CN114216509A - 基于led光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于LED光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统和方法，本系统设有燃烧装置和光路；燃烧装置设有层流扩散燃烧器或旋流燃烧器；光路有两种：光路一设有LED点光源、复眼透镜、两平凸透镜、中性密度滤波片、棱镜相机和计算机；光路二设有LED面光源、中性密度滤波片、棱镜相机和计算机。测量方法为：利用拍摄的无火焰有光源图片①、有火焰有光源图片②、有火焰无光源图片③、无火焰无光源/背景图片④四组图片，用消光法计算碳烟颗粒物体积分数，然后基于图片③并结合消光法所得吸收系数用三色法计算碳烟颗粒物温度，实现同时准确测量燃烧过程中碳烟颗粒物温度和体积分数。本发明的系统结构简单，测量方法操作容易，精度高。

Description

基于LED光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种基于LED光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统和方法，具体地说是一种基于LED点光源或LED面光源同时进行测量动力燃烧系统的碳烟颗粒物排放温度及体积分数的系统和测量方法。

背景技术

碳烟(又称碳黑，Soot)颗粒物是雾霾以及PM2.5形成的重要基础之一，也被证实是导致温室气体效应的重要因素。它广泛来源于各种动力设备(比如：内燃机、燃气轮机和航空发动机等)中燃料的未完全燃烧。现今，随着可控新型燃烧模式和后处理技术的发展，内燃机污染物排放已逼近极限；但相对而言，燃气轮机中颗粒物排放问题，随着排放法规的严苛而日趋突出。除此之外，碳烟的生成亦对燃烧设备造成损害，比如，燃气轮机中碳烟辐射导致的涡轮结构受热不均而造成热损伤；而且碳烟颗粒还容易携带一些有毒物质，增强大气中有害病菌活性，对人体和环境有较大的危害。为控制碳烟颗粒的排放，国际和国内陆续出台了一系列相应的法规、标准和协议。欧盟“地平线2020”已启动的ANNULIGHT计划中，包含了对未来新一代燃气轮机的低排放的研究部署。燃气轮机中一般采用旋流方式组织燃烧，形成主流区和回流区，而碳烟颗粒主要来自于火焰的富燃区域，大部分在下游高温区域被充分氧化，而部分未被充分氧化的，冲击涡轮并排入大气。2020年末，中国向全球承诺，将在2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和。《“十四五”规划纲要》中提到“建设清洁低碳能源体系，制定2030年前碳排放达峰行动方案”。

对燃烧场中的碳烟颗粒物温度以及体积分数进行测量可助于进一步理解碳烟特性，进而有效控制碳烟颗粒物的产生，为降耗减排放等做出贡献。目前国际上针对燃烧场中碳烟颗粒物已经发展了多种诊断技术。大致分为两类，侵入式诊断方法以及非侵入式光学诊断方法。如今，较为常见且实用的侵入式方法包括细丝热电偶测温法和电低压冲击器颗粒分析，但是侵入式的诊断方法容易破坏火焰结构，影响碳烟颗粒物的测量；非侵入式诊断方法，多为光学诊断方法，具有超高的时间空间分辨能力，例如双色法、消光法和可调谐二极管激光吸收光谱法。传统使用消光法与双色法结合的方法同时测量碳烟温度和浓度，但是实验精度较低，且实验光路和实验过程复杂，不利于开展。其中双色法较于三色法测温精度低，计算中发射系数采用与波长相关的函数模型，误差较大，而且一般CCD相机或者CMOS相机没有分别调节红光、绿光、蓝光曝光时间的功能，处理得到的双色比值信噪比低，对于实验精度影响较大。传统消光法实验光路复杂，建立碳烟浓度场没有考虑背景影响，对实验精度有一定影响。

因此，本领域亟待提出一种新的消光法和三色法结合的简易测量光路，可以实现碳烟颗粒物温度及体积分数的同时准确测量，且光路简单，耗费成本低，测量精度更高。

发明内容

本发明的目的是要解决的现有技术存在的问题，而提供一种基于LED光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统，同时提供一种应用所述的基于LED光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统进行测量的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种基于LED光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统，设有燃烧装置和光路；燃烧装置为层流扩散燃烧装置或旋流燃烧装置；

所述的层流扩散燃烧装置设有层流扩散燃烧器、点火器、燃气与空气的气路；同样旋流燃烧装置设有旋流燃烧器、点火器、燃气与空气的气路；层流扩散燃烧器或旋流燃烧器用于提供燃烧温度场和碳烟浓度场；

所述的光路分两种，光路一设有LED点光源、复眼透镜、两平凸透镜、中性密度滤波片、棱镜相机和计算机；光路二设有LED面光源、中性密度滤波片、棱镜相机和计算机；

在设有光路一的测量系统中，LED点光源与电源开关连接，LED点光源后面顺序设置复眼透镜、两个凸面相对安装的平凸透镜、中性密度滤波片、棱镜相机和计算机；所述的复眼透镜用于将LED点光源产生的光束均匀化及扩散；所述两个平凸透镜中的第一平凸透镜用于将均匀化的光束整形为平行的准直光束，第二平凸透镜用于将准直光束整形为收缩光束；所述的收缩光束通过中性密度滤波片打到棱镜相机镜头上，棱镜相机用于拍摄进入镜头的光束图片，计算机用于控制棱镜相机拍摄记录下图片、数据计算和处理；所述的层流扩散燃烧器或旋流燃烧器设置在两个平凸透镜之间；所述的LED点光源、复眼透镜、两个平凸透镜、中性密度滤波片、棱镜相机镜头的中心高度处于同一高度，且为层流扩散燃烧器或旋流燃烧器上火焰中心高度；

在设有光路二的测量系统中，LED面光源与电源开关连接，在LED面光源后面顺序设置有中性密度滤波片、棱镜相机和计算机；所述的层流扩散燃烧器或旋流燃烧器设置在LED面光源与中性密度滤波片之间。

所述的在设有光路一的测量系统中，复眼透镜与第一平凸透镜的安装距离为第一平凸透镜焦距；第一平凸透镜与第二平凸透镜之间为平行光，安装距离为依需要任意调整；第二平凸透镜与中性密度滤波片的安装距离为第二平凸透镜焦距；安装距离总体需按棱镜相机中火焰成像位于LED点光源的光圈中央以及成像清晰度进行微调。

所述的在设有光路二的测量系统中，LED面光源与中性密度滤波片的安装距离按拍摄时选用的棱镜相机镜头焦距设定，同时以火焰成像位于LED面光源的光圈中央，且成像清晰度进行微调。

本发明还提供一种应用上述测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统进行测量的方法，在设有光路一的测量系统中，即LED点光源与电源开关连接时，按如下步骤操作：

步骤一、由电源开关打开LED点光源，点光源发出的光束经由复眼透镜均匀化，光束至第一平凸透镜整形为平行的准直光束，再至第二平凸透镜形成收缩光束，收缩光束通过中性密度滤波片打到棱镜相机镜头上，计算机控制棱镜相机进行拍摄，由棱镜相机拍摄下无火焰有光源图片①，并记录在计算机中；

步骤二、保持LED点光源开启状态，设置好燃气与空气当量比对应的流量，打开燃烧装置中的燃气与空气的气路，使用点火器点燃燃气，在层流扩散燃烧器或旋流燃烧器上方形成层流火焰或旋流火焰，此时光路设置不变，用计算机控制棱镜相机进行拍摄，记录下有火焰有光源图片②；

步骤三、用电源开关关闭LED点光源，保持层流扩散燃烧器或旋流燃烧器的火焰正常燃烧，光路设置不变，计算机控制棱镜相机进行拍摄，记录下有火焰无光源图片③；

步骤四、保持LED点光源关闭状态，熄灭层流扩散燃烧器或旋流燃烧器上的火焰，光路设置不变，用计算机控制棱镜相机进行拍摄，门宽不变，记录无火焰无光源/背景图片④；

步骤五、先利用计算机编写的Matlab程序对所述的无火焰有光源图片①、有火焰有光源图片②、有火焰无光源图片③、无火焰无光源/背景图片④这四组图片进行处理得到无火焰有光源图片①中光强信号，以I_L(x,y)表示，有火焰有光源图片②中光强信号I_L+f(x,y)，有火焰无光源图片③中光强信号I_f(x,y)，无火焰无光源/背景图片④中光强信号I_b(x,y)，再进行消光法处理；

将四组图片的光强信号代入公式(1)计算得到透射率τ_λ(x,y)，

上式中：τ_λ(x,y)为透射率，I_L+f(x,y)为有火焰有光源图片中光强信号，I_f(x,y)为有火焰无光源图片中光强信号，I_L(x,y)为无火焰有光源图片中光强信号，I_b(x,y)为无火焰无光源/背景图片中光强信号；

步骤六、根据公式(1)计算得到的τ_λ(x,y)，再运用公式(2)并结合Tikhonov正规化的onion-peeling反卷积方法进行处理，计算得到吸收系数或消光系数K_λ(x,y)；

上式中：K_λ(x,y)为吸收系数或消光系数；

根据RDG–PFA理论及火焰中碳烟颗粒物近似为球形粒子，且粒径都在Rayleigh粒径的范围内，忽略粒子对光的散射作用，碳烟颗粒物的体积分数f_v(x,y)与消光系数K_λ(x,y)的关系为：

上式中：K_λ(x,y)为吸收系数或消光系数，λ为波长，E(m)为折射率函数；则依公式(3)计算得出碳烟颗粒物的体积分数f_v(x,y)，单位为ppm；

步骤七、利用计算机编写的Matlab程序提取棱镜相机RGB三通道波长范围，基于公式(4)、(5)、(6)，进行理论计算可得到黑体辐射强度之比ratio，建立look-up table数据库；

上述公式中，I^bb为黑体辐射强度，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数，T为温度，λ为波长，

为对应波长下的黑体辐射强度，即

分别为对应红光、绿光、蓝光下的黑体辐射强度；ratio为黑体辐射强度之比；

使用黑体炉标定光路中元件的响应效率，由公式(7)计算得到三色法下三波段光谱响应之比

上式中：η_R、η_G、η_B分别为对应红光、绿光、蓝光波长下的光谱响应，

分别为当标定灯为光源时对应红光、绿光、蓝光波长下的光谱辐射强度；

步骤八、基于有火焰无光源图片③，利用计算机编写的Matlab程序提取棱镜相机RGB三通道值，通过Tikhonov正规化的onion-peeling反卷积方法，得到当地的火焰三色辐射强度比：

上式中：S_R(x,y)、S_G(x,y)、S_B(x,y)分别为当火焰为光源时对应红光、绿光、蓝光波长下的当地火焰光谱辐射强度；I_R(x,y)、I_G(x,y)、I_B(x,y)分别为对应红光、绿光、蓝光波长下的当地碳烟等效黑体光谱辐射强度，ε_R(x,y)、ε_G(x,y)、ε_B(x,y)分别为对应红光、绿光、蓝光波长下的发射系数，x、y分别为光源介质的x轴、y轴方向；

根据基尔霍夫定律在碳烟颗粒处于热平衡条件下，发射系数ε(x,y)与吸收系数K(x,y)相等；

则整理公式(8)可得当地碳烟等效黑体光谱辐射强度之比：

其中，

由公式(7)可得，

由公式(2)分别对应红光、绿光、蓝光波长计算可得；

基于公式(10)，计算得到当地碳烟等效黑体光谱辐射强度之比，利用look-uptable插值计算，可得对应的碳烟颗粒物温度场T(x,y)；

在所述的设有光路二的测量系统中，LED面光源与电源开关连接时，同样按上述步骤操作，及结合先消光后三色法实现同步准确测量碳烟颗粒物温度及体积分数。

步骤一中所述的计算机控制棱镜相机进行拍摄，设置棱镜相机红光、绿光、蓝光的曝光时间分别为35～45μs、60～70μs、35～45μs。

本发明中所使用的棱镜相机可分别设置红光、绿光、蓝光的曝光时间，在相机不过曝的前提下可测得红光、绿光、蓝光最优良的信号强度，为三色方法中得到信噪比高的三色比值，有利于温度测量精度的提高。

本发明测量系统中所有使用的电源开关，LED点光源、LED面光源，复眼透镜，平凸透镜，中性密度滤波片，棱镜相机均为市售产品。

本发明系统中层流扩散燃烧器燃烧产生层流火焰，旋流燃烧器燃烧产生旋流对称火焰。本发明中无火焰无光源/背景图片④是指无火焰无光源图片或者背景图片。

本发明的测量方法为首次使用了消光法和三色法结合的操作步骤，不再使用传统双色法，当碳烟颗粒处于热平衡条件下，根据基尔霍夫定律可知发射系数与吸收系数相等，三色法中发射系数为消光法测量中测得的吸收系数，不再使用与波长相关的函数模型，同时消光法中考虑背景光的影响，均利于实验精度的提高。

本发明的测量方法步骤六中所述的RDG–PFA理论，其中的RDG–PFA是Rayleigh-Debye-Gans-Polydisperse-Fractal-Aggregate的缩写。

本发明基于LED光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统和方法与现有技术相比具有的有益效果是：

(1)、本发明基于LED光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统结构简单。本发明提出的两种光路结构的测量系统，两种光路结构都相较于之前采用传统双色法与消光法结合的方法测量碳烟温度及浓度的复杂光路简单了许多，可节约大量透镜和滤波片的投入，大大降低光路布设的成本，同时光源采用LED点光源和面光源，具有低成本和光斑均匀的特点。

(2)、本发明基于LED点光源的光路首次提出采用复眼透镜与中性密度滤波片的搭配使用，可使LED点光源打出的光斑均匀，并有效解决相机过曝问题，利于提高测量方法中计算的准确性，便于简化测量操作。

(3)、本发明的测量系统首次使用基于LED面光源的光路，可大幅度降低实验成本，也使光路简单易于布置，LED面光源与中性密度滤波片的距离可选用不同焦距镜头进行缩小，实现测量系统小型化设计，便于在狭小空间开展测量，尤其适合对实验空间和能量消耗有限制的，如在空间站燃烧实验中碳烟的测量。

(4)、本发明的测量系统首次采用棱镜相机拍摄测量图片，且测量系统采用中性密度滤波片搭配棱镜相机镜头使用，能有效地解决火焰辐射导致相机过曝的问题，宽波段透过率的整体降低，也使得消光法计算更为精准。

(5)、本发明测量系统中所使用的电源开关，LED点光源、LED面光源，复眼透镜，平凸透镜，中性密度滤波片，棱镜相机均为市售产品，这样使系统中测量光路极易建立。

(6)、本发明首次提出消光法与三色法结合的测量方法，碳烟颗粒处于热平衡时，根据基尔霍夫定律可知发射系数与吸收系数相等，三色法中发射系数为消光法中实验测得的吸收系数，不再使用与波长相关的函数模型，大大提高了三色法测量精度。

(7)、本发明的测量方法中通过棱镜相机可分别设置红光、绿光、蓝光的曝光时间，在相机不过曝的前提下可测得红光、绿光、蓝光最优良的信号强度，为三色法中得到信噪比高的三色比值，利于温度测量精度的提高，而一般CCD相机或者CMOS相机没有分别调节红光、绿光、蓝光曝光时间的功能，处理得到的三色比值或双色比值信噪比低，温度测量精度低。

(8)、本发明的测量方法操作步骤简单，容易入手。本方法简单地说就是先通过电源开关打开至关闭LED光源期间，分别在层流扩散燃烧器或旋流燃烧器点燃及熄灭状态下拍摄四组图片，基于这四组图片利用消光法计算碳烟颗粒物体积分数，然后基于有火焰无光源图片③利用三色法计算碳烟颗粒物温度，实现同时准确测得燃烧过程中燃烧温度场和碳烟浓度场。本方法解决传统双色法较于三色法测温精度低，发射系数采用波长相关函数模型而导致误差大，因信噪比低而造成温度测量精度低和消光法中未考虑背景光影响的问题；且在消光法计算中，采取通过计算机处理有火焰有光源图片②与有火焰无光源图片③得到的光强信号相减，无火焰有光源图片①与无火焰无光源/背景图片④的光强信号相减，以去除火焰自发光和背景光的影响，使得测量更精准。

附图说明

图1为本发明基于LED点光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统结构示意图。

图2为本发明基于LED面光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统结构示意图。

图3为基于LED点光源测量系统操作步骤简图。

图4为基于LED面光源测量系统操作步骤简图。

上述图中：1—电源开关；2—LED点光源；3—复眼透镜；4—第一平凸透镜；5—第二平凸透镜；6—中性密度滤波片；7—棱镜相机镜头；8—棱镜相机；9—计算机；10—LED面光源；11—燃烧器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的一种基于LED光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统和方法作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

实施例1：本发明提供一种基于LED光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统和方法。本实施例提供的一种基于LED点光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统和方法，系统为设有光路一的测量系统，其结构如图1(仅为系统结构的示意图)，其中的燃烧装置也只画出燃烧器11。

本实施例中燃烧装置选用层流扩散燃烧装置，设有层流扩散燃烧器、点火器、燃气与空气的气路；燃气选用乙烯燃气，层流扩散燃烧器用于提供层流燃烧火焰的燃烧温度场和碳烟浓度场。

在所述设有光路一的测量系统中，光路一设有电源开关1、LED点光源2、复眼透镜3，第一平凸透镜4，第二平凸透镜5，中性密度滤波片6，棱镜相机8和计算机9；LED点光源与电源开关连接，电源开关用于打开LED点光源以产生测量用的光束。

本实施例中电源开关采用市售的菲视特FST-DCP-5V28T4；LED点光源采用菲视特FST-PL-8D3-W；复眼透镜采用Thorlabs MLA300-14AR；中性密度滤波片采用NDUV06A；棱镜相机采用12PF-JAI-3-3M；两个平凸透镜的直径10cm，焦距30cm。

如图1所示，本实施例在设有光路一的测量系统中，所述的电源开关1与LED点光源2连接，LED点光源后面顺序设置复眼透镜3，两个凸面相对安装的平凸透镜、中性密度滤波片6、棱镜相机8和计算机9；安装时LED点光源、复眼透镜、两个平凸透镜、中性密度滤波片、棱镜相机镜头7的中心高度应处于同一高度，为层流扩散燃烧器上火焰中心高度，本实施例安装LED点光源的中心高度为25cm；复眼透镜与第一平凸透镜的距离是按第一平凸透镜的焦距长度30cm安装；第一平凸透镜与第二平凸透镜的距离可任意选择，在此设置为60cm安装；第二平凸透镜与中性密度滤波片的距离是按第二平凸透镜的焦距长度30cm安装；所述的安装距离为设定参考距离，实际操作中需根据棱镜相机中火焰成像要位于LED光源提供的光圈中央，以及成像清晰度进行微调。

所述的复眼透镜3用于将电源开关1打开的LED点光源2产生的光束均匀化及扩散；两个平凸透镜的凸面相对安装，其中第一平凸透镜4用于将均匀化的光束整形为平行的准直光束，第二平凸透镜5用于将准直光束整形为收缩光束；所述的收缩的光束通过中性密度滤波片6打到棱镜相机镜头7上，棱镜相机8用于拍摄进入镜头的光束图片，计算机9用于控制棱镜相机拍摄记录下图片、数据计算和处理；所述的燃烧器11设置在两个凸面相对安装的平凸透镜之间。

本实施例还提供一种应用上述的测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统进行测量的方法，以上述设有光路一的测量系统为例，电源开关1与LED点光源2连接；按如下步骤操作：参见图3。

步骤一、由电源开关1打开LED点光源2产生光束，LED点光源的光束经由复眼透镜3均匀化，均匀化的光打至第一平凸透镜4经整形为平行的准直光束，再至第二平凸透镜5收缩、集中通过中性密度滤波片6打到棱镜相机镜头7上，计算机9控制棱镜相机8进行拍摄，在棱镜相机进行分光处理，可分别设置红光、绿光、蓝光的曝光时间为35μs、60μs、35μs，这样计算机记录下无火焰有光源图片①；

步骤二、保持LED点光源开启状态，设置好测量时空燃气当量比对应的流量，打开燃烧装置中的乙烯燃气与空气的气路，本实施例设置0.231L/min乙烯对应43L/min空气，使用点火器点燃乙烯燃气，在层流扩散燃烧器上方形成层流火焰，此时由于光路设置不变，使用计算机控制棱镜相机进行拍摄，计算机记录下有火焰有光源图片②；

步骤三、用电源开关1关闭LED点光源，保持层流火焰正常燃烧，光路设置不变，计算机控制棱镜相机进行拍摄，记录下有火焰无光源图片③；

步骤四、保持LED点光源关闭状态，熄灭层流火焰，光路设置不变，用计算机控制棱镜相机进行拍摄，门宽不变，记录无火焰无光源/背景图片④；

步骤五、先利用计算机编写的Matlab程序对所述的无火焰有光源图片①、有火焰有光源图片②、有火焰无光源图片③、无火焰无光源/背景图片④这四组图片进行处理得到无火焰有光源图片①中光强信号，以I_L(x,y)表示，有火焰有光源图片②中光强信号I_L+f(x,y)，有火焰无光源图片③中光强信号I_f(x,y)，无火焰无光源/背景图片④中光强信号I_b(x,y)，再进行消光法处理；

将四组图片的光强信号代入公式(1)计算得到透射率τ_λ(x,y)，

上式中：τ_λ(x,y)为透射率，I_L+f(x,y)为有火焰有光源图片中光强信号，I_f(x,y)为有火焰无光源图片中光强信号，I_L(x,y)为无火焰有光源图片中光强信号，I_b(x,y)为无火焰无光源/背景图片中光强信号；

步骤六、根据公式(1)计算得到的τ_λ(x,y)，再运用公式(2)并结合Tikhonov正规化的onion-peeling反卷积方法进行处理，计算得到吸收系数或消光系数K_λ(x,y)；

上式中：K_λ(x,y)为吸收系数或消光系数；

根据RDG–PFA理论及火焰中碳烟颗粒物近似为球形粒子，且粒径都在Rayleigh粒径的范围内，忽略粒子对光的散射作用，碳烟颗粒物的体积分数f_v(x,y)与消光系数K_λ(x,y)的关系为：

上式中：K_λ(x,y)为吸收系数或消光系数，λ为波长，E(m)为折射率函数；则依公式(3)计算得出碳烟颗粒物的体积分数f_v(x,y)，单位为ppm；

步骤七、利用计算机编写的Matlab程序提取棱镜相机RGB三通道波长范围，基于公式(4)、(5)、(6)，进行理论计算可得到黑体辐射强度之比ratio，建立look-up table数据库；

上述公式中，I^bb为黑体辐射强度，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数，T为温度，λ为波长，

为对应波长下的黑体辐射强度，即

分别为对应红光、绿光、蓝光下的黑体辐射强度；ratio为黑体辐射强度之比；

使用黑体炉标定光路中元件的响应效率，由公式(7)计算得到三色法下三波段光谱响应之比

上式中：η_R、η_G、η_B分别为对应红光、绿光、蓝光波长下的光谱响应，S_BR、S_BG、S_BB分别为当标定灯为光源时对应红光、绿光、蓝光波长下的光谱辐射强度；

步骤八、基于有火焰无光源图片③，利用计算机编写的Matlab程序提取棱镜相机RGB三通道值，通过Tikhonov正规化的onion-peeling反卷积方法，得到当地的火焰三色辐射强度比：

上式中：S_R(x,y)、S_G(x,y)、S_B(x,y)分别为当火焰为光源时对应红光、绿光、蓝光波长下的当地火焰光谱辐射强度；I_R(x,y)、I_G(x,y)、I_B(x,y)分别为对应红光、绿光、蓝光波长下的当地碳烟等效黑体光谱辐射强度，ε_R(x,y)、ε_G(x,y)、ε_B(x,y)分别为对应红光、绿光、蓝光波长下的发射系数，x、y分别为光源介质的x轴、y轴方向；

根据基尔霍夫定律在碳烟颗粒处于热平衡条件下，发射系数ε(x,y)与吸收系数K(x,y)相等；

则整理公式(8)可得当地碳烟等效黑体光谱辐射强度之比：

其中，

由公式(7)可得，

由公式(2)分别对应红光、绿光、蓝光波长计算可得；

基于公式(10)，计算得到当地碳烟等效黑体光谱辐射强度之比，利用look-uptable插值计算，可得对应的碳烟颗粒物温度场T(x,y)；

本发明的测量方法中整个计算过程由计算机中编写的Matlab程序自动进行处理，操作完成后同时得到的测量碳烟颗粒物温度T(x,y)及体积分数f_v(x,y)，且测量精度高。

实施例2：本发明提供一种基于LED光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统和方法。本实施例提供的是一种基于LED面光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统和方法。系统为设有光路二的测量系统，是一种简化的测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统；其结构如图2所示。所述的电源开关1与LED面光源10连接，在LED面光源后面顺序设置有中性密度滤波片6、棱镜相机8和计算机9。安装时LED面光源、中性密度滤波片、棱镜相机镜头的中心高度处于同一高度，为燃烧器上火焰中心高度；LED面光源与中性密度滤波片的安装距离按棱镜相机镜头焦距设定，同时以火焰成像位于LED面光源的光圈中央，且成像清晰度进行微调。本实施例中的LED面光源采用市售的FST-PBAL200V120W面光源；燃烧装置选用了旋流燃烧器，旋流燃烧器点燃后产生旋流对称火焰。

本实施例采用简化的消光法和三色法结合的操作步骤可实现同步准确测量碳烟颗粒物温度及体积分数。具体的操作参见图4。

步骤一、由电源开关1打开LED面光源10产生光束，经由中性密度滤波片6打到棱镜相机镜头7上，计算机9控制棱镜相机8进行拍摄，由于棱镜相机可进行分光处理，可分别设置红光、绿光、蓝光的曝光时间为45μs、70μs、45μs，拍摄后计算机记录下无火焰有光源图片①；

步骤二、保持LED面光源10为开启状态，设置好空燃比，打开燃气与空气的气路，用点火器点燃气体，在旋流燃烧器上方形成旋流对称火焰，此时由于光路设置不变，使用计算机9控制棱镜相机8进行拍摄，计算机记录下有火焰有光源图片②；

步骤三、用电源开关关闭LED面光源，保持旋流燃烧器的旋流对称火焰正常燃烧，光路设置不变，计算机控制棱镜相机进行拍摄，记录下有火焰无光源图片③；

步骤四、保持LED面光源为关闭状态，熄灭旋流对称火焰，光路设置不变，使用计算机控制棱镜相机进行拍摄，门宽不变，记录无火焰无光源/背景图片④；

然后步骤五～八的操作方法与实施例1基本相同，其中步骤五也是通过计算机将四组图片分别进行处理得到每张图片的光强信号，将四组图片的光强信号代入公式(1)计算得到透射率τ_λ(x,y)；

步骤六、计算得到透射率τ_λ(x,y)后，再运用公式(2)并结合Tikhonov正规化的onion-peeling反卷积方法进行处理，可计算得到消光系数K_λ(x,y)；再运用公式(3)计算得出碳烟颗粒物的体积分数f_v(x,y)；

步骤七、利用计算机编写的Matlab程序提取棱镜相机RGB三通道波长范围，进行理论计算可得到黑体辐射强度之比ratio，建立look-up table数据库，使用黑体炉标定光路中元件的响应效率，由公式(7)计算得到三色法下三波段光谱响应之比

步骤八、基于有火焰无光源图片③，利用计算机编写的Matlab程序提取棱镜相机RGB三通道值，通过Tikhonov正规化的onion-peeling反卷积方法，得到当地的火焰三色辐射强度比，再基于公式(10)计算得到当地碳烟等效黑体光谱辐射强度之比，利用look-uptable插值计算，可得对应的碳烟颗粒物温度场T(x,y)。

与实施例1相同的是整个计算过程由计算机中编写的Matlab程序自动进行处理，得到的测量碳烟颗粒物温度及体积分数，测量精度高。

本发明的测量系统基于LED点光源的光路，光路布设科学，结构简单，测量光路极易建立，成本低。本发明的测量方法易于操作，且测量精度高。

Claims (5)

1.一种基于LED光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统，设有燃烧装置和光路；燃烧装置为层流扩散燃烧装置或旋流燃烧装置；其特征在于：

所述的层流扩散燃烧装置设有层流扩散燃烧器、点火器、燃气与空气的气路；同样旋流燃烧装置设有旋流燃烧器、点火器、燃气与空气的气路；层流扩散燃烧器或旋流燃烧器用于提供燃烧温度场和碳烟浓度场；

所述的光路分两种，光路一设有LED点光源、复眼透镜、两平凸透镜、中性密度滤波片、棱镜相机和计算机；光路二设有LED面光源、中性密度滤波片、棱镜相机和计算机；

在设有光路一的测量系统中，LED点光源与电源开关连接，LED点光源后面顺序设置复眼透镜、两个凸面相对安装的平凸透镜、中性密度滤波片、棱镜相机和计算机；所述的复眼透镜用于将LED点光源产生的光束均匀化及扩散；所述两个平凸透镜中的第一平凸透镜用于将均匀化的光束整形为平行的准直光束，第二平凸透镜用于将准直光束整形为收缩光束；所述的收缩光束通过中性密度滤波片打到棱镜相机镜头上，棱镜相机用于拍摄进入镜头的光束图片，计算机用于控制棱镜相机拍摄记录下图片、数据计算和处理；所述的层流扩散燃烧器或旋流燃烧器设置在两个平凸透镜之间；所述的LED点光源、复眼透镜、两个平凸透镜、中性密度滤波片、棱镜相机镜头的中心高度处于同一高度，且为层流扩散燃烧器或旋流燃烧器上火焰中心高度；

在设有光路二的测量系统中，LED面光源与电源开关连接，在LED面光源后面顺序设置有中性密度滤波片、棱镜相机和计算机；所述的层流扩散燃烧器或旋流燃烧器设置在LED面光源与中性密度滤波片之间。

2.根据权利要求1所述的基于LED光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统，其特征在于：所述的在设有光路一的测量系统中，复眼透镜与第一平凸透镜的安装距离为第一平凸透镜焦距；第一平凸透镜与第二平凸透镜之间为平行光，安装距离为依需要任意调整；第二平凸透镜与中性密度滤波片的安装距离为第二平凸透镜焦距；安装距离总体需按棱镜相机中火焰成像位于LED点光源的光圈中央以及成像清晰度进行微调。

3.根据权利要求1所述的基于LED光源测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统，其特征在于：所述的在设有光路二的测量系统中，LED面光源与中性密度滤波片的安装距离按拍摄时选用的棱镜相机镜头焦距设定，同时以火焰成像位于LED面光源的光圈中央，且成像清晰度进行微调。

4.一种应用权利要求1所述的测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统进行测量的方法，其特征在于，在设有光路一的测量系统中，即LED点光源与电源开关连接时，按如下步骤操作：

步骤一、由电源开关打开LED点光源，点光源发出的光束经由复眼透镜均匀化，光束至第一平凸透镜整形为平行的准直光束，再至第二平凸透镜形成收缩光束，收缩光束通过中性密度滤波片打到棱镜相机镜头上，计算机控制棱镜相机进行拍摄，由棱镜相机拍摄下无火焰有光源图片①，并记录在计算机中；

步骤二、保持LED点光源开启状态，设置好燃气与空气当量比对应的流量，打开燃烧装置中的燃气与空气的气路，使用点火器点燃燃气，在层流扩散燃烧器或旋流燃烧器上方形成层流火焰或旋流火焰，此时光路设置不变，用计算机控制棱镜相机进行拍摄，记录下有火焰有光源图片②；

步骤三、用电源开关关闭LED点光源，保持层流扩散燃烧器或旋流燃烧器的火焰正常燃烧，光路设置不变，计算机控制棱镜相机进行拍摄，记录下有火焰无光源图片③；

步骤四、保持LED点光源关闭状态，熄灭层流扩散燃烧器或旋流燃烧器上的火焰，光路设置不变，用计算机控制棱镜相机进行拍摄，门宽不变，记录无火焰无光源/背景图片④；

步骤五、先利用计算机编写的Matlab程序对所述的无火焰有光源图片①、有火焰有光源图片②、有火焰无光源图片③、无火焰无光源/背景图片④这四组图片进行处理得到无火焰有光源图片①中光强信号，以I_L(x,y)表示，有火焰有光源图片②中光强信号I_L+f(x,y)，有火焰无光源图片③中光强信号I_f(x,y)，无火焰无光源/背景图片④中光强信号I_b(x,y)，再进行消光法处理；

将四组图片的光强信号代入公式(1)计算得到透射率τ_λ(x,y)，

上式中：τ_λ(x,y)为透射率，I_L+f(x,y)为有火焰有光源图片中光强信号，I_f(x,y)为有火焰无光源图片中光强信号，I_L(x,y)为无火焰有光源图片中光强信号，I_b(x,y)为无火焰无光源/背景图片中光强信号；

步骤六、根据公式(1)计算得到的τ_λ(x,y)，再运用公式(2)并结合Tikhonov正规化的onion-peeling反卷积方法进行处理，计算得到吸收系数或消光系数K_λ(x,y)；

上式中：K_λ(x,y)为吸收系数或消光系数；

根据RDG–PFA理论及火焰中碳烟颗粒物近似为球形粒子，且粒径都在Rayleigh粒径的范围内，忽略粒子对光的散射作用，碳烟颗粒物的体积分数f_v(x,y)与消光系数K_λ(x,y)的关系为：

上式中：K_λ(x,y)为吸收系数或消光系数，λ为波长，E(m)为折射率函数；则依公式(3)计算得出碳烟颗粒物的体积分数f_v(x,y)，单位为ppm；

步骤七、利用计算机编写的Matlab程序提取棱镜相机RGB三通道波长范围，基于公式(4)、(5)、(6)，进行理论计算可得到黑体辐射强度之比ratio，建立look-up table数据库；

上述公式中，I^bb为黑体辐射强度，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数，T为温度，λ为波长，

为对应波长下的黑体辐射强度，即

分别为对应红光、绿光、蓝光下的黑体辐射强度；ratio为黑体辐射强度之比；

使用黑体炉标定光路中元件的响应效率，由公式(7)计算得到三色法下三波段光谱响应之比

上式中：η_R、η_G、η_B分别为对应红光、绿光、蓝光波长下的光谱响应，

分别为当标定灯为光源时对应红光、绿光、蓝光波长下的光谱辐射强度；

步骤八、基于有火焰无光源图片③，利用计算机编写的Matlab程序提取棱镜相机RGB三通道值，通过Tikhonov正规化的onion-peeling反卷积方法，得到当地的火焰三色辐射强度比：

上式中：S_R(x,y)、S_G(x,y)、S_B(x,y)分别为当火焰为光源时对应红光、绿光、蓝光波长下的当地火焰光谱辐射强度；I_R(x,y)、I_G(x,y)、I_B(x,y)分别为对应红光、绿光、蓝光波长下的当地碳烟等效黑体光谱辐射强度，ε_R(x,y)、ε_G(x,y)、ε_B(x,y)分别为对应红光、绿光、蓝光波长下的发射系数，x、y分别为光源介质的x轴、y轴方向；

根据基尔霍夫定律在碳烟颗粒处于热平衡条件下，发射系数ε(x,y)与吸收系数K(x,y)相等；

则整理公式(8)可得当地碳烟等效黑体光谱辐射强度之比：

其中，

由公式(7)可得，

由公式(2)分别对应红光、绿光、蓝光波长计算可得；

基于公式(10)，计算得到当地碳烟等效黑体光谱辐射强度之比，利用look-up table插值计算，可得对应的碳烟颗粒物温度场T(x,y)；

在所述的设有光路二的测量系统中，LED面光源与电源开关连接时，同样按上述步骤操作，及结合先消光后三色法实现同步准确测量碳烟颗粒物温度及体积分数。

5.根据权利要求4所述的应用测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统进行测量的方法，其特征在于：步骤一中所述的计算机控制棱镜相机进行拍摄，设置棱镜相机红光、绿光、蓝光的曝光时间分别为35～45μs、60～70μs、35～45μs。

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