实现炉膛内温度和气体浓度二维分布重建的系统技术方案

本发明专利技术涉及一种实现炉膛内温度和气体浓度二维分布重建的系统，包括用于发射两个不同方向光束的发射装置、用于接收两个不同方向光束的接收装置和TDLAS数据处理及控制单元，所述发射装置固定安装在燃烧炉的侧壁上，所述接收装置和发射装置相对布置，且固定安装在燃烧炉的侧壁上，所述燃烧炉的侧壁上开设供所述两个不同方向光束通过的观察窗。本发明专利技术通过安装用于发射两个不同方向光束的发射装置和用于接收两个不同方向光束的接收装置，可在有限的观察窗数量下，可得到更多数量和方向的光束分布，进而提高燃烧场分布的空间分辨率和测量精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃烧过程诊断
，尤其是一种实现炉膛内温度和气体浓度二维分布重建的系统及方法。
技术介绍
可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术采用窄线宽可调谐的激光器作为光源，通过控制温度和电流来获得合适的激光输出波长，当激光穿过对该波长有吸收的气体介质时，能量被吸收。根据Beer-Lambert吸收定律，可通过测量透射光谱信号，得到光束路径上的气体吸收强度，进而反演得到气体浓度和温度特征参数。但是TDLAS技术所测得的吸收强度是光束路径上的积分值，计算得到的温度和浓度值是视线路径上的平均值，无法反应流场内部信息。然而，通过测量多角度、多光束数目的吸收信号结合计算机断层扫描技术(CT)，能够得到所测流场的温度和气体浓度二维分布。TDLAS技术以其响应快、可实现在线、原位测量等优点已被用于燃烧诊断领域，已有文献和实验证明TDLAS技术结合计算机断层扫描技术对燃烧场的温度和气体浓度二维分布重建是可行的，但对投影方向和光线数目有较高的要求，在工业过程中不易实现。
技术实现思路
本专利技术的首要目的在于提供一种不仅可以增加光束数量，还可以增加光束视线角度，有效的提高二维重建图像的精度和分辨率的实现炉膛内温度和气体浓度二维分布重建的系统。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种实现炉膛内温度和气体浓度二维分布重建的系统，包括用于发射两个不同方向光束的发射装置、用于接收两个不同方向光束的接收装置和TDLAS数据处理及控制单元，所述发射装置固定安装在燃烧炉的侧壁上，所述接收装置和发射装置相对布置，且固定安装在燃烧炉的侧壁上，所述燃烧炉的侧壁上开设供所述两个不同方向光束通过的观察窗。所述发射装置由准直器和第一安装板组成，所述第一安装板由第一面板和第二面板通过转轴铰接而成，第一面板和第二面板上均开设第一安装孔，所述准直器安装在第一安装孔上，第一安装孔上设置内螺纹，准直器的安装部上开设与所述内螺纹相配合的外螺纹。所述接收装置由光电探测器和第二安装板组成，所述第二安装板由第三面板和第四面板通过转轴铰接而成，第三面板和第四面板上均开设第二安装孔，所述光电探测器安装在第二安装孔上，第二安装孔上设置内螺纹，所述光电探测器的安装部上开设与所述内螺纹相配合的外螺纹。所述TDLAS数据处理及控制单元由信号发生模块、电流和温度控制模块、激光器、分束器、前置放大器、数据采集卡和信号处理及显示单元组成，电流和温度控制模块、信号发生模块共同控制激光器，使其扫描输出确定波长的激光，经分束器均分为32份的光束，输出到发射装置，发射装置使光束按照设定的路径穿过测量区域，形成光束分布结构，由接收装置将带有吸收信息的光信号转化为电信号，通过前置放大器放大后，由数据采集卡将得到的模拟信号转化为数字信号输入到信号处理及显示单元。本专利技术的另一目的在于提供一种实现炉膛内温度和气体浓度二维分布重建的方法，该方法包括下列顺序的步骤：①对测量区域进行离散化网格划分，其网格划分精度取决于所用的光束分布情况；②设置光束空间分布情况；③计算投影光束矩阵：对测量区域预设一个二维坐标系，设定光束空间分布方式，通过光束在所设二维坐标系中的任意两点坐标(x1,y1)和(x2,y2)来确定光束空间分布的线性方程，并由该线性方程计算光束穿过每个网格的长度，进而建立投影光束矩阵Li,j；④结合所选的吸收光谱参数和设定的模拟温度和浓度分布情况，计算各光束的吸光度Aj；⑤利用改进的代数迭代算法IART,计算得到各个离散网格的吸收度系数αi，进而反演得到离散化网格区域内的温度和气体浓度信息，最终得到温度与气体浓度的二维重建；⑥计算得到在仿真模拟中燃烧场参数与设置值的误差；所述改进的代数迭代算法IART具体如下：迭代公式决定着代数迭代算法的迭代次数和结果误差，式(1)为ART求解过程中迭代公式：k为迭代次数，λ为迭代步长，Aj表示第j条光束的吸光度，Li,j为光束矩阵，表示第j条光束穿网格i的路径长度，αi为吸收系数；M，N分别是离散化网格的行数和列数，M×N表示网格数；在迭代公式(1)中的迭代步长的只是光束矩阵的函数，但实际的吸光度也是浓度的函数，所以改进迭代公式(1)使其迭代步长与光束矩阵和浓度都有关系，式(2)是改进后的代数迭代算法IART的迭代公式：式中，β是0～1的参数，β根据不同的工况在0～1的范围内可调。在步骤①中，把所测区域离散为M×N的网格区域，其中M，N的值决定了计算得到的燃烧场分布分辨率，M×N越大分辨率越高，测量所需的光束越多。在所述步骤⑤中，通过HITRAN数据库，选择两条相邻且具有较大低态能级差的吸收谱线，谱线吸收线强S(T)为温度的函数，随温度变化关系为式中，S(T0)是在参考温度T0下的吸收线强度；Q(T0)、Q(T)为吸收分子在温度为T0和T时的配分函数，可拟合为温度的3阶多项式，其系数可利用HITRAN数据库得到；E″为跃迁的低能态能量；υ0为吸收线中心频率；h为普朗克常量；c为光速；k为波尔兹曼常数；两条吸收线对温度的响应不同，取两条吸收线的线强比值可以消去配分函数，便得到温度与吸收线强比值的函数关系：式中，S1、S2分别为吸收线1和吸收线2的线强，由式(3)和式(4)两式便可得到温度的反演公式为：式中，分别为两条吸收线的低态能级，A1、A2分别为两条吸收线的积分吸收系数，Φ(v)是线型函数；P为压强，X为气体浓度，L为光程，三者之间是相乘的关系；结合建立的光束矩阵和吸收谱线信息计算得到每条光束吸光度，其表达式为式(7)表示第j条光束通过离散化网格后吸收谱线ν1的投影值即积分吸收面积，其中i为网格编号，Li,j为光束矩阵，表示第j条光束穿网格i的路径长度；令αi＝[PS(v1,T)X)]i，将投影矩阵表示为矩阵形式：其中，J表示光束数目，M×N表示离散化网格数；用改进的代数迭代IART算法对式(8)进行求解，设置代数迭代算法初始化参数，通过式(2)实现迭代过程，迭代收敛判据为：αi(k+1)-αi(k)≤ε(ε＝10-6)(21)当迭代结果满足迭代收敛判据，得到各离散区的吸收系数αi，分别对选取的两条吸收谱线进行求解得到各离散网格区域的吸收系数αi,ν1，αi,ν2，由离散网格区域的吸收系数比值便可计算得到相应的温度值Ti；通过线强公式求得两条谱线在该温度下对应的线强Sν1(Ti)和Sν2(Ti)，带入式(9)可计算各个离散区域的浓度值：式(10)为两个波长分别得到的浓度值，理论上两个结果是相同的，但由于试验误差的存在，往往采用吸收较强的吸收线得到的浓度值作为实验结果；最终实现温度与气体浓度二维分布重建。在所述步骤⑥中，由计算得到的温度与气体浓度二维分布与初始设置的温度与浓度分布对比，由式(11)、(12)计算的到重建温度与浓度误差：式中，T表示温度，X表示气体浓度，上标“cal”表示计算结果，上标“set”表示初始设置值，eT表示温度误差，ex表示浓度误差，M，N分别是离散化网格的行数和列数。由上述技术方案可知，本专利技术通过安装用于发射两个不同方向光束的发射装置和用于接收两个不同方向光束的接收装置，可在有限的观察窗数量下，可得到更多数量和方向的光束分布，进而提高燃烧场分布的空间分辨率和测量精度；通过光束空间分布在目标测量区域中任意两点位置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现炉膛内温度和气体浓度二维分布重建的系统，其特征在于：包括用于发射两个不同方向光束的发射装置、用于接收两个不同方向光束的接收装置和TDLAS数据处理及控制单元，所述发射装置固定安装在燃烧炉的侧壁上，所述接收装置和发射装置相对布置，且固定安装在燃烧炉的侧壁上，所述燃烧炉的侧壁上开设供所述两个不同方向光束通过的观察窗。

【技术特征摘要】
1.一种实现炉膛内温度和气体浓度二维分布重建的系统，其特征在于：包括用于发射两个不同方向光束的发射装置、用于接收两个不同方向光束的接收装置和TDLAS数据处理及控制单元，所述发射装置固定安装在燃烧炉的侧壁上，所述接收装置和发射装置相对布置，且固定安装在燃烧炉的侧壁上，所述燃烧炉的侧壁上开设供所述两个不同方向光束通过的观察窗。2.根据权利要求1所述的实现炉膛内温度和气体浓度二维分布重建的系统，其特征在于：所述发射装置由准直器和第一安装板组成，所述第一安装板由第一面板和第二面板通过转轴铰接而成，第一面板和第二面板上均开设第一安装孔，所述准直器安装在第一安装孔上，第一安装孔上设置内螺纹，准直器的安装部上开设与所述内螺纹相配合的外螺纹。3.根据权利要求1所述的实现炉膛内温度和气体浓度二维分布重建的系统，其特征在于：所述接收装置由光电探测器和第二安装板组成，所述第二安装板由第三面板和第四面板通过转轴铰接而成，第三面板和第四面板上均开设第二安装孔，所述光电探测器安装在第二安装孔上，第二安装孔上设置内螺纹，所述光电探测器的安装部上开设与所述内螺纹相配合的外螺纹。4.根据权利要求1所述的实现炉膛内温度和气体浓度二维分布重建的系统，其特征在于：所述TDLAS数据处理及控制单元由信号发生模块、电流和温度控制模块、激光器、分束器、前置放大器、数据采集卡和信号处理及显示单元组成，电流和温度控制模块、信号发生模块共同控制激光器，使其扫描输出确定波长的激光，经分束器均分为32份的光束，输出到发射装置，发射装置使光束按照设定的路径穿过测量区域，形成光束分布结构，由接收装置将带有吸收信息的光信号转化为电信号，通过前置放大器放大后，由数据采集卡将得到的模拟信号转化为数字信号输入到信号处理及显示单元。5.一种实现炉膛内温度和气体浓度二维分布重建的方法，该方法包括下列顺序的步骤：①对测量区域进行离散化网格划分，其网格划分精度取决于所用的光束分布情况；②设置光束空间分布情况；③计算投影光束矩阵：对测量区域预设一个二维坐标系，设定光束空间分布方式，通过光束在所设二维坐标系中的任意两点坐标(x1,y1)和(x2,y2)来确定光束空间分布的线性方程，并由该线性方程计算光束穿过每个网格的长度，进而建立投影光束矩阵Li,j；④结合所选的吸收光谱参数和设定的模拟温度和浓度分布情况，计算各光束的吸光度Aj；⑤利用改进的代数迭代算法IART,计算得到各个离散网格的吸收度系数αi，进而反演得到离散化网格区域内的温度和气体浓度信息，最终得到温度与气体浓度的二维重建；⑥计算得到在仿真模拟中燃烧场参数与设置值的误差；所述改进的代数迭代算法IART具体如下：迭代公式决定着代数迭代算法的迭代次数和结果误差，式(1)为ART求解过程中迭代公式：αi(k+1)=αi(k)+λAj-Σi=1M×Nαi(k)Li,jΣi=1M×NLi,j2Li,j,(j=1,2....,J;i=1,2....,M×N)---(1)]]>k为迭代次数，λ为迭代步长，Aj表示第j条光束的吸光度，Li,j为光束矩阵，表示第j条光束穿网格i的路径长度，αi为吸收系数；M，N分别是离散化网格的行数和列数，M×N表示网格数；在迭代公式(1)中的迭代步长的只是光束矩阵的函数，但实际的吸光度也是浓度的函数，所以改进迭代公式(1)使其迭代步长与光束矩阵和浓度都有关系，式(2)是改进后的代数迭代算法IART的迭代公式：αi(k+1)=αi(k)+βαi(k)Li,jΣi=1M×Nαi(k)Li,j×Aj-Σi=1M×Nαi(k)Li,jΣi=1M×NLi,j2Li,j,(j=1,2....,J;i=1,2....,M×N)---(2)]]>式中，β是0～1的参数，β根据不同的工况在0～1的范围内可调。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在步骤①中，把所测区域离散为M×N的网格区域，其中M，N的值决定了计算得到的燃烧场分布分辨率，M×N越大分辨率越高，测量所需的光束越多。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在所述步骤⑤中，通过HITRAN数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志荣，孙鹏帅，董凤忠，庞涛，夏滑，吴边，崔小娟，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34