專利名稱：多相燃燒系統的光學探測方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學檢測系統，尤其涉及一種用于多相流燃燒系統的光學檢測系統。
背景技術：
近來趨向于對工業制煉廠的操作在效率、(emission)、可靠性以及安全性方面進行改進。為使上述提及的方面得到成功實現，傳感器技術正變得比以往更為重要。對于進行在線或者離線優化，排放監測，系統或元件健康監測，以及檢測面臨災難性故障時發出的警告信號而言，從實時、現場，及空間分析的測量獲得高質量傳感器數據至關重要。
執行傳統的提取型測量的取樣系統提供準現場和空間分析數據，但是由于與取樣系統有關的固有延時而不能提供實時數據。更進一步說，一旦氣體樣本被提取，它沿著不同的流動路徑而使得其原始特性可能發生改變。因此，為得到高質量的傳感器數據，傳統的提取型取樣系統并不合適而需要尋求另外一種類型的傳感器。
對于多數工業加工而言，多相流燃燒系統，例如一個煤爐，為傳感器技術的應用提供了極端苛刻的環境。極少數的傳感器能經受得住這種高溫，例如，在煤爐的火焰區內。那些能經受得住高溫的傳感器常常不是極其昂貴，需要高保養費用，就是使用壽命有限。對于例如煤爐之類的多相流燃燒系統而言，用于現場測量的插入式傳感器遭遇更有挑戰性的問題。微粒會吸附在傳感器的表面上而堵塞住探針。氧化或還原環境還會導致傳感器的表面發生不期望的化學反應從而導致傳感器失敗。
已經在非插入式氣體感測中采用光學傳感器以避免上述提及的問題。光學感測技術通常涉及檢測從多相流中發射出的光線或者檢測當多相流與外部光源相互作用時的反應。當應用于一個大型反應型的多相流中時，光學傳感器也會易受到實際問題的影響。多相流中的微粒會嚴重地阻擋或者散射光線。分子例如H2O的寬帶吸收會極大地削弱光線。探測光束的有限強度不能足以穿透多相流場，尤其是如果多相流場很大，微粒負荷高，或者能夠寬帶吸收的核素濃度很高的話，更加不能穿透。同樣，來自視線遠端的光線發射也可能在發射光線到達探測器之前被阻擋、散射或者吸收。微粒通常弄臟光學表面。紊流且具有不一致的熱和化學性質的多相流場中常見的另外一些問題是，光束控制以及不能去除沿著視線的旋繞的空間變化。
傳感器通常僅僅專用于一種測量類型。這樣，包含了不同類型傳感器的多探測系統需要滿足多種感測需求。安裝多探測系統的成本和復雜性阻礙了多探測系統的廣泛應用。能執行不止一種測量類型的傳感器是有限的，但是考慮到成本和簡單易行則非常具有吸引力。
急需一種多重定位感測來確定空間變化，以及捕獲到在反應型多相流中的不同位置所發生的不同現象。這需要多個傳感器。在某些情況下，甚至需要不同類型的傳感器。這個系統的成本通常是與所安裝的傳感器的數量成比例的。
考慮到上面討論的問題，期望設計出一種能將多種測量類型整合在一個傳感器上的元件。同時還期望提供一種能在大變化操作環境的多個位置，自燃燒器開始至排氣煙囪結束的位置進行感測的成本有效的方法。
發明內容
本發明的示例性實施例包括一種用于對排放產物進行現場監測的方法。該方法包括發射出光，將光調諧至第一波長，在第二位置接收這束光線，在第一階段將所述光從第一波長改變至第二波長，在該第一階段測量到第一吸收線和第一非吸收基線信號，將光線切換至第三波長，在第二階段將光從第三波長改變至第四波長，在第二階段中測量到第二吸收線以及第二非吸收基線信號。光線通過一個可調光源從第一位置發射并在第二位置被接收。光線在第一和第二位置之間沿著一條光學路徑通過所述的排放產物。所述的第一波長與所述的排放產物的第一吸收線相一致。第三波長與第一、第二波長不同。
本發明的另一示例性實施例包括對排放產物進行現場監測的光譜感測系統。這個系統包括可調光源，探測器，以及一個光學網絡。可調光源能在大約80nm的范圍內以106nm/sec的速度調諧激光束。探測器被設置為能接收激光束。光學網絡被設置于一個流場中。光學網絡提供可調光源與探測器之間的光通信。
本發明上述的以及其它的目的，特征和優點將會通過隨后的結合相關附圖進行的描述變得更清楚，其中相同的參考數字表示相同元件。
現在參照附圖，其中相同的元件被相同的數字予以標記圖1為根據一個示例性實施例的光學探測系統的結構圖；圖2示出了根據一個示例性實施例對特定分子的兩條吸收線的調諧過程；圖3示出了對一個示例性吸收信號的分解；圖4為根據一個示例性實施例的探針的透視圖；圖5是根據一個示例性實施例的光學探測系統的示意圖，其中的光學網絡包括了圖4所示的探針；圖6為圖5中的探針的感測表面的放大的示意圖；圖7為根據一個示例性實施例的采用多傳感器方法測量流場參數的光學探測系統的示意圖；和圖8為根據一個示例性實施例的使用多傳感器方法的光學探測系統的框圖，其中光學網絡中包括了多個探針。
具體實施例方式
圖1示出了適于在多相燃燒系統中執行空間分析、多重操作以及排放參數的現場監測的光學探測系統的框圖。所述光學探測系統是基于激光吸收光譜學的基本原理進行運作的。在離散能態之間分子會發生稀有躍遷(uniquetransition)，所述稀有躍遷是特定分子和該分子所具有的一種分子鍵的功能。例如當分子和光子相互作用，而這些光子所具有的能級與能引起在離散能態之間的稀有躍遷所必需的能量一致時，分子將會吸收光子并且被激發至較高能態。
參照圖1，所述光學探測系統包括一個可調二極管激光器(TDL)10，一個光學網絡20，以及一個探測器30。盡管在示例性實施例中光學探測系統包括了TDL 10，但可以想象的是任何適當的可調光源均可用來替代。TDL 10可頻率調諧以便輸出具有與使待測特定分子在離散能態之間產生稀有躍遷所需的能級一致的能級的激光束12形式的光子或者光。之后激光束12被送入光學網絡20。光學網絡20導引著激光束12沿著一條光學路徑穿過多相燃燒系統中的流場100(見圖7)。當激光束12通過流場100之后，探測器30接收到激光束12中在經過流場100時沒有被分子吸收的光。若比爾-朗伯定律(Beer-LambertLaw)適用，被吸收的光的數量，也即通常所說的吸收線強度，可用來獲知沿著光學路徑上的待測特定分子的濃度。TDL 10還能調諧以測量兩個或更多的單獨的分子吸收線強度。所述兩個吸收線強度的比率與流場100的溫度相關。
多相燃燒系統中的許多分子是例如發電廠操作者感興趣的氣體。所具有的分子濃度被用來確定發電廠是否符合規章限制，或者可用來檢測多相燃燒系統中潛在的故障。多相燃燒系統中的許多分子的吸收線強度被測定出位于近紅外線(IR)范圍內，其很容易被約650nm至2000nm的波長范圍所覆蓋。近紅外線范圍被許多商用TDL所覆蓋。然而，目前很少商用TDL能在寬調諧范圍內以高精確度、穩定性且可重復性來提供極快速的調諧。
在一示例性實施例中，TDL 10能在高達80nm的范圍內連續地極快速地調諧(達到大約106nm/sec)。TDL 10操作一個或多個激光二極管，并且能被封裝入一個與手掌大小裝置一樣小的單個外殼中。TDL 10沒有活動部件，是一個堅固的全電子裝置。TDL 10采用電流注入以便在高達80nm的范圍內連續地極快速地調諧(達到大約106nm/sec)?？紤]到特定吸收線的典型線寬大約為0.1nm量級或者更小，TDL 10將要花大約100納秒(ns)的時間來調諧跨越整個吸收線。
圖1描述了根據一個示例性實施例對第一特定分子的兩個單獨吸收線的調諧過程。TDL 10使用了大約100納秒來掃描第一吸收線32。然后TDL 10繼續用去約另一個100納秒來在第一吸收線32外側進行掃描從而掃描到第一非吸收基線信號34。TDL 10使用大約100納秒切換(模式跳躍)至另一波長，隨后用另外的大約100納秒的時間來掃描第二吸收線36，緊隨其后再用另外一個大約100納秒來掃描第二非吸收基線信號35。然后TDL 10可以在100納秒內切換回至第一吸收線32。用于兩線掃描的整個調諧循環所用時間約為600納秒，或者為每線300納秒。為了測量所述第一特定分子的溫度，至少應當掃描所述的第一和第二吸收線32和36。盡管在這個示例性實施例中，僅掃描了所述第一特定分子的第一和第二吸收線32和36，本領域普通技術人員應該認識到可通過對該多個特定分子中的每一個順序地調諧TDL 10，來掃描該多個特定分子。這樣，如果掃描到五條線，就能得到流場100的四個分子濃度和溫度。
參照圖2，TDL 10完成了一個從第一波長40開始并通過對所述第一吸收線32和第一非吸收基線信號34的測量而逐漸增加波長直至到達第二波長42的掃描。從第二波長42開始，TDL 10快速地切換至第三波長44。隨后TDL 10通過對所述第二吸收線36和所述第二非吸收基線信號35的測量而逐漸地增加波長直至到達第四波長46。在這個第四波長46上，TDL 10再次快速切換至所述的第一波長40或者另一個與不同的分子相對應的不同波長。
設想多相燃燒系統的流場100中的流速典型地都能達到大約20米/秒并且假定一個強度為平均紊流強度的300％的紊流強度，局部紊流速度達到約60米/秒。在一個600納秒的時段內，流的最大移動約為36μm(0.036mm)。與激光束12的通常為1mm或者更大的直徑相比較而言，這個移動僅僅占3.6％或者更低。因此，以TDL 10發出的激光束12為參照系而言，在整個調諧周期中，流場100實際上是停滯或者凍結的。由于TDL 10的快速調諧特性，使得由于流場100的流速的變化導致的錯誤可忽略。注意，由于流改變導致的錯誤的范例包括1)流入和流出激光束12的粒子改變散射或者消光的數量；2)流入和流出激光束12的吸收核素改變吸收數量。
不具備上述提及的調諧速度的TDL 10增加了與測量相關的誤差，由于流場100相對于激光束12不再顯得固定因此流速的變化和誤差不再是可以忽略的。這樣，極快的調諧速度對于消除測量中的流誤差是至關重要的。
圖3描述了一個示例性的吸收信號的表示，例如第一吸收線32。Y軸上的數字僅作參考，表示原始激光束強度50的一部分。當激光束12經過圖1所述的光學網絡20時(例如，光纖(fiber optic)，準直透鏡，以及一個不潔凈的光學表面)，它損失一部分強度。光學損耗后強度52為當通過光學網絡20時的損耗被扣除以后的剩余強度。除了被一些特定分子所吸收之外，當激光束12通過流場時該激光束12還會通過散射(由于尺寸小于或者與激光束12相當的粒子)和消光(由于尺寸大于激光的粒子)而進一步受到損耗。經過散射和消光導致的損耗之后的剩余強度就是流場損耗后強度54。在探測器上，由于流場的光發射，來自于激光束12之外的其它光源的漫射光也被拾取。然而漫射光可通過使用窄帶通濾光片最小化。一個包括了來自流場100的光發射的測量到的信號強度為光發射后強度56。如果來自流場100的漫射光發射被忽略掉，那么由于微粒的散射和消光而產生的損耗就可以極為準確地測定出來從而推導出流場的不透明度。
在一示例性實施例中，光學網絡20包括一個具有光發射器的光纖網，或者發射光纖70，以及一個用以接收激光束12的光接收器，或者接收光纖72(見圖6)。最簡單的發射和接收激光束12的方法是在流場100的一側發射激光束12并使激光束12通過流場100而在流場的相對側被接收，即稱之為視線測量。對于一個大型的多相燃燒系統而言，舉例來說，例如對于一個大型的公用鍋爐，該鍋爐單程寬度為大約30至40英尺。在靠近鍋爐燃燒器的高濃度微粒流區域，由于散射和消光導致的損耗，激光束12可能不能穿過這么大的距離。為了減少由于微粒的散射和消光造成的損耗，圖1中的光學網絡20包括一個探針60(見圖4)。探針60提供了一條通過流場的較短光學路徑。這個光學路徑是基于探針60的設計而在長度上可以調整的。將探針60插入流場100中的高濃度微粒區域使得能夠對高濃度微粒區域進行精確的測量，而當激光束12經過整個流場時這是不可能的。
另一個與使用探針60有關的重要方面在于進行局部化測量或者高空間分辨率測量的能力。與長光學路徑上的視線測量相比較，具備較短光學路徑的探針60具備更高的空間分辨率。這樣，探針60具備了鑒別流場參數的局部不均勻性的增強的能力。探針60還是可抽出的，從而允許它插入流場100中不同的區域以得到局部測量。探針60可被手工或者自動地插入流場100中。在一示例性實施例中，探針60可在測量期間插入流場100中而當不使用時被從流場100中取出。
在一示例性實施例中，探針60可以在溫度高達2500°F的環境中進行使用。通過將探針60穿過冷卻液，例如純空氣或者空氣和水的混和流等，使探針60冷卻從而在高溫下使用。采用下面描述的三種途徑進行任意組合能使所需要的冷卻流用量最少化。首先，探針60使用耐高溫材料來使得流場100中的高溫氣體和探針60之間的溫差最小化；其次，探針60的外表面被涂上一層隔熱涂層(TBC)以使得被熱傳遞給探針60的熱量最小化。所述的TBC還能夠保護探針60的金屬不受腐蝕。第三，使探針60的直徑最小化從而使熱傳遞的表面面積也最小化。例如，探針的直徑為小于約2.6厘米。
參照圖4，在一個示例性實施例中，探針60包括一個探針主體62，一個冷卻和清洗液體入口64，一個冷卻和清洗液體回流口(return)66，清洗噴嘴68，發射光纖70，接收光纖72(見圖5)，一個透鏡74，以及一個棱鏡76。探針主體62包括抗高溫材料，TBC涂層，以及最小化的直徑。冷卻和清洗液體入口64允許冷卻液體與探針主體62接觸從而帶走熱量。在一個示例性實施例中，冷卻液體與清洗液體是相同的，盡管這些液體可以是分開的。當分開使用冷卻和清洗液體時，可選地使用相應的獨立的液體出口和入口。冷卻和清洗液體回流口66為冷卻和清洗液體提供了回流通道。在一個示例性實施例中，冷卻和清洗液體回流口66被省略而冷卻和清洗液體被排放到流場100中。清洗噴嘴68在發射光纖70，透鏡74以及棱鏡76上方噴射出清洗空氣。在這個示例性實施例中，第一清洗噴嘴67沿著箭頭78示出的第一方向噴射出一股基本上垂直于發射光纖70和透鏡74的表面的清洗液流。第二清洗噴嘴69沿著箭頭80示出的第二方向噴射出一股基本上垂直于棱鏡76的表面的清洗液流。第二方向和第一方向基本相反。雖然在這個示例性實施例中第一和第二方向78和80相反，但是方向78和80沒有必要一定要相反。冷卻液體使探針主體62冷卻，且清洗液體流經探針60的光學表面(例如，透鏡74，棱鏡76，以及發射光纖70)從而避免微粒在光學表面堆積。理想狀況是，清洗液體的流速率等于冷卻液體的最大流速率。
圖5為根據一個示例性實施例的包括探針60的光學網絡20的示意圖。圖6為探針60的光學表面的放大圖。參見圖5和圖6，兩個高溫鍍金的能在高達1300°F下工作的純二氧化硅光纖電纜被應用在探針60上。一根光纖電纜被作為發射光纖70并沿第一方向84發射出穿過流場100的激光束12，而另一根光纖電纜則作為接收光纖72。當在一個90°的棱鏡76中經兩次反射后，激光束12沿著與第一方向84相反的第二方向86傳播至透鏡74。透鏡74的直徑為激光束12直徑的約5至10倍并用來將激光束12聚焦至接收光纖72上。透鏡74具有一個較激光束12的直徑更大的直徑，提供射束控制以對流場100中的紊流進行校正。在一個示例性實施例中，盡管其他的適當的材料也可以加以應用，為實現高抗熱性和高抗化學性，棱鏡76和透鏡74均由藍寶石制成。盡管清洗噴嘴68，探針60的光學表面會堆積導致激光束12衰減的微粒。然而，直到吸收峰值處的探測信號趨近一個干擾電平，光學表面上的堆積層不會有任何影響。非吸收基線信號提供了光學表面堆積層的(存在)跡象。這樣，非吸收基線信號34被監測以便隨著時間流逝而向下漂移。當這個向下漂移建議清洗探針60時就會發出警告信號。
如上面所討論的，包括測量多個分子的濃度，溫度，以及不透明度的多測量得以實行。然而也可整合其他類型的測量在內。例如，基于收集來自流場100的光發射的測量可通過使用發射光纖和接收光纖70和72來收集光線而實現，或者通過將一個獨立的光纖捆綁到發射光纖或接收光纖70和72而實現，它具有利用了同一光學通道的優點。這樣在一個探針60上，可以封裝多個傳感器以實現不同的測量。所收集的光線可以被耦合至一個分光計或者一個光電二極管與一個選擇性帶通濾光片的組合以產生光譜分析測量。位于紫外區域(UVrange)的光發射可用來獲得溫度和可燃氣體比率信息。位于紅外區域(IR range)的光發射可用于高溫測量。個別的光譜線還可以用來檢測到堿金屬。這樣通過對光學探測系統進行最小限度的修正，但是無需另外的光學通道，增添了一種全新的測量法。
如上面所描述的，可選地，探針60可以抽出，并適用于苛刻的流場100環境。由于探針60具有的特性，在整個流場100中放置大量的探針60(見圖8)成為可能。這多個探針60可被設置成網格以通過使用多傳感器方法來產生二維(2-D)或者甚至三維(3-D)信息。對這多個探針60進行布置使得每一個探針60在流場100中都是共平面的，這允許測量參數的2-D表示。對這多個探針60進行布置使得每一個探針60在整個流場100中都是不共平面的，這允許測量參數的3-D表示。當這多個探針60被設置為在不止一個平面上時仍能獲得這個3-D表示。在其中執行如圖7所示的多個視線測量的示例性實施例中，2-D和3-D測量也是可能的。通過利用穿過流場100的一個光路的第一平面87測量到的參數的2-D表示。通過將光路的第一平面87與一個光路的第二平面88結合測量參數的3-D表示。
該多個探針60的使用，或者多視線的測量需要使用多個TDL 10和探測器30，或者是多路技術裝置(光切換器)以便允許TDL 10和探測器30的資源共享。圖7示出了為資源共享使用了多視線測量結構的光學網絡20。該多個探針60或者多視線測量的使用，完成了流場的激光層析成像法。
一個簡單的多傳感器方法僅包括一個TDL 10，一個探測器30以及包括了如圖8所示的多路器(multiplexer)90和信號分離器(demultiplexer)92的光學網絡20。多路器90將激光束12多路傳輸(multiplex)以提供給多個探針60。信號分離器92將多個探針60中的每個探針60的輸出信號信號分離(demultiplex)以允許使用單個探測器30。在一個示例性實施例中，探測器30裝備有當向下漂移建議清洗探針60時會發出警報的報警器94。
另外，雖然參照示例性實施例對本發明進行了描述，對于本領域普通技術人員而言不難知道在不背離本發明的范圍內可以做出不同的改變并且可用相當的替代物對各元件進行替換。除此之外，在不背離本發明的實質范圍的情況下為了適應特定的環境或者材料可以對本發明做許多修改。因此，本發明不僅僅局限于被作為能最好的體現本發明的預期的精神的特定的實施例，而是包括了所有落入所附權利要求范圍內的所有實施例。此外，術語“第一”，“第二”等的使用并不表示任何次序或者重要性，而是用這些術語“第一”，“第二”等來將一個元件與其它元件進行區分。此外，術語“一個”等的使用并不表示是對數量的限制，而是表示至少存在有一個所提到的項目。
部件明細表
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權利要求
1.一種用于對排放產物進行現場監測的方法，包括使用可調光源從第一位置發射出光；將所述的光調諧至與所述排放產物的第一吸收線(32)相對應的第一波長(40)；在第二位置接收所述的光線，所述的光沿著一條光路穿過位于所述第一和第二位置之間的排放產物；在第一階段將所述的光從所述的第一波長(40)改變至第二波長(42)；在所述的第一階段測量所述的第一吸收線(32)以及第一非吸收基線信號(34)；將所述的光切換至與所述的第一和第二波長(40，42)不同的第三波長(44)；在第二階段將所述的光從所述的第三波長(44)改變至第四波長(46)；在所述的第二階段測量所述的第二吸收線(36)以及第二非吸收基線信號(35)。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述將所述光切換至所述第三波長(44)的步驟在少于約100納秒的時間內完成切換。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于對所述第一和第二吸收線(32，36)的所述測量進一步包括所述的第一和第二階段均大約為100納秒長，所述的第一和第二吸收線(32，36)分別在所述的第一和第二階段的前半階段被測量，所述的第一和第二非吸收基線信號分別在所述的第一和第二階段的后半階段被測量。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于進一步包括將所述的第一和第二位置設置在探針內；
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于所述的探針包括一個設置于所述的第一和第二位置間的光通信路徑上用來反射所述光的90度的棱鏡(76)。
6.如權利要求4所述的方法，進一步包括將多個探針(60)按照下述的至少一種方式設置在流場(100)中共面排列以產生所述排放產物參數的兩維表示；在所述的流場(100)中不共面排列以產生所述排放產物參數的三維表示；以及在所述的流場(100)的多個平面上以產生所述排放產物參數的所述三維表示。
7.如權利要求1所述的方法，進一步包括下述至少一個利用所述的第一吸收線(32)計算排放產物的濃度；利用所述的第一和第二吸收線(32，36)計算所述排放產物的溫度；以及計算所述排放產物的不透明度。
8.如權利要求1所述的方法，進一步包括采用與不同的排放產物的第一吸收線(32)相對應的相同的第一波長(40)和不同的第一波長(40)中的一個來重復權利要求1所述的方法。
9.一種用來現場檢測排放產物的光譜感測系統，包括能在約80nm的范圍內以106nm/sec的調諧速度調諧激光束(12)的可調光源；用來接收所述激光束(12)的探測器(30)；以及設置于流場(100)中的光學網絡(20)，所述光學網絡(20)提供在所述的可調光源與所述的探測器(30)之間的光通信。
10.如權利要求9所述的系統，其特征在于所述的光學網絡(20)包括從所述可調光源處發射所述激光束(12)的發射器；用來接收來自所述可調光源的所述激光束(12)的接收器，所述接收器通過穿過所述流場(100)的光學路徑與所述發射器進行光通信。
全文摘要
一種用于對排放產物進行現場監測方法，包括發射出光，將光調諧至第一波長(40)，在第二位置接收這束光線，在第一階段將光從所述的第一波長(40)改變至第二波長(42)，并且在第一階段中測量第一吸收線(32)以及第一非吸收基線信號(34)，將光切換至第三波長(44)，在第二階段將光從所述的第三波長(44)改變至第四波長(46)，并在第二階段中測量第二吸收線(36)以及第二非吸收基線信號(35)。所述光通過可調光源從第一位置發射出并在第二位置被接收。所述光在第一和第二位置之間沿著一條光學路徑通過所述的排放產物。所述第一波長(44)與所述的排放產物的第一吸收線(32)相對應。第三波長(44)與第一、第二波長(40，42)不同。
文檔編號G01N21/39GK1818617SQ20061005925
公開日2006年8月16日 申請日期2006年2月8日 優先權日2005年2月8日
發明者C·M·侯 申請人:通用電氣公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
