(19)国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 20212314526 5.5 (22)申请日 2021.12.14 (73)专利权人 天津大学 地址 300072 天津市南 开区卫津路9 2号 (72)发明人 王潜龙　李朝民　李振　刘海峰　 郑尊清　尧命发　 (74)专利代理 机构 武汉华旭知识产权事务所 42214 专利代理师 江钊芳 (51)Int.Cl. G01D 21/02(2006.01) (54)实用新型名称 一种同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数 的系统 (57)摘要 本实用新型涉及一种同时测量碳烟颗粒物 温度及体积分数的系统， 设有燃烧器装置和光 路。 本系统有两种结构： 第一种结构为电源开关 与LED点光源连接， 光源后顺序设复眼透镜、 两凸 面相对安装的平凸透镜、 滤波片、 棱镜相机和计 算机； 电源开关打开LED点光源产生光束； 两平凸 透镜中的第一平凸透镜将复眼透镜均匀化的光 束整为平行准直光束， 第二平凸透镜将准直光束 整为收缩光束通过滤波片打到相机镜头上， 棱镜 相机用于拍摄图片； 所述燃烧器装置设在两平凸 透镜之间。 第二种结构为电源开关后顺序连接 LED面光源， 滤波片、 棱镜相机和计算机； 所述燃 烧器装置设在面光源与滤波片之间。 本系统结构 简单成本低， 可用于同时测量碳烟颗粒物温度及 体积分数。 权利要求书1页 说明书6页 附图1页 CN 216524101 U 2022.05.13 CN 216524101 U 1.一种同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统， 设有燃烧器装置和光路， 燃烧器 装置为层流扩散 燃烧器装置或旋流燃烧器装置； 其特 征在于： 所述的层流扩散燃烧器装置设有层流扩散燃烧器、 点火器、 燃气与空气的气路； 同样旋 流燃烧器装置 设有旋流燃烧器、 点火器、 燃气与空气的气路； 层流扩散燃烧器或旋流燃烧器 用于提供燃烧温度场和碳烟浓度场； 所述的光路基于LED光源， 设有电源开关， LED点光源或LED面光源， 复眼透镜， 两个平凸 透镜， 滤波片和计算机； 电源开关用于打开 LED点光源或LED面 光源； 所述的测量系统有两种结构： 第一种结构为所述的电源开关与LED点光源连接， LED点 光源后面顺序设置复眼透镜、 两个凸面相对安装的平凸透镜、 中性密度滤波片、 棱镜相机和 计算机； 所述的LED点光源用于在电源开关打开后产生光束； 复眼透镜用于使光束均匀化及 扩散； 两个平凸透镜中的第一平凸透镜用于将均匀 化的光束整形为平行 的准直光束、 第二 平凸透镜用于将准直光束整形为收缩光束； 所述的收缩光束通过中性密度滤波片打到棱镜 相机镜头上， 计算机用于控制棱镜相机拍摄、 记录下图片及数据计算和处理； 所述的层流扩 散燃烧器或旋流燃烧器设置在两个平凸透 镜之间； 第二种结构为所述的电源开关与 LED面光源连接， 在LED面光源后面顺序设置有中性密 度滤波片、 棱镜相机和计算机； 所述的层流扩散燃烧器或旋流燃烧器设置在LED面光源与中 性密度滤波片之间。 2.根据权利要求1所述的同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统， 其特征在于： 所 述LED点光源或LED面光源、 复眼透镜、 两平凸透镜、 中性密度滤波片和棱镜相机镜头的中心 高度处于同一高度， 为层流扩散 燃烧器或旋流燃烧器上火焰中心高度。 3.根据权利要求1所述的同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统， 其特征在于： 所 述第一种结构的测量系统中复眼透镜与第一平凸透镜的安装距离为第一平凸透镜焦距； 第 一平凸透镜与第二平凸透镜之间为平行光， 安装距离为依需要任意调整； 第二平凸透镜与 中性密度滤波片的安装距离为第二平凸透镜焦距； 安装距离总体需按棱镜相机中火焰成像 位于LED点 光源的光圈中央以及成像清晰度进行微调。 4.根据权利要求1所述的同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统， 其特征在于： 所 述第二种结构的测量系统中LED面光源与中性密度滤波片的安装距离按拍摄时选用的棱镜 相机镜头焦距设定， 同时以火焰成像位于LED面 光源的光圈中央， 且成像清晰度进行微调。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 216524101 U 2一种同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的 系统 技术领域 [0001]本实用新型涉及一种同时测量碳烟颗粒物温度及体积分数的系统， 具体地说是一 种基于LED光源可同时测量 碳烟颗粒物温度及体积分数的系统。 背景技术 [0002]碳烟(又称 碳黑， Soot)颗粒物 是雾霾以及PM2.5形成的重要基础之一， 它广泛来源 于各种动力设备， 比如： 工作中的内燃机、 燃气轮机和航空发动机等燃料的未完全燃烧。 碳 烟的生成亦对燃烧设备造成损害， 比如， 燃气轮机中碳烟辐 射导致的涡轮结构受热不均而 造成热损伤， 而且碳烟颗粒还容易携带一些有毒物质， 增强大气中有害病菌活性， 对人体和 环境有较大的危害。 [0003]对燃烧场中的碳烟颗粒物温度以及体积分数进行测量可助于进一步理解碳烟特 性， 进而有效控制碳烟颗粒物的产生， 为降耗减排放等做出贡献。 目前国际上针对燃烧场中 碳烟颗粒物已经发展了多种诊断技术。 大致分为两类， 侵入式诊断方法以及非侵入式光学 诊断方法。 如今， 较为常见且实用的侵入式方法包括细丝热电偶测温法和电低压冲击器颗 粒分析， 但是侵入式的诊断方法容易破坏火焰结构， 影响碳烟颗粒物的测量； 非侵入式诊断 方法， 多为光学诊断方法， 具有超高的时间空间分辨能力， 例如双色法、 消 光法和可调谐二 极管激光吸收光谱法。 传统使用消 光法与双色法结合的方法 同时测量碳烟温度和浓度， 但 是实验精度较低， 且实验光路和实验过程复杂， 不利于开展。 其中双色法较于三色法测温精 度低， 计算中发射系数采用与波长相关 的函数模型， 误差较大， 而且一般CCD相机或者CMOS 相机没有分别调节红光、 绿光、 蓝光曝光时间的功能， 处理得到的双色比值信噪比低， 对于 实验精度影响较大。 传统消光法实验光路复杂， 建立碳烟浓度场没有考虑 背景影响， 对实验 精度有一定影响。 [0004]因此， 本领域亟待提出一种新的简易测量光路， 可结合消光法和三色法的实现碳 烟颗粒物温度及体积分数的同时准确 测量， 且系统光路简单， 光源成本低， 测量精度更高。 发明内容 [0005]本实用新型的目的是要解决现有技术存在的问题， 而提供一种具有成本低， 测量 精度高， 基于LED光源和简单的光路， 通过结合消光法和三色法可同时测量碳烟颗粒物温度 及体积分数的系统。 [0006]为达到上述目的， 本实用新型采用的技术方案是： 提供一种同时测量碳烟颗粒物 温度及体积分数 的系统， 设有燃烧器装置和光路， 燃烧器装置为层流扩散燃烧器装置或旋 流燃烧器装置； [0007]所述的层流扩散燃烧器装置设有层流扩散燃烧器、 点火器、 燃气与空气的气路； 同 样旋流燃烧器装置设有旋流燃烧器、 点火器、 燃气与空气的气路； 层流扩散燃烧器或旋流燃 烧器用于提供燃烧温度场和碳烟浓度场； [0008]所述的光路基于LED光源， 设有电源开关， LED点光源或LED 面光源， 复眼透镜， 两个说　明　书 1/6 页 3 CN 216524101 U 3