融合靜電和聲學傳感器陣列的燃燒器火焰測量裝置和方法與流程

本發明屬于火焰監測技術領域，尤其涉及一種融合靜電和聲學傳感器陣列的燃燒器火焰測量裝置和方法。

背景技術：

燃燒爐內火焰狀態的準確檢測有利于提高工業生產過程的安全性和生產效率。燃燒火焰的特性主要包含有熱輻射特性、電離特性、導電特性、聲輻射特性、色度分布特性、靜電特性等。基于火焰的這些特性，一般采用光學、光電、溫度和超聲等測量裝置來獲取火焰燃燒產生的效應或判知火焰的存在與否，并對相應的火焰特性參數進行分析，以實現火焰燃燒的自動化監控。現有的火焰檢測方法，一般是通過測量火焰的宏觀幾何參數火焰位置、尺寸、張角、重心、著火點等、亮度參數、溫度場分布和閃爍頻率來實現對火焰的監測和分析，這樣的檢測方法既無法對火焰導電能力、火焰電荷分布等火焰電學特性進行精細測量，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行精細測量，除此之外還缺乏對火焰帶電顆粒運動狀態、火焰燃燒過程中流場變化情況和火焰局部燃燒反應狀態細節的精確測量。

基于靜電感應原理測量火焰的方法主要有離子探針法，首先，有學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，在此基礎上又有學者采用結構改良后的離子探針測量工業鍋爐內部火焰燃燒區位置和反應區位移速度；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，無法實現對火焰電學特性更全面的測量。

技術實現要素：

為了實現對火焰電學特性更全面的測量，本發明提供一種融合靜電和聲學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、聲學傳感器陣列、信號分析單元和結果輸出單元；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絡支架構成；曲面金屬網絡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；所述聲學傳感器陣列由布置于火焰外圍的聲波收發器構成，聲波收發器布置至少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特性信息輸出到結果輸出單元。

所述信號分析單元將靜電傳感器陣列和聲學傳感器陣列測得的信號分別進行放大、調理和離散化采集并對測量信號進行時域分析、互相關分析、hurst指數分析，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雜度、碳煙顆粒分布、溫度分布、燃燒速度分布特征參數；結合靜電傳感陣列測得的帶電顆粒的速度和聲學傳感器陣列測得的燃燒速度分布、碳煙顆粒分布三個參數進行分析，得到火焰燃燒過程中流場的變化情況。

所述聲波收發器所在的平面垂直于燃燒器的中軸線，覆蓋面積根據火焰幾何尺寸和安裝條件設定，距離火焰外廓面的距離不大于2m；相鄰聲波收發器的距離根據被測火焰的火焰結構復雜程度設定，與燃燒器中軸線形成的夾角不大于120°

所述聲波收發器作為聲波發射器發射聲波脈沖，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聲學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的圓心角相等；所述曲面金屬網絡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絡支架之間均使用耐高溫絕緣材料進行電氣隔離。

所述水平電極之間的弧長所對應的張角根據被測火焰幾何尺寸和火焰結構復雜程度設定并且小于90°，軸向寬度小于水平寬度的1/2；所述軸向電極之間的弧長所對應的張角小于90°，軸向寬度至少為水平寬度的2倍。

方法包括：

步驟1、采用靜電和聲學傳感器陣列同時測量火焰，將測得的靜電信號進行時域分析、互相關分析、hurst指數分析，得到帶電顆粒的運動速度、顆粒濃度和顆粒運動復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、對聲學傳感器陣列測得的火焰截面特性進行分析，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，根據分析結果決定是否需要更換靜電傳感器的測量區域；若更換測量區域則將聲學和靜電傳感器陣列同時布置于該區域進行測量，綜合分析聲學傳感器測得的火焰截面特性參數和靜電傳感器陣列測得的局部的特征參數；

步驟3、將聲學傳感器測得的火焰截面特征參數和靜電傳感器陣列測得的火焰局部的特征參數輸出至顯示設備進行顯示和進一步分析，得到火焰燃燒過程中流場的變化情況、火焰反應區域的變化情況，實現對火焰燃燒狀態的準確、快速、靈活測量。

本發明的有益效果在于：

1融合靜電和聲學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，還可以實現對火焰燃燒過程中流場變化的測量。

2靜電和聲學傳感器陣列便于維護、結構簡單、可以根據測量要求調整裝置尺寸、調整測量的分辨率和裝置結構，實現更加準確、快速、精密的測量。

3融合靜電和聲學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特征，有利于對火焰燃燒狀態進行多角度分析，有助于燃燒器系統和相關設備的優化設計。

4靜電傳感器陣列可以實現非侵入式測量，不影響火焰的燃燒特性，同時采用靜電和聲學傳感器陣列相結合的測量方式，還可以實現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為火焰與聲學傳感器陣列的相對位置截面圖。

圖4為聲波收發器的收發路徑圖。

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為曲面金屬網絡支架結構展開圖。

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-聲學傳感器陣列；4-信號分析單元；5-輸出顯示單元；6-聲波收發器；7-水平電極；8-軸向電極；9-絕緣材料；10-曲面金屬網絡支架。

具體實施方式

下面結合附圖，對實施例作詳細說明。

本發明提供一種融合靜電和聲學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、聲學傳感器陣列3、信號分析單元4、和結果輸出單元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和聲學傳感器陣列3測得的信號分別經信號分析單元4進行放大、調理和離散化采集并對測量信號進行時域分析、互相關分析、hurst指數分析、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雜度、碳煙顆粒分布、溫度分布、燃燒速度分布特征參數；結合靜電傳感陣列2測得的帶電顆粒的速度和聲學傳感器陣列3測得的燃燒速度分布、碳煙顆粒分布三個參數進行分析，得到火焰燃燒過程中流場的變化情況。結果輸出單元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雜度、碳煙顆粒分布、溫度分布、燃燒速度分布特征參數輸出至顯示設備進行顯示和進一步分析。

圖3所示是火焰與聲學傳感器陣列的相對位置截面圖，所示的聲學傳感器陣列3共一層，由6個聲波收發器6組成，6個聲波收發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，相鄰兩個聲波發生器的角度為60°。

圖4所示是聲波發生器的收發路徑圖，所示的6個聲波收發器6作為聲波發射器發射聲波脈沖，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的測量位置根據聲學傳感器陣列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由曲面金屬網絡支架10、水平電極7、軸向電極8和陶瓷9構成。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絡支架10上，電極與曲面金屬網絡支架10之間有陶瓷8進行絕緣。

圖6所示是三種不同曲面金屬網絡支架結構的展開圖，曲面金屬網絡支架10可根據測量需要布置成不同的網格形狀，例如圖6-1所示為標準的正方形網格，圖6-2所示為在標準正方形網格中多加入一組軸向電極的網格，圖6-3所示為在標準正方形網格中多加入一組水平電極的網格。

水平電極7張角為25°，軸向寬度為2mm，各水平電極7尺寸相同。軸向電極8弧長為2mm，軸向寬度與水平電極7的弧長幾何尺寸相同，各軸向電極8尺寸相同。曲面金屬網絡支架10的大小可根據測量分辨率、火焰空間范圍等進行靈活設置。

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絡支架10上并與曲面金屬網絡支架10之間采用耐高溫陶瓷材料9進行絕緣。

圖8所示是圖1所示融合靜電和聲學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、采用靜電和聲學傳感器陣列同時測量火焰，將測得的靜電信號進行時域分析、互相關分析、hurst指數分析，得到帶電顆粒的運動速度、顆粒濃度和顆粒運動復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、對聲學傳感器陣列測得的火焰截面特性進行分析，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，根據分析結果決定是否需要更換靜電傳感器的測量區域。

步驟3、根據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域，若更換測量區域則將聲學和靜電傳感器陣列同時布置于該區域進行測量，綜合分析聲學傳感器測得的火焰截面特性參數和靜電傳感器陣列測得的局部的特征參數；

步驟4、將聲學傳感器測得的火焰截面特征參數和靜電傳感器陣列測得的火焰局部的特征參數輸出至顯示設備進行顯示和進一步分析，得到火焰燃燒過程中流場的變化情況、火焰反應區域的變化情況，實現對火焰燃燒狀態的準確、快速、靈活測量。

上述實施例僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。