专利名称：一种基于平行光快速测量层流扩散火焰中碳烟浓度的装置和方法
技术领域：
发明涉及一种测量碳烟浓度的方法和装置，具体涉及ー种基于平行光快速测量层流扩散火焰中碳烟浓度的装置和方法，属于光学测试技术领域。
背景技术：
碳烟作为燃烧过程中的ー种重要污染物，它不仅污染环境，而且对人类健康和生产设备，都有着极其不利的影响；而另一方面，碳烟在エ业生产中又发挥着重要作用。碳烟能加強火焰的辐射传热，提高燃烧装置的换热效率；碳烟加入到橡胶中能增强其耐磨性；碳烟还广泛应用于印染、化工和加工制造等行业。因此研究碳烟生成机理，寻找影响碳烟生成的关键因素，对于将来有效的控制和应用碳烟具有重要意义。要充分理解碳烟的生成机 理，前提是必须能够准确获取火焰中的碳烟浓度分布。碳烟诊断技术按照測量原理可分为接触式測量和间接式测量两大类。由于接触式測量得到的往往是局部信号，且因为測量设备与试验对象的接触，一般都会对试验对象产生干扰或破坏，在很多应用场合得到了限制。光学測量作为ー种间接式測量手段，不影响试验对象，且响应快，空间分辨率高，已日益成为研究燃烧领域的重要手段。消光法是ー种很有潜力的光学测试技木，其原理易于理解，成本相对经济，国内近十年来已经开始采用消光法对火焰中的碳烟特性进行研究。但目前国内消光法的试验方法大部分采用传统的单点扫描技术，需要多次扫描才能获取火焰中的ニ维碳烟浓度分布，t匕较耗费时间，并且需要使用激光设备，价格比较昂贵，大大制约了对火焰燃烧过程的研究。专利号为20119132240. 3的发明涉及ー种测量高压条件下燃烧碳黑颗粒浓度的測量装置及測量方法，该测量装置包括激光器、依次设置于激光器后方的第一衰减器、光路准直元件、第一偏振片、样品室、第二偏振片、聚焦透镜、第一滤光片。该装置和方法能够实现高压燃烧碳黑颗粒浓度的測量，但用到了激光器、高压样品室等设备，价格比较昂贵，对试验环境和试验人员的操作经验要求较高，且具有一定的危险性；同时，该装置只能实现碳黑浓度的单点测量，需要多次扫描，无法直接得到ニ维的试验图片，对于刚刚起步的中小实验室关于火焰燃烧特性的基础研究，很不适用；而且，实验室中的试验火焰很少有浓度均匀的火焰，大部分是轴对称火焰，即层流火焰，这种火焰的碳烟浓度分布是不能够通过试验直接得到。专利号为20099234551. 3的发明涉及ー种颗粒浓度试验装置，该装置包括气溶胶发生器，风机，粗高效空气过滤装置，上游过渡管道，有机玻璃小室以及下游过渡管道。该转置能够方便的測量出空气中尘埃粒子的浓度，但测量对象单一，仅适用于空气等，无法测量有形介质中的颗粒物浓度，因此不适用于火焰内部碳烟浓度的測量。近年来还有人提出了基于光散射法的双波长测量颗粒浓度的方法，但这些方法需要采用激光器，投入较为昂贵，且过程相对繁琐，试验环境要求较高，不够快捷，不能够直接获得试验所需的ニ维图片，这些都不是针对火焰内部碳烟浓度的測量提出的方法。目前，还没有人提出专门针对于火焰内部碳烟浓度的ニ维定量測量方法。

发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于平行光快速測量层流扩散火焰中碳烟浓度的装置和方法，能够快速获取层流扩散火焰的ニ维碳烟浓度分布，重合性好，精确度高。本发明的基于平行光快速測量层流扩散火焰中碳烟浓度的装置包括氙光灯、依次设置在氙光灯光路方向上的燃烧器、凸透镜A、小孔光阑、凸透镜B、衰减片、滤光片和CXD相机，其中燃烧器、凸透镜A、小孔光阑、凸透镜B、衰减片和滤光片均固定在测试平台上，CCD相机放置在可调整支架上；保证除燃烧器以外所有装置的中心线均处于同一直线上；小孔光阑位于凸透镜A和凸透镜B中间的焦距位置；燃烧器位于光路的下方；CCD相机连入计算机。所述氙光灯装有准直镜头，能够打出平行光，且在氙光灯可见光波长范围内包括滤光片的波长λ。·所述小孔光阑为中心孔径可调的圆形光阑；小孔光阑中心孔径略大于氙光灯发出的平行光经凸透镜A聚焦后形成的光束的直径，以保证光束不会在小孔光阑的中心孔的边
缘产生干渉。所述燃烧器发出的火焰为层流扩散火焰，在燃烧器下方设置有空气入ロ，所述空气入口位于燃烧器喷嘴的外围，并与燃烧器喷嘴同轴；空气入口一端与高压气瓶相连，另ー端通向燃烧器所发出的火焰的四周，保证火焰的稳定性。所述衰减片可以依据试验需要选用单片衰减片或衰减片组。本发明的基于平行光快速測量层流扩散火焰中碳烟浓度的方法，包括以下步骤步骤一、关闭测量现场的所有光源，关闭氙光灯及燃烧器，打开CCD相机，调节CCD相机至合适位置并固定，CCD相机的位置保证燃烧器的喷嘴位于图像下方的中间位置；采用CCD相机进行拍照，将拍得的三维RGB图像传给计算机，经计算机处理后得到ニ维灰度图，进而得到该条件下的ニ维光强分布Id。步骤ニ、打开并调节氙光灯，使氙光灯发出一束可见的、亮度均匀的平行光，采用CCD相机进行拍照，将拍得的三维RGB图像传给计算机，经计算机处理后得到ニ维灰度图，进而得到该条件下的ニ维光强分布ら。步骤三、关闭氙光灯，打开并调节燃烧器，燃烧器发出稳定的层流扩散火焰，且使待测量的火焰段位于CCD相机的图像中；火焰光辐射到CCD镜头上，采用CCD相机进行拍照，将拍得的三维RGB图像传给计算机，经计算机处理后得到ニ维灰度图，进而得到该条件下的ニ维光强分布If。步骤四、保持燃烧器发出的层流扩散火焰不变，打开氙光灯，氙光灯发出的平行光与火焰光同时传输到CCD相机镜头上，采用CCD相机进行拍照，将拍得的三维RGB图像传给计算机，经计算机处理后得到ニ维灰度图，进而得到该条件下的ニ维光强分布It。步骤五、通过步骤一到步骤四得到在不同条件下的光强，根据公式(I)得到波长为λ的可见光光强条件下的碳烟颗粒消光系数!^“ ；
权利要求
1.一种基于平行光快速測量层流扩散火焰中碳烟浓度的装置，其特征在于，包括氙光灯、依次设置在氙光灯光路方向上的燃烧器、凸透镜A、小孔光阑、凸透镜B、衰减片、滤光片和CCD相机，其中燃烧器、凸透镜A、小孔光阑、凸透镜B、衰减片和滤光片均固定在测试平台上，C⑶相机放置在可调整支架上；保证除燃烧器以外所有装置的中心线均处于同一直线上；小孔光阑位于凸透镜A和凸透镜B中间的焦距位置；燃烧器位于光路的下方；CCD相机连入计算机； 所述氣光灯装有准直镜头，能够打出平行光，且在氣光灯可见光波长范围内包括滤光片的波长入； 所述小孔光阑为中心孔径可调的圆形光阑； 所述燃烧器发出的火焰为层流扩散火焰。
2.根据权利要求I所述的ー种基于平行光快速測量层流扩散火焰中碳烟浓度的装置，其特征在于，所述小孔光阑中心孔径略大于氙光灯发出的平行光经凸透镜A聚焦后形成的光束的直径，以保证光束不会在小孔光阑的中心孔的边缘产生干渉。
3.根据权利要求I所述的ー种基于平行光快速測量层流扩散火焰中碳烟浓度的装置，其特征在于，所述燃烧器下方设置有空气入ロ，所述空气入ロ位于燃烧器喷嘴的外围，与燃烧器喷嘴同轴布置；空气入口一端与高压气瓶相连，另一端通向燃烧器所发出的火焰的四周。
4.根据权利要求I所述的ー种基于平行光快速測量层流扩散火焰中碳烟浓度的装置，其特征在于，所述衰减片为单片或衰减片组。
5.一种基于平行光快速測量层流扩散火焰中碳烟浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一、关闭测量现场的所有光源，关闭氙光灯及燃烧器，打开CCD相机，调节CCD相机至合适位置并固定，CCD相机的位置保证燃烧器的喷嘴位于图像下方的中间位置；采用CCD相机进行拍照，将拍得的三维RGB图像传给计算机，经计算机处理后得到ニ维灰度图，进而得到该条件下的ニ维光强分布Id ; 步骤ニ、打开并调节氙光灯，使氙光灯发出一束可见的、亮度均匀的平行光，采用CCD相机进行拍照，将拍得的三维RGB图像传给计算机，经计算机处理后得到ニ维灰度图，进而得到该条件下的ニ维光强分布I1 ; 步骤三、关闭氙光灯，打开并调节燃烧器，燃烧器发出稳定的层流扩散火焰，且使待测量的火焰段位于CCD相机的图像中；火焰光辐射到CCD镜头上，采用CCD相机进行拍照，将拍得的三维RGB图像传给计算机，经计算机处理后得到ニ维灰度图，进而得到该条件下的ニ维光强分布If ; 步骤四、保持燃烧器发出的层流扩散火焰不变，打开氙光灯，氙光灯发出的平行光与火焰光同时传输到CCD相机镜头上，采用CCD相机进行拍照，将拍得的三维RGB图像传给计算机，经计算机处理后得到ニ维灰度图，进而得到该条件下的ニ维光强分布It ； 步骤五、通过步骤一到步骤四得到在不同条件下的光强，根据公式(I)得到波长为入的可见光光强条件下的碳烟颗粒消光系数Κ ,λ ；
6.如权利要求5所述的ー种基于平行光快速測量层流扩散火焰中碳烟浓度的方法，其特征在于，所述步骤一至步骤四中采用CCD相机进行拍照时，采用多张连拍，将拍得的三维RGB图传送至计算机后取平均值。
全文摘要
本发明公开一种基于平行光快速测量层流扩散火焰中碳烟浓度的装置和方法，测量装置包括可直接打出平行光的氙光灯，依次设置于氙光灯后方的燃烧器、凸透镜A、小孔光阑、衰减组和滤光片，设置于滤光片后方的CCD相机，以及与CCD相机相连接的计算机。所述滤光片波长在氙光灯可见光波长范围内。本发明利用氙光灯发射亮度均匀的平行光，平行光经过试验火焰后，通过测量经过试验火焰前后平行光光强的变化，得到二维的碳烟颗粒消光系数，进而得到二维的层流火焰碳烟浓度分布。具有测量方便快捷，设备要求低，速度快，火焰可更换，重复性好等优点，既可用于开展碳烟的机理性研究，也可用于碳烟浓度的在线测量。
文档编号G01N15/06GK102680475SQ201210132279
公开日2012年9月19日 申请日期2012年4月28日 优先权日2012年4月28日
发明者何旭, 刘福水, 戴钰杰, 李向荣, 李红梅 申请人:北京理工大学