基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于火焰監(jiān)測技術(shù)范圍的一種基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測裝置及方法。所述火焰監(jiān)測裝置為在燃燒室內(nèi)平行布置的多層絲網(wǎng)電極陣列,以對火焰某一截面附近的帶電粒子和微細顆粒進行檢測,實現(xiàn)對火焰整體的監(jiān)測。絲網(wǎng)電極陣列為多根獨立絲狀金屬電極構(gòu)成,金屬電極表面鍍絕緣層,在絲網(wǎng)的結(jié)點處兩電極互不導(dǎo)通。絲網(wǎng)電極輸出的感應(yīng)電荷信號由嵌入式信號處理模塊進行調(diào)理和采集,進而采用靜電層析成像算法對燃燒室內(nèi)空間電荷分布進行三維重構(gòu),最后通過統(tǒng)計分析、互相關(guān)運算、參數(shù)估計、數(shù)據(jù)融合處理,實現(xiàn)火焰速度、閃爍頻率、穩(wěn)定性、火焰前鋒位置等特征參數(shù)的測量。本發(fā)明可為火焰特性研究和工業(yè)燃燒系統(tǒng)在線監(jiān)測提供一種技術(shù)手段。
【專利說明】
基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于火焰監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃燒過程廣泛存在于電力、冶金、化工、交通、食品等工業(yè)中,對燃燒火焰的實時監(jiān)測有利于提高燃燒系統(tǒng)的熱效率、安全性和環(huán)保性。經(jīng)過多年的發(fā)展,國內(nèi)外提出了基于不同原理和技術(shù)的火焰監(jiān)測方法,包括基于熱電偶的溫度檢測器、電離檢測器等接觸式檢測技術(shù),以及聲學(xué)法、基于光電、成像、光譜傳感器的光學(xué)法等非接觸式檢測技術(shù)。現(xiàn)有的檢測技術(shù)大多利用火焰的熱學(xué)、聲學(xué)和光學(xué)特性來獲取火焰的定量或定性信息,包括溫度分布、閃爍頻率、幾何特征(形態(tài)、體積、表面積、噴射角等)、亮度、自由基濃度分布、碳煙濃度分布、火焰前鋒廓形等,而極少利用火焰的電學(xué)特性進行參數(shù)測量,也正是由于缺少對火焰空間電場進行測量的有效手段,人們對火焰的電學(xué)特性知之甚少。研究表明,火焰中存在著大量的帶電粒子和微細顆粒,它們與燃料種類、燃燒工況、燃燒器類型等因素密切相關(guān),含有反映燃燒過程的重要信息。因此,通過對帶電粒子和微細顆粒的空間分布進行在線實時檢測,可以獲得火焰的多種特征參數(shù),并促進對燃燒過程和機理的認識。本發(fā)明提出一種基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測裝置,該裝置將絲網(wǎng)電極陣列置于燃燒場內(nèi),以對火焰周圍及內(nèi)部空間的電荷分布進行檢測,通過靜電層析成像算法實現(xiàn)帶電粒子和微細顆粒的三維層析重構(gòu),進一步采用適當(dāng)?shù)男盘柵c信息處理技術(shù),獲得火焰速度、閃爍頻率、穩(wěn)定性、前鋒位置等特征參數(shù)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的是提供一種基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測裝置及方法,其特征在于,所述火焰監(jiān)測裝置為在燃燒室內(nèi)部安裝絲網(wǎng)電極陣列,其中,絲網(wǎng)電極陣列由呈網(wǎng)狀排布的多根獨立絲狀金屬電極構(gòu)成,在絲網(wǎng)的結(jié)點處兩絲狀金屬電極互不導(dǎo)通;絲網(wǎng)電極陣列對火焰截面附近的帶電粒子和微細顆粒進行檢測。
[0004]所述絲狀金屬電極表面鍍絕緣層,以避免微細帶電顆粒與電極碰撞導(dǎo)致電荷的直接傳遞。
[0005]所述絲狀金屬電極采用耐高溫金屬材料鎢或鉬加工;其絲狀金屬電極表面絕緣層由氧化物陶瓷材料氧化鋁或氧化鎂制成。
[0006]所述絲狀金屬電極的截面積以小于I平方毫米為宜,以降低微細帶電顆粒與絲狀金屬電極碰撞產(chǎn)生電荷的機率以及電極對火焰特性的影響。
[0007]所述絲網(wǎng)電極陣列的網(wǎng)格形狀為矩形或菱形,網(wǎng)格數(shù)量及大小根據(jù)測量分辨率、火焰空間范圍進行靈活設(shè)置。
[0008]所述絲狀金屬電極在燃燒室外部分經(jīng)循環(huán)水冷卻后連接電荷放大器。
[0009]所述火焰監(jiān)測裝置內(nèi)包含平行布置的多層絲網(wǎng)電極陣列,以實現(xiàn)對整個火焰的監(jiān)測。
[0010]—種基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測裝置的火焰監(jiān)測方法,其特征在于,由絲網(wǎng)電極陣列對火焰截面附近的帶電粒子和微細顆粒進行檢測,輸出的感應(yīng)電荷信號,并由嵌入式信號處理模塊進行調(diào)理、采集、處理與分析,以獲得火焰特征參數(shù)。
[0011]所述嵌入式信號處理模塊采用電荷放大器,電荷放大器將感應(yīng)電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,并經(jīng)多級放大和低通濾波電路進行調(diào)理,由于需要采集與處理的信號數(shù)量較多,且算法復(fù)雜性較高,利用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的大量1端口對多個模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行控制,以實現(xiàn)多路靜電信號的同步采集,利用其硬件的并行處理能力實現(xiàn)對靜電信號的高速實時處理。
[0012]所述基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測方法根據(jù)絲網(wǎng)電極陣列的感應(yīng)特性,采用Tikhonov正則化算法、Landweber迭代算法等逆問題求解方法實現(xiàn)空間電荷分布的三維層析重構(gòu);進而,根據(jù)火焰中帶電粒子和微細顆粒的微觀信息:濃度分布、運動速度與宏觀燃燒狀態(tài):溫度場分布、熱噪聲頻率和強度、亮度、閃爍頻率之間的關(guān)系,運用統(tǒng)計分析、互相關(guān)運算、參數(shù)估計、數(shù)據(jù)融合對靜電信號處理,實現(xiàn)火焰速度、閃爍頻率、穩(wěn)定性、火焰前鋒位置的特征參數(shù)進行測量。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:采用陣列式、分布式傳感技術(shù)檢測火焰中的帶電粒子和微細顆粒,結(jié)合靜電層析成像和現(xiàn)代信號處理技術(shù),可獲得火焰內(nèi)部電荷分布的全方位信息和多種火焰特征參數(shù),為深入了解火焰電學(xué)特性及工業(yè)燃燒系統(tǒng)的在線監(jiān)測提供一種全新的技術(shù)手段。
【附圖說明】
[0014]圖1為火焰監(jiān)測裝置的原理結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖中:1.火焰;2.絲網(wǎng)電極陣列;3.燃燒室。
[0016]圖2為絲狀電極截面示意圖。
[0017]圖中:4.絲狀金屬電極;5.絕緣層。
[0018]圖3為具有不同網(wǎng)格形狀的絲網(wǎng)電極陣列。
[0019]圖4為靜電信號處理系統(tǒng)框圖。
[0020]圖中:6.電荷放大器;7.多級放大電路;8.低通濾波電路;9.模數(shù)轉(zhuǎn)換器;10.可編程門陣列FPGA。
【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明提供一種基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測裝置及方法。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明予以說明如下:
[0022]圖1所示為火焰監(jiān)測裝置的原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖中,在燃燒室3內(nèi)安裝絲網(wǎng)電極陣列2,可實現(xiàn)對火焰I某一截面附近的帶電粒子和微細顆粒的檢測,通過平行布置的多層絲網(wǎng)電極陣列2,可實現(xiàn)對火焰I的全方位監(jiān)測。
[0023]圖2所示為絲狀電極截面示意圖。絲狀金屬電極4由鎢、鉬等耐高溫金屬材料加工而成,在其外表面鍍氧化物陶瓷材料構(gòu)成絕緣層5,從而在絲狀電極陣列2的結(jié)點處兩相交電極互不導(dǎo)通。絲狀金屬電極4的截面積以小于I平方毫米為宜,以降低微細帶電顆粒與電極碰撞產(chǎn)生電荷的機率以及電極對火焰特性的影響。
[0024]圖3所示為具有不同網(wǎng)格形狀的絲網(wǎng)電極陣列。絲網(wǎng)電極陣列2可根據(jù)測量需要布置成不同的網(wǎng)格形狀,例如圖3(1)所示為矩形網(wǎng)格,圖3(2)所示為菱形網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量及大小可根據(jù)測量分辨率、火焰空間范圍等進行靈活設(shè)置。
[0025]圖4所示為靜電信號處理系統(tǒng)框圖。絲狀電極4輸出的感應(yīng)電荷信號由電荷放大器6轉(zhuǎn)換為電壓信號,進一步通過多級放大電路7和低通濾波電路8進行調(diào)理,F(xiàn)PGA 10控制多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器9對靜電信號進行采集,并進行處理和分析以獲得火焰特征參數(shù)。
[0026]本發(fā)明基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測方法是基于絲網(wǎng)電極陣列2輸出的靜電信號,采用Tikhonov正則化算法、Landweber迭代算法等逆問題求解方法對燃燒室3內(nèi)的空間電荷分布進行三維層析重構(gòu);進而,根據(jù)火焰I中帶電粒子和微細顆粒的微觀信息(濃度分布、運動速度等)與宏觀燃燒狀態(tài)(溫度場分布、熱噪聲頻率和強度、亮度、閃爍頻率等)之間的關(guān)系,運用統(tǒng)計分析、互相關(guān)運算、參數(shù)估計、數(shù)據(jù)融合等現(xiàn)代信號處理技術(shù),實現(xiàn)火焰速度、閃爍頻率、穩(wěn)定性、火焰前鋒位置等特征參數(shù)的測量。
【主權(quán)項】
1.一種基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測裝置,其特征在于,所述火焰監(jiān)測裝置為在燃燒室內(nèi)部安裝絲網(wǎng)電極陣列,其中,絲網(wǎng)電極陣列由呈網(wǎng)狀排布的多根獨立絲狀金屬電極構(gòu)成,在絲網(wǎng)的結(jié)點處兩絲狀金屬電極互不導(dǎo)通;絲網(wǎng)電極陣列對火焰截面附近的帶電粒子和微細顆粒進行檢測。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測裝置,其特征在于,所述絲狀金屬電極表面鍍絕緣層,以避免微細帶電顆粒與電極碰撞導(dǎo)致電荷的直接傳遞。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測裝置,其特征在于,所述絲狀金屬電極采用耐高溫金屬材料鎢或鉬加工;其絲狀金屬電極表面絕緣層由氧化物陶瓷材料氧化鋁或氧化鎂制成。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測裝置,其特征在于,所述絲狀金屬電極的截面積以小于I平方毫米為宜,以降低微細帶電顆粒與絲狀金屬電極碰撞產(chǎn)生電荷的機率以及電極對火焰特性的影響。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測裝置,其特征在于,所述絲網(wǎng)電極陣列的網(wǎng)格形狀為矩形或菱形,網(wǎng)格數(shù)量及大小根據(jù)測量分辨率、火焰空間范圍進行靈活設(shè)置。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測裝置,其特征在于,所述絲狀金屬電極在燃燒室外部分經(jīng)循環(huán)水冷卻后連接電荷放大器。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測裝置,其特征在于,所述火焰監(jiān)測裝置內(nèi)包含平行布置的多層絲網(wǎng)電極陣列,以實現(xiàn)對整個火焰的監(jiān)測。8.—種基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測裝置的火焰監(jiān)測方法,其特征在于,由絲網(wǎng)電極陣列對火焰截面附近的帶電粒子和微細顆粒進行檢測,輸出的感應(yīng)電荷信號,并由嵌入式信號處理模塊進行調(diào)理、采集、處理與分析,以獲得火焰特征參數(shù)。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測裝置的火焰監(jiān)測方法,其特征在于,所述嵌入式信號處理模塊采用電荷放大器,電荷放大器將感應(yīng)電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,并經(jīng)多級放大和低通濾波電路進行調(diào)理,由于需要采集與處理的信號數(shù)量較多,且算法復(fù)雜性較高,利用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的大量1端口對多個模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行控制,以實現(xiàn)多路靜電信號的同步采集,利用其硬件的并行處理能力實現(xiàn)對靜電信號的高速實時處理。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測裝置的火焰監(jiān)測方法,其特征在于,所述基于絲網(wǎng)靜電傳感器的火焰監(jiān)測方法根據(jù)絲網(wǎng)電極陣列的感應(yīng)特性,采用Tikhonov正則化算法、Landweber迭代算法等逆問題求解方法實現(xiàn)空間電荷分布的三維層析重構(gòu);進而,根據(jù)火焰中帶電粒子和微細顆粒的微觀信息:濃度分布、運動速度與宏觀燃燒狀態(tài):溫度場分布、熱噪聲頻率和強度、亮度、閃爍頻率之間的關(guān)系,運用統(tǒng)計分析、互相關(guān)運算、參數(shù)估計、數(shù)據(jù)融合對靜電信號處理,實現(xiàn)火焰速度、閃爍頻率、穩(wěn)定性、火焰前鋒位置的特征參數(shù)進行測量。
【文檔編號】G01R29/12GK106093606SQ201610592425
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月25日 公開號201610592425.5, CN 106093606 A, CN 106093606A, CN 201610592425, CN-A-106093606, CN106093606 A, CN106093606A, CN201610592425, CN201610592425.5
【發(fā)明人】葛紅, 閆勇, 胡永輝, 錢相臣, 盧鋼, 張文彪, 王麗娟, 黃孝彬
【申請人】華北電力大學(xué)