專利名稱：：在線測量b類火火焰區(qū)oh自由基濃度的方法及火焰裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于激光燃燒診斷領(lǐng)域，具體涉及B類火燃燒過程中火焰區(qū)OH自由基濃度的測量方法及裝置。
背景技術(shù)：
：OH自由基濃度的測量在研究細水霧滅火機理的研究中占有相當重要的地位。目前對于細水霧與火焰相互作用機理研究的主要方法尚停留在宏觀界面，文獻報道了一些研究方法，即利用熱成像儀、熱輻射通量計、鎳鉻一鎳硅熱電偶或鎳鉻一康銅熱電偶測量細水霧與火焰作用過程中，火焰溫度場的變化。但是這種方法準確性不高，僅基于宏觀界面間接研究細水霧與火焰作用情況，不能很好的表征細水霧滅火機理。因此提出了通過測量微觀界面上OH自由基的濃度來直接表征細水霧滅火機理這一方法。OH自由基的測量最早始于大氣光化學的研究。文獻報道了一些測量方法，如激光光學吸收光譜法；C0示蹤氧化法；輔助離子測量和自旋捕獲法。但是對于激光光學吸收光譜法，其產(chǎn)生的激光對OH干擾水平過高，嚴重影響測量精度；對于同屬基于OH化學性質(zhì)的CO示蹤氧化法；輔助離子測量和自旋捕獲法，在研究細水霧與火焰相互作用機理時沒有可實施性。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種在線測量B類火火焰區(qū)OH自由基濃度的方法及火焰裝置。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明在線測量B類火火焰區(qū)OH自由基濃度的方法，其特征在于包括如下步驟1.)在水溫為15-25。C、室溫為16-26。C條件下將含有相應(yīng)濃度(0-2%)KIDBE水霧添加劑的水加入加濕器(8);2.)通過梨形漏斗將裝油杯中的油加到固定高度即2-3cm;3.)預熱加濕器，當霧通量達到要求的固定值，點燃步驟2所述裝油杯中的油，通過水霧上升控制管使水霧與火焰接觸；4.)采用PLIF實驗裝置通過觀察窗測量火焰區(qū)的0H自由基濃度。所述霧通量固定值為0.2g/min。所述PLIF實驗裝置中激光器泵浦可調(diào)諧染料激光器，染料激光器輸出激光再經(jīng)倍頻器產(chǎn)生脈寬為7ns、能量為5mJ、線寬為0.3cm—\波長為282.03nm激光束，所述波長為282.03nm激光束經(jīng)柱面透鏡壓縮為高為5mm、厚為100ym的波長為為308nm的片狀激光入射到火焰區(qū)。所述激光器為YAG激光器。所述的在線測量B類火火焰區(qū)0H自由基濃度的方法的火焰裝置，其特征在于包括梨形漏斗、方形燃燒裝置、裝油杯、水霧上升控制管、支架和加濕器，其中裝油杯設(shè)置于方形3燃燒裝置內(nèi)，梨形漏斗固定于方形燃燒裝置外部并通過導管與裝油杯連接，方形燃燒裝置固定于支架上，加濕器設(shè)置于支架內(nèi)部并通過水霧上升控制管與方形燃燒裝置連通，所述方形燃燒裝置上還設(shè)置觀察窗。所述加濕器加濕器上還設(shè)置水霧控制閥。所述加濕器加濕器上還設(shè)置電流表。本發(fā)明采用激光誘導熒光技術(shù)，使用一束已經(jīng)調(diào)諧至OH的吸收波長308nm的激光輻照火焰區(qū)OH自由基，使之恰好發(fā)生由低電子態(tài)向高電子態(tài)的共振躍遷。這種激發(fā)態(tài)的分子隨即自發(fā)輻射放出熒光，在保持激光強度和儀器條件不變的情況下，于是總熒光強度便正比于始態(tài)的OH自由基濃度，從而測得OH自由基的濃度。本發(fā)明基于介質(zhì)對光子的直接吸收過程，不受彈性碰撞與非彈性碰撞的影響，適合診斷高溫、高壓條件下的燃燒場。與其他燃燒診斷技術(shù)相比，本方法具有如下有益效果(1)其信號強度不受碰撞淬滅的影響或限制，適用的溫度、壓力(大氣壓或更高的壓力)環(huán)境范圍很寬，與激光誘導熒光技術(shù)結(jié)合可以深入研究熒光的碰撞淬滅過程；(2)具有很高的時、空分辨率；(3)其信號是激光信號，與探測光同向，探測較容易；(4)能夠定量測量燃燒場中微量組分的濃度。圖1:本發(fā)明火焰裝置結(jié)構(gòu)圖。1——梨形漏斗；2——螺絲釘；3——方形燃燒裝置；4——觀察窗；5——裝油杯；6——水霧上升控制管；7——鐵制支架；8——YC-E350亞都加濕器；9—電流表；10——加濕器水霧控制閥圖2:為方形燃燒裝置的A向俯視圖。圖3:PLIF實驗裝置結(jié)構(gòu)圖。11——柱面透鏡；12——激光折射鏡；13——UG-5濾光片；14——WG305濾光片(請按照上面的標號修改附圖3中的標號)圖4:本發(fā)明實施例1(a)無噴霧水霧實驗測試結(jié)果圖，(b)加噴霧水霧實驗測試結(jié)果圖，(c)至(e)不同電流強度下的霧通量曲線圖。圖5:本發(fā)明實施例2(a)無噴霧水霧實驗測試結(jié)果圖，(b)加噴霧水霧實驗測試結(jié)果圖，(c)霧通量曲線圖。圖6:本發(fā)明實施例3(a)無噴霧水霧實驗測試結(jié)果圖，(b)加噴霧水霧實驗測試結(jié)果圖，(c)霧通量曲線圖。圖7:相同路徑噴霧吸收實驗的測試波形。具體實施例方式下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明如圖1所示，搭建燃燒裝置所述的在線測量B類火火焰區(qū)OH自由基濃度的方法的火焰裝置，包括梨形漏斗1、方形燃燒裝置3、裝油杯5、水霧上升控制管6、支架7和加濕器8，其中裝油杯(5)設(shè)置于方形燃燒裝置3內(nèi)，梨形漏斗1固定于方形燃燒裝置3外部并通過導管與裝油杯5連接，方形燃燒裝置3固定于支架7上，加濕器8設(shè)置于支架7內(nèi)部并通過水霧上升控制管6與方形燃燒裝置(3)連通，所述方形燃燒裝置3上還設(shè)置觀察窗4。所述的在線測量B類火火焰區(qū)OH自由基濃度的方法的火焰裝置，所述加濕器加濕器8上還設(shè)置水霧控制閥10。所述的在線測量B類火火焰區(qū)OH自由基濃度的方法的火焰裝置，所述加濕器加濕器8上還設(shè)置電流表9。如圖2所示為方形燃燒裝置的A向俯視圖。試驗診斷系統(tǒng)準備采用平面激光誘導熒光(PLIF)技術(shù)測量汽油燃燒滅火時添加劑對OH濃度的影響規(guī)律研究的實驗裝置如圖3所示。為了測試水霧以及含添加劑的細水霧對入射激光的吸收。在實驗中，不點燃火焰，而僅僅打開加濕器讓水霧擴散到燃燒室內(nèi)，用示波器測量激光穿過水霧后的強度衰減情況。圖7為相同路徑噴霧吸收實驗的測試波形(高的為lOOmV/格，低的20mV/格)，可見，純水霧和添加1%添加劑噴霧對282nm激光均有吸收，但二者對激光的吸收率差別不大。為了減小水霧對激光的衰減，我們將實驗裝置的窗口處加裝了兩個筒狀的管道，加裝后的實驗表明，水霧對激光的衰減明顯降低。YC-E350亞都加濕器8(北京亞都科技股份有限公司)；鐵制支架7;電子天平(精度0.lg);100ml量筒一個；500ml燒杯一個；100ml燒杯兩個；自制方形燃燒裝置，如圖1所示，方形燃燒裝置長12cm，寬lOcm，高34.2cm，加濕器高34.2cm;方形燃燒裝置中心的小杯子中裝有90#或70#車用汽油，高度在2cm-3cm的汽油點燃即形成一定大小的火焰。利用加濕器8可以將水霧噴撒到空氣中的原理，我們將加濕器放在點火裝置的下方，使得水霧或含有添加劑的水霧與上方的火焰相作用。為了使霧通量(g/min)(單位時間內(nèi)水霧上升的質(zhì)量)相同，我們在加濕器上安裝了電流調(diào)節(jié)裝置。進行試驗測量實驗簡要步驟如下1.在水溫為15-25。C、室溫為16-26。C條件下將水或含有相應(yīng)濃度(0-2%)KIDBE水霧添加劑的水加入加濕器。2.用圖1所示裝置左側(cè)的分液漏斗將杯中的油加到固定高度(2-3cm)。每次實驗后將原來的油倒掉，冷卻一段時間后換成新的油。3.實驗開始前將加濕器預熱20分鐘(加濕器與上面火焰裝置之間有擋板，預熱期間水霧不會通到上層，會從側(cè)口飄出)，預熱結(jié)束后，調(diào)節(jié)開關(guān)旋鈕和電流，使霧通量達到要求的固定值，并調(diào)節(jié)擋板，使水霧與火焰發(fā)生作用，同時用相應(yīng)的測試儀器測量火焰區(qū)的相關(guān)變化。由于實驗用加濕器不是定量儀器，水霧成分不同時，相同時間產(chǎn)生的水霧質(zhì)量不同，為了保證霧通量為定值，實驗結(jié)果具有可比性，我們在加濕器上安裝了量程為0-10A的電流調(diào)節(jié)裝置，并與開關(guān)旋鈕共同配合，對霧通量進行了標定，所得實驗數(shù)據(jù)見附件。由實驗數(shù)據(jù)可知1.加濕器在剛打開時，霧通量上升較大，而后趨于穩(wěn)定，因此應(yīng)讓加濕器預熱約20分鐘。2.添加細水霧添加劑后的霧通量比純水霧要小。因此預熱條件相同的情況下(兩個旋鈕都開到最大)，預熱結(jié)束時，含有添加劑的水霧旋鈕位置保持不變，而純水霧的電流要調(diào)節(jié)到0.550A。實施例1:激光誘導熒光法測定水霧作用下火焰中OH自由基變化搭建自制燃燒裝置，接通電源，在水溫為15t:、室溫為16t:條件下將水加入加濕器，用分液漏斗將杯中的90#汽油加到2cm高度。實驗開始前將加濕器預熱20分鐘(加濕器與上面火焰裝置之間有擋板，預熱期間水霧不會通到上層，會從側(cè)口飄出)，預熱結(jié)束后，點燃杯中汽油，5min后，運用軟件控制激光，掃描火焰區(qū)，然后調(diào)節(jié)開關(guān)旋鈕至最大，電流調(diào)至0.550A，并調(diào)節(jié)擋板，使水霧與火焰發(fā)生作用，五分鐘后，再次進行掃描，每次掃描時間為2秒，掃描一次得多組信號強度數(shù)據(jù)，繪制所得曲線如圖4所示。圖4水霧實驗(a為無水霧，b為加水霧，圖中左側(cè)尖峰為激光入射小窗口散射)已知水霧作用抑制燃燒，減少OH自由基的量，由圖4中數(shù)據(jù)可以看出，水霧作用下激光信號曲線有明顯變化，證明激光誘導熒光法可以驗證水霧的滅火效果。表1至表3為不同電流下的霧通量測量測量結(jié)果表l-—圖4(c)霧通量測量水溫17。C;室溫18。C<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2-—圖4(d)霧通量測量水溫17。C;室溫18。C<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表3-—圖4(e)霧通量測量水溫17。C;室溫18°C<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實施例2:激光誘導熒光法測定含1%添加劑水霧作用下火焰中OH自由基變化搭建自制燃燒裝置，接通電源，在水溫為17t:、室溫為1『C條件下將含1%添加劑的水加入加濕器，用分液漏斗將杯中的70#汽油加到固定高度2.5cm。實驗開始前將加濕器預熱20分鐘(加濕器與上面火焰裝置之間有擋板，預熱期間水霧不會通到上層，會從側(cè)口飄出)，預熱結(jié)束后，點燃杯中汽油，5min后，運用軟件控制激光，掃描火焰區(qū)，然后調(diào)節(jié)開關(guān)旋鈕至最大，電流調(diào)至0.550A，并調(diào)節(jié)擋板，使水霧與火焰發(fā)生作用，五分鐘后，再次進行掃描，每次掃描時間為2秒，掃描一次得多組信號強度數(shù)據(jù)，繪制所得曲線如圖5所示。圖5為1%添加劑實驗(a為無噴霧，b為加噴霧，圖中左側(cè)尖峰為激光入射小窗口散射)。已知添加劑有減少火焰中0H自由基的作用，從圖4中數(shù)據(jù)可以看出，含1%添加劑水霧作用下激光信號曲線與圖4相比有較明顯變化，證明激光誘導熒光法可以驗證滅火效果。表4—圖5(c)霧通量測量水溫17°C;室溫18°C<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>502586.82.60.520.656552584.22.60.520.657602580.63.60.720.658652577.13.50.700.659702572.44.70.940.659752568.44.00.800.660802563.64.80.960.661實施例3:激光誘導熒光法測定含2%添加劑水霧作用下火焰中OH自由基變化搭建自制燃燒裝置，接通電源，在水溫為25t:、室溫為26t:條件下將含2%添加劑的水加入加濕器，用分液漏斗將杯中的70#汽油加到固定高度3cm。實驗開始前將加濕器預熱20分鐘(加濕器與上面火焰裝置之間有擋板，預熱期間水霧不會通到上層，會從側(cè)口飄出)，預熱結(jié)束后，點燃杯中汽油，5min后，運用軟件控制激光，掃描火焰區(qū)，然后調(diào)節(jié)開關(guān)旋鈕至最大，電流調(diào)至0.550A，并調(diào)節(jié)擋板，使水霧與火焰發(fā)生作用，五分鐘后，再次進行掃描，每次掃描時間為2秒，掃描一次得多組信號強度數(shù)據(jù)，繪制所得曲線如圖6所示。圖6為2%添加劑實驗(左為無噴霧，右為加噴霧圖中左側(cè)尖峰為激光入射小窗口散射)。已知添加劑有減少火焰中0H自由基的作用，從圖5中數(shù)據(jù)可以看出，含2%添加劑水霧作用下激光信號曲線與圖4、圖5相比有較明顯變化，證明激光誘導熒光法可以驗證滅火效果。表4-—圖6(c)霧通量測量水溫17°C;室溫18°C時間t(min)剩余質(zhì)量m(g)蒸發(fā)質(zhì)量Am(g)霧通量(g/min)電流(A)02559.1202555.43.70.644252553.71.70.340.647302552.71.00.200.650352551.71.00.200.652402550.31.40.280.653452548.32.00.400.6559<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權(quán)利要求一種在線測量B類火火焰區(qū)OH自由基濃度的方法，其特征在于包括如下步驟1.)在水溫為15-25℃、室溫為16-26℃條件下將含有相應(yīng)濃度(0-2％)KIDBE水霧添加劑的水加入加濕器(8)；2.)通過梨形漏斗(1)將裝油杯(5)中的油加到固定高度即2-3cm；3.)預熱加濕器，當霧通量達到要求的固定值，點燃步驟2所述裝油杯(5)中的油，通過水霧上升控制管(6)使水霧與火焰接觸；4.)采用PLIF實驗裝置通過觀察窗(4)測量火焰區(qū)的OH自由基濃度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線測量B類火火焰區(qū)0H自由基濃度的方法，其特征在于所述霧通量固定值為0.2g/min。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線測量B類火火焰區(qū)0H自由基濃度的方法，其特征在于所述PLIF實驗裝置中激光器泵浦可調(diào)諧染料激光器，染料激光器輸出激光再經(jīng)倍頻器產(chǎn)生脈寬為7ns、能量為5mJ、線寬為0.3cm—\波長為282.03nm激光束，所述波長為282.03nm激光束經(jīng)柱面透鏡(11)壓縮為高為5mm、厚為100ym的波長為為308nm的片狀激光入射到火焰區(qū)。4.根據(jù)權(quán)利要求4所述的在線測量B類火火焰區(qū)0H自由基濃度的方法，其特征在于所述激光器為YAG激光器。5.—種基于權(quán)利要求1所述的在線測量B類火火焰區(qū)OH自由基濃度的方法的火焰裝置，其特征在于包括梨形漏斗(1)、方形燃燒裝置(3)、裝油杯(5)、水霧上升控制管(6)、支架(7)和加濕器(8)，其中裝油杯(5)設(shè)置于方形燃燒裝置(3)內(nèi)，梨形漏斗(1)固定于方形燃燒裝置(3)外部并通過導管與裝油杯(5)連接，方形燃燒裝置(3)固定于支架(7)上，加濕器(8)設(shè)置于支架(7)內(nèi)部并通過水霧上升控制管(6)與方形燃燒裝置(3)連通，所述方形燃燒裝置(3)上還設(shè)置觀察窗(4)。6.根據(jù)權(quán)利要求基于權(quán)利要求2所述的在線測量B類火火焰區(qū)OH自由基濃度的方法的火焰裝置，其特征在于所述加濕器加濕器(8)上還設(shè)置水霧控制閥(10)。7.根據(jù)權(quán)利要求基于權(quán)利要求2或3所述的在線測量B類火火焰區(qū)OH自由基濃度的方法的火焰裝置，其特征在于所述加濕器加濕器(8)上還設(shè)置電流表(9)。全文摘要本發(fā)明公布了一種在線測量B類火火焰區(qū)OH自由基濃度的方法及火焰裝置，本發(fā)明方法采用激光誘導熒光技術(shù)，使用一束已經(jīng)調(diào)諧至OH的吸收波長308nm的激光輻照火焰區(qū)OH自由基，使之恰好發(fā)生由低電子態(tài)向高電子態(tài)的共振躍遷。這種激發(fā)態(tài)的分子隨即自發(fā)輻射放出熒光，在保持激光強度和儀器條件不變的情況下，于是總熒光強度便正比于始態(tài)的OH自由基濃度，從而測得OH自由基的濃度。本發(fā)明所述裝置包括梨形漏斗(1)、方形燃燒裝置(3)、裝油杯(5)、水霧上升控制管(6)、支架(7)和加濕器(8)。本發(fā)明測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)。文檔編號G01N21/64GK101793827SQ201010017910公開日2010年8月4日申請日期2010年1月15日優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日發(fā)明者葉明生,徐強,曹麗英,李燕,李生有,汪立,潘仁明,闕興貴,高飛申請人:公安部上海消防研究所;南京理工大學