[發明專利]基于LED光源測量碳煙顆粒物溫度及體積分數的系統和方法

有效

• 申請號: 202111531132.3
• 申請日: 2021-12-14
• 公開（公告）號: CN114216509B
• 公開（公告）日: 2023-06-27
• 發明（設計）人: 王潛龍;李朝民;李振;劉海峰;鄭尊清;堯命發
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02;G01D11/00
• 代理公司: 武漢華旭知識產權事務所 42214
• 代理人: 江釗芳

1.一種應用基于LED光源測量碳煙顆粒物溫度及體積分數的系統進行測量的方法，所述的系統為基于LED光源測量碳煙顆粒物溫度及體積分數的系統，設有燃燒裝置和光路；燃燒裝置為層流擴散燃燒裝置或旋流燃燒裝置；其特征在于：

所述的層流擴散燃燒裝置設有層流擴散燃燒器、點火器、燃氣與空氣的氣路；同樣旋流燃燒裝置設有旋流燃燒器、點火器、燃氣與空氣的氣路；層流擴散燃燒器或旋流燃燒器用于提供燃燒溫度場和碳煙濃度場；

所述的光路分兩種，光路一設有LED點光源、復眼透鏡、兩平凸透鏡、中性密度濾波片、棱鏡相機和計算機；光路二設有LED面光源、中性密度濾波片、棱鏡相機和計算機；

在設有光路一的測量系統中，LED點光源與電源開關連接，LED點光源后面順序設置復眼透鏡、兩個凸面相對安裝的平凸透鏡、中性密度濾波片、棱鏡相機和計算機；所述的復眼透鏡用于將LED點光源產生的光束均勻化及擴散；所述兩個平凸透鏡中的第一平凸透鏡用于將均勻化的光束整形為平行的準直光束，第二平凸透鏡用于將準直光束整形為收縮光束；所述的收縮光束通過中性密度濾波片打到棱鏡相機鏡頭上，棱鏡相機用于拍攝進入鏡頭的光束圖片，計算機用于控制棱鏡相機拍攝記錄下圖片、數據計算和處理；所述的層流擴散燃燒器或旋流燃燒器設置在兩個平凸透鏡之間；所述的LED點光源、復眼透鏡、兩個平凸透鏡、中性密度濾波片、棱鏡相機鏡頭的中心高度處于同一高度，且為層流擴散燃燒器或旋流燃燒器上火焰中心高度；

在設有光路二的測量系統中，LED面光源與電源開關連接，在LED面光源后面順序設置有中性密度濾波片、棱鏡相機和計算機；所述的層流擴散燃燒器或旋流燃燒器設置在LED面光源與中性密度濾波片之間；

應用所述的測量碳煙顆粒物溫度及體積分數的系統進行測量的方法，為在設有光路一的測量系統中，即LED點光源與電源開關連接時，按如下步驟操作：

步驟一、由電源開關打開LED點光源，點光源發出的光束經由復眼透鏡均勻化，光束至第一平凸透鏡整形為平行的準直光束，再至第二平凸透鏡形成收縮光束，收縮光束通過中性密度濾波片打到棱鏡相機鏡頭上，計算機控制棱鏡相機進行拍攝，由棱鏡相機拍攝下無火焰有光源圖片①，并記錄在計算機中；

步驟二、保持LED點光源開啟狀態，設置好燃氣與空氣當量比對應的流量，打開燃燒裝置中的燃氣與空氣的氣路，使用點火器點燃燃氣，在層流擴散燃燒器或旋流燃燒器上方形成層流火焰或旋流火焰，此時光路設置不變，用計算機控制棱鏡相機進行拍攝，記錄下有火焰有光源圖片②；

步驟三、用電源開關關閉LED點光源，保持層流擴散燃燒器或旋流燃燒器的火焰正常燃燒，光路設置不變，計算機控制棱鏡相機進行拍攝，記錄下有火焰無光源圖片③；

步驟四、保持LED點光源關閉狀態，熄滅層流擴散燃燒器或旋流燃燒器上的火焰，光路設置不變，用計算機控制棱鏡相機進行拍攝，門寬不變，記錄無火焰無光源/背景圖片④；

步驟五、先利用計算機編寫的Matlab程序對所述的無火焰有光源圖片①、有火焰有光源圖片②、有火焰無光源圖片③、無火焰無光源/背景圖片④這四組圖片進行處理得到無火焰有光源圖片①中光強信號，以I_L(x,y)表示，有火焰有光源圖片②中光強信號I_L+f(x,y)，有火焰無光源圖片③中光強信號I_f(x,y)，無火焰無光源/背景圖片④中光強信號I_b(x,y)，再進行消光法處理；

將四組圖片的光強信號代入公式(1)計算得到透射率τ_λ(x,y)，

上式中：τ_λ(x,y)為透射率，I_L+f(x,y)為有火焰有光源圖片中光強信號，I_f(x,y)為有火焰無光源圖片中光強信號，I_L(x,y)為無火焰有光源圖片中光強信號，I_b(x,y)為無火焰無光源/背景圖片中光強信號；

步驟六、根據公式(1)計算得到的τ_λ(x,y)，再運用公式(2)并結合Tikhonov正規化的onion-peeling反卷積方法進行處理，計算得到吸收系數或消光系數K_λ(x,y)；

上式中：K_λ(x,y)為吸收系數或消光系數；

根據RDG–PFA理論及火焰中碳煙顆粒物近似為球形粒子，且粒徑都在Rayleigh粒徑的范圍內，忽略粒子對光的散射作用，碳煙顆粒物的體積分數f_v(x,y)與消光系數K_λ(x,y)的關系為：

上式中：K_λ(x,y)為吸收系數或消光系數，λ為波長，E(m)為折射率函數；則依公式(3)計算得出碳煙顆粒物的體積分數f_v(x,y)，單位為ppm；

步驟七、利用計算機編寫的Matlab程序提取棱鏡相機RGB三通道波長范圍，基于公式(4)、(5)、(6)，進行理論計算可得到黑體輻射強度之比ratio，建立look-uptable數據庫；

上述公式中，I^bb為黑體輻射強度，h為普朗克常數，c為光速，k為玻爾茲曼常數，T為溫度，λ為波長，為對應波長下的黑體輻射強度，即分別為對應紅光、綠光、藍光下的黑體輻射強度；ratio為黑體輻射強度之比；

使用黑體爐標定光路中元件的響應效率，由公式(7)計算得到三色法下三波段光譜響應之比η_Gη_B/

上式中：η_R、η_G、η_B分別為對應紅光、綠光、藍光波長下的光譜響應，S_BR、S_BG、S_BB分別為當標定燈為光源時對應紅光、綠光、藍光波長下的光譜輻射強度；

步驟八、基于有火焰無光源圖片③，利用計算機編寫的Matlab程序提取棱鏡相機RGB三通道值，通過Tikhonov正規化的onion-peeling反卷積方法，得到當地的火焰三色輻射強度比：

上式中：S_R(x,y)、S_G(x,y)、S_B(x,y)分別為當火焰為光源時對應紅光、綠光、藍光波長下的當地火焰光譜輻射強度；I_R(x,y)、I_G(x,y)、I_B(x,y)分別為對應紅光、綠光、藍光波長下的當地碳煙等效黑體光譜輻射強度，ε_R(x,y)、ε_G(x,y)、ε_B(x,y)分別為對應紅光、綠光、藍光波長下的發射系數，x、y分別為光源介質的x軸、y軸方向；

根據基爾霍夫定律在碳煙顆粒處于熱平衡條件下，發射系數ε(x,y)與吸收系數K(x,y)相等；

則整理公式(8)可得當地碳煙等效黑體光譜輻射強度之比：

其中，/η_Gη_B由公式(7)可得，/(K_G(x,y)K_B(x,y))由公式(2)分別對應紅光、綠光、藍光波長計算可得；

基于公式(10)，計算得到當地碳煙等效黑體光譜輻射強度之比，利用look-uptable插值計算，可得對應的碳煙顆粒物溫度場T(x,y)；

在所述的設有光路二的測量系統中，LED面光源與電源開關連接時，同樣按上述步驟操作，及結合先消光后三色法實現同步準確測量碳煙顆粒物溫度及體積分數。