對一個具有一個直接設置於一個燃燒室中的前透鏡的光學系統進行監測的方法及實施該...的製作方法

2023-09-12 11:48:30

專利名稱：對一個具有一個直接設置於一個燃燒室中的前透鏡的光學系統進行監測的方法及實施該 ...的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種對一個具有一個直接設置於一個燃燒室中的前透鏡的光學系統進行監測的方法。它還涉及一種適合實施該方法的裝置。
在一個燃燒室中燃燒化石類燃料或垃圾時，由於燃料的不同來源或由於垃圾的不均勻組分則會在燃料或燃料混合物產生的熱值方面出現波動。這些波動會對燃燒過程的有害物質發射產生不利的影響。這些缺點也產生於工業廢料燃燒中，其中通常同時存在對固體、液體和氣體燃料的燃燒。通過對表徵該燃燒過程的參數的認識，則可對燃燒調節以及由此也對整個燃燒過程進行優化。
為測算表徵燃燒過程的參數，可以採用一種燃燒分析用裝置。該裝置比如經一種帶有一個直接設置於燃燒室中的前透鏡來獲取燃燒過程的光強值，這些光強值總體上反映出燃燒過程中火焰的一個圖像。從該圖中的局部區分開的(ortsaufgeloest)強度值中，例如就能計算出在燃燒過程中所產生的反應產物的溫度分布和濃度分布。這樣一種裝置和一種適合於它的運行方法已由德國專利申請DE19710206A1公開。
在德國專利申請DE28 47 935 A1中已知有一種裝置，它用於實施一種在透射光照之下找出試樣上汙染物以及在對試樣作透射光照下對其變化情形發出信號的方法。從德國專利申請DE29 04 126 A1中還已知有一種對一個透明物體根據其汙染程度進行清洗的方法。
為了對燃燒過程進行可靠的光學控制並對該過程作一種基於上述方法的調節，所提供的用於進一步分析的強度值有特殊的質量是很重要的。然而，由於在燃燒中會產生廢品，用於測算強度值的光學系統的前透鏡可能會被汙染，所測算到的數據質量由此也有可能惡化。因此要有規律地在一定的時間間隔之後對直接與燃燒室相接觸的光學系統的前透鏡作費時的維護和/或清洗。這些時間間隔通常根據經驗值來確定而並不取決於對光學系統前透鏡的實際維護和/或清洗要求。為可靠起見所進行的維護和/或清洗工作因此通常要比出於工作方面的原因所進行的上述工作更加頻繁。因此與之相伴的則是光學系統的很長的停工時間和光學系統以及由此也是燃燒室的很少的可利用率。
本發明的目的在於提供一種對一個具有一個直接設置於燃燒室中的前透鏡的光學系統進行監測的方法，在不影響該光學系統的可靠性的情況下，保證使光學系統的停工時間變得特別短且由此也保證光學系統能得到很高的利用率。這一方法應該用一種適合於實施該方法的裝置以最小的技術代價來實現。
本發明方法方面的目的是這樣來實現的，其中，通過光學系統來獲取燃燒室中火焰發出光的強度值，並根據需要來清洗前透鏡表面，由光強度值確定出一個溫度值以及一個平均強度值，並由該溫度值以及平均強度值來求出前透鏡的相對汙染程度，進而用於規定前透鏡的一個清洗和/或維護時刻。
本發明基於如下考慮，即為了使光學系統只有很少的停工時間，不應讓前透鏡有一種預先確定的、固定的維護和/或清洗工作節律。更多地應根據前透鏡的實際維護和/或清洗要求，靈活且根據需要地對其進行維護和/或清洗。對執行維護和/或清洗工作的時刻的規定應建立在對光學系統的測量數據上。然而要避免因此對光學系統的工作造成不良影響。如果在燃燒室工作時通過光學系統確定出燃燒室中火焰的光強值，那麼從中便可推導出對該光學系統前透鏡的相對汙染程度的一個度量值。前透鏡受汙染因此會導致光強值的一種特徵值減少。對前透鏡的相對汙染強度的一種特別可靠的計算因此是通過將一個由直接測到的強度值所平均得到的強度值(實際強度值)同一個從一個為火焰所確定的溫度值中所計算出的強度值(理論強度值)作比較而給出的。
用於確定光學系統前透鏡的汙染程度所要求的溫度值，優選由燃燒室中火焰發出的光的一個第一波長的強度值和一個第二波長的強度值來確定。為此，輸出耦合兩個發自燃燒室火焰的輻射光譜的分別具有一個約10nm的波長帶的窄帶頻譜區域。這兩個頻譜區域在此尤其各自位於一個無燃燒產物發射譜線的波長區域內，即在所謂的無譜帶區域中。根據普朗克輻射定律，在無譜帶區域中僅僅只存在有所謂的普朗克輻射，這樣通過求出這兩個頻譜區域強度值的比例，可確定出燃燒室中火焰發出光線的一個溫度值。
本發明裝置方面的目的是通過一種用於規定一個帶有一直接設置於燃燒室中的前透鏡的光學系統的清洗和/或維護時刻的裝置來實現的。其中，設有一個監測模塊，它根據光學系統的測量值來確定燃燒室中火焰的一個溫度值和一個平均強度值，並從中計算出前透鏡的相對汙染程度。
光學系統可用於對燃燒室中的燃燒作分析並因此來接收燃燒室各個火焰局部區分開的(ortsaufgeloest)強度值。在該情況下，所述強度值不僅用於燃燒分析也用於確定光學系統前透鏡的汙染程度。為局部區分強度值，在此相宜地提供一種「Charge-Coupled-Device-Kamera-CCD攝象機」作為接收板。該CCD攝象機亦稱光學圖像傳感器，它接收從火焰輻射出的光或火焰光譜。
為能使光學系統直接應用於高溫設備部件，例如用於一個鍋爐，相宜地設置一個用於光學系統的冷卻系統。該冷卻系統由此例如包括一個珀爾帖元件(Peltierelement)。利用珀爾帖效應，該珀爾帖元件相對於環境溫度冷卻，而與該珀爾帖元件相連接的冷卻體則與之相反被加熱。此外，其它屬於該光學系統的電子元件也可用冷卻空氣或吹風空氣加以冷卻。
本發明所取得的優點主要在於根據藉助實際所獲取的測量數據所計算出的光學系統的前透鏡的相對汙染程度，可根據需要來規定一個維護和/或清洗時間。這種光學系統的前透鏡的維護和清洗因而不必按一種固定的時間間隔來進行，而是可以根據所確定的前透鏡的相對汙染度根據需要來進行。光學系統由此有特別少的停工時間和一個特別高的利用率。
以下根據一個附圖
對本發明的一個實施例予以詳細說明。該附圖示意性地示出一種燃燒分析用裝置。
用於燃燒分析的裝置2對燃燒室4中發生的燃燒過程進行燃燒分析。用於燃燒分析的裝置2為此包括一個具有一個直接設置於燃燒室4中的前透鏡8的光學系統6和一個數據處理系統12。
火焰或燃燒室4被分配給一個圖中未示出的鍋爐設備，例如發電廠中一個燃燒化石燃料的鍋爐或者一個垃圾燃燒設備。為控制在燃燒室4中進行的燃燒過程，光學系統6經燃燒室4的壁16上的一個孔14來獲取圖像形式的表示燃燒過程的重要輻射數據，並將它們傳導給數據處理系統12。光學系統6為此通過圖中未詳加表示的固定裝置被放置在燃燒室4的壁16上，並由此可得到一個儘可能大的視區，亦即對燃燒室4中一個燒嘴產生的火焰F有一個大的視角α。
光學系統6包括一個直接設置於燃燒室4中的前透鏡8，該透鏡8被分配給一個物鏡20，該物鏡20可包括多片透鏡。此外，光學系統6還包括一個殼體22和一個柱形套筒24。由燒嘴18的火焰F發出的輻射光在一個成象光程中穿透前透鏡8，這樣光束26落到一個接在物鏡20之後的分光鏡28上。光束26由此也具有燃燒過程反應產物的發射譜線或光譜帶輻射。
分光鏡28經物理分束將光束26或火焰F的光譜分成一個第一分光束30和一個第二分光束32。第一分光束30隨後落在相對於入射光位於分光鏡28後面的另一分光鏡34上。分光鏡34又將分光束30分裂成一個第一分量36和一個第二分量38。第二分光束32同樣落到沿光路位於分光鏡28之後的另一分光鏡40上並被它分成一個第一分量42和一個第二分量44。在各個分光過程中光束截面保持不變，亦即光束26的分束是均勻地在分光鏡28、34、40的整個截面上根據它們各自的反射率和透射率來進行的。分光鏡28、34、40例如可被構造成線狀濾光器或窄帶濾光器，它們因此可對光束26實施一種取決于波長的物理分配，將其分成多根分光束30和32及它們各自的分量36、38和42、44，這些光的分量又分別可以具有一個可預定的光譜區域。分光束30和32的分量36、38和42、44的光譜區域可按照需求通過一些直接設置在分光鏡34和40之後的校正濾光器46受到進一步的限制。根據從燒嘴18的火焰F的光譜的光束26的分光束30和32的分量36、38和42、44輸出耦合的光譜範圍，可設置另外一些校正濾光器46。
火焰F的光譜經濾波後輸出的分量36、38和42、44的光譜區域分別成像在一個所屬的接收板48上。設置在光學系統8中的接收板48的數目因此要與控制燃燒過程所需的參數的數目相匹配。作為接收板48來說，尤其採用帶有一個約300nm～1000nm光譜靈敏度的CCD圖像傳感器，這樣可以順利地採集火焰F的整個可見光光譜。一種這樣的CCD圖像傳感器的構造方式和工作原理可從海得堡的Dr.A,Huethig出版社1986年出版的MaximilianBleicher所寫的小冊子「半導體-光電子」中加以了解。為了給接收板48提供電源，光子系統8因此還包括有一個電源裝置50。
為能將光學系統6直接應用於燃燒室4中，光學系統6具有一個冷卻系統52。為了避免對經接收板48所接收的圖像產生噪音，每塊接收板48的工作溫度必須保持在約40℃的一個工作溫度之下。對於每個接收板48，冷卻系統52為此具有一個冷卻元件54，例如一個具有冷卻體的珀爾帖元件。此外，冷卻系統52還包括有一個設置在殼體22內壁上的絕熱物56，尤其是絕熱毛氈。為測量溫度，光學系統6另外包括一個溫度傳感器58，例如是一個熱敏電阻或一個熱敏開關，它們的測量值以圖中未詳細示出的方式傳送至一通風機60。在該通風機60之前接有一個過濾器62，用於清潔冷卻空氣K。
為免遭汙染，接收板48和光學部件、尤其是分光鏡28、34和40、校正濾光器46和物鏡20以及冷卻元件54被一個設置於殼體22中的室64或罩包繞。該室64例如被設計成一個側面配有柱形套管66的白鐵箱。殼體22基本上與該室64的形狀相適配，其中，殼體22的柱形套筒24被插在燃燒室4的壁16的孔14中。
接收板48分別通過導線68連接到數據處理系統12上。該數據處理系統12包括一個輸入模塊70、一個分析模塊74、一個中央模塊76和一個顯視器76以及一個數據輸入裝置80。導線68分別通入輸入模塊70中，輸入模塊70在數據技術上與分析模塊74連接。分析模塊74又在數據技術上與中央模塊76連接，而中央模塊76則同與數據輸入裝置80相連的顯示器78連接。
在燃燒室4工作時，為控制燃燒過程，輻射數據為光學系統6所採集。由此藉助光學系統6檢測燒嘴18的火焰F。根據光學系統6的位置和視角α，該光學系統6也可同時測取多個燒嘴18的多個火焰F。換言之，在光學系統6被放置成與多個沿一條直線前後設置的燒嘴18成一個90°的角度時，光學系統6在一個很大視角α的情況下可探測燃燒室4中的一個或多個火焰F。
為了對燃燒進行分析，光學系統6接收燃燒過程反應產物的發射譜線E或光譜帶輻射以及燒嘴18上火焰F的光強度值I。由圖像的局部區分開的發射譜線E和強度值I，可計算出例如在燃燒過程中產生的反應產物的溫度分布和濃度分布。這是基於一種文中未詳細介紹的對燃燒過程的調節。
為計算燃燒室4中火焰F的發射譜線E和強度值I，火焰F的光束26通過前透鏡8和光學系統6照射到分光鏡28上。分光鏡28，尤其是一個黃色濾光鏡，它讓波長大於545nm(黃光)的第一分光束30透過並反射波長小於500nm(藍光)的第二分光束32。其後經分光鏡34，尤其是一紅色濾光鏡，將落在其上的分光束30分成第一分量36和第二分量38。因此第一反射分量36具有小於630nm(橙色光)的波長，而第二透射分量38具有大於630nm(紅色光)的波長。由於第一分光束30僅僅包括大於545nm(黃色光)的波長，因此第一反射分量36具有一個545nm～630nm(橙色光)的帶寬。經分光鏡40，由分光鏡28反射的第二分光束32再細分為具有大於400nm(綠色光)的波長的第一分量42和具有小於400nm的波長的第二分量44。由於第二被反射的分光束32包括小於500nm(藍色光)的波長，因此被透射的第一分量42具有一個400nm～500nm(綠色光)的帶寬。
作為分光鏡28、34和40可採用所有偏轉光的或分光的光學元件，例如彩色濾光鏡、稜鏡或反射鏡。使用在光學系統6中的分光鏡28、34和40是所謂的二色相加或相減彩色濾光鏡，它們不僅對於一預定的波長帶寬可反射頻譜區域，而且對於一個第二波長帶寬可傳遞其頻譜區域。頻譜區域的濾波和分割也可通過孔徑分割(Aperturteilung)和相應的濾波來進行。
經分光鏡28、34和40濾出的光分量36、38和42、44的頻譜區域藉助校正濾光器46被限制在一個約10nm的帶寬上。亦即，各個校正濾光器46將分量36和38的波長限制在一個從645～655nm和從545nm～555nm的帶寬上。與此相類似，各校正濾光器46將光分量42和44的波長限制在一個從445～455nm和從375～385nm的帶寬上。作為校正濾光器46尤其提供有具有一個10nm+/-2nm的帶寬的幹擾抑止濾光器。
發射譜線E和強度值I或者所濾出的各光分量36、38和42、44的光線被相應的接收板48所接收。從圖像的局部區分開(ortsaufgeloesten)的發射譜線E和強度值I所產生出的接收板48的電壓值然後被傳送到數據處理系統12的輸入模塊70中。輻射數據從那裡出發最後到達分析模塊74中。在該模塊74中計算諸如CO或CN的溫度或濃度等各項參數的空間分布。這些對於燃燒分析而言比較重要的參數然後被顯示在顯示器78上。
為可靠地避免在採集用於分析燃燒過程的輻射數據時由於前透鏡8被汙染而產生誤差，需要在一定的時間間隔後對光學系統6的前透鏡8進行清洗和/或維護。對這些清洗和/或維護工作的時間的規定則根據需要通過一個分配給數據處理系統12的監測模塊82來進行，該監測模塊82與分析模塊74相併聯。
為此，光學系統8接收燃燒室4中燒嘴18的火焰F發出的光線的強度值I。這要麼單獨地、並且是專門為了來確定前透鏡8的相對汙染程度地進行，要麼是為了採集數據以用於燃燒分析地來進行。這些強度值I只要它們是在一次單獨的測量中被採集到的，就輸入到數據處理系統12的輸入模塊70中。該輸入模塊70將這些數據繼續傳輸給監測模塊82，在其中對前透鏡8的相對汙染程度p進行計算。
為此，要根據強度值I來確定燒嘴18的火焰F的一個溫度值T，從中再計算出一個額定值。該額定值與一個實測到的強度值J的平均值、即實際值進行比較，由此求出光學系統6的前透鏡8的相對汙染程度p。
為確定燒嘴18的火焰F的溫度值T，在本實施例中要用到第一分光束30的第一分量36的強度值I1和第一分光束30的第二分量38的強度值I2。在此要給強度值I1和強度值I2分別分配一個波長λ1或λ2。屬於強度值I1或I2的波長λ1或λ2在此例如是校正濾光器46的透過波長，第一分光束30的第一分量36和第二分量38穿透過該濾光器46。用波長λ1的強度值I1和波長λ2的強度值I2來計算火焰F的一個溫度值T，波長λ2涉及火焰F圖像的同一區域。在此要這樣地來選擇兩個長λ1和λ2，即，使得它們位於一個沒有燃燒室4中燃燒產物的發射譜線的波長範圍內，亦即在一個所謂的無光譜帶區域中。
對火焰F的一個點X，則根據經驗高溫測定法得到點X處的溫度值Tx的計算公式如下TX=C(1(1)-1(2))ln(I2XI1X*(2)5(1)5)]]>式中C=hck=1.43878910-2mK,]]>其中，h為普朗克常數，c為真空中的光速，k為波爾茲曼常數。
I1x=ga(ix(a)-oa),I2x=gb(ix(b)-ob)，其中ix(a),ix(b)為接收板48在點x處所測得的強度值，oa,ob為一個取決於各接收板48的偏置量，而ga,gb則為取決於各接收板48的放大係數。
為確定光學系統6的前透鏡8的相對汙染程度p，還要要確定出被測強度值I的一個平均值J。該平均值在此意味著，在圖像的一個區域中局部測得的強度值I被累加，且由此得到的和被強度值I的數目所除。所得結果則為平均強度值J。作為強度值I為此例如提供有為接收板48所接收的那些強度值I，第一分光束30的第一分量36被導向到該接收板48上。這樣算出來的平均強度值J然後與強度值I1x相比較，該強度值I1x是從上述用於溫度值Tx的方式並藉助於所計算出的溫度值Tx，經解該方程求出來的。
由此可以根據輸入波長高溫測定法(Ein-Wellenlaengen-Pyometrie)通過換算成百分比數來確定光學系統6的前透鏡8的相對汙染度pp=100(1-ga(Ja-oa)K(1)5exp(-K1TX))]]>K=2hc2=3.783210-16Wm2,]]>式中Ω為立體角，它可通過校準加以確定。
用計算到的光學系統6的前透鏡8的相對汙染程度p則可根據經驗值來確定究竟是否需要對光學系統6進行一次清洗和/或維護。這樣便不一定需要在一個確定的時間間隔內對光學系統6作維護和清洗工作，反而可以根據所確定的光學系統6的前透鏡8的相對汙染程度p來進行。這樣便可使光學系統6隻有很少的停工時間以及在燃燒室4中的被控燃燒過程有一個很高的利用率。
權利要求
1．一種對一個具有一個直接設置於一個燃燒室(4)中的前透鏡(8)的光學系統(6)進行監測的方法，其中，通過光學系統(6)來接收燃燒室(4)中火焰(F)所發出的光線的強度值(I)，且其中前透鏡根據需要被清洗，其特徵在於由強度值(I)確定一個溫度值(T)和一個平均強度值(J)，從該溫度值(T)和平均強度值(J)來計算前透鏡(8)的相對汙染程度(p)，並將其用於規定前透鏡(8)的清洗和/或維護時刻。
2．如權利要求1所述的方法，其特徵在於火焰(F)的平均溫度值(T)由燃燒室(4)中火焰(F)發出的光的一個第一波長(λ1)的第一強度值(I1)和一個第二波長(λ2)的第二強度值(I2)來確定。
3．一種監測模塊，用於確定對於一個具有一個直接設置於一燃燒室(4)中的前透鏡(6)的光學系統(8)所需進行的清洗和/或維護時刻，該模塊根據光學系統(8)的測量值來確定燃燒室(4)中火焰(F)的一個溫度值(T)和一個平均強度值(J)，且由此來計算前透鏡(8)的相對汙染程度(p)。
全文摘要
本發明涉及一種對一個具有一個直接設置於一個燃燒室(4)中的前透鏡(8)的光學系統(6)進行監測的方法,為了保證對於前透鏡(8)的維護和清洗工作只對光學系統(6)的利用率產生十分小的影響。根據本發明,利用光學系統(6)來接收燃燒室(4)中火焰(F)發出光的強度值(I),並根據需要來清洗前透鏡表面。由此強度值(I)來確定一個溫度值(T)和一個平均強度值(J),利用它們然後來計算前透鏡(8)的相對汙染程度(P),並利用它來確定對前透鏡(8)的一個清洗和/或維護時刻。
文檔編號G01N21/15GK1323392SQ99812194
公開日2001年11月21日 申請日期1999年10月4日 優先權日1998年10月16日
發明者託馬斯·默克萊因 申請人:西門子公司