基于TDLAS技术的空间真空环境下温度测量技术研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京东方计量测试研究所 作者:贾军伟

  可调谐二极管激光吸收光谱( TDLAS) 技术可用于气体温度的高精度快速测量, 但目前TDLAS 技术研究一般集中在正压范围内, 真空环境下该技术的应用研究较少。空间真空环境由于压力极低, 传统的接触式温度测量技术存在众多不确定性因素。本文从热力学温度定义出发, 提出并分析了TDLAS 技术测量空间真空环境下痕量气体分子振- 转温度的可能性和精度。同时以C2H2 分子1535.393 nm 和1535.432 nm 两条吸收谱线为例, 分析了TDLAS 技术测量气体分子振- 转温度的方法和精度。分析结果表明即使压力达到1.0×10-3Pa, 如果在实验中选取吸收强度大的谱线对, 同时增加有效吸收光程, 可以得到比较理想的吸收信号, 实现气体分子振- 转温度的测量。

  随着我国航天技术、飞行器再入技术的发展, 真空环境试验、特别是航天器真空热试验成为一项非常重要的试验验证工作, 其中真空环境下某些基本参数的测量尤其是温度的测量成为上述研究的关键测试技术。但是到目前为止, 航天器真空热试验中温度的测量基本上还是采用传统的接触式测温技术, 其中热电偶温度测量系统应用十分普遍, 但随着航天科学技术的发展, 传统的热电偶测温技术存在着一定的局限性[ 2], 如高真空环境会导致温度传感器的表面解吸、不同气体组分导致传感器的热响应改性; 热电势信号较小, 当信号采集处理单元安装在真空室外, 连接测量点和信号处理单元间的热偶电缆比较长, 噪声会对高精度的测量产生不利影响。

  另外, 由于真空热试验的温度场比较复杂, 测量线的材料和工艺如得不到正确的处理, 就会有附加热电势的干扰。与此同时, 航天器真空热试验中需要的热电偶数量庞大, 不仅给试验带来困难, 而且热电偶线的热损失也会降低温度测量的精度。而从物理角度分析, 在高真空环境下采用热电偶测量温度存在着诸多不确定性因素, 如在压力较大情况下, 传热方式主要有对流、热传导和辐射三种, 但是在真空状态( < 10 Pa) 下, 对流和热传导的作用非常微小, 此时对工件、热电偶起升温作用的主要是辐射, 而辐射反映的是分子转动和振动( 分别对应转动和振动温度) 的热运动情况, 可事实情况却是: 热电偶的校准工作一般是在常压下进行, 此时热电偶测量的温度为平动温度( 即经典热力学温度) , 其温度高低反映了分子热运动的剧烈程度。上述现象表明: 当采用常压下标定的热电偶测量真空环境的温度存在着不可预知的问题, 因此发展先进的、准确的、有效的空间真空环境下温度测量技术有着明确的、长远的、重大的民用和军事应用背景。

  基于上述原因, 考虑可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS) 可以测量气体分子振-转温度、且分子振-转温度与平动温度时刻保持平衡的特点, 本文力求将TDLAS 技术应用到空间真空环境下温度的测量, 并根据测量得到的振-转温度验证传统接触式测温技术的可靠性和精度。为此, 本文通过选择合理的气体分子( C2H2 分子) 吸收谱线, 通过数值模拟技术分析和计算了TDLAS 技术测量极低压力环境下气体分子振-转温度的可行性和精度, 为空间真空环境下温度测量提供新的测试手段和理论支持。

  TDLAS 测温原理

  自上世纪六七十年代以来, 随着激光和光电子技术的发展以及半导体激光器与光纤元件大规模商用化, TDLAS 技术得到迅速发展。尤其是上世纪80年代J. Reid将波长调制光谱(WMS) 技术引入到TDLAS 测量系统中以来, 科研工作者通过谐波检测手段极大地提高了TDLAS 技术的测量精度和灵敏度, 实现了多种环境下气体分子振-转温度的在线测量。尽管TDLAS 技术在气体温度测量中取得了重大进展, 但目前的研究一般集中在1.0~ 1000 kPa压力范围内, 而关于高真空环境( 1.0 Pa 以下) 下气体温度测量的报道很少, 其主要原因在于: 目前TDLAS技术主要针对具体的工程应用, 而工程应用中一般很少涉及到极低压力环境; 另外,TDLAS 技术是通过分析气体对激光的吸收情况得到气体分子的振-转温度, 但在高真空环境下, 气体分子密度很小, 使得吸收信号很弱而不利于实验测量。但近几年来,随着实验水平的进步, 尤其是光学谐振腔技术的发展, 使得测量高真空环境下气体温度成为可能。

  总结

  本文针对传统的接触式测温技术在极低压力环境下存在的问题, 初步提出并分析了TLDAS 测温技术在空间真空环境下应用的可能性, 并以C2H2 分子1535.393 nm 和1535.432 nm 两条吸收谱线为例, 分析和计算了TDLAS 技术测量气体分子振-转温度的精度。另外, 考虑到极低压力环境下气体分子对激光吸收较弱的问题, 本文拟采用离轴积分腔光谱技术增大谱线的吸收强度, 计算结果表明: 即使压力小于1.0 Pa, 如果在实验中选取吸收强度大的谱线对,同时增加有效吸收光程, 也可以得到比较理想的吸收信号, 实现气体分子振-转温度的测量。与此同时, 为验证传统热电偶测温技术在空间真空环境下测量温度的可靠性和精度, 实验中拟将TDLAS 测量得到的气体分子振-动温度与热电偶测量的温度进行比较, 分析二者之间的误差, 建立一种空间真空环境下温度测量与校准技术。

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