用于在惡劣環(huán)境中確定火焰的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了用于在惡劣環(huán)境中確定火焰的系統(tǒng)和方法。一種用于確定火焰存在的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括光敏轉(zhuǎn)換器，所述光敏轉(zhuǎn)換器被配置成生成響應(yīng)信號，所述響應(yīng)信號是來自火焰源的電磁輻射的函數(shù)。所述系統(tǒng)還包括信號處理單元，所述信號處理單元包括調(diào)制單元和解調(diào)單元。所述調(diào)制單元被配置成通過用頻率比所述響應(yīng)信號中存在的不期望信號的頻率高的調(diào)制信號調(diào)制所述響應(yīng)信號，生成調(diào)制響應(yīng)信號。所述解調(diào)單元被配置成通過解調(diào)所述調(diào)制響應(yīng)信號確定輸出信號。所述解調(diào)單元在確定輸出信號的過程中從所述調(diào)制響應(yīng)信號中消除不期望信號。進一步地，所述系統(tǒng)還包括處理單元，所述處理單元被配置成處理所述輸出信號以基于來自火焰的入射輻射的強度，確定火焰的存在。
【專利說明】用于在惡劣環(huán)境中確定火焰的系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般涉及用于火焰檢測的傳感器，并且更具體地涉及用于在惡劣環(huán)境中確 定火焰的基于傳感器的系統(tǒng)和方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 對燃燒系統(tǒng)（諸如汽輪機、鍋爐、加熱器、爐子和燃燒器）進行管理以檢測火焰是 否存在是必要的。在規(guī)劃和調(diào)度此類系統(tǒng)的保養(yǎng)工作時，檢測火焰是重要的。檢測燃燒系 統(tǒng)中火焰的存在以確定在該系統(tǒng)中正在進行的燃燒的狀態(tài)也是重要的。用于渦輪機和其它 系統(tǒng)的控制決策基于確定的燃燒狀態(tài)。因此，為了燃燒系統(tǒng)的高效工作，確定燃燒的準確狀 態(tài)是重要的。
[0003] 目前許多的火焰檢測系統(tǒng)都利用光敏檢測器。這種檢測器包括光電管，光電管在 被特定波長的光照射時發(fā)射電子。發(fā)射的電子被一組接收管接收。由接收管收集的發(fā)射電 子被用來確定燃燒系統(tǒng)中火焰的強度。不過，在這種系統(tǒng)中，需要在光電管和接收管之間保 持高電壓電勢。此外，隨著溫度升高，光電管的性能和可靠性降低，因此使光電管不適合安 裝在高溫環(huán)境中的許多系統(tǒng)。
[0004] 在火焰檢測中，更經(jīng)常利用某些波長的電磁輻射來確定火焰是否存在。為了獲得 火焰檢測系統(tǒng)的更高效率，使用能透過某些波長的光學元件。這些光學系統(tǒng)可以讓某些波 長通過，使檢測系統(tǒng)中的光敏檢測器曝光。而且，光學元件還用來避免檢測系統(tǒng)的部件直接 暴露于高溫中。然而，這些光學系統(tǒng)還可能受到由于過度暴露于高溫造成的潛在損壞。
[0005] 現(xiàn)代電子器件便于使用半導(dǎo)體元件來構(gòu)建檢測系統(tǒng)。半導(dǎo)體元件還使得檢測系統(tǒng) 的規(guī)模減小。此外，使用半導(dǎo)體元件還可以以更低的成本達到更高穩(wěn)定性。為了處理由半 導(dǎo)體元件接收的信號，信號處理電子器件被用在大多數(shù)火焰檢測系統(tǒng)中。包括半導(dǎo)體元件 的信號處理電子器件通常被設(shè)置成靠近火焰檢測系統(tǒng)。通信信道被用來將信號從火焰檢測 系統(tǒng)傳送到信號處理單元。在當前的系統(tǒng)中，已經(jīng)觀察到在這種通信中可能丟失重要信息。
[0006] 為了避免通信損失，信號處理單元被設(shè)置于同樣容置火焰檢測系統(tǒng)的殼體中。然 而，由于殼體靠近火焰源設(shè)置，殼體的溫度可能逐漸上升。外殼的溫度升高可能導(dǎo)致信號處 理單元的性能問題。為了確保將外殼的溫度保持在半導(dǎo)體元件的工作范圍之內(nèi)，需要在外 殼附近設(shè)置額外的冷卻系統(tǒng)（諸如風扇或液冷）。冷卻系統(tǒng)的加入增加了成本，增大了火焰 檢測系統(tǒng)的重量，因此導(dǎo)致其不適于用在大多數(shù)應(yīng)用中。
[0007] 包括碳化硅（SiC)或絕緣襯底上硅（Silicon-on-Insulator，SOI)或氮化鎵（GaN) 的半導(dǎo)體元件已經(jīng)用于在高溫環(huán)境中使用的其它電子裝置中。SiC或SOI部件還用在火焰 檢測系統(tǒng)的信號處理單元中。Sic或S0I部件提供設(shè)置有火焰檢測系統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)的一致 性能。然而，即使使用SiC或S0I部件，目前可用的系統(tǒng)在信號處理過程中表現(xiàn)出電流泄露。 而且，隨著溫度的升高，噪聲分量也以增長的出現(xiàn)的頻率增加。
[0008] 因此，需要能在惡劣環(huán)境中提供火焰檢測同時又表現(xiàn)出最小的因噪聲信號導(dǎo)致的 損失和畸變的系統(tǒng)和方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 在一個實施例中，提供了一種用于確定火焰存在的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括光敏轉(zhuǎn)換 器（transducer),所述光敏轉(zhuǎn)換器基于來自火焰源的電磁福射生成響應(yīng)信號。所述光敏轉(zhuǎn) 換器被設(shè)置成靠近火焰源。進一步地，所述系統(tǒng)包括信號處理單元。所述信號處理單元包 括調(diào)制單元，所述調(diào)制單元被配置成用頻率比不期望信號的頻率高的調(diào)制信號調(diào)制所述響 應(yīng)信號并生成調(diào)制響應(yīng)信號。進一步地，所述信號處理單元包括解調(diào)單元，所述解調(diào)單元被 配置成從調(diào)制響應(yīng)信號確定輸出信號。所述解調(diào)單元被配置成從所述調(diào)制響應(yīng)信號中消除 不期望信號，以生成輸出信號。輸出信號由處理單元處理以確定火焰的存在。確定火焰的 存在是基于來自火焰的輻射的強度。
[0010] 在另一實施例中，提供了一種用于確定火焰存在的方法。所述方法包括獲得基于 入射輻射生成的響應(yīng)信號。進一步地，所述方法包括調(diào)制所獲得的響應(yīng)信號，以生成調(diào)制響 應(yīng)信號。所述響應(yīng)信號是使用頻率比所述響應(yīng)信號中的不期望信號的頻率高的調(diào)制信號調(diào) 制的。而且，所述方法包括解調(diào)所述調(diào)制響應(yīng) /[胃號，以生成輸出信號。解調(diào)調(diào)制響應(yīng)信號包 括消除不期望信號以確定輸出信號。所述方法還包括處理輸出信號以確定火焰的存在的步 驟。所述輸出信號被用來確定所述入射輻射的強度，基于此檢測火焰的存在。
[0011] 在又一實施例中，提供了一種火焰檢測裝置。所述火焰檢測裝置包括裝置外殼。 所述火焰檢測裝置還包括碳化硅轉(zhuǎn)換器，所述碳化硅轉(zhuǎn)換器被配置成生成響應(yīng)信號，所述 響應(yīng)信號是來自源于火焰源的火焰的入射輻射的函數(shù)。進一步地，所述裝置包括設(shè)置于所 述裝置外殼的一端的光學裝置。所述光學裝置被配置成將所述碳化硅轉(zhuǎn)換器與火焰源隔 離。而且，所述火焰檢測裝置包括處理由所述轉(zhuǎn)換器生成的響應(yīng)信號的信號處理單元。所 述信號處理單元包括至少一個放大單元，所述至少一個放大單元被配置成放大所述信響應(yīng) 信號。所述信號處理單元還包括調(diào)制單元，所述調(diào)制單元被配置成通過用頻率比所述響應(yīng) 信號中的不期望信號的頻率高的調(diào)制信號調(diào)制所述響應(yīng)信號，生成調(diào)制響應(yīng)信號。所述信 號處理單元進一步包括解調(diào)單元，所述解調(diào)單元被配置成通過解調(diào)所述調(diào)制響應(yīng)信號確定 輸出信號。所述解調(diào)單元通過從所述調(diào)制響應(yīng)信號中消除不期望信號確定輸出信號。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 結(jié)合附圖，通過下面對優(yōu)選實施例的更加詳細的描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點 是顯然的，附圖通過示例圖解說明本發(fā)明的某些方面的原理。
[0013] 圖1圖示了可以在其中實施本發(fā)明的環(huán)境的示意圖；
[0014] 圖2圖示了設(shè)置于圖1所示環(huán)境中的用于確定火焰的系統(tǒng)；
[0015] 圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的信號處理單元的示意圖；
[0016]圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的信號處理單元的示意圖；以及 [0017]圖5是圖示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例用于確定火焰存在的方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0018]下面詳細地描述本發(fā)明的示例性實施例，這些實施例的示例在附圖中示出。在可 能的地方，在全部附圖中使用相同的附圖標記來指示相同或相似部件。
[0019] 如在下文更加詳細地討論的，本發(fā)明的實施例提供用于在惡劣環(huán)境中確定火焰存 在的系統(tǒng)和方法。在許多系統(tǒng)（諸如化石型燃燒發(fā)動機）中檢測火焰存在是很重要的?；?于這些系統(tǒng)中存在的火焰的性質(zhì)，規(guī)劃控制活動。火焰檢測還在確定各種各樣的制造工藝 中的活動狀態(tài)時起重要作用?；鹧鏅z測系統(tǒng)被設(shè)置于系統(tǒng)（諸如燃燒發(fā)動機）中，使得系 統(tǒng)緊鄰火焰源。在燃燒發(fā)動機中，例如火焰源可以是燃燒燃料的多個燃燒器。火焰檢測系 統(tǒng)被配置成基于由火焰源發(fā)射的輻射的強度檢測火焰的存在。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述 系統(tǒng)包括光敏轉(zhuǎn)換器。根據(jù)某些實施例，光敏轉(zhuǎn)換器可以是光電二極管。光敏轉(zhuǎn)換器被配 置成生成響應(yīng)信號，所述響應(yīng)信號是源于火焰源并入射到其上的輻射的強度的函數(shù)。響應(yīng) 信號由信號處理單元處理，以確定火焰的強度。信號處理單元包括調(diào)制單元，所述調(diào)制單元 被配置成用調(diào)制信號調(diào)制響應(yīng)信號。根據(jù)某些實施例，調(diào)制信號選擇為調(diào)制信號的頻率比 響應(yīng)信號的頻率高。進一步地，信號處理單元還包括解調(diào)單元，所述解調(diào)單元被配置成從調(diào) 制響應(yīng)信號中消除不期望信號，生成輸出信號。輸出信號傳送到處理單元，以確定造成輸出 信號的輻射強度。根據(jù)一個實施例，處理單元可以基于通過與輸出信號的幅值和入射輻射 的強度相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)確定的關(guān)系，確定輻射的強度。
[0020] 圖1圖示可以實施本發(fā)明的系統(tǒng)100的示意圖。系統(tǒng)100包括燃氣渦輪發(fā)動機 102等其它組件。燃氣渦輪發(fā)動機102包括燃燒發(fā)動機104。燃料燃燒后，燃燒發(fā)動機104 生成火焰。檢測火焰存在的系統(tǒng)被設(shè)置成靠近燃燒發(fā)動機104,使得來自火焰的輻射入射到 用于確定火焰的系統(tǒng)的部件上。
[0021] 為了避免用于確定火焰的系統(tǒng)直接暴露于燃燒發(fā)動機104中的火焰，光學元件可 以設(shè)置在用于確定火焰的系統(tǒng)和火焰源（即燃燒發(fā)動機104)之間。光學元件包括但不限 于透鏡、光纖、窗、透明玻璃等。在一些實施例中，光學元件被設(shè)置在系統(tǒng)100的壁中制成的 孔中。例如，光學元件可以設(shè)置于孔106中。用于確定火焰的系統(tǒng)被設(shè)置成靠近光學元件。 在工作中，當燃燒發(fā)動機104產(chǎn)生火焰時，使來自火焰的輻射入射到用于確定火焰的系統(tǒng) 上。
[0022] 圖2圖示可以設(shè)置于圖1所示環(huán)境中的用于確定火焰的系統(tǒng)200。系統(tǒng)200包括 外殼202、光學元件204、光敏轉(zhuǎn)換器206、信號處理單元208和處理單元210。系統(tǒng)200設(shè) 置成靠近火焰源，例如燃氣渦輪發(fā)動機102的燃燒發(fā)動機104。外殼202的一端包括設(shè)置光 學元件204的開口。根據(jù)某些實施例，外殼202的外表面上包括反射系統(tǒng)200的熱的反射 材料。進一步地，外殼202的內(nèi)層包括絕熱材料，絕熱材料保護光敏轉(zhuǎn)換器206和信號處理 單元208的部件不受火焰源產(chǎn)生的熱的影響。
[0023] 被設(shè)置于外殼202的開口的系統(tǒng)200的光學元件204確保光敏轉(zhuǎn)換器206不直接 暴露于火焰源產(chǎn)生的熱。根據(jù)某些實施例，光學元件204可以包括透射特定波長的電磁輻 射的至少一個元件。光學元件204可以包括透鏡、反射鏡、反射表面、透射表面等中的至少 一個。在一個實施例中，光學元件204包括透射電磁光譜的紫外區(qū)中的波長的透鏡。例如， 光學元件204可以包括透射200nm-400nm波長范圍的輻射的透鏡。在其它實施例中，光學 元件204包括被配置成將來自火焰源的電磁輻射轉(zhuǎn)向以避免光敏轉(zhuǎn)換器206直接暴露的反 射鏡。透射紫外輻射的透鏡可以由諸如但不限于石英、鍺和砷化鎵的材料制成。
[0024] 通過光學元件204的輻射入射在光敏轉(zhuǎn)換器206上。光敏轉(zhuǎn)換器206是在暴露于 光時電阻會降低的裝置。光敏轉(zhuǎn)換器206產(chǎn)生的電流是入射輻射的強度的函數(shù)。光敏轉(zhuǎn) 換器206的示例包括光電二極管、光電晶體管和光電電阻器。在某些實施例中，光敏轉(zhuǎn)換 器206可以由諸如碳化硅（SiC)、硅（Si)、絕緣襯底上硅（SOI)、氮化鎵鋁（AlGaN)、氧化鋅 (ZnO)、鉆石、氮化鋁（A1N)和氮化硼（BN)的材料制成。光敏轉(zhuǎn)換器206選擇為可以用來在 高溫下工作。在高溫下工作取決于光敏轉(zhuǎn)換器 2〇6中包含的材料。例如，當光敏轉(zhuǎn)換器206 包括SiC時，工作溫度范圍可以大于3〇0°C。類似地，當光敏轉(zhuǎn)換器206包括SOI時，工作溫 度范圍可以大于250°C。在其它實施例中，光敏轉(zhuǎn)換器206可以包括適于用在溫度高于SiC 型或SOI型轉(zhuǎn)換器工作的溫度范圍的環(huán)境中的其它材料。
[0025] 光敏轉(zhuǎn)換器206被配置成生成響應(yīng)信號，所述響應(yīng)信號是通過光學元件204聚焦 的電磁輻射的函數(shù)。由光敏轉(zhuǎn)換器生成的響應(yīng)信號可以是電流信號或電壓信號。在一個實 施例中，光敏轉(zhuǎn)換器206生成電流信號，所述電流信號被傳送到信號處理單元208,以確定 電磁輻射的強度。
[0026] 信號處理單元208和光敏轉(zhuǎn)換器206可以通過有線或無線通信信道耦連。在一些 實施例中，信號處理單元208被設(shè)置于遠程設(shè)備上，遠程設(shè)備與光敏轉(zhuǎn)換器206通信耦連。 在一個實施例中，來自光敏轉(zhuǎn)換器206的信號被放大，再通過無線通信信道傳送到信號處 理單元208。如圖2所示，在一些實施例中，信號處理單元208可以設(shè)置于外殼202中，使信 號處理單元208靠近光敏轉(zhuǎn)換器 2〇6。信號處理單元208和光敏轉(zhuǎn)換器206在被設(shè)置于外 殼2〇 2中時，可以通過有線通信信道耦連。在一個實施例中，外殼202包括至少一個熱隔斷 21S，使得在光敏轉(zhuǎn)換器206和信號處理單元208之間產(chǎn)生溫度梯度。進一步地，在外殼202 中，熱隔斷218還可以用來產(chǎn)生光學元件204和光敏轉(zhuǎn)換器206之間的溫度梯度?？梢栽?外殼202中產(chǎn)生溫度梯度，以保持光敏轉(zhuǎn)換器206和信號處理單元208在溫度落入其工作 范圍之內(nèi)的環(huán)境中。
[0027] 信號處理單元208包括放大單元212、調(diào)制單元214和解調(diào)單元216。放大單元212 被配置成放大由光敏轉(zhuǎn)換器206生成的響應(yīng)信號。當光敏轉(zhuǎn)換器206響應(yīng)于入射的電磁輻 射生成電流響應(yīng)信號時，放大單元212被配置成將電流響應(yīng)信號轉(zhuǎn)換成電壓響應(yīng)信號。由 放大單元212生成的電壓響應(yīng)信號被調(diào)制單元214調(diào)制。調(diào)制單元214被配置成用頻率比 不期望信號的頻率高的調(diào)制信號調(diào)制響應(yīng)信號。在調(diào)制單元214上接收的放大單元212的 輸出包括不期望信號（諸如高溫泄露信號、耦連產(chǎn)生的噪聲信號、由放大單元212加入的偏 置信號、高溫漂移信號）以及期望信號。調(diào)制單元214被配置成用高頻調(diào)制信號調(diào)制包括 不期望信號的響應(yīng)信號，以生成調(diào)制響應(yīng)信號。進一步地，在信號處理單元208中，解調(diào)單 元216接收調(diào)制響應(yīng)信號，并確定輸出信號。解調(diào)單元216被配置成去掉調(diào)制響應(yīng)信號中 存在的調(diào)制信號和低頻不期望信號。解調(diào)單元216因此只保留光敏轉(zhuǎn)換器204的轉(zhuǎn)移到比 不期望信號高的頻率范圍的響應(yīng)信號。在解調(diào)單元216上確定的輸出信號被傳送到處理單 元210,處理單元210被配置成確定電磁輻射的強度。在一些實施例中，放大單元212和調(diào) 制單元214可以是單個部件的一部分。
[0028] 處理單元210基于輸出信號的幅值和相位中的至少一個和輻射強度之間的關(guān)系 確定電磁輻射的強度。由信號處理單元208確定的輸出信號可以通過有線或無線通信信道 傳送到處理單元210。
[0029] 處理單元210可以被配置成基于與輸出信號和電磁輻射的強度有關(guān)的歷史信息 確定輸出信號和電磁輻射的強度之間的關(guān)系。
[0030] 在某些實施例中，處理單元210可以包括中央處理單元（CPU)，諸如微處理器，或 者可以包括協(xié)同操作以實現(xiàn)WU功能的適當數(shù)目的專用集成電路。處理單元210可以包括 存儲器，存儲器可以是電子的、磁的、光的、電磁的或紅外系統(tǒng)、設(shè)備或裝置。存儲器的通用 形式包括硬盤、磁帶、隨機存取存儲器（RAM)、可編程只讀存儲器（PROM)、EEPR0M或者諸如 可重新擦寫CDR0M或DVD的光學存儲裝置。處理單元210能夠執(zhí)行與確定火焰存在的系統(tǒng) 相關(guān)的程序指令。這些程序指令包括用于實現(xiàn)邏輯功能的可執(zhí)行指令的列表。列表可以體 現(xiàn)為任何計算機可讀介質(zhì)，所述任何計算機可讀介質(zhì)用于由能夠檢索、處理和執(zhí)行指令的 基于計算機的系統(tǒng)使用或與基于計算機的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)。替代性地，一些或者全部的處理可以 由另外的處理單元210遠程執(zhí)行。
[0031] 在各實施例中，調(diào)制單元214和解調(diào)單元216包括不同部件，諸如波形整流器、電 容元件、時鐘信號發(fā)生器和開關(guān)。這些部件的不同架構(gòu)可以用作調(diào)制單元214和解調(diào)單元 216。圖3和圖4更加詳細地描述了這些架構(gòu)。
[0032] 圖3圖示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的信號處理單元208的示意圖。如圖3中圖示 的信號處理單元208包括調(diào)制單元302、跨阻放大器304和解調(diào)單元306。當光敏轉(zhuǎn)換器206 暴露于火焰源生成的電磁輻射時，光敏轉(zhuǎn)換器206生成的響應(yīng)信號是入射的電磁輻射的函 數(shù)。圖3中所示的光敏轉(zhuǎn)換器206是光電二極管。在其它實施例中，光敏轉(zhuǎn)換器206可以 是光電晶體管、光電電阻器或光電管。圖3中所示的光電二極管可以是SiC或SOI光電二 極管中的至少一個。許多可商購的光電二極管可以用作光敏轉(zhuǎn)換器206。
[0033] 光敏轉(zhuǎn)換器206和信號處理單元2〇8設(shè)置于外殼202中。外殼202在各個點包括 熱隔斷，使得信號處理單元208的部件（諸如調(diào)制單元302、放大器304和解調(diào)單元306)設(shè) 置于溫度在這些組件的工作范圍內(nèi)的區(qū)域中。
[0034] 來自光敏轉(zhuǎn)換器206的響應(yīng)信號傳送到信號處理單元208的跨阻放大器304?？?阻放大器304被配置成將光敏轉(zhuǎn)換器206的電流響應(yīng)信號轉(zhuǎn)換為電壓響應(yīng)信號。在與放大 器304的輸入端和輸出端耦連的電阻元件314的兩端測量電壓響應(yīng)信號。
[0035] 在放大器304的輸出端的電壓響應(yīng)信號是用由調(diào)制單元302生成的調(diào)制信號調(diào)制 的。調(diào)制單元302可以是晶體管、斬波電路、微機電系統(tǒng)（MEMS)開關(guān)或光學開關(guān)中的至少一 個。在圖3所示的實施例中，調(diào)制單元302包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（M0SFET)。 在一個實施例中，充當調(diào)制單元302的M0SFET包括SiC。在其它實施例中，M0SFET包括SOI。 調(diào)制單元302被配置成生成調(diào)制信號，調(diào)制信號對電壓響應(yīng)信號進行調(diào)制。由調(diào)制單元 3〇2 生成的調(diào)制信號選擇為具有比來自響應(yīng)信號的不期望信號的頻率高的頻率。
[0036] 調(diào)制單元302配備有來自時鐘信號發(fā)生器308的時鐘信號。由時鐘信號發(fā)生器308 提供的時鐘信號驅(qū)動調(diào)制單元302,以生成調(diào)制信號。時鐘信號頻率是基于調(diào)制信號所需的 頻率選擇的。由調(diào)制單元302產(chǎn)生的調(diào)制信號調(diào)制響應(yīng)信號，以生成調(diào)制響應(yīng)信號。調(diào)制 響應(yīng)信號包括從跨阻放大器304獲得的頻移原始響應(yīng)信號、通過放大器304加入到響應(yīng)信 號中的不期望信號和高溫相關(guān)的偏置和泄露信號。不期望信號以比響應(yīng)信號的輻射生成的 分量的頻率更低的頻率存在。當響應(yīng)信號被調(diào)制時，響應(yīng)信號的輻射生成的分量被轉(zhuǎn)移到 比不期望信號的頻率更高的頻率。解調(diào)單元3〇 6被配置成消除調(diào)制響應(yīng)信號的低頻分量， 并確定輸出信號。
[0037] 解調(diào)單元3〇6包括高通濾波器310、整流器312和濾波器 316。高通濾波器310被 配置成消除調(diào)制響應(yīng)信號中存在的不期望的低頻分量，諸如DC分量。在一個實施例中，高 通濾波器可以是電容元件。進一步地，整流器312被配置成通過從調(diào)制響應(yīng)信號中消除調(diào) 制信號和低頻不期望信號分量來生成輸出信號。整流器312被配置成將正、負極性的調(diào)制 響應(yīng)信號轉(zhuǎn)換成單極性的輸出信號。換言之，整流器312被配置成確定調(diào)制響應(yīng)信號的期 望分量的幅值。在不同的實施例中，不同的整流器架構(gòu)可以用作整流器312。在一個實施例 中，整流器312可以是全波整流器。全波整流器架構(gòu)的示例包括但不限于中心抽頭變壓器 型的整流器、二極管橋型整流器和晶體管橋型整流器。在另一實施例中，整流器 312可以是 半波整流器。整流器312被配置成計算期望信號的AC分量的絕對峰值。根據(jù)某些實施例， 整流器312可以被配置成生成期望信號的AC分量的均方根（RMS)值。整流器312中的電 子元件可以包括SiC或SOI或GaN中的至少一個。輸出信號的峰值還進一步被整流器312 平滑。
[0038]低通濾波器316被配置成以消除輸出信號中可能存在的高頻不期望分量的方式 平滑整流器312上的知出彳曰號。輸出彳齊號中可能存在的不期望分量包括但不限于來自時鐘 信號發(fā)生器308的時鐘噪聲或者來自整流器312的噪聲信號等等。低通濾波器 316與整流 器312耦連，以接收輸出信號，并被配置成濾去輸出信號中可能存在的高頻不期望分量。 [0039]而且，信號處理單元2〇 8可以包括電流環(huán)（例如4-20mA電流環(huán)），電流環(huán)被配置成 將輸出信號傳送到處理單元210。處理單元210被配置成基于輸出信號確定入射的電磁輻 射的強度。
[0040] 圖4圖示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的信號處理單元208的示意圖。如圖4所示， 信號處理單元2〇8包括調(diào)制單元402、放大單元404和解調(diào)單元406。
[0041] 從光敏轉(zhuǎn)換器206接收的響應(yīng)信號傳送到調(diào)制單元402。調(diào)制單元402被配置成 調(diào)制響應(yīng)信號，以生成調(diào)制響應(yīng)信號。根據(jù)一個實施例，調(diào)制單元402包括開關(guān)配置412。 開關(guān)配置412包括多個開關(guān)（S1，S2, S3和S4)，他們被配置成調(diào)制響應(yīng)信號，以生成調(diào)制響 應(yīng)信號。在一個實施例中，開關(guān)配置412的多個開關(guān)中的每個開關(guān)都包括SiC晶體管。開關(guān) 配置412與時鐘信號發(fā)生器410耦連。時鐘信號發(fā)生器410被配置成以下述方式產(chǎn)生時鐘 信號：在時鐘信號處于正狀態(tài)時接通S1和S2,在時鐘信號處于〇狀態(tài)時接通S3和S4。由 于開關(guān)配置412中開關(guān)的交替工作，調(diào)制單元402產(chǎn)生調(diào)制響應(yīng)信號。由時鐘信號發(fā)生器 410生成的時鐘信號的頻率比從光敏轉(zhuǎn)換器 2〇6接收的響應(yīng)信號中存在的不期望信號的頻 率高。調(diào)制響應(yīng)信號被調(diào)制單元404放大。放大單元和環(huán)境溫度變化導(dǎo)致不期望信號加入 到調(diào)制響應(yīng)信號中。
[0042]解調(diào)單元406被配置成通過消除調(diào)制響應(yīng)信號中的不期望信號和調(diào)制信號來由 調(diào)制響應(yīng)信號確定輸出信號。在一個實施例中，解調(diào)單元406還包括與時鐘信號發(fā)生器410 耦連的開關(guān)配置414。
[0043] 在信號處理單元208工作期間，開關(guān)配置412和414的開關(guān)工作，使得如下進行調(diào) 制：在調(diào)制單元402加入的調(diào)制信號在解調(diào)單元406消除，不期望信號被進一步與期望信號 分離。
[0044]在一個實施例中，開關(guān)配置412和414包括諸如開關(guān)SI、S2、S3和S4的晶體管。 根據(jù)一個實施例，晶體管可以包括碳化硅（SiC)。開關(guān)Sl、S2、S3和S4中SiC的存在允許 在更高的溫度下工作，而不會增加不期望信號。根據(jù)其它實施例，開關(guān)配置412和414中的 開關(guān)包括但不限于光開關(guān)、MEMS等等。在解調(diào)單元406上獲得的輸出信號然后可以被第二 放大器408放大，第二放大器408與解調(diào)單元406的輸出耦連。
[0045]在某些實施例中，解調(diào)單元406可以包括高通濾波器和低通濾波器。高通濾波器 被配置成消除調(diào)制響應(yīng)信號中存在的不期望的低頻分量（諸如DC分量）。在一個實施例 中，高通濾波器可以是電容元件。濾波器中的電子元件可以包括SiC或SOI或GaN中的至 少一個。解調(diào)單元4〇 6上的輸出信號的峰值還可以被低通濾波器進一步平滑。
[0046]低通濾波器被配置成以消除輸出信號中可能存在的高頻不期望分量的方式平滑 輸出信號。輸出信號中可能存在的不期望分量包括但不限于來自時鐘信號發(fā)生器410的時 鐘噪聲或來自開關(guān)配置412和414中的開關(guān)的噪聲信號或不期望調(diào)制信號等等。
[0047] 而且，信號處理單元208可以包括電流環(huán)（例如4-20raA電流環(huán)），電流環(huán)被配置成 將輸出信號傳送到處理單元210。處理單元210被配置成基于輸出信號確定入射的電磁輻 射的強度。
[0048] 光敏轉(zhuǎn)換器2〇6和信號處理單元2〇8被設(shè)置于外殼202中。外殼202包括在各個 點的熱隔斷，使得信號處理單元2〇8的部件（諸如放大單元404、調(diào)制單元402和解調(diào)單元 406)設(shè)置在溫度在這些組件的工作范圍內(nèi)的區(qū)域中。
[0049]圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于確定火焰存在的方法的流程圖。在502， 獲得由光敏轉(zhuǎn)換器2〇6生成的響應(yīng)信號。光敏轉(zhuǎn)換器206基于入射的電磁輻射產(chǎn)生響應(yīng)信 號。來自火焰源的電磁輻射可以借助光學元件 2〇4聚焦于光敏轉(zhuǎn)換器206上，光學元件204 設(shè)置成從生成的電磁輻射中濾除某些波長。光敏轉(zhuǎn)換器206生成的響應(yīng)信號是入射的電磁 輻射的函數(shù)。來自光敏轉(zhuǎn)換器 2〇6的響應(yīng)信號傳送到信號處理單元208。
[0050] 在步驟504,信號處理單元208被配置成調(diào)制所獲得的響應(yīng)信號，以生成調(diào)制響應(yīng) 信號。信號處理單元 2〇8包括調(diào)制單元，調(diào)制單元被配置成調(diào)制響應(yīng)信號。調(diào)制單元（諸 如調(diào)制單元302或402)用頻率比響應(yīng)信號的頻率更高的調(diào)制信號調(diào)制響應(yīng)信號。調(diào)制單 元與時鐘信號發(fā)生器（例如時鐘信號發(fā)生器410)耦連，時鐘信號發(fā)生器生成操作調(diào)制單元 并幫助調(diào)制響應(yīng)信號的時鐘信號。
[0051] 在5〇6,解調(diào)單元解調(diào)調(diào)制響應(yīng)信號。解調(diào)單元（例如解調(diào)單元306和406)被配 置成對調(diào)制響應(yīng)信號進行解調(diào)，這樣從調(diào)制響應(yīng)信號中消除在調(diào)制過程中由于高溫引起的 信號漂移加入的不期望信號。在某些實施例中，解調(diào)單元包括與時鐘信號發(fā)生器耦連的多 個開關(guān)。時鐘信號發(fā)生器產(chǎn)生時鐘信號并因此改變解調(diào)單元中的開關(guān)的狀態(tài)。解調(diào)單元的 開關(guān)狀態(tài)的變化導(dǎo)致在確定輸出信號的同時去掉不期望信號。
[0052] 在508,輸出信號傳送到處理單元（諸如處理單元210)，以用于確定入射的電磁輻 射的強度。處理單元被配置成基于與響應(yīng)信號（例如響應(yīng)信號的幅值或相位）和入射的電 磁輻射的強度有關(guān)的參數(shù)之間的關(guān)系確定入射的電磁輻射的強度。
[0053] 在某些實施例中，高通濾波器用來消除調(diào)制響應(yīng)信號中存在的不期望的低頻分量 (諸如DC分量）。在一個實施例中，高通濾波器可以是電容元件。在解調(diào)單元406上的輸 出信號的峰值還可以被低通濾波器進一步平滑。
[0054] 如在前面的段落中描述的確定火焰存在的方法和系統(tǒng)工作于溫度預(yù)期會高于 200?的惡劣環(huán)境中。SiC和SOI型的部件（諸如放大器、開關(guān)、調(diào)制和解調(diào)單元）使系統(tǒng)能 夠用在諸如燃氣渦輪發(fā)動機的環(huán)境中。不需要與確定系統(tǒng)一起安裝冷卻系統(tǒng)，原因是系統(tǒng) 可以用在高溫下而沒有效率損失。進一步地，由外殼提供的溫度梯度能夠?qū)⑿盘柼幚韱卧?設(shè)置成緊密靠近光敏轉(zhuǎn)換器。信號處理單元和光敏轉(zhuǎn)換器之間緊密靠近可以在信號處理單 元和轉(zhuǎn)換器之間使用無線通信信道以及簡單的有線通信信道。因此，降低了在轉(zhuǎn)換器和處 理單元之間建立通信的成本。此外，還降低了由其它長距離通信信道產(chǎn)生的數(shù)據(jù)損失。進 一步地，信號處理單元確定輸出信號時不要求有任何處理或者只要求進行很少處理，因此 降低了花費時間和確定火焰的處理要求。
[0055] 某些實施例考慮了實現(xiàn)上文描述的功能的方法、系統(tǒng)和在任何機器可讀介質(zhì)上的 計算機程序產(chǎn)品。某些實施例可以使用現(xiàn)有的計算機處理器實現(xiàn)，或者通過為此或另一目 的集成的專用計算機處理器或者通過例如硬連線和/或固件系統(tǒng)實現(xiàn)。某些實施例包括用 于執(zhí)行或其上存儲了計算機可執(zhí)行指令或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的計算機可讀介質(zhì)。這些計算機可讀介 質(zhì)可以是可以由通用或?qū)Ｓ糜嬎銠C或具有處理器的其它機器訪問的任何可用介質(zhì)。舉例來 說，這種計算機可讀介質(zhì)可以包括RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、閃存、CD-ROM或其它光 盤存儲設(shè)備、磁盤存儲或其它磁存儲裝置或者可以用來執(zhí)行或存儲形式為計算機可執(zhí)行指 令或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并且可以由通用或?qū)Ｓ糜嬎銠C或其它具有處理器的機器訪問的期望程序代 碼的其它任何介質(zhì)。上述各項的組合也包括于計算機可讀介質(zhì)的范圍內(nèi)。計算機可執(zhí)行指 令包括例如引起通用計算機、專用計算機或?qū)Ｓ锰幚頇C執(zhí)行特定功能或功能集的指令和數(shù) 據(jù)。
[0056] 通常，計算機可執(zhí)行指令包括執(zhí)行特定任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)特定的抽象數(shù)據(jù)類型的例程、 程序、對象、組件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。計算機可執(zhí)行指令、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序模塊代表用于執(zhí)行 本文中公開的某些方法和系統(tǒng)的步驟的程序代碼的示例。這種可執(zhí)行指令或關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 的特定順序代表用于實現(xiàn)這些步驟中描述的功能的相應(yīng)動作的示例。
[0057] 本發(fā)明的實施例可以在聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中使用與一個或更多個具有處理器的遠程計算 機的本地連接實現(xiàn)。本地連接可以包括局域網(wǎng)（LAN)和廣域網(wǎng)（WAN)，這里只作為示例而 不是限制給出。這種聯(lián)網(wǎng)環(huán)境在辦公或企業(yè)計算機網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)和因特網(wǎng)中是常 見的，可以使用各種不同的通信協(xié)議。本領(lǐng)域技術(shù)人員會認識到這種網(wǎng)絡(luò)計算環(huán)境通常包 括許多類型的計算機系統(tǒng)配置，包括個人計算機、手持裝置、多處理器系統(tǒng)、微處理器型或 可編程消費電子、網(wǎng)絡(luò)PC、小型計算機、大型計算機等等。本發(fā)明的實施例還可以在分布式 計算環(huán)境中實現(xiàn)，在分布式計算環(huán)境中，任務(wù)是由通過通信網(wǎng)絡(luò)鏈接的（通過硬連線鏈接、 無線鏈接或通過硬連接或無線鏈接的組合）本地和遠程處理裝置執(zhí)行。在分布式計算環(huán)境 中，程序模塊可以位于本地和遠程存儲器存儲裝置中。
[0058] 要理解上述描述旨在是示意性的而不是限制性的。例如，上文描述的實施例（和/ 或其各方面）可以彼此結(jié)合使用。此外，在不偏離本發(fā)明的范圍下為適應(yīng)本發(fā)明教導(dǎo)的特 定情形或材料可以進行許多改進。盡管本文中描述的物體的大小和類型旨在限定本發(fā)明的 參數(shù)，但其決不是限制性的，而是示例性實施例。在查看上文的描述后其它的許多實施例對 本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯然的。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當參照所附權(quán)利要求以及這些權(quán)利要求 被賦予的等同物的全部范圍來確定。在所附權(quán)利要求中，詞語"包括"和"在...中"用作相 應(yīng)的詞語"包含"和"其中"的同義詞。而且，在隨附的權(quán)利要求中，詞語"第一"、"第二"等 只用作標記，不旨在對其對象施加數(shù)字或位置要求。進一步地，下文對權(quán)利要求的限定不是 以裝置加功能的格式書寫的，不想要根據(jù)美國專利法35U· S. C § 112第六段解讀，除非這些 權(quán)利要求限定明確使用詞組"用于···的裝置"之后跟無進一步結(jié)構(gòu)的功能描述。
[0059]本書面說明書使用示例來公開本發(fā)明（包括最佳模式）的幾個實施例，還使得任 意本領(lǐng)域技術(shù)人員可實施本發(fā)明的實施例（包括制造和使用任意裝置或系統(tǒng)和執(zhí)行任意 結(jié)合的方法）。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求書限定，并且可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的 其他示例。如果這樣的其他示例具有與權(quán)利要求書的文字語言并非不同的結(jié)構(gòu)元件、或者 如果這樣的其他示例包括與權(quán)利要求書的文字語言具有非實質(zhì)性區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件，則 這樣的其他示例意欲落入權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
[0060] 如本文中使用的，以單數(shù)列舉并以"一"開關(guān)的元件或步驟應(yīng)當理解為不排除多個 所述元件或步驟，除非明確指定為排除。而且，提到本發(fā)明的"一個實施例"不旨在解讀為 排除也包括列舉特征的另外實施例的存在。而且，除非明確指示為相反，否則"包括、包含或 具有"特定性質(zhì)的一個或多個元件的實施例可以包括沒有這種性質(zhì)的另外的這類元件。
[0061] 在不偏離本文中涉及的本發(fā)明的精神和范圍下，可以對上文描述的用于確定惡劣 環(huán)境中的火焰的系統(tǒng)和方法中進行某些變化，因此，旨在上文描述的或附圖中顯示的所有 主題應(yīng)當只解讀為圖示本文中的本發(fā)明概念的示例，不應(yīng)當理解為限定本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1. 一種系統(tǒng)，包括： 光敏轉(zhuǎn)換器，所述光敏轉(zhuǎn)換器被配置成生成響應(yīng)信號，所述響應(yīng)信號是來自靠近所述 光敏轉(zhuǎn)換器的火焰源的電磁輻射的函數(shù)；以及 信號處理單元，所述信號處理單元包括： 調(diào)制單元，所述調(diào)制單元被配置成通過用頻率比所述響應(yīng)信號中存在的不期望信號的 頻率高的調(diào)制信號調(diào)制所述響應(yīng)信號，生成調(diào)制響應(yīng)信號；以及 B 解調(diào)單元，所述解調(diào)單元被配置成通過解調(diào)所述調(diào)制響應(yīng)信號確定輸出信號，其中，所 述解調(diào)單元被配置成從所述調(diào)制響應(yīng)信號中消除所述不期望信號；以及 處理單元，所述處理單元被配置成處理所述輸出信號，基于來自火焰的入射福射的強 度確定火焰的存在。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)進一步包括外殼，所述外殼被配 置成保持所述光敏轉(zhuǎn)換器和所述信號處理單元中的一個或兩個，其中，所述外殼包括多個 熱隔斷以產(chǎn)生至少一個溫度梯度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)制單元包括機械斷路器、微機電系 統(tǒng)MEMS開關(guān)、光開關(guān)和晶體管中的至少一個。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述解調(diào)單元進一步包括整流器,所述整 流器被配置成通過從所述調(diào)制響應(yīng)信號中消除所述調(diào)制信號和所述不期望信號，將所述調(diào) 制響應(yīng)信號轉(zhuǎn)換成所述輸出信號。
5·根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)進一步包括高通濾波器，所述高 通濾波器操作地耦連到所述調(diào)制單元，并且所述高通濾波器被配置成從所述調(diào)制響應(yīng)信號 中消除不期望低頻信號。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)進一步包括低通濾波器，所述低 通濾波器與所述解調(diào)單元耦連以平滑所述輸出信號。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述解調(diào)單元包括開關(guān)裝置，所述開關(guān)裝 置被配置成解調(diào)所述調(diào)制響應(yīng)信號，并且進一步調(diào)制所述調(diào)制響應(yīng)信號中存在的不期望信 號。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述解調(diào)單元包括： 開關(guān)裝置，所述開關(guān)裝置被配置成解調(diào)所述調(diào)制響應(yīng)信號；以及 高通濾波器，所述高通濾波器被配置成從所述調(diào)制響應(yīng)信號中消除不期望低頻信號。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述開關(guān)裝置包括至少一個晶體管。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)進一步包括至少一個時鐘信號 發(fā)生器。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號處理單元包括能夠耐高溫的電 子元件。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號處理單元包括寬帶隙晶體管。
13. -種用于確定火焰存在的方法，包括： 獲得基于入射輻射生成的響應(yīng)信號； 調(diào)制所獲得的響應(yīng)信號，以生成調(diào)制響應(yīng)信號，其中，所述響應(yīng)信號是使用頻率比所述 響應(yīng)信號中存在的不期望信號的頻率高的調(diào)制信號調(diào)制的； 解調(diào)所述調(diào)制響應(yīng)信號，以生成輸出信號，其中，解調(diào)包括從所述調(diào)制響應(yīng)信號中消除 不期望信號；以及 處理所述輸出信號，以確定火焰的存在，其中，所述輸出信號被用來確定所述入射輻射 的強度。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述響應(yīng)信號包括由轉(zhuǎn)換器生成的電 流信號。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括放大所述響應(yīng)信 號，其中，放大所述響應(yīng)信號包括將所述電流信號轉(zhuǎn)換成等效電壓信號。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括將所述調(diào)制響應(yīng) 信號的AC分量轉(zhuǎn)換成絕對峰值或均方根RMS值。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，解調(diào)所述調(diào)制響應(yīng)信號進一步包括調(diào) 制所述不期望信號。
18. -種火焰檢測裝置，包括： 裝置外殼； 碳化硅轉(zhuǎn)換器，所述碳化硅轉(zhuǎn)換器被配置成生成響應(yīng)信號，所述響應(yīng)信號是來自源于 火焰源的火焰的入射輻射的函數(shù)； 光學裝置，所述光學裝置被設(shè)置于所述裝置外殼的一端，其中，所述光學裝置被配置成 將所述碳化硅轉(zhuǎn)換器與所述火焰源隔離；以及 信號處理單元，所述信號處理單元包括： 至少一個放大單元，所述至少一個放大單元被配置成放大所述信響應(yīng)信號； 調(diào)制單元，所述調(diào)制單元被配置成通過用頻率比所述響應(yīng)信號中存在的不期望信號的 頻率高的調(diào)制信號調(diào)制所述響應(yīng)信號，生成調(diào)制響應(yīng)信號；以及 解調(diào)單元，所述解調(diào)單元被配置成通過解調(diào)所述調(diào)制響應(yīng)信號確定輸出信號，其中，所 述解調(diào)單元被配置成從所述調(diào)制響應(yīng)信號中消除不期望信號。
19. 根據(jù)權(quán)利要求I8所述的裝置，其特征在于，所述解調(diào)單元包括整流器，所述整流器 被配置成由所述調(diào)制響應(yīng)信號確定AC分量的絕對峰值或AC分量的均方根RMS值中的至少
20. 根據(jù)權(quán)利要求1S所述的裝置，其特征在于，所述解調(diào)單元包括開關(guān)裝置，所述開關(guān) 裝置被配置成解調(diào)所述調(diào)制響應(yīng)信號，并進一步調(diào)制所述不期望信號。
【文檔編號】G01J1/42GK104215327SQ201410239380
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月31日
【發(fā)明者】L.V.斯托伊卡, E.A.安達拉維斯, M.C.斯帕爾丁, C.A.斯拉鮑格, F.L.格萊休斯, C-P.陳A., V.弗特 申請人:通用電氣公司