真空環(huán)境下基于TDLAS溫度測量與校準的實(shí)驗研究
可調諧二極管激光吸收光譜( TDLAS) 技術(shù)可用于氣體溫度的高精度快速測量，但目前TDLAS 技術(shù)研究一般集中在正壓范圍，真空環(huán)境下該技術(shù)的應用研究較少。本文利用波長(cháng)調制法對TDLAS 進(jìn)行真空下溫度測量的溯源性和誤差進(jìn)行了實(shí)驗研究并進(jìn)行不確定度分析。實(shí)驗以一等標準鉑電阻溫度計作為標準，以高精度恒溫槽作為溫源，采用自研的真空下溫度校準裝置，選取C2H2分子6558 cm-1附近處譜線(xiàn)對進(jìn)行真空下的溫度測量。實(shí)驗結果表明：在中低溫范圍內，采用C2H2作為分析氣體，TDLAS 測溫具有良好的穩定性和靈敏度，同一等標準鉑電阻的誤差不超過(guò)±0.2℃，測量結果的擴展不確定度U= 0.24℃，k = 2。
隨著(zhù)我國航天技術(shù)、飛行器載入技術(shù)的發(fā)展，真空環(huán)境試驗、真空熱處理、特別是航天器真空熱試驗成為一項非常重要的試驗驗證工作，其中真空環(huán)境下某些基本參數的測量尤其是溫度的測量成為上述研究的關(guān)鍵測試技術(shù)。但是到目前為止，航天器真空熱試驗中溫度的測量基本上還是采用傳統的接觸式測溫技術(shù)，其中熱電偶溫度測量系統應用十分普遍，但隨著(zhù)航天科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統的溫度傳感器測溫技術(shù)存在“常壓校，真空用”的問(wèn)題，在真空下溫度測量中應用存在一定的局限性和不確定性，如高真空環(huán)境會(huì )導致溫度傳感器的表面解吸、不同氣體組分導致傳感器的熱響應改性; 熱電勢信號較小，當信號采集處理單元安裝在真空室外，連接測量點(diǎn)和信號處理單元間的熱偶電纜比較長(cháng)，噪聲會(huì )對高精度的測量產(chǎn)生不利影響。上述現象表明：當采用常壓下校準的溫度傳感器測量真空環(huán)境的溫度存在溯源比較鏈斷裂、真空效應導致溫度傳感器熱電效應發(fā)生變化等不可預知的問(wèn)題。因此發(fā)展先進(jìn)的、準確的、有效的空間真空環(huán)境下溫度測量技術(shù)有著(zhù)明確的、長(cháng)遠的、重大的民用和軍事應用背景。
基于上述原因，考慮真空和常壓下溫度測量存在差異，近年來(lái)，可調諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)在氣體溫度測量中得到應用，可測量氣體分子振- 轉溫度。由能量均分定律和分子各自由度平衡理論可知，除了一些瞬態(tài)過(guò)程分子振-轉溫度與平動(dòng)溫度時(shí)刻保持平衡，因此TDLAS 測溫可保證真空下溫度測量的溯源性，作者針對TDLAS 在真空環(huán)境下溫度測量的應用進(jìn)行了理論分析和數值模擬。并基于前期的理論分析成果，本文采用自行研制的真空下溫度校準系統和TDLAS 溫度測量系統，以一等標準鉑電阻溫度計作為標準，以高精度恒溫槽作為溫源，通選取C2H2分子6558 cm -1 附近處譜線(xiàn)對，進(jìn)行TDLAS 在不同真空度的溫度測量與校準進(jìn)行了實(shí)驗研究，為真空下溫度測量的溯源問(wèn)題提供實(shí)驗數據和技術(shù)手段。
3、總結
當采用常壓下校準的溫度傳感器測量真空環(huán)境的溫度存在“常壓校，真空用”的問(wèn)題導致溯源比較鏈斷裂，同時(shí)存在真空效應導致溫度傳感器熱電效應發(fā)生變化等不可預知的問(wèn)題。TDLAS 可測量氣體分子振-轉溫度。由能量均分定律和分子各自由度平衡理論可知，除了一些瞬態(tài)過(guò)程分子振-轉溫度與平動(dòng)溫度時(shí)刻保持平衡，因此TDLAS 測溫可保證真空下溫度測量的溯源性。本文利用波長(cháng)調制法對TDLAS 測量真空環(huán)境下氣體分子振-轉溫度的進(jìn)行了實(shí)驗研究并進(jìn)行不確定度分析。實(shí)驗以一等標準鉑電阻溫度計作為標準，以高精度恒溫槽作為溫源，采用自研的真空下溫度校準裝置，選取C2H2分子6558 cm-1附近處譜線(xiàn)對進(jìn)行真空下的溫度測量。
實(shí)驗結果表明： ①TDLAS 溫度測量受真空度變化影響較小，在真空下進(jìn)行溫度測量從理論和實(shí)驗結果上不存在溯源性問(wèn)題。②在中低溫范圍內，采用C2H2作為分析氣體，TDLAS 測溫具有良好的穩定性和靈敏度，同一等標準鉑電阻的誤差絕對值不超過(guò)0.2℃，測量結果的擴展不確定度U = 0.24℃，k = 2。因此，TDLAS 溫度測量技術(shù)有望發(fā)展成真空下溫度測量的有效手段和工作標準。
