一种火焰检测传感器及基于ect成像的火焰检测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种火焰检测传感器，包括上下位置设置的绝缘底座和绝缘筒壁，绝缘底座的内壁为圆锥面，绝缘底座内壁圆锥面上底的直径大于下底的直径，绝缘底座的内壁上均匀间隔布置了8个第一电极片，第一电极片为环形；绝缘筒壁为筒状，绝缘筒壁的外壁上环形均匀间隔布置了8个第二电极片；第一电极片之间与第二电极片之间均设置有屏蔽电极。本实用新型的有益效果：本实用新型的火焰检测传感器与火焰检测系统是基于ECT成像技术的火焰检测，提供三维成像传感器的分布方案，使传感器的布置更加贴合燃烧火焰本身形状，从而克服传统三维检测分辨率低，误差大的缺点，提高检测的可靠性和精度。
【专利说明】
一种火焰检测传感器及基于ECT成像的火焰检测系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及火焰检测技术领域，具体来说，涉及一种火焰检测传感器及基于ECT成像的火焰检测系统。
【背景技术】
[0002]冶金行业的燃气轮机组的燃烧过程是由轻油单烧到与BFG混烧再切换到BFG单烧。单筒直立式燃烧器配置了三个炉膛内部的火焰传感器，用来完成在整个燃烧过程中对燃烧状况的收集。目前，该设备的使用情况是，一旦其中二个火焰传感器未能检测到火焰信号，为了防止燃料喷入导致爆炸，整台发电机组就立刻脱扣，切除燃料，进行紧急停机。紧急停机不但影响了正常发电，而且非正常停机还对设备的正常使用寿命产生很大的影响。
[0003]电容层析成像技术(electricalcapacitallce tolnogmphy，ECT)是20世纪90年代以来开始快速发展的新型多相流测量方法。通过测量的电容来推算内部介电系数的分布，并据此推导出物质浓度分布。层析测量传感器一般布置在被测通道外部，为非干扰测量，具有快速展示整个流场物体分布等独特优点。ECT是一种新型“场”测量技术，能够实现对整个截面上的物质分布测量，并能克服测量空间不透明的问题。目前，该方法在气力输送、循环流化床以及气水分离等多相流检测中得到应用。国外研究者们还利用ECT对自由空间火焰的分布情况进行了可视化研究，结果表明，ECT图像可以正确显示火焰位置、大小等特点。
[0004]传统的声学和热量特性火焰检测方法，由于其检测器易受锅炉其他热源和声源的干扰而难以准确使用，不能满足大型发电设备对安全运行的要求。目前比较可行的研究方向主要有光学法和电学法，本实用新型是基于电学层析成像技术(ECT)。火焰在传感器中心圆孔内燃烧，由于火焰电离效应，导致传感器内部介质的电离子发生改变，引起八个电极片测量电容值的改变，因而电容值的变化反映了内部介质的变化，同时也反映出了这一时刻介质的分布情况。通过数据采集系统将电容值信号反映到计算机中，利用一定的算法进行图像重建，可以获得内部火焰图像，实现可视化火焰检测。
[0005]传统的ECT三维重建方式是通过获得同一高度层中所有极板对间的测量电容值，根据得到的该层上二维图像阵列，然后在轴向上通过插值法进行估值延伸，获得三维重建图像。这种三维重建方法显然具有不可避免的误差，因此被许多学者称为伪三维重建。
[0006]因此如何将ECT技术与火焰检测结合实现实现三维可视化火焰检测，便成为业内人士亟需解决的技术问题。
【实用新型内容】
[0007]针对相关技术中的上述技术问题，本实用新型提出一种火焰检测传感器及基于ECT成像的火焰检测系统，能够实现三维可视化火焰检测的开放式多层传感器。
[0008]为实现上述技术目的，本实用新型的技术方案是这样实现的:
[0009]—种火焰检测传感器，包括上下位置设置的绝缘底座和绝缘筒壁，所述绝缘底座的内壁为圆锥面，所述绝缘底座内壁圆锥面上底的直径大于下底的直径，所述绝缘底座的内壁上均匀间隔布置了8个第一电极片，所述第一电极片为环形;所述绝缘筒壁为筒状，所述绝缘筒壁的外壁上环形均匀间隔布置了 8个第二电极片;所述第一电极片之间与所述第二电极片之间均设置有屏蔽电极。
[0010]进一步地，所述第一电极片与所述第二电极片均为不锈钢材料。
[0011]进一步地，所述绝缘底座为刚玉材料。
[0012]进一步地，所述绝缘底座的圆锥面与水平面的夹角大于燃烧器所生成火焰的张角。
[0013]进一步地，每个所述第一电极片之间的间隔角度α为5°。
[0014]进一步地，所述绝缘底座和绝缘筒壁的外侧均设置屏蔽层。
[0015]本发明还提供一种基于ECT成像的火焰检测系统，包括燃烧器，所述燃烧器连接有甲烷气罐，所述燃烧器上固定设置有本发明所述的火焰检测传感器，所述火焰检测传感器连接有数据采集系统和成像系统。
[0016]进一步地，所述甲烧气罐通过截止阀和流量计与所述燃烧器连接。
[0017]进一步地，所述甲烷气罐与所述燃烧器的通路上设置有减压器和稳压罐。
[0018]本实用新型的有益效果:本实用新型所述的火焰检测传感器与火焰检测系统是基于ECT成像技术的火焰检测，提供三维成像传感器的分布方案，使传感器的布置更加贴合燃烧火焰本身形状，从而克服传统三维检测分辨率低，误差大的缺点，提高检测的可靠性和精度。
【附图说明】
[0019]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1是根据本实用新型实施例所述的火焰检测传感器的主视剖视图；
[0021 ]图2是根据本实用新型实施例所述的火焰检测传感器的俯视图；
[0022]图3是根据本实用新型实施例所述的基于ECT成像的火焰检测系统的结构示意图；
[0023]图4是根据本实用新型实施例所述的火焰检测传感器测量原理图。
[0024]图中:
[0025]1、甲烷气罐;2、截止阀；3、流量计;4、减压器;5、稳压罐;6、压力表;7、成像系统;8、数据采集系统;9、燃烧器；10、火焰检测传感器;11、屏蔽层；12、绝缘底座；13、绝缘筒壁;14、第一电极片；15、第二电极片；16、屏蔽电极。
【具体实施方式】
[0026]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0027]如图1-2所示，根据本实用新型实施例所述的一种火焰检测传感器10，包括上下位置设置的绝缘底座12和绝缘筒壁13，所述绝缘底座12的内壁为圆锥面，所述绝缘底座12内壁圆锥面上底的直径大于下底的直径，所述绝缘底座12的内壁上均匀间隔布置了 8个第一电极片14，所述第一电极片14为环形;所述绝缘筒壁13为筒状，所述绝缘筒壁13的外壁上环形均匀间隔布置了 8个第二电极片15;所述第一电极片14之间与所述第二电极片15之间均设置有屏蔽电极16。
[0028]本实用新型提供的是一种基于电容层析成像技术的三维火焰检测传感器。被测对象为火焰，其温度常常在上千摄氏度，不能采用传统焊接工艺制作的工作温度上限仅300°C左右的传感器，故本实用新型的传感器基部采用耐高温的95瓷度的刚玉作为绝缘材料，在电极的制作方法上采用电镀法，将电极片电镀于刚玉管的外表面，改进后的传感器最好可耐温度为1500°C，满足燃烧实验的要求。
[0029]在一个实施例中，传感器分为上下两部分，共十六个电极片。传感器的基部为全开放式三维传感器。
[0030]其中，绝缘底座采用耐高温的刚玉材料，内半径38mm，外半径88mm。为了使电极片的位置更贴近于真实火焰底部与水平面的夹角，即火焰张角，特将绝缘底座的形状设计成与水平面夹角为41°圆锥面，该角度大于E V燃烧器所生成的大多数火焰的张角，同时又尽可能地与地面倾斜，以实现尽可能地贴近火焰底部，从而提高测量的精度。在底座锥面的上方均匀地电镀了八个第一电极片。第一电极片为不锈钢材料，内圆弧半径为40mm，外圆弧半径为80mm,每个极板间的间隔角度α为5°。
[0031]传感器的绝缘筒壁13也采用了刚玉材料，轴向高度为200mm，内半径80mm，外半径为88mm,管壁厚度为8_。筒壁外部环形电镀了八个刚性材料第二电极片，厚度为5mm，轴向高度为80mm，电极片底部距离绝缘底座的电极片平面高度为60mm。电极间电镀了屏蔽电极，宽度为3_，用于隔开测量电极，减少测量极间电容的误差。
[0032]如图3所示，本实用新型提供一种基于ECT成像的火焰检测系统，包括燃烧器9，所述燃烧器9上固定设置有本发明所述的火焰检测传感器10，所述燃烧器连接有甲烷气罐I，所述火焰检测传感器10连接有数据采集系统8和成像系统7，所述甲烷气罐I通过截止阀2和流量计3与所述燃烧器9连接，所述甲烷气罐与所述燃烧器的通路上还设置有减压器4和稳压罐5。
[0033]为了方便理解本实用新型的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本实用新型的上述技术方案进行详细说明。
[0034]在传统的电容层析成像系统中，通过相同高度层上的两两电极板之间的电容值，获得该截面测量区域内的电容值数据，结合二维有限元方法获得该平面内的二维敏感场，通过相应的图像重建算法，获得该截面的灰度值分布信息，再通过在高度方向上进行线性插值，实现三维图像重建。
[0035]而本实用新型提供的传感器，除了测量传感器中相同高度层极板之间的电容值，如图4中实线箭头所指方向，还将获得不同高度层极板间的电容值，如图4中虚线箭头所指向方向。此时获得的电容值中包含了轴向信息，为三维测量电容值矩阵。
[0036]对于ECT系统，获得测量区域重建图像的另一重要元素是敏感场。基于传统的传感器只能获得二维横截面敏感场，而对于本实用新型采用的16电极传感器，我们通过有限元计算得出三维电场值，再对其按以下公式进行点乘相加，可以得到三维敏感场的近似计算结果，具体计算公式如下:
[0037]S(n，k)=E(n，xi)*E(n，xj)+E(n，yi)*E(n，yj)+E(n，zi)*E(n，zj)
[0038]其中:η=ι，2，---64祁4;k=l,2，."66^=1, 2，2，...16;
[0039]3(11，10—表示敏感场矩阵$(114；0 4(11，7；0 4(11，2；0—表示电场叉，y, z方向上分量。
[0040]由上式可以看出，此敏感场亦包含了轴向信息，为三维成像敏感场矩阵。
[0041]由于图像重建所需要的两大因素一一测量电容值矩阵和敏感场矩阵均包含了轴向信息，为三维矩阵，因此无需通过二维成像截面的线性插值即刻直接获得三维重建图像，实现了对测量对象的三维成像。由于该传感器大大提高了重建图像的轴向分辨率，因而根据该系统的测量结果分析火焰不同高度层结构就更加可靠。而增加了筒壁上八个环形电极片后，与原本的三维全开放式八电极电容传感器相比，增强了测量信号，加强了距离基座传感器平面较远的区域内敏感场的强度，使得在较广的区域内具有较好的成像效果。
[0042]综上所述，本实用新型所述的传感器在设计上放弃了传统传感器在空间上完全对称的平面型二维结构，将电极片制作为分层结构，并将底座设计为圆锥面。与现有的技术相比，不仅可以获得传统的相同高度层的电极板之间的电容值，还可以获得不同高度层的电极板之间的电容值，同时，使底座上的传感器尽可能地接近火焰的底部。这是因为尽管基部传感器在轴向上可检测到不同高度层测量区域内工质介电系数的变化，具有三维特性，但是三维敏感场在高度方向上具有软场特性，即随着高度层的增加，敏感场强度逐渐减弱。
[0043]本实用新型在基部三维全开放式传感器的基础上，将底座设置成有一定角度的锥形，再结合筒壁上八个环形电极片，从而大大地加强了较高区域内敏感场的强度，使该火焰检测传感器可应用于更广的测量对象。
[0044]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种火焰检测传感器，其特征在于，包括绝缘底座(12)和设置在绝缘底座(12)上的绝缘筒壁(13)，所述绝缘底座(12)的内壁为圆锥面且所述圆锥面的顶面直径大于底面直径，所述绝缘底座(12)的内壁上均匀间隔布置有8个第一电极片(14)，所述第一电极片(14)为环形;所述绝缘筒壁(13)为筒状，所述绝缘筒壁(13)的外壁上环形均匀间隔布置有8个第二电极片(15);所述第一电极片(14)之间以及所述第二电极片(15)之间均设置有屏蔽电极(16)。2.根据权利要求1所述的火焰检测传感器，其特征在于，所述第一电极片(14)与所述第二电极片(15)均为不锈钢材料。3.根据权利要求1所述的火焰检测传感器，其特征在于，所述绝缘底座(12)为刚玉材料。4.根据权利要求1所述的火焰检测传感器，其特征在于，所述绝缘底座(12)的圆锥面与水平面的夹角大于燃烧器所生成的火焰的张角。5.根据权利要求1所述的火焰检测传感器，其特征在于，每个所述第一电极片(14)之间的间隔角度为5°。6.根据权利要求1所述的火焰检测传感器，其特征在于，所述绝缘底座(12)和绝缘筒壁(13)的外侧均设置屏蔽层(11)。7.一种基于ECT成像的火焰检测系统，包括燃烧器(9)，所述燃烧器(9)连接有甲烷气罐(1)，其特征在于，所述燃烧器(9)上固定设置火焰检测传感器(10)，火焰检测传感器(10)包括绝缘底座(12)和设置在绝缘底座(12)上的绝缘筒壁(13)，所述绝缘底座(12)的内壁为圆锥面且所述圆锥面的顶面直径大于底面直径，所述绝缘底座(12)的内壁上均匀间隔布置有8个第一电极片(14)，所述第一电极片(14)为环形;所述绝缘筒壁(13)为筒状，所述绝缘筒壁(13)的外壁上环形均匀间隔布置有8个第二电极片(15);所述第一电极片(14)之间以及所述第二电极片(15)之间均设置有屏蔽电极(16);所述火焰检测传感器(10)连接有数据采集系统(8)和成像系统(7)。8.根据权利要求7所述的基于ECT成像的火焰检测系统，其特征在于，所述甲烷气罐(I)通过截止阀(2)和流量计(3)与所述燃烧器(9)连接。9.根据权利要求8所述的基于ECT成像的火焰检测系统，其特征在于，所述甲烷气罐(I)与所述燃烧器(9)的通路上设置有减压器(4)和稳压罐(5)。
【文档编号】G01N27/22GK205593961SQ201620151929
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年2月29日
【发明人】刘婧, 齐心, 刘石
【申请人】华北电力大学