CN111487228A - 一种同步测量燃烧中间产物及主要组分的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同步测量燃烧中间产物及主要组分的装置，包括定容燃烧弹系统、激光系统、信号同步系统和信号采集系统；信号同步系统控制激光系统和信号采集系统同步工作；激光系统包括泵浦激光器、染料激光器、展宽器和光路原件；泵浦激光器产生的激光分别进入染料激光器和展宽器，经过染料激光器和展宽器发出的激光在光路原件的作用下，从同一侧进入容燃烧弹系统并在容燃烧弹系统内汇聚；信号采集系统包括激光诱导荧光信号采集装置和拉曼散射光谱信号采集装置；信号采集系统和信号同步系统分别与计算机信号连接。本发明将平面激光诱导荧光法和激光自发拉曼散射法结合起来，更好的研究燃烧过程的中间产物变化及组分变化情况。

Description

一种同步测量燃烧中间产物及主要组分的装置
技术领域
本发明属燃烧性能诊断技术领域，特指利用激光诱导荧光技术和激光自发拉曼散射技术来同步测量燃烧中间产物及主要组分浓度的方法及装置，从而弄清楚燃烧过程化学反应动力学行为，为动力装置燃烧效率的改善提供试验数据支撑。
背景技术
能源危机与环境污染是当前动力机械燃烧所面对的主要问题，而燃烧是引起上述问题的重要原因，因此，如何实现动力装置的高效、清洁、稳定燃烧已成为当前研究热点问题。
平面激光诱导荧光法(PLIF)是近年来研究动力机械燃烧过程的重要光学测量方法，可以对燃烧过程OH、CH2O、CO基等关键组分浓度分布进行非接触式测量。但PLIF技术是利用特定波长的激光激发相应物质产生荧光信号，其只能测量已知中间产物的分布，而对于燃烧中所产生其它组分及浓度信息尚不清晰，这极大的阻碍了对于燃烧的认知。激光自发拉曼散射法可以通过一组激光同步测量燃烧过程中N2、O2、H2O、CO2等主要组分及浓度信息，但仅仅只有燃烧主要组分信息对于燃烧中间过程理解也是不透彻全面的。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，为了能深入的认识燃烧过程中所发生的化学反应动力学行为，实现动力装置的高效、清洁、稳定燃烧，本发明提出一种同步测量燃烧中间产物及主要组分的装置，通过将平面激光诱导荧光法和激光自发拉曼散射法结合起来，更好的研究燃烧过程的中间产物变化及组分变化情况。
本发明所采用的技术方案如下：
一种同步测量燃烧中间产物及主要组分的装置，包括定容燃烧弹系统、激光系统、信号同步系统和信号采集系统；
所述信号同步系统分别与激光系统和信号采集系统之间采用信号连接，通过信号同步系统控制激光系统和信号采集系统同步工作；
所述激光系统包括泵浦激光器、染料激光器、展宽器和光路原件；泵浦激光器产生的激光分别进入染料激光器和展宽器，经过染料激光器和展宽器发出的激光在光路原件的作用下，从同一侧进入容燃烧弹系统并在容燃烧弹系统内汇聚；
所述信号采集系统包括激光诱导荧光信号采集装置和拉曼散射光谱信号采集装置；
所述信号采集系统和信号同步系统分别与计算机信号连接。
进一步，所述泵浦激光器发出532nm的激光，激光通过分光镜分为两束光路分别进入染料激光器和展宽器，所述染料激光器调谐倍频后发出的283nm波长的激发光；
进一步，染料激光器的发射端与容燃烧弹系统之间设有片光镜组，所述片光镜组由凹透镜、凸透镜、双凸柱面透镜和双凹柱面透镜依次排列组成；
进一步，所述展宽器的发射端与容燃烧弹系统之间依次设有偏振片和凸透镜；
进一步，所述染料激光器发射的激光朝向容燃烧弹主体的中心垂直射入；所述展宽器发射的激光与染料激光器的入射光线同向斜射入定容燃烧弹主体，并在火焰中心后10cm处汇聚；
进一步，所述激光诱导荧光信号采集装置包括ICCD相机Ⅰ和ICCD相机Ⅰ镜头前的OH带通滤光片，通过ICCD相机Ⅰ获得激光诱导荧光信号，实现对燃烧中间组分OH自由基的测量；
进一步，所述拉曼散射光谱信号采集装置包括ICCD相机Ⅱ，所述ICCD相机Ⅱ的镜头与单色摄谱仪相连，单色摄谱仪上设有狭缝，狭缝正对定容燃烧弹主体的视窗C，狭缝前依次设有OH带通滤光片和成像透镜；
进一步，所述光路原件包括多个反光镜，通过反光镜的组合使用进而改变光路传播方向。
本发明的有益效果：
1、本发明公开了一种同步测量燃烧中间产物及主要组分的方法及装置，其利用激光诱导荧光技术(OH-PLIF)和自发拉曼散射技术实现对燃烧过程的中间组分和燃烧过程的同步测量，实现了对燃烧过程OH、CH2O、CO基等关键组分和主要物质N2、O2、H2O、CO2等浓度的同步测量，解决了单一方法不能很好表征实际燃烧情况的问题，有助于动力机械燃烧装置的优化开发。
2、本装置可以通过改变泵浦激光器出射激光波长，并更换不同滤波片，实现对不同自由基的测量，且联合测量依然适用。
3、本装置通过使用偏振片来改变激光偏振方向，提高拉曼信号强度，来有效抵抗联合测量时存在的信号干扰。
附图说明
图1为是本发明同步测量燃烧中间产物及主要气体成分装置的光路示意图；
图中，1、信号同步器，2、光阱，3、定容燃烧弹主体，4、OH带通滤光片，5、ICCD相机Ⅰ，6、凸透镜，7、偏振片，8、片光镜组，9、反光镜Ⅰ，10、反光镜Ⅱ，11、反光镜Ⅲ，12、反光镜Ⅳ，13、燃料激光器，14、展宽器，15、分光镜，16、反光镜Ⅴ，17、泵浦激光器，18、单色摄谱仪，19、532nm带通滤光片，20、成像透镜，21、ICCD相机Ⅱ，22、计算机。
具体实施措施
下面结合附图对本发明进行描述。
如图1所示，本发明所设计的一种同步测量燃烧中间产物及主要组分的装置由定容燃烧弹系统、激光系统、信号同步系统和信号采集系统组成。其中，定容燃烧弹系统包括定容燃烧弹主体3，所述定容燃烧弹主体3上设有四个视窗，分别为视窗A、视窗B、视窗C和视窗D，四个视窗沿定容燃烧弹主体3周向均匀分布，且两两视窗相对设置，定容燃烧弹主体3由外控制系统给弹体内部加热供气，提供试验所需的高温高压环境和不同的氧浓度环境，定容燃烧弹主体3的顶端接高压共轨供油系统为定容燃烧弹主体3供油。
激光系统包括泵浦激光器17、染料激光器13、展宽器14；泵浦激光器17发出532nm的激光；在泵浦激光器17的激光出口处设置分光镜15，激光经分光镜15后，一部分进入染料激光器13，经过染料激光器13调谐倍频后发出的283nm波长的激发光，另一部分经过反射镜16进入展宽器14，通过展宽器14降低激光功率密度。染料激光器发出的283nm波长激光经过反射镜Ⅲ11和反射镜Ⅱ10后会经过片光镜组8，并朝向容燃烧弹主体3的中心垂直射入视窗B，片光镜组8正对定容燃烧弹主体3的视窗B设置；片光镜组从左向右依次由凹透镜、凸透镜、双凸柱面透镜以及双凹柱面透镜依次排列组成，利用片光镜组可以将圆斑光转化为片光。从展宽器14发射出来的激光经反射镜Ⅳ12和反射镜Ⅰ9后以一定角度(视距离而定)射入定容燃烧弹主体3的视窗B；在视窗B前依次经过偏振片7提高信号强度，降低干扰，再经过凸透镜6聚焦至定容燃烧弹主体3内；最终染料激光器13和展宽器14发出的两束激光的焦点在火焰中心靠后10cm处。两束激光经过定容燃烧弹主体3后会从相对的视窗D穿出，在视窗D后设有光阱2，用于吸收剩余激光。
信号采集系统包括ICCD相机Ⅰ5和ICCD相机Ⅱ21，ICCD相机Ⅰ5的镜头朝向定容燃烧弹主体的视窗A设置，所述ICCD相机Ⅰ5的镜头前设有532nm带通滤光片4；ICCD相机Ⅱ21的镜头与单色摄谱仪18相连，单色摄谱仪18上设有狭缝，狭缝正对定容燃烧弹主体的视窗C，狭缝前依次设有OH带通滤光片19和成像透镜20。
信号同步系统包括信号同步器1，信号同步器1分别连接泵浦激光器17、染料激光器13、ICCD相机Ⅰ5、ICCD相机Ⅱ21和计算机22，由信号同步器1控制上述激光器和相机的同步工作。
本发明同步测量燃烧中间产物及主要组分的装置的工作过程为：
定容燃烧弹主体3内由供油系统控制喷雾燃烧；信号同步器1控制泵浦激光器17工作，发出532nm的激光，经分光镜15后，一部分经过染料激光器13调谐倍频后发出的283nm波长的激发光；另一部分经过反光镜Ⅴ16进入展宽器14，两束激光经过不同的路径进入定容燃烧弹主体3中，照射燃烧火焰；
步骤3，同时，信号同步器1控制ICCD相机Ⅰ5和ICCD相机Ⅱ21同时工作，两台相机分别直接或间接的采集定容燃烧弹主体内的喷雾和燃烧图像；283nm的片光照射到火焰上，经过OH带通滤光片4后，最后由ICCD相机5获得激光诱导荧光信号，实现对燃烧中间组分OH自由基的测量；另一边，532nm的激光经聚焦后照射到火焰上，经过成像透镜20和532nm带通滤光片19后由单色摄谱仪18采集，分离不同波长的拉曼散射光谱，再由ICCD相机Ⅱ21接收。
本发明通过对定容燃烧弹采用激光诱导荧光技术(OH-PLIF)和自发拉曼散射技术实现对燃烧过程的中间组分和燃烧过程的同步测量，实现了对燃烧过程OH、CH2O、CO基等关键组分和主要物质N2、O2、H2O、CO2等浓度的同步测量。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种同步测量燃烧中间产物及主要组分的装置，其特征在于，包括定容燃烧弹系统、激光系统、信号同步系统和信号采集系统；
所述信号同步系统分别与激光系统和信号采集系统之间采用信号连接，通过信号同步系统控制激光系统和信号采集系统同步工作；
所述激光系统包括泵浦激光器(17)、染料激光器(13)、展宽器(17)和光路原件；泵浦激光器(17)产生的激光分别进入染料激光器(13)和展宽器(14)，经过染料激光器(13)和展宽器(14)发出的激光在光路原件的作用下，从同一侧进入容燃烧弹系统并在容燃烧弹系统内汇聚；
所述信号采集系统包括激光诱导荧光信号采集装置和拉曼散射光谱信号采集装置；
所述信号采集系统和信号同步系统分别与计算机信号连接。
2.根据权利要求1所述的一种同步测量燃烧中间产物及主要组分的装置，其特征在于，所述泵浦激光器(17)发出532nm的激光，激光通过分光镜(15)分为两束光路分别进入染料激光器(13)和展宽器(14)，所述染料激光器(13)调谐倍频后发出的283nm波长的激发光。
3.根据权利要求2所述的一种同步测量燃烧中间产物及主要组分的装置，其特征在于，染料激光器(13)的发射端与容燃烧弹系统之间设有片光镜组(8)，所述片光镜组(8)由凹透镜、凸透镜、双凸柱面透镜和双凹柱面透镜依次排列组成。
4.根据权利要求2所述的一种同步测量燃烧中间产物及主要组分的装置，其特征在于，所述展宽器(14)的发射端与容燃烧弹系统之间依次设有偏振片(7)和凸透镜(6)。
5.根据权利要求3或4所述的一种同步测量燃烧中间产物及主要组分的装置，其特征在于，所述染料激光器(13)发射的激光朝向容燃烧弹主体(3)的中心垂直射入；所述展宽器(14)发射的激光与染料激光器(13)的入射光线同向斜射入定容燃烧弹主体(3)，并在火焰中心后10cm处汇聚。
6.根据权利要求1所述的一种同步测量燃烧中间产物及主要组分的装置，其特征在于，所述激光诱导荧光信号采集装置包括ICCD相机Ⅰ(5)和ICCD相机Ⅰ(5)镜头前的OH带通滤光片(4)，通过ICCD相机Ⅰ(5)获得激光诱导荧光信号，实现对燃烧中间组分OH自由基的测量。
7.根据权利要求1所述的一种同步测量燃烧中间产物及主要组分的装置，其特征在于，所述拉曼散射光谱信号采集装置包括ICCD相机Ⅱ(21)，所述ICCD相机Ⅱ(21)的镜头与单色摄谱仪(18)相连，单色摄谱仪(18)上设有狭缝，狭缝正对定容燃烧弹主体的视窗C，狭缝前依次设有OH带通滤光片(19)和成像透镜(20)。
8.根据权利要求1所述的一种同步测量燃烧中间产物及主要组分的装置，其特征在于，所述光路原件包括多个反光镜，通过反光镜的组合使用进而改变光路传播方向。
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