主被动协同火焰多参数检测系统设计及应用

常 珂，李 蜜，刘 蒙，贾 芳，罗自学，程 强

（1.华中科技大学能源与动力工程学院，武汉 430074；2.深圳大学材料学院，广东深圳 518060）

0 引言

燃烧火焰介质温度是燃烧过程中与火焰热辐射特性密切相关的重要参数，火焰温度和颗粒物浓度相互作用加大了燃烧检测的难度［1］。目前，在燃烧检测方面有多种测量技术可实现对燃烧火焰参数的检测［2］，热电偶测温技术是一种常见的接触式测温方式，通常用于火焰温度重建研究中检测结果的对比验证［3］。相比接触式火焰检测，非接触式检测可以在不入侵被测火焰的情况下得到物体表面参数信息［4］。其中，非接触主动式检测技术将激光、声波等信号作为介质，检测火焰自身与外部耦合信息［5］，实现火焰介质透射比、温度等参数的检测［6］。为了提高检测结果的空间分辨率，主动式检测技术往往需要外加多个探测器和信号源，这也导致了检测难度的加大以及测量成本的提高［7］。相比之下，非接触被动式检测技术避免了多探测器的使用［8］，仅通过火焰图像就可得到辐射强度信息，实现燃烧火焰多参数场的检测与重建，但被动式检测会产生由燃烧火焰自身影响而导致的检测精度误差［9］。因此，主被动协同检测技术有望弥补主、被动测量各自存在的不足，充分发挥主、被动检测的各自优势，在提高检测准确性的同时获得更为丰富的燃烧参数信息。

基于能源动力学科实验教学需求，设计了一套主被动协同检测火焰多参数场系统。通过主动式激光消光技术获得火焰介质线性吸收系数与透射比，然后借助被动式成像系统采集火焰燃烧图像并对图像进行处理，将火焰自发辐射强度信息与线性吸收系数相关联。最后，将求解的碳氢火焰温度与热电偶测温结果进行比对，验证该检测系统的可行性。

1 主被动协同检测原理

1.1 主动式火焰参数检测

通常采用比尔定律［10］描述火焰辐射强度沿传递行程衰减的规律，即：

式中：Iλ（L，s）为s方向上L点处的光谱辐射强度，其中λ为光谱波长；Iλ（0，s）为s方向上0 点处的光谱辐射强度；Ls为s方向上0 点和L点之间的距离；μe，λ为线性衰减系数，由两部分组成，μe，λ＝a＋σ，其中a为线性吸收系数，σ为散射系数。

激光消光法作为一种外加光源的主动式检测方法，检测时选用远高于火焰介质辐射能量的光束穿过火焰，使得在该辐射传递射线方向上火焰自发辐射及散射产生的能量相对光束能量而言可以忽略不计，此时可认为衰减系数与线性吸收系数相等。穿透火焰介质的能量与初始投射能量之比为火焰介质的光谱透射比，等温均匀介质的光谱透射比

由此，可通过激光与火焰传递路线上的辐射强度和透射比变化建立线性吸收系数的表达式，如下所示：

同时，根据Mie理论［11］的Rayleigh 极限可求得火焰中烟黑体积分数

式中：E（m）为烟黑复折射率m的函数值，通常在可见光波段内m＝1.57－0.56i［12］。

1.2 被动式火焰参数检测

基于火焰图像的被动式检测技术可以在不接触火焰对象的前提下通过电荷耦合（CCD）相机采集火焰图像，并将采集到的图像转化为火焰自发辐射强度的灰度图像，通过灰度值反映辐射强度信息。由普朗克定律可将火焰辐射强度表示为

式中：T为温度；I（λ，T）为给定波长和温度的单色辐射强度；Ib（λ，T）为对应的单色黑体辐射强度；ελ为对应的介质发射率；c1和c2分别为普朗克第一和第二辐射常量，c1＝374.18 aW·m2，c2＝1.438 8 cm·K。碳氢燃料燃烧火焰的温度范围是800～2 000 K，波长范围是300～1 000 nm，在此范围内exp（c2／λT）≫1，因此普朗克定律可由维恩定律替代［13］，表达式如下所示：

通过被动式图像采集得到从同位置同方向发出的2 个不同波长单色辐射强度I（λ，T）和I（λ ＋Δλ，T），由此得到的火焰温度

当采用CCD相机进行检测时，可将对应像素点的R、G两波长通道的辐射强度直接用于计算，由此得到比色温度［14］。

1.3 协同检测工作原理

图1 为主被动协同检测流程。本系统在外加激光时为主动式检测，通过激光消光实现火焰温度和辐射特性参数的解耦，检测得到火焰透射比并进一步求解介质的线性吸收系数；本系统在没有外加激光时为被动式检测，图像系统检测得到的高分辨率火焰边界辐射强度由火焰自发辐射产生，当火焰的线性吸收系数和边界辐射强度均已知时，通过辐射传递方程可得到火焰介质温度分布。

图1 主被动协同检测流程

以某一高度火焰截面为例，空间介质区域划分为n个单元，CCD 相机对应行离散为m个像素单元，则CCD相机靶面像素单元接收到的单色辐射强度与火焰介质单元的单色黑体辐射强度之间的矩阵关联方程为

式中：Iλ，CCD表示CCD 相机靶面各像素单元接收到的单色辐射强度，Iλ，CCD＝（Iλ，CCD（1），…，Iλ，CCD（j），…，Iλ，CCD（m））T；Ibλ表示该高度下火焰空间介质单元的单色黑体辐射强度，与该网格单元的温度T相关，Ibλ＝（Ibλ（1），…，Ibλ（i），…，Ibλ（n））T；Aλ表示系数矩阵，可由目标对象辐射特性参数确定。

2 协同检测系统设计

2.1 碳氢燃料燃烧平台

系统设计过程中选用乙烯（C2H4）为燃料搭建扩散火焰燃烧实验平台，燃烧平台主要由燃烧器、流量计调控系统、燃料及氧化剂供给系统三部分组成。燃烧器选用Gülder同轴伴流扩散燃烧器，此燃烧器中心燃料进口直径为10.9 mm，伴流气通过直径为100 mm的圆环形通道裹挟燃料气体。图2（a）、（b）分别为燃烧器实物图和结构示意图。伴流气在燃烧器内部经过多层玻璃珠与多孔滤板后从出口流出，充分保证了伴流气出口的稳定性以及伴流气混合的均匀性。

图2 Gülder燃烧器

实验过程中C2H4通过高压气瓶减压后经气体流量计送入燃烧器燃料进口，流量计采用Sevenstar D07系列气体流量控制器。伴流氧化剂由空气（air）和氧气（O2）的混合气组成，通过调节氧气和空气的体积分数实现多工况富氧检测。实验工况如表1 所示。

表1 实验工况

2.2 主被动协同火焰图像检测系统

主被动协同火焰图像检测系统（见图3）主要由透射比原位检测装置组成，包含He-Ne 激光器、CCD 相机、激光扩束器、可调光阑和中性衰减片等部件。

选用DH-HN250P 型He-Ne 激光器激光光源，激光波长为632.8 nm，光束直径为0.7 mm，输出功率≥2 mW。原始激光经过激光扩束器放大后输出平行光斑照射C2H4扩散火焰，扩束器起到放大光斑的作用，放大倍数为20，放大后光斑直径约为15 mm，可将同一视角范围内C2H4火焰完全覆盖。由于激光光强远高于火焰自身辐射强度，为了保证CCD相机接收到的辐射强度不超过相机自身响应范围，在CCD相机镜头前侧配置波段400～700 nm 的中性衰减片，以等比例地削减激光和C2H4火焰的辐射强度。测量系统中所用相机为CV-M9 CL型彩色CCD相机，成像分辨率为1 024 ×768，可分别输出R、G 和B 的3 个通道信息。平行光斑穿透火焰后经过中性衰减片由CCD 相机采集激光火焰图像，得到辐射强度信息。

检测过程中C2H4扩散火焰的长度较大，激光光斑无法覆盖火焰全貌，一次拍摄只能覆盖火焰的部分区域。因此，检测过程中透射比原位检测系统保持不动，通过电动升降台依次调节燃烧器的高度从而调整激光穿过火焰的位置，每调整一次高度进行一次拍摄，保持每次升降高度相同，通过C2H4火焰的相对运动实现激光光斑穿透C2H4火焰全貌的透射比测量。同样，在没有外加激光时保持火焰和相机的距离不变，通过CCD相机直接拍摄火焰可以得到火焰在R、G 和B的3 个通道单色辐射强度分布信息。检测系统的标定工作在DY-HT4 型黑体炉上展开［15］，标定温度范围选择800～1 400 ℃。

3 实验教学应用

3.1 主动式激光消光检测

检测前对实验光路进行确认，调整光源位置和高度使激光光路保持水平，调整激光扩束器、可调光阑、中性衰减片和CCD 相机镜头至同一平面的同一高度以得到完整均匀的圆形光斑。检测过程中依次拍摄以下4 幅图像用于火焰透射比计算：激光穿过火焰的光斑图像、遮挡火焰仅激光的参考光斑图像、遮挡激光仅火焰的背景图像、遮挡激光和火焰的背景图像。为了得到更为精确的结果，在计算透射比时扣除相机底噪的影响，计算方法如下所示：

式中：τ为火焰介质透射比；g（R1）和g（R0）分别为激光穿过火焰的光斑图像R1和参考光斑图像R0在R通道的灰度值；g（D1）和g（D0）分别为火焰背景图像D1和暗背景图像D0在R通道的灰度值。拍摄过程中为了保证相机靠近火焰介质，每幅图像拍摄的火焰高度为10 mm，最终拼接得到整幅图像透射比。图4 为不同O2体积分数下C2H4火焰透射比。随着O2体积分数升高，C2H4火焰透射能力逐渐降低，说明O2体积分数升高火焰整体吸收能力增强。在高度方向上，从燃烧器出口火焰根部到火焰顶部，火焰透射比先降低后升高，在接近火焰末端的腹部区域透射比最低。

图4 不同O2 体积分数下C2H4 火焰透射比

为了直观地描述C2H4层流扩散火焰不同区域的吸收能力，得到火焰透射比二维分布后，可重建得到不同O2体积分数下火焰介质任意位置的线性吸收系数。图5 给出了21%O2体积分数下不同高度处线性吸收系数分布。可以看出，不同高度处C2H4火焰线性吸收系数均呈现先升高后降低的趋势。随着高度的增加，轴心处火焰介质线性吸收系数逐渐升高，并且径向线性吸收系数升高速率增加。通过火焰介质线性吸收系数可以进一步求得火焰介质中烟黑体积分数分布，图6 给出了烟黑体积分数检测结果与文献对比结果［15］。从图6 可以看出，不同高度下烟黑体积分数检测结果与文献结果具有相同的变化趋势，在10 mm高度下两者的峰值接近，但峰值位置存在部分偏差，这可能是由较低高度处火焰直径范围较宽所导致的；在30 mm高度下本系统所得烟黑体积分数检测结果与文献结果吻合良好。

图5 21%O2 体积分数下C2H4 火焰线性吸收系数分布

图6 烟黑体积分数检测结果与文献结果［15］对比

3.2 被动式图像采集

在关闭激光器撤去衰减片后，该系统通过CCD相机完成被动式测量，图7 为CCD相机拍摄得到的不同O2体积分数下C2H4火焰图像。从图7 可以看出，C2H4火焰腹部亮度最高，火焰根部和尾部亮度较低，并且火焰直径从火焰根部向上逐渐减小。随着O2体积分数升高，C2H4火焰高度逐渐降低。根据CCD 相机几何标定可得到像素与实际尺寸关系，3 个工况下对应的火焰高度依次为96 mm、85 mm和65 mm。

图7 不同O2 体积分数下C2H4 火焰图像

通过提取CCD相机拍摄的不同通道单色灰度火焰图像，由相机辐射强度标定曲线可分别计算得到21%、25%和30%O2体积分数下的单色辐射强度。R通道下单色辐射强度分布如图8 所示。火焰单色辐射强度沿径向从轴心到火焰外围总体呈现先增强后减弱的趋势，沿轴线从燃烧器出口到火焰末端辐射强度先增后减。21%、25%和30%O2体积分数下火焰单色辐射强度最大的高度区域分别为40～50 mm、30～40 mm和20～30 mm。

图8 R通道C2H4 火焰辐射强度分布

在得到R和G 2 个通道的火焰单色辐射强度后，通过图像比色法可计算得到21%、25%和30%O2体积分数下的火焰温度图像，如图9 所示。随着燃烧工况O2体积分数增加，燃烧火焰整体温度呈现升高趋势，燃烧器出口处低温区面积减少，说明O2体积分数的升高使得火焰根部升温速度加快，着火距离变短。

图9 比色法计算得到的火焰温度分布

3.3 主被动协同温度检测与对比

主被动协同检测系统联合被动式图像检测可得到火焰的单色辐射强度分布，联合主动式激光消光检测可得到火焰的介质线性吸收系数，实现火焰温度的联合检测。将单色辐射强度和线性吸收系数矩阵联立得到火焰网格单元单色黑体辐射强度分布，然后通过普朗克定律得到火焰的温度分布。由图10 可以看出，从火焰轴心沿半径向外，温度呈现先升高后降低的趋势，具有与线性吸收系数相似的分布特征，但温度的峰值与线性吸收系数的峰值变化并不完全同步，温度峰值略微滞后且更靠近火焰外围。

图10 21%O2 体积分数下协同检测火焰温度分布

在对火焰温度进行协同检测的过程中需对实验误差进行分析，对实验结果造成影响的因素主要有：CCD相机工作时暗电流以及拍摄背景产生的随机噪声，通过背景噪声灰度图像计算出的噪声影响小于1%；黑体炉拟合标定误差，通过标定实验拟合辐射强度时存在线性拟合偏移，该项误差约为2%；烟黑体积分数计算时复折射率取为常用值，研究表明［16］这种假设方式会对计算结果精度造成影响。综合以上影响因素，本系统协同温度检测误差约为6%。

为了验证主被动协同火焰温度检测结果的准确性，采用B 型热电偶对各工况下C2H4扩散火焰进行原位温度检测，对比结果如图11 所示。可以看出，主被动协同检测得到的温度分布与热电偶测温结果相比具有相同的温度变化趋势，均沿径向先增后减。在火焰腹部和末端检测得到的温度与热电偶测得温度接近，就温度验证结果而言，主被动协同检测得到的温度与热电偶测得的温度接近，误差在可接受范围内。

图11 多工况下协同测温与热电偶测温对比

4 结语

所提出的基于实验教学的主被动协同火焰多参数检测系统结合了主被动检测技术的优势，通过主动式激光消光法求解火焰介质透射比与线性吸收系数并进一步获得线性吸收系数矩阵与烟黑体积分数分布，然后通过被动式火焰图像法计算火焰单色辐射强度，最后将两者联立从而求解火焰介质温度分布。

我国广大科技工作者要有强烈的创新信心和决心，既不妄自菲薄，也不妄自尊大，勇于攻坚克难、追求卓越、赢得胜利，积极抢占科技竞争和未来发展制高点。

——2018 年5 月28 日，习近平在中国科学院第十九次院士大会、中国工程院第十四次院士大会上的讲话