Определение температуры газа с помощью диодного лазера с распределенной обратной связью, работающего на длине волны поглощения кислорода 760 нм

Zhang Z.-R., Sun P.-S., Xia H., Li Z., Pang T., Wu B., Cui X.-J., Dong F.-Z.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Z.-R. Zhang, P.-S. Sun, H. Xia, Z. Li, T. Pang, B. Wu, X.-J. Cui, F.-Z. Dong Detection of gas temperature using a distributed feedback laser at O2 absorption wavelength 760 nm (Определение температуры газа с помощью диодного лазера с распределенной обратной связью, работающего на длине волны поглощения кислорода 760 нм) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2016. Т. 83. № 11. С. 34–39.

Z.-R. Zhang, P.-S. Sun, H. Xia, Z. Li, T. Pang, B. Wu, X.-J. Cui, F.-Z. Dong Detection of gas temperature using a distributed feedback laser at O2 absorption wavelength 760 nm (Определение температуры газа с помощью диодного лазера с распределенной обратной связью, работающего на длине волны поглощения кислорода 760 нм) [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2016. V. 83. № 11. P. 34–39.

Ссылка на англоязычную версию:

Z.-R. Zhang, P.-S. Sun, H. Xia, Z. Li, T. Pang, B. Wu, X.-J. Cui, and F.-Z. Dong, "Detection of gas temperature using a distributed feedback laser at O₂ absorption wavelength 760 nm," Journal of Optical Technology. 83(11), 673-677 (2016). https://doi.org/10.1364/JOT.83.000673

Аннотация:

Предложено использование метода прямой абсорбционной спектроскопии для мониторинга температуры газа в трубчатой камере сгорания в области температур 300–900 K с интервалом 100 K. Метод измерения основан на существовании температурной зависимости поглощения на двух спектральных линиях. Сведения о температуре газа могут быть получены из данных об отношении интегральных спектральных областей поглощения кислородом излучения лазерного диода с распределенной обратной связью, излучающего в области 760 нм. В сравнении с термопарными методами этот подход позволяет обеспечить также временное разрешение. Результаты показывают, что точность измерений низких температур превышает таковую высоких. В дальнейшем предполагается повысить точность метода и продемонстрировать полезность лазерных абсобционных датчиков для одновременной активной диагностики и оптимизации процессов сгорания.

Ключевые слова:

прямая абсорбционная спектроскопия, температура газа, поглощение пар спектральных линий, лазерный диод с распределенной обратной связью

Благодарность:

Работа выполнена при финансовой поддержке Национального фонда естественных наук Китая (гранты №№ 11204320, 41405034, 11204319), Национальной ключевой технологической программы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Министерства науки и технологий Китая (грант № 2014BAC17B03), Специального фонда фундаментальных исследований приборов для научных исследований Китайской академии наук (грант № YZ201315) и Президентского международного союза Китайской академии наук (грант № PIFI, 2015VMA007).

Коды OCIS: 280.4788, 300.6380, 300.1030

Список источников:

1. Veale J.R., Wang L.G., Gallagher T.F. Remote sensing of O2 in a supersonic combustor using diode lasers and fiber optics // Proc. 4th AIAA Intern. Aerospace Planes Conf. Orlando, Florida, 1992. P. 50901–50908.
2. Amato F.D., Mazzing H. P., Castagnoli F. Methane analyzer based on TDL’s for measurements in the lower stratosphere: Design and laboratory tests // Appl. Phys. B. 2002. V. 75. № 2. P. 195–202.
3. Sauer G.C., Pisano T.J., Fitz R.D. Tunable diode laser absorption spectrometer measurements of ambient nitrogen dioxide, nitric acid, formaldehyde, and hydrogen peroxide in Parlier, California // Atmospheric Environment. 2003. V. 37. № 12. P. 1583–1591.
4. Li F., Yu X.L., Cai W.W., Ma L. Uncertainty in velocity measurement based on diode-laser absorption in nonuniform flows // Appl. Opt. 2012. V. 51. № 20. P. 4788–4797.
5. Lewander M., Guan Z.G., Persson L., Olsson A., Svanberg S. Food monitoring based on diode laser gas spectroscopy // Appl. Phys. B. 2008. V. 93. № 2–3. P. 619–625.
6. Urszula T., Patrik L., Lorenzo C., Katarzyna D., Pietro R., Sune S., Petr D., Federico G.G. Gas in scattering media absorption spectroscopy detected persistent vacuum in apple tissue after vacuum impregnation // Food Biophysics. 2012. V. 7. № 1. P. 28–34.
7. Roller C., Namjou K., Jeffers J. Simultaneous NO and CO2 measurement in human breath with a single IV–VI mid-infrared laser // Opt. Lett. 2002. V. 27. № 2. P. 107–109.
8. Matthew R.M., Yury B., Gerard W., Rafal L., Frank K.T. Recent advances of laser-spectroscopy-based techniques for applications in breath analysis // J. Breath Res. 2007. V. 1. № 1. P. 014001–014012.
9. Dong F.Z., Liu W.Q., Liu J.G., Tu X.H., Zhang Y.J., Qi F., Xie P.H., Lu Y.H., Wang S.M., Wang Y.P., Wei Q.N. On-line roadside vehicle emissions monitoring (Part I) // J. Test and Measurement Technol. 2005. V. 19. № 2. P. 110–120.
10. Dong F.Z., Liu W.Q., Liu J.G., Tu X.H., Zhang Y.J., Qi F., Xie P.H., Lu Y.H., Wang S.M., Wang Y.P., Wei Q.N. On-line roadside vehicle emissions monitoring (Part II) // J. Test and Measurement Technol. 2005. V. 19. № 3. P. 237–244.
11. John L.B., John D.B., Kevin M.L., Richard P.L., John T.P., Frederick J.T., David M.S., Krishnan R.P. Small, lowpower consumption CO-sensor for post-fire cleanup aboard spacecraft // Proc. SPIE: Next-Generation Spectroscopic Technologies. May 12–15, 2011. V. 80320D. P. 1–12.
12. Andrew D.S., Pat M., Eric H., Jim H., Mike E., Henrik H., Atilio J. Results of closed-loop coal-fired boiler operation using a TDLAS sensor and smart process control software combustion // Sci. and Technol. 2011. V. 183. № 11. P. 1282–1295.
13. Rothman L.S., Gordon I.E., Barbe A., Benner D.C., Bernath P.F., Birk M., Boudon V., Brown L.R., Campargue A., Champion J.P., Chance K., Coudert L.H., Dana V., Devi V.M., Fally S., Flaud J.M., Gamache R.R., Goldman A., Jacquemart D., Kleiner I., Lacome N., Lafferty W.J., Mandin J.Y., Massie S.T., Mikhailenko S.N., Miller C.E., Moazzen A.N., Naumenko O.V., Nikitin A.V., Orphal J., Perevalov V.I., Perrin A., Predoi C.A., Rinsland C.P., Rotger M., Šimečková M., Smith M.A.H., Sung K., Tashkun S.A., Tennyson J., Toth R.A., Vandaele A.C., Vander A.J. The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database // J. Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. 2009. V. 110. № 9–10. P. 533–572.
14. Zhou X., Liu X., Jeffries J.B., Hanson R.K. Development of a sensor for temperature and water concentration in combustion gases using a single tunable diode laser // Meas. Sci. Technol. 2003. V. 14. № 8. P. 1459–1468.
15. Zhou X., Jeffries J.B., Hanson R.K. Development of a fast temperature sensor for combustion gases using a single tunable diode laser // Appl. Phys. B. 2005. V. 81. № 5. P. 711–722.
16. Nagali V., Hanson R.K. Design of a diode-laser sensor to monitor water vapor in high-pressure combustion gases // Appl. Opt. 1997. V. 36. № 36. P. 9518–9527.
17. Cooper D.E., Warren R.E. Frequency modulation spectroscopy with lead-salt diode lasers: A comparison of single-tone and two-tone techniques // Appl. Opt. 1987. V. 26. № 17. P. 3726–3732.