Способ определения пространственного распределения физических параметров пламени

(51)5 Р Т И 2 ГОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Казанский авиационный институт им. А,Н,Туполева(56) Авторское свидетельство СССР М 1288561, кл. О 01 й 21/64, 1984.Авторское свидетельство СССР М 1204879, кл. Р 23 й 5/08, 1983.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАМЕНИ(57) Использование: измерительная техника для диагностики пламени. Сущность изобретения: направляют электромагнитное излучение и выбранные области пламени на длине волны А 1, принимают иэ этих областей сигнал взаимодействия излучения со средой на длине волны А 2 и по интенсивности принятых сигналов определяют проИзобретение относится к измерительной технике для диагностики пламени.Известен способ определения физических параметров пламени путем облучения его пучком излучения и последующего выделения и регистрации сигнала, обусловленного взаимодействием зондирующего пучка и исследуемой среды.Недостатком способа является низкая точность определения в условиях оптической неоднородности исследуемой среды.Наиболее близким к предлагаемому является способ определения пространственного распределения физических параметров пламени, заключающийся в облучении его пучком излучения, выделения сигнала, обусловлен ного взаимодействием странственное распределение физических параметров. При этом направления зондирования выбирают коллинеарными, направление приема сигналов взаимодействия излучения со средой сохраняют неизменным при зондировании всех выбранных областей, принимают из этих областей сигналы взаимодействия излучения со средой на длине волны Ь в выбранном направлении приема, а также в противоположном ему направлении и определяют пространственное распределение физических парамет ов по алгоритму ри =1 Рп(Л 2) РВ( )/РАрЗ); ГдЕРп - фИ- зический параметр в й-й точке сечения;- коэффициент пропорциональности; Рп(Я 2) - интенсивность принятого сигнала из и- йточки на длине волны (Я 2) РйДз), Рй - интенсивности принятых сигналов из и-й точки на длине волны Мз в прямом и противоположном направлениях, 1 ил. зондирующего пучка и исследуемой среды, и регистрации пространственного распределения этого сигнала. Оптическое излучение просвечивает объект исследования, например, пламя. Результатом взаимодействия излучения и плазмы может быть лазерно-индуцированная флуоресценция, комбинационное рассеяние и т.д., также являющиеся излучением, Выделение сигнала, обусловленного этим взаимодействием, для разных областей пламени позволяет зарегистрировать его пространственное распределение.Недостатком этого способа является низкая точность определения в условиях неоднородности объекта измерений, поскольку неравномерность оптической плот 1726916тр в и-й точ ость измерен третьей длине оположном на а ус ности пламени при зондировании разных точек выбранного сечения непосредственно влияет на результат измерения,Цель изобретения - повышение точности определения пространственного рас пределения физических параметров пламени.Цель достигается тем, что согласно способу определения пространственного распределения физических параметров 10 пламени, заключающемуся в направлении электромагнитного излучения на фиксированной длине волны Л 1 в выбранные области пламени, измерении сигналов взаимодействия излучения со средой на 15 второй длине волны Аг, причем направления электромагнитного излучения выбирают коллинеарными, направления приема измеряемых сигналов взаимодействия излучения со средой сохраняют неизменным 20 для всех выбранных областей пламени, измеряют сигналы взаимодействия излучения со средой на третьей длине волны з в выбранном и противоположном направлениях и пространственное распределение физи ческих параметров пламени определяют по формулеР =-Р (Й) РТЬ)/Р" Ъ где Д - физический парамеке сечения; . - коэффициент пропорциональности; Р( Я 2 ) - интенсивность измеренного сигнала из и-й точки на второй длине волны Л 2;35Рд(ЛЗ), РР(Лз)- интенсивн ных сигналов из и-й точки на волны Яз в прямом и против правлениях.На чертеже изображена блок-схем - 40 тройства, реализующего способ.Устройство содержит блок 1 управления, излучатель 2 с источником накачки, систему 3 сканирования луча, включающую в себя поворотное зеркало 4, шаговый двига тель 5 и линзу 6, исследуемый объект 7, расположенные на одной прямой приемные объективы 8 и 14, расщепитель 9 пучка, селективный элемент 10 на длину волны А 2, излучения, обусловленного полезным эф фектом взаимодействия зондирующего пучка и объекта исследования, селективные элементы 12 и 15 на длину волны Мз другого взаимодействия, фотоприемные устройства 11, 13, 16 с блоками предварительной обра ботки, вычислитель 17.Излучатель 2 электрически соединен с блоком 1 управления и оптически связан с системой 3 сканирования, которая осуществляет просвечивание исследуемого объекта 7 в заданных направлениях. Поворотное зеркало 4 установлено в фокальной плоскости линзы 6 так, что при вращении зеркала 4 объект 7 облучается параллельными пучками, образующими неизменный угол ус общей оптической осью объективов 8 и 14.Приемные объективы 8 и 14 расположены на одной оптической оси, вдоль которой измеряется пространственное распределение физического параметра, например концентрации молекул, объекта 7.Фотоприемники 11 и 13 и селективные элементы 10 и 12 оптически связаны с расщепителем 9 пучка излучения, прошедшего объектив 8. Фотоприемник 16 и селективный элемент 15 расположены на оптической оси объектива 14. Блок 1 управления соединен с входами излучателя 2 с источником накачки, шагового двигателя 5, фотоприемников 11, 13 и 16 и вычислителя 17, Выходы фотоприемников 11, 13 и 16 связаны с другими входами вычислителя 17.Способ осуществляют с помощью устройства следующим образом,Блок 1 управления запускает лазер 2 с источником накачки, импульс излучения с длиной волны А 1 которого, пройдя сканирующую систему 3, направляется на подлежащую исследованию область 7 пламени. При этом вращающееся зеркало 4, предварительно установленное шаговым двигателем 5 по сигналу с блока 1 управления в необходимое угловое положение, направляет луч с помощью линзы 6 в заданную точку М 1 пламени. При взаимодействии излучения с плазмой могут иметь место явления лазерно-индуцированной флуоресценции, комбинационного рассеяния и другие, Результат взаимодействия несет в себе информацию о таких параметрах пламени, как концентрация частиц, и их скорость, давление и т,д., также является излучением. Часть этого излучения собирается объективом 8 и, пройдя расщепитель 9 пучка (например, полупрозрачную пластину), выделяется селективным элементом 10 (интерференционным фильтром или монохроматором) на длине волны А 2 и регистрируется фотоприемным устройм 11 с блоками предварительной обра- .ботки.Одновременно с этим на фотоприемно устройство 13 через расщепитель 9 пучка и селективный элемент 12, а также на фото приемное устройство 16 через объектив 14 и селективный элемент 15 поступают сигна лы взаимодействия излучения со средой н длине волны Яз . Сигналы с выходов фото приемных устройств 11, 13 и 16, включаю щих в себя блоки предварительной (кромалгоритмической ) обработки, подаются навычислитель 17 для определения искомойхарактеристики в точке М 1 объекта исследования.После этого по сигналу с блока 1 шаговый двигатель 5 поворачивает вращающеесязеркало 4 на необходимый угол и луч лазера,пройдя линзу 6, направляется параллельнопервому лучу в новую точку исследуемойобласти пламени, например в точку Мг. Затем зеркало 4 поворачивается вновь и лучнаправлен в точку Мз и т.д. В результатеснимается пространственное распределение физического параметра (например, концентрации каких-либо молекул) повыбранному сечению пламени,Изобретение можно проиллюстрировать следующими примерами, в которых использован принцип комбинационногорассеяния (КР); зондирующий лазер - аргоновый; Л 1 = 0,5145 мкм, молекулы с близкими комбинационными сдвигами - СО(комбинационный сдвиг - 2145 см 1, Лкр=0,5713 кмк) и Мг (комбинационный сдвиг -2331 см, Лкр = 0,5762 мкм); другая возможная пара молекул: Я 02 (комбинационный сдвиг - 1151 см, Лир = 0,5450 мкм и820 (комбинационный сдвиг - 1290 смЛкр = 0,5486 мкм),Оценим выигрыш в точности измеренийпо предлагаемому способу на примере использования эффекта комбинационногорассеяния, Пусть концентрация измеряемых молекул в точках М 1, М 2, Мз, а значит ипараметры Р 1 АВз, относятся как 1,1;1,Предположим, что излучение ослабляетсясредой, и прозрачность среды Т междуточками М 1 и Мг, а также между точкамиМ 2 и Мз одинакова и равна, например,0,8:Т (М 1 М 2) = Т (М 2 Мз ) = 0,8, Ослаблениеизлучения на пути М 1 А и МзВ (соответственно Т(М 1 А) и Т(МзВ учитывать не будем, таккак при измерении относительного профиляпространственного распределения Т(М 1 А) иТ (МзВ) сокращаются.Без учета аппаратурных и геометрических констант, влияние которых легкоучесть, сигнал комбинационного рассеяния(КР) на Л=Л 2 от точки М 1 в направленииточки АР 1(Л 2) = 1АналогичноРг(Л 2 ) = 1 Т (М 1 М 2)=1 0,8=0,8и Рз(Л 2) = 1 Т (М 1 М 2) Т (М 2 Мз)=0,64.Относительный профиль распределения концентрации молекул, полученный потрадиционной методике, повторяет распределение принятых сигналов РпР 1 рг фа= Р 1(Лг):Р 2(Л 2 ):Рфг )=1;0,8:0,64, горитму МЕРЕННОГОЛИНЕ ВОЛНЫ Как видно, это распределение сил о искажено по сравнению с исходно заданным 111,Согласно предлагаемому способу из меряются и сигналы комбинационного рассеяния на длине волны Лз от тех же точек М 1, М 2,.Мз в направлениях А (прямом) и В (обратном):Р 1"Лз 1: 10 Р 1 (ЛЗ )=1 Т(М 1 М 2) Т(М 2 МЗ)= 0,64Р 2 (Л 1 1=1 ТММ 2 Н),8; Рзз) =1 Т(ОЗзМз) =0,8 Рз (Лз )=1 Т(М 1 М 2) Т(М 2 МЗ)=0,64;РЗ ( ЛЗ)=1 Согласно предлож нн м ал Р. =Р.(Л 2) Р. (Лз)/Р. (Лз) Поэтому Р 1 82: 3=1 з,84/1: 0,8 з/О,В/8,8:0,64 1/0,64 =1: 1: 1 .Таким образом, исходное распределение восстановлено правильно, Предлагаемый способ определения пространственного распределения физическо го параметра устраняет погрешность традиционных методов, связанную с ослаблением излучения в исследуемой среде, Формула изобретения Способ определения пространственного распределения физических параметров пламени путем направления электромагнитного излучения с фиксированной длиной волны в выбранные области пламени, измерения сигналов взаимодействия излучения со средой нд второй длине Волны, О т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности определения, направления электромагнитного излучения выбирают коллинеарными, направления приема измеряемых сигналов взаимодействия излучения со средой сохраняют неизменными для всех выбранных областей пламени, измеряют сигналы взаимодействия излучения со средой на третьей длине волны в выбранном и противо положном направлениях и пространственное распределение физических параметров пламени определяют по ФоомчлеР -Р (Л) Р(ЛзФ (Лз)где 3 п - физический параметр в и-й точке сечения пламени;- коэффициент пропорциональности; Рп( Лг) - интенсивность измеренного сигнала из и-й точки на второй длине волны Л 2; 55 Рп (Лз ) - интенсивность изА сигнала из и-й точки на третьей д Лз в прямом направлении;Рп (Лз ) - интенсивность измеренного сигнала из п-й точки на третьей длине волны Лз в противоположном направлении.1726916 Редактор С.Лиси Корректор С,Черн при ГКНТ СССР твенно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 роизв Заказ 1269 ВНИИПИ Гос Составитель Р.Агиш Техред М,Моргентал Тираж Подписноерственного комитета по изобретениям и откры 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5