[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

本發明涉及一種基于LED光源測量碳煙顆粒物溫度及體積分數的系統和方法，本系統設有燃燒裝置和光路；燃燒裝置設有層流擴散燃燒器或旋流燃燒器；光路有兩種：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。測量方法為：利用拍攝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④四組圖片，用消光法計算碳煙顆粒物體積分數，然后基于圖片③并結合消光法所得吸收系數用三色法計算碳煙顆粒物溫度，實現同時準確測量燃燒過程中碳煙顆粒物溫度和體積分數。本發明的系統結構簡單，測量方法操作容易，精度高。

技術領域

本發明涉及一種基于LED光源測量碳煙顆粒物溫度及體積分數的系統和方法，具體地說是一種基于LED點光源或LED面光源同時進行測量動力燃燒系統的碳煙顆粒物排放溫度及體積分數的系統和測量方法。

背景技術

碳煙(又稱碳黑，Soot)顆粒物是霧霾以及PM2.5形成的重要基礎之一，也被證實是導致溫室氣體效應的重要因素。它廣泛來源于各種動力設備(比如：內燃機、燃氣輪機和航空發動機等)中燃料的未完全燃燒。現今，隨著可控新型燃燒模式和后處理技術的發展，內燃機污染物排放已逼近極限；但相對而言，燃氣輪機中顆粒物排放問題，隨著排放法規的嚴苛而日趨突出。除此之外，碳煙的生成亦對燃燒設備造成損害，比如，燃氣輪機中碳煙輻射導致的渦輪結構受熱不均而造成熱損傷；而且碳煙顆粒還容易攜帶一些有毒物質，增強大氣中有害病菌活性，對人體和環境有較大的危害。為控制碳煙顆粒的排放，國際和國內陸續出臺了一系列相應的法規、標準和協議。歐盟“地平線2020”已啟動的ANNULIGHT計劃中，包含了對未來新一代燃氣輪機的低排放的研究部署。燃氣輪機中一般采用旋流方式組織燃燒，形成主流區和回流區，而碳煙顆粒主要來自于火焰的富燃區域，大部分在下游高溫區域被充分氧化，而部分未被充分氧化的，沖擊渦輪并排入大氣。2020年末，中國向全球承諾，將在2030年實現碳達峰，2060年實現碳中和。《“十四五”規劃綱要》中提到“建設清潔低碳能源體系，制定2030年前碳排放達峰行動方案”。

對燃燒場中的碳煙顆粒物溫度以及體積分數進行測量可助于進一步理解碳煙特性，進而有效控制碳煙顆粒物的產生，為降耗減排放等做出貢獻。目前國際上針對燃燒場中碳煙顆粒物已經發展了多種診斷技術。大致分為兩類，侵入式診斷方法以及非侵入式光學診斷方法。如今，較為常見且實用的侵入式方法包括細絲熱電偶測溫法和電低壓沖擊器顆粒分析，但是侵入式的診斷方法容易破壞火焰結構，影響碳煙顆粒物的測量；非侵入式診斷方法，多為光學診斷方法，具有超高的時間空間分辨能力，例如雙色法、消光法和可調諧二極管激光吸收光譜法。傳統使用消光法與雙色法結合的方法同時測量碳煙溫度和濃度，但是實驗精度較低，且實驗光路和實驗過程復雜，不利于開展。其中雙色法較于三色法測溫精度低，計算中發射系數采用與波長相關的函數模型，誤差較大，而且一般CCD相機或者CMOS相機沒有分別調節紅光、綠光、藍光曝光時間的功能，處理得到的雙色比值信噪比低，對于實驗精度影響較大。傳統消光法實驗光路復雜，建立碳煙濃度場沒有考慮背景影響，對實驗精度有一定影響。

因此，本領域亟待提出一種新的消光法和三色法結合的簡易測量光路，可以實現碳煙顆粒物溫度及體積分數的同時準確測量，且光路簡單，耗費成本低，測量精度更高。

發明內容

本發明的目的是要解決的現有技術存在的問題，而提供一種基于LED光源測量碳煙顆粒物溫度及體積分數的系統，同時提供一種應用所述的基于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。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：提供一種基于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；

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；