DE60302507T2

DE60302507T2 - Emissivitätsmesssonde

Info

Publication number: DE60302507T2
Application number: DE60302507T
Authority: DE
Inventors: John T. Sugar Grove Huston; Simon F. Lancaster Youssef
Original assignee: Diamond Power International Inc
Current assignee: Diamond Power International Inc
Priority date: 2002-08-13
Filing date: 2003-08-12
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2023-08-13
Also published as: US6909495B2; CA2437327C; DE60302507D1; AU2003235010A1; EP1391720B1; CA2437327A1; ATE311593T1; US20040032583A1; AU2003235010B2; EP1391720A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft eine Emissivitätsmesssonde (vorliegend auch als Emissionsvermögen-Ermittlungssonde bezeichnet), die unter Evaluieren optischer Eingangssignale dazu ausgelegt ist, den Zustand von Innenseiten großer Verbrennungsvorrichtungen, wie etwa Vielzweck- und Prozesskesseln zu evaluieren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Beim Betrieb großer Verbrennungsvorrichtungen, wie etwa Kohleverbrennungskesseln, besteht ein kontinuierlicher Aufbau von Schlackeabscheidungen auf ihren Innenwänden sowie Wärmeübertragungswänden. Wenn sich Schlacke auf diesen Flächen aufbaut, reflektiert die Schlackeschicht einen Teil der in dem Kessel durch Verbrennung erzeugten Strahlungswärmeenergie, wodurch durch den Kessel weniger Dampf und Wärmeabgabeleistung erzeugt wird. Es ist deshalb wichtig, die Schlackeschicht periodisch zu entfernen, um einen effizienten Betrieb aufrecht zu erhalten.
Verschiedene Mittel zum Ermitteln des Vorliegens einer Schlackenentwicklung auf Innenseiten von Verbrennungsvorrichtungen sind entwickelt worden. Ein Ansatz besteht darin, die verschiedenen Betriebsparameter des Kessels zu überwachen, die eine indirekte Anzeige für die Entwicklung dieser Schlacke bereitstellen, da der Wirkungsgrad dadurch beeinträchtigt wird. Wenn Schlackenabscheidungen einen Punkt erreichen, bei dem ein Reinigungsvorgang notwendig ist, werden verschiedene Reinigungstechniken eingesetzt. Beispielsweise werden Rußgebläsesysteme verwendet, die einen Reinigungsmediumfluidstrahl auf die Flächen richten, wie etwa Luft, Dampf oder Wasser. Diese Fluide entfernen Schlacke durch eine Kombination aus Abschrecken, wodurch die Beschichtung brüchig wird, mit mechanischer Stoßenergie, die dafür sorgt, dass Verkrustungen ihre Haftung an den Flächen verlieren und herunterfallen. Weitere Ansätze umfassen mechanisches Ziehen und Rüttler, die die Flächen in Vibration versetzen, um die Schichten zu entfernen.
Für einen effizienten Kesselbetrieb ist es erwünscht, die Flächen nur dann zu reinigen, wenn dies erforderlich ist. In diesem Sinne offenbart die US 5110365 eine Steuervorrichtung zur Ofenreinigung. Ein Betrieb von Rußgebläsen bei nicht genutztem Kessel verursacht eine Verringerung des Wirkungsgrads für den Kessel, wenn er genutzt wird. Das Betreiben von Reinigungssystemen, die strikt auf Zeit- oder anderen indirekten Messungen beruhen, kann zu einem Betätigen der Vorrichtungen gemäß einem Zeitplan erfolgen, was nicht optimal ist.
Es ist bekannt, dass die Innenseite eines Kessels unter Verwendung von Kameras abgebildet werden kann, die auf Infrarotlicht empfindlich sind. Diese Vorrichtungen verwenden ein Objektiv, das in dem Kessel angeordnet ist und die Wandoberfläche des Kessels abtastet. Die US 3021386 beschreibt ein Kesselöffnungsbetrachtungssystem. Obwohl diese Systeme in zahlreichen Anwendungen effektiv sind, haben sie den Nachteil hoher Kosten und mangelnder Kompetenz, wobei sie außerdem eine komplexe Bildverarbeitung erfordern. Da die abgebildete Wand typischerweise zu der Objektivlinse eine Distanz aufweist, können Störungen, wie etwa der Feuerball oder Verbrennungsprodukte in dem Kessel, mit der klaren Sichtbarkeit der abzubildenden Oberflächen interferieren. Dieses Problem ist insbesondere in der FR 2564970 angesprochen. Diese Kameras be sitzen üblicherweise Linsentuben eines Durchmessers von zwei Inch (zwei Zoll) oder mehr was Installationsschwierigkeiten beim Einführen durch die Kesselaußenwandung mit sich bringt.
Ein weiterer Ansatz im Hinblick auf die Ermittlung des Zustands der Reinheit von Kesselinnenseiten sieht die Nutzung so genannter Wärmeflusssensoren vor. Diese Vorrichtungen sind typischerweise Thermoelemente, die an Dampfrohren angebracht sind, die den durch den Kessel erzeugten Dampf führen. Wenn die Temperatur der Innenseite des Kessels und des Dampfes, der in dem Rohr benachbart zu dieser Oberfläche geführt ist, sich einander annähern, ist es bekannt, dass die Wärmeübertragungsrate von dem Verbrennungsprozess in dem Kessel verringert worden ist. Dies bildet eine indirekte Anzeige für die Entwicklung von Schlackeverkrustungen und kann zum Aktivieren von Reinigungssystemen herangezogen werden.
Es besteht ein Bedarf auf diesem Gebiet der Technik, zusätzliche Mechanismen zum Ermitteln von Schlackenaufbau auf Innenseiten von Verbrennungssystemen, einschließlich kohlegefeuerte Kessel zu schaffen. Die Vorrichtung sollte idealerweise relativ kostengünstig herstellbar, installierbar und nutzbar sein; sie sollte dauerhaft sein, weniger Wartung erfordern und zuverlässig sein sowie das Vorliegen von Schlackenentwicklung exakt ermitteln.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit dieser Erfindung wird eine Emissivitätsmesssonde zur Kesselwandüberwachung in Übereinstimmung mit dem Anspruch 1 bereitgestellt. Die Vorrichtung nutzt ein Paar von Führungen bzw. Leiteinrichtungen, wobei eine optische Führung bzw. Leiteinrichtung zur Infrarotstrahlung von dem internen Feuerball im Kesselinneren weist und diese Strahlung empfängt. Die weitere optische Führung ist so ausgerichtet, dass sie Strahlung empfängt, die von der Wandoberfläche reflektiert wird. Fotodetektoren empfangen Licht, das durch die optischen Führungen übertragen wird, und sie erzeugen eine elektrische Signalabgabe. Durch Vergleichen des Differenzverhältnisses dieser Abgaben bzw. Ausgangssignale kann ein Maß für den Grad, mit dem die Oberfläche Strahlung reflektiert, entwickelt werden. Bevorzugt ist die Sonde empfindlich auf Strahlung im Infrarotspektralbereich und über ein Strahlungsband in einem Wellenlängenbereich von 0,4 bis 4,0 μm. Die maximale Empfindlichkeit liegt bei etwa 1,45 μm und ist insbesondere geeignet, weil sie der maximalen Strahlung von einer Quelle bei etwa 300°F entspricht. Schlackenverkrustungen, die ein hohes Reflektionsvermögen der Oberflächen hervorrufen, beeinträchtigen die Wärmeübertragung durch die Wand weshalb diese Verkrustungen periodisch entfernt werden müssen. Die Emissivitätsmesssonde in Übereinstimmung mit dieser Erfindung stellt ein Paar von einzelnen Kanalausgängen bzw. Ausgangssignalen von Fotodioden bereit, die problemlos verarbeitbar sind, um Steuereingaben bzw. -eingangssignale für Kesselreinigungssysteme bereitzustellen. Die Sonde besitzt ferner robuste und dauerhafte Konstruktion. Auf Grund des kleinen Durchmessers des Rohraufbaus kann die Emissivitätsmesssonde gemäß der Erfindung problemlos durch die Außenwand eines Kessels installier werden.
Weitere Vorteile und weiterer Nutzen der vorliegenden Erfindung erschließen sich dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik, an den sich die Erfindung wendet, aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform und der anliegenden Ansprüche in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Emissivitätsmesssonde in Übereinstimmung mit dieser Erfindung;
2 zeigt eine Seitenaufrissansicht der in 1 gezeigten Emissivitätsmesssonde, von der der Sensorgehäuseaufbau entfernt ist;
3 zeigt eine Schnittansicht durch die Emissivitätsmesssondenkomponente, die in 2 gezeigt ist, entlang der Linie 3-3 von 2;
4 zeigt eine Querschnittsansicht durch das proximale Ende des Rohraufbaus;
5 zeigt eine Schnittansicht durch das distale Ende des Rohraufbaus der Emissivitätsmesssonde;
6 zeigt eine Seitenaufrissansicht der in der in 1 gezeigten Emissivitätsmesssonde verwendeten optischen Einfallstrahlenführung;
7 zeigt eine Aufrissansicht einer in der Emissivitätsmesssonde von 1 verwendeten optischen Reflektionsstrahlenführung;
8 zeigt perspektivisch das distale Ende des Rohraufbaus der in 1 gezeigten Emissivitätsmesssonde;
9 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine Emissivitätsmesssonde in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Um für eine Erläuterung der Bestandteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Emissivitätsmesssonde Hintergrundwissen bereitzustellen, werden bestimmte Hintergrundprinzipien erläutert. Es ist allgemein anerkannt, dass Wärmeübertragung durch drei Mechanismen stattfindet, das heißt, durch Strahlung, Konvektion und Leitung. In einem Kohlenverbrennungsofen oder -kessel findet Wärmeübertragung zu Dampfrohren primär durch den Strahlungsmechanismus statt. Eine an sich bekannte Gleichung, die die Wärmeübertragung durch Strahlung auf eine Oberfläche (Wand) beschreibt, ist folgende: Q = σεA(Tf 4 – Tw4),wobei

A: = Wandoberfläche
σ: = Stefan-Boltzmann-Konstante
ε: = Wandemissivität
T_f: = Flammentemperatur
T_w: = Wandtemperatur

Ein kritischer Bestandteil bei der Wärmeübertragung zu den Kesselwänden ist deshalb sein charakteristischer Emissivitätsfaktor (ε). Die Emissivität kann auch als Strahlungsabsorptionsvermögen der Wandoberfläche angesehen werden. Von der Gesamtstrahlung, die auf der Wandoberfläche einfällt, können drei Strahlungswärmeenergie-Größen identifiziert werden, die in Beziehung zu der Wandeigenschaft bzw. -charakteristik stehen. Diese Beziehung kann wie folgt ausgedrückt werden: ε + ρ + T = 1,0,wobei

ρ: = Reflektionsvermögen
T: = Transmissionsvermögen

Für Kesselrohrwände gilt T = 0 (d. h., sie sind für einfallende Strahlung undurchlässig), weshalb gilt: ε + ρ = 1,0
Durch Quantifizieren des Reflektionsvermögens (ρ) kann deshalb das Emissionsvermögen bzw. die Emessivität (ε) indirekt gemessen werden. Die Emissivitätsmesssonde in Übereinstimmung mit dieser Erfindung nutzt dieses Konzept.
Daε + ρ = 1,0,und ρ = (Qwall/Qincident) ε = 1,0 – (Qwall/Qincident),wobei

Q_wall: = reflektierte Strahlung von der Wand
Q_incident: = einfallende Strahlung von der Flamme

Durch Messen der reflektierten Strahlung von der Kesselwand (Q_wall) und der einfallenden Strahlung von der Flamme (Q_incident) kann ein Maß für die Emissivität und damit das Absorptionsvermögen gewonnen werden.
Wie vorstehend in dieser Beschreibung ausgeführt, ändern sich die Wärmeübertragungseigenschaften einer Kohlefeuerungskesselwand im Laufe der Zeit auf Grund des Aufbaus von Schichten aus Bewuchsmaterial auf diesen Oberflächen, wodurch das Ab sorptionsvermögen und damit die Wärmeübertragung beeinträchtigt werden.
1 zeigt eine Emissivitätsmesssonde in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung. Die Emissivitätsmesssonde 10 umfasst prinzipiell einen Rohraufbau 12, der an einem Sensorgehäuseaufbau 14 durch einen Flanschaufbau 16 angebracht ist. Eine Trennwand 18 ist vorgesehen zum Anbringen der Vorrichtung an einer zugeordneten Kesselinnenwand 19 durch bzw. über eine Öffnung 21 (in 2 gezeigt), die es dem Rohraufbau 12 erlaubt, in das Innere 23 des Kessels vorzustehen, während ein Sensorgehäuseaufbau 14 außerhalb der Innenseite des Kessels zu liegen kommt und damit von der belasteten Umgebung des Kesselinneren geschützt ist. Die Dampfrohre 25 sind als Teil der Innenwand 18 gezeigt. Um die Installation zu erleichtern, ist die Öffnung 21 bevorzugt mit einem Öffnungsrohr 26 ausgekleidet, das mit einem Ende an der Außenwand 27 und mit dem anderen Ende an der Innenwand 19 angebracht ist.
2 zeigt den Rohraufbau 12 getrennt von dem Sensorgehäuseaufbau 14. Der Rohraufbau 12 legt ein distales Ende 20 und ein proximales Ende 22 fest, das durch den Flanschaufbau 16 getragen ist. Weitere Bezugnahmen in dieser Beschreibung auf "proximales Ende" werden verwendet, um Bestandteile oder Merkmale am oder in der Nähe des Flanschaufbaus 16 zu erläutern, während Bezugnahmen auf "distales Ende" verwendet werden, um Bestandteile oder Merkmale am oder in der Nähe des freien Endes 20 des Rohraufbaus 12 zu erläutern.
3 zeigt im Querschnitt interne Komponenten des Rohraufbaus 12 und des Flanschaufbaus 16. Demnach enthält der Rohraufbau 12 ein äußeres Rohr 24 und ein inneres Rohr 26.
Beim äußeren Rohr 24 handelt es sich um einen hohlen Zylinder, der an seinen proximalen und distalen Enden offen ist. Das äußere Rohr 24 ist am Flansch 28 durch die Bohrung 29 derart angebracht, dass ein proximales Ende mit einem Kühlfluidzufuhrdurchlass 30 in Verbindung steht. Das äußere Rohr 24 enthält außerdem einen Durchbruch bzw. ein Fenster 32, der bzw. das benachbart zum distalen Rohrende angeordnet ist. Das äußere Rohr 24 ist dauerhaft am Flansch 28 durch Schweißen, Löten, durch einen Presssitz oder unter Verwendung von anderen Befestigungsmitteln festgelegt.
Das innere Rohr 26 ist innerhalb des äußeren Rohrs 24 koaxial angeordnet und es ist ebenfalls ein hohler Zylinder, der an seinen beiden proximalen und distalen Enden offen ist. Das proximale Ende des inneren Rohrs 26 durchsetzt jedoch den Kühlfluidzufuhrdurchlass 30 und die Bohrung 31. Das distale Ende des inneren Rohrs 26 ist ausgehend vom distalen Ende des äußeren Rohrs 24 geringfügig eingetieft, wie in 3 gezeigt. Das innere Rohr 26 hat einen Ausschnitt 34 an seinem distalen Ende. Fenster 32 und der Ausschnitt 34 wirken zur Bereitstellung eines Freiraums bzw. Abstands für optische Führungen zusammen, die in dem inneren Rohr 26 aufgenommen sind, wie nachfolgend in dieser Beschreibung näher erläutert. Für die Dauerhaftigkeit und die Beständigkeit gegenüber Korrosion sind die äußeren und inneren Rohre 24 und 26 bevorzugt aus Edelstahl hergestellt. Um die Installation zu erleichtern, besitzt das äußere Rohr 24 bevorzugt einen kleinen Außendurchmesser (beispielsweise dreiviertel Inch (Zoll) oder weniger).
4 zeigt die Einzelheiten des proximalen Endes der Emissivitätsmesssonde 10, wenn diese mit der optischen Führung 36 für einfallende Strahlung und die optische Führung 38 für re flektierte Strahlung vollständig zusammengebaut ist, die innerhalb des inneren Rohrs 26 positioniert sind. Weitere Einzelheiten der einfallenden und reflektierenden optischen Führungen 36 und 38 werden mit Bezug auf 6 und 7 erläutert. Die Führung 36 für einfallende Strahlung hat ein Paar von Biegungen 40 und 42, so dass ihr proximales Ende parallel zur Hauptachse der Führung, jedoch von dieser versetzt zu liegen kommt. Das distale Ende der Führung 36 für einfallende Strahlung verläuft gerade und empfängt Lichteinträge von Lichtstrahlen innerhalb eines "Konus" für einfallende Strahlung und entlang seiner Längsachse bzw. seines "Gesichtsfelds" (FOV), wie in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Führung 38 für reflektierte Strahlung verläuft allgemein gerade, besitzt jedoch ein hakenförmiges distales Ende 44. Die Führung 36 für einfallende Strahlung kann in das innere Rohr 26 ausgehend vom proximalen Ende des inneren Rohrs eingesetzt werden, während die Führung 38 für reflektierte Strahlung in das gegenüberliegende distale Ende des inneren Rohrs eingesetzt werden kann.
Verschiedene Arten einer optischen Führung können verwendet werden, um die optischen Führungen 36 und 38 für Führung 36 für einfallende und reflektierte Strahlung zu bilden. Das optische Führungs- bzw. Leitsystem muss jedoch so gewählt werden, dass es hohe Beständigkeit gegenüber Wärme und keine übermäßige Biegeempfindlichkeit besitzt, und es muss außerdem in der aggressiven Betriebsumgebung eines Boiler- bzw. Kesselinnern haltbar sein.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass so genannte "Bildleiter" den idealen Führungstyp für die optischen Führungen 36 und 38 für einfallende und reflektierte Strahlung darstellen. Bildleiter sind Stangen, die aus zahlreichen einzelnen opti schen Fasern hergestellt sind. Die Fasern werden gebündelt und miteinander verschweißt und besitzen an ihren distalen und proximalen Enden geschliffene polierte Flächen. Jede Führung, die aus einem Bildleiter 36 und 38 besteht, bildet ein Bündel aus mehreren Tausend einzelnen Fasern, die normalerweise verwendet werden, um die Fähigkeit zum Projizieren und Übertragen von Bildern bereitzustellen, wobei jede Faser ein einzelnes "Pixel" bereitstellt. In dieser Anwendung wird eine Abbildung jedoch nicht ausgeführt und dies ist auch nicht beabsichtigt. Die Fähigkeit von Bildleitern dieses Typs, in die in 6 und 7 gezeigten Ausrichtungen gebogen zu werden, und ihre Wärmebeständigkeit, Flexibilität und Beständigkeit machen sie für die vorliegende Anwendung ideal geeignet. In einer Anwendung dieser Erfindung bestanden die Führungen 36 und 38 aus Bildleitern, die jeweils Faserbündel mit einem Durchmesser von 25 μm aufwiesen mit dreitausend einzelnen optischen Fasern. Diese Bildleiter besitzen eine maximale Betriebstemperatur bis hin zu 850°F und eine Schmelztemperatur von 1200°F. Die polierten Enden der Bildleiter, umfassend die optischen Führungen 36 und 38, stellen einen Gesichtsfeldwinkel von etwa 64° bereit, wie in 6 und 7 gezeigt.
4 zeigt die Anordnung der Führungen 36 und 38 für einfallende und reflektierte Strahlung innerhalb des inneren Rohrs 26, wobei ihren proximalen Enden in einem Paar von Fotodiodenadaptern 46 und 48 enden. Als Fotodioden 50 und 52 gezeigte Sensorelemente sind in den Adaptern 46 und 48 angeordnet und empfangen Lichtsignaltransmissionen durch die Führungen 36 und 38.
Optische Filter 51 und 53 sind zwischen den Enden der optischen Führungen 36 und 38 und ihren jeweiligen Fotodioden 50 und 52 derart angeordnet, dass die Sonde 10 für ein begrenz tes spektrales Lichtband empfindlich ist. Für Kohlenverbrennungskessel beträgt eine ideale maximale Feuerballtemperatur etwa 3300°F, die in Übereinstimmung mit an sich bekannten Prinzipien der Strahlung eines schwarzen Körpers eine intensive maximale Lichtabgabe (bzw. eine zentrale Wellenlänge) bei einer Wellenlänge von 1,39 μm (Mikrometer) erzeugt. Üblichere Temperaturen betragen etwa 3000°F und sie entsprechen einer zentralen Wellenlänge von etwa 1,5 μm. Durch Wählen der Filter 51 und 53 so, dass sie eine Bandpasseigenschaft besitzen, wobei ihre maximale Durchlässigkeit bei etwa einer Wellenlänge von 1,4 bis 1,5 μm auftritt, steht für Messzwecke ein hoher Signalpegel zur Verfügung. Die Filter 51 und 53 sollten einen Bandpassbereich (definiert als Wellenlängendifferenz, die begrenzt ist durch ein Reduktion des Durchlassvermögens von 50% des auftretenden Maximums) von etwa 200 nm aufweisen. Es wird bemerkt, dass die Eigenschaften bzw. Charakteristiken der optischen Führungen 36 und 38 und der Fotodioden 50 und 52 derart gewählt sein sollten, dass die Kombination inhärent empfindlich ist über den vorstehend erläuterten Wellenlängenbereich ohne die Verwendung der Filter 51 und 53.
Obwohl die Sonde 10 wie vorstehend erläutert derart ausgelegt ist, dass sie über einen begrenzten Bereich entsprechend der maximalen Intensität des Feuerballs ist, wodurch die höchste Abgabe bzw. das höchste Ausgangssignal für Messzwecke erzeugt wird, kann auch ein Betrieb über einen breiteren Wellenlängenbereich vorgesehen sein. Es wird davon ausgegangen, dass ein derartiger Bereich durch Wellenlängen von zwischen 0,4 und 4,0 μm begrenzt ist.
Unter Bezug auf 5 und 8 wird nunmehr das distale Ende des Rohraufbaus 12 näher erläutert. Das distale Ende der Füh rung 36 für einfallende Strahlung steht geringfügig vom inneren Rohr 26 vor und ist in Vorwärtsblickrichtung ausgerichtet. Mit anderen Worten ist der Konus für einfallende Strahlung, der das Gesichtfeld bzw. Blickfeld (FOV) der Führung 36 festlegt, konzentrisch zur Längsachse des Rohraufbaus 12 ausgerichtet. Das distale Ende der Führung 36 für einfallende Strahlung ist außerdem ausgehend vom distalen Ende des äußeren Rohrs 34 geringfügig eingetieft. Diese Ausrichtung dient dazu den Bewuchs des empfindlichen distalen Endes der Führung 36 für einfallende Strahlung zu reduzieren. Das reflektierende Führungshakenende 44 erstreckt sich durch den Innenrohrausschnitt 34. Das äußere Rohrfenster 32 dient dazu, dem distalen Ende der reflektierenden Führung 38 einen "Blick" auf die Kesselwandoberfläche bereitzustellen. Das distale Ende ist außerdem im Zylinder eingetieft, der durch das äußere Rohr 24 festgelegt ist, und zwar zum Schutz vor Aufwuchs. Mit anderen Worten wird das Gesichtsfeld der Führung 38 für reflektierte Strahlung durch das äußere Rohr 24 nicht gestört durch Bereitstellung des Fensters 32. Licht entlang einer Richtung ausgehend von der Kesselwand wird dadurch durch die Führung 38 für reflektierte Strahlung empfangen. Die Richtung des Gesichtsfeld der reflektierenden Führung 38 besitzt den Winkel entgegengesetzt zur Richtung der Führung 36 für einfallende Strahlung, d. h., sie bilden einen Winkel größer als 90°.
Wie am besten aus 4 hervorgeht, werden Lichtstrahlen, die in die distalen Enden der Führungen 36 und 38 für einfallende und reflektierte Strahlung eintreten, entlang den Führungen durchgelassen und an ihren proximalen Enden auf die zugeordneten Fotodioden 50 und 52 emittiert. Die elektrischen Abgaben bzw. Ausgangssignale der Fotodioden werden durch den Signalprozessor 54 so verarbeitet, dass ihre relativen Werte verglichen werden. Eine Differenzverhältnisberechnung erlaubt es dem reflektierten Signal, das durch die Führung 38 für reflektierte Strahlung hindurch gelassen wird, mit der "Quellen"-Strahlung verglichen zu werden, die von dem Feuerball des Kesselinneren ausgeht, hindurch gelassen durch die Führung 36 für einfallende Strahlung. Auf Grund zeitabhängiger Änderungen im Kesselinnern 23, wie etwa Flammenflackern, Rauch und Turbulenz, ist es nicht notwendig, sowohl die Signale für einfallende wie reflektierte Strahlung zu messen, um das Reflektionsvermögen und damit die Emissivität bzw. das Emissionsvermögen zu messen. Bevorzugt werden die Signale von den Fotodioden 50 und 52 durch den Prozessor 54 außerdem dazu verarbeitet, eine bestimmte zeitliche Mittelung bereitzustellen, um Hochfrequenzeffekte wie Flammenflackern zu entfernen. Die Anforderungen an die Signalverarbeitung des Prozessors 54 sind nicht komplex, da die Ausgangssignale von den Fotodioden 50 und 52 Einzelkanalausgangssignale sind, die jeweils einen einzigen Signalpegel bezeichnen, der als Funktion der Zeit variiert.
Während der Rohraufbau 12 in den Kessel eingesetzt ist, tritt Luftströmung durch den Durchlass 30 in den ringförmigen Kühlfluiddurchlass 56 zwischen den inneren und äußeren Rohren 24 und 26 ein. Zusätzlich zum Kühlen der Führungen 36 und 38 reduziert dieser Spülluftstrom (oder ein anderes Fluid) die Wahrscheinlichkeit, dass Schmutzstoffe direkt mit den distalen Enden der Führungen 36 und 38 in Kontakt kommen.
Unter Bezug auf 9 wird nunmehr eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Emissivitätsmesssonde erläutert, die allgemein mit der Bezugsziffer 60 bezeichnet ist. Die Emissivitätsmesssonde 60 weist einen Rohraufbau 62 auf, der sich von dem vorstehend erläuterten unterscheidet. In diesem Fall weisen das äußere Rohr 64 und das innere Rohr 66 keine Fenster zum "seitlichen Schauen" durch die optische Führung für reflektierte Strahlung auf. Stattdessen besitzt jede der Führungen 68 und 70 gebogene Enden 72 und 74 zum Empfangen von Strahlung in unterschiedlichen Richtungen. Die Emissivitätsmesssonde 60 könnte in Installationen verwendet werden, in denen eines der Führungsenden 72 oder 74 zu einer benachbarten Wandoberfläche gerichtet werden kann, während das andere Führungsende in Richtung auf den Kesselfeuerball ausgerichtet ist.
Die Emissivitätsmesssonde 60 unterscheidet sich außerdem von der Sonde 10 dadurch, dass die proximalen Enden der Führungen 68 und 70 gebogen verlaufen, um zu divergieren. Fotodiodenadapter 76 und 78 sind für dieselbe Funktion vorgesehen, wie vorstehend erläutert. Filter, wie etwa die Filter 51 und 53, die in 4 gezeigt sind, können ebenfalls vorgesehen sein. Für dieses Ausführungsform der Emissivitätsmesssonde 60 ist zum Kühlen der Führungen 68 und 70 und zum Reduzieren der Ansammlung von Niederschlägen auf ihren distalen gebogenen Enden 72 und 74 ebenfalls ein Kühlluftstrom vorgesehen. Die distalen Enden der Führungen 68 und 70 verlaufen mit den distalen Enden des äußeren Rohrs 64 in etwa bündig. An diesem distalen Ende besitzt das äußere Rohr 64 ein Ende 80 verringerten Durchmessers, wodurch die Geschwindigkeit des Kühlluftstroms vergrößert wird, was dazu beiträgt, eine Verschmutzung der distalen Enden der Führungen 68 und 70 zu unterbinden.
Die Emissivitätsmesssonde 60 verwendet bevorzugt Führungen 68 und 70 der vorstehend erläuterten Art; d. h., so genannte Bildleiter, die aus einer großen Anzahl von einzelnen optischen Fasern kleinen Durchmessers bestehen, die miteinander verbunden sind. Die vorteilhaften Attribute dieser Produkte, die vorstehend erläutert sind, sind ebenfalls für eine Implementierung mit der Emissivitätsmesssonde 60 von Interesse.
Während die vorstehend angeführte Erläuterung die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft, wird bemerkt, dass die Erfindung Modifikationen, Abwandlungen und Änderungen zugänglich ist, ohne vom Umfang der anliegenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

Emissionsvermögen-Ermittlungssonde zum zum Messen des Reflexionsvermögens einer Oberfläche eines Boilers zur Verwendung bei der Kontrolle von Boilerreinigungssystemen, die ausgelegt ist, dass sie an einer Außenwand des Boilers anbringbar ist, aufweisend: einen Flanschaufbau, der dazu ausgelegt ist, an der Boilerwand angebracht zu werden; einen Rohraufbau, der ein proximales Ende festlegt, das an dem Flanschaufbau fest angebracht ist, und ein distales Ende zur Erstreckung in das Boilerinnere, wobei der Rohraufbau ein äußeres Rohr und ein inneres Rohr aufweist, das innerhalb des äußeren Rohrs sich koaxial erstreckt, wobei die inneren und äußeren Röhren miteinander zusammenwirken, um einen ringförmigen Kühlfluiddurchlass festzulegen, wobei zumindest zwei optische Leiter innerhalb des inneren Rohrs angeordnet sind und sich zwischen den distalen und proximalen Enden des inneren Rohrs erstrecken, wobei Enden der ersten und zweiten optischen Leiter benachbart zu dem distalen Ende des inneren Rohrs angeordnet und so ausgerichtet sind, dass sie Lichteinspeisungen aus zwei unterschiedlichen ersten und zweiten Richtungen jeweils aus dem Inneren der Rohrinnenseite empfangen, wobei die erste Richtung so verläuft, dass Licht direkt von dem Verbrennungsprozess innerhalb des Boilerinneren empfangen wird, und wobei die zweite Richtung so verläuft, dass Licht, das durch die Oberfläche des Bordes reflektiert wird, empfangen wird; eine Kühlfluidzufuhr, um eine Strömung von Kühlfluid durch den ringförmigen Kühlmittelfluiddurchlass hervorzurufen; einen ersten und einen zweiten Sensor, die benachbart zu dem proximalen Ende der ersten und zweiten optischen Leiter angeordnet sind, und die dazu ausgelegt sind, Lichtsignale zu empfangen, die durch die optischen Leiter übertragen werden; einen ersten und einen zweiten Sensor, die jeweils dazu ausgelegt sind, Lichtsignale zu empfangen, die durch die optischen Leiter übertragen werden; und einen Signalprozessor zum Empfangen eines ersten und eines zweiten Signals von den ersten und zweiten Sensoren und zum Messen der Intensität von Licht, welches auf den ersten und zweiten Sensoren einfällt, und außerdem zum Vergleichen eines ersten mit einem zweiten Intensitätswerts, die dem ersten und zweiten Sensor zugeordnet sind, um dadurch ein Maß für das Reflexionsvermögen der Oberfläche des Boilers zu erzielen.
Emissionsvermögen-Ermittlungssonde nach Anspruch 1, wobei zu den ersten und zweiten Sensoren gerichtetes Licht in einem Wellenlängenbereich von 0,4 bis 4,0 μm liegt.
Emissionsvermögen-Ermittlungssonde nach Anspruch 2, wobei das zu den ersten und zweiten Sensoren gerichtete Licht eine maximale Intensität von etwa 1,4 bis 1,5 μm aufweist.
Emissionsvermögen-Ermittlungssonde nach Anspruch 1, wobei die erste Richtung konzentrisch zum Rohraufbau verläuft und aus dem distalen Ende des Rohraufbaus vorsteht, und wobei die zweite Richtung unter einem umgekehrten Winkel verläuft.
Emissionsvermögen-Ermittlungssonde nach Anspruch 1, wobei der erste optische Leiter ein gerades distales Ende aufweist und so ausgerichtet ist, dass es sich von einem offenen distalen Ende des inneren Rohrs erstreckt, und wobei der zweite optische Leiter ein hakenförmiges distales Ende auf weist, und wobei das innere Rohr einen Ausschnitt umfasst, durch das sich das Hakenende des zweiten optischen Leiters erstreckt.
Emissionsvermögen-Ermittlungssonde nach Anspruch 5, wobei das äußere Rohr ein Fenster umfasst, das in einem Gesichtsfeld des zweiten optischen Leiters ausgerichtet ist.
Emissionsvermögen-Ermittlungssonde nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten optischen Leiter Bildkanäle sind, die jeweils mehrere einzelne optische Fasern aufweisen, die miteinander verschmolzen sind.
Emissionsvermögen-Ermittlungssonde nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten optischen Leiter ein Gesichtsfeld von etwa 64° besitzen.
Emissionsvermögen-Ermittlungssonde nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten optischen Leiter jeweils ein gebogenes distales Ende aufweisen.
Emissionsvermögen-Ermittlungssonde nach Anspruch 1, wobei das äußere Rohr einen verringerten Durchmesser am distalen Ende des äußeren Rohrs aufweist, um die Geschwindigkeit des Kühlfluids zu erhöhen.
Emissionsvermögen-Ermittlungssonde nach Anspruch 1, außerdem aufweisend erste und zweite Filter, die zwischen ersten und zweiten Sensoren und dem jeweiligen optischen Leiter zu liegen kommen, wobei die Filter Bandpasseigenschaften besitzen.
Emissionsvermögen-Ermittlungssonde nach Anspruch 1, wobei die Filter maximales Transmissionsvermögen bei einer Wellenlänge von etwa 1,4 bis 1,5 μm aufweisen.
Emissionsvermögen-Ermittlungssonde nach Anspruch 1, wobei der Signalprozessor das Reflexionsvermögen der Boileroberfläche auf Grundlage des Verhältnisses des ersten und zweiten Intensitätswerts berechnet.
Emissionsvermögen-Ermittlungssonde nach Anspruch 13, wobei der Signalprozessor das Emissionsvermögen auf Grundlage der Beziehung ε = 1,0 – (Q_Wand/Q_{Einfallsstrahlung}) berechnet, wobei Q_Wand die Strahlung ist, die von der Boilerwand reflektiert und durch den ersten optischen Leiter empfangen wird, und wobei Q_{Einfallsstrahlung} die Strahlung ist, die von der Verbrennung empfangen und durch den zweiten optischen Leiter empfangen wird.
Emissionsvermögen-Ermittlungssonde nach Anspruch 1, wobei der Signalprozessor das Emissionsvermögen der Boilerwand auf Grundlage der Differenz des ersten vom zweiten Intensitätswert berechnet.
Emissionsvermögen-Ermittlungssonde nach Anspruch 1, wobei der Signalprozessor das erste und zweite Signal unter Verwendung zeitlicher Mittelung filtert.