[发明专利]一种高温燃烧颗粒多参数测量的光纤簇探针装置及方法

说明书

本发明提供了一种高温燃烧颗粒多参数测量的光纤簇探针装置，包括探针部与检测部。激光光源发出激光经光纤传输，照射到待测高温颗粒区，颗粒的后向散射光信号再经光纤传输给光电探测器，测得颗粒的二维运动速度、浓度等参数。关闭激光光源，光谱检测器接收来自燃烧状态下颗粒的光谱信号，测得高温颗粒的温度参数。本发明还提供了一种高温燃烧颗粒多参数测量方法，该方法使用探针采集待测高温颗粒区的辐射光信号及散射光信号，并由光纤分别传输给光谱检测器与光电检测器，测得燃烧状态下高温颗粒的二维运动速度、浓度、温度等多参数。

技术领域

本发明涉及热工测量技术领域，具体而言，涉及一种高温燃烧颗粒多参数测量的光纤簇探针装置及方法。

背景技术

固体燃料（如煤、生物质等）燃烧在能源、动力、电力、航空航天、冶金、化工等诸多工业领域中广泛应用。为提高燃烧效率和能量利用率，固体燃料一般在燃烧前磨成粉状后在燃烧装置中燃烧产生热量。研究颗粒的燃烧与运动情况对于提高设备效率具有重要意义。然而，燃烧装置内，温度高、流场复杂，这对测量装置要求具有耐高温性与高可靠性。目前，为获得燃烧装置内颗粒运动情况，一般采用冷态实验加入示踪颗粒开展速度测量，尚未见有在燃烧状态下开展颗粒二维运动速度、浓度和颗粒温度等多参数测量的装置及方法。

发明内容

本发明的目的是:发展一种能够实现高温燃烧颗粒多参数测量的装置及方法，并且具有结构简单、高可靠、成本低廉的优点。

针对上述目的，本发明提供了一种高温燃烧颗粒多参数测量的光纤簇探针装置，该装置包括探针部与检测部。其中探针部用来采集燃烧状态下颗粒的辐射光信号；检测部用来检测高温颗粒的辐射光信号与散射光信号。

上述探针部由支撑件、进水接头、出水接头及光纤簇组成。冷却水从进水接头进入对探针进行冷却，再由出水接头流出。光纤簇为N根光纤组成（N>5），光纤按照特定排布方式排布（T型、十字型、Z型、梅花型等），其中的一根光纤传输激光光源发出的光照射到待测颗粒上发生散射，后向散射光经其他多个特定光纤传输至光电检测器。还有一根光纤传输燃烧状态下颗粒的辐射光信号，并传输至光谱检测器。

上述检测部由激光光源、光谱检测器、光电探测器组成。激光光源发出激光经光纤传输，照射到待测高温颗粒区，颗粒的后向散射光信号再经光纤传输给光电探测器，测得颗粒的二维运动速度、浓度等参数。关闭激光光源，光谱检测器接收来自燃烧状态下颗粒的光谱信号，测得高温颗粒的温度参数。

在本发明的另一个方面中，提供了一种高温燃烧颗粒多参数测量方法，该方法使用探针采集待测高温颗粒区的辐射光信号及散射光信号，并由光纤分别传输给光谱检测器与光电检测器，测得燃烧状态下高温颗粒的二维运动速度、浓度、温度等多参数。

本发明的基本原理是：以高温燃烧颗粒为测量对象，激光通过光纤照射待测区域发生光散射，后向散射光由多个光纤接收并测量光强信号，根据互相关测速法，获得颗粒二维运动速度，同时依据后向散射光强与颗粒浓度成正比关系，可测得颗粒浓度。关闭激光光源，高温燃烧颗粒辐射光强通过光纤传输给光谱检测器，依据普朗特辐射定律，获得高温颗粒的温度。

基于上述的发明原理，本发明的技术方案是：采用多个光纤组成光纤簇，并利用水冷结构形成测量探针，将光纤簇内一根光纤设置为发射光纤，接至激光光源，多个特定光纤设置为后向散射激光接收光纤，接至光电检测器，还有一根光纤设置为传输高温颗粒辐射光信号。测量时，将探针插入燃烧装置内，打开激光光源，激光经发射光纤照射待测高温颗粒区，激光在颗粒上发生散射，经过接收光纤，由光电检测器接收并记录光强信号。通过对某两个光强信号进行互相关分析，获得两个信号的渡越时间，结合这两个接收光纤的距离，便可计算出这两点方向上的颗粒速度。结合多对接收光纤光强信号，便可获得颗粒二维运动速度信息。同时，依据后向散射光强与颗粒浓度成正比关系，便可获得颗粒浓度信息。之后关闭激光光源，采用光谱检测器接收燃烧颗粒辐射光信号，依据普朗特辐射定律，便可获得颗粒温度参数。