СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОЙ СМЕСИ ПРОДУКТОВ РЕАКЦИИ ПРИ ПОМОЩИ ФОТОКАМЕР, ПРИМЕНЕНИЕ СПОСОБА И ПРЕДНАЗНАЧЕННОЕ ДЛЯ ЭТОГО УСТРОЙСТВО
METHOD OF DETECTING RADIATION INTENSITY OF GASEOUS MIXTURE OF REACTION PRODUCTS USING PHOTOGRAPHIC CAMERA, USE OF SAID METHOD AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

ОПИСАНИЕ
Изобретение относится к способу детектирования интенсивности излучения, в частности, газообразной смеси продуктов реакции при помощи фотокамер. Изобретение относится также к соответствующему применению данного способа.
Из немецкого выложенного описания изобретения к неакцептованной заявке DE 197 10 206 A1 известны способ и устройство для анализа продуктов сгорания и контроля пламени в топочном пространстве. Для обеспечения возможности быстрого определения распределения температур и концентрации образующихся в процессе горения продуктов реакции, а также контроля параметров пламени выполняется фотоснимок пламени и исходя из локальной разрешающей интенсивности снимка для, по меньшей мере, одной заданной спектральной области производится определение объемного распределения значений характеризующего процесс горения параметра. Оптическая система устройства включает линзу для контроля пламени и три последовательно установленных лучевых делителя. Воспринимаемый линзой пучок лучей через лучевые делители разделяется на четыре спектральные области и направляется на датчик ПЗС изображений.
Из описания изобретения к европейской заявке на патент ЕР 1 091 175 В1 известны способ и соответствующее устройство для определения избытка воздуха в процессе горения, которые предназначены для определения количества образующихся в процессе горения продуктов реакции CN и CO. Затем соотношение этих величин используется в качестве значения, определяющего избыток воздуха на горение. Для определения интенсивности излучения используются, по меньшей мере, четыре специальные камеры.
В случае использования известных на настоящее время способа и устройства возникает проблема, заключающаяся в том, что во избежание погрешности изображения между различными по спектрам зонами контроля система камер должна быть согласована с максимально возможной точностью, практически на уровне одного пикселя. При этом следует дополнительно учитывать эффект термического расширения и воздействующую на оптическую систему механическую вибрацию. Вследствие этого, такого рода оптические системы должны иметь жесткую и устойчивую конструкцию, что обусловливает их высокую стоимость.
Другим недостатком является необходимость длительной механической юстировки такого рода оптической системы. Кроме того, эти системы требуют частого проведения работ по техническому обслуживанию.
Еще одним существенным недостатком является то, что для получения четкого временного согласования соответствующих сигналов яркости фотокамер для различных разделенных областей значений длины волны необходима взаимная синхронизация фотокамер по времени. Это обусловливает необходимость выполнения дорогостоящих измерительных операций.
Исходя из рассмотренного выше состояния техники в данной области задачей данного изобретения является разработка не требующего высоких затрат способа определения интенсивности излучения при помощи камер.
В задачу данного изобретения входит также разработка приемлемого метода использования предлагаемого, согласно изобретению, способа.
И, наконец, в задачу данного изобретения входит также разработка соответствующего устройства, которое характеризуется невысокой степенью сложности и, одновременно, высокой надежностью.
Поставленная задача решена при помощи способа, отличительные признаки которого приведены в п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты предлагаемого, согласно изобретению, способа приведены в зависимых пп.2-5 формулы изобретения. В пп.6 и 7 формулы изобретения приведены предпочтительные варианты использования предлагаемого, согласно изобретению, способа. В п.8 формулы изобретения приведены признаки устройства для осуществления предлагаемого, согласно изобретению, способа. В пп.9 и 10 формулы изобретения приведены признаки предпочтительных форм исполнения устройства.
Согласно первому аспекту изобретения предусмотрен способ определения интенсивности излучения продукта химической реакции, в частности газообразного продукта реакции, при помощи камеры, при этом исходя из разности между значением хемилюминесценции и соответствующим значением излучения Планка формируется значение интенсивности излучения методом сравнительной пирометрии, отличающийся тем, что
- предусматривается цветная RGB-камера для регистрации интенсивности излучения продукта реакции в красном, зеленом и синем диапазонах значений длины волны,
- из соответствующего синего сигнала цветной RGB-камеры формируется значение хемилюминесценции,
- из соответствующих красного и/или зеленого сигналов цветной RGB-камеры методом сравнительной пирометрии формируется значение излучения Планка.
При этом перед соответствующей цветной RGB-фотокамерой (8) установлен оптический заграждающий фильтр (9) с задаваемым диапазоном пропускания значений длины волны для характерной спектральной линии соответствующего продукта реакции.
Кроме того, источник света (50) направлен на продукт реакции, подлежащий определению относительно его интенсивности излучения для того, чтобы оптически инициировать испускание характерного спектра излучения.
Кроме того, определению относительно его интенсивности излучения продукт реакции образуется в ходе высокотемпературного процесса и/или уже имеется и что данный продукт реакции излучает, преимущественно, в диапазонах значений длины волны от синего до фиолетового характерного для него спектра излучения.
Согласно дополнительному аспекту изобретения дополнительно предусмотрены две цветные RGB-камеры для регистрации интенсивности излучения образующихся в процессе горения продуктов химической реакции CN и СО в красном, зеленом и синем диапазонах значений длины волны,
- что из соответствующего синего сигнала обеих цветных RGB-камер формируется значение хемилюминесценции продукта реакции CN и значение хемилюминесценции продукта реакции СО,
- что из соответствующих красного и зеленого сигналов обеих цветных RGB-камер методом сравнительной пирометрии формируется значение излучения Планка,
- что исходя из разности между значениями хемилюминесценции и соответствующими значениями излучения Планка формируется значение интенсивности образования CN - К (CN) и значение интенсивности образования СО - К (СО),
- что исходя из соотношения К (CN) / К (СО) определенных значений интенсивности образования К (CN) и К (СО) формируется значение регулируемого параметра, характеризующего избыток воздуха в процессе горения топлива.
Кроме того, согласно второму аспекту изобретения раскрывается применение способа для определения, по меньшей мере, интенсивности образования (К) соответствующего продукта химической реакции в процессе сжигания на одной или более из: электростанций, установках по сжиганию мусора, промышленных печах, бытовых топочных агрегатах или силовых установках транспортных средств, таких как автомобили, рельсовые транспортные средства, корабли или самолеты.
Согласно третьему аспекту изобретения раскрывается применение способа для определения, по меньшей мере, количества соответствующего продукта реакции в процессе сжигания в одной или более из: домнах металлургической промышленности, диффузионных печах для промышленности производства полупроводников, в печах для закалки и спекания металлов.
Согласно четвертому аспекту изобретения раскрывается устройство определения интенсивности излучения продукта химической реакции, в частности газообразного продукта реакции, при помощи камеры, содержащее блок обработки, имеющий средства для формирования интенсивности излучения продукта реакции, исходя из разности между значением хемилюминесценции и соответствующим значением излучения Планка методом сравнительной пирометрии, отличающееся тем,
- что устройство оснащено цветной RGB-камерой для регистрации интенсивности излучения продукта реакции в красном, зеленом и синем диапазонах значений длины волны,
- что блок обработки сигнальной линией и/или линией данных соединен с соответствующей цветной RGB-камерой и дополнительно включает средства для формирования значения хемилюминесценции соответствующего продукта реакции исходя из соответствующего синего сигнала цветной RGB-камеры, средства для формирования значения температуры Планка из соответствующих красного и/или зеленого сигналов цветной RGB-камеры методом сравнительной пирометрии.
Кроме того, устройство дополнительно включает две цветные RGB-камеры для регистрации интенсивности излучения образующихся в процессе сжигания химических продуктов реакции CN и СО в красном, зеленом и синем диапазонах значений длины волны,
- что блок обработки включает средства для определения значения хемилюминесценции продуктов реакции CN и СО исходя из соответствующих синих сигналов обеих цветных RGB-фотокамер, средства для формирования значения излучения Планка из соответствующих красного и/или зеленого сигналов обеих цветных RGB-камер методом сравнительной пирометрии, технические средства для формирования величины интенсивности образования CN - К (CN) и величины интенсивности образования СО - К (СО), исходя из разности между значениями хемилюминесценции и соответствующими значениями излучения Планка, и средства для формирования регулируемого параметра, который определяет избыток воздуха в процессе сжигания исходя из соотношения К (CN) / К (СО) определенных значений интенсивности образования К (CN) и К (СО).
А также устройство дополнительно содержит определенное число лучевых делителей, перед которыми установлены по меньшей мере две цветные RGB-камеры, при этом число лучевых делителей на 1 меньше числа цветные RGB-камер.
Таким образом согласно заявленному изобретению для детектирования или определения интенсивности излучения продуктов химической реакции в красном, зеленом и синем диапазонах длины волны предусмотрена камера (фотокамера или кинокамера) типа RGB. Из соответствующего синего сигнала цветной RGB-камеры формируется значение излучения с полосовым спектром соответствующего продукта реакции. Из соответствующих красного и/или зеленого сигналов цветной RGB-камеры методом пирометрии или сравнительной пирометрии формируется значение теплового излучения. Другими словами, по соответствующим красному и зеленому сигналам методом пирометрии определяется значение теплового (температурного) излучения. В качестве альтернативы тепловое излучение по соответствующим красному и зеленому сигналам определяется методом сравнительной пирометрии. Благодаря определению соотношения красного и зеленого сигналов последний метод является более точным по сравнению с методом раздельного измерения красного и зеленого сигналов. Затем, исходя из разности между значением излучения с полосовым спектром и соответствующим значением теплового излучения формируется интенсивность испускания для интенсивности излучения соответствующего продукта реакции. При помощи одновременного измерения методом пирометрии может быть определено и скомпенсировано собственное значение теплового излучения соответствующего продукта реакции.
2
2
2
2
В предлагаемом, согласно изобретению, способе обозначение цветов соответствует оптической способности восприятия цветов человека. В случае химических продуктов реакции речь идет, например, о газообразных радикалах, таких как, например, радикалы СО-, С-, СН-, СНОН-, СНО-, CN-, NH-, ОН- и O-, которые обычно образуются при высокотемпературных процессах с уровнем температур свыше 1000°С при сжигании углеводородов. Продукты реакции могут также содержать элементарные газы, такие как O, N или инертные газы, которые при протекании высокотемпературных процессов выделяются из материалов и веществ или добавляются в ходе протекания высокотемпературного процесса.
Основополагающий принцип данного изобретения заключается в использовании цветной RGB-камеры вместо нескольких черно-белых камер. Такая цветная камера регистрирует необходимые для определения интенсивности излучения продуктов реакции различные области длины волны.
Благодаря этому число необходимых для измерения систем камер сокращается на две единицы. Другими словами, для контроля величины излучения продуктов химической реакции требуется только лишь цветная камера типа RGB. В отличие от приведенных выше технических решений, вместо четырех черно-белых камер требуются только две цветные RGB-камеры. Благодаря этому предлагаемое, согласно изобретению, устройство отличается значительно более простой конструкцией. Так как стоимость цветной RGB-камеры лишь незначительно превышает стоимость черно-белой камеры с такой же разрешающей способностью и чувствительностью, обеспечивается значительное снижение стоимости предлагаемого, согласно изобретению, устройства. При этом значительно снижаются также расходы на охлаждение камер и потребляемая электрическая мощность.
Кроме того, уменьшается число необходимых лучевых делителей. Так, например, для определения интенсивности излучения одного единственного химического продукта реакции вообще не требуется лучевой распределитель. В общем необходимое число лучевых распределителей на 1 меньше числа подлежащих определению значений интенсивности излучения. По сравнению с этим, число необходимых известных устройств, согласно существующему на настоящее время уровню техники, повышается на 1.
Другое существенное преимущество заключается в том, что большое число цветовых пикселей RGB на чипе цветового датчика цветной RGB-камеры заранее взаимно согласовано по месту и времени и уже перед практическим использованием идеально настроено. Благодаря этому исключаются расходы на механическую юстировку для оптической настройки системы камер, а также на измерения для синхронизации во времени сигналов яркости для каждого диапазона длины волны.
Обычно цветовой пиксель RGB состоит из трех подпикселей или субпикселей, при этом имеется подпиксель для красного, зеленого и синего цветов. В качестве альтернативы на один пиксель RGB может приходиться четыре подпикселя, а именно один красный, два зеленых и один синий подпиксели. Следовательно, три подпикселя размещаются на одном уровне разрешения внутри одного цветового пикселя. Одновременно считывание соответствующего подпикселя RGB цветового датчика, в случае, например, цветового датчика ПЗС (для системы прибор с зарядовой связью) или в случае цветового датчика МОП (для системы металл-окисел-полупроводник) производится одновременно и, следовательно, синхронно, будь то построчно или по изображениям.
Согласно одному из вариантов предлагаемого, согласно изобретению, способа перед соответствующей цветной RGB-камерой установлен оптический заграждающий фильтр с задаваемой пропускаемой областью длины волны для характерной спектральной линии соответствующего продукта реакции. Благодаря этому обеспечивается особо высокая селективность в отношении излучения определенного химического продукта реакции. Обычно такой заграждающий фильтр имеет пропускной диапазон длины волны в пределах от 5 до 20 нм. Так, например, удельный диапазон частот одной из спектральных линий для СО (оксид углерода) лежит в диапазоне от 445 до 455 нм, а для продукта реакции CN (цианид) - в диапазоне от 430 до 440 нм (см. также фиг.3).
На такого рода заграждающий фильтр может попадать более 90% объема излучения, при этом в зону фильтрации попадает незначительный объем, в частности только максимум 1% имеющего место излучения. Кроме того, для отфильтровывания большей части теплового излучения перед заграждающими фильтрами может быть установлен ИК-фильтр, то есть, инфракрасный фильтр. Оба эти фильтра могут быть совмещены в одном заграждающем фильтре.
Согласно заявленному способу на подлежащий определению интенсивности излучения продукт реакции может быть направлен источник света, чтобы оптически инициировать характерный спектр излучения данного продукта реакции. Источник света излучает, преимущественно, сфокусированный световой луч. Источник света испускает, в частности, свет с длиной волны менее 500 нм, например 250 нм. Таким образом, испускаемый свет лежит в диапазоне значений длины волны, которые проходят от синего через фиолетовый до ультрафиолетового цвета.
Согласно еще одному варианту предлагаемого, согласно изобретению, способа подлежащий определению интенсивности излучения продукт реакции образуется в ходе высокотемпературного процесса и/или уже присутствует в зоне реакции. При этом данный продукт реакции излучает преимущественно в диапазоне значений длины волны от синего до фиолетового характерного для него спектра излучения. Именно в этом диапазоне значений длины волны излучают химические продукты реакции, в частности радикалы и оптически инициируемые газы, излучаемый спектр которых в форме спектральных линий обладает люминесцентными свойствами. Под люминесценцией подразумевается излучение света, которое имеет нетермическое происхождение. Для определения интенсивности излучения рассматриваются и отфильтровываются, в частности, только диапазоны частот спектральных линий соответствующего контролируемого продукта реакции, при которых остальные, имеющиеся в наличии, продукты реакции не имеют характерных спектральных линий.
Согласно еще одному варианту предлагаемого, согласно изобретению, способа предусмотрено использование двух цветных RGB-камер для регистрации (определения) интенсивности излучения образующихся в процесс горения химических продуктов реакции CN и СО в красном, зеленом и синем диапазонах значений длины волны. Согласно изобретению из соответствующего синего сигнала обеих цветных RGB-камер формируется значение излучения с полосовым спектром продукта реакции CN и значение излучения с полосовым спектром продукта реакции СО. Методом сравнительной пирометрии из соответствующих красного и зеленого сигналов обеих цветных RGB-фотокамер формируется соответствующее значение теплового (температурного) излучения. Затем, исходя из разности между значением излучения с полосовым спектром и соответствующим значением теплового излучения определяется степень образования CN и СО. В заключение, исходя из соотношения K(CN) / К (СО) определенных ранее значений интенсивности образования этих продуктов реакции формируется регулируемый параметр, определяющий избыток воздуха при процессе горения.
Благодаря этому обеспечивается возможность регулируемого и оптимального сжигания топлива на основе углеводородов, такого как уголь, жидкое топливо или природный газ, при котором в зависимости от определенного значения регулируемого параметра производится управление подачей воздуха и/или подачей вспомогательных веществ типа присадок.
2
Предлагаемый, согласно изобретению, способ может использоваться, предпочтительно, для определения, по меньшей мере, степени образования определенного продукта химической реакции в процессах сжигания на одной или более из: электростанций, установках для сжигания мусора, промышленных печах или в бытовых топочных агрегатах, предназначенных, в частности, для выработки тепловой энергии. В случае продуктов реакции речь идет, например, о радикалах СО-, С-, СН-, СНОН-, СНО-, CN- или NH-, которые образуются в топочном пространстве в результате сгорания углеводородов.
Предлагаемый, согласно изобретению, способ может быть также использован применительно к одному или более: двигателям внутреннего сгорания и силовым установкам транспортных средств, таких как автомобили, рельсовые транспортные средства, корабли или самолеты. Так, например, при помощи предназначенного для осуществления предлагаемого, согласно изобретению, способа устройства можно контролировать процесс сжигания топлива внутри объема цилиндра бензиновых и дизельных двигателей. Для этого в соответствующем цилиндре может быть предусмотрено сквозное отверстие, через которое может производиться оптический контроль образующегося в процессе горения топлива пламени. Затем, в зависимости от определенной степени образования продуктов горения, в частности CN и СО, производится регулировка процесса сжигания топлива. Отдельные этапы предлагаемого, согласно изобретению, способа выполняются на микропроцессорном блоке обработки системы управления работой двигателя, посредством которого производится также регулировка подачи воздуха и топлива. На цилиндре двигателя аналогично свечам зажигания, путем, например, ввинчивания, могут быть установлены одно или несколько устройств для осуществления предлагаемого, согласно изобретению, способа. В заключенное, преимущественно, в кожух такого рода устройство с обеспечением герметичности относительно рабочего объема цилиндра могут быть встроены датчики RGB с предварительно установленным заграждающим фильтром для соответствующего продукта реакции. При этом блок обработки в качестве элемента предлагаемого устройства встраивается, предпочтительно, в систему управления работой двигателя. Наряду с двигателями внутреннего сгорания при помощи предлагаемого, согласно изобретению, способа может производиться контроль процесса сжигания топлива в турбинах, например, в турбинах, работающих на керосине и газе. В этом случае описанное выше устройство устанавливается в зоне камеры сгорания турбины.
Кроме того, предлагаемый, согласно изобретению, способ может использоваться для определения, по меньшей мере, количества образующихся в процесс горения топлива продуктов в доменных мечах металлургической промышленности, в диффузионных печах для промышленности производства полупроводников или в технологических печах для закалки и спекания металлов. В этом случае образующиеся в топочной камере и диффундирующие наружу вещества, например при закалке методом азотирования, могут контролироваться оптическим путем. В зависимости от определяемого количества этих веществ регулирование процесса может производиться при помощи соответствующего вычислительного устройства для управления технологическим процессом. В случае такого рода процессов сжигания топлива, подлежащие контролю продукты реакции могут оптически инициироваться при помощи источника света, например при помощи ультрафиолетового лазера.
Соответствующим образом может также производиться контроль количества подаваемых в процессе сжигания веществ, таких, например, как легирующие добавки при производстве полупроводников - индий, галлий, арсенид или фосфор, при этом при помощи одновременно производимого измерения методом пирометрии производится измерение и компенсация собственного термического излучения. За счет этого обеспечивается возможность контролируемого и оптимального регулирования концентрации присутствующих в топочной камере соответственных легирующих веществ.
Поставленная задача данного изобретения решена также за счет разработки устройства, предназначенного для осуществления предлагаемого, согласно изобретению, способа. Такое устройство включает цветную RGB-камеру для определения интенсивности излучения продуктов реакции в красном, зеленом и синем диапазонах значений длины волны. Кроме того, оно содержит соединенную с соответствующей цветной RGB-камерой линию передачи сигналов и/или данных (технических параметров) в блок обработки.
Выполненный, преимущественно на базе микропроцессоров, блок обработки включает технические средства для определения значения излучения с полосовым спектром определенного продукта реакции по соответствующему синему сигналу цветной RGB-камеры. Кроме того, это устройство включает технические средства для формирования значения теплового (температурного) излучения на основании соответствующих красного и зеленого сигналов цветной RGB-фотокамеры методом сравнительной пирометрии. И, наконец, устройство содержит технические средства для формирования значения соответствующей интенсивности излучения определенного продукта реакции исходя из разности между значением излучения с полосовым спектром и соответствующим значением теплового излучения.
Предлагаемое, согласно изобретению, устройство содержит определенное число лучевых делителей, которые установлены по меньшей мере перед двумя цветными RGB-фотокамерами, причем число лучевых делителей на 1 меньше числа цветных RGB-камер.
Более детально сущность предлагаемого изобретения поясняется ниже на примере фигур, на которых представлены:
- фиг.1 - известное устройство для определения избытка воздуха на процесс сжигания топлива;
- фиг.2 - схема известного устройства для контроля процесса горения в топочном пространстве;
- фиг.3 - пример спектров излучения пламени при горении углеводородов;
фиг.4 - схема предлагаемого, согласно изобретению, устройства, оснащенного только одной камерой RGB;
- фиг.5 - принципиальная схема блока обработки устройства согласно фиг.4;
- фиг.6 - первая форма исполнения предлагаемого, согласно изобретению, устройства с двумя цветными камерами RGB;
- фиг.7 - принципиальная схема блока управления устройства согласно фиг.6;
- фиг.8 - вторая форма исполнения предлагаемого, согласно изобретению, устройства с источником света.
На фиг.1 представлено известное устройство для контроля избытка воздуха на процесс сжигания топлива. В случае данного устройства производится отображение одной и той же точки наблюдения или фрагмента пламени 2 в топочном пространстве 1 посредством четырех фотокамер ПЗС 31-34. Перед камерами 31-34 установлены узкополосные фильтры 41-44 для определения различных значений интенсивности излучения. Из двух контролируемых значений интенсивности излучения, которые преимущественно расположены в бесполосных диапазонах значений длины волны, в установленном после фильтров блоке обработки 6, 6а методом сравнительной пирометрии определяется значение теплового излучения (излучение Планка). Оба других значения интенсивности излучения используются для определения испускаемого при образовании CN и СО полосного излучения (хемилюминесценция) в диапазонах значений длины волны около 420 или 450 нм. Затем, исходя из двух других значений интенсивности излучения выделяется определенное полосное излучение, по которому определяется интенсивность образования CN и СО - К (CN) и К (СО). В размещенном в блоке обработки 6 делительном устройстве 6b, исходя из соотношения К (CN) / К (СО) формируется параметр, который определяет избыток воздуха на горение.
На фиг.2 в схематическом виде представлено известное устройство для контроля процесса горения в топочном пространстве 1. В левой части фиг.2 показано топочное пространство 1 не показанной на фигуре парогенераторной установки, например работающего на ископаемом топливе парогенератора энергетической установки или установки по сжиганию мусора с горелкой 16 и пламенем 2. Соответствующее известное устройство включает оптическую систему 10, которая через отверстие 14 в стенке 17 топочного пространства 1 контролирует в форме изображения характеризующие процесс горения параметры излучения D и направляет их на не показанный на фигуре блок обработки. Символом α обозначен угол направления контроля пламени 2. Он должен иметь такую величину, чтобы возникающее в процессе горения пламя 2 по возможности полностью передавалось через установленную линзу 15 и последующие делители излучения 11-14 на четыре ПЗС камеры 31-34 или на их светочувствительные поверхности датчиков. Позицией 20 обозначен образующийся световой пучок, а позициями 21-26 - разделенный лучевыми делителями 11-14 световой пучок. Для фильтрации четырех требуемых диапазонов значений длины волны предусмотрены четыре узкополосных фильтра 41-44. Вся оптическая система 10 размещается в охлаждаемом закрытом корпусе 18.
2
2
На фиг.3 в качестве примера показаны полосы спектра излучения пламени, образующегося в процессе сжигания углеводородов. Представлены, в частности, соответствующие спектральные линии излучения с полосовым спектром радикалов СО-, С-, СН-, СНОН-, СНО-, CN-, NH-, ОН- и O-, которые являются продуктами реакции, с указанием длины волны λ. Как видно из фиг.3, спектральные линии образующихся в ходе этого высокотемпературного процесса полос спектра излучения находятся в сине-зеленом, синем, фиолетовом ультрафиолетовом диапазонах. В отличие от этого, в определяющем тепловое излучение диапазоне значений длины волны, то есть в зеленом, красном и инфракрасном диапазонах длины волны, практически нет спектральных линий.
На фиг.4 в схематическом виде представлено предлагаемое, согласно изобретению, устройство с одной цветной RGB-камерой 8. Она предназначена для определения одного единственного продукта реакции в красном, зеленом и синем диапазонах значений длины волны. Символами IR, IG, IB обозначены соответствующие цветовые сигналы цветной RGB-камеры 8, которая настроена на цветовые значения интенсивности излучения или значения интенсивности излучения в предварительно заданном диапазоне значений длины волны. Благодаря использованию цветной RGB-камеры 8 в этом случае не требуется использование лучевого делителя.
На фиг.5 представлена принципиальная схема блока обработки 6 устройства согласно фиг.4. Символами R, G, В обозначены красный, зеленый и синий цветовые датчики цветной камеры 8. Они вырабатывают соответствующие изображению пламени 2 цветовые сигналы IR, IG, IB. Перед цветной RGB-камерой 8 установлен оптический заграждающий фильтр 9, который имеет диапазон пропускания значений длины волны для характерной спектральной линии выбранного для контроля продукта реакции. Позицией 19 обозначен используемый в качестве опции инфракрасный фильтр, который отфильтровывает не требуемый для процесса измерения инфракрасный диапазон и, таким образом, предотвращает нежелательный нагрев цветной RGB-камеры 8.
Согласно предлагаемому изобретению блок обработки 6 включает первое делительное устройство 61 в качестве технического средства, которое из красного и зеленого сигналов IR, IG цветной RGB-камеры 8 методом сравнительной пирометрии формирует значение теплового излучения TS. Кроме того, блок обработки 6 включает не показанные на фигуре элементы, которые из синего сигнала IB цветной RGB-камеры 8 формирует соответствующее продукту реакции значение полосового излучения BS. В случае представленного на фиг.5 примера синий сигнал IB непосредственно соответствует значению спектра полосового излучения. Кроме того, блок обработки 6 включает второе делительное устройство 62 в качестве технического средства, которое исходя из разности между значением излучения с полосовым спектром BS и соответствующим значением теплового излучения TS формирует значение интенсивности образования К определенного продукта реакции.
В качестве альтернативного решения (на фиг.5 не показано) измерение значения теплового излучения TS может производиться только за счет измерения методом пирометрии красного сигнала IR или зеленого сигнала IG.
Представленное на фиг.5 устройство предназначено для контроля при помощи цветной камеры интенсивности излучения одного газообразного продукта реакции. Этот продукт, как правило, образуется в ходе высокотемпературного процесса или уже присутствует в камере сгорания. В представленном примере высокотемпературным процессом является процесс горения, при котором продукт реакции излучает преимущественно в диапазонах значений длины волны от синего до фиолетового спектра излучения.
На фиг.6 представлена первая форма исполнения предлагаемого, согласно изобретению, устройства с двумя цветными RGB-камерами 8. Они предназначены, в частности, для определения интенсивности излучения образующихся в процессе горения химических продуктов реакции CN и СО в красном, зеленом и синем диапазонах значений длины волны. При этом устройство включает лучевой делитель 11, который разделяет попадающий на него световой пучок 3 на первый и второй световые пучки 4, 5. Обе цветные RGB-камеры 8 настроены таким образом, что изображение пламени 2 попадает на одно и то же место цветового датчика R, G, В обеих цветных камер RGB 8. В отличие от известных устройств, в данном случае не требуется точная юстировка, так как высокоточная настройка цветной RGB-камеры 8 предусмотрена ее конструкцией. Позициями 9, 9' обозначены заграждающие фильтры, которые настроены на оба продукта реакции CN и СО и имеют диапазон пропускания длины волны около 420 или 450 нм.
На фиг.7 представлена принципиальная схема блока обработки 6 устройства согласно фиг.6. При этом блок обработки 6 включает технические средства для определения значения излучения с полосовым спектром BS, BS' продуктов реакции CN и СО исходя из соответствующих синих сигналов IB, IB' обеих цветных RGB-камер 8. Кроме того, он включает элемент 61 для формирования соответствующего значения теплового излучения TS, TS' из соответствующих красного и зеленого сигналов IR, IG, IR', IG' обеих цветных RGB-фотокамер 8 методом сравнительной пирометрии. Кроме того, представленный на фигуре блок обработки 6 включает элемент 62 для формирования значения интенсивности образования CN - К (CN), а также значения интенсивности образования СО - К (СО) исходя из разности между значениями излучения с полосовым спектром BS, BS' и соответствующими значениями теплового излучения TS, TS'. И, наконец, блок обработки включает элемент 6' для формирования определяющего величину избытка воздуха регулируемого параметра исходя из соотношения К (CN) / К (СО) определенных значений интенсивности образования К (CN) и К (СО). Этот регулируемый параметр может передаваться в систему управления процессом сжигания топлива.
На фиг.8 представлена вторая форма исполнения предлагаемого, согласно изобретению, устройства с источником света 50. Он настроен на интенсивность излучения подлежащего контролю продукта реакции и предназначен для оптического инициирования характерного спектра излучения этого продукта реакции. На представленном на фиг.8 примере источником света 50 служит лазер. Для пропускания лазерного луча в стенке топочной камеры 1 предусмотрено небольшое окно 17, выполненное, например, из кварцевого стекла. Пропускание светового пучка и оптический контроль соответствующих продуктов реакции могут производиться через одно и то же окно.
На фиг.8 показано также пламя 2, образующееся в процессе горения топлива. Оно не обязательно должно использоваться для оптического инициирования подлежащих контролю продуктов реакции. Другими словами, в случае топочной камеры 1, речь идет о «темной» для человеческого глаза или светящейся красным цветом камере сгорания, в которой продукты реакции подвергаются оптическому инициированию посредством источника света 50, при этом продукты реакции излучают, обычно, в диапазонах значений длины волны от синего до фиолетового.
Блок обработки 6 устройства согласно фиг.8 формирует также первую и вторую величины интенсивности образования продуктов реакции К, К' для возможности последующей их обработки в системе регулирования процесса сжигания топлива. В случае соответствующих величин интенсивности образования продуктов реакции К, К' речь может идти о величине объема образования активно излучающих продуктов реакции в процессе горения или о количестве соответствующих продуктов сгорания, излучение которых было вызвано оптическим инициированием.
Спецификация
1 - топочное пространство, топочная камера, камера сгорания
2 - пламя горения
3-5, 20-26 - лучевой пучок, световой пучок
6, 6а, 6b - блок обработки, делительные устройства
8 - цветная RGB-камера
9, 9' - фильтры, заграждающие фильтры
10 - оптическая система
11-13 - лучевой делитель
14 - отверстие
15 - линза
16 - горелка
17 - стенка
18 - корпус
19 - фильтр IR, инфракрасный фильтр
27 - окно
31-34 - камера, ПЗС камера
41-44 - фильтры
50 - источник света, лазер
61, 62 - делительные устройства, технические средства
α - угол оптического контроля
λ - длина волны
D - параметры излучения
IR, IG, IB - цветовые сигналы, значения интенсивности IR', IG', IB' цветового излучения
TS, TS' - значения теплового излучения
К (СО) - степень образования СО
К (CN) - степень образования CN
К, К' - интенсивность излучения
R, G, В - цветовые датчики