CN219996876U - 一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置，属于燃烧火焰参数测量领域。所述装置包括设置在风冷罩上的光学镜头组、火焰温度测量模块、碱金属浓度测量模块、光谱测量模块和计算机；其中，所述光学镜头组的光学信号输出端分别对应与所述火焰温度测量模块、碱金属浓度测量模块和光谱测量模块的光学信号输入端相连；所述火焰温度测量模块、碱金属浓度测量模块和光谱测量模块的测量信号输出端均与所述计算机的测量信号输入端相连。该装置实现燃烧过程中火焰的温度与气相碱金属的同时测量，对锅炉内污染物控制、结渣预测与防控等有重要意义，有利于锅炉运行人员优化调整燃烧工况，对实际燃烧设备的高效、安全运行意义重大。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃烧火焰参数测量技术领域，特别涉及一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置。
背景技术
煤、生物质以及固体废弃物燃料均含有大量的碱金属成分，主要以钾(K)和钠(Na)为主，如新疆准东煤中钠元素含量高于5％，生物质燃料中钾元素含量高于2％。在上述燃料燃烧过程中，燃料中的碱金属在高温下，极易挥发，逸出的碱金属通过逸散作用到达管壁，与烟气中的三氧化硫、飞灰中的氧化铁、氧化铝反应，形成多种含有碱金属元素的复合硫酸盐。温度也同样是上述燃料燃烧过程中的重要参数，温度对部分污染物的产生起决定性作用，而且燃烧温度过高超过灰分的熔融温度加重锅炉内结渣。因此，在燃烧过程中，火焰的温度与气相碱金属的同时测量，对锅炉内污染物控制、结渣预测与防控等有重要意义，有利于锅炉运行人员优化调整燃烧工况，对实际燃烧设备的高效、安全运行意义重大。
关于燃烧过程中温度与碱金属的检测，现有技术主要有基于激光激发光谱和基于火焰自发射光谱。基于激光激发光谱利用激光激发组分，检测元素更多，精度较高，但激光激发光谱检测的缺点主要是无法解决在工业现场的光学清洁度与高温问题。而基于火焰自发射光谱非常简单，价格低廉，对环境清洁度要求较低，易于在工业现场应用。现有多种基于燃烧自发射光谱法的温度与气相碱金属检测装置，例如，在CN111551507A中，公开了一种针对固体废弃物炉内燃烧碱金属浓度测量装置，该系统使用分束镜组，使光分成三路并分别到达彩色CCD、碱金属浓度测量模块与光谱测量模块，结构紧凑，但其内部光学设备较多，结构复杂。现有的技术在实时输出碱金属的释放特性方面仍存在不足，基本上为离线分析，数据的实时性不够，而现有的温度测量技术同样存在这样的不足。
实用新型内容
本实用新型提供了一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置，用以解决对锅炉燃烧火焰的温度与气相碱金属浓度的同时在线检测的问题。为了实现该目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置包括，设置在风冷罩上的光学镜头组、火焰温度测量模块、碱金属浓度测量模块、光谱测量模块和计算机；其中，所述光学镜头组的光学信号输出端分别对应与所述火焰温度测量模块、碱金属浓度测量模块和光谱测量模块的光学信号输入端相连；所述火焰温度测量模块、碱金属浓度测量模块和光谱测量模块的测量信号输出端均与所述计算机的测量信号输入端相连。
优选地，所述风冷罩连接在燃烧锅炉外壁处。
优选地，所述光学镜头组包括针孔镜头和分束镜组；所述针孔镜头的光学信号输出端与分束镜组光学信号输入端相连；所述分束镜组中包括分束镜A、分束镜B与分束镜C。
优选地，所述火焰温度测量模块包括红外探测器、信号预处理设备、红外热像仪与存储设备；其中，所述红外探测器的输入端与分束镜A的输出端相连，红外探测器的输出端与信号预处理设备输入端相连，信号预处理设备输出端与红外热像仪输入端相连，红外热像仪输出端最终与存储设备输入端相连。
优选地，所述碱金属浓度测量模块包括窄带滤波片和CCD相机；其中分束镜B输出端与窄带滤波片输入端相连，CCD相机输入端与滤波片输出端相连。
优选地，所述的窄带滤波片包括窄带滤波片a和窄带滤波片b；其中，所述窄带滤波片a为碱金属钠所对应的波片波长为590nm的波片，窄带滤波片b为碱金属钾所对应的波片波长为768nm的波片。
优选地，所述光谱测量模块包括光谱传感器、光纤探头和光谱仪；其中由分束镜C输出端与光谱传感器输入端相连，光纤探头输入端通过光纤与光谱传感器输出端相连，光纤探头输出端最终与光谱仪输入端相连。
优选地，所述光谱仪AvaSpec-2048光谱仪包括光纤接头、准直镜、聚焦镜和衍射光栅；光纤接头末端分别与准直镜接口和聚焦镜接口连接，所述准直镜和聚焦镜与衍射光栅前端直接连接。
优选地，所述AvaSpec-2048光谱仪测量波长范围200-1100nm。
优选地，所述火焰温度测量模块的红外热像仪和所述碱金属浓度测量模块的CCD相机测量视场相同，测量位置一一对应。
优选地，光学镜头组中经过的所有光学元件对可见光的透过率相等，且锅炉燃烧火焰辐射光到三个测量模块的光程相等。
本实用新型的有益效果为：
本实用新型一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置，能够实现锅炉炉内温度和碱金属浓度的同时测量，提供的装置通过光谱设备获得可见光波段的光谱强度，经过解耦分离出连续光谱与气相碱金属的窄带光谱峰，以此计算燃烧火焰温度与气相碱金属浓度；通过计算机与数据传输模块进行在线测量，可以用来指导燃烧调整，测量原理简单，装置紧凑，应用场景广泛，易推广。
附图说明
图1为：本实用新型所述一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置的系统框图。
具体实施方式
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”和“竖着”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，亦可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”、“多组”、“多根”的含义是两个或两个以上。
以下实施方式中所用材料、仪器和方法，未经特殊说明，均为本领域常规材料、仪器和方法，均可通过商业渠道获得。
下面结合具体实施例对本实用新型做进一步说明，但本实用新型不受实施例的限制。
本实施例的一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置包括，设置在风冷罩上的光学镜头组、火焰温度测量模块、碱金属浓度测量模块、光谱测量模块和计算机；其中，所述光学镜头组的光学信号输出端分别对应与所述火焰温度测量模块、碱金属浓度测量模块和光谱测量模块的光学信号输入端相连；所述火焰温度测量模块、碱金属浓度测量模块和光谱测量模块的测量信号输出端均与所述计算机的测量信号输入端相连。
所述风冷罩连接在燃烧锅炉外壁处，防止锅炉燃烧温度过高损毁测量设备进行冷却。火焰温度测量模块，记录并测量锅炉内燃烧的火焰温度；碱金属浓度测量模块，测量锅炉燃烧火焰中碱金属浓度；光谱测量模块，测量燃烧火焰辐射光谱；计算机，处理分析锅炉内燃烧时的火焰辐射光谱，经过解耦分离出连续光谱与气相碱金属的窄带光谱峰，以此计算燃烧火焰温度与气相碱金属浓度。本装置能够实现锅炉炉内温度和碱金属浓度的同时测量，提供的装置通过光谱设备获得可见光波段的光谱强度，经过解耦分离出连续光谱与气相碱金属的窄带光谱峰，以此计算燃烧火焰温度与气相碱金属浓度。
所述光学镜头组包括针孔镜头1和分束镜组2；所述针孔镜头1的光学信号输出端与分束镜组2光学信号输入端相连，针孔镜头1采集锅炉燃烧的火焰可视光；所述分束镜组2中包括分束镜A、分束镜B与分束镜C，锅炉内燃烧火焰经风冷罩冷却后依次进入针孔镜头采集，分束镜组分为三路光分别到达火焰温度测量模块、碱金属浓度测量模块和光谱测量模块。
所述分束镜A通过反射和折射将经过针孔镜头的火焰幅射光分为三分之一束幅射光到达火焰温度测量模块中的红外探测器3；分束镜B通过反射和折射将经过针孔镜头的火焰幅射光分为三分之一束幅射光到达碱金属浓度测量模块中的窄带滤波片7；分束镜C通过反射和折射将经过针孔镜头的火焰幅射光分为三分之一束幅射光到达光谱测量模块的光谱传感器9；通过光束分离，使到达每一个测量模块的火焰幅射光均来自同一源头，并且保障每一束光均匀且充足，进而减小测量模块中各测量结果的误差大小，最大限度使碱金属浓度与火焰温度的准确性得到保证。
所述火焰温度测量模块包括红外探测器3、信号预处理设备4、红外热像仪5与存储设备6；其中，所述红外探测器3的输入端与分束镜A的输出端相连，红外探测器3的输出端与信号预处理设备4输入端相连，信号预处理设备4输出端与红外热像仪5输入端相连，红外热像仪5输出端最终与存储设备6输入端相连；经分束镜A处理的火焰幅射光受到红外探测器感应，将接收的火焰辐射光转换成电信号，电信号到达信号预处理设备进行第一次筛选保存处理并实现红外成像，经过信号预处理设备筛选成功的红外图像到达红外热像仪，红外热像仪对于每个像点都可以根据其红外辐射计算出相应的温度，最终由红外热像仪计算出的结果到达存储设备，保留有效计算结果。
所述碱金属浓度测量模块包括窄带滤波片7和CCD相机8；其中分束镜B输出端与窄带滤波片7输入端相连，CCD相机8输入端与滤波片7输出端相连；窄带滤波片7包括窄带滤波片a和窄带滤波片b；其中，所述窄带滤波片a为碱金属钠所对应的波片波长为590nm的波片，窄带滤波片b为碱金属钾所对应的波片波长为768nm的波片；经分束镜B处理的火焰幅射光分别进入窄带滤波片a和窄带滤波片b过滤出金属钠和金属钾的火焰幅射光，过滤过后的火焰幅射光到达CCD相机8，CCD相机8记录的碱金属辐射光强反映碱金属的浓度。
所述窄带滤波片a为碱金属钠所对应的波片波长为590nm的波片，通过过滤由分束镜B2进入的火焰幅射光中除金属钠波长范围内其他元素的火焰幅射光，保留仅含有金属钠的火焰幅射光；窄带滤波片b为碱金属钾所对应的波片波长为768nm的波片，通过过滤由分束镜B2进入的火焰幅射光中除金属钾波长范围内其他元素的火焰幅射光，保留仅含有金属钾的火焰幅射光；通过上述窄带滤波片的滤光操作，能够有效降低到达CCD相机8中的火焰幅射光的复杂性，防止最终测量结果因掺杂其他元素的火焰幅射光而导致的数据不精准，提高碱金属浓度的准确性，进而提高最终计算机内分析处理的效率。
所述光谱测量模块包括光谱传感器9、光纤探头10和光谱仪11；其中由分束镜C输出端与光谱传感器9输入端相连，光纤探头10输入端通过光纤与光谱传感器9输出端相连，光纤探头10输出端最终与光谱仪11输入端相连；经分束镜C处理的火焰幅射光进入光谱传感器9接受光信号，当光谱传感器9接收到光信号时，将光信号通过光纤传导至光纤探头10转化为光谱信号，光谱信号最终到达光谱仪，所述光谱仪用AvaSpec-2048光谱仪连续检测某燃煤电厂锅炉燃烧火焰的自发射光谱，测量物体的辐射光谱。
所述火焰温度测量模块、碱金属浓度测量模块和光谱测量模块的测量信号输出端均与所述计算机的测量信号输入端相连；经所述三个模块测量的数据结果最终到达计算机，计算机与数据传输模块连接，根据现有的辐射理论所建立的碱金属发射谱线强度计算公式，以此计算燃烧火焰温度与气相碱金属浓度。
所述火焰温度测量模块的红外热像仪5和所述碱金属浓度测量模块的CCD相机8测量视场相同，测量位置一一对应；通过相同场景下的测量方式，使火焰温度与碱金属浓度的测量结果得到保证，减少了来自未知情境下环境因素对测量仪器造成的影响，提高测量标准的准确性。
所述光学镜头组中经过的所有光学元件对可见光的透过率相等，且锅炉燃烧火焰辐射光到三个测量模块的光程相等；通过统一光学元件的透过率，避免了由于光学元件内部因素的差异造成的测量结果不准确，进一步规范了进入测量模块的火焰幅射光的统一性，大大提高了测量结果乃至后续计算机计算结果的准确性。
为了对锅炉炉内温度和碱金属浓度进行全方位监测，可以根据测量要求，在锅炉内布置多套火焰温度测量模块、碱金属浓度测量模块和光谱测量模块；通过对锅炉炉内温度和碱金属浓度进行在线测量，可以指导燃烧调整，避免受热面的碱金属腐蚀，实现固体废弃物燃料的高效、清洁利用。另外，本实用新型提出的一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置仅是对硬件结构进行改进，本实用新型提出的一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置在检测过中所涉及的所有检测装置均为本领域已有检测装置，本实用新型未对任何装置进行改进。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置，其特征在于，所述装置包括设置在风冷罩上的光学镜头组、火焰温度测量模块、碱金属浓度测量模块、光谱测量模块和计算机；其中，所述光学镜头组的光学信号输出端分别对应与所述火焰温度测量模块、碱金属浓度测量模块和光谱测量模块的光学信号输入端相连；所述火焰温度测量模块、碱金属浓度测量模块和光谱测量模块的测量信号输出端均与所述计算机的测量信号输入端相连。
2.根据权利要求1所述一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置，其特征在于，所述风冷罩连接在燃烧锅炉外壁处。
3.根据权利要求1所述一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置，其特征在于，所述光学镜头组包括针孔镜头(1)和分束镜组(2)；所述针孔镜头(1)的光学信号输出端与分束镜组(2)光学信号输入端相连；所述分束镜组(2)中包括分束镜A、分束镜B与分束镜C。
4.根据权利要求3所述一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置，其特征在于，所述火焰温度测量模块包括红外探测器(3)、信号预处理设备(4)、红外热像仪(5)与存储设备(6)；其中，所述红外探测器(3)的输入端与分束镜A的输出端相连，红外探测器(3)的输出端与信号预处理设备(4)输入端相连，信号预处理设备(4)输出端与红外热像仪(5)输入端相连，红外热像仪(5)输出端最终与存储设备(6)输入端相连。
5.根据权利要求3所述一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置，其特征在于，所述碱金属浓度测量模块包括窄带滤波片(7)和CCD相机(8)；其中分束镜B输出端与窄带滤波片(7)输入端相连，CCD相机(8)输入端与滤波片(7)输出端相连。
6.根据权利要求5所述一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置，其特征在于，所述碱金属浓度测量模块窄带滤波片(7)包括窄带滤波片a和窄带滤波片b；其中，所述窄带滤波片a为碱金属钠所对应的波片波长为590nm的波片，窄带滤波片b为碱金属钾所对应的波片波长为768nm的波片。
7.根据权利要求3所述一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置，其特征在于，所述光谱测量模块包括光谱传感器(9)、光纤探头(10)和光谱仪(11)；其中由分束镜C输出端与光谱传感器(9)输入端相连，光纤探头(10)输入端通过光纤与光谱传感器(9)输出端相连，光纤探头(10)输出端最终与光谱仪(11)输入端相连。
8.根据权利要求7所述一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置，其特征在于，所述光谱测量模块AvaSpec-2048光谱仪包括光纤接头、准直镜、聚焦镜和衍射光栅；光纤接头末端分别与准直镜接口和聚焦镜接口连接，所述准直镜和聚焦镜与衍射光栅前端直接连接。
9.根据权利要求7所述一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置，其特征在于，所述光谱测量模块AvaSpec-2048光谱仪测量波长范围200-1100nm。
10.根据权利要求1所述一种基于光谱解耦的碱金属与温度同时测量的装置，其特征在于，所述火焰温度测量模块的红外热像仪(5)和所述碱金属浓度测量模块的CCD相机(8)测量视场相同，测量位置一一对应。
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| CN (1) | CN219996876U (zh) |
-
2023
- 2023-04-28 CN CN202321020594.3U patent/CN219996876U/zh active Active
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |