способ и устройство для определения характеристик топливного факела

Формула изобретения

1. Способ определения характеристик топливного факела, заключающийся в том, что формируют лазерную (световую) плоскость, освещают ею факел распыленного топлива, содержащего флуоресцирующие добавки, регистрируют цветное изображение сечения факела, разделяют это изображение на характерные цвета, по которым определяют интенсивности флуоресценции топлива и компонент Ми рассеянного на каплях света для двух взаимно перпендикулярных плоскостей поляризации, одна из которых совпадает с плоскостью рассеяния, в которой расположены оптические оси источника и приемника излучения, производят измерения, и по соотношению интенсивностей определяют средние размеры капель, отличающийся тем, что устанавливают поляризацию светового пучка перпендикулярно плоскости рассеяния, измеряют интенсивность Ми рассеянного каплями света в точках строк изображения сечения факела лазерной плоскостью, измеряют по каждой строке изображения интенсивности флуоресцирующего зеленым светом чистого топлива до и после факела распыливания, затем устанавливают плоскость поляризации светового пучка параллельно плоскости рассеяния и измеряют в точках изображения сечения топливного факела лазерной плоскостью интенсивности флуоресценции топлива и Ми рассеянного каплями света, вычисляют интегральное значение интенсивности Ми рассеянного каплями света по каждой строке изображения

вычисляют величину отношения интенсивности Ми рассеянного каплями света в точках строк изображения сечения факела лазерной плоскостью к ее интегральному значению по каждой строке

находят в точках строк изображения сечения факела лазерной плоскостью интегральные значения функции F(x,y)

затем вычисляют величину пропускания света аэрозольной средой по каждой строке изображения

при этом поверхностную концентрацию капель в точках строк изображения сечения топливного факела лазерной плоскостью определяют по формуле

а объемную концентрацию капель вычисляют в точках изображения сечения топливного факела лазерной плоскостью по формуле

и вычисляют средний диаметр D₃₁ капель в точках изображения сечения топливного факела лазерной плоскостью по формуле

где I_S(x,y) - интенсивность Ми рассеянного каплями света, поляризованного перпендикулярно плоскости рассеяния, в точках строк изображения сечения факела лазерной плоскостью;

О, L - произвольные пределы интегрирования по каждой строке, находящиеся вне факела распыливания;

х, у - соответственно координаты каждой исследуемой точки вдоль и по ширине лазерной плоскости;

q - пропускание света аэрозольной средой по каждой строке;

I₀(0, у), I₀(L, y) - интенсивности света, соответственно падающего и прошедшего через факел распыленного топлива, по каждой строке изображения сечения факела лазерной плоскостью;

C_S - поверхностная концентрация капель в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью;

С_V - объемная концентрация капель;

D₃₂ - средний заутеровский диаметр капель;

D₃₁ - средний объемный диаметр капель, средневзвешенный по суммарной длине диаметров всех капель в измерительном объеме;

I_F, I_p - соответственно интенсивности флуоресценции топлива и Ми рассеянного каплями света, поляризованного параллельно плоскости рассеяния, в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью;

k - коэффициент пропорциональности.

2. Устройство для определения характеристик топливного факела, содержащее последовательно расположенные по ходу лазерной плоскости источник монохроматического света, поляризатор, цилиндрические короткофокусную и длиннофокусную линзы, цветной цифровой фоторегистратор, ортогонально расположенный к оптической оси источника монохроматического света и электрически связанный с ЭВМ, отличающееся тем, что оно снабжено двумя элементами, флуоресцирующими зеленым светом и установленными в лазерной плоскости до и после топливного факела.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что флуоресцирующие элементы выполнены в виде оптических кювет.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к оптико-электронным устройствам контроля параметров дисперсных сред.

При доводке существующих и создании новых типов распыливающих устройств, с целью оптимизации процесса распыла топлива в камерах сгорания, наряду с измерением размеров капель необходимо определять важнейшие характеристики топливного факела, как-то: пространственно-временные неоднородности поверхностной и объемной концентраций капель в различных сечениях топливовоздушной смеси с высоким разрешением во времени и среднего объемного диаметра D₃₁ капель. Средний диаметр D₃₁ характеризует испарение капель топлива, средневзвешенных по суммарной длине диаметров всех капель в измерительном объеме. Отсутствие метода и устройства, позволяющих эффективно решать эти задачи, существенно затрудняет создание новых типов распыливающих устройств.

Известен “Способ измерения размеров частиц с использованием поляризованного света”, авторское свидетельство №1807338 от 14 января 1991 г., заключающийся в том, что формируют плоский поток света с равномерным распределением его интенсивности, освещают им среду со взвешенными частицами, ортогонально регистрируют изображения среды в рассеянном частицами свете для двух его линейно-поляризованных компонент, выделяют сходственные точки изображений, для которых определяют средние значения интенсивности компонент и вычисляют средний размер частиц по аналитическому выражению.

Недостатком данного способа является то, что он обеспечивает определение в точках лазерной плоскости лишь среднего поверхностного диаметра D₂₁ капель и не позволяет найти важнейшие характеристики топливного факела: поверхностную и объемную концентрации капель и их средний диаметр D₃₁.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ определения размеров капель в лазерной плоскости в плотных факелах распыла топлива (см. Le Gal, P., Farrugia, and Greenhalgh, D.A.: Laser Sheet Dropsizing of Dense Sprays, “Optics & Laser Technology”, 31, 1999 г., стр.75-83), заключающийся в том, что формируют лазерную (световую) плоскость, освещают ею факел распыленного топлива, содержащего флуоресцирующие добавки, регистрируют ортогонально лазерной плоскости цветное изображение сечения факела, разделяют это изображение на характерные цвета, по которым определяют интенсивности флуоресценции топлива и Ми рассеянного на каплях света и по соотношению этих интенсивностей судят о средних размерах диаметров D ₃₂ капель в точках изображения сечения факела распыленного топлива лазерной плоскостью.

Существенным недостатком прототипа является то, что он позволяет найти в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью лишь средний заутеровский диаметр D₃₂ капель и не дает возможности определить поверхностную и объемную концентрации капель и их средний диаметр D₃₁ .

Технической задачей изобретения является повышение информативности и расширение возможностей реализации при определении характеристик распыла топливного факела.

Технический результат достигается за счет определения в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью поверхностной и объемной концентраций капель и их среднего диаметра D₃₁.

Способ определения характеристик топливного факела осуществляют следующим образом:

- устанавливают поляризацию светового пучка перпендикулярно плоскости рассеяния;

- измеряют интенсивность Ми рассеянного каплями света в точках строк изображения сечения факела лазерной плоскостью;

- измеряют по каждой строке изображения интенсивности флуоресцирующего зеленым светом чистого топлива до и после факела распыливания;

- устанавливают плоскость поляризации светового пучка параллельно плоскости рассеяния;

- измеряют в точках изображения сечения топливного факела лазерной плоскостью интенсивности флуоресценции топлива и Ми рассеянного каплями света;

- вычисляют интегральное значение интенсивности Ми рассеянного каплями света по каждой строке изображения:

где I_S(x, y) - интенсивность Ми рассеянного каплями света, поляризованного перпендикулярно плоскости рассеяния, в точках строк изображения сечения факела лазерной плоскостью;

0, L - произвольные пределы интегрирования по каждой строке, находящиеся вне факела распыливания;

х, у - соответственно координаты каждой исследуемой точки вдоль и по ширине лазерной плоскости;

- вычисляют величину отношения интенсивности Ми рассеянного каплями света в точках строк изображения сечения факела лазерной плоскостью к ее интегральному значению по каждой строке:

- находят в точках строк изображения сечения факела лазерной плоскостью интегральные значения функции F(x,y):

- вычисляют величину пропускания света аэрозольной средой по каждой строке изображения:

где q - пропускание света аэрозольной средой по каждой строке;

I₀ (0, у), I₀ (L, y) - интенсивности света, соответственно падающего и прошедшего через факел распыленного топлива, по каждой строке изображения сечения факела лазерной плоскостью;

- определяют поверхностную концентрацию капель в точках строк изображения сечения топливного факела лазерной плоскостью по формуле:

где C_S - поверхностная концентрация капель в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью;

- вычисляют объемную концентрацию капель в точках изображения сечения топливного факела лазерной плоскостью по формуле:

где С_V - объемная концентрация капель; D ₃₂ - средний заутеровский диаметр;

- вычисляют средний диаметр D₃₁ капель в точках изображения сечения топливного факела лазерной плоскостью по формуле:

где D₃₁ - средний объемный диаметр капель, средне взвешенный по суммарной длине диаметров всех капель в измерительном объеме;

I_F, I_P - соответственно интенсивности флуоресценции топлива и Ми рассеянного каплями света, поляризованного параллельно плоскости рассеяния, в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью;

k - коэффициент пропорциональности.

На чертеже изображена принципиальная схема устройства для определения характеристик топливного факела.

Устройство содержит последовательно расположенные источник 1, например лазер монохроматического света, поляризатор 2, цилиндрические короткофокусную линзу 3 и длиннофокусную линзу 4, флуоресцирующие элементы, например оптически прозрачные кюветы 5 и 7, заполненные чистым топливом, топливный факел 6, приемную апертуру 8 цветного цифрового фоторегистратора 9, ЭВМ 10 и лазерную плоскость 11. При этом цветной цифровой фоторегистратор 9 ортогонально расположен к оптической оси источника 1 монохроматического света, а флуоресцирующие элементы 5 и 7 флуоресцируют зеленым светом.

Устройство для определения характеристик топливного факела работает следующим образом.

Параллельный пучок синего света, создаваемый источником 1 монохроматического излучения с длиной волны 447,1 нм, пропускают через поляризатор 2, который позволяет устанавливать плоскость поляризации светового пучка перпендикулярно или параллельно плоскости рассеяния, в которой производится регистрация изображения сечения топливного факела 6 лазерной плоскостью 11. Плоскость рассеяния совпадает с плоскостью, в которой расположены оптические оси источника и приемника излучения. Пройдя через поляризатор 2 световой пучок, поляризованный перпендикулярно плоскости рассеяния, короткофокусной и длиннофокусной цилиндрическими линзами 3 и 4 формируется в параллельную лазерную плоскость 11 и направляется на исследуемый топливный факел 6. При этом линзами осуществляют поворот лазерной плоскости 11 для исследования сечений факела в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Лазерная плоскость 11 также пропускается через оси двух флуоресцирующих зеленым светом элементов, например оптически прозрачных кювет 5, 7, которые заполняют чистым керосином и устанавливают соответственно до и после объекта исследования. Чистый керосин флуоресцирует в зеленой области спектра длин волн. Кюветы с керосином необходимы для измерения ослабления света вдоль лазерной плоскости. Лазерная плоскость 11, пройдя через кюветы 5 и 7 и факел 6 распыленного топлива, частично рассеивается на каплях и одновременно возбуждает флуоресценцию в красном диапазоне спектра длин волн. Интенсивности флуоресценции и рассеяния Ми на каплях, а также свечение флуоресцирующего топлива в кюветах 5 и 7 воспринимают на одном кадре приемной апертурой 8 цветного цифрового фоторегистратора 9. Затем устанавливают плоскость поляризации светового пучка параллельно плоскости рассеяния и регистрируют в точках изображения сечения топливного факела лазерной плоскостью интенсивности флуоресценции топлива и Ми рассеянного каплями света. Информация с фоторегистратора 9 поступает на ЭВМ 10, которая обрабатывает полученную информацию.

Следует отметить, что при исследовании характеристик топливного факела в горизонтальном сечении лазерной плоскостью 11, фоторегистратор 9 устанавливают в плоскости измерений (плоскость рассеяния), под заданным углом к лазерной плоскости, при этом устанавливают и соответствующую ориентацию плоскости поляризации светового пучка: перпендикулярно или параллельно плоскости измерений. В результате получают в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью значения величин поверхностной и объемной концентраций капель и их среднего объемного диаметра Dsi, средневзвешенного по суммарному диаметру всех капель в измерительном объеме.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство для определения характеристик топливного факела обеспечивают повышенную информативность и расширяют возможности их реализации, например, при исследовании процессов распыливания топлив форсунками и смесеобразования, контроле качества распыливания топлив форсунками после их изготовления и в различных технологических процессах.

Проверка способа на макете устройства для определения характеристик топливного факела подтвердила заложенные в него технические особенности и преимущества по сравнению с известными способами и устройствами, реализующими эти способы.