專利名稱：一種燃燒中間產物二維分布在線監測系統的制作方法
一種燃燒中間產物二維分布在線監測系統
技術領域：
本發明是一種燃燒中間產物二維分布的在線監測系統，它主要利用火焰輻 射光譜學、黑體輻射規律和幾何光學系統探測燃燒火焰中的各種中間產物的濃 度分布。背景技術：
燃燒是一個復雜的物理、化學變化過程。對燃燒機理研究、燃燒器設計以 及污染氣體排放預測與控制的研究來說，燃燒過程參數的監測及控制是其工作 的核心。盡管有許多燃燒模型(數學的、物理的、化學的)被提出，但由于現 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，燃燒中間產物在火焰內部的分布、火焰的溫度場分布、燃 料種類、燃燒裝置運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 系。為了正確認識燃燒過程、有效驗證各種模型、在線、實時、定量預測污染 氣體的排放量，燃燒過程中產生的中間產物的分布是有待測量的重要參數。
燃燒的主要外在表現形式是火焰及其電磁輻射(包括光和熱)。火焰的自 發輻射形成連續光譜和不連續光譜。連續光譜是在高溫狀態下形成的寬譜輻 射。不連續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人員從事燃燒過程監測、控制及污染氣體排放預測的 研究，在線、實時獲取燃燒中間產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譜線或譜帶下的光輻射信號強度來對燃燒火焰中間產 物的濃度進行在線監測，但該方法測得的結果是產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(包括中間產物的再反 應)難以得到有效驗證。而釆用激光誘導熒光、拉曼散射及傅立葉變換紅外光 譜儀等可以獲得某產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物的二維分布，且該類方法成本昂貴.安裝復雜，在工業現場應用中存 在許多困難。
因此研究一種性價比高、適合工業現場應用的燃燒火焰中間產物濃度分布 的在線監測系統是非常必要的。本發明公開一種釆用幾何光學系統測量燃燒中 間產物特征輻射信號強度來在線監測燃燒火焰中間產物的濃度分布信息的系 統，結構緊湊、堅固、性價比高，適合工業現場應用。而由于該監測方法是在 線、實時的，不存在時間上的大滯后問題，因而本發明對在線調整燃燒工況參 數、實現燃燒過程的閉環控制、提高燃燒效率、降低污染氣體排放有著重要的 意義。本發明在電力、能源、冶金等行業具有廣闊的應用前景。
發明內容
本發明是一種燃燒中間產物二維分布的在監測系統，它主要利用火焰輻 射光譜學、黑體輻射規律和幾何光學系統探測燃燒火焰中各種中間產物的濃度 分布。
本發明提供的一種燃燒中間產物二維分布的在線監測系統釆用以下技術
方案
該燃燒中間產物二維分布的在線監測系統，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)進行 降溫處理。所述分光裝置包括兩個分光棱鏡，出射光線經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的中心波長對應疊加 在火焰黑體輻射信號分布上的特定燃燒中間產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，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分布圖像，通過所述軟件處理系統把所述窄帶光信號1與所述窄帶光信 號2的光強分布圖像相減，從而得到實際意義的燃燒中間產物的特征輻射信號 強度分布圖像，對應燃燒中間產物的沐度分布圖傳。本發明能夠在線、實時測 量和繪制得到火焰中各種燃燒中間產物的濃度分布情況。
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燃燒裝置的壁厚設計，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，可根據被監測燃燒中間產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的強度為所述窄帶光信 號1所占波段內火焰黑體輻射信號強度與特定燃燒中間產物的特征輻射信號強
度之和，所述窄帶光信號2的強度為所述窄帶光信號2所占波段內火焰黑體輻
射信號的強度。
其中，所述探測處理裝置包括CCD接收裝置和軟件處理系統，所述CCD接 收裝置前端有相機鏡頭裝置，用于對CCD相機成像，所述CCD接收裝置把光學 影像轉化為數字信號傳遞給所述軟件處理系統。
其中，所述軟件處理系統把所迚窄帶光信號1與所述窄帶光信號2的光強 分布圖像相減，得到實際意義的燃燒中間產物的特征輻射信號強度的二維分 布。局部特征輻射信號強度越大，被測量燃燒中間產物的局部濃度越高。
其中，所述的一種燃燒中間產物二維分布的在線監測系統，可以擴展成為 多組分光棱鏡系統，通過運用不同濾波器的濾波范圍，同時檢測燃燒火焰中的 多種燃燒中間產物的特征輻射信號的強度，從而在線、實時、同步獲得多種燃 燒中間產物的濃度分。
本發明的有益效果本發明公開 - 種通過測量燃燒中間產物特征輻射信號強度來在線監測燃燒火焰中間產物的濃度分布信息的系統，結構緊湊、堅固、 性價比高，適合工業現場應用。而由于該監測方法是在線、實時的，不存在時 間上的大滯后問題，因而本發明不僅可為在線監測火焰燃燒狀態、有效驗證燃 燒模型提供一種有效的測量手段，而且對在線調整燃燒工況參數、實現燃燒過 程的閉環控制、提高燃燒效率、降低污染氣體棑教有著重要的意義。本發明在 電力、能源、冶金等行業具有廣闊的應用前景。說明書附圖
圖i是燃燒中間產物二維分布的在線監測系統組成示意圖； 圖2是探測燃燒中間產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最大范圍內收集火焰輻射光，之后經過所 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)進行降溫處理。火焰探測廣角鏡101能 迅速、準確地探測火焰輻射光。火焰窺鏡裝置102 (包括火焰探測廣角鏡101) 及冷卻套簡103的長度依據燃燒裝置的壁厚設計， 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，增透系數與增反系數相同。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強度相同。
出射的光信號1經過窄帶濾波器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^對應被測量燃燒中間產物的特征輻射譜線中心波 長，窄帶濾波器106的半波寬A^艮據被測量燃燒中間產物的特征輻射譜線的半 波寬A義選擇， 一種選擇滿足A/l〉AA，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]波段內內不存在其他產物的特征輻射譜
線。只要與其他產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的強度為所述窄帶光信號l所占波段內火焰黑體輻射信 號強度203與特定燃燒中間產物的特征輻射信號強度201之和，所述窄帶光信 號2的強度為所述窄帶光信號2所占波段內火焰黑體輻射信號的強度202。由 于a靠近^，可以認為，所述窄帶光信號l所占波段內火焰黑體輻射信號強度 203與所述窄帶光信號z所占波段內火焰黑體輻射信號的強度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 機鏡頭裝置108,用于對CCD相機109成像，所述CCD接收裝置109把光學影 像110和111轉化為數字信號傳遞給所述軟件處理系統。通過所述軟件處理系 統把所述窄帶光信號1與所述窄帶光信號2的光強分布圖像110和111相減， 從而得到實際意義的燃燒中間產物的特征輻射信號強度分布圖像。局部特征輻 射信號強度越大，被監測燃燒中間產物的局部濃度越高。
該發明型專利可以擴展成為多組分光棱鏡系統，通過運用不同濾波器的濾 波范圍，同時監測燃燒火焰中的多種中間產物的特征輻射信號的強度，從而在 線、實時、同步得到多種燃燒中間產物的濃度分布。
權利要求
1、本發明公開了一種燃燒中間產物二維分布的在線監測系統，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)進行降溫處理。所述分光裝置包括兩個分光棱鏡，出射光線經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的中心波長對應疊加在火焰黑體輻射信號分布上的特定燃燒中間產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，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分布圖像，通過所述軟件處理系統把所述窄帶光信號1與所述窄帶光信號2的光強分布圖像相減，從而得到實際意義的燃燒中間產物的特征輻射信號強度分布圖像，對應燃燒中間產物的濃度分布圖像。本發明能夠在線、實時測量和繪制得到火焰中各種燃燒中間產物的濃度分布情況。
2、 按照權利要求1所述的一種燃燒中間產物二維分布的在線監測系統， 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燃燒裝置的壁厚設計，冷卻方式可為氣冷或水冷或兩者 組合。
3、 按照權利要求1所述的一種燃燒中間產物二維分布的在線監測系統， 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、 按照權利要求1所述的一種燃燒中間產物二維分布的在線監測系統，其特征在于所述濾波裝置，可根據被監測燃燒中間產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、 按照權利要求1所述的一種燃燒中間產物二維分布的在線監測系統， 其特征在于所述分光棱鏡出射光線經過所述濾波裝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的強度為所述窄帶光 信號1所占波段內火焰黑體輻射信號強度與特定燃燒中間產物的特征輻射信號強度之和，所述窄帶光信號2的強度為所述窄帶光信號2所占波段內火焰黑體輻射信號的強度。
6、 按照權利要求1所述的一種燃燒中間產物二維分布的在線監測系統， 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，所述CCD接 收裝置前端有相機鏡頭裝置，用于對CCD相機成像，所述CCD接收裝置把光學 影像轉化為數字信號傳遞給所述軟件處理系統。
7、 按照權利要求1所述的一種燃燒中間產物二維分布的在線監測系統， 其特征在于所述軟件處理系統把所述窄帶光信號1與所述窄帶光信號2的光強 分布圖像相減，得到實際意義的燃燒中間產物的特征輻射信號強度的二維分 布。局部特征輻射信號強度越大，被測量燃燒中間產物的局部濃度越高。
8、 按照權利要求1所述的一種燃燒中間產物二維分布的在線監測系統，可 以擴展成為多組分光棱鏡系統，通過運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物的特征輻射信號的強度，從而在線、實時、同步獲得 多種燃燒中間產物的濃度分布。
全文摘要
本發明公開了一種燃燒中間產物二維分布的在線監測系統；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對應特定燃燒中間產物的特征譜線，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，把窄帶光信號1與窄帶光信號2的光強分布圖像相減，得到實際燃燒中間產物的特征輻射信號強度分布圖像；本發明能夠在線、實時測量和繪制火焰中各種燃燒中間產物的濃度分布情況。
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 優先權日2009年7月15日
發明者徐立軍, 李小路, 田祥瑞, 丞 譚 申請人:北京航空航天大學