用于监测燃烧过程的方法和装置.pdf

一种使用激光器在红外波长范围内监测燃烧过程的方法，该激光器沿着测量路段在确定的波长范围内发射出激光光束，上述波长范围这样选择，使得在该波长范围内，在燃烧过程中待测的气体具有吸收线，并且使得激光器的发射波长在选择的波长范围中调谐的情况下覆盖待测气体的吸收线，其中根据激光光束的被吸收的能量来确定在燃烧过程中气体的浓度，其特征在于，检测出所述激光光束的强度，并且该强度被分析用于确定在燃烧过程中火焰的存在和/或火焰的质量。

1.  一种使用激光器在红外波长范围内监测燃烧过程的方法，该激光器沿着测量路段在确定的波长范围内发射出激光光束，上述波长范围这样选择，使得在该波长范围内，在燃烧过程中待测的气体具有吸收线，并且使得激光器的发射波长在选择的波长范围中调谐的情况下覆盖待测气体的吸收线，其中根据激光光束的被吸收的能量来确定在燃烧过程中气体的浓度，其特征在于，检测出所述激光光束的强度，并且该强度被分析用于确定在燃烧过程中火焰的存在和/或火焰的质量。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量路段包围要监测的火焰，并且对由火焰发出的光辐射进行探测，并进行分析以确定火焰的存在和/或火焰的质量。

3.  根据权利要求2所述的方法，其特征在于，测取在所述测量路段中的温度，特别是在火焰(5)的区域中的温度；并且温度信号被分析装置(4)分析，用于确定火焰的存在和/或质量。

4.  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，借助所述测取的温度，将待测气体的浓度确定为相对的气体浓度。

5.  根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，所述待测气体是氧气或者二氧化碳；并且所述吸收线处于760纳米或者1570纳米的波长。

6.  根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对燃烧过程的不同的阶段进行监测；并且将为各个阶段求出的气体浓度与为燃烧过程的各个阶段求出的理论值进行比较。

7.  根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述燃烧过程的不同的阶段是加热装置的燃烧器循环；并且所述理论值在学习循环中确定。

8.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述燃烧器循环包括准备阶段、预通风阶段、点火阶段、运行阶段和停机阶段，其中燃烧器的每个阶段具有理论值，该理论值与为各个阶段所求出的气体浓度进行比较。

9.  根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在超出或者低于为上述阶段所确定的理论值的情况下，将燃烧器关闭。

10.  用于监测燃烧过程的装置，具有在红外辐射的确定的波长范围内可调谐的激光光源(1)，该激光光源沿着测量路段发射出激光光束(2)，并且所述装置还具有布置在测量路段的端部上的光探测器(3)，该光探测器根据接收的激光光束产生测量信号，并将该测量信号提供给分析装置(4)，该分析装置借助该测量信号确定在燃烧过程中待测的气体的浓度，其特征在于，所述分析装置(4)分析由光探测器获得的测量信号，用于确定在燃烧过程中的火焰(5)的存在和/或火焰(5)的质量。

11.  根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置具有至少一个光导体(7)，该光导体将激光光束(2)引导到火焰(5)的区域中；并且穿越火焰区域(5)的激光光束(2)被光探测器(3)探测；并且分析装置(4)分析由光探测器提供的测量信号。

12.  根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置具有其他光导体(7)，上述其他光导体将穿越火焰区域(5)的激光光束(2)转送到光探测器(3)。

13.  根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述装置具有反射器(8)，该反射器反射发射出的激光光束(2)，使得反射的激光光束(2)射到光探测器(3)上。

14.  根据权利要求10至13中任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置具有温度传感器(6)，该温度传感器集成在测量路段中，使得温度，特别是在火焰(5)的区域中的温度被测取，其中由温度传感器(6)提供的温度信号被分析装置(4)分析，用于确定火焰的存在和/或质量。

15.  根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述装置监测加热装置的燃烧器(10)的循环；并且分析装置(4)将为燃烧器(10)的各个阶段所求出的测量值与为燃烧器(10)的各个阶段所确定的理论值进行比较。

16.  根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述装置在学习循环中确定为燃烧器(10)的不同的阶段所使用的理论值。

17.  根据权利要求15或16所述的装置，其特征在于，在低于或者超出为各个阶段求出的理论值的情况下，分析装置(4)促使燃烧器(10)关闭。

18.  根据权利要求10至17中任意一项所述的装置，其特征在于，所述激光光源(1)是VCSEL激光器或者QCL激光器。

用于监测燃烧过程的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种使用激光器在红外波长范围内监测燃烧过程的方法，该激光器沿着测量路段在确定的波长范围内发射出激光光束，上述波长范围这样选择，使得在该波长范围内，在燃烧过程中待测的气体具有吸收线，并且使得激光器的发射波长在选择的波长范围中调谐的情况下覆盖待测气体的吸收线，其中根据激光光束的被吸收的能量来确定气体的浓度。
背景技术
例如由WO 01/33200 A1公开了一种开始所述类型的方法。该文献公开了一种激光二极管，它沿着测量路段发射在近红外波长范围内的对准光束，其中该光束射到布置在激光二极管的光路中的光探测器上。在这种情况下出现的激光光束的能量的吸收被光谱地分析用于确定在燃烧过程中存在的气体的浓度。例如可以确定在燃烧过程中出现的氧气、二氧化碳、一氧化碳等等的气体浓度。
DE 103 04 455 B4公开了一种用于分析混合气体的方法，其中混合气体借助激光频谱学分析。激光频谱学方法也用于天然气的热值确定。
由EP 1 174 705 B1例如公开了一种在使用激光二极管的情况下借助吸收频谱学在红外波长范围内确定天然气热值的方法。
EP 0 838 636 A2也公开了一种用于调节使用天然气工作的热能装置的方法，其中在输入的可燃气体中引入由激光二极管产生的光束并且测量在变动的气体组成时改变的能量吸收的强度。然后根据分别测取的吸收值调节热能装置的反应条件。
由现有技术已知的方法表明，在燃烧过程中出现的气体分子可以借助吸收频谱学在质量和数量上确定。在此射入的光束的光子在红外光谱范围内被吸收到气体分子中。在光谱中显示出光子通过吸收线的吸收。不同的气体分子在此显示出独有的光谱线或者吸收线，不仅涉及它们的强度而且涉及它们在光谱中的位置。由此可以借助它们的典型的光谱待测气体分子。在此使用了具有小的线宽的光源，由此可以尽可能好地分解吸收线。典型地应用激光器作为光源，它利用其单频的发射光谱与待测气体分子的光谱线或者吸收线协调一致。对于现在在加热装置中使用的用于监测燃烧过程的方法，一般需要各种不同的监测传感器，它们保证，提供对燃烧必需的空气量和气体量并且使燃烧过程正确地进行。为了监测燃烧过程特别要监测气体压力、空气压力以及例如在燃烧器开始运行期间的空气流。对于气体压力的监测例如使用过压监测器和负压监测器。这保证可燃气体的网络压力既不超过，也不低于允许的极限。为了监测由燃烧器鼓风机产生的空气压力例如使用了压力传感器，它安装在燃烧器的进气通道中。监测传感器在故障情况下，例如在鼓风机电机故障时作用，以粗略避免不允许的燃烧状况。该故障被信号传递到例如自动燃烧设备，它然后促使加热装置的燃烧器的关闭。
为了满足燃烧器的安全技术的要求，火焰的监测例如在燃料点火时和在燃烧器工作期间也都是必需的。为了监测火焰例如使用了光学的方法，其中火焰的存在由此确定，即分析它的光学辐射。另外一种已知的用于火焰监测的方法在于，利用伸入火焰中的电离电极测取火焰的离子流并且分析该离子流用于确定火焰的存在。为了使燃烧过程中有害物质的浓度尽可能小并且能量效率尽可能高，也总是经常要监测燃烧质量。
这例如在燃烧过程中出现的气体，例如氧气、二氧化碳、一氧化碳的组合中表现出来。为了监测在燃烧器中的燃烧过程的质量为在燃烧过程中出现的气体应用特殊的传感器，它们此外例如将测量的气体浓度作为氧气或者二氧化碳的体积百分比给出。借助测取的体积百分比例如可以补调燃料/空气的混合比，由此可以不断地优化燃烧过程的质量。用于监测燃烧过程使用的不同的传感器用于此目的：使燃烧保持在卫生的或者不危险的状态下，其中应该能立即识别出燃烧过程期间的火焰故障。此外应该要优化效率。
发明内容
本发明的任务在于，提出一种用于监测燃烧过程的方法和装置，它可以安全、可靠并且以小的技术费用实现对燃烧过程至关重要的参数进行监测。该任务通过独立权利要求1和10的特征解决。
本发明从基于激光频谱学的红外测量出发，其中激光光源，特别是VCSEL激光器，沿着测量路段发射出激光光束，用于检测至少一种存在于燃烧过程中的气体。在此该激光光束射到布置在测量路段的端部上的光探测器上，它探测所接收的光束的强度。
然后借助探测到的光束的强度确定火焰的存在和/或质量。例如该激光光束在火焰的外焰中穿越要监测的火焰并且附加地也可以光学地对从火焰发出的光辐射进行探测，并且进行分析以确定火焰的存在和/或质量。因为该测量优选在原地并且近似无延迟地进行，可以立即识别出火焰故障或者火焰爆裂。优选分析分别测量出的气体浓度，用于确定火焰的质量。
本发明具有此优点，即无需迄今通常的用于火焰监测的紫外传感器、红外传感器。此外也无需空气压力和气体压力的测量计。由此可以利用本发明以小的技术费用监测燃烧过程，其中考虑了所有对燃烧和安全至关重要的参数。
因为火焰一般具有每秒数米的扩展速度，例如到火焰一米的测量距离已经意味着相对于火焰的状态一秒的静止时间。为了能够足够快地在有关的标准的意义下确定火焰的状态改变，优选在原地，也就是说在火焰的附近或者在火焰中，例如在火焰的外焰中进行测量。由此静止时间可以忽略，并且保证在燃烧器工作期间的火焰故障时，可以在安全标准要求的时间间隔内切断燃料供应。
因为在火焰中出现高于1000℃的温度，在火焰区域中进行测量就要求对在这里应用的传感器进行保护，特别是激光器和光探测器必须保护防止在火焰区域中的高温。
这按照本发明的一种改进方案由此实现，即激光光束通过光导体，例如通过石英玻璃棒从激光器引导到光探测器，由此发射激光光束的激光器和接收激光光束的光探测器可以远离火焰定位。因为激光光束不会由于石英玻璃棒在光学上受影响，因此测量结果与石英玻璃棒的长度无关。这具有此优点，用于测量的激光器和光探测器可以远离火焰定位，这也提供了在装置的设计结构上的优点。
优选本发明用于监测加热装置的燃烧器循环的不同的阶段，并且特别是用于监测在这种情况下出现的气体浓度，例如氧气、二氧化碳等等的气体浓度。
本发明的另一个任务在于，处理借助激光频谱学为进行监测而获得的测量值，使它们也可以用于燃烧器的调节。
该任务由此解决，即将在监测时获得的绝对的测得值在使用在测量路段中测取的温度的情况下转换成相对的测量值。
优选将温度传感器，例如热偶，集成在测量路段中。该温度传感器优选在火焰的区域中测量，这具有此优点，即温度信号也可以被分析用于确定火焰的存在和/或质量。通过温度信号的分析与光学的火焰分析无关，由此可以附加地提高火焰分析的可靠性。
借助测取的温度也可以求出气体密度，并由此求出相对的气体浓度。通过温度测量在原地进行，绝对的测得的气体浓度到相对的气体浓度的转换与气体密度无关。这可以实现与密度无关的燃烧调节。
燃烧器循环的单个阶段的调节优选借助测取的氧气浓度进行，此时可以应用下面的理论值。
对于准备运行，理论值例如可以是大于19个O₂体积百分比。对于预通风的阶段，理论值例如可以是大于20.5个O₂体积百分比。对于点火的阶段，理论值例如可以是小于等于10个O₂体积百分比。对于正常的燃烧运行，理论值例如可以是小于等于6个O₂体积百分比。对于停机阶段，理论值例如可以是大于等于18个O₂体积百分比。当然也可以按照燃烧器的类型和燃料的种类以其它的理论值作为调节的基础。
本发明还可以，从测得的温度出发确定水或者水蒸气含量。借助测量的温度可以在已知的燃料的情况下例如给出相对于干燥废气的湿度和气体浓度。
附图说明
本发明其它的优点由接下来的说明给出并且是从属权利要求的主题。
本发明接下来借助实施例的示意图详细说明。
图中示出：
图1示出了用于监测气体燃烧过程的装置的第一实施例，
图2示出了一种相对图1改变的实施方式，
图3示出了用于监测气体燃烧过程的装置的第二实施例，
图4示出了一种相对图3改变的实施方式。
具体实施方式
图1以方块图的形式示出了用于监测气体燃烧过程的装置。该装置包含激光光源1，例如一种垂直腔面发射激光器，缩写称为VCSEL激光器。该激光器自身不需要外部的光学系统，由此取消了难于调整的零件如输入器，这使VCSEL激光器相对机械的震动不敏感。由于它的稳定性，VCSEL激光器很好地适用于燃烧过程的监测。在此激光光束的窄带性和它的高光谱功率是特别有利的。用于检测氧气或者二氧化碳的吸收线处于例如约760纳米或者1570纳米。发射出的激光光束2的能量的一部分在此通过相应的气体分子的吸收而被摄取。因此由激光光源1发射出的光束2以减小的强度射到布置在测量路段端部的光探测器3上。
当然也可以应用所谓的量子级联半导体激光器，缩写称为QCL激光器。该激光器具有此优点，即它的发射波长也可以在中红外和远红外中自由选择。在任何情况下激光光源1都这样选择，即沿着测量路段发射出的激光光束2在红外内具有确定的波长范围，在该波长范围中，待测气体具有典型的光谱线或者吸收线。
由燃烧器10产生的火焰5例如在其端部延伸到测量路段中，其中由火焰5发出的光辐射同样射到光探测器3上。优选应用宽带的光探测器3，它探测激光辐射2和由火焰5产生的光辐射。该光探测器优选提供与接收的光强度成比例的测量信号，例如光电流，该光电流由信号分析装置4分析。分析装置4例如具有跨阻抗放大器，它将光电流转换成电压。分析装置4也可以具有锁相放大器，它过滤从跨阻抗放大器获得的电压。火焰的被探测到的光辐射也可以由分析装置4在光谱上分析。分析装置4例如可以是燃烧器10的自动燃烧设备的组成部分。
优选例如在火焰5的区域中布置温度传感器6，例如在测量路段中的热偶6，它探测在火焰5中出现的温度。该温度信号被输入分析装置4，它然后可以将该温度信号与用于确定火焰的存在和/或质量的光学的测量信号一起进行分析。
借助测量的温度，也可以将气体密度以及基于该气体密度然后也可以将绝对的测得的气体浓度转换成相对的气体浓度。该转换具有此优点，即相对的气体浓度，例如氧气的体积百分比，可以直接用于燃烧器10的调节。
不过绝对的测得值到相对的测量值的转换对于气体燃烧过程的监测不是必需的。相应的绝对的测得的气体浓度，例如氧气分子和/或二氧化碳分子的数量，也可以完全一样好地无需转换地用于分析以确定火焰的存在和/或质量。
在图2至4中分别示出了在图1中示出的发明的改变的实施方式。相同的元件设有相同的附图标记，这样可以相应地参考先前与图1关联的说明。按照图2的实施方式附加地具有光导体7。由激光光源1发射出的光束2经过光导体7达到光探测器3。光导体7例如是石英玻璃棒，它在当火焰中出现的高于1000℃的温度时也是耐热的。借助石英玻璃棒7，可以使激光器1和光探测器3远离火焰5定位。因为激光光束2在光学上不被石英玻璃棒7影响，因而所述测量与石英玻璃棒的长度无关。借助光导体7可以使激光器1和光探测器3远离火焰5定位，由此它们相对于火焰5的热得到保护。光导体7的形状也可以是弯曲的或者折弯的，这简化了激光器和光探测器在所述装置中的定位。
在图3中示出了用于监测燃烧过程的装置的另一种实施例，它附加地具有反射器8。该反射器8反射由激光光源1发射出的光辐射2，使其射到光导体3上，它然后由分析装置4分析。激光器1和光探测器3的这种布置提供此优点，即它们可以安放在传感器壳体9中。在图4中示出了改变的图3的实施方式。按照图4的实施方式只需要一个光导体7。由激光光源1发射出的光束2经过光导体7达到反射器8。由反射器8反射的光束然后经过光导体7达到光探测器3。通过应用反射器8可以使发射器1和接收器3安放在传感器壳体9中，其中只需要一个光导体7。当然在这种实施方式中，光导体7也可以具有任意的形状，由此容纳激光器1和光探测器3的传感器壳体9可以定位在所述装置中的希望的位置上。