一种高温燃烧颗粒多参数测量的光纤簇探针装置及方法与流程

本发明涉及热工测量技术领域，具体而言，涉及一种高温燃烧颗粒多参数测量的光纤簇探针装置及方法。

背景技术：

固体燃料（如煤、生物质等）燃烧在能源、动力、电力、航空航天、冶金、化工等诸多工业领域中广泛应用。为提高燃烧效率和能量利用率，固体燃料一般在燃烧前磨成粉状后在燃烧装置中燃烧产生热量。研究颗粒的燃烧与运动情况对于提高设备效率具有重要意义。然而，燃烧装置内，温度高、流场复杂，这对测量装置要求具有耐高温性与高可靠性。目前，为获得燃烧装置内颗粒运动情况，一般采用冷态实验加入示踪颗粒开展速度测量，尚未见有在燃烧状态下开展颗粒二维运动速度、浓度和颗粒温度等多参数测量的装置及方法。

技术实现要素：

本发明的目的是:发展一种能够实现高温燃烧颗粒多参数测量的装置及方法，并且具有结构简单、高可靠、成本低廉的优点。

针对上述目的，本发明提供了一种高温燃烧颗粒多参数测量的光纤簇探针装置，该装置包括探针部与检测部。其中探针部用来采集燃烧状态下颗粒的辐射光信号；检测部用来检测高温颗粒的辐射光信号与散射光信号。

上述探针部由支撑件、进水接头、出水接头及光纤簇组成。冷却水从进水接头进入对探针进行冷却，再由出水接头流出。光纤簇为n根光纤组成（n>5），光纤按照特定排布方式排布（t型、十字型、z型、梅花型等），其中的一根光纤传输激光光源发出的光照射到待测颗粒上发生散射，后向散射光经其他多个特定光纤传输至光电检测器。还有一根光纤传输燃烧状态下颗粒的辐射光信号，并传输至光谱检测器。

上述检测部由激光光源、光谱检测器、光电探测器组成。激光光源发出激光经光纤传输，照射到待测高温颗粒区，颗粒的后向散射光信号再经光纤传输给光电探测器，测得颗粒的二维运动速度、浓度等参数。关闭激光光源，光谱检测器接收来自燃烧状态下颗粒的光谱信号，测得高温颗粒的温度参数。

在本发明的另一个方面中，提供了一种高温燃烧颗粒多参数测量方法，该方法使用探针采集待测高温颗粒区的辐射光信号及散射光信号，并由光纤分别传输给光谱检测器与光电检测器，测得燃烧状态下高温颗粒的二维运动速度、浓度、温度等多参数。

本发明的基本原理是：以高温燃烧颗粒为测量对象，激光通过光纤照射待测区域发生光散射，后向散射光由多个光纤接收并测量光强信号，根据互相关测速法，获得颗粒二维运动速度，同时依据后向散射光强与颗粒浓度成正比关系，可测得颗粒浓度。关闭激光光源，高温燃烧颗粒辐射光强通过光纤传输给光谱检测器，依据普朗特辐射定律，获得高温颗粒的温度。

基于上述的发明原理，本发明的技术方案是：采用多个光纤组成光纤簇，并利用水冷结构形成测量探针，将光纤簇内一根光纤设置为发射光纤，接至激光光源，多个特定光纤设置为后向散射激光接收光纤，接至光电检测器，还有一根光纤设置为传输高温颗粒辐射光信号。测量时，将探针插入燃烧装置内，打开激光光源，激光经发射光纤照射待测高温颗粒区，激光在颗粒上发生散射，经过接收光纤，由光电检测器接收并记录光强信号。通过对某两个光强信号进行互相关分析，获得两个信号的渡越时间，结合这两个接收光纤的距离，便可计算出这两点方向上的颗粒速度。结合多对接收光纤光强信号，便可获得颗粒二维运动速度信息。同时，依据后向散射光强与颗粒浓度成正比关系，便可获得颗粒浓度信息。之后关闭激光光源，采用光谱检测器接收燃烧颗粒辐射光信号，依据普朗特辐射定律，便可获得颗粒温度参数。

一种高温燃烧颗粒多参数测量方法，其测量高温燃烧颗粒二维运动速度及颗粒浓度方法步骤为：

1)将光纤簇内某根光纤设置为发射光纤，接至激光光源，多个特定光纤设置为后向散射激光接收光纤，接至光电探测器；

2)探针插入燃烧装置内，对准高温燃烧颗粒区域，打开激光光源和光电探测器；

3)记录多个接收光纤后向散射光强信号；

根据互相关测速法原理，通过对某两个光强信号进行互相关分析，获得两个信号的渡越时间δti，结合这两个接收光纤的距离li，计算出这两点方向上的速度vi：

(1)

结合多个接收光纤光强信号，获得颗粒二维运动速度信息：

(2)

依据后向散射光强i与颗粒浓度cp成正比关系，可获得待测区域颗粒浓度cp：

(3)

一种高温燃烧颗粒多参数测量方法，其测量高温燃烧颗粒温度方法步骤为：

1)关闭激光光源，将光纤簇内某根光纤设置为辐射光强接收光纤，接至光谱检测器；

2)探针插入燃烧装置内，对准高温燃烧颗粒区域，辐射光信号接收光纤传输高温燃烧颗粒辐射光强信号并传至光谱检测器；

3)记录辐射光谱信号；

根据普朗特辐射定律，辐射波长与辐射强度的关系式，可拟合得到待测高温颗粒的温度t：

(4)

其中，e为辐射力，λ为波长，ε为辐射率，c1与c2为辐射常数。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种高温燃烧颗粒多参数测量的光纤簇探针装置及方法，可以实现高温燃烧颗粒的二维运动速度、浓度及温度等多参数测量，具有独创性，并且用几根光纤组成的光纤簇探针就可以实现该功能，结构简单，可靠性高，成本低廉，从而满足热工测量技术领域燃烧状态下颗粒多参数测量要求。

附图说明

图1为实施例的一种高温燃烧颗粒多参数测量的光纤簇探针装置的结构示意图。

图2为实施例的一种高温燃烧颗粒多参数测量的光纤簇探针装置光纤簇光纤分布示意图。

图3为实施例的一种高温燃烧颗粒多参数测量方法颗粒二维运动速度矢量示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

参照图1，一种高温燃烧颗粒多参数测量的光纤簇探针装置，该装置包括探针部1与检测部2。其中探针部1用来采集燃烧状态下颗粒的辐射光信号；检测部2用来检测高温颗粒的光谱信号及散射光信号。

上述探针部1由支撑件11、进水接头12、出水接头13及光纤簇14组成。冷却水从进水接头12进入对探针进行冷却，再由出水接头13流出。光纤簇14中，光纤141、142、143、144、145按照“十”方式排布，光纤141传输激光光源发出的光照射到待测颗粒上发生散射，后向散射光经光纤143、144、145传输至光电检测器23。光纤142传输燃烧状态下颗粒的辐射光信号，并传输至光谱检测器22。

上述检测部2由激光光源21、光谱检测器22、光电探测器23组成。激光光源21发出激光经光纤141传输，照射到待测高温颗粒区，颗粒的后向散射光信号再经光纤143、144、145传输给光电探测器23，测得颗粒的二维运动速度、浓度等参数。关闭激光光源，光谱检测器22接收来自燃烧状态下颗粒的光谱信号，测得高温颗粒的温度参数。

本实施例还提供了一种高温燃烧颗粒多参数测量方法，该方法使用探针采集待测高温颗粒区的辐射光信号及散射光信号，并由光纤分别传输给光谱检测器与光电检测器，测得燃烧状态下高温颗粒的二维运动速度、浓度、温度等多参数。

参照图2，一种高温燃烧颗粒多参数测量的光纤簇探针装置光纤簇光纤分布示意图，所述的光纤簇14由5根光纤（141、142、143、144、145）按照“十”方式排布构成，其中，光纤141为激光发射光纤，连接至激光光源21，光纤143、144、145为后向散射光接收光纤，连接至光电探测器23。

一种高温燃烧颗粒多参数测量方法，其高温燃烧颗粒二维运动速度及颗粒浓度测量方法步骤为：

1)将激光发射光纤141接至激光光源21，将后向散射激光接收光纤143、144、145接至光电探测器23；

2)探针插入燃烧装置内，对准高温燃烧颗粒区域，打开激光光源21和光电探测器23；

3)记录接收光纤143、144、145激光后向散射光信号；

根据互相关测速法原理，通过对光纤143、144光强信号进行互相关分析，获得143、144信号的渡越时间，结合这两个接收光纤的距离，计算出这两点方向（竖直方向）上的速度：

(5)

根据互相关测速法原理，通过对光纤143、145光强信号进行互相关分析，获得143、145信号的渡越时间，结合这两个接收光纤的距离，计算出这两点方向（水平方向）上的速度：

(6)

参照图3，结合这两对接收光纤光强信号，获得颗粒二维运动速度信息：

(7)

依据接收光纤143、144、145接收的后向散射光强i与颗粒浓度cp成正比关系，可获得待测区域颗粒浓度cp：

(8)

一种高温燃烧颗粒多参数测量方法，其测量高温燃烧颗粒温度方法步骤为：

1)关闭激光光源，将光纤簇内光纤142设置为辐射光强接收光纤，接至光谱检测器22；

2)探针插入燃烧装置内，对准高温燃烧颗粒区域，辐射光信号接收光纤142传输高温燃烧颗粒辐射光信号并传至光谱检测器22；

3)记录辐射光谱信号；

根据普朗特辐射定律，辐射波长与辐射强度的关系式，可拟合得到待测高温颗粒的温度t：

(9)

其中，e为辐射力，λ为波长，ε为辐射率，c1与c2为辐射常数。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。