ES2315262T3 - Detector de humos de dispersion de luz. - Google Patents
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Abstract
Sistema de detección de humo para medir la concentración de humo en una caldera, en el que el sistema de detección de humo comprende: una fuente de luz láser (36) para generar un haz de luz láser; medios moduladores (39) para modular la fuente de luz láser para producir un haz láser modulado; una lente de objetivo híbrida (110) montada en el interior de una carcasa (12) y que esta dispuesta para proyectar el haz láser al interior de la caldera, para recibir la luz retrodispersada desde la caldera y para enfocar la luz retrodispersada, teniendo la lente de objetivo híbrida una lente plana-plana (116) que incluye una abertura (118), una lente plano-convexa (112) montada en la lente plana-plana, teniendo la lente planoconvexa un orificio (114) alineado con la abertura de la lente plana-plana, y una microlente cilíndrica de índice graduado (120) interpuesta en el interior del orificio de la lente plano-convexa y la abertura de la lente plana-plana; un filtro óptico (F) para recibir la luz retrodispersada (21); medios de detección (D S) para convertir la luz retrodispersada recibida por el filtro óptico (F) en una fotocorriente eléctrica proporcional; medios pre-amplificadores (46) para amplificar la fotocorriente eléctrica proporcional y convertir la fotocorriente en una señal de voltaje; un procesador de señal (46) para procesar la señal de voltaje; y un primer cable de fibra óptica (124) para conducir el haz de luz láser desde la fuente de luz láser a la lente de objetivo híbrida y un segundo cable de fibra óptica (130) para conducir la luz retrodispersada de la lente de objetivo híbrida al filtro óptico; una férula (122) para centrar el primer cable de fibra óptica en la cara de la microlente cilíndrica de índice graduado, estando la férula interpuesta con la abertura de la lente plana-plana; y en el que el segundo cable de fibra óptica está posicionado detrás de la lente óptica híbrida.
Description
Detector de humos de dispersión de luz.
La presente invención se refiere a sistemas y
procedimientos de detección de humo, tales como los que pueden
utilizarse en las calderas de recuperación de Kraft usadas en la
industria de pasta y papel, para medir la concentración de
partículas de humo producidas durante la combustión de lejía negra
en dichas calderas de recuperación de
Kraft.
Kraft.
El capítulo 26 de Steam/Its Generation and Use,
ed. 40, Stultz and Kitto, Eds., Copyright© 1992, The Babcock &
Wilcox Company, describe el proceso de creación de pasta Kraft. En
este proceso, pequeños trozos de madera son alimentados a un
digestor donde son cocidos bajo presión en una solución acuosa de
hidróxido de sodio (NaOH) y sulfuro de sodio (Na_{2}S) calentada
al vapor, conocida como lejía blanca o lejía de cocción. En el
digestor la lignina en la pasta de madera es disuelta, el Na_{2}S
es convertido en Na_{2}SO_{4} y el NaOH es convertido en
Na_{2}CO_{3}. Después de la cocción, la pasta es separada de la
lejía residual en un proceso conocido como lavado de materia prima
marrón. Después del lavado, la pasta es tamizada y limpiada para
retirar nudos y grumos y para producir fibra para uso en los
productos de pasta y papel finales.
La lejía negra enjuagada y separada de la pasta
en los lavadores es una solución acuosa que contiene lignina de
madera, material orgánico y compuestos inorgánicos, oxidados en el
proceso de cocción. El ciclo Kraft procesa esta lejía mediante una
serie de operaciones, incluyendo evaporación, combustión de
materiales orgánicos, reducción de los compuestos inorgánicos
gastados y reconstitución de la lejía blanca. El horno de cocción
de la caldera de recuperación de Kraft fue diseñado especialmente
para quemar el material orgánico de lejía negra mientras se reduce
el material inorgánico oxidado en una pila, o lecho, soportado por
el suelo del horno. Las sustancias químicas inorgánicas fundidas o
material fundido en el lecho son descargadas a un tanque y son
disueltas para formar una lejía verde. Las sustancias químicas
activas en la lejía verde son Na_{2}CO_{3} y Na_{2}S.
La solución de lejía negra, que contiene estos
compuestos de sodio y lignina combustible, sale del digestor junto
con la pasta de madera. Durante la combustión de la lejía negra en
el horno de la caldera de recuperación de Kraft, el agua residual
es evaporada y el material orgánico es quemado. Aproximadamente el
45% en peso de la parte seca en forma de sólidos quemados son
cenizas inorgánicas y la mayoría de estas sustancias inorgánicas
son retiradas del horno como Na_{2}S y Na_{2}CO_{3} en el
material fundido. Una cantidad considerable de las cenizas está
presente en forma de partículas atrapadas en los gases de combustión
existentes; en general, aproximadamente el 8% en peso de los
sólidos de lejía negra entrantes abandonan el horno en forma de
ceniza.
La ceniza se cataloga generalmente como humo o
arrastre. El arrastre consiste en partículas carbonizadas y gotas
de lejía negra que son barridas del lecho de carbonizados y
pulverizadas con lejía por el flujo hacia arriba de gas de
combustión. El humo consiste en compuestos de potasio y compuestos
de sodio volátiles y es vaporoso en la zona de combustión de manera
que es atrapado en el gas de combustión y sube a las secciones de
convección de las calderas de recuperación. Debido a que estos
elementos volátiles se condensan en partículas submicrométricas que
se depositan sobre las superficies del supercalentador, banco de
calderas y economizador, es deseable minimizar la cantidad de humo
producido. La tasa de creación de humo depende de la temperatura
local en el interior y sobre el lecho de material fundido así como
de la distribución de temperatura sobre la superficie del lecho de
material fundido. Las partículas de humo en las calderas de
recuperación de Kraft son normalmente de 0,25 a 1,0 \mum (micras)
de diámetro y consisten principalmente en Na_{2}SO_{4} y un
contenido mucho menor de Na_{2}CO_{3}. El humo contiene también
sales de cloruro y potasio.
Las partículas arrastradas mucho mayores,
típicamente de 5 a 100 \mum, son fácilmente distinguibles de las
partículas de humo submicrométricas en base al tamaño. El humo y la
ceniza arrastrada son también diferentes en sus análisis químicos.
El arrastre es similar en su composición al material fundido. El
humo es principalmente Na_{2}SO_{4} y está enriquecido de
potasio y cloruro en relación a su composición en el material
fundido.
El humo que sale del horno de la caldera de
recuperación y que se desplaza al paso de convección de la caldera
de recuperación es una fuente principal de depósitos en la tubería
del generador de vapor situada en el interior del paso de
convección. Los depósitos de humo son retirados generalmente
mediante deshollinado. A temperaturas inferiores a 315ºC (600ºF),
los depósitos de humo se sinterizan lentamente en los tubos. A 480ºC
(900ºF), los depósitos de humo se sinterizan rápidamente y pueden
endurecerse y hacerse resistentes al deshollinado en un intervalo
de una hora. Si hay grandes cantidades de partículas arrastradas en
el gas de combustión, estas partículas arrastradas pueden impactar
e incrustarse en los depósitos de humo en las tuberías. Para evitar
el atasco, es deseable minimizar la producción tanto de partículas
de humo como de partículas arrastradas y mantener un buen control
de la temperatura del gas de salida del horno de la caldera de
recuperación de Kraft.
La capacidad de realizar mediciones in
situ continuas, en tiempo real de la concentración de humo en
una caldera de recuperación de Kraft tiene muchos beneficios
potenciales, incluyendo la capacidad de: (a) confirmar el perfil de
temperatura adecuado del lecho de material fundido; (b) avisar de
potenciales puntos calientes en el lecho de material fundido; (c)
proporcionar una alarma cuando haya concentraciones de humo
excesivas en el paso de convección de manera que el sistema de
limpieza mediante deshollinado pueda ser activado; (d) hacer un
seguimiento de la concentración de humo en el paso de convección
para mejorar la eficiencia global de recogida de humo, reducir las
emisiones de partículas de humo y recuperar la máxima cantidad de
Na_{2}SO_{4} para devolverlo al ciclo de lejía en el
procedimiento Kraft y (e) proporcionar una señal de control para
añadir automáticamente Na_{2}SO_{4} nuevo al
proceso.
proceso.
La patente US nº
US-A-4 017 186 se refiere a una
técnica para medir la densidad de partículas en un medio fluido. Un
haz de radiación electromagnética es pasado a través del medio y la
radiación retrodispersada es detectada para proporcionar una
indicación de la masa de las partículas por unidad de volumen del
medio. El haz puede ser un haz de luz monocromática interrumpida
periódicamente con una longitud de onda comparable al diámetro
medio de las partículas de interés. La componente CC de la señal de
detección puede ser filtrada para compensar el efecto de cualquier
radiación de fondo.
La patente US nº
US-A-4 176 960 se refiere a la
mejora de la resolución espacial en los sistemas ópticos. Un medio
de opacidad es posicionado entre un volumen de muestra a monitorizar
y un medio de recogida de luz tal como una lente o un espejo para
limitar la luz retrodispersada que pasa a través de una abertura a
lo largo del eje óptico, incrementando de esta manera la resolución
espacial del sistema. Los medios de opacidad pueden ser un disco
opaco adyacente a la lente de recogida o una disposición coaxial de
tubos de luz de fibra óptica separados.
La presente invención proporciona un sistema de
detección de humo tal como se expone en la reivindicación 1.
Disposiciones particulares opcionales se exponen en las
reivindicaciones dependientes.
Una realización preferente es capaz de medir una
concentración de partículas de humo producidas durante la
combustión de lejía negra en las calderas de recuperación de Kraft.
Los componentes principales del sistema de detección de humo
preferente comprenden: una carcasa de sonda de detección de humo
para la inserción en una parte superior del horno de la caldera de
recuperación de Kraft, medios láser para producir luz colimada que
es proyectada a los gases de combustión del horno para analizar los
mismos; medios lente de objetivo para proyectar la luz colimada
desde los medios láser a los gases de combustión y recibir la luz
retrodispersada desde las partículas de humo en los gases de
combustión; medios de detección de luz para detectar la luz
retrodispersada recogida por los medios lente de objetivo y
producir señales eléctricas indicativas de la misma; medios de
fibra óptica para transportar la luz entre los medios láser, los
medios lente de objetivo y los medios de detección de luz; y medios
de procesamiento de señal para procesar las señales eléctricas
representativas de la luz retrodispersada recibida para producir
señales representativas de la concentración de partículas de humo en
el gas de combustión.
La presente invención se basa en el hecho de que
la intensidad de la luz retrodispersada desde las partículas de
humo submicrométricas es independiente del tamaño de partícula y de
la distribución de tamaños de partículas. Este aspecto se ilustra
en la Figura 6. Aunque las partículas arrastradas están también
presentes en los gases de combustión del horno, esas partículas
arrastradas son mucho más grandes (típicamente de 5 a 100 \mum de
tamaño) y menos numerosas que las partículas de humo (típicamente de
0,25 a 1 \mum de tamaño). De esta manera, estas partículas pueden
ser fácilmente discriminadas.
Para garantizar que la luz de fondo en el horno
de la caldera de recuperación no interfiera con las mediciones de
concentración de partículas de humo que podrían saturar si no los
medios de detección de luz, otro aspecto de la presente invención
es el de la discriminación del ruido proporcionando una combinación
de la modulación de la señal de interés y el filtrado del ruido de
fondo con un filtro óptico de pasa banda estrecho para reducir la
luz de fondo en el detector de humo y prevenir la saturación del
detector.
El conjunto lente de objetivo híbrido preferente
para una sonda de detección de humo comprende una lente
plano-convexa (necesaria para la recogida de luz)
que está provista de una lente cilíndrica de índice graduado
(necesaria para la proyección de luz). El conjunto lente de
objetivo híbrido proyecta un haz de luz al interior del horno,
recoge la luz retrodispersada desde las partículas de humo en el gas
de combustión del horno y enfoca la luz al interior de una fibra
óptica. Puede usarse una fibra diferente para suministrar la luz
láser a la sonda de detección de humo. Una característica
importante de la realización preferente implica el uso de un
filtrado espacial para discriminar contra la luz retrodispersada de
las concentraciones de partículas no representativas cerca de las
paredes del horno de la caldera de recuperación.
Las diversas características novedosas que
distinguen la invención se resaltan particularmente en las
reivindicaciones adjuntas y que forman una parte de esta
descripción. Para una mejor comprensión de la invención, sus
ventajas operativas y los objetos específicos alcanzados mediante
sus usos, se hace referencia a los dibujos adjuntos y a la materia
descriptiva en los que se ilustra una realización preferente de la
invención.
En los dibujos:
La Figura 1 es una representación esquemática de
un diseño conceptual de un sistema de detección de humo:
La Figura 2 es un diagrama de bloques
esquemático del sistema de detección de humo de la Figura 1;
La Figura 3 es una representación esquemática de
un diseño conceptual revisado de un sistema de detección de humo
según la presente invención;
La Figura 4 es una vista transversal esquemática
de un conjunto precursor sugerido para el conjunto lente de
objetivo híbrido usado en la presente invención;
La Figura 5 es una vista en sección esquemática
de un conjunto lente híbrido para el uso en el sistema de detección
de humo de la Figura 3;
La Figura 6 es un gráfico de la potencia de luz
retrodispersada versus el tamaño de partícula; y
La Figura 7 es un gráfico de porcentaje de
transmisión versus longitud de onda en nanómetros que ilustra el
funcionamiento de un filtro pasa banda estrecho visual típico.
\vskip1.000000\baselineskip
Antes de abordar los aspectos hardware de la
presente invención, será útil abordar brevemente los principios
matemáticos y físicos subyacentes de la invención.
La concentración de humo típica en una salida de
una caldera de recuperación es de aproximadamente 4,8 g/m^{3}
(2,6 granos por SCF). Sin embargo, el detector podría ser usado para
medir humo en la salida del precipitador para monitorizar el
funcionamiento del precipitador. En esta posición, la concentración
de humo puede ser muy inferior a
5 g/m^{3}. De esta manera, cualquier detector de humo debe ser capaz de medir una concentración de humo comprendida en el intervalo de 0 a 5 g/m^{3}.
5 g/m^{3}. De esta manera, cualquier detector de humo debe ser capaz de medir una concentración de humo comprendida en el intervalo de 0 a 5 g/m^{3}.
Para estimar la densidad numérica de partículas
de humo, primero se supone que todas las partículas de humo tienen
el tamaño máximo esperado de 1 \mum. Entonces a una concentración
de 4,8 g/m^{3}, la densidad numérica de partículas es de
aproximadamente 5,8 x 10^{14} partículas/m^{3}. Si se supone que
todas las partículas tienen el tamaño mínimo esperado (0,25
\mum), la máxima densidad numérica de partículas se incrementa a
3,7 x 10^{16} partículas/m^{3}. Aunque el intervalo estimado de
la densidad numérica de partículas es grande, puede medirse usando
procedimientos de dispersión de luz.
Es útil estimar también los límites superior e
inferior para la opacidad a la máxima densidad numérica de
partículas para determinar la profundidad de penetración de un haz
de luz en el interior de la nube de humo. Para ello, se supone que
todas las partículas de 0,25 \mum en el volumen de 1 m^{3} están
colapsadas en un plano de 1 m^{2}. Para obtener una estimación
del límite superior de la opacidad, se calcula el porcentaje de
área abierta, OA, en este plano de partículas dividiendo el área
total, A, de todas las partículas por 1 m^{2}. Entonces la
transmisión de luz, T, viene dada por T=1/OA y la opacidad, D, viene
dada por D=log(1/T)=log(OA).
A una densidad de partículas de 3,7 x 10^{16},
el límite superior de opacidad es de D=3,3. Suponiendo que un láser
con una potencia de salida de 1 mW es usado para medir la
transmisión de luz a través del humo, la potencia óptica
transmitida a través de 1 metro de esta nube de humo es de 1 mW
(0,0006)=600 nW. Si se repite este cálculo para partículas de humo
al tamaño máximo de 1 \mum, el límite inferior para la opacidad
es de D=2,7. A esta opacidad, 2.200 nW de potencia serían
transmitidos a través de 1 metro de distancia y el haz de láser
podría penetrar 1,2 metros (sólo 0,2 metros adicionales) antes de
ser atenuado a 600 nW. La profundidad de penetración de ida y
vuelta calculada para estos dos extremos de opacidad es
esencialmente la misma. En la práctica, 10^{-6} nW de potencia
óptica es detectable y con una fuente de 1 mW la profundidad de
penetración máxima estimada sería de aproximadamente 3 metros.
Debido a que la señal de dispersión de luz de
interés es producida por las partículas de humo en el intervalo de
tamaños de 0,25 a 1 \mum, es importante reconocer y rechazar las
señales de dispersión de luz provenientes de las partículas
arrastradas mucho más grandes. La luz de fondo está presente en el
horno y es el resultado de la radiación de combustión. Sin embargo,
un detector para convertir la potencia de luz tiene un intervalo
dinámico limitado y si la luz de fondo es suficientemente intensa,
saturará el detector y la señal de corriente de salida del
detector.
Con referencia general ahora a los dibujos, en
los que los números de referencia similares designan los mismos
elementos o elementos con una funcionalidad similar, y a las Figuras
1 y 2 en particular, se muestra una representación esquemática de
un primer diseño conceptual de un sistema de detección de humo como
el ideado originalmente por los presentes inventores, junto con un
diagrama de bloques esquemático del mismo. La Figura 3, descrita
infra, es una representación esquemática de un diseño
conceptual revisado según la presente invención que supera
determinados problemas encontrados con el diseño de las Figuras 1 y
2.
Para que sea útil, cualquier sistema de
detección de humo debe realizar mediciones continuas de la
concentración de humo en el horno superior. Para apoyar ese
objetivo, se definió el primer diseño conceptual de un sistema de
detección de humo, designado de manera general como 10 e ilustrado
en las Figuras 1 y 2. Tal como se muestra en las mismas, el sistema
de detección de humo 10 comprende una carcasa de sonda 12 adaptada
para ser montada a través de una pared de horno 14 de manera que
observe los gases en el interior de un horno 16 de una caldera de
recuperación de Kraft que contiene las partículas de humo 18. Un
extremo frontal 20 de la sonda 12 está provisto de una ventana de
sacrificio de cuarzo 22 que está protegida mediante una cortina de
aire tangencial 24 que sopla a través de la misma. El aire de
refrigeración/de purgado 26, tal como aire instrumental, puede ser
proporcionado en un extremo trasero 28 de la carcasa de sonda 12 y
transportado a lo largo de un región anular 30 de la misma para
producir la cortina de aire 24 y refrigerar también la carcasa de
sonda 12. Una lente de objetivo 32 está prevista en el interior de
la carcasa de sonda 12 y detrás de la ventana de cuarzo 22.
En la Figura 1, la lente de objetivo 32 proyecta
un haz de luz a las partículas de humo 18 en el interior del horno
16, recoge la luz retrodispersada desde las partículas de humo 18 y
enfoca la luz retrodispersada recogida en una fibra óptica 34 que
es usada para transportar la luz a la lente de objetivo 32. La fibra
óptica 34 está conectada operativamente a uno o dos diodos láser en
miniatura 36, 38 que proporcionan haces de luz para la proyección a
los gases de combustión del horno y sus partículas de humo atrapadas
18. Los diodos láser 36, 38 están colocados remotamente en una zona
fría para protegerlos y están alimentados por una fuente de
potencia modulada 39. Aunque la prueba inicial sólo empleó un único
diodo láser, el primer diseño conceptual preveía la potencial
utilidad de dos diodos láser 36, 38 (uno operando a una frecuencia
diferente que el otro o, alternativamente, uno operando 180º
desfasado respecto del otro) para extender el intervalo de
mediciones de la concentración de humo, discriminar contra las
partículas arrastradas y reducir los errores debidos a los efectos
de pared. Similarmente, uno o dos fotodiodos detectores 40 y los
preamplificadores asociados podrían estar previstos para recibir la
luz retrodispersada recogida por la lente de objetivo 32 después de
que sea transportada a través de la fibra óptica 34 y un divisor de
potencia 42. Cada fotodiodo detector 40 convertiría la potencia
lumínica en una fotocorriente eléctrica proporcional, que es
transportada vía la línea o líneas 44 a la electrónica de detección
y a los medios de procesamiento de señal 46, situados también en una
posición remota relativamente fría. Los medios de procesamiento de
señal 46 contendrían más preferentemente convertidores analógico a
digital (A/D) y medios multiplexadores 48 para seleccionar entre
varias señales de entrada (posiblemente de otras carcasas de sonda
12) y medios para enviar una señal de salida indicativa de la
concentración de humo a un monitor digital local 50, a una sala de
control principal 52 o como una salida sobre una línea RS232/RS422
a dispositivos registradores o elementos de control 54 usados para
variar parámetros asociados con el proceso de combustión de la
caldera de recuperación de Kraft y ajustar la concentración de
partículas de humo 18 en el horno 16. Los medios de procesamiento
de señal 46 podrían recibir también una señal representativa de una
temperatura de la carcasa de sonda 12 vía una línea de señal de
temperatura de sonda 56 de un sensor de temperatura 58 situado en
el interior de la carcasa de sonda 12. Tal como se usa en toda esta
memoria, se entiende que los medios de procesamiento de señal 46
pueden ser cualquiera de entre una variedad de sistemas, incluyendo
pero no limitándose a, A/D y microprocesadores, dispositivos de
registro de salidas, monitores digitales locales, monitores de
salas de control y/o elementos de control o cualquier otro
dispositivo monitor o de registro analógico o digital.
Tal como se ilustra en la Figura 6, que es una
gráfica de la potencia de luz retrodispersada versus el tamaño de
partícula (tomada de F.M. Shofner et al., "In Situ
Continuous Measurement of Particle Mass Concentration", 68th
Annual Meeting of the Air Pollution Control Association, Boston, MA,
1975), sobre el intervalo de tamaños de 0,25 \mum a 1,0 \mum,
la potencia de la luz retrodispersada es esencialmente independiente
del tamaño de partícula. El sistema de detección de humo según la
presente invención está basado en esta circunstancia conveniente.
Incluso si hay partículas arrastradas presentes en el gas de
combustión, éstas son mucho más grandes (de 5 a 100 \mum) y se ha
determinado empíricamente que son muy inferiores en número. De esta
manera, estas partículas arrastradas producen grandes pulsos de
corta duración que pueden ser filtrados electrónicamente, y se hace
fácil distinguir las partículas de humo de las partículas
arrastradas en base a su tamaño.
Aunque en la Figura 1 se muestran dos láseres,
un único diodo láser 36 (en vez de dos) fue usado (un modelo
castaño coherente VLM) durante la evaluación de la invención tal
como se representa en las Figuras 1 y 2. El láser 36 contenía un
circuito modulador incorporado y la longitud de onda operativa
nominal era de aproximadamente 670 nanómetros (nm). El conjunto de
la sonda estaba contenido en el interior de una carcasa de sonda
modificada usada en un sistema de monitorización de arrastres (CMS)
realizado por Diamond Power International. Sin embargo, durante la
evaluación del sistema de la Figura 1, se encontraron problemas con
la excesiva luz retrorreflejada en el divisor de potencia 42 de
3dB. La magnitud de la retrorreflexión era aproximadamente 1.000
veces superior a las señales de luz dispersada esperada desde las
partículas de humo y esta excesiva luz de fondo saturó el detector
de señal 40.
La Figura 3 ilustra la presente configuración
del sistema de detección de humo según la realización preferente de
la presente invención, designado de modo general como 100. Este
sistema superó el problema indicado anteriormente encontrado en las
Figuras 1 y 2 y proporcionó ventajas adicionales. Notablemente,
aunque la Figura 3 muestra una modificación de la realización de
las Figuras 1 y 2, los presentes inventores anticipan que los
expertos en la materia serán capaces de modificar la realización de
las Figuras 1 y 2, sin alejarse de la invención descrita en esta
memoria, usando técnicas similares y los principios subyacentes a
estas técnicas a las descritas en la Figura 3. De esta manera, a lo
largo de todos los dibujos, los números de referencia similares
designan los mismos elementos o elementos funcionalmente
similares.
Básicamente, para resolver el problema, el
divisor/acoplador 42 fue eliminado y se usaron dos fibras ópticas
(una de 50 \mum de diámetro de núcleo/125 \mum diámetro de
revestimiento de fibra (50/125) para el suministro de luz y una de
550 \mum de diámetro de núcleo/600 \mum de diámetro de
revestimiento de fibra (550/600) para la recogida de la luz
dispersada. Una fibra óptica de plástico adicional con gran núcleo y
gran apertura numérica (NA) es insertada en el conjunto de montaje
láser para recoger una pequeña muestra de luz láser dispersada
cerca de la salida del láser y esta luz es suministrada a un
detector de referencia D_{R}. Además, un conjunto lente de
objetivo híbrido modificado para uso con estas dos fibras ópticas
diferentes fue creado tal como se muestra en las Figuras 4 y 5,
infra, y un medio de filtro óptico de banda muy estrecha es
empleado para prevenir la saturación del detector.
Tal como se ilustra en la Figura 3, el sistema
de detección de humo 100 está provisto de nuevo con una carcasa de
sonda refrigerada por aire 12 cuyo aire de refrigeración sirve
también para proporcionar una cortina de aire tangencial 24 frente
a una ventana de sacrificio de cuarzo 22. La carcasa de sonda de
detector de humo 12 puede ser insertada de esta manera a través de
la pared 14 del horno al interior de una región superior del horno
16 de la caldera de recuperación y resiste el ensuciamiento,
mientras que protege y mantiene la alineación de los componentes
ópticos. La carcasa de sonda de detección de humo 12 es de nuevo
preferentemente refrigerada y purgada con aire instrumental 26; sin
embargo, en principio una punta de sonda de acero inoxidable y una
ventana y lente de objetivo de sílice fundida podrían soportar un
entorno de gas de horno a 870ºC (1.600ºF) sin refrigeración.
Sin embargo, en vez de una lente de objetivo
convencional 32, se proporciona un conjunto lente de objetivo
híbrido 110. Un conjunto precursor 108 es representado en la Figura
4 y el conjunto lente de objetivo híbrido completo 110 se observa
en la Figura 5. Una única lente de objetivo con un grosor igual a
L_{1} + L_{2} podría ser usada también en vez de una lente
plano-convexa diferente y una lente
plana-plana (también referida como una
"ventana").
Tal como se observa en la Figura 4, el conjunto
precursor 108 es ventajosamente una lente
plano-convexa que comprende una lente 112 de 40 mm
de distancia focal (FL) (por ejemplo, una Melles Griot (RTM)
01LPX079) con un orificio 114 y una lente
plana-plana 116 (por ejemplo, una Melles Griot
02WBK221) con un orificio 118. Notablemente, los orificios
precursores 114 y 118 están perforados y orientados
concéntricamente, teniendo en cuenta además que la Figura 4
representa sólo una de entre una variedad de formas en las que un
experto en la materia montaría finalmente el conjunto lente de
objetivo híbrido representado en la Figura 5. Preferentemente, la
totalidad del conjunto tiene las siguientes dimensiones: la lente
112 tiene una longitud, L2, de 2,6 mm; la lente
plana-plana 116 tiene una longitud, L1, de 6 mm; el
orificio 118 puede estar ahusado, empezando en una longitud, L3,
que es de 4,6 mm desde el vértice de la lente 112 y el orificio 118
tiene un diámetro, D1, de 2,51 mm (0,099 pulgadas) en su punto más
grande; el orificio 114 tiene un diámetro, D2, de 1,80 mm (0,071
pulgadas). De nuevo, todas las dimensiones indicadas anteriormente
son meramente sugerencias óptimas y se espera que los expertos en
la materia adaptarán fácilmente las dimensiones para ajustarlas a
sus diversas circunstancias.
La Figura 5 muestra el conjunto lente de
objetivo híbrido 110, que comprende ventajosamente una lente
plano-convexa compuesta de una lente de recogida de
luz 112 de 40 mm de distancia focal (FL) (por ejemplo, una Melles
Griot 01LPX079) con un orificio 114 y una lente
plana-plana 116 (por ejemplo, una Melles Griot
02WBK221) con un orificio 118; una microlente cilíndrica de índice
graduado 120 (por ejemplo, una NSG SELFORC (RTM)
SLW-180-025-630-NCO,
y una férula de acero inoxidable 122 de un conector de fibra óptica
de tipo ST. El propósito de la férula ST 122 es proporcionar un
agarre de precisión para una fibra de suministro de luz 124 y para
centrar la fibra 124 en la microlente cilíndrica de índice graduado
120. El conjunto lente de objetivo híbrido 110 puede ser producido
taladrando los orificios 114, 118 (tal como se ha sugerido
anteriormente) en la lente plano-convexa (necesaria
para la recogida de luz) e insertando la microlente cilíndrica de
índice graduado 120 necesaria para la colimación de luz en el
orificio taladrado 114. Los orificios 114 y 118 deben ser coaxiales.
Todos estos componentes son cementados en 126 con resina
transparente Norland NOA61 de curado por UV, o un material similar.
Una punta 128 de la fibra de suministro de luz 124 (por ejemplo, una
Spectran (RTM) TCUME050H) es unida a la férula ST 122 y está en
contacto con la microlente cilíndrica de índice graduado 120. Una
fibra de recogida de luz dispersada 130 (por ejemplo, una Spectran
HCGMO550T) está posicionada detrás del conjunto lente de objetivo
híbrido 110 tal como se muestra (L_{3}=43,9 mm (1,73
pulgadas)).
El conjunto lente de objetivo híbrido 110 está
diseñado para funcionar como se indica a continuación. La microlente
de índice graduado SELFOC proyecta un haz colimado con un diámetro
total de 200 mm (8 pulgadas) (100 mm (4 pulgadas) de diámetro en el
punto en el que la potencia cae a 1/e del valor máximo) a 11,3 m (37
pies) de la punta de la sonda. La lente 112 de FL de 40 mm recoge
la luz dispersada por las partículas de humo 18 en la trayectoria
del haz y enfoca la luz al interior de la fibra de recogida de luz
dispersada 130 de 0,6 mm de diámetro. Para reducir los potenciales
errores en la medición de la concentración de humo causados por los
efectos de la pared del horno, la fibra 130 de recogida de luz
dispersada de 0,6 mm diámetro realiza también una función de
filtrado espacial, ya que la luz dispersada desde las partículas a
distancias más allá de 0,9 m (3 pies) de la punta de la sonda es
acoplada más eficientemente en el interior de la fibra de recogida
de luz dispersada 130 que la luz dispersada por las partículas
dentro de los 0,9 m (3 pies) desde la punta de la sonda.
Además, se realizaron varias pruebas funcionales
para cuantificar el rendimiento de la lente. Los resultados se
resumen a continuación:
Para reducir la luz de fondo del horno 16 en el
sistema de detección de humo 100 para prevenir la saturación del
detector, se inserta un filtro óptico F de banda muy estrecha entre
el detector de señal D_{S} y la fibra de recogida de luz
dispersada 130. El ancho de banda del filtro F se selecciona
suficientemente grande para cubrir la incertidumbre de tolerancia
en la longitud de onda del láser 36, pero suficientemente pequeño
para rechazar toda la luz de fondo excepto la cantidad
insignificante de fondo que pasa a través del filtro F. La
característica de transmisión de dicho filtro F se muestra en la
Figura 7. Estos filtros están disponibles comercialmente. En el
sistema de detección de humo 100, la longitud de onda de emisión de
láser era de 674 mm. Tanto la longitud de onda de la emisión de
láser como la longitud de onda del pico de la característica de
transmisión del filtro F cambian con la temperatura. Un filtro F con
un ancho de banda (FWHM) de 10 nm es suficiente para tratar las
incertidumbres en la longitud de onda dependiente de la
temperatura.
En referencia a la Figura 3, la luz entra al
horno 16 como un haz de excitación 19. El filtro F, que es parte
del detector de señal 30, recibe a continuación la luz
retrodispersada 21, creada a partir de las reflexiones del haz de
excitación 19. La luz retrodispersada 21 es, a su vez,
retrotransportada desde el horno 16 vía la fibra de recogida de luz
dispersada 130. El filtro F es seleccionado para que filtre y
rechace el ruido de luz de fondo (por ejemplo, señales y luz
generadas por partículas arrastradas, en vez de por partículas de
humo). El detector de señal D_{s} asociado con el filtro F
convierte la luz retrodispersada 21 en una fotocorriente eléctrica
proporcional, que es transportada a lo largo de la línea 44 a la
electrónica de detección y a los medios de procesamiento de señal
46, donde es amplificada y procesada como se ha indicado
anteriormente. El detector de referencia D_{R} produce una señal
de referencia que es transportada a lo largo de la línea 47 a la
electrónica de detección y a los medios de procesamiento de señal 46
donde es también amplificada y procesada.
Debido a que la magnitud de la señal de luz
retrodispersada es generalmente débil, se necesita una gran ganancia
en la salida D_{S} del detector de señal para proporcionar una
corriente suficiente para el procesador de señal. De esta manera,
el láser 36 es modulado para discriminar entre la luz
retrodispersada (que también está modulada) y la luz de fondo no
modulada. La luz de fondo está presente en el horno 16 y es el
resultado de la radiación de combustión. Sin embargo, el detector
de señal D_{S} tiene un intervalo dinámico limitado y si la luz
de fondo es suficientemente intensa saturará el detector de señal
D_{S} y la señal de salida del detector.
Además, para reducir potenciales errores en la
medición de la concentración de humo causados por los efectos de la
pared del horno (es decir, concentración de humo no representativa,
luz de fondo, etcétera) la fibra de recogida de luz dispersada 130
realiza también una función de filtrado espacial. La luz dispersada
desde las partículas de humo 18 a una distancia mayor de 0,9 m
(tres pies) de la punta de la sonda se acopla más eficientemente en
la fibra de recogida de luz dispersada 130 que la luz dispersada por
las partículas de humo 18 dentro de los 0,9 m (tres pies) desde la
punta de la sonda.
De esta manera, la discriminación de ruido se
proporciona mediante una combinación de modulación de la señal de
interés, filtrado del ruido de fondo con un filtro óptico de pasa
banda estrecho y filtrado espacial de la señal recogida.
Aunque las realizaciones específicas de la
invención han sido mostradas y descritas en detalle para ilustrar
la aplicación de los principios de la invención, se entenderá que la
invención puede realizarse de manera diferente sin alejarse de
dichos principios. Por ejemplo, en la práctica una instalación de
sistema de detección de humo colocará múltiples sondas alrededor
del perímetro del horno alto de la caldera de recuperación de
Kraft, proporcionando cada sonda una medición diferente de la
concentración de humo de manera que puede determinarse una
distribución de las concentraciones de humo alrededor del perímetro
del horno. Por consiguiente, la totalidad de dichas realizaciones
caen dentro del alcance y los equivalentes de las reivindicaciones
siguientes.
Claims (7)
1. Sistema de detección de humo para medir la
concentración de humo en una caldera, en el que el sistema de
detección de humo comprende:
- una fuente de luz láser (36) para generar un haz de luz láser;
- medios moduladores (39) para modular la fuente de luz láser para producir un haz láser modulado;
- una lente de objetivo híbrida (110) montada en el interior de una carcasa (12) y que esta dispuesta para proyectar el haz láser al interior de la caldera, para recibir la luz retrodispersada desde la caldera y para enfocar la luz retrodispersada, teniendo la lente de objetivo híbrida una lente plana-plana (116) que incluye una abertura (118), una lente plano-convexa (112) montada en la lente plana-plana, teniendo la lente plano-convexa un orificio (114) alineado con la abertura de la lente plana-plana, y una microlente cilíndrica de índice graduado (120) interpuesta en el interior del orificio de la lente plano-convexa y la abertura de la lente plana-plana;
- un filtro óptico (F) para recibir la luz retrodispersada (21);
- medios de detección (D_{S}) para convertir la luz retrodispersada recibida por el filtro óptico (F) en una fotocorriente eléctrica proporcional;
- medios pre-amplificadores (46) para amplificar la fotocorriente eléctrica proporcional y convertir la fotocorriente en una señal de voltaje;
- un procesador de señal (46) para procesar la señal de voltaje; y
- un primer cable de fibra óptica (124) para conducir el haz de luz láser desde la fuente de luz láser a la lente de objetivo híbrida y un segundo cable de fibra óptica (130) para conducir la luz retrodispersada de la lente de objetivo híbrida al filtro óptico;
- una férula (122) para centrar el primer cable de fibra óptica en la cara de la microlente cilíndrica de índice graduado, estando la férula interpuesta con la abertura de la lente plana-plana; y
- en el que el segundo cable de fibra óptica está posicionado detrás de la lente óptica híbrida.
2. Sistema de detección de humo según la
reivindicación 1 en el que la lente plano-convexa
comprende una lente con una distancia focal de 40 mm.
3. Sistema de detección de humo según la
reivindicación 1 o la reivindicación 2 en el que el filtro óptico
comprende un filtro óptico de banda estrecha.
4. Sistema de detección de humo según la
reivindicación 3 en el que el filtro óptico (F) de banda estrecha
tiene un ancho de banda de 10 nanómetros.
5. Sistema de detección de humo según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 4 que comprende además medios de
refrigeración (26, 30) para refrigerar la lente de objetivo
híbrida.
6. Sistema de detección de humo según la
reivindicación 1 en el que el primer cable de fibra óptica es un
cable de fibra óptica 50/125 y el segundo cable de fibra óptica es
un cable de fibra óptica 550/600.
7. Sistema de detección de humo según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores en el que el segundo cable de
fibra óptica está posicionado independientemente del primer cable de
fibra óptica.
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