ТЕНЕВОЙ ПРИБОР ДЛЯ ПЛАМЕНИ С ВЫСОКИМ ВРЕМЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ Российский патент 2023 года по МПК G01J3/443 

Изобретение относится к оптическим устройствам теневой визуализации и может быть использовано для исследования нестационарных процессов горения, включая непрерывный мониторинг с высоким временным разрешением теневой картины течения с горением.

Одним из методов визуализации высокоскоростных потоков с горением являются классические рефрактометрические методы исследования прозрачных потоков газа, например, такие как прямотеневые, теневые и интерферометрические (www.cyberleninka.ru, статья «Визуализация структуры газовых потоков теневыми и интерференционными методами» Иншаков С.И., Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. Академика С.П. Королева, 2007 г.).

Во всех рассматриваемых методах используется система, включающая в себя источник излучения и регистрирующую камеру. Классическим источником излучения является широкополосный источник в виде галогенной, ртутной или дейтериевой ламп. Основным недостатком при исследовании нестационарных структур является недостаточно высокое временное разрешение данных систем. Актуальность тематики обусловлена необходимостью непрерывного мониторинга теневой картины течения с высоким временным разрешением.

Для временного замораживания картины течения газа, как правило, используются импульсные источники света. В предлагаемом теневом приборе в качестве решения был выбран импульсный источник излучения, который синхронизируют с камерой, содержащей матричный фотоприемник, регистрирующей непрерывный видеопоток. Как известно, при горении возникает несколько видов оптического излучения - непрерывный спектр теплового излучения и спектрально дискретное излучение атомарных линий и молекулярных полос (www.cyberleninka.ru, статья «О выборе спектрального интервала при исследовании полей температуры в пламени с помощью тепловизора» М.В. Агафонцев и др. Журнал: Вестник науки Сибири. 2015 г. Спецвыпуск (15), стр. 37-42). Данное излучение снижает контраст теневого изображения вплоть до полного исчезновения теневой картины объекта исследования (пламени). Для уменьшения влияния собственного свечения объекта исследования используется два способа - временной: уменьшение экспозиционной выдержки, и спектральный: использование узкополосных спектрально-селективных фильтров.

Известна заявка на патент «High-Speed transient schlieren system for large wind turmel» (CN110207940A, МПК G01M 9/06, G02B 17/06, G02B 27/54, дата публикации 06.09.2019 г.). В рассматриваемой заявке для визуализации теневой картины высокоскоростных потоков используется импульсный источник зондирующего излучения.

Недостатком данной системы является отсутствие спектрально-селективных и спектрометрических систем, что не позволяет проводить теневые исследования пламени.

Известно изобретение «Device and method for measuring flame for and temperature synchronously» (патент CN107782463B, МПК G01B 11/00, G01B 11/24, G01K 11/003, дата публикации 28.04.2020 г.). Патент описывает устройство для измерения формы пламени с помощью высокоскоростного теневого прибора и одновременного измерения температуры пламени по методу поглощения с помощью диодного лазера. Данное устройство не содержит модуля спектральной дискриминации собственного свечения пламени и оптико-эмиссионного спектрометра.

Недостатком данного устройства является недостаточный контраст теневой картины пламени, что приводит к визуализации низкого качества.

Известна система для исследования пространственной структуры пламени «System for researching cellular flame space structure based on three-dimensional Schlieren imaging technology» (патент CN111397907 В, МПК G01K 1/02, G01K 7/02, G01L 9/08, дата публикации 19.09.2021 г.). Данная система основана на стерео-теневом приборе, и, более того, теневой оптической томографии. В системе используются высокоскоростные регистрирующие камеры, но, отсутствуют модули спектральной дискриминации собственного свечения пламени и оптико-эмиссионного спектрометра.

Недостатком данного устройства является недостаточный контраст теневой картины пламени, что приводит к визуализации низкого качества вследствие засветки теневой картины собственным свечением пламени.

За прототип принят теневой прибор для исследования высокоскоростных потоков с горением (статья К.Д. Кудрявцева, А.Н. Морозов, М.В. Рыбаков, Материалы Двадцатой Международной школы-семинара, Москва 2020, стр. 75-76).

Рассматриваемый теневой прибор для пламени с высоким временным разрешением содержит источник зондирующего излучения, приемную систему в виде стробируемой камеры с матричным фотоприемником, оптический спектрально-селективный фильтр, систему синхронизации в виде линии управления стробом с импульсным источником излучения. Стробирующий импульсный сигнал (строб) используется для синхронизации с помощью малого временного окна экспонирования матрицы с импульсом излучения источника.

В данном теневом приборе не предусмотрена возможность проводить непрерывную перестройку по частоте импульсного источника излучения и оптического спектрально-селективного фильтра в реальном времени, что и является его основным недостатком. Для настройки прибора используется предварительный анализ эмиссионных спектров излучения потока для настройки спектральной области исследования, что ограничивает применимость теневого прибора в случае меняющихся параметров по температуре горения, и, следовательно, по химическому и спектральному составу исследуемого процесса горения - таким образом, отсутствуют перестраиваемые по длине волны компоненты измерительной системы. Также недостатком системы является отсутствие непрерывного видеопотока данных, поскольку используемая в работе видеокамера позволяет генерировать последовательность изображений, но без возможности обратного синхронного управления источником зондирующего излучения.

Задачей и техническим результатом заявленного изобретения является разработка и создание теневого прибора для пламени с высоким временным разрешением, позволяющего поддерживать контраст теневой картины пламени с высоким временным разрешением при динамически меняющихся условиях процесса горения.

Решение поставленной задачи и получение технического результата обеспечивается за счет того, что теневой прибор состоит из импульсного источника излучения, коллиматоров, визуализирующей диафрагмы, оптического спектрально-селективного фильтра, формирующей изображение оптики, стробируемой камеры с матричным фотоприемником связанной линией управления стробом с импульсным источником излучения с функцией передачи данных на дисплей, при этом теневой прибор дополнительно содержит оптико-эмиссионный спектрометр состоящий из фокусирующей оптики и широкополосного оптического спектрометра, при этом оптико-эмиссионный спектрометр связан с импульсным источником излучения и оптическим спектрально-селективным фильтром управляющими каналами связи, импульсный источник излучения и оптический спектрально-селективный фильтр выполнены перестраиваемыми по частоте, а оптико-эмиссионный спектрометр выполнен с функций передачи индикации валидности теневой картины пламени на дисплей.

Сущность изобретения поясняется следующими фигурами.

На фиг. 1 представлен теневой прибор с высоким временным разрешением, описанный в прототипе.

На фиг. 2 представлен предлагаемый теневой прибор с высоким временным разрешением.

Перечень элементов:

1 - Импульсный источник излучения

2 - Коллиматор 1

3 - Объект исследования (пламя)

4 - Коллиматор 2

5 - Визуализирующая диафрагма

6 - Оптический спектрально-селективный фильтр

7 - Формирующая изображение оптика

8 - Стробируемая камера с матричным фотоприемником

9 - Функциональный вывод данных

10 - Дисплей

11 - Линия управления стробом

12 - Фокусирующая оптика

13 - Широкополосный оптический спектрометр

14 - Управляющие каналы связи

15 - Функциональный вывод индикации валидности теневой картины пламени.

Предлагаемый теневой прибор для пламени с высоким временным разрешением, состоит из импульсного источника излучения, коллиматоров, визуализирующей диафрагмы, оптического спектрально-селективного фильтра, формирующей изображение оптики, стробируемой камеры с матричным фотоприемником, фокусирующей оптики, широкополосного оптического спектрометра и дисплея, которые жестко закреплены 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).

Предлагаемый теневой прибор для пламени с высоким временным разрешением содержит: коллиматоры 2 и 4, между которыми размещается объект исследования 3 (например, пламя), визуализирующую диафрагму 5 (например, отсекающий фильтр, нож Фуко), оптический спектрально-селективный фильтр 6, формирующую изображение оптику 7, стробируемую камеру с матричным фотоприемником 8, которая связана линией управления стробом 11 с импульсным источником излучения 1 и с функциональным выводом данных 9 на дисплей 10, оптико-эмиссионный спектрометр который состоит из фокусирующей оптики 12 и широкополосного оптического спектрометра 13. Оптико-эмиссионный спектрометр связан с импульсным источником излучения 1 и оптическим спектрально-селективным фильтром 6 управляющими каналами связи 14, и выполнен с функциональным выводом индикации валидности теневой картины пламени 15 на дисплей 10.

Строб - электронный способ выбора временного интервала для наблюдения контроля или последующей обработки (Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации www.academic.ru). Линия передачи данных - средство, которое используется в информационных сетях для распространения сигналов в нужном направлении, это может быть коаксиальный кабель, витая пара, провод, световод (И.П. Норенков, В.А. Трудоношин. Телекоммуникационные технологии и сети. МГТУ им. Баумана. Москва 1999 г. www.academic.ru). Под линией управления стробом в данном устройстве подразумевается линия, по которой передается сигнал строба.

Функциональный вывод данных в данном устройстве реализован в виде функции передачи данных на дисплей с помощью канала связи, который соединяет стробируемую камеру с матричным фотоприемником 8 с дисплеем 10. 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 также в виде коаксиального кабеля, витой пары, провода или световода.

Дисплей - электронное устройство, предназначенное для визуального отображения информации (ru.wikipedia.org).

Функциональный вывод индикации валидности теневой картины пламени в данном устройстве реализован в виде функции передачи индикации валидности теневой картины пламени с помощью канала связи, который соединяет широкополосный оптический спектрометр с дисплеем.

Изображения объекта исследования 3 с помощью фокусирующей оптики 12 регистрируется широкополосным оптическим спектрометром 13 с функциональным выводом индикации валидности теневой картины пламени 15 на дисплей 10, при этом широкополосный оптический спектрометр 13 связан управляющими каналами связи 14 с источником излучения 1 и оптическим спектрально-селективным фильтром 6. Спектрометр - оптический прибор, используемый в спектроскопических исследованиях для регистрации спектра, его количественной обработки, и последующего анализа (Википедия - ru.wikipedia.org).

В предлагаемом устройстве каналы связи 14 являются управляющими и служат для передачи управляющего сигнала о наличии мешающих спектральных компонент от широкополосного оптического спектрометра 13 к источнику излучения 1 и оптическому спектрально-селективному фильтру 6.

Предлагаемый теневой прибор работает следующим образом. Свет от импульсного источника излучения 1 преобразуется в пучок параллельных лучей с помощью коллиматора 2, далее пучок параллельных лучей проходит сквозь объект исследования 3 при этом часть лучей отклоняется, преломляясь на неоднородностях плотности объекта исследования 3, преломленный пучок лучей фокусируется коллиматором 4 на визуализирующей диафрагме 5, позволяя получить теневую картину неоднородности плотностей объекта исследования 3. Результирующая теневая картина регистрируется стробируемой камерой с матричным фотоприемником 8, при этом изображение теневой картины получается с помощью формирующей изображение оптики 7. Собственное свечение потока, уменьшающее контраст теневой картины, отсекается с помощью оптического спектрально-селективного фильтра 6. Для согласования светового импульса от импульсного источника излучения 1 с временем экспозиции стробируемой камеры с матричным фотоприемником 8 используется линия управления стробом 11. В предлагаемом устройстве стробируемая камера с матричным фотоприемником 8 выводит непрерывный видеопоток, с помощью функционального вывода данных 9 на дисплей 10. Для того чтобы обеспечить синхронизацию видеопотока с импульсным источником излучения 1, управление импульсом излучения производится непосредственно стробируемой камерой с матричным фотоприемником 8.

В результате протекания процесса горения, происходит свечение объекта исследования 3 в широком спектральном диапазоне оптического спектра. Данное свечение представляет собой совокупность как непрерывного по спектру излучения (например, тепловое излучение сажи) так и спектрально-селективного излучения, производимого возбужденными атомарными и молекулярными компонентами пламени объекта исследования 3. Для подавления собственного излучения пламени используется два способа - временной и спектральный. В качестве временного способа используется стробирование регистрирующей камеры при временном согласовании с импульсом излучения источника. Таким образом, при малой длительности светового импульса импульсного источника излучения 1 свечение пламени подавляется пропорционально скважности последовательности импульсов. В качестве спектрального способа подавления собственного свечения пламени используется оптический спектрально-селективный фильтр 6, полоса пропускания которого настроена на длину волны излучения импульсного источника излучения 1, при этом подавляется все свечение пламени, длины волн излучения которого находятся за пределами узкого спектрального диапазона полосы пропускания оптического спектрально-селективного фильтра 6.

Широкополосный оптический спектрометр 13 регистрирует спектр эмиссии объекта исследования 3 с помощью фокусирующей оптики 12. Информация об интенсивных спектральных линиях поступает на импульсный источник излучения 1 и оптический спектрально-селективный фильтр 6, с помощью управляющих каналов связи 14. При совпадении длин волн интенсивных спектральных линий излучения объекта исследования 3 с длинами волн излучения импульсного источника излучения 1 и оптического спектрально-селективного фильтра 6 производится перестройка длин волн излучения и пропускания соответственно, что позволяет дополнительно эффективно отстроиться от собственного свечения объекта исследования 3. При невозможности отстроиться от собственного свечения объекта исследования 3 с помощью функционального вывода индикации валидности теневой картины пламени 15 на дисплей 10 выдается информация о невозможности отображения корректной теневой картины.

Предлагаемый теневой прибор позволяет, в отличие от приборов с непрерывным источником излучения, регистрировать нестационарные явления с высоким временным разрешением. Он позволяет проводить непрерывную во времени видеорегистрацию «замороженных» во времени теневых картин. Также теневой прибор позволяет осуществить дискриминацию собственного свечения объекта исследования 3 за счет малых выдержек синхронизированной регистрирующей стробируемой камеры с матричным фотоприемником 8 и узкого спектрального диапазона полосы пропускания оптического спектрально-селективного фильтра 6.

Введение в теневой прибор оптико-эмиссионного спектрометра, состоящего из фокусирующей оптики 12 и широкополосного оптического спектрометра 13, позволяет использовать его для динамически меняющихся условий процесса горения. Изменения в условиях горения могут происходить как по температуре, так и по химическому составу, что в свою очередь приводит к изменению оптического спектра излучения пламени. Собственное излучение пламени снижает контраст теневой картины вплоть до ее полного исчезновения. Применяемый оптико-эмиссионный спектрометр позволяет контролировать спектр излучения пламени в реальном времени, что дает возможность использовать управляемые по длине волны спектрально-селективные компоненты - импульсный источник излучения 1 и оптический спектрально-селективный фильтр 6. Синхронная перестройка по частоте (длине волны) данных компонент теневого прибора позволяет проводить непрерывную теневую визуализацию пламени. При отсутствии возможности зарегистрировать теневую картину пламени вследствие интенсивного собственного свечения пламени в широком спектральном диапазоне, широкополосный оптический спектрометр использует функциональный вывод индикации валидности теневой картины пламени 15 непосредственно на дисплей 10.

Создан теневой прибор для пламени с высоким временным разрешением, который позволяет поддерживать контраст теневой картины пламени с высоким временным разрешением при динамически меняющихся условиях процесса горения.

Изобретение относится к области эмиссионной спектроскопии и касается теневого прибора для пламени с высоким временным разрешением. Теневой прибор состоит из импульсного источника излучения, коллиматоров, визуализирующей диафрагмы, оптического спектрально-селективного фильтра, формирующей изображение оптики, стробируемой камеры с матричным фотоприемником, связанной линией управления стробом с импульсным источником излучения, и оптико-эмиссионного спектрометра. Оптико-эмиссионный спектрометр состоит из фокусирующей оптики и широкополосного оптического спектрометра, связанного с импульсным источником излучения и оптическим спектрально-селективным фильтром управляющими каналами связи для передачи управляющего сигнала о наличии мешающих спектральных компонент и выполненного с возможностью вывода индикации валидности теневой картины пламени на дисплей. Импульсный источник излучения и оптический спектрально-селективный фильтр выполнены перестраиваемыми по частоте. Технический результат заключается в обеспечении возможности поддерживать контраст теневой картины пламени с высоким временным разрешением при динамически меняющихся условиях процесса горения. 2 ил.

Теневой прибор для пламени с высоким временным разрешением, состоящий из импульсного источника излучения, коллиматоров, визуализирующей диафрагмы, оптического спектрально-селективного фильтра, формирующей изображение оптики, стробируемой камеры с матричным фотоприемником, связанной линией управления стробом с импульсным источником излучения, с функцией передачи данных на дисплей, отличающийся тем, что теневой прибор дополнительно содержит оптико-эмиссионный спектрометр, состоящий из фокусирующей оптики и широкополосного оптического спектрометра, связанного с импульсным источником излучения и оптическим спектрально-селективным фильтром управляющими каналами связи для передачи управляющего сигнала о наличии мешающих спектральных компонент от широкополосного оптического спектрометра к импульсному источнику излучения и оптическому спектрально-селективному фильтру и выполненного с функциональным выводом индикации валидности теневой картины пламени на дисплей посредством канала связи, соединяющего широкополосный оптический спектрометр с дисплеем, при этом импульсный источник излучения и оптический спектрально-селективный фильтр выполнены перестраиваемыми по частоте, а управление импульсным источником излучения производится стробируемой камерой с матричным фотоприемником.