在惡劣環境下監測在tdlas測量中的端口堵塞的方法和裝置的制造方法
【專利摘要】一種監測被附接至工藝室的壁的觀察管的堵塞的方法，該觀察管在操作上與TDLAS光學頭相關聯，在觀察管與TDLAS光學頭之間具有窗口。該方法包括以下步驟：在TDLAS光學頭中提供光電傳感器，該光電傳感器被定位成接收通過工藝室內的光發射過程所發射的光。監測發射信號，該發射信號通過工藝室內的光發射過程所發射的光來產生，該發射信號由光電傳感器來接收。確定該發射信號是否正在劣化。
【專利說明】在惡劣環境下監測在TDLAS測量中的端口堵塞的方法和裝置
[0001 ]版權聲明
[0002]本專利文件的公開內容的一部分包括受版權保護的材料。由于該專利文件或專利公開內容出現在專利商標局的專利文件或記錄中，所以版權所有者不反對任何人對該專利文件或專利公開內容的復制再現，但是除此之外保留全部的任何版權權利。
技術領域
[0003]本發明涉及用于在惡劣環境下監測端口堵塞的方法和裝置，并且更特別地涉及在可調諧二極管激光吸收光譜測量中監測端口堵塞的方法和裝置，所述可調諧二極管激光吸收光譜測量用于監測和控制燃燒過程。
【背景技術】
[0004]已經使用可調諧二極管激光吸收光譜技術(“TDLAS”)來監測和控制各種燃燒室和工藝室中的過程。TDLAS測量需要用于激光束傳輸通過被感測的環境的清晰視線。在許多工業應用中，保持清晰視線可能是個問題。例如，在燃煤電廠中，爐渣和灰燼會堵塞爐的提供必要視線的觀察管開口中或觀察管開口上，從而有效地阻擋激光束。在鋼再熱爐或電弧爐中，易碎耐火材料和爐垢會堵塞在視線經過的觀察管中或觀察管上，并且在電弧爐中，熔融的金屬、爐渣或灰塵會堵塞觀察管。甲烷蒸汽轉化爐、用于煉鋼的氧氣頂吹轉爐、玻璃窯爐、乙烯裂解爐、煉油工藝爐或任何其他類型的工業爐，特別是那些具有易碎耐火材料的工業爐可能具有類似的端口堵塞問題。在本段中提到的所有這樣的爐和工藝室構成了如本文中所使用的“工藝室”。
[0005]除端口堵塞問題以外，存在可以導致激光束在這些環境中的傳輸的損耗的其他問題。例如，在上面列出的所有應用中，工藝室或者管壁是機械動態的。從而，可能難以保持激光傳輸與接收光學器件之間的對準。這可以通過使用例如在美國專利第7，248，755號中所描述的自動對準系統來克服。另外，在某些環境下一一特別是在電弧爐、氧氣頂吹轉爐和燃煤爐中一一的顆粒含量在某些情況下可能足夠高以致于不能檢測到光(在本文中有時被稱為“高不透明”)，從而導致光傳輸以及對這樣的光的相應測量的損耗。另外，將TDLAS光學器件與工藝室分離開的光學窗口會變得污濁，從而導致光傳輸的損耗。由于激光束傳輸的損耗的確切原因可能難以確定，因此系統問題的誤判是常見的，并且會導致不必要的服務和維護成本。本公開內容旨在克服上述問題中的一個或更多個問題。
【發明內容】
[0006]第一方面是一種監測被附接至工藝室的壁的觀察管的堵塞的方法，該觀察管在操作上與TDLAS光學頭相關聯，在觀察管與TDLAS光學頭之間具有窗口。該方法包括以下步驟:在TDLAS光學頭中提供光電傳感器。該光電傳感器被定位成接收通過工藝室如燃燒室中的光產生過程所發射的光。監測發射信號，該發射信號通過在工藝室內的光產生過程所發射的光來產生，該發射信號由光電傳感器來接收。確定該發射信號是否正在劣化。
[0007]該方法的實施方式還可以包括:基于發射信號正在劣化的確定來啟動對觀察管的清理。實施方式還可以包括:在清理觀察管之后，確定發射信號是否已經增強。實施方式還可以包括:基于發射信號尚未增強的確定來啟動窗口清理。實施方式還可以包括:基于發射信號未在劣化的確定來確定TDLAS激光信號是否正在劣化。如果TDLAS激光信號被確定成正在劣化，則對準TDLAS光學頭的光學器件。實施方式還可以包括:確定在對準TDLAS光學頭的光學器件之后TDLAS激光信號是否正在劣化，并且基于TDLAS激光信號正在劣化的確定來產生高不透明信號。
[0008]啟動對觀察管的清理的步驟可以包括:啟動端口竿(portrodder)來清理物理堵塞。此后，確定信號是否已經增強。實施方式還可以包括:如果發射信號尚未增強，則啟動排污來清理物理堵塞。
[0009]本發明的第二方面是一種監測被附接至工藝室的至少一個壁的多個觀察管中的堵塞的方法，每個觀察管在操作上與TDLAS光學頭相關聯，在觀察管與TDLAS光學頭之間具有窗口。該方法包括:在每個TDLAS光學頭中提供光電傳感器，每個光電傳感器被定位成接收通過工藝室內的光產生過程(例如，燃燒)所發射的光。監測發射信號，該發射信號通過工藝室內的光發射過程所發射的光來產生，該發射信號由每個光電傳感器來接收。確定由光電傳感器中的一個光電傳感器所接收的發射信號是否正在劣化。基于由所述一個光電傳感器所接收的發射信號正在劣化的確定，確定由其他光電傳感器所接收的發射信號是否正在劣化。
[0010]實施方式可以包括:基于由其他光電傳感器所接收的發射信號正在劣化的確定，增加計數器的計數；以及重復以下步驟:確定由光電傳感器中的一個光電傳感器所接收的發射信號是否正在劣化，其中，基于由所述一個光電傳感器所接收的發射信號正在劣化的確定，進一步確定由其他光電傳感器所接收的發射信號是否正在劣化。實施方式還可以包括:基于由其他光電傳感器所接收的發射信號未在劣化的確定，啟動對與所述一個光電傳感器相關聯的觀察管的清理。
[0011]本發明的另一方面是一種TDLAS光學頭。TDLAS光學頭包括殼體，該殼體被配置成附接至觀察管，該觀察管附接至工藝室的壁。在殼體內提供光學器件，所述光學器件用于通過殼體所附接至的觀察管來發送、接收或者發送和接收工藝室內的TDLAS光束。光電傳感器在殼體中被定位成接收通過工藝室內的光產生過程所發射的光，殼體附接至所述工藝室。
[0012]在不背離本發明的范圍的情況下，可以對所討論的實施方式做出各種修改和添加。例如，雖然上述實施方式涉及特定特征，但是本發明的范圍還包括:具有不同的特征組合的實施方式；以及不包括所有的上述特征的實施方式。
【附圖說明】
[0013]通過參考說明書和附圖的其余部分，可以實現對特定實施方式的實質和優點的進一步理解，在附圖中，相似的附圖標記用于指代相似的部件。在一些實例中，下標與附圖標記相關聯以指示多個相似部件之一。在引用未指定現有下標的附圖標記時，意在指代所有這樣的多個相似部件。
[0014]圖1是工藝室特別是燃燒室的示意性表示，所述工藝室具有附接至觀察管的TDLAS發射光學器件和接收光學器件的兩個配對，所述觀察管附接至燃燒室的相對的壁；
[0015]圖2是可操縱TDLAS系統的實施方式的示意性表示，所述可操縱TDLAS系統具有與爐內回復反射器的陣列結合使用的組合發射/接收光學器件，其中，在爐內的預定區域中執行燃燒監測和控制；
[0016]圖3是附接至觀察管的TDLAS光學頭的示意性表示，所述觀察管附接至燃燒室壁，所述TDLAS光學頭包括用于監測觀察管堵塞的裝置；以及
[0017]圖4是示出了用于在惡劣環境下監測TDLAS測量中的端口堵塞的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0018]盡管上面已經概括了某些實施方式的各個方面和特征，但是下面的詳細描述更詳細地示出了一些實施方式，以使得本領域技術人員能夠對這樣的實施方式進行實踐。所描述的示例出于說明的目的而被提供，并且不意在限制本發明的范圍。
[0019]出于說明的目的，在下面的描述中闡述了許多具體細節以提供對所描述的實施方式的透徹理解。然而，對本領域技術人員來說明顯的是，可以在不具有這些具體細節中的一些細節的情況下對本發明的其他實施方式進行實踐。本文描述了若干個實施方式，并且盡管不同的特征屬于不同的實施方式，但是應當理解的是，關于一個實施方式所描述的特征也可以合并到其他實施方式中。然而，由于同樣的原因，所描述的任何實施方式中的單個特征或多個特征不應當被認為對于本發明的每個實施方式是必要的，因為本發明的其他實施方式可以忽略這樣的特征。
[0020]除非另外指出，否則本文中用來表示量、尺寸等的所有數字在所有實例中應當被理解為通過術語“大約”來修飾。在本申請中，除非另外特別指出，否則單數的使用包括復數，并且除非另外指出，否則術語“和”和“或”的使用意指“和/或”。此外，術語“包括(including)”以及其他形式比如“包括(includes)”和“被包括(included)”的使用應當被認為是非排它性的。此外，除非另外特別指出，否則諸如“元件”或“部件”等術語涵蓋了包括一個單元的元件和部件以及包括多于一個單元的元件和部件二者。
[0021]圖1示意性地示出了感測裝置10，感測裝置10適于對工藝室中的過程一一特別是燃燒室12中的燃燒過程一一進行感測、監測和控制。感測裝置10使用來自近紅外或中紅外光譜中的選擇頻率處的可調諧二極管激光器14、16的激光來執行可調諧二極管激光吸收光譜(“TDLAS”)技術。每個可調諧二極管激光器14、16的輸出端耦接至光纖18、20，光纖18、20可以是單模光纖或多模光纖。還可以向工作在選擇頻率處的多個可調諧二極管激光器提供通過例如美國專利第7，248，755號所描述的復用器所組合的組合光束。如本文中所使用的“親接” “光耦接”或“與……進行光通信”被定義為對應部件之間的功能關系，其中，光可以從第一部件通過或不通過中間部件或空閑空間而傳遞至第二部件。光纖18、20光耦接至TDLAS光學頭22、24，而TDLAS光學頭22、24又附接至觀察管26、28，觀察管26、28提供從TDLAS光學頭22、24至燃燒室12的內部的光學入口。TDLAS光學頭22、24均包含允許激光束穿過觀察管26、28而發送到燃燒室12中的發射光學器件(pitch optics)，其中，所述TDLAS光學頭22、24分別光耦接至TDLAS光學頭30、32。與TDLAS光學頭22、24—樣，TDLAS光學頭30、32附接至觀察管34、36，觀察管34、36又附接至燃燒室12的相對的壁。TDLAS光學頭30、32具有接收光學器件，所述接收光學器件將激光束光耦接至光纖38、40，光纖38、40又光耦接至檢測器42、44，檢測器42、44通常是光檢測器，所述光檢測器對生成為形成在TDLAS光學頭22、24的發射光學器件與TDLAS光學頭30、32的接收光學器件之間傳輸的探測光束的激光的頻率敏感。在從發射光學器件發送復合光束的情況下，可以提供解復用器以向檢測器陣列42、44提供選擇波長的光束。檢測器42、44基于發送至檢測器42、44的光的性質和質量、在檢測器頻率下來生成電信號。通常在計算機處理器46中對來自每個檢測器42、44的電信號進行數字化和分析。如本領域中已知的，經數字化和分析的數據可以用于感測燃燒室內的物理參數，所述物理參數包括但不限于燃燒室22內的各種氣體成分的濃度和燃燒溫度。使用光纖將在感測裝置10的發射側與接收側二者上的電子部件和光學部件耦接，以使得精密的溫度感測裝置比如可調諧二極管激光器14、16，檢測器42、44以及處理器46能夠位于由虛線48所指示的具有穩定環境的控制室中。因此，僅相對魯棒的發射TDLAS光學頭22、24和接收TDLAS光學頭30、32需要被置于燃燒室12的惡劣環境附近。
[0022]圖2呈現了感測裝置50的替選實施方式，該感測裝置50使用大量的TDLAS光學頭52ι-52η，其中，TDLAS光學頭SS1-SSn*的每個TDLAS光學頭被耦接至觀察管54-54，觀察管54-54又耦接至工藝室如燃燒室55的壁。在該實施方式中，TDLAS光學頭SS1-SSn*的每個TDLAS光學頭包括用于發射激光束和接收激光束的發射/接收光學器件。TDLAS光學頭521-52?中的每個TDLAS光學頭還包括用于將激光束引導至多個回復反射器56中的一個回復反射器的裝置，所述回復反射器接收激光束58并且將激光束58反射回到TDLAS光學頭52^52^圖2的實施方式還可以包括如圖1所描繪的激光器、檢測器以及計算機處理器，但為了簡單起見將其省略。在WO 2013/158311(PCT/US2013/032479)中更詳細地描述了這樣的實施方式。
[0023]圖3示意性地示出了用于監測端口堵塞的裝置，所述裝置與諸如圖1中所示出的發射TDLAS光學頭22、24和接收TDLAS光學頭30、32以及圖2中所描繪的發射/接收TDLAS光學頭521-52?等了01^3光學頭一起使用。結合TDLAS光學頭而示出了圖3中所示的用于監測端口堵塞的裝置，所述裝置包括TDLAS光學頭殼體62，TDLAS光學頭殼體62被配置用于附接至觀察管64，觀察管64附接至工藝室如燃燒室68的壁66。窗口 70將TDLAS光學頭的內部與觀察管64分離開。在TDLAS光學頭殼體62的內部駐留有光纖準直儀71，光纖準直儀71在操作上與用于控制光纖準直儀71的傾斜量的步進電機72、74相關聯。光纖76光耦接至光纖準直儀71以將光學信號發送至檢測器，如圖1所描繪的檢測器42、44。圖3中所描繪的TDLAS光學頭是接收TDLAS光學頭，但是也可以是發射TDLAS光學頭或發射/接收TDLAS光學頭，這取決于包括在所述TDLAS光學頭中的光學部件。靠近TDLAS光學頭的閉端或近端設置頭控制板78，頭控制板78具有耦接至其的光電傳感器80。與觀察管64在操作上相關聯的是端口竿82，端口竿82被配置成通過沿箭頭84方向移動端口竿82以將碎片從觀察管64的口部推進到燃燒室68中來物理地去除爐渣或可能聚集在觀察管64中的其他材料。還與觀察管64相關聯的是排污裝置86，排污裝置86被配置成根據需要來產生突然爆發的空氣以清理觀察管64的堵塞，比如，灰、灰塵或小石子。頭控制板78和光電傳感器80耦接至處理器46，以在頭控制板78和光電傳感器80與處理器46之間傳輸數據和命令。處理器46還耦接至端口竿82以及排污裝置86以控制它們的啟動。盡管沒有示出，但是處理器46還耦接至步進電機72、74以控制光纖準直儀的對準。
[0024]總體來說，用于監測端口堵塞的裝置通過由光電傳感器80檢測通過燃燒室68內的燃燒所發射的光來起作用。觀察管內的物理堵塞(或臟的窗口)導致到達光電傳感器80的所發射的光的部分損耗或完全損耗，從而導致由光電傳感器80所生成并且傳遞至處理器46的發射信號的部分損耗或完全損耗。在下面要描述的某些情況下，發射信號的損耗可以觸發處理器46啟動端口竿82以試圖清理來自觀察管64的碎片。可替選地或者另外地，可以啟動排污裝置86以試圖清理來自觀察管64的碎片。
[0025]用于監測端口堵塞的裝置在光電傳感器80處接收來自燃燒室68中的燃燒過程的光，光沿觀察管64進行傳播并且沒有被安裝在殼體62內的發射光學器件和接收光學器件等反射或阻擋，為了簡單起見，安裝在殼體62內的器件中的許多器件已經從圖3的示意圖中被去除。在正常工作條件下，發射過程的光將在平均值附近波動。觀察管中的物理堵塞(或臟的窗口)導致該光發射信號的部分損耗或完全損耗。如果發射信號仍然存在，但是激光傳輸信號減小，則表示光學器件的未對準和/或燃燒室68內的不透明是可能的原因。如果發射信號從其平均值處減小，則可能是因為端口中的物理堵塞或臟的窗口。發射信號的時間歷史可以提供關于問題是出于臟的窗口還是出于物理堵塞的線索，這是由于臟的窗口通常隨時間而劣化，同時激光傳輸信號與發射信號二者在相同時間歷史內同樣被影響。相比于窗口著垢的時間尺度，物理堵塞趨于相對瞬時地發生。在來自一個或更多個TDLAS光學頭的光電傳感器80的信號指示端口堵塞的情況下，可以啟動端口竿82和/或排污裝置86以試圖緩解該堵塞。
[0026]圖4以流程圖示出了用于監測并且清理端口堵塞的方法100。該方法可以結合如下所述的傳感器來在通用計算機或專用計算機，比如處理器46上實現。在塊102中，處理器46確定光電傳感器80的發射信號是否已經隨時間而劣化。如果光電傳感器的發射信號已經隨時間而劣化，則在塊104處，處理器46確定來自與燃燒室68相關聯的其他TDLAS光學頭的發射信號是否也已經劣化。如果來自與燃燒室68相關聯的其他TDLAS光學頭的發射信號已經劣化，則在塊106處，增加計數器的計數并且該方法在塊102處繼續。如果在所有TDLAS光學頭處信號均尚未劣化，則在塊107處，處理器46啟動端口竿82以清理來自觀察管的碎片。在塊108處，處理器46確定發射信號是否已經增強。如果發射信號已經增強，則某些物理堵塞已經被去除并且處理在塊102處繼續。如果該信號尚未增強，則在塊110處，啟動排污裝置86。在塊112處，處理器46確定發射信號是否已經增強。如果發射信號已經增強，則排污成功，物理堵塞已經被去除并且方法在塊102處繼續。如果該信號尚未增強，則在塊104處，處理器46生成清理窗口信號，該清理窗口信號然后可以啟動用于清理窗口的處理。
[0027]如果在塊102處，發射信號未劣化，則在塊120處，處理器確定激光信號是否劣化。這可以例如通過監測來自圖1中所示的實施方式中的光學檢測器42、44的信號的強度來實現。如果激光信號未劣化，則該方法在塊102處繼續。如果激光信號劣化，則在塊122處，計算機啟動步進電機72、74以對光纖準直儀71進行重新對準。在塊124處，確定該重新對準是否改善了激光信號。如果該重新對準改善了激光信號，則激光路徑未對準并且處理在塊102處繼續。如果該重新對準未改善激光信號，則在塊126處生成高不透明信號并且該方法在塊102處繼續。
[0028]本文所描述的用于監測端口堵塞的方法和裝置允許對光傳輸路徑的“連續性”進行遠程且連續的監測。所述方法和裝置允許對可疑端口是沒有碎片還是被堵塞的問題給出清楚回答。如果所述方法和裝置指示清潔的路徑并且尚未檢測到信號，則存在可能導致傳輸損耗的有限數目的原因，比如引起高不透明的顆粒含量以及光學未對準。如果端口指示了堵塞的路徑，則可以執行清理堵塞的步驟，并且如果對堵塞的清理并未解決該問題，則可以生成“清理窗口”信號以啟動對窗口的清理。
[0029]對各種實施方式的描述已經出于說明和描述的目的而被提出，但是該描述并不意在是窮舉，也不意在將本發明限制成所公開的形式。本發明的范圍僅通過所附權利要求的范圍來限制。許多修改和變化對本領域普通技術人員來說將是明顯的。選擇并且描述了附圖中所描述和示出的實施方式以說明本發明的原理以及實際應用，并且使得本領域普通技術人員能夠針對適于所設想的特定用途的具有各種修改的各種實施方式來理解本發明。本文所引用的所有參考文獻通過引用而并入本文中。
【主權項】
1.一種監測被附接至工藝室的壁的觀察管的堵塞的方法，所述觀察管在操作上與TDLAS光學頭相關聯，在所述觀察管與所述TDLAS光學頭之間具有窗口，所述方法包括: 在所述TDLAS光學頭中提供光電傳感器，所述光電傳感器被定位成接收通過所述工藝室內的光發射過程所發射的光； 監測發射信號，所述發射信號由通過所述工藝室內的所述光發射過程所發射的光來產生，所述發射信號由所述光電傳感器來接收；以及 確定所述發射信號是否正在劣化。2.根據權利要求1所述的方法，還包括: 基于所述發射信號正在劣化的確定來啟動對所述觀察管的清理。3.根據權利要求2所述的方法，還包括: 在清理所述觀察管之后，確定所述發射信號是否已經增強。4.根據權利要求3所述的方法，還包括: 基于所述發射信號尚未增強的確定來啟動窗口清理。5.根據權利要求1所述的方法，還包括: 基于所述發射信號未在劣化的確定來確定TDLAS激光信號是否正在劣化。6.根據權利要求5所述的方法，還包括: 基于所述TDLAS激光信號正在劣化的確定來對準所述TDLAS光學頭的光學器件。7.根據權利要求6所述的方法，還包括: 確定在對準所述TDLAS光學頭的所述光學器件之后，所述TDLAS激光信號是否仍在劣化，并且基于所述TDLAS激光信號仍在劣化的確定來產生高不透明信號。8.根據權利要求2所述的方法，其中，啟動清理的步驟包括啟動端口竿以清理物理堵塞。9.根據權利要求8所述的方法，還包括:在啟動所述端口竿之后，確定所述發射信號是否已經增強。10.根據權利要求9所述的方法，還包括:如果所述發射信號尚未增強，則啟動排污來清理物理堵塞。11.一種監測被附接至工藝室的至少一個壁的多個觀察管中的堵塞的方法，每個觀察管在操作上與TDLAS光學頭相關聯，在所述觀察管與所述TDLAS光學頭之間具有窗口； 在每個TDLAS光學頭中提供光電傳感器，每個光電傳感器被定位成接收通過所述工藝室內的光產生過程所發射的光； 監測發射信號，所述發射信號由通過所述工藝室內的所述光發射過程所發射的光來產生，所述發射信號由每個光電傳感器來接收；以及 確定由所述光電傳感器中的一個光電傳感器所接收的發射信號是否正在劣化，其中，基于由所述一個光電傳感器所接收的發射信號正在劣化的確定，來確定由其他光電傳感器所接收的發射信號是否正在劣化。12.根據權利要求11所述的方法，還包括: 基于由所述其他光電傳感器所接收的發射信號正在劣化的確定，增加計數器的計數；以及 重復以下步驟:確定由所述光電傳感器中的一個光電傳感器所接收的發射信號是否正在劣化，其中，基于由所述一個光電傳感器所接收的發射信號正在劣化的確定，來確定由所述其他光電傳感器所接收的發射信號是否正在劣化。13.根據權利要求11所述的方法，還包括:基于由所述其他光電傳感器所接收的發射信號未在劣化的確定，啟動對與所述一個光電傳感器相關聯的觀察管的清理。14.一種TDLAS光學頭，包括: 殼體，所述殼體被配置成附接至觀察管，所述觀察管附接至工藝室的壁； 所述殼體內的光學器件，所述光學器件用于通過所述殼體所附接至的觀察管來發送、接收或者發送和接收工藝室內的TDLAS光束；以及 所述殼體中的光電傳感器，所述光電傳感器被定位成接收通過工藝室內的光發射過程所發射的光，所述殼體附接至所述工藝室。
【文檔編號】F23N5/08GK105917170SQ201480073474
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2014年12月22日
【發明人】伯納德·P·馬斯特森, 邁克爾·約翰·埃斯蒂斯, 安德魯·D·薩佩
【申請人】佐勒技術公司