[發明專利]一種燃燒火焰中氣相堿金屬質量濃度三維分布的檢測方法

有效

• 申請號: 201910943244.6
• 申請日: 2019-09-30
• 公開（公告）號: CN110567910B
• 公開（公告）日: 2020-07-24
• 發明（設計）人: 婁春;蒲旸
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N21/359
• 分類號: G01N21/359;G01N21/71
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 孫楊柳;曹葆青

1.一種燃燒火焰中氣相堿金屬質量濃度三維分布的檢測方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)獲取燃料燃燒火焰在可見光和近紅外光波段內的火焰發射光譜圖像，根據堿金屬原子發射光譜的特征波長得到堿金屬原子發射光譜強度圖像；

(2)根據步驟(1)所述的堿金屬原子發射光譜強度圖像，建立堿金屬原子發射光譜強度圖像與燃燒火焰三維空間中氣相堿金屬源項輻射強度三維分布的堿金屬原子光譜成像模型；

所述步驟(2)具體包括以下子步驟：

S1：火焰中堿金屬原子光譜成像模型的建模步驟：在考慮火焰自吸收的情況下，沿火焰與檢測設備之間光線傳播方向即視線s方向上單位路徑內堿金屬原子發射光譜強度的變化的計算公式為：

其中，表示單位路徑內堿金屬原子發射光譜強度的變化，κ為火焰中介質的吸收系數，I_b,alkali為火焰中氣相堿金屬源項輻射強度，I_alkali為堿金屬原子發射光譜強度；

S2：將火焰三維空間離散為M個單元，每個局部單元的氣相堿金屬源項輻射強度為I_b,alkali(i)，所述i的取值范圍為1≤i≤M，且i為整數；由以下公式建立火焰中堿金屬原子光譜成像模型：

其中，I_alkali(j)表示強度圖像上j像素處的堿金屬原子發射光譜強度，i_s表示位于視線s方向上的局部單元，p為從i_s局部單元發出的輻射沿視線s方向到達強度圖像上像素j的路徑；該模型得到了檢測到的堿金屬原子發射光譜強度圖像與火焰三維空間中氣相堿金屬源項輻射強度三維分布的定量關系；

(3)根據步驟(2)所述的堿金屬原子光譜成像模型，重建出燃燒火焰三維空間中氣相堿金屬源項輻射強度的三維分布；

(4)根據氣相堿金屬源項輻射強度與氣相堿金屬質量濃度的定量關系，獲得燃燒火焰三維空間中氣相堿金屬質量濃度的三維分布。

2.如權利要求1所述的燃燒火焰中氣相堿金屬質量濃度三維分布的檢測方法，其特征在于，所述步驟(1)具體包括以下子步驟：

S1：燃燒火焰發射光譜圖像的采集處理：獲取燃料燃燒火焰在可見光和近紅外光波段內的火焰發射光譜圖像，并通過輻射標定將該發射光譜圖像轉換為強度圖像I_f(λ_l，j)，其中：λ_l表示波長，l表示波長序數，1≤l≤L，且l為整數，L表示檢測波長的總數；1≤j≤N，且j為整數，所述N表示每個波長下強度圖像的像素數；

S2：根據堿金屬原子發射光譜的特征波長λ_alkali，通過以下公式計算得到堿金屬原子發射光譜的強度圖像I_alkali(j)：

I_alkali(j)＝I_f(λ_a，j)-[I_f(λ_a+Δλ)+I_f(λ_a-Δλ，j)]/2；

其中：λ_a為λ_l中最接近λ_alkali的波長；Δλ為相鄰兩個波長的間隔；1≤j≤N，且j為整數，所述N表示每個波長下強度圖像的像素數。

3.如權利要求1所述的燃燒火焰中氣相堿金屬質量濃度三維分布的檢測方法，其特征在于，所述步驟(3)中，火焰中氣相堿金屬源項輻射強度三維分布的重建過程為，將獲得的堿金屬原子發射光譜強度圖像設為N個像素，每個像素對應一條視線上的成像模型，得到N個方程，將該N個方程離散化寫成矩陣形式的方程組，在獲得堿金屬原子發射光譜強度圖像后，從所述矩陣形式的方程組中重建出氣相堿金屬源項輻射強度在火焰中的三維分布。

4.如權利要求1所述的燃燒火焰中氣相堿金屬質量濃度三維分布的檢測方法，其特征在于，所述步驟(4)具體包括以下子步驟：

S1：火焰中氣相堿金屬質量濃度三維分布的計算：火焰中氣相堿金屬元素的原子在吸收火焰中的能量后，由基態變為激發態，處于激發態的堿金屬原子躍遷回基態時，在特定的波長發出譜線；在滿足局部熱力學平衡的條件下，根據統計熱力學理論，火焰局部單元的氣相堿金屬源項輻射強度表示為：

其中：h為普朗克常數，k為玻爾茲曼常數，A為躍遷幾率，v為頻率，g統計權重，E為激發能，m和n表示不同的能級，T為火焰溫度，N_a為火焰局部空間單元中處于基態的氣相堿金屬原子數濃度；

S2：氣相堿金屬質量濃度C_alkali的計算公式為：C_alkali(i)＝N_a(i)×M/N_A；其中，C_alkali為氣相堿金屬質量濃度，M為堿金屬元素的摩爾質量，N_A為阿伏伽德羅常數；計算得到火焰中每個局部單元的氣相堿金屬質量濃度，即可得到火焰中氣相堿金屬質量濃度的三維分布。