Способ определения пространственного распределения физических параметров пламени

 

Использование: измерительная техника для диагностики пламени. Сущность изобретения: направляют электромагнитное излучение и выбранные области пламени на длине волны AI, принимают из этих областей сигнал взаимодействия излучения со средой на длине волны Лг и по интенсивности принятых сигналов определяют пространственное распределение физических параметров. При этом направления зондирования выбирают коллинеарными, направление приема сигналов взаимодействия излучения со средой сохраняют неизменным при зондировании всех выбранных областей, принимают из этих областей сигналы взаимодействия излучения со средой на длине волны Аз в выбранном направлении приема, а также в противоположном ему направлении и определяют пространственное распределение физических параметров по алгоритму Д, LPnCfe) , -физический параметр в л-й точке сечения; L - коэффициент пропорциональности; РП(А2)- интенсивность принятого сигнала из пи точки на длине волны (Аа) i Р(Аз), Рп (Аз) - интенсивности принятых сигналов из п-й точки на длине волны Аз б прямом и противоположном направлениях. 1 ил. КЛ

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 F 23 N 5/08

ГОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4769916/06 (22) 14.12.89 (46) 15.04.92. Бюл. М 14 (71) Казанский авиационный институт им.

А.Н,Туполева (72) P.P.Àãèøåâ (53) 621.181.265(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1288561, кл. G 01 N 21/64, 1984.

Авторское свидетельство СССР

М 1204879, кл. F 23 N 5/08, 1983. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАМЕНИ (57) Использование: измерительная техника для диагностики пламени. Сущность изобретения: направляют электромагнитное излучение и выбранные области пламени на длине волны k, принимают иэ этих областей сигнал взаимодействия излучения со средой на длине волны Л и по интенсивности принятых сигналов определяют проИзобретение относится к измерительной технике для диагностики пламени.

Известен способ определения физических параметров пламени путем облучения его пучком излученив и последующего выделения и регистрации сигнала, обусловленного взаимодействием зондирующего пучка и исследуемой среды.

Недостатком способа является низкая точность определения в условиях оптической неоднородности исследуемой среды.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения пространственного распределения физических параметров пламени, заключающийся в облучении его пучком излучения, выделения сигнала, обусловлен ного взаимодействием

„, SU,, 1726916 А1 странственное распределение физических параметров. При этом направления зондирования выбирают коллинеарными, направление приема сигналов взаимодействия излучения со средой сохраняют неизменным при зондировании всех выбранных областей, принимают из этих областей сигналы взаимодействия излучения со средой на длине волны Лз в выбранном направлении приема, а также в противоположном ему направлении и определяют пространственное распределение физических парамет ов по алгоритму

pn = 1 Рп(Л2) РВ(Лз)/РА(, ); где pn — физический параметр в й-й точке сечения; L— коэффициент пропорциональности; Рп(Ë )— интенсивность принятого сигнала из и- и точки на длине волны (Л ); Рл(Лз), Рп®интенсивности принятых сигналов из и-й точки на длине волны Лз s прямом и противоположном направлениях. 1 ил. зондирующего пучка и исследуемой среды, и регистрации пространственного распределения этого сигнала. Оптическое излучение просвечивает объект исследования, например, пламя. Результатом взаимодействия излучения и плазмы может быть лазерно-индуцированная флуоресценция, комбинационное рассеяние и т.д., также являющиеся излучением, Выделение сигнала, обусловленного этим взаимодействием, для разных областей пламени позволяет зарегистрировать его пространственное распределение.

Недостатком этого способа является низкая точность определения в условиях неоднородности объекта измерений, поскольку неравномерность оптической плот1726916 ности пламени при зондировании разных точек выбранного сечения непосредственно влияет на результат измерения.

Цель изобретения — повышение точности определения пространственного рас- 5 пределения физических параметров пламени.

Цель достигается тем, что согласно способу определения пространственного распределения физических параметров 10 пламени, заключающемуся в направлении электромагнитного излучения на фиксированной длине волны k в выбранные области пламени, измерении сигналов взаимодействия излучения со средой на 15 второй длине волны Лг, причем направления электромагнитного излучения выбирают коллинеарными, направления приема измеряемых сигналов взаимодействия излучения со средой сохраняют неизменным 20 для всех выбранных областей пламени, измеряют сигналы взаимодействия излучения со средой на третьей длине волны Лз в выбранном и противоположном направлениях и пространственное распределение физических параметров пламени определяют по формуле

Pn = . Pn(2) PFQ3)/Pn(5) где Д вЂ” физический параметр в и-й точке сечения;

L — коэффициент пропорциональности;

Р (Лг ) — интенсивность измеренного сигнала из и-й точки на второй длине волны Л2;

Рп (Лз), Р п(Лз)- интенсивность измеренных сигналов из и-й точки на третьей длине волны Лз в прямом и противоположном направлениях.

На чертеже изображена блок-схема ус- 40 тройства, реализующего способ.

Устройство содержит блок 1 управления, излучатель 2 с источником накачки, систему 3 сканирования луча, включающую в себя поворотное зеркало 4, шаговый двига- 45 тель 5 и линзу 6, исследуемый объект 7, расположенные на одной прямой приемные объективы 8 и 14, расщепитель 9 пучка, селективный элемент 10 на длину волны Л, излучения, обусловленного полезным эф- 50 фектом взаимодействия зондирующего пучка и объекта исследования, селективные элементы 12 и 15 на длину волны Лз другого взаимодействия, фотоприемные устройства

11, 13, 16 с блоками предварительной обра- 55 ботки, вычислитель 17.

Излучатель 2 электрически соединен с блоком 1 управления и оптически связан с системой 3 сканирования, которая осуществляет просвечивание исследуемого объекта

7 в заданных направлениях. Поворотное зеркало 4 установлено в фокальной плоскости линзы 6 так, что при вращении зеркала

4 объект 7 облучается параллельными пучками, образующими неизменный угол рс общей оптической осью объективов 8 и 14.

Приемные объективы 8 и 14 расположены на одной оптической оси, вдоль которой измеряется пространственное распределение физического параметра, например концентрации молекул, объекта 7.

Фотоприемники 11 и 13 и селективные элементы 10 и 12 оптически связаны с расщепителем 9 пучка излучения, прошедшего объектив 8. Фотоприемник 16 и селективный элемент 15 расположены на оптической оси объектива 14. Блок 1 управления соединен с входами излучателя 2 с источником накачки, шагового двигателя 5, фотоприемников 11, 13 и 16 и вычислителя 17, Выходы фотоприемников 11, 13 и 16 связаны с другими входами вычислителя 17.

Способ осуществляют с помощью устройства следующим образом, Блок 1 управления запускает лазер 2 с источником накачки, импульс излучения с длиной волны Л которого, пройдя сканирующую систему 3, направляется на подлежащую исследованию область 7 пламени. При этом вращающееся зеркало 4, предварительно установленное шаговым двигателем

5 по сигналу с блока 1 управления в необходимое угловое положение, направляет луч с помощью линзы 6 в заданную точку М пламени. При взаимодействии излучения с плазмой могут иметь место явления лазерно-индуцированной флуоресценции, комбинационного рассеяния и другие. Результат взаимодействия несет в себе информацию о таких параметрах пламени, как концентрация частиц, и их скорость, давление и т.д., также является излучением. Часть этого излучения собирается объективом 8 и, пройдя расщепитель 9 пучка (например, полупрозрачную пластину), выделяется селективным элементом 10 (интерференционным фильтром или монохроматором) на длине волны

Л и регистрируется фотоприемным устройством 11 с блоками предварительной обработки.

Одновременно с этим на фотоприемное устройство 13 через расщепитель 9 пучка и селективный элемент 12, а также на фотоприемное устройство 16 через объектив 14 и селективный элемент 15 поступают сигналы взаимодействия излучения со средой на длине волны Лз . Сигналы с выходов фотоприемных устройств 11, 13 и 16, включающих в себя блоки предварительной (кроме

1726916 алгоритмической ) обработки, подаются на вычислитель 17 для определения искомой характеристики в точке М1 объекта исследования.

После этого по сигналу с блока 1 шаговый двигатель 5 поворачивает вращающееся зеркало 4 на необходимый угол и луч лазера, пройдя линзу 6, направляется параллельно первому лучу в новую точку исследуемой области пламени, например в точку Мг. Затем зеркало 4 поворачивается вновь и луч направлен в точку Мз и т.д. В результате снимается пространственное распределение физического параметра (например, концентрации каких-либо молекул) по выбранному сечению пламени, Изобретение можно проиллюстрировать следующими примерами, в которых использован принцип комбинационного рассеяния (KP); зондирующий лазер — аргоновый; Л1 = 0,5145 мкм, молекулы с близкими комбинационными сдвигами — СО (комбинационный сдвиг — 2145 см ", Лкр=

0,5713 кмк) и Мг (комбинационный сдвиг—

2331 см, Лкр = 0,5762 MKM); другая возможная пара молекул: ЯОг (комбинационный сдвиг — 1151 см, Л(4р = 0,5450 мкм и

МгО (комбинационный сдвиг — 1290 см

-1

Лкр = 0,5486 мкм).

Оценим выигрыш в точности измерений по предлагаемому способу на примере использования эффекта комбинационного рассеяния. Пусть концентрация измеряемых молекул в точках М1, Мг, Мз, а значит и параметры P>Pz,Вз, относятся как 1,1:1.

Предположим, что излучение ослабляется средой, и прозрачность среды Т между точками М1 и Мг, а также между точками

Мг и Мз одинакова и равна, например, 0,8:T (М1Мг) = Т (Мг Мз ) = 0,8, Ослабление излучения на пути М1А и МзВ (соответственно Т (М1А) и Т (МзВ)) учитывать не будем, так как при измерении относительного профиля пространственного расп редел ения Т (М1А) и

Т (МзВ) сокращаются.

Без учета аппаратурных и геометрических констант, влияние которых легко учесть, сигнал комбинационного рассеяния (KP) на Л =Лг от точки М в направлении точки А

Р1(Лг) = 1

Аналогично

Рг(Лг ) = 1 Т (М) Мг)=1 0,8=0,8 и Рз(Лг) = 1 Т (M1M2) Т (МгМз)=0,64.

Относительный профиль распределения концентрации молекул, полученный по традиционной методике, повторяет распределение принятых сигналов Рп

Р1 Я Я= Р (Лг):Рг(Лг ):Рз(Лг )=1;0,8:0,64, 5

Как видно, это распределение сил. -,о искажено по сравнению с исходно зада ным 1, 1;1, Согласно предлагаемому способу измеряются и сигналы комбинационного рассеяния на длине волны Лз от тех же точек М1, Мг, Мз в направлениях А (прямом) и В (обратном):

Рi 24 )=1;

Р1 (Яз )=1 Т(М1Мг) Т(МгМз)= 0,64

Рг"(Л1 1=1 Т(М1МгН),8;

Р2(Ь) =1 1(lvhva) =0,8

Рз"(Лз )=1 Т(М1Мг) Т(МгМз)=0,64;

Рз (Лз)=1

Согласно предлож нн м алгоритму фп = - Рп(Лг) Рп (3)/Р(1 (Лз)

Поэтому

Pi . P2: э=1 0,84/1: 0,8 /0,8/0,8

:0,64 1/0,64 =1: 1: 1 .

Таким образом, исходное распределение восстановлено правильно, П редл а гае мый способ определения пространственного распределения физическо. го параметра устраняет погрешность традиционных методов, связанную с ослаблением излучения в исследуемой среде, Формула изобретения

Способ определения пространственного распределения физических параметров пламени путем направления электромагнитного излучения с фиксированной длиной волны в выбранные области пламени, измерения сигналов взаимодействия излучения со средой на второй длине волны, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности определения, направления электромагнитного излучения выбирают коллинеарными, направления приема измеряемых сигналов взаимодействия излучения со средой сохраняют неизменными для всех выбранных областей пламени, измеряют сигналь1 взаимодействия излучения со средой на третьей длине волны в выбранном и противоположном направлениях и пространственное распределение физических параметров пламени определяют по Формчле

j4 . P.(Лг} Р (Лз /ф А(Яз) где Pl1 — физический параметр в и-й точке сечения пламени;

L — коэффициент пропорциональности;

Р((Лг) — интенсивность измеренного сигнала из и-й точки на второй длине волны Лг;

Рп (4 ) — интенсивность измеренного

А сигнала из и-й точки на третьей длине son ны (з в прямом направлении;

Р1 ((з ) — интенсивность измеренного сигнала из и-й точки на третьей длине волны

Лз в противоположном направлении.

1726916

Составитель P.Àãèøåâ

Техред М.Моргентал Корректор C,черни

Редактор С.Лисина

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1269 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5