[实用新型]一种基于静电压电一体化传感器的火焰碳烟监测装置

说明书

本实用新型属于火焰监测技术领域的一种基于静电压电一体化传感器的火焰碳烟监测装置。该装置为在燃烧室内部安装由单丝静电传感器和压电传感器构成的静电压电一体化传感器阵列，静电压电一体化传感器阵列与信号调理单元、采样装置和数据分析单元串联；可对火焰内部带电粒子和颗粒进行测量，压电传感器由压电薄膜直接缠绕在单丝电极裸露在燃烧室外侧的一端，可感应颗粒与电极碰撞产生的弹性应力波。静电压电一体化传感器阵列输出的信号通过数据分析单元中的时域分析、互相关运算、功率谱密度分析、统计分析等处理，可实现火焰内部带电粒子和碳烟颗粒电荷极性、电荷浓度、速度及碳烟颗粒浓度等多种特征参数的实时监测，对改善大气环境具有重大意义。

技术领域

本实用新型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。

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。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足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。

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。

所述单丝电极由耐高温材料钨或钨铜加工制成，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。