火焰內部光譜採集裝置的製作方法

2024-04-10 11:46:05

本實用新型涉及一種火焰內部光譜採集裝置。

背景技術：

火焰的輻射光譜是由物質內部發生量子化的能級之間的躍遷而產生的。對其輻射特徵、波長強度等進行分析研究，可以獲得諸多重要的信息，如火焰結構、火焰溫度、化學反應機理、傳熱傳質及操作工況。且隨著光譜診斷技術的發展，該技術可用於檢測和監控鍋爐、氣化爐等工業裝置，為其安全高效運行、控制優化過程起到了重要作用。因此，火焰光譜的研究和發展一直受到國內外重視，光譜的採集方法也受到了廣泛關注。

傳統的光譜檢測儀器種類較多，例如光譜儀、高光譜相機、濾光片與CCD相機結合等。光譜儀可以檢測紫外、可見、近紅外和紅外波段光譜，波長範圍通常在200nm-2200nm之間，廣泛應用於一維自由基輻射分布檢測。高光譜成像系統可分為線陣或面陣成像，線陣相機如要取得完整的火焰圖像，需要安裝電控位移臺來帶動超光譜相機對火焰進行掃描；通過高光譜成像系統可以獲得火焰各個位置的自由基輻射特徵，工作波長範圍一般為380-800nm之間。相機與濾光片相結合可以針對某些特定波長自由基的二維分布進行檢測，例如310nm波段的濾光片與紫外CCD相機搭配，可以拍攝到氧氫自由基(OH*)的二維強度分布；430nm波段的濾光片與CCD相機可以獲得碳氫自由基(CH*)的二維強度分布等。

目前在光譜檢測領域，只能將光譜檢測儀器放置在火焰的外部，即與火焰相隔一段距離對其進行拍攝。然而，從外部採集到的光譜信息與從內部採集到的有許多差異，從內部採集可以得到十分不同且重要的光譜輻射特性，但由於火焰溫度很高，從火焰的內部採集光譜信息很容易對光譜檢測儀器造成損壞。

技術實現要素：

本實用新型要解決的技術問題是為了克服現有技術中從火焰的內部採集光譜信息會對儀器造成損壞的缺陷，提供一種火焰內部光譜採集裝置。

本實用新型是通過下述技術方案來解決上述技術問題：

一種火焰內部光譜採集裝置，其包括：

光譜採集組件，所述光譜採集組件用於採集火焰的內部光譜；

噴嘴，所述噴嘴沿所述噴嘴的徑向由內到外依次形成有第一通道、第二通道和冷卻通道，所述第一通道、第二通道和冷卻通道相互獨立且間隔設置，所述光譜採集組件的穿設於所述第一通道內，其中：

所述第二通道用於通入燃料；

所述第一通道用於通入助燃氣體。

所述冷卻通道可使所述噴嘴降溫，避免所述噴嘴超溫損壞。

較佳地，所述光譜採集組件包括：

光譜檢測儀器，所述光譜檢測儀器用於檢測所述火焰的內部光譜；

內窺鏡，所述內窺鏡與所述光譜檢測儀器連接，且所述內窺鏡穿設於所述第一通道內，所述內窺鏡中遠離所述光譜檢測儀器的一端靠近所述第一通道中遠離所述光譜檢測儀器的一端。

較佳地，所述噴嘴包括第一導管和第一接頭，所述第一導管和第一接頭相連通，所述第一接頭位於所述第一導管與所述光譜檢測儀器之間，且所述第一接頭和所述第一導管依次套設於所述內窺鏡外，所述內窺鏡、所述第一接頭與所述第一導管的中心軸線位於同一直線，所述第一接頭的內腔與所述第一導管的內腔連通並形成所述第一通道。

較佳地，所述噴嘴還包括第二導管和第二接頭，所述第二導管和第二接頭相連通，所述第二接頭和所述第二導管依次套設於所述第一導管外，所述第二接頭鄰接於所述第一接頭與所述第二導管之間，且所述第二導管、所述第二接頭、所述第一導管與所述第一接頭的中心軸線位於同一直線，所述第二接頭的內壁與所述第一導管的外壁之間、所述第二導管的內壁與所述第一導管的外壁之間形成所述第二通道。

較佳地，所述噴嘴還包括水冷夾套、冷卻水入口和冷卻水出口，所述冷卻水入口和冷卻水出口沿所述水冷夾套間隔設置於所述水冷夾套靠近所述光譜檢測儀器的一端的外壁上，所述水冷夾套套設於所述第二導管外，所述水冷夾套與所述第二導管的中心軸線位於同一直線上，所述第二導管的外壁和所述水冷夾套的內壁環繞形成所述的冷卻通道。

較佳地，所述第一接頭的側壁上設有助燃氣體入口，所述助燃氣體入口用於向所述第一接頭通入助燃氣體；所述第二接頭的側壁上設有燃料入口，所述燃料入口用於向所述第二接頭通入燃料。

較佳地，所述內窺鏡遠離所述光譜檢測儀器的一端到所述第一導管遠離所述光譜檢測儀器的一端的距離L為：

其中，d為所述第一導管遠離所述光譜檢測儀器的一端的內徑，α為所述內窺鏡遠離所述光譜檢測儀器的一端的鏡頭的視場角。

較佳地，火焰內部光譜採集裝置還包括轉接口，所述轉接口連接於所述光譜檢測儀器與所述內窺鏡之間。

較佳地，所述內窺鏡為硬杆式內窺鏡或者光纖式內窺鏡。

較佳地，所述火焰內部光譜採集裝置還包括光譜分析裝置，所述光譜分析裝置與所述光譜採集組件電連接，所述光譜分析裝置用於分析所述光譜檢測儀器採集的信息。

較佳地，所述光譜分析裝置為計算機。計算機用於所述光譜的數據的儲存和分析。

本實用新型的積極進步效果在於：

1、本實用新型可以實現從內部獲取火焰根部輻射光譜信息，可用於探究火焰內部的輻射光譜特性，完善火焰光譜診斷技術；

2、本實驗新型實現了在不損壞儀器的前提下，安全簡便地從內部採集光譜，從而使光譜採集更加全面，彌補了外部採集的局限性；

3、本實驗新型採集的信號相較於從外部採集火焰光譜的信號誤差相對較小，具體來說，從外部採集火焰光譜的信號時，由於信號在較長光路傳播過程中會產生損耗引起誤差，而從內部採集時與火焰根部很靠近，從而採集誤差相對較小；

4、本實驗新型可用於對火焰內部的輻射光譜特性，如自由基種類、輻射強度、二維分布及化學反應等進行系統的科學研究；也可應用於工業上的光譜診斷技術，採集工業裝置中火焰內部的輻射光譜特性，來診斷裝置的運行情況，局部的操作工況、火焰根部溫度、火焰結構或反應機理等。

附圖說明

圖1為本實用新型一較佳實施例的火焰內部光譜採集裝置的結構示意圖。

圖2為本實用新型一較佳實施例的火焰內部光譜採集裝置的噴嘴的局部結構示意圖。

附圖標記說明

噴嘴1

第一通道11

第二通道12

冷卻通道13

第一導管14

第一接頭15

助燃氣體入口151

第二導管16

第二接頭17

燃料入口171

水冷夾套18

冷卻水入口181

冷卻水出口182

光譜檢測儀器21

內窺鏡22

轉接口3

計算機4

火焰5

距離L

第一導管的內徑d

內窺鏡的鏡頭的視場角α

具體實施方式

下面舉個較佳實施例，並結合附圖來更清楚完整地說明本實用新型。

如圖1和圖2所示，本實施例提供一種火焰內部光譜採集裝置，其包括噴嘴1、光譜採集組件、轉接口3和光譜分析裝置。

噴嘴1沿噴嘴1的徑向由內到外依次形成有第一通道11、第二通道12和冷卻通道13。第一通道11、第二通道12和冷卻通道13相互獨立且間隔設置，所述光譜採集組件穿設於第一通道11內。

其中，第二通道12用於通入燃料；第一通道11用於通入助燃氣體。第一通道11內的助燃氣體用於與第二通道12內的所述燃料作用產生火焰5，並用於避免所述光譜採集組件受高溫、以及所述助燃氣體與所述燃料產生反應後生成的物質的影響。在本實施例中，所述燃料為甲烷，所述助燃氣體為氧氣。所述氧氣除為反應提供氧化劑，也作為內窺鏡22的吹掃氣，使大部分熱量不接觸內窺鏡22的鏡頭，從而保護內窺鏡22不受損壞，也可避免反應所生成的碳黑等物質汙染內窺鏡22的鏡頭。

在本實施例中，所述光譜採集組件、第一通道11、第二通道12和冷卻通道13的中心軸線位於同一直線，第一通道11、第二通道12和冷卻通道13相互對應的一端平齊。

所述光譜採集組件用於採集火焰5的內部光譜。所述光譜採集組件包括光譜檢測儀器21和內窺鏡22。

光譜檢測儀器21用於檢測火焰5的內部光譜。

內窺鏡22與光譜檢測儀器21連接，且內窺鏡22穿設於第一通道11內，內窺鏡22中遠離光譜檢測儀器21的一端靠近第一通道11中遠離所述光譜檢測儀器21的一端。內窺鏡22通過轉接頭與光譜檢測儀器21相連接，以採集光譜信息。

內窺鏡22為硬杆式內窺鏡22或者光纖式內窺鏡22。光譜檢測儀器21包括光譜儀、高光譜相機、濾光片結合CCD相機等用於檢測輻射光譜的儀器。其中，硬杆式內窺鏡22或者光纖式內窺鏡22均可與工業相機配套，而光纖式內窺鏡22一般與光譜儀配套。

噴嘴1包括第一導管14、第一接頭15、第二導管16、第二接頭17、水冷夾套18、冷卻水入口181和冷卻水出口182。

第一導管14和第一接頭15相連通，第一接頭15位於第一導管14與光譜檢測儀器21之間，且第一接頭15和第一導管14依次套設於內窺鏡22外，內窺鏡22、第一接頭15與第一導管14的中心軸線位於同一直線，第一接頭15的內腔與第一導管14的內腔連通並形成第一通道11。第一接頭15的側壁上設有助燃氣體入口151，助燃氣體入口151用於向第一接頭15通入助燃氣體。

第二導管16和第二接頭17相連通，第二接頭17和第二導管16依次套設於第一導管14外，第二接頭17鄰接於第一接頭15與第二導管16之間，且第二導管16、第二接頭17、第一導管14與第一接頭15的中心軸線位於同一直線，第二接頭17的內壁與第一導管14的外壁之間、第二導管16的內壁與第一導管14的外壁之間形成第二通道12。第二接頭17的側壁上設有燃料入口171，燃料入口171用於向第二接頭17通入燃料。

冷卻水入口181和冷卻水出口182沿水冷夾套18間隔設置於水冷夾套18靠近光譜檢測儀器21的一端的外壁上，水冷夾套18套設於第二導管16外，水冷夾套18與第二導管16的中心軸線位於同一直線上，第二導管16的外壁和水冷夾套18的內壁環繞形成的冷卻通道13。冷卻通道13通入冷卻水，可使噴嘴1降溫，避免噴嘴1超溫損壞。

其中，第一導管14、第二導管16和水冷夾套18遠離光譜檢測儀器21的一端平齊，且內窺鏡22遠離光譜檢測儀器21的一端靠近第一導管14遠離光譜檢測儀器21的一端。

轉接口3連接於光譜檢測儀器21與內窺鏡22之間。轉接口3是內窺鏡22與光譜檢測儀器21的轉接部件。在本實施例中轉接口3為轉接頭。

所述光譜分析裝置連接於光譜檢測儀器21。所述光譜分析裝置用於分析光譜檢測儀器21採集的信息。所述光譜分析裝置為計算機4。計算機4用於所述光譜的數據的儲存和分析。

為了確保獲得完整的火焰光譜，不受第一通道的內壁的幹擾，需保證內窺鏡22遠離光譜檢測儀器21的一端到第一導管14遠離光譜檢測儀器21的一端的距離L為：

其中，d為第一導管14遠離光譜檢測儀器21的一端的內徑，α為內窺鏡22遠離光譜檢測儀器21的一端的鏡頭的視場角。

使用本實施例的火焰內部光譜採集裝置時，其包括以下步驟：

S101、將本實施例的火焰內部光譜採集裝置放置於合適位置，並調節內窺鏡遠離光譜檢測儀器的一端到第一導管遠離光譜檢測儀器的一端的縮進的距離；

S102、先通入冷卻水及氧氣，避免噴嘴和內窺鏡超溫損壞；

S103、根據需要通入合適的燃料，點火形成火焰；

S104、運用光譜檢測儀器，從內部採集火焰根部的輻射光譜，並通過計算機儲存數據；

S105、先關閉燃料以熄火；

S106、再關閉氧氣及冷卻水；

S107、取出內窺鏡，完成光譜採集。

在本實施例中，第一通道內徑d為15mm，內窺鏡的鏡頭視場角α為25°，從而距離L為0≤L≤34mm。光譜檢測儀器採用濾光片結合紫外相機來檢測氧氫自由基(OH*)的輻射光譜，紫外相機具體型號為e2v CCD 30-11，濾光片通過光波長為310nm。

首先，根據距離L確定內窺鏡的縮進的距離為32mm，並將內窺鏡固定於第一通道內；選擇合適位置固定噴嘴，紫外相機分別與內窺鏡和計算機相連接，並調節相機的焦距等；打開冷卻水和氧氣，保護噴嘴和內窺鏡；再通入甲烷，用點火槍點火，形成甲烷的火焰；根據實驗條件調節氧氣和甲烷的流量，通過紫外相機採集不同當量比下的氧氫自由基(OH*)二維強度分布，再通過計算機儲存分析實驗數據；數據採集結束後，先關閉甲烷流量計熄火，再關閉氧氣和冷卻水；最後取出內窺鏡，完成氧氫自由基(OH*)的光譜採集實驗。

雖然以上描述了本實用新型的具體實施方式，但是本領域的技術人員應當理解，這僅是舉例說明，本實用新型的保護範圍是由所附權利要求書限定的。本領域的技術人員在不背離本實用新型的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本實用新型的保護範圍。