CN105784918B - 一种燃烧热释放速率原位测量方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃烧热释放速率原位测量方法和装置，方法是：采用安装在排烟管道的基于激光吸收光谱的氧探头对烟气中的氧浓度进行原位测量和分析，之后将氧浓度数据以电信号的方式直接发送至计算机，同时测量得到排烟管道中的烟气温度和压力数据，基于耗氧原理计算得到燃烧热释放速率。装置包括热电偶、压力传感器、双向测压探头、氧气数据变送器、基于激光吸收光谱的氧探头、排烟管道、排烟风机、氮气、计算机、数据采集器、集烟罩。本发明能够直接计算燃烧过程的热释放速率，无需气体抽出后的预处理过程，计算热释放速率时无需考虑测量数据的时间滞后情况，能够简单方便地进行燃烧过程热释放速率的实时测量。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧测试研究领域，特别涉及一种燃烧热释放速率原位测量方法和装置。
背景技术
现有的热释放速率测量仪器大多是采用的非原位测量方式，该方式是指将试验中所有燃烧产生的烟气都收集起来，然后在排气管中经过充分混合后，在另外一个位置测量其质量流量、组分、氧气的浓度等，通过计算得到燃烧过程中消耗的氧气质量，从而得到材料燃烧过程中的热释放速率。具体是通过采用顺磁型氧分析仪进行热释放速率的测量和计算。
但是采用顺磁型氧分析仪进行测量时，需要被测气体降至常温，且该分析仪对水分和烟气特别敏感，因此烟气进入氧分析仪之前必须经过复杂的管路系统，在完成降温并除去气体中的水分、烟尘后，才能进入氧分析仪。由于样气处理过程复杂，使得使用顺磁型氧分析仪的锥形量热仪在使用过程中会出现诸多问题：(1)由于样气需要经过复杂的处理过程才能进入仪器进行测量，因此测量的过程无法实现实时测量，测量值最少滞后30s，而随着设备的使用，滞后时间会不断延长，甚至可达50s，大大地降低了测试数据的直观性，不利于过程及数据的实时判断；(2)水分极难除尽，从而造成对测试数据的影响；(3)系统需频繁校准，而且操作复杂，从而不利于测试效率的提高；(4)取样及预处理设备较容易出故障；(5)系统需要使用一系列过滤耗材以及各种标定气体，从而产生了很高的维护成本。
针对以上问题，寻求一种能够减少测试时间、简化气路流程、减少测试耗材使用的燃烧热释放速率测量装置和方法具有重要应用价值。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种燃烧热释放速率原位测量方法，所述的原位测量是指在测量点实时测量分析得出数据，采用该方法，系统能够直接计算燃烧过程的热释放速率，无需气体抽出后的预处理过程，计算热释放速率时无需考虑测量数据的时间滞后情况，能够简单方便地进行燃烧过程热释放速率的实时测量。
本发明的另外一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于上述方法的燃烧热释放速率原位测量装置，相较于传统的非原位测量装置，具有简化气路流程、减少测试耗材等优点。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种燃烧热释放速率原位测量方法，步骤是：采用安装在排烟管道的基于激光吸收光谱的氧探头对烟气中的氧浓度进行原位测量和分析，之后将氧浓度数据以电信号的方式直接发送至计算机，同时测量得到排烟管道中的烟气温度和压力数据，基于耗氧原理计算得到燃烧热释放速率。
具体的，包括步骤：热电偶、压力传感装置、基于激光吸收光谱的氧探头直接置于排烟管道中，氧探头对烟气中的氧浓度进行原位测量，并将信号传递给氧气数据变送器；氧气数据变送器、热电偶、压力传感装置的数据传送到数据采集器，数据采集器将数据转换为数字信号传输到计算机，计算机根据上述采集数据计算出实时的热释放速率。
更进一步的，包括以下步骤：
(1)排烟风机将燃烧后的烟气从集烟罩引入排烟管道；
(2)基于激光吸收光谱的氧探头在排烟管道原位测得烟气的氧浓度数据，之后将数据传输至氧气数据变送器，氧气数据变送器将数据进行分析并将氧浓度值以模拟电压或电流信号发送至数据采集器；
(3)压力传感装置包括双向测压探头和压力传感器，双向测压探头原位测得管道烟气流动时产生的压力差值，压力传感器将数据进行分析并将压力差值以模拟电压或电流信号发送至数据采集器；
(4)热电偶原位测得烟气的温度值电压模拟信号，并将信号发送至数据采集器；
(5)数据采集器将模拟信号转换为数字信号，并传输至计算机；
(6)计算机通过计算得到燃烧过程的热释放速率值。
优选的，所述步骤(2)中，试验时使用氮气对基于激光吸收光谱的氧探头进行吹扫，氮气的吹扫流量为0～10L/min。
优选的，所述步骤(6)中，热释放速率的计算公式基于如下公式进行：
其中，
——热释放速率，kW；
k——系数；
ΔP——双向测压探头压差，Pa；
T——烟气平均温度，K；
C——烟气氧浓度，％。
更进一步的，所述步骤(6)中，热释放速率计算公式的系数k为10000～50000。
一种燃烧热释放速率原位测量装置，包括：集烟罩、排烟管道、排烟风机、热电偶、双向测压探头、压力传感器、基于激光吸收光谱的氧探头、氧气数据变送器、数据采集器和计算机，在排烟风机的作用下，燃烧后的烟气从集烟罩引入排烟管道；所述热电偶、双向测压探头、基于激光吸收光谱的氧探头直接置于排烟管道中，氧探头与氧气数据变送器连接，双向测压探头与压力传感器连接；氧气数据变送器、热电偶、压力传感器分别与数据采集器连接，数据采集器与计算机连接。
优选的，所述测量装置还包括一氮气罐，该氮气罐通过管道输出氮气到基于激光吸收光谱的氧探头表面以进行吹扫。
优选的，所述氧气数据变送器将氧浓度数值转换为0～1V的电压信号或4～20mA的电流信号传送至数据采集器。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明方法利用基于激光吸收光谱的氧探头进行燃烧热释放速率的测量，与传统的基于顺磁型氧分析仪的燃烧热释放速率测试方法相比，本发明所述的方法能够直接计算燃烧过程的热释放速率，无需气体抽出后的预处理过程，计算热释放速率时无需考虑测量数据的时间滞后情况，测试数据更能及时反映真实燃烧状况。
2、本发明装置利用基于激光吸收光谱的氧探头进行燃烧热释放速率的测量，与传统的基于顺磁型氧分析仪的燃烧热释放速率测试系统相比，无需气体预处理系统，简化了气路流程，减少了测试耗材，操作简单，测试和维护成本较低。
附图说明
图1是本发明装置测试原理示意图。
具体实施方
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，本实施例一种燃烧热释放速率原位测量装置，包括：热电偶1、压力传感器2、双向测压探头3、氧气数据变送器4、基于激光吸收光谱的氧探头5、排烟管道6、排烟风机7、氮气罐8、计算机9、数据采集器10、集烟罩11。在排烟风机7的作用下，燃烧后的烟气从集烟罩11引入排烟管道6。所述热电偶1、双向测压探头3、基于激光吸收光谱的氧探头5直接置于排烟管道6中，氧探头5与氧气数据变送器4连接，双向测压探头3与压力传感器2连接；氧气数据变送器4、热电偶1、压力传感器2分别与数据采集器10连接，数据采集器10与计算机9连接。
本实施例中，基于激光吸收光谱的氧探头5直接固定在排烟管道6上。
本实施例中，氧气数据变送器4将氧浓度数值转换为0～1V的电压信号传送至数据采集器10。
本实施例中一种燃烧热释放速率原位测量方法，采用安装在排烟管道的基于激光吸收光谱的氧探头5对烟气中的氧浓度进行原位测量和分析，之后将氧浓度数据以电信号的方式直接发送至计算机，同时测量得到排烟管道中的烟气温度和压力数据，基于耗氧原理计算得到燃烧热释放速率。
具体包括以下步骤：
(1)排烟风机7将燃烧后的烟气从集烟罩11引入排烟管道6；
(2)基于激光吸收光谱的氧探头5在排烟管道6原位测得烟气的氧浓度数据，之后将数据传输至氧气数据变送器4，氧气数据变送器4将数据进行分析并将氧浓度值以模拟电压或电流信号发送至数据采集器10；
(3)双向测压探头3原位测得管道烟气流动时产生的压力差值，压力传感器2将数据进行分析并将压力差值以模拟电压或电流信号发送至数据采集器10；
(4)热电偶1原位测得烟气的温度值电压模拟信号，并将信号发送至数据采集器10；
(5)数据采集器10将模拟信号转换为数字信号，并传输至计算机9；
(6)计算机软件通过计算得到燃烧过程的实时热释放速率值。
本实施例中，氮气罐8输出氮气对基于激光吸收光谱的氧探头5进行吹扫。
本实施例中，热释放速率的计算公式基于如下公式进行：
其中，
——热释放速率，kW；
k——系数；本实施例中，k为10000。
ΔP——双向测压探头压差，Pa；
T——烟气平均温度，K；
C——烟气氧浓度，％。
根据上述公式，本实施例热释放速率的计算值与实际燃烧状况之间的时间偏差为2s，基本实现了实时的要求。
实施例2
本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：
本实施例中，氧气数据变送器4将氧浓度数值转换为4～20mA的电流信号传送至数据采集器10。
本实施例中，试验时使用氮气8对基于激光吸收光谱的氧探头5进行吹扫，氮气的吹扫流量为10L/min。
本实施例中，热释放速率的计算值与实际燃烧状况之间的时间偏差为10s。
本实施例中，热释放速率计算公式的系数k为50000。
实施例3
本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：
本实施例中，试验时使用氮气8对基于激光吸收光谱的氧探头5进行吹扫，氮气的吹扫流量为5L/min。
本实施例中，热释放速率的计算值与实际燃烧状况之间的时间偏差为5s。
本实施例中，热释放速率计算公式的系数k为25000。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种燃烧热释放速率原位测量方法，其特征在于，步骤是：热电偶、压力传感装置、基于激光吸收光谱的氧探头直接置于排烟管道中，氧探头对烟气中的氧浓度进行原位测量，并将信号传递给氧气数据变送器；氧气数据变送器、热电偶、压力传感装置的数据传送到数据采集器，数据采集器将数据转换为数字信号传输到计算机，计算机根据上述采集数据计算出实时的热释放速率。
2.根据权利要求1所述的燃烧热释放速率原位测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)排烟风机将燃烧后的烟气从集烟罩引入排烟管道；
(2)基于激光吸收光谱的氧探头在排烟管道原位测得烟气的氧浓度数据，之后将数据传输至氧气数据变送器，氧气数据变送器将数据进行分析并将氧浓度值以模拟电压或电流信号发送至数据采集器；
(3)压力传感装置包括双向测压探头和压力传感器，双向测压探头原位测得管道烟气流动时产生的压力差值，压力传感器将数据进行分析并将压力差值以模拟电压或电流信号发送至数据采集器；
(4)热电偶原位测得烟气的温度值电压模拟信号，并将信号发送至数据采集器；
(5)数据采集器将模拟信号转换为数字信号，并传输至计算机；
(6)计算机通过计算得到燃烧过程的热释放速率值。
3.根据权利要求2所述的燃烧热释放速率原位测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中，试验时使用氮气对基于激光吸收光谱的氧探头进行吹扫，氮气的吹扫流量为0～10L/min。
4.根据权利要求2所述的燃烧热释放速率原位测量方法，其特征在于，所述步骤(6)中，热释放速率的计算公式基于如下公式进行：
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<mo>;</mo>
</mrow>
其中，
——热释放速率，kW；
k——系数；
ΔP——双向测压探头压差，Pa；
T——烟气平均温度，K；
C——烟气氧浓度，％。
5.根据权利要求4所述的燃烧热释放速率原位测量方法，其特征在于，热释放速率计算公式的系数k为10000～50000。
6.一种用于实现权利要求1-5任一项所述燃烧热释放速率原位测量方法的燃烧热释放速率原位测量装置，其特征在于，包括：集烟罩、排烟管道、排烟风机、热电偶、双向测压探头、压力传感器、基于激光吸收光谱的氧探头、氧气数据变送器、数据采集器和计算机，在排烟风机的作用下，燃烧后的烟气从集烟罩引入排烟管道；所述热电偶、双向测压探头、基于激光吸收光谱的氧探头直接置于排烟管道中，氧探头与氧气数据变送器连接，双向测压探头与压力传感器连接；氧气数据变送器、热电偶、压力传感器分别与数据采集器连接，数据采集器与计算机连接。
7.根据权利要求6所述的燃烧热释放速率原位测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括一氮气罐，该氮气罐通过管道输出氮气到基于激光吸收光谱的氧探头表面以进行吹扫。
8.根据权利要求6所述的燃烧热释放速率原位测量装置，其特征在于，所述氧气数据变送器将氧浓度数值转换为0～1V的电压信号或4～20mA的电流信号传送至数据采集器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Denomination of invention: In-situ measuring method and device for combustion heat release rate Effective date of registration: 20191125 Granted publication date: 20180123 Pledgee: Bank of China Limited Guangzhou Development Zone Branch Pledgor: GUANGZHOU BUILDING MATERIALS INSTITUTE Ltd. Registration number: Y2019440000213 |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20201215 Granted publication date: 20180123 Pledgee: Bank of China Limited Guangzhou Development Zone Branch Pledgor: GUANGZHOU BUILDING MATERIALS INSTITUTE Ltd. Registration number: Y2019440000213 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A method and device for in situ measurement of combustion heat release rate Effective date of registration: 20210315 Granted publication date: 20180123 Pledgee: Bank of China Limited Guangzhou Development Zone Branch Pledgor: GUANGZHOU BUILDING MATERIALS INSTITUTE Ltd. Registration number: Y2021440000076 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20220623 Granted publication date: 20180123 Pledgee: Bank of China Limited Guangzhou Development Zone Branch Pledgor: GUANGZHOU BUILDING MATERIALS INSTITUTE Ltd. Registration number: Y2021440000076 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A method and device for in-situ measurement of combustion heat release rate Effective date of registration: 20230809 Granted publication date: 20180123 Pledgee: China Minsheng Banking Corp Guangzhou branch Pledgor: GUANGZHOU BUILDING MATERIALS INSTITUTE Ltd. Registration number: Y2023980051418 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |