CN1257176A - 火焰的监视方法和装置 - Google Patents

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Abstract

可以确定并且调节燃烧中的理想配比的一种用来监视碳氢化合物火焰的装置,它包括三个传感器(6,8和10),其中的一个传感器(10)响应火焰中的一个窄波长带内发射的电磁辐射,该波长对应着火焰燃烧区域(例如对应着OH的310nm)内仅仅是短时出现的一种过渡形式。其它两个传感器(6,8)响应火焰中对应着非过渡形式的一个窄波长带内发射的辐射。

Description

火焰的监视方法和装置
本发明涉及到火焰的监视方法和装置。在下文中仅仅是用举例的方式来描述的包括本发明的火焰监视装置可以被用来监视在锅炉，熔炉或是其他燃烧设备中燃烧的碳氢化合物燃料的火焰，从中确定火焰的特性，并且能提供关于燃烧过程的化学计量信息。因此，这种装置在应用中能够被用来改善燃烧效率并且减少污染物质的产生。
按照本发明所提供的用来监视碳氢化合物火焰的装置包括第一检测装置，它响应火焰中发射的第一波长的电磁辐射，该波长对应着火焰燃烧区域内仅仅是短时出现的一种过渡形式，从中产生第一检测信号，第二检测装置，它响应火焰中发射的第二波长的电磁辐射，该波长对应着燃烧区域内的一种非过渡形式，从中产生第二检测信号，以及一个比较装置，它响应第一和第二检测信号而产生一个比较信号，并且输出对比较信号的响应，根据火焰中的空气/燃料比产生一个输出信号。
本发明还提供了一种用来监视碳氢化合物火焰的方法，它包括以下的步骤：检测火焰中发射的第一波长的电磁辐射，该波长对应着火焰燃烧区域内仅仅是短时出现的一种过渡形式，从中产生第一检测信号，检测火焰中发射的第二波长的电磁辐射，该波长对应着燃烧区域内的一种非过渡形式，从中产生第二检测信号，比较第一和第二检测信号，产生一个比较信号，以及响应这一比较信号，根据火焰中的空气/燃料比产生一个输出信号。
以下要参照附图用举例的方式来解释本发明的火焰监视方法和装置，在附图中：
图1是一种装置的框图；以及
图2-8是用来解释图1所示装置工作方式的一些曲线图。
如图1所示的装置包括多个电磁辐射传感器。如下文中具体的说明，至少有两个传感器，也可以有三个以上的传感器。为了便于说明，图1中表示了三个传感器6，8和10。每个传感器配有一个窄带滤波器，使其仅仅响应特定频带内的一个窄范围的波长。在下文中还要具体讨论波长和频带的问题。将传感器安装在锅炉，熔炉或是其它燃烧设备的内部或是上面可以看到需要监视的燃烧的碳氢化合物燃料火焰的位置上。根据在各自的窄波长范围内检测到的辐射，来自每个传感器的信号在各自的一个信号调节装置12，14和16中经过放大和频带限制后提供给各自的模-数转换器18，19和20。将线路21，22和23上得到的数字化检测信号提供给一个中央处理器24。CPU24连接着一个存储器26。CPU按照下文中所述的方式来处理数据，并且提供关于燃烧过程的理想配比信息。在线路28上得到的输出被提供给一个输出装置30。装置30可以在线路32上产生一个输出，自动地控制用34表示的阀门的位置，通过阀门来调整熔炉中的燃料/空气比，从而获得理想的空气/燃料比。在这里可以调节理想配比比例，调节到最高效率，或者是调节到预定量的过量空气，从而减少污染物质。
另外，输出装置30可以在线路36上产生一个输出，用来在适当的显示器上指示出火焰监视过程的结果，以及/或是将信息发送给远距离的位置。
按照下文中将要说明的一种优化的装置，传感器6可以响应以2.96μm为中心的一个窄波长带内的辐射，传感器8可以响应以3.35μm为中心的一个窄波长带内的辐射，而传感器10可以响应以310nm为中心的一个窄波长带内的辐射。按照这种配置，传感器6和8可以是铅硒传感器，而传感器10可以是一种硅传感器。
以下要详细解释装置的工作方式。
碳氢化合物火焰的发射光谱中包含各种发射尖峰，举例如下：
(a)以3.35μm为中心的与火焰中的热碳氢化合物燃料有关的尖峰；
(b)与火焰中的燃烧产物有关的尖峰，例如H2O的尖峰是以927nm，1.45μm和2.9μm为中心，而CO2是以4.5μm为中心；以及
(c)与燃烧区域内仅仅是短时存在的某种过渡形式有关的尖峰，例如以310nm为中心的对应着OH的尖峰，以431nm为中心的对应着CH的尖峰，以及以517nm为中心的对应着C2的尖峰。
在本发明中发现，过渡形式所产生的发射频谱与燃料和燃烧产物所产生的发射频谱存在明显的差别，并且这些差别是随着燃烧过程的理想配比方法而变化的。
在图2中，纵轴用对数坐标表示了两个数字检测信号(线路18，19和20)之间在一个特定频带内的功率之比，而横轴是相对于理想配比值(1)的空气/燃料比。在图2中，曲线A代表来自传感器10的(对应着OH过渡形式的310nm上的)检测信号中在一个特定频带内的功率与来自传感器8的(对应着热碳氢化合物燃料所发射的3.35μm的)检测信号中在一个特定频带内的功率之比。曲线B代表来自传感器6的(对应着H2O的2.9μm上的)检测信号中在一个特定频带内的功率与来自传感器8的(对应着热碳氢化合物燃料的3.35μm的)检测信号中在一个特定频带内的功率之比。图2的曲线是在气体点火的熔炉中按照100％负荷(最大燃料输入)的条件而测量的，并且在10-30Hz的频带内进行测量。
图2中清楚地表明曲线A随着空气/燃料比的变化比曲线B要大得多，特别是在接近理想配比的空气/燃料比的主要区域内。因此，这种曲线表明过渡形式(在此处是OH)所产生的发射频谱与燃料或是燃烧产物所产生的发射频谱存在明显的差别，并且这些差别是随着火焰的理想配比而变化的。
图3与图2是对应的(轴线是相同的，但是图3中的纵轴没有采用对数坐标)，但是表示了在不同的熔炉负荷或是燃料输入范围内的曲线。用实线表示的四条曲线(曲线A，B，C和D)都是表示来自传感器10的(对应着OH过渡形式的310nm上的)检测信号中在一个特定频带内的功率与来自传感器8的(对应着火焰中的热燃料的3.35μm的)检测信号中在一个特定频带内的功率之比，曲线A，B，C和D分别对应着熔炉负荷或是燃料输入量占最大值的25％，50％，75％和100％的情况。
虚线E，F和G都是表示来自传感器6(H2O产物)的2.9μm检测信号中在一个特定频带内的功率与来自传感器8(火焰中的热燃料)的3.35μm检测信号中在一个特定频带内的功率之比。曲线E，F和G分别对应着熔炉负荷或是燃料输入量占最大值的25％，75％和100％的情况。
为了在不同的曲线之间进行比较，将对应着25％，50％和75％负荷的值乘以一个任意的系数，让它们等于空气/燃料比超过上述氧气量理想配比(用X表示)3％的比值。
图3清楚地表示了曲线A，B，C和D(表示OH过渡形式输出所产生的信号与火焰中的热燃料所产生的信号之比)要比曲线E，F和G在不同熔炉的负荷上与空气/燃料比具有更好的一致性和更加有规则的变化。
按照一种操作模式，图1的装置使用线路18，19和20上来自传感器6，8和10的数字化检测信号来测量上述的两个比例：(i)对应着OH过渡形式在310nm上的检测信号中在一个特定频带内的功率与对应着火焰中的热燃料发射的3.35μm的检测信号的功率之比，以及(ii)对应着H2O在2.9μm上产生的检测信号中在一个特定频带内的功率与对应着热燃料发射的3.35μm的检测信号在一个特定频带内的功率之比。如果信号调节装置12，14和16的通频带足够窄，CPU24就可以通过测量每个检测信号的平均值并且加以比较而确定这两个比例。或者是，如果信号调节装置的通频带比较宽，CPU可以对数字化数据执行快速傅立叶变换，将其变换到频域，然后对需要的频带积分并且再次获得比例。然后将所得的比例数据与存储在存储器26中的数据相比较(实际上是采用对应着图2和3中所示的数据)，从中确定燃烧状态。然后由输出装置30利用线路28上获得的信号通过阀门34来调节空气/燃料比，从而产生理想的空气/燃料比(通常就是上述的理想配比)。
图4总体上类似于图2(区别仅是纵轴不采用对数)，但是描绘了不同波长下的输出之间的功率之比。图4中的曲线A表示310nm(OH过渡形式)的输出与927nm(对应着H2O)的输出之间相对于空气/燃料比所绘制的功率之比。曲线B表示310nm(OH过渡形式)的输出与1.45μm(对应着H2O)的输出之间相对于空气/燃料比所绘制的功率之比。曲线C表示431nm(CH过渡形式)的输出与3.35nm(对应着热燃料)的输出之间相对于空气/燃料比所绘制的功率之比。最后，曲线D表示516nm(C2过渡形式)的输出与3.35nm(热燃料)的输出之间相对于空气/燃料比所绘制的功率之比。这些曲线都是在气体点火的熔炉在满负荷条件下测量的结果。在每一种情况下还表示了功率之比相对于空气/燃料比的明显变化。因此，图4表明传感器6，8和10(或是其中的一两个)经过修改后可以用来检测不同的辐射波长，从而使CPU能够测量到图4中所示的一种功率比值，并且从中测量到火焰的空气/燃料比。
如果在2.9μm上测量H2O或是在4.5μm上测量CO2的非过渡形式，也可以获得与图4的曲线A，B，C和D相似的曲线。
图5，6，7和8表示用来处理从传感器6，8和10获取的数据的另一种方式。按照这种方式是从来自不同检测器的检测信号数据的相互关系中获取相关系数(纵轴)，并且是相对于有关理想配比(横轴)的空气/燃料比而绘制的。
图5中的曲线A表示对应着OH过渡形式(传感器10)的310nm检测信号与对应着火焰中的热燃料(传感器8)的3.35μm检测信号之间的相关系数是如何随着空气/燃料比而变化的。曲线A表示在紧靠着理想配比的重要区域内存在着基本上成线性的明显变化。
与此相反，图8中的曲线A表示对应着H2O燃烧产物(传感器6)的2.9μm检测信号与对应着火焰中的热燃料(传感器8)的3.35μm检测信号之间的互相关系数是如何随着空气/燃料比而变化的。这种变化很小，并且明显地小于图5中如曲线A所示的变化。
因此，按照一种变更的操作方式，CPU24(图1)对以下的数据执行必要的相关运算(i)从传感器8和10接收到的数字化数据(对应着图5中的曲线A)，以及(ii)从传感器6和8接收到的数字化数据(对应着图5中的曲线A)。可以将两个相关的输出加以比较，并且分别与存储在存储器26中的数据进行比较，从中确定空气/燃料比。CPU仍然可以利用输出装置30和阀门34将空气/燃料比调节到理想的值。
图5中的曲线B表示(OH过渡形式，传感器10)的310nm检测信号与(水的传感器6)的2.9μm检测信号之间的互相关系数是如何随着空气/燃料比而变化的。在此处同样有明显的变化(大体上类似于图5的曲线A，但是比较小)。因此，CPU24可以对来自传感器6和10的数字化数据进行相关的计算，获得对从气体两对传感器接收到的数据执行的上述相关计算结果。
按照第二种操作方式，用传感器6，8和10来响应在图1中规定的三个波长的辐射同样并不是主要问题。因此，可以将传感器6改成用来响应对应着燃烧产物中从2.9μm开始的不同波长的辐射；例如是927nm或是1.45μm的H2O，或者是4.5μm的CO2。传感器8可以用来响应来自燃烧产物的辐射，而不是响应来自火焰中的热燃料的辐射。显而易见，如果是响应对应着一种燃烧产物的辐射，它与传感器6所响应的波长是不同的。传感器10可以用来响应来自上文中所述的某些其它过渡形式的辐射：例如是431nm的CH和517nm左右的C2。
举例来说，图5中的曲线C，D和E在一方面表示了(在这种情况下的)310nm的输出与1.45μm(H2O燃烧产物)的输出之间的相关系数，而在另一方面又反映了4.5μm(CO2燃烧产物)与927nm(H2O燃烧产物)之间的相关系数。同样，这些曲线仍然都相对于空气/燃料比存在明显的变化，尽管比图5中的曲线A要小一些。
在图6中分别用曲线A，B，C，D和E表示了一方面的对应着CH过渡形式的431nm输出和另一方面在五个不同的非过渡形式性的输出之间的相关系数。曲线A中的非过渡形式是3.35μm的热燃料，曲线B是2.9μm的H2O，曲线C是1.45μm的H2O，曲线D是4.5μm的CO2，而曲线E则是927nm的H2O。同样，这些曲线都相对于空气/燃料比存在明显的变化，尽管比图5中的曲线A要小一些。
在图7中分别用曲线A，B，C，D和E表示了一方面的对应着C2过渡形式的516nm输出和另一方面在五个不同的非过渡形式性的输出之间的相关系数。曲线A中的非过渡形式是3.35μm的热燃料，曲线B是2.9μm的H2O，曲线C是1.45μm的H2O，曲线D是4.5μm的CO2，而曲线E则是927nm的H2O。同样，这些曲线都相对于空气/燃料比存在明显的变化，尽管比图5中的曲线A要小一些。
回过来参见图8，曲线B到J表示对应着以下各对不同的非过渡形式的输出之间的相关系数：
(i)曲线B表示对应着2.9μm的H2O的输出与对应着4.5μm的CO2的输出之间的相关系数；
(ii)曲线C表示对应着3.35μm的热燃料的输出与对应着4.5μm的CO2的输出之间的相关系数；
(iii)曲线D，E和F表示在各种情况下在一方面对应着1.45μm的H2O的输出分别与另一方面对应着4.5μm的CO2(曲线D)，3.35μm热燃料(曲线E)以及2.9μm的H2O(曲线F)的输出之间的相关系数；
(iv)曲线G，H，I和J表示在各种情况下在一方面对应着927nm的H2O的输出分别与另一方面对应着4.5μm的CO2(曲线G)，3.35μm热燃料(曲线H)，2.9μm的H2O(曲线I)以及1.45μm的H2O(曲线J)的输出之间的相关系数。
图5表示的曲线B到J与图中的曲线A具有大体上相似的形状：每一种相关系数相对于空气/燃料比的变化比较小。
因此，如果将图5，6和7所示的一方面的曲线与图8所示的另一方面的曲线加以比较就可以看出图1的装置是如何修改的，也就是用传感器6，8和10来检测适当的窄波长带内的辐射。
可以让装置在同时或是按顺序用两种不同的方式工作(第一种方式采用各个检测信号在一个特定频带内的输出之比，第二种方式是测量相关系数)。其结果将会相对于理想配比产生两种或两种以上的用空气/燃料比代表的燃烧状态估算值。然后可以用CPU在这些估算值之间进行加权判断，以便控制输出装置30和阀门34。例如可以采用一种适当的人工智能装置，诸如专家系统，采用模糊逻辑或者是惯用的逻辑规则，或者是采用一种人工智能神经网络。
在上述的所有实施例中都是将对应着燃烧区域内仅是在短时间内出现的过渡形式的一个窄波长带内发射的辐射与对应着火焰中的热碳氢化合物燃料或者是燃烧产物的至少一个窄波长带内的辐射加以比较，从而产生一个随着空气/燃料比而明显变化的输出。按照上述的有益方式，也可以将分别对应着诸如不同的燃烧产物或是一种燃烧产物和燃料的非过渡形式的波长带内发射的辐射与仅仅随着空气/燃料比而轻微变化的一种输出的产物加以比较，通过对照各自产生的输出来改善识别过程，而不是采用过渡形式产生的辐射。然而，在必要时也可以省去包含两种非过渡形式的比较。
在必要时可以用两个传感器来响应对应着不同过渡形式的波长带内的辐射，用第三个传感器来响应对应着一种非过渡形式的一个波长带内的辐射。然后可以将对应着每一种过渡形式的辐射与对应着非过渡形式的辐射加以比较。显而易见，也可以使用三个以上的传感器来提供进一步的识别灵敏度，其中的至少一个被用来响应对应着一种过渡形式的波长的辐射。

Claims (29)

1.一种用来监视碳氢化合物火焰的装置，其特征是包括第一检测装置，它响应火焰中发射的第一波长的电磁辐射，该波长对应着火焰燃烧区域内仅仅是短时出现的一种过渡形式，从中产生第一检测信号，第二检测装置，它响应火焰中发射的第二波长的电磁辐射，该波长对应着燃烧区域内的一种非过渡形式，从中产生第二检测信号，以及一个比较装置，它响应第一和第二检测信号而产生一个比较信号，并且对比较信号作出响应，根据火焰中的空气/燃料比产生一个输出信号的输出装置。
2.按照权利要求1的装置，其特征在于过渡形式是OH，而第一波长大约是310nm。
3.按照权利要求1的装置，其特征在于过渡形式是CH，而第一波长大约是431nm。
4.按照权利要求1的装置，其特征在于过渡形式是C2，而第一波长大约是517nm.
5.按照前述的权利要求之一的装置，其特征是上述的非过渡形式是从以下形式中选出的一种(a)火焰中的热碳氢化合物燃料，其第二波长大约是3.35μm，(b)H2O，其第二波长大约是927nm，(c)H2O，其第二波长大约是1.45μm，(d)H2O，其第二波长大约是2.9nm，以及(e)CO2，其第二波长大约是4.5μm。
6.按照前述的权利要求之一的装置，其特征是比较装置还可以响应存储的数据。
7.按照前述的权利要求之一的装置，其特征是包括第三检测装置，它响应火焰中以第三波长发射的电磁辐射，该波长对应着一种第二非过渡形式并且与对应着前述第一的非过渡形式的波长不同，从中产生第三检测信号，并且包括第二比较装置，它响应第二和第三检测信号及第一和第二检测信号当中的一个，从中产生第二比较信号，通过输出装置的操作根据这两个比较信号产生输出信号。
8.按照权利要求7的装置，其特征在于第二非过渡形式是从以下形式中选出的一种(a)火焰中的热碳氢化合物燃料，其第三波长大约是3.35μm，(b)H2O，其第三波长大约是927nm，(c)H2O，其第三波长大约是1.45μm，(d)H2O，其第三波长大约是2.9μm，以及(e)CO2，其第三波长大约是4.5μm。
9.按照权利要求7或8的装置，其特征是输出装置还可以响应存储的数据。
10.按照前述权利要求之一的装置，其特征是用该比较装置或每一个比较装置来检测功率值，这种功率值分别对应着在预定的频带内比较的两个检测信号中的每一个，并且将功率值加以比较。
11.按照权利要求10的装置，其特征是检测装置包括各自的信号调节装置，用来在预定的频带内产生检测信号。
12.按照权利要求11的装置，其特征是信号调节装置包括各自的窄带放大器，并且其中的比较装置中包括对各个检测信号的平均值作出响应的装置。
13.按照权利要求10的装置，其特征是在该比较装置或每一个比较装置中包括用来获得各个检测信号随着时间变化的快速傅立叶变换的装置，并且在预定的频带内对这种快速傅立叶变换积分。
14.按照前述权利要求之一的装置，其特征是该比较装置或每一个比较装置中包括相关装置，用来将两个比较的检测信号相互关联。
15.按照前述权利要求之一的装置，其特征是包括对输出信号作出响应的装置，用来调节火焰的空气/燃料比。
16.一种用来监视碳氢化合物火焰的方法，它包括以下的步骤：检测火焰中发射的第一波长的电磁辐射，该波长对应着火焰燃烧区域内仅仅是短时出现的一种过渡形式，从中产生第一检测信号，检测火焰中发射的第二波长的电磁辐射，该波长对应着燃烧区域内的一种非过渡形式，从中产生第二检测信号，比较第一和第二检测信号，产生一个比较信号，以及响应这一比较信号，根据火焰中的空气/燃料比产生一个输出信号。
17.按照权利要求16的方法，其特征在于过渡形式是OH，而第一波长大约是310nm。
18.按照权利要求16的方法，其特征在于过渡形式是CH，而第一波长大约是431nm。
19.按照权利要求16的方法，其特征在于过渡形式是C2，而第一波长大约是517nm。
20.按照权利要求16到19之一的方法，其特征是上述的非过渡形式是从以下形式中选出的一种(a)火焰中的热碳氢化合物燃料，其第二波长大约是3.35μm，(b)H2O，其第二波长大约是927nm，(c)H2O，其第二波长大约是1.45μm，(d)H2O，其第二波长大约是2.9μm，以及(e)CO2，其第二波长大约是4.5μm。
21.按照权利要求16到20之一的方法，其特征是比较步骤中还包括对存储的数据作出响应的步骤。
22.按照权利要求16到21之一的方法，其特征是包括检测火焰中以第三波长发射的电磁辐射的步骤，该波长对应着一种第二非过渡形式且与对应着首次提及的非过渡形式的波长不同，从中产生第三检测信号，将第三检测信号与第一和第二检测信号当中的一个加以比较，从中产生第二比较信号，并且根据这两个比较信号产生输出信号。
23.按照权利要求22的方法，其特征在于第二非过渡形式是从以下形式中选出的一种(a)火焰中的热碳氢化合物燃料，其第三波长大约是3.35μm，(b)H2O，其第三波长大约是927nm，(c)H2O，其第三波长大约是1.45μm，(d)H2O，其第三波长大约是2.9μm，以及(e)CO2，其第三波长大约是4.5μm。
24.按照权利要求22或23的方法，其特征是在产生输出信号的步骤中还包括对存储的数据作出响应的步骤。
25.按照权利要求16到24之一的方法，其特征是该比较步骤或每一个比较步骤中包括检测功率值的步骤，这种功率值分别对应着在预定的频带内比较的两个检测信号，并且将功率值加以比较。
26.按照权利要求25的方法，其特征是检测信号是从各自的窄频带内产生的，并且其中的该比较步骤或每一个比较步骤中包括对每一个检测信号的平均值作出响应的步骤。
27.按照权利要求25的方法，其特征是在比较步骤中包括用来获得各个检测信号随着时间变化的快速傅立叶变换的步骤，并且在预定的频带内对这种快速傅立叶变换积分。
28.按照权利要求16到27之一的方法，其特征是在比较步骤中包括相关步骤，将两个比较的检测信号相互关联。
29.按照权利要求16到28之一的方法，其特征是包括对输出信号作出响应的步骤，从而调节火焰的空气/燃料比。
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