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激光光谱法尿素水溶液液膜多参数同步测量
石建伟1,2, 吴威1,2, 杨荟楠1,2, 郭晓龙1,2, 苏明旭1,2, 蔡小舒1,2     
1. 上海理工大学 能源与动力工程学院, 上海 200093;
2. 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
摘要: 对溶液液膜温度、厚度和浓度进行定量分析对与之相关的工业过程至关重要,对其机理的研究中它们互相耦合,而传统的测量方法只能实现液膜的温度、厚度和浓度的单独测量。本文基于比尔-朗伯定律,提出一种尿素水溶液液膜的温度、厚度和浓度同步测量新方法,通过结合3个波长1 420、1 488和1 531 nm的激光,建立了尿素水溶液液膜的温度、厚度和浓度的同步反演模型。在此基础上,利用1 mm温控样品池验证了该方法的测量精度,结果表明,该方法测量尿素水溶液液膜厚度的平均误差为0.51%,液膜温度的平均误差为2.59%,液膜浓度的平均误差为6.32%。
关键词: 激光光谱     液膜     厚度     温度     浓度    
Simultaneous measurement of multi-parameter of liquid film for urea-water-solution by laser spectroscopy
SHI Jianwei1,2, WU Wei1,2, YANG Huinan1,2, GUO Xiaolong1,2, SU Mingxu1,2, CAI Xiaoshu1,2     
1. School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;
2. Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering, Shanghai 200093, China
Received: 2016-01-26; Accepted: 2016-06-02; Published online: 2016-09-09
Foundation item: National Nature Science Foundation of China (51676130, 51306123); the Joint Specialized Research Found for the Doctoral Program of Higher Education (20133120120008); Research Project of Shanghai Municipal Science and Technology (13DZ2260900); Cultivation of Young Teachers in Colleges and Universities Funded Program in Shanghai
Corresponding author. YANG, HuinanE-mail:yanghuinan@usst.edu.cn
Abstract: Quantitative analysis of liquid film temperature, thickness and mass fraction is extremely crucial to the relevant industrial processes, and these parameters are mutually coupled in the study of the mechanism for heat transfer. Temperature, thickness and mass fraction of liquid film, however, can only be determined individually by conventional measurement techniques. In this paper, a novel measurement method based on Beer-Lambert law to measure the film temperature, thickness and mass fraction of urea-water-solution simultaneously was developed by combining three lasers with different wavelengths:1 420, 1 488 and 1 531 nm. In addition, measurement accuracy of this method was validated by a sample cell with controlled temperature and 1 mm optical path length. The experimental results reveal that average relative errors of thickness, temperature and mass fraction of urea-water-solutions measured by the developed method are 0.51%, 2.59% and 6.32%, respectively.
Key words: laser spectroscopy     liquid film     thickness     temperature     mass fraction    

液膜现象广泛存在于各种工业过程中[1-7]。例如汽车尾气脱硝的选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction, SCR) 系统中尾气排放管上液膜的形成[8]。在SCR系统中,利用喷射装置在汽车尾气混合管中喷射车用尿素水溶液(尿素含量32.5%),尿素水溶液在高温下发生水解和热解反应生成氨,并与尾气中的氮氧化物反应,最终使其转化成对环境无污染的氮气和水蒸气[9-11]。但是在实际喷射过程中,尿素水溶液在汽车尾气管壁上形成液膜,容易产生三聚氰胺等混合物,造成安全隐患[8]。SCR系统混合管路的形状以及尿素水溶液喷射装置的良好布置能够有效控制液膜的形成。因此,对尿素水溶液液膜厚度、温度及浓度进行定量分析,不仅能够避免尾气管堵塞造成的安全事故,更能够提高SCR系统的催化反应效率,有效降低NOx对环境的污染。总之,对液膜的温度、厚度和浓度等参数进行研究对优化所涉及的各种工业过程具有重要的意义。

在许多情况下,溶液液膜厚度、温度以及液膜内部的成分浓度是密切相关的,对其机理等的研究中这些参数相互耦合,给模型建立和求解带来困难。传统的测量方法只能实现对单个参数(厚度、温度或浓度) 的测量,无法同时测量,例如电容法只能实现液膜厚度的测量[12-13],折光法[14]和密度法只能实现浓度的测量等。溶液温度测量方法,如采用热电偶等,虽然操作简单,价格低廉,但这些方法在测量时会对被测对象造成干扰,响应较慢,且均不适用于较薄的溶液液膜测量。因此,研究出一种高精度、高灵敏度的溶液液膜的温度、厚度和浓度同步测量方法是很有必要的。

本文提出一种基于激光吸收光谱法的尿素水溶液液膜厚度、温度和浓度同步测量新方法。研究了不同浓度(5%~35%)、不同温度(25~50℃) 的尿素水溶液在近红外区域(6 000~8 000 cm-1) 的吸收光谱,发现浓度和温度变化都会使尿素水溶液的吸收谱线产生偏移。本文通过分析尿素水溶液吸收率k与浓度c和温度T的关系,并结合3个不同的波长1 420、1 488和1 531 nm的激光,建立了尿素水溶液液膜温度、厚度和浓度反演模型,并对该模型的测量精度进行了验证。

1 理论与建模 1.1 尿素水溶液吸收光谱

Yang等[15]精确地测量了液态水在近红外区不同温度(25~75℃) 的红外吸收截面,Halbout等[16]测定了尿素单晶体在近红外区域的透射曲线,Yang等[17-18]精确测量了尿素水溶液常温下不同质量浓度(5%~50%) 的吸收光谱。然而现有的研究中并没有精确的温度的尿素水溶液吸收光谱数据。本文将不同浓度(5%~35%)、不同温度(25~50℃) 的尿素水溶液放置在光程为1 mm的石英样品池中,用光谱分辨率为0.125 cm-1的傅里叶变换红外光谱仪(FTIR) 对其进行扫描,测得了不同质量浓度、不同温度的尿素水溶液的吸收率k。分析数据表明,浓度和温度变化都会使尿素水溶液的吸收谱线产生偏移。当温度不同时,尿素水溶液吸收谱线形状随浓度的变化趋势相同;当浓度不同时,尿素水溶液吸收谱线形状随温度的变化趋势相同,因此本文只列出了尿素水溶液温度为30℃时,不同浓度(5%~35%) 以及浓度为10%时,不同温度(25~50℃) 下的尿素水溶液吸收光谱,如图 1所示。从图 1(a)图 1(b) 可以看出,浓度和温度的变化均会使尿素水溶液吸收光谱产生偏移,且某一特定波数下,尿素水溶液吸收率与温度无关,但是该波数位置会随着浓度的改变而不同(如图 1(b)浓度为10%时,该特定波数位置为6 928.5 cm-1, 而浓度为20%时,波数位置为6 939.5 cm-1)。

图 1 温度30℃,不同浓度(5%~35%) 以及浓度10%不同温度(25~50℃) 的尿素水溶液吸收光谱 Fig. 1 Absorption spectra of urea-water-solution with different mass fraction (5% -35%) at 30℃ and with mass fraction of 10% at different temperature (25-50℃)
1.2 尿素水溶液液膜温度、厚度与浓度计算

由比尔-朗伯定律可知,一束光通过吸收介质时,其透射率为

(1)

式中:ItI0分别为透射光和入射光的光强; L为吸收介质的光程,cm,即本文中液膜的厚度;k(v, c, T) 为介质的吸收率,cm-1,它是波长v、吸收介质质量浓度c和温度T的函数,因此,在特定波长下,吸收率仅为吸收介质质量浓度c、温度T的函数。

通过对不同浓度(5%~35%)、不同温度(25~50℃) 的尿素水溶液吸收光谱分析可知,其吸收率k和浓度c、温度T的关系可表示为

(2)

式中:k(vi) 表示波数为vi时,尿素水溶液的吸收率; AiBiDiEi为与之相关的系数,通过拟合得到。因此,波长为vi的激光通过尿素水溶液液膜时,其透射率τ(vi) 是尿素水溶液液膜质量浓度c、温度T以及其厚度L的函数。

考虑3个波长v1v2v3,并将这3个波长所对应的尿素水溶液吸收率k(v1)、k(v2)、k(v3) 代入式(1) 可得

(3)
(4)
(5)

在反演模型建立过程中发现,利用式(3)~式(5) 联立求解溶液液膜的温度、厚度和浓度时,它们互相耦合,其求解精度相互影响。液膜厚度的求解精度对其浓度和温度的求解精度影响非常大,当液膜厚度的求解相对误差超过2%时,温度和浓度的求解误差可能超过20%,甚至更大,低浓度时,浓度的反演值有时甚至为负值,因此,不能通过联立式(3)~式(5) 直接求解溶液液膜的温度、厚度和浓度。

通过对不同浓度、不同温度的尿素水溶液吸收光谱进一步分析可知,若溶液液膜的温度已知,则选取2个波数构成1对波长组合,利用比尔-朗伯定律组成方程组,则可求得溶液液膜的厚度和浓度。通过对数据的进一步分析发现,假设温度已知,用2对波长组合v1=1 420 nm & v2=1 488 nm和v1=1 420 nm & v3=1 531 nm分别求解浓度和厚度时,当温度为实际温度时,2对波长组合求得的厚度和浓度的值非常接近,2组波长求解的浓度值差异δc < 0.5%,厚度值差异δL < 5 μm。若温度与实际值偏差较大,则2对波长组合求得的厚度和浓度的差超过这个值。表 1v1=1 420 nm,v2=1 488 nm和v3=1 531 nm 3个波长所对应的与尿素水溶液吸收率有关的系数AiBiDiEi的值。

表 1 3个波长所对应的AiBiDiEi的值 Table 1 Values of AiBiDiEi at three corresponding wavelengths
波长/nm Ai Bi Di Ei
1 420 -0.052 33 -8.446 49 0.048 91 10.430 74
1 488 0.067 71 -0.713 14 -0.048 41 11.484 23
1 531 0.029 85 -2.452 57 -0.036 21 6.917 73

(6)
(7)
(8)
(9)

本文所建立的尿素水溶液液膜的温度、厚度和浓度同步反演模型为:首先假设一个温度值,利用1 420 nm & 1 488 nm组合,由式(6)、式(7) 联立求得浓度c12和厚度L12;利用1 420 nm & 1 531 nm组合,由式(8)、式(9) 联立求得浓度c13和厚度L13,若∣c12-c13∣ < 0.5%, 且∣L12-L13∣ < 5 μm,则温度T为当前假设温度值,浓度c为(c12+c13)/2,厚度L为(L12+L13)/2。否则应重新假设温度值,再次进行浓度和厚度的循环计算,直到2组波长求解的浓度和厚度值差异满足条件为止。

2 实验验证

本文利用1 mm温控样品池,对尿素水溶液液膜温度、厚度和浓度同步测量方法的测量精度进行了验证。实验过程中,利用波分复用器将3个DFB半导体激光器输出的3束激光耦合成一束光,通过准直器聚焦后穿过置于1 mm温控样品池内的不同浓度(5%~35%)、不同温度(25~50℃) 的尿素水溶液液膜,并利用凸透镜汇聚进入接收光线,之后利用光栅将这3束被耦合的激光分开,并分别被3个铟砷化镓探测器(Thorlabs, PDA10CS-EC) 接收,如图 2所示。实验数据的采集和处理过程均在LabVIEW中进行。图 3为尿素水溶液液膜的厚度、浓度和温度的反演结果。(厚度为1 000 μm)

图 2 实验装置图 Fig. 2 Schematic drawing of experimental setup
图 3 尿素水溶液液膜厚度、浓度及温度反演结果 Fig. 3 Calculated results of film thickness, mass fraction and temperature for urea-water-solution

验证结果表明,该方法在温度(25~50℃)、浓度(5%~35%) 的范围内,厚度的平均测量误差为0.51%;温度的平均测量误差为2.59%;浓度的平均测量误差为6.32%。由此可以看出,本文提出的新方法可以实现较高精度的尿素水溶液液膜温度、厚度和浓度同步测量。

3 结论

1) 利用高光谱分辨率的傅里叶变换红外光谱仪(FTIR),测得1 mm的样品池内不同浓度(5%~35%)、不同温度(25~50℃) 的尿素水溶液光谱吸收曲线。

2) 提出了一种基于比尔-朗伯定律的尿素水溶液液膜温度、厚度和浓度同步测量新方法。通过对不同浓度、不同温度尿素水溶液光谱吸收曲线分析,得出尿素水溶液吸收率k与浓度c和温度T的关系。通过结合3个不同的波长1 420、1 488和1 531 nm,建立了尿素水溶液液膜温度、厚度和浓度反演模型。

3) 利用1 mm温控样品池,对本文提出的新方法的测量精度进行了验证。结果表明,该方法在不同温度(25~50℃)、不同浓度(5%~35%) 的范围内,厚度、温度和浓度的平均测量误差分别为0.51%、2.59%、6.32%。因此,本文提出的3个波长尿素水溶液液膜温度、厚度和浓度同步测量方法具有较高的精度。未来工作中,将建立波长优选法则,从而实现液膜多参数的高精度测量。

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http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0101
北京航空航天大学主办。
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石建伟, 吴威, 杨荟楠, 郭晓龙, 苏明旭, 蔡小舒
SHI Jianwei, WU Wei, YANG Huinan, GUO Xiaolong, SU Mingxu, CAI Xiaoshu
激光光谱法尿素水溶液液膜多参数同步测量
Simultaneous measurement of multi-parameter of liquid film for urea-water-solution by laser spectroscopy
北京航空航天大学学报, 2017, 43(2): 360-365
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2017, 43(2): 360-365
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0101

文章历史

收稿日期: 2016-01-26
录用日期: 2016-06-02
网络出版时间: 2016-09-09

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