[發明專利]基于雙通道分子濾光的成像式燃燒溫度濃度測量裝置

有效

• 申請號: 201510995061.0
• 申請日: 2015-12-28
• 公開（公告）號: CN105466491B
• 公開（公告）日: 2018-09-25
• 發明（設計）人: 武魁軍;李發泉;彭仲;程學武;林鑫;陳振威;宋沙磊;楊勇;劉林美
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢物理與數學研究所
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 武漢荊楚聯合知識產權代理有限公司 42215
• 代理人: 王健

基于雙通道分子濾光的成像式燃燒溫度濃度測量裝置。本發明公開了一種基于雙通道分子濾光技術的成像式燃燒測量裝置，涉及燃燒溫度濃度的測量。該裝置由光學接收單元（1）、總分束鏡（2）、第一通道分子濾光成像探測組件（3）、第二通道分子濾光成像探測組件（4）和數據處理與圖像顯示單元（5）組成。雙通道分子濾光單元采用兩套分子濾光組件，分別獲取溫度敏感系數不同的兩組輻射光譜，用于燃燒場溫度及組分濃度的反演。本發明的優點是：由于雙通道分子濾光技術的成像式燃燒診斷裝置具有高光譜分辨、高時間分辨、高空間分辨的能力及非接觸在線測量的能力，使得本發明具有測量精度高、工作穩定可靠、抗干擾能力強，可同時獲取燃燒區域的CO濃度和溫度信息等優點。

技術領域

本發明涉及燃燒溫度濃度的測量，尤其涉及超窄帶分子濾光的成像式燃燒診斷裝置。

背景技術

國民經濟的快速發展對能源的需求越來越大，目前，世界能源供應約有80%都是由燃燒產生，因而，在燃燒過程中實現高效率熱量轉換對于節能環保有重要意義。研究表明，燃燒區的火焰結構及溫度、組分濃度等燃燒參數與燃燒系統的工作狀況、燃燒效率、燃燒產物（包括污染排放物）有密切關系。燃燒診斷技術，尤其是在燃燒過程中能夠實時、在線、定量獲取燃燒區的溫度及組分濃度等燃燒參數的非接觸式光學診斷技術，在大型鍋爐燃燒系統、大型燃氣輪機、航空航天發動機等領域發揮了至關重要的作用，對于控制燃燒過程、提高燃燒效率、減少污染產排放、確保燃燒系統安全有重要意義。

成像式燃燒診斷方法可以在不干擾燃燒過程的情況下同時獲取燃燒參數的時間信息以及空間信息，直觀反應燃燒區的工作狀態，應用更加廣泛。傳統的成像式燃燒診斷裝置主要有基于黑體輻射原理的雙色測溫儀及紅外熱像儀、基于傅里葉變換紅外成像光譜儀的燃燒診斷技術、基于激光光散射及光吸收方法的成像診斷技術等。文獻（”Developmentof Two-Color Thermometer Using a Color CCD Camera and Measurement Technologyof Tuyere and Raceway of Blast Furnace”, Tetsu to hagane-journal of the Ironand Steel Institute of Japan, 2013, 99(5):10-17）采用雙色測溫儀與彩色CCD相機采集燃燒區域的熱輻射圖像數據，利用黑體輻射總能量與其熱力學溫度直接的函數關系，反演得到燃燒區域的溫度分布，但該方法反演計算燃燒溫度時，需對被測區域做灰體假設，使得溫度反演結果與實際情況存在較大誤差；文獻（”Mid-IR hyperspectral imaging oflaminar flames for 2-D scalar values”, Optics Express, 2014, 22(18): 21600–21617）采用傅里葉變換紅外成像光譜儀進行燃燒診斷，通過采集燃燒區的干涉圖像進行傅里葉變換獲取火焰的光譜信息，反演得出溫度、組分濃度等燃燒參數，該方法將成像技術與光譜技術相結合，既可直觀獲取燃燒區域的火焰結構，又可以根據特征光譜識別燃燒產物并通過校正測量產物濃度及燃燒溫度，但由于成像光譜儀結構復雜，需要光學掃描，使得其光學穩定性與光譜分辨率不可同時兼顧、探測靈敏度與光學性能之間相互制約，因而，基于傅里葉變換紅外成像光譜儀的燃燒診斷技術在工業現場應用中存在許多工程困難；文獻（”Raman/Rayleigh scattering and CO-LIF measurements in laminar and turbulentjet flames of dimethyl ether”, Combustion and Flame, 2012, 159(8): 2533–2562）利用激光與燃燒區氣相物質相互作用所產生的瑞利散射、拉曼散射及激光誘導熒光效應獲取燃燒區流場信息的，瑞利散射效應可以獲取溫度及速度信息，拉曼散射效應可以獲取濃度及溫度信息，利用激光誘導熒光效應可以獲取組分濃度信息，相比而言，激光光散射技術具有很多優點，比如可非接觸式測量以減少或避免氣動、熱或化學擾動，能承受高溫和惡劣環境，具有一定的時間和空間分辨能力，可以獲取溫度和組分濃度等流場信息，但該技術也有很大局限性，主要是燃燒區強背景光、激光誘導效應和激光雜散散射等的干擾較難避免，而且系統復雜，設備昂貴。