УСТРОЙСТВО ПАНОРАМНОЙ МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК G01J3/443 

Изобретение относится к устройствам панорамной мультиспектральной визуализации и может быть использована для исследования процессов горения топлива различных видов.

Исследование энергетических и пространственно-временных характеристик горения может быть проведено посредством регистрации спектров излучения активных компонент потока. Чаще всего исследуют излучение электронно возбужденных радикалов ОН* или СН* с помощью специальных спектральных регистрирующих устройств. Используются линейные спектрометры или одноканальные панорамные спектральные регистрирующие камеры. Недостатком данных устройств является отсутствие возможности одновременной интерпретации широкого спектра излучения и пространственного распределения спектральных компонент.

Основой данных систем является панорамная регистрация спектрально-селективных данных. Такого вида аппаратура широко применяется для исследования земной и водной поверхности из космоса. Мульти- и гиперспектральные устройства зондирования атмосферы и поверхностей земли и воды способствовали развитию мультиспектральных систем для исследования светящихся сред и световых явлений, возникающих в результате химического, электромагнитного или радиационного возбуждения одно- и многоатомных газов. Одно из самых распространенных в технике световых явлений связано с процессами горения углеводородных топлив в камерах сгорания печей и различных двигателей. Основными характеристиками пламени являются пространственные распределения температур химических компонент пламени, коэффициентов полноты сгорания и скоростей тепловыделения. Все эти характеристики в комплексе дают возможность оценить эффективность процесса горения.

Большинство известных устройств для визуализации пламени настроены на одну спектральную компоненту и визуализируют не комплексные характеристики, а только интенсивности излучения отдельной спектральной компоненты, что не дает возможности оценить эффективность горения, а только получить представление о пространственном распределении выбранной химической компоненты пламени. Получение комплексных характеристик пламени связано с повышением количества разнородных измерительных каналов в системе визуализации и применением интенсивной обработки зарегистрированных данных, то есть применение многоканальных мультиспектральных систем.

Из существующего уровня техники известен подход, описанный в статье Lauer, М., and Sattelmayer, Т., "On the adequacy of chemiluminescence as a measure for heat release in turbulent flames with mixture gradients" // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. - 2010. - T. 132. №6, стр. 1-8.

В данной работе рассматривается применение устройства панорамной мультиспектральной визуализации относительных скоростей тепловыделения в пламенах с учетом полей распределения коэффициентов полноты сгорания и интенсивности турбулентности пламени. В качестве основных измерительных блоков, вместо панорамных спектральных камер используется блок планарной когерентной лазеро-индуцированной люминесценции OH-PLIF, для измерения полей свечения хемилюминесценции возбужденных радикалов, а вместо теневого прибора для исследования структуры пламени используется лазерная система цифровой анемометрии по изображениям частиц PIV. Недостатками данного устройства являются применение сложной импульсной когерентной аппаратуры, причем зарегистрированные данные должны пройти постобработку, и отсутствие вывода температурных полей, что не дает возможность корректно оценить структуру пламени в реальном времени.

Также известно устройство, описанное в статье Ikeda, Y., Nishiyama, A., Kim, S., Kawahara, N., and Tomita, E., "Anchor point siructure measurements for laminar propane/air and methane/air premixed flames using local chemiluminescence spectra" // Proceedings of 31st International Symposium on Combustion. 2006.

В рассматриваемой системе используется феноменологический подход с применением эмпирической формулы логико-арифметического попиксельного синтеза изображений (используется несколько панорамных полей). Рассмотрен подход на основе совместного анализа ультрафиолетового и синего панорамных каналов (измерительных блоков).

Недостатком данного устройства является отсутствие контроля эмиссионного спектра с помощью линейного спектрометра, и, как следствие, отсутствие коррекции поля относительной скорости тепловыделения на спектр излучения «мешающих» спектральных компонент, таких как СО и СО₂.

Известна статья Lauer, М., 2011. "Determination of the heat release distribution in turbulent flames by chemiluminescence imaging". PhD thesis, Technische Universitat Munchen. В статье описано многоканальное устройство для мультиспектрального анализа процессов горения. Устройство позволяет также определить поле скоростей потока с помощью метода PIV (particle image velocimetry - измерение скорости потока с помощью регистрации перемещения внедренных в поток частиц). Используется коррекция ультрафиолетового канала на основе моделирования распределения излучения в спектрах возбужденных радикалов ОН*, СН*, С2 и CO2.

Недостатком описанного устройства является отсутствие модуля определения температуры по непрерывному тепловому спектру излучения сажи с использованием линейного спектрометра. Непрерывная регистрация эмиссионных спектров излучения заменена на программный модуль математического моделирования оптических спектров. Используемые в алгоритмах коррекции спектральные температуры компонент, полученные в расчетах по электронно-возбужденным уровням, сильно отличаются друг от друга в результате сложного химического характера возбуждения и не учитывают вопросы копирования распределения энергий по колебательным и вращательным уровням молекул с основного на электронно-возбужденные уровни. Все указанные недостатки делают невозможным корректную визуализацию процесса горения.

Известна заявка Multispectral Flame Detector (№US 20140184793 A1, МПК G08B 17/25, дата публикации 03.07.2014 г.). В данном устройстве используются мультиспектральные камеры, работающие исключительно в тепловой части инфракрасного спектра излучения, что не позволяет определить поле распределения относительной скорости тепловыделения.

Недостатком данного устройства также является отсутствие управляющего линейного спектрометра, что и позиционирует данное устройство не более как детектор пламен.

За прототип принята «Система мультиспектральной панорамной визуализации потоков с горением», Д.В. Безруков, В.В. Власенко, М.А. Иванькин, А.Н. Морозов, В.М. Рыбаков, «Модели и методы аэродинамики» Материалы Двадцатой международной школы-семинара, Москва 2020, стр. 23-24.

Рассматриваемое устройство - система мультиспектральной панорамной визуализации потоков с горением, применяется на высокоэнтальпийном стенде для исследования процесса горения этилена в высокоскоростном потоке. Устройство регистрирует излучение возбужденных молекулярных компонент в широком спектральном диапазоне оптического излучения и содержит девять панорамных каналов, включающих пять спектральных камер и четыре камеры видимого диапазона высокой четкости, два спектральных линейных канала оптико-эмиссионных спектрометров, и канал, представляющий собой теневой прибор.

Регистрирующий канал оптико-эмиссионного спектрометра представляет собой блок, который включает в себя фокусирующую оптику, широкополосный оптический спектрометр, при этом блок оптико-эмиссионного спектрометра связан линией передачи с монитором и позволяет провести анализ эмиссионных спектров излучения потока с горением. Регистрирующий канал спектральной камеры представляет собой блок, который включает в себя оптический спектральный фильтр, формирующую изображение оптику, камеру с матричным фотоприемником, при этом блок спектральной камеры связан линией передачи с монитором и позволяет получить интенсивности излучения спектральных компонент пламени. Канал теневого прибора представляет собой блок, который включает в себя источник излучения, коллиматоры, визуализирующую диафрагму, спектральную камеру, состоящую из оптического спектрального фильтра, формирующей изображение оптики, камеры с матричным фотоприемником, при этом блок теневого прибора связан линией передачи с монитором и позволяет получить теневую картину пламени. Данные со всех блоков одновременно отображаются на мониторе.

Недостатком устройства является отсутствие модуля формирования основных пространственных характеристик процесса, а именно - поля температур, поля относительных скоростей тепловыделения и поля коэффициентов полноты сгорания. Имеющиеся в устройстве спектрометры не используются для управления работой системы, и описанное устройство содержит только набор разрозненных регистрирующих каналов, что не позволяет полностью провести корректную визуализацию процесса горения.

Задачей и техническим результатом заявленного изобретения является разработка и создание устройства панорамной мультиспектральной визуализации для исследования процессов горения, которое позволит одновременно получить поля температур, относительных скоростей тепловыделения и коэффициентов полноты сгорания.

Решение поставленной задачи и получение технического результата обеспечивается за счет того, что устройство панорамной мультиспектральной визуализации для исследования процессов горения, состоит из блока оптико-эмиссионного спектрометра, включающего фокусирующую оптику, широкополосный оптический спектрометр, блока спектральной камеры, включающего оптический спектральный фильтр, формирующую изображение оптику, камеру с матричным фотоприемником, блока теневого прибора, включающего источник излучения, коллиматоры, визуализирующую диафрагму, спектральную камеру, при этом устройство дополнительно содержит блок обработки данных, связанный линиями передачи данных с монитором, блоком оптико-эмиссионного спектрометра, блоком спектральной камеры, блоком теневого прибора, выполненный с возможностью получения данных с блока оптико-эмиссионного спектрометра, блока спектральной камеры и блока теневого прибора, выделения спектральных полос хемилюминесценции возбужденного гидроксила ОН*, молекулярных колебательных полос Свана С₂, хемилюминесценции возбужденного углеводорода СН* и молекулярных полос СО и CO2, а также с возможностью одновременного отображения на мониторе поля температур, поля относительных скоростей тепловыделения, поля коэффициентов полноты сгорания, при этом блок оптико-эмиссионного спектрометра дополнительно связан управляющим каналом связи с блоком обработки данных и выполнен с возможностью определения наличия мешающих компонент и передачи управляющего сигнала о наличии мешающих спектральных компонент в блок обработки данных.

Сущность изобретения поясняется следующими фигурами.

На фиг. 1 представлено устройство панорамной мультиспектральной визуализации для исследования процессов горения описанное в прототипе.

На фиг. 2 представлено предлагаемое устройство панорамной мультиспектральной визуализации для исследования процессов горения.

Перечень элементов:

1 - Фокусирующая оптика

2 - Широкополосный оптический спектрометр

3 - Линия передачи данных

4-Монитор

5 - Оптический спектральный фильтр

6 - формирующая изображение оптика

7 - Камера с матричным фотоприемником

8 - Источник излучения

9 - Коллиматор 1

10 - Объект исследования (пламя)

11 - Коллиматор 2

12 - Визуализирующая диафрагма

13 - Управляющий канал связи

14 - Блок обработки данных (для сбора данных поля температур, поля относительного тепловыделения, поля коэффициентов полноты сгорания и дальнейшего отображения через линию передачи данных на мониторе).

Предлагаемое устройство панорамной мультиспектральной визуализации для исследования процессов горения, состоит из четырех блоков (блок блока оптико-эмиссионного спектрометра, блока спектральной камеры, блока теневого прибора обработки данных) и монитора, жестко закрепленных при помощи винтов на станине (на фигурах не указано). Станина - неподвижное основание, рама, на которой монтируются отдельные части какого-либо устройства (С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. Толковый словарь Ожегова. 1949-1992).

Блок оптико-эмиссионного спектрометра включает в себя фокусирующую оптику 1, широкополосный оптический спектрометр 2, при этом блок оптико-эмиссионного спектрометра связан линией передачи 3 с блоком обработки данных 14, блок обработки данных связан линией передачи данных с монитором 4, при этом блок оптико-эмиссионного спектрометра дополнительно связан управляющим каналом связи 13 с блоком обработки данных 14. Линия передачи данных - средства, которые используются в информационных сетях для распространения сигналов в нужном направлении, это могут быть коаксиальный кабель, витая пара, провод, световод (И.П. Норенков, В.А. Трудоношин. Телекоммуникационные технологии и сети. МГТУ им. Баумана. Москва 1999 г. www.translate.academic.ru). Канал связи - средство односторонней передачи данных (И.П. Норенков, В.А. Трудоношин. Телекоммуникационные технологии и сети. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Москва 1999 г.), при этом канал связи может быть выполнен так же в виде коаксиального кабеля, витой пары, провода или световода.

В предлагаемом устройстве канал связи является управляющим и служит для передачи управляющего сигнала о наличии мешающих спектральных компонент от широкополосного оптического спектрометра 2 к блоку обработки данных 14 для предотвращения некорректной интерпретации процесса горения.

Блок спектральной камеры включает в себя оптический спектральный фильтр 5, формирующую изображение оптику 6, камеру с матричным фотоприемником 7, при этом блок спектральной камеры связан линией передачи 3 с монитором 4. В зависимости от условий эксперимента устройство может включать в себя несколько блоков спектральных камер, для одновременной регистрации нескольких спектральных компонент, которые невозможно зарегистрировать независимо с помощью одного блока спектральной камеры.

Блок теневого прибора включает в себя источник излучения 8, коллиматоры 9 и 11, визуализирующую диафрагму 12, спектральную камеру, состоящую из оптического спектрального фильтра 5, формирующей изображение оптики 6, камеры с матричным фотоприемником 7, при этом блок теневого прибора связан линией передачи данных 3 с монитором 4.

Блок обработки данных получает данные с блока оптико-эмиссионного спектрометра, блока спектральной камеры и блока теневого прибора для сбора исходных данных и преобразования их в поле температур, поле относительных скоростей тепловыделения, поле коэффициентов полноты сгорания - для одновременного отображения через линию передачи данных на мониторе.

Устройство при исследовании процессов горения работает следующим образом.

Блок спектральной камеры регистрирует поле интенсивности излучения спектральных компонент потока, таких как возбужденные молекулы гидроксила ОН* и углеводорода СН*, полосы Свана молекулярного углерода С₂, излучение молекул СО и СО₂, излучение высокоэнергетического молекулярного иона N₂⁺. Выделение данных компонент в общем спектре излучения пламени достигается применением оптического спектрального фильтра 5 (интерференционного спектрально-селективного фильтра), настроенного на отдельные компоненты пламени, и спектрально-селективной чувствительностью матричного фотоприемника камеры 7. Применение стандартной камеры видимого диапазона позволяет зарегистрировать одновременно до трех компонент, при условии, что спектры излучения соответствующих полос лежат в области пропускания спектральных фильтров матричных фотоприемников. Модифицированные камеры с кремниевыми матричными фотоприемниками высокого пространственного разрешения могут регистрировать до шести спектральных компонент одновременно. При этом используется формирующая изображение оптика 6 широкого спектрального диапазона. Кварцевая оптика позволяет регистрировать излучение в диапазоне 300 нм - 1100 нм с помощью стандартного кремниевого матричного фотоприемника. Полученные спектральные изображения поступают на блок обработки данных 14 через линии передачи данных 3.

В случае необходимости независимой регистрации спектральных компонент, находящихся в области спектральной чувствительности одного фильтра матричного фотоприемника спектральной камеры, можно использовать несколько блоков спектральных камер со спектрально-селективными фильтрами, настроенными на отдельные спектральные компоненты пламени.

Блок оптико-эмиссионного спектрометра регистрирует эмиссионный спектр пламени в широком диапазоне длин волн оптического излучения. Фокусирующая оптика 1, например кварцевая, работает в широком диапазоне длин волн, и, позволяет широкополосному оптическому спектрометру 2 регистрировать эмиссионный спектр в спектральной области 200 нм - 1100 нм длин волн оптического излучения. Полученные эмиссионные спектры поступают на блок обработки данных 14 через линию передачи данных 3.

Блок теневого прибора, позволяет зарегистрировать мгновенную картину турбулентной структуры пламени следующим образом - свет от источника излучения 8 преобразуется в пучок параллельных лучей с помощью коллиматора 9, далее пучок параллельных лучей проходит сквозь объект исследования 10 при этом часть лучей отклоняется, преломляясь на неоднородностях плотности объекта, преломленный пучок лучей фокусируется коллиматором 11 на визуализирующей диафрагме 12, позволяя получить теневую картину неоднородности плотностей объекта. Результирующая теневая картина регистрируется с помощью блока спектральной камеры и поступает на блок обработки данных 14 через линию связи 3.

Блок обработки данных 14 позволяет выделить ряд характерных спектральных полос, таких как хемилюминесценцию возбужденного гидроксила ОН*, характеризующего тепловыделение, молекулярные колебательные полосы Свана С₂ и хемилюминесценцию возбужденного углеводорода СН*, позволяющие оценить степень полноты сгорания, полосы молекулярного иона N₂⁺, позволяющие оценить наличие каталитических примесей в пламени, молекулярные полосы СО и CO2, которые, в результате наложения на спектральные полосы ОН* и СН* способствуют искажению интерпретации излучения хемилюминесценции ОН* как относительной скорости тепловыделения.

Дополнительно, блок обработки данных 14 позволяет оценить спектральную температуру пламени по области спектра непрерывного континуума излучения сажи (статья «Измерение температуры углеводородного пламени методами оптической пирометрии» / Мошаров В.Е., Радченко В.Н., Сенюев И.В. // XV Минский международный форум по тепло - массобомену. 2016 г.). Выделение области континуума, без дополнительных спектральных молекулярных полос производится на основе анализа спектра излучения пламени. Параметры области континуума записываются в блок оптико-электронного спектрометра. В случае, когда спектрометр определяет наличие мешающих компонент, по управляющему каналу связи передается сигнал об отсутствии возможности расчета поля температур пламени, что позволяет не допустить некорректной интерпретации процесса горения.

Дополнительно, блок обработки данных позволяет произвести коррекцию поля относительных скоростей тепловыделения, полученного по излучению возбужденных компонент пламени ОН* и/или СН*, посредством учета наложения полос излучения мешающих компонент.

Блок обработки данных, на основе двумерного спектрального анализа, позволяет определить зоны турбулентности и их интенсивность. Активное турбулентное перемешивание пламени уменьшает интенсивность свечения возбужденного гидроксила ОН* в результате тушения активным кислородом. Блок обработки данных проводит коррекцию сигнала хемилюминесценции гидроксила ОН* на основе анализа уровня турбулентности.

Таким образом блок обработки данных позволяет сформировать следующие панорамные поля, характеризующие процесс горения - поле спектральных температур, поле относительных скоростей тепловыделения и поле коэффициентов полноты сгорания, и вывести их на монитор 4, что, в свою очередь, позволяет получить максимально полную картину визуализации процесса горения. В случае некорректной оценки данных полей, оптико-эмиссионный спектрометр передает по управляющему каналу связи сигнал, по которому вывод на монитор соответствующего искаженного поля будет невозможен.

Создано устройство панорамной мультиспектральной визуализации для исследования процессов горения, которое позволяет одновременно получить поля температур, относительных скоростей тепловыделения и коэффициентов полноты сгорания.

Изобретение относится к области эмиссионной спектроскопии и касается устройства панорамной мультиспектральной визуализации для исследования процессов горения. Устройство состоит из блока оптико-эмиссионного спектрометра, блока спектральной камеры, блока теневого прибора и блока обработки данных. Блок обработки данных выполнен с возможностью получения данных от блока оптико-эмиссионного спектрометра, блока спектральной камеры и блока теневого прибора, выделения спектральных полос хемилюминесценции возбужденного гидроксила ОН*, молекулярных колебательных полос Свана С₂, хемилюминесценции возбужденного углеводорода СН* и молекулярных полос СО и СO₂. Блок оптико-эмиссионного спектрометра дополнительно связан управляющим каналом связи с блоком обработки данных и выполнен с возможностью определения наличия мешающих компонент и передачи управляющего сигнала о наличии мешающих спектральных компонент в блок обработки данных. Технический результат заключается в обеспечении возможности одновременного получения поля температур, относительных скоростей тепловыделения и коэффициентов полноты сгорания и исключении возможности некорректной интерпретации процесса горения. 2 ил.

Устройство панорамной мультиспектральной визуализации для исследования процессов горения, состоящее из блока оптико-эмиссионного спектрометра, включающего фокусирующую оптику, широкополосный оптический спектрометр, блока спектральной камеры, включающего оптический спектральный фильтр, формирующую изображение оптику, камеру с матричным фотоприемником, блока теневого прибора, включающего источник излучения, коллиматоры, визуализирующую диафрагму, спектральную камеру, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит блок обработки данных, связанный линиями передачи данных с монитором, блоком оптико-эмиссионного спектрометра, блоком спектральной камеры, блоком теневого прибора, выполненный с возможностью получения данных с блока оптико-эмиссионного спектрометра, блока спектральной камеры и блока теневого прибора, выделения спектральных полос хемилюминесценции возбужденного гидроксила ОН*, молекулярных колебательных полос Свана С₂, хемилюминесценции возбужденного углеводорода СН* и молекулярных полос СО и СO₂, а также с возможностью одновременного отображения на мониторе поля температур, поля относительных скоростей тепловыделения, поля коэффициентов полноты сгорания, при этом блок оптико-эмиссионного спектрометра дополнительно связан управляющим каналом связи с блоком обработки данных и выполнен с возможностью определения наличия мешающих компонент и передачи управляющего сигнала о наличии мешающих спектральных компонент в блок обработки данных.