Лазерная абсорбционная томография для измерения содержания аммиака в выхлопных газах дизельных двигателей (продолжение))

Изображения были скомпилированы в видеоролик длительностью 500 мс, показывающий эволюцию поля концентрации аммиака, усредненного по фазе, с учетом периодической стационарности поля при каждом импульсе дозатора. Эксперимент представлял собой наблюдение за распределением концентрации аммиака в присутствии системы селективного каталитического восстановления при температуре выхлопных газов 453-574 К, номинальном диаметре выхлопных труб 28 см и 33 см и использовании секций для смешивания с различной геометрией. Максимальные средние значения, измеренные с помощью лазера, в основном находятся в пределах 10% от средних значений, одновременно измеренных с помощью инфракрасного спектрометра с преобразованием Фурье.

Результаты и обсуждение

Томографическая реконструкция методом сканирования

В ходе данного исследования были проанализированы четыре случая с использованием секций для смешивания с различной геометрией и трубами разного диаметра, как показано в таблице 2.

В каждом случае одно лазерное сканирование из 100 зарегистрированных (например, показанное на рисунке 5) может быть использовано для реконструкции двумерного поля концентрации аммиака. Во время каждого лазерного сканирования генерируется 2130 спектров поглощения, соответствующих 71 линейному и 30 вращательным положениям. Каждый из этих спектров вычислялся при помощи эталонного лазерного сигнала, записанного вне трубы. На рисунке 6 показан репрезентативный график зависимости поглощения от времени, сгенерированный на основе одного сканирования в определенном линейном положении. Спектр на данном рисунке был выбран относительно базовой линии таким образом, чтобы минимумы поглощения вблизи краев графика достигали нуля.

Рисунок 6. Зависимость поглощения от времени в ходе одного сканирования

Рисунок 7. Репрезентативная линейная развертка пика поглощения во всем диапазоне перемещения (35 см) с шагом 0,5 см

Были собраны значения пиков поглощения при каждом сканировании (например, на рисунке 6), образовавшие проекционную матрицу 71 × 30 (всего 2130 элементов в матрице). На рисунке 7 показана линейная развертка пика поглощения под определенным углом для трубы диаметром 28 см, в которой поглощение вблизи границ линейного диапазона равно нулю из-за отсутствия поглощения излучения аммиаком вне трубы. По форме графика на рисунке 7 видно, как при перемещении лазерного детектора по поперечному сечению выхлопной трубы увеличение толщины поглощающего слоя приводит к повышению коэффициента поглощения.

При условии периодической стационарности потока относительно импульса дозации и отсутствия в выхлопной трубе резких перепадов концентрации аммиака, линейные развертки под другими углами будут иметь такой же непрерывный характер, как на рисунке 7. Это видно по графику линейных разверток под всеми 30 углами на рисунке 8.

С помощью проекционной матрицы пиков поглощения и инверсии Радона в программе MATLAB была получена матрица коэффициентов поглощения аммиака 71 × 71. Мольная доля аммиака, X_meas, может быть определена исходя их смоделированных и измеренных коэффициентов поглощения, k_{ν, sim} и k_ν,meas при использовании следующего уравнения:

X_meas = X_sim ⋅ k_ν,meas / k_ν,sim

На рисунке 9 представлена матрица мольных долей 71 × 71 (изображение концентрации аммиака) для трубы диаметром 28 см. Это изображение представляет собой только реконструкцию данных, показанных на рисунке 8. Круглое поперечное сечение трубы имеет диаметр 28 см на изображении, основанном на градиенте аммиака вблизи края круга. Средняя концентрация аммиака, измеренная с помощью лазера, определяется путем взятия средней концентрации аммиака в ячейках, содержащихся в поперечном сечении диаметром 28 см. Эта средняя концентрация сравнивается с пространственно усредненной концентрацией, измеренной с помощью инфракрасного спектрометра с преобразованием Фурье, установленного за выхлопным отверстием. 

Рисунок 8. 30 линейных разверток (каждая под разным углом ступени вращения), сделанных на основе первого лазерного сканирования после импульса дозации (случай 1)

Рисунок 9. Изображение концентрации аммиака для случая 1. Температура выхлопных газов: 464 К

Завихрение, создаваемое секцией для смешивания, показано на рисунке 9.  Средняя концентрация NH₃, измеренная с помощью лазерного излучения, примерно на 12% ниже средней концентрации, измеренной с помощью инфракрасного спектрометра с преобразованием Фурье. Расхождение отчасти связано с тем, что концентрация, полученная с помощью инфракрасного спектрометра с преобразованием Фурье, усреднена как в пространственном, так и во временном отношении, причем в каждом эксперименте указано только одно среднее значение. С другой стороны, средняя концентрация меняется в течение 1 секунды введения жидкости. Расхождения также частично вызваны вышеупомянутыми искажениями от CO₂ и H₂O, которые были проигнорированы при обработке данных.

На рисунке 10 показаны линейные развертки другого случая, где использовалась выхлопная труба большего размера (случай 3) и другая секция для смешивания. В отличие от линейных разверток на рисунке 8, на этих развертках видны два пика вместо одного. Реконструкция этих разверток в изображение концентрации аммиака привело к созданию изображения на рисунке 11, на котором кольцевое пространственное распределение аммиака возникает в результате двух пиков в линейных развертках. В отличие от рисунка 9, для измерения средней концентрации и индекса однородности на рисунке 11 использовалось круглое поперечное сечение диаметром 34 см.

Рисунок 10. Линейные развертки под всеми 30 углами, сделанные с помощью первого лазерного сканирования (случай 3)

Рисунок 11. Изображение концентрации аммиака для случая 3. Температура выхлопных газов: 574 К

2. Сравнение видеозаписей

Данные и изображения, показанные в разделе 3.1, соответствуют только первому лазерному сканированию по введения жидкости. Остальные 99 лазерных сканирований разнесены по времени на 5 мс каждое, и в результате каждого сканирования получается моментальный снимок пространственного распределения аммиака. Таким образом, мы можем видеть, как меняется распределение аммиака во время введения жидкости и последующего смешивания. Соответственно, после каждого лазерного сканирования изображения были сгенерированы и впоследствии объединены в 10-секундное видео со скоростью 10 кадров в секунду (реальное время, представленное видео, составляет всего 500 мс). Отдельные видеозаписи (1-4) для каждого из четырех случаев были созданы с использованием соответствующих изображений. Видеозаписи представлены в дополнительных материалах, а изображения из видеозаписей с пятью метками времени показаны на рисунке 12.

На основе этих видеозаписей можно провести интересные сравнения. Случаи 1 и 2 имеют схожие показатели однородности (~ 0,94), и все же распределение аммиака качественно отличается в обоих случаях, причем завихрение более очевидно в случае 1, чем в случае 2. Однако показатели однородности в случаях 3 и 4 сильно различаются (0,89 и 0,94), что проявляется также в типе распределения аммиака (кольцевое в случае 3 и более равномерное в случае 4). Средняя концентрация аммиака, измеренная с помощью лазера, постепенно изменяется в зависимости от времени введения жидкости. График зависимости средней концентрации от времени в случае 1 показан на рисунке 13 (остальные случаи показаны на рисунках S1–S3).

Максимальные средние значения, измеренные с помощью лазера, в основном находятся в пределах 10% от средних значений, измеренных с помощью инфракрасного спектрометра с преобразованием Фурье. Следует отметить, что реконструкция изображений и создание видеозаписей возможны только при синхронизации сбора данных лазерного сканирования с импульсами дозатора. Отсутствие синхронизации ранее приводило к гораздо большему количеству искажений на томографических изображениях.

Погрешность при измерении средней концентрации аммиака обусловлена двумя основными параметрами: эффективным коэффициентом поглощения и искажениями при измерениях. В таблице 3 показана погрешность измерения коэффициента поглощения аммиака, связанная со спектроскопическими параметрами (интенсивность спектральных линий, коэффициенты уширения, изменения в составах H₂O, CO₂ и O₂) и температурой. Погрешность, связанная с составом газа, определялась по стандартному отклонению значений, измеренных во время различных экспериментов. Влияние состава газа определялось через возмущение уширения спектральной линии в результате столкновений, а также через интерференцию спектра поглощения. Возмущения спектроскопических параметров были основаны на погрешностях, измеренных в ранее проведенных исследованиях. Погрешность, обусловленная температурой, была определена путем изменения температуры на 8%.

Общая погрешность измерения концентрации аммиака составила приблизительно 9%. По результатам ранее проведенных исследований, инверсия Радона приводит к небольшой погрешности (0,02%).

Выводы

Томографическая система для измерения концентрации аммиака в потоке выхлопных газов с периодической нестационарностью была продемонстрирована с помощью поглощения лазерного излучения 10,4 мкм. Получить информативные изображения при произвольной нестационарности потока с помощью этого метода нельзя. Было достигнуто пространственное разрешение 0,5 см и угловое разрешение 6°. Ступени перемещения и система сбора данных были синхронизированы по фазе с дозатором жидкости для снижения токсичности выхлопных газов дизельных двигателей, что позволило реконструировать изображения по результатам измерений, выполненных в течение 75 минут, и создать видео из 100 изображений длительностью 500 мс. Распределение концентрации аммиака зависело от геометрии секции для смешивания, а однородность смеси характеризовалась с использованием индексов однородности, основанных на L1 норме. Эта методология может быть использована при выборе и оптимизации геометрии секции для смешивания.

Рисунок 12. Кадры из видеозаписей четырех случаев с пятью временными метками

Рисунок 13. График концентрации аммиака, усредненной по поперечному сечению трубы в случае 1

Таблица 3. Погрешность измерений средней концентрации аммиака

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке оборудования  на территории РФ