氨反应流NH3-PFLIF和NH-LIF同步测量系统及方法

本发明属于化学反应流测量，涉及化学反应流组分场的激光诊断，特别涉及一种氨反应流nh3-pflif和nh-lif同步测量系统及方法。

背景技术：

1、氨气(nh3)被认为是一种氢能载体和无碳燃料，同时氨气也被广泛应用于降低nox排放过程，在约1200k温度下进行选择性非催化还原(sncr)或在约600k温度下进行选择性催化还原(scr)。不管是在氨气燃烧过程，还是在sncr或scr过程，氨气的排放都需要尽可能避免。因此，需要监测氨气的含量和分布。另外，通过测量氨化学反应流的反应区，可以表征氨气的反应强度。同时原位监测氨气含量和反应强度，将更好地提高燃烧系统和nox还原系统的运行效率和污染物控制。

2、激光诱导荧光(lif)技术是一种先进的原位激光诊断技术，具有高选择性、高灵敏度和高时空分辨率。其中nh-lif技术可以用于原位测量氨化学反应流的反应区，并且具有很高的激发效率和信噪比。氨气也可以通过双光子激光诱导荧光(tplif)技术进行测量，但nh3-tplif激发效率较低，测量信噪比一般。另外，采用nh3-tplif和nh-lif技术同步测量nh3和nh一般需要两套nd:yag+染料激光器(共4台激光器)和两台增强型ccd(iccd)相机，系统成本过高。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种氨反应流nh3-pflif和nh-lif同步测量系统及方法，以期解决原位测量存在干扰、多台相机测量误差大、占用空间以及成本高等问题中的之一或者全部。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种氨反应流nh3-pflif和nh-lif同步测量系统，包括nh激发部分、nh3激发部分和信号探测与同步部分；

4、所述nh激发部分发出303.6nm激光，射入氨反应器中，激发nh自由基的荧光信号；

5、所述nh3激发部分发出193nm深紫外激光，射入氨反应器中，将nh3碎片化成激发态nh，并向外辐射荧光信号；

6、所述信号探测与同步部分包括信号发生器一、信号发生器二和带有337±10nm的带通滤波片与紫外镜头的iscmos相机，所述信号发生器一和信号发生器二控制所述nh激发部分、所述nh3激发部分和所述iscmos相机的时序同步，所述iscmos相机的镜头朝向所述氨反应器，并工作在双曝光模式下，实现nh自由基和nh3分子的同步测量。

7、在一个实施例中，所述nh激发部分包括脉冲nd:yag激光器和染料激光器；所述脉冲nd:yag激光器包含二倍频模块，发出532nm激光泵浦，并输入至所述染料激光器；所述染料激光器筛选出607.2nm基频激光，所述基频激光通过二倍频模块，发出303.6nm激光。

8、在一个实施例中，所述nh激发部分还包括平凹柱面透镜一和凸透镜一；所述染料激光器发出的303.6nm激光经平凹柱面透镜一和凸透镜一形成片光，射入氨反应器中。

9、在一个实施例中，所述nh3激发部分包括脉冲arf准分子激光器、平凹柱面透镜二和凸透镜二，所述arf准分子激光器发出193nm深紫外激光，经平凹柱面透镜二和凸透镜二形成片光，射入氨反应器中。

10、在一个实施例中，所述nh激发部分发出的303.6nm激光与所述所述nh3激发部分发出的193nm深紫外激光，分别从所述氨反应器的同一侧或相对两侧射入，并通过光路调节使得两部分激光重合；当从所述氨反应器的同一侧时，采用一块能够反射193nm激光并透射303.6nm激光的二色镜，将两束激光合束后从同一侧射入氨反应器。

11、在一个实施例中，所述iscmos相机的探测光路与所述303.6nm激光和193nm深紫外激光垂直，所述带通滤波片设置在iscmos相机的镜头前方，透过nh-lif和nh3-pflif荧光信号并消除303.6nm和193nm激光散射和反射干扰。

12、在一个实施例中，所述iscmos相机的两次曝光均为长曝光，通过窄门宽控制进入iscmos相机的荧光信号，两次门控间隔为纳秒级，分别用于捕获nh-lif和nh3-pflif发出的荧光信号。

13、在一个实施例中，所述iscmos相机曝光频率是所述nh激发部分和所述nh3激发部分工作频率的两倍；所述nh激发部分和所述nh3激发部分的脉冲间隔与所述iscmos相机两次门控的间隔相同。

14、在一个实施例中，所述nh激发部分和所述nh3激发部分的脉冲间隔为200-300ns。

15、在一个实施例中，所述氨反应器包含三块紫外玻璃，分别使得nh-lif激发激光、nh3-pflif激发激光和荧光信号通过。

16、本发明还提供了一种氨化学反应流nh3-pflif和nh-lif同步测量方法，包括：

17、利用303.6nm激光，激发氨反应器中nh自由基的荧光信号；

18、利用193nm深紫外激光，将氨反应器中nh3碎片化成激发态nh，并向外辐射荧光信号；

19、利用信号发生器同步所述303.6nm激光、193nm深紫外激光以及iscmos相机的时序，为所述iscmos相机配置紫外镜头和337±10nm的带通滤波片，所述iscmos相机的镜头朝向所述氨反应器，并工作在双曝光模式下，实现nh自由基和nh3分子的同步测量。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

21、1、本发明为非接触原位测量，对氨化学反应流无干扰。

22、2、本发明采用一台相机实现对nh3和nh两种组分的同步测量，避免多台相机测量时空间对准带来的测量误差，并且能有效降低成本，节省探测空间。

23、3、本发明采用iscmos相机的双曝光模式，先探测nh荧光信号，200-300ns后探测nh3碎片化荧光信号，在时域上分离了两种组分信号。

24、4、本发明采用的测量策略能从低频(10hz级)推广至高频(10khz级)，只需将激光和相机由低频更改为高频设备，从而实现高速测量。

25、5、本发明测量得到的nh3和nh分布，为氨气燃烧和scr/sncr系统的高效运行和污染物控制提供了氨气逃逸和反应强度数据。

技术特征：

1.一种氨反应流nh3-pflif和nh-lif同步测量系统，其特征在于，包括nh激发部分、nh3激发部分和信号探测与同步部分；

2.根据权利要求1所述氨反应流nh3-pflif和nh-lif同步测量系统，其特征在于，所述nh激发部分包括脉冲nd:yag激光器(1)和染料激光器(4)；所述脉冲nd:yag激光器(1)包含二倍频模块，发出532nm激光泵浦，并输入至所述染料激光器(4)；所述染料激光器(4)筛选出607.2nm基频激光，所述基频激光通过二倍频模块，发出303.6nm激光。

3.根据权利要求2所述氨反应流nh3-pflif和nh-lif同步测量系统，其特征在于，所述nh激发部分还包括平凹柱面透镜一(5)和凸透镜一(6)；所述染料激光器(4)发出的303.6nm激光经平凹柱面透镜一(5)和凸透镜一(6)形成片光，射入氨反应器(10)中。

4.根据权利要求1所述氨反应流nh3-pflif和nh-lif同步测量系统，其特征在于，所述nh3激发部分包括脉冲arf准分子激光器(7)、平凹柱面透镜二(8)和凸透镜二(9)，所述arf准分子激光器(7)发出193nm深紫外激光，经平凹柱面透镜二(8)和凸透镜二(9)形成片光，射入氨反应器(10)中。

5.根据权利要求1或2或3或4所述氨反应流nh3-pflif和nh-lif同步测量系统，其特征在于，所述nh激发部分发出的303.6nm激光与所述所述nh3激发部分发出的193nm深紫外激光，分别从所述氨反应器(10)的同一侧或相对两侧射入，并通过光路调节使得两部分激光重合；当从所述氨反应器(10)的同一侧时，采用一块能够反射193nm激光并透射303.6nm激光的二色镜，将两束激光合束后从同一侧射入氨反应器(10)。

6.根据权利要求1所述氨反应流nh3-pflif和nh-lif同步测量系统，其特征在于，所述iscmos相机(12)的探测光路与所述303.6nm激光和193nm深紫外激光垂直，所述带通滤波片(11)设置在iscmos相机(12)的镜头前方，透过nh-lif和nh3-pflif荧光信号并消除303.6nm和193nm激光散射和反射干扰。

7.根据权利要求1所述氨反应流nh3-pflif和nh-lif同步测量系统，其特征在于，所述iscmos相机(12)的两次曝光均为长曝光，通过窄门宽控制进入iscmos相机(12)的荧光信号，两次门控间隔为纳秒级，分别用于捕获nh-lif和nh3-pflif发出的荧光信号。

8.根据权利要求1所述氨反应流nh3-pflif和nh-lif同步测量系统，其特征在于，所述iscmos相机(12)曝光频率是所述nh激发部分和所述nh3激发部分工作频率的两倍；所述nh激发部分和所述nh3激发部分的脉冲间隔与所述iscmos相机(12)两次门控的间隔相同。

9.根据权利要求8所述氨反应流nh3-pflif和nh-lif同步测量系统，其特征在于，所述nh激发部分和所述nh3激发部分的脉冲间隔为200-300ns。

10.一种氨化学反应流nh3-pflif和nh-lif同步测量方法，其特征在于，包括：

技术总结
氨反应流NH3‑PFLIF和NH‑LIF同步测量系统及方法，包括NH激发部分、NH<subgt;3</subgt;激发部分和信号探测与同步部分；NH激发部分利用脉冲Nd:YAG激光器泵浦染料激光器发出303.6nm的激光，激发氨反应区中基态NH(X)自由基的荧光信号；NH<subgt;3</subgt;激发部分采用脉冲ArF准分子激光器发出193nm深紫外激光，将氨反应器中NH<subgt;3</subgt;分子碎片化为激发态NH(A)自由基，并向外辐射荧光信号；信号探测与同步部分被配置为利用一台IsCMOS相机和一片带通滤波片同时探测NH‑LIF和NH<subgt;3</subgt;‑PFLIF的荧光信号；并采用控制策略在时域上分离两种荧光信号的相互干扰，实现NH和NH<subgt;3</subgt;的同步测量。

技术研发人员：蔡骁,王金华,林文隽,黄佐华
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12