CN109724981A - 一种利用辐射光的火焰中碳烟定量测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用辐射光的火焰中碳烟定量测试装置及方法，涉及动力机械的燃烧领域，包括在同一个光路上依次设置的碳烟消光辐射同步测试系统与碳烟辐射光测试系统；所述碳烟消光辐射同步测试系统包括LED灯和扩散片；所述碳烟辐射光测试系统包括窄通滤波片和数码相机；LED灯的脉冲频率为高速数码相机拍摄频率的一半，基于该装置的方法，首先在一定工况下将碳烟对背景光的消光特性和碳烟自身的辐射特性结合起来，利用高速数码成像，利用消光法对碳烟辐射图像进行标定，线性拟合获得碳烟量和碳烟辐射强度的函数关系，然后对其他工况碳烟辐射强度进行测量，利用此函数关系计算得到碳烟量。

Description

一种利用辐射光的火焰中碳烟定量测试装置及方法

技术领域

本发明涉及基础燃烧以及动力机械的燃烧等研究领域，尤其涉及到一种利用辐射光的火焰中碳烟定量测试装置及方法。

背景技术

火焰中的碳烟生成氧化过程包含了极其复杂的物理现象和化学动力学过程，涉及大量难以定量测量的中间组分，使得对其生成氧化过程的认识还十分有限，因此急需开发更为可靠的光学诊断技术，实现在各种工况环境下对碳烟瞬态特性更加全面、准确的测量。

近些年，为了增进对碳烟生成氧化过程的理解，已经发展了多种光学诊断技术。双色法基于两种不同波长辐射光强，可以对瞬态碳烟量及其温度实现定量测量。但是由于碳烟不同层面信号自吸的影响，使得其测试结果在高碳烟生成环境下具有很大误差。而扩散射背景光消光法在高碳烟环境下容易光强饱和使其不能测量，另外由于纹影效应影响使其在很低的碳烟生成工况下也不适用。因此，急需一种技术可以实现多工况范围下对碳烟量可以进行有效测量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种在一定范围工况下用消光法测得碳烟量对碳烟辐射强度进行标定，进而在目标工况下直接用碳烟辐射强度对碳烟量进行测量的实验装置，从而适用广泛的工况范围的碳烟测量。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的：

一种利用辐射光的火焰中碳烟定量测试装置，包括在同一个光路上依次设置的碳烟消光辐射同步测试系统与碳烟辐射光测试系统；所述碳烟消光辐射同步测试系统包括LED灯和扩散片；所述碳烟辐射光测试系统包括窄通滤波片和数码相机；LED灯的脉冲频率为高速数码相机拍摄频率的一半。

进一步的，所述LED灯发出的光照射到扩散片上，经扩散片辐照在燃烧室内，该光作为背景光，燃烧室内的喷油器喷油燃烧，背景光一部分被吸收，剩余背景光和燃烧室内燃油燃烧发出的光，或燃烧室内燃油燃烧发出的光辐照到窄通滤波片上，被数码相机获得。

进一步的，所述数码相机可连续获得一张照片有背景光，一张背景无背景光如此交替的照片。

进一步的，通过插值计算处理得到的照片，获得每个时刻的火焰辐射强度。

进一步的，所述窄通滤波片的波长与LED灯波峰值处光的波长一致。

进一步的，所述燃烧室上开设有光学窗口。

利用辐射光的火焰中碳烟定量测试装置的方法，包括如下步骤：

步骤一：搭建中碳烟定量测试装置平台；

步骤二：在适合消光法工况范围的标定工况下，触发喷油器喷油信号同时触发高速数码相机，再通过高速数码相机触发LED灯，使LED灯的脉冲频率为高速数码相机拍摄频率的一半，从而连续获得一张照片有背景光，一张背景无背景光；

步骤三：通过插值计算处理步骤二得到的照片，从而分别获得每个时刻剩余的背景光和碳烟辐射光强；

步骤四：通过Beer-lambert原理处理步骤二得到的图片，即可计算出标定工况下火焰中的碳烟量；

步骤五：在标定工况下，用消光法获得的碳烟量标定对应碳烟的辐射强度，获得碳烟量和碳烟辐射光强的函数关系；

步骤六：在目标工况下，关闭LED灯，对目标工况碳烟只进行辐射光测试系统的测试，得到碳烟辐射光强；

步骤七：将步骤六测得的碳烟辐射光强利用步骤五标定工况下得到的碳烟量与碳烟辐射光强的函数关系计算得到目标工况下的碳烟生成量。

进一步的，步骤三中)插值计算的方式为：对LED灯打开时拍摄到的图片每相邻两张进行插值计算，同时对LED灯关闭时拍摄到的图片每相邻两张进行插值计算，这样就分别获得每个时刻剩余的背景光和碳烟自身辐射光强。

有益效果：

1.传统上消光法的不足：如果碳烟太强，背景光不足够穿过碳烟厚度，无法进行；碳烟太弱，低于消光法的不确定性(测试下限)也无法进行。本发明采用的方法：只要相机敏感度足够捕捉到碳烟的辐射强度(这是测试下限，要高于消光法)，并且不超过相机感光最大强度(也就是饱和，这是测试上限，远高于消光法测试上线)，即相比较单纯的扩散背景光消光法，只要碳烟热辐射强度被相机捕捉到且不饱和此方法均可测得碳烟量，因此该测试方法适应的范围更广，既可适应高碳烟工况也可适应低碳烟工况。

2.相比较传统双色法，此方法操作方便简单，无需额外标准光源进行标定。

3.通过在LED灯前设置扩散片获得一束扩散的背景光，扩散的背景光可以减小纹影效应对碳烟量测量精度的影响。

4.因为LED灯的波长范围很广，可见光和紫外光都可以覆盖，因此选择窄通滤波片的波长与LED灯波峰值处光的波长一致，这样可以很好的滤除掉不需要的波长的光，提高了结果的精度。

附图说明

图1为结合消光法和辐射光的稳态火焰中碳烟测量装置示意图。

附图标记如下：

1、LED灯2、扩散片3、光学窗口4、燃烧室5、测试火焰6、喷油器7、光学窗口8、窄通滤波片9、高速数码相机。

具体实施方式

为对本发明做进一步的了解，下面结合附图对本发明进行进一步说明：

结合附图1，一种利用辐射光的火焰中碳烟定量测试装置，包括在同一个光路上依次设置的碳烟消光辐射同步测试系统与碳烟辐射光测试系统；所述碳烟消光辐射同步测试系统包括LED灯1和扩散片2；所述碳烟辐射光测试系统包括窄通滤波片8和数码相机9；LED灯1的脉冲频率为高速数码相机9拍摄频率的一半。

其中，所述LED灯1发出的光照射到扩散片2上，经扩散片2辐照在燃烧室5内，该光作为背景光，燃烧室5内的喷油器7喷油燃烧，背景光一部分被吸收，剩余背景光和燃烧室5内燃油燃烧发出的光，或燃烧室5内燃油燃烧发出的光辐照到窄通滤波片8上，被高速数码相机9获得。

所述数码相机9可连续获得一张照片有背景光，一张背景无背景光如此交替的照片；通过插值计算处理得到照片，获得每个时刻的火焰辐射强度。

所述窄通滤波片8的波长与LED灯1波峰值处光的波长一致。因为LED灯的波长范围很广，可见光和紫外光都可以覆盖，因此选择窄通滤波片的波长与LED灯波峰值处光的波长一致，这样可以滤除掉不需要的波长的光，提高了结果的精度。

所述燃烧室5上开设有光学窗口3,7，设置光学窗口可方便观测内部燃烧情况。

利用辐射光的火焰中碳烟定量测试装置的方法，包括如下步骤：

步骤一：搭建中碳烟定量测试装置平台；

步骤二：在适合消光法工况范围的标定工况下，触发喷油器6喷油信号同时触发高速数码相机9，再通过高速数码相机9触发LED灯1，使LED灯1的脉冲频率为高速数码相机9拍摄频率的一半，从而连续获得一张照片有背景光，一张背景无背景光；

步骤三：通过插值计算处理步骤二得到的照片，从而分别获得每个时刻剩余的背景光和碳烟辐射光强；

步骤四：通过Beer-lambert原理处理步骤二得到的图片，即可计算出标定工况下火焰中的碳烟量；

步骤五：在标定工况下，用消光法获得的碳烟量标定对应碳烟的辐射强度，获得碳烟量和碳烟辐射光强的函数关系；

步骤六：在目标工况下，关闭LED灯，对目标工况碳烟只进行辐射光测试系统的测试，得到碳烟辐射光强；

步骤七：将步骤六测得的碳烟辐射光强利用步骤五标定工况下得到的碳烟量与碳烟辐射光强的函数关系计算得到目标工况下的碳烟生成量。

其中，步骤三中)插值计算的方式为：对LED灯1打开时拍摄到的图片每相邻两张进行插值计算，同时对LED灯1关闭时拍摄到的图片每相邻两张进行插值计算，这样就分别获得每个时刻剩余的背景光和碳烟自身辐射光强。

需要说明的是：步骤三与步骤六通过不同的方式及在不同的工况下均可得到碳烟辐射光强。

首先在消光法背景光强不饱和的一些列标定工况下进行碳烟消光辐射同步测试，在触发喷油器6喷油信号同时触发高速数码相机9，然后通过高速数码相机9触发LED灯1并设定LED灯输出频率为高速数码相机9拍摄频率的一半；使得高速数码相机9获得有背景光与无背景光交错的一系列图片。

原理：当LED灯1打开时，背景光穿过火焰5后，部分光强被火焰中碳烟吸收，穿透后剩余的背景光和碳烟自身辐射光穿过窄通滤波片8被高速数码相机9接收；当LED灯1关闭时，只有碳烟自身辐射光穿过窄通滤波片8被高速数码相机9接收。

本实验测试装置由碳烟消光辐射同步测试系统和碳烟辐射光测试系统组成。碳烟消光辐射同步测试系统由LED灯1、扩散片2和一个加载窄通滤波片8的高速数码相机9组成。通过LED灯1和扩散片2产生一束高速脉冲扩散背景光，设置背景光频率为高速数码相机9拍摄频率的一半，使得相机获得有无背景光交错的一系列图片。当背景光打开时，背景光穿过火焰后，部分光强被碳烟吸收，穿透后剩余的背景光和碳烟自身辐射光被加载窄通滤波片8的高速数码相机9接收。当背景光关闭时，只有碳烟自身辐射光被加载窄通滤波片8的高速数码相机9接收。

用高速数码相机9触发LED灯1，使LED灯1的脉冲频率为高速数码相机9拍摄频率的一半，这样可以获得一张照片有背景光，一张背景无背景光，这样交错的一系列图片，然后插值计算获得每个时刻的火焰辐射强度。

插值方式为：对LED灯1打开时拍摄到的图片每相邻两张进行插值计算，同时对LED灯1关闭时拍摄到的图片每相邻两张进行插值计算，这样就分别获得每个时刻剩余的背景光和碳烟自身辐射光。通过Beer-lambert(朗伯一比尔定律)原理，即可计算火焰中的碳烟量。对标定工况下得到的碳烟量与碳烟辐射强度线性拟合得到碳烟量和碳烟辐射强度的函数关系。

高速数码相机前放置的窄通滤波片8保持和LED灯1波峰值处光的波长一致，仅允许此波长的光进入到高速数码相机中。

通过一个LED灯1和扩散片2获得的一束扩散的背景光，这样可以减小纹影效应对碳烟量测量精度的影响。

在一定适合工况下利用碳烟消光辐射同步测试系统测量，用消光法获得的碳烟量标定对应碳烟的辐射强度，获得碳烟量和碳烟辐射光强的函数关系。然后关闭LED灯1，对目标工况碳烟进行辐射光测试系统测量，利用上述函数关系计算碳烟量。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用辐射光的火焰中碳烟定量测试装置，包括在同一个光路上依次设置的碳烟消光辐射同步测试系统与碳烟辐射光测试系统；所述碳烟消光辐射同步测试系统包括LED灯(1)和扩散片(2)；所述碳烟辐射光测试系统包括窄通滤波片(8)和数码相机(9)；其特征在于，LED灯(1)的脉冲频率为高速数码相机(9)拍摄频率的一半。

2.根据权利要求1所述的利用辐射光的火焰中碳烟定量测试装置，其特征在于，所述LED灯(1)发出的光照射到扩散片(2)上，经扩散片(2)辐照在燃烧室(5)内，该光作为背景光，燃烧室(5)内的喷油器(7)喷油燃烧，背景光一部分被吸收，剩余背景光和燃烧室(5)内燃油燃烧发出的光，或燃烧室(5)内燃油燃烧发出的光辐照到窄通滤波片(8)上，被高速数码相机(9)获得。

3.根据权利要求2所述的利用辐射光的火焰中碳烟定量测试装置，其特征在于，所述数码相机(9)可连续获得一张照片有背景光，一张背景无背景光如此交替的照片。

4.根据权利要求3所述的利用辐射光的火焰中碳烟定量测试装置，其特征在于，通过插值计算处理得到的照片，获得每个时刻的火焰辐射强度。

5.根据权利要求1至4任一项所述的利用辐射光的火焰中碳烟定量测试装置，其特征在于，所述窄通滤波片(8)的波长与LED灯(1)波峰值处光的波长一致。

6.根据权利要求2所述的利用辐射光的火焰中碳烟定量测试装置，其特征在于，所述燃烧室(5)上开设有光学窗口(3,7)。

7.如权利要求1-4任一项所述的利用辐射光的火焰中碳烟定量测试装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：搭建中碳烟定量测试装置平台；

步骤二：在适合消光法工况范围的标定工况下，触发喷油器(6)喷油信号同时触发高速数码相机(9)，再通过高速数码相机(9)触发LED灯(1)，使LED灯(1)的脉冲频率为高速数码相机(9)拍摄频率的一半，从而连续获得一张照片有背景光，一张背景无背景光；

步骤三：通过插值计算处理步骤二得到的照片，从而分别获得每个时刻剩余的背景光和碳烟辐射光强；

步骤四：通过Beer-lambert原理处理步骤二得到的图片，即可计算出标定工况下火焰中的碳烟量；

步骤五：在标定工况下，用消光法获得的碳烟量标定对应碳烟的辐射强度，获得碳烟量和碳烟辐射光强的函数关系；

步骤六：在目标工况下，关闭LED灯，对目标工况碳烟只进行辐射光测试系统的测试，得到碳烟辐射光强；

步骤七：将步骤六测得的碳烟辐射光强利用步骤五标定工况下得到的碳烟量与碳烟辐射光强的函数关系计算得到目标工况下的碳烟生成量。

8.根据权利要求7所述的利用辐射光的火焰中碳烟定量测试装置的方法，其特征在于，步骤三中)插值计算的方式为：对LED灯(1)打开时拍摄到的图片每相邻两张进行插值计算，同时对LED灯(1)关闭时拍摄到的图片每相邻两张进行插值计算，这样就分别获得每个时刻剩余的背景光和碳烟自身辐射光强。