CN115655474A - 一种穿透火焰检测壁面辐射信息的方法及系统 - Google Patents

一种穿透火焰检测壁面辐射信息的方法及系统 Download PDF

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CN115655474A CN202211282353.6A CN202211282353A CN115655474A CN 115655474 A CN115655474 A CN 115655474A CN 202211282353 A CN202211282353 A CN 202211282353A CN 115655474 A CN115655474 A CN 115655474A
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周广钦
方顺利
杨忠灿
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姚伟
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Abstract

本发明公开一种穿透火焰检测壁面辐射信息的方法及系统,确定辐射波长范围,在辐射波长范围内,建立壁面辐射强度、火焰辐射强度随辐射波长分布的壁面辐射强度检测模型和火焰辐射强度检测模型;获取壁面辐射强度等于火焰辐射强度时的辐射波长λeq,和壁面辐射强度数值最大时的峰值波长λmax;当辐射波长λeq小于峰值波长λmax时,进行壁面辐射信息检测的波长为峰值波长λmax;当辐射波长λeq大于峰值波长λmax时,进行壁面辐射信息检测的波长为辐射波长λeq;根据上述确定的检测波长对壁面辐射信息进行检测;本发明通过准确定量壁面辐射和火焰辐射,找到适合壁面辐射检测的波段区间,可穿透火焰获得壁面辐射信息。

Description

一种穿透火焰检测壁面辐射信息的方法及系统
技术领域
本发明属于燃烧检测技术领域,具体属于一种穿透火焰检测壁面辐射信息的方法及系统。
背景技术
燃烧是指燃料和氧化剂两种组份在空间激烈地发生放热化学反应的过程。燃烧与工业过程密切相关,是人类技术进步的主要推动力,也是重要的基础科学研究对象。燃烧现象是受多种物理和化学因素控制的复杂过程,燃烧学还不是一门理论全面、系统完善的定量科学,发展燃烧测量技术是开展燃烧过程基础研究、开发先进燃烧技术、实现工业燃烧过程有效控制的重要基础。
燃烧可分为有火焰和无火焰的模式,火焰是发生燃烧反应的外部表现。火焰的辐射包括热辐射和化学发光辐射,其中热辐射来自火焰中一些化学性能稳定的燃烧产物的光谱带,如CO2、H2O形成的红外光谱带,CH、OH自由基,烟黑(碳粒子连续光谱)。辐射是电磁波传递能量的现象。从理论上讲,物体热辐射的电磁波长可以包括整个波谱,即波长从零到无穷大。然而,在工业上所遇到的温度范围内,即3000K以下,有实际意义的热辐射波长位于0.38~100μm之间。
基于火焰热辐射的燃烧检测技术被广泛应用,如辐射图像处理方法、红外高温计、光谱仪等,其原理都是利用探测器捕捉炉膛边界处的辐射强度信息,然后经光敏元件转换成与光强度成正比的电荷信息。目前的辐射检测方法主要针对高温火焰对象,一般忽略来自低温壁面的辐射,但在一些特殊的应用场合,如加热炉中的钢坯、管式炉中的炉管和电站锅炉中的水冷壁等,需要对其表面温度进行详细的监测,但这类固体壁面由于温度较低,且被火焰覆盖,其辐射能量信息远小于火焰辐射而无法被探测器识别,极大制约了对这类固体壁面的观察、测量和温度控制。
如图1所示,根据普朗克定律和维恩位移定律,物体温度降低时,其最大辐射波长向红外区移动。当壁面温度低于火焰温度时,要想穿透火焰获得壁面辐射信息,必须避开火焰辐射的波长区间,在壁面最大辐射波长附近寻找合适的检测波段。但在锅炉等检测对象中,壁面被火焰覆盖,而火焰是复杂的吸收发射散射混合型介质,水和二氧化碳等三原子气体的非连续吸收发射、灰和碳黑等颗粒的连续发射散射吸收、壁面的连续发射反射三者相互耦合干扰,现有方法无法准确定量壁面辐射和火焰辐射,因此难以准确界定适合壁面辐射检测的波段区间。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题,本发明提供一种穿透火焰检测壁面辐射信息的方法及系统,通过准确定量壁面辐射和火焰辐射,找到适合壁面辐射检测的波段区间,可穿透火焰获得壁面辐射信息。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种穿透火焰检测壁面辐射信息的方法,其具体步骤如下:
S1确定辐射波长范围,在所述辐射波长范围内,建立壁面辐射强度、火焰辐射强度随辐射波长分布的壁面辐射强度检测模型和火焰辐射强度检测模型;
S2根据壁面辐射强度检测模型和火焰辐射强度检测模型,获取壁面辐射强度等于火焰辐射强度时的辐射波长λeq,和壁面辐射强度数值最大时的峰值波长λmax
S3确定壁面辐射强度大于或等于火焰辐射强度时的检测波长,具体的:当辐射波长λeq小于峰值波长λmax时,进行壁面辐射信息检测的波长为峰值波长λmax;当辐射波长λeq大于峰值波长λmax时,进行壁面辐射信息检测的波长为辐射波长λeq
S4根据S3确定的检测波长对壁面辐射信息进行检测。
进一步的,S1中,辐射波长的取值范围为0μm~10μm。
进一步的,S1中,壁面辐射强度检测模型建立的具体步骤为:
S1.1确定检测边界点O的位置,得到壁面4在检测边界点O单位面积、单位角度上被检测到的能量份额;
S1.2利用壁面4在检测边界点O单位面积、单位角度上被检测到的能量份额、壁面4到检测边界点O的物理距离、火焰消光系数、壁面温度、壁面辐射率、壁面面积建立壁面辐射强度随辐射波长分布的壁面辐射强度检测模型,具体为:
Figure BDA0003898653340000031
式中,Iλ(w,s)表示壁面辐射到达检测边界点O处的壁面辐射强度,W·m-3·sr-1;λ表示辐射波长,μm;β表示火焰3的消光系数;l表示检测边界点O到火焰3的物理距离,m;lw表示检测边界点O到壁面4的距离,m;ε表示壁面发射率;Tw表示壁面4的近似温度K。
进一步的,壁面辐射强度包括壁面发射被火焰散射的能量、壁面发射被壁面反射的能量和壁面直接发射的辐射能量,其中:壁面发射被火焰散射的能量为壁面发射被火焰散射的能量在检测边界点O处单位面积、单位角度上被检测到的能量份额Rd(w,v,s)和火焰消光系数、壁面温度、壁面辐射率的乘积沿壁面4到检测边界点O的物理距离和壁面面积的积分,公式如下:
Figure BDA0003898653340000032
壁面发射被壁面反射的能量由壁面发射被壁面反射的能量在检测边界点O处单位面积、单位角度上被检测到的能量份额Rd(w,w,s)和火焰消光系数、壁面温度、壁面辐射率的乘积沿壁面面积的积分,公式如下:
Figure BDA0003898653340000033
壁面直接发射的辐射能量为火焰消光系数、壁面温度、壁面辐射率的乘积,公式如下:
Figure BDA0003898653340000041
进一步的,S1中,火焰辐射强度检测模型建立的具体步骤为:
S1.3确定检测边界点O的位置,得到火焰3在检测边界点O单位面积、单位角度上被检测到的能量份额;
S1.4利用火焰3在检测边界点O单位面积、单位角度上被检测到的能量份额、火焰3到检测边界点O的物理距离、火焰消光系数、火焰吸收系数、火焰温度、火焰体积建立火焰辐射强度关于辐射波长的火焰辐射强度检测模型,具体为:
Figure BDA0003898653340000042
式中,Iλ(v,s)表示火焰辐射到达检测边界点O处的火焰辐射强度,W·m-3·sr-1;λ表示辐射波长,μm;β表示火焰3的消光系数,k表示火焰3的吸收系数,m-1;l表示检测边界点O到火焰3的物理距离,m;Tf表示火焰3的近似温度,K。
进一步的,火焰辐射强度包括火焰发射被火焰散射的能量、火焰发射被壁面反射的能量和火焰直接发射的辐射能量,其中:火焰发射被火焰散射的能量为火焰发射被火焰散射的能量在检测边界点O处单位面积、单位角度上被检测到的能量份额Rd(v,v,s)和火焰消光系数、火焰吸收系数、火焰温度的乘积沿火焰3到检测边界点O的物理距离和火焰体积的积分,公式如下:
Figure BDA0003898653340000043
火焰发射被壁面反射的能量火焰发射被壁面反射的能量在检测边界点O处单位面积、单位角度上被检测到的能量份额Rd(v,w,s)和火焰消光系数、火焰吸收系数、火焰温度的乘积沿火焰体积的积分,公式如下:
Figure BDA0003898653340000051
火焰直接发射的辐射能量为火焰消光系数、火焰吸收系数、火焰温度的乘积,公式如下:
Figure BDA0003898653340000052
进一步的,S2中,令火焰辐射强度检测模型得到的火焰辐射强度和壁面辐射强度检测模型得到的壁面辐射强度相等,得到辐射波长λeq;在壁面辐射强度检测模型两边对辐射波长λ求导并令其等于零,得到令壁面辐射强度Iλ(w,s)最大的峰值波长λmax
进一步的,所述能量份额采用蒙特卡洛方法得到。
本发明还提供一种穿透火焰检测壁面辐射信息的检测系统,包括探测器和设置在探测器前部的滤波片,检测的对象为火焰和壁面,所述探测器安装位置为检测边界点O,所述滤波片的中心通过波长等于权利要求所述检测方法中确定的检测波长,滤波片的单色偏差小于±1μm。
进一步的,所述探测器的感光波段中包含权利要求所述检测方法中确定的检测波长。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
本发明提出一种穿透火焰检测壁面辐射信息的方法,通过建立辐射波长与火焰辐射强度和壁面辐射强度的检测模型,利用该模型可以精确得到避开火焰辐射获取壁面辐射信息的最佳检测波长,从而实现穿透火焰检测壁面辐射信息,这将极大的扩展传统辐射检测方法的应用领域,实现对加热炉中的钢坯、管式炉中的炉管、电站锅炉中的水冷壁和结渣的在线监测,具有良好的应用前景。
传统的光学探测器结构复杂,价格昂贵,特别是近红外波段和中红外波段的探测器,目前均依赖进口,且仅能用于实验室环境。本发明通过检测模型确定最佳的壁面辐射信息检测波长并将该检测波长作为滤波片和探测器的选择依据,能够摆脱对探测器的依赖,降低设备成本,并可应用于恶劣的工业环境。
附图说明
图1为本发明所述的普朗克定律和维恩位移定律的示意图;
图2为本发明所述方法的原理图。
图3为本发明所述火焰温度1200℃、壁面温度600℃时探测器接收的火焰和壁面辐射强度随波长变化图。
图4为本发明所述火焰温度1000℃、壁面温度600℃时探测器接收的火焰和壁面辐射强度随波长变化图。
图5为本发明所述检测方法的检测结果图,其中图5a为其它探测器和滤波片组合所拍摄的图像,图5b为采用本发明所述组合的探测器和滤波片拍摄的图像。
图中:1-探测器,2-滤波片,3-火焰,4-壁面,5-探测器到火焰的物理距离,6-探测器到壁面的物理距离,7-火焰直接发射的辐射能量,8-火焰发射被火焰散射的能量,9-壁面直接发射的辐射能量,10-壁面发射被壁面反射的能量。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
如图2所示,本发明提供一种穿透火焰检测壁面辐射信息的方法,包括如下步骤:
1.根据应用场景确定探测器1安装位置即为检测边界点O,以及检测边界点O到火焰3的物理距离l,检测边界点O到壁面4的物理距离lw
根据应用场景确定火焰3的近似温度Tf,壁面4的近似温度Tw
根据壁面材料和温度确定壁面发射率ε,根据火焰种类确定火焰消光系数β,火焰吸收系数k和散射系数σ。
2、探测器1在任意s视线方向接收到的辐射能量Iλ(O,s)主要由火焰辐射到达检测器1处的火焰辐射强度Iλ(v,s)和壁面辐射到达检测器1处的壁面辐射强度Iλ(w,s)两项构成,如式(1)所示,其分别代表了能够在检测边界点O处检测到的来自火焰3和壁面4的辐射能量大小:
Iλ(O,s)=Iλ(w,s)+Iλ(v,s) (1)
2.1火焰辐射会受到壁面4的吸收和反射,同时壁面辐射也会受到火焰3的吸收和散射,两者相互耦合。采用蒙特卡洛方法来解耦求解边界处壁面辐射和火焰辐射的强度分布来建立壁面辐射强度检测模型和火焰辐射强度检测模型,如式(2)和(3)所示,具体过程为:
2.1.1.选取计算辐射波长λ,工业高温过程的辐射波长区间一般位于0~10μm,因此本发明辐射波长λ的计算区间为0~10μm。
2.1.2.利用蒙特卡洛方法得到壁面发射被火焰散射的能量在检测边界点O处单位面积、单位角度上被检测到的能量份额Rd(w,v,s),壁面发射被壁面反射的能量在检测边界点O处单位面积、单位角度上被检测到的能量份额Rd(w,w,s),火焰发射被火焰散射的能量在检测边界点O处单位面积、单位角度上被检测到的能量份额Rd(v,v,s),火焰发射被壁面反射的能量在检测边界点O处单位面积、单位角度上被检测到的能量份额Rd(v,w,s)。
2.1.3.利用壁面4在检测边界点O单位面积、单位角度上被检测到的能量份额、壁面4到检测边界点O的物理距离、火焰消光系数、壁面温度、壁面辐射率、壁面面积建立壁面辐射强度随辐射波长分布的壁面辐射强度检测模型,具体为:
Figure BDA0003898653340000071
式中,Iλ(w,s)表示壁面辐射到达检测边界点O处的壁面辐射强度,W·m-3·sr-1;λ表示辐射波长,μm;β表示火焰3的消光系数;l表示检测边界点O到火焰3的物理距离,m;lw表示检测边界点O到壁面4的距离,m;ε表示壁面发射率;Tw表示壁面4的近似温度K。
上式中,壁面辐射强度由壁面发射被火焰散射的能量、壁面发射被壁面反射的能量和壁面直接发射的辐射能量三者相加得到,其中:
壁面发射被火焰散射的能量等于Rd(w,v,s)和火焰消光系数、壁面温度、壁面辐射率的乘积沿路径lw和壁面面积的积分;
壁面发射被壁面反射的能量等于Rd(w,w,s)和火焰消光系数、壁面温度、壁面辐射率的乘积沿壁面面积积分;
壁面直接发射的辐射能量等于火焰消光系数、壁面温度、壁面辐射率的乘积。
2.1.4.利用火焰3在检测边界点O单位面积、单位角度上被检测到的能量份额、火焰3到检测边界点O的物理距离、火焰消光系数、火焰吸收系数、火焰温度、火焰体积建立火焰辐射强度随辐射波长分布的火焰辐射强度检测模型,具体为:
Figure BDA0003898653340000081
式中,Iλ(v,s)表示火焰辐射到达检测器1处的火焰辐射强度,W·m-3·sr-1;λ表示辐射波长,μm;β表示火焰3的消光系数,k表示火焰3的吸收系数,m-1;l表示检测边界点O到火焰3的物理距离,m;Tf表示火焰3的近似温度,K。
上式中,火焰辐射强度由火焰发射被火焰散射的能量、火焰发射被壁面反射的能量和火焰直接发射的辐射能量相加得到,其中:
火焰发射被火焰散射的能量等于Rd(v,v,s)和火焰消光系数、火焰吸收系数、火焰温度的乘积沿路径l和火焰体积的积分;
火焰发射被壁面反射的能量等于Rd(v,w,s)和火焰消光系数、火焰吸收系数、火焰温度的乘积沿火焰体积的积分;
火焰直接发射的辐射能量等于火焰消光系数、火焰吸收系数、火焰温度的乘积;
2.2更新波长参数重复上述模型计算过程,得到壁面辐射强度和火焰辐射强度随辐射波长的变化曲线。
3.根据公式(2)和公式(3),得到壁面辐射强度Iλ(w,s)等于火焰辐射强度Iλ(v,s)时的辐射波长λeq
在公式(2)左右两边对辐射波长λ求导并令其等于零,如公式(4),得到令壁面辐射强度Iλ(w,s)最大的峰值波长λmax
Figure BDA0003898653340000091
4.确定壁面辐射强度Iλ(w,s)大于或等于火焰辐射强度Iλ(v,s)时的检测波长:
当辐射波长λeq小于峰值波长λmax时,进行壁面辐射信息检测的波长为峰值波长λmax
当辐射波长λeq大于峰值波长λmax时,进行壁面辐射信息检测的波长为辐射波长λeq,辐射波长λeq与峰值波长λmax的差值为Δλ。
峰值波长与壁面温度相关:如图3所示,当火焰温度为1200℃,壁面温度为600℃时,峰值波长λmax等于3.2μm,辐射波长λeq为3.4μm,Δλ等于0.2μm,当辐射波长λeq为3.4μm时壁面辐射开始大于火焰辐射。壁面温度为600℃时,峰值波长λmax等于3.2μm。
以图4所示,当火焰温度为1000℃,壁面温度为600℃时,峰值波长λmax等于3.2μm,辐射波长λeq为2.1μm,Δλ等于0μm,当峰值波长λmax等于3.2μm时壁面辐射大于火焰辐射。
5.选择中心通过波长等于上述确定的检测波长的滤波片,滤波片的单色偏差应小于±1μm,同时探测器的感光波段中应包含上述确定的检测波长。最后将上述特殊选择的探测器和滤波片组合用于检测火焰和壁面,实际效果如图5所示,图5a为其它探测器和滤波片组合所拍摄的图像,图5b为采用所述组合的探测器和滤波片拍摄的图像,可穿透火焰观测到清晰的壁面信息。
本发明还提供一种穿透火焰检测壁面辐射信息的检测系统,包括根据上述方法确定的检测波长选取的探测器1和滤波片2,滤波片2安装在探测器1前部,检测的对象为火焰3和壁面4,其中火焰3位于滤波片2和壁面4之间,完全覆盖壁面4。壁面4的形状包括平面、圆柱形或其它形状。探测器1布置在炉膛边界,探测器到火焰的物理距离5、探测器到壁面的物理距离6均与探测器1的安装位置有关。探测器拍摄的图像本质上是火焰辐射和壁面辐射在成像靶面上的光电效应,其中火焰辐射包括火焰发射被火焰散射的能量8、火焰发射被壁面反射的能量和火焰直接发射的辐射能量7,壁面辐射包括壁面发射被火焰散射的能量、壁面发射被壁面反射的能量10和壁面直接发射的辐射能量9。

Claims (10)

1.一种穿透火焰检测壁面辐射信息的方法,其特征在于,具体步骤如下:
S1确定辐射波长范围,在所述辐射波长范围内,建立壁面辐射强度、火焰辐射强度随辐射波长分布的壁面辐射强度检测模型和火焰辐射强度检测模型;
S2根据壁面辐射强度检测模型和火焰辐射强度检测模型,获取壁面辐射强度等于火焰辐射强度时的辐射波长λeq,和壁面辐射强度数值最大时的峰值波长λmax
S3当辐射波长λeq小于峰值波长λmax时,采用机进行壁面辐射信息检测的波长为峰值波长λmax;当辐射波长λeq大于峰值波长λmax时,进行壁面辐射信息检测的波长为辐射波长λeq
S4根据S3确定的检测波长对壁面辐射信息进行检测。
2.根据权利要求1所述的一种穿透火焰检测壁面辐射信息的方法,其特征在于,S1中,辐射波长的取值范围为0μm~10μm。
3.根据权利要求1所述的一种穿透火焰检测壁面辐射信息的方法,其特征在于,S1中,壁面辐射强度检测模型建立的具体步骤为:
S1.1确定检测边界点O的位置,得到壁面4在检测边界点O单位面积、单位角度上被检测到的能量份额;
S1.2利用壁面4在检测边界点O单位面积、单位角度上被检测到的能量份额、壁面4到检测边界点O的物理距离、火焰消光系数、壁面温度、壁面辐射率、壁面面积建立壁面辐射强度随辐射波长分布的壁面辐射强度检测模型,具体为:
Figure FDA0003898653330000011
式中,Iλ(w,s)表示壁面辐射到达检测边界点O处的壁面辐射强度,W·m-3·sr-1;λ表示辐射波长,μm;β表示火焰3的消光系数;l表示检测边界点O到火焰3的物理距离,m;lw表示检测边界点O到壁面4的距离,m;ε表示壁面发射率;Tw表示壁面4的近似温度K。
4.根据权利要求3所述的一种穿透火焰检测壁面辐射信息的方法,其特征在于,壁面辐射强度包括壁面发射被火焰散射的能量、壁面发射被壁面反射的能量和壁面直接发射的辐射能量,其中:壁面发射被火焰散射的能量为壁面发射被火焰散射的能量在检测边界点O处单位面积、单位角度上被检测到的能量份额Rd(w,v,s)和火焰消光系数、壁面温度、壁面辐射率的乘积沿壁面4到检测边界点O的物理距离和壁面面积的积分,公式如下:
Figure FDA0003898653330000021
壁面发射被壁面反射的能量由壁面发射被壁面反射的能量在检测边界点O处单位面积、单位角度上被检测到的能量份额Rd(w,w,s)和火焰消光系数、壁面温度、壁面辐射率的乘积沿壁面面积的积分,公式如下:
Figure FDA0003898653330000022
壁面直接发射的辐射能量为火焰消光系数、壁面温度、壁面辐射率的乘积,公式如下:
Figure FDA0003898653330000023
5.根据权利要求1所述的一种穿透火焰检测壁面辐射信息的方法,其特征在于,S1中,火焰辐射强度检测模型建立的具体步骤为:
S1.3确定检测边界点O的位置,得到火焰3在检测边界点O单位面积、单位角度上被检测到的能量份额;
S1.4利用火焰3在检测边界点O单位面积、单位角度上被检测到的能量份额、火焰3到检测边界点O的物理距离、火焰消光系数、火焰吸收系数、火焰温度、火焰体积建立火焰辐射强度关于辐射波长的火焰辐射强度检测模型,具体为:
Figure FDA0003898653330000031
式中,Iλ(v,s)表示火焰辐射到达检测边界点O处的火焰辐射强度,W·m-3·sr-1;λ表示辐射波长,μm;β表示火焰3的消光系数,k表示火焰3的吸收系数,m-1;l表示检测边界点O到火焰3的物理距离,m;Tf表示火焰3的近似温度,K。
6.根据权利要求5所述的一种穿透火焰检测壁面辐射信息的方法,其特征在于,火焰辐射强度包括火焰发射被火焰散射的能量、火焰发射被壁面反射的能量和火焰直接发射的辐射能量,其中:火焰发射被火焰散射的能量为火焰发射被火焰散射的能量在检测边界点O处单位面积、单位角度上被检测到的能量份额Rd(v,v,s)和火焰消光系数、火焰吸收系数、火焰温度的乘积沿火焰3到检测边界点O的物理距离和火焰体积的积分,公式如下:
Figure FDA0003898653330000032
火焰发射被壁面反射的能量火焰发射被壁面反射的能量在检测边界点O处单位面积、单位角度上被检测到的能量份额Rd(v,w,s)和火焰消光系数、火焰吸收系数、火焰温度的乘积沿火焰体积的积分,公式如下:
Figure FDA0003898653330000033
火焰直接发射的辐射能量为火焰消光系数、火焰吸收系数、火焰温度的乘积,公式如下:
Figure FDA0003898653330000034
7.根据权利要求1所述的一种穿透火焰检测壁面辐射信息的方法,其特征在于,S2中,令火焰辐射强度检测模型得到的火焰辐射强度和壁面辐射强度检测模型得到的壁面辐射强度相等,得到辐射波长λeq;在壁面辐射强度检测模型两边对辐射波长λ求导并令其等于零,得到令壁面辐射强度Iλ(w,s)最大的峰值波长λmax
8.根据权利要求3-6中任一项所述的一种穿透火焰检测壁面辐射信息的方法,其特征在于,所述能量份额采用蒙特卡洛方法得到。
9.一种穿透火焰检测壁面辐射信息的检测系统,其特征在于,包括探测器(1)和设置在探测器前部的滤波片(2),检测的对象为火焰(3)和壁面(4),所述探测器(1)安装位置为检测边界点O,所述滤波片(1)的中心通过波长等于权利要求(1)所述检测方法中确定的检测波长,滤波片(2)的单色偏差小于±1μm。
10.根据权利要求9所述的一种穿透火焰检测壁面辐射信息的检测系统,其特征在于,所述探测器(1)的感光波段中包含权利要求(1)所述检测方法中确定的检测波长。
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