RU2805134C1 - Panoramic multispectral visualization device for studying combustion processes - Google Patents
Panoramic multispectral visualization device for studying combustion processes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2805134C1 RU2805134C1 RU2023106821A RU2023106821A RU2805134C1 RU 2805134 C1 RU2805134 C1 RU 2805134C1 RU 2023106821 A RU2023106821 A RU 2023106821A RU 2023106821 A RU2023106821 A RU 2023106821A RU 2805134 C1 RU2805134 C1 RU 2805134C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- unit
- spectral
- data processing
- processing unit
- emission spectrometer
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам панорамной мультиспектральной визуализации и может быть использована для исследования процессов горения топлива различных видов.The invention relates to panoramic multispectral imaging devices and can be used to study the combustion processes of various types of fuel.
Исследование энергетических и пространственно-временных характеристик горения может быть проведено посредством регистрации спектров излучения активных компонент потока. Чаще всего исследуют излучение электронно возбужденных радикалов ОН* или СН* с помощью специальных спектральных регистрирующих устройств. Используются линейные спектрометры или одноканальные панорамные спектральные регистрирующие камеры. Недостатком данных устройств является отсутствие возможности одновременной интерпретации широкого спектра излучения и пространственного распределения спектральных компонент.The study of the energy and spatiotemporal characteristics of combustion can be carried out by recording the emission spectra of the active components of the flow. Most often, the emission of electronically excited radicals OH* or CH* is studied using special spectral recording devices. Linear spectrometers or single-channel panoramic spectral recording cameras are used. The disadvantage of these devices is the inability to simultaneously interpret a wide spectrum of radiation and the spatial distribution of spectral components.
Основой данных систем является панорамная регистрация спектрально-селективных данных. Такого вида аппаратура широко применяется для исследования земной и водной поверхности из космоса. Мульти- и гиперспектральные устройства зондирования атмосферы и поверхностей земли и воды способствовали развитию мультиспектральных систем для исследования светящихся сред и световых явлений, возникающих в результате химического, электромагнитного или радиационного возбуждения одно- и многоатомных газов. Одно из самых распространенных в технике световых явлений связано с процессами горения углеводородных топлив в камерах сгорания печей и различных двигателей. Основными характеристиками пламени являются пространственные распределения температур химических компонент пламени, коэффициентов полноты сгорания и скоростей тепловыделения. Все эти характеристики в комплексе дают возможность оценить эффективность процесса горения.The basis of these systems is panoramic recording of spectral-selective data. This type of equipment is widely used to study the earth's and water surfaces from space. Multi- and hyperspectral sensing devices for the atmosphere and surfaces of land and water have contributed to the development of multispectral systems for the study of luminous media and light phenomena resulting from chemical, electromagnetic or radiative excitation of mono- and polyatomic gases. One of the most common light phenomena in technology is associated with the combustion processes of hydrocarbon fuels in the combustion chambers of furnaces and various engines. The main characteristics of the flame are the spatial distribution of temperatures of the chemical components of the flame, combustion completeness coefficients and heat release rates. All these characteristics together make it possible to evaluate the efficiency of the combustion process.
Большинство известных устройств для визуализации пламени настроены на одну спектральную компоненту и визуализируют не комплексные характеристики, а только интенсивности излучения отдельной спектральной компоненты, что не дает возможности оценить эффективность горения, а только получить представление о пространственном распределении выбранной химической компоненты пламени. Получение комплексных характеристик пламени связано с повышением количества разнородных измерительных каналов в системе визуализации и применением интенсивной обработки зарегистрированных данных, то есть применение многоканальных мультиспектральных систем.Most known devices for flame visualization are tuned to one spectral component and do not visualize complex characteristics, but only the emission intensity of a separate spectral component, which does not make it possible to evaluate the combustion efficiency, but only to get an idea of the spatial distribution of the selected chemical component of the flame. Obtaining complex flame characteristics is associated with an increase in the number of heterogeneous measuring channels in the visualization system and the use of intensive processing of recorded data, that is, the use of multichannel multispectral systems.
Из существующего уровня техники известен подход, описанный в статье Lauer, М., and Sattelmayer, Т., "On the adequacy of chemiluminescence as a measure for heat release in turbulent flames with mixture gradients" // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. - 2010. - T. 132. №6, стр. 1-8.From the existing state of the art, the approach described in the article by Lauer, M., and Sattelmayer, T., “On the adequacy of chemiluminescence as a measure for heat release in turbulent flames with mixture gradients” // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power . - 2010. - T. 132. No. 6, pp. 1-8.
В данной работе рассматривается применение устройства панорамной мультиспектральной визуализации относительных скоростей тепловыделения в пламенах с учетом полей распределения коэффициентов полноты сгорания и интенсивности турбулентности пламени. В качестве основных измерительных блоков, вместо панорамных спектральных камер используется блок планарной когерентной лазеро-индуцированной люминесценции OH-PLIF, для измерения полей свечения хемилюминесценции возбужденных радикалов, а вместо теневого прибора для исследования структуры пламени используется лазерная система цифровой анемометрии по изображениям частиц PIV. Недостатками данного устройства являются применение сложной импульсной когерентной аппаратуры, причем зарегистрированные данные должны пройти постобработку, и отсутствие вывода температурных полей, что не дает возможность корректно оценить структуру пламени в реальном времени.This paper examines the use of a device for panoramic multispectral visualization of relative heat release rates in flames, taking into account the distribution fields of combustion completeness coefficients and flame turbulence intensity. As the main measuring units, instead of panoramic spectral cameras, a planar coherent laser-induced luminescence OH-PLIF unit is used to measure the luminescence fields of chemiluminescence of excited radicals, and instead of a shadow device to study the flame structure, a laser digital anemometry system based on PIV particle images is used. The disadvantages of this device are the use of complex pulsed coherent equipment, and the recorded data must undergo post-processing, and the lack of output of temperature fields, which does not make it possible to correctly assess the flame structure in real time.
Также известно устройство, описанное в статье Ikeda, Y., Nishiyama, A., Kim, S., Kawahara, N., and Tomita, E., "Anchor point siructure measurements for laminar propane/air and methane/air premixed flames using local chemiluminescence spectra" // Proceedings of 31st International Symposium on Combustion. 2006.Also known is the device described in the article Ikeda, Y., Nishiyama, A., Kim, S., Kawahara, N., and Tomita, E., “Anchor point siructure measurements for laminar propane/air and methane/air premixed flames using local chemiluminescence spectrum" // Proceedings of the 31st International Symposium on Combustion. 2006.
В рассматриваемой системе используется феноменологический подход с применением эмпирической формулы логико-арифметического попиксельного синтеза изображений (используется несколько панорамных полей). Рассмотрен подход на основе совместного анализа ультрафиолетового и синего панорамных каналов (измерительных блоков).The system under consideration uses a phenomenological approach using an empirical formula for logical-arithmetic pixel-by-pixel image synthesis (several panoramic fields are used). An approach based on joint analysis of ultraviolet and blue panoramic channels (measuring units) is considered.
Недостатком данного устройства является отсутствие контроля эмиссионного спектра с помощью линейного спектрометра, и, как следствие, отсутствие коррекции поля относительной скорости тепловыделения на спектр излучения «мешающих» спектральных компонент, таких как СО и СО2.The disadvantage of this device is the lack of control of the emission spectrum using a linear spectrometer, and, as a consequence, the lack of correction of the relative heat release rate field for the emission spectrum of “interfering” spectral components, such as CO and CO 2 .
Известна статья Lauer, М., 2011. "Determination of the heat release distribution in turbulent flames by chemiluminescence imaging". PhD thesis, Technische Universitat Munchen. В статье описано многоканальное устройство для мультиспектрального анализа процессов горения. Устройство позволяет также определить поле скоростей потока с помощью метода PIV (particle image velocimetry - измерение скорости потока с помощью регистрации перемещения внедренных в поток частиц). Используется коррекция ультрафиолетового канала на основе моделирования распределения излучения в спектрах возбужденных радикалов ОН*, СН*, С2 и CO2.The well-known article is Lauer, M., 2011. “Determination of the heat release distribution in turbulent flames by chemiluminescence imaging.” PhD thesis, Technische Universitat Munchen. The article describes a multichannel device for multispectral analysis of combustion processes. The device also allows you to determine the flow velocity field using the PIV method (particle image velocimetry - measurement of flow velocity by recording the movement of particles embedded in the flow). Correction of the ultraviolet channel is used based on modeling the distribution of radiation in the spectra of excited radicals OH*, CH*, C2 and CO2.
Недостатком описанного устройства является отсутствие модуля определения температуры по непрерывному тепловому спектру излучения сажи с использованием линейного спектрометра. Непрерывная регистрация эмиссионных спектров излучения заменена на программный модуль математического моделирования оптических спектров. Используемые в алгоритмах коррекции спектральные температуры компонент, полученные в расчетах по электронно-возбужденным уровням, сильно отличаются друг от друга в результате сложного химического характера возбуждения и не учитывают вопросы копирования распределения энергий по колебательным и вращательным уровням молекул с основного на электронно-возбужденные уровни. Все указанные недостатки делают невозможным корректную визуализацию процесса горения.The disadvantage of the described device is the absence of a module for determining temperature from the continuous thermal spectrum of soot radiation using a linear spectrometer. Continuous recording of emission spectra has been replaced by a software module for mathematical modeling of optical spectra. The spectral temperatures of the components used in the correction algorithms, obtained in calculations for electronically excited levels, differ greatly from each other as a result of the complex chemical nature of the excitation and do not take into account the issues of copying the energy distribution over the vibrational and rotational levels of molecules from the ground level to the electronically excited levels. All of these disadvantages make it impossible to correctly visualize the combustion process.
Известна заявка Multispectral Flame Detector (№US 20140184793 A1, МПК G08B 17/25, дата публикации 03.07.2014 г.). В данном устройстве используются мультиспектральные камеры, работающие исключительно в тепловой части инфракрасного спектра излучения, что не позволяет определить поле распределения относительной скорости тепловыделения.The application Multispectral Flame Detector is known (No. US 20140184793 A1, IPC G08B 17/25, publication date 07/03/2014). This device uses multispectral cameras that operate exclusively in the thermal part of the infrared radiation spectrum, which does not allow determining the distribution field of the relative heat release rate.
Недостатком данного устройства также является отсутствие управляющего линейного спектрометра, что и позиционирует данное устройство не более как детектор пламен.The disadvantage of this device is also the absence of a control linear spectrometer, which positions this device as nothing more than a flame detector.
За прототип принята «Система мультиспектральной панорамной визуализации потоков с горением», Д.В. Безруков, В.В. Власенко, М.А. Иванькин, А.Н. Морозов, В.М. Рыбаков, «Модели и методы аэродинамики» Материалы Двадцатой международной школы-семинара, Москва 2020, стр. 23-24.The prototype is the “System for multispectral panoramic visualization of combustion flows”, D.V. Bezrukov, V.V. Vlasenko, M.A. Ivankin, A.N. Morozov, V.M. Rybakov, “Models and methods of aerodynamics” Proceedings of the Twentieth International School-Seminar, Moscow 2020, pp. 23-24.
Рассматриваемое устройство - система мультиспектральной панорамной визуализации потоков с горением, применяется на высокоэнтальпийном стенде для исследования процесса горения этилена в высокоскоростном потоке. Устройство регистрирует излучение возбужденных молекулярных компонент в широком спектральном диапазоне оптического излучения и содержит девять панорамных каналов, включающих пять спектральных камер и четыре камеры видимого диапазона высокой четкости, два спектральных линейных канала оптико-эмиссионных спектрометров, и канал, представляющий собой теневой прибор.The device under consideration is a system for multispectral panoramic visualization of combustion flows, used on a high-enthalpy stand to study the process of ethylene combustion in a high-speed flow. The device detects radiation from excited molecular components in a wide spectral range of optical radiation and contains nine panoramic channels, including five spectral cameras and four high-definition visible cameras, two spectral linear channels of optical emission spectrometers, and a channel representing a shadow device.
Регистрирующий канал оптико-эмиссионного спектрометра представляет собой блок, который включает в себя фокусирующую оптику, широкополосный оптический спектрометр, при этом блок оптико-эмиссионного спектрометра связан линией передачи с монитором и позволяет провести анализ эмиссионных спектров излучения потока с горением. Регистрирующий канал спектральной камеры представляет собой блок, который включает в себя оптический спектральный фильтр, формирующую изображение оптику, камеру с матричным фотоприемником, при этом блок спектральной камеры связан линией передачи с монитором и позволяет получить интенсивности излучения спектральных компонент пламени. Канал теневого прибора представляет собой блок, который включает в себя источник излучения, коллиматоры, визуализирующую диафрагму, спектральную камеру, состоящую из оптического спектрального фильтра, формирующей изображение оптики, камеры с матричным фотоприемником, при этом блок теневого прибора связан линией передачи с монитором и позволяет получить теневую картину пламени. Данные со всех блоков одновременно отображаются на мониторе.The recording channel of the optical emission spectrometer is a block that includes focusing optics, a broadband optical spectrometer, while the optical emission spectrometer block is connected by a transmission line to the monitor and allows for analysis of the emission spectra of the flux with combustion. The recording channel of the spectral camera is a block that includes an optical spectral filter, image-forming optics, a camera with a matrix photodetector, and the spectral camera block is connected by a transmission line to the monitor and allows one to obtain the emission intensities of the spectral components of the flame. The channel of the shadow device is a block that includes a radiation source, collimators, a visualizing diaphragm, a spectral camera consisting of an optical spectral filter, image-forming optics, a camera with a matrix photodetector, while the shadow device block is connected by a transmission line to the monitor and makes it possible to obtain shadow picture of the flame. Data from all blocks are simultaneously displayed on the monitor.
Недостатком устройства является отсутствие модуля формирования основных пространственных характеристик процесса, а именно - поля температур, поля относительных скоростей тепловыделения и поля коэффициентов полноты сгорания. Имеющиеся в устройстве спектрометры не используются для управления работой системы, и описанное устройство содержит только набор разрозненных регистрирующих каналов, что не позволяет полностью провести корректную визуализацию процесса горения.The disadvantage of the device is the absence of a module for generating the main spatial characteristics of the process, namely the temperature field, the field of relative heat release rates and the field of combustion completeness coefficients. The spectrometers available in the device are not used to control the operation of the system, and the described device contains only a set of scattered recording channels, which does not allow for complete correct visualization of the combustion process.
Задачей и техническим результатом заявленного изобретения является разработка и создание устройства панорамной мультиспектральной визуализации для исследования процессов горения, которое позволит одновременно получить поля температур, относительных скоростей тепловыделения и коэффициентов полноты сгорания.The objective and technical result of the claimed invention is the development and creation of a panoramic multispectral visualization device for studying combustion processes, which will simultaneously obtain temperature fields, relative heat release rates and combustion completeness coefficients.
Решение поставленной задачи и получение технического результата обеспечивается за счет того, что устройство панорамной мультиспектральной визуализации для исследования процессов горения, состоит из блока оптико-эмиссионного спектрометра, включающего фокусирующую оптику, широкополосный оптический спектрометр, блока спектральной камеры, включающего оптический спектральный фильтр, формирующую изображение оптику, камеру с матричным фотоприемником, блока теневого прибора, включающего источник излучения, коллиматоры, визуализирующую диафрагму, спектральную камеру, при этом устройство дополнительно содержит блок обработки данных, связанный линиями передачи данных с монитором, блоком оптико-эмиссионного спектрометра, блоком спектральной камеры, блоком теневого прибора, выполненный с возможностью получения данных с блока оптико-эмиссионного спектрометра, блока спектральной камеры и блока теневого прибора, выделения спектральных полос хемилюминесценции возбужденного гидроксила ОН*, молекулярных колебательных полос Свана С2, хемилюминесценции возбужденного углеводорода СН* и молекулярных полос СО и CO2, а также с возможностью одновременного отображения на мониторе поля температур, поля относительных скоростей тепловыделения, поля коэффициентов полноты сгорания, при этом блок оптико-эмиссионного спектрометра дополнительно связан управляющим каналом связи с блоком обработки данных и выполнен с возможностью определения наличия мешающих компонент и передачи управляющего сигнала о наличии мешающих спектральных компонент в блок обработки данных.The solution to the problem and obtaining a technical result is ensured due to the fact that the panoramic multispectral imaging device for studying combustion processes consists of an optical emission spectrometer unit, including focusing optics, a broadband optical spectrometer, a spectral camera unit, including an optical spectral filter, image-forming optics , a camera with a matrix photodetector, a shadow device unit, including a radiation source, collimators, a visualizing aperture, a spectral camera, and the device additionally contains a data processing unit connected by data lines to the monitor, an optical emission spectrometer unit, a spectral camera unit, a shadow unit a device configured to receive data from an optical emission spectrometer unit, a spectral camera unit and a shadow device unit, identifying spectral bands of chemiluminescence of excited hydroxyl OH*, molecular vibrational bands of Swan C 2 , chemiluminescence of excited hydrocarbon CH* and molecular bands of CO and CO2, and also with the possibility of simultaneous display on the monitor of a temperature field, a field of relative heat release rates, a field of combustion completeness coefficients, while the optical emission spectrometer unit is additionally connected by a control communication channel with the data processing unit and is configured to determine the presence of interfering components and transmit a control signal about presence of interfering spectral components in the data processing unit.
Сущность изобретения поясняется следующими фигурами.The essence of the invention is illustrated by the following figures.
На фиг. 1 представлено устройство панорамной мультиспектральной визуализации для исследования процессов горения описанное в прототипе.In fig. 1 shows a panoramic multispectral imaging device for studying combustion processes described in the prototype.
На фиг. 2 представлено предлагаемое устройство панорамной мультиспектральной визуализации для исследования процессов горения.In fig. Figure 2 shows the proposed panoramic multispectral imaging device for studying combustion processes.
Перечень элементов:List of elements:
1 - Фокусирующая оптика1 - Focusing optics
2 - Широкополосный оптический спектрометр2 - Broadband optical spectrometer
3 - Линия передачи данных3 - Data line
4-Монитор4-Monitor
5 - Оптический спектральный фильтр5 - Optical spectral filter
6 - формирующая изображение оптика6 - image-forming optics
7 - Камера с матричным фотоприемником7 - Camera with matrix photodetector
8 - Источник излучения8 - Radiation source
9 - Коллиматор 19 - Collimator 1
10 - Объект исследования (пламя)10 - Object of study (flame)
11 - Коллиматор 211 -
12 - Визуализирующая диафрагма12 - Imaging diaphragm
13 - Управляющий канал связи13 - Control communication channel
14 - Блок обработки данных (для сбора данных поля температур, поля относительного тепловыделения, поля коэффициентов полноты сгорания и дальнейшего отображения через линию передачи данных на мониторе).14 - Data processing unit (for collecting data from the temperature field, relative heat release field, combustion efficiency field and further display through the data line on the monitor).
Предлагаемое устройство панорамной мультиспектральной визуализации для исследования процессов горения, состоит из четырех блоков (блок блока оптико-эмиссионного спектрометра, блока спектральной камеры, блока теневого прибора обработки данных) и монитора, жестко закрепленных при помощи винтов на станине (на фигурах не указано). Станина - неподвижное основание, рама, на которой монтируются отдельные части какого-либо устройства (С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. Толковый словарь Ожегова. 1949-1992).The proposed panoramic multispectral imaging device for studying combustion processes consists of four blocks (optical emission spectrometer block, spectral camera block, shadow data processing device block) and a monitor, rigidly fixed with screws on the frame (not indicated in the figures). A bed is a fixed base, a frame on which individual parts of a device are mounted (S.I. Ozhegov, N.Yu. Shvedova. Ozhegov’s Explanatory Dictionary. 1949-1992).
Блок оптико-эмиссионного спектрометра включает в себя фокусирующую оптику 1, широкополосный оптический спектрометр 2, при этом блок оптико-эмиссионного спектрометра связан линией передачи 3 с блоком обработки данных 14, блок обработки данных связан линией передачи данных с монитором 4, при этом блок оптико-эмиссионного спектрометра дополнительно связан управляющим каналом связи 13 с блоком обработки данных 14. Линия передачи данных - средства, которые используются в информационных сетях для распространения сигналов в нужном направлении, это могут быть коаксиальный кабель, витая пара, провод, световод (И.П. Норенков, В.А. Трудоношин. Телекоммуникационные технологии и сети. МГТУ им. Баумана. Москва 1999 г. www.translate.academic.ru). Канал связи - средство односторонней передачи данных (И.П. Норенков, В.А. Трудоношин. Телекоммуникационные технологии и сети. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Москва 1999 г.), при этом канал связи может быть выполнен так же в виде коаксиального кабеля, витой пары, провода или световода.The optical emission spectrometer block includes focusing optics 1, a broadband
В предлагаемом устройстве канал связи является управляющим и служит для передачи управляющего сигнала о наличии мешающих спектральных компонент от широкополосного оптического спектрометра 2 к блоку обработки данных 14 для предотвращения некорректной интерпретации процесса горения.In the proposed device, the communication channel is the control channel and serves to transmit a control signal about the presence of interfering spectral components from the broadband
Блок спектральной камеры включает в себя оптический спектральный фильтр 5, формирующую изображение оптику 6, камеру с матричным фотоприемником 7, при этом блок спектральной камеры связан линией передачи 3 с монитором 4. В зависимости от условий эксперимента устройство может включать в себя несколько блоков спектральных камер, для одновременной регистрации нескольких спектральных компонент, которые невозможно зарегистрировать независимо с помощью одного блока спектральной камеры.The spectral camera block includes an optical
Блок теневого прибора включает в себя источник излучения 8, коллиматоры 9 и 11, визуализирующую диафрагму 12, спектральную камеру, состоящую из оптического спектрального фильтра 5, формирующей изображение оптики 6, камеры с матричным фотоприемником 7, при этом блок теневого прибора связан линией передачи данных 3 с монитором 4.The shadow device block includes a
Блок обработки данных получает данные с блока оптико-эмиссионного спектрометра, блока спектральной камеры и блока теневого прибора для сбора исходных данных и преобразования их в поле температур, поле относительных скоростей тепловыделения, поле коэффициентов полноты сгорания - для одновременного отображения через линию передачи данных на мониторе.The data processing unit receives data from the optical emission spectrometer unit, the spectral camera unit and the shadow device unit to collect the initial data and convert them into a temperature field, a field of relative heat release rates, a field of combustion completeness coefficients - for simultaneous display via a data line on the monitor.
Устройство при исследовании процессов горения работает следующим образом.The device for studying combustion processes operates as follows.
Блок спектральной камеры регистрирует поле интенсивности излучения спектральных компонент потока, таких как возбужденные молекулы гидроксила ОН* и углеводорода СН*, полосы Свана молекулярного углерода С2, излучение молекул СО и СО2, излучение высокоэнергетического молекулярного иона N2 +. Выделение данных компонент в общем спектре излучения пламени достигается применением оптического спектрального фильтра 5 (интерференционного спектрально-селективного фильтра), настроенного на отдельные компоненты пламени, и спектрально-селективной чувствительностью матричного фотоприемника камеры 7. Применение стандартной камеры видимого диапазона позволяет зарегистрировать одновременно до трех компонент, при условии, что спектры излучения соответствующих полос лежат в области пропускания спектральных фильтров матричных фотоприемников. Модифицированные камеры с кремниевыми матричными фотоприемниками высокого пространственного разрешения могут регистрировать до шести спектральных компонент одновременно. При этом используется формирующая изображение оптика 6 широкого спектрального диапазона. Кварцевая оптика позволяет регистрировать излучение в диапазоне 300 нм - 1100 нм с помощью стандартного кремниевого матричного фотоприемника. Полученные спектральные изображения поступают на блок обработки данных 14 через линии передачи данных 3.The spectral camera unit records the radiation intensity field of spectral components of the flow, such as excited hydroxyl molecules OH* and hydrocarbon CH*, Swan bands of molecular carbon C 2 , radiation of CO and CO 2 molecules, radiation of the high-energy molecular ion N 2 + . Isolation of these components in the general spectrum of flame radiation is achieved by using an optical spectral filter 5 (interference spectral-selective filter), tuned to individual flame components, and the spectral-selective sensitivity of the matrix photodetector of the
В случае необходимости независимой регистрации спектральных компонент, находящихся в области спектральной чувствительности одного фильтра матричного фотоприемника спектральной камеры, можно использовать несколько блоков спектральных камер со спектрально-селективными фильтрами, настроенными на отдельные спектральные компоненты пламени.If it is necessary to independently record spectral components located in the spectral sensitivity region of one filter of the matrix photodetector of a spectral camera, several blocks of spectral cameras with spectral-selective filters tuned to individual spectral components of the flame can be used.
Блок оптико-эмиссионного спектрометра регистрирует эмиссионный спектр пламени в широком диапазоне длин волн оптического излучения. Фокусирующая оптика 1, например кварцевая, работает в широком диапазоне длин волн, и, позволяет широкополосному оптическому спектрометру 2 регистрировать эмиссионный спектр в спектральной области 200 нм - 1100 нм длин волн оптического излучения. Полученные эмиссионные спектры поступают на блок обработки данных 14 через линию передачи данных 3.The optical emission spectrometer unit records the emission spectrum of the flame in a wide range of wavelengths of optical radiation. Focusing optics 1, for example quartz, operates in a wide range of wavelengths, and allows the broadband
Блок теневого прибора, позволяет зарегистрировать мгновенную картину турбулентной структуры пламени следующим образом - свет от источника излучения 8 преобразуется в пучок параллельных лучей с помощью коллиматора 9, далее пучок параллельных лучей проходит сквозь объект исследования 10 при этом часть лучей отклоняется, преломляясь на неоднородностях плотности объекта, преломленный пучок лучей фокусируется коллиматором 11 на визуализирующей диафрагме 12, позволяя получить теневую картину неоднородности плотностей объекта. Результирующая теневая картина регистрируется с помощью блока спектральной камеры и поступает на блок обработки данных 14 через линию связи 3.The shadow device block allows you to register an instantaneous picture of the turbulent structure of the flame as follows - light from the
Блок обработки данных 14 позволяет выделить ряд характерных спектральных полос, таких как хемилюминесценцию возбужденного гидроксила ОН*, характеризующего тепловыделение, молекулярные колебательные полосы Свана С2 и хемилюминесценцию возбужденного углеводорода СН*, позволяющие оценить степень полноты сгорания, полосы молекулярного иона N2 +, позволяющие оценить наличие каталитических примесей в пламени, молекулярные полосы СО и CO2, которые, в результате наложения на спектральные полосы ОН* и СН* способствуют искажению интерпретации излучения хемилюминесценции ОН* как относительной скорости тепловыделения.
Дополнительно, блок обработки данных 14 позволяет оценить спектральную температуру пламени по области спектра непрерывного континуума излучения сажи (статья «Измерение температуры углеводородного пламени методами оптической пирометрии» / Мошаров В.Е., Радченко В.Н., Сенюев И.В. // XV Минский международный форум по тепло - массобомену. 2016 г.). Выделение области континуума, без дополнительных спектральных молекулярных полос производится на основе анализа спектра излучения пламени. Параметры области континуума записываются в блок оптико-электронного спектрометра. В случае, когда спектрометр определяет наличие мешающих компонент, по управляющему каналу связи передается сигнал об отсутствии возможности расчета поля температур пламени, что позволяет не допустить некорректной интерпретации процесса горения.Additionally,
Дополнительно, блок обработки данных позволяет произвести коррекцию поля относительных скоростей тепловыделения, полученного по излучению возбужденных компонент пламени ОН* и/или СН*, посредством учета наложения полос излучения мешающих компонент.Additionally, the data processing unit makes it possible to correct the field of relative heat release rates obtained from the radiation of excited flame components OH* and/or CH*, by taking into account the overlap of emission bands of interfering components.
Блок обработки данных, на основе двумерного спектрального анализа, позволяет определить зоны турбулентности и их интенсивность. Активное турбулентное перемешивание пламени уменьшает интенсивность свечения возбужденного гидроксила ОН* в результате тушения активным кислородом. Блок обработки данных проводит коррекцию сигнала хемилюминесценции гидроксила ОН* на основе анализа уровня турбулентности.The data processing unit, based on two-dimensional spectral analysis, allows you to determine turbulence zones and their intensity. Active turbulent mixing of the flame reduces the intensity of the glow of excited hydroxyl OH* as a result of quenching by active oxygen. The data processing unit corrects the hydroxyl OH* chemiluminescence signal based on an analysis of the turbulence level.
Таким образом блок обработки данных позволяет сформировать следующие панорамные поля, характеризующие процесс горения - поле спектральных температур, поле относительных скоростей тепловыделения и поле коэффициентов полноты сгорания, и вывести их на монитор 4, что, в свою очередь, позволяет получить максимально полную картину визуализации процесса горения. В случае некорректной оценки данных полей, оптико-эмиссионный спектрометр передает по управляющему каналу связи сигнал, по которому вывод на монитор соответствующего искаженного поля будет невозможен.Thus, the data processing unit allows you to generate the following panoramic fields characterizing the combustion process - a field of spectral temperatures, a field of relative heat release rates and a field of combustion completeness coefficients, and display them on monitor 4, which, in turn, allows you to obtain the most complete picture of visualization of the combustion process . In the event of an incorrect assessment of these fields, the optical emission spectrometer transmits a signal via the control communication channel, which will make it impossible to display the corresponding distorted field on the monitor.
Создано устройство панорамной мультиспектральной визуализации для исследования процессов горения, которое позволяет одновременно получить поля температур, относительных скоростей тепловыделения и коэффициентов полноты сгорания.A panoramic multispectral visualization device has been created to study combustion processes, which makes it possible to simultaneously obtain temperature fields, relative heat release rates and combustion completeness coefficients.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2805134C1 true RU2805134C1 (en) | 2023-10-11 |
Family
ID=
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10113330C2 (en) * | 2001-03-20 | 2003-04-17 | Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt | Method and device for optical remote measurement of fire scenes using IR sensors |
RU2296370C2 (en) * | 2005-05-27 | 2007-03-27 | Николай Иванович Горбунов | Infrared multirange flame and burst detector |
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10113330C2 (en) * | 2001-03-20 | 2003-04-17 | Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt | Method and device for optical remote measurement of fire scenes using IR sensors |
RU2296370C2 (en) * | 2005-05-27 | 2007-03-27 | Николай Иванович Горбунов | Infrared multirange flame and burst detector |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Д.В. Безруков и др. "Система мультиспектральной панорамной визуализации потоков с горением", "Модели и методы аэродинамики" Материалы Двадцатой международной школы-семинара, 2020 г., стр. 23-24. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Eckbreth et al. | CARS concentration sensitivity with and without nonresonant background suppression | |
Bergmann et al. | Application of spontaneous Raman and Rayleigh scattering and 2D LIF for the characterization of a turbulent CH4/H2/N2 jet diffusion flame | |
US7907272B2 (en) | Fiber optic spectroscopic digital imaging sensor and method for flame properties monitoring | |
US20140336953A1 (en) | Method to quantify emission rates in atmospheric plumes | |
US8614791B2 (en) | Spectroscope | |
Yu et al. | 4D temperature measurements using tomographic two-color pyrometry | |
McManus et al. | Simultaneous 2D filtered Rayleigh scattering thermometry and stereoscopic particle image velocimetry measurements in turbulent non-premixed flames | |
Cassady et al. | Time-resolved, single-ended laser absorption thermometry and H2O, CO2, and CO speciation in a H2/C2H4-fueled rotating detonation engine | |
EP3271696B1 (en) | Single device for gas and flame detection, imaging and measurement | |
Qi et al. | Simultaneous reconstruction of flame temperature and soot volume fraction through weighted non-negative least squares and light field imaging techniques | |
RU2805134C1 (en) | Panoramic multispectral visualization device for studying combustion processes | |
Zhao et al. | A stability and spatial-resolution enhanced laser absorption spectroscopy tomographic sensor for complex combustion flame diagnosis | |
Hicks et al. | Imaging fluorescent combustion species in gas turbine flame tubes-On complexities in real systems | |
Turner et al. | Laminar Flame Speed Measurements from Chemiluminescence of OH* and CH* in CH4-Air Flames | |
Sheps et al. | Time-resolved broadband cavity-enhanced absorption spectroscopy for chemical kinetics. | |
Trueba Monje et al. | Filtered Rayleigh scattering thermometry in premixed flames | |
Martins et al. | Analyzing 3D fields of refractive index, emission and temperature in spray-flame nanoparticle synthesis via tomographic imaging using multi-simultaneous measurements (TIMes) | |
McManus | An Experimental Investigation of the Relationship between Flow Turbulence and Temperature Fields in Turbulent Non-premixed Jet Flames | |
RU2805562C1 (en) | Schlieren instrument for a flame with high time resolution | |
Paulec et al. | Infrared signature measurements of a jet turbine using a hyperspectral imager for combustion diagnostics | |
Grünefeld et al. | Simultaneous multiple-line Raman/Rayleigh/LIF measurements in combustion | |
Doll et al. | Towards time-resolved multi-property measurements by filtered Rayleigh scattering: diagnostic approach and verification | |
Paulec et al. | Tomographic reconstruction of a jet engine exhaust plume using an infrared hyperspectral imager | |
Ji | Experimental and theoretical study of the spectral radiation characteristics of lean premixed flames | |
Ekoto et al. | Development of a Raman spectroscopy technique to detect alternate transportation fuel hydrocarbon intermediates in complex combustion environments. |