王斌，許振宇，張文清，闞瑞峰，蓋文, *

1. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)研究所，綿陽(yáng) 621000

2. 中國(guó)科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，合肥 230031

0 引 言

在大型飛機(jī)、先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)、往返大氣層航天飛行器研制過(guò)程中，低溫高雷諾數(shù)風(fēng)洞是開(kāi)展復(fù)雜黏性流場(chǎng)性能研究必不可少的設(shè)備[1]。為避免水汽在風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻娼Y(jié)霜/結(jié)冰，影響測(cè)試精度，低溫風(fēng)洞對(duì)水汽的控制要求比常溫風(fēng)洞更為嚴(yán)格。在低溫跨聲速風(fēng)洞降溫前的清洗干燥過(guò)程中，需將氣體中的水汽含量降至足夠低。露點(diǎn)（即露點(diǎn)溫度）是指在壓力不變的條件下，氣體中的水汽降溫至凝露或結(jié)霜時(shí)的溫度，可用于表征氣體中的水汽含量。在《氣體分析 微量水分的測(cè)定 第2部分：露點(diǎn)法》（GB/T 5832.2—2016）中，露點(diǎn)和霜點(diǎn)一般統(tǒng)稱為“露點(diǎn)”。根據(jù)低溫風(fēng)洞設(shè)計(jì)需求，在低溫風(fēng)洞清洗和降溫過(guò)程中需對(duì)氣體露點(diǎn)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，露點(diǎn)測(cè)量范圍為–100～20 ℃（–100～–80 ℃，測(cè)量誤差小于2 ℃；–80～20 ℃，測(cè)量誤差小于1 ℃）[2]。

目前，風(fēng)洞露點(diǎn)主要采用冷鏡式露點(diǎn)儀[3-4]進(jìn)行氣體抽取式測(cè)量。在抽取式測(cè)量中，管路對(duì)水汽的吸脫附效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差甚至測(cè)量錯(cuò)誤；冷鏡式露點(diǎn)儀鏡面易受污染，也會(huì)影響測(cè)量精度；在極低露點(diǎn)條件下，冷鏡式露點(diǎn)儀的測(cè)量響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)（露點(diǎn)低于–80 ℃時(shí)，響應(yīng)時(shí)間會(huì)達(dá)到10 min 左右）。為滿足低溫風(fēng)洞露點(diǎn)測(cè)量需求，亟需研究開(kāi)發(fā)寬溫域、高精度、原位在線露點(diǎn)測(cè)量技術(shù)。

激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS）技術(shù)[5-11]具有高靈敏度、連續(xù)在線、快速響應(yīng)、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是當(dāng)前國(guó)際上公認(rèn)的最有希望實(shí)現(xiàn)寬溫域、高精度、原位在線露點(diǎn)測(cè)量的技術(shù)。2013 年，Buchholz 等[12]開(kāi)發(fā)了大氣平流層球載TDLAS 水汽測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)得大氣平流層水汽體積分?jǐn)?shù)為0.01‰～8‰（約–60.5～4.0 ℃），與露點(diǎn)濕度計(jì)（Frost-Point Hygrometer, FPH）和拉曼–阿爾法熒光濕度計(jì)（LAFH）測(cè)量結(jié)果具有較好的一致性。2017 年，Buchholz 等[13-14]升級(jí)了雙波長(zhǎng)球載濕度傳感器，完成了體積分?jǐn)?shù)為0.01‰～400‰（約–76.2～76.0 ℃）的水汽測(cè)量。為研究中緯度卷云特性，哈佛大學(xué)Sargent 等[15]研制了TDLAS 水汽測(cè)量系統(tǒng)（HALO），搭載于WB–57 飛機(jī)上，測(cè)量對(duì)流層上部和平流層下部的水汽含量，測(cè)得水汽體積分?jǐn)?shù)為0.0035‰～0.6‰（約–68.0～25.4 ℃），不確定度為5%。HALO 采用了開(kāi)放光路測(cè)試方法，證實(shí)了TDLAS 可應(yīng)用于原位測(cè)量（圖1[15]）。受此啟發(fā)，可在風(fēng)洞試驗(yàn)段構(gòu)建測(cè)試光路，采用TDLAS 對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)段露點(diǎn)進(jìn)行原位在線測(cè)量（圖2）。HALO 證實(shí)了開(kāi)放光路測(cè)試的可行性，但TDLAS 應(yīng)用于低溫風(fēng)洞露點(diǎn)測(cè)量還存在以下不足：HALO 采用單波長(zhǎng)測(cè)試技術(shù)，露點(diǎn)測(cè)量范圍較小，尚不能滿足寬溫域（–100～20 ℃）測(cè)量需求；測(cè)量精度較差，不滿足低溫風(fēng)洞露點(diǎn)高精度測(cè)量需求。

圖1 TDLAS 露點(diǎn)測(cè)量開(kāi)放光路示意圖[15]Fig. 1 Schematic diagram of open optical path for TDLAS dew point measurement[15]

圖2 TDLAS 風(fēng)洞試驗(yàn)段露點(diǎn)原位在線測(cè)量示意圖Fig. 2 Schematic diagram of in-situ on-line measurement of dew point with TDLAS in wind tunnel test section

本文對(duì)基于TDLAS 的極低露點(diǎn)原位在線測(cè)量技術(shù)進(jìn)行研究，開(kāi)展寬溫域露點(diǎn)測(cè)量光譜選型與高精度光譜參數(shù)標(biāo)定，研究光譜數(shù)據(jù)處理算法，研制原理樣機(jī)并在低溫平臺(tái)、低溫引導(dǎo)風(fēng)洞及上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院（簡(jiǎn)稱上海計(jì)量院）、北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所（簡(jiǎn)稱長(zhǎng)城計(jì)量所）進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，以證實(shí)TDLAS 應(yīng)用于低溫風(fēng)洞試驗(yàn)段原位在線測(cè)量的可行性。

1 TDLAS 露點(diǎn)測(cè)量

1.1 TDLAS 露點(diǎn)測(cè)量原理

在等壓條件下對(duì)氣體進(jìn)行冷卻，氣體中的水汽處于凝結(jié)臨界點(diǎn)時(shí)的氣體溫度即為露點(diǎn)。此時(shí)，氣體所能容納的水汽分壓達(dá)到最大值，即飽和蒸氣壓。根據(jù)Murphy–Koop 公式[16]，露點(diǎn)與飽和蒸氣壓一一對(duì)應(yīng)，因此，可以通過(guò)直接測(cè)量水汽分壓來(lái)計(jì)算露點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)任意水汽含量氣體的露點(diǎn)測(cè)量。

TDLAS 主要利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的窄線寬和波長(zhǎng)可調(diào)諧特性，掃描覆蓋目標(biāo)氣體吸收譜線，獲取高分辨吸收光譜，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)氣體組分的狀態(tài)參數(shù)測(cè)量。TDALS 典型測(cè)量光路如圖3 所示，半導(dǎo)體激光器（LD）出射激光后，穿過(guò)待測(cè)氣體，被光電探測(cè)器（PD）接收，水汽吸收造成激光光強(qiáng)衰減，衰減量遵守Lambert–Beer 定律，即：

圖3 TDLAS 測(cè)量原理圖Fig. 3 Schematic diagram of TDLAS measurement

式中：I0(f)、It(f)分別為入射光強(qiáng)、經(jīng)水汽吸收后的透射光強(qiáng)；f0和f 分別為吸收線的中心頻率和入射光頻率；L 為有效吸收光程；S(T)為目標(biāo)氣體吸收線強(qiáng)，在選定吸收線時(shí)僅為環(huán)境靜溫T 的函數(shù)；?(f–f0)為面積歸一化線型函數(shù)；p 為環(huán)境靜壓；x 為水汽體積分?jǐn)?shù)。

線強(qiáng)的計(jì)算公式為：

式中：S(T0)為參考溫度T0=296 K 的線強(qiáng)值；k 為玻爾茲曼常數(shù)，h 為普朗克常數(shù)；c 為真空光速；E 為低態(tài)能級(jí)；Q(T)為配分函數(shù)值，通過(guò)查表或分溫度段擬合的多項(xiàng)式系數(shù)計(jì)算。

水汽吸收光譜吸光度α定義為：

積分吸光度A 定義為：

根據(jù)環(huán)境靜壓p 和水汽體積分?jǐn)?shù)x 計(jì)算水汽分壓e：

對(duì)于大氣壓露點(diǎn)計(jì)算，需要根據(jù)道爾頓定律，將當(dāng)前壓強(qiáng)p 下的水汽分壓e 轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓p0下的水汽分壓e′：

再根據(jù)Murphy–Koop 公式[16]計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的露點(diǎn)。當(dāng)氣體溫度高于–20 ℃時(shí)，以液態(tài)水平面公式計(jì)算：

當(dāng)氣體溫度低于–20 ℃時(shí)，采用冰平面公式計(jì)算：

式中：Td為露點(diǎn)溫度，單位K；

綜上，TDLAS 露點(diǎn)測(cè)量的計(jì)算流程如下：

第1 步：采用TDLAS 測(cè)量氣體中水汽吸收譜線，以線型擬合方法計(jì)算積分吸光度A。

第2 步：測(cè)量環(huán)境靜溫T，以式（2）計(jì)算S(T)；

第3 步：測(cè)量環(huán)境靜壓p，以式（5）計(jì)算水汽分壓e；

第4 步：以式（6）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水汽分壓e′；

第5 步：以Murphy–Koop 公式計(jì)算露點(diǎn)Td。

式（5）的水汽分壓是水含量的一種描述，表明水的絕對(duì)分壓與當(dāng)前溫度下飽和蒸氣壓的比值會(huì)隨壓力變化。本文直接測(cè)量水汽分壓，結(jié)合環(huán)境靜壓獲得水的體積分?jǐn)?shù)，體積分?jǐn)?shù)不隨壓強(qiáng)和溫度變化，與大氣壓露點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。因此，在采樣測(cè)量過(guò)程中，TDLAS 露點(diǎn)測(cè)量方法無(wú)需使測(cè)量腔內(nèi)與待測(cè)環(huán)境中的溫度和壓力保持一致。

1.2 面向?qū)挏赜蚵饵c(diǎn)測(cè)量的吸收譜線選型

采用單一波長(zhǎng)吸收譜線無(wú)法覆蓋–100 ～20 ℃露點(diǎn)范圍對(duì)應(yīng)的水的體積分?jǐn)?shù)。–100 ℃對(duì)應(yīng)水汽分壓1.4×10–3Pa，20 ℃對(duì)應(yīng)水汽分壓2.3×103Pa，橫跨6 個(gè)數(shù)量級(jí)。選擇吸收譜線的一般準(zhǔn)則包括：在測(cè)溫范圍內(nèi)具有合適的吸收強(qiáng)度；不受其他氣體的光譜干擾；吸收譜線相對(duì)孤立，適應(yīng)不同壓力測(cè)量；所在波段具有合適的激光光源和通光窗口材料。

在上述準(zhǔn)則下綜合考慮測(cè)量精度和器件選取。對(duì)于水汽長(zhǎng)期在線測(cè)量，考慮以氟化鈣、藍(lán)寶石和石英玻璃等作為窗片，優(yōu)選波長(zhǎng)在3.2 μm 以下的JGS1、JGS3 石英玻璃。水汽吸收帶強(qiáng)度如圖4 所示（1 atm=1.013×105Pa）。1～10 μm 內(nèi)，水汽最強(qiáng)吸收帶在6 μm，次強(qiáng)吸收帶在2.7 和1.8 μm。1.8 μm次強(qiáng)吸收帶的優(yōu)勢(shì)在于此波段內(nèi)具有相對(duì)成熟的光纖器件，可作為備選波段。因此，對(duì)于低露點(diǎn)測(cè)量，從2 個(gè)次強(qiáng)吸收帶分別篩選，優(yōu)選強(qiáng)吸收譜線保證低露點(diǎn)的測(cè)量精度，2626 nm 吸收譜線為首選，其次為1854 nm 吸收譜線，測(cè)試對(duì)比后選取2626 nm；對(duì)于高露點(diǎn)測(cè)量，則在1.4 μm 波段選取，除了1383 nm之外，其他吸收譜線如1370 nm 等也都可實(shí)現(xiàn)一定范圍的露點(diǎn)測(cè)量，最終選擇1383 nm，主要原因在于該波長(zhǎng)的激光器可同時(shí)覆蓋強(qiáng)弱不同的3 條臨近吸收譜線，其中的弱吸收譜線可拓展應(yīng)用于20 ℃以上的露點(diǎn)測(cè)量。所選波段覆蓋的露點(diǎn)范圍如表1 所示（參考溫度T0=296 K）。

圖4 水汽吸收帶強(qiáng)度Fig. 4 Strength of water vapor absorption band

表1 選擇光譜譜線參數(shù)和對(duì)應(yīng)激光器Table 1 Selection of spectral line parameters and corresponding lasers

利用HITRAN2012 數(shù)據(jù)庫(kù)[17]在相同光程（20 m）和壓力（1.013×105Pa）下對(duì)3 個(gè)波段進(jìn)行不同露點(diǎn)光譜模擬計(jì)算。圖5（a）為2626 nm 波長(zhǎng)模擬結(jié)果，上為–60 ℃下、露點(diǎn)–60 ℃時(shí)的吸收譜線，下為–60 ℃下、露點(diǎn)–100 ℃時(shí)的吸收譜線。圖5（b）為1854 nm波長(zhǎng)模擬結(jié)果，上為30 ℃下、露點(diǎn)–40 ℃時(shí)的吸收譜線，下為–60 ℃下、露點(diǎn)–80 ℃時(shí)的吸收譜線。圖5（c）為1383 nm 波長(zhǎng)模擬結(jié)果，上為30 ℃下、露點(diǎn)20 ℃時(shí)的吸收譜線，下為30 ℃下、露點(diǎn)–40 ℃時(shí)的吸收譜線。

圖5 典型狀態(tài)模擬吸收光譜Fig. 5 Typical state simulated absorption spectrum

所選波長(zhǎng)的水汽吸收峰值隨露點(diǎn)的變化如圖6所示，其中，2626 nm 激光的吸收譜線為3807 cm–1，1854 nm 激光的吸收譜線為5394 cm–1，1383 nm 激光的吸收譜線為7223、7226 和7228 cm–1。在吸光度峰值檢測(cè)范圍2×10–4～5 內(nèi)，2626 nm（3807 cm–1）激光器可覆蓋–100～–40 ℃露點(diǎn)，1854 nm 激光器可覆蓋–95～–25 ℃露點(diǎn)，1383 nm 激光器可覆蓋–60～30 ℃露點(diǎn)。1383 和1854 nm 激光的吸收譜線較弱，主要用于高露點(diǎn)測(cè)量；1383 nm 激光的吸收譜線最弱，可避免高體積分?jǐn)?shù)下吸收飽和對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；吸收譜線最強(qiáng)的2626 nm 激光則用于低露點(diǎn)測(cè)量。

圖6 水汽吸收峰值隨露點(diǎn)的變化Fig. 6 Variation of H2O absorption peak with dew point

圖7 進(jìn)一步給出了線強(qiáng)隨溫度的變化，對(duì)低露點(diǎn)測(cè)量2626 nm 吸收譜線（包括1854 和1383 nm 部分吸收譜線），其線強(qiáng)隨溫度降低而升高。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，低露點(diǎn)一般出現(xiàn)于風(fēng)洞降溫后，2626 nm吸收譜線比圖中仿真環(huán)境溫度（–60 ℃）下更高，–100 ℃露點(diǎn)測(cè)量的裕量更大。圖7 給出了5 條水汽吸收譜線（7223、7226、7228、3807 和5394 cm–1）在78～320 K 溫度范圍內(nèi)的線強(qiáng)變化。從圖中可以看出，5 條吸收譜線的線強(qiáng)均隨著溫度的降低而增大，有利于在風(fēng)洞低溫條件下進(jìn)行低露點(diǎn)測(cè)量?；谝陨戏治?，本文選擇1383 和2626 nm 雙波長(zhǎng)方案用于–100～20 ℃的露點(diǎn)測(cè)量。

圖7 線強(qiáng)隨溫度的變化Fig. 7 Variation of line strength with temperature

1.3 光譜信號(hào)處理方法

為解決–100～20 ℃下水汽體積分?jǐn)?shù)10–2～10–8量級(jí)超高動(dòng)態(tài)范圍的露點(diǎn)檢測(cè)難題，同時(shí)進(jìn)行直接吸收和免定標(biāo)波長(zhǎng)調(diào)制測(cè)量。直接吸收、波長(zhǎng)調(diào)制結(jié)合露點(diǎn)反演算法流程如圖8 所示。與1.1 節(jié)露點(diǎn)計(jì)算的區(qū)別在于，計(jì)算積分吸光度時(shí)，根據(jù)吸收光譜信號(hào)強(qiáng)度選擇直接吸收或波長(zhǎng)調(diào)制：吸光度峰值較高時(shí)，采用直接吸收光譜技術(shù)；吸光度峰值較低時(shí)，采用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)提升測(cè)量靈敏度和精度。

圖8 直接吸收、波長(zhǎng)調(diào)制結(jié)合露點(diǎn)反演算法Fig. 8 Direct absorption, wavelength modulation and dew point inversion algorithm

2 技術(shù)原理驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 TDLAS 露點(diǎn)測(cè)量驗(yàn)證裝置

TDLAS 露點(diǎn)測(cè)量驗(yàn)證裝置主要由激光器、激光器驅(qū)動(dòng)、多次反射光路、探測(cè)器、溫度傳感器、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊和露點(diǎn)溫度計(jì)算機(jī)等組成。設(shè)計(jì)了3 套裝置：高露點(diǎn)驗(yàn)證裝置、低露點(diǎn)驗(yàn)證裝置和低溫平臺(tái)試驗(yàn)裝置，分別用于高、低露點(diǎn)測(cè)量范圍和精度測(cè)試及低溫環(huán)境原位在線測(cè)量實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程后文介紹。

2.2 低溫環(huán)境光譜參數(shù)標(biāo)定

目前，光譜計(jì)算中普遍使用的HITRAN 數(shù)據(jù)庫(kù)中的吸收譜線強(qiáng)度、展寬系數(shù)和依賴系數(shù)等參數(shù)存在一定誤差，大部分吸收譜線強(qiáng)度的不確定度在5%～20%之間，嚴(yán)重影響低溫露點(diǎn)測(cè)量的準(zhǔn)確性。為此，采用低溫光譜試驗(yàn)平臺(tái)（–163～77 ℃，恒溫氣池，1 m 光程，如圖9 所示）對(duì)吸收譜線強(qiáng)度、水汽自碰撞展寬系數(shù)、壓力頻移系數(shù)及碰撞展寬系數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量[18]，將不確定度控制在1%以下。

圖9 低溫平臺(tái)光譜標(biāo)定Fig. 9 Spectral calibration with cryogenic platform

2.3 TDLAS 露點(diǎn)測(cè)量精度評(píng)估

為驗(yàn)證TDLAS 露點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的測(cè)量范圍和精度，分別在上海計(jì)量院、長(zhǎng)城計(jì)量所進(jìn)行了–100～30 ℃露點(diǎn)測(cè)量計(jì)量。其中，高露點(diǎn)（–10～30 ℃）采用原位測(cè)量方法進(jìn)行驗(yàn)證，低露點(diǎn)（–100～–10 ℃）采用抽取式測(cè)量方法進(jìn)行驗(yàn)證。

由于高露點(diǎn)實(shí)際由1383 nm 波段吸收譜線覆蓋，測(cè)試中僅采用一個(gè)1383 nm 激光器，激光器及控制電路位于溫濕度箱C4–600 之外。激光經(jīng)光纖引至溫濕度箱內(nèi)分為2 束，一束經(jīng)準(zhǔn)直器直接進(jìn)入探測(cè)器作為參考光路，一束經(jīng)過(guò)58 cm 光程后進(jìn)入探測(cè)器作為測(cè)量光路。光纖和探測(cè)器電纜線通過(guò)溫濕度箱預(yù)留穿線孔進(jìn)出，并以軟塞密封。TDLAS 與冷鏡473/SH2 同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，冷鏡采用抽取式方法進(jìn)行測(cè)量。TDLAS 以NI PCI5015 采集2 路（測(cè)量光路、參考光路）信號(hào)，溫度和壓力則采用溫濕度箱內(nèi)的環(huán)境監(jiān)控值。溫濕度箱內(nèi)光路布置及TDLAS 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情況如圖10 所示。測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖11 所示，各露點(diǎn)偏差小于0.5 ℃。

圖11 TDLAS 與冷鏡露點(diǎn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比（?10～30 ℃）Fig. 11 Comparison of TDLAS and cold mirror dew point measurement results from ?10 ℃ to 30 ℃

低露點(diǎn)抽取式測(cè)量采用多次反射池結(jié)構(gòu)，光程21 m，開(kāi)放式多次反射池置于密封筒體內(nèi)。在露點(diǎn)測(cè)量試驗(yàn)中，微量水分發(fā)生裝置以正壓從筒體一端法蘭氣管通入露點(diǎn)空氣，從另一端氣管排出。為避免環(huán)境水汽吸收影響測(cè)量，將激光器、探測(cè)器置于筒體內(nèi)部，通過(guò)法蘭上的密封航空插頭與外部控制電路連接，同時(shí)在筒體內(nèi)設(shè)置參考光路，用于抵扣激光器、探測(cè)器封裝內(nèi)部可能殘余水汽的吸收本底（背景扣除法）。如圖12（a）所示，測(cè)試裝置包含3 支激光器（1383、1854 和2626 nm），分時(shí)出光（每個(gè)激光器均包括直接吸收和波長(zhǎng)調(diào)制部分），通過(guò)合束進(jìn)行同光路測(cè)量。圖12（b）為實(shí)物圖。

圖12 低露點(diǎn)抽取式測(cè)量多次反射筒體設(shè)計(jì)圖和實(shí)物Fig. 12 The multiple reflection cylinder for low dew point extraction measurement（design drawing and physical object）

采用抽取式測(cè)量方法，分別在上海計(jì)量院、長(zhǎng)城計(jì)量所進(jìn)行了–90～–10 ℃范圍內(nèi)、–100 ℃露點(diǎn)測(cè)量精度測(cè)試。將圖12 所示的TDLAS 測(cè)試裝置、MBW373 冷鏡式露點(diǎn)儀連接至同一標(biāo)準(zhǔn)微量水分發(fā)生裝置的不同輸出分支氣路，進(jìn)行同步測(cè)量對(duì)比（如圖13 所示）。

圖13 低露點(diǎn)抽取式測(cè)量Fig. 13 Low dew point extraction measurement

在上海計(jì)量院的測(cè)試中，測(cè)試范圍為–90～–10 ℃，試驗(yàn)由低露點(diǎn)–90 ℃開(kāi)始，每隔10 ℃進(jìn)行一次測(cè)量。首先，將TDLAS 測(cè)量腔與高精度冷鏡式露點(diǎn)儀同時(shí)接入微量水分發(fā)生裝置出氣口，以露點(diǎn)為–90 ℃的干氣對(duì)抽氣采樣腔體進(jìn)行為期5 d 的吹洗，去除腔體內(nèi)壁及其他表面吸附的水汽，然后進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。TDLAS 測(cè)量結(jié)果與冷鏡測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖14所示，單次露點(diǎn)實(shí)際測(cè)量時(shí)間為1 s。在上海計(jì)量院直接對(duì)–100 ℃露點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試對(duì)比。–100～30 ℃露點(diǎn)測(cè)試對(duì)比結(jié)果如表2 所示，測(cè)量誤差小于1℃。

圖14 ?90 ～?10 ℃露點(diǎn)TDLAS 與MBW373 測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig. 14 The comparison of TDLAS and MBW373 measurement results from ?90 ℃ to ?10 ℃

表2 TDLAS 與冷鏡式露點(diǎn)儀測(cè)量（計(jì)量）對(duì)比Table 2 Measurement results of TDLAS and cold mirror dew point instrument

冷鏡式露點(diǎn)儀在引出氣體進(jìn)行測(cè)量時(shí)，引氣管路對(duì)水汽存在脫吸附干擾。為減小該干擾帶來(lái)的影響，采取了以下措施：1）從標(biāo)準(zhǔn)濕氣源至MBW373露點(diǎn)儀之間，采用孔徑小、距離短、內(nèi)部拋光的引氣管路，減小脫吸附影響；2）按照從低露點(diǎn)至高露點(diǎn)的順序進(jìn)行測(cè)試，使所有測(cè)試管路由干燥變得濕潤(rùn)，進(jìn)一步減小管路脫吸附的影響。其中，將低露點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)濕氣引入測(cè)量氣室需要持續(xù)幾天時(shí)間，以確保管路脫吸附至充分干燥。

2.4 低溫平臺(tái)原位在線露點(diǎn)測(cè)量

為驗(yàn)證TDLAS 技術(shù)應(yīng)用于低溫風(fēng)洞試驗(yàn)段露點(diǎn)測(cè)量的可行性，在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的低溫平臺(tái)上進(jìn)行了原位在線露點(diǎn)測(cè)量試驗(yàn)。測(cè)量方案和測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)分別如圖15 和16 所示。采用1381 nm激光器及2 路光纖，一路光纖引入低溫腔內(nèi)，在低溫腔內(nèi)設(shè)置1 個(gè)二次反射折疊光路，構(gòu)成4 m 光程開(kāi)放測(cè)試光路，用于模擬原位測(cè)量；另一路光纖引入11.5 m 光程封閉測(cè)試光路，并從低溫平臺(tái)抽取氣體引入封閉測(cè)試光路中。在開(kāi)放測(cè)試光路、封閉測(cè)試光路中設(shè)置光電探測(cè)器，采集吸收光譜信號(hào)并傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊（數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)PCIe 安裝于計(jì)算機(jī)上）。在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行TDLAS 露點(diǎn)測(cè)量程序，計(jì)算露點(diǎn)測(cè)量值。與此同時(shí)，將封閉測(cè)試光路與冷鏡式露點(diǎn)儀串聯(lián)，對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行評(píng)估。其中，抽氣管路為長(zhǎng)度15 m 的鑄鐵管。在低溫平臺(tái)試驗(yàn)中，為降低系統(tǒng)復(fù)雜度，未采用在計(jì)量中使用的背景扣除方法。

圖15 TDLAS 低溫平臺(tái)原位露點(diǎn)測(cè)量試驗(yàn)示意圖Fig. 15 Schematic diagram of in-situ dew point measurement test of TDLAS low temperature platform

圖16 低溫平臺(tái)試驗(yàn)Fig. 16 Low temperature platform experiment

低溫平臺(tái)保持壓力不變，分別設(shè)置20、–15、–45、–75、–35、–15 和20 ℃共7 個(gè)溫度臺(tái)階，以產(chǎn)生不同的露點(diǎn)。圖17 為氣體溫度（Tgas）、TDLAS 露點(diǎn)測(cè)量結(jié)果（Tdp_T）時(shí)間變化曲線?？梢钥闯觯涸谠粶y(cè)量時(shí)，露點(diǎn)測(cè)量結(jié)果與氣體溫度變化趨勢(shì)相同；但由于光程較短，能測(cè)量的最低露點(diǎn)約為–56 ℃，在3 h附近存在數(shù)據(jù)丟失情況，這是因?yàn)樵诮咏C60 ℃時(shí)探測(cè)信號(hào)快速衰減。

圖17 原位露點(diǎn)測(cè)量結(jié)果Fig. 17 In-situ dew point measurement results

圖18 給出了抽取式TDLAS 與冷鏡式露點(diǎn)儀同時(shí)測(cè)量的結(jié)果Tdp_T和Tdp_CMH：測(cè)量結(jié)果一致性較好；在3～5 h 時(shí)間段，冷鏡式露點(diǎn)儀測(cè)量結(jié)果波動(dòng)較大，檢查發(fā)現(xiàn)是鏡面受到了污染。圖19 為4 m 光程開(kāi)放光路原位測(cè)量結(jié)果與11.5 m 光程多次反射封閉光路測(cè)量結(jié)果的對(duì)比。因低溫平臺(tái)自帶的鑄鐵管路存在污染干擾，導(dǎo)致引出氣體的測(cè)量方式較原位測(cè)量存在較大時(shí)間滯后，且測(cè)量曲線差異較大，說(shuō)明管路吸脫附對(duì)露點(diǎn)測(cè)量影響較大。

圖18 抽取式TDLAS 與冷鏡式露點(diǎn)儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig. 18 Comparison of dew point measurement results between extraction TDLAS and cold mirror dew point meter

圖19 TDLAS 原位測(cè)量與抽取式測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig. 19 Comparison of TDLAS in-situ measurement and extraction measurement results

在低溫平臺(tái)試驗(yàn)中，光電探測(cè)器信號(hào)隨著溫度降低而不斷減弱，當(dāng)溫度達(dá)到–70 ℃時(shí)，探測(cè)器無(wú)探測(cè)信號(hào)；另外，支撐裝置在試驗(yàn)中產(chǎn)生了溫度變形，導(dǎo)致光路發(fā)生偏差、光強(qiáng)信號(hào)減弱。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需對(duì)整個(gè)測(cè)量裝置進(jìn)行低溫防護(hù)，確保裝置工作于常溫條件下，同時(shí)對(duì)光路變形進(jìn)行主動(dòng)調(diào)整，避免溫度應(yīng)變對(duì)光路帶來(lái)的影響。導(dǎo)管，從低溫引導(dǎo)風(fēng)洞駐室引出氣體，接入多次反射封閉測(cè)試光路裝置（圖16（c））中，再串聯(lián)冷鏡式露點(diǎn)儀進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖20 所示。

圖20 0.3 m 低溫引導(dǎo)風(fēng)洞中冷鏡式露點(diǎn)儀與TDLAS 露點(diǎn)測(cè)量結(jié)果Fig. 20 Dew point measurement results of cold mirror dew point instrument and TDLAS in 0.3 m low temperature guide wind tunnel

2.5 0.3 m 低溫引導(dǎo)風(fēng)洞露點(diǎn)測(cè)量

在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心0.3 m 低溫引導(dǎo)風(fēng)洞中進(jìn)行了實(shí)際露點(diǎn)測(cè)量。采用內(nèi)拋光不銹鋼

從圖中可以看出，2 種方法測(cè)量結(jié)果總體趨勢(shì)相同，露點(diǎn)高于–60 ℃時(shí)，兩者偏差較?。? 1 ℃），露點(diǎn)低于–60 ℃時(shí)，兩者偏差約為–5 ℃（后經(jīng)查驗(yàn)，系未擦拭冷鏡式露點(diǎn)儀鏡面而導(dǎo)致了測(cè)量錯(cuò)誤）。TDLAS 系統(tǒng)測(cè)量時(shí)間響應(yīng)速度約為0.8 s，狀態(tài)重復(fù)測(cè)量與單點(diǎn)光譜數(shù)據(jù)誤差估計(jì)小于1 ℃。

3 結(jié) 論

面向低溫風(fēng)洞極低露點(diǎn)原位在線測(cè)量需求，研究了基于TDLAS 的極低露點(diǎn)原位在線測(cè)量技術(shù)，給出了先以TDLAS 測(cè)量水汽體積分?jǐn)?shù)，再以Murphy–Koop 公式直接計(jì)算露點(diǎn)的方法。該方法的測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞鏈路物理意義清晰，是對(duì)以溫度傳感器測(cè)量水汽發(fā)生凝結(jié)時(shí)氣體溫度作為露點(diǎn)的方法的有效補(bǔ)充。選用2 種吸光強(qiáng)度的激光器組合為雙波長(zhǎng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了寬溫域露點(diǎn)測(cè)量。采用直接吸收與波長(zhǎng)調(diào)制結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了高精度露點(diǎn)測(cè)量。進(jìn)行了低溫環(huán)境下開(kāi)放光路TDLAS 露點(diǎn)測(cè)量，驗(yàn)證了TDLAS 應(yīng)用于原位在線測(cè)量的可行性。由于探測(cè)器在低溫下會(huì)失去信號(hào)探測(cè)能力，在實(shí)際應(yīng)用中還需對(duì)TDLAS 露點(diǎn)測(cè)量裝置進(jìn)行低溫防護(hù)。對(duì)TDLAS 露點(diǎn)測(cè)量裝置的計(jì)量結(jié)果表明：TDLAS 露點(diǎn)測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)寬溫域（–100～30 ℃）、高精度（測(cè)量誤差小于1 ℃）、快速（小于1 s）的露點(diǎn)測(cè)量。低溫平臺(tái)原位在線測(cè)量與抽取式露點(diǎn)測(cè)量對(duì)比試驗(yàn)表明：管路吸附對(duì)露點(diǎn)測(cè)量存在較大影響，因此，原位在線測(cè)量對(duì)低溫風(fēng)洞露點(diǎn)測(cè)量具有重要意義。