本發(fā)明屬于熱學(xué)計量測試和燃燒診斷領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多普勒展寬效應(yīng)的火焰熱力學(xué)溫度校準裝置。

背景技術(shù)：

1、溫度是最廣泛使用的熱工參數(shù)之一，其準確測量在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、國防安全、能源應(yīng)用等諸多領(lǐng)域中均發(fā)揮重要作用。尤其是燃燒相關(guān)的火焰溫度，決定了燃燒反應(yīng)的方向和劇烈程度，以及燃燒產(chǎn)物和污染物的生成，并制約著熱端部件的材料選擇、耐熱性能需求、加工工藝等，其準確測量對于工業(yè)鍋爐爐膛、發(fā)動機、燃氣輪機、航空航天動力裝備等燃燒能源應(yīng)用具有重要意義。

2、但目前，與固體表面溫度測量和較低溫度下氣體溫度測量不同，火焰等高溫氣體的溫度測量還缺少相應(yīng)的溫度標準，難以保障測量結(jié)果的準確性和可靠性。傳統(tǒng)的熱電偶等接觸式測量技術(shù)和溫度標準，存在干擾流場、響應(yīng)速度慢、溫度測量上限低等問題，難以對火焰溫度進行測量，同時作為次級測量方法，需要依賴its-90溫標建立繁瑣的量值傳遞體系，存在隨時間的漂移而需要周期性檢定等問題，在新開爾文定義后也將逐步被取代。

3、相比之下，多普勒展寬效應(yīng)測溫技術(shù)，是基于玻爾茲曼常數(shù)的量子原理的原級測溫技術(shù)，可以無需溫度標準的保障而實現(xiàn)準確可靠的溫度測量。目前已有的多普勒展寬測溫研究主要分為以下三類：（1）使用分子光譜進行室溫附近的溫度測量；（2）在水三相點溫度使用分子光譜或堿金屬原子光譜進行玻爾茲曼常數(shù)測量；（3）在室溫附近用堿金屬原子光譜進行微型氣室中的溫度測量。但這三類技術(shù)均無法實現(xiàn)基于多普勒展寬效應(yīng)的1600k以上火焰溫度的準確測量。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提出一種基于多普勒展寬效應(yīng)的火焰熱力學(xué)溫度校準裝置，可以實現(xiàn)基于多普勒展寬效應(yīng)的1600k以上火焰溫度的準確測量。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個方面提供一種基于多普勒展寬效應(yīng)的火焰熱力學(xué)溫度校準裝置，包括平面燃燒器、平面多通池、激光控制和數(shù)據(jù)采集模塊，

3、所述平面燃燒器包括內(nèi)層的富氧燃燒區(qū)域、中間層的n2與燃料伴流區(qū)域、外層的n2吹掃區(qū)域，內(nèi)層的富氧燃燒區(qū)域用于通過燃燒產(chǎn)生平面火焰，提供均勻高溫環(huán)境和o2吸收介質(zhì)，中間層的n2與燃料伴流區(qū)域用于消除火焰邊緣的o2吸收干擾，外層的n2吹掃區(qū)域用于消除環(huán)境中的o2吸收干擾；

4、所述平面多通池用于利用多個反射鏡形成多次反射光路，將多次反射光路調(diào)節(jié)在同一水平面內(nèi)，從而使每次反射的光路在同一火焰高度下具有相同的火焰溫度，所述多個反射鏡位于平面燃燒器的外層的n2吹掃區(qū)域內(nèi)；

5、所述激光控制和數(shù)據(jù)采集模塊用于產(chǎn)生激光穿過所述平面燃燒器中的火焰，采集所述平面多通池反射的光信號得到o2吸收光譜，通過對o2吸收光譜的吸收譜線進行測量，獲取多普勒展寬并計算得到火焰的熱力學(xué)溫度。

6、優(yōu)選地，所述激光控制和數(shù)據(jù)采集模塊如下計算得到火焰的熱力學(xué)溫度：

7、

8、其中，是多普勒展寬，是譜線中心頻率，是o2的相對分子質(zhì)量，是光速，是玻爾茲曼常數(shù)，是阿伏伽德羅常數(shù)。

9、優(yōu)選地，所述激光控制和數(shù)據(jù)采集模塊如下獲取多普勒展寬：

10、

11、其中，是吸收譜線線型函數(shù)的理論模型，是光譜頻率，是壓力碰撞展寬，是譜線積分吸光度面積。

12、優(yōu)選地，所述平面多通池包括三個焦距相同的平凹反射鏡，其中兩個反射鏡設(shè)置在所述平面多通池的一側(cè)，一個反射鏡設(shè)置在所述平面多通池的另一側(cè)，兩側(cè)的距離為兩倍焦距，形成多次反射光路，通過調(diào)節(jié)三個反射鏡的相對高度和角度，能夠?qū)⑷齻€反射鏡上的光斑調(diào)整在同一高度下，從而使多次反射光路保持在同一高度平面內(nèi)。

13、優(yōu)選地，所述裝置還包括燃氣供給和水冷模塊，所述燃氣供給和水冷模塊包括質(zhì)量流量控制器、水冷機和高揚程水泵，質(zhì)量流量控制器分別控制n2、o2、燃料三種氣體的流量達到需要的流量并保持穩(wěn)定，所述水冷機和高揚程水泵用于維持冷卻水循環(huán)。

14、優(yōu)選地，平面燃燒器的內(nèi)層的富氧燃燒區(qū)域和中間層的n2與燃料伴流區(qū)域采用均勻多孔金屬介質(zhì)，用于保證氣體供給流量和平面火焰溫度的分布均勻性。

15、優(yōu)選地，平面燃燒器的內(nèi)層的富氧燃燒區(qū)域供給n2、o2和燃料的混合氣體，且o2的比例高于燃料完全燃燒所需要的比例。

16、優(yōu)選地，平面燃燒器的中間層的n2與燃料伴流區(qū)域供給n2和燃料的混合氣體，其中燃料用于與火焰邊緣的o2燃燒，消除火焰邊緣溫度下降區(qū)域的o2，n2伴流用于調(diào)節(jié)燃料與火焰邊緣o2燃燒產(chǎn)生的溫升。

17、優(yōu)選地，所述激光控制和數(shù)據(jù)采集模塊包括信號發(fā)生器、激光控制器、可調(diào)諧激光器、光電探測器、采集卡和上位機，信號發(fā)生器用于產(chǎn)生特定波形的電信號，激光控制器用于對可調(diào)諧激光器進行電流調(diào)制，產(chǎn)生波長周期性調(diào)諧的激光，光電探測器用于采集穿過火焰的光信號并轉(zhuǎn)化為電信號，采集卡用于將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，上位機用于對數(shù)字信號進行處理得到吸收光譜，提取多普勒展寬并計算火焰的熱力學(xué)溫度。

18、根據(jù)本發(fā)明上述方面的基于多普勒展寬效應(yīng)的火焰熱力學(xué)溫度校準裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)基于多普勒展寬效應(yīng)的1600k以上火焰溫度的準確測量。

技術(shù)特征：

1.一種基于多普勒展寬效應(yīng)的火焰熱力學(xué)溫度校準裝置，其特征在于，包括平面燃燒器、平面多通池、激光控制和數(shù)據(jù)采集模塊，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述激光控制和數(shù)據(jù)采集模塊如下計算得到火焰的熱力學(xué)溫度：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述激光控制和數(shù)據(jù)采集模塊如下獲取多普勒展寬：

4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的裝置，其特征在于，所述平面多通池包括三個焦距相同的平凹反射鏡，其中兩個反射鏡設(shè)置在所述平面多通池的一側(cè)，一個反射鏡設(shè)置在所述平面多通池的另一側(cè)，兩側(cè)的距離為兩倍焦距，形成多次反射光路，通過調(diào)節(jié)三個反射鏡的相對高度和角度，能夠?qū)⑷齻€反射鏡上的光斑調(diào)整在同一高度下，從而使多次反射光路保持在同一高度平面內(nèi)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的裝置，其特征在于，還包括燃氣供給和水冷模塊，所述燃氣供給和水冷模塊包括質(zhì)量流量控制器、水冷機和高揚程水泵，質(zhì)量流量控制器分別控制n2、o2、燃料三種氣體的流量達到需要的流量并保持穩(wěn)定，所述水冷機和高揚程水泵用于維持冷卻水循環(huán)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的裝置，其特征在于，平面燃燒器的內(nèi)層的富氧燃燒區(qū)域和中間層的n2與燃料伴流區(qū)域采用均勻多孔金屬介質(zhì)，用于保證氣體供給流量和平面火焰溫度的分布均勻性。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的裝置，其特征在于，平面燃燒器的內(nèi)層的富氧燃燒區(qū)域供給n2、o2和燃料的混合氣體，且o2的比例高于燃料完全燃燒所需要的比例。

8.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的裝置，其特征在于，平面燃燒器的中間層的n2與燃料伴流區(qū)域供給n2和燃料的混合氣體，其中燃料用于與火焰邊緣的o2燃燒，消除火焰邊緣溫度下降區(qū)域的o2，n2伴流用于調(diào)節(jié)燃料與火焰邊緣o2燃燒產(chǎn)生的溫升。

9.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的裝置，其特征在于，所述激光控制和數(shù)據(jù)采集模塊包括信號發(fā)生器、激光控制器、可調(diào)諧激光器、光電探測器、采集卡和上位機，信號發(fā)生器用于產(chǎn)生特定波形的電信號，激光控制器用于對可調(diào)諧激光器進行電流調(diào)制，產(chǎn)生波長周期性調(diào)諧的激光，光電探測器用于采集穿過火焰的光信號并轉(zhuǎn)化為電信號，采集卡用于將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，上位機用于對數(shù)字信號進行處理得到吸收光譜，提取多普勒展寬并計算火焰的熱力學(xué)溫度。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于多普勒展寬效應(yīng)的火焰熱力學(xué)溫度校準裝置，包括平面燃燒器、平面多通池、激光控制和數(shù)據(jù)采集模塊，平面燃燒器包括內(nèi)層的富氧燃燒區(qū)域、中間層的N<subgt;2</subgt;與燃料伴流區(qū)域、外層的N<subgt;2</subgt;吹掃區(qū)域，富氧燃燒區(qū)域通過燃燒產(chǎn)生平面火焰，N<subgt;2</subgt;與燃料伴流區(qū)域用于消除火焰邊緣的O<subgt;2</subgt;吸收干擾，N<subgt;2</subgt;吹掃區(qū)域用于消除環(huán)境中的O<subgt;2</subgt;吸收干擾；平面多通池利用多個反射鏡形成多次反射光路，將多次反射光路調(diào)節(jié)在同一水平面內(nèi)；激光控制和數(shù)據(jù)采集模塊產(chǎn)生激光穿過火焰，采集平面多通池反射的光信號得到O<subgt;2</subgt;吸收光譜，通過對吸收譜線進行測量，獲取多普勒展寬并計算得到火焰的熱力學(xué)溫度。本發(fā)明可以實現(xiàn)基于多普勒展寬效應(yīng)的1600K以上火焰溫度的準確測量。

技術(shù)研發(fā)人員：楊鑫宇,蔡靜,常海濤,錢寶健,楊永軍
受保護的技術(shù)使用者：中國航空工業(yè)集團公司北京長城計量測試技術(shù)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21