引用本文
娄登程, 饶伟, 宋俊玲, 王凯, 姜雅晶, 郭建宇. 基于离轴积分腔输出光谱的燃烧场CO浓度测量研究. 光谱学与光谱分析, 2022,42(12): 3678-3684
LOU Deng-cheng, RAO Wei, SONG Jun-ling, WANG Kai, JIANG Ya-jing, GUO Jian-yu. Research of Carbon Monoxide Concentration Measurement in Combustion Field by Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2022,42(12): 3678-3684.  
Doi: 10.3964/j.issn.1000-0593(2022)12-3678-07
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基于离轴积分腔输出光谱的燃烧场CO浓度测量研究
娄登程, 饶伟*, 宋俊玲, 王凯, 姜雅晶, 郭建宇
航天工程大学激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416
*通讯作者 e-mail: raowei-2002@163.com

作者简介: 娄登程, 1997年生, 航天工程大学激光推进及其应用国家重点实验室硕士研究生 e-mail: loudc_2019@163.com

收稿日期: 2021-10-14 修回日期: 2022-03-10
基金项目: 国家自然科学基金项目(6150030796, 6150030923)资助
摘要

CO是碳氢燃料不完全燃烧的重要产物, 常常被作为反应燃烧效率的标志物, 燃烧场CO组分浓度的精确测量对提高燃烧效率、 减少污染物排放具有重要意义。 离轴积分腔输出光谱(OA-ICOS)是一种利用物质对激光的特异性吸收, 实现对该物质分析和测量的技术, 具有非接触、 稳定和高灵敏度等优点。 针对燃烧场CO浓度低, 背景信号干扰强等特点, 采用分布反馈式(DFB)激光器搭建基于离轴积分腔输出光谱的CO浓度测量系统, 通过直接吸收光谱的测量方法实现对高温燃烧场CO浓度测量。 利用仿真模拟的方法, 在所用激光器中心波长的附近选出了常温下谱线强度较为突出, 高温下不受其他燃烧产物干扰的第一泛频带R(10)吸收谱线。 通过固定光程池对比吸光度的方法标定了OA-ICOS系统的有效光程; 通过比较不同扫描频率下吸收谱线的信噪比和线型拟合残差标准差, 得到最佳波长扫描频率; 通过测量不同浓度CO混合气体的吸收信号分析了系统误差。 探究了不同燃烧情况下CH4/Air预混平焰炉上CO的产生情况, 根据燃烧场测量区域温度分布情况描述了温度分布不确定度对CO测量结果的影响。 当量比为1.0时, 在10 ms的测量时间分辨率下, 噪声等效灵敏度(NEAS)为3.67×10-7 cm-1·Hz-1, 系统测量误差小于4.5%, 燃烧场测量区域温度分布不确定度带来的CO浓度测量不确定度为5.6%。 改变当量比从0.8到1.2时, 得到平均温度变化范围为1 275~1 368 K, CO浓度变化范围为0.041%~1.57%。 研究发现随着当量比的提高, 燃烧场温度和CO浓度均呈上升趋势。 实验结果表明将离轴积分腔输出光谱技术应用于燃烧场气体参数测量具有信噪比高、 检测灵敏度高等优点, 可以实现痕量气体组分浓度的精确测量。

关键词: 离轴积分腔输出光谱; 浓度测量; 一氧化碳测量; 燃烧流场
中图分类号:O433 文献标识码:A
Research of Carbon Monoxide Concentration Measurement in Combustion Field by Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy
LOU Deng-cheng, RAO Wei*, SONG Jun-ling, WANG Kai, JIANG Ya-jing, GUO Jian-yu
State Key Laboratory of Laser Propulsion & Application, Space Engineering University, Beijing 101416, China
*Corresponding author
Abstract

Carbon monoxide (CO) is one of the important products of insufficient combustion of hydrocarbon fuels and is often used as a marker of reaction combustion efficiency. The accurate measurement of CO concentration in the combustion field is of great significance to the engine to improve combustion efficiency and reduce pollutant emissions. Off-axis Integrating Cavity Output Spectroscopy (OA-ICOS) is a technology to analyze and measure a material by using the specific absorption of the substance to the laser spectrum. It has the advantages of non-contact, stability and high sensitivity. Aiming at the characteristics of low CO concentration and strong background signal interference in the combustion field, an OA-ICOS system was built with a distributed feedback (DFB) laser to measure the CO concentration in high-temperature combustion field by direct absorption spectroscopy (DAS) method. The first broadband R(10) absorption line, which is more prominent at room temperature and not interfered with by other combustion products at high temperature, was selected near the center wavelength of the DFB laser by absorbance simulation. The effective optical length of the OA-ICOS system was calibrated by comparing the absorbance with the fixed optical path cell. The best wavelength scanning frequency was obtained by comparing the signal-to-noise ratio of the absorption line at different scanning frequencies and the standard deviation of the linear fitting residuals; The system error was analyzed by measuring the absorption signal of CO mixed gas of different concentrations. The production of CO on the CH4/Air premixed flat flame furnace under different combustion conditions was evaluated. The influence of the temperature distribution uncertainty on the CO measurement results was described by the temperature distribution in the measurement area of the combustion field. A minimum concentration detection limit of 5.83×10-6 was achieved under the time resolution of 10 ms, the system measurement error was less than 4.5%, and the uncertainty of CO concentration measurement caused by the temperature uncertainty of the combustion field was 5.6% when the equivalence ratio is 1.0. The variation ranges of average temperature and CO concentration are 1 275~1 368 K and 0.041%~1.57% when the equivalence ratio changes from 0.8 to 1.2. The experimental results show that the OA-ICOS has the advantages of a high signal-to-noise ratio and high detection sensitivity to measure the gas parameters in the combustion field and can develop an accurate measurement of the concentration of trace gas components.

Key words: Off-axis integrating cavity output spectroscopy; Concentration measurement; Carbon monoxide measurement; Combustion flow field
引言

CO作为碳氢燃料不完全燃烧的标志性产物, 是对燃烧效率进行评估的重要参数。 燃烧仍是目前获取能源最为普遍的形式, 如何从燃烧过程中获得更多的能量、 提高燃烧效率、 减少污染物的排放一直是热点问题。 通过监测燃烧过程中CO的浓度变化, 可以对燃烧情况进行分析, 改良燃料配比, 从而提高燃烧效率, 减少污染物的排放。

可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)是一种利用物质对激光的特异性吸收, 实现对该物质分析和测量的技术, 具有非接触性、 响应速度快、 抗干扰强等优点, 利用TDLAS对燃烧场CO浓度的测量一直受到广泛的关注。 Diemel[1]等以1 kHz的测量速率测量了内燃发动机CO的浓度变化; Bendana[2]等利用波长调制的方法测量了高压情况下液体煤油燃料火箭发动机燃烧室中CO的浓度; Sepman[3]等以软木粉末作为燃料, 在10 Hz的测量速率下获得了600 ppm的检测限。 彭于权[4]等利用中红外激光器测量了平焰炉内CO浓度, 在不同的燃烧情况下实现了0.35‰ ~4.5%的CO浓度测量。 针对高温燃烧场CO浓度的测量, 由于测量区域有限, 环境干扰强, 采用单光程吸收光谱测量存在信噪比差, 检测限低的问题。

积分腔输出光谱(integrated cavity output spectroscopy, ICOS)是近二十年来发展的一种利用光学谐振腔特性的高灵敏度检测技术, 激光通过耦合到两端带有高反射率反射镜的谐振腔内来回反射增加吸收光程。 光线共轴入射时, 输出信号依赖于激光频率和腔膜耦合的程度; 采用离轴入射(Off-Axis)时, 谐振腔光学干涉噪声被抑制, 减少了光路调节时间, 简化了实验装置, 被广泛应用于工业和环境痕量气体监测[5, 6]、 医疗呼气分析[7]、 化学动力学研究[8, 9]等领域。 Sun[10]等在激波管中测量冲击加热的CO, H2和Ar混合气体, 达到亚ppm级别的检测限; Wang[11]等将< 20 ppm的丙酮在激波管中冲击加热, 研究丙酮的高温热解反应; Pakmanesh[12]等基于OA-ICOS技术现场检测人体呼气时的CO浓度水平; Nasir[13]等将OA-ICOS用于快速压缩机的CO浓度测量, 显著降低了CO浓度最低检测限; 高晓明小组[14, 15]利用该技术进行CH4和H2O的高灵敏度探测, 并对深海可燃冰资源进行勘探。

现有研究表明, OA-ICOS技术可以显著降低气体分子的检测限, 目前针对CO的浓度测量, OA-ICOS实现了很多场合下的应用, 但很少用于燃烧场内。 针对燃烧场CO浓度低, 背景干扰强等问题, 研究了一种基于OA-ICOS的燃烧场CO浓度测量方法。 CH4/Air预混平焰炉可控性高, 火焰较为稳定, 是桌面燃烧实验较为常用的装置, 本文设计并搭建用于CH4/Air预混平焰炉的OA-ICOS测量系统, 开展短光程燃烧场CO浓度测量研究。

1 基本原理
1.1 ICOS原理

物质吸收光子而产生跃迁的过程遵循Beer-Lambert定律, 一束频率为ν 的光穿过均匀介质时, 透射光强It和入射光强I0之间的关系为

ItI0ν=exp(-α(ν)L)=exp(-PχS(T)ϕνL)(1)

式(1)中, P是气体压强, χ 是吸收气体的组分浓度, T是气体温度, S(T)是谱线强度, L是吸收长度, ϕ ν 是谱线的线型函数, α (ν )为吸收系数, α (ν )和吸收长度L的乘积定义为吸光度。

线型函数ϕ ν 具有频域积分为1的性质, 对吸光度函数作频域积分, 可以得到积分吸收面积A, 即

A=∫-∞∞α(ν)dν=PχS(T)L(2)

由式(2)可知, 在已知气体压强、 温度和吸收光程的情况下, 通过测量吸收谱线的积分面积即可计算气体组分浓度。 尤其是吸收光程足够长时, 可以有效提高吸收面积数值, 增大测量信号信噪比, 从而提高组分浓度的测量灵敏度。

ICOS的核心就是利用两片高反射率平凹透镜组成光学谐振腔增长吸收光程。 当腔内存在吸收介质时, 一束光强为I0的激光离轴通过ICOS谐振腔的透射光强It为

It=I(1-R2)e-αd1-R2e-2αd(3)

式(3)中, I表示空腔透射光强, 其表达式为

I=I01-R1+R(4)

依据Beer-Lambert定律可得吸收系数

α=1dln12R24R2+I02It2(1-R2)2-I0It(1-R2)(5)

腔镜反射率较高时, R→ 1, 式(5)可简化为

α=1dI0It-1(1-R)(6)

因此可得积分腔等效吸收光程为

Leff=d1-R(7)

与传统的单视线吸收光谱方法相比, OA-ICOS的吸收路径被增强了G=(1-R)-1倍, 而R→ 1, 因此OA-ICOS具有很高的探测灵敏度, 尤其适合短光程微量气体的测量。

1.2 吸收谱线的选取

CO的吸收谱线主要分布在4.6 μ m处的基频带、 2.3 μ m处的第一泛频带和1.58 μ m处的第二泛频带。 中红外波段的单模激光器以及光电探测器价格高昂, 光路构造比较复杂。 第二泛频带的吸收谱线极易受到其他燃烧产物如CO2和H2O的干扰, 且谱线强度要比第一泛频带低两个数量级, 因此从第一泛频带筛选谱线。

根据现有DFB激光器的中心波长, 仿真了2 327 nm附近的CO高温吸收谱线。 图1给出了温度为1 300 K, P为101 kPa, 等效吸收长度L为2 542 cm条件下, CO, CO2和H2O在4 297.7 cm-1附近的吸光度。 从图中可以看出R(9)谱线受燃烧产物H2O的影响较大, R(11)谱线附近有另外一条较弱谱线影响, R(10)谱线受燃烧产物影响较小, 线强随温度升高而降低, 可以同时满足常温下和高温下的测量需求, 因此选择R(10)谱线进行测量。

图1 2 327 nm附近1 300 K条件下吸光度模拟曲线
P=101 kPa, L=2 542 cm, XCO=0.1%, XCO2=5%, XH2O=10%Fig.1 Simulation curves of absorbance at 1 300 K near 2 327 nm
P=101 kPa, L=2 542 cm, XCO=0.1%, XCO2=5%, XH2O=10%

2 实验部分

由OA-ICOS理论可知, OA-ICOS系统的核心参数是谐振腔反射镜的反射率R。 由式(7)可知, 腔镜反射率越大, OA-ICOS系统可以获得极高的等效吸收光程。 本文使用的光电探测器的光电转换效率固定为1 A· W-1左右, 电压增益可调, 最高为4.75× 106 V· A-1, 当腔镜反射率为99.9%时, 由式(4)可得, 探测器接收到的光强约为0.05%, 当激光器输出功率为2 mW时, 想要得到2V的探测信号, 探测器增益最少为2× 106 V· A-1。 实际测量发现, 由于腔镜衍射、 滤光片等原因带来的光强损耗, 探测器接收的光强只有理论值的1/3。 为了获得相对较强的光程增强效果和信噪比较好的探测信号, 本文将反射镜的反射率确定为99.4%左右。

考虑到腔镜镀膜的工艺误差, 在开展燃烧场测量实验之前, 我们对ICOS系统性能进行标定, 构建了如图2所示的标定装置。 该装置主体为一个封闭式不锈钢ICOS系统, 腔镜安装在不锈钢积分腔两端。 积分腔的进气口连接由两个质量流量计构成的CO气体配比系统, 其中质量流量计1和2分别用于控制CO标准气体和高纯氮气的流速, 通过改变两个质量流量计的流速可以配置不同浓度的CO气体。 积分腔的出气口连接由真空泵和压力计构成的压力控制系统, 其中真空泵1用于实验前抽真空, 避免腔内原有空气对实验产生影响。 压力计用于监测积分腔压力, 真空泵2用于压力计下游抽真空。

图2 系统标定装置示意图Fig.2 Schematic diagram of system calibration device

图3为本文构建的燃烧场CO浓度OA-ICOS测量系统示意图, 该测量系统采用中心波长在2 327 nm的DFB激光器(NEL KELD1G5BAAH)作为光源, 温度和电流由激光器控制器(ILX Lightwave, LDC-3908)控制, 当激光器的中心温度和电流分别设置成27.5 ℃和150 mA时, 其输出中心波长为4 297.7 cm-1, 典型输出功率为2 mW。 信号发生器(AFG3102C, Tektronix)用于产生扫描锯齿波信号。

图3 平焰炉OA-ICOS测量系统示意图Fig.3 Schematic diagram of flat flame furnace OA-ICOS measurement system

实验时, 激光器发出的光经过五维调节准直镜(PAF2-4E, Thorlabs)进入两个高反射率的平凹透镜组成的光学谐振腔中。 射入腔内的光线穿过待测区域来回多次反射被气体吸收, 由于腔镜的高反射率, 只有极小部分带有吸收信息的信号经过聚焦透镜后被探测器(PDA10DT-EC, Thorlabs)接收并进行光电转换, 最后通过数据采集卡(NI PXle-5122)将电流信号传入计算机进行数据存储与处理。 为了削减热辐射对测量系统的干扰, 在探测器与聚焦透镜之间添加滤光片[允许透过波长为(2 310± 25) nm]。

采用CH4/Air预混平焰炉为高温CO测量实验提供燃烧场, 甲烷和空气进入平焰炉之前经过预混罐充分预混, 这种平面火焰经过充分预混具有稳定的一维特征, 燃烧温度和产物具有一定的时间和空间均匀性。 水冷循环装置可以减小长时间燃烧对平焰炉的损坏。

3 结果与讨论
3.1 最佳扫描频率

对于积分腔输出光谱, 提高激光波长的扫描频率可以有效地抑制光学干涉噪声, 提高信号的信噪比。 随着扫描频率的提高, 吸收信号会失真, 这种情况下对该吸收峰进行线型拟合得到的积分面积误差较大, 不利于浓度的精确反演, 因此确定系统的最佳扫描频率对于提高时间分辨率和信号信噪比非常重要。

最佳波长扫描频率的测量标定在图2所示的实验装置完成, 在常温下向不锈钢积分腔内通入100 kPa浓度为1 000.5 ppm的CO标准气体, 不同扫描频率下的吸收光谱信号及拟合残差如图4(a)所示。 从图中可以看出, 当扫描频率为50 Hz时, 采集信号有明显的噪声, 吸收信号与Voigt线型拟合曲线残差较大; 扫描频率逐渐提高时, 吸收谱线线形趋于平滑, 但是峰值出现明显降低, 线形出现不对称, 在波数增加的方向有明显的吸收偏移。 这种不对称会导致Voigt线型拟合失真, 从而产生系统测量误差。

图4 不同扫描频率下(a)吸收光谱信号及拟合残差(b)线型函数拟合残差标准差及信号信噪比的变化Fig.4 Different scanning frequencies (a) Absorption spectrum signals and fitting residuals; (b) The variation of the residual standard deviation of the Voigt linear function fitting and the signal-to-noise ratio

图4(b)给出了Voigt线型函数拟合残差标准差和SNR随扫描频率的变化情况, 可以看出残差标准差在100 Hz时具有最小值, 对应具有最高的SNR。 50 Hz时Voigt线型拟合残差标准差较大是由干涉噪声引起; 扫描频率从100 Hz增大到500 Hz时拟合残差标准差的逐渐上升则是由于吸收频移导致的。 因此最终确定激光波长扫描频率为100 Hz。

3.2 有效光程的标定

高反射率镜片表面反射率的不均匀性、 高阶横模带来的损耗和探测器的噪声等都会导致实际应用时的有效光程与理论值产生差异, 因此需要对系统的有效光程进行标定。 本文利用固定光程池标定法对有效光程进行标定。 保证积分腔和固定光程池的气体组分浓度、 温度和压强相同时, 由式(2)可知, 吸收谱线积分面积A是关于光程L的单调变量, 将两者吸收面积A作对比可得; AICOS/AHerriot=LICOS/LHerriot, 再根据已知光程池长度, 即可计算出积分腔的有效光程。

分别向Herriot池和积分腔内通入浓度为1 000.5 ppm的CO标准气体, 通过压力控制器将腔体压力控制在101 kPa, 测量Herriot池和积分腔的吸收光谱信号并计算积分面积, 取3次重复测量的平均值为最终结果, 测量结果如表1所示。 利用两者积分面积之比计算得到在21.8 cm的积分腔内有效光程为3 695 cm, OA-ICOS系统的光程增益G=169.5, 对应腔镜反射率为99.41%。 在燃烧场OA-ICOS测量装置的平焰炉上构建的积分腔腔长为15 cm, 因此可以确定OA-ICOS测量系统在平焰炉上燃烧区域实际获得的有效光程为2 542 cm。

表1 OA-ICOS与Herriot池积分面积对比 Table 1 Comparison of points area between OA-ICOS and Herriot cell
3.3 系统测量误差

为了标定该系统测量误差, 对不同浓度的CO气体进行测量。 标定所用气体由99.96%的CO标准气体和高纯氮气通过图2所示配气系统配制而成, 得到浓度分别为9× 10-4, 1.4× 10-3, 1.9× 10-3, 2.4× 10-3, 2.9× 10-3的CO混合气体。

实验测量所得浓度与实际配置浓度设定值对比结果如图5所示, 测量结果均落在实际值偏差的4.5%以内, 显示出本文构建的OA-ICOS系统具有较好的测量准确性。

图5 测量CO浓度与实际浓度对比结果Fig.5 Comparison result of measured CO concentration and actual concentration

3.4 燃烧场CO浓度测量

实验采用矩形平焰炉, 产生火焰面积较大, 为了产生足够的火焰覆盖待测区域, 最终设置甲烷流量2.95~3.35 L· min-1, 空气26.60~35.16 L· min-1, 当量比0.8~1.2, 甲烷和空气的流速如表2所示。

表2 甲烷和空气的流速 Table 2 Flow rate of CH4 and air

为了减少燃烧场温度分布不均匀性对测量结果的影响, 在保证信噪比的情况下尽量将OA-ICOS的测量光斑缩小, 调节激光离轴入射的角度和位置, 使光斑呈直径14 mm左右的圆形。 平焰炉实验测量装置实物图如图6所示: 三根K型热电偶装在电动平移台上, 使之可以沿光路方向和垂直平焰炉平面方向移动。 工作时产生长150 mm, 宽40 mm的矩形燃烧区域, 燃烧区域外圈采用氮气进行隔离, 排除外界空气的干扰。 每根热电偶间距10 mm, 电动平移台每移动10 mm, 热电偶扫过长20 mm, 宽10 mm的矩形区域。 建立以矩形燃烧区短轴中点为零点, 长轴为x轴, 短轴为y轴, 垂直炉面方向为z轴的坐标系。

图6 平焰炉实验测量装置实物图Fig.6 Physical image of flat flame furnace experimental measuring device

调整热电偶高度, 通过软件控制流量计使CH4和Air的流速配比达到当量比为1.0时的状态, 得到的火焰形状如图7(a)所示。 火焰呈蓝色, 自底部到顶端呈锥形, 火焰侧切面基本覆盖住腔镜, 可以对燃烧过程中产生的CO进行监测。 图7(b)给出了当量比为1.0时, 距炉面高度5, 13和21 mm的测量区域温度分布情况。 可以看出在整个测量区域温度分布比较均匀, 靠近炉面的矩形平面内燃烧场温度差异小于50 K, 随着火焰平面位置的升高, 边缘区域温度逐渐下降, 但这部分低温区域所占据面积比例非常小, 因此可以近似认为实验测量的燃烧场是均匀的, 温度取标定燃烧场温度均值1 310 K。 利用相同的标定方法, 我们获得了当量比为0.8, 0.9, 1.1和1.2时的燃烧场温度值。

图7 当量比为1.0时(a)平面火焰形状(b)热电偶测量沿光程区域温度分布情况Fig.7 Equivalent ratio 1.0 (a) Plane flame shape; (b) Thermocouple measurement of temperature distribution along the optical path

在燃烧场温度、 压强和吸收光程都已知的条件下, 开展了基于OA-ICOS系统的燃烧场CO浓度测量实验, 图8(a)显示了不同当量比条件下500 ms连续测量时产生CO的浓度变化曲线。 从图中可以看出随着当量比的提高, CO浓度不断增大, 而且波动幅度越来越大。 当量比较小时, 甲烷在贴近炉面位置完全燃烧, 只产生微量的CO, 在上升过程中CO浓度变化很小, 所以结果较为稳定。 随着当量比的提高, 甲烷相对于空气越来越多, 靠近炉面的甲烷未来得及完全燃烧, 在上升过程中继续燃烧产生CO, 导致测量结果波动较大。

图8 (a) 500 ms连续测量时CO的浓度变化; (b) CO浓度和温度随当量比的变化情况Fig.8 (a) CO concentration varies during 500 ms continuous measurement; (b) CO concentration and temperature vary with equivalent ratio

图8(b)显示了不同当量比下平焰炉CO连续测量结果的平均值和温度的变化情况。 随着当量比的提高, 燃烧场温度和CO浓度均上升。 在当量比为0.8时, 空气含量较高, 甲烷燃烧充分, 测量得到CO的浓度平均值为0.041%; 当量比达到1.0时(理论上完全燃烧), 出现了较高浓度的CO(1.01%), 经分析得到空气和甲烷流速过快, 两者混合不均匀导致燃烧不完全, 产生大量的CO; 当量比为1.2时, 测得CO浓度最高为1.57%。 由实验结果可知, 在甲烷燃烧过程中, 提高当量比, 温度上升, 但是带来了大量的CO, 浪费了燃料; 减小当量比会减少CO的排放, 但是热量流失较大, 火焰温度也随之下降。

图9为当量比1.0时测量得到的吸收光谱信号, 燃烧场测量区域平均温度为1310K, CO浓度计算结果为1.01%, Voigt线型拟合峰值为0.882, 拟合残差的标准差为7.46× 10-3, 信噪比约为118。 由此可以计算噪声等效灵敏度(noise equivalent absorption sensitivity, NEAS)为3.67× 10-7 cm-1· Hz-1, 对应最小可探测气体浓度为5.83× 10-6。 前述的实验中都近似认为燃烧场温度分布是均匀的, 由图7可知在核心测量区域, 温度场在空间上的不均匀性带来的不确定度约为± 26 K(1σ ), 由此带来的CO浓度测量不确定度为5.6%。

图9 当量比1.0时吸收光谱信号及Voigt线型拟合残差Fig.9 Absorption spectrum signal and Voigt linear fitting residual error at equivalent ratio 1.0

4 结论

建立了一套基于OA-ICOS的燃烧场CO浓度测量系统, 并使用CO在第一泛频带的R(10)谱线进行了测量实验。 通过标定测量, 得到该OA-ICOS系统的光程增益为169.5倍, 对于长度为15 cm的燃烧场可以达到2 542 cm的有效光程; 同时得到了该系统激光波长的最优扫描频率为100 Hz, 系统测量误差为4.5%。 在平焰炉产生的燃烧场上开展了CO浓度测量实验, 结果表明在CH4/Air平焰炉燃烧场中CO浓度随着当量比的增大而升高。 当量比的增大可以有效提高燃烧场的温度, 但同时也会导致燃料燃烧的不充分, 因此CO浓度较高。 研究为OA-ICOS系统的工程测量应用奠定了很好的基础, 验证了OA-ICOS系统对高温燃烧场内痕量气体组分测量的可行性, 对于超燃冲压发动机、 航空发动机内燃烧流场中CO组分浓度的测量具有重要意义。

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