CN104823041A - 包括光传感器的空燃比测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包括光传感器的空燃比测量系统，其只感应在通过从燃烧器中提供的火焰来燃烧燃烧器内部的燃料的过程中所产生的紫外线波长区域，然后通过分析及运算过程维持优化的空燃比。

Description

包括光传感器的空燃比测量系统
技术领域
本发明涉及一种测量系统，更加详细地涉及一种包括光传感器的空燃比测量系统，其只感应在通过从燃烧器中提供的火焰来燃烧燃烧器内部的燃料的过程中所产生的紫外线波长区域，然后通过分析及运算过程维持优化的空燃比。
背景技术
在一般的燃烧系统中，火焰部的空燃比是与燃料的消耗及能量效率直接相关的参数，然而很难对此进行测量。大部分的大型燃烧系统通过在排气端测量氧气的浓度来推测火焰部的空燃比，在某些情况下，一些发动机的预混合燃烧器测量通过对火焰的化学发光的光反射进行光测量来判定空燃比。
例如，在光学检波器的前面设置波长滤波器的方法，基本上用于识别OH、CH、C2、CO2等的特定的激发状态的各个化学物质的总的光反射的部分贡献率。
根据此，将一个以上的此类的化学物质的信号比，可通过如空燃比或者发热率、气体温度等的各种燃烧器参数与现有方式相联系。
即，由于与上述相关的测量技术使用简单的光传感器和照相装置，因此对于空间分解性能，在燃烧流动复杂的情况下，存在随着使其具有三维的空间分解性能，难以优化系统性能的问题。
因而，如上所述，改善燃烧进程的控制以及优化系统性能，在所属领域中是很重要的，从而目前需要一种用于优化空燃比的燃烧器内部的测量方法。
专利文献1：JP2010-101615A
发明内容
(一)要解决的技术问题
用于解决上述问题的本发明的目的是提供一种包括光传感器的空燃比测量系统，其只感应在通过从燃烧器中提供的火焰来燃烧燃烧器内部的燃料的过程中所产生的紫外线波长区域，然后通过分析及运算过程维持优化的空燃比。
并且，本发明的目的是提供一种包括光传感器的空燃比测量系统，其只感应紫外线波长区域中对应于250～600nm的波长区域，并区分实际的火焰和噪声，从而能够正确地认知燃烧室内部的状态。
并且，本发明的目的是提供一种包括光传感器的空燃比测量系统，其根据通过光传感器所感应的光信号进行分析及运算之后控制空气控制装置，从而调节用于优化空燃比的空气的量。
(二)技术方案
为了解决上述问题的本发明的包括光传感器的空燃比测量系统，其特征在于，包括：燃烧室，燃料被供给到所述燃烧室；燃烧器，与所述燃烧室连通并提供火焰；光传感器，其接收所述燃料通过所述火焰来进行燃烧时产生的光信号后产生电信号；燃料测量传感器，其测量向所述燃烧器供给的燃料量；分析模块，与所述光传感器电连接，并将所述电信号转换成可分析的形式的转换信号；以及运算模块，分析从所述分析模块接收的所述转换信号及从所述燃料测量传感器接收的燃料测量信号，并计算空燃比和热负荷。
优选地，其特征在于，所述光传感器为光电二极管(Photodiode,PD)或者光电倍增管(photomultiplier tube,PMT)，且光信号的波长区域为250～600nm的紫外线波长区域。
优选地，其特征在于，所述空燃比测量系统还包括空气控制装置，其连接到所述运算模块并控制向所述燃烧器供给的空气的量。
优选地，其特征在于，所述运算模块基于所述计算出的空燃比调节所述空气控制装置，来控制向所述燃烧器供给的空气的量，从而维持优化的空燃比区域。
优选地，其特征在于，所述运算模块包括：解析装置，其接收所述转换信号和所述燃料测量信号并进行分析；以及控制器，其基于所述解析装置中分析的数据控制从所述空气控制装置供给的所述空气的量。
(三)有益效果
如上所述的本发明，其只感应在通过从燃烧器中提供的火焰来燃烧燃烧器内部的燃料的过程中所产生的紫外线波长区域，然后通过分析及运算过程能够维持优化的空燃比。
进一步，本发明具有以下效果，由于本发明只感应紫外线波长区域中对应于250～600nm的波长区域，并区分实际的火焰和噪声，从而正确地认知燃烧室内部的状态，因此与接收可见光或者红外线波长区域时相比，噪声造成的影响小。
并且，本发明具有以下效果，本发明根据通过光传感器所感应的光信号进行分析及运算之后，为了调节用于优化的空燃比的空气的量而控制空气控制装置，从而维持优化的空燃比。
附图说明
图1是表示本发明的一实施例的包括光传感器的空燃比测量系统的概略图，
图2是表示图1的组件之间的机制的概略图，
图3是表示根据用于选定特定波长(250-600nm)区域的波长的灵敏度的过剩空气比的图表，
图4是表示用于测量及计算空燃比的波长的对数光谱的响应变化的图表，
图5(a)是表示燃烧后排放气体中的氧气浓度(O2)的光电二极管信号的变化的图表，
图5(b)是线性拟合(linear fit)图5(a)的图表，
图6是表示用于测量及计算空燃比的压力的燃料量(热负荷)的图表，
图7是表示基于燃烧室壁温度的光电二极管的灵敏度变化的图表，
图8(a)是表示基于过剩空气比的光电二极的管输出信号(mV)的变化的图表，
图8(b)是线性拟合图9(b)的图表。
具体实施方式
组成本发明的包括光传感器的空燃比测量系统的组件，可根据需要作为一个整体使用或者各自分开使用。并且，根据使用形态在使用时可以省略一些组件。
参照图1至图8说明本发明的包括光传感器的空燃比测量系统100的优选实施例。在此过程中，为了使说明更加清楚以及方便，可将附图中示出的线的厚度或者组件的大小等进行放大。并且，后述的术语是考虑本发明中的功能而定义的术语，其能够根据用户、操作者的意图或者惯例而变化。因此对这些术语的定义应当以本说明书整体内容为基础来进行记述。
下面，参照图1至图2说明本发明的一实施例的包括光传感器的空燃比测量系统100。
本发明的一实施例的包括光传感器的空燃比测量系统100，包括：燃烧室110，燃料被供给；燃烧器120，向燃烧室110提供火焰；光传感器130，其插入到燃烧室110，并接收燃料通过火焰来进行燃烧时产生的光信号后产生电信号；燃料测量传感器140，其测量向燃烧器120供给的燃料量；空气控制装置150，其与燃烧器120相对配置，并控制向燃烧器120供给的空气的量；分析模块160，与光传感器130电连接，并将电信号转换成可分析的形式的转换信号；以及运算模块170，分析从分析模块160接收的转换信号及从燃料测量传感器140接收的燃料测量信号，并计算空燃比和热负荷
燃烧室110是燃料被供给并燃烧的地方，具有中空形状，并且这种燃烧室110属于公知技术，因此省略具体的说明。
燃烧器120配置成与燃烧室110连通。此时，火焰的强度可以调节，且这种燃烧器120起到提供用于燃烧燃烧室110内部的燃料的火焰的作用。
光传感器130将应用光电二极管131或者光电倍增管132中的其中一种。
在光电二极管131中，当光接触二极管时，产生电子与正电荷空穴而流通电流，并且电压大小几乎与光的强度成正比。像这样，作为光电效应的结果，在半导体的接合部产生电压的现象称为光伏效应。
这种光电二极管131具有响应速度快，灵敏度波长宽，且光电流的前进性良好的特点。主要使用在CD播放器或者火警报警器、电视的遥控器接收部之类的电子产品原件中，有时为了正确地测量光的强度而也会利用这种光电二极管。
光电倍增管132一般由光电阴极(Photocathode)、倍增电极、阳极构成。光电阴极通过光电效应接收一定频率以上的光时发射电子。这些电子经过倍增电极并被放大，到达阴极时形成能够由外围设备读出的程度的电流信号。由于信号不经过外围设备而直接被放大，因此广泛使用于感应非常弱的光信号的情况。一般光电效应是在可见光以上的频率上产生，因此无法适用于所述频率以下的光。
闪烁器(Scintillator)是使用光电倍增管测量高能量的光，即为了测量X射线或者伽马射线而使用的检测器的一种，与光电倍增管是不同的概念。但是，在测量X射线或者伽马射线的情况下，将闪烁器附着在光电倍增管来使用。通过此高能量的光子与闪烁器反应并变成可见光区域的光子束，且光电倍增管将测量这些光子束。这种方式的光子能量的测量广泛地使用在粒子物理学试验中。
所述的光电二极管131或者光电倍增管132在火焰的光的波长中只接收250～600nm的紫外线波长区域的光信号并应用。其理由为，对于红外线的波长的光信号的情况，有可能燃烧室110的壁面等被加热而产生，由于难以区分实际的火焰信号和周围噪声，因此其构成精密度下降的原因。
另一方面，对于可见光的波长的光信号的情况，由于同样存在通过一般的自然光或者其他的人工光产生很多噪声的危险，因此只是选择性地接收并使用紫外线波长区域，对于获取与实际的火焰提供的光信号类似的信号来说是有利的。
即，本发明的光电二极管131或者光电倍增管132，由于只感应对应于紫外线波长区域的光信号来最小化噪声的危险，因此能够感应与实际的火焰最类似的光信号。
燃料测量传感器140测量向燃烧器120供给的燃料量。当然，这种燃料测量传感器140只要是能够进行压力式或者热式等的流量测量的传感器就不受限制。
空气控制装置150是控制向燃烧器120供给的空气的量的装置，其可通过阀门或者闸门形态来调节向燃烧器120的空气供给量。
分析模块160与光传感器130电连接，并起到将所述电信号转换成可分析的形式的转换信号的作用，这种分析模块160能够使用信号变换器(signal converter)或者放大器(Amplifier).
在本发明中，虽然可应用所有信号变换器或者放大器，或者应用其中的一种，但是根据需要能够将信号变换器和放大器全部省略。
运算模块170基于所计算出的空燃比调节空气控制装置150，来控制向燃烧器120供给的空气的量，从而维持优化的空燃比区域，这种运算模块170能够包括：解析装置(Analyzer)，其接收转换信号和燃料测量信号并进行分析；以及控制器(Controller)，其基于从解析装置中分析的数据来控制从空气控制装置150供给的空气的量。
下面，参照图3至图8说明应用于本发明的包括光传感器的空燃比测量系统的测量波长区域的选定、空燃比测量、计算方法以及基于温度的各个波长的光电二极管的信号测量值。
首先，所选定的测量波长区域250～600nm是火焰中产生的主要的自由基(OH/CH/C2)等放射光的区域，像这样不是指定特定的一个波长点，而是指定一个区域的理由如下。
第一，如图3所示，不管是对一个波长值进行积分，还是对一定区域的波长值进行积分，都能够导出与空燃比成反比的特性。
第二，如大部分的低价光电二极管等经济适用的光电二级管传感器在特定的区域内接收信号并将其所有的值显示为电信号，因此如果只选择一个波长点，反而需要更多的具有过滤功能的光学装置。
第三，600nm以上的波长区域是可见光、红外线等的形态，由于燃烧系统的壁面或者燃烧器末端等被加热而产生的光为可见光或者红外线，因此在纯火焰信号中这些信号可能作为噪声被传递至传感器(PD、PMT)。
关于上述内容，如图7所示，基于温度的各波长的光电二极管(Photo Diode)信号测量值为使用对象中心波长不同的三种光电二极管测量信号值的结果，将在产生火焰之后燃烧炉内部的壁面温度上升的过程中所测量的各个光电二极管的信号值以图表来表示。
如图7所示，能够确认紫外线区域(290nm)的光电二极管信号与壁面的温度无关保持一定的值，而其他的波长区域的(760nm、920nm)光电二极管信号，根据壁面的温度而变化。
这表示，由于从壁面发射的光属于760nm、920nm的波长区域，因此难以区分只从火焰产生的760nm、920nm的波长区域的信号强度。
结果，若使用760nm、920nm的波长区域，则根据在壁面中随着温度的上升而放射的辐射效应产生噪声。
第四，为了导出用于在多个热负荷下的，而不是在一个热负荷下的空燃比分析的数学式，需要在各个热负荷下的‘PD信号VS空燃比’关系图表的倾斜度一定，而在250～650nm以上的波长中存在难以确保倾斜度一定的问题。
关于此，图5中示出光电二极管传感器信号与空燃比的关系。
即，由于根据各个热负荷的空燃比的变化量倾斜度相似，因此即使以相同的倾斜度进行线性拟合，其误差也小，因此与热负荷无关地，可以导出求出空燃比的空燃比式子。
另一方面，图8(a)以及图8(b)是分别利用主要反映波长区域为650～700nm、900nm～1000nm的光电二极管传感器来测量的结果，根据热负荷变动的‘光电二极管信号VS空燃比’的倾斜度相异，且若以相同的倾斜度进行线性拟合，则误差会很大，结果，难以导出空燃比式子。
另一方面，空燃比测量/计算方法如下。
首先，选定要使用的光电二极管传感器，如图4所示，优选地，主要选定反应于230～335nm波长区域的光的光电二极管。
其次，构建用于传感器应用的数据库，测量燃料空燃比以及各热负荷的信号。
其次，因各负荷的‘空燃比VS光电二极管信号值’的倾斜度相似，因此将这些用平均倾斜度来实施线性拟合。
其次，利用燃料供给部的压力传感器，通过试验来测量压力与燃料量(热负荷)的关系，并将其结果构建成数据库。
其次，利用图5(a)和图5(b)的数据库导出如下的空燃比式子即[数学式1]，其中所述空燃比式子以求出排放气体中O2的方式导出，而且，还可以变换成空燃比。并且，所述式子的系数能够根据传感器的位置或者燃烧器的种类而变化。
数学式1
排放气体中氧气浓度(O2)＝9.615384615×光电二极管信号×-7.9409435052E-3×P2-12.60726623
最后利用上面的数学式，若已知紫外线传感器(这里使用光电二极管传感器)和燃料生产线的压力传感器的值，则能够求出空燃比，为了所需的空燃比，可以进行燃料生产线的压力调节等燃烧系统的控制。
以上参照本发明的优选实施例进行了说明，但本发明所属技术领域的技术人员能够理解，在不超出权利要求书中记载的本发明的思想以及领域的范围内，可以对本发明进行各种修改以及变更。

Claims (6)

1.一种空燃比测量系统，其特征在于，包括：
燃烧室，燃料被供给到所述燃烧室；
燃烧器，与所述燃烧室连通并提供火焰；
光传感器，其接收所述燃料通过所述火焰来进行燃烧时产生的光信号后产生电信号；
燃料测量传感器，其测量向所述燃烧器供给的燃料量；
分析模块，与所述光传感器电连接，并将所述电信号转换成可分析的形式的转换信号；以及
运算模块，分析从所述分析模块接收的所述转换信号及从所述燃料测量传感器接收的燃料测量信号，并计算空燃比和热负荷。
2.根据权利要求1所述的空燃比测量系统，其特征在于，所述光信号的波长区域为250～600nm的紫外线波长区域。
3.根据权利要求1所述的空燃比测量系统，其特征在于，所述空燃比测量系统还包括空气控制装置，其连接到所述运算模块并控制向所述燃烧器供给的空气的量。
4.根据权利要求3所述的空燃比测量系统，其特征在于，所述运算模块基于所述计算出的空燃比调节所述空气控制装置，来控制向所述燃烧器供给的空气的量，从而维持优化的空燃比区域。
5.根据权利要求1所述的空燃比测量系统，其特征在于，所述运算模块包括：
解析装置，其接收所述转换信号和所述燃料测量信号并进行分析；以及
控制器，其基于从所述解析装置中分析的数据控制从所述空气控制装置供给的所述空气的量。
6.根据权利要求1所述的空燃比测量系统，其特征在于，所述光传感器为光电二极管或者光电倍增管。
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