CN107063944B - 融合静电和声学传感器阵列的燃烧器火焰测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于火焰监测技术领域，尤其涉及一种融合静电和声学传感器阵列的燃烧器火焰测量装置和方法，包括：静电传感器阵列、声学传感器阵列、信号分析单元和结果输出单元；所述静电传感器阵列由表面镶嵌着多个水平电极和轴向电极的曲面金属网络支架构成；曲面金属网络支架布置于火焰局部外廓，测得的信号分别经信号分析单元，获得带电颗粒的运动速度、颗粒浓度和颗粒运动复杂度、碳烟颗粒分布、温度分布、燃烧速度分布特征参数；结果输出单元将信号分析单元获得的带电颗粒的运动速度、颗粒浓度和颗粒运动复杂度、碳烟颗粒分布、温度分布、燃烧速度分布特征参数输出至显示设备进行显示和进一步分析。

Description

融合静电和声学传感器阵列的燃烧器火焰测量装置和方法

技术领域

本发明属于火焰监测技术领域，尤其涉及一种融合静电和声学传感器阵列的燃烧器火焰测量装置和方法。

背景技术

燃烧炉内火焰状态的准确检测有利于提高工业生产过程的安全性和生产效率。燃烧火焰的特性主要包含有热辐射特性、电离特性、导电特性、声辐射特性、色度分布特性、静电特性等。基于火焰的这些特性，一般采用光学、光电、温度和超声等测量装置来获取火焰燃烧产生的效应或判知火焰的存在与否，并对相应的火焰特性参数进行分析，以实现火焰燃烧的自动化监控。现有的火焰检测方法，一般是通过测量火焰的宏观几何参数火焰位置、尺寸、张角、重心、着火点等、亮度参数、温度场分布和闪烁频率来实现对火焰的监测和分析，这样的检测方法既无法对火焰导电能力、火焰电荷分布等火焰电学特性进行精细测量，也不能对火焰燃烧过程中碳烟颗粒分布、燃烧速度分布等火焰特性进行精细测量，除此之外还缺乏对火焰带电颗粒运动状态、火焰燃烧过程中流场变化情况和火焰局部燃烧反应状态细节的精确测量。

基于静电感应原理测量火焰的方法主要有离子探针法，首先，有学者提出了采用离子探针来测量燃烧火焰中的离子电流值，从而推测火焰中离子浓度；随后，在此基础上又有学者采用结构改良后的离子探针测量工业锅炉内部火焰燃烧区位置和反应区位移速度；但是，这种采用离子探针实施测量的方法只能得到火焰局部的离子电流信息，无法实现对火焰电学特性更全面的测量。

发明内容

为了实现对火焰电学特性更全面的测量，本发明提供一种融合静电和声学传感器阵列的燃烧器火焰测量装置和方法。

装置包括：静电传感器阵列、声学传感器阵列、信号分析单元和结果输出单元；所述静电传感器阵列由表面镶嵌着多个水平电极和轴向电极的曲面金属网络支架构成；曲面金属网络支架布置于火焰局部外廓，且每个水平电极和轴向电极与火焰中心轴等距；所述声学传感器阵列由布置于火焰外围的声波收发器构成，声波收发器布置至少1层、每层由至少3个；所述静电传感器阵列和声学传感器阵列分别与信号分析单元相连，信号分析单元将分析得到的火焰电学特性信息输出到结果输出单元。

所述信号分析单元将静电传感器阵列和声学传感器阵列测得的信号分别进行放大、调理和离散化采集并对测量信号进行时域分析、互相关分析、Hurst指数分析，基于逆问题求解算法对碳烟颗粒分布、温度分布、燃烧速度分布进行重建，最后获得带电颗粒的运动速度、颗粒浓度和颗粒运动复杂度、碳烟颗粒分布、温度分布、燃烧速度分布特征参数；结合静电传感阵列测得的带电颗粒的速度和声学传感器阵列测得的燃烧速度分布、碳烟颗粒分布三个参数进行分析，得到火焰燃烧过程中流场的变化情况。

所述声波收发器所在的平面垂直于燃烧器的中轴线，覆盖面积根据火焰几何尺寸和安装条件设定，距离火焰外廓面的距离不大于2m；相邻声波收发器的距离根据被测火焰的火焰结构复杂程度设定，与燃烧器中轴线形成的夹角不大于120°

所述声波收发器作为声波发射器发射声波脉冲，作为接收器检测穿透过火焰的声波信号。

所述静电传感器阵列的测量位置根据声学传感器阵列测得的火焰截面特性和测量要求来确定布置位置。

所述水平电极之间、轴向电极之间所间隔弧长所对应的圆心角相等；所述曲面金属网络支架采用耐高温的高强度金属制成，并具有屏蔽外界电磁干扰的功能；水平电极和轴向电极与金属网络支架之间均使用耐高温绝缘材料进行电气隔离。

所述水平电极之间的弧长所对应的张角根据被测火焰几何尺寸和火焰结构复杂程度设定并且小于90°，轴向宽度小于水平宽度的1/2；所述轴向电极之间的弧长所对应的张角小于90°，轴向宽度至少为水平宽度的2倍。

方法包括：

步骤1、采用静电和声学传感器阵列同时测量火焰，将测得的静电信号进行时域分析、互相关分析、Hurst指数分析，得到带电颗粒的运动速度、颗粒浓度和颗粒运动复杂度的火焰局部特性；将测得的声波信号基于逆问题求解算法进行碳烟颗粒分布、温度分布、燃烧速度分布重建，得到碳烟颗粒分布、温度分布、燃烧速度分布的火焰截面特性；

步骤2、对声学传感器阵列测得的火焰截面特性进行分析，分别计算前后两次测量得到的碳烟颗粒分布、温度分布、燃烧速度分布的均方根误差值，根据分析结果决定是否需要更换静电传感器的测量区域；若更换测量区域则将声学和静电传感器阵列同时布置于该区域进行测量，综合分析声学传感器测得的火焰截面特性参数和静电传感器阵列测得的局部的特征参数；

步骤3、将声学传感器测得的火焰截面特征参数和静电传感器阵列测得的火焰局部的特征参数输出至显示设备进行显示和进一步分析，得到火焰燃烧过程中流场的变化情况、火焰反应区域的变化情况，实现对火焰燃烧状态的准确、快速、灵活测量。

本发明的有益效果在于：

1融合静电和声学传感器阵列的测量方式，不但可以测得火焰中带电颗粒动态特性和火焰中碳烟颗粒分布、温度分布和燃烧速度分布，还可以实现对火焰燃烧过程中流场变化的测量。

2静电和声学传感器阵列便于维护、结构简单、可以根据测量要求调整装置尺寸、调整测量的分辨率和装置结构，实现更加准确、快速、精密的测量。

3融合静电和声学感器阵列的燃烧器火焰测量装置可以同时获取火焰中带电颗粒的多个动态特征，有利于对火焰燃烧状态进行多角度分析，有助于燃烧器系统和相关设备的优化设计。

4静电传感器阵列可以实现非侵入式测量，不影响火焰的燃烧特性，同时采用静电和声学传感器阵列相结合的测量方式，还可以实现对于火焰截面和局部特性的灵活测量。

附图说明

图1为融合静电和声学传感器阵列的火焰测量示意图。

图2为火焰测量方法流程图。

图3为火焰与声学传感器阵列的相对位置截面图。

图4为声波收发器的收发路径图。

图5为火焰与静电传感器阵列的相对位置横截面图。

图6-1～6-3为曲面金属网络支架结构展开图。

图7为局部水平电极和轴向电极布置图。

图8为融合静电和声学传感器阵列的燃烧器火焰测量方法。

图中：1-火焰；2-静电传感器阵列；3-声学传感器阵列；4-信号分析单元；5-输出显示单元；6-声波收发器；7-水平电极；8-轴向电极；9-绝缘材料；10-曲面金属网络支架。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

本发明提供一种融合静电和声学传感器阵列的燃烧器火焰测量装置，如图1、2所示，测量装置由静电传感器阵列2、声学传感器阵列3、信号分析单元4、和结果输出单元5组成。静电传感器阵列2布置于火焰1局部外廓，用于检测火焰燃烧引起的静电场变化。声学传感器阵列3布置在火焰1的外围，用于检测火焰整个截面燃烧引起的声波变化。静电传感器阵列2和声学传感器阵列3测得的信号分别经信号分析单元4进行放大、调理和离散化采集并对测量信号进行时域分析、互相关分析、Hurst指数分析、基于逆问题求解算法对碳烟颗粒分布、温度分布、燃烧速度分布进行重建，最后获得带电颗粒的运动速度、颗粒浓度和颗粒运动复杂度、碳烟颗粒分布、温度分布、燃烧速度分布特征参数；结合静电传感阵列2测得的带电颗粒的速度和声学传感器阵列3测得的燃烧速度分布、碳烟颗粒分布三个参数进行分析，得到火焰燃烧过程中流场的变化情况。结果输出单元5将信号分析单元获得的带电颗粒的运动速度、颗粒浓度和颗粒运动复杂度、碳烟颗粒分布、温度分布、燃烧速度分布特征参数输出至显示设备进行显示和进一步分析。

图3所示是火焰与声学传感器阵列的相对位置截面图，所示的声学传感器阵列3共一层，由6个声波收发器6组成，6个声波收发器所在的平面垂直于燃烧器的中轴线，距离燃烧器端口距离为5cm，声波发生器形成的圆形圆心与燃烧器的圆心在竖直方向上重合，半径为6cm，保证距离火焰1外廓面的距离为1cm，相邻两个声波发生器的角度为60°。

图4所示是声波发生器的收发路径图，所示的6个声波收发器6作为声波发射器发射声波脉冲，同时作为接收器检测穿透过火焰的声波信号，形成如图4所示的声波收发路径。

图5所示是静电传感器阵列与火焰的相对位置横截面图，所示的静电传感器阵列2的测量位置根据声学传感器阵列3测得的火焰截面特性和测量要求来确定布置位置。所示的静电传感器阵列2由曲面金属网络支架10、水平电极7、轴向电极8和陶瓷9构成。水平电极7和轴向电极8由紫铜制作，分别水平和轴向嵌入式布置在由不锈钢制作的曲面金属网络支架10上，电极与曲面金属网络支架10之间有陶瓷8进行绝缘。

图6所示是三种不同曲面金属网络支架结构的展开图，曲面金属网络支架10可根据测量需要布置成不同的网格形状，例如图6-1所示为标准的正方形网格，图6-2所示为在标准正方形网格中多加入一组轴向电极的网格，图6-3所示为在标准正方形网格中多加入一组水平电极的网格。

水平电极7张角为25°，轴向宽度为2mm，各水平电极7尺寸相同。轴向电极8弧长为2mm，轴向宽度与水平电极7的弧长几何尺寸相同，各轴向电极8尺寸相同。曲面金属网络支架10的大小可根据测量分辨率、火焰空间范围等进行灵活设置。

图7所示是局部水平电极和轴向电极布置图，水平电极7和轴向电极8互相垂直嵌入式布置在曲面金属网络支架10上并与曲面金属网络支架10之间采用耐高温陶瓷材料9进行绝缘。

图8所示是图1所示融合静电和声学传感器阵列的燃烧器火焰测量方法，其测量步骤如下：

步骤1、采用静电和声学传感器阵列同时测量火焰，将测得的静电信号进行时域分析、互相关分析、Hurst指数分析，得到带电颗粒的运动速度、颗粒浓度和颗粒运动复杂度的火焰局部特性；将测得的声波信号基于逆问题求解算法进行碳烟颗粒分布、温度分布、燃烧速度分布重建，得到碳烟颗粒分布、温度分布、燃烧速度分布的火焰截面特性；

步骤2、对声学传感器阵列测得的火焰截面特性进行分析，分别计算前后两次测量得到的碳烟颗粒分布、温度分布、燃烧速度分布的均方根误差值，根据分析结果决定是否需要更换静电传感器的测量区域。

步骤3、根据计算得到的碳烟颗粒分布、温度分布、燃烧速度分布的均方根误差值来决定是否需要更换静电传感器的测量区域，若更换测量区域则将声学和静电传感器阵列同时布置于该区域进行测量，综合分析声学传感器测得的火焰截面特性参数和静电传感器阵列测得的局部的特征参数；

步骤4、将声学传感器测得的火焰截面特征参数和静电传感器阵列测得的火焰局部的特征参数输出至显示设备进行显示和进一步分析，得到火焰燃烧过程中流场的变化情况、火焰反应区域的变化情况，实现对火焰燃烧状态的准确、快速、灵活测量。

上述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种融合静电和声学传感器阵列的燃烧器火焰测量装置，其特征在于，包括：静电传感器阵列、声学传感器阵列、信号分析单元和结果输出单元；所述静电传感器阵列由表面镶嵌着多个水平电极和轴向电极的曲面金属网络支架构成；曲面金属网络支架布置于火焰局部外廓，且每个水平电极和轴向电极与火焰中心轴等距；所述声学传感器阵列由布置于火焰外围的声波收发器构成，声波收发器布置至少1层、每层由至少3个；所述静电传感器阵列和声学传感器阵列分别与信号分析单元相连，信号分析单元将分析得到的火焰电学特性信息输出到结果输出单元；静电传感器阵列和声学传感器阵列测得的信号分别经信号分析单元进行放大、调理和离散化采集，基于逆问题求解算法对声波测量信号进行碳烟颗粒分布、燃烧速度分布、温度分布进行重建，分别获得碳烟颗粒分布、燃烧速度分布、温度分布特征参数，并对静电测量信号进行时域分析、互相关分析、Hurst指数分析，最终分别得到带电颗粒浓度、带电颗粒速度和带电颗粒运动复杂度；结合静电传感阵列测得的带电颗粒的速度和声学传感器阵列测得的燃烧速度分布、碳烟颗粒分布三个参数进行分析，得到火焰燃烧过程中流场的变化情况。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述声波收发器所在的平面垂直于燃烧器的中轴线，覆盖面积根据火焰几何尺寸和安装条件设定，距离火焰外廓面的距离不大于2m；相邻声波收发器的距离根据被测火焰的火焰结构复杂程度设定，与燃烧器中轴线形成的夹角不大于120°。

3.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述声波收发器作为声波发射器发射声波脉冲，作为接收器检测穿透过火焰的声波信号。

4.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述静电传感器阵列的测量位置根据声学传感器阵列测得的火焰截面特性和测量要求来确定布置位置。

5.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述水平电极之间、轴向电极之间所间隔弧长所对应的圆心角相等；所述曲面金属网络支架采用耐高温的高强度金属制成，并具有屏蔽外界电磁干扰的功能；水平电极和轴向电极与金属网络支架之间均使用耐高温绝缘材料进行电气隔离。

6.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述水平电极之间的弧长所对应的张角根据被测火焰几何尺寸和火焰结构复杂程度设定并且小于90°，轴向宽度小于水平宽度的1/2；所述轴向电极之间的弧长所对应的张角小于90°，轴向宽度至少为水平宽度的2倍。

7.一种基于权利要求1所述融合静电和声学传感器阵列的燃烧器火焰测量装置的燃烧器火焰测量方法，其特征在于，包括：

步骤1、采用静电和声学传感器阵列同时测量火焰，将测得的静电信号进行时域分析、互相关分析、Hurst指数分析，得到带电颗粒的运动速度、颗粒浓度和颗粒运动复杂度的火焰局部特性；将测得的声波信号基于逆问题求解算法进行碳烟颗粒分布、温度分布、燃烧速度分布重建，得到碳烟颗粒分布、温度分布、燃烧速度分布的火焰截面特性；

步骤2、对声学传感器阵列测得的火焰截面特性进行分析，分别计算前后两次测量得到的碳烟颗粒分布、温度分布、燃烧速度分布的均方根误差值，根据分析结果决定是否需要更换静电传感器的测量区域；若更换测量区域则将声学和静电传感器阵列同时布置于该区域进行测量，综合分析声学传感器测得的火焰截面特性参数和静电传感器阵列测得的局部的特征参数；

步骤3、将声学传感器测得的火焰截面特征参数和静电传感器阵列测得的火焰局部的特征参数输出至显示设备进行显示和进一步分析，得到火焰燃烧过程中流场的变化情况、火焰反应区域的变化情况，实现对火焰燃烧状态的准确、快速、灵活测量。