一種基於平行光快速測量層流擴散火焰中碳煙濃度的裝置和方法
2023-10-09 18:23:19
專利名稱：一種基於平行光快速測量層流擴散火焰中碳煙濃度的裝置和方法
技術領域：
發明涉及一種測量碳煙濃度的方法和裝置，具體涉及ー種基於平行光快速測量層流擴散火焰中碳煙濃度的裝置和方法，屬於光學測試技術領域。
背景技術：
碳煙作為燃燒過程中的ー種重要汙染物，它不僅汙染環境，而且對人類健康和生產設備，都有著極其不利的影響；而另一方面，碳煙在エ業生產中又發揮著重要作用。碳煙能加強火焰的輻射傳熱，提高燃燒裝置的換熱效率；碳煙加入到橡膠中能增強其耐磨性；碳煙還廣泛應用於印染、化工和加工製造等行業。因此研究碳煙生成機理，尋找影響碳煙生成的關鍵因素，對於將來有效的控制和應用碳菸具有重要意義。要充分理解碳煙的生成機 理，前提是必須能夠準確獲取火焰中的碳煙濃度分布。碳煙診斷技術按照測量原理可分為接觸式測量和間接式測量兩大類。由於接觸式測量得到的往往是局部信號，且因為測量設備與試驗對象的接觸，一般都會對試驗對象產生幹擾或破壞，在很多應用場合得到了限制。光學測量作為ー種間接式測量手段，不影響試驗對象，且響應快，空間解析度高，已日益成為研究燃燒領域的重要手段。消光法是ー種很有潛力的光學測試技木，其原理易於理解，成本相對經濟，國內近十年來已經開始採用消光法對火焰中的碳煙特性進行研究。但目前國內消光法的試驗方法大部分採用傳統的單點掃描技術，需要多次掃描才能獲取火焰中的ニ維碳煙濃度分布，t匕較耗費時間，並且需要使用雷射設備，價格比較昂貴，大大制約了對火焰燃燒過程的研究。專利號為20119132240. 3的發明涉及ー種測量高壓條件下燃燒碳黑顆粒濃度的測量裝置及測量方法，該測量裝置包括雷射器、依次設置於雷射器後方的第一衰減器、光路準直元件、第一偏振片、樣品室、第二偏振片、聚焦透鏡、第一濾光片。該裝置和方法能夠實現高壓燃燒碳黑顆粒濃度的測量，但用到了雷射器、高壓樣品室等設備，價格比較昂貴，對試驗環境和試驗人員的操作經驗要求較高，且具有一定的危險性；同時，該裝置只能實現碳黑濃度的單點測量，需要多次掃描，無法直接得到ニ維的試驗圖片，對於剛剛起步的中小實驗室關於火焰燃燒特性的基礎研究，很不適用；而且，實驗室中的試驗火焰很少有濃度均勻的火焰，大部分是軸對稱火焰，即層流火焰，這種火焰的碳煙濃度分布是不能夠通過試驗直接得到。專利號為20099234551. 3的發明涉及ー種顆粒濃度試驗裝置，該裝置包括氣溶膠發生器，風機，粗高效空氣過濾裝置，上遊過渡管道，有機玻璃小室以及下遊過渡管道。該轉置能夠方便的測量出空氣中塵埃粒子的濃度，但測量對象單一，僅適用於空氣等，無法測量有形介質中的顆粒物濃度，因此不適用於火焰內部碳煙濃度的測量。近年來還有人提出了基於光散射法的雙波長測量顆粒濃度的方法，但這些方法需要採用雷射器，投入較為昂貴，且過程相對繁瑣，試驗環境要求較高，不夠快捷，不能夠直接獲得試驗所需的ニ維圖片，這些都不是針對火焰內部碳煙濃度的測量提出的方法。目前，還沒有人提出專門針對於火焰內部碳煙濃度的ニ維定量測量方法。
發明內容
有鑑於此，本發明提供了一種基於平行光快速測量層流擴散火焰中碳煙濃度的裝置和方法，能夠快速獲取層流擴散火焰的ニ維碳煙濃度分布，重合性好，精確度高。本發明的基於平行光快速測量層流擴散火焰中碳煙濃度的裝置包括氙光燈、依次設置在氙光燈光路方向上的燃燒器、凸透鏡A、小孔光闌、凸透鏡B、衰減片、濾光片和CXD相機，其中燃燒器、凸透鏡A、小孔光闌、凸透鏡B、衰減片和濾光片均固定在測試平臺上，CCD相機放置在可調整支架上；保證除燃燒器以外所有裝置的中心線均處於同一直線上；小孔光闌位於凸透鏡A和凸透鏡B中間的焦距位置；燃燒器位於光路的下方；CCD相機連入計算機。所述氙光燈裝有準直鏡頭，能夠打出平行光，且在氙光燈可見光波長範圍內包括濾光片的波長λ。·所述小孔光闌為中心孔徑可調的圓形光闌；小孔光闌中心孔徑略大於氙光燈發出的平行光經凸透鏡A聚焦後形成的光束的直徑，以保證光束不會在小孔光闌的中心孔的邊
緣產生幹渉。所述燃燒器發出的火焰為層流擴散火焰，在燃燒器下方設置有空氣入ロ，所述空氣入口位於燃燒器噴嘴的外圍，並與燃燒器噴嘴同軸；空氣入口一端與高壓氣瓶相連，另ー端通向燃燒器所發出的火焰的四周，保證火焰的穩定性。所述衰減片可以依據試驗需要選用單片衰減片或衰減片組。本發明的基於平行光快速測量層流擴散火焰中碳煙濃度的方法，包括以下步驟步驟一、關閉測量現場的所有光源，關閉氙光燈及燃燒器，打開CCD相機，調節CCD相機至合適位置並固定，CCD相機的位置保證燃燒器的噴嘴位於圖像下方的中間位置；採用CCD相機進行拍照，將拍得的三維RGB圖像傳給計算機，經計算機處理後得到ニ維灰度圖，進而得到該條件下的ニ維光強分布Id。步驟ニ、打開並調節氙光燈，使氙光燈發出一束可見的、亮度均勻的平行光，採用CCD相機進行拍照，將拍得的三維RGB圖像傳給計算機，經計算機處理後得到ニ維灰度圖，進而得到該條件下的ニ維光強分布ら。步驟三、關閉氙光燈，打開並調節燃燒器，燃燒器發出穩定的層流擴散火焰，且使待測量的火焰段位於CCD相機的圖像中；火焰光輻射到CCD鏡頭上，採用CCD相機進行拍照，將拍得的三維RGB圖像傳給計算機，經計算機處理後得到ニ維灰度圖，進而得到該條件下的ニ維光強分布If。步驟四、保持燃燒器發出的層流擴散火焰不變，打開氙光燈，氙光燈發出的平行光與火焰光同時傳輸到CCD相機鏡頭上，採用CCD相機進行拍照，將拍得的三維RGB圖像傳給計算機，經計算機處理後得到ニ維灰度圖，進而得到該條件下的ニ維光強分布It。步驟五、通過步驟一到步驟四得到在不同條件下的光強，根據公式(I)得到波長為λ的可見光光強條件下的碳煙顆粒消光係數!^「 ；
權利要求
1.一種基於平行光快速測量層流擴散火焰中碳煙濃度的裝置，其特徵在於，包括氙光燈、依次設置在氙光燈光路方向上的燃燒器、凸透鏡A、小孔光闌、凸透鏡B、衰減片、濾光片和CCD相機，其中燃燒器、凸透鏡A、小孔光闌、凸透鏡B、衰減片和濾光片均固定在測試平臺上，C⑶相機放置在可調整支架上；保證除燃燒器以外所有裝置的中心線均處於同一直線上；小孔光闌位於凸透鏡A和凸透鏡B中間的焦距位置；燃燒器位於光路的下方；CCD相機連入計算機； 所述氣光燈裝有準直鏡頭，能夠打出平行光，且在氣光燈可見光波長範圍內包括濾光片的波長入； 所述小孔光闌為中心孔徑可調的圓形光闌； 所述燃燒器發出的火焰為層流擴散火焰。
2.根據權利要求I所述的ー種基於平行光快速測量層流擴散火焰中碳煙濃度的裝置，其特徵在於，所述小孔光闌中心孔徑略大於氙光燈發出的平行光經凸透鏡A聚焦後形成的光束的直徑，以保證光束不會在小孔光闌的中心孔的邊緣產生幹渉。
3.根據權利要求I所述的ー種基於平行光快速測量層流擴散火焰中碳煙濃度的裝置，其特徵在於，所述燃燒器下方設置有空氣入ロ，所述空氣入ロ位於燃燒器噴嘴的外圍，與燃燒器噴嘴同軸布置；空氣入口一端與高壓氣瓶相連，另一端通向燃燒器所發出的火焰的四周。
4.根據權利要求I所述的ー種基於平行光快速測量層流擴散火焰中碳煙濃度的裝置，其特徵在於，所述衰減片為單片或衰減片組。
5.一種基於平行光快速測量層流擴散火焰中碳煙濃度的方法，其特徵在於，包括以下步驟 步驟一、關閉測量現場的所有光源，關閉氙光燈及燃燒器，打開CCD相機，調節CCD相機至合適位置並固定，CCD相機的位置保證燃燒器的噴嘴位於圖像下方的中間位置；採用CCD相機進行拍照，將拍得的三維RGB圖像傳給計算機，經計算機處理後得到ニ維灰度圖，進而得到該條件下的ニ維光強分布Id ; 步驟ニ、打開並調節氙光燈，使氙光燈發出一束可見的、亮度均勻的平行光，採用CCD相機進行拍照，將拍得的三維RGB圖像傳給計算機，經計算機處理後得到ニ維灰度圖，進而得到該條件下的ニ維光強分布I1 ; 步驟三、關閉氙光燈，打開並調節燃燒器，燃燒器發出穩定的層流擴散火焰，且使待測量的火焰段位於CCD相機的圖像中；火焰光輻射到CCD鏡頭上，採用CCD相機進行拍照，將拍得的三維RGB圖像傳給計算機，經計算機處理後得到ニ維灰度圖，進而得到該條件下的ニ維光強分布If ; 步驟四、保持燃燒器發出的層流擴散火焰不變，打開氙光燈，氙光燈發出的平行光與火焰光同時傳輸到CCD相機鏡頭上，採用CCD相機進行拍照，將拍得的三維RGB圖像傳給計算機，經計算機處理後得到ニ維灰度圖，進而得到該條件下的ニ維光強分布It ； 步驟五、通過步驟一到步驟四得到在不同條件下的光強，根據公式(I)得到波長為入的可見光光強條件下的碳煙顆粒消光係數Κ ,λ ；
6.如權利要求5所述的ー種基於平行光快速測量層流擴散火焰中碳煙濃度的方法，其特徵在於，所述步驟一至步驟四中採用CCD相機進行拍照時，採用多張連拍，將拍得的三維RGB圖傳送至計算機後取平均值。
全文摘要
本發明公開一種基於平行光快速測量層流擴散火焰中碳煙濃度的裝置和方法，測量裝置包括可直接打出平行光的氙光燈，依次設置於氙光燈後方的燃燒器、凸透鏡A、小孔光闌、衰減組和濾光片，設置於濾光片後方的CCD相機，以及與CCD相機相連接的計算機。所述濾光片波長在氙光燈可見光波長範圍內。本發明利用氙光燈發射亮度均勻的平行光，平行光經過試驗火焰後，通過測量經過試驗火焰前後平行光光強的變化，得到二維的碳煙顆粒消光係數，進而得到二維的層流火焰碳煙濃度分布。具有測量方便快捷，設備要求低，速度快，火焰可更換，重複性好等優點，既可用於開展碳煙的機理性研究，也可用於碳煙濃度的在線測量。
文檔編號G01N15/06GK102680475SQ201210132279
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月28日 優先權日2012年4月28日
發明者何旭, 劉福水, 戴鈺傑, 李向榮, 李紅梅 申請人:北京理工大學