CN106093606B - 基于丝网静电传感器的火焰监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于火焰监测技术范围的一种基于丝网静电传感器的火焰监测装置及方法。所述火焰监测装置为在燃烧室内平行布置的多层丝网电极阵列，以对火焰某一截面附近的带电粒子和微细颗粒进行检测，实现对火焰整体的监测。丝网电极阵列为多根独立丝状金属电极构成，金属电极表面镀绝缘层，在丝网的结点处两电极互不导通。丝网电极输出的感应电荷信号由嵌入式信号处理模块进行调理和采集，进而采用静电层析成像算法对燃烧室内空间电荷分布进行三维重构，最后通过统计分析、互相关运算、参数估计、数据融合处理，实现火焰速度、闪烁频率、稳定性、火焰前锋位置等特征参数的测量。本发明可为火焰特性研究和工业燃烧系统在线监测提供一种技术手段。
Description
技术领域
本发明属于火焰监测技术领域，特别涉及一种基于丝网静电传感器的火焰监测装置及方法。
背景技术
燃烧过程广泛存在于电力、冶金、化工、交通、食品等工业中，对燃烧火焰的实时监测有利于提高燃烧系统的热效率、安全性和环保性。经过多年的发展，国内外提出了基于不同原理和技术的火焰监测方法，包括基于热电偶的温度检测器、电离检测器等接触式检测技术，以及声学法、基于光电、成像、光谱传感器的光学法等非接触式检测技术。现有的检测技术大多利用火焰的热学、声学和光学特性来获取火焰的定量或定性信息，包括温度分布、闪烁频率、几何特征(形态、体积、表面积、喷射角等)、亮度、自由基浓度分布、碳烟浓度分布、火焰前锋廓形等，而极少利用火焰的电学特性进行参数测量，也正是由于缺少对火焰空间电场进行测量的有效手段，人们对火焰的电学特性知之甚少。研究表明，火焰中存在着大量的带电粒子和微细颗粒，它们与燃料种类、燃烧工况、燃烧器类型等因素密切相关，含有反映燃烧过程的重要信息。因此，通过对带电粒子和微细颗粒的空间分布进行在线实时检测，可以获得火焰的多种特征参数，并促进对燃烧过程和机理的认识。本发明提出一种基于丝网静电传感器的火焰监测装置，该装置将丝网电极阵列置于燃烧场内，以对火焰周围及内部空间的电荷分布进行检测，通过静电层析成像算法实现带电粒子和微细颗粒的三维层析重构，进一步采用适当的信号与信息处理技术，获得火焰速度、闪烁频率、稳定性、前锋位置等特征参数。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于丝网静电传感器的火焰监测装置及方法，其特征在于，所述火焰监测装置为在燃烧室内部安装丝网电极阵列，其中，丝网电极阵列由呈网状排布的多根独立丝状金属电极构成，在丝网的结点处两丝状金属电极互不导通；丝网电极阵列对火焰截面附近的带电粒子和微细颗粒进行检测。
所述丝状金属电极表面镀绝缘层，以避免微细带电颗粒与电极碰撞导致电荷的直接传递。
所述丝状金属电极采用耐高温金属材料钨或钼加工；其丝状金属电极表面绝缘层由氧化物陶瓷材料氧化铝或氧化镁制成。
所述丝状金属电极的截面积以小于1平方毫米为宜，以降低微细带电颗粒与丝状金属电极碰撞产生电荷的机率以及电极对火焰特性的影响。
所述丝网电极阵列的网格形状为矩形或菱形，网格数量及大小根据测量分辨率、火焰空间范围进行灵活设置。
所述丝状金属电极在燃烧室外部分经循环水冷却后连接电荷放大器。
所述火焰监测装置内包含平行布置的多层丝网电极阵列，以实现对整个火焰的监测。
一种基于丝网静电传感器的火焰监测装置的火焰监测方法，其特征在于，由丝网电极阵列对火焰截面附近的带电粒子和微细颗粒进行检测，输出的感应电荷信号，并由嵌入式信号处理模块进行调理、采集、处理与分析，以获得火焰特征参数。
所述嵌入式信号处理模块采用电荷放大器，电荷放大器将感应电荷信号转换为电压信号，并经多级放大和低通滤波电路进行调理，由于需要采集与处理的信号数量较多，且算法复杂性较高，利用现场可编程门阵列FPGA的大量IO端口对多个模数转换芯片进行控制，以实现多路静电信号的同步采集，利用其硬件的并行处理能力实现对静电信号的高速实时处理。
所述基于丝网静电传感器的火焰监测方法根据丝网电极阵列的感应特性，采用Tikhonov正则化算法、Landweber迭代算法等逆问题求解方法实现空间电荷分布的三维层析重构；进而，根据火焰中带电粒子和微细颗粒的微观信息：浓度分布、运动速度与宏观燃烧状态：温度场分布、热噪声频率和强度、亮度、闪烁频率之间的关系，运用统计分析、互相关运算、参数估计、数据融合对静电信号处理，实现火焰速度、闪烁频率、稳定性、火焰前锋位置的特征参数进行测量。
本发明的有益效果是：采用阵列式、分布式传感技术检测火焰中的带电粒子和微细颗粒，结合静电层析成像和现代信号处理技术，可获得火焰内部电荷分布的全方位信息和多种火焰特征参数，为深入了解火焰电学特性及工业燃烧系统的在线监测提供一种全新的技术手段。
附图说明
图1为火焰监测装置的原理结构示意图。
图中：1.火焰；2.丝网电极阵列；3.燃烧室。
图2为丝状电极截面示意图。
图中：4.丝状金属电极；5.绝缘层。
图3为具有不同网格形状的丝网电极阵列。
图4为静电信号处理系统框图。
图中：6.电荷放大器；7.多级放大电路；8.低通滤波电路；9.模数转换器；10.可编程门阵列FPGA。
具体实施方式
本发明提供一种基于丝网静电传感器的火焰监测装置及方法。下面结合附图和实施例对本发明予以说明如下：
图1所示为火焰监测装置的原理结构示意图。图中，在燃烧室3内安装丝网电极阵列2，可实现对火焰1某一截面附近的带电粒子和微细颗粒的检测，通过平行布置的多层丝网电极阵列2，可实现对火焰1的全方位监测。
图2所示为丝状电极截面示意图。丝状金属电极4由钨、钼等耐高温金属材料加工而成，在其外表面镀氧化物陶瓷材料构成绝缘层5，从而在丝状电极阵列2的结点处两相交电极互不导通。丝状金属电极4的截面积以小于1平方毫米为宜，以降低微细带电颗粒与电极碰撞产生电荷的机率以及电极对火焰特性的影响。
图3所示为具有不同网格形状的丝网电极阵列。丝网电极阵列2可根据测量需要布置成不同的网格形状，例如图3(1)所示为矩形网格，图3(2)所示为菱形网格。网格数量及大小可根据测量分辨率、火焰空间范围等进行灵活设置。
图4所示为静电信号处理系统框图。丝状电极4输出的感应电荷信号由电荷放大器6转换为电压信号，进一步通过多级放大电路7和低通滤波电路8进行调理，FPGA 10控制多个模数转换器9对静电信号进行采集，并进行处理和分析以获得火焰特征参数。
本发明基于丝网静电传感器的火焰监测方法是基于丝网电极阵列2输出的静电信号，采用Tikhonov正则化算法、Landweber迭代算法等逆问题求解方法对燃烧室3内的空间电荷分布进行三维层析重构；进而，根据火焰1中带电粒子和微细颗粒的微观信息(浓度分布、运动速度等)与宏观燃烧状态(温度场分布、热噪声频率和强度、亮度、闪烁频率等)之间的关系，运用统计分析、互相关运算、参数估计、数据融合等现代信号处理技术，实现火焰速度、闪烁频率、稳定性、火焰前锋位置等特征参数的测量。
Claims (1)
1.一种基于丝网静电传感器的火焰监测装置，其特征在于，所述火焰监测装置为在燃烧室内部安装丝网电极阵列，该火焰监测装置内包含水平、平行布置的多层丝网电极阵列，以实现对整个火焰的监测；其中，丝网电极阵列由呈网状排布的多根独立丝状金属电极构成，在丝网的结点处两丝状金属电极互不导通；丝网电极阵列对火焰截面附近的带电粒子和微细颗粒进行检测；其丝状金属电极采用耐高温金属材料钨或钼加工；并涂覆由氧化物陶瓷材料氧化铝或氧化镁制成的表面绝缘层；该丝状金属电极表面镀绝缘层，以避免微细带电颗粒与电极碰撞导致电荷的直接传递； 由此该丝网电极阵列对火焰截面附近的带电粒子和微细颗粒进行检测，输出的感应电荷信号，并由嵌入式信号处理模块进行调理、采集、处理与分析，以获得火焰特征参数；所述丝状金属电极的截面积以小于1平方毫米为宜，以降低微细带电颗粒与丝状金属电极碰撞产生电荷的机率以及电极对火焰特性的影响。
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