[发明专利]基于激光诱导等离子体光谱的定标方法和装置及测量可燃气体与氧化剂当量比的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及定标方法和装置及测量可燃气体与氧化剂当量比的方法装置。 

背景技术

当量比是指燃烧系统中实际供给氧化剂量与燃料完全燃烧时所需氧化剂量之比。燃料和氧化剂的当量比是燃烧领域中非常重要的参量，可以反应燃料和氧化剂的混合情况，在实际的扩散火焰中不同位置处的当量比不一样，很难判断出各点当量比的大小，然而只有当量比合适的情况下，才能保证充分燃烧。因此，当量比的精确测量对于燃烧技术的发展具有十分重要意义。 

在实际的燃烧系统中，如航空航天发动机、内燃机、工业燃烧器等，可燃气体和氧化剂被注入到燃烧室中进行混合、点火和燃烧。混合过程是是十分重要的，它是燃烧能够发生和稳定的必要条件。如果可燃气体与氧化剂混合不好，没有达到合适的当量比，则很难实现点火与稳定燃烧，因此，对可燃气体与氧化剂当量比实时、在线、快速、精确的测量对于研究和控制燃烧系统的燃料与氧化剂的混合过程是非常重要的。 

测量当量比的方法主要包括光学测量方法和非光学的测量方法。非光学测量方法主要有直接测量燃料和氧化剂的比率和间接测量尾气的气体成分。直接测量方法的不足是获得的是混合和燃烧前的当量比，不能反映实际混合和燃烧过程的燃料和氧化剂的当量比，误差较大。间接测量尾气的方法，反映的是燃烧过程之后的燃料和氧化剂的整体的当量比，不能反映燃烧室中燃料和氧化剂的空间与时间分布规律。此外，这两种方法都无法做到实时在线测量。光学测量方法包括拉曼散射、激光诱导荧光（LIF）等。拉曼散射法方法信号弱、信噪比低，对激光器能量要求高。激光诱导荧光方法，对激光波长有严格限制，设备复杂昂贵，较难实现。由此可见，如何准确、实时、在线、便捷地测量燃料和氧化剂的当量比成为相关研究的迫切需求。 

发明内容

本发明是为了提高现有定标方法的定标的精度、提高现有燃烧系统中燃料和氧化剂当量比的测量精度，以及提高混合燃气当量比测量的便捷度，从而提供一种基于激光诱导等离子体光谱测量可燃气体与氧化剂当量比的方法及实现该方法的装置。 

步骤A、将可燃气体、氧气和氮气通入混气罐，形成混合气体，并分别控制所述可燃 气体、氧气和氮气的流量； 

步骤B、将步骤A中形成的混合气体通入石英玻璃圆管，并使所述混合气体从石英玻璃圆管的管口流出； 

步骤C、采用激光器发出激光光束，并将所述激光光束聚焦到步骤B中所述管口位置，击穿管口流出的混合气体，产生等离子体，所述等离子体发出荧光信号； 

步骤D、将步骤C中所述等离子体发出荧光信号采用聚焦透镜聚焦到光纤的入口，该光纤将其入口入射的光信号传输到光谱仪；采用计算机分析光谱仪采集的荧光信号，获得等离子体光谱； 

步骤E、获取步骤D中所述等离子体光谱中的H特征峰和O特征峰，并计算所述H特征峰和O特征峰的强度比值； 

步骤F、改变步骤A所述的可燃气体、氧气和氮气流量和混合气体当量比M次，每次改变之后重复执行步骤A至步骤E，分别获得M个H特征峰和O特征峰的强度比值； 

根据获得的M+1个H特征峰和O特征峰的强度比值获得光谱强度比值和当量比的线性关系，完成基于激光诱导等离子体光谱的定标；M为大于2的整数。 

步骤C中激光器输出的激光为单脉冲或重复频率为1-1000Hz的多脉冲激光，输出激光中心波长为532nm；激光脉宽为10ns；激光能量在3mJ至10mJ之间。 

步骤D中光谱仪的响应波段为200nm至1000nm；所述光谱仪中使用的光电转换器件为ICCD，所述ICCD采用激光器脉冲进行触发采集信号，其门宽时间为10ns~500ns。 

步骤F中每次改变混合气体当量比的范围在0.2至2.0之间。 

实现上述方法的基于激光诱导等离子体光谱的定标装置，它包括燃料气瓶、氧气气瓶、氮气气瓶、一号流量计、二号流量计、三号流量计、混气罐、石英玻璃圆管、一号激光器、一号聚焦透镜、二号聚焦透镜、一号光纤、一号光谱仪和一号计算机； 

燃料气瓶内充入可燃气体，氧气气瓶内充入氧气，氮气气瓶内充入氮气；所述燃料气瓶的出气口、氧气气瓶的出气口和氮气气瓶的出气口分别与混气罐的三个进气口连通；一号流量计、二号流量计和三号流量计分别设置在燃料气瓶的出气口、氧气气瓶的出气口和氮气气瓶的出气口处；混气罐的出气口与石英玻璃圆管的末端进气口连通； 

一号激光器发出的激光光束入射至一号聚焦透镜，经一号聚焦透镜聚焦至石英玻璃圆管的管口，用于击穿该管口流出的混合气体，产生等离子体，所述离子体发出荧光信号；