專利名稱：一種燃燒中間產(chǎn)物二維分布在線監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
一種燃燒中間產(chǎn)物二維分布在線監(jiān)測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種燃燒中間產(chǎn)物二維分布的在線監(jiān)測系統(tǒng)，它主要利用火焰輻 射光譜學(xué)、黑體輻射規(guī)律和幾何光學(xué)系統(tǒng)探測燃燒火焰中的各種中間產(chǎn)物的濃 度分布。背景技術(shù)：
燃燒是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)變化過程。對燃燒機(jī)理研究、燃燒器設(shè)計以 及污染氣體排放預(yù)測與控制的研究來說，燃燒過程參數(shù)的監(jiān)測及控制是其工作 的核心。盡管有許多燃燒模型(數(shù)學(xué)的、物理的、化學(xué)的)被提出，但由于現(xiàn) 有測量手段的限制，在某種程度上來講燃燒過程仍被作為一種"黑匣子"來對 待。眾多研究表明，燃燒中間產(chǎn)物在火焰內(nèi)部的分布、火焰的溫度場分布、燃 料種類、燃燒裝置運(yùn)行工況與燃燒效率及燃燒最終的污染物排放有著緊密的聯(lián) 系。為了正確認(rèn)識燃燒過程、有效驗證各種模型、在線、實時、定量預(yù)測污染 氣體的排放量，燃燒過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物的分布是有待測量的重要參數(shù)。
燃燒的主要外在表現(xiàn)形式是火焰及其電磁輻射(包括光和熱)?；鹧娴淖?發(fā)輻射形成連續(xù)光譜和不連續(xù)光譜。連續(xù)光譜是在高溫狀態(tài)下形成的寬譜輻 射。不連續(xù)光譜包括線狀譜和帶狀譜。線狀譜的能量被限制在某些窄帶波長處， 主要是某些自由原子激發(fā)形成，又稱為原子光譜。帶狀譜的譜線按組分布，由 自由分子輻射形成，所以又稱為分子光譜。
目前有許多工程技術(shù)人員從事燃燒過程監(jiān)測、控制及污染氣體排放預(yù)測的 研究，在線、實時獲取燃燒中間產(chǎn)物在火焰中的分布具有重要意義。目前，通 過采用光譜儀測量對應(yīng)譜線或譜帶下的光輻射信號強(qiáng)度來對燃燒火焰中間產(chǎn) 物的濃度進(jìn)行在線監(jiān)測，但該方法測得的結(jié)果是產(chǎn)物的總體平均濃度或單點局 部濃度，無法同時測取其濃度分布信息，致使燃燒模型(包括中間產(chǎn)物的再反 應(yīng))難以得到有效驗證。而釆用激光誘導(dǎo)熒光、拉曼散射及傅立葉變換紅外光 譜儀等可以獲得某產(chǎn)物或粒子的二維分布，但該方法不宜同時獲取兩種以上的中間產(chǎn)物的二維分布，且該類方法成本昂貴.安裝復(fù)雜，在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用中存 在許多困難。
因此研究一種性價比高、適合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的燃燒火焰中間產(chǎn)物濃度分布 的在線監(jiān)測系統(tǒng)是非常必要的。本發(fā)明公開一種釆用幾何光學(xué)系統(tǒng)測量燃燒中 間產(chǎn)物特征輻射信號強(qiáng)度來在線監(jiān)測燃燒火焰中間產(chǎn)物的濃度分布信息的系 統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊、堅固、性價比高，適合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。而由于該監(jiān)測方法是在 線、實時的，不存在時間上的大滯后問題，因而本發(fā)明對在線調(diào)整燃燒工況參 數(shù)、實現(xiàn)燃燒過程的閉環(huán)控制、提高燃燒效率、降低污染氣體排放有著重要的 意義。本發(fā)明在電力、能源、冶金等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種燃燒中間產(chǎn)物二維分布的在監(jiān)測系統(tǒng)，它主要利用火焰輻 射光譜學(xué)、黑體輻射規(guī)律和幾何光學(xué)系統(tǒng)探測燃燒火焰中各種中間產(chǎn)物的濃度 分布。
本發(fā)明提供的一種燃燒中間產(chǎn)物二維分布的在線監(jiān)測系統(tǒng)釆用以下技術(shù)
方案
該燃燒中間產(chǎn)物二維分布的在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括火焰探測裝置、分光裝置、 濾波裝置和探測處理裝置。其特征在于，所述火焰探測裝置包括火焰窺鏡裝置 和冷卻套筒，所述火焰窺鏡裝置最前端為火焰探測廣角鏡，所述前端的火焰探 測廣角鏡收集火焰輻射光線后經(jīng)過所述火焰窺鏡裝置傳遞給所述分光裝置，所 述火焰窺鏡裝置外部的冷卻套簡對火焰窺鏡裝置(包括火焰探測廣角鏡)進(jìn)行 降溫處理。所述分光裝置包括兩個分光棱鏡，出射光線經(jīng)過所述濾波裝置得到 兩個中心波長不同的窄帶光信號1與窄帶光信號2,其中所述窄帶光信號1與 所述窄帶光信號2具有相同的半波寬，所述窄帶光信號1的中心波長對應(yīng)疊加 在火焰黑體輻射信號分布上的特定燃燒中間產(chǎn)物的特征譜線的中心波長，所述
窄帶光信號2的中心波長盡量靠近所述窄帶光1#號l所占波段，且所述窄帶光 信號2所占波段與所述窄帶光信號1所占波段不重疊，所述窄帶光信號2所占 波段內(nèi)不存在任何火焰輻射特征譜線。探測處理裝置包括CCD接收裝置和軟件 處理系統(tǒng)，所述窄帶光信號1與窄帶光信號2通過所述CCD接收裝置得到不同的光強(qiáng)分布圖像，通過所述軟件處理系統(tǒng)把所述窄帶光信號1與所述窄帶光信 號2的光強(qiáng)分布圖像相減，從而得到實際意義的燃燒中間產(chǎn)物的特征輻射信號 強(qiáng)度分布圖像，對應(yīng)燃燒中間產(chǎn)物的沐度分布圖傳。本發(fā)明能夠在線、實時測 量和繪制得到火焰中各種燃燒中間產(chǎn)物的濃度分布情況。
其中，所述火焰探測裝置包括前置火焰探測廣角鏡的火焰窺鏡裝置和冷卻 套簡，能迅速、準(zhǔn)確、可靠地探測整個火焰輻射的光波。所述火焰窺鏡裝置和 冷卻套簡的長度依據(jù)燃燒裝置的壁厚設(shè)計，冷卻方式可為氣冷或水冷或兩者組 合。
其中，所述分光裝置包括兩個分光棱鏡， 一個分光棱鏡具有增透膜和增反 膜，另一個分光棱鏡具有增反膜。
其中，所述濾波裝置，可根據(jù)被監(jiān)測燃燒中間產(chǎn)物的特征譜線選定所述濾 波裝置通光波段的中心波長及半波覽。
其中，所述分光棱鏡出射光線經(jīng)過所述濾波裝置得到兩個中心波長不同的 窄帶光信號1與窄帶光信號2，其中所述窄帶光信號1的強(qiáng)度為所述窄帶光信 號1所占波段內(nèi)火焰黑體輻射信號強(qiáng)度與特定燃燒中間產(chǎn)物的特征輻射信號強(qiáng)
度之和，所述窄帶光信號2的強(qiáng)度為所述窄帶光信號2所占波段內(nèi)火焰黑體輻
射信號的強(qiáng)度。
其中，所述探測處理裝置包括CCD接收裝置和軟件處理系統(tǒng)，所述CCD接 收裝置前端有相機(jī)鏡頭裝置，用于對CCD相機(jī)成像，所述CCD接收裝置把光學(xué) 影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳遞給所述軟件處理系統(tǒng)。
其中，所述軟件處理系統(tǒng)把所迚窄帶光信號1與所述窄帶光信號2的光強(qiáng) 分布圖像相減，得到實際意義的燃燒中間產(chǎn)物的特征輻射信號強(qiáng)度的二維分 布。局部特征輻射信號強(qiáng)度越大，被測量燃燒中間產(chǎn)物的局部濃度越高。
其中，所述的一種燃燒中間產(chǎn)物二維分布的在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以擴(kuò)展成為 多組分光棱鏡系統(tǒng)，通過運(yùn)用不同濾波器的濾波范圍，同時檢測燃燒火焰中的 多種燃燒中間產(chǎn)物的特征輻射信號的強(qiáng)度，從而在線、實時、同步獲得多種燃 燒中間產(chǎn)物的濃度分。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明公開 - 種通過測量燃燒中間產(chǎn)物特征輻射信號強(qiáng)度來在線監(jiān)測燃燒火焰中間產(chǎn)物的濃度分布信息的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊、堅固、 性價比高，適合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。而由于該監(jiān)測方法是在線、實時的，不存在時 間上的大滯后問題，因而本發(fā)明不僅可為在線監(jiān)測火焰燃燒狀態(tài)、有效驗證燃 燒模型提供一種有效的測量手段，而且對在線調(diào)整燃燒工況參數(shù)、實現(xiàn)燃燒過 程的閉環(huán)控制、提高燃燒效率、降低污染氣體棑教有著重要的意義。本發(fā)明在 電力、能源、冶金等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。說明書附圖

圖i是燃燒中間產(chǎn)物二維分布的在線監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖； 圖2是探測燃燒中間產(chǎn)物的特征譜線示意圖；具體實施方式
通過前端的火焰探測廣角鏡101最大范圍內(nèi)收集火焰輻射光，之后經(jīng)過所 述火焰窺鏡裝置102傳遞給所述分光裝置104,所述冷卻套筒103對火焰窺鏡 裝置102 (包括火焰探測廣角鏡101)進(jìn)行降溫處理?；鹧嫣綔y廣角鏡101能 迅速、準(zhǔn)確地探測火焰輻射光?；鹧娓Q鏡裝置102 (包括火焰探測廣角鏡101) 及冷卻套簡103的長度依據(jù)燃燒裝置的壁厚設(shè)計， 一般為幾十厘米到1米。冷 卻的方式可為氣冷或水冷或兩者組合。
火焰輻射光傳遞給分光裝置104和105。首先入射分光棱鏡104,由于分 光棱鏡104具有增透膜和增反膜，增透系數(shù)與增反系數(shù)相同。所以入射的火焰 輻射光一半能量透射出去，形成光信號1。另一部分反射給分光棱鏡105。分 光棱鏡105上具有增反膜，增反系數(shù)為l,幾乎全部反射出去，形成光信號2。 此時光信號1和光信號2強(qiáng)度相同。
出射的光信號1經(jīng)過窄帶濾波器106后得到中心波長為4的窄帶光信號1。 出射的光信號2經(jīng)過窄帶濾波器107后得到中心波長為&的窄帶光信號2 。
所述窄帶濾波器106和107的中心波長及半波寬的選擇方式如下所述窄 帶濾波器106的中心波長^對應(yīng)被測量燃燒中間產(chǎn)物的特征輻射譜線中心波 長，窄帶濾波器106的半波寬A^艮據(jù)被測量燃燒中間產(chǎn)物的特征輻射譜線的半 波寬A義選擇， 一種選擇滿足A/l〉A(chǔ)A，或者一種選擇為A/HUi;窄帶濾波器107 的中心波長^的選取滿足l1^2A;1,窄帶濾波器107與窄帶濾波器106具有相等的半波寬，且[a-A/1, ^+A;i]波段內(nèi)內(nèi)不存在其他產(chǎn)物的特征輻射譜
線。只要與其他產(chǎn)物的特征譜線不交疊， 一般可選擇a^-2ZU或^1+2/U。 所述窄帶光信號1的強(qiáng)度為所述窄帶光信號l所占波段內(nèi)火焰黑體輻射信 號強(qiáng)度203與特定燃燒中間產(chǎn)物的特征輻射信號強(qiáng)度201之和，所述窄帶光信 號2的強(qiáng)度為所述窄帶光信號2所占波段內(nèi)火焰黑體輻射信號的強(qiáng)度202。由 于a靠近^，可以認(rèn)為，所述窄帶光信號l所占波段內(nèi)火焰黑體輻射信號強(qiáng)度 203與所述窄帶光信號z所占波段內(nèi)火焰黑體輻射信號的強(qiáng)度202相等。
濾波后的窄帶光信號1和窄帶光信號2傳遞給CCD接收裝置109前端的相 機(jī)鏡頭裝置108,用于對CCD相機(jī)109成像，所述CCD接收裝置109把光學(xué)影 像110和111轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳遞給所述軟件處理系統(tǒng)。通過所述軟件處理系 統(tǒng)把所述窄帶光信號1與所述窄帶光信號2的光強(qiáng)分布圖像110和111相減， 從而得到實際意義的燃燒中間產(chǎn)物的特征輻射信號強(qiáng)度分布圖像。局部特征輻 射信號強(qiáng)度越大，被監(jiān)測燃燒中間產(chǎn)物的局部濃度越高。
該發(fā)明型專利可以擴(kuò)展成為多組分光棱鏡系統(tǒng)，通過運(yùn)用不同濾波器的濾 波范圍，同時監(jiān)測燃燒火焰中的多種中間產(chǎn)物的特征輻射信號的強(qiáng)度，從而在 線、實時、同步得到多種燃燒中間產(chǎn)物的濃度分布。
權(quán)利要求
1、本發(fā)明公開了一種燃燒中間產(chǎn)物二維分布的在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括火焰探測裝置、分光裝置、濾波裝置和探測處理裝置。其特征在于，所述火焰探測裝置包括火焰窺鏡裝置和冷卻套筒，所述火焰窺鏡裝置最前端為火焰探測廣角鏡，所述前端的火焰探測廣角鏡收集火焰輻射光線后經(jīng)過所述火焰窺鏡裝置傳遞給所述分光裝置，所述火焰窺鏡裝置外部的冷卻套筒對火焰窺鏡裝置(包括火焰探測廣角鏡)進(jìn)行降溫處理。所述分光裝置包括兩個分光棱鏡，出射光線經(jīng)過所述濾波裝置得到兩個中心波長不同的窄帶光信號1與窄帶光信號2，其中所述窄帶光信號1與所述窄帶光信號2具有相同的半波寬，所述窄帶光信號1的中心波長對應(yīng)疊加在火焰黑體輻射信號分布上的特定燃燒中間產(chǎn)物的特征譜線的中心波長，所述窄帶光信號2的中心波長盡量靠近所述窄帶光信號1所占波段，且所述窄帶光信號2所占波段與所述窄帶光信號1所占波段不重疊，所述窄帶光信號2所占波段內(nèi)不存在任何火焰輻射特征譜線。探測處理裝置包括CCD接收裝置和軟件處理系統(tǒng)，所述窄帶光信號1與窄帶光信號2通過所述CCD接收裝置得到不同的光強(qiáng)分布圖像，通過所述軟件處理系統(tǒng)把所述窄帶光信號1與所述窄帶光信號2的光強(qiáng)分布圖像相減，從而得到實際意義的燃燒中間產(chǎn)物的特征輻射信號強(qiáng)度分布圖像，對應(yīng)燃燒中間產(chǎn)物的濃度分布圖像。本發(fā)明能夠在線、實時測量和繪制得到火焰中各種燃燒中間產(chǎn)物的濃度分布情況。
2、 按照權(quán)利要求1所述的一種燃燒中間產(chǎn)物二維分布的在線監(jiān)測系統(tǒng)， 其特征在于所述火焰探測裝置包括前置火焰探測廣角鏡的火焰窺鏡裝置和冷 卻套筒，能迅速、準(zhǔn)確、可靠地探測整個火焰輻射的光波。所述火焰窺鏡裝置 和冷卻套簡的長度依據(jù)燃燒裝置的壁厚設(shè)計，冷卻方式可為氣冷或水冷或兩者 組合。
3、 按照權(quán)利要求1所述的一種燃燒中間產(chǎn)物二維分布的在線監(jiān)測系統(tǒng)， 其特征在于所述分光裝置包括兩個分光棱鏡， 一個分光棱鏡具有增透膜和增反 膜，另一個分光棱鏡具有增反膜。
4、 按照權(quán)利要求1所述的一種燃燒中間產(chǎn)物二維分布的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述濾波裝置，可根據(jù)被監(jiān)測燃燒中間產(chǎn)物的特征譜線選定所述濾 波裝置通光波段的中心波長及半波寬。
5、 按照權(quán)利要求1所述的一種燃燒中間產(chǎn)物二維分布的在線監(jiān)測系統(tǒng)， 其特征在于所述分光棱鏡出射光線經(jīng)過所述濾波裝S得到兩個中心波長不同 的窄帶光信號1與窄帶光信號2,其巾所述窄帶光倍號1的強(qiáng)度為所述窄帶光 信號1所占波段內(nèi)火焰黑體輻射信號強(qiáng)度與特定燃燒中間產(chǎn)物的特征輻射信號強(qiáng)度之和，所述窄帶光信號2的強(qiáng)度為所述窄帶光信號2所占波段內(nèi)火焰黑體輻射信號的強(qiáng)度。
6、 按照權(quán)利要求1所述的一種燃燒中間產(chǎn)物二維分布的在線監(jiān)測系統(tǒng)， 其特征在于所述探測處理裝置包括CCD接收裝置和軟件處理系統(tǒng)，所述CCD接 收裝置前端有相機(jī)鏡頭裝置，用于對CCD相機(jī)成像，所述CCD接收裝置把光學(xué) 影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳遞給所述軟件處理系統(tǒng)。
7、 按照權(quán)利要求1所述的一種燃燒中間產(chǎn)物二維分布的在線監(jiān)測系統(tǒng)， 其特征在于所述軟件處理系統(tǒng)把所述窄帶光信號1與所述窄帶光信號2的光強(qiáng) 分布圖像相減，得到實際意義的燃燒中間產(chǎn)物的特征輻射信號強(qiáng)度的二維分 布。局部特征輻射信號強(qiáng)度越大，被測量燃燒中間產(chǎn)物的局部濃度越高。
8、 按照權(quán)利要求1所述的一種燃燒中間產(chǎn)物二維分布的在線監(jiān)測系統(tǒng)，可 以擴(kuò)展成為多組分光棱鏡系統(tǒng)，通過運(yùn)用不同濾波器的濾波范圍，同時檢測燃燒 火焰中的多種燃燒中間產(chǎn)物的特征輻射信號的強(qiáng)度，從而在線、實時、同步獲得 多種燃燒中間產(chǎn)物的濃度分布。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃燒中間產(chǎn)物二維分布的在線監(jiān)測系統(tǒng)；包括火焰探測裝置、分光裝置、濾波裝置和探測處理裝置；火焰探測裝置包括火焰窺鏡裝置和冷卻套筒，外部的冷卻套筒對火焰窺鏡裝置進(jìn)行降溫，前端的廣角鏡收集火焰輻射光傳給分光裝置；出射光經(jīng)濾波裝置得到中心波長不同的窄帶光信號1與窄帶光信號2，窄帶光信號1對應(yīng)特定燃燒中間產(chǎn)物的特征譜線，窄帶光信號2的中心波長盡量靠近所述窄帶光信號1所占波段，但互不重疊；通過探測處理裝置，包括CCD接收裝置和軟件處理系統(tǒng)，把窄帶光信號1與窄帶光信號2的光強(qiáng)分布圖像相減，得到實際燃燒中間產(chǎn)物的特征輻射信號強(qiáng)度分布圖像；本發(fā)明能夠在線、實時測量和繪制火焰中各種燃燒中間產(chǎn)物的濃度分布情況。
文檔編號G01J1/42GK101609052SQ20091008931
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月15日
發(fā)明者徐立軍, 李小路, 田祥瑞, 丞 譚 申請人:北京航空航天大學(xué)