CN216524101U

CN216524101U - 一种同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统

Info

Publication number: CN216524101U
Application number: CN202123145265.5U
Authority: CN
Inventors: 王潜龙; 李朝民; 李振; 刘海峰; 郑尊清; 尧命发
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2021-12-14
Filing date: 2021-12-14
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2031-12-14

Abstract

本实用新型涉及一种同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统，设有燃烧器装置和光路。本系统有两种结构：第一种结构为电源开关与LED点光源连接，光源后顺序设复眼透镜、两凸面相对安装的平凸透镜、滤波片、棱镜相机和计算机；电源开关打开LED点光源产生光束；两平凸透镜中的第一平凸透镜将复眼透镜均匀化的光束整为平行准直光束，第二平凸透镜将准直光束整为收缩光束通过滤波片打到相机镜头上，棱镜相机用于拍摄图片；所述燃烧器装置设在两平凸透镜之间。第二种结构为电源开关后顺序连接LED面光源，滤波片、棱镜相机和计算机；所述燃烧器装置设在面光源与滤波片之间。本系统结构简单成本低，可用于同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数。

Description

一种同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统

技术领域

本实用新型涉及一种同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统，具体地说是一种基于LED光源可同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统。

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，它广泛来源于各种动力设备，比如：工作中的内燃机、燃气轮机和航空发动机等燃料的未完全燃烧。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。

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简易测量光路，可结合消光法和三色法的实现碳烟颗粒物温度及体积分数的同时准确测量，且系统光路简单，光源成本低，测量精度更高。

发明内容

本实用新型的目的是要解决现有技术存在的问题，而提供一种具有成本低，测量精度高，基于LED光源和简单的光路，通过结合消光法和三色法可同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统，设有燃烧器装置和光路，燃烧器装置为层流扩散燃烧器装置或旋流燃烧器装置；

所述的层流扩散燃烧器装置设有层流扩散燃烧器、点火器、燃气与空气的气路；同样旋流燃烧器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；

所述的光路基于LED光源，设有电源开关，LED点光源或LED面光源，复眼透镜，两个平凸透镜，滤波片和计算机；电源开关用于打开LED点光源或LED面光源；

所述的测量系统有两种结构：第一种结构为所述的电源开关与LED点光源连接，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LED点光源用于在电源开关打开后产生光束；复眼透镜用于使光束均匀化及扩散；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，计算机用于控制棱镜相机拍摄、记录下图片及数据计算和处理；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；

第二种结构为所述的电源开关与LED面光源连接，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LED点光源或LED面光源、复眼透镜、两平凸透镜、中性密度滤波片和棱镜相机镜头的中心高度处于同一高度，为层流扩散燃烧器或旋流燃烧器上火焰中心高度。

所述第一种结构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。

所述第二种结构的测量系统中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。

本实用新型同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统与现有技术相比具有的有益效果是：

⑴、本实用新型提供了两种结构的测量系统成本均较低。本测量系统相较于之前采用复杂光路的红、绿激光器测量系统的光路以及传统使用双色法和消光法结合的光路结构简单许多，可节约大量透镜和滤波片的投入，大大降低光路成本，同时本测量系统利用LED光源具有高效、低成本和光斑均匀的特点，取代消光法常用的昂贵复杂的激光光源，降低了光源的使用成本。

⑵、本实用新型的测量系统可通过棱镜相机拍摄直接得到RGB三通道值。本测量系统首次采用棱镜相机拍摄，棱镜相机可进行分光处理，分别设置红光、绿光、蓝光的曝光时间为40μs、60μs、40μs，因此可直接得到RGB三通道值，且分别设置曝光时间也有效防止过曝问题，降低火焰辐射的影响。棱镜相机与以往测量光路使用的彩色CCD相机相比，彩色CCD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RGB值强弱不一，尤其可避免在信号太弱时无法使用弊病。

⑶、本实用新型的测量系统采用棱镜相机镜头搭配中性密度滤波片使用，有效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。

⑷、本实用新型测量系统采用基于LED面光源的光路，由于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。

(5)、本实用新型测量系统结构简单。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，这样使测量系统的光路极易实施。

附图说明

图1为本实用新型采用LED点光源的测量系统结构示意图。

图2本实用新型采用LED面光源的测量系统结构示意图。

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实用新型的一种同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统作进一步说明，但本实用新型的实施不限于此。

实施例1：本实用新型提供一种同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统，其结构如图1，图1是本实用新型中的第一种结构的测量系统(仅为示意图)，其中的燃烧器装置也只画出燃烧器11。

本实用新型的测量系统设有燃烧器装置和光路。

本实施例的测量系统中燃烧器装置选用了层流扩散燃烧器装置，设有层流扩散燃烧器、点火器、燃气与空气的气路；燃气选用了乙烯燃气，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。

所述的光路基于LED光源，设有电源开关1，LED点光源2，复眼透镜3，两个平凸透镜分别为第一平凸透镜4和第二平凸透镜5，中性密度滤波片6，棱镜相机8和计算机9；所述的电源开关与LED点光源连接，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；所述的电源开关用于打开LED点光源后产生光束；复眼透镜用于使光束均匀化及扩散；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；收缩光束通过中性密度滤波片打到棱镜相机镜头7上，选用中性密度滤波片可避免棱镜相机过曝；计算机用于控制棱镜相机拍摄、记录图片、数据计算和处理；所述的燃烧器11设置在两个平凸透镜之间。

所述的电源开关为数控式开关，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复眼透镜；两个平凸透镜的直径10cm，焦距30cm；中性密度滤波片采用NDUV06A滤波片；棱镜相机型号为12PF-JAI-3-3M。

安装系统时，LED点光源2、复眼透镜3、两个平凸透镜、中性密度滤波片6、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30cm；第一平凸透镜与第二平凸透镜的安装距离选用两个平凸透镜的焦距之和为60cm；第二平凸透镜与中性密度滤波片的安装距离是30cm；当然，所述安装距离在实际操作中还需微调至相机中火焰成像位于LED光源提供的光圈中央，以及保证成像清晰度。

本实施例的测量系统用于同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数，其操作步骤如下：

步骤(1)、由电源开关1打开LED点光源2产生光束，LED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，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40μs、60μs、40μs，这样计算机记录下无火焰有光源图片①；

步骤(2)、保持LED点光源2为开启状态，设置好测量时燃气与空气当量比对应的流量，打开乙烯燃气与空气的气路，本实施例设置为0.231L/min乙烯对应43L/min空气，使用点火器点燃乙烯燃烧，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(3)、用电源开关1关闭LED点光源2，保持层流扩散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(4)、保持LED点光源为关闭状态，熄灭燃烧器11的火焰，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，记录下无火焰无光源的背景图片④；

步骤(5)、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、无火焰无光源的背景图片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)，无火焰无光源的背景图片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)为无火焰无光源的背景图片中光强信号；

步骤(6)、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(7)、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

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(8)、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：

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)。

实施例2：本实用新型提供一种同时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，是第二种结构的测量系统，设有燃烧器装置和光路。

本实施例的系统为简化的测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统；本实施例中LED面光源10采用市售的FST-PBAL200V120W面光源；燃烧器装置中的燃烧器11选用旋流燃烧器，旋流燃烧器点燃后产生旋流对称火焰。所述的电源开关1与LED面光源连接，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；安装系统时，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；此外，LED面光源、中性密度滤波片、棱镜相机镜头的中心高度应处于同一高度，为旋流燃烧器火焰中心高度。

本测量系统用于同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数，具体的操作步骤如下：

步骤(1)、由数控的电源开关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，棱镜相机可进行分光处理，分别设置红光、绿光、蓝光的曝光时间为40μs、60μs、40μs，这样计算机记录下无火焰有光源图片①；

步骤(2)、保持LED面光源10为开启状态，打开乙烯燃气与空气的气路，本实施例依然采用0.231L/min乙烯对应43L/min空气，使用点火器点燃气体燃烧，在旋流燃烧器上方形成旋流火焰，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(3)、用数控的电源开关1关闭LED面光源，保持旋流燃烧器的旋流火焰正常燃烧，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(4)、保持LED面光源10为关闭状态，熄灭旋流火焰，光路设置不变，用计算机控制棱镜相机进行拍摄，门宽不变，记录无火焰无光源的背景图片④；

经过上述4个步骤操作得到了四组照片，分别为无火焰有光源图片①、有火焰有光源图片②、有火焰无光源图片③、无火焰无光源的背景图片④，然后按实施例1相同操作步骤(5)至步骤(8)，实现同时测得扩散燃烧过程中燃烧温度和碳烟颗粒物的体积分数。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。

本实用新型的测量系统结构简单，光源基于LED光源，成本低，能同时准确地测得扩散燃烧过程中燃烧温度和碳烟颗粒物的体积分数。

Claims

1.一种同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统，设有燃烧器装置和光路，燃烧器装置为层流扩散燃烧器装置或旋流燃烧器装置；其特征在于：

2.根据权利要求1所述的同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统，其特征在于：所述LED点光源或LED面光源、复眼透镜、两平凸透镜、中性密度滤波片和棱镜相机镜头的中心高度处于同一高度，为层流扩散燃烧器或旋流燃烧器上火焰中心高度。

3.根据权利要求1所述的同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统，其特征在于：所述第一种结构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。

4.根据权利要求1所述的同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统，其特征在于：所述第二种结构的测量系统中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。