CN101946126A - 火焰扫描装置和它的操作的方法 - Google Patents

Abstract

公开一种用于监测火焰的火焰扫描装置。该装置包括用于采集火焰辐射并且将它传送到检测元件(5、9)的辐射采集和传送元件(1、2、3、4、8)，用于辐射检测和转换成电信号的火焰传感元件(9)，和用于将电信号转换为火焰参数的评估单元(6)。如果火焰传感元件(9)包括至少两个个体检测器(11-19)，每个具有个体中心检测波长和观察窗口(20-24)的宽度，其中个体中心检测波长和观察窗口(20-24)宽度不重叠并且覆盖辐射光谱的个体感兴趣区，则可以提供特别调整并且可靠并且同时成本高效的装置。

Description

火焰扫描装置和它的操作的方法

技术领域

本发明涉及用于监测火焰的火焰扫描装置的领域。它具体涉及对应装置，其包括用于采集火焰辐射并且将它传送到检测元件的辐射采集和传送元件、用于检测辐射和转换成电信号的火焰传感元件以及用于转换电信号成火焰参数的评估单元。它此外涉及用于操作这样的装置的方法和这样的装置的用途。

背景技术

对燃烧控制的应用存在增加的兴趣。目的是最优化燃烧器工作，监测过程并且避免火焰的不稳定性和它们的严重后果。目的是提高系统性能(例如通过降低有害排放物的水平)，并且通过减小由共振模式和燃烧之间的耦合引起的振荡来扩展稳定域。相应地，除监测燃烧产物和它们的成分外，通过传感器监测火焰变得日益重要。

对应的火焰检测或火焰扫描装置应该尽可能可靠，应该允许确定火焰的尽可能多的参数，它们应该尽可能地可广泛应用，并且它们应该对火焰附近的典型温度是有耐受能力的。所有这些要求在原则上可能可以使用标准技术满足，主要问题大体上是，检测方法技术上越复杂，以及选择的技术越可靠，则装置越昂贵。相应地，因此，对低成本的简单但仍然非常灵敏、可广泛应用并且可靠的装置有强烈的需求。

火焰扫描器或火焰检测器通常是无源装置，其记录燃烧室内的光发射，像对于给定温度遵循普朗克定律的粒子IR发射、在放热过程期间存在的像OH^*、CH^*、C₂ ^*等不同的分子物种的发射。

其他装置通过应用吸收光谱记录IR中分子的存在。它们需要光源、色散元件和IR检测器。这些装置是有源的，因为它们需要光源。

主火焰扫描器给出火焰亮/灭状态或最后火焰波动的频率。

更先进的传感器可给出下列信息：

·像λ或(空气/燃料或燃料/空气比)的火焰参数检测；OH/CH、CH/CN、OH/C₂、C₂/CH比给出关于温度或化学计量的信息；

·通过用2或3色高温计测量的、通过对MIR和NIR(可调谐激光器)范围中的H₂O&CO(CO₂)吸收的测量的温度；

·成像：CMOS、CCD照相机多频带检测、火焰亮/灭检测；

·UV和IR测量(UV、OH、CH、C₂化学发光；煤烟粒子的VIS/IR普朗克辐射)；

·UV/IR检测和放热波动阈值方法(高或低频率变化)。

工业上可以使用的对应装置在技术发展水平中是已知的。

因此例如EP0616200公开一种其中给火焰拍照的照相机包括多个光电传感器的装置，该光电传感器集成进入照相机并且设置在其成像面上。该照相机提供可以显示的火焰图像并且该对应的图像被分析用于导出火焰的燃烧性质。该光电传感器构成光电传感器组，其中光电传感器中的每个具有检测波长范围，并且其中该传感器组覆盖完整的连续可见辐射范围。该光电传感器值用于像例如CH、OH等自由基的检测，这些自由基的化学发光可以在可见范围中检测到。该装置背后的目的是具有结合的照相机/光谱检测装置，其中前者允许火焰形状检测等，而后者覆盖完整可见波长范围的检测。

US6,045,353公开一种设备和它的使用以控制喷嘴(burner)的燃烧。该装置包括用于观察由火焰发射的辐射从而采集作为时间函数的火焰辐射强度数据的工具。该辐射输送到光学处理器，其中辐射的特定光谱区然后转换成电信号，其然后由信号处理器处理用于对特定光谱区的火焰辐射强度求时间的积分。这个的输出随后用于控制氧化剂流、燃料流或两者。具体地，该装置位于喷嘴的耐火垫中。

US6,318,891公开一种用于确定火焰的绝热温度的装置。该装置包括耦合进入光谱仪的传感器纤维。在该光谱仪中，对各个自由基高分辨率地采集可调节的光谱段。该光谱仪从而包括色散元件并且选择的范围随后与理论上计算的发射光谱结合用于确定玻尔兹曼温度，其因此与火焰的绝热温度相关。

更另外的装置从WO2006/091617知晓。在该装置中火焰通过由光电二极管测量的多个离散范围来横跨连续光谱被监测。分束器(在该情况下色散元件)用于将采集的光引导到覆盖该连续光谱的许多光电二极管中的每个上。完全覆盖的对应的光谱范围从300nm-1100nm延伸。

发明内容

因此本发明的目的中的一个是提供具有高灵敏度和可靠性的新火焰扫描器，并且其优选结合火焰亮/灭状态并且同时表征火焰(化学计量和/或温度)。

特别地，用于监测火焰的火焰扫描装置应该改进，其包括用于采集火焰辐射并且将它传送到检测元件的辐射采集和传送元件、用于检测辐射和转换成电信号的火焰传感元件以及用于转换电信号成火焰参数的评估单元。

根据本发明，这样的装置特征在于火焰传感元件包括至少两个个体检测器，例如光电二极管，每个具有个体中心检测波长和狭窄的观察窗口宽度(例如由滤光片提供的)，滤光片优选地是位于检测器前面的干扰滤光片。这些检测器具体选择成各自具有个体中心检测波长并且具有使得观察的窗口不重叠并且仅覆盖辐射光谱的个体感兴趣区的观察窗口宽度。

应该注意到具有相同或基本相同中心检测波长的检测器组可以用于特定的观察窗口。然而，这些组随后共同或一起用于在观察窗口中的对应物种的评估。为了增加的灵敏度，例如，对于相同观察窗口具有两个或多个检测器是可能的。然而，在该情况下根据本发明存在至少两个这样的组，其中该两个组的观察窗口不重叠。

不监测由火焰发射的完整的连续光谱，而仅非常具体地监测其中预期物种化学发光和/或其中将观察到感兴趣的特定红外范围的那些区域，这是提出的概念的本质想法中的一个，其与根据技术发展水平的概念形成对比。本发明的另一个相关方面是不需要色散元件的事实，其简化设置并且使它非常耐用。

相应地，根据本发明的第一优选实施例，火焰传感元件包括第一组中的至少两个、优选地至少三个检测器，其的中心检测波长在300nm-700nm的范围中，以及第二组中的至少两个、优选地三个检测器，其的中心检测波长在红外范围中，优选地在800nm-1000nm的近红外范围中。

这意味着在第一组中存在例如用于OH^*的化学发光检测的具有315nm的中心检测波长的一个检测器，和用于CH^*的化学发光检测的具有440nm的中心检测波长的一个检测器。两者将具有观察宽度(半高全宽)使得基本上不存在这些观察宽度的重叠，因此例如每个具有25nm的观察宽度。

一般可以说，优选地检测器具有在10nm-30nm范围中、更优选地在15nm-30nm范围中的观察窗口的宽度，然而，更宽的窗口也是可能的，只要没有重叠即可。典型地，对于在300nm-700nm范围中的检测器，观察宽度在20nm-30nm的范围中选择。对于在800nm-1000nm(NIR)范围中的检测器或对于高于但仍然在红外范围中的值，观察宽度在10nm-20nm的范围中选择。

特别对于具有在300nm-700nm范围中的中心检测频率的检测器，观察宽度(其中选择的转变的特定线形将被检测并且积分)优选地适合于相应检测的信号的线形或线宽。如果例如将观察不被其他转变重叠的尖锐窄带，观察宽度可以选择为相当窄的，例如在20nm-24nm的范围中。这例如在CH^*转变的情况下是可能的，其中观察到强烈并且尖锐的信号(参见下文给出的图1a)。

如果在另一方面存在可能甚至与其他信号重叠的宽信号，观察宽度可以选择为更宽。这例如在OH^*转变的情况下发生。然而，在这样宽并且重叠的信号的情况下，在某种状况下选择窄观察宽度以便将不期望的重叠信号排除在外也可能是更有利的。这可以在具体问题具体分析基础上确定。在任何情况下这些适应和确定应该考虑将观察的所有可能的燃烧状况。这意味必须对不同类型的燃料并且对于不同的可能燃烧状况(例如不同的λ值等)找到总体最优条件。

优选地这些个体观察窗口通过特定并且分别适应的滤光片(优选地干扰滤光片)在检测器前面提供。如果检测器如下文概述的成行设置，也可以使用具有沿行渐变的选择的频率的渐变(干扰)滤光片。

根据本发明的另外的实施例，第一组检测器具有适应于从OH^*(以315nm为中心)、CH^*(以440nm为中心)、C₂ ^*(分别以470nm和515nm为中心)、CN^*(以385nm为中心)的组中选择的自由基物种、优选地至少OH和CH的组中选择的自由基物种的化学发光的峰值的中心检测波长。在C₂的情况下，可以观察到两个不同的转变，即在大约515nm的Δυ＝0的一个和在470nm的Δυ＝-1的一个。

优选地，第一组检测器的个体中心检测波长选择成位于下列个体范围中的至少一个内：300nm-325nm(OH^*)；375nm-400nm(CN^*)；420nm-450nm(CH^*)；460nm-480nm和500nm-530nm(C₂ ^*两者)。

根据另外的优选实施例，第一和第二组检测器都设置在(单)行中，其基本上设置为横截于冲击辐射的方向。然而，具有一个在另一个上的两行或几行检测器也是可能的，其中在该情况下例如上文提及的具有相同中心检测波长的检测器组将一个位于另一个上，或为了补偿目的，它们位于关于横向辐射分布的对称平面的相对或对应位置。

如果第一组的所有检测器位于行的中心部分(在关于辐射方向的横向方向的意义上的中心)(其中冲击光的强度是最高的)。可以提供具有高灵敏度和可靠性的特别调整的装置。这是因为检测器的第一组一般检测较弱信号的事实。一般检测在红外或近红外范围中的较强信号的第二组的检测器都设置在行的两个侧外部，在那里横向方向上的光分布已经降到较低值。检测器沿横截方向的特定设置允许特别高效的光检测，其调整到沿关于冲击到传感器上的辐射的横截方向的光分布和预期信号的灵敏度。

一般一组内沿行的排布也可以是适合的。因此确定将观察到的信号的预期积分强度是例如可能的(参见例如图1a)。再次这些适应和确定应该考虑将观察的所有可能的燃烧状况。这意味着必须对不同类型的燃料并且对于不同的可能燃烧状况(例如不同的λ值等)找到总体值。一旦确定预期看到总体最小强度(例如在图1a中的CN^*信号)的检测器，该信号的对应检测器可以放入检测器行的中心位置，该处辐射的最高强度冲击到该检测器上。类似地并且根据不同检测器的预期强度的顺序，这些检测器可以设置在行上。一般来说，某个带宽的预期强度越大，将放置在离行的中心的偏移位置的检测器越多。该原理的例外是可能的，如果存在对于实际测量过程不那么重要的频率，例如，因为它仅用作控制测量时会这样。在该情况下，用于检测这样的较不重要的频率的检测器也可以进一步朝外部或偏移位置放置。

本发明的更另外的优选实施例特征在于第一和第二组检测器设置在行中，其基本上设置为横截于冲击辐射的方向，其中辐射采集和传送元件包括用于采集优选地从火焰的放热区采集的火焰辐射的前端光学系统(例如耐高温透镜系统)，用于传送采集的火焰辐射的传送元件(优选地高温纤维束，例如包括几千根光纤)，以及用于将传送的火焰辐射引导到火焰传感元件的检测器的行上的锥形元件。

这样的锥形元件优选地包括或由透明块(对于将传送的辐射透明)构成，其具有基本上平行的上和下边界面、具有正交于辐射的主方向的基本上平行的入射和出射面，以及具有发散性的优选地正交于上和下边界面的抛光侧面(其中被侧面包围的朝向火焰传感元件的张开角在1°-10°、优选地2°-6°、最优选地3°-5°的范围中)。该入射面直接或间接例如通过下文论述的分束器附着到传送元件，该出射面直接或间接附着到火焰传感元件(该出射面可以例如直接胶粘到火焰传感元件上)。

典型地来自传送元件的辐射具有以辐射束的对称轴线为中心的非常陡的强度分布。如果该辐射分布引导到火焰传感器，特别如果火焰传感器是单行检测器，这导致其中在行中居中的检测器接收非常强的辐射，而偏轴设置(即侧向偏移)的检测器仅接收弱辐射的情况。该提出的锥形结构导致强度分布的显著增宽并且因此可以确保沿行的辐射强度不像没有该元件那样不均匀地分布，并且可以在行中高效地使用更多检测器。

应该注意到上文与一行检测器组合的锥形元件是独立于如上文概述的主要发明的另外特性的新的和发明性的概念。到目前为止使用这样的器件用于增宽随后将在光电二极管阵列上检测到的强度分布是未知的。

本发明的具体优选实施例进一步特征在于该装置进一步包括照相机(优选地高动态CMOS照相机)，用于拍摄火焰的时间分辨图像画面，其中优选地在该照相机前面布置用于聚焦的梯度折射率透镜，并且其中优选地来自该照相机的数据用作评估单元的输入和/或火焰存在和/或它的轮廓和/或它的位置的信息。

在照相机存在的该情况下，优选地辐射采集和传送元件包括用于采集火焰辐射的前端光学系统，用于传送采集的火焰辐射的传送元件(优选地高温纤维束)，以及将辐射分裂以在一个方面引导到照相机并且在另一个方面到火焰传感元件的分束器。如此相同的前端光学系统和传送元件可以用于为火焰传感元件以及照相机服务从而简化设置。

本发明此外涉及用于使用如上文描述的火焰扫描装置确定火焰特性的方法。在该情况下优选地火焰传感元件包括第一组中的至少两个、优选地至少三个检测器，其的中心检测波长在300nm-700nm的范围中，以及第二组中的至少两个、优选地三个检测器，其的中心检测波长在红外范围中，优选地在800nm-1000nm的近红外范围中，并且其中取决于从第一组和/或第二组接收的信号，确定火焰温度和/或燃料类型和/或火焰稳定性和/或火焰脉动和/或燃料/空气混合比和/或火焰存在和/或火焰质量和/或火焰类型和/或火焰化学计量。具体地，提出的装置允许检测并且区别气体燃料、油和/或煤炭。此外，特别如果存在附加照相机，它允许确定火焰的温度和/或化学计量以及火焰的存在和形状。

根据提出的方法的第一优选实施例，第二组检测器的信号用于基于理论计算的普朗克辐射(最后进行校正煤烟发射率和/或仪器系数校正)确定火焰温度，并且其中优选地相应检测到的背景辐射用作对第一组检测器的信号评估的背景影响的补偿。在详细说明中给出用于基于在各个频率测量的红外和/或近红外检测器的温度评估的相应可能的通用公式。

优选地，在该提出的方法中火焰化学计量由第一组检测器的信号确定，这些信号最后基于如在上文的段落中详细描述的第二组检测器的信号而进行背景校正，其中优选地例如使用小波算法。

本发明此外涉及如上文详细描述的火焰扫描装置的使用，用于火焰中的燃烧过程的控制，优选地用于控制燃烧参数，其优选地从下列组中选择：燃料进给率、燃料类型、燃料混合物、燃烧空气进给率、燃烧室压力和/或燃烧产物的后处理。

本发明的另外实施例在从属权利要求中概述。

附图说明

本发明的优选实施例在附图中示出，其中：

图1a)示出在200nm-540nm的波长范围中的包括二极管观察窗口的气体燃料燃烧情况的自然化学发光光谱；b)示出在250nm-500nm的波长范围中的包括对应火焰温度的理论普朗克辐射曲线的扩散火焰的煤炭和/或油化学发光光谱；c)示出在近红外范围中的用于温度确定即用于背景校正或火焰类型检测的示意设置；d)示出指示如在c)中指示的两个测量波长的给定温度的理论计算普朗克辐射；以及e)示出两个选择的观察值的煤烟发射率与波长关系；

图2a)示出在红外范围中的用于温度确定即用于背景校正或火焰类型检测的示意设置；b)示出在红外范围中的二氧化碳、一氧化碳和水的吸收光谱；以及c)示出二氧化碳强度的积分和水强度的积分的比率和个体值，其中在x轴上给出采用开尔文的绝热温度，在左侧指示水或二氧化碳的积分并且在右侧示出它们的比率；

图3示出根据本发明的火焰扫描器的设置的示意图；以及

图4示出光学锥的出射区的示意图，其包括沿光束的横截方向的强度分布并且包括关于用于检测的二极管阵列的细节。

具体实施方式

在像煤炭、油、气体或合成气体等有机燃料的燃烧过程中；某些物种在放热区一直存在：更强烈地辐射的是OH^*、CH^*、CN^*、C₂ ^*分子。这些分子可以发现处于激发态并且它们在火焰区内采用不同的方式作用(自发发射、猝熄(quenching)等)。

气体燃料的扩散火焰(λ＝1)的对应自然化学发光光谱在图1a中给出。对于CH^*(大致上在430nm)和OH^*(大致上在310nm)存在强个体信号。CN^*和C₂ ^*的另外的转变也可以看见。

对于煤炭和油燃烧观察到不同的火焰特性，并且对于扩散火焰观察到对应化学发光光谱。这在图1b中图示，其中带发射信号用标号30指示。个体物种的信号被背景辐射强烈遮掩。用标号36指示的普朗克辐射的对应分布随递增的波长增加，并且该分布取决于如由标号31指示的几个值的火焰温度。

火焰扫描器中的大多数使用该自发发射用于在UV中表征火焰。该方式的缺点是由于燃烧室的粒子(例如煤烟颗粒，在图1e中图示理论计算并且用标号34指示的它们的对应分布)或壁辐射而难以从像普朗克的所有其他辐射中提取该信号。

图1d)图示一个给定温度的理论普朗克强度分布36。示出以两个不同波长λ₁和λ₂的测量，它应该允许反算对应温度。

对于近红外检测的情况，这在图1c中示意地图示。测量火焰7的辐射，通过透射光学系统35传送对应的强度，并且将它引导和/或分裂到具有个体检测波长的两个检测器(CCD或单检测器)33，，以及计算在给定波长λ₁或λ₂的对应强度，这是可能的。

为了计算对应温度，可以使用下列公式：

$T=\frac{C_2(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2})}{\ln \frac{I_{1{\mathrm{\λ}}_1}}{I_{2{\mathrm{\λ}}_2}}+\ln \frac{S_{{\mathrm{\λ}}_2}}{S_{{\mathrm{\λ}}_4}}+\ln {\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_2}\right)}^5}$

其中T是温度，C₂是第二辐射常数，λ₁和λ₂是检测器的中心频率，I_1λ1和I_2λ2是对应强度，S_λ1和S_λ2是校正系数，其可以例如在理论上计算。如果使用三个检测器，该公式可以对可能的强度/检测器值对评估三次从而增加对应的温度评估的可靠性。

火焰温度计算的另一个可能性是使用物种在红外范围中对较长波长的吸收。该方式要求如在图2a中示出的设置，其中由于较长波长，对于强度检测，特定的检测器(InGaAs型)41是必须的。

在该情况下无源测量(即没有来自装置的额外辐射，物种的激发由火焰自身的辐射提供)在吸收光谱中完成，如在图2b中以两个频率λ₁和λ₂示意图示的，其仍然在石英材料的光谱截止点(spectralcut-off)的左侧上，从而仍然允许常规的光学系统。使用该方式，温度可以使用简化公式计算

$T=\mathrm{\α}\frac{I_{1{\mathrm{\λ}}_1}}{I_{2{\mathrm{\λ}}_2}}$

其中α＝比例常数。然而，与第一个公式相比，存在更复杂的检测器对于该测量是必须的这个缺点。使用该类型的测量，对应温度可以基于如在图2c中图示的函数关系评估。

如果在该情况下积分H₂O强度37在一个检测器中测量，并且积分CO₂强度38在第二个检测器中测量，并且如果这些积分强度的比率39通过简单的关系(例如商)取得，温度可以直接并且明确地计算。这用于扩散火焰(用箭头40指示)的情况以及用于基本上所有其他化学计量状况。

提出的用于测量火焰的装置在图3中示意地图示。火焰7发射辐射。用于俘获该辐射的前端光学元件1提供为该装置的前端元件。典型地，光学系统1对准火焰的放热区。该辐射随后通过高温纤维束2传送远离热火焰区。该高温纤维束可以例如由几万根纤维构成。该高温纤维束的长度在1m-5m的范围中。将辐射束分裂成两束的分束器3位于该纤维束的出射侧。

这些束中之一引导到照相机5。该照相机优选是高动态CMOS照相机，例如如同可从瑞士Photonfocus AG获得的LinLog型的。为了将分束器3的输出聚焦到照相机5，梯度折射率(GRIN)透镜4放置在照相机5的前面。照相机5的输出用作到评估单元6的输入，该评估单元6典型地包括数字信号处理元件、帧接收器元件、USB等。照相机5的输出主要用于火焰存在检测、火焰脉动检测和/或火焰形状检测。

来自分束器3的其他束引导到实际火焰传感元件，其在该情况下是单行二极管，例如二极管阵列9。一行检测器9的使用简化设置，但在另一方面引发以下问题：在中心位置周围展现明显最大值的光束将仅在检测器9的中心区域中输送高强度。为了缓解该窄光分布的问题，提出使用锥形元件8。该锥形元件8是光传导元件，其使分布变平为大约2-10倍，优选地5倍，产生如在图3的顶部小图中图示的分布10。该锥形元件8是透明块，即对于将传送的辐射透明，并且在图3和4中它采用顶视图图示。该锥形元件8的顶和底面彼此平行(然而它们也可成锥形)，而两个侧面25朝向检测器侧打开。圆锥形状(concial shape)将也是可能的。

对于锥形元件的30mm的1mm的总长度，它在入射侧具有2mm的横截总宽度w_i。并且它的总宽度在出射处是w_e＝12.8mm。典型地，该锥形元件8的张开角在±10°的范围中(即总开口角在20°的范围中)。侧面25是抛光面，并且由于辐射在锥形元件8内在侧面25上的反射(全内反射)，强度分布增宽，从而导致在检测器9中的行的外侧的更高强度。

将在下文在图4的上下文中更详细图示和论述的检测器9的输出引导到评估单元6。检测器9的输出基本上用于温度检测、化学计量检测、个体自由基的存在、背景校正计算、燃料类型检测等。

在图4中更详细图示锥形元件8的顶部以及检测器9。如示出的，辐射在锥形元件8的输出侧具有分布10。根据本发明的方面，在单行9内的个体检测器现在沿行布置，其取决于在对应检测器的光谱范围中的预期强度。

检测器11-13中的每个的光谱范围通过干扰滤光片19分别调节，干扰滤光片19位于检测器的前面。这些干扰滤光片19中的每个仅允许特定辐射频率带通过并且冲击到实际检测器上。担当该实际检测器的光电二极管因此可以所有具有相同类型，它们的频率选择性地通过干扰滤光片19调节。

在强度方面最不成问题的信号是在近红外范围中的信号。因此，对应检测器11-13位于靠近检测器9的行的边缘的最外面的位置。测量三个不同的频率，即以850nm、900nm和950nm分别作为中心频率。每个观察窗口具有相当窄、优选地大约15nm的宽度。在该图中图示的具体提出的设置使用上文温度确定的第一个可能性，其使用上文的第一个公式。然而用InGaAs检测器交换这些检测器以便允许在该检测范围中高温测量或使用上文的第二个方法和第二个公式用于温度评估，这也是可能的。

较低波长检测器14-18位于在这些近红外检测器之间。具体地布置五个检测器14-18，其中检测器16和17位于检测器的中心区中，因为冲击强度在中心附近是最高的，检测器16和17分别以315nm(在图1a中图示的具有标号22的窗口)和386nm(在图1a中图示的具有标号23的窗口)为中心，它们被调整成用于OH^*和CN^*的检测，在该情况下预期到总体最低强度。

离中心稍微更多偏移的地方布置有以438nm为中心的用于CH^*检测的传感器15(在图1a中图示的具有标号21的窗口)，并且另一侧布置有以470nm的频率用于C₂物种的转变Δυ＝-1的检测的另外的传感器18(在图1a中图示的具有标号24的窗口)。更进一步朝边缘区域，布置有以514nm的频率用于C₂物种的第二转变Δυ＝0的第二传感器14(在图1a中图示的具有标号20的窗口)。在火焰中存在的物种的其他转变也可以使用。

典型地传感器单元中的每个在横截方向上具有大约1mm-2mm、优选地大约1.5mm的宽度b。高度(垂直于在图4中纸面)典型地在2mm的范围中。

总的来说，我们提出用借助于干扰滤光片覆盖不同波长区域并且检测这些物种的发射的二极管阵列(8或16个二极管)测量。另外，可以检测到在NIR中的3个窄区，其在煤烟发射的情况下将帮助通过使用3色高温测量确定火焰温度(上文的第一个公式，对波长对重复应用)。该温度帮助计算在感兴趣的波长范围上的普朗克辐射并且允许从不同物种的发射的辐射扣除该背景信号。物种辐射和普朗克辐射两者允许确定像油、气体或煤炭的燃料类型；在气体燃料的情况下，不预期普朗克辐射，而在燃油的情况下少许普朗克辐射将加入物种的辐射，并且最后在煤炭的情况下仅发射普朗克辐射或仅普朗克辐射是可检测到的。

在气体和油燃料的情况下，火焰的温度由OH^*/CH^*、OH^*/C₂ ^*和C₂ ^*/CH^*比率确定，在煤炭燃料的情况下温度从3色高温测量导出。所有二极管具有几kHz的带宽，其允许研究火焰的闪烁行为。通过使用小波算法(参见例如US2004/0033457，通过引用结合于此)给出关于火焰化学计量的冗余信息是可能的。

来自光学系统的光平行地分裂在两个路径中，一个覆盖提及的二极管阵列并且另一个聚焦在CMOS照相机上。可见光的图像提供火焰存在和它的轮廓以及最后它的位置(取决于扫描器的视角)的信息。

如上文描述的并且如在图3和4中示出的实施例由物镜1、相干纤维束2、分束器3、在照相机5一侧上的成像光学系统4、5和玻璃锥形物8(其将从第二路径采集的光更加均匀地分布到二极管阵列9上)构成。分布10典型地是高斯分布，并且我们使用不均匀的横向光强度分布10以放置这些滤光片，如在图4中示出的，由于这些滤光片，发射的光预期在阵列的中间或中心位置(其中强度分布10是最大的)中具有低强度(例如UV)。每个二极管耦合于可编程放大器以便检测低水平的强度(例如在气体作为燃料的情况下)并且因此给出更好的信噪比用于各种算法的计算。

部件列表

Claims (14)

1.一种用于监测火焰的火焰扫描装置，其包括：

用于采集火焰辐射并且将它传送到检测元件(5、9)的辐射采集和传送元件(1、2、3、4、8)，

用于辐射的检测和转换成电信号的火焰传感元件(9)，

用于转换所述电信号为火焰参数的评估单元(6)，其中

所述火焰传感元件(9)包括至少两个个体检测器(11-19)，每个具有个体中心检测波长和观察窗口(20-24)的宽度，其中所述个体中心检测波长和所述观察窗口(20-24)的宽度不重叠并且覆盖辐射光谱的个体感兴趣区。

2.如权利要求1所述的火焰扫描装置，其中所述火焰传感元件(9)包括第一组(14-19)的至少两个、优选地至少三个检测器，其中心检测波长在300nm-700nm的范围中，以及第二组(11-13、19)的至少两个、优选地三个检测器，其中心检测波长在红外范围中，优选地在800nm-1000nm的近红外范围中。

3.如权利要求2所述的火焰扫描装置，其中所述检测器(11-19)具有在10nm-30nm范围中、优选地在15nm-30nm范围中的观察窗口(20-24)的宽度，其中优选地这些个体观察窗口(20-24)通过在所述检测器(11-18)前面的干扰滤光片(19)来提供，其中所述检测器(11-18)优选地是光电二极管。

4.如权利要求2或3所述的火焰扫描装置，其中所述第一组(14-19)的检测器具有适合从OH、CH、C₂、CN的组中、优选地至少OH和CH的组中选择的自由基物种的化学发光的峰值的中心检测波长。

5.如权利要求4所述的火焰扫描装置，其中所述第一组(14-19)的检测器的个体中心检测波长选择成位于下列个体范围中的至少一个内：300nm-325nm；375nm-400nm；420nm-450nm；460nm-480nm；500nm-530nm。

6.如权利要求2-5中任一项所述的火焰扫描装置，其中所述第一组(14-19)和所述第二组(11-13、19)的检测器设置在基本上设置为横截于冲击辐射的方向的行中，并且其中所述第一组(14-19)的所有检测器位于所述行的中心部分，并且所述第二组(11-13、19)的检测器都位于所述行的一个侧外部位置或在其两个侧外部位置。

7.特别地如权利要求2-6中任一项所述的火焰扫描装置，其中第一组(14-19)和第二组(11-13、19)的检测器设置在基本上设置为横截于冲击辐射的方向的行中，并且其中辐射采集和传送元件(1、2、3、4、8)包括用于采集优选地从所述火焰的放热区采集的火焰辐射的前端光学系统(1)，用于传送所述采集的火焰辐射的传送元件，优选地为高温纤维束(2)，以及用于将所传送的火焰辐射引导到所述火焰传感元件(9)的该行检测器上并且用于增宽冲击辐射的横向强度分布的锥形元件(8)。

8.如权利要求7所述的火焰扫描装置，其中所述锥形元件(8)包括透明块，其具有基本上平行的上和下边界面、具有正交于辐射的主方向的基本上平行的入射和出射面，以及具有发散性的优选地正交于上和下边界面的抛光侧面，该入射面直接或间接附着到传送元件，该出射面直接或间接附着到火焰传感元件(9)，其中被所述侧面包围的朝向所述火焰传感元件(9)的张开角在±1°至±25°、优选地±5°至±20°、最优选地±8°至±15°的范围中。

9.如权利要求1-8中任一项所述的火焰扫描装置，其中所述装置进一步包括照相机(5)，优选地是高动态CMOS照相机，用于拍摄所述火焰的时间分辨图像画面，其中优选地在所述照相机(5)前面布置有梯度折射率透镜(4)，并且其中优选地来自所述照相机(5)的数据用作所述评估单元(6)的输入和/或所述火焰的存在和/或它的轮廓和/或它的位置的信息。

10.如权利要求9所述的火焰扫描装置，其中所述辐射采集和传送元件(1、2、3、4、8)包括用于采集所述火焰辐射的前端光学系统(1)，用于传送所述采集的火焰辐射的传送元件，优选地是高温纤维束(2)，以及将所述辐射分裂以在将它引导到所述照相机(5)上以及到所述火焰传感元件(9)上的分束器(3)。

11.一种用于使用如权利要求1-10中任一项所述的火焰扫描装置确定火焰的性质的方法，其中优选地所述火焰传感元件(9)包括第一组(14-19)的至少两个、优选地至少三个检测器，其中心检测波长在300nm-700nm的范围中，以及第二组(11-13、19)的至少两个、优选地三个检测器，其中心检测波长在红外范围中，优选地在800nm-1000nm的近红外范围中，并且其中取决于从第一组和/或第二组接收的信号，确定火焰温度和/或燃料类型和/或火焰稳定性和/或火焰脉动和/或燃料/空气混合比和/或火焰存在和/或火焰质量和/或火焰类型和/或火焰化学计量。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述第二组检测器的信号用于基于最后进行煤烟发射率和/或仪器系数校正的理论计算的普朗克辐射确定所述火焰温度，并且其中优选地相应检测到的背景辐射用作对所述第一组检测器的信号评估的背景影响的补偿。

13.如权利要求11或12所述的方法，其中所述火焰化学计量由所述第一组检测器的信号确定，所述信号最后基于所述第二组检测器的信号而进行背景校正，其中优选地使用小波算法。

14.如权利要求1-10中任一项所述的火焰扫描装置的用途，其用于燃烧过程的控制，优选地用于控制燃烧参数，这些燃烧参数优选地从下列构成的组中选择：燃料进给率、燃料类型、燃料混合物、燃烧空气进给率、燃烧室压力和燃烧产物的后处理。

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