專利名稱：火焰掃描裝置和它的操作的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于監(jiān)測火焰的火焰掃描裝置的領(lǐng)域。它具體涉及對應(yīng)裝置，其包括 用于采集火焰輻射并且將它傳送到檢測元件的輻射采集和傳送元件、用于檢測輻射和轉(zhuǎn)換 成電信號的火焰?zhèn)鞲性约坝糜谵D(zhuǎn)換電信號成火焰參數(shù)的評估單元。它此外涉及用于操 作這樣的裝置的方法和這樣的裝置的用途。
背景技術(shù)：
對燃燒控制的應(yīng)用存在增加的興趣。目的是最優(yōu)化燃燒器工作，監(jiān)測過程并且避 免火焰的不穩(wěn)定性和它們的嚴(yán)重后果。目的是提高系統(tǒng)性能(例如通過降低有害排放物的 水平)，并且通過減小由共振模式和燃燒之間的耦合引起的振蕩來擴(kuò)展穩(wěn)定域。相應(yīng)地，除 監(jiān)測燃燒產(chǎn)物和它們的成分外，通過傳感器監(jiān)測火焰變得日益重要。對應(yīng)的火焰檢測或火焰掃描裝置應(yīng)該盡可能可靠，應(yīng)該允許確定火焰的盡可能多 的參數(shù)，它們應(yīng)該盡可能地可廣泛應(yīng)用，并且它們應(yīng)該對火焰附近的典型溫度是有耐受能 力的。所有這些要求在原則上可能可以使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)滿足，主要問題大體上是，檢測方法技 術(shù)上越復(fù)雜，以及選擇的技術(shù)越可靠，則裝置越昂貴。相應(yīng)地，因此，對低成本的簡單但仍然 非常靈敏、可廣泛應(yīng)用并且可靠的裝置有強(qiáng)烈的需求?；鹧鎾呙杵骰蚧鹧鏅z測器通常是無源裝置，其記錄燃燒室內(nèi)的光發(fā)射，像對于給 定溫度遵循普朗克定律的粒子IR發(fā)射、在放熱過程期間存在的像ωΤ、or、c/等不同的分 子物種的發(fā)射。其他裝置通過應(yīng)用吸收光譜記錄IR中分子的存在。它們需要光源、色散元件和IR 檢測器。這些裝置是有源的，因?yàn)樗鼈冃枰庠?。主火焰掃描器給出火焰亮/滅狀態(tài)或最后火焰波動的頻率。更先進(jìn)的傳感器可給出下列信息·像λ或φι (空氣/燃料或燃料/空氣比)的火焰參數(shù)檢測；OH/CH、CH/CN、OH/ C2、C2/CH比給出關(guān)于溫度或化學(xué)計(jì)量的信息；·通過用2或3色高溫計(jì)測量的、通過對MIR和NIR(可調(diào)諧激光器)范圍中的 H20&C0 (CO2)吸收的測量的溫度；·成像CM0S、CXD照相機(jī)多頻帶檢測、火焰亮/滅檢測；· UV和IR測量(UV、OH、CH、C2化學(xué)發(fā)光；煤煙粒子的VIS/IR普朗克輻射)；· UV/IR檢測和放熱波動閾值方法(高或低頻率變化)。工業(yè)上可以使用的對應(yīng)裝置在技術(shù)發(fā)展水平中是已知的。因此例如EP0616200公開一種其中給火焰拍照的照相機(jī)包括多個光電傳感器的 裝置，該光電傳感器集成進(jìn)入照相機(jī)并且設(shè)置在其成像面上。該照相機(jī)提供可以顯示的火 焰圖像并且該對應(yīng)的圖像被分析用于導(dǎo)出火焰的燃燒性質(zhì)。該光電傳感器構(gòu)成光電傳感器 組，其中光電傳感器中的每個具有檢測波長范圍，并且其中該傳感器組覆蓋完整的連續(xù)可 見輻射范圍。該光電傳感器值用于像例如CH、OH等自由基的檢測，這些自由基的化學(xué)發(fā)光可以在可見范圍中檢測到。該裝置背后的目的是具有結(jié)合的照相機(jī)/光譜檢測裝置，其中前者允許火焰形狀檢測等，而后者覆蓋完整可見波長范圍的檢測。US6, 045，353公開一種設(shè)備和它的使用以控制噴嘴(burner)的燃燒。該裝置包括 用于觀察由火焰發(fā)射的輻射從而采集作為時間函數(shù)的火焰輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的工具。該輻射輸 送到光學(xué)處理器，其中輻射的特定光譜區(qū)然后轉(zhuǎn)換成電信號，其然后由信號處理器處理用 于對特定光譜區(qū)的火焰輻射強(qiáng)度求時間的積分。這個的輸出隨后用于控制氧化劑流、燃料 流或兩者。具體地，該裝置位于噴嘴的耐火墊中。US6, 318，891公開一種用于確定火焰的絕熱溫度的裝置。該裝置包括耦合進(jìn)入光 譜儀的傳感器纖維。在該光譜儀中，對各個自由基高分辨率地采集可調(diào)節(jié)的光譜段。該光 譜儀從而包括色散元件并且選擇的范圍隨后與理論上計(jì)算的發(fā)射光譜結(jié)合用于確定玻爾 茲曼溫度，其因此與火焰的絕熱溫度相關(guān)。更另外的裝置從W02006/091617知曉。在該裝置中火焰通過由光電二極管測量 的多個離散范圍來橫跨連續(xù)光譜被監(jiān)測。分束器(在該情況下色散元件)用于將采集的 光引導(dǎo)到覆蓋該連續(xù)光譜的許多光電二極管中的每個上。完全覆蓋的對應(yīng)的光譜范圍從 300nm-l IOOnm 延伸。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的中的一個是提供具有高靈敏度和可靠性的新火焰掃描器，并且 其優(yōu)選結(jié)合火焰亮/滅狀態(tài)并且同時表征火焰(化學(xué)計(jì)量和/或溫度)。特別地，用于監(jiān)測火焰的火焰掃描裝置應(yīng)該改進(jìn)，其包括用于采集火焰輻射并且 將它傳送到檢測元件的輻射采集和傳送元件、用于檢測輻射和轉(zhuǎn)換成電信號的火焰?zhèn)鞲性?件以及用于轉(zhuǎn)換電信號成火焰參數(shù)的評估單元。根據(jù)本發(fā)明，這樣的裝置特征在于火焰?zhèn)鞲性ㄖ辽賰蓚€個體檢測器，例如 光電二極管，每個具有個體中心檢測波長和狹窄的觀察窗口寬度(例如由濾光片提供的)， 濾光片優(yōu)選地是位于檢測器前面的干擾濾光片。這些檢測器具體選擇成各自具有個體中心 檢測波長并且具有使得觀察的窗口不重疊并且僅覆蓋輻射光譜的個體感興趣區(qū)的觀察窗 口寬度。應(yīng)該注意到具有相同或基本相同中心檢測波長的檢測器組可以用于特定的觀察 窗口。然而，這些組隨后共同或一起用于在觀察窗口中的對應(yīng)物種的評估。為了增加的靈 敏度，例如，對于相同觀察窗口具有兩個或多個檢測器是可能的。然而，在該情況下根據(jù)本 發(fā)明存在至少兩個這樣的組，其中該兩個組的觀察窗口不重疊。不監(jiān)測由火焰發(fā)射的完整的連續(xù)光譜，而僅非常具體地監(jiān)測其中預(yù)期物種化學(xué)發(fā) 光和/或其中將觀察到感興趣的特定紅外范圍的那些區(qū)域，這是提出的概念的本質(zhì)想法中 的一個，其與根據(jù)技術(shù)發(fā)展水平的概念形成對比。本發(fā)明的另一個相關(guān)方面是不需要色散 元件的事實(shí)，其簡化設(shè)置并且使它非常耐用。相應(yīng)地，根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例，火焰?zhèn)鞲性ǖ谝唤M中的至少兩個、 優(yōu)選地至少三個檢測器，其的中心檢測波長在300nm-700nm的范圍中，以及第二組中的至 少兩個、優(yōu)選地三個檢測器，其的中心檢測波長在紅外范圍中，優(yōu)選地在SOOnm-IOOOnm的 近紅外范圍中。
這意味著在第一組中存在例如用于0H*的化學(xué)發(fā)光檢測的具有315nm的中心檢測波長的一個檢測器，和用于OT的化學(xué)發(fā)光檢測的具有440nm的中心檢測波長的一個檢測 器。兩者將具有觀察寬度(半高全寬)使得基本上不存在這些觀察寬度的重疊，因此例如 每個具有25nm的觀察寬度。一般可以說，優(yōu)選地檢測器具有在IOnnHBOnm范圍中、更優(yōu)選地在15nm-30nm 范圍中的觀察窗口的寬度，然而，更寬的窗口也是可能的，只要沒有重疊即可。典型地， 對于在300nm-700nm范圍中的檢測器，觀察寬度在20nm-30nm的范圍中選擇。對于在 SOOnm-IOOOnm(NIR)范圍中的檢測器或?qū)τ诟哂诘匀辉诩t外范圍中的值，觀察寬度在 10nm-20nm的范圍中選擇。特別對于具有在300nm-700nm范圍中的中心檢測頻率的檢測器，觀察寬度(其 中選擇的轉(zhuǎn)變的特定線形將被檢測并且積分)優(yōu)選地適合于相應(yīng)檢測的信號的線形或線 寬。如果例如將觀察不被其他轉(zhuǎn)變重疊的尖銳窄帶，觀察寬度可以選擇為相當(dāng)窄的，例如在 20nm-24nm的范圍中。這例如在θΤ轉(zhuǎn)變的情況下是可能的，其中觀察到強(qiáng)烈并且尖銳的信 號(參見下文給出的圖la)。如果在另一方面存在可能甚至與其他信號重疊的寬信號，觀察寬度可以選擇為更 寬。這例如在OH*轉(zhuǎn)變的情況下發(fā)生。然而，在這樣寬并且重疊的信號的情況下，在某種狀 況下選擇窄觀察寬度以便將不期望的重疊信號排除在外也可能是更有利的。這可以在具體 問題具體分析基礎(chǔ)上確定。在任何情況下這些適應(yīng)和確定應(yīng)該考慮將觀察的所有可能的燃 燒狀況。這意味必須對不同類型的燃料并且對于不同的可能燃燒狀況(例如不同的λ值 等)找到總體最優(yōu)條件。優(yōu)選地這些個體觀察窗口通過特定并且分別適應(yīng)的濾光片(優(yōu)選地干擾濾光片) 在檢測器前面提供。如果檢測器如下文概述的成行設(shè)置，也可以使用具有沿行漸變的選擇 的頻率的漸變(干擾)濾光片。根據(jù)本發(fā)明的另外的實(shí)施例，第一組檢測器具有適應(yīng)于從OH*(以315nm為中心)、 CH*(以440nm為中心)、C2* (分別以470nm禾口 515nm為中心)、CN* (以385nm為中心)的組 中選擇的自由基物種、優(yōu)選地至少OH和CH的組中選擇的自由基物種的化學(xué)發(fā)光的峰值的 中心檢測波長。在C2的情況下，可以觀察到兩個不同的轉(zhuǎn)變，即在大約515nm的Δ υ = 0 的一個和在470nm的Δ υ = -1的一個。優(yōu)選地，第一組檢測器的個體中心檢測波長選擇成位于下列個體范圍中的至 少一個內(nèi)300nm-325nm(0H*) ； 375nm_400nm(CN*) ；420nm_450nm(CH*) ；460nm_480nm 和 500nm-530nm(C2* 兩者)。根據(jù)另外的優(yōu)選實(shí)施例，第一和第二組檢測器都設(shè)置在(單)行中，其基本上設(shè)置 為橫截于沖擊輻射的方向。然而，具有一個在另一個上的兩行或幾行檢測器也是可能的，其 中在該情況下例如上文提及的具有相同中心檢測波長的檢測器組將一個位于另一個上，或 為了補(bǔ)償目的，它們位于關(guān)于橫向輻射分布的對稱平面的相對或?qū)?yīng)位置。如果第一組的所有檢測器位于行的中心部分(在關(guān)于輻射方向的橫向方向的意 義上的中心)(其中沖擊光的強(qiáng)度是最高的)。可以提供具有高靈敏度和可靠性的特別調(diào)整 的裝置。這是因?yàn)闄z測器的第一組一般檢測較弱信號的事實(shí)。一般檢測在紅外或近紅外范 圍中的較強(qiáng)信號的第二組的檢測器都設(shè)置在行的兩個側(cè)外部，在那里橫向方向上的光分布已經(jīng)降到較低值。檢測器沿橫截方向的特定設(shè)置允許特別高效的光檢測，其調(diào)整到沿關(guān)于 沖擊到傳感器上的輻射的橫截方向的光分布和預(yù)期信號的靈敏度。一般一組內(nèi)沿行的排布也可以是適合的。因此確定將觀察到的信號的預(yù)期積分強(qiáng) 度是例如可能的(參見例如圖la)。再次這些適應(yīng)和確定應(yīng)該考慮將觀察的所有可能的燃 燒狀況。這意味著必須對不同類型的燃料并且對于不同的可能燃燒狀況(例如不同的λ 值等)找到總體值。一旦確定預(yù)期看到總體最小強(qiáng)度(例如在圖Ia中的CN*信號)的檢測 器，該信號的對應(yīng)檢測器可以放入檢測器行的中心位置，該處輻射的最高強(qiáng)度沖擊到該檢 測器上。類似地并且根據(jù)不同檢測器的預(yù)期強(qiáng)度的順序，這些檢測器可以設(shè)置在行上。一 般來說，某個帶寬的預(yù)期強(qiáng)度越大，將放置在離行的中心的偏移位置的檢測器越多。該原理 的例外是可能的，如果存在對于實(shí)際測量過程不那么重要的頻率，例如，因?yàn)樗鼉H用作控制 測量時會這樣。在該情況下，用于檢測這樣的較不重要的頻率的檢測器也可以進(jìn)一步朝外 部或偏移位置放置。本發(fā)明的更另外的優(yōu)選實(shí)施例特征在于第一和第二組檢測器設(shè)置在行中，其基本 上設(shè)置為橫截于沖擊輻射的方向，其中輻射采集和傳送元件包括用于采集優(yōu)選地從火焰的 放熱區(qū)采集的火焰輻射的前端光學(xué)系統(tǒng)(例如耐高溫透鏡系統(tǒng))，用于傳送采集的火焰輻 射的傳送元件(優(yōu)選地高溫纖維束，例如包括幾千根光纖)，以及用于將傳送的火焰輻射引 導(dǎo)到火焰?zhèn)鞲性臋z測器的行上的錐形元件。這樣的錐形元件優(yōu)選地包括或由透明塊(對于將傳送的輻射透明)構(gòu)成，其具有 基本上平行的上和下邊界面、具有正交于輻射的主方向的基本上平行的入射和出射面，以 及具有發(fā)散性的優(yōu)選地正交于上和下邊界面的拋光側(cè)面(其中被側(cè)面包圍的朝向火焰?zhèn)?感元件的張開角在1° -10°、優(yōu)選地2° -6°、最優(yōu)選地3° -5°的范圍中)。該入射面直 接或間接例如通過下文論述的分束器附著到傳送元件，該出射面直接或間接附著到火焰?zhèn)?感元件(該出射面可以例如直接膠粘到火焰?zhèn)鞲性?。典型地來自傳送元件的輻射具有以輻射束的對稱軸線為中心的非常陡的強(qiáng)度分 布。如果該輻射分布引導(dǎo)到火焰?zhèn)鞲衅?，特別如果火焰?zhèn)鞲衅魇菃涡袡z測器，這導(dǎo)致其中在 行中居中的檢測器接收非常強(qiáng)的輻射，而偏軸設(shè)置(即側(cè)向偏移)的檢測器僅接收弱輻射 的情況。該提出的錐形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致強(qiáng)度分布的顯著增寬并且因此可以確保沿行的輻射強(qiáng)度不 像沒有該元件那樣不均勻地分布，并且可以在行中高效地使用更多檢測器。應(yīng)該注意到上文與一行檢測器組合的錐形元件是獨(dú)立于如上文概述的主要發(fā)明 的另外特性的新的和發(fā)明性的概念。到目前為止使用這樣的器件用于增寬隨后將在光電二 極管陣列上檢測到的強(qiáng)度分布是未知的。本發(fā)明的具體優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)一步特征在于該裝置進(jìn)一步包括照相機(jī)(優(yōu)選地高 動態(tài)CMOS照相機(jī))，用于拍攝火焰的時間分辨圖像畫面，其中優(yōu)選地在該照相機(jī)前面布置 用于聚焦的梯度折射率透鏡，并且其中優(yōu)選地來自該照相機(jī)的數(shù)據(jù)用作評估單元的輸入和 /或火焰存在和/或它的輪廓和/或它的位置的信息。在照相機(jī)存在的該情況下，優(yōu)選地輻射采集和傳送元件包括用于采集火焰輻射的 前端光學(xué)系統(tǒng)，用于傳送采集的火焰輻射的傳送元件(優(yōu)選地高溫纖維束)，以及將輻射分 裂以在一個方面引導(dǎo)到照相機(jī)并且在另一個方面到火焰?zhèn)鞲性姆质?。如此相同的?端光學(xué)系統(tǒng)和傳送元件可以用于為火焰?zhèn)鞲性约罢障鄼C(jī)服務(wù)從而簡化設(shè)置。
本發(fā)明此外涉及用于使用如上文描述的火焰掃描裝置確定火焰特性的方法。在該 情況下優(yōu)選地火焰?zhèn)鞲性ǖ谝唤M中的至少兩個、優(yōu)選地至少三個檢測器，其的中心 檢測波長在300nm-700nm的范圍中，以及第二組中的至少兩個、優(yōu)選地三個檢測器，其的中 心檢測波長在紅外范圍中，優(yōu)選地在SOOnm-IOOOnm的近紅外范圍中，并且其中取決于從第 一組和/或第二組接收的信號，確定火焰溫度和/或燃料類型和/或火焰穩(wěn)定性和/或火 焰脈動和/或燃料/空氣混合比和/或火焰存在和/或火焰質(zhì)量和/或火焰類型和/或火 焰化學(xué)計(jì)量。具體地，提出的裝置允許檢測并且區(qū)別氣體燃料、油和/或煤炭。此外，特別 如果存在附加照相機(jī)，它允許確定火焰的溫度和/或化學(xué)計(jì)量以及火焰的存在和形狀。根據(jù)提出的方法的第一優(yōu)選實(shí)施例，第二組檢測器的信號用于基于理論計(jì)算的普 朗克輻射(最后進(jìn)行校正煤煙發(fā)射率和/或儀器系數(shù)校正)確定火焰溫度，并且其中優(yōu)選 地相應(yīng)檢測到的背景輻射用作對第一組檢測器的信號評估的背景影響的補(bǔ)償。在詳細(xì)說明 中給出用于基于在各個頻率測量的紅外和/或近紅外檢測器的溫度評估的相應(yīng)可能的通 用公式ο優(yōu)選地，在該提出的方法中火焰化學(xué)計(jì)量由第一組檢測器的信號確定，這些信號 最后基于如在上文的段落中詳細(xì)描述的第二組檢測器的信號而進(jìn)行背景校正，其中優(yōu)選地 例如使用小波算法。本發(fā)明此外涉及如上文詳細(xì)描述的火焰掃描裝置的使用，用于火焰中的燃燒過程 的控制，優(yōu)選地用于控制燃燒參數(shù)，其優(yōu)選地從下列組中選擇燃料進(jìn)給率、燃料類型、燃料 混合物、燃燒空氣進(jìn)給率、燃燒室壓力和/或燃燒產(chǎn)物的后處理。本發(fā)明的另外實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中概述。


本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在附圖中示出，其中圖la)示出在200歷-540歷的波長范圍中的包括二極管觀察窗口的氣體燃料燃燒 情況的自然化學(xué)發(fā)光光譜；b)示出在250nm-500nm的波長范圍中的包括對應(yīng)火焰溫度的理 論普朗克輻射曲線的擴(kuò)散火焰的煤炭和/或油化學(xué)發(fā)光光譜；c)示出在近紅外范圍中的用 于溫度確定即用于背景校正或火焰類型檢測的示意設(shè)置；d)示出指示如在c)中指示的兩 個測量波長的給定溫度的理論計(jì)算普朗克輻射；以及e)示出兩個選擇的觀察值的煤煙發(fā) 射率與波長關(guān)系；圖2a)示出在紅外范圍中的用于溫度確定即用于背景校正或火焰類型檢測的示 意設(shè)置；b)示出在紅外范圍中的二氧化碳、一氧化碳和水的吸收光譜；以及c)示出二氧 化碳強(qiáng)度的積分和水強(qiáng)度的積分的比率和個體值，其中在χ軸上給出采用開爾文的絕熱溫 度，在左側(cè)指示水或二氧化碳的積分并且在右側(cè)示出它們的比率；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的火焰掃描器的設(shè)置的示意圖；以及圖4示出光學(xué)錐的出射區(qū)的示意圖，其包括沿光束的橫截方向的強(qiáng)度分布并且包 括關(guān)于用于檢測的二極管陣列的細(xì)節(jié)。
具體實(shí)施例方式在像煤炭、油、氣體或合成氣體等有機(jī)燃料的燃燒過程中；某些物種在放熱區(qū)一直存在更強(qiáng)烈地輻射的是OH*、or、CNW分子。這些分子可以發(fā)現(xiàn)處于激發(fā)態(tài)并且它們在 火焰區(qū)內(nèi)采用不同的方式作用(自發(fā)發(fā)射、猝熄(quenching)等)。氣體燃料的擴(kuò)散火焰(λ = 1)的對應(yīng)自然化學(xué)發(fā)光光譜在圖Ia中給出。對于 CH*(大致上在430nm)和0H*(大致上在310nm)存在強(qiáng)個體信號。CN*和C/的另外的轉(zhuǎn)變 也可以看見。對于煤炭和油燃燒觀察到不同的火焰特性，并且對于擴(kuò)散火焰觀察到對應(yīng)化學(xué)發(fā) 光光譜。這在圖Ib中圖示，其中帶發(fā)射信號用標(biāo)號30指示。個體物種的信號被背景輻射 強(qiáng)烈遮掩。用標(biāo)號36指示的普朗克輻射的對應(yīng)分布隨遞增的波長增加，并且該分布取決于 如由標(biāo)號31指示的幾個值的火焰溫度。火焰掃描器中的大多數(shù)使用該自發(fā)發(fā)射用于在UV中表征火焰。該方式的缺點(diǎn)是 由于燃燒室的粒子(例如煤煙顆粒，在圖Ie中圖示理論計(jì)算并且用標(biāo)號34指示的它們的 對應(yīng)分布)或壁輻射而難以從像普朗克的所有其他輻射中提取該信號。圖Id)圖示一個給定溫度的理論普朗克強(qiáng)度分布36。示出以兩個不同波長λ i和 λ 2的測量，它應(yīng)該允許反算對應(yīng)溫度。對于近紅外檢測的情況，這在圖Ic中示意地圖示。測量火焰7的輻射，通過透射 光學(xué)系統(tǒng)35傳送對應(yīng)的強(qiáng)度，并且將它引導(dǎo)和/或分裂到具有個體檢測波長的兩個檢測器 (CCD或單檢測器)33，，以及計(jì)算在給定波長入工或λ 2的對應(yīng)強(qiáng)度，這是可能的。為了計(jì)算對應(yīng)溫度，可以使用下列公式
權(quán)利要求
一種用于監(jiān)測火焰的火焰掃描裝置，其包括用于采集火焰輻射并且將它傳送到檢測元件(5、9)的輻射采集和傳送元件(1、2、3、4、8)，用于輻射的檢測和轉(zhuǎn)換成電信號的火焰?zhèn)鞲性?9)，用于轉(zhuǎn)換所述電信號為火焰參數(shù)的評估單元(6)，其中所述火焰?zhèn)鞲性?9)包括至少兩個個體檢測器(11 19)，每個具有個體中心檢測波長和觀察窗口(20 24)的寬度，其中所述個體中心檢測波長和所述觀察窗口(20 24)的寬度不重疊并且覆蓋輻射光譜的個體感興趣區(qū)。
2.如權(quán)利要求1所述的火焰掃描裝置，其中所述火焰?zhèn)鞲性?9)包括第一組 (14-19)的至少兩個、優(yōu)選地至少三個檢測器，其中心檢測波長在300nm-700nm的范圍中， 以及第二組(11_13、19)的至少兩個、優(yōu)選地三個檢測器，其中心檢測波長在紅外范圍中， 優(yōu)選地在800nm-1000nm的近紅外范圍中。
3.如權(quán)利要求2所述的火焰掃描裝置，其中所述檢測器(11-19)具有在IOnnHBOnm范 圍中、優(yōu)選地在15nm-30nm范圍中的觀察窗口(20-24)的寬度，其中優(yōu)選地這些個體觀察窗 口(20-24)通過在所述檢測器(11-18)前面的干擾濾光片(19)來提供，其中所述檢測器 (11-18)優(yōu)選地是光電二極管。
4.如權(quán)利要求2或3所述的火焰掃描裝置，其中所述第一組(14-19)的檢測器具有適 合從OH、CH、C2, CN的組中、優(yōu)選地至少OH和CH的組中選擇的自由基物種的化學(xué)發(fā)光的峰 值的中心檢測波長。
5.如權(quán)利要求4所述的火焰掃描裝置，其中所述第一組(14-19)的檢測器的個體 中心檢測波長選擇成位于下列個體范圍中的至少一個內(nèi)300nm-325nm ；375nm-400nm ； 420nm-450nm ；460nm_480nm ； 500nm_530nm。
6.如權(quán)利要求2-5中任一項(xiàng)所述的火焰掃描裝置，其中所述第一組(14-19)和所述第 二組(11-13、19)的檢測器設(shè)置在基本上設(shè)置為橫截于沖擊輻射的方向的行中，并且其中 所述第一組(14-19)的所有檢測器位于所述行的中心部分，并且所述第二組(11_13、19)的 檢測器都位于所述行的一個側(cè)外部位置或在其兩個側(cè)外部位置。
7.特別地如權(quán)利要求2-6中任一項(xiàng)所述的火焰掃描裝置，其中第一組(14-19)和第 二組(11-13、19)的檢測器設(shè)置在基本上設(shè)置為橫截于沖擊輻射的方向的行中，并且其中 輻射采集和傳送元件(1、2、3、4、8)包括用于采集優(yōu)選地從所述火焰的放熱區(qū)采集的火焰 輻射的前端光學(xué)系統(tǒng)(1)，用于傳送所述采集的火焰輻射的傳送元件，優(yōu)選地為高溫纖維束 (2)，以及用于將所傳送的火焰輻射引導(dǎo)到所述火焰?zhèn)鞲性?9)的該行檢測器上并且用 于增寬沖擊輻射的橫向強(qiáng)度分布的錐形元件(8)。
8.如權(quán)利要求7所述的火焰掃描裝置，其中所述錐形元件(8)包括透明塊，其具有基 本上平行的上和下邊界面、具有正交于輻射的主方向的基本上平行的入射和出射面，以及 具有發(fā)散性的優(yōu)選地正交于上和下邊界面的拋光側(cè)面，該入射面直接或間接附著到傳送元 件，該出射面直接或間接附著到火焰?zhèn)鞲性?9)，其中被所述側(cè)面包圍的朝向所述火焰?zhèn)?感元件(9)的張開角在士 1°至士25°、優(yōu)選地士5°至士20°、最優(yōu)選地士8°至士 15° 的范圍中。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的火焰掃描裝置，其中所述裝置進(jìn)一步包括照相機(jī)(5)，優(yōu)選地是高動態(tài)CMOS照相機(jī)，用于拍攝所述火焰的時間分辨圖像畫面，其中優(yōu)選地在 所述照相機(jī)(5)前面布置有梯度折射率透鏡(4)，并且其中優(yōu)選地來自所述照相機(jī)(5)的數(shù) 據(jù)用作所述評估單元(6)的輸入和/或所述火焰的存在和/或它的輪廓和/或它的位置的fn息ο
10.如權(quán)利要求9所述的火焰掃描裝置，其中所述輻射采集和傳送元件(1、2、3、4、8)包 括用于采集所述火焰輻射的前端光學(xué)系統(tǒng)(1)，用于傳送所述采集的火焰輻射的傳送元件， 優(yōu)選地是高溫纖維束(2)，以及將所述輻射分裂以在將它引導(dǎo)到所述照相機(jī)(5)上以及到 所述火焰?zhèn)鞲性?9)上的分束器(3)。
11.一種用于使用如權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的火焰掃描裝置確定火焰的性質(zhì)的 方法，其中優(yōu)選地所述火焰?zhèn)鞲性?9)包括第一組(14-19)的至少兩個、優(yōu)選地至少三個 檢測器，其中心檢測波長在300nm-700nm的范圍中，以及第二組(11_13、19)的至少兩個、 優(yōu)選地三個檢測器，其中心檢測波長在紅外范圍中，優(yōu)選地在SOOnm-IOOOnm的近紅外范圍 中，并且其中取決于從第一組和/或第二組接收的信號，確定火焰溫度和/或燃料類型和/ 或火焰穩(wěn)定性和/或火焰脈動和/或燃料/空氣混合比和/或火焰存在和/或火焰質(zhì)量和 /或火焰類型和/或火焰化學(xué)計(jì)量。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述第二組檢測器的信號用于基于最后進(jìn)行煤煙 發(fā)射率和/或儀器系數(shù)校正的理論計(jì)算的普朗克輻射確定所述火焰溫度，并且其中優(yōu)選地 相應(yīng)檢測到的背景輻射用作對所述第一組檢測器的信號評估的背景影響的補(bǔ)償。
13.如權(quán)利要求11或12所述的方法，其中所述火焰化學(xué)計(jì)量由所述第一組檢測器的信 號確定，所述信號最后基于所述第二組檢測器的信號而進(jìn)行背景校正，其中優(yōu)選地使用小 波算法。
14.如權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的火焰掃描裝置的用途，其用于燃燒過程的控制， 優(yōu)選地用于控制燃燒參數(shù)，這些燃燒參數(shù)優(yōu)選地從下列構(gòu)成的組中選擇燃料進(jìn)給率、燃料 類型、燃料混合物、燃燒空氣進(jìn)給率、燃燒室壓力和燃燒產(chǎn)物的后處理。 全文摘要
公開一種用于監(jiān)測火焰的火焰掃描裝置。該裝置包括用于采集火焰輻射并且將它傳送到檢測元件(5、9)的輻射采集和傳送元件(1、2、3、4、8)，用于輻射檢測和轉(zhuǎn)換成電信號的火焰?zhèn)鞲性?9)，和用于將電信號轉(zhuǎn)換為火焰參數(shù)的評估單元(6)。如果火焰?zhèn)鞲性?9)包括至少兩個個體檢測器(11-19)，每個具有個體中心檢測波長和觀察窗口(20-24)的寬度，其中個體中心檢測波長和觀察窗口(20-24)寬度不重疊并且覆蓋輻射光譜的個體感興趣區(qū)，則可以提供特別調(diào)整并且可靠并且同時成本高效的裝置。
文檔編號G01J5/08GK101946126SQ200780102381
公開日2011年1月12日 申請日期2007年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月19日
發(fā)明者K·Y·哈夫納 申請人:Abb研究有限公司