[发明专利]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

说明书

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，属于光学测试技术领域。

背景技术

碳烟作为燃烧过程中的一种重要污染物，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，碳烟在工业生产中又发挥着重要作用。碳烟能加强火焰的辐射传热，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。

碳烟诊断技术按照测量原理可分为接触式测量和间接式测量两大类。由于接触式测量得到的往往是局部信号，且因为测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。光学测量作为一种间接式测量手段，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。

消光法是一种很有潜力的光学测试技术，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二维碳烟浓度分布，比较耗费时间，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的发明涉及一种测量高压条件下燃烧碳黑颗粒浓度的测量装置及测量方法，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测量，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，无法直接得到二维的试验图片，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的发明涉及一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。该转置能够方便的测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测量。

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二维图片，这些都不是针对火焰内部碳烟浓度的测量提出的方法。目前，还没有人提出专门针对于火焰内部碳烟浓度的二维定量测量方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于平行光快速测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二维碳烟浓度分布，重合性好，精确度高。

本发明的基于平行光快速测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，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涉。

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口，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，另一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测量层流扩散火焰中碳烟浓度的方法，包括以下步骤：