真空环境下基于TDLAS温度测量与校准的实验研究

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,真空环境下该技术的应用研究较少。本文利用波长调制法对TDLAS 进行真空下温度测量的溯源性和误差进行了实验研究并进行不确定度分析。实验以一等标准铂电阻温度计作为标准,以高精度恒温槽作为温源,采用自研的真空下温度校准装置,选取C2H2分子6558 cm-1附近处谱线对进行真空下的温度测量。实验结果表明:在中低温范围内,采用C2H2作为分析气体,TDLAS 测温具有良好的稳定性和灵敏度,同一等标准铂电阻的误差不超过±0.2℃,测量结果的扩展不确定度U= 0.24℃,k = 2。

  随着我国航天技术、飞行器载入技术的发展,真空环境试验、真空热处理、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,传统的温度传感器测温技术存在“常压校,真空用”的问题,在真空下温度测量中应用存在一定的局限性和不确定性,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。上述现象表明:当采用常压下校准的温度传感器测量真空环境的温度存在溯源比较链断裂、真空效应导致温度传感器热电效应发生变化等不可预知的问题。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,考虑真空和常压下温度测量存在差异,近年来,可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)在气体温度测量中得到应用,可测量气体分子振- 转温度。由能量均分定律和分子各自由度平衡理论可知,除了一些瞬态过程分子振-转温度与平动温度时刻保持平衡,因此TDLAS 测温可保证真空下温度测量的溯源性,作者针对TDLAS 在真空环境下温度测量的应用进行了理论分析和数值模拟。并基于前期的理论分析成果,本文采用自行研制的真空下温度校准系统和TDLAS 温度测量系统,以一等标准铂电阻温度计作为标准,以高精度恒温槽作为温源,通选取C2H2分子6558 cm -1 附近处谱线对,进行TDLAS 在不同真空度的温度测量与校准进行了实验研究,为真空下温度测量的溯源问题提供实验数据和技术手段。

3、总结

  当采用常压下校准的温度传感器测量真空环境的温度存在“常压校,真空用”的问题导致溯源比较链断裂,同时存在真空效应导致温度传感器热电效应发生变化等不可预知的问题。TDLAS 可测量气体分子振-转温度。由能量均分定律和分子各自由度平衡理论可知,除了一些瞬态过程分子振-转温度与平动温度时刻保持平衡,因此TDLAS 测温可保证真空下温度测量的溯源性。本文利用波长调制法对TDLAS 测量真空环境下气体分子振-转温度的进行了实验研究并进行不确定度分析。实验以一等标准铂电阻温度计作为标准,以高精度恒温槽作为温源,采用自研的真空下温度校准装置,选取C2H2分子6558 cm-1附近处谱线对进行真空下的温度测量。

  实验结果表明: ①TDLAS 温度测量受真空度变化影响较小,在真空下进行温度测量从理论和实验结果上不存在溯源性问题。②在中低温范围内,采用C2H2作为分析气体,TDLAS 测温具有良好的稳定性和灵敏度,同一等标准铂电阻的误差绝对值不超过0.2℃,测量结果的扩展不确定度U = 0.24℃,k = 2。因此,TDLAS 温度测量技术有望发展成真空下温度测量的有效手段和工作标准。

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