忽略高階項得:將上式展開傅立葉級數序列,它的一次諧波(f)和二次諧波(2f)的系數分別為:式中M=1-x2+m2,用二次諧波I2f和一次諧波If的比值作為系統的輸出來獲得氣體濃度信息,能消除光強波動等因素帶來的干擾。在線處理系統如圖3所示,DFBLD發出經過調制的光通過光纖傳輸到測量氣室,光能與CO2氣體發生相互作用,然后將攜帶有用信息的光信號傳輸到PIN光探測器轉換成電信號,再經過自平衡接收器,消除背景光的交流漂移和PIN的暗電流,并過濾信號中的高頻噪聲,數字信號處理器(DSP)既實現數字鎖相放大,又實現快速傅立葉變換(FFT)計算一次基波和二次諧波,處理數據后得出動態濃度與溫度。5檢測設備及信號具體構成圖3所示測量系統的各部件如下:①DFB二極管激光器采用TriQuint公司生產的型號為D2525P的激光二極管,中心波長為1578.63nm。②激光控制器采用ILXLightWave公司的LDC-3724B控制器。③單模光纖適配器采用NewFocus公司的1281FC-光纖適配器④自平衡接收器采用NewFocus公司的2017-M125kHZ自平衡接受器⑤鎖定放大器采用DSP以數字信號處理方式實現。⑥數字信號處理器采用TI公司的TMS320F2811。本測量裝置的激光通過標準單模光纖傳輸,唯一需要調整的機械部件是瞄準器,它聚焦激光束使透射激光能完全定位到自平衡接收器的有效接收面上。從而使整個測量裝置非常緊湊,便于汽車發動機臺架實驗室內的現場連接。圖4、圖5為實驗室條件下,標準氣室CO2濃度恒定為2.5%、溫度為26℃時,經DSP處理后得到了氣體吸收曲線與接收信號的二次諧波的波形。初步證明通過計算二次諧波系數,能正確測量相關分子濃度。下一步應建立描述測量精度與靈敏度