CN1781014A - 火焰检测方法及火焰检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能有效地利用检测波长区域较窄的紫外线检测器、简易而有效地检测火焰的火焰检测方法。在火焰的自发光分量中的紫外区域的自发光光谱中，分别计测同种游离基的波长不同的多个自发光强度，求出所计测的各个波长的自发光强度互相间的比即发光强度比，根据这些发光强度比和火焰温度间的关系、或发光强度比和燃烧所用混合气体的空燃比间的关系检测火焰。特别是因稀薄燃烧形成的火焰的自发光分量中，计测从因燃烧形成的激发态到基态的电子跃迁A2∑+→X2∏的OH带状光谱，求出波长260nm附近的OH(2、0)、波长280nm附近的OH(1、0)、波长287nm附近的OH(2、1)、及波长306nm附近的OH(0、0)的发光强度比，检测火焰的状态。

Description

火焰检测方法及火焰检测装置
技术领域
本发明有关适于检测因燃烧而形成的火焰、尤其是因稀薄燃烧而形成的火焰的状态的火焰检测方法及火焰检测装置。
背景技术
象高温空气燃烧那样的低NOx燃烧大多进行燃料的预热、预混合及利用惰性气体等的稀释后才实现。这样火焰一经稀释，其火焰检测就困难。在预热到自燃温度程度的空气中高度稀释的情况下，通常，通过检测气体中化学反应产生的程度来判断燃料正在燃烧与否。对于这样的火焰状态检测已知的有：例如分析燃烧炉内燃烧火焰的发光光谱强度，根据该分析结果诊断燃烧状态。这样的系统例如记载于专利申请公开编号为特開平11-325460号公报的日本国公开专利公报(专利文献1)。
另外，本发明者们首先提出利用检测波长区域互不相同的多种紫外线检测器、分别准确地检测火焰中的NO、OH、CH等各种组分的方法，这一检测方法例如记载于专利申请公开编号为特開2003-322562号公报的日本国专利公报(专利文献2)。
但在上述专利文献2所示的紫外线检测装置中，例如如图7(上述专利文献2的图4)所示，虽能够很好地检测出火炎的自发光光谱，但存在的问题是，不仅要采用以不同材料制作例如其负极(阴极)的、检测波长区域不同的多种紫外线检测器，而且其结构十分复杂。
发明内容
本发明为解决上述问题而提出，其目的在于提供一种注重于紫外区域的火焰自发光特性、能简易地检测火焰状态的火焰检测方法。
本发明另一目的在于提供一种能有效利用检测波长区域较窄的紫外线检测器、来检测火焰状态的火焰检测方法。
另外，本发明又一目的在于提供一种适合于检测因燃烧而形成的火焰状态、尤其是因稀薄燃烧而形成的火焰状态的结构简单的火焰检测装置。
为了达到上述目的，本发明涉及的火焰检测方法注重于火焰的自发光分量中的例如来自OH基的紫外线区域的自发光光谱中、两个波峰强度之比和局部当量比等燃烧特性间的关联性，根据燃烧形成的火焰、尤其是因稀薄燃烧而形成的火焰的自发光分量，分别测量同种游离基的波长不同的多个自发光强度，求出计测到的各个波长的自发光强度相互间的比即发光强度比，根据上述发光强度比和火焰温度间的关系、及发光强度比和稀薄燃烧所用混合气的空燃比间的关系中的至少一种关系，检测火焰状态。
最好是，通过计测因稀薄燃烧而形成的火焰的自发光分量中、随着电子从稀薄燃烧产生的激发态向基态跃迁时的来自特定种类游离基的自发光光谱，从而计测自发光强度。另外，最好计测电子跃迁A2∑+→X2II的OH带状光谱，特别求出波长260nm附近的OH(2、0)、波长280nm附近的OH(1、0)、波长287nm附近的OH(2、1)、及波长306nm附近的OH(0、0)的自发光强度比，检测火焰的状态。另外，最好注重于波长小于等于约310nm的OH带状光谱，检测火焰的状态。
即在双原子分子的电位上，双原子分子的电子基态v”和电子激发态v’分别取v”＝0、1、2、3、…，v’＝0、1、2、3、…的多个振动能级。并且电子激发态处于v’＝0、1、2、3、…的双原子分子在返回电子基态v”＝0、1、2、3、…时发出光。上述的OH(v’、v”)表示此时的能级，在OH带中(0、0)处的光谱有最强的发光强度。
换言之，在电子从高能轨道向低能轨道移动，其能量之差以光的形式发出时，其光谱成分具有能量轨道固有的波长及发光强度。本发明涉及的火焰检测方法注重于形成这种火焰自发光光谱中的波峰的波长分量及其发光强度间的关系，至少根据两个波峰的发光强度比和火焰温度或空燃比间的关系，检测特别是稀薄燃烧中的火焰状态。
另外，本发明涉及的火焰检测装置包括：从燃烧形成的火焰的自发光分量中分别检测同种游离基的波长不同的多个自发光强度的紫外线检测器；从该紫外线检测器的检测信号求出各个波长的自发光强度、并根据这些自发光强度相互间的比和火焰温度间的关系及该比和所述燃烧用的混合气的空燃比间的关系中的至少一种关系检测所述火焰状态的处理装置。
因此根据本发明，由于注重于稀薄燃烧火焰中自发光分量的同种游离基的多个自发光强度、具体为来自OH基的紫外线区域的自发光光谱，所以例如只要用检测250～450nm波长区域的紫外线检测器，最好为检测250～350nm波长区域的紫外线检测器，就能简易地检测燃烧的火焰状态，特别是能检测稀薄燃烧的火焰。而且火焰中的上述波长区域的自发光强度通常比燃烧炉炉壁表面的辐射强度高，所以如上所述，通过检测波长小于等于约310nm的OH带状光谱的分量，几乎不受成为火焰检测时的背景的上述燃烧炉炉壁表面的影响，能可靠地检测出有无火焰、进而检测火焰的状态。
附图说明
图1为表示利用本发明一实施方式涉及的火焰检测方法的稀薄燃烧装置和火焰检测装置的概要构成图。
图2为表示用于火焰检测的紫外线检测器的概要构成图。
图3为表示紫外线检测器驱动电路的构成例用的图。
图4为表示用本发明涉及的火焰检测装置检测出的火焰的OH基自发光光谱例子用的图。
图5为表示发光强度比RI和空燃比及火焰温度间的关系用的图。
图6为表示炉壁的辐射能量和温度间的关系用的图。
图7为表示火焰的自发光光谱图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一实施方式涉及的火焰检测方法及火焰检测装置进行说明。
图1为简要表示实施本发明方法的稀薄燃烧装置和装在该稀薄燃烧装置上的火焰检测装置的概要构成图。1为燃烧炉。该燃烧炉1是矩形炉，例如其周围用耐火砖或陶瓷纤维等围成，燃烧炉炉内体积为2.58×10-3m3，其上部设100×100mm的排气口，其燃烧室热负荷设定为1.16×103kW/m3。另外，燃烧炉1内设置的燃烧器2为内径40mm、高60mm的壁龛型。用设置在该燃烧器2之前的混合器3将燃料(例如丙烷气)和空气例如以0.8～1.4的空气比混合供给该燃烧器2。燃料从燃料罐F经流量调节器V1、压力表P1及流量表M1供给混合器3，同时，空气也从风机B经流量调节器V2及流量表M2供给混合器3。
另一方面，在所述燃烧炉1侧面炉壁上的高度65mm及130mm的位置处分别安装嵌入石英玻璃的炉内观察窗4a、4b。从该炉内观察窗4a、4b能够观察到的因所述燃烧炉1内的燃烧而自发光的火焰的光通过光纤6导入单色器5(分光器)。该单色器5的构成为，具有从射入的有着各种波长分量的入射光中取出所要的波长分量用的衍射光栅，利用CCD等感光元件检测根据该衍射光栅和入射光间的交角而相应选出的规定波长区域的光分量。利用这种单色器5，能感光检测由燃烧器2进行稀薄燃烧的燃料的火焰所产生的自发光，并变换成与其感光强度相当的电压(或电流)。这样检测出的电信号(紫外线强度)经A/D变换器7送入计算机(PC)8，再如以后所述求出波峰波长间的发光强度比，再检查与火焰温度或空燃比间的关系，检测有无火焰或其状态。
还有，这里是用能检测250～450nm波长区域的器件作为单色器5中的滤光器(衍射光栅)，但对于火焰状态的检测，是采用能确认上述OH带状光谱的250～350nm波长区域的数据。另外，输入计算机8的信号中，由于含有因火焰的晃动或单色器5的暗电流引起的噪声，所以通过利用输入信号(单色器5的输出信号)的不抽样平均或移动平均进行滤波，将其作为检测信号。
用这种稀薄燃烧装置先对燃烧炉1内进行充分加热，炉内温度稳定后，设定燃料流量及空气流量成空燃比为0.8，计测此时的稀薄燃烧火焰的自发光强度。另外，在以空气流量为一定的状态下，渐渐减少燃料流量，经过多次反复计测，使空燃比为1.4或达到熄灭的极限为止，结果在空气流量80L/min、空燃比1.35的条件下，例如得到如图4所示的自发光光谱。
在该图4示出的自发光光谱中，能确认的波峰为在电子跃迁A2∑+→X2II中的OH带状光谱，特别是在波长260nm附近的OH(2、0)、波长280nm附近的OH(1、0)、波长287nm附近的OH(2、1)、及波长306nm附近的OH(0、0)的四处。所以，以出现最高波峰的波长306nm附近的OH(0、0)的发光强度为基准，求出与波长260nm附近的OH(2、0)的发光强度、及波长280nm附近的OH(1、0)的发光强度之比(发光强度比)RI，对空气流量小于等于90L/min检测上述发光强度比RI和空燃比或火焰温度间的关系后，得到图5所示的关系。在图5中，R260(expr)表示波长306nm附近的OH(0、0)的发光强度和波长260nm附近的OH(2、0)的发光强度之比，R280(expr)表示波长306nm附近的OH(0、0)的发光强度和波长280nm附近的OH(1、0)的发光强度之比，还有，在该流量下，壁龛燃烧器2的内部存在稳定的火焰。
另一方面，燃烧炉1的炉壁其辐射率因其材料或表面状态而异，但在用氧化铝等耐火砖时，可以看作近似1.0。另外，炉壁的温度越高，例如如图6所示，随着温度上升，任一波长的辐射能量都几乎同样地上升。附带说明一下，不亮的火焰的能量最大为10W/m2左右，采用与CH对应的波长(315nm附近、390nm附近、430nm附近)，容易受炉壁辐射率影响。而且，由于其温度一超过1600K，S/N比就接近1，所以几乎看不清火焰发出的光(可见波长范围)。因而根据CH对应的波长难以检测稀薄燃烧的火焰。所以需要用与炉壁不甚相关的波长来检测火焰。
基于上述观点，以往通常须检测用于火焰检测的化学发光，采用OH、CH、C2或紫外线，认为最适于碳氢火焰检测的化学物为CH。但这种化学物的自发光波长为431.4nm，比较长，虽适于目视辨认，但对于稀释后的火焰检测并不适合。
这一点，OH不仅在火焰中，在已燃烧的高温气体中也存在。由此，需要注意火焰的反应带的检测。但OH的自发光的波长为306.4nm与已燃气体中的发光相比，在火焰反应带中具有最高强度，强得可以勿视从后方的火焰带来的发光。还有，NO的发光与OH相比其强度虽弱，但在比260nm还要短的波长上也能利用NO的发光。
又如以上的图6所示，炉壁的温度一高，其辐射能量按照普朗克(Planck)的辐射公式就增强。因此，OH分子中的能量分配只要热平衡，前述的发光强度比RI、例如图6示出的波长281.1nm的强度I281和波长306.4nm的强度I306之比的I281/I306只取决于温度，存在其温度越高则强度比越大的关系。
所以，若注重于所述图1示出的稀薄燃烧装置，则由于其计测在OH反应带进行，所以即使假设从OH的激发态到失去激发的时间为400～800nSec左右，非常短，仍难以认为其分子中的电子能量分配达到充分热平衡状态。
所以在尝试取火焰中的A2∑+→X2II(0、0)和OH(1、0)等之间的发光强度比RI后，得到如前述的图5所述的结果。还有，图5中，用虚线表示的曲线是，设普朗克(Planck)的黑体的单色射出性能为E(T、λ)，分别计算下式，
RI＝E(T、281nm)/E(T、306nm)
RI＝E(T、262nm)/E(T、306nm)
并将它们画在一起。R260(calc)表示与波长260nm附近的OH(2、0)有关的发光强度比的计算值，R280(calc)表示与波长280nm附近的OH(1、0)有关的发光强度比的计算值。但这里利用热电偶测量气体温度，由于炉壁壁面的影响而无法取得准确的值，故利用通过热化学平衡计算的绝热火焰温度进行计算。
试分析如此求得的发光强度比RI和空燃比及火焰温度间的关系后，虽不受噪声等影响，但可以确认表示出接近上述计算所示的假定热平衡的变化倾向。尤其是关于信号为大的R280的发光强度比，在空燃比小的过浓条件下该比几乎不变，但在1500～1900℃左右高的火焰温度下注重于自发光强度比R1280时，其值在0.20～0.32范围内，而且与成为自发光检测背景的炉壁的辐射强度相比足够强。所以，可知：通过注重于波长比大约310nm还要短的自发光，最好通过注重于波长比306nm还要短的自发光，就能完全用于检测稀薄燃烧中的火焰状态。
作为本发明的其它实施方式，例如也能组合使用多个特公昭44-1039号日本国专利公报所揭示的放电管型紫外线检测器9，代替上述高价的单色器5。该紫外线检测器9如图2所示，在透过紫外线的玻璃管中隔开规定间隔设置网眼状的阳极(正极)9a和阴极(负极)9b，同时封入彭宁混合气体。这种放电管型紫外线检测器9能检测的波长主要由阴极9b的材质而定。即，检测比阴极9b的材质所具有的功函数所规定的波长短的波长的紫外线。在如果欲限定检测波长区域时，其结构做成：检测光通过规定的光学带通滤光器后照在阴极9b上。另外，作为这种紫外线检测器9的驱动电路，例如可采用特公昭47-7878号日本国专利公报所揭示的内容。
即，紫外线检测器9的驱动例如通过如图3所示构成的驱动电路，外加300V左右的交流电压进行。于是紫外线检测器9仅在被照射大于等于某一强度特定波长的紫外线时，阳极(正极)9a和阴极(负极)9b之间发生放电电流。并利用该放电电流在电阻RL上产生压降，和与该电阻RL并联连接电容C一起工作，产生电压或电流。
顺便说明，这种放电管型紫外线检测器9通常无法根据紫外线强度得到对应的电流输出。但紫外线强度越强，紫外线检测器发生放电的几率就越大，故例如通过对放电时间计时，从而能得到与紫外线强度相对应的输出信号。
另外，和可改变检测波长的所述单色器5不同，上述紫外线检测器9通常只能检测特定的波长，若用两台具有和来自OH基的紫外区域的自发光光谱相同检测波长的紫外线检测器9，则能构成比单色器5还要便宜的装置。例如只要利用检测波长306nm附近的OH基发光的强度的检测器作为其中一台紫外线检测器9，利用检测波长280nm附近的OH基发光的强度的检测器作为其中另一台紫外线检测器9即可。如根据上述两台紫外线检测器9的检测结果算出两个波长的发光强度比，则能如上所述地求出发光强度比和火焰温度或空燃比间的关系。
再作为一种其它的实施方式，虽是一种特殊的使用方法，但也能使一台紫外线检测器9的检测波长改变。例如在能检测306nm和280nm两种波长的紫外线检测器9(例如用银作阴极9b的材料)中产生的现象是：当加上高电压时，对波长306nm的灵敏度也提高，而当外加电压下降时，对波长306nm的灵敏度也降低。利用这现象，例如在计测过程中，通过切换外加电压，能将一台紫外线检测器9用于检测不同的两个波长的紫外线。
上述实施方式中，是利用具有较窄检测波长区域的紫外线检测器9，对在特定波长产生波峰的每个单一的游离基发光，检测各自的发光强度。相反，在以下将叙述的其它实施方式中，是利用具有较宽检测波长区域的紫外线检测器9。当考虑到具有小于等于200nm的波长的紫外线在大气中衰减而无法检测时，例如：具有碳制阴极9b的紫外线检测器9能检测约200～280nm波长区域的紫外线、具有铜制阴极9b的紫外线检测器9能检测约200～300nm波长区域的紫外线、具有银制阴极9b的紫外线检测器9能检测约200～380nm波长区域的紫外线。因而，具有碳制阴极9b的紫外线检测器9检测在波长260nm具有波峰的游离基发光的OH(2、0)为主的波长区域的紫外线(在碳制阴极9b的极限波长280nm附近，由于检测灵敏度下降，所以在280nm上有波峰的游离基发光不起主要作用)。具有铜制阴极9b的紫外线检测器9检测在波长280nm具有波峰的游离基发光的OH(1、0)为主的波长区域的紫外线。具有银制阴极9b的紫外线检测器9检测在波长306nm具有波峰的游离基发光的OH(0、0)为主的波长区域的紫外线。因此，能采用(具有碳制阴极9b的紫外线检测器9的检测值)/(具有银制阴极9b的紫外线检测器9的检测值)作为上述发光强度比R260的代替值，并能采用(具有铜制阴极9b的紫外线检测器9的检测值)/(具有银制阴极9b的紫外线检测器9的检测值)作为上述发光强度比R280的代替值。通过这样，和前述的实施例一样，能求得发光强度比和火焰温度间的关系、或发光强度和空燃比间的关系。还有，该实施例中，因检测的波长区域较宽，故有可能检测出多个游离基发光。例如具有铜制阴极9b的紫外线检测器9检测在波长280nm有波峰的游离基发光OH(1、0)，同时还有可能检测在波长287nm有波峰的游离基发光OH(2、1)。在这样的情况下，如上所述改变加在紫外线检测器9上的电压，改变相对于波长的灵敏度进行测量，通过该测量数据之间的运算，能减少不需要的游离基发光对检测值的影响。
如上所述很明显，在本发明的火焰检测方法及火焰检测装置中，根据稀薄燃烧产生的火焰的自发光分量，计测A2∑+→X2II的OH带状光谱，通过判定其自发光强度比RI，就能确实地检测稀薄燃烧产生的火焰温度或空燃比。由此，在不受燃烧炉炉壁表面的热辐射影响、能简易而且确实地对各种稀薄燃烧的火焰进行检测的实际应用上，将会起相当大的作用。

Claims (5)

1.一种火焰检测方法，其特征在于，
从燃烧形成的火焰的自发光分量中分别计测同种游离基的波长不同的多个自发光强度，
求出所计测的各个波长的自发光强度相互间的比即发光强度比，
根据该发光强度比和火焰温度间的关系、及该发光强度比和所述燃烧所用混合气体的空燃比间的关系中的至少一种关系，检测火焰的状态。
2.如权利要求1所述的火焰检测方法，其特征在于，
所述自发光强度的计测是测量伴随电子从燃烧形成的激发态向基态跃迁移时的从特定种类游离基发出的自发光光谱。
3.如权利要求1所述的火焰检测方法，其特征在于，
所述自发光强度的计测是计测电子跃迁A2∑+→X2∏的OH带状光谱，
求出波长260nm附近的OH(2、0)、波长280nm附近的OH(1、0)、波长287nm附近的OH(2、1)、及波长306nm附近的OH(0、0)的自发光强度的相互间的比，检测火焰的状态。
4.如权利要求1所述的火焰检测方法，其特征在于，
注重于波长小于等于约310nm的OH带状光谱，检测火焰的状态。
5.一种火焰检测装置，其特征在于，包括
从燃烧形成的火焰的自发光分量中分别检测同种游离基的波长不同的多个自发光强度的紫外线检测器；
根据该紫外线检测器的检测信号求出各个波长的自发光强度、并根据这些自发光强度相互间的比和火焰温度间的关系及该比和所述燃烧所用混合气体的空燃比间的关系中的至少一种关系检测所述火焰状态处理装置。
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