PL203277B1

PL203277B1 - Flame sensor

Info

Publication number: PL203277B1
Application number: PL362488A
Authority: PL
Inventors: Edward Wojnar; Jan Wasylak; Dominik Dorosz; Bolesław Karwat
Original assignee: Akad Gorniczo Hutnicza
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2009-09-30
Also published as: PL362488A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest monitor płomienia, optyczne urządzenie przeznaczone do określania proporcji ilościowej między dwoma wybranymi gazami promieniującymi przy spalaniu paliw, zwłaszcza tlenkiem i dwutlenkiem węgla promieniującymi w płomieniu pyłu węglowego lub metanu.The subject of the invention is a flame monitor, an optical device for determining the quantitative ratio between two selected gases radiating in the combustion of fuels, especially carbon monoxide and carbon dioxide radiating in a coal dust or methane flame.

Znane są urządzenia do monitorowania płomienia złożone z zabudowanej w płaszczu komory paleniskowej, chłodzonej wodą, kamery telewizyjnej CCD z zespołem obiektywów i światłowodowych transmiterów sygnału optycznego, umożliwiające ciągłą obserwację procesów spalania w bardzo wysokich temperaturach. Z uzyskanych obrazów telewizyjnych odczytuje się informacje o intensywności, częstotliwości migotania, a tym samym o jakości płomienia. Układ optyczny urządzenia musi być zabezpieczony przed zanieczyszczeniami pyłowymi z komory spalania. W rozwiązaniu przedstawionym w polskim opisie patentowym nr 170 713 przed soczewką wejściową układu optycznego umieszczona jest w jej ognisku stała przegroda z koncentrycznym otworem. Strumień powietrza chłodzący rurę nośną, w której zabudowany jest układ optyczny, wypływa do komory spalania przez otwór w przegrodzie i uniemożliwia osadzanie się sadzy i popiołów lotnych na powierzchni soczewki wejściowej układu optycznego. Podobne rozwiązania konstrukcyjne ochrony okienek czy soczewek wejściowych stosowane są w innych urządzeniach optycznych, przykładowo w sondzie analizatora fotometrycznego gazów odlotowych według patentu polskiego nr 160 868.There are known flame monitoring devices consisting of a water-cooled furnace chamber built in the jacket, a CCD television camera with a set of lenses and optical fiber transmitters, enabling continuous observation of combustion processes at very high temperatures. From the obtained television images, information about the intensity, frequency of flickering, and thus the quality of the flame is read. The optical system of the device must be protected against dust contamination from the combustion chamber. In the solution presented in Polish patent specification No. 170 713, in front of the input lens of the optical system, there is a fixed barrier with a concentric opening in its focus. The air stream cooling the support tube, in which the optical system is built-in, flows into the combustion chamber through the opening in the partition and prevents soot and fly ash from settling on the surface of the optical system input lens. Similar design solutions for the protection of windows or entrance lenses are used in other optical devices, for example in the probe of the photometric exhaust gas analyzer according to Polish patent no. 160 868.

Znane są inne urządzenia do monitorowania płomienia w tym na przykład urządzenia z fotokomórką w układzie zliczania cyfrowego. Głównym zadaniem tego typu układów z fotokomórką jest wykrywanie zaniku płomienia. Światło płomienia zebrane w układzie soczewek o bardzo małym kącie sferycznym transmitowane jest przez światłowód do fotokomórki. Zespół - soczewki, światłowód, fotokomórka chłodzone są powietrzem, które chroni jednocześnie soczewkę wejściową przed osadzaniem się pyłu. Sygnał elektryczny z fotokomórki po wzmocnieniu i przetworzeniu według założonego algorytmu podlega cyfrowej rejestracji. Układ fotokomórki służy do nadzoru pracy palnika pyłowego lub gazowego.Other flame monitoring devices are known, including, for example, photocell devices in a digital counting system. The main task of these types of photocell systems is the detection of flame failure. The light from the flame collected in a system of lenses with a very small spherical angle is transmitted through the optical fiber to the photocell. The assembly - lenses, optical fiber, photocell are cooled with air, which at the same time protects the input lens against dust deposition. The electric signal from the photocell, after amplification and processing according to the assumed algorithm, is subject to digital recording. The photocell system is used to monitor the operation of a dust or gas burner.

Znane są także rozwiązania optycznych analizatorów gazów spalinowych montowanych bezpośrednio w kanale spalin. Optyczny układ pomiarowy analizatora zawiera źródło promieniowania, nadawczy zespół optyczny do formowania i wprowadzania wiązki promieniowania w przestrzeń pomiarową wypełnioną spalinami oraz odbiorczy zespół optyczny z detektorem połączonym z elektronicznym układem przetwarzania i rejestracji danych.There are also known solutions of optical exhaust gas analyzers mounted directly in the exhaust gas channel. The optical measuring system of the analyzer comprises a radiation source, a transmitting optical unit for forming and introducing the radiation beam into the measuring space filled with exhaust gases, and a receiving optical unit with a detector connected to the electronic data processing and recording system.

Układ monitora płomienia nadzoruje płomień powstający podczas spalania paliw. Przy spalaniu niezupełnym obok gazów niepalnych np. CO2, SO2 ,H2O powstają także gazy palne np. CO, H2, CH4.The flame monitor system monitors the flame generated during the combustion of fuels. In the case of incomplete combustion, besides non-flammable gases, e.g. CO2, SO2, H2O, also flammable gases are produced, e.g. CO, H2, CH4.

W danej temperaturze pł omienia gazy niepalne i palne emitują promieniowanie o dł ugoś ciach fal układających się w specyficzne pasma. Pasma zajmujące obszary spektralne 2,4 - 3,0 μm, 4,0 - 4,8 μm, 12,5 - 16,5 μm pochodzą z promieniowania CO₂, natomiast promieniowanie z CO zajmuje obszary 2,3 - 2,8 μm oraz 4,7 - 5,2 nm. W tej samej temperaturze i dla identycznych długości fal w warunkach równowagi - emisyjność gazów jest równa ich absorpcyjności. Absorpcja promieniowania przez CO2 w temperaturze 800 K wykazuje poszerzenie pasm absorpcji w porównaniu z pasmami absorpcji w temperaturze 300 K. Ważne jest to, że pasmo 4,3 μm będące intensywnym pasmem emisji promieniowania CO2 będącego w wysokiej temperaturze jest także intensywnym pasmem absorpcji promieniowania przez gazowy CO2 w temperaturze pokojowej. Podobnie jest i w przypadku CO. Gaz ten promieniuje w wysokiej temperaturze fale o długości 4,7 nm i absorbuje fale o tej samej długości w niskiej temperaturze.At a given flame temperature, non-flammable and flammable gases emit radiation with wavelengths arranged in specific bands. The bands occupying the spectral areas of 2.4 - 3.0 μm, 4.0 - 4.8 μm, 12.5 - 16.5 μm come from CO ₂ radiation, while radiation from CO covers the areas of 2.3 - 2.8 μm and 4.7 - 5.2 nm. At the same temperature and for identical wavelengths under equilibrium conditions, the emissivity of the gases is equal to their absorptivity. The absorption of radiation by CO2 at 800 K shows a broadening of the absorption bands compared to the absorption bands at 300 K. It is important that the 4.3 μm band, which is an intense band of emission of CO2 radiation at high temperature, is also an intense band of radiation absorption by gas CO2 at room temperature. The same is true for CO. This gas radiates 4.7 nm wavelength at high temperature and absorbs wavelengths of the same wavelength at low temperature.

Wysokie stężenie CO w porównanie ze stężeniem CO2 w płomieniu świadczy o niedoborze powietrza. Mierząc natężenie promieniowania emitowanego przez CO2 oraz CO można by określić zawartość poszczególnych gazów w płomieniu. Jednakże z uwagi na poszerzenie pasm absorpcji zarówno CO2 i CO w wysokich temperaturach, jak i z uwagi na efekt wzajemnego przysłaniania pasm wyznaczenie stężeń gazów w płomieniu na drodze pomiaru natężenia światła emitowanego jest zadaniem złożonym i dotychczas praktycznie nie rozwiązanym w technice pomiarowej.Compared to the concentration of CO2 in the flame, the high concentration of CO indicates a lack of air. By measuring the intensity of the radiation emitted by CO2 and CO, the content of individual gases in the flame could be determined. However, due to the widening of the absorption bands of both CO2 and CO at high temperatures, and due to the mutual obstruction of the bands, the determination of gas concentrations in the flame by measuring the intensity of emitted light is a complex task and so far practically unsolved in the measurement technique.

Monitor płomienia według niniejszego wynalazku przeznaczony jest jedynie do określania proporcji ilościowej między dwoma gazami promieniującymi w płomieniu, zwłaszcza tlenku i dwutlenku węgla. Posiada podobnie jak w opisanych powyżej urządzeniach układ optyczny zabudowany w rurze nośnej, zewnętrznie chłodzonej i wyposażonej w zespół ochrony okienka wejściowego. Istota rozwiązania monitora opiera się na wydzieleniu w rurze nośnej czterech komór. Komory wydzielone są poprzez hermetyczną zabudowę w płaszczyznach prostopadłych do osi rury nośnej: dwóch sztywnychThe flame monitor according to the present invention is only intended to determine the quantitative proportion between two gases radiating in the flame, especially carbon monoxide and carbon dioxide. Similarly to the devices described above, it has an optical system built into the supporting tube, externally cooled and equipped with an entrance window protection unit. The essence of the monitor solution is based on the separation of four chambers in the support pipe. The chambers are separated by hermetic construction in planes perpendicular to the axis of the support pipe: two are rigid

PL 203 277 B1 okienek - przedniego i tylnego, usytuowanych między nimi dwóch elastycznych okienek - przedniego i tylnego oraz osadzonego na końcu rury nośnej zwierciadła sferycznego. W komorze pierwszej, miedzy sztywnym okienkiem wejściowym i elastycznym okienkiem przednim znajdują się: falowód promieniowania, stykający się czołowo z powierzchniami obu okienek oraz zwierciadło płaskie osłaniające powierzchnię elastycznego okienka przedniego i posiadające centralny otwór na falowód promieniowania. Komora druga ograniczona elastycznymi okienkami - przednim i tylnym, połączona jest z czujnikiem ciś nienia. Sygnał z czujnika doprowadzony jest do bloku elektronicznego monitora. Z kolei komora trzecia utworzona jest pomiędzy elastycznym okienkiem tylnym i sztywnym okienkiem tylnym. W komorze czwartej, między sztywnym okienkiem tylnym i zwierciadłem sferycznym, w ognisku zwierciadła umieszczone jest czoło światłowodu, którym prowadzone jest zebrane światło do bloku elektronicznego. Poszczególne komory napełnione są odpowiednio: komora pierwsza gazem identycznym jak jeden z dwóch wybranych gazów promieniujących, komora druga i komora czwarta gazem widmowo obojętnym, zwłaszcza azotem, a komora trzecia gazem identycznym jak drugi wybrany gaz promieniujący w płomieniu.There are two flexible windows - the front and the rear, and a spherical mirror mounted at the end of the support tube - between the front and rear windows. In the first chamber, between the rigid entry window and the flexible front window there are: a radiation waveguide facing the surfaces of both windows and a flat mirror covering the surface of the flexible front window and having a central opening for the radiation waveguide. The second chamber is limited by flexible windows - front and rear, connected to a pressure sensor. The signal from the sensor is fed to the electronic block of the monitor. The third compartment is in turn formed between the flexible rear window and the rigid rear window. In the fourth chamber, between the rigid rear window and the spherical mirror, in the focus of the mirror, there is an optical fiber front, through which the collected light is led to the electronic block. The individual chambers are filled with: the first chamber with a gas identical to one of the two selected radiating gases, the second chamber and the fourth chamber with a spectrally inert gas, especially nitrogen, and the third chamber with a gas identical to the second selected gas radiating in the flame.

W przedstawionym rozwiązaniu promieniowanie emitowane z płomienia przenika do komór monitora, gdzie w pierwszej i trzeciej komorze jest odpowiednio absorbowane przez wypełniające te komory gazy dla przykładu w pierwszej przez CO, w trzeciej przez CO2, czyli gazami - pierwszym i drugim, identycznymi z gazami promieniującymi w płomieniu, a których ilościową proporcję chcemy wyznaczyć. W wyniku absorpcji promieniowania wzrastają ciśnienia w obu komorach, proporcjonalnie do ilości molekuł gazów - pierwszego i drugiego, promieniujących w płomieniu. Ciśnienia proporcjonalne do stężeń gazów - pierwszego i drugiego, wywierane na elastyczne okienka - przednie i tylne komory drugiej, powodują podwyższenie ciśnienia w komorze drugiej relatywnie do proporcji ilościowej obu gazów w płomieniu. Ciśnienie w komorze drugiej może być mierzone przy pomocy standardowego, odpowiednio dobranego czujnika ciśnienia lub przy pomocy układu światłowodów. Pozostała, nie zaabsorbowana część promieniowania przenika do komory czwartej, zostaje odbita w zwierciadle sferycznym i podana do światłowodu. Sygnał optyczny prowadzony tym światłowodem umożliwia pobór sygnału z czujnika ciśnienia synchronicznie ze światłem pochodzący z płomienia, impulsowanym przez tarcze modulacyjną. Sygnał optyczny z tego światłowodu niesie także informację o migotaniu czy zaniku płomienia.In the presented solution, the radiation emitted from the flame penetrates into the monitor chambers, where in the first and third chambers it is appropriately absorbed by the gases filling these chambers, for example in the first by CO, in the third by CO2, i.e. by gases - the first and the second, identical to the gases radiating in them. flame, and the quantitative proportion of which we want to determine. As a result of absorption of the radiation, the pressures in both chambers increase in proportion to the number of gas molecules - the first and the second, radiating in the flame. Pressures proportional to the concentrations of the first and second gases, exerted on the flexible windows - the front and rear chambers of the second, increase the pressure in the second chamber relative to the quantitative proportion of both gases in the flame. The pressure in the second chamber can be measured with a standard, suitably selected pressure sensor or with a system of optical fibers. The remaining, non-absorbed part of the radiation penetrates into the fourth chamber, is reflected in the spherical mirror and fed to the optical fiber. The optical signal guided by this fiber enables the signal to be picked up from the pressure sensor synchronously with the light coming from the flame, pulsed by the modulation disc. The optical signal from this fiber also carries information about flickering or flame failure.

Tarcza modulacyjna zabudowana pod osłoną napędzana jest powietrzną turbinką łożyskowaną w osł onie. Powietrze z turbinki kierowane jest pod metalową osł onę równolegle do powierzchni przedniego okienka sztywnego, zabudowanego w rurze nośnej, będącego okienkiem wejściowym. Powietrze to wcześniej przepływa w płaszczu rury nośnej, omywa rurę nośną i ochładza. W metalowej osłonie jest wykonany tylko jeden otwór adekwatny do powierzchni okienka wejściowego, natomiast w tarczy modulatora wycięty jest co najmniej jeden otwór adekwatny do okienka wejściowego. Przed nagrzewaniem się okienka wejściowego od płomienia zabezpiecza okienko ochronne, które umiejscowione przed okienkiem wejściowym, może być zamocowane przed tarczą, w otworze tarczy lub za tarczą modulatora.The modulating disc installed under the cover is driven by an air turbine mounted in the cover. The air from the turbine is directed under the metal cover, parallel to the surface of the front rigid window, built into the support pipe, which is the entrance window. This air flows in the supporting tube shell beforehand, washes the supporting tube and cools it. Only one hole is made in the metal cover, which is adequate to the surface of the entrance window, while at least one hole is cut in the modulator disc, which is adequate to the entrance window. A protective window, placed in front of the entrance window, can be fitted in front of the shield, in the shield opening or behind the modulator shield, against the heating of the entrance window from the flame.

Zabudowany w komorze pierwszej falowód promieniowania wykonany może być z jednego lub kilku światłowodów, względnie może mieć postać kapilary wewnątrz złoconej, na końcach zamkniętej okienkami i wypełnionej gazem widmowo obojętnym, zwłaszcza azotem.The radiation waveguide installed in the first chamber can be made of one or more optical fibers, or it can have the form of a capillary inside gilded, closed at the ends with windows and filled with spectrally inert gas, especially nitrogen.

Pomiar ciśnienia w komorze drugiej może być dokonywany różnego rodzaju czujnikami z elektrycznym sygnałem pomiarowym. Korzystnym rozwiązaniem jest, gdy czujnik ciśnienia zabudowany jest bezpośrednio wewnątrz komory drugiej i stanowią go przylegające do obu elastycznych okienek przedniego i tylnego, pierścienie - przedni i tylny. Sąsiadujące, naprzeciwległe powierzchnie czołowe tych pierścieni są karbowane i obejmują poprowadzony między nimi światłowód, w którym prowadzone światło jest modulowane poprzez nacisk pierścieni na światłowód. Światłowód jest poprowadzony z i do układu elektronicznego zawierają cego ź ródł o i detektor ś wiatł a.The pressure in the second chamber can be measured with various types of sensors with an electrical measurement signal. An advantageous solution is when the pressure sensor is built directly inside the second chamber and consists of front and rear rings adjacent to both flexible windows. The adjacent, opposing faces of these rings are crimped and include a light guide routed therebetween, in which the guided light is modulated by the pressure of the rings on the light guide. The optical fiber is routed from and to an electronic circuit comprising the light source and the light detector.

Monitor płomienia według wynalazku umożliwia jednoczesny, względny pomiar ilości dwóch gazów promieniujących w płomieniu, w tym gazów charakterystycznych dla jakości spalania, zwłaszcza relatywnej ilości CO/CO2. Umożliwia stwierdzenie zaniku płomienia czy też pozwala na określenie częstotliwości i intensywności migotania. Poprzez bezpośrednie monitorowanie płomienia pozwala na bezpieczne prowadzenie kotła i daje możliwości wyprzedzającego wyłączenia elektrofiltru.The flame monitor according to the invention enables the simultaneous, relative measurement of the amount of two radiating gases in the flame, including gases characteristic of the quality of combustion, in particular the relative amount of CO / CO2. It makes it possible to determine the flame failure or to determine the frequency and intensity of flickering. By directly monitoring the flame, it allows the boiler to be run safely and allows the ESP to be switched off early.

Pełne rozumienie wynalazku umożliwi opis przykładowego wykonania monitora płomienia, przeznaczonego do określania proporcji ilościowej między promieniującymi w płomieniu tlenkiem i dwutlenkiem wę gla. Monitor pokazany jest na rysunku w wzdł uż nym przekroju osiowym.A full understanding of the invention will be made possible to describe an exemplary embodiment of a flame monitor designed to determine the quantitative ratio between carbon monoxide and carbon dioxide radiating in a flame. The monitor is shown in the figure along its axial section.

PL 203 277 B1PL 203 277 B1

Monitor posiada rurę nośną 1 o średnicy rzędu 10-20 mm, której wewnętrzna powierzchnia jest pozłocona. Przestrzeń wewnętrzna rury nośnej 1 podzielona jest na cztery komory 2,3,4,5, wydzielone poprzez hermetyczną zabudowę w płaszczyznach prostopadłych do osi rury nośnej 1: dwóch sztywnych okienek - przedniego 7 i tylnego 17, dwóch usytuowanych między nimi elastycznych okienek przedniego 8 i tylnego 14 oraz osadzonego na końcu rury nośnej 1 zwierciadła sferycznego 18. W komorze pierwszej 2 ograniczonej od strony płomienia 6 sztywnym okienkiem przednim 7 a z drugiej strony elastycznym okienkiem przednim 8 znajdują się: falowód 10 i zwierciadło płaskie 9 osłaniające powierzchnię elastycznego okienka przedniego 8. Sztywne okienko przednie 7 wykonane jest z szafiru, natomiast elastyczne okienko przednie 8 z tworzywa sztucznego, transparentnego dla promieniowania podczerwonego w obszarze fal o długości od 3 do 6 μm. Falowód 10 zbudowany jest z kapilary 11, wewnątrz złoconej a na końcach zamkniętej szafirowymi okienkami kapilary 12, którymi przylega czołowo do powierzchni sztywnego okienka przedniego 7 i elastycznego okienka przedniego 8. Kapilara 11 przeprowadzona jest przez centralny otwór w zwierciadle płaskim 9. Kapilara 11 wypełniona jest azotem. Komora pierwsza 2 wypełniona jest czystym tlenkiem węgla CO. Komora druga 3 znajduje się między elastycznymi okienkami - przednim 8 i tylnym 14. W tym wykonaniu monitora czujnik ciśnienia C zabudowany jest wewnątrz komory drugiej 3, a tworzą go dwa metalowe pierścienie - przedni 13 i tylny 15, obejmujące wprowadzony do środka światłowód 16, o odpowiednio dobranej średnicy i elastyczności. Pierścienie - przedni 13 i tylny 15 ściśle przylegają do obu elastycznych okienek - przedniego 8 i tylnego 14, a ich otwory centralne mają średnice nieco większą od średnicy kapilary 11. Sąsiadujące, naprzeciwległe powierzchnie czołowe obu pierścieni 13 i 15 są promieniście karbowane. Przekazane na karbowane pierścienie 13 i 15 siły nacisku od obu elastycznych okienek 8 i 14, powodują ugięcia światłowodu 16, a tym samym modulację światła prowadzonego w światłowodzie 16 adekwatną do wzajemnej zawartości CO względem CO₂ w płomieniu 6. Światłowód 16 zwinięty w pętle pomiędzy pierścieniami 13 i 15 wyprowadzony jest na zewnątrz komory i połączony jest z jednej strony ze źródłem światła, z drugiej strony z fotodetektorem w bloku elektronicznym 30 sterownika cyfrowego. Przestrzeń drugiej komory 3 wypełniona jest azotem, gazem widmowo obojętnym. Komora trzecia 4 wyznaczona między elastycznym okienkiem tylnym 14 i sztywnym, kwarcowym okienkiem tylnym 17 wypełniona jest dwutlenkiem węgla CO₂. Z kolei w komorze czwartej 5, między sztywnym okienkiem tylnym 17 i zwierciadłem sferycznym 18, wypełnionej azotem, w ognisku zwierciadła 18 umieszczono czoło światłowodu 19. Światłowód 19 połączony jest z odpowiednim detektorem w bloku elektronicznym 30. Rura nośna 1 otoczona jest obudową 20, tworzącą płaszcz do którego przez przewód wlotowy medium chłodzącego 21 wtłaczana jest ciecz. Wylot przewodu wlotowego medium chłodzącego 21 doprowadzony jest w strefę najbliższą sztywnego okienka przedniego 7, natomiast przewód wylotowy medium chłodzącego 29 wyprowadzony jest na zewnątrz monitora. W płaszcz między obudową 20 i rurą nośną 1 wprowadzony jest również przewód sprężonego powietrza 22, którego wylot jest szczelnie wbudowany w ściankę czołową przy sztywnym okienku przednim 7. Przed sztywnym okienkiem przednim 7 znajduje się szafirowe okienko ochronne 27 oraz segmentowa tarcza modulacyjna 24 z otworem 26 napędzana powietrzną turbinką 23. Zamocowana w osi tarczy modulacyjnej 24 turbinka 23 wprowadzona jest do wnętrza przewodu 22. Tarcza modulacyjna 24 jest ułożyskowana w osłonie 25. Otwór 26 jest adekwatny do sztywnego okienka przedniego 7. Powietrze wypływające z turbinki 23 kierowany jest przez osłonę 25 równoległe do płaszczyzny okienka ochronnego 27 i sztywnego okienka przedniego 7 powodując ich chłodzenie i oczyszczanie powierzchni z pyłów. Monitor mocowany jest w ścianie komory płomieniowej przy pomocy kołnierza 28.The monitor has a support tube 1 with a diameter of 10-20 mm, the inner surface of which is gold-plated. The internal space of the support tube 1 is divided into four chambers 2, 3, 4, 5, separated by hermetic enclosure in planes perpendicular to the axis of the support tube 1: two rigid windows - front 7 and rear 17, two flexible front 8 and between them 14 and a spherical mirror 18 mounted on the end of the support tube 1. In the first chamber 2 limited from the flame side 6 by a rigid front window 7 and on the other side by a flexible front window 8, there are: a waveguide 10 and a flat mirror 9 covering the surface of the flexible front window 8. Rigid the front window 7 is made of sapphire, while the flexible front window 8 is made of plastic, transparent to infrared radiation in the wavelength region of 3 to 6 μm. The waveguide 10 consists of a capillary 11, inside a gilded capillary 12 closed at the ends with sapphire windows, with which it adjoins the surface of the rigid front window 7 and flexible front window 8. The capillary 11 is led through the central hole in the flat mirror 9. The capillary 11 is filled with nitrogen. The first chamber 2 is filled with pure carbon monoxide CO. The second chamber 3 is located between the flexible windows - front 8 and rear 14. In this version of the monitor, the pressure sensor C is built inside the second chamber 3, and it is made of two metal rings - front 13 and rear 15, including the optical fiber 16 inserted inside, properly selected diameter and flexibility. The rings - front 13 and rear 15 closely fit both flexible windows - front 8 and rear 14, and their central openings have a diameter slightly larger than that of the capillary 11. The adjacent, opposite faces of both rings 13 and 15 are radially corrugated. The pressure forces transferred to the corrugated rings 13 and 15 from both flexible windows 8 and 14 cause the deflection of the optical fiber 16, and thus the modulation of the light guided in the optical fiber 16, corresponding to the CO content relative to CO ₂ in the flame 6. The optical fiber 16 coiled into loops between the rings 13 and 15 are led outside the chamber and connected on the one hand to the light source and on the other hand to the photo detector in the electronic block 30 of the digital controller. The space of the second chamber 3 is filled with nitrogen, a spectrally inert gas. The third chamber 4 defined between the flexible rear window 14 and the rigid quartz rear window 17 is filled with carbon dioxide CO ₂ . On the other hand, in the fourth chamber 5, between the rigid rear window 17 and the spherical mirror 18 filled with nitrogen, at the focal point of the mirror 18, the fiber end 19 is placed. The optical fiber 19 is connected with a suitable detector in the electronic unit 30. The support tube 1 is surrounded by a housing 20 that forms a jacket into which a liquid is forced through the cooling medium inlet line 21. The outlet of the cooling medium inlet conduit 21 is led to the zone closest to the rigid front window 7, while the cooling medium outlet conduit 29 is led outside the monitor. A compressed air line 22 is also inserted into the jacket between the housing 20 and the support tube 1, the outlet of which is tightly integrated into the front wall at the rigid front window 7. In front of the rigid front window 7 there is a sapphire protective window 27 and a segmented modulation disc 24 with an opening 26 driven by an air turbine 23. A turbine 23 fixed in the axis of the modulation disc 24 is introduced into the inside of the conduit 22. The modulation disc 24 is mounted in the housing 25. The opening 26 corresponds to the rigid front window 7. The air flowing from the turbine 23 is directed through the parallel shield 25 to the plane of the protective window 27 and the rigid front window 7, cooling them and cleaning the surface of dust. The monitor is mounted in the wall of the flame chamber by means of a collar 28.

Działanie monitora jest związane z tym, że promieniowanie emitowane z płomienia 6 przechodzi przez otwór w osłonie 25, przenika przez okienko ochronne 27, przechodzi przez otwór 26 w tarczy modulacyjnej 24 i pada na sztywne okienko przednie 7. Na sztywnym okienku przednim 7 następuje podział promieniowania na wiązkę zewnętrzną przechodzącą przez komorę pierwszą 2 i wiązkę środkową poprowadzoną falowodem 10 do komory drugiej 3 i do kolejnych komór monitora. Wiązka zewnętrzna promieniowania absorbowana jest przez wypełniający komorę pierwszą 2 tlenek węgla CO. Promieniowanie które nie uległo absorpcji zostaje odbite od zwierciadła płaskiego 9 i powraca do strefy płomienia 6. Wiązka środkowa transmitowana kapilara 11 do komory drugiej 3, nie absorbowana przez azot, przenika przez elastyczne okienko tylne 14 do komory trzeciej 4, wypełnionej dwutlenkiem węgla CO₂. Promieniowanie emitowane przez gazowy CO₂ w płomieniu 6 zostanie w komorze trzeciej 4 zaabsorbowane, a pozostałe promieniowanie przejdzie przez sztywne okienko tylne 17 do komory czwartej 5 wypełnionej azotem. Padając na zwierciadło sferyczne 18, po odbiciu zostaje skupione i wprowadzone do światłowodu 19, a następnie przesłane do odpowiedniego fotodetektoraThe operation of the monitor is related to the fact that the radiation emitted from the flame 6 passes through the opening in the shield 25, penetrates through the protective window 27, passes through the opening 26 in the modulation disc 24 and hits the rigid front window 7. The radiation splits on the rigid front window 7. to the outer beam passing through the first chamber 2 and the central beam through the waveguide 10 to the second chamber 3 and to the next monitor chambers. The external beam of radiation is absorbed by carbon monoxide CO which fills the first chamber 2. The non-absorbed radiation is reflected from the plane mirror 9 and returns to the flame zone 6. The central beam transmitted from the capillary 11 to the second chamber 3, not absorbed by nitrogen, penetrates through the flexible rear window 14 into the third chamber 4 filled with carbon dioxide CO ₂ . The radiation emitted by the CO ₂ gas in the flame 6 will be absorbed in the third chamber 4, and the remaining radiation will pass through the rigid rear window 17 into the fourth chamber 5 filled with nitrogen. By falling on the spherical mirror 18, after reflection it is focused and introduced into the optical fiber 19, and then sent to the appropriate photodetector

PL 203 277 B1 w bloku elektronicznym 30. Zaabsorbowane w komorze pierwszej 2_promieniowanie pochodzące od gazowego CO płomienia 6 podnosi temperaturę, a tym samym ciśnienie w komorze. Wzrost ciśnienia jest proporcjonalny do natężenia promieniowania emitowanego przez CO, czyli do ilości molekuł CO w płomieniu 6. Analogicznie w komorze trzeciej 4 nastąpi wzrost ciśnienia proporcjonalny do ilości molekuł CO₂ w płomieniu 6. Siły parcia wywołane ciśnieniami w komorach pierwszej 2 i trzeciej 4, skierowane na elastyczne okienka -przednie 8 i tylne 14, są odpowiednio proporcjonalne do stężeń CO i CO₂ w płomieniu 6. Przekazane na karbowane pierścienie 13 i 15 powodują ugięcia światłowodu 16, modulują światło prowadzone światłowodem, a intensywność modulacji jest funkcją relatywnej zawartości CO/CO₂ w płomieniu 6.In the electronic block 30. The radiation from the CO gas of the flame 6, absorbed in the first chamber 2, increases the temperature and thus the pressure in the chamber. The increase in pressure is proportional to the intensity of radiation emitted by CO, i.e. the number of CO molecules in the flame 6. Similarly, in the third chamber 4 there will be an increase in pressure proportional to the number of CO ₂ molecules in the flame 6. The pressure forces caused by pressures in the first 2 and third chambers 4, directed to flexible windows - front 8 and rear 14, are proportional to the concentration of CO and CO ₂ in the flame 6. When transmitted to the notched rings 13 and 15, they cause deflection of the fiber 16, modulate the light guided through the fiber, and the modulation intensity is a function of the relative CO content / CO ₂ in flame 6.

Linią przerywaną pokazano na rysunku możliwość wykonania monitora z zewnętrznym czujnikiem ciśnienia C, którego elektryczny sygnał wartości ciśnienia w komorze drugiej 3 przekazywany jest do bloku elektronicznego 30. W takim wykonaniu oczywistym jest, że w konstrukcji nie występują: pierścień przedni 13 tylny 15 oraz światłowód elastyczny 16.The dashed line shows the possibility of making a monitor with an external pressure sensor C, the electric signal of the pressure value in the second chamber 3 is transmitted to the electronic block 30. In such an embodiment it is obvious that the structure does not include: front ring 13, rear 15 and flexible optical fiber 16.

Claims

1.Flame monitor, designed to determine the quantitative proportion between two selected gases radiating in a flame, especially carbon monoxide and carbon dioxide, having an optical system built into a support pipe, externally cooled, equipped with an entrance window protection unit, characterized by the fact that it has four chambers ( 2, 3, 4, 5) separated inside the supporting tube (1) by hermetic enclosure in planes perpendicular to its axis: two rigid windows - front (7) and rear (17), two flexible front (8) windows between them and the rear (14) and the spherical mirror (18) mounted at the end of the support tube (1), the first chamber (2), between the rigid entrance window (7) and the flexible front window (8): a waveguide (10) frontal contact with the surfaces of both windows (7, 8), and a flat mirror (9) covering the surfaces of the flexible front window (8) and having a central opening for the waveguide (10),

- the second chamber (3), located between the flexible windows - front (8) and rear (14), is connected to a pressure sensor (C), the signal of which is fed to the electronic block (30),

- in the fourth chamber (5), formed between the rigid rear window (17) and the spherical mirror (18), the front of the light guide (19) leading the collected light to the electronic block (30) is placed in the focus of the mirror (18).

- the individual chambers are filled: the first chamber (2) with a gas identical to one of the two selected gases radiating in the flame (6); the second chamber (3) and the fourth chamber (5) with an optically inert gas, especially nitrogen; and the third chamber (4) formed between the flexible rear window (14) and the rigid rear window (17) is filled with a gas identical to the second radiating gas selected.

2. The monitor according to p. A protective window (27) and a modulating disc (24) are mounted in front of the rigid front window (7), which is driven by an air turbine (23) bearing in the cover (25) and from which the air flow is directed by the cover (25). ) parallel to the plane of the rigid front window (7), at least one hole (26) being made in the modulation disc (24) corresponding to the rigid front window (7).

3. The monitor according to p. The device of claim 2, characterized in that the protective window (27) is mounted in front of the modulation disc (24).

4. The monitor according to p. The device of claim 2, characterized in that the protective window (27) is fitted in the opening (26) of the modulation disc (24).

5. The monitor according to p. The device of claim 2, characterized in that the protective window (27) is mounted behind the modulation disc (24) in front of the rigid front window (7).

6. The monitor according to p. The method of claim 1, characterized in that the waveguide (10) comprises at least one optical fiber.

7. The monitor according to p. The method of claim 1, characterized in that the waveguide (10) is a capillary (11), internally gold-plated, closed at the ends with a capillary window (12) and filled with an optically inert gas, especially nitrogen.

PL 203 277 B1

8. The monitor according to p. 3. The pressure sensor (C) is built into the second chamber (3) and consists of rings adjacent to both flexible windows - front (8) and rear (14) - front (13) and rear (15), adjacent opposing faces are crimped and include an optical guide (16) guided therebetween which guides light from to the electronic unit (30).