[发明专利]一种基于光学补偿设计的火焰温度场和燃烧中间产物浓度场监测系统

说明书

【技术领域】

本发明是一种基于光学补偿设计的火焰温度场和燃烧中间产物浓度场监测系统，它主要利用黑体辐射规律和几何光学系统探测火焰燃烧产生的各种中间产物的浓度分布，利用比色法实时测量燃烧时的温度分布，利用具有正屈光度或负屈光度的光学补偿透镜补偿各光路中由于光程差和色散效应造成的像质差异。

【背景技术】

目前，主要通过光谱仪测量对应谱线或谱带下的光辐射信号强度来对燃烧火焰中间产物的浓度进行在线监测，但其测量结果为单点浓度或区域平均浓度；另一方面采用激光诱导荧光、拉曼散射及傅立叶变换红外光谱仪等可以获得某产物或粒子的二维分布，但这些方法不易同时获取两种以上的中间产物的二维分布，且价格昂贵、安装复杂，在工业现场应用中存在许多困难。

发射连续光谱的物体的热辐射亮度与其温度的关系符合热辐射定律。由普朗克定律可知，可利用双色法(亦称比色法)测量火焰温度，即，利用在CCD上得到的两种不同波长下的辐射强度的两个图像，通过求取两个图像中对应像素响应的比值来求得该像素的温度值。若采用彩色CCD摄像机所拍摄的图像，则可根据三基色原理和普朗克定律建立三色测温法来测量火焰的温度。

本发明在已存在的设计基础上，进一步考虑了由于光路不同和色散效应造成的火焰温度场与燃烧中间产物浓度场的成像模糊的补偿问题。由于各条光路不同，不同光路间存在光程差；又由于透镜在不同波长下折射率不同而产生色散效应，使各光路具有不同距离的像平面。本发明利用不同的具有正或负屈光度的光学补偿透镜来补偿上述光程差及色散效应带来的影响，使得CCD接收装置得到各个光路的清晰度一致的火焰单色图像。

【发明内容】

本发明是一种基于光学补偿设计的火焰温度场和燃烧中间产物浓度场监测系统，它主要利用黑体辐射规律和几何光学系统探测燃烧火焰产生的各种中间产物的浓度分布，利用比色法实时测量燃烧时的温度分布，利用具有正屈光度或负屈光度的光学补偿透镜补偿各光路中由于色散和光程差造成的像质差异。

本发明提供的一种基于光学补偿设计的火焰温度场和燃烧中间产物浓度场监测系统，采用以下技术方案：

该方法通过火焰窥镜装置及其前端的探测广角镜收集火焰辐射光传递给分光装置；根据被监测燃烧中间产物的特征谱线以及测量火焰温度场所需光信号波长选定滤波器通光波段的中心波长及半波宽；在实现监测火焰温度场的两条光路中，选择使用的滤波器具有相同的半波宽；在实现监测燃烧中间产物浓度的两条光路中，其特征在于选择使用的滤波器具有相同的半波宽；从滤波器装置出射的窄带光信号为：火焰黑体辐射信号分布上的特定燃烧中间产物的特征谱线1，靠近所述特征谱线且波段互不重叠的黑体辐射信号2，非特征谱线的黑体辐射上的信号3，非特征谱线的黑体辐射上的信号4，根据黑体辐射定律，通过火焰黑体辐射信号分布上的特定燃烧中间产物的特征谱线1减去靠近所述特征谱线且波段互不重叠的黑体辐射信号2的光强强度，得到实际意义的燃烧中间产物的特征辐射信号强度的二维分布；特征辐射信号强度越大，被测量燃烧中间产物的局部浓度越高；非特征谱线的黑体辐射上的信号3与非特征谱线的黑体辐射上的信号4的光强相比，根据比色法可以得到火焰温度场分布；所述窄带光信号在于由于各条光路不同，不同光路间存在光程差，又由于透镜在不同波长下折射率不同产生色散效应，使各光路具有不同距离的像平面，利用具有不同屈光度的光学补偿透镜对所述光程差及所述色散效应进行补偿，可以在CCD接收装置上得到同一清晰度的光强分布图像；利用两路信号的光强分布图像相减得到燃烧中间产物的浓度分布图；利用另两路光信号的光强相比，根据比色法得到火焰温度场分布；利用软件处理系统提取和处理已得到的图像数据，最终能够在线同时获得火焰温度和燃烧中间产物浓度二维分布的监测图像。

其中，所述火焰窥镜装置及其前端的探测广角镜收集火焰辐射光传递给分光装置；所述火焰窥镜装置包括探测广角镜和平行光装置，探测广角镜可以更大范围内收集火焰辐射的光波，平行光装置可以增大收集到的光波的传输距离。

其中，所述火焰窥镜装置外部具有冷却套筒，通过气冷或水冷或两者组合方式对包括探测广角镜和平行光装置在内的火焰窥镜装置进行降温。

其中，所述分光装置包括多个分光棱镜，具有半透半反膜或具有增反膜；镀膜设计在可见光或者紫外光或者红外光光谱范围；具有半透半反膜的棱镜分光比按照实际应用要求设计；每个分光棱镜的入射光和出射光的表面都需要镀增透膜增大通光量。