[发明专利]一种烟气三维多物理场瞬时测量装置及方法

权利要求书

1.一种烟气三维多物理场瞬时测量装置，其特征在于：包括可视化扩散箱、纹影测量系统、TDLAS二极管测量系统、PIV测量系统和数据采集分析系统；所述可视化扩散箱(1)内壁面安装纹影背景板(2)，箱内壁面上安装多道水平和竖直滑轨，滑轨上安装位置相对的第一平台(3)和第二平台(16)；纹影测量系统由可视化扩散箱(1)内的纹影背景板(2)和箱外正对纹影背景板(2)的高速CCD摄像机(4)构成；TDLAS二极管测量系统由位于可视化扩散箱(1)外依次连接的信号发生器(5)、可调激光器(6)、第一光纤耦合器(7)以及固定在可视化扩散箱(1)内第一平台(3)上的浓度信号发生器(8)、温度信号发生器(9)和第二平台(16)上的浓度信号传感器(14)、温度信号传感器(15)构成；PIV测量系统由位于可视化扩散箱(1)内的PIV光源(10)和PIV专用高速摄像机(11)构成，PIV专用高速摄像机(11)固定在可视化扩散箱(1)内的第一平台(3)上；浓度信号传感器(14)、温度信号传感器(15)和PIV专用高速摄像机(11)通过第二光纤耦合器(12)实时传输信号至数据采集分析系统(13)，数据采集分析系统(13)对信号进行处理并实时反馈控制信号。

2.根据权利要求1所述的一种烟气三维多物理场瞬时测量装置，其特征在于：所述纹影背景板(2)上有预先设置好的点阵图，通过高速CCD摄像机(4)拍摄记录烟气扩散前后点阵图的变化，能得到烟气扩散的粗略物理场和包括烟气高度、宽度及形状在内的外部特征。

3.根据权利要求1所述的一种烟气三维多物理场瞬时测量装置，其特征在于：所述TDLAS二极管测量系统的激光信号由信号发生器(5)产生，经过可调激光器(6)、第一光纤耦合器(7)的调理，通过光纤连接至可视化扩散箱(1)内第一平台(3)上的浓度信号发生器(8)和温度信号发生器(9)，浓度信号发生器(8)和温度信号发生器(9)发送激光信号，分别由第二平台(16)上的浓度信号传感器(14)和温度信号传感器(15)接收并转换为电信号，传递给数据采集分析系统(13)进行后续处理、计算；通过测量激光信号自浓度信号发生器(8)发射到浓度信号传感器(14)接收和自温度信号发生器(9)发射到温度信号传感器(15)接收的物性变化，经计算机处理计算后分别实现该光路上烟气浓度场和温度场的测量。

4.根据权利要求1所述的一种烟气三维多物理场瞬时测量装置，其特征在于：所述PIV光源(10)能发出特定频率散射激光，使烟气中的示踪粒子发出特定频率的荧光，并由PIV专用高速摄像机(11)记录，将结果传递至数据采集分析系统(13)，实现烟气扩散速度场的测量。

5.根据权利要求1所述的一种烟气三维多物理场瞬时测量装置，其特征在于：所述可视化扩散箱(1)的箱体由可视化高透有机玻璃制成，实现测量设备自可视化扩散箱(1)外部的非接触测量。

6.根据权利要求1所述的一种烟气三维多物理场瞬时测量装置，其特征在于：所述可视化扩散箱(1)内的第一平台(3)和第二平台(16)位置始终保持相对，且能凭借水平和竖直滑轨移动位置，配合平台上的浓度信号发生器(8)、浓度信号传感器(14)、温度信号发生器(9)、温度信号传感器(15)和PIV专用高速摄像机(11)，实现烟气扩散上升过程中跟随式的全角度三维实时测量。

7.根据权利要求1所述的一种烟气三维多物理场瞬时测量装置，其特征在于：所述数据采集分析系统(13)能实时接收各测量设备信号，对数据进行处理和计算后，实现烟气三维多物理场重建输出，同时实时反馈控制浓度信号发生器(8)和温度信号发生器(9)的信号发射、浓度信号传感器(14)和温度信号传感器(15)的信号接收以及第一平台(3)和第二平台(16)的位置，保证各测量设备之间无相互干扰。

8.权利要求1至7任一项所述烟气三维多物理场瞬时测量装置的测量方法，其特征在于：当烟气被喷入可视化扩散箱(1)时，启动信号发生器(5)和PIV光源(10)；信号发生器(5)发射激光信号，可调激光器(6)和第一光纤耦合器(7)调理信号至所需频率，通过光纤将激光信号连接至浓度信号发生器(8)和温度信号发生器(9)，浓度信号发生器(8)和温度信号发生器(9)再发送激光信号，分别由第二平台(16)上的浓度信号传感器(14)和温度信号传感器(15)接收并转换为电信号发送至数据采集分析系统(13)；数据采集分析系统(13)中的计算机处理由浓度信号发生器(8)发射到浓度信号传感器(14)接收的激光信号转换的电信号，通过比对发射时和接收时电信号的频率及强度变化，计算机计算出该光路上烟气的平均浓度，在第一平台(3)和第二平台(16)移动过程中，不同位置能得到对应光路上的烟气平均浓度，数据采集分析系统(13)对所有数据根据光路位置进行排列，实现烟气浓度场重建输出；数据采集分析系统(13)中的计算机处理由温度信号发生器(9)发射到温度信号传感器(15)接收的激光信号转换的电信号，通过比对发射时和接收时电信号的频率及强度变化，计算机计算出该光路上烟气的平均温度，在第一平台(3)和第二平台(16)移动过程中，不同位置能得到对应光路上的烟气平均温度，数据采集分析系统(13)对所有数据根据光路位置进行排列，实现烟气温度场重建输出；PIV光源(10)发出特定频率的散射激光，使烟气中的示踪粒子发出特定频率的荧光，PIV专用高速摄像机(11)对示踪粒子拍照记录，将获得的连续时间序列图像发送至数据采集分析系统(13)，利用图像处理算法，得到粒子在图像上的位移，再得到粒子的速度分布，实现烟气扩散速度场重建输出；数据采集分析系统(13)在接收各测量设备信号的同时，还实时反馈控制浓度信号发生器(8)和温度信号发生器(9)的信号发射、浓度信号传感器(14)和温度信号传感器(15)的信号接收及第一平台(3)和第二平台(16)的位置，保证各测量设备之间无相互干扰；

在烟气扩散的过程中，高速CCD摄像机(4)通过拍摄烟气在纹影背景板(2)上的变化，实现烟气高度、宽度和形状的测量。