СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТОПЛИВНОГО ФАКЕЛА Российский патент 2011 года по МПК G01N33/22 G01N15/02 G01N21/17 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к оптико-электронным устройствам контроля параметров дисперсных сред.

При доводке существующих и создании новых типов распыливающих устройств, для оптимизации процесса распыла топлива в камерах сгорания, наряду с измерением размеров капель необходимо определять важнейшие характеристики топливного факела, как то: пространственно-временные неоднородности поверхностной C_S и объемной C_V концентраций капель в различных сечениях топливовоздушной смеси с высоким разрешением во времени. Отсутствие метода и устройства, позволяющих эффективно решать эти задачи, существенно затрудняет создание новых типов распыливающих устройств. Особенно актуальны такие измерения в условиях, максимально приближенных к реальным, например, в условиях барокамеры.

Известен способ определения размеров капель в лазерной плоскости в плотных факелах распыла топлива (см. Le Gal, P., Farrugia, and Greenhalgh, D.A.: Laser Sheet Dropsizing of Dense Sprays, «Optics & Laser Technology», 31, 1999 г., стр. 75-83), заключающийся в том, что формируют лазерную (световую) плоскость, освещают ею факел распыленного топлива, содержащего флуоресцирующие добавки, регистрируют ортогонально лазерной плоскости цветное изображение сечения факела, разделяют это изображение на характерные цвета, по которым определяют интенсивности флуоресценции топлива и Ми рассеянного на каплях света и по соотношению этих интенсивностей судят о средних размерах диаметров D₃₂ капель в точках изображения сечения факела распыленного топлива лазерной плоскостью.

Существенным недостатком этого способа является то, что он позволяет найти в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью лишь средний заутеровский диаметр D₃₂ капель и не обеспечивает определение поверхностной C_S и объемной C_V концентраций капель.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является «Способ и устройство для определения характеристик топливного факела», патент РФ №2240536, от 20.11.2004 г., Бюллетень №32.

Этот способ определения характеристик топливного факела и устройство для его реализации позволяет находить не только диаметр D₃₂ капель в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью, но и концентрации C_S и C_V капель флуоресцентным методом. Однако весьма затруднительно использовать это изобретение в условиях барокамеры из-за сложностей измерения пропускания лазерного пучка света по строкам изображения с помощью оптических кювет, устанавливаемых внутри барокамеры и заполненных флуоресцирующим топливом (трудности монтажа и юстировки, защита кювет от попадания на их окна капель, возникновение дополнительного паразитного фона). Установка же кювет вне барокамеры не позволяет произвести на одном кадре регистрацию цветного изображения сечения факела и интенсивности флуоресценции топлива в кюветах из-за большого расстояния между объектами съемки. При этом накладываются дополнительные помехи при юстировке и измерениях из-за наличия окон в барокамере.

Технической задачей изобретения является повышение информативности и расширение возможностей реализации, а также повышение точности и надежности измерений при определении характеристик распыла топливного факела в условиях барокамеры.

Технический результат достигается за счет применения оригинальной комбинации флуоресцентного и малоуглового рассеяния света (соответственно вблизи углов 90° и 0°) и устройств, реализующих эти методы, органично дополняющих друг друга. Это позволяет определять кривую пропускания падающего на капли света, исключая использование для этого оптических кювет, с помощью прибора ЛИД при сканировании сечения факела находить флуоресцентным методом (ФМ) поле распределения в сечении факела значений концентраций C_S и C_V капель в условиях барокамеры.

Способ определения характеристик топливного факела осуществляют следующим образом:

- после включения лазера совмещают сфокусированный лазерный пучок света с центром интегрирующей диафрагмы лазерного измерителя дисперсности (ЛИД);.

- освещают факел распыленного топлива, содержащего флуоресцирующие добавки, лазерным пучком, поляризованным перпендикулярно плоскости рассеяния;

- регистрируют цветное изображение сечения факела;

- разделяют это изображение на характерные цвета;

- определяют по этим цветам интенсивности флуоресценции топлива и Ми рассеянного каплями света в точках строк изображения сечения факела;

- измеряют по каждой строке изображения интенсивности света до и после факела распыливания;

- измеряют в точках изображения сечения топливного факела интенсивности флуоресценции топлива и Ми рассеянного каплями света;

- вычисляют интегральное значение интенсивности Ми рассеянного каплями света по каждой строке изображения

,

где I_S(x, y) - интенсивность Ми рассеянного каплями света, поляризованного перпендикулярно плоскости рассеяния, в точках строк изображения сечения факела;

0, L - произвольные пределы интегрирования по каждой строке, находящиеся вне факела распыливания;

x, y - соответственно координаты каждой исследуемой точки вдоль и поперек лазерного пучка света при сканировании;

вычисляют величину отношения интенсивности Ми рассеянного каплями света в точках строк изображения сечения факела к ее интегральному значению по каждой строке

;

- находят в точках строк изображения сечения факела интегральные значения функции F(x, y)

;

- затем вычисляют величину пропускания света аэрозольной средой по каждой строке изображения

,

I₀(0, у), I₀(L, y) - интенсивности света, соответственно падающего и прошедшего через факел распыленного топлива, по каждой строке изображения сечения факела;

- при этом поверхностную концентрацию капель в точках строк изображения сечения топливного факела определяют по формуле

,

где C_s - поверхностная концентрация капель в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью;

- а объемную концентрацию капель вычисляют в точках изображения сечения топливного факела по формуле

,

где C_V - объемная концентрация капель;

- совмещают сфокусированный лазерный пучок света с центром интегрирующей диафрагмы прибора ЛИД;

- измеряют интенсивности света I₀(0, у), I₀(L, y), соответственно падающего и прошедшего через факел распыленного топлива, по каждой строке (хорде) изображения сечения факела путем его сканирования;

- по соотношению интенсивностей I_щ и I_с Ми рассеянного вперед света, прошедшего через отверстия соответственно в виде щели и сектора в интегрирующей диафрагме, определяют интегральные значения среднего заутеровского диаметра <D₃₂(y)> капель топлива вдоль строк (хорд) изображения сечения факела при его сканировании, вычисляемые по соотношению

<D₃₂(y)>=kI_щ/I_с,

где I_щ и I_с - интенсивности Ми рассеянного вперед света, прошедшего через отверстия соответственно в виде щели и сектора в интегрирующей диафрагме;

k - коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально;

- а интегральные значения объемной <C_ν(y)> концентрации капель вдоль строк изображения сечения факела определяют по формуле

<С_ν(y)>=2<D₃₂(y)>ln[I₀(0, Y)/I₀(L, Y)/(3<K>l),

где <K> - средний коэффициент рассеяния (при D₃₂>5 мкм можно принять равным 2);

l - размер измерительного объема по строке (хорде) изображения сечения;

- при этом интегральные значения поверхностной <C_S(y)> концентрации капель определяют по формуле

<C_S(y)>=3<С_ν(y)>/2<D₃₂(y)>.

На чертеже изображена принципиальная схема устройства для определения характеристик топливного факела.

Устройство, изображенное на чертеже, содержит лазерный источник света 1, окна барокамеры 2, горизонтальное сечение 3 топливного факела, через который проходит лазерный пучок источника света, барокамеру повышенного давления 4, сферическую собирающую линзу 5, прибор ЛИД (лазерный измеритель дисперсности малоугловым методом) 6, интегрирующую диафрагму 7 с отверстиями в виде щели и сектора, в центре - круглым, преобразователи электрических импульсов 8, 9, 10; крейтовую систему 11, ЭВМ 12, цветную цифровую видеокамеру 13.

X, Y - координатные оси; ось Z перпендикулярна плоскости рисунка; θ - угол рассеяния света; f - фокусное расстояние собирающей линзы. Стрелками указаны направления перемещения объекта относительно лазерного светового пучка.

Устройство для определения характеристик топливного факела работает следующим образом.

Пучок света, поляризованный вертикально, от импульсного лазера 1, генерирующего моноимпульсы излучения на длине волны 447,1 нм, пройдя через окна 2 барокамеры 4 и поперечное сечение 3 факела распыленного топлива, подкрашенного флуоресцирующей присадкой, частично рассеивается на каплях (Ми-рассеяние), при этом одновременно возбуждается флуоресценция в зеленом диапазоне спектра длин волн. При перемещении барокамеры с топливным факелом в поперечном направлении относительно лазерного пучка света получим цветное изображение сечения факела, которое регистрируется цифровой видеокамерой 13, расположенной ортогонально к лазерному пучку в горизонтальной плоскости. Таким образом, в каждой точке изображения сечения факела лазерным пучком света регистрируются интенсивности флуоресценции I_F (зеленый свет) и Ми-рассеянного каплями света I_S (синий свет), поляризованного перпендикулярно плоскости измерений (плоскости рассеяния, в которой расположены оптические оси источника и приемника излучения).

При этом интенсивность флуоресценции пропорциональна объему ΣiD³ (i-число капель диаметра D) всех капель, находящихся в зоне измерений, а интенсивность света, рассеянного на каплях, пропорциональна сумме квадратов диаметров ΣiD² всех капель, т.е.

где k_F и k_S - коэффициенты пропорциональности, <> - осреднение по ансамблю частиц.

Информация с видеокамеры 13 вводится в ЭВМ 12 для обработки по заданной программе.

Наряду с этим параллельный пучок света, ослабленный за счет Ми-рассеяния на каплях, пройдя через выходное окно барокамеры 4, сферической собирающей линзой 5 фокусируется в центре интегрирующей диафрагмы 7 прибора ЛИД 6, где установлен световод с фотоприемником, позволяющим измерять при сканировании сечения факела интенсивности I₀(0, Y) и I₀(L, Y) соответственно падающего на капли и прошедшего через факел пучка света, что необходимо для определения величины пропускания света q, а затем - и значений C_s и С_ν флуоресцентным методом.

Таким образом, при синхронном вводе в ЭВМ информации, получаемой одновременно флуоресцентным и малоугловым методами, можно, наряду с D₃₂, найти в точках изображения сечения факела значения поверхностной и объемной концентраций капель.

Ми рассеянный каплями пучок света фокусируется линзой 5 в плоскости интегрирующей диафрагмы, установленной на фокусном расстоянии от линзы. По соотношению интенсивностей I_щ и I_с рассеянных световых потоков, прошедших соответственно через отверстия в виде щели и сектора в интегрирующей диафрагме, за которыми установлены фотоприемники, определяют интегральные значения среднего заутеровского диаметра <D₃₂(y)> капель топлива вдоль строк (хорд) изображения сечения факела при его сканировании, вычисляемые по соотношению

<D₃₂(y)>=kI_щ/I_с,

а интегральные значения объемной концентрации капель определяют по формуле

<С_ν(y)>=2<D₃₂(y)>ln[I₀(0, Y)/I₀(L, Y)]/(3<K>l).

При этом

<C_S(y)>=3<C_ν(y)>/2<D₃₂(y)>.

Электрические сигналы с выхода ЛИД 6 подаются на входы преобразователей 8,9,10 импульсов, которые используются для преобразования величины заряда периодических импульсов тока, поступающих от фотоприемников импульсов лазерного излучения, в положительное напряжение, постоянное в течение времени между импульсами. Выходы преобразователей через крейтовую систему 11 соединены с ЭВМ 12, которая и производит обработку поступающей информации в соответствии с заданной программой.

Для получения осредненных по всему сечению факела распределения вдоль диаметра средних по хордам значений заутеровских диаметров капель и их объемных концентраций, с последующим осреднением по всему сечению факела, сканирование его сечения производится одновременно обоими методами.

Как отмечалось выше, малоугловой метод весьма удобно использовать для калибровки флуоресцентного метода. При этом калибровка может осуществляться в барокамере в одних и тех же реальных условиях эксперимента. Калибровка заключается в определении констант k_F/k_S и k_F по измерению средних по сечению факела значений заутеровского диаметра <<D₃₂>> капель и их объемной <<C_V>> концентрации малоугловым методом и одновременно измерению в том же сечении средних по этому сечению значений <<I_F/I_S>> и <<I_F>> флуоресцентным методом, на одних и тех же режимах работы форсунки, что позволяет повысить точность и надежность измерений. Из выражения (1) следует, что объемная концентрация капель C_V~I_F.

Малоугловой метод может быть использован также для сравнительных независимых измерений и периодического контроля работоспособности флуоресцентного метода при проведении эксперимента.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство для определения характеристик топливного факела обеспечивают повышенную информативность, точность и надежность измерений, расширяют возможности реализации, например, в условиях барокамеры при исследовании процессов распыливания топлив форсунками и смесеобразования в первичной зоне камер сгорания, контроле качества распыливания топлив форсунками после их изготовления, в различных технологических процессах.

Проверка способа на макете устройства для определения характеристик топливного факела подтвердила заложенные в него технические особенности и преимущества по сравнению с известными способами и устройствами, реализующими эти способы.

При реализации способа факел распыленного топлива, содержащего флуоресцирующие добавки, освещают лазерным пучком, поляризованным перпендикулярно плоскости рассеяния. Затем регистрируют цветное изображение сечения факела, разделяют это изображение на характерные цвета, по которым определяют интенсивности флуоресценции топлива и Ми рассеянного каплями света в точках строк изображения сечения факела. Измеряют интенсивности света падающего и прошедшего через факел распыленного топлива по каждой строке изображения сечения факела. По соотношению интенсивностей рассеянного света от щели и сектора определяют интегральные значения среднего заутеровского диаметра капель вдоль строк изображения сечения факела, а также их поверхностной и объемной концентрации капель. Устройство для определения характеристик топливного факела содержит последовательно расположенные лазерный источник монохроматического света и цветную цифровую видеокамеру, ортогонально расположенную к оптической оси источника света и связанную с ЭВМ. Устройство снабжено сферической собирающей линзой, лазерным измерителем дисперсности с интегрирующей диафрагмой, соединенным с преобразователями электрических импульсов, выходы которых соединены с ЭВМ через крейтовую систему. Технический результат заключается в повышении информативности и расширении возможностей реализации, а также в повышении точности и надежности измерений при определении характеристик распыла топливного факела в условиях барокамеры. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения характеристик топливного факела, заключающийся в том, что освещают факел распыленного топлива, содержащего флуоресцирующие добавки, лазерным пучком, поляризованным перпендикулярно плоскости рассеяния, в которой расположены оптические оси источника и приемника излучения, регистрируют цветное изображение сечения факела, разделяют это изображение на характерные цвета, по которым определяют интенсивности флуоресценции топлива и Ми рассеянного каплями поляризованного света в точках строк изображения сечения факела, производят измерения и по соотношению интенсивностей определяют средние размеры капель, измеряют по каждой строке изображения интенсивности света до и после факела распыливания, вычисляют интегральное значение интенсивности Ми рассеянного каплями света по каждой строке изображения:

вычисляют величину отношения интенсивности Ми рассеянного каплями света в точках строк изображения сечения факела к ее интегральному значению по каждой строке:

находят в точках строк изображения сечения факела интегральные значения функции F(x,y):

затем вычисляют величину пропускания света аэрозольной средой по каждой строке изображения:
,
при этом поверхностную концентрацию капель в точках строк изображения сечения топливного факела определяют по формуле:
,
а объемную концентрацию капель вычисляют в точках изображения сечения топливного факела по формуле:

отличающийся тем, что:
- при включении лазера совмещают сфокусированный лазерный пучок света с центром интегрирующей диафрагмы лазерного измерителя дисперсности (ЛИД);
- измеряют интенсивности света I₀(0, у), I₀(L, у), соответственно падающего и прошедшего через факел распыленного топлива, по каждой строке (хорде) изображения сечения факела путем его сканирования;
- вычисляют величину пропускания q падающего на капли света;
- по соотношению интенсивностей I_щ и I_с Ми рассеянного вперед света, прошедшего через отверстия соответственно в виде щели и сектора в интегрирующей диафрагме, определяют интегральные значения среднего заутеровского диаметра <D₃₂(y)>капель топлива вдоль строк (хорд) изображения сечения факела при его сканировании, вычисляемые по соотношению:
<D₃₂(у)>=kI_щ/I_с,
- а интегральные значения объемной <C_v(y)>концентрации капель вдоль строк изображения сечения факела определяют по формуле:
<С_v(y)>=2<D₃₂(y)>ln[I₀(0, Y)/I₀(L, Y)/(3<K>l),
- при этом интегральные значения поверхностной<C_s(y)>концентрации капель определяют соотношением:
<C_s(y)>=3<C_v(y)>/2<D₃₂(y)>,
Is(x, у) - интенсивность Ми рассеянного каплями света, поляризованного перпендикулярно плоскости рассеяния, в точках строк изображения сечения факела;
I_щ и I_с - интенсивности Ми рассеянного вперед света, прошедшего через отверстия соответственно в виде щели и сектора в интегрирующей диафрагме;
k - коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально;
<К> - средний коэффициент рассеяния (при D₃₂>5 мкм можно принять равным 2);
l - размер измерительного объема по строке (хорде) изображения сечения;
0, L - произвольные пределы интегрирования по каждой строке, находящиеся вне факела распыливания;
x, у - соответственно координаты каждой исследуемой точки вдоль и по ширине изображения сечения факела;
q - пропускание света аэрозольной средой по каждой строке;
I₀(0, y), I₀(L, y) - интенсивности света соответственно падающего и прошедшего через факел распыленного топлива по каждой строке изображения сечения факела;
C_s - поверхностная концентрация капель в точках изображения сечения факела;
C_v - объемная концентрация капель.

2. Устройство для определения характеристик топливного факела, содержащее последовательно расположенные по ходу луча лазерный источник монохроматического света, цветную цифровую видеокамеру, ортогонально расположенную к оптической оси источника монохроматического света и электрически связанную с ЭВМ, отличающееся тем, оно снабжено сферической собирающей линзой, лазерным измерителем дисперсности с интегрирующей диафрагмой, соединенным с преобразователями электрических импульсов, выходы которых соединены с ЭВМ через крейтовую систему.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что интегрирующая диафрагма выполнена с отверстиями в виде щели и сектора, в центре - круглым.