[发明专利]标定氢气浓度的测试装置及其方法

说明书

本发明提供一种标定氢气浓度的测试装置及其方法，标定氢气浓度的测试装置，包括反射式纹影系统和标定盒，标定盒采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制作；标定盒上方开2个10mm的螺纹孔，采用螺纹连接，其中一个螺纹孔是进气孔，连接进气管，通过流量阀控制氢气的通入量；另外一个螺纹孔作为排气孔，并固定有氢气传感器；标定盒位于反射式纹影系统待测流场区，保证标定盒与反射式纹影系统的中心高度一致，利用高速摄像机拍摄纹影图像。本发明首次利用纹影技术直接标定灰度值与浓度的关系，标定结果能满足多场景氢气泄露浓度分布可视化测量要求，不局限于轴对称氢气射流；标定结果具有鲁棒性与重复性，能根据刀口位置选择合适的标定结果。

技术领域

本发明属于氢能源技术领域，具体涉及一种标定氢气浓度的测试装置及其方法。

背景技术

氢能作为一种新型能源，以其高燃烧效率、燃烧产物洁净、易于低成本储存和输送以及用途多样化等突出优点得到了人们的关注。但是氢气一旦发生泄漏，极易引起爆炸。因此，氢气泄漏与扩散阶段的研究具有重要意义。氢气浓度的可视化测量的结果对于研究氢气泄露浓度分布规律有着重要作用。而氢气浓度的可视化标定是氢气浓度的可视化测量的技术难点，可视化标定的准确性和精度将直接影响到测量的准确性和精度。

纹影技术是一种非接触式流场可视化的手段，纹影图像的显示结果可用来分析在不同测试环境条件下流场内部的复杂结构，该技术被广泛应用于空气动力学、流场观测、火焰燃烧以及风动实验等研究领域。但在实际应用中，纹影技术通常用作流场的定性观察和分析，由于标定方法缺失，较少作为流场的定量测量手段。另外，纹影法可视化结果仅反映空间气体密度变化，不能反应气体浓度变化，难以用氢气泄漏的浓度定量测量。因此，为了能够利用纹影技术对氢气浓度进行定量测量，需要对纹影系统进行标定。

Alvarez-Herrera等人在文献（Temperature measurement of an axisymmetricflame by using a schlieren system）中提出了基于传统刀口纹影光路的定标纹影法，该方法的原理就是当测试区域内不放置流场时按一定的步进量固定地调节刀口，得到一系列的纹影图片，然后根据图片的灰度值变化得到刀口切割量的变化与像面灰度值变化之间的定量关系。

这种标定方法是一种间接标定方法，标定的是光线偏移量与灰度值的关系，不能直接标定气体浓度与灰度值的关系，且标定结果只适用于轴对称流场的温度或密度的定量测量，对于其他非对称流场的测量，该标定结果并不适用。

谢爱民等人在文献（激波风洞流场密度测量的聚焦纹影技术）中将纹影技术与图像处理技术结合，将待测流场的聚焦纹影图像与无待测流场时所获得的纹影图像灰度变化进行对比标定，最终得到了待测流场中聚焦区域的密度值。

该标定方法只适用于流场的密度标定与测量，对于无待测流场的均匀性要求较高，且标定结果容易受到外界光束的影响。

发明内容

针对目前的纹影技术的标定只适用于流场温度与密度的标定，对于气体浓度的标定研究不足、且对于标定的实验条件要求较高、标定的结果的适用场景局限性较小、不能满足多场景测量的要求，本发明目的是提供一种能够简便且精确直观标定整个氢气浓度的装置和方法，使标定结果适用于多场景的氢气泄露可视化浓度测量。

具体的技术方案为：

标定氢气浓度的测试装置，包括反射式纹影系统和标定盒，所述的反射式纹影系统包括光源、聚光镜、准直镜、纹影镜、高速摄像机；所述的标定盒采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制作；标定盒上方开2个10mm的螺纹孔，采用螺纹连接，其中一个螺纹孔是进气孔，连接进气管，通过流量阀控制氢气的通入量；另外一个螺纹孔作为排气孔，并固定有氢气传感器；标定盒位于反射式纹影系统待测流场区，保证标定盒与反射式纹影系统的中心高度一致，利用高速摄像机拍摄纹影图像。

所述的标定盒大小为20cm*20cm*20cm。