一种基于光学补偿设计的火焰温度场和燃烧中间产物浓度场监测系统

摘要

本发明公开一种基于光学补偿设计的火焰温度场和燃烧中间产物浓度场监测系统；通过火焰窥镜装置及其前端的探测广角镜收集火焰辐射光传递给分光装置，经滤波装置得到中心波长不同的窄带光信号；由于各条光路不同，不同光路间存在光程差，又由于透镜在不同波长下折射率不同产生色散效应，使各光路具有不同距离的像平面，利用具有不同屈光度的光学补偿透镜对所述光程差及所述色散效应进行补偿，可以在CCD接收装置上得到同一清晰度的光强分布图像；利用两路信号的光强分布图像相减得到燃烧中间产物的浓度分布图；利用另两路光信号的光强相比，根据比色法得到火焰温度场分布；本发明能够在线同时获得火焰温度和燃烧中间产物浓度二维分布的监测图像。

说明书

【技术领域】

本发明是一种基于光学补偿设计的火焰温度场和燃烧中间产物浓度场监 测系统，它主要利用黑体辐射规律和几何光学系统探测火焰燃烧产生的各种中 间产物的浓度分布，利用比色法实时测量燃烧时的温度分布，利用具有正屈光 度或负屈光度的光学补偿透镜补偿各光路中由于光程差和色散效应造成的像 质差异。

【背景技术】

目前，主要通过光谱仪测量对应谱线或谱带下的光辐射信号强度来对燃烧 火焰中间产物的浓度进行在线监测，但其测量结果为单点浓度或区域平均浓 度；另一方面采用激光诱导荧光、拉曼散射及傅立叶变换红外光谱仪等可以获 得某产物或粒子的二维分布，但这些方法不易同时获取两种以上的中间产物的 二维分布，且价格昂贵、安装复杂，在工业现场应用中存在许多困难。

发射连续光谱的物体的热辐射亮度与其温度的关系符合热辐射定律。由普 朗克定律可知，可利用双色法(亦称比色法)测量火焰温度，即，利用在CCD 上得到的两种不同波长下的辐射强度的两个图像，通过求取两个图像中对应像 素响应的比值来求得该像素的温度值。若采用彩色CCD摄像机所拍摄的图像， 则可根据三基色原理和普朗克定律建立三色测温法来测量火焰的温度。

本发明在已存在的设计基础上，进一步考虑了由于光路不同和色散效应造 成的火焰温度场与燃烧中间产物浓度场的成像模糊的补偿问题。由于各条光路 不同，不同光路间存在光程差；又由于透镜在不同波长下折射率不同而产生色 散效应，使各光路具有不同距离的像平面。本发明利用不同的具有正或负屈光 度的光学补偿透镜来补偿上述光程差及色散效应带来的影响，使得CCD接收装 置得到各个光路的清晰度一致的火焰单色图像。

【发明内容】

本发明是一种基于光学补偿设计的火焰温度场和燃烧中间产物浓度场监 测系统，它主要利用黑体辐射规律和几何光学系统探测燃烧火焰产生的各种中 间产物的浓度分布，利用比色法实时测量燃烧时的温度分布，利用具有正屈光 度或负屈光度的光学补偿透镜补偿各光路中由于色散和光程差造成的像质差 异。

本发明提供的一种基于光学补偿设计的火焰温度场和燃烧中间产物浓度 场监测系统，采用以下技术方案：

该方法通过火焰窥镜装置及其前端的探测广角镜收集火焰辐射光传递给 分光装置，经滤波装置得到中心波长不同的窄带光信号；由于各条光路不同， 不同光路间存在光程差，又由于透镜在不同波长下折射率不同产生色散效应， 使各光路具有不同距离的像平面，利用具有不同屈光度的光学补偿透镜对所述 光程差及所述色散效应进行补偿，可以在CCD接收装置上得到同一清晰度的光 强分布图像；利用两路信号的光强分布图像相减得到燃烧中间产物的浓度分布 图；利用另两路光信号的光强相比，根据比色法得到火焰温度场分布；本发明 能够在线同时获得火焰温度和燃烧中间产物浓度二维分布的监测图像。

其中，所述火焰窥镜装置及其前端的探测广角镜收集火焰辐射光传递给分 光装置。所述火焰窥镜装置包括探测广角镜和平行光装置，探测广角镜可以更 大范围内收集火焰辐射的光波，平行光装置可以增大收集到的光波的传输距 离。

其中，所述火焰探测装置外部具有冷却套筒，通过气冷或水冷或两者组合 方式对包括探测广角镜和平行光装置在内的火焰窥镜装置进行降温。

其中，所述分光装置包括多个分光棱镜，具有半透半反膜或具有增反膜。 镀膜设计在可见光或者紫外光或者红外光光谱范围。具有半透半反膜的棱镜分 光比按照实际应用要求设计。每个分光棱镜的入射光和出射光的表面都需要镀 增透膜增大通光量。

其中，所述滤波装置包括滤波器和固定安装机械装置，根据被监测燃烧中 间产物的特征谱线以及测量火焰温度场所需光信号波长选定所述滤波器通光 波段的中心波长及半波宽。其中在实现监测火焰温度场的两条光路中，选择使 用的滤波器具有相同的半波宽；在实现监测燃烧中间产物浓度的两条光路中， 选择使用的滤波器具有相同的半波宽。从滤波器装置出射的窄带光信号分别 为：火焰黑体辐射信号分布上的特定燃烧中间产物的特征谱线1；靠近所述特 征谱线且波段互不重叠的黑体辐射信号2；非特征谱线的黑体辐射上的信号3； 非特征谱线的黑体辐射上的信号4。

其中，由于各条光路不同，不同光路间存在光程差，又由于透镜在不同波 长下折射率不同产生色散效应，使各光路具有不同距离的像平面，利用具有不 同屈光度的光学补偿透镜对所述光程差及所述色散效应进行补偿，可以在CCD 接收装置上得到同一清晰度的光强分布图像。

其中，所述CCD接收装置前端有相机镜头装置，所述相机镜头装置具有调 焦或变焦功能，也可同时改变物距与像距，且具有可调光圈控制镜头通光量， 在一定范围内准确地对火焰成像。所述CCD接收装置可根据需要选择在紫外光、 可见光与红外光光谱范围内具有特定光谱响应范围的CCD，以实现对不同波长 下的火焰辐射光的成像。所述CCD接收装置，其CCD的面积大小与成像大小有 着对应放大倍数关系。

其中，根据黑体辐射定律，通过火焰黑体辐射信号分布上的特定燃烧中间 产物的特征谱线1减去靠近所述特征谱线且波段互不重叠的黑体辐射信号2的 光强强度，得到实际意义的燃烧中间产物的特征辐射信号强度的二维分布。特 征辐射信号强度越大，被测量燃烧中间产物的局部浓度越高。非特征谱线的黑 体辐射上的信号3与非特征谱线的黑体辐射上的信号4的光强相比，根据比色 法可以得到火焰温度场分布。

其中，所述软件处理系统为C语言开发软件系统，并且可与Matlab、 labviw、VC、VB等计算机语言程序系统兼容开发。计算机显示界面为人机交互 界面，可以输入和更改参数控制整个系统，提取和处理已得到的系统数据，通 过反馈数据可以调整基于光学补偿设计的火焰温度场和燃烧中间产物浓度场 监测系统。

其中，可以扩展成为多组分光棱镜和光学补偿透镜，可以改变滤波器的通 光谱带范围和光学补偿透镜具有的屈光度，从而同时监测燃烧火焰中的多种中 间产物的浓度和火焰的温度，实时并同时地得到清晰准确的燃烧中间产物的浓 度和火焰温度二维分布的监测图像。

本发明的有益效果：本发明可为在线监测火焰燃烧状态、有效验证燃烧模 型提供一种有效的测量手段，而且对在线调整燃烧工况参数、实现燃烧过程的 闭环控制、提高燃烧效率、降低污染气体排放有着重要的意义。并且通过光学 补偿透镜，不仅可以补偿由于不同光路间光程差造成的像质差异，而且可以补 偿由于光学透镜在不同波长下具有不同的折射率而产生的色散现象，使得在同 一成像平面上可得到各个光路的具有相同清晰度的光强分布图像，提高了火焰 温度场和燃烧中间产物浓度场的监测精度和准确度。

【说明书附图】

图1是基于光学补偿设计的火焰燃烧监测系统组成示意图；

图2是探测燃烧中的特征谱线示意图；

【具体实施方式】

通过前端的火焰探测广角镜111最大范围内收集火焰辐射光，之后经过所 述火焰窥镜装置112传递给所述分光装置121和122，所述冷却套筒113对火 焰窥镜装置112(包括火焰探测广角镜111)进行降温处理。火焰探测广角镜 111能迅速、准确地收集火焰辐射光。所述火焰窥镜装置包括探测广角镜和平 行光装置，广角镜可以更大范围内收集火焰辐射的光波，平行光装置可以增大 收集到的光波的传输距离。火焰窥镜装置112及冷却套筒113的长度依据燃烧 装置的壁厚设计，一般为几十厘米到1米。冷却的方式可为气冷或水冷或两者 组合。

入射辐射光传递给分光装置121和122。首先入射分光棱镜121，由于分 光棱镜121具有半透半反膜，增透系数与增反系数相同，所以入射的光线一半 能量透射出去，形成光信号I。另一部分反射给分光棱镜122。分光棱镜122 上具有增反膜，增反系数为1，几乎全部反射出去，形成光信号II。此时光信 号I和光信号II强度相同。分光棱镜的入射光和出射光的表面都需要镀增透 膜增大通光量。

出射的光信号I传递给分光装置124和123。首先入射分光棱镜124，由 于分光棱镜124具有半透半反膜，增透系数与增反系数相同，所以入射的光线 一半能量透射出去，形成光信号1。另一部分反射给分光棱镜123。分光棱镜 123上具有增反膜，增反系数为1，几乎全部反射出去，形成光信号2。此时光 信号1和光信号2强度相同。分光棱镜的入射光和出射光的表面都需要镀增透 膜增大通光量。

出射的光信号II传递给分光装置125和126。首先入射分光棱镜125，由 于分光棱镜125具有半透半反膜，增透系数与增反系数相同，所以入射的光线 一半能量透射出去，形成光信号3。另一部分反射给分光棱镜126。分光棱镜 126上具有增反膜，增反系数为1，几乎全部反射出去，形成光信号4。此时光 信号3和光信号4强度相同。分光棱镜的入射光和出射光的表面都需要镀增透 膜增大通光量。

强度相同光信号1、光信号2、光信号3和光信号4分别经过滤波器131、 滤波器132、滤波器133和滤波器134后得到中心波长为λ₁的窄带光信号1、 中心波长为λ₂的窄带光信号2、中心波长为λ₃的窄带光信号3、中心波长为λ₄的 窄带光信号4。其中在实现监测火焰温度场的两条光路中，选择使用的滤波器 131和滤波器132具有相同的半波宽；在实现监测火焰中间产物浓度的两条光 路中，选择使用的滤波器133和滤波器134具有相同的半波宽。

所述滤波器131和132的中心波长及半波宽的选择方式如下具体所述：窄 带滤波器131的中心波长λ₁对应被测量燃烧中间产物的特征辐射谱线中心波 长，窄带滤波器131的半波宽Δλ₁根据被测量燃烧中间产物的特征辐射谱线的 半波宽Δλ₀选择，一种选择满足Δλ₁＞Δλ₀，或者一种选择为Δλ₁＝Δλ₀；窄带滤波器 132的中心波长λ₂的选取满足|λ₂-λ₁|≥2Δλ₁，窄带滤波器132与窄带滤波器131 具有相等的半波宽，且[λ₂-Δλ₁，λ₂+Δλ₁]波段内不存在其他产物的特征辐射谱 线。只要与其他产物的特征谱线不交叠，一般可选择λ₂＝λ₁-2Δλ₁或λ₂＝λ₁+2Δλ₁。

所述窄带光信号1的强度为所述窄带光信号1所占波段内火焰黑体辐射信 号强度205与特定燃烧中间产物的特征辐射信号强度201之和，所述窄带光信 号2的强度为所述窄带光信号2所占波段内火焰黑体辐射信号的强度202。由 于λ₁靠近λ₂，可以认为，所述窄带光信号1所占波段内火焰黑体辐射信号强度 205与所述窄带光信号2所占波段内火焰黑体辐射信号的强度202相等。

所述窄带光信号3为黑体辐射上非特征谱线的λ₃信号203，所述窄带光信 号4为黑体辐射上非特征谱线的λ₄信号204。所述窄带滤波器133和134的半 波宽的选择方式如下具体所述：窄带滤波器133与窄带滤波器134具有相同的 半波宽Δλ₂。所述窄带滤波器133和窄带滤波器134的中心波长的选择方式如 下所述：窄带滤波器133的中心波长λ₃与窄带滤波器134的中心波长λ₄应在火 焰黑体辐射光谱范围及CCD接收装置152的响应光谱范围内，且窄带滤波器133 所透过的[λ₃-Δλ₂，λ₃+Δλ₂]波段与窄带滤波器134所透过的[λ₄-Δλ₂，λ₄+Δλ₂]波 段不重叠，且[λ₃-Δλ₂，λ₃+Δλ₂]波段与[λ₄-Δλ₂，λ₄+Δλ₂]波段内不包含任何物质 的特征辐射谱线。

由于光线由一种物质入射到另一种光密度不同的物质时，其光线的传播方 向产生偏折，这种现象称为色散现象，用屈光力表示这种色散程度的大小，其 单位是屈光度(缩写为“D”)。1D的屈光力相当于可将平行光线聚焦在1米焦距 上。屈光力越强，焦距越短。凸透镜的屈光力以“+”号表示，凹透镜的屈光 力以“-”号表示。1屈光度或1D等于常说的100度。由于透镜在不同的波 长下折射率不同产生色散现象，各条光路形成不同距离的焦平面和像平面；利 用具有正屈光度或负屈光度的光学补偿透镜补偿色散现象。例如，滤波后的信 号201经过相机镜头装置151后的屈光度为2.05D，滤波后的信号202经过相 机镜头装置151后的屈光度为2.15D，可以在信号202后添加一个屈光度为 -0.1D的光学补偿透镜142；或者在信号201后添加一个屈光度为0.1D的光学 补偿透镜141。改变屈光度后的信号201与信号202被相机镜头装置成像在CCD 接收装置152上。

由于设计的各条光路间存在光程差，利用光学补偿透镜对不同光路间的光 程差进行补偿。如图1所示，分光棱镜124的出射光经过了2个分光棱镜，分 别是分光棱镜121和分光棱镜124；分光棱镜123的出射光经过了3个分光棱镜， 分别是分光棱镜121、分光棱镜124和分光棱镜123；分光棱镜125的出射光经 过了3个分光棱镜，分别是分光棱镜121、分光棱镜122和分光棱镜125；分光 棱镜126的出射光经过了4个分光棱镜，分别是分光棱镜121、分光棱镜122、 分光棱镜125和分光棱镜126。因此分光棱镜123和分光棱镜125的出射光比分 光棱镜124的出射光多出1个分光棱镜的光程，同理，分光棱镜126的出射光 比分光棱镜124的出射光多出2个分光棱镜的光程。根据光学高斯公式可知， 像距随着物距变化。上述四个光路由于光程不同，因而物距不同，导致成像的 像距不同，即像面不同。通过改变光学补偿透镜的屈光度，可以改变各个光路 的物距，从而补偿不同光路的光程差。将该补偿机制与上述色散补偿机制相结 合，可以采用一套光学补偿透镜同时实现各光路光程差与色散效应的补偿，从 而实现各个光路的像面的统一，在同一像平面(CCD相机)上同时得到各个光路 同一清晰度的图像，提高了火焰温度场和燃烧中间产物浓度场的监测精度和准 确度。

光学补偿校正后的信号201与信号205的和传递给CCD接收装置152前端 的相机镜头装置151；信号202同时传递给CCD接收装置152前端的相机镜头 装置151，用于对CCD接收装置152成像，所述CCD接收装置152把光学影像 153和154转化为数字信号传递给所述软件处理系统。通过所述软件处理系统 把所述窄带光信号201与信号205的和与所述窄带光信号202的光强分布图像 154和153相减，从而得到实际意义的燃烧中间产物的特征谱线强度201。特 征谱线强度越大，该中间产物的浓度越高。

滤波后的信号203和信号204传递给CCD接收装置152前端的相机镜头装 置151，用于对CCD相机152成像，所述CCD接收装置152把光学影像155和 156转化为数字信号传递给所述软件处理系统。通过所述软件处理系统把所述 窄带光信号203与所述窄带光信号204的光强I(λ₃)155和光强I(λ₄)156相比， 应用燃烧中的火焰温度与双波长下火焰辐射强度比的函数关系式

$T=f\left(\frac{I\left({\lambda }_3\right)}{I\left({\lambda }_4\right)}\right)---\left(1.1\right)$

可得到火焰温度场的图像。测量到的I(λ₃)和I(λ₄)发生变化，对应的燃烧室内 的温度也相应的发生变化。因此，可利用该方法实时监测燃烧火焰的温度变化 情况。

所述CCD接收装置前端有相机镜头装置，所述相机镜头装置具有调焦或变 焦功能，可在一定范围内准确地对火焰成像。并且可通过调谐像距的位置改变 物距的范围。所述CCD接收装置可根据需要选择在紫外光、可见光与红外光光 谱范围内具有特定光谱响应范围的CCD，以实现对不同波长下的火焰辐射光的 成像。所述CCD接收装置，其CCD的面积大小与成像大小有着对应放大倍数关 系。

所述软件处理系统为C语言开发软件系统，通过计算机实时采集数据并成 像，并且可与Matlab、labviw、VC、VB等计算机语言程序系统兼容开发。计 算机显示界面为人机交互界面，可以输入和更改参数控制整个系统，提取和处 理已得到的系统数据，通过反馈调整这种基于光学补偿设计的火焰温度场和燃 烧中间产物浓度场监测系统。

该发明型专利所述方法可以扩展成为多个分光棱镜系统和多个光学补偿 校正系统，通过运用不同滤波器的滤波范围，同时监测火焰的温度分布及燃烧 中产生的多种中间产物的浓度分布。

以上所述，仅为本发明具体实施方法的基本方案，但本发明的保护范围并 不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明公开的技术范围内，可想到 的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围 应该以权利要求的保护范围为准。所有落入权利要求的等同的含义和范围内的 变化都将包括在权利要求的范围之内。