专利名称：火焰扫描装置和它的操作的方法
技术领域：
本发明涉及用于监测火焰的火焰扫描装置的领域。它具体涉及对应装置，其包括 用于采集火焰辐射并且将它传送到检测元件的辐射采集和传送元件、用于检测辐射和转换 成电信号的火焰传感元件以及用于转换电信号成火焰参数的评估单元。它此外涉及用于操 作这样的装置的方法和这样的装置的用途。
背景技术：
对燃烧控制的应用存在增加的兴趣。目的是最优化燃烧器工作，监测过程并且避 免火焰的不稳定性和它们的严重后果。目的是提高系统性能(例如通过降低有害排放物的 水平)，并且通过减小由共振模式和燃烧之间的耦合引起的振荡来扩展稳定域。相应地，除 监测燃烧产物和它们的成分外，通过传感器监测火焰变得日益重要。对应的火焰检测或火焰扫描装置应该尽可能可靠，应该允许确定火焰的尽可能多 的参数，它们应该尽可能地可广泛应用，并且它们应该对火焰附近的典型温度是有耐受能 力的。所有这些要求在原则上可能可以使用标准技术满足，主要问题大体上是，检测方法技 术上越复杂，以及选择的技术越可靠，则装置越昂贵。相应地，因此，对低成本的简单但仍然 非常灵敏、可广泛应用并且可靠的装置有强烈的需求。火焰扫描器或火焰检测器通常是无源装置，其记录燃烧室内的光发射，像对于给 定温度遵循普朗克定律的粒子IR发射、在放热过程期间存在的像ωΤ、or、c/等不同的分 子物种的发射。其他装置通过应用吸收光谱记录IR中分子的存在。它们需要光源、色散元件和IR 检测器。这些装置是有源的，因为它们需要光源。主火焰扫描器给出火焰亮/灭状态或最后火焰波动的频率。更先进的传感器可给出下列信息·像λ或φι (空气/燃料或燃料/空气比)的火焰参数检测；OH/CH、CH/CN、OH/ C2、C2/CH比给出关于温度或化学计量的信息；·通过用2或3色高温计测量的、通过对MIR和NIR(可调谐激光器)范围中的 H20&C0 (CO2)吸收的测量的温度；·成像CM0S、CXD照相机多频带检测、火焰亮/灭检测；· UV和IR测量(UV、OH、CH、C2化学发光；煤烟粒子的VIS/IR普朗克辐射)；· UV/IR检测和放热波动阈值方法(高或低频率变化)。工业上可以使用的对应装置在技术发展水平中是已知的。因此例如EP0616200公开一种其中给火焰拍照的照相机包括多个光电传感器的 装置，该光电传感器集成进入照相机并且设置在其成像面上。该照相机提供可以显示的火 焰图像并且该对应的图像被分析用于导出火焰的燃烧性质。该光电传感器构成光电传感器 组，其中光电传感器中的每个具有检测波长范围，并且其中该传感器组覆盖完整的连续可 见辐射范围。该光电传感器值用于像例如CH、OH等自由基的检测，这些自由基的化学发光可以在可见范围中检测到。该装置背后的目的是具有结合的照相机/光谱检测装置，其中前者允许火焰形状检测等，而后者覆盖完整可见波长范围的检测。US6, 045，353公开一种设备和它的使用以控制喷嘴(burner)的燃烧。该装置包括 用于观察由火焰发射的辐射从而采集作为时间函数的火焰辐射强度数据的工具。该辐射输 送到光学处理器，其中辐射的特定光谱区然后转换成电信号，其然后由信号处理器处理用 于对特定光谱区的火焰辐射强度求时间的积分。这个的输出随后用于控制氧化剂流、燃料 流或两者。具体地，该装置位于喷嘴的耐火垫中。US6, 318，891公开一种用于确定火焰的绝热温度的装置。该装置包括耦合进入光 谱仪的传感器纤维。在该光谱仪中，对各个自由基高分辨率地采集可调节的光谱段。该光 谱仪从而包括色散元件并且选择的范围随后与理论上计算的发射光谱结合用于确定玻尔 兹曼温度，其因此与火焰的绝热温度相关。更另外的装置从W02006/091617知晓。在该装置中火焰通过由光电二极管测量 的多个离散范围来横跨连续光谱被监测。分束器(在该情况下色散元件)用于将采集的 光引导到覆盖该连续光谱的许多光电二极管中的每个上。完全覆盖的对应的光谱范围从 300nm-l IOOnm 延伸。
发明内容
因此本发明的目的中的一个是提供具有高灵敏度和可靠性的新火焰扫描器，并且 其优选结合火焰亮/灭状态并且同时表征火焰(化学计量和/或温度)。特别地，用于监测火焰的火焰扫描装置应该改进，其包括用于采集火焰辐射并且 将它传送到检测元件的辐射采集和传送元件、用于检测辐射和转换成电信号的火焰传感元 件以及用于转换电信号成火焰参数的评估单元。根据本发明，这样的装置特征在于火焰传感元件包括至少两个个体检测器，例如 光电二极管，每个具有个体中心检测波长和狭窄的观察窗口宽度(例如由滤光片提供的)， 滤光片优选地是位于检测器前面的干扰滤光片。这些检测器具体选择成各自具有个体中心 检测波长并且具有使得观察的窗口不重叠并且仅覆盖辐射光谱的个体感兴趣区的观察窗 口宽度。应该注意到具有相同或基本相同中心检测波长的检测器组可以用于特定的观察 窗口。然而，这些组随后共同或一起用于在观察窗口中的对应物种的评估。为了增加的灵 敏度，例如，对于相同观察窗口具有两个或多个检测器是可能的。然而，在该情况下根据本 发明存在至少两个这样的组，其中该两个组的观察窗口不重叠。不监测由火焰发射的完整的连续光谱，而仅非常具体地监测其中预期物种化学发 光和/或其中将观察到感兴趣的特定红外范围的那些区域，这是提出的概念的本质想法中 的一个，其与根据技术发展水平的概念形成对比。本发明的另一个相关方面是不需要色散 元件的事实，其简化设置并且使它非常耐用。相应地，根据本发明的第一优选实施例，火焰传感元件包括第一组中的至少两个、 优选地至少三个检测器，其的中心检测波长在300nm-700nm的范围中，以及第二组中的至 少两个、优选地三个检测器，其的中心检测波长在红外范围中，优选地在SOOnm-IOOOnm的 近红外范围中。
这意味着在第一组中存在例如用于0H*的化学发光检测的具有315nm的中心检测波长的一个检测器，和用于OT的化学发光检测的具有440nm的中心检测波长的一个检测 器。两者将具有观察宽度(半高全宽)使得基本上不存在这些观察宽度的重叠，因此例如 每个具有25nm的观察宽度。一般可以说，优选地检测器具有在IOnnHBOnm范围中、更优选地在15nm-30nm 范围中的观察窗口的宽度，然而，更宽的窗口也是可能的，只要没有重叠即可。典型地， 对于在300nm-700nm范围中的检测器，观察宽度在20nm-30nm的范围中选择。对于在 SOOnm-IOOOnm(NIR)范围中的检测器或对于高于但仍然在红外范围中的值，观察宽度在 10nm-20nm的范围中选择。特别对于具有在300nm-700nm范围中的中心检测频率的检测器，观察宽度(其 中选择的转变的特定线形将被检测并且积分)优选地适合于相应检测的信号的线形或线 宽。如果例如将观察不被其他转变重叠的尖锐窄带，观察宽度可以选择为相当窄的，例如在 20nm-24nm的范围中。这例如在θΤ转变的情况下是可能的，其中观察到强烈并且尖锐的信 号(参见下文给出的图la)。如果在另一方面存在可能甚至与其他信号重叠的宽信号，观察宽度可以选择为更 宽。这例如在OH*转变的情况下发生。然而，在这样宽并且重叠的信号的情况下，在某种状 况下选择窄观察宽度以便将不期望的重叠信号排除在外也可能是更有利的。这可以在具体 问题具体分析基础上确定。在任何情况下这些适应和确定应该考虑将观察的所有可能的燃 烧状况。这意味必须对不同类型的燃料并且对于不同的可能燃烧状况(例如不同的λ值 等)找到总体最优条件。优选地这些个体观察窗口通过特定并且分别适应的滤光片(优选地干扰滤光片) 在检测器前面提供。如果检测器如下文概述的成行设置，也可以使用具有沿行渐变的选择 的频率的渐变(干扰)滤光片。根据本发明的另外的实施例，第一组检测器具有适应于从OH*(以315nm为中心)、 CH*(以440nm为中心)、C2* (分别以470nm禾口 515nm为中心)、CN* (以385nm为中心)的组 中选择的自由基物种、优选地至少OH和CH的组中选择的自由基物种的化学发光的峰值的 中心检测波长。在C2的情况下，可以观察到两个不同的转变，即在大约515nm的Δ υ = 0 的一个和在470nm的Δ υ = -1的一个。优选地，第一组检测器的个体中心检测波长选择成位于下列个体范围中的至 少一个内300nm-325nm(0H*) ； 375nm_400nm(CN*) ；420nm_450nm(CH*) ；460nm_480nm 和 500nm-530nm(C2* 两者)。根据另外的优选实施例，第一和第二组检测器都设置在(单)行中，其基本上设置 为横截于冲击辐射的方向。然而，具有一个在另一个上的两行或几行检测器也是可能的，其 中在该情况下例如上文提及的具有相同中心检测波长的检测器组将一个位于另一个上，或 为了补偿目的，它们位于关于横向辐射分布的对称平面的相对或对应位置。如果第一组的所有检测器位于行的中心部分(在关于辐射方向的横向方向的意 义上的中心)(其中冲击光的强度是最高的)。可以提供具有高灵敏度和可靠性的特别调整 的装置。这是因为检测器的第一组一般检测较弱信号的事实。一般检测在红外或近红外范 围中的较强信号的第二组的检测器都设置在行的两个侧外部，在那里横向方向上的光分布已经降到较低值。检测器沿横截方向的特定设置允许特别高效的光检测，其调整到沿关于 冲击到传感器上的辐射的横截方向的光分布和预期信号的灵敏度。一般一组内沿行的排布也可以是适合的。因此确定将观察到的信号的预期积分强 度是例如可能的(参见例如图la)。再次这些适应和确定应该考虑将观察的所有可能的燃 烧状况。这意味着必须对不同类型的燃料并且对于不同的可能燃烧状况(例如不同的λ 值等)找到总体值。一旦确定预期看到总体最小强度(例如在图Ia中的CN*信号)的检测 器，该信号的对应检测器可以放入检测器行的中心位置，该处辐射的最高强度冲击到该检 测器上。类似地并且根据不同检测器的预期强度的顺序，这些检测器可以设置在行上。一 般来说，某个带宽的预期强度越大，将放置在离行的中心的偏移位置的检测器越多。该原理 的例外是可能的，如果存在对于实际测量过程不那么重要的频率，例如，因为它仅用作控制 测量时会这样。在该情况下，用于检测这样的较不重要的频率的检测器也可以进一步朝外 部或偏移位置放置。本发明的更另外的优选实施例特征在于第一和第二组检测器设置在行中，其基本 上设置为横截于冲击辐射的方向，其中辐射采集和传送元件包括用于采集优选地从火焰的 放热区采集的火焰辐射的前端光学系统(例如耐高温透镜系统)，用于传送采集的火焰辐 射的传送元件(优选地高温纤维束，例如包括几千根光纤)，以及用于将传送的火焰辐射引 导到火焰传感元件的检测器的行上的锥形元件。这样的锥形元件优选地包括或由透明块(对于将传送的辐射透明)构成，其具有 基本上平行的上和下边界面、具有正交于辐射的主方向的基本上平行的入射和出射面，以 及具有发散性的优选地正交于上和下边界面的抛光侧面(其中被侧面包围的朝向火焰传 感元件的张开角在1° -10°、优选地2° -6°、最优选地3° -5°的范围中)。该入射面直 接或间接例如通过下文论述的分束器附着到传送元件，该出射面直接或间接附着到火焰传 感元件(该出射面可以例如直接胶粘到火焰传感元件上)。典型地来自传送元件的辐射具有以辐射束的对称轴线为中心的非常陡的强度分 布。如果该辐射分布引导到火焰传感器，特别如果火焰传感器是单行检测器，这导致其中在 行中居中的检测器接收非常强的辐射，而偏轴设置(即侧向偏移)的检测器仅接收弱辐射 的情况。该提出的锥形结构导致强度分布的显著增宽并且因此可以确保沿行的辐射强度不 像没有该元件那样不均勻地分布，并且可以在行中高效地使用更多检测器。应该注意到上文与一行检测器组合的锥形元件是独立于如上文概述的主要发明 的另外特性的新的和发明性的概念。到目前为止使用这样的器件用于增宽随后将在光电二 极管阵列上检测到的强度分布是未知的。本发明的具体优选实施例进一步特征在于该装置进一步包括照相机(优选地高 动态CMOS照相机)，用于拍摄火焰的时间分辨图像画面，其中优选地在该照相机前面布置 用于聚焦的梯度折射率透镜，并且其中优选地来自该照相机的数据用作评估单元的输入和 /或火焰存在和/或它的轮廓和/或它的位置的信息。在照相机存在的该情况下，优选地辐射采集和传送元件包括用于采集火焰辐射的 前端光学系统，用于传送采集的火焰辐射的传送元件(优选地高温纤维束)，以及将辐射分 裂以在一个方面引导到照相机并且在另一个方面到火焰传感元件的分束器。如此相同的前 端光学系统和传送元件可以用于为火焰传感元件以及照相机服务从而简化设置。
本发明此外涉及用于使用如上文描述的火焰扫描装置确定火焰特性的方法。在该 情况下优选地火焰传感元件包括第一组中的至少两个、优选地至少三个检测器，其的中心 检测波长在300nm-700nm的范围中，以及第二组中的至少两个、优选地三个检测器，其的中 心检测波长在红外范围中，优选地在SOOnm-IOOOnm的近红外范围中，并且其中取决于从第 一组和/或第二组接收的信号，确定火焰温度和/或燃料类型和/或火焰稳定性和/或火 焰脉动和/或燃料/空气混合比和/或火焰存在和/或火焰质量和/或火焰类型和/或火 焰化学计量。具体地，提出的装置允许检测并且区别气体燃料、油和/或煤炭。此外，特别 如果存在附加照相机，它允许确定火焰的温度和/或化学计量以及火焰的存在和形状。根据提出的方法的第一优选实施例，第二组检测器的信号用于基于理论计算的普 朗克辐射(最后进行校正煤烟发射率和/或仪器系数校正)确定火焰温度，并且其中优选 地相应检测到的背景辐射用作对第一组检测器的信号评估的背景影响的补偿。在详细说明 中给出用于基于在各个频率测量的红外和/或近红外检测器的温度评估的相应可能的通 用公式ο优选地，在该提出的方法中火焰化学计量由第一组检测器的信号确定，这些信号 最后基于如在上文的段落中详细描述的第二组检测器的信号而进行背景校正，其中优选地 例如使用小波算法。本发明此外涉及如上文详细描述的火焰扫描装置的使用，用于火焰中的燃烧过程 的控制，优选地用于控制燃烧参数，其优选地从下列组中选择燃料进给率、燃料类型、燃料 混合物、燃烧空气进给率、燃烧室压力和/或燃烧产物的后处理。本发明的另外实施例在从属权利要求中概述。
本发明的优选实施例在附图中示出，其中图la)示出在200歷-540歷的波长范围中的包括二极管观察窗口的气体燃料燃烧 情况的自然化学发光光谱；b)示出在250nm-500nm的波长范围中的包括对应火焰温度的理 论普朗克辐射曲线的扩散火焰的煤炭和/或油化学发光光谱；c)示出在近红外范围中的用 于温度确定即用于背景校正或火焰类型检测的示意设置；d)示出指示如在c)中指示的两 个测量波长的给定温度的理论计算普朗克辐射；以及e)示出两个选择的观察值的煤烟发 射率与波长关系；图2a)示出在红外范围中的用于温度确定即用于背景校正或火焰类型检测的示 意设置；b)示出在红外范围中的二氧化碳、一氧化碳和水的吸收光谱；以及c)示出二氧 化碳强度的积分和水强度的积分的比率和个体值，其中在χ轴上给出采用开尔文的绝热温 度，在左侧指示水或二氧化碳的积分并且在右侧示出它们的比率；图3示出根据本发明的火焰扫描器的设置的示意图；以及图4示出光学锥的出射区的示意图，其包括沿光束的横截方向的强度分布并且包 括关于用于检测的二极管阵列的细节。
具体实施例方式在像煤炭、油、气体或合成气体等有机燃料的燃烧过程中；某些物种在放热区一直存在更强烈地辐射的是OH*、or、CNW分子。这些分子可以发现处于激发态并且它们在 火焰区内采用不同的方式作用(自发发射、猝熄(quenching)等)。气体燃料的扩散火焰(λ = 1)的对应自然化学发光光谱在图Ia中给出。对于 CH*(大致上在430nm)和0H*(大致上在310nm)存在强个体信号。CN*和C/的另外的转变 也可以看见。对于煤炭和油燃烧观察到不同的火焰特性，并且对于扩散火焰观察到对应化学发 光光谱。这在图Ib中图示，其中带发射信号用标号30指示。个体物种的信号被背景辐射 强烈遮掩。用标号36指示的普朗克辐射的对应分布随递增的波长增加，并且该分布取决于 如由标号31指示的几个值的火焰温度。火焰扫描器中的大多数使用该自发发射用于在UV中表征火焰。该方式的缺点是 由于燃烧室的粒子(例如煤烟颗粒，在图Ie中图示理论计算并且用标号34指示的它们的 对应分布)或壁辐射而难以从像普朗克的所有其他辐射中提取该信号。图Id)图示一个给定温度的理论普朗克强度分布36。示出以两个不同波长λ i和 λ 2的测量，它应该允许反算对应温度。对于近红外检测的情况，这在图Ic中示意地图示。测量火焰7的辐射，通过透射 光学系统35传送对应的强度，并且将它引导和/或分裂到具有个体检测波长的两个检测器 (CCD或单检测器)33，，以及计算在给定波长入工或λ 2的对应强度，这是可能的。为了计算对应温度，可以使用下列公式
权利要求
一种用于监测火焰的火焰扫描装置，其包括用于采集火焰辐射并且将它传送到检测元件(5、9)的辐射采集和传送元件(1、2、3、4、8)，用于辐射的检测和转换成电信号的火焰传感元件(9)，用于转换所述电信号为火焰参数的评估单元(6)，其中所述火焰传感元件(9)包括至少两个个体检测器(11 19)，每个具有个体中心检测波长和观察窗口(20 24)的宽度，其中所述个体中心检测波长和所述观察窗口(20 24)的宽度不重叠并且覆盖辐射光谱的个体感兴趣区。
2.如权利要求1所述的火焰扫描装置，其中所述火焰传感元件(9)包括第一组 (14-19)的至少两个、优选地至少三个检测器，其中心检测波长在300nm-700nm的范围中， 以及第二组(11_13、19)的至少两个、优选地三个检测器，其中心检测波长在红外范围中， 优选地在800nm-1000nm的近红外范围中。
3.如权利要求2所述的火焰扫描装置，其中所述检测器(11-19)具有在IOnnHBOnm范 围中、优选地在15nm-30nm范围中的观察窗口(20-24)的宽度，其中优选地这些个体观察窗 口(20-24)通过在所述检测器(11-18)前面的干扰滤光片(19)来提供，其中所述检测器 (11-18)优选地是光电二极管。
4.如权利要求2或3所述的火焰扫描装置，其中所述第一组(14-19)的检测器具有适 合从OH、CH、C2, CN的组中、优选地至少OH和CH的组中选择的自由基物种的化学发光的峰 值的中心检测波长。
5.如权利要求4所述的火焰扫描装置，其中所述第一组(14-19)的检测器的个体 中心检测波长选择成位于下列个体范围中的至少一个内300nm-325nm ；375nm-400nm ； 420nm-450nm ；460nm_480nm ； 500nm_530nm。
6.如权利要求2-5中任一项所述的火焰扫描装置，其中所述第一组(14-19)和所述第 二组(11-13、19)的检测器设置在基本上设置为横截于冲击辐射的方向的行中，并且其中 所述第一组(14-19)的所有检测器位于所述行的中心部分，并且所述第二组(11_13、19)的 检测器都位于所述行的一个侧外部位置或在其两个侧外部位置。
7.特别地如权利要求2-6中任一项所述的火焰扫描装置，其中第一组(14-19)和第 二组(11-13、19)的检测器设置在基本上设置为横截于冲击辐射的方向的行中，并且其中 辐射采集和传送元件(1、2、3、4、8)包括用于采集优选地从所述火焰的放热区采集的火焰 辐射的前端光学系统(1)，用于传送所述采集的火焰辐射的传送元件，优选地为高温纤维束 (2)，以及用于将所传送的火焰辐射引导到所述火焰传感元件(9)的该行检测器上并且用 于增宽冲击辐射的横向强度分布的锥形元件(8)。
8.如权利要求7所述的火焰扫描装置，其中所述锥形元件(8)包括透明块，其具有基 本上平行的上和下边界面、具有正交于辐射的主方向的基本上平行的入射和出射面，以及 具有发散性的优选地正交于上和下边界面的抛光侧面，该入射面直接或间接附着到传送元 件，该出射面直接或间接附着到火焰传感元件(9)，其中被所述侧面包围的朝向所述火焰传 感元件(9)的张开角在士 1°至士25°、优选地士5°至士20°、最优选地士8°至士 15° 的范围中。
9.如权利要求1-8中任一项所述的火焰扫描装置，其中所述装置进一步包括照相机(5)，优选地是高动态CMOS照相机，用于拍摄所述火焰的时间分辨图像画面，其中优选地在 所述照相机(5)前面布置有梯度折射率透镜(4)，并且其中优选地来自所述照相机(5)的数 据用作所述评估单元(6)的输入和/或所述火焰的存在和/或它的轮廓和/或它的位置的fn息ο
10.如权利要求9所述的火焰扫描装置，其中所述辐射采集和传送元件(1、2、3、4、8)包 括用于采集所述火焰辐射的前端光学系统(1)，用于传送所述采集的火焰辐射的传送元件， 优选地是高温纤维束(2)，以及将所述辐射分裂以在将它引导到所述照相机(5)上以及到 所述火焰传感元件(9)上的分束器(3)。
11.一种用于使用如权利要求1-10中任一项所述的火焰扫描装置确定火焰的性质的 方法，其中优选地所述火焰传感元件(9)包括第一组(14-19)的至少两个、优选地至少三个 检测器，其中心检测波长在300nm-700nm的范围中，以及第二组(11_13、19)的至少两个、 优选地三个检测器，其中心检测波长在红外范围中，优选地在SOOnm-IOOOnm的近红外范围 中，并且其中取决于从第一组和/或第二组接收的信号，确定火焰温度和/或燃料类型和/ 或火焰稳定性和/或火焰脉动和/或燃料/空气混合比和/或火焰存在和/或火焰质量和 /或火焰类型和/或火焰化学计量。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述第二组检测器的信号用于基于最后进行煤烟 发射率和/或仪器系数校正的理论计算的普朗克辐射确定所述火焰温度，并且其中优选地 相应检测到的背景辐射用作对所述第一组检测器的信号评估的背景影响的补偿。
13.如权利要求11或12所述的方法，其中所述火焰化学计量由所述第一组检测器的信 号确定，所述信号最后基于所述第二组检测器的信号而进行背景校正，其中优选地使用小 波算法。
14.如权利要求1-10中任一项所述的火焰扫描装置的用途，其用于燃烧过程的控制， 优选地用于控制燃烧参数，这些燃烧参数优选地从下列构成的组中选择燃料进给率、燃料 类型、燃料混合物、燃烧空气进给率、燃烧室压力和燃烧产物的后处理。 全文摘要
公开一种用于监测火焰的火焰扫描装置。该装置包括用于采集火焰辐射并且将它传送到检测元件(5、9)的辐射采集和传送元件(1、2、3、4、8)，用于辐射检测和转换成电信号的火焰传感元件(9)，和用于将电信号转换为火焰参数的评估单元(6)。如果火焰传感元件(9)包括至少两个个体检测器(11-19)，每个具有个体中心检测波长和观察窗口(20-24)的宽度，其中个体中心检测波长和观察窗口(20-24)宽度不重叠并且覆盖辐射光谱的个体感兴趣区，则可以提供特别调整并且可靠并且同时成本高效的装置。
文档编号G01J5/08GK101946126SQ200780102381
公开日2011年1月12日 申请日期2007年12月19日 优先权日2007年12月19日
发明者K·Y·哈夫纳 申请人:Abb研究有限公司