УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ПЛАМЕНИ Российский патент 1999 года по МПК F23N5/08 

Устройство 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, а также а области экологического мониторинга.

Известно устройство [1] 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.

Известны также способ и устройство обнаружения контроля пламени [2]. Способ включает 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.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности 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.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по совокупности существенных признаков и решаемой задаче является устройство контроля пламени [3], обеспечивающее регистрацию излучения пламени в нескольких спектральных диапазонах. Устройство содержит проекционный блок, блок выделения спектральных составляющих излучения пламени, фотоприемный блок и блок преобразования и связи с ЭВМ. Блок выделения спектральных составляющих излучения пламени выполнен из последовательно расположенных на оптической оси диспергирующего элемента, телескопической системы с многощелевым спектральным фильтром и многоканальным отклоняющим элементом, а фотоприемный блок содержит линейный многоэлементный фотоприемник. В рассматриваемом устройстве измеряют отношение интенсивностей излучения в ряде диапазонов коротковолновой области спектра (400 - 600 нм) и в красной области (порядка 670 нм). Устройство обеспечивает селективное определение режимов работы каждой горелки энергоблока (работа запального устройства, нестационарное горение, стационарное горение, отсутствие пламени).

Недостатком данного устройства является недостаточно высокая надежность селективного контроля режимов работы горелок и отсутствие возможности определения эффективности сжигания топлива (недожог/пережог), так как интенсивности излучения в диапазонах коротковолновой области спектра нормируются на интенсивность излучения в красной области, которая в свою очередь определяется не только режимом горения, но и такими параметрами, как состав газового топлива, влажность воздуха и степень перемешивания газовоздушной смеси, в то время как использование в качестве опорных значений интенсивности излучения непосредственно вблизи линий излучения радикалов позволяет повысить надежность селективного контроля режимов работы горелок и осуществить определение эффективности сжигания топлива [4].

Заявляемое устройство контроля пламени обеспечивает расширение функциональных возможностей устройства и повышение надежности селективного контроля пламени.

Предложенное 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 электронно-вычислительной машиной. В блоке выделения спектральных составляющих излучения пламени параллельно неподвижному многощелевому спектральному фильтру установлен подвижный многощелевой спектральный фильтр, причем диапазон перемещения подвижного фильтра обеспечивает совмещение нижней границы (со стороны коротких длин волн) прозрачной щели подвижного фильтра с верхней границей прозрачной щели неподвижного фильтра и верхней границы прозрачной щели подвижного фильтра с нижней границей прозрачной щели неподвижного фильтра, кроме того, подвижный фильтр соединен с узлом перемещения, который подключен через согласующий усилитель и цифроаналоговый преобразователь к блоку преобразования и связи с электронно-вычислительной машиной.

Новыми признаками являются: введение в блоке выделения спектральных составляющих излучения пламени параллельно неподвижному многощелевому спектральному фильтру подвижного многощелевого спектрального фильтра, а кроме того, подвижный фильтр соединен с узлом перемещения, который подключен через согласующий усилитель и цифроаналоговый преобразователь к блоку преобразования и связи с электронно-вычислительной машиной.

На фиг. 1, а, б представлено схематическое изображение предлагаемого устройства селективного контроля пламени (1,а - вид сбоку, 1,б - вид сверху; здесь узел перемещения, согласующий усилитель, цифроаналоговый преобразователь и блок преобразования и связи с ЭВМ не показаны.

Предлагаемое устройство 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 с подвижным 7 и неподвижным 8 спектральными фильтрами и многоканальным отклоняющим элементом 9, установленными в плоскости фокусировки освещающего пучка первым объективом телескопической системы 6. Причем спектральные фильтры 7 и 8 выполнены в виде М щелей, многоканальный отклоняющий элемент 9 состоит соответственно из М секций, а подвижный спектральный фильтр 7 соединен с узлом перемещения 10, который подключен через согласующий усилитель 11 и цифроаналоговый преобразователь 12 к блоку 4 преобразования и связи с ЭВМ. В состав фотоприемного блока 3 входит линейный многоэлементный фотоприемник (ЛМФ) 13, строка фоточувствительных элементов которого располагается в фокальной плоскости второго объектива телескопической системы 6 параллельно рядам щелей фильтров 7 и 8.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Изображение ряда N горелок 14 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 приемной плоскости ЛМФ 13. 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.

Как показали последние исследования [4], повысить надежность селективного контроля режимов работы горелок и осуществить определение эффективности сжигания топлива можно за счет использования в качестве опорных значений интенсивности излучения в спектральных областях непосредственно вблизи полос излучения радикалов. Однако такой подход требует практически удвоения числа каналов, что в свою очередь приводит к потере пространственного разрешения. С целью создания опорных каналов без потери пространственного разрешения в предлагаемом устройстве вводится дополнительный подвижный фильтр, а считывание проводится в два такта: сначала определяется интенсивность излучения радикалов, затем подвижный фильтр сдвигается и определяются интенсивности излучения в спектральных полосах вблизи полос излучения радикалов. Такой подход дополнительно обеспечивает возможность оперативного согласования интенсивностей излучения в спектральных полосах излучения радикалов и опорных спектральных полосах изменением диапазона перемещения подвижного фильтра.

Для реализации этого спектральные фильтры 7 и 8 изготавливают следующим образом. Неподвижный 7 и подвижный 8 спектральные фильтры имеют по М щелей, где М - количество анализируемых полос излучения радикалов. Размеры щелей d_m ^ст неподвижного спектрального фильтра 8 выбираются из тех соображений, чтобы они пропускали спектральную полосу излучения от границы излучения конкретного радикала (CH или C₂) с захватом в несколько раз большего диапазона в противоположную сторону до конца опорной полосы излучения (например, от длинноволновой границы излучения радикала в сторону более коротких волн до коротковолновой границы опорной полосы излучения).

dстm

= D•Δλ_m/(λ_max-λ_min),
где D - общая апертура фильтра, m - номер спектральной полосы, соответствующей излучению конкретного радикала, Δλ_m - полная ширина m-той спектральной полосы излучения (от длинноволновой границы излучения радикала до коротковолновой границы опорной полосы излучения) λ_max и λ_min - значения максимальной и минимальной длин волн излучения.

Размеры щелей d_m ⁰ подвижного фильтра определяются ширинами спектральных полос опорных сигналов
d0m

≥ D•Δλ0m/(λ_max-λ_min),
где Δλ0m - ширина m-той спектральной полосы опорного сигнала. Взаимное расположение подвижного 7 и неподвижного 8 фильтров показано на фиг. 2.

Сначала от ЭВМ через, цифроаналоговый преобразователь 12, согласующий усилитель 11 на узел перемещения 10 подается управляющий сигнал, под действием которого подвижный фильтр устанавливается таким образом, чтобы расстояние от нижних границ его прозрачных щелей (со стороны коротких длин волн) до верхних границ прозрачных щелей неподвижного фильтра составляло d_m ¹, где d_m ¹ определяется из соотношения
d1m

= D•Δλ1m/(λ_max-λ_min),
а Δλ1m - ширина m-той выделяемой спектральной полосы изучения радикала. Значение величины d_m ¹ определяется цифровым сигналом, заданным от ЭВМ через блок преобразования и связи 4, и преобразованным в аналоговый сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя 12. Согласующий усилитель 11 обеспечивает необходимый уровень сигнала для управления узлом перемещения 10. Изменение величины d_m ¹ приводит к изменению ширин выделяемых спектральных полос излучения радикалов что, в свою очередь, обеспечивает оперативное управление уровнем световой энергии на выходе спектральных фильтров.

Световые пучки, прошедшие через щели спектральных фильтров 7 и 8, отклоняются многоканальным отклоняющим элементом 9 блока 2 и передаются в плоскость ЛМФ 13 фотоприемного блока 3 посредством второго объектива телескопической системы 6. Многоканальный отклоняющий элемент 9 может быть выполнен из набора последовательно расположенных треугольных призм с различным углом при вершине. В качестве ЛМФ 13 может использоваться фотодиодная линейка, работающая в режиме накопления сигнала, ФУК1Л2 [5]. Коэффициент k увеличения телескопической системы 6 определяется величиной
k = L/m • l,
где L - длина ЛМФ 13, m - число щелей спектральных фильтров 7 и 8, а l - размер изображения горизонтального ряда горелок 14 во входной плоскости телескопической системы 6. Углы отклонения многоканального отклоняющего элемента 9 выбираются из такого расчета, чтобы в каждом последующем канале изображения горелок в плоскости ЛМФ 13 в горизонтальном направлении были сдвинуты на величину L/M, равную размеру этого изображения. Для этого угол отклонения m-го элемента выбирается равным
α = arctg[L(M-2m+1)/2•M•f],
где m = 1,2,...M.

По другой координате изображение горелок из плоскости диспергирующего элемента 6 также переносится телескопической системой в плоскость ЛМФ 13 (фиг. 1, б). ЛМФ 13 производит интегрирование падающего светового потока в направлении, перпендикулярном направлению ряда горелок 14, для чего используется фотоприемник с протяженными по этому направлению элементами. Дополнительное интегрирование может быть выполнено посредством использования в составе фотоприемного блока 3 фокона или анаморфотной оптики, обеспечивающей интегрирование световых пучков в направлении, перпендикулярном ряду горелок 14 (по аналогии с [3]).

После регистрации светового распределения на ЛМФ 13 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.

После того, как осуществлены ввод и запоминание данных в ЭВМ, производится сдвиг подвижного спектрального фильтра в направлении, перпендикулярном ориентации щелей на величину d_ед, определяемую с одной стороны из условия d_ед ≥ d_max ⁰, где d_max ⁰ - ширина щели, соответствующая максимальному размеру опорной полосы излучения Δλ0max

(что обеспечивает экранирование спектральных полос излучения радикалов), а с другой - требуемой величиной опорного сигнала (для полного пропускания опорных спектральных полос изучения эта величина составит (d_m ^ст-d_m ¹)_min, а при дальнейшем сдвиге величины опорных сигналов уменьшаются). Таким образом, изменением величины сдвига в одну или другую сторону реализуется регулировка соотношения интенсивностей спектральных полос радикалов и опорных спектральных полос. При значениях параметров λ_max = 0,9 мкм, λ_min = 0,4 мкм, D = 20 мм, Δλ0max ≅ 50 нм и Δλ_ср ≅ 10 нм (где Δλ_ср - средняя ширина полосы излучения радикалов) сдвиг фильтра составит 1 - 2 мм. После регистрации светового распределения на ЛМФ 13 осуществляется его считывание и ввод данных в ЭВМ аналогично первому такту, после чего подвижный спектральный фильтр 7 возвращается в исходное положение и процесс повторяется.

Световое распределение, считываемое линейным многоэлементным фотоприемником для последующего ввода данных в ЭВМ, представляет собой М одномерных изображений ряда горелок в М спектральных диапазонах. После двух тактов считывания в памяти ЭВМ регистрируются изображения ряда горелок в М спектральных диапазонах, соответствующих излучениям радикалов, и в М спектральных диапазонах, примыкающих к диапазонам излучения радикалов. Дальнейшая обработка порченных сигналов может выполняться в ЭВМ различными способами.

Блок-схема одного из возможных алгоритмов обработки информации в ЭВМ приведена на фиг. 3. Внутри каждого спектрального диапазона проводится суммирование сигналов с элементов фотоприемника, соответствующих одной горелке, вычисляются суммарные сигналы

где i = 1, 2 - номер такта (1 соответствует считыванию излучения радикалов, 2 - считыванию опорных сигналов), n - номер горелки, m - номер спектрального диапазона, J - количество элементов фотоприемника на одну горелку, j - номер элемента фотоприемника внутри каждого спектрального диапазона (j ∈ [I,J]). Далее вычисляются разности суммарных сигналов для излучения каждого радикала и его окрестности для каждой горелки (т.е. определяется непосредственно вклад неравновесного излучения радикалов): a_m ⁿ = I_m ^n,1 - I_m ^n,2. Эта операция может выполняться как по всем спектральным диапазонам, так и по некоторой их выборке. Далее вычисляется отношение полученных разностей к опорным сигналам (интенсивность неравновесного излучения радикалов нормируется на величину фоновых сигналов): b_m ⁿ = a_m ⁿ/I_m ^n,2
и полученные коэффициенты сравниваются с допустимыми значениями (b_m ⁿ _min, b_m ⁿ _max), хранящимися в памяти ЭВМ. В случае, если эти коэффициенты превышают диапазон допустимых значений, горение идет с избытком воздуха и следует указание убавить подачу воздуха. В случае, если эти коэффициенты ниже диапазона допустимых значений, горение идет с недостатком воздуха и следует указание увеличить подачу воздуха.

Фотоприемный блок 3 может быть выполнен, например, по аналогии с [3].

Блок преобразования и связи 4 может быть реализован в составе одного из стандартных интерфейсов, обеспечивающих программный обмен информацией с ЭВМ по стандартным протоколам обмена [6], [7]. Пример технической реализации блока 4 преобразования и связи с ЭВМ приведен в [8].

В качестве цифроаналогового преобразователя 11 можно использовать микросхему КМ 1118 ПА2 [9].

В качестве согласующего усилителя, например, можно использовать усилитель, представленный в работе [10].

В качестве узла перемещения можно использовать соленоид постоянного тока с втягивающим якорем [11].

Литература
1. Патент Великобритании 2188416, G 01 J 5/10, G 08 B 17/12.

2. Патент Франции 2654509, G 01 J 5/60.

3. Патент России 2072480, F 23 N 5/08.

4. Анцыгин В.Д., Борзов С.М., Потатуркин О.И., Шушков Н.Н. Трансформация спектральных свойств углеводородного пламени при изменении режима горения. //Автометрия, 1997, N6, стр. 9-14.

5. Многоэлементное фотоприемное устройство ФУК1Л2. - Технические условия ТФ3.974.061ТУ.

6. Мячев А. А., Степанов В. Н., Щербо В. К. Интерфейсы систем обработки данных. Справочник. - М.: Радио и связь, 1989, стр. 56-67.

7. Морисита И. Аппаратные средства микроЭВМ. - М.: Мир, 1988, стр. 172-194.

8. Дорожко Ю. А., Шпилевой Б. Н., Щупак О. С., Якушев А. К. Десятиразрядный АЦП в стандарте IBM PC. // Приборы и техника эксперимента, 1993, 1, стр. 241.

9. Марцинкявичюс А.-Й. К., Багданскис Э.-А. К. и др. Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров. - М.: Радио и связь, 1988, стр. 37 - 56.

10. Данилов А. А. Мощный масштабный усилитель постоянного тока. // Приборы и техника эксперимента, 1988,6, стр. 105.

11. Емельянов Б. И., Емельянов В. А. Исполнительные устройства промышленных регуляторов. - М.: Машиностроение, 1975, стр. 120-129.

Устройство дистанционного контроля пламени предназначено для использования в теплоэнергетике, в частности на тепловых электростанциях и на котельных установках, работающих на газообразном и жидком топливе, а также в области экологического мониторинга. 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 электронно-вычислительной машиной. В блоке выделения спектральных составляющих излучения пламени параллельно неподвижному многощелевому спектральному фильтру установлен подвижный многощелевой спектральный фильтр, причем диапазон перемещения подвижного фильтра обеспечивает совмещение нижней границы (со стороны коротких длин волн) прозрачной щели подвижного фильтра с верхней границей прозрачной щели неподвижного фильтра и верхней границы прозрачной щели подвижного фильтра с нижней границей прозрачной щели неподвижного фильтра, кроме того, подвижный фильтр соединен с узлом перемещения, который подключен через согласующий усилитель и цифроаналоговый преобразователь к блоку преобразования и связи с электронно-вычислительной машиной. Изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей и повышение надежности селективного контроля пламени. 3 ил.

Устройство дистанционного контроля пламени, содержащее последовательно расположенные вдоль оптической оси проекционный блок и блок выделения спектральных составляющих излучения пламени с многощелевым спектральным фильтром, связанный с фотоприемным блоком, соединенным через блок преобразования и связи с электронно-вычислительной машиной, отличающееся тем, что в блоке выделения спектральных составляющих излучения пламени параллельно неподвижному многощелевому спектральному фильтру установлен подвижный многощелевой спектральный фильтр, причем диапазон перемещения подвижного фильтра обеспечивает совмещение нижней границы (со стороны коротких длин волн) прозрачной щели подвижного фильтра с верхней границей прозрачной щели неподвижного фильтра и верхней границы прозрачной щели подвижного фильтра с нижней границей прозрачной щели неподвижного фильтра, кроме того, подвижный фильтр соединен с узлом перемещения, который подключен через согласующий усилитель и цифроаналоговый преобразователь к блоку преобразования и связи с электронно-вычислительной машиной.