專利名稱：一種同時監測燃燒火焰溫度場和中間產物濃度二維分布的方法
一種同時監測燃燒火焰溫度場和中間產物濃度二維分布的方法技術領域：
本發明是一種同時監測燃燒火焰溫度場和中間產物濃度二維分布的方法， 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火焰燃燒產生 的各種中間產物的濃度分布，利用比色法實時測量燃燒火焰的溫度分布。
背景技術：
燃燒是一個復雜的物理、化學變化過程，其主要外在表現形式是火焰及其 電磁輻射(包括光和熱)。由于現有測量手段的限制，盡管提出過許多個燃燒 模型(數學的、物理的、化學的)，但在某種程度上來講燃燒過程仍被作為一 種"黑匣子"來對待。
火焰的溫度直接取自燃燒室，其信息直接反映燃燒的狀況，所以火焰溫度 是燃燒研究中主要參數之一，該參數對于燃燒過程的組織非常重要。而又有眾 多研究表明，燃燒中間產物在火焰內部的分布與火焰的溫度分布、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，因此 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，燃燒火焰的溫度和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。
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、同時獲取燃燒火焰的溫度分布和中間產物在火焰中的分布具有重 要意義。目前，對于火焰的溫度分布和燃燒中間產物的分布是分別獲得的，火 焰的溫度分布大多釆用比色法、三色法得到，而燃燒中間產物的濃度分布可以 通過釆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。而采用激光誘導熒光、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。
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及利用比色法實時測量燃燒火焰的 溫度分布的系統，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
本發明是一種在線、同時監測燃燒火焰溫度場和中間產物濃度二維分布的 方法，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火焰燃 燒產生的各種中間產物的濃度分布，利用比色法實時測量燃燒火焰的溫度分 布。
本發明提供的一種同時監測燃燒火焰溫度場和中間產物濃度二維分布的
方法釆用以下技術方案
該方法包括火焰探測裝置、分光裝置、濾波裝置、探測處理裝置。火焰探 測裝置包括火焰窺鏡裝置及其前端的廣角鏡和冷卻套簡，火焰輻射光經窺鏡裝 置傳遞給分光裝置，分光后經濾波裝置得到四路中心波長不同的窄帶光信號。 探測處理裝置包括CCD接收裝置和軟件處理系統，通過CCD接收裝置得到四路 不同的光強分布圖像，根據黑體輻射定律，其中兩路信號的光強分布圖像相減 得到對應燃燒中間產物的濃度分布圖像；另兩路窄帶光信號的光強相比，根據 比色法可以得到火焰溫度場分布。本發明能夠實時并同時監測火焰中間產物濃 度和火焰溫度場的二維分布。
其中，所述火焰窺鏡裝置前端為探測廣角鏡，由凸面鏡和凹面鏡設計組成， 實現探測整個火焰輻射全波段的光波的功能。火焰窺鏡裝置外部有冷卻套簡， 冷卻方式可為氣冷或水冷或兩者組合。其中，所述分光裝置包括六個分光棱鏡，三個分光棱鏡具有增透膜和增反 膜，三個分光棱鏡只具有增反膜，得到兩組光強相同或近似相同的圖像。
其中，所述濾波裝置包括濾波器和固定安裝機械裝置，根據被監測燃燒中 間產物的特征譜線以及測量火焰溫度場所需光信號波長選定所述濾波器通光 波段的中心波長及半波寬。其中在實現監測火焰溫度場的兩條光路中，選擇使
用的濾波器具有相同的半波寬；在實現監測火焰中間產物濃度的兩條光路中， 選擇使用的濾波器具有相同的半波寬。
其中，所述分光棱鏡出射光線經過所述濾波裝置得到四個中心波長不同的
窄帶光信號l、窄帶光信號2、窄帶光信號3、窄帶光信號4，其中所述窄帶光 信號1與所述窄帶光信號2為窄帶光信號且具有相同的半波寬，所述窄帶光信 號l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。所述窄帶光信號 3與所述窄帶光信號4為窄帶光信號且具有相同的半波寬，所述窄帶光信號3 為非特征譜線的火焰黑體輻射上的波長3信號，所述窄帶光信號4為非特征譜 線的火焰黑體輻射上的波長4信號。
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 收裝置包括前端用于CCD相機成像的相機鏡頭裝置，所述CCD接收裝置能夠得 到經過探測裝置、分光裝置和濾波裝置后的光學影像，并將圖像信息轉化為數 字信號傳遞給所述軟件處理系統。CCD的面積大小與成像大小有著對應放大關 系，決定了 CCD相機的物距與像距大小。
其中，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。把所 述窄帶光信號3與所述窄帶光信號4的光強相比，根據燃燒火焰的溫度與火焰 在兩個波長下的輻射強度比的函數關系式，得到火焰溫度場分布。
其中，可以運用多組分光棱鏡系統，并采用不同濾波范圍的濾波裝置，實
6時監測燃燒火焰中的多種中間產物的濃度和溫度，從而呈現多種中間產物濃度 場和火焰溫度場的二維分布。
本發明的有益效果本發明公開 一種通過測量燃燒中間產物特征輻射信號 強度來在線監測火焰燃燒中間產物的濃度和火焰溫度分布信息的系統，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、降低污染氣體排放有著重要的意義。 本發明專利技術在即不接觸測量對象、又不破壞測量對象的前提下，實時并同 時獲取燃燒火焰溫度場和多種燃燒中間產物濃度的二維分布信息。本發明專利 技術在電力、能源、冶金等行業具有廣闊的應用前景。
說明書附圖
圖l是檢測火焰濃度的方法組成示意圖2是探測燃燒中間產物與火焰溫度分布的特征譜線示意具體實施方式
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和105，所述冷卻套簡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、準確地得到火焰輻射光。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 l米。冷卻的方式可為氣冷或水冷或兩者組合。
入射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 光一半能量透射出去，形成光信號I。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II。此 時光信號I和光信號II強度相同。出射的光信號I傳遞給分光裝置107和106。首先入射分光棱鏡107,由 于分光棱鏡107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106。分 光棱鏡106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1I傳遞給分光裝置108和109。首先入射分光棱鏡108，由 于分光棱鏡108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 火焰光一半能量透射出去，形成光信號3。另一部分反射給分光棱鏡109。分 光棱鏡109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4。 此時光信號3和光信號4強度相同。
光信號l、光信號2、光信號3和光信號4分別經過窄帶濾波器111、窄帶 濾波器110、窄帶濾波器112和窄帶濾波器113后得到中心波長為;^的窄帶光 信號l、中心波長為^的窄帶光信號2、中心波長為^的窄帶光信號3、中心波 長為A的窄帶光信號4。其中在實現監測火焰溫度場的兩條光路中，選擇使用 的濾波器lll和濾波器110具有相同的半波寬；在實現監測火焰中間產物濃度 的兩條光路中，選擇使用的濾波器112和濾波器113具有相同的半波寬。
所述窄帶濾波器110和111的中心波長及半波寬的選擇方式如下具體所述: 窄帶濾波器110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110的半波寬AA根據被測量燃燒中間產物的特征輻射譜線的 半波寬zU。選擇， 一種選擇滿足A義〉A義。，或者一種選擇為A;i產A;i。；窄帶濾波器 111的中心波長^的 選取滿足k-;^ 1^2A^窄帶濾波器111與窄帶濾波器IIO 具有相等的半波寬，且[^-A義，A+A/U波段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4-V2AA或4、+2A;L
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205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 205與所述窄帶光信號2所占波段內火焰黑體輻射信號的強度202相等。所述窄帶光信號3為火焰黑體輻射上非特征譜線的中心波長為;i3的信號
203，所述窄帶光信號4為火焰黑體輻射上非特征譜線的中心波長為;i,的信號204。
所述窄帶濾波器112和113的半波寬的選擇方式如下具體所述窄帶濾波器112與窄帶濾波器113具有相同的半波寬A;L所述窄帶濾波器112和113的中心波長的選擇方式如下所述:窄帶濾波器112的中心波長A與窄帶濾波器113的中心波長^應在火焰黑體輻射光譜范圍及CCD接收裝置115的響應光譜
范圍內，且窄帶濾波器112所透過的[VAA， A+A義]波段與窄帶濾波器113所透過的U4 -A義，義4 波段不重疊，且[& -AA， & 波段與
[義4 -ZU2, A4 +A>y波段內不包含任何物質的特征輻射譜線。
濾波后的信號201與窄帶光信號205的和傳遞給CCD接收裝置115前端的相機鏡頭裝置114;信號202同時傳遞給CCD接收裝置115前端的相機鏡頭裝置114。相機鏡頭裝置114用于對CCD接收裝置115成像。所述CCD接收裝置115把光學影像116和117轉化為數字信號，并傳遞給所述軟件處理系統(
圖1中沒有給出)。通過所述軟件處理系統把所述窄帶光信號201與窄帶光信號205的和與所述窄帶光信號202的光強分布圖像117和116相減，從而得到實際意義的燃燒中間產物的特征譜線強度201。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。
濾波后的窄帶光信號203和窄帶光信號204傳遞給CCD接收裝置115前端的相機鏡頭裝置114，用于對CCD接收裝置115成像，所述CCD接收裝置115把光學影像118和119轉化為數字信號，并傳遞給所述軟件處理系統(沒有在圖1中標示出？)。通過所述軟件處理系統把所述窄帶光信號203與所述窄帶光信號2(M的光強/(A)118和光強/(^)119相比，并根據燃燒火焰的溫度與火焰在兩個波長下的輻射強度比的函數關系式
^微 (1.1)
實時得到燃燒火焰的溫度分布圖像。測量到的/(^)和/(A)發生變化，對應的燃燒火焰的溫度也相應地發生變化。
9該發明型專利所述方法可以擴展成為多個分光棱鏡系統，并釆用不同濾波 范圍的濾波裝置，可實時并同時檢測燃燒火焰的溫度場及多種燃燒中間產物濃 度的二維分布信息。
權利要求
1、本發明公開了一種同時監測燃燒火焰溫度場和中間產物濃度二維分布的方法，包括火焰探測裝置、分光裝置、濾波裝置、探測處理裝置。火焰探測裝置包括火焰窺鏡裝置及其前端的廣角鏡和冷卻套筒，火焰輻射光經窺鏡裝置傳遞給分光裝置，分光后經濾波裝置得到四路中心波長不同的窄帶光信號。探測處理裝置包括CCD接收裝置和軟件處理系統，通過CCD接收裝置得到四路不同的光強分布圖像，根據黑體輻射定律，其中兩路信號的光強分布圖像相減得到對應燃燒中間產物的濃度分布圖像；另兩路窄帶光信號的光強相比，根據比色法可以得到火焰溫度場分布。本發明能夠實時并同時監測火焰中間產物濃度和火焰溫度場的二維分布。
2、 按照權利要求1所述的一種同時監測燃燒火焰溫度場和中間產物濃度 二維分布的方法，其特征在于所述火焰窺鏡裝置前端為探測廣角鏡，由凸面鏡 和凹面鏡設計組成，實現探測整個火焰輻射全波段的光波的功能。火焰窺鏡裝 置外部有冷卻套筒，冷卻方式可為氣冷或水冷或兩者組合。
3、 按照權利要求1所述的一種同時監測燃燒火焰溫度場和中間產物濃度 二維分布的方法，其特征在于所述分光裝置包括六個分光棱鏡，三個分光棱鏡 具有增透膜和增反膜，三個分光棱鏡只具有增反膜，得到兩組光強相同或近似 相同的圖像。
4、 按照權利要求1所述的一種同時監測燃燒火^j溫度場和中間產物濃度 二維分布的方法，其特征在于所述濾波裝置包括濾波器和固定安裝機械裝置， 根據被監測燃燒中間產物的特征譜線以及測量火焰溫度場所需光信號波長選 定所述濾波器通光波段的中心波長及半波寬。其中在實現監測火焰溫度場的兩 條光路中，選擇使用的濾波器具有相同的半波寬；在實現監測火焰中間產物濃 度的兩條光路中，選擇使用的濾波器具有相同的半波寬。
5、 按照權利要求1所述的一種同時監測燃燒火焰溫度場和中間產物濃度 二維分布的方法，其特征在于所述分光棱鏡出射光線經過所述濾波裝置得到四 個中心波長不同的窄帶光信號1、窄帶光信號2、窄帶光信號3、窄帶光信號4， 其中所述窄帶光信號1與所述窄帶光信號2為窄帶光信號且具有相同的半波寬，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 l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。所述窄帶光信號3與所述窄帶光信號4為窄帶光信號且具有相同的半波寬, 所述窄帶光信號3為非特征譜線的火焰黑體輻射上的波長3信號，所述窄帶光 信號4為非特征譜線的火焰黑體輻射上的波長4信號。
6、 按照權利要求1所述的一種同時監測燃燒火焰溫度場和中間產物濃度 二維分布的方法，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接收裝置包括前端用于CCD相機成像的相機鏡頭裝置，所述CCD 接收裝置能夠得到經過探測裝置、分光裝置和濾波裝置后的光學影像，并將圖 像信息轉化為數字信號傳遞給所述軟件處理系統。CCD的面積大小與成像大小 有著對應放大關系，決定了 CCD相機的物距與像距大小。
7、 按照權利要求1所述的一種同時監測燃燒火焰溫度場和中間產物濃度 二維分布的方法，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。把所述窄帶光信號3與所述窄帶光信號4的光強相比，根據燃燒火 焰的溫度與火焰在兩個波長下的輻射強度比的函數關系式，得到火焰溫度場分 布。
8、 按照權利要求1所述的一種同時監測燃燒火焰溫度場和中間產物濃度 二維分布的方法，可以運用多組分光棱鏡系統，并釆用不同濾波范圍的濾波裝 置，實時監測燃燒火焰中的多種中間產物的濃度和溫度，從而呈現多種中間產 物濃度場和火焰溫度場的二維分布。
全文摘要
本發明公開了一種同時監測燃燒火焰溫度場和中間產物濃度二維分布的方法，包括火焰探測裝置、分光裝置、濾波裝置、探測處理裝置。火焰探測裝置包括火焰窺鏡裝置及其前端的廣角鏡和冷卻套筒，火焰輻射光經窺鏡裝置傳遞給分光裝置，分光后經濾波裝置得到四路中心波長不同的窄帶光信號。探測處理裝置包括CCD接收裝置和軟件處理系統，接收裝置得到四路不同的光強分布圖像，根據絕對黑體輻射定律，其中兩路信號的光強分布圖像相減得到對應燃燒中間產物的濃度分布圖像；另兩路窄帶光信號的光強相比，根據比色法可以得到火焰溫度場分布。本發明能夠實時并同時監測火焰中間產物濃度和火焰溫度場的二維分布。
文檔編號G01J5/60GK101625269SQ20091009002
公開日2010年1月13日 申請日期2009年7月27日 優先權日2009年7月27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