基于双通道分子滤光的成像式燃烧温度浓度测量装置

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基于双通道分子滤光的成像式燃烧温度浓度测量装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及燃烧温度浓度的测量，尤其涉及超窄带分子滤光的成像式燃烧诊断装置。\n背景技术\n[0002] 国民经济的快速发展对能源的需求越来越大，目前，世界能源供应约有80%都是由燃烧产生，因而，在燃烧过程中实现高效率热量转换对于节能环保有重要意义。研究表明，燃烧区的火焰结构及温度、组分浓度等燃烧参数与燃烧系统的工作状况、燃烧效率、燃烧产物（包括污染排放物）有密切关系。燃烧诊断技术，尤其是在燃烧过程中能够实时、在线、定量获取燃烧区的温度及组分浓度等燃烧参数的非接触式光学诊断技术，在大型锅炉燃烧系统、大型燃气轮机、航空航天发动机等领域发挥了至关重要的作用，对于控制燃烧过程、提高燃烧效率、减少污染产排放、确保燃烧系统安全有重要意义。\n[0003] 成像式燃烧诊断方法可以在不干扰燃烧过程的情况下同时获取燃烧参数的时间信息以及空间信息，直观反应燃烧区的工作状态，应用更加广泛。传统的成像式燃烧诊断装置主要有基于黑体辐射原理的双色测温仪及红外热像仪、基于傅里叶变换红外成像光谱仪的燃烧诊断技术、基于激光光散射及光吸收方法的成像诊断技术等。文献（”Development of Two-Color Thermometer Using a Color CCD Camera and Measurement Technology of Tuyere and Raceway of Blast Furnace”, Tetsu to hagane-journal of the Iron and Steel Institute of Japan, 2013, 99(5):10-17）采用双色测温仪与彩色CCD相机采集燃烧区域的热辐射图像数据，利用黑体辐射总能量与其热力学温度直接的函数关系，反演得到燃烧区域的温度分布，但该方法反演计算燃烧温度时，需对被测区域做灰体假设，使得温度反演结果与实际情况存在较大误差；文献（”Mid-IR hyperspectral imaging of laminar flames for 2-D scalar values”, Optics Express, 2014, 22(18): 21600–\n21617）采用傅里叶变换红外成像光谱仪进行燃烧诊断，通过采集燃烧区的干涉图像进行傅里叶变换获取火焰的光谱信息，反演得出温度、组分浓度等燃烧参数，该方法将成像技术与光谱技术相结合，既可直观获取燃烧区域的火焰结构，又可以根据特征光谱识别燃烧产物并通过校正测量产物浓度及燃烧温度，但由于成像光谱仪结构复杂，需要光学扫描，使得其光学稳定性与光谱分辨率不可同时兼顾、探测灵敏度与光学性能之间相互制约，因而，基于傅里叶变换红外成像光谱仪的燃烧诊断技术在工业现场应用中存在许多工程困难；文献（”Raman/Rayleigh scattering and CO-LIF measurements in laminar and turbulent jet flames of dimethyl ether”, Combustion and Flame, 2012, 159(8): 2533–2562）利用激光与燃烧区气相物质相互作用所产生的瑞利散射、拉曼散射及激光诱导荧光效应获取燃烧区流场信息的，瑞利散射效应可以获取温度及速度信息，拉曼散射效应可以获取浓度及温度信息，利用激光诱导荧光效应可以获取组分浓度信息，相比而言，激光光散射技术具有很多优点，比如可非接触式测量以减少或避免气动、热或化学扰动，能承受高温和恶劣环境，具有一定的时间和空间分辨能力，可以获取温度和组分浓度等流场信息，但该技术也有很大局限性，主要是燃烧区强背景光、激光诱导效应和激光杂散散射等的干扰较难避免，而且系统复杂，设备昂贵。\n[0004] 分子滤光技术是利用气体分子对信号光的差量吸收作用实现滤光目的的，该技术不仅具有高光谱分辨、高时间分辨和高空间分辨的成像能力，而且能够有效抑制杂散背景辐射噪声，尤其能够滤除干扰气体的红外辐射信号，已经应用于大气温室气体卫星遥感、天然气管道泄漏机载监测、危险气体泄漏预警等领域。文献（“Real-time gas-correlation imaging employing hermal background radiation”, Optics Express, 2000, 6(4): \n92–103）利用分子滤光器件与红外热像仪探测氨气、乙烯及甲烷气体的泄漏，灵敏度高达\n200 ppm×m。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的是：提供一种基于双通道分子滤光技术的成像式燃烧测量装置，该装置的双通道分子滤光单元采用两套分子滤光组件，分别获取温度敏感系数不同的两组辐射光谱，用于燃烧场温度及组分浓度的反演。本发明的优点是：由于双通道分子滤光技术的成像式燃烧诊断装置具有高光谱分辨、高时间分辨、高空间分辨的能力及非接触在线测量的能力，使得本发明具有测量精度高、工作稳定可靠、抗干扰能力强，可同时获取燃烧区域的CO浓度和温度信息等优点。\n[0006] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：\n[0007] 1、结构\n[0008] 一种基于双通道分子滤光技术的成像式燃烧测量装置由光学接收单元、总分束镜、第一通道分子滤光成像探测组件、第二通道分子滤光成像探测组件和数据处理与图像显示单元组成；\n[0009] 接收光学单元采用望远镜，总分束镜置于光学接收单元的输出光路中，并与望远镜的光轴呈45°角，总分束镜的透射和反射分光比例为50:50；\n[0010] 第一通道分子滤光成像探测组件由第一分束镜、第一吸收分子泡、第一反射镜、第一参考分子泡、第二反射镜、第一合束镜、第一滤光片、第一成像透镜和第一红外成像阵列组成；第一分束镜放置于总分束镜的反射光光路中，并与总分束镜平行，第一分束镜透射光光路中依次放置第一吸收分子泡和第一反射镜，反射光光路中依次放置第一参考分子泡和第二反射镜，在第一反射镜和第二反射镜的反射光光路交会区放置第一合束镜，第一合束镜与第一分束镜平行，第一合束镜的透射和反射分光比例为50:50，第一合束镜的合束光方向依次放置第一滤光片、第一成像透镜和第一红外成像阵列，第一红外成像阵列放置于第一成像透镜的焦平面上，第一反射镜和第二反射镜均与第一分束镜呈微小夹角，使得第一反射镜反射的吸收光在第一红外成像阵列的右半边成像，第二反射镜反射的参考光在第一红外成像阵列的左半边成像；第一吸收分子泡的有效气室长度为4cm，泡内充入0.1atm的CO气体，第一参考泡的有效气室长度为4cm，泡内充入1atm的N2气体；第一滤光片的中心波长为4.76μm、透射光谱带宽0.1μm、透射谱型为第一滤光片透射的光谱；\n[0011] 第二通道分子滤光成像探测组件由第二分束镜、第二吸收分子泡、第三反射镜、第二参考分子泡、第四反射镜、第二合束镜、第二滤光片、第二成像透镜和第二红外成像阵列组成；第二分束镜放置于总分束镜的反射光光路中，并与总分束镜平行；第二分束镜透射光光路中依次放置第二吸收分子泡和第三反射镜，反射光光路中依次放置第二参考分子泡和第四反射镜；在第三反射镜和第四反射的反射光光路交会区放置第二合束镜，第二合束镜与第二分束镜平行，第二合束镜的透射和反射分光比例为50:50，第二合束镜的合束光方向依次放置第二滤光片、第二成像透镜和第二红外成像阵列，第二红外成像阵列放置于第二成像透镜的焦平面上，第三反射镜和第四反射镜均与第二分束镜呈微小夹角，使得第二反射镜反射的吸收光在第二红外成像阵列的右半边成像，第四反射镜反射的参考光在第二红外成像阵列的左半边成像；第二吸收分子泡的有效气室长度为4cm，泡内充入0.3atm的CO气体；第二参考泡的有效气室长度为4cm，泡内充入1atm的N2气体，第二滤光片的中心波长为\n4.9μm、透射光谱带宽0.1μm、透射谱型为第二滤光片透射的光谱；\n[0012] 数据处理与图像显示单元由图像数据采集模块、图像数据处理模块和图像显示模块组成；第一红外成像阵列和第二红外成像阵列的图像数据输出端分别连接到图像数据采集模块的数据输入端，图像数据采集模块的数据输出端连接到图像数据处理模块的数据输入端，图像数据处理模块的数据输出端连接到图像显示模块的数据输入端。\n[0013] 本发明的优点在于：\n[0014] 1、精度高、灵敏度高。本燃烧诊断装置所采用的分子滤光技术是一种具有高光谱分辨能力的滤光手段，具有梳状透射特性，既可以同时获取多条跃迁谱线的强度信息，又可以有效抑制跃迁谱线间的杂散噪声，使得探测系统具有较高的信噪比；此外本发明是利用分子的振转跃迁谱线的温度敏感度实现燃烧参数获取的，所选跃迁谱带带为分子的基频跃迁，谱线强度比泛频跃迁谱带强几十甚至几千倍；使得本燃烧诊断装置具有较高的精度及灵敏度。\n[0015] 2、抗干扰能力强。分子滤光组件由窄带红外滤光片及分子滤光器件组成，具有梳状透射特性，既可抑制窄带滤光片带外的燃烧系统自身的热辐射噪声，又能滤除滤光片带内高温杂散气体的红外辐射干扰，与红外热像仪及双色测温仪相比，本燃烧诊断装置具有较强的抗环境干扰能力。\n[0016] 3、可成像，具有空间分辨能力。本燃烧诊断装置将分子滤光成像技术与红外热成像技术相结合，可同时获取燃烧区域的温度场与浓度场信息，与基于激光光散射方法的成像诊断技术相比，本燃烧诊断装置具有更高的空间分辨能力。\n[0017] 4、工作稳定可靠。本燃烧诊断装置以燃烧系统自身的热辐射作为信号源，采用分子滤光成像组件获取燃烧区域的精细光谱信息，与红外成像光谱仪及基于激光光散射方法的成像诊断技术相比，本装置结构简单温度，关键部件受温度振动等环境干扰小，具有工作稳定可靠的优点。\n[0018] 5、非接触在线测量。本燃烧诊断装置在工作时，无需接触燃烧区域，不会对燃烧过程产生任何干扰，所获得的燃烧参数不受探测过程影响，可反应燃烧系统的真实工作状态，而且能够实现在线实时测量。\n附图说明\n[0019] 图1为一种基于双通道分子滤光技术的成像式燃烧测量装置的结构示意图。\n[0020] 其中： 1光学接收单元、2总分束镜、3第一通道分子滤光成像探测组件、4第二通道分子滤光成像探测组件、5数据处理与图像显示单元。\n[0021] 图2为第一通道分子滤光成像探测组件的结构示意图。\n[0022] 其中：2总分束镜、3第一通道分子滤光成像探测组件、5数据处理与图像显示单元、\n31第一分束镜、32第一吸收分子泡、33第一反射镜、34第一参考分子泡、35第二反射镜、36第一合束镜、37第一滤光片、38第一成像透镜、39第一红外成像阵列。\n[0023] 图3为燃烧区在第一红外成像阵列所成的图像。\n[0024] 其中：39第一红外成像阵列、391第一吸收图像、392第一参考图像。\n[0025] 图4为第二通道分子滤光成像探测组件的结构示意图。\n[0026] 其中：2总分束镜、4第二通道分子滤光成像探测组件、5数据处理与图像显示单元、\n41第二分束镜、42第二吸收分子泡、43第三反射镜、44第二参考分子泡、45第四反射镜、46第二合束镜、47第二滤光片、48第二成像透镜、49第二红外成像阵列。\n[0027] 图5为数据处理与图像显示单元的结构示意图。\n[0028] 其中：3第一通道分子滤光成像探测组件、4第二通道分子滤光成像探测组件、5数据处理与图像显示单元、51图像数据采集模块、52图像数据处理模块、53图像显示模块。\n[0029] 图6为双通道分子滤光技术的成像式温度探测原理图。\n[0030] 其中：61第一滤光片透射光谱、62第二滤光片透射光谱、63 温度T=800K时CO分子的振-转跃迁光谱、64 温度T=1200K时CO分子的振-转跃迁光谱。\n[0031] 图7为两个通道的CO光谱积分强度及其比值随温度的变化曲线。\n[0032] 其中：71第一通道CO光谱积分强度随温度的变化曲线、72第二通道CO光谱积分强度随温度的变化曲线、73两个通道的CO光谱积分强度的比值随温度的变化曲线。\n[0033] 图8为不同温度下第一通道CO光谱积分强度随浓度的变化曲线。\n[0034] 其中：81 温度T=800K时第一通道CO光谱积分强度随浓度的变化曲线、82 温度T=\n1000K时的第一通道CO光谱积分强度随浓度的变化曲线、83 温度T=1200K下的第一通道CO光谱积分强度随浓度的变化曲线。\n[0035] 图9为燃烧区中的主要组分及其红外辐射光谱。\n[0036] 其中：91 CO气体的红外辐射光谱、92 CO2气体的红外辐射光谱、93 H2O气体的红外辐射光谱。\n[0037] 图10为CO辐射经第一滤光片和第二滤光片的透射谱线组。\n[0038] 其中：101第一通道分子滤光组件的等效透射谱型、102第二通道分子滤光组件的等效透射谱型。\n[0039] 图11为分子滤光成像探测组件的滤光效果。\n[0040] 其中：111未经分子滤光的CO气体的红外辐射光谱、112未经分子滤光的H2O气体的红外辐射光谱、113经分子滤光后CO气体的红外辐射光谱、114经分子滤光后H2O气体的红外辐射光谱。\n具体实施方式\n[0041] 下面结合附图，对本发明作进一步说明。\n[0042] 1、结构\n[0043] 如图1所示，一种基于双通道分子滤光技术的成像式燃烧诊断装置由光学接收单元1、总分束镜2、第一通道分子滤光成像探测组件3、第二通道分子滤光成像探测组件4和数据处理与图像显示单元5组成。\n[0044] 接收光学单元1采用望远镜，该望远镜可采用伽利略式望远镜或开普勒式望远镜或牛顿式望远镜等，这些望远镜的接收光谱覆盖4～5μm。\n[0045] 总分束镜2置于光学接收单元1的输出光路中，并与望远镜的光轴呈45°角，总分束镜2的透射和反射分光比例为50:50。\n[0046] 如图2所示，第一通道分子滤光成像探测组件3由第一分束镜31、第一吸收分子泡\n32、第一反射镜33、第一参考分子泡34、第二反射镜35、第一合束镜36、第一滤光片37、第一成像透镜38和第一红外成像阵列39组成。\n[0047] 其中，第一分束镜31放置于总分束镜2的反射光光路中，并与总分束镜2平行。第一分束镜31透射光光路中依次放置第一吸收分子泡32和第一反射镜33，反射光光路中依次放置第一参考分子泡34和第二反射镜35；在第一反射镜33和第二反射镜35的反射光光路交会区放置第一合束镜36，第一合束镜36与第一分束镜31平行，第一合束镜36的透射和反射分光比例为50:50，第一合束镜36的合束光方向依次放置第一滤光片37、第一成像透镜38和第一红外成像阵列39，第一红外成像阵列39放置于第一成像透镜38的焦平面上，第一反射镜\n33和第二反射镜35均与第一分束镜31呈微小夹角，使得第一反射镜33反射的吸收光在第一红外成像阵列39的右半边成像，第二反射镜35反射的参考光在第一红外成像阵列39的左半边成像，如图3所示，其中图中391为右半边的成像图，392为左半边的成像图。\n[0048] 上述第一吸收分子泡32的有效气室长度为4cm，泡内充入0.1atm的CO气体；第一参考泡34的有效气室长度为4cm，泡内充入1atm的N2气体；第一滤光片37的中心波长为4.76μm、透射光谱带宽0.1μm、透射谱型为第一滤光片透射光谱61。\n[0049] 如图4所示，第二通道分子滤光成像探测组件4由第二分束镜41、第二吸收分子泡\n42、第三反射镜43、第二参考分子泡44、第四反射镜45、第二合束镜46、第二滤光片47、第二成像透镜48和第二红外成像阵列49组成。\n[0050] 其中，第二分束镜41放置于总分束镜2的反射光光路中，并与总分束镜2平行。第二分束镜41透射光光路中依次放置第二吸收分子泡42和第三反射镜43，反射光光路中依次放置第二参考分子泡44和第四反射镜45；在第三反射镜43和第四反射镜45的反射光光路交会区放置第二合束镜46，第二合束镜46与第二分束镜41平行，第二合束镜46的透射和反射分光比例为50:50，第二合束镜46的合束光方向依次放置第二滤光片47、第二成像透镜48和第二红外成像阵列49，第二红外成像阵列49放置于第二成像透镜48的焦平面上，第三反射镜\n43和第四反射镜45均与第二分束镜41呈微小夹角，使得第二反射镜43反射的吸收光在第二红外成像阵列49的右半边成像，第四反射镜45反射的参考光在第二红外成像阵列49的左半边成像。\n[0051] 第二吸收分子泡42的有效气室长度为4cm，泡内充入0.3atm的CO气体；第二参考泡\n44的有效气室长度为4cm，泡内充入1atm的N2气体。第二滤光片47的中心波长为4.9μm、透射光谱带宽0.1μm、透射谱型为第二滤光片透射光谱62。\n[0052] 如图5所示，数据处理与图像显示单元5由图像数据采集模块51、图像数据处理模块52和图像显示模块53组成。第一红外成像阵列39和第二红外成像阵列49的图像数据输出端分别连接到图像数据采集模块51的数据输入端，图像数据采集模块51的数据输出端连接到图像数据处理模块52的数据输入端，图像数据处理模块52的数据输出端连接到图像显示模块53的数据输入端。\n[0053] 2、对纯净CO气体温度和浓度的探测原理\n[0054] 对于纯净的CO气体，其P支的跃迁谱线组（4.67μm～5.0μm）中各条谱线的强度随温度而变化，图6中展示了温度T=800K下CO分子的跃迁光谱63和温度T=1200K下CO分子的跃迁光谱64。\n[0055] 利用第一滤光片37将4.76±0.05μm谱段选择透过，其它光谱被抑制，得到第一滤光片的CO透射谱线组101，如图10所示，该谱线组的总积分强度随着温度的增加而减小，如图7所示的第一通道CO光谱积分强度随温度的变化曲线71。\n[0056] 利用第二滤光片47将4.9±0.05μm谱段选择透过，其它光谱被抑制，得到第二滤光片的CO透射谱线组102，如图10所示，该谱线组的总积分强度随着温度的增加而增加，如图7中的第二通道CO光谱积分强度随温度的变化曲线72。\n[0057] 将第一通道CO光谱积分强度随温度的变化曲线71逐点对应除以第二通道CO光谱积分强度随温度的变化曲线72，得到两个通道的CO光谱积分强度的比值随温度的变化曲线\n73。因而，分别探测到两个通道的CO光谱积分强度，即可获得CO的温度。\n[0058] 在确定的温度条件下，两个通道CO光谱积分强度随CO浓度的增加而增加，图8展示了不同温度下的第一通道CO光谱积分强度随浓度的变化曲线。由此，当根据两个通道的CO光谱积分强度的比值得到温度以后，即可根据第一通道的CO光谱积分强度得到CO的浓度。\n[0059] 3、燃烧区的分子滤光测量原理\n[0060] 在燃烧区，除了具有CO外，还有CO2、H2O等组分，这些组分均会有红外光谱辐射，如图9所示，其中包含CO气体的红外辐射光谱91、CO2气体的红外辐射光谱92和H2O气体的红外辐射光谱93。CO以外的辐射光谱的存在将严重干扰对CO温度和浓度测量，甚至造成无法测量。为此，本发明采用分子滤光的方法将CO以外的辐射光谱滤除，达到CO信号滤光提取的目的，最终获得只包含CO强度分布信息的图像。CO分子滤光的原理如下：\n[0061] 在第一通道分子滤光探测组件3中：第一参考图像392是经过第一参考分子泡34的光束形成的，第一参考分子泡34中充有N2分子，对4.76±0.05μm谱段的光谱没有产生影响，所以第一参考图像392中包含了4.76±0.05μm谱段的所有光谱信息，如图11所示，既含有未经分子滤光的CO气体的红外辐射光谱111，也含有未经分子滤光的H2O气体的红外辐射光谱\n112，等；而第一吸收图像391的图像是经过第一吸收分子泡32的光束形成的，第一吸收分子泡32中充有CO气体，CO气体将光束中4.76±0.05μm谱段内的CO光谱完全吸收，因此，第一吸收图像391中完全缺失了CO的光谱信号。\n[0062] 第一吸收图像391与第一参考图像392经由图像数据采集模块51采集后，再由图像数据处理模块52将第一参考图像392的每个像元的信号强度与第一吸收图像391对应相减，获得的第一差值图像A，第一差值图像A中只有4.76±0.05μm谱段内的CO强度分布的图像。\n如图11所示，滤光后CO气体的红外辐射光谱113几乎不存在其它组分的干扰光谱，达到了CO分子滤光光谱提纯的目的。\n[0063] 在第二通道分子滤光探测组件2中：由第二吸收图像和第二参考图像获得第二差值图像B的方法与第一通道分子滤光探测组件1原理相同，具体过程不再赘述。第二差值图像B中只有4.9μm±0.05μm谱段内的CO强度分布的图像。\n[0064] 第一差值图像A上每一个像元的信号强度即为燃烧区辐射光经由第一通道CO光谱积分强度，同样，第二差值图像B上每一个像元的信号强度即为燃烧区辐射光经由第二通道CO光谱积分强度，再由图像数据处理模块52将第一差值图像A的每一个像元的信号强度与第二差值图像B对应相除，根据两个通道的CO光谱积分强度的比值随温度的变化曲线73，即可得到每一个像元所探测到的CO气体的温度，由此获得燃烧区的温度分布图像。再根据图8所示不同温度下CO光谱积分强度随浓度的变化曲线，根据第一通道得到的CO光谱积分强度得到CO的浓度，由此获得燃烧区的浓度分布图像。\n[0065] 4、工作流程\n[0066] 燃烧区的气体产物在高温条件下辐射出较强的红外光谱，这些光谱信息经光学接收单元1接收后传输至总分束镜2，被等比例分为反射和透射两路光束，反射光路到达第一通道分子滤光成像探测组件3，透射光路到达第二通道分子滤光成像探测组件4，两者的图像信号经数据线传输至数据处理与图像显示单元5进行数据处理与图像显示。\n[0067] 总分束镜2的反射光路在到达第一通道分子滤光成像探测组件3后，首先被第一分束镜31分为反射和透射两路光束，透射光路依次通过第一吸收分子泡32、第一反射镜33，到达第一合束镜36，其反射部分通过第一滤光片37及第一成像透镜38后，在第一红外成像阵列39的右半边得到第一吸收图像391；第一分束镜31的反射光路依次通过第一参考分子泡\n34、第二反射镜35，到达第一合束镜36，其透射部分通过第一滤光片37及第一成像透镜38后，在第一红外成像阵列39的左半边得到第一参考图像392。\n[0068] 总分束镜2的透射光路在到达第二通道分子滤光成像探测组件4后，首先被第二束镜41分为反射和透射两路光束，反射光路依次通过第二吸收分子泡42、第三反射镜43，到达第二合束镜46，其反射部分通过第二滤光片47及第二成像透镜48后，在第二红外成像阵列\n49的右半边得到第一吸收图像；第二分束镜41的透射光路依次通过第二参考分子泡44、第四反射镜45，到达第二合束镜46，其透射部分通过第二滤光47及第二成像透镜48后，在第二红外成像阵列49的左半边得到第二参考图像。\n[0069] 第一红外成像阵列39及第二红外成像阵列49得到的吸收图像及参考图像经图像数据采集模块51采集后，由图像数据处理模块52处理后，输送给图像显示模块53进行燃烧状况直接显示。