CN112556859A - 一种炭烟火焰温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种炭烟火焰温度测量方法，涉及燃料燃烧火焰温度测量技术领域，所述方法包括：基于黑体辐射普朗克定律，利用波长、黑体温度、第一辐射常数和第二辐射常数构建黑体辐射强度；利用所述黑体辐射强度以及发射率，构建在温度T与波长λ处的辐射强度；基于双色法测温法，利用所述辐射强度构建炭烟火火焰温度模型；根据所述炭烟火火焰温度模型获得炭烟火焰温度。本发明简化了炭烟火焰温度测量的复杂性，同时保证测量的准确性。

Description

一种炭烟火焰温度测量方法

技术领域

本发明涉及燃料燃烧火焰温度测量技术领域，特别是涉及一种炭烟火焰温度测量方法。

背景技术

来自燃料燃烧释放化学能提供了当今世界80％以上能源消耗，但燃料燃烧中同时会产生各种污染物，其中的不完全燃烧产生的炭烟是导致PM2.5等可吸入固体颗粒物的主要来源之一。研究火焰中炭烟生成特性与机理是进一步开发出减少可吸入颗粒排放技术的基础，需要对炭烟火焰温度场进行准确测量。同时，高温火焰中的炭烟也是辐射源，可以依据其辐射特性进行火焰温度场分布测量。

国内外现已经开发的众多炭烟火焰温度测量方法，其中的光学测试具有非接触、响应速度快和能够二维成像测量的优点，如其中的炭烟火焰双色法测温已经成为基本炭烟火焰温度测量方法。双色法中需要知道炭烟火焰发射率在不同波长下的比值，从而根据黑体和灰体辐射定律计算温度场。因此，不同的炭烟火焰发射率处理方法形成不同的双色法。第一种最简单的处理方法是假设炭烟为灰体进行火焰自发辐射信号处理，认为发射率是常数不随波长变化，这种测量方法在双色法采用两个波长很接近是合理的，如两个波长差不超过40nm。然而，当选取两个波长接近时，所对应的辐射信号强度也基本接近，而当波长具有一定差别时，发射率不变假设偏离实际，这两种情况均会导致测量结果与真实值偏离。另一种常用方法是调制双色法实现炭烟火焰温度场测温，该方法利用炭烟火焰的消光特性测量低浓度炭烟的实际发射率，需要同时测量有无激光下火焰辐射信号，这种方法国外最先发展，国内应用也逐渐成熟。与常规单色、双色法测温技术相比，调制消光双色法减少了测温的不确定性，但需要激光发生与检测设备，比较复杂。第三种方法是直接对发射率随波长变化进行关系式的假设，通过测量确定发射率随波长的变化参数，从而直接获得在两个波长下发射率比值，通过测量炭烟火焰的自发辐射信号，处理后计算得出温度。这种方法在发射率与波长关系标定时与有一定的复杂性。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种炭烟火焰温度测量方法,通过改善发射率的处理方法，简化了炭烟火焰温度测量的复杂性，同时保证测量的准确性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种炭烟火焰温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于黑体辐射普朗克定律，利用波长、黑体温度、第一辐射常数和第二辐射常数构建黑体辐射强度；

利用所述黑体辐射强度以及发射率，构建在温度T与波长λ处的辐射强度；

基于双色法测温法，利用所述辐射强度构建炭烟火火焰温度模型，并根据Hottel和Broughton发射率模型关系式对所述发射率进行改进，获得改进的炭烟火火焰温度模型；

根据改进的炭烟火火焰温度模型获得炭烟火焰温度。

如上所述的炭烟火焰温度测量方法，进一步地，所述黑体辐射强度为：

c₁——3.741844×10^-16W.m²，第一辐射常数；

c₂——1.438791×10^-2m.K，第二辐射常数；

λ——波长；

T——黑体温度。

如上所述的炭烟火焰温度测量方法，进一步地，在温度T与波长λ处的辐射强度为：

I(λ，T)＝ε(λ，θ，φ，T)I_b(λ，T)＝ε(λ，T)I_b(λ，T)

其中，火焰中炭烟可以看做灰体，其温度与高温烟气相同，其发射率为ε(λ，T)，

当λT<2060μm.K,火焰温度低于2500K，波长小于820nm的条件下；

如上所述的炭烟火焰温度测量方法，进一步地，炭烟火火焰温度模型为：假设温度为T的辐射对象在波长λ_m，λ_m+1处的光谱辐射亮度分别为I_m，I_m+1，则得到

对上式左右两边同时取对数：

选取足够近的两处波长进行比色，则可认为两处的辐射率差异可被忽略，即

如上所述的炭烟火焰温度测量方法，进一步地，

根据Hottel和Broughton发射率模型关系式对所述发射率进行改进，其中，发射率模型关系式：

ε_f＝1-exp[-kL/λ^α]

式中：k——微粒云吸收系数；

L——观察光轴方向的微粒云几何厚度；

kL——微粒云辐射的吸收强度，取值范围通常为0.2～1.4；

α——由波长范围决定的常数，根据Hottel与Broughton实验数据给出，在可见光波段内，对于稳定微粒云：α＝1.39；对于非稳定的微粒云；

对上式进行泰勒展开，并省略泰勒展开式中的高阶项，即可得到改进的炭烟火火焰温度模型：

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：提出一种新的炭烟火焰温度方法原理，该方法在发射率处理上具有理论依据，获得的温度测量关系式简单，可以通过直接测量火焰在两个波长下的辐射信号来实现温度场的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的温度测量的方法流程图。

图2是平面火焰中乙烯/空气炭烟火焰在550nm和650nm下辐射信号图。

图3是在火焰中离燃烧器出口11.5mm，本专利方法测量温度场与热电偶测量值的比较图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例：

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

参见图1至图3，图1是本发明的温度测量的方法流程图。图2是平面火焰中乙烯/空气炭烟火焰在550nm和650nm下辐射信号图。图3是在火焰中离燃烧器出口11.5mm，本专利方法测量温度场与热电偶测量值的比较图。

本发明通过炭烟火焰发射率测量原理的理论分析，在原理上，发现炭烟火焰的发射率可以处理成波长的指数关系式，并通过测量验证，该方法可以用于炭烟火焰温度场的测量。

·测试原理

炭烟火焰双色法测温原理是基于黑体辐射普朗克定律，黑体辐射强度为：

c₁——3.741844×10^-16W.m²，第一辐射常数；

c₂——1.438791×10^-2m.K，第二辐射常数；

λ——波长；

T——黑体温度；

火焰中炭烟可以看做灰体，其温度与高温烟气相同，其发射率为ε(λ，T)，在温度T与波长λ处的辐射强度为：

I(λ，T)＝ε(λ，θ，φ，T)I_b(λ，T)＝ε(λ，T)I_b(λ，T) (2)

当λT<2060μm.K,在一般火焰温度低于2500K条件下，只要波长小于820nm，(2)可以简化为：

双色法测温需要建立辐射对象在两个不同波长下的光谱辐射亮度之比与温度之间的函数变化关系，假设温度为T的辐射对象在波长λ_m，λ_m+1处的光谱辐射亮度分别为I_m，I_m+1，则得到

对上式左右两边同时取对数：

对于经典双色法而言，选取足够近的两处波长进行比色，则可认为两处的辐射率差异可被忽略，即

·本发明发射率的处理

根据Hottel和Broughton发射率模型关系式：

ε_f＝1-exp[-kL/λ^α] (6)

式中：k——微粒云吸收系数；

L——观察光轴方向的微粒云几何厚度；

kL——微粒云辐射的吸收强度，取值范围通常为0.2～1.4；

α——由波长范围决定的常数，根据Hottel与Broughton实验数据给出，在可见光波段内，对于稳定微粒云：α＝1.39；对于非稳定的微粒云。

据此，我们便可对(6)式进行泰勒展开，并省略泰勒展开式中的高阶项，即可得到：

本发明的优点是：提出一种新的炭烟火焰温度方法原理，该方法在发射率处理上具有理论依据，获得的温度测量关系式简单，可以通过直接测量火焰在两个波长下的辐射信号来实现温度场的测量。

利用本方法原理，选取可见光波长范围的两个波长下炭烟火焰自发辐射能量探测，在平面乙烯/空气火焰中实现了验证，通过与热电偶测量值进行对照，能实现炭烟火焰温度分布的准确测量。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种炭烟火焰温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于黑体辐射普朗克定律，利用波长、黑体温度、第一辐射常数和第二辐射常数构建黑体辐射强度；

利用所述黑体辐射强度以及发射率，构建在温度T与波长λ处的辐射强度；

基于双色法测温法，利用所述辐射强度构建炭烟火火焰温度模型，并根据Hottel和Broughton发射率模型关系式对所述发射率进行改进，获得改进的炭烟火火焰温度模型；

根据改进的炭烟火火焰温度模型获得炭烟火焰温度。

2.根据权利要求1所述的炭烟火焰温度测量方法，其特征在于，所述黑体辐射强度为：

c₁——3.741844×10^-16W.m²，第一辐射常数；

c₂——1.438791×10^-2m.K，第二辐射常数；

λ——波长；

T——黑体温度。

3.根据权利要求2所述的炭烟火焰温度测量方法，其特征在于，在温度T与波长λ处的辐射强度为：

I(λ，T)＝ε(λ，θ，φ，T)I_b(λ，T)＝ε(λ，T)I_b(λ，T)

其中，火焰中炭烟可以看做灰体，其温度与高温烟气相同，其发射率为ε(λ，T)，

当λT＜2060μm.K，火焰温度低于2500K，波长小于820nm的条件下；

4.根据权利要求3所述的炭烟火焰温度测量方法，其特征在于，炭烟火火焰温度模型为：假设温度为T的辐射对象在波长λ_m，λ_m+1处的光谱辐射亮度分别为I_m，I_m+1，则得到

对上式左右两边同时取对数：

选取足够近的两处波长进行比色，则可认为两处的辐射率差异可被忽略，即

5.根据权利要求4所述的炭烟火焰温度测量方法，其特征在于，

根据Hottel和Broughton发射率模型关系式对所述发射率进行改进，其中，发射率模型关系式：

ε_f＝1-exp[-kL/λ^α]

式中：k——微粒云吸收系数；

L——观察光轴方向的微粒云几何厚度；

kL——微粒云辐射的吸收强度，取值范围通常为0.2～1.4；

α——由波长范围决定的常数，根据Hottel与Broughton实验数据给出，在可见光波段内，对于稳定微粒云：α＝1.39；对于非稳定的微粒云；

对上式进行泰勒展开，并省略泰勒展开式中的高阶项，即可得到改进的炭烟火火焰温度模型：

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