專利名稱：一種基于平行光快速測(cè)量層流擴(kuò)散火焰中碳煙濃度的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明涉及一種測(cè)量碳煙濃度的方法和裝置，具體涉及ー種基于平行光快速測(cè)量層流擴(kuò)散火焰中碳煙濃度的裝置和方法，屬于光學(xué)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳煙作為燃燒過程中的ー種重要污染物，它不僅污染環(huán)境，而且對(duì)人類健康和生產(chǎn)設(shè)備，都有著極其不利的影響；而另一方面，碳煙在エ業(yè)生產(chǎn)中又發(fā)揮著重要作用。碳煙能加強(qiáng)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(qiáng)其耐磨性；碳煙還廣泛應(yīng)用于印染、化工和加工制造等行業(yè)。因此研究碳煙生成機(jī)理，尋找影響碳煙生成的關(guān)鍵因素，對(duì)于將來(lái)有效的控制和應(yīng)用碳煙具有重要意義。要充分理解碳煙的生成機(jī) 理，前提是必須能夠準(zhǔn)確獲取火焰中的碳煙濃度分布。碳煙診斷技術(shù)按照測(cè)量原理可分為接觸式測(cè)量和間接式測(cè)量?jī)纱箢?。由于接觸式測(cè)量得到的往往是局部信號(hào)，且因?yàn)闇y(cè)量設(shè)備與試驗(yàn)對(duì)象的接觸，一般都會(huì)對(duì)試驗(yàn)對(duì)象產(chǎn)生干擾或破壞，在很多應(yīng)用場(chǎng)合得到了限制。光學(xué)測(cè)量作為ー種間接式測(cè)量手段，不影響試驗(yàn)對(duì)象，且響應(yīng)快，空間分辨率高，已日益成為研究燃燒領(lǐng)域的重要手段。消光法是ー種很有潛力的光學(xué)測(cè)試技木，其原理易于理解，成本相對(duì)經(jīng)濟(jì)，國(guó)內(nèi)近十年來(lái)已經(jīng)開始采用消光法對(duì)火焰中的碳煙特性進(jìn)行研究。但目前國(guó)內(nèi)消光法的試驗(yàn)方法大部分采用傳統(tǒng)的單點(diǎn)掃描技術(shù)，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(fèi)時(shí)間，并且需要使用激光設(shè)備，價(jià)格比較昂貴，大大制約了對(duì)火焰燃燒過程的研究。專利號(hào)為20119132240. 3的發(fā)明涉及ー種測(cè)量高壓條件下燃燒碳黑顆粒濃度的測(cè)量裝置及測(cè)量方法，該測(cè)量裝置包括激光器、依次設(shè)置于激光器后方的第一衰減器、光路準(zhǔn)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?qū)崿F(xiàn)高壓燃燒碳黑顆粒濃度的測(cè)量，但用到了激光器、高壓樣品室等設(shè)備，價(jià)格比較昂貴，對(duì)試驗(yàn)環(huán)境和試驗(yàn)人員的操作經(jīng)驗(yàn)要求較高，且具有一定的危險(xiǎn)性；同時(shí)，該裝置只能實(shí)現(xiàn)碳黑濃度的單點(diǎn)測(cè)量，需要多次掃描，無(wú)法直接得到ニ維的試驗(yàn)圖片，對(duì)于剛剛起步的中小實(shí)驗(yàn)室關(guān)于火焰燃燒特性的基礎(chǔ)研究，很不適用；而且，實(shí)驗(yàn)室中的試驗(yàn)火焰很少有濃度均勻的火焰，大部分是軸對(duì)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(yàn)直接得到。專利號(hào)為20099234551. 3的發(fā)明涉及ー種顆粒濃度試驗(yàn)裝置，該裝置包括氣溶膠發(fā)生器，風(fēng)機(jī)，粗高效空氣過濾裝置，上游過渡管道，有機(jī)玻璃小室以及下游過渡管道。該轉(zhuǎn)置能夠方便的測(cè)量出空氣中塵埃粒子的濃度，但測(cè)量對(duì)象單一，僅適用于空氣等，無(wú)法測(cè)量有形介質(zhì)中的顆粒物濃度，因此不適用于火焰內(nèi)部碳煙濃度的測(cè)量。近年來(lái)還有人提出了基于光散射法的雙波長(zhǎng)測(cè)量顆粒濃度的方法，但這些方法需要采用激光器，投入較為昂貴，且過程相對(duì)繁瑣，試驗(yàn)環(huán)境要求較高，不夠快捷，不能夠直接獲得試驗(yàn)所需的ニ維圖片，這些都不是針對(duì)火焰內(nèi)部碳煙濃度的測(cè)量提出的方法。目前，還沒有人提出專門針對(duì)于火焰內(nèi)部碳煙濃度的ニ維定量測(cè)量方法。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于平行光快速測(cè)量層流擴(kuò)散火焰中碳煙濃度的裝置和方法，能夠快速獲取層流擴(kuò)散火焰的ニ維碳煙濃度分布，重合性好，精確度高。本發(fā)明的基于平行光快速測(cè)量層流擴(kuò)散火焰中碳煙濃度的裝置包括氙光燈、依次設(shè)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(jī)，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(cè)試平臺(tái)上，CCD相機(jī)放置在可調(diào)整支架上；保證除燃燒器以外所有裝置的中心線均處于同一直線上；小孔光闌位于凸透鏡A和凸透鏡B中間的焦距位置；燃燒器位于光路的下方；CCD相機(jī)連入計(jì)算機(jī)。所述氙光燈裝有準(zhǔn)直鏡頭，能夠打出平行光，且在氙光燈可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)包括濾光片的波長(zhǎng)λ。·所述小孔光闌為中心孔徑可調(diào)的圓形光闌；小孔光闌中心孔徑略大于氙光燈發(fā)出的平行光經(jīng)凸透鏡A聚焦后形成的光束的直徑，以保證光束不會(huì)在小孔光闌的中心孔的邊
緣產(chǎn)生干渉。所述燃燒器發(fā)出的火焰為層流擴(kuò)散火焰，在燃燒器下方設(shè)置有空氣入ロ，所述空氣入口位于燃燒器噴嘴的外圍，并與燃燒器噴嘴同軸；空氣入口一端與高壓氣瓶相連，另ー端通向燃燒器所發(fā)出的火焰的四周，保證火焰的穩(wěn)定性。所述衰減片可以依據(jù)試驗(yàn)需要選用單片衰減片或衰減片組。本發(fā)明的基于平行光快速測(cè)量層流擴(kuò)散火焰中碳煙濃度的方法，包括以下步驟步驟一、關(guān)閉測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的所有光源，關(guān)閉氙光燈及燃燒器，打開CCD相機(jī)，調(diào)節(jié)CCD相機(jī)至合適位置并固定，CCD相機(jī)的位置保證燃燒器的噴嘴位于圖像下方的中間位置；采用CCD相機(jī)進(jìn)行拍照，將拍得的三維RGB圖像傳給計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到ニ維灰度圖，進(jìn)而得到該條件下的ニ維光強(qiáng)分布Id。步驟ニ、打開并調(diào)節(jié)氙光燈，使氙光燈發(fā)出一束可見的、亮度均勻的平行光，采用CCD相機(jī)進(jìn)行拍照，將拍得的三維RGB圖像傳給計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到ニ維灰度圖，進(jìn)而得到該條件下的ニ維光強(qiáng)分布ら。步驟三、關(guān)閉氙光燈，打開并調(diào)節(jié)燃燒器，燃燒器發(fā)出穩(wěn)定的層流擴(kuò)散火焰，且使待測(cè)量的火焰段位于CCD相機(jī)的圖像中；火焰光輻射到CCD鏡頭上，采用CCD相機(jī)進(jìn)行拍照，將拍得的三維RGB圖像傳給計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到ニ維灰度圖，進(jìn)而得到該條件下的ニ維光強(qiáng)分布If。步驟四、保持燃燒器發(fā)出的層流擴(kuò)散火焰不變，打開氙光燈，氙光燈發(fā)出的平行光與火焰光同時(shí)傳輸?shù)紺CD相機(jī)鏡頭上，采用CCD相機(jī)進(jìn)行拍照，將拍得的三維RGB圖像傳給計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到ニ維灰度圖，進(jìn)而得到該條件下的ニ維光強(qiáng)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(qiáng)，根據(jù)公式(I)得到波長(zhǎng)為λ的可見光光強(qiáng)條件下的碳煙顆粒消光系數(shù)!^“ ；
權(quán)利要求
1.一種基于平行光快速測(cè)量層流擴(kuò)散火焰中碳煙濃度的裝置，其特征在于，包括氙光燈、依次設(shè)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(jī)，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(cè)試平臺(tái)上，C⑶相機(jī)放置在可調(diào)整支架上；保證除燃燒器以外所有裝置的中心線均處于同一直線上；小孔光闌位于凸透鏡A和凸透鏡B中間的焦距位置；燃燒器位于光路的下方；CCD相機(jī)連入計(jì)算機(jī)； 所述氣光燈裝有準(zhǔn)直鏡頭，能夠打出平行光，且在氣光燈可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)包括濾光片的波長(zhǎng)入； 所述小孔光闌為中心孔徑可調(diào)的圓形光闌； 所述燃燒器發(fā)出的火焰為層流擴(kuò)散火焰。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于平行光快速測(cè)量層流擴(kuò)散火焰中碳煙濃度的裝置，其特征在于，所述小孔光闌中心孔徑略大于氙光燈發(fā)出的平行光經(jīng)凸透鏡A聚焦后形成的光束的直徑，以保證光束不會(huì)在小孔光闌的中心孔的邊緣產(chǎn)生干渉。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于平行光快速測(cè)量層流擴(kuò)散火焰中碳煙濃度的裝置，其特征在于，所述燃燒器下方設(shè)置有空氣入ロ，所述空氣入ロ位于燃燒器噴嘴的外圍，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(fā)出的火焰的四周。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于平行光快速測(cè)量層流擴(kuò)散火焰中碳煙濃度的裝置，其特征在于，所述衰減片為單片或衰減片組。
5.一種基于平行光快速測(cè)量層流擴(kuò)散火焰中碳煙濃度的方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一、關(guān)閉測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的所有光源，關(guān)閉氙光燈及燃燒器，打開CCD相機(jī)，調(diào)節(jié)CCD相機(jī)至合適位置并固定，CCD相機(jī)的位置保證燃燒器的噴嘴位于圖像下方的中間位置；采用CCD相機(jī)進(jìn)行拍照，將拍得的三維RGB圖像傳給計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到ニ維灰度圖，進(jìn)而得到該條件下的ニ維光強(qiáng)分布Id ; 步驟ニ、打開并調(diào)節(jié)氙光燈，使氙光燈發(fā)出一束可見的、亮度均勻的平行光，采用CCD相機(jī)進(jìn)行拍照，將拍得的三維RGB圖像傳給計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到ニ維灰度圖，進(jìn)而得到該條件下的ニ維光強(qiáng)分布I1 ; 步驟三、關(guān)閉氙光燈，打開并調(diào)節(jié)燃燒器，燃燒器發(fā)出穩(wěn)定的層流擴(kuò)散火焰，且使待測(cè)量的火焰段位于CCD相機(jī)的圖像中；火焰光輻射到CCD鏡頭上，采用CCD相機(jī)進(jìn)行拍照，將拍得的三維RGB圖像傳給計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到ニ維灰度圖，進(jìn)而得到該條件下的ニ維光強(qiáng)分布If ; 步驟四、保持燃燒器發(fā)出的層流擴(kuò)散火焰不變，打開氙光燈，氙光燈發(fā)出的平行光與火焰光同時(shí)傳輸?shù)紺CD相機(jī)鏡頭上，采用CCD相機(jī)進(jìn)行拍照，將拍得的三維RGB圖像傳給計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到ニ維灰度圖，進(jìn)而得到該條件下的ニ維光強(qiáng)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(qiáng)，根據(jù)公式(I)得到波長(zhǎng)為入的可見光光強(qiáng)條件下的碳煙顆粒消光系數(shù)Κ ,λ ；
6.如權(quán)利要求5所述的ー種基于平行光快速測(cè)量層流擴(kuò)散火焰中碳煙濃度的方法，其特征在于，所述步驟一至步驟四中采用CCD相機(jī)進(jìn)行拍照時(shí)，采用多張連拍，將拍得的三維RGB圖傳送至計(jì)算機(jī)后取平均值。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于平行光快速測(cè)量層流擴(kuò)散火焰中碳煙濃度的裝置和方法，測(cè)量裝置包括可直接打出平行光的氙光燈，依次設(shè)置于氙光燈后方的燃燒器、凸透鏡A、小孔光闌、衰減組和濾光片，設(shè)置于濾光片后方的CCD相機(jī)，以及與CCD相機(jī)相連接的計(jì)算機(jī)。所述濾光片波長(zhǎng)在氙光燈可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)。本發(fā)明利用氙光燈發(fā)射亮度均勻的平行光，平行光經(jīng)過試驗(yàn)火焰后，通過測(cè)量經(jīng)過試驗(yàn)火焰前后平行光光強(qiáng)的變化，得到二維的碳煙顆粒消光系數(shù)，進(jìn)而得到二維的層流火焰碳煙濃度分布。具有測(cè)量方便快捷，設(shè)備要求低，速度快，火焰可更換，重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，既可用于開展碳煙的機(jī)理性研究，也可用于碳煙濃度的在線測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N15/06GK102680475SQ201210132279
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月28日
發(fā)明者何旭, 劉福水, 戴鈺杰, 李向榮, 李紅梅 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)