1
Измерительные испытательные системы
численное моделирование   /   шум вибрация давление
динамика потоков жидкости и газа
оборудование для краш испытаний   /  метрология
+ 7 (495) 799-90-92
+ 7 (495) 204-18-51
Каталог
Системы лазерно-индуцированной флуоресценции LIF для исследования горения

Системы лазерно-индуцированной флуоресценции LIF для исследования горения

Комплексные современные модульные решения для двухмерных измерений лазерно-индуцированной флуоресценции

1.jpg

Комплексное решение для измерений лазерно-индуцированной флуоресценции при исследовании горения

Комплексная современная модульная система лазерно-индуцированной флуоресценции (Laser-induced Fluorescence (LIF). предназначена для сбора, анализа и визуализации данных о горении. Благодаря этой уникальной системе возможно экспериментальное исследование различных процессов горения.

Система способна измерять продукты горения, загрязняющие вещества, маркеры топлива и т. д., поэтому подходит для исследования огромного количества явлений, среди которых впрыск топлива, воспламенение и распространение фронта пламени. Полученные результаты исследований улучшают понимание процессов горения.

Основные преимущества

•     Неинтрузивный метод визуализации для измерения нескольких компонентов горения

•     Компактная интегрированная лазерная система, состоящая из перестраиваемого лазера накачки и измерительного лазера на красителе, характеризуется повышенной безопасностью и превосходным качеством лазерного луча

•     Широкий модельный ряд высокочувствительных видеокамер и усилителей яркости изображения

•     Расширенные возможности синхронизации с временной точностью до долей наносекунд

•     Полноценная программная платформа для настройки системы, сбора данных, анализа данных и наглядного представления результатов

•     Специализированные программные модули для лазерно-индуцированной флуоресценции продуктов горения и маркеров топлива

•     Полная совместимость с поставляемыми компанией Dantec Dynamics системами анемометрии по изображениям частиц и возможность проведения комбинированных многопараметрических измерений


 

Адаптируемая двухмерная система лазерно-индуцированной флуоресценции LIF для измерения компонентов горения

Поставляемая компанией Dantec Dynamics система лазерно-индуцированной флуоресценции продуктов горения использует неинтрузивную (оптическую) методику двумерных измерений, основанную на лазерно-индуцированной флуоресценции выделяемых молекулярных соединений. Такая система позволяет пользователю исследовать широкий спектр веществ, начиная с радикалов пламени (например, OH и CH) и загрязняющих веществ (например, NO и CO), образующихся во время горения, и заканчивая более крупными компонентами горения или маркерами, вводимыми в процесс (например, формальдегид и ацетон). Благодаря этому система крайне универсальна и хорошо подходит для исследования горения. Луч усовершенствованного перестраиваемого лазера преобразуется в световой нож, освещающий тонкий плоский участок области горения и возбуждающий выбранные соединения. Последующая флуоресценция регистрируется видеокамерой с усилителем яркости изображения, после чего создается карта распределения соединений в освещенной плоскости. Благодаря удобному оборудованию и программному обеспечению пользователь быстро обретает полную уверенность в том, что он сможет управлять системой. Программное обеспечение DynamicStudio, разработанное компанией Dantec Dynamics, служит основой измерительных систем, поскольку является наиболее всеобъемлющим программным обеспечением для визуализации оптической диагностики. Благодаря этому программному обеспечению можно легко управлять измерительной системой и выполнять расширенный анализ графических данных с целью извлечения ценной информации для улучшения понимания исследуемого процесса горения.

Информацию о скорости, полученную с помощью системы анемометрии по изображениям частиц, можно использовать для дальнейшего расширенного анализа методами химии горения и гидромеханики.

Краткое описание систем лазерно-индуцированной флуоресценции продуктов горения

Система состоит из твердотельного накачивающего лазера (Nd:YAG), современного перестраиваемого лазера на красителе, оптики лазерного ножа, видеокамеры, усилителя яркости изображения для визуализации ультрафиолетовой флуоресценции, усовершенствованной электроники для аппаратной синхронизации и программного обеспечения, выполняющего прямой сбор и анализ данных.

3.jpg

Обобщенное представление различных компонентов, синхронизации и потока данных.

Источники лазерного излучения

Источником светового излучения служит твердотельный лазер (неодим-иттрий-алюминиевый гранат), оптимизированный для частоты повторения 10 Гц. Такой лазер оснащен термостабилизированным генератором второй гармоники, который обеспечивает мощность импульсов 430 мДж при длине волны 532 нм. Генератор гармоник может также настраиваться на третью или четвертую гармонику для лазерно-индуцированной флуоресценции, например, маркеров или формальдегида (HCHO). Все гармоники твердотельного лазера (Nd:YAG) настраиваются автоматически, чтобы поддержать оптимальную фазовую синхронизацию и, следовательно, максимальную выходную энергию, что значительно повышает удобство эксплуатации измерительной системы. Воздухо-водяной теплообменник этого лазера позволяет обойтись без внешнего водяного охлаждения.

Доступны две модульные модели перестраиваемых лазеров на красителе: компактная система (самая компактная на рынке) и усовершенствованная система (с большей площадью основания, но предоставляет пользователям полезные уникальные функциональные возможности).

Компактная система позволяет экономить пространство и/или финансы лабораторий. Для накачки используется твердотельный лазер Nd:YAG с длиной волны 532 нм или 355 нм (выбор длины волны зависит от исследуемого соединения/диапазона длин волн).

 

 

2.jpg

Одновременная двухкомпонентная лазерно-индуцированная флуоресценция с использованием двух синхронизированных систем, демонстрирующих фронт пламени и газы после пламени (OH, вверху), а также слой предварительного нагрева (CH2O, внизу) в турбулентном лабораторном пламени.


 

Усовершенствованная система позволяет исследовать все соединения только с использованием лазера накачки, длина волны которого равна 532 нм. Вследствие этого упрощается проведение исследований, поскольку не требуется переключать выход лазера накачки при изменении длины волны лазера на красителе. При накачке лазером 532 нм применяются более стабильные долговечные лазерные красители вместо недолговечных красителей, используемых в лазерах с накачкой 355 нм. В результате замена красителя выполняется реже, что позволяет больше времени уделять исследованиям.

Обе модели лазеров на красителе имеют несколько общих особенностей. Такие лазеры позволяют проводить исследования в очень широком диапазоне длин волн с помощью прямой настройки от 420 нм до 740 нм и дифракционной решетки 2400 линий/мм. Дополнительная дифракционная решетка 1800 линий/мм обеспечивает повышение верхней границы диапазона длин волн до 900 нм. Лазеры характеризуются следующими функциональными особенностями:

•     ширина линии 0,06 см-1 при длине волны 570 нм обеспечивает более эффективное возбуждение узких линий поглощения, вследствие чего повышается отношение сигнал/шум;

•     основной усилитель с ячейкой Бетьюна формирует круговой луч превосходного качества, благодаря чему улучшается качество изображений;

•     цифровой выбор длины волны упрощает управление с помощью компьютера;

•     автоматическая фазовая синхронизация кристалла даже во время сканирования длины волны позволяет избавиться от необходимости ручной настройки.

Лазер поставляется с ультрафиолетовой насадкой. Максимальная выходная мощность лазера на красителе достигается при использовании специальных составных кристаллов, оптимизированных для ультрафиолета. В комплект поставки входит кристалл, позволяющий получать длины волн для возбуждения гидроксила. Кристаллы для других соединений, таких как CH, NO и CO, можно добавить в любое время. Выход точно настраивается путем сканирования длины волны с помощью программного обеспечения, после чего выполняется автоматическая фазовая синхронизация кристалла, чтобы обеспечить оптимальность энергии на протяжении всего сканирования. Лазер накачки и лазер на красителе соединены таким образом, что по сути образуют единый лазерный блок, благодаря чему упрощается проведение исследований и обеспечивается максимально возможная стабильность для поддержания юстировки.

Система комплектуется оптическими устройствами Dantec Dynamics, используемыми для формирования ультрафиолетового светового ножа. Размеры светового ножа равны приблизительно 50 мм x 0,1 мм (при использовании вместе с регулятором сужения луча), а рабочее расстояние составляет 600 мм.

В целях формирования безопасной рабочей среды передача ультрафиолетового и видимого излучений твердотельного лазера (Nd:YAG) к месту формирования светового ножа полностью экранирована. В целях безопасности рекомендуется носить очки для юстировки лазерного луча и защиты от лазерного излучения.

Видеокамеры, усилители яркости изображения и объективы

Видеокамера и усилитель яркости изображения являются отдельными компонентами, что позволяет модернизировать существующие системы, предназначенные для исследования горения. Данное решение идеально подходит для лабораторий, применяющих различные методы исследований, среди которых анемометрия по изображениям частиц, лазерно-индуцированная флуоресценция в жидких и газовых фазах (в том числе процессы горения), микроскопия и спектроскопия. Обычно выбирается видеокамера марки HiSense, характеризующаяся высокой чувствительностью и низким уровнем шумов.

Усилители яркости изображения рассчитаны на работу с ультрафиолетовым, видимым и ближним инфракрасным излучением. Их широкополосный фотокатод (многощелочной или S20) позволяет охватить широкий спектр вариантов применения лазерно-индуцированной флуоресценции различных соединений. Обеспечивается полный контроль над временем срабатывания затвора (от бесконечности до сверхбыстрого) и усилением. Минимальное время срабатывания затвора достигает 3 нс (зависит от модели усилителя). Также доступна релейная оптика, используемая для адаптации видеокамеры к усилителю яркости изображения. Дополнительная информация об этих видеокамерах и усилителях яркости изображения доступна в соответствующих спецификациях.

 

 

 

 

4.jpg

Оптика параллельного светового ножа для ультрафиолетового/видимого диапазона

 

 

 

 

5.jpg

Видеокамера HiSense Zyla с усилителем яркости изображения и ультрафиолетовым объективом

 

 

 

 

 

6.jpg

Визуализация лазерно-индуцированной флуоресценции углеводородного радикала (CH), демонстрирующая тонкий фронт пламени у основания турбулентного газового пламени.


 

Доступны два видеообъектива (f = 78 мм и f = 100 мм) с оптимизированным пропусканием ультрафиолета, а также переходное кольцо для установки интерференционных фильтров на выбранный объектив. Возможно использование интерференционных фильтров для измерения маркеров и компонентов горения.

Синхронизатор

Синхронизация лазерных импульсов, видеокамер и усилителей яркости изображения осуществляется высокоэффективным синхронизатором, полностью управляемым с помощью программного обеспечения DynamicStudio. Синхронизатор представляет собой многоканальный генератор сигналов задержки с разрешением <= 1 нс. 32 выходных канала программируются независимо, благодаря чему доступны исчерпывающие возможности синхронизации и запуска для высокотребовательных процессов. Также имеются четыре входных канала для синхронизации с внешними устройствами или событиями.

Удобная программная платформа для обработки изображений и простого анализа данных

Основой системы получения изображений служит программное обеспечение DynamicStudio — удобная комплексная программная платформа для обработки изображений. Автоматически настраиваемая современная распределённая система упрощает получение полного контроля над оборудованием для сбора изображений. Сбор и анализ данных реализуются в рамках одной программной платформы, поэтому не нужно экспортировать данные для продолжения анализа.

Благодаря удобному доступу к большому количеству численных методов, а также к быстрым и точным методам калибровки и обработки, можно воспользоваться преимуществами работы с по-настоящему интегрированным решением.

Программное обеспечение предоставляет возможность использовать следующие численные методы:

• калибровка (маркеры);

• обработка (маркеры);

• статистическая обработка по изображениям лазерно-индуцированной флуоресценции и скалярным картам;

• повторная выборка;

• поток Рейнольдса.

Программное обеспечение позволяет выполнять многие процедуры в автоматическом режиме, например, коррекцию энергии лазерных импульсов (для каждого отдельного изображения лазерно-индуцированной флуоресценции), калибровку оборудования, обработку данных и т. д.

DynamicStudio содержит также библиотеку обработки изображений (IPL), которая представляет собой обширный «каталог» численных методов, обеспечивающих быстрое улучшение качества изображений, фильтрацию изображений и другую дополнительную численную обработку с целью получения наилучших результатов на основе изображений лазерно-индуцированной флуоресценции. Обработка полностью автоматизирована и предоставляет возможность макроанализа (то есть последовательность методов обработки).

Расширение возможностей анализа с помощью последовательностей анализа и технологии MatLab® Link

Анализ данных дополнительно усилен возможностью формирования последовательностей анализа и выполнения пакетной обработки, благодаря чему значительно ускоряется работа с большими наборами данных. Встраивание технологии MatLab Link в программное обеспечение DynamicStudio сделало возможным адаптацию анализа путем вызова пользовательских сценариев MatLab напрямую из DynamicStudio, что обеспечивает обработку данных непосредственно в рамках базы данных без необходимости предварительного экспорта данных.

 

 

7.jpg

Высокоэффективный синхронизатор, предназначенный для визуализации лазерно-индуцированной флуоресценции.

 

 

 

 

8.jpg

Распределение гидроксила в пламени горелки Бунзена, график поперечного сечения интенсивности и результат определения градиента, показывающий основную зону реакции.


Одновременное управление несколькими системами

Модульная архитектура систем позволяет пользователю управлять одновременно несколькими различными системами с помощью одного компьютера. Благодаря этому систему лазерно-индуцированной флуоресценции можно объединить с системой анемометрии по изображениям частиц, чтобы обеспечить одновременное измерение компонентов горения и скорости потока. Кроме того, можно объединить две системы лазерно-индуцированной флуоресценции, что позволит измерять одновременно два соединения. Возможность сбора данных всех систем в одну базу данных обеспечивает идеальную (с метками времени) синхронизацию коррелированного анализа и визуализации.

Дополнительные компоненты

Блок контроля энергии импульсов

Для достижения более высокой точности используется проверенная методика, предусматривающая измерение флуктуаций между импульсами лазера с помощью блока контроля энергии импульсов и последующую компенсацию отклонений во время анализа изображений лазерно-индуцированной флуоресценции. Блок контроля энергии импульсов можно установить между выходом лазера и оптикой светового ножа. Фотодатчик чувствителен к ультрафиолетовому (до 200 нм), видимому и инфракрасному (до 1100 нм) лазерному излучению и способен контролировать лазерные импульсы с частотой повторения до 1 кГц. Для записи выходных сигналов блока контроля энергии импульсов также необходимо средство аналогового ввода.

Технические характеристики

Лазер накачки

Вторая гармоника

Третья гармоника

Четвертая гармоника

Длина волны (нм)

532

355 (дополнительно)

266 (дополнительно)

Энергия импульса (мДж)

430

230

100

Длительность импульса (нс)

 

~5

 

Периодичность повторений (Гц)

 

10

 

 

Перестраиваемые лазеры на красителе

Первый перестраиваемый лазер на красителе (компактная модель)

Второй перестраиваемый лазер на красителе (дополнительные возможности)

Основой диапазон настройки, дифракционная решётка 2400 линий/мм

420-740 нм

Ширина линии

< 0,06 см-1 при длине волны 570 нм

Расширенная настройка, предусматривающая использование дифракционной решетки 1800 линий/мм

420-900 нм

Ультрафиолетовый блок расширения

Удвоение частоты

Удвоение/утроение частоты

Необходимые лучи накачки

532 нм и 355 нм

только 532 нм

Кристаллы для типичных соединений

OH, CH, NO и CO (обычно 220-266 нм и 275-400 нм)

 

Видеокамера

HiSense Zyla

Скорость (кадр/с)

49

Разрешающая способность (Мп)

5,5

Разрешение сенсора (пиксели)

2560 x 2160

Размер пикселей (мкм)

6,5

 

Усилители яркости изображения

Серия H, 18 мм

Серия L, 18 мм

Минимальное время срабатывания затвора

 

3 нс

Диаметр фотокатода

 

18 мм

Материал фотокатода

Многощелочной

S20

Люминесцентный экран

 

P43

 

Программное обеспечение

DynamicStudio

Базовый пакет

Дополнительный модуль DynamicStudio для лазерно-индуцированной флуоресценции продуктов горения

Дополнительный модуль лазерно-индуцированной флуоресценции для жидкостей и газов

ООО «ПРИМАТЕК», группа компаний «ОКТАВА+» - официальный представитель компании «Dantec Dynamics» , +7 (499) 799-90-92

Назад