CN107144503A - 液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于针对液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量问题，提供一种背光成像与光谱成像结合的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量装置及方法。本发明提供的装置具有：成像光源部，用于发出对液滴进行成像的成像光；分光部，包括分光棱镜单元，将火焰辐射光和成像光分至第一光路及第二光路；成像部，包括用于获取液滴图像的背光阴影成像单元，以及用于获取火焰光谱图像的光谱成像单元；数据处理部，接收成像数据并进行处理；以及时序控制部，分别向成像光源部、背光阴影成像单元以及光谱成像单元发出时序控制信号，让背光阴影成像单元在成像光源部发出成像光的同时进行液滴图像的获取，并让光谱成像单元在成像光源部不工作时进行火焰光谱图像的获取。
Description
技术领域
本发明属于热工测量领域，涉及一种液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量装置及方法。
背景技术
液体燃料具有能量密度高、贮存及运输方便、燃烧效率高等优点，因此被广泛应用于内燃机、航空发动机、火箭发动机、冲压发动机等动力燃烧系统。
目前，针对液体燃料的测量方法大多基于单点参数或单一参数场测量，或者基于不同的方法，建立不同的燃烧场后分别测量相应的参数场，再进行综合分析，因此均无法实现液体燃料喷雾、蒸发与燃烧的同步测量。现有技术中也有通过两种或多种技术的结合来实现多过程同步测量的测量方法，但仍存在测量时空不同步、系统复杂、操作调试困难、对测量环境要求较高等问题。
发明内容
本发明的目的在于针对液体燃料喷雾燃烧雾化与燃烧同步测量问题，克服现有测量技术中的上述缺陷，提供一种背光成像与光谱成像结合的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量装置及方法。
为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量装置，用于同步获得液体燃料喷雾燃烧时的液滴图像与火焰光谱图像，其特征在于，具有：成像光源部，用于发出对燃烧场中的液滴进行背光成像的成像光；分光部，包括分光棱镜单元，该分光棱镜单元用于将液体燃料燃烧时产生的火焰辐射光和成像光分至第一光路及第二光路；成像部，包括设置在第一光路上并且用于获取液滴图像的背光阴影成像单元，以及设置在第二光路上并且用于获取火焰光谱图像的光谱成像单元；数据处理部，分别接收背光阴影成像单元及光谱成像单元所得到的成像数据并进行分析处理；以及时序控制部，分别向成像光源部、背光阴影成像单元以及光谱成像单元发出时序控制信号，让背光阴影成像单元在成像光源部发出成像光的同时进行液滴图像的获取，并让光谱成像单元在成像光源部不工作时进行光谱图像的获取。
本发明提供的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量装置，还可以具有这样的技术特征，其中，成像光为蓝色光或紫色光。
本发明提供的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量装置，还可以具有这样的技术特征，其中，成像光为蓝色光，成像部还包括带通滤光片，该带通滤光片为蓝光带通滤波片，设置在背光阴影成像单元及分光棱镜单元之间。
本发明提供的液体燃料液滴图像与光谱图像同步测量装置，还可以具有这样的技术特征，其中，成像光为紫色光，成像部还包括带通滤光片，该带通滤光片为紫光带通滤波片，设置在背光阴影成像单元及分光棱镜单元之间。
本发明提供的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量装置，还可以具有这样的技术特征，其中，分光部还包括光学透镜单元，用于将火焰辐射光和成像光传至分光棱镜单元。
本发明还提供了一种液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量方法，同步获得液体燃料喷雾燃烧时的液滴图像与火焰光谱图像，从而得到喷雾燃烧参数，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，采用时序控制部发出时序控制信号；
步骤S2，采用成像光源部根据时序控制信号间隔地发出成像光，对喷雾燃烧场中的液滴进行成像；
步骤S3，采用光学透镜单元将液体燃料喷雾燃烧时产生的火焰辐射光和成像光传给分光棱镜单元；
步骤S4，采用分光棱镜单元将火焰辐射光和成像光分至第一光路及第二光路；
步骤S5，采用设置在第一光路上的带通滤光片让成像光通过；
步骤S6，当成像光源部发出成像光时，采用背光阴影成像单元根据时序控制信号对第一光路进行液滴图像的获取，当成像光源部不工作时，采用光谱成像单元对第二光路进行光谱图像的获取；
步骤S7，采用数据处理部分别接收背光阴影成像单元及光谱成像单元所得到的成像数据并进行分析处理，得到燃烧参数。
本发明提供的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量方法，还可以具有这样的技术特征，其中，背光图像中包含液滴图像或轨迹图像，数据处理部对液滴图像进行图像处理，通过模糊修正、灰度归一化、滤波去噪处理、二值化处理等处理方法，按照迹线法原理，获得液滴粒径D、运动速度(v＝L/t)及分布等参数。
本发明提供的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量方法，还可以具有这样的技术特征，其中，背光图像中还包含碳烟的阴影图像，数据处理部对碳烟阴影图像进行处理的方法为：
通过建立基于消光法原理的图像像素点，获得波段响应强度与碳烟浓度的定量关系，该定量关系如下式所示：
上式中，I为手术背光阴影成像单元中的彩色CCD的响应值，I0为彩色CCD的初始响应值，λi为彩色CCD的响应波段，L为光程，N为碳烟中的颗粒数量浓度，D32为索太尔平均粒径，E为消光系数，λ为成像光的波长，f(λi)为彩色CCD的波段响应曲线。
本发明提供的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量方法，还可以具有这样的技术特征，其中，数据处理部对光谱图像进行处理的方法为：
根据辐射波长与辐射强度的关系，利用标准黑体炉对光谱成像单元进行响应标定，实验优化火焰温度与辐射率反演算法，并基于液体燃料燃烧火焰辐射特性获得辐射率分布规律，建立液体燃料火焰辐射率函数模型，进一步通过液体燃料火焰温度场与辐射率场的二维重建反演算法，根据光谱图像在线得到温度场与辐射率场信息，
辐射波长λ(nm)与辐射强度Eλ(W/m2)的关系如下式：
式中，λ为辐射波长，Eλ为辐射强度，Iλ为光谱成像单元中的CCD在λ波段的响应值，kλ为通过标准黑体炉标定获得的CCD响应标定系数，ε为辐射率，T为温度，C1和C2分别为辐射常量。
发明作用与效果
根据本发明的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量装置及方法，由于采用分光棱镜单元将液体燃烧的火焰辐射光及对液滴图像进行成像的成像光分至两条光路，因此能够用背光阴影成像单元和光谱成像单元分别进行背光阴影图像采集和光谱图像的获取，实现两种不同数据采集方式在空间上的同步。由于采用时序控制部发出时序控制信号，让背光阴影成像单元在成像光源部发出成像光时进行液滴图像获取，并让光谱成像单元在成像光源部不工作时进行光谱图像获取，因此能够在获取液滴图像的同时获取火焰光谱图像，实现两种不同图像获取方式在时间上的同步，并且这两种采集过程相互独立、互不干扰。进一步，本发明的同步测量装置及方法通过时序控制及分光就能够实现液滴图像及光谱图像的时空同步获取，其装置结构简单，方法容易操作，对环境要求也较低。
附图说明
图1是本发明实施例的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量装置的结构示意图；
图2是本发明的实施例的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图以及实施例来说明本发明的具体实施方式。
<实施例>
图1是本发明实施例的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量装置的结构示意图。
如图1所示，液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量装置(以下简称测量装置)100，用于对测量区200内的液体燃料喷雾燃烧进行液滴图像及光谱图像的同步测量，包括成像光源部1、分光部2、成像部3、数据处理部4以及时序控制部5。
成像光源部1用于发出对液体燃料喷雾燃的液滴进行成像的成像光。该成像光源部1向测量区200间隔地照射成像光，并且成像光以背光的方式进入测量区200。由于测量区200内是喷雾燃烧场，成像光进入测量区200后就对燃烧场内进行照明，使喷雾燃烧场中的液体燃料燃烧液滴成像，使碳烟颗粒物形成阴影；对通过了燃烧场的成像光进行图像采集(即背光成像)，就得到能够反映这些雾化液滴大小、分布、运动速度，碳烟颗粒物浓度等。
在本实施例中，成像光为蓝色光或紫色光。
分光部2包括光学透镜单元21和分光棱镜单元22。
光学透镜单元21设置在测量区200的另一侧。成像光源部1、测量区200与该光学透镜单元21位于同一直线上，使得成像光经过测量区后能够照射至光学透镜单元21处，并且测量区200中的液体燃料燃烧所产生的火焰辐射光也能够直接照射至该光学透镜单元21处。因此，光学透镜单元21能够接收来自测量区200的光，并将接收到的光传至分光棱镜单元22。
分光棱镜单元22用于将液体燃烧的火焰辐射光及成像光分至第一光路L1以及第二光路L2。
当成像光源部1发出成像光时，该成像光通过了测量区200，经光学透镜单元21到达分光棱镜单元22处并被分为两束。此时第一光路L1和第二光路L2上的光成分相同，均包含成像光及液体燃料燃烧所发出的火焰辐射光。当成像光源部1不工作，即不发出成像光时，第一光路L1和第二光路L2上均只包含液体燃料燃烧所发出的火焰辐射光。
在本实施例中，第一光路L1和第二光路L2相互垂直。
成像部3包括带通滤光片31、背光阴影成像单元32和光谱成像单元33。其中，带通滤光片31和背光阴影成像单元32依次设置在第一光路L1上，光谱成像单元33设置在第二光路L2上。
带通滤光片31的波长与成像光的波长相对应，用于让成像光通过。由于测量过程中，测量区200内的液体燃料是一直在燃烧的，其燃烧形成的火焰辐射光也一直存在，容易对阴影成像造成干扰。带通滤光片31能够仅让成像光通过，因此能够消除火焰辐射光的干扰。在本实施例中，带通滤光片31与成像光相对应，为蓝色光带通滤光片或紫色光带通滤光片。
背光阴影成像单元32用于进行液滴图像获取。该背光阴影成像单元32对通过了测量区200的成像光进行图像获取，即可形成相应的阴影成像图像，其中包含雾化液滴大小、分布及运动速度、碳烟颗粒浓度信息。
光谱成像单元33用于进行光谱图像的获取，该光谱图像是采用光谱采集阵列对火焰的不同位置点同时进行光谱采集而得到的，因而其中每个点均与火焰中的一个位置点相对应，并且每个点均包含该位置点处的光谱信息。
数据处理部4分别接收背光阴影成像单元32及光谱成像单元33所得到的成像数据并进行分析处理。
本实施例中，数据处理部4所采用的数据分析方法如下：
背光阴影成像单元32所获得的液滴图像中，主要包括液体燃料在雾化、蒸发与燃烧过程中形成的液滴或轨迹(微米级)与碳烟阴影(亚微米/纳米级)。其中，液滴或轨迹可在背光图像中成像，而碳烟则在液滴图像中呈现为阴影状。
对于微米级的液滴图像，利用模糊修正、灰度归一化、滤波去噪处理、二值化处理等处理方法，按照迹线法原理，获得液滴的粒径D、运动速度(v＝L/t)及分布等参数。
对于亚微米/纳米级的碳烟阴影图像，通过建立基于消光法原理的图像像素点，获得波段响应强度与碳烟浓度的定量关系。该关系如下所示：
上式中，I为背光阴影成像单元32中彩色CCD的响应值，I0为该彩色CCD的初始响应值；λi表示彩色CCD的响应波段，L为光程，N为碳烟中的颗粒数量浓度，D32为索太尔平均粒径，E为消光系数，λ为波长，f(λi)为彩色CCD的波段响应曲线。
光谱成像单元33所获得的是火焰辐射光的光谱图像。对于该光谱图像，根据普朗克定律，辐射波长λ(nm)与辐射强度Eλ(W/m2)的关系为：
上式中，Iλ为光谱成像单元33中的CCD在λ波段的响应值，kλ为通过黑体炉标定获得的CCD响应标定系数，ε为辐射率，T为温度，C1和C2分别为辐射常量。
根据上述关系，利用标准黑体炉对光谱成像系统进行响应标定，实验优化火焰温度与辐射率反演算法，并基于液体燃料燃烧火焰辐射特性获得的辐射率分布规律，即可建立液体燃料火焰辐射率函数模型。通过液体燃料火焰温度场与辐射率场的二维重建反演算法，即可通过获得光谱图像来在线得到温度场与辐射率场的信息。
时序控制部5用于发出时序控制信号。该时序控制信号用于对成像光源部1的发光间隔进行控制，同时对背光阴影成像单元32及光谱成像单元33中的液滴图像及火焰光谱图像的获取动作(在本实施例中为成像单元的快门动作)进行控制。其结果是使得背光阴影成像单元32在成像光源部1发出成像光的同时进行液滴图像获取，并让光谱成像单元33在成像光源部1不工作时进行光谱图像的获取。
以下结合附图说明利用本发明的测量装置100进行测量的流程。
图2是本发明实施例的液体燃料液滴图像与光谱图像同步测量方法的流程图。
在测量开始前，需对测量装置100中的各个光学部件之间的位置、距离及角度进行调整，使背光阴影成像单元32和光谱成像单元33能够清晰成像。然后，在测量区200内置入液体燃料并点燃，使其燃烧。
如图2所示，本发明的方法对液体燃料喷雾燃烧进行液滴图像及火焰光谱图像的同步测量，在液体燃料稳定燃烧后进行，包括如下步骤：
步骤S1，采用时序控制部5发出时序控制信号；
步骤S2，采用成像光源部1根据时序控制信号间隔地发出成像光，照射至燃烧场处进行液滴成像；
步骤S3，采用光学透镜单元21将液体燃料喷雾燃烧的火焰辐射光和成像光传给分光棱镜单元22；
步骤S4，采用分光棱镜单元22将火焰辐射光和成像光分至第一光路L1及第二光路L2；
步骤S5，采用带通滤光片31让第一光路L1中成像光通过；
步骤S6，当成像光源部1发出成像光时，采用背光阴影成像单元32根据时序控制信号对第一光路L1进行液滴图像的获取，当成像光源部1不工作时，采用光谱成像单元33对第二光路L2进行火焰光谱图像的获取；
步骤S7，采用数据处理部4分别接收背光阴影成像单元32及光谱成像单元33所得到的成像数据并进行分析处理。
在本实施例中，进行上述测量步骤前还可以进行一个调试步骤S0，在液体燃料稳定燃烧后可进行，主要包括如下子步骤：
子步骤S0-1，采用成像光源部1发出成像光；
子步骤S0-2，采用光学透镜单元21将火焰辐射光和成像光传给分光棱镜单元22；
子步骤S0-3，采用分光棱镜单元22将火焰辐射光和成像光分至第一光路L1及第二光路L2；
子步骤S0-4，采用带通滤光片31让第一光路L1中的成像光通过；
子步骤S0-5，采用背光阴影成像单元32对第一光路L1进行液滴图像采集，得到初始液滴背光图像；
子步骤S0-6，根据初始液滴图像估算液滴的运动速度范围和颗粒参数范围，并根据估算结果对时序控制信号进行设定，使成像光源部1、背光阴影成像单元32及光谱成像单元33按照适当的时序分别进行相应的动作，从而让得到的合适的液滴图像，能够更好地反映雾化液滴大小、分布与运动速度信息。
实施例作用与效果
根据本发明的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量装置及方法，由于采用分光棱镜单元将液体燃烧的火焰辐射光及对液滴图像进行成像的成像光分至两条光路，因此能够用背光阴影成像单元和光谱成像单元分别进行背光阴影图像采集和光谱图像的获取，实现两种不同数据采集方式在空间上的同步。由于采用时序控制部发出时序控制信号，让背光阴影成像单元在成像光源部发出成像光时进行液滴图像获取，并让光谱成像单元在成像光源部不工作时进行光谱图像获取，因此能够在获取液滴图像的同时获取火焰光谱图像，实现两种不同图像获取方式在时间上的同步，并且这两种采集过程相互独立、互不干扰。进一步，本发明的同步测量装置及方法通过时序控制及分光就能够实现液滴图像及光谱图像的时空同步获取，其装置结构简单，方法容易操作，对环境要求也较低。
本实施例的测量装置采用了蓝色光或紫色光作为成像光，同时还采用了与成像光波长范围对应的带通滤波片来让成像光通过，而火焰辐射光中的蓝色光及紫色光较少，因此能够有效消除火焰辐射光的干扰，从而获得液滴背光图像。
本实施例的测量方法采用了调试步骤S0，根据初始液滴图像的估算结果来确定时序控制信号，因此能够得到最佳的时序控制信号，让得到合适的液滴图像更加清晰，更好地反映雾化液滴大小、分布与运动速度信息。
Claims (9)
1.一种液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量装置，用于同步获得液体燃料喷雾燃烧时的液滴图像与火焰光谱图像，其特征在于，具有：
成像光源部，用于发出对所述液体燃料喷雾燃烧场中的液滴进行成像的成像光；
分光部，包括分光棱镜单元，该分光棱镜单元用于将所述液体燃料燃烧时产生的火焰辐射光和所述成像光分至第一光路及第二光路；
成像部，包括设置在所述第一光路上并且用于获取所述液滴图像的背光阴影成像单元，以及设置在所述第二光路上并且用于获取所述光谱图像的光谱成像单元；
数据处理部，分别接收所述背光阴影成像单元及所述光谱成像单元所得到的成像数据并进行分析处理；以及
时序控制部，分别向所述成像光源部、所述背光阴影成像单元以及光谱成像单元所述发出时序控制信号，让所述背光阴影成像单元在所述成像光源部发出所述成像光的同时进行所述液滴图像的获取，并让所述光谱成像单元在所述成像光源部不工作时进行所述光谱图像的获取。
2.根据权利要求1所述的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量装置，其特征在于：
其中，所述成像光为蓝色光或紫色光。
3.根据权利要求2所述的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量装置，其特征在于：
其中，所述成像光为蓝色光，
所述成像部还包括带通滤光片，该带通滤光片为蓝光带通滤波片，设置在所述背光阴影成像单元及所述分光棱镜单元之间。
4.根据权利要求2所述的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量装置，其特征在于：
其中，所述成像光为紫色光，
所述成像部还包括带通滤光片，该带通滤光片为紫光带通滤波片，设置在所述背光阴影成像单元及所述分光棱镜单元之间。
5.根据权利要求1所述的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量装置，其特征在于：
其中，所述分光部还包括光学透镜单元，用于将所述火焰辐射光和所述成像光传至所述分光棱镜单元。
6.一种液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量方法，同步获得液体燃料喷雾燃烧时的液滴图像与火焰光谱图像，从而得到喷雾燃烧参数，，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，采用时序控制部发出时序控制信号；
步骤S2，采用成像光源部根据所述时序控制信号间隔地发出成像光，对所述喷雾燃烧场中的液滴进行成像；
步骤S3，采用光学透镜单元将所述液体燃料喷雾燃烧时产生的火焰辐射光和所述成像光传给分光棱镜单元；
步骤S4，采用所述分光棱镜单元将所述火焰辐射光和所述成像光分至第一光路及第二光路；
步骤S5，采用设置在所述第一光路上的带通滤光片让所述成像光通过；
步骤S6，当所述成像光源部发出所述成像光时，采用背光阴影成像单元根据所述时序控制信号对所述第一光路进行液滴图像的获取，当所述成像光源部不工作时，采用光谱成像单元对所述第二光路进行光谱图像的获取；
步骤S7，采用数据处理部分别接收所述背光阴影成像单元及所述光谱成像单元所得到的成像数据并进行分析处理，得到所述燃烧参数。
7.根据权利要求6所述的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量方法，其特征在于：
其中，背光图像中包含液滴图像或轨迹图像，数据处理部对液滴图像进行图像处理，通过模糊修正、灰度归一化、滤波去噪处理、二值化处理等处理方法，按照迹线法原理，获得液滴粒径D、运动速度(v＝L/t)及分布等参数。
8.根据权利要求6所述的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量方法，其特征在于：
其中，所述液滴图像中还包含碳烟的阴影图像，
所述数据处理部对所述碳烟阴影图像进行处理的方法为：
通过建立基于消光法原理的图像像素点，获得波段响应强度与碳烟浓度的定量关系，该定量关系如下式所示：
<mrow>
<mi>l</mi>
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<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>d</mi>
<mi>&lambda;</mi>
</mrow>
上式中，I为手术背光阴影成像单元中的彩色CCD的响应值，I0为所述彩色CCD的初始响应值，λi为所述彩色CCD的响应波段，L为光程，N为所述碳烟中的颗粒数量浓度，D32为索太尔平均粒径，E为消光系数，λ为所述成像光的波长，f(λi)为所述彩色CCD的波段响应曲线。
9.根据权利要求6所述的液体燃料喷雾燃烧液滴与火焰同步测量方法，其特征在于：
其中，所述数据处理部对所述光谱图像进行处理的方法为：
根据辐射波长与辐射强度的关系，利用标准黑体炉对所述光谱成像单元进行响应标定，实验优化火焰温度与辐射率反演算法，并基于液体燃料燃烧火焰辐射特性获得辐射率分布规律，建立液体燃料火焰辐射率函数模型，进一步通过液体燃料火焰温度场与辐射率场的二维重建反演算法，根据所述光谱图像在线得到温度场与辐射率场信息，
所述辐射波长λ(nm)与辐射强度Eλ(W/m2)的关系如下式：
<mrow>
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<mn>1</mn>
</mrow>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
式中，λ为所述辐射波长，Eλ为所述辐射强度，Iλ为所述光谱成像单元中的CCD在λ波段的响应值，kλ为通过所述标准黑体炉标定获得的CCD响应标定系数，ε为辐射率，T为温度，C1和C2分别为辐射常量。
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