一种火焰局部当量比的测试装置及测试方法

本发明涉及燃烧诊断的测量，更具体地说，涉及一种火焰局部当量比的测量。

背景技术：

1、燃气轮机燃烧过程受多种因素影响，例如流动特性、燃料配比、燃烧室几何形状等，诸多因素的相互耦合作用导致燃烧热声不稳定性机理错综复杂，所表现出来的燃烧特性也存在较大差异。燃烧当量比是燃烧特性的其中一个参数，是指火焰燃烧过程中所需的氧气量与燃料提供的氧气量之间的比值。它用于衡量燃料与氧气的理论混合比，从而确定燃烧过程的效率和产物生成。通过检测并判断燃烧炉内火焰的燃烧当量比，从而可以控制化石燃料与空气的有效供应量。是提高生产效率、节约成本的有效手段之一。

2、如专利号为cn110263796b的一种基于火焰颜色识别燃烧当量比的方法、系统及装置。其通过数字相机采集火焰rgb原图图像，将rgb原图图像经过计算处理，得到rgb图像的b/g值。通过将b/g值输入进火焰当量比判断模型，计算得到火焰当量比。该方法可以通过图像处理技术识别火焰图像颜色信息后，利用颜色和当量比的关系可以间接获得燃料与空气的混合情况，即当量比，进而判断燃烧状态。

3、在火焰的实际燃烧过程中，不同区域的燃料和氧化剂浓度可能存在差异，即每个局部点的当量比是不一致的。这时需要检测火焰各个局部点的当量比，对火焰中的非均匀性进行分析，并识别可能存在的局部燃烧问题，如燃料偏析或局部剧烈氧化。所以在实际的火焰当量比监测过程中，更加注重监测火焰中的局部点的当量比。

4、然而上述专利中的方法，是通过数字相机采集得到火焰燃烧图像，再经图像处理得到火焰当量比。数字相机的分辨率和图像质量会对局部点的当量比判断结果产生影响。例如低分辨率或者图像噪声均会导致难以准确捕捉和分析火焰的局部点信息，从而影响判断精度。并且，火焰燃烧是动态的，需要对局部当量比进行实时监测。然而该方法需要用到复杂的图像处理和分析方法，若要进行实时监测，则数据处理的复杂程度会加倍，对硬件性能要求较高。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种火焰局部当量比的测试装置及测试方法，其能实现对火焰局部点当量比的精准测量，且算法简单，对硬件性能需求较低。

2、本发明通过以下技术方案得以实现：

3、一种火焰局部当量比的测试装置，其特征在于，包含点光源采集组件、滤光组件、光电转换组件和数据处理单元，所述滤光组件包含oh基滤光片和ch基滤光片；

4、所述点光源采集组件含有光学组件和与所述光学组件连接的光纤分束器，所述光学组件用于采集火焰局部点的光源，并将光源聚焦到一点后输入进所述光纤分束器，所述光纤分束器将光路平均分为两路：传输光束一λ1和传输光束二λ2，分别给所述oh基滤光片和所述ch基滤光片；

5、所述oh基滤光片和所述ch基滤光片分别对所述传输光束一λ1和所述传输光束二λ2进行过滤，分别透射出oh基团自发荧光λ3和ch基团自发荧光λ4；

6、所述光电转换组件接收到所述oh基团自发荧光λ3和所述ch基团自发荧光λ4，分别转化为对应的电压信号一u1和电压信号二u2；

7、所述数据处理单元接收所述电压信号一u1和所述电压信号二u2，计算得到火焰的局部当量比φ；

8、计算公式为：

9、其中，所述a的取值范围为6.90-6.92之间任意一数值，所述b的取值范围为18.10-18.30之间任意一数值，所述c的取值范围为12.86-12.88之间任意一数值。

10、所述光学组件可选用现有技术中成熟的cassegrain lens。cassegrain lens是一种光学镜头设计，由两个或多个反射面组成，目的是采集到火焰局部点的光源，将发散的光束聚焦到聚焦点上。聚焦后的光束进入到所述光纤分束器中，被平均分为两路传输光束：所述传输光束一λ1和所述传输光束二λ2。所述传输光束一λ1和所述传输光束二λ2分别进入到所述滤光组件中的所述oh基滤光片和所述ch基滤光片。

11、滤光片是现有技术中的一种光学部件，当光线通过滤光片时会被过滤，滤光片会透射或者反射出指定波长的光线。在本案中，所述oh基滤光片和所述ch基滤光片将分别对所述传输光束一λ1和所述传输光束二λ2进行过滤，分别透射出波长为315nm的所述oh基团自发荧光λ3和波长为427nm的所述ch基团自发荧光λ4，给所述光电转换组件。

12、所述光电转换组件可选用现有技术中成熟的光电倍增管和多通道功率放大器组合。光电倍增管通过光电子效应，将所述oh基团自发荧光λ3和所述ch基团自发荧光λ4两路光信号分别转化对应的电流信号。随后，两路电流信号进入到所述多通道功率放大器中。所述多通道功率放大器是现有技术中，光电领域的成熟部件，用于将微弱的电流信号放大成为电压信号。此处，放大为两路电压信号：所述电压信号一ui和所述电压信号二u2，输出给所述数据处理单元。通过所述ui、所述u2与所述φ的关系式计算得到火焰所述局部当量比φ，并输出。

13、数学关系式：

14、其中，所述a的取值范围为6.90-6.92之间任意一数值，所述b的取值范围为18.10-18.30之间任意一数值，所述c的取值范围为12.86-12.88之间任意一数值。

15、所述a、所述b和所述c是所述ui、所述u2与所述φ的之间数学关系式中的一个常量参数，该参数的取值可在上述的限定范围内，由用户根据实际情况自定义，选择一个最佳匹配数值代入公式。

16、该种火焰局部当量比的测试装置可以通过所述点光源采集组件中的光学组件，将某一局部点的光源聚焦进所述光纤分束器中，使得该装置只会采集到火焰某一个局部位置点的光源，而其他位置点的光源无法经所述光学组件采集聚焦进所述光纤分束器中，具有抗输入干扰功能。故该装置的测试无需屏蔽外界干扰光源，适用场景广泛，且可以确保精准测量到对应局部位置点的所述φ。

17、且所述数据处理单元仅通过所述u1、所述u2与所述局部当量比φ的关系式就算得出火焰所述局部当量比φ，无其它复杂的运算算法。当该测试装置对火焰的当量比进行实时监测时，简单的数学关系式运算不会对所述数据处理单元造成运行负担，对硬件性能要求较低。

18、作为本发明新型的优选，所述点光源采集组件还含有两个分别与所述oh基滤光片、所述ch基滤光片连接的准直镜，所述准直镜用于将所述传输光束一λ1和所述传输光束二λ2分别转换为平行光一λ11和平行光二λ21。

19、所述光纤分束器将光纤平均分为两路：所述传输光束一λ1和所述传输光束二λ2，传输给所述滤光组件。所述传输光束一λ1和所述传输光束二λ2在所述光纤分束器内部传输，是具有一定的传输角，靠着光纤内径的全反射，从而沿着光纤延伸方向传输，而非是一组平行光线。所述准直镜是现有技术中成熟的光学元件，用于将发散的光线变为平行光线。在所述光纤分束器中的两个支路的尾端分别连有两个所述准直镜，可以将所述传输光束一λ1和所述传输光束二λ2先转换成所述平行光λ一11和所述平行光二λ21，再分别进入到所述滤光组件中的所述oh基滤光片和所述ch基滤光片。

20、平行光由于其光线之间的间距不随传播距离改变而改变，无需特地调节所述滤光组件的位置，也可以确保每一路的光线都能进入到所述滤光组件中，被所述oh基滤光片和所述ch基滤光片接收并进行过滤。并且，由于平行光束中的光线都具有相同的方向，无论光线传播的距离有多长，它们始终保持平行，所以不用担心所述平行光一λ11中的部分光错误的跑到所述ch基滤光片，所述平行光二λ21同理。

21、该装置可以确保采集得到的光信号的准确性，从而确保计算得出的所述局部当量比φ的准确性。

22、作为本发明的优选，所述光电转换组件外设有黑盒，用于防止自然光进入到所述光电转换组件中。

23、所述光电转换组件用于将所述oh基团自发荧光λ3和所述ch基团自发荧光λ4，分别转化为对应的所述电压信号一u1和所述电压信号二u2。自然光进入到所述光电转换组件中，会影响所述电压信号一u1和所述电压信号二u2的实际采集值。在所述光电转换组件外设有所述黑盒，用于防止自然光进入到所述光电转换组件上，可以确保输出的所述电压信号一u1和所述电压信号二u2的准确性，从而确保该装置计算得出的所述局部当量比φ的准确性。

24、作为本发明的优选，所述点光源采集组件中还含有位于所述光学组件的下方，且用于调整所述光学组件的空间位置的三维位移台。

25、所述光学组件需要高精密的调节相对火焰的空间位置，从而能够实现局部点光源的采集、聚焦以及不同局部点对应的所述φ的检测。所述三维位移台可选用现有技术中成熟的dantec的三维位移台，其能实现0.01mm的精确控制，同时能保证搭载最大30kg测量设备的情况下平稳运行。该装置可以实现对所述光学组件其x,y,z轴三个方向的精密位移调节。

26、一种火焰局部当量比的测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

27、step1:点光源采集步骤，

28、在本步骤中，利用所述光学组件将火焰局部点光源进行多次反射并聚焦进所述光纤分束器中；

29、step2：光纤分路步骤，

30、所述光纤光纤分束器将光路平均分为两路：所述传输光束一λ1和所述传输光束二λ2，分别给所述oh基滤光片和所述ch基滤光片；

31、step3：滤波步骤，

32、所述oh基滤光片和所述ch基滤光片分别对所述传输光束一λ1和所述传输光束二λ2进行过滤，分别透射出所述oh基团自发荧光λ3和所述ch基团自发荧光λ4；

33、step4：光电转换步骤，

34、所述oh基团自发荧光λ3和所述ch基团自发荧光λ4，通过光电子效应，分别转化为对应的所述电压信号一u1和所述电压信号二u2；

35、step5：计算步骤，

36、利用公式计算出所述局部当量比φ，公式为：

37、其中，所述a的取值范围为6.90-6.92之间任意一数值，所述b的取值范围为18.10-18.30之间任意一数值，所述c的取值范围为12.86-12.88之间任意一数值。

38、所述光学组件由由两个或多个反射面组成，目的是采集到火焰局部点的光源，将发散的光束聚焦到聚焦点上。聚焦后的光束进入到所述光纤分束器中，被平均分为两路传输光束：所述传输光束一λ1和所述传输光束二λ2。所述oh基滤光片和所述ch基滤光片将分别对所述传输光束一λ1和所述传输光束二λ2进行过滤，吸收其它波段的光并分别透射出波长为315nm的所述oh基团自发荧光λ3和波长为427nm的所述ch基团自发荧光λ4。所述λ3和所述λ3两路光信号通过光电子效应先分别转换为电流信号，再将微弱的电流信号分别放大成为电压信号：所述电压信号一ui和所述电压信号二u2。再通过公式计算得出火焰所述局部当量比φ。

39、公式为：

40、其中，所述a的取值范围为6.90-6.92之间任意一数值，所述b的取值范围为18.10-18.30之间任意一数值，所述c的取值范围为12.86-12.88之间任意一数值。

41、所述a、所述b和所述c是所述ui、所述u2与所述φ的之间数学关系式中的一个常量参数，该参数的取值可在上述的限定范围内，由用户根据实际情况自定义，选择一个最佳匹配数值代入公式。

42、该种火焰局部当量比的测试方法可以通过所述光学组件，将某一局部点的光源通过多次反射，聚焦进所述光纤分束器中。使得该方法只会采集到火焰某一个局部位置点的光源，而其他位置点的光源无法经所述光学组件采集聚焦进所述光纤分束器中，具有抗输入干扰功能。故该种测试方法无需屏蔽外界干扰光源，适用场景广泛，且可以确保精准测量到对应局部位置点的所述φ。

43、且该种测试方法仅通过所述u1、所述u2与所述局部当量比φ的关系式就算得出火焰所述局部当量比φ，无其它复杂的运算算法。当对火焰的当量比进行实时监测时，简单的数学关系式运算不会对所需硬件造成运行负担，对硬件性能要求较低。

44、作为本发明的优选，所述点光源采集步骤step1包括以下步骤：

45、step11：向所述光纤分束器的出口处打入一束逆向的光路，经所述光学组件后由所述光学组件的入口处发出，后在火焰位置产生一个逆向的光斑；

46、step12：调节所述光学组件与火焰之间的距离，使得位于火焰位置上的光斑面积达到最小，定义此时所述光学组件与火焰之间的距离为间距d1。

47、step13：保持所述光学组件与火焰之间的距离为间距d1不变，撤离所述逆向的光路，所述光学组件将所述火焰局部点光源进行多次反射并聚焦进所述光纤分束器中。

48、从所述点光源采集组件的出口处打入一个逆向的光路，逆向的经过了所述光学组件，由其出口处发出，打在所述火焰位置区域，形成一个所述光斑。由于光路的可逆性，则火焰中该所述光斑所在区域的局部点光源，也可以沿着逆向的光路，正向进入所述点光源采集组件，经所述光学组件聚焦后进入所述光纤分束器中。无需调节光学组件中各个反射面的位置，也可实现局部点光源的采集和聚焦。

49、调节所述光学组件中各个反射面的位置的方式更加复杂，因为有多个反射面需要调节，且调节方向不固定，较为费时。本技术所提出的调节方法，通过打入逆向光路，调节火焰与所述光学组件之间的距离，调节对向单一，调节方向唯一，故更加的简单快速。

50、作为本发明的优选，在所述step12中，先用黑色背景板替代火焰，调节所述光学组件与所述黑色背景板之间的距离，使得所述黑色背景板上的光斑面积达到最小后，记录所述间距d1，并将黑色背景板替换成火焰。

51、由于火焰自身是个光源，逆向的所述光斑打在火焰上，肉眼不太容易识辨。用所述黑色背景板替代火焰，调节到最佳间距后再替换回火焰，可以更加清楚的识别出光斑的面积大小，使得间距调节的更加准确。确保调节后的光斑面积最小，从而实现精准地测量到火焰局部位置点上的所述φ。

52、作为本发明的优选，所述点光源采集步骤step2还包含准直步骤：将所述传输光束一λ1和所述传输光束二λ2先通过所述准直镜分别转换为所述平行光一λ11和所述平行光二λ21，再将所述平行光一λ11和所述平行光二λ21分别传输给所述oh基滤光片和所述ch基滤光片。

53、所述传输光束一λ1和所述传输光束二λ2在所述光纤分束器内部传输，是具有一定的传输角，靠着光纤内径的全反射，从而沿着光纤延伸方向传输，而非是一组平行光线。在所述光纤分束器中的两个支路的尾端分别连有两个所述准直镜，可以将所述传输光束一λ1和所述传输光束二λ2先转换成所述平行光λ一11和所述平行光二λ21，再分别传输给所述oh基滤光片和所述ch基滤光片。

54、平行光由于其光线之间的间距不随传播距离改变而改变，无需特地调节滤光片的位置，也可以确保每一路的光线都能被所述oh基滤光片和所述ch基滤光片接收并进行过滤。并且，由于平行光束中的光线都具有相同的方向，无论光线传播的距离有多长，它们始终保持平行，所以不用担心所述平行光一λ11中的部分光错误的跑到所述ch基滤光片，所述平行光二λ21同理。

55、该方法可以确保采集得到的光信号的准确性，从而确保计算得出的所述局部当量比φ的准确性。

56、综上所述，本发明具有如下有益效果：

57、1.通过光学组件将某一局部点的光源聚焦进所述光纤分束器中，使得该装置具有抗输入干扰功能，无需屏蔽外界干扰光源，适用场景广泛，且可以确保精准测量局部当量比φ。

58、2.通过简单的公式就能计算出局部当量比φ，无其它复杂的运算算法。当需对火焰的当量比进行实时监测时，也不会对所需硬件运行造成负担，对硬件性能要求较低。

59、3.通过逆向光路确定焦距的方法，调节对向单一，调节方向唯一，可以更加的简单快速将光路聚焦。

60、4.先用黑色背景板代替火焰调整间距，可以更加清楚的识别出光斑的面积大小，使得间距调节的更加准确。