CN112729120A - 一种用于恶劣环境水冷壁结焦检测的探针和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于恶劣环境水冷壁结焦检测的探针：依次布置的激光发生单元、导光臂组件、光路系统和旋转探头，激光器与光路系统之间布置有传感器阵列；激光发生单元产生的激光由导光臂组件引入光路系统经分束为入射光和参考光；入射光抵达旋转探头后变成发散光束，照射到水冷壁上散射形成物光；旋转探头捕获物光后在传感器阵列形成物光光场；参考光经光路系统在传感器阵列处形成参考光光场，发生干涉产生全息干涉；图案信号接收处理单元，采集全息干涉图案，获得被测水冷壁区域结焦位置及厚度信息。本发明还公开了采用上述探针用于恶劣环境水冷壁结焦检测的方法。该探针及方法可以实现恶劣环境下水冷壁结焦位置及严重程度的快速准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种恶劣环境水冷壁检测诊断技术，具体涉及一种用于恶劣环境水冷壁结焦检测的探针和方法。
背景技术
燃煤工业锅炉炉内同时进行着燃料燃烧和放出热量、高温火焰对四周壁面的传热、烟气沿炉内的流动和飞灰在壁上的沉积等过程。燃料在炉内燃烧时，放出大量热量，把燃烧产物(烟气)加热到很高温度，在火焰中心区，温度高达1500℃～1600℃。水冷壁由置于炉膛四周内壁，紧贴着炉墙连续排列，作为蒸发受热面吸收炉内高温火焰的热量。燃烧烟气在炉膛内上升、伴随着灰分颗粒流动，结合燃烧扰动形成复杂的空气动力场。因此，水冷壁所处的恶劣环境给水冷壁检测带来了不少困难。
燃煤锅炉炉膛水冷壁结焦是影响锅炉燃烧过程的重要问题之一，它会破坏正常燃烧工况，减少锅炉出力，破坏正常水循环，造成爆管事故，严重时还会使炉膛出口堵塞而被停炉。为了有效缓解锅炉的结焦情况，一方面可以掌握燃煤品质和特性，做好媒质分析，改善原料的结焦特性，另一方面可通过燃烧调整优化、风量调整及吹灰设备的良好投入等减缓锅炉结焦。然而要想进行针对性地优化，则必须先了解实际运行中锅炉水冷壁结焦的位置及程度。目前在锅炉中判断结焦位置只能通过炉膛水冷壁四周的观火孔进行目视观察，或者通过观察炉膛温度、出口烟温和出渣分布等间接因素来大致判断锅炉的结焦程度。缺少一种能够准确判断锅炉恶劣环境水冷壁结焦位置及严重程度的方法和装置。
全息成像技术是一种主动成像技术，通过主动发出特定波长λ的激光作为照射光源，传感器可以通过滤光片等光学元件选择性地采集波长λ的信号光，实现背景信号的隔离，所以可以实现对处于火焰等强背景辐射环境下的物体的三维成像。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于恶劣环境水冷壁结焦检测的探针和方法，可以实现恶劣环境下水冷壁结焦位置及严重程度的快速准确测量。
为解决技术问题，本发明提供的如下技术方案：
一种用于恶劣环境水冷壁结焦检测的探针，所述探针包括：依次布置的激光发生单元、导光臂组件、光路系统和旋转探头，所述激光器与光路系统之间布置有传感器阵列；
所述激光发生单元产生的激光由导光臂组件引入光路系统经分束为入射光和参考光；
所述入射光抵达旋转探头后经过光学透镜后变成发散光束，照射到水冷壁上，水冷壁壁面散射入射光形成物光；物光由旋转探头所捕获后通过光路系统在传感器阵列形成物光光场；
参考光经光路系统在传感器阵列处形成与物光强度相当的参考光光场，物光光场与参考光光场发生干涉产生全息干涉图案；
所述探针还包括信号接收处理单元，采集全息干涉图案，并通过三维重建算法还原水冷壁表面三维形貌，获得被测水冷壁区域结焦位置及厚度信息。
其中，所述的导光臂组件为多关节旋转，结构灵活度高的高精度导光臂系统，入光端头连接激光器出口，出光端头连接探针光路系统。
所述激光发生单元包括二氧化碳激光器和冷却器；所述二氧化碳激光器产生中红外波长激光束，光束质量M2≤1.2，功率可在2W～100W范围内调节。其中，冷却器，以水为冷却工质，用于冷却激光器，制冷量50W～150W，温控精度±1℃，能保证激光器在正常的温度下运行。
所述光路系统包括分光镜、激光衰减片、聚焦透镜、窄带滤光片和分光薄膜；所述激光发生单元产生的激光由导光臂组件引入光路系统经分束镜分束为入射光和参考光；所述物光由旋转探头所捕获后通过窄带滤光片和分光薄膜在传感器阵列形成物光光场；所述参考光经激光衰减片、聚焦透镜、窄带滤光片和分光薄膜在传感器阵列处形成与物光强度相当的参考光光场。
作为优选的，所述聚焦透镜包括聚焦透镜1和聚焦透镜2，用于扩束。
作为优选的，分光镜直径25.4mm，分光比(穿透：反射)为9：1；聚焦透镜直径25.4mm～101.6mm，焦距25.4mm～254mm；激光衰减片直径25.4mm，激光透过率为0.01％～10％。
本发明中，所述的旋转探头为探针顶端部分，为保证信号光传递精度，采用带反射镜的转向节设计。
所述旋转探头包依次包括连接关节、第一轴承、反射镜1、第二轴承、反射镜2和旋转探头封闭端，所述入射光抵达旋转探头后经过反射镜1和反射镜2后变成发散光束，照射到水冷壁上，水冷壁壁面散射入射光形成物光。优选的，所述旋转探头封闭端采用耐高温玻璃窗口封闭。
作为优选的，反射镜1和反射镜2直径25.4mm～101.6mm，波长10.6μm的光线反射率大于95％；
所述第一轴承和第二轴承处布置有电控驱动系统，用于控制旋转探头轴向和周向的旋转角度。
所述传感器阵列为非晶硅红外微测辐射热计。所述非晶硅红外微测辐射热计的分辨率为640×480，帧率可达50Hz。
所述探针包括围绕光路系统和旋转探头铺设的冷却夹套，所述冷却夹套的冷却剂进出口设于靠近导光臂组件处。
所述冷却夹套为双层冷却结构，外层为冷却剂进口通道，内层为冷却剂出口通道。
所述探针包括中空外壳主体，一端为开口端，另一端安装有旋转探头，所述开口端和旋转探头之间安装有光路系统，所述激光发生单元和导光臂组件设于开口端外部；所述冷却夹套位于中空外壳主体的内壁，所述冷却剂进出口设于开口端附近。
本发明还提供了一种用于恶劣环境水冷壁结焦检测的方法，包括以下步骤：
(1)将探针插入点火孔；
(2)激光发生单元产生中红外波长激光束并经由分光镜分束后产生两束激光，分别是参考光和入射光；
(3)入射光抵达旋转探头，经过旋转探头中的反射镜1和反射镜2后变成发散光束，照射到水冷壁上，水冷壁壁面散射入射光形成物光；物光同样由旋转探头所捕获，依次通过窄带滤光片和分光薄膜后在传感器阵列处形成物光光场；
(4)参考光经过激光衰减片、聚焦透镜、窄带滤光片和分光薄膜后，在传感器阵列处形成与物光强度相当的参考光光场，参考光与物光在传感器阵列处发生干涉，产生干涉条纹；
(5)信号处理系统对记录得到的全息干涉图案进行数字重建，还原水冷壁表面三维形貌，获得被测水冷壁区域结焦位置及厚度信息；
(6)通过电控驱动系统旋转探头的角度，以获取不同角度的观测视场，将所测得的多个视场的水冷壁结焦信息进行图像特征匹配处理，即可得到整个锅炉水冷壁的结焦位置及厚度情况。
所述步骤(2)中，分束镜将中红外激光束分为入射光和参考光，由于入射光需照射炉膛内部，经过长距离的恶劣环境，因此为保证接收到的物光强度满足需要，分光镜分光时，入射光光强应大于参考光。
所述步骤(3)中，信号接收单元布置探针开口端，即锅炉点火孔的外部，从探头接收由被测水冷壁散射的物光。
所述步骤(4)中，全息条纹图案的形成过程为：水冷壁壁面散射入射光形成物光，在传感器阵列处形成物光光场
其中O0(x,y)为物光光场幅值信息，φO(x,y)为相位信息(x，y)是以传感器阵列中心为原点的直角坐标值)；参考光经过衰减片和光学透镜后，在传感器阵列处形成与物光强度相当的参考光光场
其中R0(x,y)为物光光场幅值信息，φR(x,y)为相位信息；由于参考光与物光来源为同一激光源，在满足相干条件下，两光场在传感器阵列处发生干涉，产生干涉条纹
I(x,y)＝(O(x,y)+R(x,y))2
＝|O(x,y)|2+|R(x,y)|2+R*(x,y)O(x,y)+R(x,y)O*(x,y)
R*(x,y)、O*(x,y)分别是参考光和物光的共轭光，通过传感器阵列可以记录I(x,y)。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明能够通过点火孔探入炉膛进行多角度测量，实现恶劣环境下水冷壁结焦位置及严重程度的快速准确测量，为后续机组进行针对性的燃烧调整优化、吹灰设备投入等操作提供重要的参考依据，有助于减缓炉膛水冷壁结焦情况。本发明通过远距离信号传递使激光器和信号接收设备远离测量区域的恶劣环境，保护了关键设备，便于工程应用；针对不同角度的水冷壁结焦测量，可以通过改变激光和透镜参数实现不同火焰环境的穿透。
本发明结合中红外全息成像技术，开发了一种侵入式探针，既能实现炉膛恶劣环境水冷壁结焦位置和严重程度的测量，又能保护主要零件不受高温损伤，适用于工程现场。
附图说明
图1为本发明中探针结构示意图；
图2为本发明光路系统图；
图3为本发明中旋转探头结构示意图；
图4为本发明探针用于水冷壁结焦成像示意图；
其中：1.二氧化碳激光器，2.冷却器，3.导光臂组件，4.非晶硅红外微测辐射热计，5.冷却剂进口，6.冷却剂出口，7.冷却剂进口通道，8.冷却剂出口通道，9.光路系统，10.旋转探头，11.分光镜，12.激光衰减片，13.聚焦透镜1，14.聚焦透镜2，15.分光薄膜，16.窄带滤光片，17.连接关节，18.第一轴承，19.电控驱动器，20.反射镜，21.第二轴承，22耐高温玻璃窗口，23.点火孔，24.粘结的灰焦。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图对本发明技术方案的具体实施方式进行详细描述。
本发明所述用于恶劣环境水冷壁结焦检测的探针，包括二氧化碳激光器1、冷却器2、导光臂组件3、光路系统9和非晶硅红外微测辐射热计4，激光器产生的高能激光由导光臂组件3引入光路系统9；还包括具有开口端和旋转探头10的中空外壳，外壳主体呈长管状，旋转探头由耐高温玻璃窗口22封闭；激光器1、导光臂组件3和非晶硅红外微测辐射热计4均设于开口端，在旋转探头10与外壳开口端之间的空腔内装设光路系统9和电控驱动系统；外壳内壁铺设有冷却夹套，冷却剂进口5和冷却剂出口6设于开口端附近。
光路系统9包括分光镜11，激光衰减片12，聚焦透镜13，聚焦透镜14，分光薄膜15和窄带滤光片16。旋转探头包括连接关节17，第一轴承18，电控驱动器19，反射镜20，第二轴承21和耐高温玻璃窗口22。
实施例1：
由二氧化碳激光器1发出波长10.6μm的激光由导光臂组件3引入至光路系统9中，激光被分光镜11分为两束激光，分别为穿透光与反射光，二者强度比为9：1；穿透光经光路后续光路系统，在旋转探头内部10由反射镜20(反射镜1和反射镜2)精准传递，由旋转探头10照射被测水冷壁，水冷壁壁面散射入射光形成物光，物光同样由旋转探头10所捕获，依次通过窄带滤光片16和分光薄膜15后在传感器阵列处形成物光光场；反射光经过激光衰减片12入射到分光薄膜15，并经分光薄膜15反射，照射在非晶硅红外微测辐射热计4上，形成参考光，在此过程中，反射光经聚焦透镜1 13和聚焦透镜2 14进行扩束；更换不同激光透过率的激光衰减片12，使物光与参考光的光强大致相等，在非晶硅红外微测辐射热计4上形成明显的全息图案；保存全息图案，并通过三维重建算法如菲涅尔积分重建等对全息图进行重建，还原被测水冷壁区域上结焦表面24的三维形貌；通过电控驱动器19实现转动第一轴承18和第二轴承21的转动，调整探头朝向角度，实现不同区域水冷壁结焦情况测量。
探针的使用说明：
首先使冷却剂从冷却剂进口5进入，由冷却剂进口通道7流至冷却剂出口通道9，最后从冷却剂出口6流出，以保护探针设备。将探针置于锅炉燃烧器点火孔中，探针处于炉膛高温等恶劣环境，二氧化碳激光器1、冷却器2、导光臂组件3和非晶硅红外微测辐射热计4按照实际测量要求放置在合适的位置。中红外激光经过光路系统9，由旋转探头10照射被测水冷壁区域，水冷壁表面或结焦表面24散射后形成物光被探头所捕获，由光路系统9传递回来的参考光和信号光在非晶硅红外微测辐射热计4上形成全息条纹图案，输出信号经数据线连接至计算机，经全息重建即可获得被测水冷壁结焦情况。通过电控驱动控制旋转探头10改变测量角度，重复上述测量步骤，得到不同区域水冷壁的结焦情况。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.一种用于恶劣环境水冷壁结焦检测的探针，其特征在于，所述探针包括：依次布置的激光发生单元、导光臂组件、光路系统和旋转探头，所述激光器与光路系统之间布置有传感器阵列；
所述激光发生单元产生的激光由导光臂组件引入光路系统经分束为入射光和参考光；
所述入射光抵达旋转探头后经过光学透镜后变成发散光束，照射到水冷壁上，水冷壁壁面散射入射光形成物光；物光由旋转探头所捕获后通过光路系统在传感器阵列形成物光光场；
参考光经光路系统在传感器阵列处形成与物光强度相当的参考光光场，物光光场与参考光光场发生干涉产生全息干涉图案；
所述探针还包括信号接收处理单元，采集全息干涉图案，并通过三维重建算法还原水冷壁表面三维形貌，获得被测水冷壁区域结焦位置及厚度信息。
2.根据权利要求1所述的用于恶劣环境水冷壁结焦检测的探针，其特征在于，所述激光发生单元包括二氧化碳激光器和冷却器；所述二氧化碳激光器产生中红外波长激光束，光束质量M2≤1.2，功率可在2W～100W范围内调节。
3.根据权利要求1所述的用于恶劣环境水冷壁结焦检测的探针，其特征在于，所述光路系统包括分光镜、激光衰减片、聚焦透镜、窄带滤光片和分光薄膜；所述激光发生单元产生的激光由导光臂组件引入光路系统经分束镜分束为入射光和参考光；所述物光由旋转探头所捕获后通过窄带滤光片和分光薄膜在传感器阵列形成物光光场；所述参考光经激光衰减片、聚焦透镜、窄带滤光片和分光薄膜在传感器阵列处形成与物光强度相当的参考光光场。
4.根据权利要求1所述的用于恶劣环境水冷壁结焦检测的探针，其特征在于，所述旋转探头包依次包括连接关节、第一轴承、反射镜1、第二轴承、反射镜2和旋转探头封闭端，所述入射光抵达旋转探头后经过反射镜1和反射镜2后变成发散光束，照射到水冷壁上，水冷壁壁面散射入射光形成物光。
5.根据权利要求4所述的用于恶劣环境水冷壁结焦检测的探针，其特征在于，所述第一轴承和第二轴承处布置有电控驱动系统，用于控制旋转探头轴向和周向的旋转角度。
6.根据权利要求1所述的用于恶劣环境水冷壁结焦检测的探针，其特征在于，所述传感器阵列为非晶硅红外微测辐射热计。
7.根据权利要求1所述的用于恶劣环境水冷壁结焦检测的探针，其特征在于，所述探针包括围绕光路系统和旋转探头铺设的冷却夹套，所述冷却夹套的冷却剂进出口设于靠近导光臂组件处。
8.根据权利要求7所述的用于恶劣环境水冷壁结焦检测的探针，其特征在于，所述冷却夹套为双层冷却结构，外层为冷却剂进口通道，内层为冷却剂出口通道。
9.根据权利要求8所述的用于恶劣环境水冷壁结焦检测的探针，其特征在于，所述探针包括中空外壳主体，一端为开口端，另一端安装有旋转探头，所述开口端和旋转探头之间安装有光路系统，所述激光发生单元和导光臂组件设于开口端外部；所述冷却夹套位于中空外壳主体的内壁，所述冷却剂进出口设于开口端附近。
10.一种用于恶劣环境水冷壁结焦检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将探针插入点火孔；
(2)激光发生单元产生中红外波长激光束并经由分光镜分束后产生两束激光，分别是参考光和入射光；
(3)入射光抵达旋转探头，经过反射镜1和反射镜2后变成发散光束，照射到水冷壁上，水冷壁壁面散射入射光形成物光；物光同样由旋转探头所捕获，依次通过窄带滤光片和分光薄膜后在传感器阵列处形成物光光场；
(4)参考光经过激光衰减片、聚焦透镜、窄带滤光片和分光薄膜后，在传感器阵列处形成与物光强度相当的参考光光场，参考光与物光在传感器阵列处发生干涉，产生干涉条纹；
(5)信号处理系统对记录得到的全息干涉图案进行数字重建，还原水冷壁表面三维形貌，获得被测水冷壁区域结焦位置及厚度信息；
(6)通过电控驱动系统旋转探头的角度，以获取不同角度的观测视场，将所测得的多个视场的水冷壁结焦信息进行图像特征匹配处理，即可得到整个锅炉水冷壁的结焦位置及厚度情况。
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2021
- 2021-01-20 CN CN202110076701.3A patent/CN112729120A/zh active Pending
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