[发明专利]基于静电压电一体化传感器的火焰碳烟监测装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于火焰监测技术领域，特别涉及一种基于静电压电一体化传感器的火焰碳烟监测装置及方法。

背景技术

燃烧过程广泛存在于电力、冶金、化工、交通、食品等工业中，碳烟是化石燃料燃烧过程中不完全燃烧产生的主要颗粒物，会导致能源利用率降低，成本增加。而且，碳烟是大气污染物PM的重要来源之一，即使在很低的环境浓度下，碳烟都会对人类健康造成严重的危害，如致畸、致癌、致机体突变等。另外，颗粒物因其辐射特性还被认为是除二氧化碳以外造成全球变暖的重要因素，颗粒物中的碳烟能够造成正的辐射强迫，极大程度地减弱大气气溶胶对地球的冷却效果，严重影响大气辐射平衡以及全球气候变化。因此，对于碳烟的研究一直备受国际能源与环境研究领域的高度关注。目前，国内外对于碳烟的前驱物分子、碳烟微粒生成的物理过程、高温环境下颗粒形态变化规律等问题的理论研究取得了一定的进步，但仍未得到科学、全面的描述。

现有的碳烟颗粒监测技术包括热电偶颗粒沉积法等接触式测量技术，基于扫描电迁移率粒径谱仪(SMPS)的粒子粒径分析技术以及如激光诱导炽光法(LII)、平面激光诱导荧光技术(PLIF)、粒子图像测速技术(PIV)的光学测量方法等非接触式测量技术，可测量火焰中碳烟体积分数、颗粒粒径分布、颗粒瞬时速度等火焰中碳烟颗粒的定量或定性信息。光学法具有高精度、快速响应、非接触等优点，但因造价昂贵、光学系统复杂、测量距离有限、易受外界环境的影响，难以应用于实际复杂恶劣的工程中。

燃烧是发光发热的氧化反应，火焰从动力学角度看也属于流体的一种。在燃烧过程中，火焰内部充满了大量的阴阳离子以及自由电子，这些带电粒子影响碳烟颗粒形成的化学过程。碳烟颗粒形成后，带电粒子与碳烟颗粒产生碰撞或热离子化作用又使碳烟颗粒带电。对火焰中带电粒子和碳烟颗粒的空间分布进行实时测量，获得碳烟颗粒的多种特征参数，可促进对碳烟生成过程和机理的认识，进而采用有效措施控制碳烟颗粒的生成，以降低环境污染排放。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于静电压电一体化传感器的火焰碳烟监测装置及方法，其特征在于，所述火焰碳烟监测装置为在燃烧室内安装静电压电一体化传感器阵列，静电压电一体化传感器由单丝静电传感器和压电传感器组成；静电压电一体化传感器阵列的输出与信号调理单元连接，信号调理单元通过采样装置与数据分析单元连接；其中，数据分析单元由时域分析、统计分析、互相关计算和功率谱密度分析组成；并采用适当的信号分析处理技术对火焰内部碳烟颗粒带电量分布、浓度分布、速度分布进行实时监测，从而实现对火焰内部带电粒子和碳烟颗粒的监测。

所述静电压电一体化传感器阵列由多个静电压电一体化传感器组成，垂直方向上从火焰根部到外焰进行布置，间距根据火焰内部碳烟颗粒监测的空间分辨率调节，以2至5mm为宜，水平方向上穿过火焰，两端贯穿燃烧室两壁，传感器横向长度以大于燃烧室长度为宜。

所述单丝静电传感器具有局部敏感区域和非敏感区域，其中敏感区域为两层结构；非敏感区域为三层结构：单丝电极为第一层，单丝电极表面镀绝缘层为第二层，以避免带电粒子及带电碳烟颗粒和电极碰撞导致电荷的直接传递，非敏感区域最外层镀金属屏蔽层为第三层，以屏蔽带电粒子和碳烟颗粒的干扰。

所述单丝电极可由钨、钨铜等耐高温材料加工制成，绝缘层由耐高温材料的刚玉或石英加工制成；金属屏蔽层由耐高温材料不锈钢加工制成；所述单丝电极直径以小于1mm为宜，以降低电极对火焰的影响。

所述压电薄膜传感器直接缠绕在单丝电极裸露在燃烧室外侧的一端，选用偏聚氟乙烯压电薄膜(PVDF)等材料加工制成，偏聚氟乙烯压电薄膜和单丝电极之间用由环氧材料、硅酸铝盐等制成的工业高温胶粘结。

所述基于静电压电一体化传感器的火焰碳烟监测装置的火焰碳烟监测方法，其特征在于，包括：

1)调节单丝电极敏感区域在火焰内部的位置，测量火焰内部存在的带电粒子和带电碳烟颗粒在单丝电极上的产生感应电荷；

2)压电薄膜传感器感知碳烟颗粒和电极碰撞产生应力波，压电薄膜传感器测量该应力波，并输出电荷信号，

3)经信号调理单元后通过采样装置采集电荷信号，输送给数据分析单元；

4)数据分析单元依次通过时域分析得到火焰某局部区域带电粒子和碳烟颗粒的电荷极性、通过统计分析得到电荷浓度信息、通过互相关计算得到得到火焰内部带电粒子和碳烟颗粒的速度信息和通过功率谱密度分析得到火焰内部碳烟颗粒的浓度信息，从而实现对火焰内部带电粒子和碳烟颗粒的监测。