一种同时监测燃烧火焰温度场和中间产物浓度二维分布的方法 【技术领域】
本发明是一种同时监测燃烧火焰温度场和中间产物浓度二维分布的方法，它主要利用火焰辐射光谱学、黑体辐射规律和几何光学系统探测火焰燃烧产生的各种中间产物的浓度分布，利用比色法实时测量燃烧火焰的温度分布。
【背景技术】
燃烧是一个复杂的物理、化学变化过程，其主要外在表现形式是火焰及其电磁辐射(包括光和热)。由于现有测量手段的限制，尽管提出过许多个燃烧模型(数学的、物理的、化学的)，但在某种程度上来讲燃烧过程仍被作为一种“黑匣子”来对待。
火焰的温度直接取自燃烧室，其信息直接反映燃烧的状况，所以火焰温度是燃烧研究中主要参数之一，该参数对于燃烧过程的组织非常重要。而又有众多研究表明，燃烧中间产物在火焰内部的分布与火焰的温度分布、燃料种类、燃烧装置运行工况与燃烧效率及燃烧最终的污染物排放有着紧密的联系，因此为了正确认识燃烧过程、有效验证各种模型、在线、实时、定量预测污染气体的排放量，燃烧火焰的温度和燃烧过程中产生的中间产物的分布是有待测量的重要参数。
目前有许多工程技术人员从事燃烧过程监测、控制及污染气体排放预测的研究，在线、同时获取燃烧火焰的温度分布和中间产物在火焰中的分布具有重要意义。目前，对于火焰的温度分布和燃烧中间产物的分布是分别获得的，火焰的温度分布大多采用比色法、三色法得到，而燃烧中间产物的浓度分布可以通过采用光谱仪测量对应谱线或谱带下的光辐射信号强度来对燃烧火焰中间产物的浓度进行在线监测，但该方法测得的结果是产物的总体平均浓度或单点局部浓度，无法同时测取其浓度分布信息，致使燃烧模型(包括中间产物的再反应)难以得到有效验证。而采用激光诱导荧光、拉曼散射及傅立叶变换红外光谱仪等可以获得某产物或粒子的二维分布，但该方法不宜同时获取两种以上的中间产物的二维分布，且该类方法成本昂贵、安装复杂，在工业现场应用中存在许多困难。
本发明公开一种采用几何光学系统测量燃烧中间产物特征辐射信号强度来在线监测燃烧火焰中间产物的浓度分布信息及利用比色法实时测量燃烧火焰的温度分布的系统，结构紧凑、坚固、性价比高，适合工业现场应用。而由于该监测方法是在线、实时的，不存在时间上的大滞后问题，因而本发明对在线调整燃烧工况参数、实现燃烧过程的闭环控制、提高燃烧效率、降低污染气体排放有着重要的意义。本发明在电力、能源、冶金等行业具有广阔的应用前景。
【发明内容】
本发明是一种在线、同时监测燃烧火焰温度场和中间产物浓度二维分布的方法，它主要利用火焰辐射光谱学、黑体辐射规律和几何光学系统探测火焰燃烧产生的各种中间产物的浓度分布，利用比色法实时测量燃烧火焰的温度分布。
本发明提供的一种同时监测燃烧火焰温度场和中间产物浓度二维分布的方法采用以下技术方案：
该方法包括火焰探测装置、分光装置、滤波装置、探测处理装置。火焰探测装置包括火焰窥镜装置及其前端的广角镜和冷却套筒，火焰辐射光经窥镜装置传递给分光装置，分光后经滤波装置得到四路中心波长不同的窄带光信号。探测处理装置包括CCD接收装置和软件处理系统，通过CCD接收装置得到四路不同的光强分布图像，根据黑体辐射定律，其中两路信号的光强分布图像相减得到对应燃烧中间产物的浓度分布图像；另两路窄带光信号的光强相比，根据比色法可以得到火焰温度场分布。本发明能够实时并同时监测火焰中间产物浓度和火焰温度场的二维分布。
其中，所述火焰窥镜装置前端为探测广角镜，由凸面镜和凹面镜设计组成，实现探测整个火焰辐射全波段的光波的功能。火焰窥镜装置外部有冷却套筒，冷却方式可为气冷或水冷或两者组合。
其中，所述分光装置包括六个分光棱镜，三个分光棱镜具有增透膜和增反膜，三个分光棱镜只具有增反膜，得到两组光强相同或近似相同地图像。
其中，所述滤波装置包括滤波器和固定安装机械装置，根据被监测燃烧中间产物的特征谱线以及测量火焰温度场所需光信号波长选定所述滤波器通光波段的中心波长及半波宽。其中在实现监测火焰温度场的两条光路中，选择使用的滤波器具有相同的半波宽；在实现监测火焰中间产物浓度的两条光路中，选择使用的滤波器具有相同的半波宽。
其中，所述分光棱镜出射光线经过所述滤波装置得到四个中心波长不同的窄带光信号1、窄带光信号2、窄带光信号3、窄带光信号4，其中所述窄带光信号1与所述窄带光信号2为窄带光信号且具有相同的半波宽，所述窄带光信号1的中心波长对应叠加在火焰黑体辐射信号分布上的特定燃烧中间产物的特征谱线的中心波长，所述窄带光信号2的中心波长尽量靠近所述窄带光信号1所占波段，且所述窄带光信号2所占波段与所述窄带光信号1所占波段不重叠，所述窄带光信号2所占波段内不存在任何火焰辐射特征谱线。所述窄带光信号3与所述窄带光信号4为窄带光信号且具有相同的半波宽，所述窄带光信号3为非特征谱线的火焰黑体辐射上的波长3信号，所述窄带光信号4为非特征谱线的火焰黑体辐射上的波长4信号。
其中，所述探测处理装置包括CCD接收装置和软件处理系统，所述CCD接收装置包括前端用于CCD相机成像的相机镜头装置，所述CCD接收装置能够得到经过探测装置、分光装置和滤波装置后的光学影像，并将图像信息转化为数字信号传递给所述软件处理系统。CCD的面积大小与成像大小有着对应放大关系，决定了CCD相机的物距与像距大小。
其中，所述软件处理系统把所述窄带光信号1与所述窄带光信号2的光强分布图像相减，得到实际意义的燃烧中间产物的特征辐射信号强度的二维分布。局部特征辐射信号强度越大，被测量燃烧中间产物的局部浓度越高。把所述窄带光信号3与所述窄带光信号4的光强相比，根据燃烧火焰的温度与火焰在两个波长下的辐射强度比的函数关系式，得到火焰温度场分布。
其中，可以运用多组分光棱镜系统，并采用不同滤波范围的滤波装置，实时监测燃烧火焰中的多种中间产物的浓度和温度，从而呈现多种中间产物浓度场和火焰温度场的二维分布。
本发明的有益效果：本发明公开一种通过测量燃烧中间产物特征辐射信号强度来在线监测火焰燃烧中间产物的浓度和火焰温度分布信息的系统，结构紧凑、坚固、性价比高，适合工业现场应用。而由于该监测方法是在线、实时的，不存在时间上的大滞后问题，因而本发明不仅可为在线监测火焰燃烧状态、有效验证燃烧模型提供一种有效的测量手段，而且对在线调整燃烧工况参数、实现燃烧过程的闭环控制、提高燃烧效率、降低污染气体排放有着重要的意义。本发明专利技术在即不接触测量对象、又不破坏测量对象的前提下，实时并同时获取燃烧火焰温度场和多种燃烧中间产物浓度的二维分布信息。本发明专利技术在电力、能源、冶金等行业具有广阔的应用前景。
【说明书附图】
图1是检测火焰浓度的方法组成示意图；
图2是探测燃烧中间产物与火焰温度分布的特征谱线示意图；
【具体实施方式】
通过前端的火焰探测广角镜101最大范围内收集火焰辐射光，之后经过所述火焰窥镜装置102传递给所述分光装置104和105，所述冷却套筒103对火焰窥镜装置102(包括火焰探测广角镜101)进行降温处理。火焰探测广角镜101能迅速、准确地得到火焰辐射光。火焰窥镜装置102(包括火焰探测广角镜101)及冷却套筒103的长度依据燃烧装置的壁厚设计，一般为几十厘米到1米。冷却的方式可为气冷或水冷或两者组合。
入射辐射光传递给分光装置104和105。首先入射分光棱镜104，由于分光棱镜104具有增透膜和增反膜，增透系数与增反系数相同。所以入射的火焰光一半能量透射出去，形成光信号I。另一部分反射给分光棱镜105。分光棱镜105上具有增反膜，增反系数为1，几乎全部反射出去，形成光信号II。此时光信号I和光信号II强度相同。
出射的光信号I传递给分光装置107和106。首先入射分光棱镜107，由于分光棱镜107具有增透膜和增反膜，增透系数与增反系数相同，所以入射的火焰光一半能量透射出去，形成光信号1。另一部分反射给分光棱镜106。分光棱镜106上具有增反膜，增反系数为1，几乎全部反射出去，形成光信号2。此时光信号1和光信号2强度相同。
出射的光信号II传递给分光装置108和109。首先入射分光棱镜108，由于分光棱镜108具有增透膜和增反膜，增透系数与增反系数相同，所以入射的火焰光一半能量透射出去，形成光信号3。另一部分反射给分光棱镜109。分光棱镜109上具有增反膜，增反系数为1，几乎全部反射出去，形成光信号4。此时光信号3和光信号4强度相同。
光信号1、光信号2、光信号3和光信号4分别经过窄带滤波器111、窄带滤波器110、窄带滤波器112和窄带滤波器113后得到中心波长为λ1的窄带光信号1、中心波长为λ2的窄带光信号2、中心波长为λ3的窄带光信号3、中心波长为λ4的窄带光信号4。其中在实现监测火焰温度场的两条光路中，选择使用的滤波器111和滤波器110具有相同的半波宽；在实现监测火焰中间产物浓度的两条光路中，选择使用的滤波器112和滤波器113具有相同的半波宽。
所述窄带滤波器110和111的中心波长及半波宽的选择方式如下具体所述：窄带滤波器110的中心波长λ1对应被测量燃烧中间产物的特征辐射谱线中心波长，窄带滤波器110的半波宽Δλ1根据被测量燃烧中间产物的特征辐射谱线的半波宽Δλ0选择，一种选择满足Δλ1＞Δλ0，或者一种选择为Δλ1＝Δλ0；窄带滤波器111的中心波长λ2的选取满足|λ2-λ1|≥2Δλ1，窄带滤波器111与窄带滤波器110具有相等的半波宽，且[λ2-Δλ1，λ2+Δλ1]波段内不存在其他产物的特征辐射谱线。只要与其他产物的特征谱线不交叠，一般可选择λ2＝λ1-2Δλ1或λ2＝λ1+2Δλ1。
所述窄带光信号1的强度为所述窄带光信号1所占波段内火焰黑体辐射信号强度205与特定燃烧中间产物的特征辐射信号强度201之和，所述窄带光信号2的强度为所述窄带光信号2所占波段内火焰黑体辐射信号的强度202。由于λ1靠近λ2，可以认为，所述窄带光信号1所占波段内火焰黑体辐射信号强度205与所述窄带光信号2所占波段内火焰黑体辐射信号的强度202相等。
所述窄带光信号3为火焰黑体辐射上非特征谱线的中心波长为λ3的信号203，所述窄带光信号4为火焰黑体辐射上非特征谱线的中心波长为λ4的信号204。
所述窄带滤波器112和113的半波宽的选择方式如下具体所述：窄带滤波器112与窄带滤波器113具有相同的半波宽Δλ2。所述窄带滤波器112和113的中心波长的选择方式如下所述：窄带滤波器112的中心波长λ3与窄带滤波器113的中心波长λ4应在火焰黑体辐射光谱范围及CCD接收装置115的响应光谱范围内，且窄带滤波器112所透过的[λ3-Δλ2，λ3+Δλ2]波段与窄带滤波器113所透过的[λ4-Δλ2，λ4+Δλ2]波段不重叠，且[λ3-Δλ2，λ3+Δλ2]波段与[λ4-Δλ2，λ4+Δλ2]波段内不包含任何物质的特征辐射谱线。
滤波后的信号201与窄带光信号205的和传递给CCD接收装置115前端的相机镜头装置114；信号202同时传递给CCD接收装置115前端的相机镜头装置114。相机镜头装置114用于对CCD接收装置115成像。所述CCD接收装置115把光学影像116和117转化为数字信号，并传递给所述软件处理系统(图1中没有给出)。通过所述软件处理系统把所述窄带光信号201与窄带光信号205的和与所述窄带光信号202的光强分布图像117和116相减，从而得到实际意义的燃烧中间产物的特征谱线强度201。局部特征辐射信号强度越大，被测量燃烧中间产物的局部浓度越高。
滤波后的窄带光信号203和窄带光信号204传递给CCD接收装置115前端的相机镜头装置114，用于对CCD接收装置115成像，所述CCD接收装置115把光学影像118和119转化为数字信号，并传递给所述软件处理系统(没有在图1中标示出？)。通过所述软件处理系统把所述窄带光信号203与所述窄带光信号204的光强I(λ3)118和光强I(λ4)119相比，并根据燃烧火焰的温度与火焰在两个波长下的辐射强度比的函数关系式
T=f(I(λ3)I(λ4))---(1.1)]]>
实时得到燃烧火焰的温度分布图像。测量到的I(λ3)和I(λ4)发生变化，对应的燃烧火焰的温度也相应地发生变化。
该发明型专利所述方法可以扩展成为多个分光棱镜系统，并采用不同滤波范围的滤波装置，可实时并同时检测燃烧火焰的温度场及多种燃烧中间产物浓度的二维分布信息。