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航空发动机尾气FTIR被动检测

2011/2/16 14:39:59  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

  摘要:航空发动机尾气排放情况可以反映发动机的燃烧状态,从而可以为发动机视情维修提供依据,同时可以为因尾气排放造成的环境污染分析提供依据,因此,对航空发动机尾气进行检测非常重要。由于传统的航空发动机尾气取样分析不方便,而且无法满足飞机爬升与空中飞行状态下的检测需要,文章将FTlR被动检测技术引入到航空发动机尾气检测中。首先详细介绍了FTIR被动检测原理和被检测气体浓度反演算法模型,接着分析了FTIR被动检测技术用于航空发动机尾气检测的可行性,给出了发动机尾气FTIR被动检测方法,最后利用布鲁克公司生产的Tensor27型FTIR对某航空发动机尾气进行了被动检测,得到了该发动机尾气中主要气体c0和N0的浓度,并与取样分析结果进行了比较,两者结果基本吻合,这表明FTIR被动检测技术满足航空发动机尾气检测要求。

  关键词:FTIR傅里叶变换红外光谱;被动检测;航空发动机;尾气

  引言

  航空发动机的燃烧效率直接影响飞机的动力性能,而发动机尾气的排放情况可以反应燃烧效率,另外,尾气对机场的大气环境影响很大,因此,对航空发动机尾气进行检测非常重要。

  为了对发动机的燃烧效率以及发动机尾气排放对机场大气环境所造成的污染状况进行实时评估,必须对发动机尾气排放进行实时检测。目前,主要是以取样方式检测尾气中CO和NO、等的含量来分析发动机的燃烧效率,以及尾气对环境的影响。由于航空发动机尾气温度很高,取样不方便,而且在取样分析过程中气体可能发生化学反应,从而可能导致气体种类和浓度发生变化,同时这种基于采样的气体检测方法无法满足飞机爬升与空中飞行状态下的尾气检测需要,另外,一般的气体检测仪器能够分析的气体种类不多。因此,迫叨需要一种能够对航空发动机尾气进行多组分同时解析的、非采样的实时检测系统。

  傅里叶红外光谱仪FTms(Fourier transforrn infraredspectrometer)具有较高的灵敏度和分辨率,被动式FT取S可以时地进行多组分气体同时遥测,目前,被广泛应用于大气污染、火山爆发等多种场合下的气体混合物定性定量分析附。因此,本文将被动式FTIRS检测技术引入到航空发动机尾气实时检测中,为航空发动机尾气实时解析提供有效的方法,从而为航空发动机视情维修和机场大气环境污染评估提供依据。

  1算法模型

  利用被动式FTIRS进行测量时,其收集的辐射信号包含了背景辐射、目标气体辐射以及光谱仪与目标气体之问的大气辐射。因此,可以将光谱仪接收到的红外辐射信号看作是3个离散层的贡献:即背景层、目标气体层和大气层。对于每一个离散层来说,认为其局部处于热平衡状态,这样,对于被动式FTmS测量系统,基于红外辐射的大气传输原理,可以建立系统收集辐射信号的基本模型;

  Ll=e1B1+rle2Bz+rlr2 L3 (1)

  其中r1,r2,e1,e2分别为FTIRS与目标气体之间的大气和目标气体的光谱透过率和光谱辐射率,B1为仪器与目标气体之间的大气温度下的黑体发射亮度,B2为目标气体温度下的黑体辐射亮度,L·为FTIRS测量系统接收到的总辐射亮度,L3为背景辐射亮度。在任意频率v下,透过率r(v)、反射率ID(v)和辐射率e(v)的和近似为l,即r(v)+P(v)+e(v)=1而对于气体来说,其反射率|D(v)几乎为零,因此(1)式可以改写为:

  在近距离检测时,光谱仪与目标气体之间的大气影响较小,通常可以忽略,即r1≈1,这样(2)式可以简化为(3)式:

  由于测量目的是对目标检测气体进行定性定量分析,因此需要知道目标气体的透过率优,由(3)式得到

  这样,利用FTIR近距离测量目标气体时,在背景变化不大的情况下,分别测量具有代表性的背景光谱和包含背景与目标气体辐射的信号光谱,检测出目标气体的温度,就可以得到目标气体的透过率光谱,再利用透过率r(v)和吸光度A(v)之间的转化关系:

  可以得到目标气体的吸光度光谱,然后按照比耳定律反演气体的浓度。

  式中:r(v),k(v),C分别为目标气体中某组分的透过率、吸收系数和浓度,L为光程。

  2航空发动机尾气FTIRS被动检测

  2.1发动机尾气FrIRS被动检测分析

  由于发动机尾喷口附近的尾气温度很高,一般在500--600℃以上,相对于背景有很大的温差,完全符合FTIRS被动检测温差要求。

  为了便于光程的估算以及提高测量精度,检测时,应使FTIRS的视场方向垂直于发动机尾喷口的轴线方向,即以图1布局方式进行测量。另外。在不损伤仪器的情况下,尽量使FTIRS系统靠近发动机尾喷口的尾气部位,以减少被检测尾气与FTlRS之间的大气对测量结果的影响。

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