CN108443001B - 一种氨气浓度分布测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氨气浓度分布测试装置，包括图像摄取装置、控制器、激光器、第一玻璃块、圆管、第二玻璃块和导气管；第一玻璃块安装在圆管的一端，第一玻璃块开有与圆管的一端相通的通孔；第二玻璃块安装在圆管的另一端；导气管与圆管排气口相连；激光器与第一玻璃块处于同一平面内，激光器发出的激光通过第一玻璃块进入圆管内；图像摄取装置与第一玻璃块和第二玻璃块在同一轴线上，并相互平行，获取氨气受激光作用产生的荧光图像；激光器和控制器分别与控制器连接。该***装置可同时实现SCR***催化剂前端整个截面上氨气浓度分布可视化及定量测试，具有测量精度高、测试范围全面的优点，为SCR***及排气管路优化设计提供指导性的作用。

Description

一种氨气浓度分布测试装置
技术领域
本发明属于内燃机测试技术领域，主要涉及一种氨气浓度分布测试装置；针对柴油机后处理SCR***催化剂前端的氨气浓度分布测试，能够全面测量整个截面上的浓度分布。
背景技术
SCR后处理技术是柴油机降NOx的关键后处理技术，其工作原理是向排气管尾气中喷入尿素水溶液，以提供还原剂氨气，同时与排气中的NOx进行反应实现降NOx。其中尿素水溶液的雾化分解和后续与排气的混合对SCR性能有着至关重要的影响，尤其是SCR入口处截面上的尿素水溶液喷雾分解产物氨气浓度分布的均匀性直接影响着NOx的转化效率，因此SCR催化剂前端氨气浓度分布的测试，对SCR***优化以及柴油机减排显得尤为重要。
目前，SCR***氨气浓度分布测试由于其为气相，一般采用点测试法，通过收集流过该点的气相物质，利用傅里叶红外线光谱FTIR分析得到该点浓度，测试范围不够全面，布点过程繁琐并且无法得到瞬态数据，还没有能够全面准确反映整个截面上浓度分布的测试装置。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种氨气浓度分布测试装置。主要用于柴油机尾气后处理SCR催化剂前端整个截面上氨气浓度分布的可视化，通过图像处理过程，定量测量及分析该截面上氨气浓度分布以及均匀性，为SCR尿素喷射***及排气管路优化提供依据。
本发明的技术方案是：一种氨气浓度分布测试装置，包括图像摄取装置、控制器、激光器、第一玻璃块、圆管、第二玻璃块和导气管；
所述第一玻璃块安装在圆管的一端，第一玻璃块开有与圆管的一端相通的通孔；所述第二玻璃块安装在圆管的另一端；所述导气管与圆管排气口相连；所述激光器与第一玻璃块处于同一平面内，激光器发出的激光通过第一玻璃块进入圆管内；所述图像摄取装置与第一玻璃块和第二玻璃块在同一轴线上，并相互平行，获取氨气受激光作用产生的荧光图像；所述激光器和图像摄取装置分别与控制器连接。
上述方案中，所述激光器发射的激光为单色平行光束，波长范围为50nm～900nm，单色平行光束从垂直于正方形石英玻璃的一个侧面射入，同时垂直于圆管的轴线，激光宽度大于或等于圆管内径。
上述方案中，所述第一玻璃块为正方形石英玻璃，所述正方形石英玻璃通过第一法兰1安装在圆管的一端，且正方形石英玻璃位于圆管一端和第一法兰之间，且相互平行；正方形石英玻璃正中间开有正方形孔，正方形孔边长与圆管内径一致。
上述方案中，所述第二玻璃块为圆形石英玻璃窗，所述圆形石英玻璃窗通过第二法兰安装在圆管的另一端；且圆形石英玻璃窗位于圆管另一端与第二法兰之间，且相互平行，圆形石英玻璃窗直径大于圆管内径。
上述方案中，所述第一法兰内径等于排气管靠近圆管一端的外径，第一法兰周向开有通孔，孔数不少于4个；所述第二法兰内径大于圆管内径，且小于圆形石英玻璃窗直径，第二法兰周向开有通孔，孔数不小于4个。
上述方案中，所述圆管一端与正方形石英玻璃之间，正方形石英玻璃与第一法兰之间，圆管另一端与圆形石英玻璃窗之间，圆形石英玻璃窗与第二法兰之间分别装有环形耐高温密封垫圈，环形耐高温密封垫圈内径大于圆管内径。
上述方案中，所述圆管内径等于排气管所需测量截面处的内径，圆管长度为4倍圆管内径长。
上述方案中，所述排气口设置在圆管靠近圆形石英玻璃窗一端的管壁上。
上述方案中，所述导气管中装有流量控制阀。
上述方案中，所述控制器包含有同步控制模块、数据采集模块、存储模块和图像处理模块；所述同步控制模块用以接收输入的相关测试参数；所述数据采集模块与图像摄取装置连接，用以采集正方形石英玻璃处截面上喷雾图像信息数据；所述存储模块用以将图像信息数据存储到存储器中；所述图像处理模块用以对图像进行处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够全面实时测量实际发动机运行条件下排气管内截面上的氨气浓度分布可视化及定量测试，并分析得到浓度分布均匀性，且测量精度高，测量数据全面，操作方便，可实现瞬态测量，为SCR***及排气管路优化设计提供指导性的作用。
附图说明
图1为本发明氨气浓度分布测试装置示意图。
图2为第一法兰结构示意图。
图3为第二法兰结构示意图。
图4为圆管和导气管连接示意图。
图中，1、第一法兰；2、正方形石英玻璃；3、圆管；4、圆形石英玻璃窗；5、第二法兰；6、环形耐高温密封垫圈；7数字CCD摄像机；8、激光器；9、控制器；10、螺栓；11、螺母；12、SCR尿素喷射***；13、排气管；14、导气管；15、柴油机；16、流量控制阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明优选实施例主要包括图像摄取装置、控制器9、激光器8、第一玻璃块、圆管3、第二玻璃块和导气管14。
所述第一玻璃块安装在圆管3的一端，第一玻璃块开有与圆管3的一端相通的通孔；所述第二玻璃块安装在圆管3的另一端；所述导气管14与圆管3排气口相连；所述激光器8与第一玻璃块处于同一平面内，激光器8发出的激光通过第一玻璃块进入圆管3内；所述图像摄取装置与第一玻璃块和第二玻璃块在同一轴线上，并相互平行，获取氨气受激光作用产生的荧光图像；所述激光器8和图像摄取装置分别与控制器9连接。
优选的，所述图像摄取装置为数字CCD摄像机7。所述第一玻璃块为为正方形石英玻璃2；所述第二玻璃块为圆形石英玻璃窗4。
所述圆管3的一端与带有SCR尿素喷射***12的排气管13的一端连接，所述第一玻璃块位于圆管3与排气管13之间，且排气管13的气体通过第一玻璃块的通孔进入圆管3内。
柴油机15与排气管13的另一端相连，提供真实的发动机运行工况，并由SCR尿素喷射***12提供能够产生氨气的尿素水溶液喷雾。在SCR催化剂前端面处切割排气管13，得到的截面为所需测量氨气浓度分布的截面，将第一法兰1焊接在排气管13末端。
所述激光器8发射的激光为单色平行光束，波长范围为50nm至900nm，单色平行光束从垂直于正方形石英玻璃2的一个侧面射入，同时垂直于圆管3的轴线，激光宽度大于或等于圆管3内径。
所述正方形石英玻璃2位于圆管3一端和第一法兰1正中间，且相互平行；第一法兰1内径等于排气管13靠近圆管3一端的外径，第一法兰1周向开有通孔，孔数不少于4个；正方形石英玻璃2正中间开有正方形孔，正方形孔边长与圆管3内径一致。
所述圆形石英玻璃窗4位于圆管3另一端与第二法兰5正中间，且相互平行，圆形石英玻璃窗4直径大于圆管3内径；第二法兰5内径大于圆管3内径，且小于圆形石英玻璃窗4直径，第二法兰5周向开有通孔，孔数不小于4个。
所述圆管3可耐高温，最高温度为600℃-700℃，圆管3内径为排气管13所需测量截面处的内径，圆管3长度为4倍圆管3内径长，且在靠近圆形石英玻璃窗4一端的管壁上开有排气口；圆管3靠近正方形石英玻璃2一端加工有法兰，法兰上开有与第一法兰1上通孔直径及位置相一致的通孔；螺栓10和螺母11通过通孔将第一法兰1和圆管3一端连接，并将中间的正方形石英玻璃2夹紧固定。圆管3靠近圆形石英玻璃窗4一端加工有法兰，法兰上开有与第二法兰5上通孔直径及位置相一致的通孔；螺栓10和螺母11通过通孔将第二法兰5和圆管3另一端连接，并将中间的圆形石英玻璃窗4夹紧固定。
所述圆管3一端与正方形石英玻璃2之间，正方形石英玻璃2与第一法兰1之间，圆管3另一端与圆形石英玻璃窗4之间，圆形石英玻璃窗4与第二法兰5之间分别装有环形耐高温密封垫圈6，环形耐高温密封垫圈6内径大于圆管3内径。
如图1和2所示，在第一法兰1和圆管3一端之间分别放置环形耐高温垫圈6、正方形石英玻璃2、环形耐高温垫圈6，并使得它们的中心在同一轴线上。使用螺栓和螺母通过第一法兰1和圆管3一端法兰上的对应通孔将第一法兰1和圆管3连接，同时夹紧固定环形高温垫圈6和正方形石英玻璃2。
如图1和3所示，在第二法兰5和圆管3另一端之间分别放置环形耐高温垫圈6、圆形石英玻璃窗4、环形耐高温垫圈6，并使得它们的中心在同一轴线上。使用螺栓和螺母通过第二法兰5和圆管3另一端法兰上的对应通孔将第二法兰5和圆管3连接，同时夹紧固定环形高温垫圈6和圆形石英玻璃窗4。
如图4所示，通过排气口将导气管14的一端与圆管3连接起来，本实例采用焊接方法进行连接，所述导气管14内径大于或等于排气口直径，并在导气管14另一端安装流量控制阀16，以其开度提供一定背压。
本实例中，采用bnc线连接SCR尿素喷射***12中的喷嘴与控制器9，使得控制器9能够控制喷嘴的开启时刻与喷射脉宽。采用bnc线连接激光器8与控制器9，使得控制器9能够控制激光的开启时刻与频率。采用bnc先连接数字CCD摄像机7与控制器9，使得控制器9能够调整数字CCD摄像机7的拍摄时刻，频率和曝光时间等参数。
控制器9包括同步控制模块、数据采集模块、存储模块和图像处理模块；所述同步控制模块用以接受键盘输入的相关测试参数；所述数据采集模块用以采集正方形石英玻璃2处截面上喷雾图像信息数据；所述存储模块用以将图像信息存储到存储器的相应数据文件中；所述图像处理模块用以对图像大小，色调进行编辑与处理。
调整激光器8、数字CCD摄相机7位置。使得激光器8发射的平行光束垂直于正方形石英玻璃2的一个侧面，且同时垂直于圆管3轴线，调整平行光束宽度不小于拍摄截面直径，即能够覆盖SCR催化剂前端整个截面。使得数字CCD摄像机7与圆形石英玻璃窗4在同一轴线上并且镜头与圆形石英玻璃窗4平行；调整数字CCD摄像机7焦距，使其获得所测截面处足够清晰的画面；在数字CCD摄像机7镜头前安装滤光片，有效抑制激光照射到氨气分子所产生的瑞利散射光、米氏散射光及其他杂散射光的干扰，以保证氨分子荧光信号的有效测量。
截面氨气浓度分布图像采集：调整柴油机运行至一稳定工况，通过控制器9同步控制模块，设定尿素水溶液喷射频率、喷射脉宽、激光发射频率、激光强度、图像采集频率、采集时间、拍摄速度、曝光率等参数；本实例中，尿素水溶液喷射频率设定为10Hz、喷射脉宽为5ms；激光发射频率为10Hz、脉宽为10ns、激光强度为400；图像采集频率即数字CCD摄像机7拍摄频率为10Hz、曝光时间为500μs；同时通过同步控制模块可调整尿素喷射、激光发射和数字CCD摄像机7拍摄时刻之间的延迟，由此能够实现拍摄，本实例中设定延迟均为0s。
上述参数设定完成后，开始工作，当SCR尿素喷射***12工作到特定时刻时，激光器8闪烁，基于平面激光诱导荧光原理，通过发射一定波长的激光，照射到氨分子上产生荧光，同时由数字CCD摄像机7捕捉到正方形石英玻璃2处截面上的荧光信号并存储为图片，由此完成图像信息采集，并传送到计算机图像采集处理***9的数据采集模块；数据采集模块将图像信息储存在存储模块，图片上荧光的分布就是整个截面氨气浓度的分布，即整个截面氨气浓度分布的可视化。
测试完成后，利用计算机以及存储在计算机中标定的数据，通过所述图像处理模块进行图像处理与分析，该标定数据为不同荧光信号强度在不同温度和压力条件下对应的氨气浓度数据，由此根据所拍摄图片上的荧光信号强度可得到该截面任意一点氨浓度，即实现了定量测量。
因此，全面准确测量实际发动机运行条件下排气管内SCR***催化剂前端截面氨气浓度分布是本专利解决的问题。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氨气浓度分布测试装置，其特征在于，包括图像摄取装置、控制器(9)、激光器(8)、第一玻璃块、圆管(3)、第二玻璃块和导气管(14)；
所述第一玻璃块安装在圆管(3)的一端，第一玻璃块开有与圆管(3)的一端相通的通孔；所述第二玻璃块安装在圆管(3)的另一端；所述导气管(14)与圆管(3)排气口相连；所述激光器(8)与第一玻璃块处于同一平面内，激光器(8)发出的激光通过第一玻璃块进入圆管(3)内；所述图像摄取装置与第一玻璃块和第二玻璃块在同一轴线上，并相互平行，获取氨气受激光作用产生的荧光图像；所述激光器(8)和图像摄取装置分别与控制器(9)连接；所述控制器(9)包含有同步控制模块、数据采集模块、存储模块和图像处理模块；所述同步控制模块用以接收输入的测试参数；所述数据采集模块与图像摄取装置连接，用以采集第一玻璃块处截面上喷雾图像信息数据；所述存储模块用以将图像信息数据存储到存储器中；所述图像处理模块用以根据标定的数据对图像进行处理，所述标定数据为不同荧光信号强度对应的氨气浓度数据，根据图像信息数据上的荧光信号强度能得到所述截面任意一点氨浓度。
2.根据权利要求1所述氨气浓度分布测试装置，其特征在于，所述激光器(8)发射的激光为单色平行光束，波长范围为50nm～900nm，单色平行光束从垂直于正方形石英玻璃(2)的一个侧面射入，同时垂直于圆管(3)的轴线，激光宽度大于或等于圆管(3)内径。
3.根据权利要求1所述氨气浓度分布测试装置，其特征在于，所述第一玻璃块为正方形石英玻璃(2)，所述正方形石英玻璃(2)通过第一法兰(1)安装在圆管(3)的一端，且正方形石英玻璃(2)位于圆管(3)一端和第一法兰(1)之间，且相互平行；正方形石英玻璃(2)正中间开有正方形孔。
4.根据权利要求3所述氨气浓度分布测试装置，其特征在于，所述第二玻璃块为圆形石英玻璃窗(4)，所述圆形石英玻璃窗(4)通过第二法兰(5)安装在圆管(3)的另一端；且圆形石英玻璃窗(4)位于圆管(3)另一端与第二法兰(5)之间，且相互平行，圆形石英玻璃窗(4)直径大于圆管(3)内径。
5.根据权利要求4所述氨气浓度分布测试装置，其特征在于，所述第一法兰(1)内径等于排气管(13)靠近圆管(3)一端的外径，第一法兰(1)周向开有通孔，孔数不少于4个；所述第二法兰(5)内径大于圆管(3)内径，且小于圆形石英玻璃窗(4)直径，第二法兰(5)周向开有通孔，孔数不小于4个。
6.根据权利要求4所述氨气浓度分布测试装置，其特征在于，所述圆管(3)一端与正方形石英玻璃(2)之间，正方形石英玻璃(2)与第一法兰(1)之间，圆管(3)另一端与圆形石英玻璃窗(4)之间，圆形石英玻璃窗(4)与第二法兰(5)之间分别装有环形耐高温密封垫圈(6)。
7.根据权利要求1所述氨气浓度分布测试装置，其特征在于，所述圆管(3)内径等于排气管(13)所需测量截面处的内径，圆管(3)长度为4倍圆管(3)内径长。
8.根据权利要求1所述氨气浓度分布测试装置，其特征在于，所述排气口设置在圆管(3)靠近圆形石英玻璃窗(4)一端的管壁上。
9.根据权利要求1所述氨气浓度分布测试装置，其特征在于，所述导气管(14)中装有流量控制阀(16)。
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