燃烧场中离子浓度分布的测量装置及方法

摘要

本发明提出的一种燃烧场中离子浓度分布的测量装置及方法，基于测量燃烧场中离子电流变化分布以得到燃烧场中不同位置处离子浓度分布，能够很好地解决振荡燃烧过程中不同位置处离子浓度分布的测量问题，成本低、体积小、安装方便，适用于各种烃类燃料燃烧装置。本发明的装置包括离子探针模块和测量电路模块，所述离子探针模块，用于获取燃烧场中动态火焰的离子电流信号；所述测量电路模块，用于对离子探针模块获取的离子电流信号进行测量处理，通过测量离子电流的变化得到燃烧场中离子浓度的变化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃烧场中离子浓度分布的测量装置及方法，主要应用于各类发动机燃烧室或其它领域燃烧装置的燃烧过程监测。

背景技术

在火箭发动机、航空发动机、现代大型燃气轮机或其它大型燃烧装置的研制过程中，经常会遇到燃烧不稳定性问题。不稳定燃烧会造成极高的燃烧速率和传热效率，导致燃烧室的壁面烧穿；同时它也会带来剧烈的振动，损坏装置的机械结构，影响动力系统正常工作。由于燃烧不稳定性问题的复杂性与不可预见性，在试验测量方面存在着诸多的困难。当发生不稳定燃烧时，火焰中物理、化学参数会随时间与空间发生快速的变化，因此需要高频响、高空间辨识度的传感器对燃烧场进行监测。

目前用于燃烧室燃烧场监测的主要手段为光学测量，但光学测量光路复杂，装置价格昂贵，而且对测试环境及实验操作人员的要求较高，操作不便。多数光学测量给出的是测量光路上的平均信息，缺乏足够的空间辨识度，因此需要一种针对振荡燃烧场具有良好空间辨识度、操作简单且廉价的测量技术。本发明具有很高的频响性、体积小且结构简单，能够安置于燃烧室中不同位置具有较好空间辨识度，这对深入研究燃烧不稳定机理、控制燃烧不稳定现象具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种燃烧场中离子浓度分布的测量装置及方法，能够很好地解决振荡燃烧过程中不同位置处离子浓度分布的测量问题，成本低、体积小、安装方便，适用于各种烃类燃料燃烧装置。

本发明的技术方案是：

1.一种燃烧场中离子浓度分布的测量装置，其特征在于，包括离子探针模块和测量电路模块，其中：

所述离子探针模块，用于获取燃烧场中动态火焰的离子电流信号；

所述测量电路模块，用于对离子探针模块获取的离子电流信号进行测量处理，通过测量离子电流的变化得到燃烧场中离子浓度的变化。

2.所述离子探针采集的离子电流与离子浓度的关系计算公式为：

其中，[H₃O⁺]为离子浓度，r为探针电极半径，e为单位电荷电量，U为离子探针极间电压，δ为极间间隙，为气体中电子的平均自由程，κ为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，m_e为电子质量。

3.所述离子探针模块包括离子探针、探针绝缘管、绝缘管套筒和探针安装座，所述离子探针通过过盈配合嵌入到探针绝缘管内；探针绝缘管安装在绝缘管套筒内，绝缘管套筒通过紧固螺母固定于探针安装座上；所述离子探针采用三探针结构，其中两根探针作为测量离子电流的电极，这两根探针的离子感应端伸出探针绝缘管外，另一根用于消除探针的温差电势，这根探针封于探针绝缘管内与火焰隔离；这三根探针的末端具有输出引线，用于连接测量电路。

4.所述离子探针及探针绝缘管为圆柱形，且探针绝缘管长度与外径比应大于10:1，以尽量减小端部效应。

5.作为测量离子电流的两根探针电极的离子感应端伸出绝缘管的长度与绝缘管直径比应不小于1:10，两根探针电极间距应不大于1mm，另一根用于消除离子感应端电极温差电势的封于绝缘管内的探针电极距离绝缘管端面的距离应不大于2mm。

6.所述测量电路模块包括前置放大电路和滤波电路，所述离子探针输出的测量信号经前置放大电路放大接入滤波电路消除噪声。

7.所述前置放大电路包括测量电桥和仪表放大器，所述测量电桥的一个桥臂的两端分别连接采集离子电流的两个探针的输出端引线，测量电桥的两个输出端分别连接仪表放大器的正输入端和负输入端；消除温差电势的第三根探针输出端引线接入到放大器负输入端，用于平衡采集离子电流的两个探针产生的温差电势；所述仪表放大器还外接增益调节电阻，用于放大离子探针采集的测量信号。

8.所述滤波电路包括工频陷波器和低通滤波器，所述工频陷波器用于滤除工频干扰，采用品质因数可调的双T型电路结构；所述低通滤波器用于滤除有用信号以外的宽带噪声，采用有源滤波器芯片，其截止工作频率可调。

9.采用上述测量装置测量燃烧场中离子浓度分布的方法，其特征在于，基于测量燃烧场中离子电流变化分布以得到燃烧场中不同位置处离子浓度分布，包括以下步骤：

1)将多个离子探针模块设置在燃烧场中不同位置；

2)当发生燃烧时，由离子探针模块采集燃烧场中不同位置的离子电流变化信号；由测量电路模块将离子电流信号进行放大和滤波处理，经数据采集及显示设备输出，得到燃烧场中不同位置处的离子电流分布；

3)由离子电流与离子浓度的关系式，得到燃烧场中不同位置处的离子浓度的空间分布。

10.所述步骤2)中，包括在探针使用之前进行标定的步骤：

标定时，将多个探针置于燃烧室内较小区域同时测量；对其测量信号进行FFT分析可得到离子浓度振荡主频的振幅；得到不同探针测得离子浓度振幅结果的比例关系；选定一个探针结果作为标准，便可统一不同探针的测量结果。

本发明的技术效果：

本发明提出一种燃烧场中离子浓度分布的测量装置及方法，能够很好地解决振荡燃烧过程中不同位置处离子浓度分布的测量问题，主要用于各类发动机燃烧室或其它领域燃烧装置内燃烧过程的监测。该装置基于测量燃烧场中离子电流变化分布以得到燃烧场中不同位置处离子浓度分布。测量装置由离子探针与测量电路组成，离子探针用于采集离子电流变化，测量电路用于对采集的信号进行放大和滤波。该装置对燃烧动态放热过程反应灵敏，动态响应速度快，结构简单、成本低、体积小、安装方便，测量效果好，适用于各种烃类燃料燃烧装置。

附图说明

图1本发明测量装置原理示意图

图2离子探针结构图

图3前置放大电路图

图4工频陷波器电路图

图5低通滤波器电路图

图6本发明用于脉动燃烧器燃烧室内离子浓度分布测量示意图

图7离子探针标定安装示意图

图8压力传感器与离子探针测量信号的时间序列

图9离子探针测量信号FFT结果

附图标记列示如下：1-离子探针，2-探针绝缘管，3-绝缘管套筒，4-探针安装座，5-紧固螺母，6-输出引线；10-燃烧室，11-燃料喷嘴，12-燃料阀，13-点火器，14-空气阀，15-调压器，16-压力传感器，17-燃烧室尾管，18-鼓风机，19-离子探针模块，20-测量电路模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例做具体说明，但不用来限制本发明的范围。

一种燃烧场中离子浓度分布的测量装置，包括离子探针模块和测量电路模块，其中：离子探针模块，用于获取燃烧场中动态火焰的离子电流信号；测量电路模块，用于对离子探针模块获取的离子电流信号进行测量处理，通过测量离子电流的变化得到燃烧场中离子浓度的变化。

如图1所示，是本发明测量装置原理示意图。燃烧室内燃气燃烧时会电离而产生大量的自由电子、正负离子和自由基等带电粒子。当加有偏置电压U的离子探针伸入燃烧场中时，探针两极间会形成微弱的离子电流。通过与探针连接的测量电路测量离子电流的变化就可以得到燃烧室中主要离子的浓度变化规律。

离子电流与离子浓度关系计算公式推导如下：

对于碳氢燃料燃烧形成的火焰：

该过程形成离子的中间反应过程主要为以下三个：

其中k₁，k₂，k₃为反应常数，表征反应进行的速度。根据反应常数大小可知，CHO⁺离子形成之后会快速反应生成H₃O⁺。因此，碳氢燃料火焰中的离子主要是以H₃O⁺的形式存在，CHO⁺相对较少。最后反应为正离子与电子中和的过程，生成电中性的粒子。

设电场中正离子和电子在dt时间内分别移动了dx_i和dx_e距离，则电极上表面电荷密度的变化量分别为q_i和q_e，有

q＝q_i+q_e＝en_idx_i+en_edx_e

其中n_i为正电粒子浓度，n_e为负电粒子浓度，e为单位电荷电量。则距离阴极x位置处的电流密度为：

v_i为正电粒子迁移速度，v_e为负电离子迁移速度。伸入到火焰中的两电极为圆柱形的结构，设其半径为r。由于电子的迁移速率较离子的高3-4个数量级，则在两极间形成的离子电流为：

电场强度下带电粒子的迁移速率为μ＝v_d/E，对于电子，其迁移速率μ_e与电场强度E之间存在线性关系：

其中，为电子的平均迁移速度，为气体中电子的平均自由程，m_e为电子质量。考虑电子在电场中的扩散运动，由爱因斯坦关系式有：

其中，D扩散系数，κ为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。电子的平均速度为：电子的平均动能为：则有

在没有电场的作用下，混合燃气对外表现为电中性，即[H₃O⁺]与[e]浓度相等，则有：

n_e＝[e]＝[H₃O⁺]

设外加均匀电场场强为：

E＝U/δ

U为离子探针极间外加电压，δ为极间间隙。因此，最终探针电极间离子电流与离子浓度关系的计算式为：

其中，[H₃O⁺]为离子浓度，r为探针电极半径，e为单位电荷电量，U为离子探针极间电压，δ为极间间隙，为气体中电子的平均自由程，κ为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，m_e为电子质量。

对于用于燃烧场中的离子探针，须具有一定刚度以保证在测量过程能够便于固定安装于测量位置，且其与火焰接触的支撑部分应尽可能小，因为支撑物会泄漏带电粒子扰动燃烧参数场。探针的长度需远大于探针直径，以保证可以忽略探针的端部效应。燃烧室温度一般会超过1000K，因此探针电极需要耐高温、抗溅射、不参与化学反应、具有较高逸出功且二次过程(如离子碰撞、亚稳态、光子、探针温度等因素引起的电子发射)应尽量小。此外，由于探针一端置于高温燃烧室中，另外一端置于燃烧室外部，探针两端之间因存在巨大的温差而产生热电动势，这会使测量信号不准确。如采用常规的气体冷却空心圆柱电极结构会大大增加探针尺寸。而对于燃烧场，探针的尺寸应尽量小以减小探针对火焰的干扰。因此本发明引入三探针结构的离子探针，两根探针作为探测燃烧场中离子电流的电极，第三根探针用于消除温差电动势。

离子探针模块的结构如图2所示，所述离子探针模块包括离子探针1、探针绝缘管2、绝缘管套筒3和探针安装座4，离子探针1通过过盈配合嵌入到探针绝缘管2内；探针绝缘管2安装在绝缘管套筒3内，绝缘管套筒3通过紧固螺母5固定于探针安装座4上；离子探针1采用三探针结构，其中两根探针作为测量离子电流的电极，这两根探针的离子感应端伸出探针绝缘管外，另一根用于消除探针的温差电势，这根探针封于探针绝缘管内与火焰隔离；这三根探针的末端具有输出引线6，用于连接测量电路；其中，离子探针1为圆柱形，嵌入离子探针1的探针绝缘管2也为圆柱形且长度与外径比应大于10:1以尽量减小端部效应。本实施例中，离子探针1采用耐高温金属材料钨，探针绝缘管2选择氧化铝陶瓷管,作为探针外部绝缘介质；离子探针1及探针绝缘管2长L＝100mm，探针绝缘管2外径D＝3mm；三根直径D1＝0.5mm的钨丝电极作为离子探针1通过过盈配合嵌入到氧化铝陶瓷管2中，其中两根探针作为测量离子电流的电极，电极间距d应不大于1mm；本实施例中作为测量离子电流的两根探针的离子感应端伸出陶瓷管长度L1＝0.5mm，两端间距d＝0.8mm，另一根用于消除探针的温差效应的探针封于陶瓷管内部，距离端部L2＝2mm；绝缘介质陶瓷管2外的绝缘管套筒3选用不锈钢套用于提高探针强度。钢套3通过探针安装座4固定确定离子探针1在燃烧室中的位置。钢套3与安装座4通过紧固螺母5固定。三个探针末端的输出引线6通过屏蔽线连接到测量电路模块。

本发明实施例的测量电路模块包括前置放大电路和滤波电路，离子探针输出的测量信号经前置放大电路放大后接入滤波电路消除噪声。

前置放大电路的结构如图3所示。前置放大电路包括测量电桥和仪表放大器，测量电桥是将两个探针间的燃气电阻R_x并联到直流电桥中一个桥臂，即测量电桥的一个桥臂的两端分别连接采集离子电流的两个探针的输出端引线，4个桥臂阻值均取R₁。其中，燃气电阻与探针电极间离子电流的关系式为

本实施例中，桥臂阻值R₁＝100kΩ，选用精度为0.1％的金属薄膜电阻。测量电桥的两个输出端分别连接仪表放大器的正输入端和负输入端，如图3所示，连接燃气电阻R_x的桥臂的输出端(A点)连接仪表放大器U6的输入端正极，另一输出端连接放大器U6的输出端负极；消除温差电势的第三根探针输出端引线也接入到放大器输出端负极(C点)，用于平衡图2中A、B两点处探针产生的温差电势。本实施例中仪表放大器选取Anolog-Design公司生产的AD620。由于被测燃气电阻R_x是微小量，需使用外接增益调节电阻R_G，其中R_G接于AD620管脚1与8之间。本实施例中R_G阻值取1kΩ。增益调节电阻R_G可调节仪表放大器的放大倍数，将A、B电极间燃气电阻的微弱变化转换成电压的变化。

滤波电路由工频陷波器和低通滤波器组成。如图4所示，是工频陷波器电路图。工频陷波器的中心频率为50Hz，采用品质因数可调的双T型电路结构，包括放大器U₁、U₂、U₃，其中U₂的输出端为整个电路的输出端OUTPUT2，U₃为电压跟随器，U₃的正输入端通过电阻R₂接地，同时通过电阻R₃接U₂的输出端；通过调节R₂、R₃的比值可以改变陷波器的品质因数Q，Q值越大，陷波宽带越窄；放大器U₁的正输入端连接前置放大电路的输出端OUTPUT1，U₁的输出端通过串联的电阻R₄、R₅连接放大器U₂的正输入端，放大器U₁的负输入端通过串联的电容C₁、C₂也连接放大器U₂的正输入端，放大器U₃的输出端分别通过电阻R₆连接在C₁和C₂之间以及通过电容C₃连接在电阻R₄和R₅之间；本实施例中的电阻和电容分别选取精度为1％金属膜电阻和精度为2％的镀银云母电容。其中R₄＝R₅＝2R₆＝96.1kΩ，C₁＝C₂＝C₃/2＝33nF，R₂＝51Ω，R₃＝953Ω，运算放大器选取Burr-Brown公司生产的OPA277。本实施例中的低通滤波器的电路结构以MAXIM公司生产的4阶有源滤波器芯片MAX275为核心构成，如图5所示。MAX275中包含两个二阶结构，这两个二阶结构组合在一起构成四阶低通滤波器；R₇、R₈、R₉、R₁₀是二阶结构的外围电阻，它们决定了四阶带通滤波器的性能。其中，R₇决定了四阶低通滤波器的增益，R₈决定了四阶低通滤波器的品质因数，R₉、R₁₀共同决定了四阶低通滤波器的中心频率，本实施例选取精度为1％金属膜电阻，其中R₇＝R₈＝755kΩ,R₉＝R₁₀＝3.6MΩ。对于低通滤波器，因本实施例中选用脉动燃烧器作为燃烧室，其固有燃烧振荡频率为89Hz，所以低通滤波器的截止频率设计为500Hz，对于一般燃烧器，其截止频率应不低于测量频率的5倍。

如图6所示，是本发明应用于脉动燃烧器燃烧室内的离子浓度分布测量实施例。脉动燃烧器是一种良好的研究离子浓度分布的振荡燃烧放热装置，具有固定的燃烧振荡频率。本实施例中脉动燃烧器固有燃烧振荡频率为89Hz，图6中，脉动燃烧器包括燃烧室10，燃料喷嘴11，燃料阀12，点火器13，空气阀14，调压器15，压力传感器16，燃烧室尾管17，另有鼓风机18对燃烧室输入空气。

本发明的测量装置应用于脉动燃烧器燃烧室内的离子浓度分布的测量方法：基于测量燃烧场中离子电流变化分布以得到燃烧场中不同位置处离子浓度分布。首先将多个离子探针模块19通过探针安装座固定于燃烧室中的不同位置；当脉动燃烧器发生振荡燃烧时，离子探针开始采集燃烧场中不同位置处的离子电流变化信号；由测量电路模块20将离子电流信号进行放大和滤波处理，再经数据采集及显示设备输出，得到燃烧场中不同位置处的离子电流分布；由推导得到的离子电流与离子浓度的关系式，得到燃烧场中不同位置处的离子浓度的空间分布。图8反映了脉动燃烧器中离子浓度与燃烧室压力随时间的变化规律。图8中的实线给出了压力传感器测得的燃烧室压力随时间变化的曲线，图8中的虚线表示燃烧室离子浓度随时间变化的曲线。图9给出了图8的离子浓度随时间变化的曲线经FFT处理的结果，横坐标反映了脉动燃烧器燃烧室内燃烧振荡主频率为89Hz，纵坐标反映了此位置处的离子浓度的振荡幅值，不同位置处的离子浓度会有不同的振幅。

由于离子探针的测量结果对探针电极结构尺寸十分敏感，不同的探针由于电极结构尺寸的略微差异会导致测量结果的差异，因此在探针使用之前需对其进行标定。对离子探针采用相互标定的方法以确保不同探针测量结果一致。标定时，将多个探针置于燃烧室内较小区域同时测量，如图7所示，将4个探针的离子感应端(图2中A点)均指向燃烧室中心点处。在极小的区域内离子浓度振荡的振幅是一致的，对其测量信号进行FFT分析可得到离子浓度振荡主频的振幅。经标定试验可以得到不同探针间测得离子浓度振幅结果的比例关系。选定一个探针的测量结果作为标准，便可统一不同探针的测量结果。

在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。