DE10110181A1

DE10110181A1 - Measurement arrangement especially for monitoring flames during burning process, has housing with video camera and glass fiber camera using same borescope for monitoring flames

Info

Publication number: DE10110181A1
Application number: DE2001110181
Authority: DE
Inventors: Franz Wintrich
Original assignee: Powitec Intelligent Technologies GmbH
Current assignee: Powitec Intelligent Technologies GmbH
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2002-09-12
Also published as: DE20109685U1

Abstract

The arrangement has a housing (3) with a video camera (11) and a borescope (5) for monitoring flames. A glass fiber camera (21) is also arranged in the housing and is used for recording the image of the flames using the same borescope.

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des An spruches 1.The invention relates to a measuring device with the features of the preamble of the saying 1.

Aus der DE 38 23 494 C2 ist eine Meßvorrichtung dieser Art bekannt, bei welcher durch eine sogenannte Flammenspiegelung zahlreiche Parameter gemessen werden, um einen funktionellen Zusammenhang dieser Parameter mit den Zielgrößen der Regelung zu er mitteln.From DE 38 23 494 C2 a measuring device of this type is known, in which by a so-called flame reflection numerous parameters can be measured to a functional relationship of these parameters with the target values of the control system convey.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der ein gangs genannten Art zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch eine Meßvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Ge genstand der Unteransprüche.The present invention has for its object to provide a measuring device to improve the type mentioned above. This task is performed using a measuring device solved the features of claim 1. Further advantageous configurations are Ge subject of the subclaims.

Dadurch, daß innerhalb des Gehäuses eine Glasfaserkamera zur Erfassung des Bildes der Flamme angeordnet ist, welche den gleichen optischen Zugang verwendet, können zusätzliche Informationen über die gleiche Flamme gewonnen werden, die zumindest in gewissem Maße ortsaufgelöst sind, aber vor allem mit einer höheren Zeitauflösung als mit der auf 25 Hz festgelegten Videokamera ermittelt werden können. Der Begriff "optisch" soll in diesem Zusammenhang nicht auf den sichtbaren Wellenlängenbereich beschränkt sein. Die aus den verschiedenen Aufnahmegeräten mit gleichem optischen Zugang, zu denen noch weitere Aufnahmegeräte hinzugefügt werden können, gewonne nen Daten können natürlich untereinander korreliert werden, um weitere Informationen zu gewinnen. Die Informationen können dann für eine Regelung des Verbrennungspro zesses eingesetzt werden. Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf Verbrennungspro zesse beschränkt, sondern sie kann auch für andere thermische Prozesse, z. B. Verwirbe lungen von heißer Luft, oder beispielsweise für Lichtmodulationsanalysen eingesetzt werden. Die entsprechenden Erscheinungen werden dann anstelle der Flamme beobach tet.The fact that within the housing a fiber optic camera to capture the image of Flame that uses the same optical access can be arranged additional Information about the same flame that is obtained at least in are spatially resolved to a certain extent, but above all with a higher time resolution than can be determined with the video camera set to 25 Hz. The term In this context, "optical" should not refer to the visible wavelength range be limited. The one from the different recording devices with the same optical Access to which further recording devices can be added was won Data can of course be correlated with each other for more information to win. The information can then be used to regulate the combustion pro process. The application of the invention is not to combustion pro processes, but it can also be used for other thermal processes, e.g. B. Swirls lungs of hot air, or used for example for light modulation analyzes become. The corresponding phenomena are then observed instead of the flame tet.

Vorzugsweise ist zur Einsparung einer Kühlvorrichtung das Gehäuse außerhalb eines die Flamme umschließenden Kessels angeordnet und als optischer Zugang eine zwischen dem Kessel und dem Gehäuse verlaufende, gemeinsame Abbildungsoptik vorgesehen, welche sich innerhalb des Gehäuses mit einem Strahlteiler fortsetzt, der auf die Video kamera und auf die Glasfaserkamera abbildet. Die Glasfaserkamera, welche vorzugswei se mehrere zu einer Matrix angeordnete Glasfasern umfaßt, kann für eine ortsaufgelöste Spektroskopie und/oder für eine zeitaufgelöste Detektion für hochfrequente Vorgänge verwendet werden.To save a cooling device, the housing is preferably outside of the Flame enclosing boiler and arranged as an optical access between common imaging optics running the boiler and the housing are provided, which continues inside the case with a beam splitter that points to the video mapped camera and on the fiber optic camera. The glass fiber camera, which is preferably two se comprises a plurality of glass fibers arranged in a matrix, for a spatially resolved Spectroscopy and / or for a time-resolved detection for high-frequency processes be used.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigenThe invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment. It demonstrate

Fig. 1 einen schematischen Aufbau des Ausführungsbeispiels, und Fig. 1 shows a schematic structure of the embodiment, and

Fig. 2 ein Blockschaltbild mit dem eingebundenen Ausführungsbeispiel. Fig. 2 is a block diagram with the integrated embodiment.

Eine Meßvorrichtung zur Flammenbeobachtung während eines Verbrennungsprozesses ist im folgenden als Multisensor 1 bezeichnet. Der Multisensor 1 weist ein Gehäuse 3 auf, welches auf seiner Außenseite mit verschiedenen Anschlüssen versehen ist. Am Multi sensor 1 ist ein Boroskop 5 angeschlossen, dessen vom Multisensor 1 abgewandtes Ende durch die Wand eines Kessels K oder dergleichen gesteckt und innerhalb desselben ange ordnet ist. Die im Broskop 5 enthaltene Abbildungsoptik bildet die Strahlung einer Flamme F, welche im Kessel K während dessen Betrieb entsteht, in das Innere des Ge häuses 3 des Multisensors 1 ab. Der Multisensor 1 selber ist mit einem gewissen Abstand soweit außerhalb des Kessels K angeordnet, daß keine spezielle Kühlung für den Multi sensor 1 notwendig ist.A measuring device for flame observation during a combustion process is referred to below as a multisensor 1 . The multisensor 1 has a housing 3 , which is provided on the outside with various connections. On multi-sensor 1, a borescope 5 is connected, whose end remote from the multi-sensor 1 inserted through the wall of a boiler or the like and K is within the same is arranged. The imaging optics contained in the microscope 5 form the radiation of a flame F, which arises in the boiler K during its operation, into the interior of the housing 3 of the multisensor 1 . The multi-sensor 1 itself is arranged at a certain distance so far outside the boiler K that no special cooling for the multi-sensor 1 is necessary.

Die durch das Boroskop 5 in den Multisensor 1 einfallende Strahlung wird in einem Strahlteiler 7 geteilt. Ein Teil der einfallenden Strahlung tritt durch den halbdurchlässigen Spiegel des Strahlteilers 7 und durch eine dahinter angeordnete, steuerbare, erste Blende 9 hindurch und fällt in eine Videokamera 11, im Ausführungsbeispiel eine 3-Chip-CCD- Kamera. Das Signal der Videokamera 11, im folgenden als Videosignal bezeichnet, wird zum einen durch einen ersten Videoausgang 13 aus dem Gehäuse 3 heraus zu einem Bild schirm M geführt, welcher ein Live-Bild darstellt. Zum anderen wird das Videosignal durch einen zweiten Videoausgang 15 aus dem Gehäuse 3 heraus zu einer Thermogra phieeinheit T geführt, wo die Temperatur der Flamme F bestimmt wird. Zur Kalibrierung kann vorab von einem innerhalb oder außerhalb des Multisensors 1 angeordneten Farbstrahler 17 über den Strahlteiler 7 ein monochromatischer Strahl in die Videokamera 11 geleitet werden, welcher dann als Referenz für die Temperaturbestimmung dient.The radiation incident into the multisensor 1 through the boroscope 5 is divided in a beam splitter 7 . Part of the incident radiation passes through the semitransparent mirror of the beam splitter 7 and through a controllable first diaphragm 9 arranged behind it and falls into a video camera 11 , in the exemplary embodiment a 3-chip CCD camera. The signal of the video camera 11 , hereinafter referred to as a video signal, is passed on the one hand through a first video output 13 out of the housing 3 to an image screen M which represents a live image. On the other hand, the video signal is passed through a second video output 15 out of the housing 3 to a thermography unit T, where the temperature of the flame F is determined. For calibration, a monochromatic beam can be directed into the video camera 11 in advance from a color emitter 17 arranged inside or outside the multisensor 1 via the beam splitter 7 , which then serves as a reference for the temperature determination.

Ein anderer Teil der in den Strahlteiler 7 einfallenden Strahlung wird vom halbdurchläs sigen Spiegel reflektiert und gelangt durch eine steuerbare, zweite Blende 19 in eine Glasfaserkamera 21. Die Glasfaserkamera 21 gleicht vom Aufbau der Optik her einer Videokamera, hat jedoch in der Bildebene anstelle der lichtempfindlichen Schichten eine Matrix 23 mit den Enden mehrerer Glasfasern 25. Das Bild der Flamme F wird so orts aufgelöst auf die Glasfasern 25 übertragen. Etwa die Hälfte der Glasfasern 25 ist zu einer Spektrometereinheit S geführt, wo das Signal jeder einzelnen Glasfaser 25 in einem frei wählbaren Spekralbereich (infrarot bis ultraviolett) spektral aufgelöst wird, beispielswei se online in individuellen Spektrometern. Aus den durch das Verhältnis von Absorption und Emission bestimmten Spektren können verschiedene Informationen gewonnen wer den, welche vorliegend ortaufgelöst sind. Alle Spektren werden zur gleichen Zeit für ver schiedene Orte erstellt und können somit instationäre Vorgänge abbilden.Another part of the radiation incident in the beam splitter 7 is reflected by the semi-transparent mirror and passes through a controllable, second aperture 19 into a glass fiber camera 21 . The optical fiber camera 21 has the same optical structure as a video camera, but has a matrix 23 with the ends of several optical fibers 25 instead of the light-sensitive layers in the image plane. The image of the flame F is thus transferred to the glass fibers 25 in a spatially resolved manner. About half of the glass fibers 25 are led to a spectrometer unit S, where the signal of each individual glass fiber 25 is spectrally resolved in a freely selectable spectral range (infrared to ultraviolet), for example online in individual spectrometers. From the spectra determined by the ratio of absorption and emission, various information can be obtained, which is locally resolved in the present case. All spectra are created at the same time for different locations and can therefore depict transient processes.

Die andere Hälfte der Glasfasern 25 dient der Analyse der Verwirbelungen (Turbulenzen) im Kessel K, und wird daher zu einer Auswerteeinheit A geführt, wo beispielsweise die Glasfasern 25 zusammengeführt werden und das gemeinsame Signal zeitaufgelöst detek tiert wird, um mittels einer Time-Delay-Neuronal-Network-Analysis und/oder einer Joint- Time-Frequency-Analysis weiterverarbeitet werden zu können.The other half of the glass fibers 25 is used to analyze the turbulence in the boiler K, and is therefore led to an evaluation unit A, where, for example, the glass fibers 25 are brought together and the common signal is detected in a time-resolved manner in order to use a time delay Neural network analysis and / or a joint time frequency analysis to be processed.

Der Multisensor 1, die Thermographieeinheit T, die Spektrometereinheit 5 und die Aus werteeinheit A sind mit einer Rechnereinheit C verbunden, welche die entsprechenden Auswertungen der gemessenen Prozeßparameter vornimmt, beispielsweise mittels eines implementierten neuronalen Netzes, und zur Regelung des Verbrennungsprozesses im Kessel K über eine Rückkopplung R die Stellvorrichtungen des Kessels K betätigt, bei spielsweise ein Ventil V für die Primärluft.The multisensor 1 , the thermography unit T, the spectrometer unit 5 and the evaluation unit A are connected to a computer unit C which carries out the corresponding evaluations of the measured process parameters, for example by means of an implemented neural network, and for regulating the combustion process in the boiler K via feedback R actuates the actuators of the boiler K, for example a valve V for the primary air.

Claims

1. Measuring device, in particular for flame observation during a combustion process, with a housing ( 3 ), an inside the housing ( 3 ) arranged th video camera ( 11 ) and an optical access ( 5 ) to the flame (F) to be observed, characterized That a glass fiber camera ( 21 ) for detecting the image of the flame (F) is arranged within the housing ( 3 ), which uses the same optical access ( 5 ).

2. Measuring device according to claim 1, characterized in that the housing ( 3 ) is arranged outside a flame (F) surrounding the boiler (K).

3. Measuring device according to claim 2, characterized in that between the boiler (K) and the housing ( 3 ) extending imaging optics ( 5 ) is provided as optical access.

4. Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that within the housing ( 3 ) a beam splitter ( 7 ) is provided which on the one hand the radiation of the flame (F) to the video camera ( 11 ) and on the other hand the glass fiber camera ( 21 ) transmitted.

5. Measuring device according to claim 4, characterized in that between the beam splitter ( 7 ) and the video camera ( 11 ) and between the beam splitter ( 7 ) and the glass fiber camera ( 21 ) controllable diaphragms ( 9 , 19 ) are provided.

6. Measuring device according to claim 4 or 5, characterized in that the videoka mera ( 11 ) provides a signal for a live image of the flame (F) and / or for a thermography unit (T) for temperature determination.

7. Measuring device according to claim 6, characterized in that for the calibration of the thermography unit (T) the signal of a color radiator ( 17 ) is fed into the measuring device ( 1 ).

8. Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that at least part of the glass fibers ( 25 ) of the glass fiber camera ( 21 ) is connected to at least a spectrometer unit ( 5 ) to make a spatially resolved spectroscopy.

9. Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one glass fiber ( 25 ) is connected to an evaluation unit (A) with time-resolved detection to the data thus obtained with a time delay neuronal network analysis and / or to further process a joint time frequency analysis.

10. Control device with a measuring device ( 1 ) according to one of the preceding claims, with on the measuring device ( 1 ) connected evaluation units (M, T, S, A) and with a computer unit (C) which on actuating devices (V) one of the flame (F) enclosing the boiler (K) is fed back, the computer unit (C) using the data from the evaluation units (M, T, S, A) to regulate the combustion process in the boiler (K).