油品燃烧火焰光谱特性实验研究

杜　威　陈德健

（中国人民武装警察部队学院研究生三队，河北　廊坊）

摘要：基于发射光谱分析的原理，通过分析小尺寸试验中得到的6种油品的燃烧火焰光谱数据，使用提出的光谱特征分析方法，包括对光谱密度、平均单色辐射光强和偏差、波段辐射能量及偏差、偏度和峰度的计算方法，并对6种油品的燃烧火焰发射光谱进行对比分析，分析得到的光谱特征可作为检测油品燃烧火焰的判据。

关键词：消防；火焰光谱；光谱特性；特征波长

1　引言

油料火灾是一类危害巨大的安全事故，其燃烧特性的研究是针对此类火灾发展趋势预测及预防的前提，目前针对油料火灾的燃烧速度、火焰高度、温度及闪烁频率进行了实验和理论研究，但在油料火灾的预警上还存在着反应不灵敏，识别准确率不高的问题。火焰光谱是燃烧中间产物自由基离子在高温受激状态下的电磁辐射，光谱强度是火焰在整个波段范围内的辐射强度分布。鉴于光谱辐射速度快的特性，将其应用于油料火灾的预警消防将取得良好效果。

对火焰光谱的研究始于19世纪，Gaydon[1]对碳氢火焰、CO火焰、有机火焰以及爆炸火焰等多种火焰发光自由基离子的光谱组成进行了综述；Zizak[2]对氢以及碳氢预混火焰在紫外和可见光区域的发射光谱特性进行了研究；Bernard[3]对CO、烃在空气中的燃烧火焰光谱进行研究；刘暄亚等[4]利用中阶梯光栅光谱仪对水雾作用下甲烷/空气预混火焰的光谱特性进行了实验研究；冯军[5]等对0＃柴油和航空煤油光谱特征进行研究。针对油料光谱特性的研究仍比较少。

本文使用英国产Newton Andor SR500-i型号的光栅光谱仪及其配套的软件操作系统对0＃柴油、–10＃柴油、–35＃柴油、70＃汽油、93＃汽油及航空煤油的光谱进行采集并进行对比分析。

2　实验部分

2.1　实验装置

实验所用光谱数据采集系统使用英国产Newton Andor SR500-i型号的光栅光谱仪及其配套的软件操作系统，如图1所示。在光谱采集时使用Andor SOLIS软件中提供的动态采集模式（kinetic mode），采集宽度约为350nm，为提高光谱仪数据数据采集的速度，采用Crop mode模块，确定分辨率为1024×36，曝光时间确定为0.001s，拍摄频率固定为1000Hz。

光谱仪工作原理如图2所示。光源H发出的光经由光纤探头L1，通过入射狭缝S进入准直系统L2，使狭缝发出的光线变为平行光。准直系统可以是一独立的透镜或反射镜，也可直接集成在色散元件上。平行光经过色散系统G，通过光栅使光信号在空间上按波长分散成为单色光。单色光经由成像系统L3聚焦在焦平面上形成一系列入射狭缝的像，其中每一像点对应一特定波长。最后经由焦平面上的CCD，测量各波长像点的光强度，呈现在探测显示系统PM上，并由数据处理系统对光谱数据进行分析处理。

油料燃烧过程中，产生的热能使生成的中间产物分子、原子和自由基的外围电子处于激发状态，从低能级跃迁至高能级。处于高能级的原子和分子以及离子基团非常不稳定（激发状态可存在的时间为10–8s），会自发地回到基态，在向较低能级跃迁时会发射一定波长的光子，将多余的能量发射出去形成光谱。

2.2　实验方案及数据处理

使用光谱仪将准直透镜固定在三脚架上，对150mm油盘直径的0#柴油、–10#柴油、–35#柴油、70#汽油、93#汽油、航空煤油6种油品的燃烧火焰光谱进行采集，由于光谱仪性能的限制，200～1200nm波段的光谱数据分三次进行采集，采集波段分别为200～550nm、550～900nm和900～1200nm。实验过程中光谱仪采集数据使用去除背景模式counts（BG-corrected），在每次实验前均采集背景光谱，消减因背景光线的波动对实验造成的误差。每个实验工况均进行3次重复性实验减小误差对实验数据的影响。

3　火焰光谱特征分析方法

3.1　频域光谱分析方法

频域光谱是对某一特定时刻目标光强跟随波长变化的情况，描述瞬时光强在各个波长处的分布情况。

（1）导数光谱—光谱密度。对频域光谱图求导即为光谱密度，它反映了爆炸火焰及相关光源的光强在各个波长处分布的密集程度，其计算公式为：

　　 （1） 　　

式中，ρ为光谱密度；Iλ为波长λ处的光谱强度。

（2）波段辐射强度。反映了发射光源在任意波段内的辐射能力，计算公式为：

　　 （2） 　　

式中，I为波段辐射光强度，λi为光谱波长；n为所求波段数据数。

（3）波段平均单色辐射光强及偏差。对频域光谱任意波段求平均即为波段平均单色辐射光强，其计算公式如下：

　　 （3） 　　

式中，为平均单色辐射光强；I为波段辐射光强度；λ1、λ2为起止波长。

而波段单色辐射光强与平均值的偏离程度即为偏差值，计算公式如下：

　　 （4） 　　

式中，为偏差值；n为所求数据个数。

3.2　时域光谱分析方法

时域光谱图是某个固定波长或某个固定波段处辐射光功率随时间变化的情况。

（1）波段辐射能量Et。反映了从t1到t2时间段内单位球面度的辐射能量值，其计算公式如下：

　　 （5） 　　

式中，Et为波段辐射能量；I为t时刻单位球面度的辐射能量值；t1、t2为起止时刻。

（2）时间段平均及偏差。对时域光谱求时间段平均即为时间段平均，描述了该时间段内的平均辐射光功率，计算公式如下：

　　 （6） 　　

偏差反映了在该时间段内辐射光功率与平均值的偏离程度，从整体上描述了光功率的动态变化范围，计算公式如下：

　　 （7） 　　

式中，为时间段平均；Dt为偏差。

3.3　特性参数分析方法

采用数学统计的方法对光谱特性参数偏度和峰度进行分析。

（1）偏度。反映谱线相对于均值的对称性，其计算公式如下：

　　 （8） 　　

（2）峰度。反映了峰值峭度，该值大小反映了对探测器各项参数的要求，该值越大对探测器各项参数的要求越高，其计算公式如下：

　　 （9） 　　

式中，p是峰度；Ii是波段辐射功率；σ是标准差。

4　油品光谱燃烧火焰特征

4.1　频域光谱分析

选取6种油品燃烧过程中光谱特征较为明显的火焰发射光谱作为分析对象，对其频域光谱进行分析，光谱密度如图3所示。

由图3可以看出，6种油品燃烧火焰的光谱密度变化规律类似。6种油品燃烧火焰的光谱密度变化规律类似。在200～550nm波段范围内，6种油品均在516.2nm处光谱密度发生突变，由正向负转变；在550～900nm波长范围内，6种油品燃烧火焰光谱密度均在588～589nm、765～ 766nm、769～770nm内由正向负转换，且变化最为剧烈；在900～1200nm波长范围内，6种油品燃烧火焰的发射光谱均在927～928nm范围内出现光谱密度的突变，且在950～975nm范围内有较为明显的波动。

6种油品的平均单色辐射光强偏差值如图4所示。可以看出，其平均单色辐射光强偏差值的规律基本一致，200～ 550nm波段内主要在430nm之后的波段范围内表现出较为明显的偏差，其中又以430.6nm和516.2nm处的偏离程度最为明显，在550～900nm波段范围内均为总体由负偏差向正偏差的转变，在此过程中存在3个特征波长处偏差最为明显，分别为588.4nm、766.0nm和769.5nm，在900～1200nm波段内表现为同一趋势，且在927.9nm处偏离程度相较其他波长处较为明显。

4.2　时域光谱分析

对6种油品的火焰信号进行时域分析，选取油品燃烧过程中一次火焰闪烁频率内约20ms的光谱数据进行分析，结果如图5和图6所示。

如图5及图6所示，6种油品在3个波段范围内燃烧火焰的波段辐射能量均呈现出先缓慢增加然后突然增大的趋势，类似t2火的增长，偏差的变化规律与波段辐射能量类似，可以看出油品燃烧火焰变化规律均呈现出类似t2火的趋势。

4.3　特性参数分析

选取采集的实验条件下的油品燃烧火焰特征较为明显的光谱数据进行特征参数分析，结果如图6和图7所示。

如图7所示，选取的特定时刻油品燃烧火焰偏度值的变化规律呈现出相同的趋势，偏度平均值在200～550nm、550～900nm、900～1200nm三个波段内均存在特殊点，在200～550nm及550～900nm波段范围内的正负偏离程度较为明显，综合考虑偏差最大波长值为516.2nm及766.0nm处。

图8所示为实验条件下6种油品的燃烧火焰峰度平均值。峰度反映了波峰的峭度，峰度值越大对探测器的各项性能要求越高。由图8可以看出，峰度的变化规律与偏度类似，在200～550nm及900～1200nm波段范围内峰度值较小，综合比较在波长为516.2nm和927nm处偏度值明显而峰度绝对值较小，适合作为油品燃烧火焰探测的特征波长。

5　结论

（1）将发射光谱分析方法应用于6种油品燃烧火焰的发射光谱分析中，得出了频域特征参数光谱密度、波段辐射光强度、波段平均及偏差，时域特征参数波段辐射能量、时间段平均及偏差和特性参数偏度、峰度。

（2）6种油品燃烧火焰光谱密度在516.2nm、588～589nm、765～766nm、769～770nm、927～928nm处在1nm范围内在正向与负向之间转换，光谱密集程度剧烈变化；6种油品的平均单色辐射光强偏差值在430.6nm、516.2nm、588.4nm、766.0nm、769.5nm和927.9nm最为明显；

（3）时域分析的角度，6种油品燃烧火焰光谱信号强度呈现出先缓慢增长再突然变化的趋势，到达峰值后逐渐减弱，类似t2火的增长。

（4）6种油品的偏度和峰度变化规律类似，在200～ 550nm及550～900nm波段范围内的正负偏离程度较为明显，且在这两个波段范围内峰度值均小于550～900nm，可作为探测油品燃烧火焰的波段。

参考文献

[1] Gaydon A G. The Spectroscopy of Flames. London：Chapman&Hall LTD，1974.

[2] Zizak G. Flame Emission Spectroscopy：Fundamentals and Applications[C]Asia Pacific Hci and Ux Design Symposium. ACM，2015：2067-2085.

[3] Bernard Lewis，Guenther von Elbe. 燃气燃烧与瓦斯爆炸[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007.

[4] 刘暄亚. 水雾作用下甲烷/空气层流预混火焰燃烧特性研究[D]. 合肥：中国科学技术大学，2006.

[5] 冯军，蒋新生，翟琰，等. 油品燃烧火焰光谱特性模拟实验研究[J]. 后勤工程学院学报，2016，01：23-28.