[发明专利]一种氢气三维浓度测试装置及其测试方法

说明书

本发明提供一种氢气三维浓度测试装置及其测量方法，包括三组反射式纹影系统模块、高速摄像机、同步发生器和PC端数据处理模块；三组反射式纹影系统模块按照夹角为120°排列分布；三组反射式纹影系统模块的中心高度保持一致，三组反射式纹影系统模块的中心处为待测流场；每组反射式纹影系统模块的准直镜一端安装有光源和狭缝；每组反射式纹影系统模块的纹影镜一端安装高速摄像机，高速摄像机与同步发生器连接。本发明首次利用纹影技术与三维层析技术对氢气浓度场进行三维重构，为氢气浓度三维测量技术奠定基础；本发明测量过程简单、可以测量毫秒量级时间尺度上的信息。

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种氢气三维浓度测试装置及其测试方法。

背景技术

氢能以其燃烧产物洁净、燃烧效率高、可再生等优点被认为是新世纪的重要二次能源。

但是氢气一旦发生泄漏，特别是在半封闭或密闭区域内的氢气泄露，极易引起爆炸。因此，半封闭区域内的氢气泄露的三维空间浓度分布特点的研究具有重要意义。目前对于氢气泄露浓度分布的研究多是利用传感器阵列来进行测量，只能检测出某一点或多点的浓度分布特点，而不能够检测出空间内的浓度分布。部分文献利用可视化手段，如纹影法，PIV，对氢气泄露浓度分布进行二维的测量，但这种方法只能测量出某一平面内的氢气浓度分布的特点，缺少对三维空间的氢气浓度的检测。因此，提供一种氢气泄露浓度场测试装置及三维重构方法对于氢气泄露的三维空间浓度分布特点的研究具有重要意义。

目前有采用平面成像技术，通过旋转反射镜将激光束投射到观测物体的不同高度，进行逐层扫描成像。由于该技术在扫描方向上只能对少量观测物体切片进行成像，因此空间分辨率较低。另外，因为这些切片在不同时刻获得，所以该技术并不能捕捉瞬态的结构。

还有采用基于层析成像的方法，即在多个角度同时捕捉观测物体某种物理量场的二维投影并通过层析反演获得该物理量的三维分布。三维层析成像技术目前多应用于三维燃烧诊断，CT诊断，地质勘探中，对于气体浓度测量领域目前鲜有文献涉及，且反应不出浓度值的大小。

发明内容

针对目前纹影浓度可视化成像为二维成像，且现有的三维成像技术并不能反应出浓度值，为此提供一种氢气三维浓度测试装置及其测试方法。

本发明的技术方案：

一种氢气三维浓度测试装置，包括三组反射式纹影系统模块、高速摄像机、同步发生器和PC端数据处理模块；三组反射式纹影系统模块按照夹角为120°排列分布；三组反射式纹影系统模块的中心高度保持一致，三组反射式纹影系统模块的中心处为待测流场；每组反射式纹影系统模块的准直镜一端安装有光源和狭缝；每组反射式纹影系统模块的纹影镜一端安装高速摄像机，高速摄像机与同步发生器连接。

一种氢气三维浓度测试方法，包括以下步骤：

S1、利用同步发生器与高速摄像机拍摄没有待测流场时的纹影图像，得到一组不同角度的纹影图像，此图像作为背景图像；

S2、利用氦气进行浓度标定：通过三通管将纯氦气瓶和空气压缩机进行连接如图4所示，调节流量计开度，并利用氦气传感器测得一组三通管出口处的氦气浓度，并记录浓度值；

调节流量计开度调节到所测浓度值的开度，并固定；利用同步发生器与高速摄像机拍摄此时纹影图像，得到一组不同角度的纹影图像，为不同浓度下的氦气的纹影图像；

S3、将获得的纹影图像的灰度值利用滤波反投影重建算法，得到三维重构图，将三维重构图灰度值减去背景图像灰度值后的图像差值作为待标定图像，取待标定图像中三通管出口处N个点的灰度值，计算其平均灰度值，并与传感器浓度数据对应；

S4、重复步骤S2、步骤S3，获得一系列灰度值与氦气浓度的数据，并对其进行高斯过程拟合，得到三维重构图下的灰度值与浓度的标定曲线

f(x)=Gaussian(x)；