燃烧火焰的多参数测量装置的制作方法

本发明涉及一种参数测量装置，尤其是一种燃烧火焰的多参数测量装置。

背景技术：

燃烧火焰有多种，作为燃烧火焰中主要部分的锅炉和窑炉，其燃烧要求炉膛内建立并保持稳定、均匀的火焰，燃烧调整不好或燃烧不稳定会导致锅炉和窑炉的燃烧效率下降，产生更多的污染物、噪声等，在极端条件下可能引起锅炉炉膛灭火，甚至诱发炉膛爆炸事故。近期，人们为了提高锅炉和窑炉运行的经济性和安全性，降低污染物的排放，做出了不懈的努力，如中国发明专利cn101625269b于2010年12月1日公告的一种同时监测燃烧火焰温度场和中间产物浓度二维分布的方法。该方法基于依次连接的火焰探测装置、分光装置、滤波装置和探测处理装置组成的设施；监测时，设施中的分光装置将火焰探测装置传送来的火焰辐射光分光后，经滤波装置得到四路中心波长不同的窄带光信号，探测处理装置中的ccd接收装置将四路窄带光信号转化为四路数字信号，并传递给后续的软件处理系统，由其由其中的两路信号得出对应燃烧中间产物的浓度分布、另两路信号得出火焰温度场分布。这种方法虽能够实时并同时监测火焰中间产物浓度和火焰温度场的二维分布，却存在着因火焰燃烧的过程极其复杂，且燃烧的产物种类繁多，利用滤光片滤光来测量气体的浓度和温度场分布，容易受到其它气体成分的干扰，导致测量的误差较大之缺陷。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种具有较高的测量灵敏度和精度、且不受其它气体干扰的燃烧火焰的多参数测量装置。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为，燃烧火焰的多参数测量装置包括依次连接的火焰辐射光收集部件、分光部件和探测处理部件，特别是：

所述火焰辐射光收集部件为火焰辐射光的光路上依次置有的收集透镜和火焰辐射光传输光纤；

所述分光部件由火焰辐射光光纤分束器和高速光开关经火焰辐射光光纤分束器的一只输出端连接组成，且高速光开关的控制端与探测处理部件的光调制信号输出端电连接；

所述探测处理部件由co2吸收光谱探测组件、co吸收光谱探测组件和数据处理组件构成，其中，

co2吸收光谱探测组件由串联连接的第一光纤合束器、第一光纤、第一高速探测器、第一带通滤波器和第一锁相放大器，以及串联连接的第一锯齿波信号发生器、第一激光电源、第一激光器、第一光纤分束器、第一光纤干涉仪和第一探测器组成，其中的第一光纤合束器的输入端分别与高速光开关的一只输出端、第一光纤分束器的另一只输出端连接，第一锁相放大器的另一只输入端与探测处理部件的光调制信号输出端电连接，用于测得炉膛火焰中的co2吸收光谱，

co吸收光谱探测组件由串联连接的第二光纤合束器、第二光纤、第二高速探测器、第二带通滤波器和第二锁相放大器，以及串联连接的第二锯齿波信号发生器、第二激光电源、第二激光器、第二光纤分束器、第二光纤干涉仪和第二探测器组成，其中的第二光纤合束器的输入端分别与高速光开关的另一只输出端、第二光纤分束器的另一只输出端连接，第二锁相放大器的另一只输入端与探测处理部件的光调制信号输出端电连接，用于测得炉膛火焰中的co吸收光谱，

所述数据处理组件为数据处理器，其输入端分别与第一探测器、第一锁相放大器、第二探测器和第二锁相放大器的输出端电连接，用于由测得的火焰中的co2吸收光谱和co吸收光谱得出炉膛中的火焰温度和co2、co的浓度，以及由co和co2的浓度比值得出火焰的燃烧效率。

作为燃烧火焰的多参数测量装置的进一步改进：

优选地，探测处理部件还含有其输入端与火焰辐射光光纤分束器的另一只输出端连接、输出端与数据处理器的输入端电连接的火焰辐射光强度探测器；用于与co2吸收光谱和co吸收光谱的信号进行归一化处理，以消除光强起伏所造成的火焰温度误差。

优选地，数据处理器的输出端与上位机电连接。

优选地，高速光开关的开关频率为100hz。

优选地，第一高速探测器、第二高速探测器的探测频率≤1ghz。

优选地，第一激光器、第二激光器为dfb(分布式反馈)激光器，或中红外icl激光器，或qcl窄线宽激光器。

相对于现有技术的有益效果是：

采用这样的结构后，由于本发明不仅因先行采用光学外差测量技术而大大地提升了待测火焰光的吸收信号强度，还接着先基于分子的指纹特征光谱来准确地测量co2和co的吸收光谱，再通过对co2、co的吸收光谱进行光谱拟合而精确地得出燃烧火焰的温度、co2和co的浓度，以及由co2和co的浓度得出燃烧火焰的燃烧效率，从而使本发明具有了极高的测量灵敏度和精度、且不受其它气体干扰的优点。

本发明实现的机理如下：

1.光学外差测量原理

激光外差探测技术是将包含吸收信息的火焰光与几毫瓦的本振激光在非线性探测器上进行混频，携带吸收信息的火焰光被本振激光放大并变换到射频波段进行探测。大多数光学探测器对于电场都是平方关系的器件，它们是理想的外差拍频探测器。当两束振幅为as和alo、频率为ωs和ωlo的火焰光和本振光照射至探测器上，由探测器探测到的两个波的合成强度就为：

式中的es＝ascos(ωst)，elo＝alocos(ωlot+φ)，is＝|es|²，ilo＝|elo|²。

如果探测器能够对频率ωif＝ωlo-ωs响应，那么探测器响应的振幅正比于探测器的输出电流为：

式中的iif＝kasalocos(ωlo-ωs)t。

探测器的输出功率为：

由此可见，中频信号pif正比于本振激光功率和信号光功率的乘积psplo，由于本振激光功率远大于收集的火焰光功率，即plo>>ps，这样外差探测就可将弱的火焰光吸收信号进行放大。

激光外差探测装置的光谱分辨率取决于本振激光器的激光线宽和带通滤波器的带宽，通常二极管激光器的激光线宽在0.002cm^-1，带宽也选择在0.002cm^-1，激光外差光谱通常仪器的仪器线宽可以达到<0.003cm^-1。

2.采用高速光开关用于两路光切换和光学斩波

收集透镜将其视场内火焰发射出的光收集到火焰辐射光传输光纤中，高速光开关将入射的光迅速地在两路出射光纤中切换，这样收集到的光就会在两路出射光纤之间依次输出，高速光开关既起到了将输入光在两路之间切换，而且还起到了光学斩波的作用。

3.采用二极管激光双线测温技术遥感测量火焰温度

选择co2分子两条波长相近的谱线用于测量火焰的温度和浓度。采用直接吸收光谱双线测温法来测量火焰的温度，如图2所示。两条谱线的积分吸收需要在相同压力、浓度以及路径下同时得到，两积分吸收之比可表示为：

式中的a1、a2分别为波长λ1、λ2谱线的积分吸收截面，s1(t)、s2(t)分别为波长λ1、λ2的谱线线强。

因此气体温度可以由具有不同温度依赖的两条分立谱线的积分吸收之比来得到。当两条谱线的中心频率相隔很近时，积分吸收之比r可简化为：

式中的h为普朗克常数，单位为j·s；c为光速，单位为cm/s；k为玻尔兹曼常数，单位为j/k；t为气体温度，单位为k；；e″为跃迁的下能级能量，单位为cm^-1，下能级能量确定了非吸收状态下平衡分子布居随温度的变化，因此决定了某一跃迁的线强如何随温度变化。

由此可以得到温度t的表达式为：

4.燃烧产物的浓度及燃烧效率的测量

分子谱线的积分吸收正比于吸收分子的浓度。浓度与积分吸收的关系式为：

式中的p为总的压力，单位为atm；xabs为吸收物质的浓度；l为吸收光程，单位为cm；si为能级跃迁i时的吸收谱线线强，单位为cm^-2atm^-1。

在利用co2分子测得气体温度的同时，co2分子的浓度可以由温度测量中任意一条谱线的积分吸收得到，另外一路测量co浓度外差信号是利用测量到的吸收光谱来获得co的浓度。

由实时测量到的co和co2浓度值就可以计算得到火焰的燃烧效率

基于以上所述，本发明能实时精确地测定炉膛中的火焰温度、co和co2的浓度以及燃烧的效率。

附图说明

图1是本发明的一种基本结构原理示意图。

图2是本发明用于测量火焰温度分布时测得的co2分子两条波长相近的吸收谱线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

参见图1，燃烧火焰的多参数测量装置的构成如下：

火焰辐射光收集部件、分光部件和探测处理部件依次连接，其中：

火焰辐射光收集部件为火焰辐射光2的光路上依次置有的收集透镜3和火焰辐射光传输光纤4。

分光部件由火焰辐射光光纤分束器5和高速光开关9经火焰辐射光光纤分束器5的一只输出端7连接组成，且高速光开关9的控制端与探测处理部件的光调制信号输出端23电连接；其中，高速光开关9的开关频率为100hz。

探测处理部件由火焰辐射光强度探测器8、co2吸收光谱探测组件、co吸收光谱探测组件和数据处理组件构成，其中的：

火焰辐射光强度探测器8的输入端与火焰辐射光光纤分束器5的另一只输出端6连接、输出端与数据处理器37的输入端电连接。

co2吸收光谱探测组件由串联连接的第一光纤合束器12、第一光纤21、第一高速探测器22、第一带通滤波器25和第一锁相放大器24，以及串联连接的第一锯齿波信号发生器14、第一激光电源15、第一激光器16、第一光纤分束器17、第一光纤干涉仪18和第一探测器20组成；其中的第一光纤合束器12的输入端分别与高速光开关9的一只输出端10、第一光纤分束器17的另一只输出端19连接，第一锁相放大器24的另一只输入端与探测处理部件的光调制信号输出端23电连接。前述的第一高速探测器22的探测频率为1ghz，第一激光器16为dfb(或中红外icl或qcl窄线宽)激光器。

co吸收光谱探测组件由串联连接的第二光纤合束器13、第二光纤33、第二高速探测器34、第二带通滤波器35和第二锁相放大器36，以及串联连接的第二锯齿波信号发生器26、第二激光电源27、第二激光器28、第二光纤分束器29、第二光纤干涉仪30和第二探测器32组成；其中的第二光纤合束器13的输入端分别与高速光开关9的另一只输出端11、第二光纤分束器29的另一只输出端31连接，第二锁相放大器36的另一只输入端与探测处理部件的光调制信号输出端23电连接。前述的第二高速探测器34的探测频率为1ghz，第二激光器28为dfb(或中红外icl或qcl窄线宽)激光器。

数据处理组件为数据处理器37，其输入端分别与第一探测器20、第一锁相放大器24、第二探测器32和第二锁相放大器36的输出端电连接。

数据处理器37的输出端与上位机38电连接。

测量时，参见图1和图2，炉膛1中的火焰辐射光2经收集透镜3和火焰辐射光传输光纤4送入火焰辐射光光纤分束器5后，一路经火焰辐射光光纤分束器5的一只输出端7送往高速光开关9；另一路经另一只输出端6送往火焰辐射光强度探测器8，以监控炉膛1中火焰的强度变化。

高速光开关9在光调制信号输出端23送来的光调制信号的控制下，既将收集到的火焰辐射光2分时切换到两路输出端——一只输出端10和另一只输出端11，又在来回切换的过程中起到了光学斩波的作用。

第一光纤合束器12的输入端接收来自高速光开关9的一只输出端10、第一光纤分束器17的另一只输出端19送来的信号。第一光纤分束器17的输入端接收来自由第一锯齿波信号发生器14产生的锯齿波经第一激光电源15扫描第一激光器16的频率得到的测量co2的本振激光信号后，将其中的一部分经第一光纤干涉仪18送至第一探测器20，以定标测量co2的第一激光器16的频率。第一光纤合束器12将火焰辐射光2和测量co2的本振激光进行模式匹配后经第一光纤21送至第一高速探测器22中混频产生中频信号，该中频信号经第一带通滤波器25后送到第一锁相放大器24中，由第一锁相放大器24结合探测处理部件的光调制信号输出端23传来的光调制信号解调外差信号，由此获得炉膛1火焰中的co2吸收光谱。

第二光纤合束器13的输入端接收来自高速光开关9的另一只输出端11、第二光纤分束器29的另一只输出端31送来的信号。第二光纤分束器29的输入端接收来自由第二锯齿波信号发生器26产生的锯齿波经第二激光电源27扫描第二激光器28的频率得到的测量co的本振激光信号后，将其中的一部分经第二光纤干涉仪30送至第二探测器32，以定标测量co的第二激光器28的频率。第二光纤合束器13将火焰辐射光2和测量co的本振激光进行模式匹配后经第二光纤33送至第二高速探测器34中混频产生中频信号，该中频信号经第二带通滤波器35后送到第二锁相放大器36中，由第二锁相放大器36结合探测处理部件的光调制信号输出端23传来的光调制信号解调外差信号，由此获得炉膛1火焰中的co吸收光谱。

数据处理器37由第一探测器20送来的定标测量co2的第一激光器16的频率、第一锁相放大器24送来的火焰中的co2吸收光谱、第二探测器32送来的定标测量co的第二激光器28的频率和第二锁相放大器36送来的火焰中的co吸收光谱，以及火焰辐射光强度探测器8送来的火焰辐射光强，得出炉膛1中的火焰温度和co2、co的浓度，以及由co和co2的浓度比值得出火焰的燃烧效率；并将得出的上述多参数结果送至上位机38显示。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的燃烧火焰的多参数测量装置进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。