一种基于紫外差分吸收光谱（UV-DOAS）区域温度效应的、易于维护的光学气体温度传感系统

《Optics & Laser Technology》：An easy-to-maintain optical gas temperature sensing system based on the regional temperature effect of UV-DOAS

气体温度在线监测系统开发及性能验证。基于UV-DOAS的非接触式测量技术，结合区域温度效应分析与双向吸收强度重建方法，提出了一种结构简单、无需额外参数的气体温度传感系统。该系统通过解析双向重建后的吸收光谱斜率建立浓度无关的温度参数rtp，成功实现SO2和NH3在295.15-743.15K范围内的高精度温度测量（MRE<3%，MAE<22.17K），并验证了长期监测的稳定性。

　　本文探讨了一种基于紫外差分光学吸收光谱（UV-DOAS）的气体温度传感系统，旨在解决传统方法在在线气体温度监测中所面临的精度与稳定性问题。随着社会对能源利用效率和环境保护的重视程度不断提高，燃烧过程的优化成为减少污染和提高能源利用率的重要手段。而气体温度作为燃烧过程中的关键热力学参数，其准确测量对于评估燃烧性能具有重要意义。目前，尽管已有多种技术被应用于气体温度监测，如传统的侵入式探针和内置传感器，但这些方法往往会对燃烧环境产生干扰，难以实现非接触式的实时监测。因此，开发一种高效、稳定且易于维护的气体温度传感系统成为研究的重点。

UV-DOAS作为一种非接触式气体分析技术，因其高灵敏度和对环境影响小的特点，被认为在在线气体温度监测中具有广阔的应用前景。然而，该技术在实际应用中也面临一些挑战。例如，温度和浓度的变化都会对吸收光谱产生影响，而这两者之间的细微差异往往难以区分。此外，热效应引起的光谱噪声也会对测量精度造成干扰。因此，如何有效分离温度和浓度的影响，同时提高系统的稳定性，成为该技术发展过程中亟需解决的问题。

本文提出了一种结合UV-DOAS区域温度效应与双向吸收强度重构的气体温度传感系统。该系统通过利用吸收光谱中温度变化所导致的区域效应，直接从双向吸收强度的变化中获取气体温度信息，而无需引入额外的参数或进行复杂的校准。这种设计不仅简化了系统结构，还提高了测量的准确性和稳定性。系统的核心组件包括一个标准的紫外光源和一台商用的光纤光谱仪，这些设备的选用确保了系统的可靠性和实用性。紫外光源能够覆盖约200 nm的波长范围，而光纤光谱仪则具备较高的分辨率，能够精确捕捉光谱信号的变化。

在实际应用中，气体分子对紫外光的吸收特性与其温度密切相关。例如，SO?和NH?这两种常见的燃烧产物，在紫外波段表现出显著的吸收特征。通过分析这些吸收特征的变化，可以实现对气体温度的精确测量。然而，传统的UV-DOAS方法通常依赖于微小的红移来区分温度和浓度的影响，而这种红移往往过于微弱，容易受到其他因素的干扰。此外，长期运行过程中，由于温度漂移和响应漂移的影响，系统需要频繁校准，这在实际应用中增加了操作的复杂性。

本文提出的系统通过引入双向吸收强度重构技术，解决了上述问题。该技术能够在光谱重构过程中将热噪声与区域吸收强度进行有效分离，从而提高吸收强度评估的准确性。同时，通过分析双向重构区域的斜率变化，系统能够建立一个与气体温度独立相关的参数，即“重构温度参数”（rtp）。这一参数的引入使得温度测量能够摆脱浓度变化的干扰，实现了更精确的温度检测。

为了验证该系统的性能，研究团队进行了多组实验，分别测试了SO?和NH?在不同温度下的吸收光谱变化。实验结果表明，该系统在295.15 K至743.15 K的温度范围内，能够实现低于3%的平均相对误差（MRE），并且在长期和短期监测中，平均绝对误差（MAE）均控制在22.17 K以内。这表明，该系统不仅具备较高的测量精度，还具有良好的稳定性，能够适应复杂的监测环境。

在系统设计方面，本文详细介绍了基于UV-DOAS的气体温度传感系统的构建过程。系统采用标准的紫外光源和商用光纤光谱仪作为核心组件，确保了设备的易获取性和经济性。同时，系统的结构设计简洁，便于维护和升级。这种设计思路不仅降低了系统的运行成本，还提高了其在实际应用中的可行性。

此外，研究团队还对光谱线选择和UV-DOAS的原理进行了深入探讨。通过分析特定气体分子在紫外波段的吸收特性，系统能够准确识别出与温度变化相关的吸收线，并利用这些信息进行温度计算。这种方法避免了传统方法中对红移的依赖，提高了系统的抗干扰能力。同时，通过对光谱数据的双向重构，系统能够有效分离出热噪声和真实吸收信号，从而进一步提升测量精度。

在实际应用中，该系统可以用于工业燃烧设备的温度监测，如发动机燃烧室和高温炉等。通过对这些设备的温度进行实时监测，可以及时调整燃烧条件，优化燃烧效率，减少污染物排放。同时，该系统还适用于其他需要在线温度监测的场景，如大气环境监测、化学反应过程控制等。由于其非接触式的特性，该系统能够避免对被测环境的干扰，确保测量数据的真实性和可靠性。

总的来说，本文提出的基于UV-DOAS的气体温度传感系统，通过结合区域温度效应和双向吸收强度重构技术，实现了对气体温度的高精度和高稳定性测量。该系统不仅简化了结构设计，还提高了测量的准确性和实用性，为燃烧过程的在线监测和优化提供了新的解决方案。未来，随着技术的进一步发展和应用的不断拓展，该系统有望在更多领域发挥重要作用，推动相关技术的进步和实际应用的深入。