專利名稱：：三維光學(xué)傳感器和用于燃燒傳感及控制的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本文所公開的主題涉及光的光學(xué)測量，并且更具體地說，涉及一種光學(xué)傳感器，該光學(xué)傳感器執(zhí)行對燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的燃燒器火焰的三維的、空間分辨的(spatially-resolved)光學(xué)測量，并且涉及一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用光學(xué)測量來更好地控制燃燒過程。
背景技術(shù)：
：按照慣例，在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中的預(yù)混合氣體燃燒器中使用對火焰化學(xué)發(fā)光的光發(fā)射的光學(xué)測量來測定這樣的燃燒器中的各種參數(shù)，諸如能量或熱量釋放率和燃料空氣比。將波長濾波器設(shè)置在光學(xué)探測器的前面典型地用于識別來自諸如0H*、CH*、C2*以及C02*的各個特定激發(fā)態(tài)物類(species)的總的光發(fā)射的部分貢獻(xiàn)率。然后，可以使這些物類中的一個或多個物類的信號比以已知的方式與各種燃燒器參數(shù)相關(guān)聯(lián)，諸如燃料空氣比、熱量釋放率以及氣體溫度。這種測量技術(shù)的先前的應(yīng)用已使用了簡單的光學(xué)傳感器布置和攝象機(jī)系統(tǒng)。這些技術(shù)和系統(tǒng)的問題是其固有的有限的空間分辨率。在復(fù)雜的燃燒流中，以三維的方式進(jìn)行空間分辨測量的能力是通過對燃燒過程的改進(jìn)的控制來優(yōu)化系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。使用排氣溫度分布作為用于燃燒器的燃燒室之間的燃料空氣比、熱量釋放率以及氣體溫度的變動的替代是足夠的。但是，通過使用光學(xué)技術(shù)來觀察各個燃燒器罐中的火焰可改進(jìn)結(jié)果。在這些情形下，使用光學(xué)方法的主要問題是當(dāng)優(yōu)選需要的是關(guān)于各個燃燒器罐中的整個火焰的三維的、空間分辨的信息時，這些光學(xué)方法典型地提供有限的視線信息。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種系統(tǒng)包括以三維的方式光學(xué)地測量和空間地分辨由某裝置所產(chǎn)生的火焰內(nèi)的至少一種化學(xué)物類的光學(xué)傳感器；以及使三維地測量的至少一種化學(xué)物類與該裝置的至少一個參數(shù)相關(guān)聯(lián)的部件。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種方法包括以三維的方式光學(xué)地測量和空間地分辨由某裝置所產(chǎn)生的火焰內(nèi)的至少一種化學(xué)物類，以及使三維地測量的至少一種化學(xué)物類與該裝置的至少一個參數(shù)相關(guān)聯(lián)。根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，一種系統(tǒng)包括以三維的方式光學(xué)地測量和空間地分辨由燃燒器所產(chǎn)生的火焰內(nèi)的至少一種化學(xué)物類的光學(xué)傳感器；以及使三維地測量的至少一種化學(xué)物類與該燃燒器的至少一個參數(shù)相關(guān)聯(lián)的裝置。根據(jù)下文的描述(結(jié)合附圖)，這些及其它優(yōu)點和特征將變得更加明顯。在說明書的結(jié)論處的權(quán)利要求書中特別地指出和明確地要求保護(hù)了被視為本發(fā)明的主題。從下文的詳細(xì)描述中(結(jié)合附圖)，本發(fā)明的前述及其它優(yōu)點和特征顯而易見。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的、用于在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的燃燒器部分中以三維的方式測量燃燒火焰的光學(xué)傳感器和附隨的光學(xué)器件；圖2，包括圖2A和圖2B，分別是本發(fā)明的用于在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的燃燒器部分中以三維的方式測量燃燒火焰的另一實施例的側(cè)視圖和主視圖；圖3是圖1或圖2的、定位于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的燃燒器中的傳感器的局部剖開的側(cè)視圖；以及圖4是圖1或圖2的、定位于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的燃燒器中的傳感器連同相關(guān)聯(lián)的控制器和燃料控制閥的局部剖開的側(cè)視圖。借助于參考附圖的示例，詳細(xì)描述解釋了本發(fā)明的實施例以及優(yōu)點和特征。部件列表<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>具體實施例方式參看圖l，根據(jù)本發(fā)明一實施例的圖象傳感器100包括單個傳感器陣列102，其具有用于傳感處于特定波長的發(fā)射光的多個孔(即erture)104。圖象傳感器100可是單一波長的顏色傳感器，其提供由以下單一化學(xué)物類所發(fā)射的火焰化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的三維映射該單一化學(xué)物類來自燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的燃燒器(圖3-4)的燃燒區(qū)106內(nèi)的火焰的、許多不同的這樣的物類(例如，011*、(^*、[2*、0)2*，其中，分子名之后的星號"*"表示分子處于激發(fā)態(tài))之中。燃燒區(qū)106內(nèi)的火焰的光學(xué)圖象不直接地聚焦在傳感器陣列102中的孔104上，而是利用成像透鏡108聚焦至定位于孔104上方的焦平面110。之后，圖象由具有單一波長的光學(xué)過濾器112重新成象到孔104上，以在孔104之間形成燃燒區(qū)106的部分重疊的圖象或視場。可使用折射性的微透鏡或呈金屬層的型式的衍射性的光柵將光學(xué)過濾器112(即，局部光學(xué)器件)實施在集成電路的電介質(zhì)疊層中。之后可組合化學(xué)物類的傳感圖象以形成燃燒區(qū)106內(nèi)的火焰的三維的、空間分辨的表示。燃燒區(qū)106內(nèi)的火焰的圖象的多個透視圖允許以比孔104本身的數(shù)量更大的空間分辨率來合成三維圖象。在本發(fā)明的一個備選實施例中，可利用多于一個的傳感器陣列102，其中在各個陣列102上提供了不同波長過濾能力。這允許對燃燒區(qū)106內(nèi)的火焰的若干不同的化學(xué)物類(例如，0，、(^*丄2*、0)2*)進(jìn)行同時測量，其中，這些不同的化學(xué)物類處在不同的波長。這就允許執(zhí)行多個物類之間的比率度量的測量。然后，可以已知的方式使這些物類中的至少兩個不同物類的比率關(guān)聯(lián)，以得出或?qū)С龈鞣N燃燒器參數(shù)，諸如燃料空氣比、熱量釋放率以及氣體溫度。與此相反，如果單一傳感器陣列102擁有單一波長過濾能力，則典型地?zé)崃酷尫怕屎蜌怏w溫度可從所測量的單一化學(xué)物類中關(guān)聯(lián)或?qū)С?。參看圖2A和圖2B，在根據(jù)本發(fā)明的圖象傳感器200的另一實施例中，可提供孔204的兩維陣列202。在本實施例中，多個不同的過濾元件206可直接設(shè)置到成象陣列202的孔204上，以允許執(zhí)行多種不同顏色的測量。在圖2B的俯視圖(S卩，面對陣列)中最佳地看到了陣列200?？墒褂美绻杌蛱蓟璧谋∧こ练e，以便在圖象傳感器200的表面208上形成濾色器。可被沉積的其它材料包括氟化鎂、氟化鈣以及各種金屬氧化物。在圖2中所示的示例中，存在布置成正方形(2x2)的四個不同的濾色器206，并且，在傳感器200的整個上表面208上重復(fù)該正方形型式。四個不同的濾色器206代表關(guān)于所期望被測量的化學(xué)物類(例如，0H*、CH*、C2*、C02*)中的各個的主導(dǎo)顏色。各個過濾元件206可具有定位在該元件上方的微透鏡，并且各組四個濾色元件提供燃燒區(qū)106(圖1)上的火焰的多個波長強(qiáng)度圖。圖3示出了圖1或圖2的三維燃燒圖象傳感器100，200，該圖象傳感器100,200配置在作為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)302的一部分的典型的燃燒器300中。在本示例中，圖象傳感器100，200可定位在主燃燒區(qū)域下游的過渡管道中。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)302的典型的燃燒器300中的各個罐可具有定位在其中的圖象傳感器100,200，以測量各個罐中的火焰的特性。圖象傳感器100,200可與空氣或液體冷卻的安裝架相集成，以使得能夠經(jīng)受住通常惡劣的熱環(huán)境。如所提及的，圖象傳感器100，200提供所測量的化學(xué)物類(例如，0H*、CH*、C2*、C02*)的三維的、空間分辨的圖，并且，從所測量的化學(xué)物類中，可以已知的方式關(guān)聯(lián)或?qū)С龈鞣N特定的燃燒參數(shù)，例如燃料空氣比、熱量釋放率或氣體溫度?？蓪D象傳感器的輸出提供給控制器400(圖4)，該控制器400使所測量的化學(xué)物類與特定的燃燒參數(shù)相關(guān)聯(lián)。響應(yīng)于關(guān)聯(lián)的或?qū)С龅娜紵齾?shù)，控制器可針對燃燒器300中的燃料噴嘴402(圖4)改變流動參數(shù)，以直接影響和平衡或改進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)302內(nèi)的燃燒過程。圖4示出與燃?xì)廨啓C(jī)控制器400相集成的圖1或圖2的三維圖象傳感器100,200。線路(line)404上的來自傳感器100,200的輸出信號通過電纜或適當(dāng)?shù)墓饫w連接件(fiberopticconnection)饋送給控制器400?？刂破?00處理來自傳感器100，200的圖象信息，并且在探測到燃燒器300的非最佳運行時采取控制措施。在本示例中，控制措施可包括對單獨的燃料供應(yīng)閥406的調(diào)節(jié)，燃料供應(yīng)閥406為發(fā)動機(jī)302的燃料噴射系統(tǒng)內(nèi)的燃料噴嘴402提供供給。這樣，可以在反饋控制系統(tǒng)中使用圖象傳感器100,200的輸出來改進(jìn)燃燒過程。類似地，為了達(dá)到最佳運行，控制器400可自動地改變其它參數(shù)。這些參數(shù)可包括例如氣流分布、稀釋劑噴射以及燃料噴嘴幾何形狀。本發(fā)明的圖象傳感器100,200的實施例通常提供反應(yīng)流中的燃燒參數(shù)的三維的、空間分辨的圖。圖象傳感器100，200允許對來自燃燒器300的火焰中的各種特定化學(xué)物類的直接測得的濃度的各種燃燒參數(shù)(諸如熱量釋放率、燃料空氣比以及氣體溫度)進(jìn)行間接的三維測量或者關(guān)聯(lián)。傳感器100，200包括多孔成象裝置，該多孔成象裝置耦接到光學(xué)過濾器上，以收集來自火焰化學(xué)發(fā)光發(fā)射的光。來自激發(fā)態(tài)物類(諸如0，、C，、C2承以及C02*)的光發(fā)射被收集在單個或多個的多孔陣列上，從而獲得了這些物類的這些濃度的三維的、空間分辨的圖。所測量的三維的、空間分辨的圖可與同燃燒器300有關(guān)的參數(shù)相關(guān)聯(lián)，諸如各個燃燒器罐中的熱量釋放率、燃料空氣比以及氣體溫度。這可用于燃燒器健康監(jiān)控，以及給定的燃燒器設(shè)計的性能的工程評估。用于監(jiān)控這些各種燃燒參數(shù)(燃料空氣比、熱量釋放率、溫度等)的方法是燃燒監(jiān)控包(combustionmonitoringpackage)的一部分，該燃燒器監(jiān)控包對于燃?xì)鉁u輪燃燒器300的閉環(huán)的或基于模型的控制來說是必需的。這樣的包包括用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)302中的各個燃燒室或罐的關(guān)于燃燒動力學(xué)、排放以及燃料空氣比、熱量釋放率和氣體溫度的監(jiān)控。備選地，本發(fā)明的實施例適用于環(huán)形(即，非罐形)燃燒器或后燃器，以測量這些裝置中的火焰的特性。燃燒監(jiān)控是用于高性能燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的高級控制包的組成部分。被監(jiān)控的要素包括燃燒動態(tài)壓力波動，排放，燃料空氣比，熱量釋放率及氣體溫度。本發(fā)明的實施例在監(jiān)控燃燒器之間的燃料空氣比，熱量釋放率及氣體溫度的實時變動時提供相對較高的保真度，以使得可針對各個燃燒器調(diào)節(jié)燃料和空氣流，以減小這些變動。這就導(dǎo)致在更寬的燃?xì)廨啓C(jī)運行范圍上有相對更低的排放和更高的耐久性和可操作性。雖然已結(jié)合僅有限數(shù)目的實施例詳細(xì)描述本發(fā)明，但將容易理解的是，本發(fā)明不局限于這樣的所公開的實施例。而是本發(fā)明可修改為結(jié)合任意數(shù)量的、此前未進(jìn)行描述但是與本發(fā)明的精神和范圍相當(dāng)?shù)淖冃?、改型、替代或等同布置。此外，雖然已描述了本發(fā)明的各種實施例，但是將理解的是，本發(fā)明的方面可僅包括所述實施例的一些。因此，本發(fā)明不應(yīng)視為受前述描述所限制，而是僅受所附權(quán)利要求的范圍所限制。權(quán)利要求一種系統(tǒng)，包括光學(xué)傳感器(100，200)，其以三維的方式光學(xué)地測量和空間地分辨由裝置(300)所產(chǎn)生的火焰(106)內(nèi)的至少一種化學(xué)物類；和部件(400)，其使三維地測量的所述至少一種化學(xué)物類與所述裝置(300)的至少一個參數(shù)相關(guān)聯(lián)。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述裝置(300)包括燃燒器(300)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一種化學(xué)物類來自包括0，、CH*、C2*以及C02*的組。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述裝置的所述至少一個參數(shù)來自包括燃料空氣比、熱量釋放率以及氣體溫度的組。5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述裝置(300)包括燃燒器(300)，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括利用所述燃燒器(300)的所述至少一個參數(shù)來控制所述燃燒器(300)的運行的控制器(400)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器(400)可運行，以通過調(diào)節(jié)為燃料噴射系統(tǒng)(402)提供供給的至少一個燃料供應(yīng)閥(406)來控制所述燃燒器(300)的運行。7.根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)傳感器(100,200)通過從來自火焰(106)的化學(xué)發(fā)光發(fā)射中收集光，以三維的方式光學(xué)地測量和空間地分辨由所述裝置(300)所產(chǎn)生的所述火焰(106)內(nèi)的至少一種化學(xué)物類。8.—種方法，包括以三維的方式光學(xué)地測量和空間地分辨由裝置所產(chǎn)生的火焰內(nèi)的至少一種化學(xué)物類；和使三維地測量的所述至少一種化學(xué)物類與所述裝置的至少一個參數(shù)相關(guān)聯(lián)。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述裝置包括燃燒器。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括從包括0H*、CH*、C2*以及C02*的組中選擇所述至少一種化學(xué)物類。全文摘要本發(fā)明涉及三維光學(xué)傳感器和用于燃燒傳感及控制的系統(tǒng)。一種系統(tǒng)包括光學(xué)傳感器(100，200)，該光學(xué)傳感器(100，200)以三維的方式光學(xué)地測量和空間地分辨由裝置(300)所產(chǎn)生的火焰(106)內(nèi)的至少一種化學(xué)物類；以及部件(400)，該部件(400)使三維地測量的至少一種化學(xué)物類與裝置(300)的至少一個參數(shù)相關(guān)聯(lián)。文檔編號G01N21/76GK101726485SQ20091020864公開日2010年6月9日申請日期2009年10月23日優(yōu)先權(quán)日2008年10月23日發(fā)明者K·R·麥馬努斯,L·B·小戴維斯申請人:通用電氣公司