RU2805562C1 - Schlieren instrument for a flame with high time resolution - Google Patents

Schlieren instrument for a flame with high time resolution Download PDF

Info

Publication number
RU2805562C1
RU2805562C1 RU2023106901A RU2023106901A RU2805562C1 RU 2805562 C1 RU2805562 C1 RU 2805562C1 RU 2023106901 A RU2023106901 A RU 2023106901A RU 2023106901 A RU2023106901 A RU 2023106901A RU 2805562 C1 RU2805562 C1 RU 2805562C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
radiation source
flame
pulsed radiation
spectral
Prior art date
Application number
RU2023106901A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Екатерина Дмитриевна Кудрявцева
Александр Николаевич Морозов
Михаил Владимирович Рыбаков
Original Assignee
Федеральное автономное учреждение "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное автономное учреждение "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" filed Critical Федеральное автономное учреждение "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского"
Application granted granted Critical
Publication of RU2805562C1 publication Critical patent/RU2805562C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: emission spectroscopy.
SUBSTANCE: relates to a schlieren instrument for a flame with a high temporal resolution. The schlieren instrument consists of a pulsed radiation source, collimators, an imaging diaphragm, an optical spectral-selective filter that forms an image of the optics, a strobe camera with a matrix photodetector connected by a strobe control line to a pulsed radiation source, and an optical emission spectrometer. The optical emission spectrometer consists of focusing optics and a broadband optical spectrometer connected to a pulsed radiation source and an optical spectral-selective filter by control communication channels for transmitting a control signal about the presence of interfering spectral components and configured to display the validity of the flame schlieren pattern on the display. The pulsed radiation source and the optical spectral-selective filter are frequency tunable.
EFFECT: providing the ability to maintain the contrast of the flame schlieren pattern with a high temporal resolution under dynamically changing conditions of the combustion process.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к оптическим устройствам теневой визуализации и может быть использовано для исследования нестационарных процессов горения, включая непрерывный мониторинг с высоким временным разрешением теневой картины течения с горением.The invention relates to optical devices for shadow imaging and can be used to study unsteady combustion processes, including continuous monitoring with high time resolution of the shadow flow pattern with combustion.

Одним из методов визуализации высокоскоростных потоков с горением являются классические рефрактометрические методы исследования прозрачных потоков газа, например, такие как прямотеневые, теневые и интерферометрические (www.cyberleninka.ru, статья «Визуализация структуры газовых потоков теневыми и интерференционными методами» Иншаков С.И., Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. Академика С.П. Королева, 2007 г.).One of the methods for visualizing high-speed flows with combustion is classical refractometric methods for studying transparent gas flows, for example, direct shadow, shadow and interferometric (www.cyberleninka.ru, article “Visualization of the structure of gas flows by shadow and interference methods” Inshakov S.I., Bulletin of the Samara State Aerospace University named after Academician S.P. Korolev, 2007).

Во всех рассматриваемых методах используется система, включающая в себя источник излучения и регистрирующую камеру. Классическим источником излучения является широкополосный источник в виде галогенной, ртутной или дейтериевой ламп. Основным недостатком при исследовании нестационарных структур является недостаточно высокое временное разрешение данных систем. Актуальность тематики обусловлена необходимостью непрерывного мониторинга теневой картины течения с высоким временным разрешением.All methods considered use a system that includes a radiation source and a recording camera. The classic radiation source is a broadband source in the form of halogen, mercury or deuterium lamps. The main disadvantage in the study of non-stationary structures is the insufficiently high time resolution of these systems. The relevance of the topic is due to the need for continuous monitoring of the shadow flow pattern with high time resolution.

Для временного замораживания картины течения газа, как правило, используются импульсные источники света. В предлагаемом теневом приборе в качестве решения был выбран импульсный источник излучения, который синхронизируют с камерой, содержащей матричный фотоприемник, регистрирующей непрерывный видеопоток. Как известно, при горении возникает несколько видов оптического излучения - непрерывный спектр теплового излучения и спектрально дискретное излучение атомарных линий и молекулярных полос (www.cyberleninka.ru, статья «О выборе спектрального интервала при исследовании полей температуры в пламени с помощью тепловизора» М.В. Агафонцев и др. Журнал: Вестник науки Сибири. 2015 г. Спецвыпуск (15), стр. 37-42). Данное излучение снижает контраст теневого изображения вплоть до полного исчезновения теневой картины объекта исследования (пламени). Для уменьшения влияния собственного свечения объекта исследования используется два способа - временной: уменьшение экспозиционной выдержки, и спектральный: использование узкополосных спектрально-селективных фильтров.To temporarily freeze the gas flow pattern, pulsed light sources are usually used. In the proposed shadow device, a pulsed radiation source was chosen as a solution, which is synchronized with a camera containing a matrix photodetector that records a continuous video stream. As is known, during combustion several types of optical radiation arise - a continuous spectrum of thermal radiation and spectrally discrete radiation of atomic lines and molecular bands (www.cyberleninka.ru, article “On the choice of the spectral interval when studying temperature fields in a flame using a thermal imager” by M.V. Agafontsev et al. Journal: Bulletin of Science of Siberia. 2015. Special issue (15), pp. 37-42). This radiation reduces the contrast of the shadow image until the shadow image of the object of study (flame) completely disappears. To reduce the influence of the object's own glow, two methods are used - temporal: reducing the exposure time, and spectral: using narrow-band spectral-selective filters.

Известна заявка на патент «High-Speed transient schlieren system for large wind turmel» (CN110207940A, МПК G01M 9/06, G02B 17/06, G02B 27/54, дата публикации 06.09.2019 г.). В рассматриваемой заявке для визуализации теневой картины высокоскоростных потоков используется импульсный источник зондирующего излучения.There is a known patent application “High-Speed transient schlieren system for large wind turmel” (CN110207940A, IPC G01M 9/06, G02B 17/06, G02B 27/54, publication date 09/06/2019). In the application under consideration, a pulsed source of probing radiation is used to visualize the shadow pattern of high-speed flows.

Недостатком данной системы является отсутствие спектрально-селективных и спектрометрических систем, что не позволяет проводить теневые исследования пламени.The disadvantage of this system is the lack of spectral-selective and spectrometric systems, which does not allow shadow flame studies.

Известно изобретение «Device and method for measuring flame for and temperature synchronously» (патент CN107782463B, МПК G01B 11/00, G01B 11/24, G01K 11/003, дата публикации 28.04.2020 г.). Патент описывает устройство для измерения формы пламени с помощью высокоскоростного теневого прибора и одновременного измерения температуры пламени по методу поглощения с помощью диодного лазера. Данное устройство не содержит модуля спектральной дискриминации собственного свечения пламени и оптико-эмиссионного спектрометра.The invention “Device and method for measuring flame for and temperature synchronously” is known (patent CN107782463B, IPC G01B 11/00, G01B 11/24, G01K 11/003, publication date 04/28/2020). The patent describes a device for measuring flame shape using a high-speed shadow instrument and simultaneously measuring flame temperature using an absorption method using a diode laser. This device does not contain a module for spectral discrimination of the flame's own glow and an optical emission spectrometer.

Недостатком данного устройства является недостаточный контраст теневой картины пламени, что приводит к визуализации низкого качества.The disadvantage of this device is the insufficient contrast of the shadow pattern of the flame, which leads to poor quality visualization.

Известна система для исследования пространственной структуры пламени «System for researching cellular flame space structure based on three-dimensional Schlieren imaging technology» (патент CN111397907 В, МПК G01K 1/02, G01K 7/02, G01L 9/08, дата публикации 19.09.2021 г.). Данная система основана на стерео-теневом приборе, и, более того, теневой оптической томографии. В системе используются высокоскоростные регистрирующие камеры, но, отсутствуют модули спектральной дискриминации собственного свечения пламени и оптико-эмиссионного спектрометра.A known system for studying the spatial structure of a flame is “System for researching flamecellular space structure based on three-dimensional Schlieren imaging technology” (patent CN111397907 B, IPC G01K 1/02, G01K 7/02, G01L 9/08, publication date 09.19.2021 G.). This system is based on a stereo-shadow device, and, moreover, shadow optical tomography. The system uses high-speed recording cameras, but there are no modules for spectral discrimination of the flame's own glow and an optical emission spectrometer.

Недостатком данного устройства является недостаточный контраст теневой картины пламени, что приводит к визуализации низкого качества вследствие засветки теневой картины собственным свечением пламени.The disadvantage of this device is the insufficient contrast of the shadow pattern of the flame, which leads to low-quality visualization due to the illumination of the shadow pattern by the flame’s own glow.

За прототип принят теневой прибор для исследования высокоскоростных потоков с горением (статья К.Д. Кудрявцева, А.Н. Морозов, М.В. Рыбаков, Материалы Двадцатой Международной школы-семинара, Москва 2020, стр. 75-76).The prototype is a shadow device for studying high-speed flows with combustion (article by K.D. Kudryavtsev, A.N. Morozov, M.V. Rybakov, Materials of the Twentieth International School-Seminar, Moscow 2020, pp. 75-76).

Рассматриваемый теневой прибор для пламени с высоким временным разрешением содержит источник зондирующего излучения, приемную систему в виде стробируемой камеры с матричным фотоприемником, оптический спектрально-селективный фильтр, систему синхронизации в виде линии управления стробом с импульсным источником излучения. Стробирующий импульсный сигнал (строб) используется для синхронизации с помощью малого временного окна экспонирования матрицы с импульсом излучения источника.The considered shadow device for a flame with high time resolution contains a source of probing radiation, a receiving system in the form of a gated camera with a matrix photodetector, an optical spectral-selective filter, and a synchronization system in the form of a strobe control line with a pulsed radiation source. A gate pulse signal (strobe) is used to synchronize the matrix exposure with the source radiation pulse using a small time window.

В данном теневом приборе не предусмотрена возможность проводить непрерывную перестройку по частоте импульсного источника излучения и оптического спектрально-селективного фильтра в реальном времени, что и является его основным недостатком. Для настройки прибора используется предварительный анализ эмиссионных спектров излучения потока для настройки спектральной области исследования, что ограничивает применимость теневого прибора в случае меняющихся параметров по температуре горения, и, следовательно, по химическому и спектральному составу исследуемого процесса горения - таким образом, отсутствуют перестраиваемые по длине волны компоненты измерительной системы. Также недостатком системы является отсутствие непрерывного видеопотока данных, поскольку используемая в работе видеокамера позволяет генерировать последовательность изображений, но без возможности обратного синхронного управления источником зондирующего излучения.This shadow device does not provide the ability to continuously adjust the frequency of a pulsed radiation source and an optical spectral-selective filter in real time, which is its main disadvantage. To set up the device, a preliminary analysis of the emission spectra of the flow radiation is used to adjust the spectral region of the study, which limits the applicability of the shadow device in the case of changing parameters in terms of combustion temperature, and, consequently, in the chemical and spectral composition of the combustion process under study - thus, there are no wavelengths tunable measuring system components. Another disadvantage of the system is the lack of a continuous video data stream, since the video camera used in the work allows generating a sequence of images, but without the possibility of reverse synchronous control of the source of probing radiation.

Задачей и техническим результатом заявленного изобретения является разработка и создание теневого прибора для пламени с высоким временным разрешением, позволяющего поддерживать контраст теневой картины пламени с высоким временным разрешением при динамически меняющихся условиях процесса горения.The objective and technical result of the claimed invention is the development and creation of a flame shadow device with high time resolution, which allows maintaining the contrast of the shadow flame pattern with high time resolution under dynamically changing conditions of the combustion process.

Решение поставленной задачи и получение технического результата обеспечивается за счет того, что теневой прибор состоит из импульсного источника излучения, коллиматоров, визуализирующей диафрагмы, оптического спектрально-селективного фильтра, формирующей изображение оптики, стробируемой камеры с матричным фотоприемником связанной линией управления стробом с импульсным источником излучения с функцией передачи данных на дисплей, при этом теневой прибор дополнительно содержит оптико-эмиссионный спектрометр состоящий из фокусирующей оптики и широкополосного оптического спектрометра, при этом оптико-эмиссионный спектрометр связан с импульсным источником излучения и оптическим спектрально-селективным фильтром управляющими каналами связи, импульсный источник излучения и оптический спектрально-селективный фильтр выполнены перестраиваемыми по частоте, а оптико-эмиссионный спектрометр выполнен с функций передачи индикации валидности теневой картины пламени на дисплей.The solution to the problem and obtaining a technical result is ensured due to the fact that the shadow device consists of a pulsed radiation source, collimators, a visualizing diaphragm, an optical spectral-selective filter, image-forming optics, a gated camera with a matrix photodetector connected by a strobe control line with a pulsed radiation source with function of transmitting data to the display, while the shadow device additionally contains an optical emission spectrometer consisting of focusing optics and a broadband optical spectrometer, while the optical emission spectrometer is connected to a pulsed radiation source and an optical spectral-selective filter by control communication channels, a pulsed radiation source and The optical spectral-selective filter is made tunable in frequency, and the optical emission spectrometer is designed to transmit an indication of the validity of the shadow flame pattern to the display.

Сущность изобретения поясняется следующими фигурами.The essence of the invention is illustrated by the following figures.

На фиг. 1 представлен теневой прибор с высоким временным разрешением, описанный в прототипе.In fig. 1 shows the high time resolution shadow device described in the prototype.

На фиг. 2 представлен предлагаемый теневой прибор с высоким временным разрешением.In fig. Figure 2 shows the proposed shadow device with high temporal resolution.

Перечень элементов:List of elements:

1 - Импульсный источник излучения1 - Pulsed radiation source

2 - Коллиматор 12 - Collimator 1

3 - Объект исследования (пламя)3 - Object of study (flame)

4 - Коллиматор 24 - Collimator 2

5 - Визуализирующая диафрагма5 - Imaging diaphragm

6 - Оптический спектрально-селективный фильтр6 - Optical spectral selective filter

7 - Формирующая изображение оптика7 - Imaging optics

8 - Стробируемая камера с матричным фотоприемником8 - Gated camera with matrix photodetector

9 - Функциональный вывод данных9 - Functional data output

10 - Дисплей10 - Display

11 - Линия управления стробом11 - Strobe control line

12 - Фокусирующая оптика12 - Focusing optics

13 - Широкополосный оптический спектрометр13 - Broadband optical spectrometer

14 - Управляющие каналы связи14 - Control communication channels

15 - Функциональный вывод индикации валидности теневой картины пламени.15 - Functional output indicating the validity of the shadow flame pattern.

Предлагаемый теневой прибор для пламени с высоким временным разрешением, состоит из импульсного источника излучения, коллиматоров, визуализирующей диафрагмы, оптического спектрально-селективного фильтра, формирующей изображение оптики, стробируемой камеры с матричным фотоприемником, фокусирующей оптики, широкополосного оптического спектрометра и дисплея, которые жестко закреплены 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 flame shadow device with high time resolution consists of a pulsed radiation source, collimators, an imaging diaphragm, an optical spectral-selective filter, image-forming optics, a gated camera with a matrix photodetector, focusing optics, a broadband optical spectrometer and a display, which are rigidly fixed at using 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).

Предлагаемый теневой прибор для пламени с высоким временным разрешением содержит: коллиматоры 2 и 4, между которыми размещается объект исследования 3 (например, пламя), визуализирующую диафрагму 5 (например, отсекающий фильтр, нож Фуко), оптический спектрально-селективный фильтр 6, формирующую изображение оптику 7, стробируемую камеру с матричным фотоприемником 8, которая связана линией управления стробом 11 с импульсным источником излучения 1 и с функциональным выводом данных 9 на дисплей 10, оптико-эмиссионный спектрометр который состоит из фокусирующей оптики 12 и широкополосного оптического спектрометра 13. Оптико-эмиссионный спектрометр связан с импульсным источником излучения 1 и оптическим спектрально-селективным фильтром 6 управляющими каналами связи 14, и выполнен с функциональным выводом индикации валидности теневой картины пламени 15 на дисплей 10.The proposed shadow device for a flame with high time resolution contains: collimators 2 and 4, between which the object of study 3 (for example, a flame) is placed, a visualizing diaphragm 5 (for example, a cut-off filter, a Foucault knife), an optical spectral-selective filter 6 that forms the image optics 7, a gated camera with a matrix photodetector 8, which is connected by a control line of the strobe 11 with a pulsed radiation source 1 and with a functional data output 9 to the display 10, an optical emission spectrometer which consists of focusing optics 12 and a broadband optical spectrometer 13. Optical emission spectrometer The spectrometer is connected to a pulsed radiation source 1 and an optical spectral-selective filter 6 via control communication channels 14, and is configured with a functional display indicating the validity of the shadow flame pattern 15 on the display 10.

Строб - электронный способ выбора временного интервала для наблюдения контроля или последующей обработки (Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации www.academic.ru). Линия передачи данных - средство, которое используется в информационных сетях для распространения сигналов в нужном направлении, это может быть коаксиальный кабель, витая пара, провод, световод (И.П. Норенков, В.А. Трудоношин. Телекоммуникационные технологии и сети. МГТУ им. Баумана. Москва 1999 г. www.academic.ru). Под линией управления стробом в данном устройстве подразумевается линия, по которой передается сигнал строба.Strobe is an electronic method of selecting a time interval for monitoring control or subsequent processing (Dictionary-reference book of terms for normative and technical documentation www.academic.ru). A data transmission line is a means that is used in information networks to distribute signals in the desired direction; it can be a coaxial cable, twisted pair, wire, light guide (I.P. Norenkov, V.A. Trudonoshin. Telecommunication technologies and networks. MSTU im. Bauman, Moscow 1999, www.academic.ru). The strobe control line in this device means the line through which the strobe signal is transmitted.

Функциональный вывод данных в данном устройстве реализован в виде функции передачи данных на дисплей с помощью канала связи, который соединяет стробируемую камеру с матричным фотоприемником 8 с дисплеем 10. 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 также в виде коаксиального кабеля, витой пары, провода или световода.The functional data output in this device is implemented in the form of a function for transmitting data to the display using a communication channel that connects the gated camera with a matrix photodetector 8 with a display 10. The communication channel is a means of one-way data transfer (I.P. Norenkov, V.A. Trudonoshin Telecommunication technologies and networks, MSTU named after N.E. Bauman, Moscow, 1999), while the communication channel can also be made in the form of a coaxial cable, twisted pair, wire or fiber.

Дисплей - электронное устройство, предназначенное для визуального отображения информации (ru.wikipedia.org).A display is an electronic device designed to visually display information (ru.wikipedia.org).

Функциональный вывод индикации валидности теневой картины пламени в данном устройстве реализован в виде функции передачи индикации валидности теневой картины пламени с помощью канала связи, который соединяет широкополосный оптический спектрометр с дисплеем.The functional output for indicating the validity of the shadow flame pattern in this device is implemented as a function for transmitting an indication of the validity of the shadow flame pattern using a communication channel that connects the broadband optical spectrometer to the display.

Изображения объекта исследования 3 с помощью фокусирующей оптики 12 регистрируется широкополосным оптическим спектрометром 13 с функциональным выводом индикации валидности теневой картины пламени 15 на дисплей 10, при этом широкополосный оптический спектрометр 13 связан управляющими каналами связи 14 с источником излучения 1 и оптическим спектрально-селективным фильтром 6. Спектрометр - оптический прибор, используемый в спектроскопических исследованиях для регистрации спектра, его количественной обработки, и последующего анализа (Википедия - ru.wikipedia.org).Images of the object of study 3 using focusing optics 12 are recorded by a broadband optical spectrometer 13 with a functional output indicating the validity of the shadow flame pattern 15 on the display 10, while the broadband optical spectrometer 13 is connected by control communication channels 14 with the radiation source 1 and an optical spectral-selective filter 6. A spectrometer is an optical instrument used in spectroscopic studies to record the spectrum, its quantitative processing, and subsequent analysis (Wikipedia - ru.wikipedia.org).

В предлагаемом устройстве каналы связи 14 являются управляющими и служат для передачи управляющего сигнала о наличии мешающих спектральных компонент от широкополосного оптического спектрометра 13 к источнику излучения 1 и оптическому спектрально-селективному фильтру 6.In the proposed device, communication channels 14 are control channels and serve to transmit a control signal about the presence of interfering spectral components from the broadband optical spectrometer 13 to the radiation source 1 and the optical spectral-selective filter 6.

Предлагаемый теневой прибор работает следующим образом. Свет от импульсного источника излучения 1 преобразуется в пучок параллельных лучей с помощью коллиматора 2, далее пучок параллельных лучей проходит сквозь объект исследования 3 при этом часть лучей отклоняется, преломляясь на неоднородностях плотности объекта исследования 3, преломленный пучок лучей фокусируется коллиматором 4 на визуализирующей диафрагме 5, позволяя получить теневую картину неоднородности плотностей объекта исследования 3. Результирующая теневая картина регистрируется стробируемой камерой с матричным фотоприемником 8, при этом изображение теневой картины получается с помощью формирующей изображение оптики 7. Собственное свечение потока, уменьшающее контраст теневой картины, отсекается с помощью оптического спектрально-селективного фильтра 6. Для согласования светового импульса от импульсного источника излучения 1 с временем экспозиции стробируемой камеры с матричным фотоприемником 8 используется линия управления стробом 11. В предлагаемом устройстве стробируемая камера с матричным фотоприемником 8 выводит непрерывный видеопоток, с помощью функционального вывода данных 9 на дисплей 10. Для того чтобы обеспечить синхронизацию видеопотока с импульсным источником излучения 1, управление импульсом излучения производится непосредственно стробируемой камерой с матричным фотоприемником 8.The proposed shadow device works as follows. Light from a pulsed radiation source 1 is converted into a beam of parallel rays using a collimator 2, then a beam of parallel rays passes through the object of study 3, while some of the rays are deflected, refracting at inhomogeneities in the density of the object of study 3, the refracted beam of rays is focused by the collimator 4 on the imaging diaphragm 5, allowing to obtain a shadow picture of the inhomogeneity of the densities of the object of study 3. The resulting shadow picture is recorded by a gated camera with a matrix photodetector 8, while the image of the shadow picture is obtained using image-forming optics 7. The intrinsic glow of the flow, which reduces the contrast of the shadow picture, is cut off using an optical spectral-selective filter 6. To match the light pulse from the pulsed radiation source 1 with the exposure time of the gated camera with matrix photodetector 8, the strobe control line 11 is used. In the proposed device, the gated camera with matrix photodetector 8 outputs a continuous video stream using functional data output 9 to display 10. In order to ensure synchronization of the video stream with a pulsed radiation source 1, the radiation pulse is controlled directly by a gated camera with a matrix photodetector 8.

В результате протекания процесса горения, происходит свечение объекта исследования 3 в широком спектральном диапазоне оптического спектра. Данное свечение представляет собой совокупность как непрерывного по спектру излучения (например, тепловое излучение сажи) так и спектрально-селективного излучения, производимого возбужденными атомарными и молекулярными компонентами пламени объекта исследования 3. Для подавления собственного излучения пламени используется два способа - временной и спектральный. В качестве временного способа используется стробирование регистрирующей камеры при временном согласовании с импульсом излучения источника. Таким образом, при малой длительности светового импульса импульсного источника излучения 1 свечение пламени подавляется пропорционально скважности последовательности импульсов. В качестве спектрального способа подавления собственного свечения пламени используется оптический спектрально-селективный фильтр 6, полоса пропускания которого настроена на длину волны излучения импульсного источника излучения 1, при этом подавляется все свечение пламени, длины волн излучения которого находятся за пределами узкого спектрального диапазона полосы пропускания оптического спектрально-селективного фильтра 6.As a result of the combustion process, the object of study 3 glows in a wide spectral range of the optical spectrum. This glow is a combination of both spectrum-continuous radiation (for example, thermal radiation from soot) and spectral-selective radiation produced by the excited atomic and molecular components of the flame of research object 3. To suppress the flame’s own radiation, two methods are used - temporal and spectral. As a temporary method, strobing of the recording chamber is used in temporal coordination with the source radiation pulse. Thus, with a short duration of the light pulse of the pulsed radiation source 1, the flame glow is suppressed in proportion to the duty cycle of the pulse sequence. As a spectral method for suppressing the flame's own glow, an optical spectral-selective filter 6 is used, the passband of which is adjusted to the radiation wavelength of the pulsed radiation source 1, while all flame glow is suppressed, the radiation wavelengths of which are outside the narrow spectral range of the optical spectral passband -selective filter 6.

Широкополосный оптический спектрометр 13 регистрирует спектр эмиссии объекта исследования 3 с помощью фокусирующей оптики 12. Информация об интенсивных спектральных линиях поступает на импульсный источник излучения 1 и оптический спектрально-селективный фильтр 6, с помощью управляющих каналов связи 14. При совпадении длин волн интенсивных спектральных линий излучения объекта исследования 3 с длинами волн излучения импульсного источника излучения 1 и оптического спектрально-селективного фильтра 6 производится перестройка длин волн излучения и пропускания соответственно, что позволяет дополнительно эффективно отстроиться от собственного свечения объекта исследования 3. При невозможности отстроиться от собственного свечения объекта исследования 3 с помощью функционального вывода индикации валидности теневой картины пламени 15 на дисплей 10 выдается информация о невозможности отображения корректной теневой картины.A broadband optical spectrometer 13 records the emission spectrum of the object of study 3 using focusing optics 12. Information about intense spectral lines is supplied to a pulsed radiation source 1 and an optical spectral-selective filter 6, using control communication channels 14. When the wavelengths of intense spectral emission lines coincide object of study 3 with the wavelengths of the radiation of the pulsed radiation source 1 and the optical spectral-selective filter 6, the wavelengths of radiation and transmission are adjusted, respectively, which makes it possible to additionally effectively tune out from the own glow of the object of study 3. If it is impossible to tune out from the own glow of the object of study 3 using Functional output of the indication of the validity of the shadow flame pattern 15 on the display 10 provides information about the impossibility of displaying the correct shadow pattern.

Предлагаемый теневой прибор позволяет, в отличие от приборов с непрерывным источником излучения, регистрировать нестационарные явления с высоким временным разрешением. Он позволяет проводить непрерывную во времени видеорегистрацию «замороженных» во времени теневых картин. Также теневой прибор позволяет осуществить дискриминацию собственного свечения объекта исследования 3 за счет малых выдержек синхронизированной регистрирующей стробируемой камеры с матричным фотоприемником 8 и узкого спектрального диапазона полосы пропускания оптического спектрально-селективного фильтра 6.The proposed shadow device allows, in contrast to devices with a continuous radiation source, to record non-stationary phenomena with high time resolution. It allows for continuous video recording of shadow patterns “frozen” in time. Also, the shadow device allows for discrimination of the own glow of the object of study 3 due to the short shutter speeds of the synchronized recording gated camera with a matrix photodetector 8 and the narrow spectral range of the passband of the optical spectral-selective filter 6.

Введение в теневой прибор оптико-эмиссионного спектрометра, состоящего из фокусирующей оптики 12 и широкополосного оптического спектрометра 13, позволяет использовать его для динамически меняющихся условий процесса горения. Изменения в условиях горения могут происходить как по температуре, так и по химическому составу, что в свою очередь приводит к изменению оптического спектра излучения пламени. Собственное излучение пламени снижает контраст теневой картины вплоть до ее полного исчезновения. Применяемый оптико-эмиссионный спектрометр позволяет контролировать спектр излучения пламени в реальном времени, что дает возможность использовать управляемые по длине волны спектрально-селективные компоненты - импульсный источник излучения 1 и оптический спектрально-селективный фильтр 6. Синхронная перестройка по частоте (длине волны) данных компонент теневого прибора позволяет проводить непрерывную теневую визуализацию пламени. При отсутствии возможности зарегистрировать теневую картину пламени вследствие интенсивного собственного свечения пламени в широком спектральном диапазоне, широкополосный оптический спектрометр использует функциональный вывод индикации валидности теневой картины пламени 15 непосредственно на дисплей 10.The introduction of an optical emission spectrometer into the shadow device, consisting of focusing optics 12 and a broadband optical spectrometer 13, allows it to be used for dynamically changing conditions of the combustion process. Changes in combustion conditions can occur both in temperature and in chemical composition, which in turn leads to a change in the optical spectrum of the flame radiation. The flame's own radiation reduces the contrast of the shadow pattern until it completely disappears. The optical emission spectrometer used makes it possible to control the flame emission spectrum in real time, which makes it possible to use wavelength-controlled spectral-selective components - a pulsed radiation source 1 and an optical spectral-selective filter 6. Synchronous tuning in frequency (wavelength) of these shadow components The device allows for continuous shadow visualization of the flame. If it is not possible to register the shadow flame pattern due to the intense intrinsic glow of the flame in a wide spectral range, the broadband optical spectrometer uses a functional output indicating the validity of the shadow flame pattern 15 directly to the display 10.

Создан теневой прибор для пламени с высоким временным разрешением, который позволяет поддерживать контраст теневой картины пламени с высоким временным разрешением при динамически меняющихся условиях процесса горения.A flame shadow device with high time resolution has been created, which allows maintaining the contrast of the flame shadow pattern with high time resolution under dynamically changing conditions of the combustion process.

Claims (1)

Теневой прибор для пламени с высоким временным разрешением, состоящий из импульсного источника излучения, коллиматоров, визуализирующей диафрагмы, оптического спектрально-селективного фильтра, формирующей изображение оптики, стробируемой камеры с матричным фотоприемником, связанной линией управления стробом с импульсным источником излучения, с функцией передачи данных на дисплей, отличающийся тем, что теневой прибор дополнительно содержит оптико-эмиссионный спектрометр, состоящий из фокусирующей оптики и широкополосного оптического спектрометра, связанного с импульсным источником излучения и оптическим спектрально-селективным фильтром управляющими каналами связи для передачи управляющего сигнала о наличии мешающих спектральных компонент от широкополосного оптического спектрометра к импульсному источнику излучения и оптическому спектрально-селективному фильтру и выполненного с функциональным выводом индикации валидности теневой картины пламени на дисплей посредством канала связи, соединяющего широкополосный оптический спектрометр с дисплеем, при этом импульсный источник излучения и оптический спектрально-селективный фильтр выполнены перестраиваемыми по частоте, а управление импульсным источником излучения производится стробируемой камерой с матричным фотоприемником.A flame shadow device with high time resolution, consisting of a pulsed radiation source, collimators, an imaging diaphragm, an optical spectral-selective filter, image-forming optics, a gated camera with a matrix photodetector, connected by a strobe control line to a pulsed radiation source, with a data transfer function to display, characterized in that the shadow device additionally contains an optical emission spectrometer consisting of focusing optics and a broadband optical spectrometer connected to a pulsed radiation source and an optical spectral-selective filter by control communication channels for transmitting a control signal about the presence of interfering spectral components from the broadband optical a spectrometer to a pulsed radiation source and an optical spectral-selective filter and made with a functional output indicating the validity of the shadow flame pattern to the display via a communication channel connecting a broadband optical spectrometer to the display, while the pulsed radiation source and the optical spectral-selective filter are made tunable in frequency, and the pulsed radiation source is controlled by a gated camera with a matrix photodetector.
RU2023106901A 2022-09-29 Schlieren instrument for a flame with high time resolution RU2805562C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2805562C1 true RU2805562C1 (en) 2023-10-19

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7106439B2 (en) * 1999-11-03 2006-09-12 Commissariat A L''energie Atomique Elementary analysis device by optical emission spectrometry on laser produced plasma
CN103884486B (en) * 2014-02-27 2017-01-11 中国科学院力学研究所 System and method for schlieren measurement imaging
RU2770751C1 (en) * 2021-10-20 2022-04-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method for simultaneous shadow chronographic registration of shock wave and plasma processes

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7106439B2 (en) * 1999-11-03 2006-09-12 Commissariat A L''energie Atomique Elementary analysis device by optical emission spectrometry on laser produced plasma
CN103884486B (en) * 2014-02-27 2017-01-11 中国科学院力学研究所 System and method for schlieren measurement imaging
RU2770751C1 (en) * 2021-10-20 2022-04-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method for simultaneous shadow chronographic registration of shock wave and plasma processes

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
К.Д. Кудрявцева и др. "Теневой прибор для исследования высокоскоростных потоков с горением", Материалы Двадцатой международной школы-семинара "МОДЕЛИ И МЕТОДЫ АЭРОДИНАМИКИ", 2020 г., стр. 75-76. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lu et al. Compressed ultrafast spectral-temporal photography
EP0506657B1 (en) System for measuring velocity field of fluid flow utilizing a laser-doppler spectral image converter
Aprilis et al. Portable double-sided pulsed laser heating system for time-resolved geoscience and materials science applications
CN106441571A (en) Light source module and line scanning multispectral imaging system using the same
CN112098337A (en) High-resolution spectral image rapid acquisition device and method
CN104807761A (en) Design method of spectrograph for realizing micro-area spectral measurement
CN206248212U (en) A kind of light source module and the line scanning multi-optical spectrum imaging system using it
CN206627438U (en) A kind of new Transmissivity measurement instrument
RU2805562C1 (en) Schlieren instrument for a flame with high time resolution
CN206440616U (en) A kind of light path system for laser microprobe analytical instrument
US5301007A (en) Microscopic spectrometer
CN108917931B (en) Transient spectral signal measuring device
Brucalassi et al. Stability of the FOCES spectrograph using an astro-frequency comb as calibrator
CN104316629A (en) Liquid phase multi-channel detector device
KR20110017272A (en) Spectrometer of multi-channel connecting a plural of optical
CN106645097A (en) Optical path system for laser probe component analyzer
RU2805134C1 (en) Panoramic multispectral visualization device for studying combustion processes
Usachev et al. Status of problem of creating metrological complexes for photonics purposes
US2960002A (en) Instrument for the quantitative measurement of radiation at multiple wave lengths
CN105890755A (en) Integration light source used for field calibration
Browning et al. Endoscopic hyperspectral imaging: light guide optimization for spectral light source
Kuhn et al. A two-camera instrument for highly resolved Gas Correlation Spectroscopy measurements of NO2
RU215328U1 (en) Mobile lidar for sounding tropospheric ozone
CN217766082U (en) Spatial imaging calibration and collimation device for synchronous Raman method and Rayleigh method
TROLINGER et al. Hydroxyl density measurements with resonant holographic interferometry