CN113063499A - 一种同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的装置及方法，属于煤粉燃烧技术领域。煤粉颗粒被煤粉颗粒固定装置固定在燃烧装置产生的高温气流中；第一电荷耦合相机和第二电荷耦合相机分别固定在煤粉颗粒两侧，第一短通滤镜固定在第一电荷耦合相机的镜头前，第二短通滤镜固定在第二电荷耦合相机的镜头前，第一短通滤镜和第二短通滤镜的中心波长不同；光谱仪探头正对煤粉颗粒设置，凸透镜设在光谱仪探头与煤粉颗粒之间；光谱仪探头与光谱仪连接，光谱仪、第一电荷耦合相机和第二电荷耦合相机均连接至计算机。本发明能够实现温度和辐射率的同时在线测量，提高现有温度测量方法的准确性。
Description
技术领域
本发明属于煤粉燃烧技术领域，具体涉及一种同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的装置及方法。
背景技术
在煤粉燃烧过程中，对炉膛内部热力条件影响较大的参数是颗粒燃烧表面温度。由于煤粉颗粒较小，且颗粒内部存在温度梯度，因此，传统的接触式测温技术不能满足对其表面温度测量的需求。要实现煤粉颗粒表面温度的测量，则需要采用较为先进的非接触式光学测量技术。同时，颗粒温度与颗粒表面辐射率是相互关联的两个变量，两者相互耦合。一般，为了获得煤粉颗粒表面温度，现有的测量方法(如红外温度计、比色温度计等)会进行黑体或者灰体假设，将辐射率的影响排除，便于计算。但是，由于煤粉颗粒表面粗糙度、曲率等因素均有着较大的差异，与黑体或者灰体的差距较远，因此，辐射率的影响不可忽略。若将辐射率的影响忽略而获得颗粒温度必然与实际值有着较大的差异。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的装置及方法，能够实现温度和辐射率的同时在线测量，提高现有温度测量方法的准确性。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的装置，包括燃烧装置、煤粉颗粒固定装置、第一短通滤镜、第二短通滤镜、第一电荷耦合相机、第二电荷耦合相机、凸透镜、光谱仪探头、光谱仪和计算机；
煤粉颗粒被煤粉颗粒固定装置固定在燃烧装置产生的高温气流中；第一电荷耦合相机和第二电荷耦合相机分别固定在煤粉颗粒两侧，第一短通滤镜固定在第一电荷耦合相机的镜头前，第二短通滤镜固定在第二电荷耦合相机的镜头前，第一短通滤镜和第二短通滤镜的中心波长不同；光谱仪探头正对煤粉颗粒设置，凸透镜设在光谱仪探头与煤粉颗粒之间；光谱仪探头与光谱仪连接，光谱仪、第一电荷耦合相机和第二电荷耦合相机均连接至计算机。
优选地，燃烧装置包括燃烧室，燃烧室分别连接有燃料气进气管和氧化剂进气管，燃料气进气管和氧化剂进气管上均设有流量检测及控制装置，流量检测及控制装置与计算机连接。
优选地，煤粉颗粒固定装置包括支架，支架活动连接有滑动夹持架，滑动夹持架连接有连杆，连杆的另一端与煤粉颗粒连接。
优选地，煤粉颗粒的粒径为1～5mm。
优选地，煤粉颗粒、光谱仪探头、第一电荷耦合相机和第二电荷耦合相机位于同一平面。
进一步优选地，光谱仪探头、第一电荷耦合相机和第二电荷耦合相机相互间隔120°设置。
优选地，第一短通滤镜和第二短通滤镜波长的带宽≤10nm。
优选地，光谱仪探头和煤粉颗粒分别位于凸透镜两侧的2倍焦距处；光谱仪探头接收光线通道直径不大于煤粉颗粒的直径。
优选地，光谱仪扫描的波长分辨率≤0.5nm。
本发明公开的采用上述装置同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的方法，包括：
煤粉颗粒在燃烧装置产生的高温气流中燃烧，煤粉颗粒燃烧发出的光信号经第一短通滤镜和第二短通滤镜过滤后，特定波长λ1和λ2的信号被第一电荷耦合相机和第二电荷耦合相机捕获并发送至计算机；煤粉颗粒燃烧发出的光谱信号被光谱仪捕获并发送至计算机；
在t0时刻，第一电荷耦合相机捕获的信号强度为
第二电荷耦合相机捕获的信号强度为
光谱仪扫描到的宽频光谱强度为I(λ)；
将
和
作比值，记为
假设煤粉颗粒为灰体，即在λ1和λ2波长处的辐射率相等，则有：
对未知数T求解，得到T0；
得到T0下不同波长所对应的黑体辐射强度Ib；根据I(λ)反推每个波长分别对应的光谱辐射率ε(λ)，包括波长ε(λ1)和ε(λ2)；根据ε(λ1)和ε(λ2)求解该辐射率下对应的温度T1；将T1作为T0重复上述计算，直至计算得到的Ti收敛；
记录Ti及其对应的光谱辐射率ε(λ)，此即为t0时刻燃烧煤粉颗粒的表面温度及该温度下煤粉颗粒的光谱辐射率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的装置，煤粉颗粒通过煤粉颗粒固定装置固定于高温火焰场中，采用两台分别配以不同中心波长短通滤镜的电荷耦合相机，获取煤粉燃烧过程中两个波长的光谱辐射信号。采用光谱仪获得煤粉颗粒燃烧过程特定时刻的光谱辐射信号。最后通过计算机获得特定时刻煤粉颗粒的表面温度和该温度下对应的光谱辐射率。该装置能够实现煤粉颗粒燃烧表面温度和光谱辐射率的同步测量求解，同时，还可对煤粉燃烧进程中不同时刻的温度的和辐射率进行实时测量跟踪，获得煤粉燃烧不同阶段颗粒表面温度和光谱辐射率的演化信息。
进一步地，燃料气进气管和氧化剂进气管上的流量检测及控制装置能够将燃料气和氧化剂的流量实时发送至计算机并由计算机进行调节。
进一步地，滑动夹持架能够调节煤粉颗粒的竖直距离，满足实验需要。
进一步地，煤粉颗粒的粒径为1～5mm，该粒径的煤粉颗粒可以较为稳定地固定于高温场中，同时保证颗粒内部温度梯度较小。
进一步地，煤粉颗粒、光谱仪探头、第一电荷耦合相机和第二电荷耦合相机位于同一平面，确保煤粉颗粒燃烧发出的光信号可以同时被各个元器件接收。
更进一步地，光谱仪探头、第一电荷耦合相机和第二电荷耦合相机相互间隔120°设置，在对煤粉颗粒燃烧过程中光谱信号进行检测时，能够减少测量信号的相互干扰。
进一步地，第一短通滤镜和第二短通滤镜波长的带宽≤10nm，能够使进入第一电荷耦合相机和第二电荷耦合相机的波长较为集中。
进一步地，光谱仪探头和煤粉颗粒分别位于凸透镜两侧的2倍焦距处，使煤粉颗粒燃烧发出的信号在光谱仪探头处呈现等大实像；光谱仪探头接收光线通道直径不大于煤粉颗粒的直径，以确保采集信号均来自颗粒表面辐射信号。
进一步地，光谱仪扫描的波长分辨率≤0.5nm，能够提高信号分辨率，进而提高测量的精度。
本发明公开的采用上述装置同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的方法，一方面，优化了现有的高温测量技术中对辐射率进行黑体或灰体的简化，提高了温度测量的准确性；另一方面，通过迭代算法实现了高温颗粒表面温度和光谱辐射率的同步测量，将两个相互耦合的变量实现了解耦。与此同时，可以实时获得煤粉燃烧过程的信号，实时跟踪煤粉颗粒温度和辐射率的演化信息。
附图说明
图1为本发明的同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的装置的燃烧部分的结构示意图；
图2为本发明的同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的装置的测量部分的结构示意图。
图中：1-燃料气进气管；2-氧化剂进气管；3-燃烧室；4-高温气流；5-支架；6-滑动夹持架；7-连杆；8-煤粉颗粒；9-第一短通滤镜；10-第二短通滤镜；11-第一电荷耦合相机；12-第二电荷耦合相机；13-凸透镜；14-光谱仪探头；15-光谱仪；16-计算机；17-电缆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1和图2，本发明的同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的装置，主要包括燃烧装置、煤粉颗粒固定装置、第一短通滤镜9、第二短通滤镜10、第一电荷耦合相机11、第二电荷耦合相机12、凸透镜13、光谱仪探头14、光谱仪15和计算机16。
煤粉颗粒8被煤粉颗粒固定装置固定在燃烧装置产生的高温气流4中；第一电荷耦合相机11和第二电荷耦合相机12分别固定在煤粉颗粒8两侧，第一短通滤镜9固定在第一电荷耦合相机11的镜头前，第二短通滤镜10固定在第二电荷耦合相机12的镜头前，第一短通滤镜9和第二短通滤镜10的中心波长不同；光谱仪探头14正对煤粉颗粒8设置，凸透镜13设在光谱仪探头14与煤粉颗粒8之间；光谱仪探头14与光谱仪15连接，光谱仪15、第一电荷耦合相机11和第二电荷耦合相机12均通过电缆17连接至计算机16。
具体地，燃烧装置包括燃烧室3，燃烧室3分别连接有燃料气进气管1和氧化剂进气管2，燃料气进气管1和氧化剂进气管2上均设有流量检测及控制装置，流量检测及控制装置与计算机16连接。
在本发明的一个实施例中，煤粉颗粒固定装置包括支架5，支架5活动连接有滑动夹持架6，滑动夹持架6连接有连杆7，连杆7的另一端与煤粉颗粒8连接。
下面结合本发明的原理和工作方法对本发明进行进一步的解释说明：
首先，对本发明的理论背景进行介绍。根据普朗克黑体辐射定律，温度为T的黑体的光谱辐射强度可以表示为：
式中，λ代表波长，h是普朗克常数(6.6260693×10-34J/s)，c是光速(2.99792×108m/s)，k是玻尔兹曼常数(1.3806488×10-23J/K)。当考虑光谱辐射率之后，实际的光谱辐射强度为：
I(λ，T)＝ε(λ，T)·Ib(λ，T) (2)
其中，ε表示光谱辐射率，它是温度和波长的函数。对不同波长下的信号强度作比值：
R是温度和辐射率的函数。
本发明的内容涉及两个主体部分，其一是煤粉燃烧试验台装置，另一部分为对煤粉燃烧过程进行测量装置及设备。对于煤粉燃烧试验台，燃料气和氧化剂在燃烧室3中充分混合并发生燃烧，在燃烧室3出口一段距离内形成均匀的上行高温气流4，为煤粉燃烧提供高温环境。煤粉颗粒8通过煤粉颗粒固定装置固定于高温火焰场中心位置，在高温场的作用下，发生燃烧。连杆7可以采用细铜丝，煤粉颗粒8嵌在连杆7的尖端，煤粉颗粒的粒径控制在1～5mm之间，细铜丝的直径小于1mm。连杆7通过滑动夹持架6固定，滑动夹持架6安装于支架5上，并可灵活竖直高度上的安装位置。在实验中，调整滑动夹持架6的位置，使得煤粉颗粒8处于气体燃烧焰后气体火焰温度较为稳定的区域。
对煤粉颗粒8燃烧过程进行测量的系统，主要包括两台相同型号的电荷耦合(CCD)相机以及一台宽波段扫描的光谱仪15。三台仪器均布置在煤粉颗粒8所处的水平平面内。两台CCD以及一台光谱仪15均与计算机16相连，进行信号和数据的传输。在两台CCD镜头前分别放置中心波长不同的短通滤镜(如420nm和440nm的短通滤镜)，调节CCD镜头的焦距，使得其落在煤粉颗粒8所处的垂直平面内。煤粉颗粒8燃烧发出的光信号，通过滤镜的过滤，特定波长的信号被CCD捕获，并进一步通过数据传输线送至计算机16。为了区分这两台CCD，下文分别以第一电荷耦合相机11和第二电荷耦合相机12区分，与第一电荷耦合相机11配合使用的滤镜记为第一短通滤镜9，其中心波长为λ1，与第二电荷耦合相机12配合使用的滤镜记为第二短通滤镜10，其中心波长为λ2。其波长的带宽不超过10nm，即其允许通过的波长范围不超过λ1±5nm、λ2±5nm，以确保进入第一电荷耦合相机11和第二电荷耦合相机12的波长较为集中。滤镜与相机镜头之间安装尽可能贴近，避免杂散光信号进入相机产生干扰。第一电荷耦合相机11和第二电荷耦合相机12优选型号完全相同的两台CCD相机，确保捕获信号的可比性。
光谱仪15分为光谱仪探头14与信号处理器两个子元件。其中，通过焦距合适的凸透镜13的使用，光谱仪探头14可以捕获煤粉颗粒8燃烧过程中颗粒表面发出的光谱信号。煤粉颗粒8位于凸透镜13一侧2倍焦距处，光谱仪探头14位于凸透镜13另一侧2倍焦距处，使得煤粉颗粒8燃烧发出的信号在光谱仪探头14处呈现等大实像。光谱仪探头14接收光线通道直径不大于颗粒直径，以确保采集信号均来自煤粉颗粒8表面辐射信号。经过信号处理器处理并送至计算机16，可以得到煤粉燃烧较宽波段内的光谱辐射强度信号。
计算机16一方面控制了CCD和光谱仪15捕获信号的时间和频率，另一方面对从设备传回的信号进行分析处理。计算机处理的信号来自于三个部件，分别是第一电荷耦合相机11、第二电荷耦合相机12和光谱仪15。由于颗粒温度和光谱辐射率相互耦合，因此采用迭代的算法对温度和光谱辐射率分别进行推导。由于进入第一电荷耦合相机11和第二电荷耦合相机12的信号均是分别经过第一短通滤镜9和第二短通滤镜10过滤的光线，可认为其捕获到的信号强度即为煤粉颗粒燃烧过程中发出的波长为λ1和λ2的信号强度。光谱仪15扫描获得某一时刻不同波长的光谱辐射强度，应注意其扫描量程应覆盖波长λ1和λ2。为了提高信号分辨率，光谱仪15扫描的波长分辨率应不大于0.5nm。需要注意的是，对采集到的光谱辐射信号进行清洗，去除不遵循黑体辐射的信号点(如589nm附近钠原子的特征谱线)。假设在t0时刻，第一电荷耦合相机11捕获的信号强度为
第二电荷耦合相机12捕获的信号强度为
光谱仪15扫描到的宽频光谱强度I(λ)，计算机16接收到数据后按以下算法执行。
S1：将CCD1和CCD2获得的信号强度作比值，记为
S2：首先假设煤粉颗粒为灰体，即在λ1和λ2波长处的辐射率相等，那么式(3)简化为
该等式仅有一个未知数T，直接求解，得到T0。
S3：通过式(1)计算得到该温度下不同波长所对应的黑体辐射强度Ib。
S4：根据光谱仪扫描获得的实际光谱信号强度I(λ)，基于式(2)反推此时每个波长分别对应的光谱辐射率ε(λ)，包括波长ε(λ1)和ε(λ2)。
S5：将S4中计算得到的光谱辐射率
和
重新代入式(3)，解出该辐射率下对应的温度T1。
(6)重复步骤(3)-(5)，直至计算得到的温度Ti相较于上一轮计算得到的Ti-1的变化小于2％，即认为此时迭代收敛。
(7)记录Ti及其对应的光谱辐射率ε(λ)，此即为t0时刻燃烧煤粉颗粒8的表面温度及该温度下煤粉颗粒8的光谱辐射率。
需要注意的是，第一电荷耦合相机11、第二电荷耦合相机12和光谱仪15采集的信号应为同一时刻点的信号，以确保信号之间的可比性。因此，三台仪器均需连接至计算机16，通过同一触发信号进行触发。
为了获得实时的温度和辐射率更新信息，设置第一电荷耦合相机11、第二电荷耦合相机12和光谱仪15的信号采集频率为1Hz-10Hz，采集的信号记录时间标签并排入队列，依次进行后台处理，计算机16后台运行迭代计算程序，输出每一时刻分别对应的温度和不同波长下的光谱辐射率。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的装置，其特征在于，包括燃烧装置、煤粉颗粒固定装置、第一短通滤镜(9)、第二短通滤镜(10)、第一电荷耦合相机(11)、第二电荷耦合相机(12)、凸透镜(13)、光谱仪探头(14)、光谱仪(15)和计算机(16)；
煤粉颗粒(8)被煤粉颗粒固定装置固定在燃烧装置产生的高温气流(4)中；第一电荷耦合相机(11)和第二电荷耦合相机(12)分别固定在煤粉颗粒(8)两侧，第一短通滤镜(9)固定在第一电荷耦合相机(11)的镜头前，第二短通滤镜(10)固定在第二电荷耦合相机(12)的镜头前，第一短通滤镜(9)和第二短通滤镜(10)的中心波长不同；光谱仪探头(14)正对煤粉颗粒(8)设置，凸透镜(13)设在光谱仪探头(14)与煤粉颗粒(8)之间；光谱仪探头(14)与光谱仪(15)连接，光谱仪(15)、第一电荷耦合相机(11)和第二电荷耦合相机(12)均连接至计算机(16)。
2.根据权利要求1所述的同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的装置，其特征在于，燃烧装置包括燃烧室(3)，燃烧室(3)分别连接有燃料气进气管(1)和氧化剂进气管(2)，燃料气进气管(1)和氧化剂进气管(2)上均设有流量检测及控制装置，流量检测及控制装置与计算机(16)连接。
3.根据权利要求1所述的同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的装置，其特征在于，煤粉颗粒固定装置包括支架(5)，支架(5)活动连接有滑动夹持架(6)，滑动夹持架(6)连接有连杆(7)，连杆(7)的另一端与煤粉颗粒(8)连接。
4.根据权利要求1所述的同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的装置，其特征在于，煤粉颗粒(8)的粒径为1～5mm。
5.根据权利要求1所述的同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的装置，其特征在于，煤粉颗粒(8)、光谱仪探头(14)、第一电荷耦合相机(11)和第二电荷耦合相机(12)位于同一平面。
6.根据权利要求5所述的同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的装置，其特征在于，光谱仪探头(14)、第一电荷耦合相机(11)和第二电荷耦合相机(12)相互间隔120°设置。
7.根据权利要求1所述的同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的装置，其特征在于，第一短通滤镜(9)和第二短通滤镜(10)波长的带宽≤10nm。
8.根据权利要求1所述的同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的装置，其特征在于，光谱仪探头(14)和煤粉颗粒(8)分别位于凸透镜(13)两侧的2倍焦距处；光谱仪探头(14)接收光线通道直径不大于煤粉颗粒(8)的直径。
9.根据权利要求1所述的同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的装置，其特征在于，光谱仪(15)扫描的波长分辨率≤0.5nm。
10.采用权利要求1～9任意一项所述的装置同时测量煤粉颗粒温度和光谱辐射率的方法，其特征在于，包括：
煤粉颗粒(8)在燃烧装置产生的高温气流(4)中燃烧，煤粉颗粒(8)燃烧发出的光信号经第一短通滤镜(9)和第二短通滤镜(10)过滤后，特定波长λ1和λ2的信号被第一电荷耦合相机(11)和第二电荷耦合相机(12)捕获并发送至计算机(16)；煤粉颗粒(8)燃烧发出的光谱信号被光谱仪(15)捕获并发送至计算机(16)；
在t0时刻，第一电荷耦合相机(11)捕获的信号强度为
第二电荷耦合相机(12)捕获的信号强度为
光谱仪(15)扫描到的宽频光谱强度为I(λ)；
将
和
作比值，记为
假设煤粉颗粒(8)为灰体，即在λ1和λ2波长处的辐射率相等，则有：
对未知数T求解，得到T0；
得到T0下不同波长所对应的黑体辐射强度Ib；根据I(λ)反推每个波长分别对应的光谱辐射率ε(λ)，包括波长ε(λ1)和ε(λ2)；根据ε(λ1)和ε(λ2)求解该辐射率下对应的温度T1；将T1作为T0重复上述计算，直至计算得到的Ti收敛；
记录Ti及其对应的光谱辐射率ε(λ)，此即为t0时刻燃烧煤粉颗粒的表面温度及该温度下煤粉颗粒的光谱辐射率。
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