CN202676295U

CN202676295U - 一种火焰温度测量装置

Info

Publication number: CN202676295U
Application number: CN 201220209407
Authority: CN
Inventors: 周涛; 周魁; 姚宏宝
Original assignee: 8358 Research Institute of 3th Academy of CASC
Current assignee: 8358 Research Institute of 3th Academy of CASC
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2022-09-28

Abstract

本实用新型属于一种测量装置，具体涉及一种火焰温度测量装置。目的是提供一种使用简单、可靠性高、测量精度高、并可用于各种场合的火焰温度测量装置。该装置包括：包括位于火焰两侧的激光信号发射系统和光信号采集系统，并且在激光信号发射系统和光信号采集系统之间置有信号处理分析系统；所述激光信号发射系统按激光发射路径依次包含调制信号函数发生器、激光器控制器、激光器、光纤耦合器、光纤和准直出射器；所述光信号采集系统按照光路依次包含准直入射器、光纤、分束器、探测器和数据采集器。该装置使用简单，测量过程中无需标定；不存在运动部件，稳定可靠；且适用于于各类型发动机或工业燃烧场合中。

Description

一种火焰温度测量装置

技术领域

本实用新型属于一种测量装置，具体涉及一种适用于层流和湍流火焰的温度测量装置，特别是航空、航天、机动车等各类型发动机工作过程中燃烧火焰的温度监测，以及工业锅炉的燃烧火焰温度监测。

背景技术

现有的火焰温度测量装置大多针对工业燃烧领域的锅炉火焰测量，且只能测量定常温度，无法测量温度高、变化快的火焰实时温度数值。专利号为ZL87209128.7的实用新型通过技术改进，实现了柴油机燃烧火焰温度的实时测量功能，但其采用的光调制方法带有运动部件，长时间使用的可靠性难以保证。另外，标准温度灯的辐射与火焰辐射也是不同的，用标准温度灯进行标定时必然会引入未知的系统误差，影响测量精度。

综上，火焰温度测量需要考虑环境恶劣、测量精度高、稳定可靠等设计要求。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种使用简单、可靠性高、测量精度高、并可用于各种场合的火焰温度测量装置。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种火焰温度测量装置，包括位于火焰两侧的激光信号发射系统和光信号采集系统，并且在激光信号发射系统和光信号采集系统之间置有信号处理分析系统；所述激光信号发射系统按激光发射路径依次包含调制信号函数发生器、激光器控制器、激光器、光纤耦合器、光纤和准直出射器；信号函数发生器产生载波信号，将载波信号输入激光器控制器，从而使激光器的输入光强随载波信号变化，激光器发射的激光束经过光纤耦合器后进入光纤，再经准直出射器射出；所述光信号采集系统按照光路依次包含准直入射器、光纤、分束器、探测器和数据采集器；经过火焰的激光束由准直入射器收集，经光纤进入分束器；经过分束器后得到的子光束发射到探测器中，探测器输出的信号再经数据采集器输入信号处理分析系统。

如上所述的一种火焰温度测量装置，其中：所述信号处理分析系统包含模数转换器、计算机和数模转换器；其中计算机经过数模转换器向所述信号发生器和激光器控制器发出控制指令；同时，计算机也接收由数据采集器经过模数转换器发来的接收光强信号，进行分析计算，得到火焰温度。

如上所述的一种火焰温度测量装置，其中：所述光信号采集系统中包含的探测器为至少两个。

如上所述的一种火焰温度测量装置，其中：所述激光信号发射系统中至少包含两组激光驱动器和激光器。

如上所述的一种火焰温度测量装置，其中：在所述激光信号发射系统与火焰之间以及光信号采集系统和火焰之间还置有防护系统；在所述防护系统的封闭防护系统外壳内置有准直出射器或准直入射器，并且在防护系统外壳上有三处开口，一处用于通过光纤，一处用于加入氮气，第三处用于放置光学窗口。

如上所述的一种火焰温度测量装置，其中：所述光学窗口选用厚度为1cm的石英材料，透光面积为20cm2。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型公开的装置使用简单，测量过程中无需标定；不存在运动部件，稳定可靠；由于光路采用光纤及准直收发系统，能够耐受高温、高压、振动等恶劣环境条件，使本装置可安装于各类型航空、航天、机动车发动机或工业燃烧场合中。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种火焰温度测量装置的基本原理图；

图2为图1中激光信号发射系统组成框图；

图3为图1中光信号采集系统组成框图；

图4为图1中信号处理分析系统组成框图；

图5为本实用新型提供的一种火焰温度测量装置的具体组成框图；

图6为一种防护系统剖面图；

其中，

1、激光信号发射系统，2、光信号采集系统，3、信号处理分析系统，4、防护系统，11、调制信号函数发生器，12、激光器控制器，13、激光器，14、光纤耦合器，15、光纤，16、准直出射器，21、准直入射器，22、分束器，23、探测器，24、数据采集器，31、数模转换器，32、计算机，33、模数转换器，41、防护壳体，42、光学窗口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型提出的一种火焰温度测量装置进行介绍：

如图1所示，一种火焰温度测量装置包括位于火焰两侧的激光信号发射系统1和光信号采集系统2，并且在激光信号发射系统1和光信号采集系统2之间置有信号处理分析系统3。在激光信号发射系统1与火焰之间以及光信号采集系统2和火焰之间还置有防护系统4，避免火焰周围的环境因素对测量装置的硬件造成损坏。

如图2所示，激光信号发射系统1按激光发射路径依次包含调制信号函数发生器11、激光器控制器12、激光器13、光纤耦合器14、光纤15和准直出射器16；信号函数发生器11产生载波信号，将载波信号输入激光器控制器12，从而使激光器13的输入光强随载波信号变化，这就增强了测量的抗干扰能力。为了提高火焰温度测量的准确性，可以采用至少两组激光驱动器12和激光器13，用来产生不同波长的激光束，这些激光束经过光纤耦合器14后进入光纤15，再经准直出射器16射出。

如图3所示，光信号采集系统2按照光路依次包含准直入射器21、光纤15、分束器22、探测器23和数据采集器24；经过火焰的激光束由准直入射器21收集，经光纤15进入分束器22；光信号采集系统2中可以包含至少两个探测器23。在分束器22中，根据发射系统中激光波长的种类将激光束分成对应个数的子光束，再将这些子光束发射到对应的探测器23中，探测器23输出的信号再经数据采集器24输入信号处理分析系统3。

如图4所示，信号处理分析系统3包含模数转换器33、计算机32和数模转换器31；计算机32经过数模转换器31向信号发生器11和激光器控制器12发出控制指令，确定载波信号参数及激光驱动参数等，保证激光器发出测量所需的激光束；同时，计算机32也接收由数据采集器24经过模数转换器33发来的接收光强信号，进行分析计算，得到火焰温度。

图5给出了一种火焰温度测量装置的具体组成框图；在本实施例中，信号发生器11产生10KHz的锯齿波载波信号，并采用两组激光驱动器12和激光器13，用来产生中心波长为1400nm左右的两种激光束；这两束激光束经过光纤耦合器14后进入光纤15，再经准直出射器16出射；激光束经过火焰后由准直入射器21收集，经光纤15进入分束器22；分束器22根据发射系统中激光波长的种类将激光束分成2个子光束，再将这些子光束发射到对应的红外探测器23中，探测器23输出的信号再经数据采集器24输入模数转换器33。计算机32接收模数转换器33发来的接收光强信号，进行分析计算，得到火焰温度。计算机32也经过数模装换器31和激光器控制器12发出控制指令。准直出射器16与火焰之间以及准直入射器21与火焰之间均置有防护系统4。

如图6所示，在防护系统4的封闭防护系统外壳41内置有准直出射器16或准直入射器21，并且在防护系统外壳41上有三处开口，一处用于通过光纤15，一处用于加入氮气（箭头方向）吹扫来避免测量装置受到辐射热的危害，第三处用于放置光学窗口42，光学窗口42选用厚度为1cm的石英材料，透光面积为20cm²。

测量时，需要将在防护系统4中的准直出射器16和准直入射器21调整到共线的姿态，并保证激光束横穿被测量火焰的待测位置。这样，火焰温度测量装置就进入到了工作状态，计算机采集到光强变化信号之后，由以下公式进行计算

R = \frac{S_{1} (T_{0})}{S_{2} (T_{0})} \exp [- \frac{hc}{k} (E_{1}^{''} - E_{2}^{''}) (\frac{1}{T} - \frac{1}{T_{0}})]

其中，R为两个波长吸收谱线的积分面积之比，T₀为参考温度，T为待测温度，S₁(T₀)和S₂(T₀)为参考温度T₀下两个波长被测吸收谱线的线强，h为普朗克常数，c为光速，k为波尔兹曼常数，E″₁和E″₂为两个波长吸收谱线跃迁前分别对应的低能级能量。

在HITRAN数据库中选取任意温度值作为T₀，查找T₀相应的S₁(T₀)和S₂(T₀)，以及E″₁和E″₂，根据公式求出火焰温度T，R是测量得到的两个波长光强值的比。

Claims

1.一种火焰温度测量装置，包括位于火焰两侧的激光信号发射系统（1）和光信号采集系统（2），并且在激光信号发射系统（1）和光信号采集系统（2）之间置有信号处理分析系统（3）；其特征在于：所述激光信号发射系统（1）按激光发射路径依次包含调制信号函数发生器（11）、激光器控制器（12）、激光器（13）、光纤耦合器（14）、光纤（15）和准直出射器（16）；信号函数发生器（11）产生载波信号，将载波信号输入激光器控制器（12），从而使激光器（13）的输入光强随载波信号变化，激光器（1）发射的激光束经过光纤耦合器（14）后进入光纤（15），再经准直出射器（16）射出；所述光信号采集系统（2）按照光路依次包含准直入射器（21）、光纤（15）、分束器（22）、探测器（23）和数据采集器（24）；经过火焰的激光束由准直入射器（21）收集，经光纤（15）进入分束器（22）；经过分束器（22）后得到的子光束发射到探测器（23）中，探测器（23）输出的信号再经数据采集器（24）输入信号处理分析系统（3）。

2.根据权利要求1所述的一种火焰温度测量装置，其特征在于：所述信号处理分析系统（3）包含模数转换器（33）、计算机（32）和数模转换器（31）；其中计算机（32）经过数模转换器（31）向所述信号发生器（11）和激光器控制器（12）发出控制指令；同时，计算机（32）也接收由数据采集器（24）经过模数转换器（33）发来的接收光强信号，进行分析计算，得到火焰温度。

3.根据权利要求1所述的一种火焰温度测量装置，其特征在于：所述光信号采集系统（2）中包含的探测器（23）为至少两个。

4.根据权利要求1所述的一种火焰温度测量装置，其特征在于：所述激光信号发射系统（1）中至少包含两组激光驱动器（12）和激光器（13）。

5.根据权利要求1所述的一种火焰温度测量装置，其特征在于：在所述激光信号发射系统（1）与火焰之间以及光信号采集系统（2）和火焰之间还置有防护系统（4）；在所述防护系统（4）的封闭防护系统外壳（41）内置有准直出射器（16）或准直入射器（21），并且在防护系统外壳（41）上有三处开口，一处用于通过光纤（15），一处用于加入氮气，第三处用于放置光学窗口（42）。

6.根据权利要求5所述的一种火焰温度测量装置，其特征在于：所述光学窗口（42）选用厚度为1cm的石英材料，透光面积为20cm²。