主被動(dòng)協(xié)同火焰多參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

常 珂，李 蜜，劉 蒙，賈 芳，羅自學(xué)，程 強(qiáng)

（1.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430074；2.深圳大學(xué)材料學(xué)院，廣東深圳 518060）

0 引言

燃燒火焰介質(zhì)溫度是燃燒過程中與火焰熱輻射特性密切相關(guān)的重要參數(shù)，火焰溫度和顆粒物濃度相互作用加大了燃燒檢測(cè)的難度［1］。目前，在燃燒檢測(cè)方面有多種測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒火焰參數(shù)的檢測(cè)［2］，熱電偶測(cè)溫技術(shù)是一種常見的接觸式測(cè)溫方式，通常用于火焰溫度重建研究中檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證［3］。相比接觸式火焰檢測(cè)，非接觸式檢測(cè)可以在不入侵被測(cè)火焰的情況下得到物體表面參數(shù)信息［4］。其中，非接觸主動(dòng)式檢測(cè)技術(shù)將激光、聲波等信號(hào)作為介質(zhì)，檢測(cè)火焰自身與外部耦合信息［5］，實(shí)現(xiàn)火焰介質(zhì)透射比、溫度等參數(shù)的檢測(cè)［6］。為了提高檢測(cè)結(jié)果的空間分辨率，主動(dòng)式檢測(cè)技術(shù)往往需要外加多個(gè)探測(cè)器和信號(hào)源，這也導(dǎo)致了檢測(cè)難度的加大以及測(cè)量成本的提高［7］。相比之下，非接觸被動(dòng)式檢測(cè)技術(shù)避免了多探測(cè)器的使用［8］，僅通過火焰圖像就可得到輻射強(qiáng)度信息，實(shí)現(xiàn)燃燒火焰多參數(shù)場(chǎng)的檢測(cè)與重建，但被動(dòng)式檢測(cè)會(huì)產(chǎn)生由燃燒火焰自身影響而導(dǎo)致的檢測(cè)精度誤差［9］。因此，主被動(dòng)協(xié)同檢測(cè)技術(shù)有望彌補(bǔ)主、被動(dòng)測(cè)量各自存在的不足，充分發(fā)揮主、被動(dòng)檢測(cè)的各自優(yōu)勢(shì)，在提高檢測(cè)準(zhǔn)確性的同時(shí)獲得更為豐富的燃燒參數(shù)信息。

基于能源動(dòng)力學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，設(shè)計(jì)了一套主被動(dòng)協(xié)同檢測(cè)火焰多參數(shù)場(chǎng)系統(tǒng)。通過主動(dòng)式激光消光技術(shù)獲得火焰介質(zhì)線性吸收系數(shù)與透射比，然后借助被動(dòng)式成像系統(tǒng)采集火焰燃燒圖像并對(duì)圖像進(jìn)行處理，將火焰自發(fā)輻射強(qiáng)度信息與線性吸收系數(shù)相關(guān)聯(lián)。最后，將求解的碳?xì)浠鹧鏈囟扰c熱電偶測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證該檢測(cè)系統(tǒng)的可行性。

1 主被動(dòng)協(xié)同檢測(cè)原理

1.1 主動(dòng)式火焰參數(shù)檢測(cè)

通常采用比爾定律［10］描述火焰輻射強(qiáng)度沿傳遞行程衰減的規(guī)律，即：

式中：Iλ（L，s）為s方向上L點(diǎn)處的光譜輻射強(qiáng)度，其中λ為光譜波長(zhǎng)；Iλ（0，s）為s方向上0 點(diǎn)處的光譜輻射強(qiáng)度；Ls為s方向上0 點(diǎn)和L點(diǎn)之間的距離；μe，λ為線性衰減系數(shù)，由兩部分組成，μe，λ＝a＋σ，其中a為線性吸收系數(shù)，σ為散射系數(shù)。

激光消光法作為一種外加光源的主動(dòng)式檢測(cè)方法，檢測(cè)時(shí)選用遠(yuǎn)高于火焰介質(zhì)輻射能量的光束穿過火焰，使得在該輻射傳遞射線方向上火焰自發(fā)輻射及散射產(chǎn)生的能量相對(duì)光束能量而言可以忽略不計(jì)，此時(shí)可認(rèn)為衰減系數(shù)與線性吸收系數(shù)相等。穿透火焰介質(zhì)的能量與初始投射能量之比為火焰介質(zhì)的光譜透射比，等溫均勻介質(zhì)的光譜透射比

由此，可通過激光與火焰?zhèn)鬟f路線上的輻射強(qiáng)度和透射比變化建立線性吸收系數(shù)的表達(dá)式，如下所示：

同時(shí)，根據(jù)Mie理論［11］的Rayleigh 極限可求得火焰中煙黑體積分?jǐn)?shù)

式中：E（m）為煙黑復(fù)折射率m的函數(shù)值，通常在可見光波段內(nèi)m＝1.57－0.56i［12］。

1.2 被動(dòng)式火焰參數(shù)檢測(cè)

基于火焰圖像的被動(dòng)式檢測(cè)技術(shù)可以在不接觸火焰對(duì)象的前提下通過電荷耦合（CCD）相機(jī)采集火焰圖像，并將采集到的圖像轉(zhuǎn)化為火焰自發(fā)輻射強(qiáng)度的灰度圖像，通過灰度值反映輻射強(qiáng)度信息。由普朗克定律可將火焰輻射強(qiáng)度表示為

式中：T為溫度；I（λ，T）為給定波長(zhǎng)和溫度的單色輻射強(qiáng)度；Ib（λ，T）為對(duì)應(yīng)的單色黑體輻射強(qiáng)度；ελ為對(duì)應(yīng)的介質(zhì)發(fā)射率；c1和c2分別為普朗克第一和第二輻射常量，c1＝374.18 aW·m2，c2＝1.438 8 cm·K。碳?xì)淙剂先紵鹧娴臏囟确秶?00～2 000 K，波長(zhǎng)范圍是300～1 000 nm，在此范圍內(nèi)exp（c2／λT）?1，因此普朗克定律可由維恩定律替代［13］，表達(dá)式如下所示：

通過被動(dòng)式圖像采集得到從同位置同方向發(fā)出的2 個(gè)不同波長(zhǎng)單色輻射強(qiáng)度I（λ，T）和I（λ ＋Δλ，T），由此得到的火焰溫度

當(dāng)采用CCD相機(jī)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可將對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的R、G兩波長(zhǎng)通道的輻射強(qiáng)度直接用于計(jì)算，由此得到比色溫度［14］。

1.3 協(xié)同檢測(cè)工作原理

圖1 為主被動(dòng)協(xié)同檢測(cè)流程。本系統(tǒng)在外加激光時(shí)為主動(dòng)式檢測(cè)，通過激光消光實(shí)現(xiàn)火焰溫度和輻射特性參數(shù)的解耦，檢測(cè)得到火焰透射比并進(jìn)一步求解介質(zhì)的線性吸收系數(shù)；本系統(tǒng)在沒有外加激光時(shí)為被動(dòng)式檢測(cè)，圖像系統(tǒng)檢測(cè)得到的高分辨率火焰邊界輻射強(qiáng)度由火焰自發(fā)輻射產(chǎn)生，當(dāng)火焰的線性吸收系數(shù)和邊界輻射強(qiáng)度均已知時(shí)，通過輻射傳遞方程可得到火焰介質(zhì)溫度分布。

圖1 主被動(dòng)協(xié)同檢測(cè)流程

以某一高度火焰截面為例，空間介質(zhì)區(qū)域劃分為n個(gè)單元，CCD 相機(jī)對(duì)應(yīng)行離散為m個(gè)像素單元，則CCD相機(jī)靶面像素單元接收到的單色輻射強(qiáng)度與火焰介質(zhì)單元的單色黑體輻射強(qiáng)度之間的矩陣關(guān)聯(lián)方程為

式中：Iλ，CCD表示CCD 相機(jī)靶面各像素單元接收到的單色輻射強(qiáng)度，Iλ，CCD＝（Iλ，CCD（1），…，Iλ，CCD（j），…，Iλ，CCD（m））T；Ibλ表示該高度下火焰空間介質(zhì)單元的單色黑體輻射強(qiáng)度，與該網(wǎng)格單元的溫度T相關(guān)，Ibλ＝（Ibλ（1），…，Ibλ（i），…，Ibλ（n））T；Aλ表示系數(shù)矩陣，可由目標(biāo)對(duì)象輻射特性參數(shù)確定。

2 協(xié)同檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 碳?xì)淙剂先紵脚_(tái)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中選用乙烯（C2H4）為燃料搭建擴(kuò)散火焰燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，燃燒平臺(tái)主要由燃燒器、流量計(jì)調(diào)控系統(tǒng)、燃料及氧化劑供給系統(tǒng)三部分組成。燃燒器選用Gülder同軸伴流擴(kuò)散燃燒器，此燃燒器中心燃料進(jìn)口直徑為10.9 mm，伴流氣通過直徑為100 mm的圓環(huán)形通道裹挾燃料氣體。圖2（a）、（b）分別為燃燒器實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖。伴流氣在燃燒器內(nèi)部經(jīng)過多層玻璃珠與多孔濾板后從出口流出，充分保證了伴流氣出口的穩(wěn)定性以及伴流氣混合的均勻性。

圖2 Gülder燃燒器

實(shí)驗(yàn)過程中C2H4通過高壓氣瓶減壓后經(jīng)氣體流量計(jì)送入燃燒器燃料進(jìn)口，流量計(jì)采用Sevenstar D07系列氣體流量控制器。伴流氧化劑由空氣（air）和氧氣（O2）的混合氣組成，通過調(diào)節(jié)氧氣和空氣的體積分?jǐn)?shù)實(shí)現(xiàn)多工況富氧檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)工況如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

2.2 主被動(dòng)協(xié)同火焰圖像檢測(cè)系統(tǒng)

主被動(dòng)協(xié)同火焰圖像檢測(cè)系統(tǒng)（見圖3）主要由透射比原位檢測(cè)裝置組成，包含He-Ne 激光器、CCD 相機(jī)、激光擴(kuò)束器、可調(diào)光闌和中性衰減片等部件。

選用DH-HN250P 型He-Ne 激光器激光光源，激光波長(zhǎng)為632.8 nm，光束直徑為0.7 mm，輸出功率≥2 mW。原始激光經(jīng)過激光擴(kuò)束器放大后輸出平行光斑照射C2H4擴(kuò)散火焰，擴(kuò)束器起到放大光斑的作用，放大倍數(shù)為20，放大后光斑直徑約為15 mm，可將同一視角范圍內(nèi)C2H4火焰完全覆蓋。由于激光光強(qiáng)遠(yuǎn)高于火焰自身輻射強(qiáng)度，為了保證CCD相機(jī)接收到的輻射強(qiáng)度不超過相機(jī)自身響應(yīng)范圍，在CCD相機(jī)鏡頭前側(cè)配置波段400～700 nm 的中性衰減片，以等比例地削減激光和C2H4火焰的輻射強(qiáng)度。測(cè)量系統(tǒng)中所用相機(jī)為CV-M9 CL型彩色CCD相機(jī)，成像分辨率為1 024 ×768，可分別輸出R、G 和B 的3 個(gè)通道信息。平行光斑穿透火焰后經(jīng)過中性衰減片由CCD 相機(jī)采集激光火焰圖像，得到輻射強(qiáng)度信息。

檢測(cè)過程中C2H4擴(kuò)散火焰的長(zhǎng)度較大，激光光斑無法覆蓋火焰全貌，一次拍攝只能覆蓋火焰的部分區(qū)域。因此，檢測(cè)過程中透射比原位檢測(cè)系統(tǒng)保持不動(dòng)，通過電動(dòng)升降臺(tái)依次調(diào)節(jié)燃燒器的高度從而調(diào)整激光穿過火焰的位置，每調(diào)整一次高度進(jìn)行一次拍攝，保持每次升降高度相同，通過C2H4火焰的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)激光光斑穿透C2H4火焰全貌的透射比測(cè)量。同樣，在沒有外加激光時(shí)保持火焰和相機(jī)的距離不變，通過CCD相機(jī)直接拍攝火焰可以得到火焰在R、G 和B的3 個(gè)通道單色輻射強(qiáng)度分布信息。檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定工作在DY-HT4 型黑體爐上展開［15］，標(biāo)定溫度范圍選擇800～1 400 ℃。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用

3.1 主動(dòng)式激光消光檢測(cè)

檢測(cè)前對(duì)實(shí)驗(yàn)光路進(jìn)行確認(rèn)，調(diào)整光源位置和高度使激光光路保持水平，調(diào)整激光擴(kuò)束器、可調(diào)光闌、中性衰減片和CCD 相機(jī)鏡頭至同一平面的同一高度以得到完整均勻的圓形光斑。檢測(cè)過程中依次拍攝以下4 幅圖像用于火焰透射比計(jì)算：激光穿過火焰的光斑圖像、遮擋火焰僅激光的參考光斑圖像、遮擋激光僅火焰的背景圖像、遮擋激光和火焰的背景圖像。為了得到更為精確的結(jié)果，在計(jì)算透射比時(shí)扣除相機(jī)底噪的影響，計(jì)算方法如下所示：

式中：τ為火焰介質(zhì)透射比；g（R1）和g（R0）分別為激光穿過火焰的光斑圖像R1和參考光斑圖像R0在R通道的灰度值；g（D1）和g（D0）分別為火焰背景圖像D1和暗背景圖像D0在R通道的灰度值。拍攝過程中為了保證相機(jī)靠近火焰介質(zhì)，每幅圖像拍攝的火焰高度為10 mm，最終拼接得到整幅圖像透射比。圖4 為不同O2體積分?jǐn)?shù)下C2H4火焰透射比。隨著O2體積分?jǐn)?shù)升高，C2H4火焰透射能力逐漸降低，說明O2體積分?jǐn)?shù)升高火焰整體吸收能力增強(qiáng)。在高度方向上，從燃燒器出口火焰根部到火焰頂部，火焰透射比先降低后升高，在接近火焰末端的腹部區(qū)域透射比最低。

圖4 不同O2 體積分?jǐn)?shù)下C2H4 火焰透射比

為了直觀地描述C2H4層流擴(kuò)散火焰不同區(qū)域的吸收能力，得到火焰透射比二維分布后，可重建得到不同O2體積分?jǐn)?shù)下火焰介質(zhì)任意位置的線性吸收系數(shù)。圖5 給出了21%O2體積分?jǐn)?shù)下不同高度處線性吸收系數(shù)分布?？梢钥闯觯煌叨忍嶤2H4火焰線性吸收系數(shù)均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。隨著高度的增加，軸心處火焰介質(zhì)線性吸收系數(shù)逐漸升高，并且徑向線性吸收系數(shù)升高速率增加。通過火焰介質(zhì)線性吸收系數(shù)可以進(jìn)一步求得火焰介質(zhì)中煙黑體積分?jǐn)?shù)分布，圖6 給出了煙黑體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)對(duì)比結(jié)果［15］。從圖6 可以看出，不同高度下煙黑體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果具有相同的變化趨勢(shì)，在10 mm高度下兩者的峰值接近，但峰值位置存在部分偏差，這可能是由較低高度處火焰直徑范圍較寬所導(dǎo)致的；在30 mm高度下本系統(tǒng)所得煙黑體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果吻合良好。

圖5 21%O2 體積分?jǐn)?shù)下C2H4 火焰線性吸收系數(shù)分布

圖6 煙黑體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果［15］對(duì)比

3.2 被動(dòng)式圖像采集

在關(guān)閉激光器撤去衰減片后，該系統(tǒng)通過CCD相機(jī)完成被動(dòng)式測(cè)量，圖7 為CCD相機(jī)拍攝得到的不同O2體積分?jǐn)?shù)下C2H4火焰圖像。從圖7 可以看出，C2H4火焰腹部亮度最高，火焰根部和尾部亮度較低，并且火焰直徑從火焰根部向上逐漸減小。隨著O2體積分?jǐn)?shù)升高，C2H4火焰高度逐漸降低。根據(jù)CCD 相機(jī)幾何標(biāo)定可得到像素與實(shí)際尺寸關(guān)系，3 個(gè)工況下對(duì)應(yīng)的火焰高度依次為96 mm、85 mm和65 mm。

圖7 不同O2 體積分?jǐn)?shù)下C2H4 火焰圖像

通過提取CCD相機(jī)拍攝的不同通道單色灰度火焰圖像，由相機(jī)輻射強(qiáng)度標(biāo)定曲線可分別計(jì)算得到21%、25%和30%O2體積分?jǐn)?shù)下的單色輻射強(qiáng)度。R通道下單色輻射強(qiáng)度分布如圖8 所示?；鹧鎲紊椛鋸?qiáng)度沿徑向從軸心到火焰外圍總體呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)，沿軸線從燃燒器出口到火焰末端輻射強(qiáng)度先增后減。21%、25%和30%O2體積分?jǐn)?shù)下火焰單色輻射強(qiáng)度最大的高度區(qū)域分別為40～50 mm、30～40 mm和20～30 mm。

圖8 R通道C2H4 火焰輻射強(qiáng)度分布

在得到R和G 2 個(gè)通道的火焰單色輻射強(qiáng)度后，通過圖像比色法可計(jì)算得到21%、25%和30%O2體積分?jǐn)?shù)下的火焰溫度圖像，如圖9 所示。隨著燃燒工況O2體積分?jǐn)?shù)增加，燃燒火焰整體溫度呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，燃燒器出口處低溫區(qū)面積減少，說明O2體積分?jǐn)?shù)的升高使得火焰根部升溫速度加快，著火距離變短。

圖9 比色法計(jì)算得到的火焰溫度分布

3.3 主被動(dòng)協(xié)同溫度檢測(cè)與對(duì)比

主被動(dòng)協(xié)同檢測(cè)系統(tǒng)聯(lián)合被動(dòng)式圖像檢測(cè)可得到火焰的單色輻射強(qiáng)度分布，聯(lián)合主動(dòng)式激光消光檢測(cè)可得到火焰的介質(zhì)線性吸收系數(shù)，實(shí)現(xiàn)火焰溫度的聯(lián)合檢測(cè)。將單色輻射強(qiáng)度和線性吸收系數(shù)矩陣聯(lián)立得到火焰網(wǎng)格單元單色黑體輻射強(qiáng)度分布，然后通過普朗克定律得到火焰的溫度分布。由圖10 可以看出，從火焰軸心沿半徑向外，溫度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，具有與線性吸收系數(shù)相似的分布特征，但溫度的峰值與線性吸收系數(shù)的峰值變化并不完全同步，溫度峰值略微滯后且更靠近火焰外圍。

圖10 21%O2 體積分?jǐn)?shù)下協(xié)同檢測(cè)火焰溫度分布

在對(duì)火焰溫度進(jìn)行協(xié)同檢測(cè)的過程中需對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響的因素主要有：CCD相機(jī)工作時(shí)暗電流以及拍攝背景產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲，通過背景噪聲灰度圖像計(jì)算出的噪聲影響小于1%；黑體爐擬合標(biāo)定誤差，通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)擬合輻射強(qiáng)度時(shí)存在線性擬合偏移，該項(xiàng)誤差約為2%；煙黑體積分?jǐn)?shù)計(jì)算時(shí)復(fù)折射率取為常用值，研究表明［16］這種假設(shè)方式會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果精度造成影響。綜合以上影響因素，本系統(tǒng)協(xié)同溫度檢測(cè)誤差約為6%。

為了驗(yàn)證主被動(dòng)協(xié)同火焰溫度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用B 型熱電偶對(duì)各工況下C2H4擴(kuò)散火焰進(jìn)行原位溫度檢測(cè)，對(duì)比結(jié)果如圖11 所示?？梢钥闯?，主被動(dòng)協(xié)同檢測(cè)得到的溫度分布與熱電偶測(cè)溫結(jié)果相比具有相同的溫度變化趨勢(shì)，均沿徑向先增后減。在火焰腹部和末端檢測(cè)得到的溫度與熱電偶測(cè)得溫度接近，就溫度驗(yàn)證結(jié)果而言，主被動(dòng)協(xié)同檢測(cè)得到的溫度與熱電偶測(cè)得的溫度接近，誤差在可接受范圍內(nèi)。

圖11 多工況下協(xié)同測(cè)溫與熱電偶測(cè)溫對(duì)比

4 結(jié)語

所提出的基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主被動(dòng)協(xié)同火焰多參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)合了主被動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，通過主動(dòng)式激光消光法求解火焰介質(zhì)透射比與線性吸收系數(shù)并進(jìn)一步獲得線性吸收系數(shù)矩陣與煙黑體積分?jǐn)?shù)分布，然后通過被動(dòng)式火焰圖像法計(jì)算火焰單色輻射強(qiáng)度，最后將兩者聯(lián)立從而求解火焰介質(zhì)溫度分布。

我國(guó)廣大科技工作者要有強(qiáng)烈的創(chuàng)新信心和決心，既不妄自菲薄，也不妄自尊大，勇于攻堅(jiān)克難、追求卓越、贏得勝利，積極搶占科技競(jìng)爭(zhēng)和未來發(fā)展制高點(diǎn)。

——2018 年5 月28 日，習(xí)近平在中國(guó)科學(xué)院第十九次院士大會(huì)、中國(guó)工程院第十四次院士大會(huì)上的講話