本發(fā)明屬于火焰監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種融合靜電和聲學(xué)傳感器陣列的燃燒器火焰測量裝置和方法。

背景技術(shù)：

燃燒爐內(nèi)火焰狀態(tài)的準(zhǔn)確檢測有利于提高工業(yè)生產(chǎn)過程的安全性和生產(chǎn)效率。燃燒火焰的特性主要包含有熱輻射特性、電離特性、導(dǎo)電特性、聲輻射特性、色度分布特性、靜電特性等?；诨鹧娴倪@些特性，一般采用光學(xué)、光電、溫度和超聲等測量裝置來獲取火焰燃燒產(chǎn)生的效應(yīng)或判知火焰的存在與否，并對相應(yīng)的火焰特性參數(shù)進(jìn)行分析，以實現(xiàn)火焰燃燒的自動化監(jiān)控?，F(xiàn)有的火焰檢測方法，一般是通過測量火焰的宏觀幾何參數(shù)火焰位置、尺寸、張角、重心、著火點等、亮度參數(shù)、溫度場分布和閃爍頻率來實現(xiàn)對火焰的監(jiān)測和分析，這樣的檢測方法既無法對火焰導(dǎo)電能力、火焰電荷分布等火焰電學(xué)特性進(jìn)行精細(xì)測量，也不能對火焰燃燒過程中碳煙顆粒分布、燃燒速度分布等火焰特性進(jìn)行精細(xì)測量，除此之外還缺乏對火焰帶電顆粒運動狀態(tài)、火焰燃燒過程中流場變化情況和火焰局部燃燒反應(yīng)狀態(tài)細(xì)節(jié)的精確測量。

基于靜電感應(yīng)原理測量火焰的方法主要有離子探針法，首先，有學(xué)者提出了采用離子探針來測量燃燒火焰中的離子電流值，從而推測火焰中離子濃度；隨后，在此基礎(chǔ)上又有學(xué)者采用結(jié)構(gòu)改良后的離子探針測量工業(yè)鍋爐內(nèi)部火焰燃燒區(qū)位置和反應(yīng)區(qū)位移速度；但是，這種采用離子探針實施測量的方法只能得到火焰局部的離子電流信息，無法實現(xiàn)對火焰電學(xué)特性更全面的測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了實現(xiàn)對火焰電學(xué)特性更全面的測量，本發(fā)明提供一種融合靜電和聲學(xué)傳感器陣列的燃燒器火焰測量裝置和方法。

裝置包括：靜電傳感器陣列、聲學(xué)傳感器陣列、信號分析單元和結(jié)果輸出單元；所述靜電傳感器陣列由表面鑲嵌著多個水平電極和軸向電極的曲面金屬網(wǎng)絡(luò)支架構(gòu)成；曲面金屬網(wǎng)絡(luò)支架布置于火焰局部外廓，且每個水平電極和軸向電極與火焰中心軸等距；所述聲學(xué)傳感器陣列由布置于火焰外圍的聲波收發(fā)器構(gòu)成，聲波收發(fā)器布置至少1層、每層由至少3個；所述靜電傳感器陣列和聲學(xué)傳感器陣列分別與信號分析單元相連，信號分析單元將分析得到的火焰電學(xué)特性信息輸出到結(jié)果輸出單元。

所述信號分析單元將靜電傳感器陣列和聲學(xué)傳感器陣列測得的信號分別進(jìn)行放大、調(diào)理和離散化采集并對測量信號進(jìn)行時域分析、互相關(guān)分析、hurst指數(shù)分析，基于逆問題求解算法對碳煙顆粒分布、溫度分布、燃燒速度分布進(jìn)行重建，最后獲得帶電顆粒的運動速度、顆粒濃度和顆粒運動復(fù)雜度、碳煙顆粒分布、溫度分布、燃燒速度分布特征參數(shù)；結(jié)合靜電傳感陣列測得的帶電顆粒的速度和聲學(xué)傳感器陣列測得的燃燒速度分布、碳煙顆粒分布三個參數(shù)進(jìn)行分析，得到火焰燃燒過程中流場的變化情況。

所述聲波收發(fā)器所在的平面垂直于燃燒器的中軸線，覆蓋面積根據(jù)火焰幾何尺寸和安裝條件設(shè)定，距離火焰外廓面的距離不大于2m；相鄰聲波收發(fā)器的距離根據(jù)被測火焰的火焰結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度設(shè)定，與燃燒器中軸線形成的夾角不大于120°

所述聲波收發(fā)器作為聲波發(fā)射器發(fā)射聲波脈沖，作為接收器檢測穿透過火焰的聲波信號。

所述靜電傳感器陣列的測量位置根據(jù)聲學(xué)傳感器陣列測得的火焰截面特性和測量要求來確定布置位置。

所述水平電極之間、軸向電極之間所間隔弧長所對應(yīng)的圓心角相等；所述曲面金屬網(wǎng)絡(luò)支架采用耐高溫的高強度金屬制成，并具有屏蔽外界電磁干擾的功能；水平電極和軸向電極與金屬網(wǎng)絡(luò)支架之間均使用耐高溫絕緣材料進(jìn)行電氣隔離。

所述水平電極之間的弧長所對應(yīng)的張角根據(jù)被測火焰幾何尺寸和火焰結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度設(shè)定并且小于90°，軸向?qū)挾刃∮谒綄挾鹊?/2；所述軸向電極之間的弧長所對應(yīng)的張角小于90°，軸向?qū)挾戎辽贋樗綄挾鹊?倍。

方法包括：

步驟1、采用靜電和聲學(xué)傳感器陣列同時測量火焰，將測得的靜電信號進(jìn)行時域分析、互相關(guān)分析、hurst指數(shù)分析，得到帶電顆粒的運動速度、顆粒濃度和顆粒運動復(fù)雜度的火焰局部特性；將測得的聲波信號基于逆問題求解算法進(jìn)行碳煙顆粒分布、溫度分布、燃燒速度分布重建，得到碳煙顆粒分布、溫度分布、燃燒速度分布的火焰截面特性；

步驟2、對聲學(xué)傳感器陣列測得的火焰截面特性進(jìn)行分析，分別計算前后兩次測量得到的碳煙顆粒分布、溫度分布、燃燒速度分布的均方根誤差值，根據(jù)分析結(jié)果決定是否需要更換靜電傳感器的測量區(qū)域；若更換測量區(qū)域則將聲學(xué)和靜電傳感器陣列同時布置于該區(qū)域進(jìn)行測量，綜合分析聲學(xué)傳感器測得的火焰截面特性參數(shù)和靜電傳感器陣列測得的局部的特征參數(shù)；

步驟3、將聲學(xué)傳感器測得的火焰截面特征參數(shù)和靜電傳感器陣列測得的火焰局部的特征參數(shù)輸出至顯示設(shè)備進(jìn)行顯示和進(jìn)一步分析，得到火焰燃燒過程中流場的變化情況、火焰反應(yīng)區(qū)域的變化情況，實現(xiàn)對火焰燃燒狀態(tài)的準(zhǔn)確、快速、靈活測量。

本發(fā)明的有益效果在于：

1融合靜電和聲學(xué)傳感器陣列的測量方式，不但可以測得火焰中帶電顆粒動態(tài)特性和火焰中碳煙顆粒分布、溫度分布和燃燒速度分布，還可以實現(xiàn)對火焰燃燒過程中流場變化的測量。

2靜電和聲學(xué)傳感器陣列便于維護(hù)、結(jié)構(gòu)簡單、可以根據(jù)測量要求調(diào)整裝置尺寸、調(diào)整測量的分辨率和裝置結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更加準(zhǔn)確、快速、精密的測量。

3融合靜電和聲學(xué)感器陣列的燃燒器火焰測量裝置可以同時獲取火焰中帶電顆粒的多個動態(tài)特征，有利于對火焰燃燒狀態(tài)進(jìn)行多角度分析，有助于燃燒器系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計。

4靜電傳感器陣列可以實現(xiàn)非侵入式測量，不影響火焰的燃燒特性，同時采用靜電和聲學(xué)傳感器陣列相結(jié)合的測量方式，還可以實現(xiàn)對于火焰截面和局部特性的靈活測量。

附圖說明

圖1為融合靜電和聲學(xué)傳感器陣列的火焰測量示意圖。

圖2為火焰測量方法流程圖。

圖3為火焰與聲學(xué)傳感器陣列的相對位置截面圖。

圖4為聲波收發(fā)器的收發(fā)路徑圖。

圖5為火焰與靜電傳感器陣列的相對位置橫截面圖。

圖6-1～6-3為曲面金屬網(wǎng)絡(luò)支架結(jié)構(gòu)展開圖。

圖7為局部水平電極和軸向電極布置圖。

圖8為融合靜電和聲學(xué)傳感器陣列的燃燒器火焰測量方法。

圖中：1-火焰；2-靜電傳感器陣列；3-聲學(xué)傳感器陣列；4-信號分析單元；5-輸出顯示單元；6-聲波收發(fā)器；7-水平電極；8-軸向電極；9-絕緣材料；10-曲面金屬網(wǎng)絡(luò)支架。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對實施例作詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供一種融合靜電和聲學(xué)傳感器陣列的燃燒器火焰測量裝置，如圖1、2所示，測量裝置由靜電傳感器陣列2、聲學(xué)傳感器陣列3、信號分析單元4、和結(jié)果輸出單元5組成。靜電傳感器陣列2布置于火焰1局部外廓，用于檢測火焰燃燒引起的靜電場變化。聲學(xué)傳感器陣列3布置在火焰1的外圍，用于檢測火焰整個截面燃燒引起的聲波變化。靜電傳感器陣列2和聲學(xué)傳感器陣列3測得的信號分別經(jīng)信號分析單元4進(jìn)行放大、調(diào)理和離散化采集并對測量信號進(jìn)行時域分析、互相關(guān)分析、hurst指數(shù)分析、基于逆問題求解算法對碳煙顆粒分布、溫度分布、燃燒速度分布進(jìn)行重建，最后獲得帶電顆粒的運動速度、顆粒濃度和顆粒運動復(fù)雜度、碳煙顆粒分布、溫度分布、燃燒速度分布特征參數(shù)；結(jié)合靜電傳感陣列2測得的帶電顆粒的速度和聲學(xué)傳感器陣列3測得的燃燒速度分布、碳煙顆粒分布三個參數(shù)進(jìn)行分析，得到火焰燃燒過程中流場的變化情況。結(jié)果輸出單元5將信號分析單元獲得的帶電顆粒的運動速度、顆粒濃度和顆粒運動復(fù)雜度、碳煙顆粒分布、溫度分布、燃燒速度分布特征參數(shù)輸出至顯示設(shè)備進(jìn)行顯示和進(jìn)一步分析。

圖3所示是火焰與聲學(xué)傳感器陣列的相對位置截面圖，所示的聲學(xué)傳感器陣列3共一層，由6個聲波收發(fā)器6組成，6個聲波收發(fā)器所在的平面垂直于燃燒器的中軸線，距離燃燒器端口距離為5cm，聲波發(fā)生器形成的圓形圓心與燃燒器的圓心在豎直方向上重合，半徑為6cm，保證距離火焰1外廓面的距離為1cm，相鄰兩個聲波發(fā)生器的角度為60°。

圖4所示是聲波發(fā)生器的收發(fā)路徑圖，所示的6個聲波收發(fā)器6作為聲波發(fā)射器發(fā)射聲波脈沖，同時作為接收器檢測穿透過火焰的聲波信號，形成如圖4所示的聲波收發(fā)路徑。

圖5所示是靜電傳感器陣列與火焰的相對位置橫截面圖，所示的靜電傳感器陣列2的測量位置根據(jù)聲學(xué)傳感器陣列3測得的火焰截面特性和測量要求來確定布置位置。所示的靜電傳感器陣列2由曲面金屬網(wǎng)絡(luò)支架10、水平電極7、軸向電極8和陶瓷9構(gòu)成。水平電極7和軸向電極8由紫銅制作，分別水平和軸向嵌入式布置在由不銹鋼制作的曲面金屬網(wǎng)絡(luò)支架10上，電極與曲面金屬網(wǎng)絡(luò)支架10之間有陶瓷8進(jìn)行絕緣。

圖6所示是三種不同曲面金屬網(wǎng)絡(luò)支架結(jié)構(gòu)的展開圖，曲面金屬網(wǎng)絡(luò)支架10可根據(jù)測量需要布置成不同的網(wǎng)格形狀，例如圖6-1所示為標(biāo)準(zhǔn)的正方形網(wǎng)格，圖6-2所示為在標(biāo)準(zhǔn)正方形網(wǎng)格中多加入一組軸向電極的網(wǎng)格，圖6-3所示為在標(biāo)準(zhǔn)正方形網(wǎng)格中多加入一組水平電極的網(wǎng)格。

水平電極7張角為25°，軸向?qū)挾葹?mm，各水平電極7尺寸相同。軸向電極8弧長為2mm，軸向?qū)挾扰c水平電極7的弧長幾何尺寸相同，各軸向電極8尺寸相同。曲面金屬網(wǎng)絡(luò)支架10的大小可根據(jù)測量分辨率、火焰空間范圍等進(jìn)行靈活設(shè)置。

圖7所示是局部水平電極和軸向電極布置圖，水平電極7和軸向電極8互相垂直嵌入式布置在曲面金屬網(wǎng)絡(luò)支架10上并與曲面金屬網(wǎng)絡(luò)支架10之間采用耐高溫陶瓷材料9進(jìn)行絕緣。

圖8所示是圖1所示融合靜電和聲學(xué)傳感器陣列的燃燒器火焰測量方法，其測量步驟如下：

步驟1、采用靜電和聲學(xué)傳感器陣列同時測量火焰，將測得的靜電信號進(jìn)行時域分析、互相關(guān)分析、hurst指數(shù)分析，得到帶電顆粒的運動速度、顆粒濃度和顆粒運動復(fù)雜度的火焰局部特性；將測得的聲波信號基于逆問題求解算法進(jìn)行碳煙顆粒分布、溫度分布、燃燒速度分布重建，得到碳煙顆粒分布、溫度分布、燃燒速度分布的火焰截面特性；

步驟2、對聲學(xué)傳感器陣列測得的火焰截面特性進(jìn)行分析，分別計算前后兩次測量得到的碳煙顆粒分布、溫度分布、燃燒速度分布的均方根誤差值，根據(jù)分析結(jié)果決定是否需要更換靜電傳感器的測量區(qū)域。

步驟3、根據(jù)計算得到的碳煙顆粒分布、溫度分布、燃燒速度分布的均方根誤差值來決定是否需要更換靜電傳感器的測量區(qū)域，若更換測量區(qū)域則將聲學(xué)和靜電傳感器陣列同時布置于該區(qū)域進(jìn)行測量，綜合分析聲學(xué)傳感器測得的火焰截面特性參數(shù)和靜電傳感器陣列測得的局部的特征參數(shù)；

步驟4、將聲學(xué)傳感器測得的火焰截面特征參數(shù)和靜電傳感器陣列測得的火焰局部的特征參數(shù)輸出至顯示設(shè)備進(jìn)行顯示和進(jìn)一步分析，得到火焰燃燒過程中流場的變化情況、火焰反應(yīng)區(qū)域的變化情況，實現(xiàn)對火焰燃燒狀態(tài)的準(zhǔn)確、快速、靈活測量。

上述實施例僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。