高温火焰温度场测量技术的发展现状
第24卷第2期 2008年6月
上海电力学院学报
Vol.24,No.2June 2008
Journal of Shanghai University of Electric Power
文章编号:1006-4729(2008)02-0149-05
高温火焰温度场测量技术的发展现状
杨春沪,王淮生
(上海电力学院数理系,上海 200090)
3
摘 要:介绍了测量高温火焰温度场的常用的几种方法,.光谱辐射测温法原理简单,技术成熟,辨率,随着激光器和成像器件的快速发展,热点;光学干涉测温法无干扰,,.关键词:;;D;中图分类号:T.:A
DevelopmentofMeasurementTechniquefor
HighTemperatureFlameField
YANGChun2hu,WANGHai2sheng
(Dept.ofMathematicsandPhysics,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai 200090,China)
Abstract: Somecommonly2usedhightemperatureflamemeasurementtechniquesareintroduced.Theirtheories,methodsandcharactersareexpoundedandcompared.Themeasurementmethodbasedonradioactivetheory,issimpleandmature,especiallycolorimetrictemperature2measurementmethodwhichiswidelyused.Spectroscopydiagnosistechniqueisgoodathighresolutionsinbothtimeandspace.Withthedevelopmentoflaserandimagedevice,CARSandLIFtechniquebecomethehotsubjectininvestigation.Thetemperaturemeasurementbasedonlaserinterferometryisnon2intrusive.Itcangettheaccuratehigh2temperaturefieldquantitatively.
Keywords: flamemonitoring;hightemperaturemeasurement;CCDimage;combustiondiagnosis
高温火焰的温度场测量是燃烧领域一个极其重要的问题,对于燃烧状态的判断、预测和诊断有着十分重要的意义.
电站锅炉炉内的燃烧状况,一直是热能与动力工程领域中长期研究的课题.传统的诊断方法依靠热电偶等接触式测量方法获得炉内热工参数,但因测点较少,而且仅能获得局部参数,不能
收稿日期:2007-10-18
全面反应炉内参数尤其是温度场的特征.
由于炉内过程的复杂性和火焰内部强烈的物理、化学反应,传统的测温方法无法实现对火焰温度场的长期、分布式、无干扰的在线测量.在这种情况下,光学非接触测温方法几乎成了唯一可行的测温方法视.
[1]
.从而引起了有关专家和学者的重
作者简介:杨春沪(1980-),女,硕士,江苏无锡人.主要研究方向为直接接收激光雷达、微波信号检测.E2mail:
基金项目:上海高校选拨培养优秀青年教师科研专项基金(Z22006284);上海市教育委员会一般项目(06LZ004).
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1 光谱辐射温度测量法
辐射测温的原理是建立在普朗克黑体辐射定
律基础之上的.近年来,随着光电技术和计算机图像处理技术的发展,通过面阵电荷偶合器件(CCD)进行火焰监测,并将炉膛火焰图像中求取的炉膛温度场分布技术应用于电力工业中.其测试系统如图1所示
.
可以较准确地测量出火焰的温度场,使测量误差大大降低(从5%降至2.3%),为工程应用提供了一种可行的方法.比色法经过多年的研究已成功应用于柴油机的温度的测量,但在汽油机温度测量方面仍处于起步阶段.
2 光谱诊断测温法
在所有可以应用于燃烧诊断的光谱技术中,尤以发射光谱、相干反斯托克斯喇曼光谱和激光
[10]
诱导荧光等几种技术的研究较多.2.1 发射光谱技术
、高压的燃烧紫外光波段的电磁辐射,检测这些辐射,便能得到燃烧场的温度等信息.
处理光谱并得到所需要的燃烧场定量信息的方法有多种.由于光谱强度是温度、介质浓度、测量光路、仪器等多种因素影响的结果,因此一般不能简单地以某波长的光强来对应某种测量信息.利用理论光谱对其进行线型拟合应该是比较准确的一种方法,但遗憾的是由于以前对自由基等小分子的研究非常不充分,它们的某些光谱常数难以准确确定,因此,使用发射光谱进行燃烧诊断,目前可以充分利用的只能是一些定性的结果,而定量的测量方法还在研究当中
[10,11]
图1 测试系统示意
基于CCD的数字图像处理测温方法主要有
参考温度法和比色测温法.参考温度法也称为单色法,是在CCD摄像机前加装滤色片以获取单波长下火焰辐射图像,同时利用高温热电偶实测炉内一点的燃烧温度,这样图像上任一点的温度都可以从其灰度值与参考点的灰度值比较中得到,但未能完全摆脱传统接触式测温法的限制.比色测温法又称双色测温法,是非接触测温,而且使用同一时刻同一点的信息,不受参考点限制,也可以
[2-6]
得到较好的结果.在实际应用中,国内外学者广泛采用相对简单的比色测温法,并对火焰模型和CCD的光谱特性进行了一系列简化和假设.然而这种假设与事实并不完全相符,使测量结果存在较大误差.文献[7]提出了一种新的光学测温法调制的吸收辐射测温法(MAE),在测量过程中同时考虑同一波长的辐射和吸收,这就大大减小了比色测温法中的不确定(不确定度从±50K降低至±20K),避免了要依靠折射率模型获得温度的限制.
文献[8]和文献[9]提出了将BP神经网络模型应用于通过彩色CCD图像对火焰温度场的测量中,克服了比色法在测量过程中的一系列假设,
.
2.2 相干反斯托克斯喇曼散射光谱法
相干反斯托克斯喇曼散射光谱法(CARS)是一种四波混频效应,最初是作为在一束强激光下的非线性光学过程进行研究的,但发展至今,它已经成为一种被广泛研究和使用的优秀燃烧诊断技术.CARS信号是类似激光的相干光,具有确定的方向.为了有效产生信号,必须考虑泵浦光和斯托克斯光的相位匹配问题.常用的相位匹配方式有共线CARS和交叉CARS.而非稳腔空间增强探测CARS(USEDCARS)是两束三维相位匹配构造,不仅能获得类似交叉CARS的高空间分辨率,而且还具有共线CARS的易准直性,能同时获得燃烧场温度和组分浓度的信息,其应用十分广泛.USEDCARS测量系统如图2所示
[12,13]
.
杨春沪,等:高温火焰温度场测量技术的发展现状151
术和数值处理技术便可计算出温度分布.与发射
光谱不同的是,LIF可以让被激发对象发出荧光而不管它原来处于什么状态,而发射光谱则需要测量对象处于一定的状态,否则其信号可能探测
[15]
不到.其测量系统如图3所示
.
图2 USEDCARS测量系统示意
图2中:M平面镜;
L;F;T;SF空间滤波器;BS分束镜;DM;OF摄谱仪.
相干反斯托克斯喇曼光谱信号的强度正比于待测介质的三阶非线性极化率的平方,而三阶非线性极化率又正比于产生喇曼共振跃迁的待测介质的低能级和高能级之间的粒子数密度差.由于粒子数密度差与待测介质的浓度以及在不同能级的粒子数的分布有关,后者又是系统热平衡温度的玻尔兹曼函数,因此系统的热平衡温度和介质的浓度决定了CARS谱线的强度.高温物体产生的信号光经过双色镜和滤波片的处理后被送入光谱仪,在光谱仪的出口处用CCD电荷耦合器件拍摄光谱并将其数字化,再送入计算机,将拍摄到的光谱经过与理论光谱拟合或进行其他处理,便可确定温度,所得的温度结果,其精度可以达到±50K.CARS测量技术的一个弱点是光路复杂,设备昂贵,因此成本较高.但是,随着经济实力的增强,这一不利条件将会逐渐淡化,CARS有可能成为燃烧科学研究的标准配置之一,在燃烧动力装置
[14]
的研究中发挥重要作用.2.3 激光诱导荧光技术
图3 LIF实验测量系统示意
LIF技术对燃烧过程无干扰,可以进行精确
测量,而且时空分辨率高(时间分辨率纳秒,空间分辨率微米量级),二维测量,具有可视性,形象直观.到20世纪90年代后期,随着激光器和成像器件的快速发展,使得LIF技术对燃烧过程的实时检测成为可能.近年来LIF技术已成为激光燃烧诊断技术的研究热点,可以对流场的结构进行高精度成像.借助这一强大工具,国内外的研究机构正将其应用于超音速燃烧、火箭发动机燃烧等
[16,17]
领域.
3 光学干涉测温法
当热量以对流和导热的方式进行传递时速度较慢.由于温度的不均匀分布造成介质密度的不均匀使得折射率有一个分布,所形成的光学干涉条纹能反映出这种介质密度的变化,用以定量地测定燃烧温度场.3.1 全息干涉测温法
由于光学全息干涉计量技术对待测对象不产生干扰,可实现全场、定量、快速、直观的无损探测,因而在许多领域得到广泛应用.特别是随着小型半导体激光器的出现,使其走出实验室成为实用的现场测试方法成为可能.全息法测量火焰温度是一种较新的方法,它能无干扰地瞬时测取全场各点的温度,观察火焰三维立体图像.
实时偏振、位相物体全息干涉测温法基本光
激光诱导荧光技术(Laser2InducedFluores2
cence,LIF)是利用频率较高的激光,有选择地把测量介质的分子激发到高能态,然后收集其向低能态跃迁时发出的荧光进行分析的一种测量技术.测得的荧光,经CCD摄取后,利用图像处理技
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路图如图4所示
.
剪切干涉法的优点是:对振动不敏感;干涉图
像是可数的条纹,适用于高速摄影;干涉条纹可叠加载波,便于图像自动处理.因此,剪切干涉法是研究燃烧场温度的有效方法.利用该方法已在实际发动机上成功地实现了燃烧过程温度场的测量.但在实际应用中,燃烧过程不总是在稳定状态下进行的,而且这种燃烧不稳定性在许多工程领域都有所表现,所以近年来研究者们已致力于解
[21-25]
决燃烧不稳定性的研究.
图4 实现实时全息干涉的光路示意
图4中,进入光学系统的光为沿水平方向振
动的线偏振光,待测物体放在P1面上,P2是空间频率谱面,在此放置光折变晶体PRC(在光学全息干涉技术中采用光折变晶体代替感光胶片或干板作为记录介质,可实时记录、再现和擦除,不需要任何化学处理过程;;量大;.)它是P1的像面,.光在光折变晶体涉图,由CCD相机记录下来,再由微机进行图像处理,从横截面上的折射率场分布求得相应的温度场.全息干涉法中采用了光折变晶体,突破了传统的全息干涉记录材料的限制,实现了实时观测,这是近期国际上较为热门的研究;加之其对光学元件质量要求不高,可测温范围大,备受人们的重[18-20]视.3.2 剪切干涉测温法
4 结束语
3类.,简单方便,
,通过摄取高,就可以算出整个温度分布.光、空间分辨率和光谱分辨率都相当高,不仅能应用于高温火焰温度的测量,还可以获得燃烧场的组分浓度等参数,有利于分析整个燃烧过程.另外,它几乎不受火焰温度的影响,适应恶劣的测量环境.光学干涉测温法避免了大规模复杂的光学系统,从获得的火焰折射率信息可得到整个场的温度的分布.这些技术都是建立在现代光电检测技术、图像处理技术与传统测量原理相结合的基础上的.随着光电检测技术和图像处理技术的发展,高温测量方法也将得到快速发展参考文献:
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[26,27]
.
全息干涉法是人们最早接触到的干涉测温方
法.但由于全息干涉法对实验条件的要求较为苛刻,所以到20世纪90年代剪切干涉法在温度测量领域得到了迅速的发展.
剪切干涉法测温的基本原理是:准直光通过被测温度场后,由于温度变化引起折射率的变化,从而使光波波面发生变化,经剪切镜将被测光波波面剪切成两部分,然后再叠加在一起,在重叠区域发生干涉,干涉条纹与两波面的光程差对应.由实验测得的干涉条纹即可推算出温度场的分布情况.剪切干涉原理如图5所示
.
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图5 剪切干涉法原理示意
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