УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПЛАМЕНИ Российский патент 1997 года по МПК F23N5/08 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к устройствам автоматического контроля пламени горелок различных теплоагрегатов, и может быть использовано на тепловых электростанциях и на котельных установках, работающих на газообразном и жидком топливе.

Известен датчик наличия пламени [1] в котором используется явление колебания пламени при горении. Датчик содержит линзу, фокусирующую изображение пламени на поверхность светочувствительной матрицы, которая содержит две группы фотоприемников, подключенных соответственно к двум шинам. Датчик содержит схему для выделения разности сигналов от указанных групп фотоприемников и пороговый ключевой элемент, срабатывающий при превышении разностным сигналом заданного уровня. Число элементов в матрице может быть произвольным.

Недостатком данного устройства является низкая надежность селективного контроля пламени горелок при одновременном наличии нескольких работающих горелочных устройств, так как в любой момент времени выходной сигнал с группы фотоприемников представляет собой сумму сигналов с отдельных фотоприемников группы. При изменении режима работы одной из горелок изменение выходного сигнала с группы фотоприемников может оказаться недостаточным для срабатывания порогового элемента. Кроме того, в датчике за основу принят только один метод контроля пламени по его колебаниям и не используется сочетание разных методов, повышающих надежность контроля.

Известно также устройство [2] для контроля пламени, содержащее проекционное устройство, светоделитель, разделяющий пучок излучения, идущий от пламени, на два отдельных пучка, и два приемника излучения. Первый приемник регистрирует ИК-компоненты одного пучка, а второй приемник регистрирует УФ-компоненты другого пучка. Приемники могут передавать аналоговый сигнал, характеризующий частоту мерцания ИК-компоненты, и цифровой сигнал, характеризующий общую энергию УФ-компоненты, на процессор. Процессор принимает решение о состоянии пламени.

Недостатком данного устройства является низкая надежность селективного контроля факела одного горелочного устройства в случае одновременной работы нескольких горелок из-за нестабильного положения точки визирования контролирующего устройства, зависящей от влияния факелов соседних горелок. Кроме того, данное устройство не может быть использовано для одновременного селективного контроля факелов нескольких горелок, так как применение двух одиночных фотоприемников не обеспечивает разделение информации от нескольких горелочных устройств.

Наиболее близким к предлагаемому является способ и устройство обнаружения или контроля пламени [3] включающий регистрацию излучения пламени в двух фиксированных диапазонах и измерение отношения интенсивностей в этих диапазонах. Устройство содержит проекционный блок, блок выделения спектральных составляющих излучения пламени, фотоприемный блок, блоки сравнения, индикации и поджига. Блок выделения спектральных составляющих излучения пламени выполнен в виде дихроичного разделителя пучков, а фотоприемный блок включает два единичных фотодиода. В рассматриваемом устройстве измеряют отношение интенсивностей излучения длины волны в области 470-530 нм и длины волны порядка 670 нм. Значение такого отношения от 0,1 до 1,0 означает наличие пламени; если отношение находится вне этих пределов, пламя отсутствует, и подается сигнал на блок поджига.

Данное устройство не обеспечивает возможность селективного контроля одновременно нескольких горелок из-за использования одиночных фотоприемников, которые регистрируют интенсивность общего пламени в определенных спектральных диапазонах. На фоне сильного сигнала от общего пламени селективный контроль одиночного факела будет ненадежным. Кроме того, при использовании одиночных фотоприемников отсутствует возможность анализа пространственного распределения параметров пламени, который может повысить надежность селективного контроля факелов горелок. В рассмотренном устройстве осуществляется регистрация информации только в двух спектральных диапазонах, в то время как спектральный состав излучения пламени при горении углеводородных топлив имеет большее число характерных спектральных диапазонов, одновременная работа в которых также повышает надежность контроля.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей устройства и повышение надежности селективного контроля пламени.

Предлагаемое устройство содержит последовательно расположенные на оптической оси проекционный блок, блок выделения спектральных составляющих излучения пламени и фотоприемный блок, а также блок преобразования и связи с ЭВМ.

Предлагаемое устройство отличается тем, что блок выделения спектральных составляющих излучения пламени выполнен из последовательно расположенных на оптической оси диспергирующего элемента и телескопической системы со спектральным фильтром и многоканальным отклоняющим элементом, установленными в плоскости фокусировки освещающего пучка первым объективом телескопической системы, причем спектральный фильтр имеет М щелей, многоканальный отклоняющий элемент состоит соответственно из М секций, а фотоприемный блок содержит линейный многоэлементный фотоприемник, строка фоточувствительных элементов которого располагается в фокальной плоскости второго объектива телескопической системы параллельно ряду щелей спектрального фильтра.

Кроме того, фотоприемный блок содержит формирователь сигналов управления линейным многоэлементным фотоприемником, первый вход которого подключен к выходу первого генератора, второй и третий входы соответственно через первый и второй одновибраторы подключены к выходу второго генератора. Каждый выход формирователя сигналов управления линейным многоэлементным фотоприемником через соответствующий усилитель подключен к соответствующему входу линейного многоэлементного фотоприемника, выход которого через усилитель сигналов подключен к входу блока преобразования и связи с ЭВМ.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства контроля пламени (1а вид сбоку, 1б вид сверху); на фиг.2 схема фотоприемного блока; на фиг.3 пример реализации анаморфотного объектива; на фиг.4 временные диаграммы работы фотоприемного блока; на фиг.5 блок-схема одного из возможных алгоритмов обработки информации в ЭВМ.

Предлагаемое устройство (фиг.1) состоит из последовательно расположенных на одной оптической оси проекционного блока 1, блока выделения спектральных составляющих излучения пламени 2, фотоприемного блока 3. К выходу фотоприемного блока 3 подключен блок 4 преобразования и связи с ЭВМ. В свою очередь блок выделения спектральных составляющих излучения пламени 2 состоит из последовательно расположенных на оптической оси диспергирующего элемента 5 и телескопической системы 6 со спектральным фильтром 7 и многоканальным отклоняющим элементом 8, установленными в плоскости фокусировки освещающего пучка первым объективом телескопической системы 6. Причем спектральный фильтр 7 выполнен в виде М щелей, а многоканальный отклоняющий элемент 8 состоит соответственно из М секций. В состав фотоприемного блока 3 входит линейный многоэлементный фотоприемник (ЛМФ) 9, строка фоточувствительных элементов которого располагается в фокальной плоскости второго объектива телескопической системы 6 параллельно ряду щелей фильтра 7.

Фотоприемный блок 3 (фиг.2) состоит из последовательно включенных генератора тактовых импульсов 10, формирователя 11 сигналов управления ЛМФ, узла 12 усилителей сигналов управления ЛМФ, усилителя 13 сигналов ЛМФ. Причем, каждый из шести выходов формирователя 11 сигналов управления ЛМФ соединен с соответствующим входом усилителя узла 12 усилителей сигналов управления, состоящего из шести одинаковых усилителей, а каждый из шести выходов узла 12 соединен с соответствующим одним из шести входов ЛМФ 9. В состав фотоприемного блока 3 также входят генератор прямоугольных импульсов 14, одновибраторы 15 и 16. Выход генератора 14 соединен с входами одновибраторов 15 и 16, а выходы одновибраторов 15 и 16 соединены соответственно со вторым и третьим входами формирователя 11.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Изображение ряда N горелок 17 проекционным блоком 1 отображается в плоскость диспергирующего элемента 5 блока 2 выделения спектральных составляющих излучения пламени, на котором производится отклонение световых пучков на различные углы в зависимости от длины волны излучения. В качестве диспергирующего элемента 5 может быть использована, например, дифракционная решетка или призма. Телескопическая система 6 осуществляет проективное сопряжение плоскости диспергирующего элемента 5 и плоскости ЛМФ 9. При этом первый объектив телескопической системы 6 блока 2 выполняет преобразование Фурье входного изображения, так что световое распределение в плоскости фокусировки освещающего пучка первым объективом телескопической системы 6 представляет собой композицию сдвинутых друг относительно друга (в зависимости от длины волны излучения) и располагающихся параллельно ряду горелок пространственных спектров Фурье изображений факелов горелок.

Спектральный фильтр 7 блока 2 пропускает изображения горелок в узких диапазонах длин волн Δλ_m,, где m номер щели. Минимальный размер щели определяется пространственным спектром входного изображения

где d_m размер m-й щели, l_m длина волны излучения, f - фокусное расстояние первого объектива системы 2, δ размер элемента разрешения входного изображения. Ширину выделяемой спектральной полосы излучения Dl_ср в линейном приближении можно оценить из соотношения

где d_cp средняя ширина щели, λ_max и λ_min значения максимальной и минимальной длин волн излучения, D апертура объектива. Тогда ширина выделяемой спектральной полосы излучения ограничивается величиной

где g = f/D светосила объектива. Например, при значениях параметров λ_max 0,9 мкм, λ_min 0,4 мкм, γ 1,5 мкм и d 50 мкм ширина выделяемой спектральной полосы будет ограничиваться величиной Dl_ср≥ 10 нм.

Световые пучки, прошедшие через щели спектрального фильтра, отклоняются многоканальным отклоняющим элементом 8 блока 2 и передаются в плоскость ЛМФ 9 фотоприемного блока 3 посредством второго объектива телескопической системы 6. Многоканальный отклоняющий элемент 8 может быть выполнен из набора последовательно расположенных треугольных призм с различным углом при вершине. В качестве ЛМФ 9 может использоваться фотодиодная линейка, работающая в режиме накопления сигнала, ФУК1Л2. Коэффициент k увеличения телескопической системы 6 определяется величиной

где L длина ЛМФ 9, М число щелей спектрального фильтра 7, а l - размер изображения горизонтального ряда горелок 17 во входной плоскости телескопической системы 6. Углы отклонения многоканального отклоняющего элемента 8 выбираются из такого расчета, чтобы в каждом последующем канале изображения горелок на ЛМФ 9 в направлении, параллельном ряду горелок 17, были сдвинуты на величину L/M, равную размеру этого изображения. Для этого угол отклонения m-го элемента выбирается равным

где m=1,2,М.

По другой координате изображение факелов горелок из плоскости диспергирующего элемента 5 также переносится телескопической системой 7 в плоскость ЛМФ 9 (фиг.1б). ЛМФ производит интегрирование падающего светового потока в направлении, перпендикулярном направлению ряда горелок 17, для чего используется фотоприемник с протяженными по этому направлению элементами (фиг.1б, вид А). Дополнительное интегрирование может быть выполнено посредством использования в составе фотоприемного блока 3 фокона или анаморфотной оптики, обеспечивающих интегрирование световых пучков в направлении, перпендикулярном ряду горелок 17. Пример использования анаморфотной оптики приведен на фиг.3. В данном случае в состав фотоприемного блока 3 включены две цилиндрические линзы 18 и 19 (фиг.3) с фокусными расстояниями соответственно f_x и f_y, осуществляющие проецирование изображения из выходной плоскости телескопической системы 6 блока выделения спектральных составляющих излучения пламени 2 (плоскость Р₁) в плоскость фотоприемных элементов ЛМФ 9 (плоскость Р₂) c различным увеличением по Х (фиг.3а) и Y (фиг.3б) координатам. Изменяя соотношение фокусных расстояний f_x и f_y, можно изменять коэффициенты увеличения (уменьшения) входного изображения по Х и Y координатам. На фиг.3 направление координатной оси Х совпадает с направлением ряда горелок 17 (фиг.1а). Направление координатной оси Y перпендикулярно оси Х.

Интегрирование по одной координате мультиплицированного по различным длинам волн излучения изображения факелов позволяет повысить информативность сигнала и улучшить соотношение сигнал/шум на выходе фотоприемного блока 3.

После завершения регистрации световых сигналов на ЛМФ 9 осуществляется его считывание. В блоке 4 преобразования и связи с ЭВМ выходной сигнал с фотоприемного блока 3 подвергается преобразованию из аналоговой формы в цифровую и передается в ЭВМ. Блок преобразования и связи 4 может быть реализован в составе одного из стандартных интерфейсов, обеспечивающих программный обмен информацией с ЭВМ по стандартным протоколам обмена.

Рассмотрим подробнее работу фотоприемного блока 3. Фотоприемный блок работает в автономном режиме, обеспечивая периодическое стирание, накопление и считывание информации с ЛМФ 9. Генератор 14 генерирует непрерывную последовательность прямоугольных импульсов (фиг.4а). Одновибратор 15 формирует узкие импульсы "Запуск стирания" ЛМФ по передним фронтам импульсов с генератора 14 (фиг.4б), а одновибратор 16 формирует "Запуск чтения" ЛМФ по задним фронтам этих импульсов (фиг.4в). С приходом импульса "Запуск стирания" в формирователе 11 сигналов управления ЛМФ из тактовых импульсов (фиг.4г) с генератора 10 формируется последовательность сигналов по фазам стирания Ф_1cт, Ф_2ст, Ф_oст в соответствии с диаграммами, приведенными на фиг.4д,е,ж. Эти сигналы с трех выходов формирователя 11 усиливаются в трех идентичных усилителях мощности 12 и поступают на соответствующие входы ЛМФ 9. При подаче на ЛМФ 9 приведенных на фиг.4д,е,ж сигналов Ф_ст осуществляется стирание предшествующей информации на элементах ЛМФ 9 путем заряда емкости фотодиодов до некоторого постоянного напряжения. После стирания информации на всех фотодиодах до поступления импульса "Запуск чтения" ЛМФ 9 находится в режиме накопления сигнала. Следующий цикл стирания повторится только с поступлением на вход Ф_oст ЛМФ9 соответствующего импульса по фазе Ф_oст с формирователя 11, который формируется из сигнала "Запуск стирания". С поступлением на формирователь 11 с генератора 14 сигнала "Запуск чтения" в нем вырабатывается последовательность сигналов по фазам считывания Ф_1сч, Ф_2cч, Ф_ocч по аналогии с диаграммами, приведенными на фиг.4д,е,ж. Эти сигналы с 4, 5, 6-го выходов формирователя 11 усиливаются в трех идентичных усилителях мощности узла усилителей 12 и поступают на соответствующие входы ЛМФ 9. При подаче на ЛМФ сигналов Ф_1cч, Ф_2cч, Ф_ocч осуществляется считывание зарегистрированной информации на выход ЛМФ 9. Далее сигнал усиливается в усилителе 13 и поступает на выход фотоприемного блока 3.

Формирователь 11 сигналов управления ЛМФ 9 может быть реализован на микросхемах серии 555 с учетом вышеприведенных временных диаграмм работы.

Генераторы импульсов 14 и 10 могут быть выполнены на микросхемах серии 155 или 555.

В качестве одновибраторов 15 и 16 можно использовать микросхему 155АГ3 (555АГ3).

В качестве усилителя 13 можно использовать операционный усилитель К544УД1А.

Световое распределение, считываемое линейным многоэлементным фотоприемником для последующего ввода данных в ЭВМ, представляет собой М одномерных изображений ряда горелок соответственно в М спектральных диапазонах. Дальнейшая обработка полученных сигналов может выполняться различными способами. В частности, может использоваться гистограммный анализ, другие методы преобразования или повышения качества изображения.

Считанные линейным многоэлементным фотоприемником данные вводятся в ЭВМ (фиг. 5). Внутри каждого спектрального диапазона проводится суммирование сигналов с элементов фотоприемника, соответствующих одной горелке, вычисляются суммарные сигналы

где n номер горелки, m номер спектрального диапазона, К количество элементов фотоприемника на одну горелку, k ≅ [1,K] Далее вычисляются отношения суммарных сигналов в различных спектральных диапазонах для каждой горелки (т.е. производится попарная нормировка сигналов в различных спектральных диапазонах):
anm0,m1

=Inm0/ Inm1
где m_o номер нормируемого спектрального диапазона горелки;
m₁ номер нормирующего спектрального диапазона горелки, m_o ≠ m₁.

На этом этапе в простейшем случае может использоваться отношение величины сигнала в данном спектральном диапазоне к суммарному сигналу для горелки по всем спектральным диапазонам, однако представленный метод нормировки обеспечивает большую гибкость при выработке решающего правила. Эта операция может выполняться как по всем спектральным диапазонам, так и по некоторой их выборке.

Пороговая обработка вычисленных коэффициентов anm0,m1

выполняется путем их сравнения с максимальным (Pmaxm0,m1) и минимальным (Pminm0,m1) допустимыми отношениями сигналов для различных спектральных диапазонов по следующему правилу:

т. е. значения коэффициентов, попадающих в диапазон допустимых величин, приравниваются единице, а большие или меньшие нулю. Окончательное определение спектральных диапазонов, в которых должна производиться взаимная нормировка сигналов, и значение величин Pminm0,m1 и anm0,m1 осуществляется в процессе настройки системы контроля в конкретных рабочих условиях.

После пороговой обработки для каждой горелки подсчитывается общее число попадающих в диапазон допустимых величин коэффициентов . Решение о том, работает горелка или нет, принимается путем сравнения значения сⁿ c минимально допустимым c_min, которое, как и в предыдущем случае, определяется в процессе настройки системы контроля в конкретных рабочих условиях в зависимости от допустимых режимов работы горелки и возможных изменений в составе топлива. В случае, если cⁿ < c_min, выдается сообщение о погасании горелки, если сⁿ ≥ c_min сообщение о нормальной работе. Кроме того, возможно введение сравнения с промежуточным порогом c_min1, и при условии c_min1 > cⁿ > c_min может выдаваться сообщение о серьезных изменениях в режиме работы горелки.

Использование: устройство контроля пламени относится к теплоэнергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях и на котельных установках, работающих на газообразном и жидком топливе. Сущность изобретения: устройство содержит последовательно расположенные на оптической оси проекционный блок, блок выделения спектральных составляющих излучения пламени и фотоприемный блок, а также блок преобразования и связи с ЭВМ. Блок выделения спектральных составляющих излучения пламени выполнен из последовательно расположенных на оптической оси диспергирующего элемента и телескопической системы со спектральным фильтром и многоканальным отклоняющим элементом, установленными в фокальной плоскости первого объектива телескопической системы, причем спектральный фильтр имеет М щелей, многоканальный отклоняющий элемент состоит соответственно из М секций, а фотоприемный блок содержит линейный многоэлементный фотоприемник, строка фоточувствительных элементов которого располагается в фокальной плоскости второго объектива телескопической системы параллельно ряду щелей спектрального фильтра. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство контроля пламени, содержащее последовательно расположенные на оптической оси проекционный блок и блок выделения спектральных составляющих излучения пламени, связанный с фотоприемным блоком, соединенным через блок преобразования и связи с электронно-вычислительной машиной, отличающееся тем, что блок выделения спектральных составляющих излучения пламени выполнен из последовательно расположенных на оптической оси диспергирующего элемента, телескопической системы со спектральным фильтром и многоканальным отклоняющим элементом, установленным в плоскости фокусировки освещающего пучки первым объективом телескопической системы, причем спектральный фильтр имеет М щелей, многоканальный отклоняющий элемент состоит соответственно из М секций, а фотоприемный блок содержит линейный многоэлементный фотоприемник, строка фоточувствительных элементов которого располагается в фокальной плоскости второго объектива телескопической системы параллельно ряду щелей спектрального фильтра. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фотоприемный блок содержит формирователь сигналов управления линейным многоэлементным фотоприемником, первый вход которого подключен к выходу первого генератора, второй и третий входы соответственно через первый и второй одновибраторы подключены к выходу второго генератора, а каждый выход формирователя сигналов управления линейным многоэлементным фотоприемником через соответствующий усилитель подключен к соответствующему входу линейного многоэлементного фотоприемника, выход которого через усилитель сигналов подключен к выходу блока преобразования и связи с электронно-вычислительной машиной.