DE19710206A1

DE19710206A1 - Method and device for combustion analysis and flame monitoring in a combustion chamber

Info

Publication number: DE19710206A1
Application number: DE19710206A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Rer Nat Merklein
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1997-03-12
Filing date: 1997-03-12
Publication date: 1998-09-17
Also published as: WO1998040673A1

Abstract

In order to enable particularly prompt detection of temperature distribution and concentration distribution of reaction products occurring during the combustion process as well as flame parameters (F), the invention provides for an image (B1, B3, B4, B5, B6) of a flame to be picked up, whereby a physical distribution of a combustion-process characteristic parameter for at least one predefined spectral range (203, 204, 205, 206) is determined on the basis of local resolution intensity of said image (B1, B3, B4, B5, B6).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbren nungsanalyse in einem Verbrennungsraum, bei dem die Tempera tur und die Konzentration mindestens eines im Verbrennungs prozeß entstehenden Reaktionsproduktes ermittelt werden. Sie bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Vorrichtung zur Flammenanalyse und Flammenüberwachung eines Brenners.The invention relates to a method for burning analysis in a combustion chamber in which the tempera structure and the concentration of at least one in combustion process resulting reaction product can be determined. she also relates to an apparatus for performing the Method and a device for flame analysis and Flame control of a burner.

Bei der Verbrennung eines fossilen Brennstoffs in einem Ver brennungsraum steht die standige Verbesserung des Verbren nungsprozesses im Vordergrund der Bemühungen. Zur Erreichung eines besonders guten Verbrennungsprozesses mit einer mög lichst geringen Emission von Schadstoffen, insbesondere von CO und NO_x, sowie einem besonders hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringem Rauchgasvolumenstrom muß die Feuerung mittels einer geeigneten Feuerungsregelung optimiert werden. So treten bei der Verbrennung von fossilem Brennstoff oder Müll aufgrund der unterschiedlichen Herkunft des Brennstoffs bzw. aufgrund der heterogenen Zusammensetzung des Mülls Schwankungen des Heizwertes des Brennstoffes oder der Brenn stoffmischung auf. Diese Schwankungen wirken sich nachteilig auf die Schadstoffemission aus. Diese Nachteile bestehen auch bei der industriellen Reststoffverbrennung, bei der üblicher weise feste und flüssige sowie gasförmige Brennstoffe gleich zeitig verbrannt werden. Bei Kenntnis der Temperaturvertei lung und des Konzentrationsprofils vom im Verbrennungsprozeß entstehenden Reaktionsprodukten kann eine Verbesserung der Feuerungsregelung und somit eine Verbesserung des Verbren nungsprozesses erzielt werden. When burning a fossil fuel in a combustion chamber, the constant improvement of the combustion process is at the forefront of efforts. To achieve a particularly good combustion process with the lowest possible emission of pollutants, especially CO and NO _x , and a particularly high efficiency with a low flue gas volume flow, the furnace must be optimized by means of a suitable combustion control. Thus, when burning fossil fuel or waste, fluctuations in the calorific value of the fuel or the fuel mixture occur due to the different origin of the fuel or due to the heterogeneous composition of the waste. These fluctuations have a negative impact on pollutant emissions. These disadvantages also exist in industrial waste incineration, in which solid and liquid as well as gaseous fuels are usually burned at the same time. With knowledge of the temperature distribution and the concentration profile of the reaction products arising in the combustion process, an improvement in the combustion control and thus an improvement in the combustion process can be achieved.

In der älteren deutschen Anmeldung 1 95 09 412-3 "Verfahren und Vorrichtung zur Feuerungsregelung einer Dampferzeugeran lage" wurde eine auf der Kenntnis der Temperaturverteilung und des Konzentrationsprofils von im Verbrennungsprozeß ent stehenden Reaktionsprodukten basierende Feuerungsregelung vorgeschlagen. Dabei wird mittels mindestens zweier optischer Sensoren die Temperatur und die Konzentration von Reaktions produkten erfaßt. Nachteilig dabei ist jedoch, daß mit diesen optischen Sensoren oder Kameras jeweils nur eine Linie des Verbrennungsbereiches erfaßt wird. Nur durch die Kombination mehrerer Kameras und mit erheblichem Rechenaufwand kann eine mehrdimensionale Verteilung der Verbrennungscharakteristik bestimmt werden. Demzufolge werden die Temperaturverteilung sowie die Konzentrationsverteilung, z. B. von CO und NO_x, nur global für den gesamten Verbrennungsraum erfaßt. Das Brenn verhalten eines einzelnen Brenners bleibt dabei unberücksich tigt. Bei der genannten Anmeldung steht dabei die Istwert- und die Sollwertbildung für die Feuerungsregelung im Vorder grund.In the older German application 1 95 09 412-3 "Method and device for controlling the firing of a steam generator system", a firing control based on knowledge of the temperature distribution and the concentration profile of reaction products arising in the combustion process was proposed. The temperature and the concentration of reaction products is detected by means of at least two optical sensors. However, it is disadvantageous that only one line of the combustion area is detected with these optical sensors or cameras. A multi-dimensional distribution of the combustion characteristics can only be determined by combining several cameras and with considerable computing effort. Accordingly, the temperature distribution as well as the concentration distribution, e.g. B. of CO and NO _x , only recorded globally for the entire combustion chamber. The burning behavior of a single burner is not taken into account. In the case of the aforementioned registration, the actual value and the setpoint formation for the firing control are in the foreground.

Um eine schnelle Regelung einzelner Brenner zu ermöglichen sowie eine homogene Verbrennung und infolgedessen eine Redu zierung der Schadstoffbildung zu erzielen, ist es notwendig, die Temperaturverteilung einzelner Flammen und die Konzentra tionsverteilung von im Verbrennungsprozeß entstehenden Reak tionsprodukten in einzelnen Flammen erfassen zu können. Da rüber hinaus ist es aus Sicherheitsanforderungen notwendig, einen Flammenabriß einzelner Brenner - die Flamme ist erlo schen - schnellstmöglich identifizieren und erfassen zu kön nen, so daß die Brennstoffzufuhr für den gestörten Brenner abgesperrt und demzufolge ein sicherer Zustand der Anlage ge währleistet werden kann.To enable fast control of individual burners as well as a homogeneous combustion and consequently a Redu to achieve the formation of pollutants, it is necessary the temperature distribution of individual flames and the concentration tion distribution of the reac tion products in individual flames. There In addition, it is necessary from security requirements a flame cut by individual burners - the flame is extinguished - identify and record as quickly as possible NEN, so that the fuel supply for the disturbed burner cordoned off and consequently a safe state of the system can be guaranteed.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbrennungsanalyse in einem Verbrennungsraum anzugeben, mit dem sowohl die Temperaturverteilung als auch die Konzen trationsverteilung von im Verbrennungsprozeß entstehenden Re aktionsprodukten sowie Parameter der Flamme besonders schnell erfaßt werden. Dies soll bei einer zur Durchführung des Ver fahrens geeigneten Vorrichtung mit einfachen Mitteln erreicht werden.The invention is therefore based on the object of a method to specify for combustion analysis in a combustion chamber, with which both the temperature distribution and the conc Distribution of Re arising in the combustion process Promotional products and flame parameters are particularly fast be recorded. This is said to be the case for the implementation of the Ver driving suitable device achieved with simple means will.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem ein Bild einer Flamme aufgenommen wird und aus orts aufgelösten Intensitäten des Bildes für mindestens einen vor gebbaren Spektralbereich eine räumliche Verteilung eines den Verbrennungsprozeß charakterisierenden Parameters ermittelt wird.According to the invention, the object is achieved by a method where a picture of a flame is taken and from place resolved intensities of the image for at least one before specifiable spectral range a spatial distribution of the Combustion process characterizing parameters determined becomes.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß im Emis sionsspektrum einer Flamme die die Verbrennung beschreibenden Parameter, z. B. Reaktionsprodukte der Verbrennung (Verbrennungsradikale) oder die Temperatur, nachgewiesen wer den können. Dabei weisen die Verbrennungsradikale, z. B. NO, CO, C₂, CN oder CH, jeweils in zugehörigen Strahlungsberei chen oder Spektralbereichen mit einer Bandbreite von ca. 5 bis 20 nm Intensitätsspitzen auf. Analog dazu wird zur Er mittlung der Temperaturverteilung die ebenfalls im Verbren nungsprozeß auftretende Planck-Strahlung, insbesondere die Partikelstrahlung, herangezogen.The invention is based on the consideration that in the emission spectrum of a flame, the parameters describing the combustion, for. B. reaction products of combustion (combustion radicals) or the temperature, who can be detected. The combustion radicals, e.g. B. NO, CO, C ₂ , CN or CH, each in associated radiation areas or spectral ranges with a bandwidth of about 5 to 20 nm intensity peaks. Similarly, to determine the temperature distribution, the Planck radiation also occurring in the combustion process, in particular the particle radiation, is used.

Durch ein Herausfiltern der entsprechenden Spektralbereiche der zu untersuchenden Verbrennungsradikale oder der Tempera tur aus dem Emissions- oder Strahlenspektrum können die ein zelnen Spektralbereiche der jeweiligen Verbrennungsradikale bzw. der Temperatur voneinander getrennt werden. Auf der Grundlage der voneinander getrennten Spektralbereiche können dann mittels eines optischen Systems einzelne Bilder der Flamme für die jeweiligen Spektralbereiche, d. h. für die zu untersuchenden Verbrennungsradikale oder für die Temperatur, aufgenommen werden. Somit ist eine schnelle und zuverlässige Erfassung des Konzentrationsprofils oder der Konzentrations verteilung einzelner oder mehrerer Verbrennungsradikale sowie der Temperaturverteilung einer oder mehrerer Flammen durch führbar.By filtering out the corresponding spectral ranges the combustion radicals to be examined or the tempera structure from the emission or radiation spectrum individual spectral ranges of the respective combustion radicals or the temperature are separated from each other. On the Basis of the separated spectral ranges can then individual images of the Flame for the respective spectral ranges, d. H. for the too investigating combustion radicals or for temperature, be included. Thus, it is quick and reliable Acquisition of the concentration profile or the concentration distribution of single or multiple combustion radicals as well the temperature distribution of one or more flames feasible.

Durch die Abtrennung von mindestens einem vorgebbaren Spek tralbereich aus dem Strahlenspektrum der Flamme wird insbe sondere eine räumliche Verteilung einzelner den Verbrennungs prozeß charakterisierender Parameter ermittelt. Beispiels weise können darüber hinaus durch Auskopplung mehrerer Spek tralbereiche jeweils mehrere räumliche Verteilungen, z. B. die Temperaturverteilung und die jeweilige Konzentrationsvertei lung mehrerer Verbrennungsradikaler, gleichzeitig erfaßt wer den.By separating at least one predefinable spec The central region from the radiation spectrum of the flame becomes in particular especially a spatial distribution of individual combustion process characterizing parameters determined. Example wise can also by coupling several spectra tral areas several spatial distributions, z. B. the Temperature distribution and the respective concentration distribution development of several combustion radicals, who is captured simultaneously the.

Um insbesondere die für den jeweiligen Parameter charakteri stische Bandenstrahlung, d. h. die Emissionslinie, erfassen zu können, wird der entsprechende Spektralbereich mit einer Bandbreite von ca. 5 bis 20 nm ausgekoppelt.In particular, the characteristics of the respective parameter static band radiation, d. H. the emission line, capture too can, the corresponding spectral range with a Bandwidth of approx. 5 to 20 nm is coupled out.

Zweckmäßigerweise wird für das oder jedes Verbrennungsradikal ein jeweiliger schmalbandiger Spektralbereich mit einem Fre quenzband von ca. 5 bis 20 nm aus dem Strahlenspektrum ausge koppelt. Dieses Frequenzband entspricht dabei genau dem spe zifischen Band, auf dem das zu untersuchende Verbrennungsra dikal oder das Gas strahlt und absorbiert. Beispielsweise liegen einige Emissionslinien der für die Verbrennungsanalyse zu untersuchenden Verbrennungsradikalen CO und CH in einem Band von 445 bis 455 nm bzw. von 430 bis 440 nm. Mittels die ser in dem schmalbandigen Spektralbereich liegenden Emissi onslinie und deren Intensität wird zweckmäßigerweise anhand des aufgenommenen Bildes der Flamme eine räumliche Konzentra tionsverteilung des zu untersuchenden Verbrennungsradikals computertomographisch rekonstruiert. Dabei wird die Intensi tätsverteilung der Strahlung mittels einer Kamera, insbeson dere einer CCD-Kamera, direkt aufgezeichnet.It is expedient for the or each combustion radical a respective narrow-band spectral range with a Fre quenz band from approx. 5 to 20 nm from the radiation spectrum couples. This frequency band corresponds exactly to the spe specific tape on which the combustion chamber to be examined dikal or the gas radiates and absorbs. For example there are some emission lines for the combustion analysis combustion radicals CO and CH to be investigated in one Band from 445 to 455 nm or from 430 to 440 nm emissi lying in the narrowband spectral range onslinie and their intensity is expediently based on of the captured image of the flame a spatial concentration tion distribution of the combustion radical to be examined reconstructed by tomography. The Intensi distribution of the radiation by means of a camera, in particular a CCD camera, recorded directly.

Durch Methoden der Bildverarbeitung, bei denen beispielsweise das Bildfeld zeilen- oder punktweise abgetastet, die Strah lungsintensität elektronisch verstärkt und intensitätsabhän gig in Kontraste umgesetzt wird, wird die Konzentrationsver teilung oder die Temperaturverteilung erkennbar gemacht. Da rüber hinaus können aus den erhaltenen Intensitäten geometri sche Größen der Flamme, z. B. die Länge der Flamme oder die Geschwindigkeit ihrer Veränderung, bestimmt werden.Through methods of image processing, for example the image field is scanned line by line or point by point, the beam intensity intensified electronically and intensity-dependent is converted into contrasts, the concentration ver division or the temperature distribution made recognizable. There Furthermore, geometri cal sizes of the flame, e.g. B. the length of the flame or the Speed of their change, can be determined.

Für die Temperatur werden vorzugsweise zwei schmalbandige Spektralbereiche mit jeweils einem Frequenzband von ca. 10 nm aus dem Strahlenspektrum ausgekoppelt. Diese Frequenzbänder liegen dabei insbesondere zwischen zwei Frequenzbändern der Verbrennungsradikalen, in den sogenannten bandenfreien Berei chen. Nach dem Planck'schen Strahlungsgesetz liegt in den bandenfreien Bereichen lediglich Planckstrahlung vor, wobei durch Verhältnisbildung der Intentitätswerte dieser Bereiche die Temperatur ermittelt wird. Mittels der im zweiten Spek tralbereich liegenden Planckstrahlung und deren Intensität wird vorteilhafterweise die räumliche Temperaturverteilung in der Flamme computertomographisch rekonstruiert.Two narrowband bands are preferred for the temperature Spectral ranges with a frequency band of approx. 10 nm each decoupled from the radiation spectrum. These frequency bands lie in particular between two frequency bands Radicals of combustion, in the so-called band-free area chen. According to Planck's law on radiation lies in the band-free areas just planck radiation, whereby by forming the ratio of the identity values of these areas the temperature is determined. By means of the in the second spec planck radiation and its intensity the spatial temperature distribution is advantageously in the flame reconstructed by computer tomography.

Um neben der Verbrennungs- und Flammenanalyse auch eine Flam menüberwachung gewährleisten zu können, wird mittels eines dritten Spektralbereichs ein pulsierender Parameter der Flamme überwacht und ein Pulsationsparameter ermittelt. Bei spielsweise wird als pulsierender Parameter die Intensität der Strahlung in diesem dritten Spektralbereich und als Pul sationsparameter die Pulsationsfrequenz mittels eines Meßmo duls erfaßt. In Abhängigkeit von der erfaßten und ermittelten Pulsationsfrequenz und deren Veränderung wird die Brennstoff zufuhr des entsprechenden Brenners gesteuert. Z.B. repräsen tiert eine niedrige Pulsationsfrequenz einen Flammenabriß, d. h. die Flamme des zu untersuchenden Brenners ist aus. Ein erfaßter Flammenabriß führt dann zu einem sicheren Schaltbe fehl für die nicht vorhandene Flamme des Brenners - zu einem Absperren der Brennstoffzufuhr des gestörten Brenners.In addition to the combustion and flame analysis, also a flame to be able to guarantee third spectral range a pulsating parameter of the Flame is monitored and a pulsation parameter is determined. At for example, intensity is the pulsating parameter of radiation in this third spectral range and as Pul sationsparameter the pulsation frequency by means of a measuring mo duls recorded. Depending on the detected and determined Pulsation frequency and its change becomes the fuel controlled supply of the corresponding burner. E.g. represent if a low pulsation frequency causes a flame, d. H. the flame of the burner to be examined is out. A Detected flame out then leads to a safe Schaltbe failed for the nonexistent flame of the burner - to one Shutting off the fuel supply to the disturbed burner.

Bezüglich der Vorrichtung zur Verbrennungsanalyse in einem Verbrennungsraum wird die genannte Aufgabe gelöst mit einem optischen System, das auf einer Aufnahmeplatte ein ortsaufge löstes Bild einer Flamme erzeugt, wobei mindestens ein Strahlteiler zur Auskopplung mindestens eines für einen zu untersuchenden Parameter spezifischen Spektralbereiches aus einem Strahlenspektrum der Flamme der Aufnahmeplatte vorge schaltet ist.Regarding the device for combustion analysis in one The combustion chamber is used to achieve the stated object optical system, a locally recorded on a mounting plate generated image of a flame, with at least one Beam splitter for coupling out at least one for one investigating parameters specific spectral range featured a radiation spectrum of the flame of the mounting plate is switched.

Bedingt durch den Einsatz der Vorrichtung unmittelbar an hei ßen Anlagenteilen, z. B. an einem Kessel, ist zweckmäßiger weise ein Kühlsystem vorgesehen. Dabei umfaßt das Kühlsystem für die oder jede Aufnahmeplatte ein Kühlelement, beispiels weise ein Peltierelement. Unter Ausnutzung des Peltiereffek tes kühlt sich das Peltierelement gegenüber der Umgebungstem peratur ab, ein mit dem Peltierelement verbundener Kühlkörper erwärmt sich dagegen. Darüber hinaus werden die übrigen zu der Vorrichtung gehörenden elektronischen Komponenten mit Kühl- oder Spülluft gekühlt.Due to the use of the device directly on hot ß plant parts, for. B. on a boiler is more appropriate as a cooling system provided. The cooling system includes for the or each mounting plate, a cooling element, for example wise a Peltier element. Taking advantage of the Peltier effect The Peltier element cools compared to the ambient temperature temperature, a heat sink connected to the Peltier element warms up against it. In addition, the rest are too electronic device belonging to the device Cooled cooling or purge air.

In Abhängigkeit von der Anzahl der zu untersuchenden Parame ter des Verbrennungsprozesses umfaßt die Vorrichtung vorzugs weise eine geeignete Anzahl von Strahlteilern zur Auskopplung der jeweiligen charakteristischen Spektralbereiche der Para meter. D.h., für die Teilung des Strahlenspektrums der Flamme in die zu untersuchenden Spektralbereiche sind entsprechende Strahlteiler, die für bestimmte Wellenlängen durchlässig sind, vorgesehen. Beispielsweise sind für die zu untersuchen den Parameter, insbesondere für die Verbrennungsradikale CO und CH, als Grobfilter Strahlteiler mit Filterwerten von 360 bis 370 nm bzw. 430 bis 440 nm eingesetzt.Depending on the number of parameters to be examined The device preferably comprises the combustion process have a suitable number of beam splitters for coupling of the respective characteristic spectral ranges of the para meter. That is, for the division of the radiation spectrum of the flame are in the spectral ranges to be examined Beam splitter that transmits for certain wavelengths are provided. For example, to be examined the parameter, especially for the combustion radicals CO and CH, as a coarse filter beam splitter with filter values of 360 up to 370 nm or 430 to 440 nm.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Strahlteiler dichroi tisch. Mit anderen Worten: Um entsprechende Spektralbereiche für zu untersuchende Parameter eindeutig auskoppeln zu kön nen, ist der Strahlteiler derart ausgelegt, daß der Strahl teiler für einen zu untersuchenden Spektralbereich dessen Strahlung reflektiert und/oder für einen weiteren zu untersu chenden Spektralbereich hingegen durchlässig ist. Dabei ist der jeweilige zu untersuchende Spektralbereich praktisch zu 100% aus dem Strahlenspektrum der Flamme auskoppelbar. Da rüber hinaus sind andere optische Einrichtungen, z. B. Filter, insbesondere sogenannte Feinfilter mit einer bestimmten Grenzwellenlänge, oder Prismen oder Gitter, einsetzbar.In an advantageous embodiment, the beam splitter is dichroic table. In other words: around corresponding spectral ranges to be able to clearly couple out for parameters to be examined NEN, the beam splitter is designed so that the beam divider for a spectral range to be examined Radiation reflected and / or to be examined for another However, the corresponding spectral range is permeable. It is the respective spectral range to be examined practically increases Can be coupled out 100% from the radiation spectrum of the flame. There In addition, other optical devices such. B. filter, in particular so-called fine filters with a certain Cut-off wavelength, or prisms or gratings can be used.

Um zeitgleich die räumliche Verteilung mehrerer den Verbren nungsprozeß charakterisierender Parameter ermitteln zu kön nen, ist eine der Anzahl der ausgekoppelten Spektralbereiche entsprechende Anzahl von räumlich getrennten Aufnahmeplatten vorgesehen. Mit anderen Worten: Jede Aufnahmeplatte ermög licht die Ermittlung der räumlichen Verteilung eines Parame ters, z. B. eines Verbrennungsradikals oder der Temperatur.At the same time, the spatial distribution of several of the burns parameters that characterize the process is one of the number of spectral ranges coupled out corresponding number of spatially separated mounting plates intended. In other words: Every mounting plate enables light the determination of the spatial distribution of a parameter ters, e.g. B. a combustion radical or temperature.

Darüber hinaus können mehrere Aufnahmeplatten die Verteilung eines Parameters ermitteln. Eine derartige Anordnung ent spricht dann einer mehrkanaligen Anordnung, wobei dies insbe sondere bei hohen Sicherheitsanforderungen verlangt wird.In addition, multiple mounting plates can be used for distribution of a parameter. Such an arrangement ent then speaks a multi-channel arrangement, this in particular is particularly required for high security requirements.

Zur Ortsauflösung der Intensitäten oder Konzentrationen des zu untersuchenden Parameters ist zweckmäßigerweise als Auf nahmeplatte eine "charge-coupled-device-Kamera" vorgesehen. Diese CCD-Kamera, auch optischer Bildsensor genannt, nimmt dabei das von der Flamme ausgestrahlte Licht oder das Strah lenspektrum der Flamme auf. Bedingt durch den der CCD-Kamera vorgeschalteten Strahlteiler gelangt letztendlich nur die Bandenstrahlung des zu untersuchende Parameters auf die CCD-Kamera. Aus den ortsaufgelösten Intensitäten des Bildes der CCD-Kamera ist dann die räumliche Verteilung des Parameters, z. B. Konzentrationsverteilung eines Verbrennungsradikals oder die räumliche Verteilung der Temperatur in der Flamme, ermit telbar. Vorteilhafterweise ist neben der Erfassung von Tempe ratur- und/oder Konzentrationsverteilung auch gleichzeitig die Geometrie der Flamme ermittelbar.For spatial resolution of the intensities or concentrations of the The parameter to be examined is expediently open a "charge-coupled device camera" is provided. This CCD camera, also called an optical image sensor, takes the light emitted by the flame or the beam lens spectrum of the flame. Due to that of the CCD camera upstream beam splitter ultimately only gets the Band radiation of the parameter to be examined onto the CCD camera. From the spatially resolved intensities of the image of the CCD camera is then the spatial distribution of the parameter, e.g. B. concentration distribution of a combustion radical or the spatial distribution of the temperature in the flame telbar. In addition to the detection of tempe is advantageous rature and / or concentration distribution also simultaneously the geometry of the flame can be determined.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung umfaßt die Vorrichtung eine Auswerteeinheit, die mit der oder jeder Aufnahmeplatte verbunden ist. Die Auswerteeinheit, z. B. ein Personalcompu ter, ermittelt dabei aus den ortsaufgelösten Intensitäten des Bildes der CCD-Kamera eine mindestens zweidimensionale Kon zentrationsverteilung eines zu untersuchenden Verbrennungsra dikals oder die Temperaturverteilung in der Flamme. Mit ande ren Worten: Unterschiedliche Bereiche der Aufnahmeplatte lie fern unabhängige Signale und charakterisieren somit unter schiedliche Bereiche der Flamme oder des Verbrennungsraumes.According to an expedient development, the device comprises an evaluation unit that with the or each mounting plate connected is. The evaluation unit, e.g. B. a personal computer ter, determined from the spatially resolved intensities of the Image of the CCD camera an at least two-dimensional Kon center distribution of a combustion chamber to be examined dikals or the temperature distribution in the flame. With others words: different areas of the mounting plate far independent signals and thus characterize under different areas of the flame or the combustion chamber.

Darüber hinaus wird anhand des Flammenbildes die momentane Strömungsverteilung innerhalb der Flamme erfaßt und in der Auswerteeinheit analysiert. Durch die Auswertung mehrerer Bildsequenzen wird beispielsweise der Grad der Verwirbelung und der Transport verschiedener chemischer Substanzen inner halb der Flamme analysiert.In addition, the instantaneous is based on the flame image Flow distribution detected within the flame and in the Analysis unit analyzed. By evaluating several Image sequences become, for example, the degree of turbulence and the transport of various chemical substances inside analyzed half of the flame.

Bezüglich der Vorrichtung zur Flammenanalyse und Flammenüber wachung wird die genannte Aufgabe gelöst mit einem optischen System, das auf einer Aufnahmeplatte ein ortsaufgelöstes Bild einer Flamme erzeugt, und mit einem Meßmodul zur Messung pul sierender Strahlungsparameter der Flamme, wobei mindestens ein Strahlteiler zur Auskopplung mindestens eines für einen zu untersuchenden Parameter spezifischen Spektralbereiches aus dem Strahlenspektrum der Flamme vorgesehen und der Strahlteiler der Aufnahmeplatte und dem Meßmodul vorgeschal tet ist.Regarding the device for flame analysis and flame detection wachung the stated task is solved with an optical System that displays a spatially resolved image on a recording plate generated a flame, and with a measuring module for measuring pul radiation parameters of the flame, at least a beam splitter for coupling out at least one for one parameters to be examined specific spectral range provided from the radiation spectrum of the flame and the Beam splitter of the mounting plate and the measuring module is.

Mit der Integration des Meßmoduls, insbesondere eines Flam menfühlers oder -wächters in dem optischen System, ist gleichzeitig neben der Verbrennungs- und Flammenanalyse eine Flammenüberwachung gewährleistet. Ein derartiger Aufbau des optischen Systems - optische Kamera und Flammenwächter - ist darüber hinaus besonders kosten- und platzsparend, da zum ei nen nur eine geeignete Öffnung in der Wandung des Verbren nungsraumes vorgesehen sein muß. Zum anderen ist es ausrei chend, nur ein Kühlsystem zur Kühlung der Kameras und ein Spülsystem zum Reinigen der Oberflächen der optischen Anord nung, insbesondere der Linse, pro optischem System einzuset zen.With the integration of the measuring module, especially a Flam sensor or monitor in the optical system at the same time in addition to the combustion and flame analysis Flame monitoring guaranteed. Such a structure of the optical system - optical camera and flame detector - is in addition, particularly cost and space saving, since the egg only a suitable opening in the wall of the cremation nungsraumes must be provided. On the other hand, it is enough accordingly, only one cooling system for cooling the cameras and one Flushing system for cleaning the surfaces of the optical arrangement tion, in particular the lens, per optical system Zen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson dere darin, daß durch eine Aufnahme des Emissionsspektrums aus einem Verbrennungsprozeß, insbesondere durch die Aufnahme von Emissionsspektren einzelner Flammen, eine räumliche Tempe raturverteilung und/oder räumliche Konzentrationsprofile von Reaktionsprodukten in einzelnen Flammen sowie im gesamten Verbrennungsraum computertomographisch rekonstruiert und in Form von Meßfeldern abgebildet werden. Diese Meß- oder Daten felder eignen sich besonders gut für eine schnelle und zuver lässige Verbrennungsanalyse. Insbesondere durch die den Meß feldern entnehmbaren oder ableitbaren speziellen Merkmale, wie z. B. die Lage von Maxima oder die Form der Verteilung so wie deren räumliche Veränderung, sind Sollwerte für die Brennstoff- oder Luftzufuhr einzelner Brenner ermittelbar. Durch einen derartigen regelungstechnischen Eingriff direkt am Ort der Entstehung von Schadstoffen wird eine besonders geringe Schadstoffemission erzielt. The advantages achieved with the invention are in particular the other is that by recording the emission spectrum from a combustion process, especially through the intake of emission spectra of individual flames, a spatial tempe ratur distribution and / or spatial concentration profiles of Reaction products in individual flames as well as in the whole Combustion chamber reconstructed by computer tomography and in Form of measuring fields are mapped. This measurement or data fields are particularly suitable for quick and reliable casual combustion analysis. In particular through the measurement fields removable or derivable special features, such as B. the location of maxima or the shape of the distribution so like their spatial change, are setpoints for the Fuel or air supply to individual burners can be determined. With such a control intervention directly one becomes special at the place where pollutants are generated low pollutant emissions achieved.

Darüber hinaus wird durch die hohe örtliche Auflösung sowie die simultane Erfassung des gesamten Flammenbildes der Ver brennungsverlauf innerhalb von wenigen Millisekunden quanti tativ erfaßt. Eine derartige besonders schnelle quantitative Erfassung des Verbrennungsverlauf ermöglicht somit auch eine besonders genaue Feuerungsregelung von schnellen Prozessen.Furthermore, due to the high local resolution as well the simultaneous recording of the entire flame image of the ver burn progress within a few milliseconds quanti tativ captured. Such a particularly quick quantitative Recording the course of the combustion thus also enables particularly precise firing control of fast processes.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich nung näher erläutert.Embodiments of the invention are based on a drawing tion explained in more detail.

Darin zeigen:In it show:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Verbrennungsanalyse in einem Verbrennungsraum, Fig. 1 is a schematic representation of an apparatus for combustion analysis in a combustion chamber,

Fig. 2 einen Ausschnitt II aus Fig. 1 in größerem Maßstab mit einem optischen System der Vorrichtung, Fig. 2 shows a detail II from Fig. 1 in a larger scale with an optical system of the apparatus,

Fig. 3 ein Bildschirmsteuerfeld, wobei das Bildschirmsteu erfeld eine beispielhafte Zusammenstellung von Flam menbildern einer aus vier Parametern bestehenden Flammenbild-Parameter-Zuordnung umfaßt, Fig. 3 is a screen control panel, the Bildschirmsteu Erfeld an exemplary compilation of Flam menbildern one of four parameters existing flame pattern parameter assignment comprises

Fig. 4 ein weiteres Bildschirmsteuerfeld, wobei beispielhaft die Auswertung einzelner Flammenbilder zu einem Ge samtflammenbild für den Verbrennungsraum dargestellt wird, und Fig. 4 shows a further screen panel, wherein an example of the evaluation of individual flame images is displayed at a Ge samtflammenbild for the combustion chamber, and

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Flammenanalyse und Flammenüberwachung in einem Ver brennungsraum. Fig. 5 is a schematic representation of a device for flame analysis and flame monitoring in a combustion chamber Ver.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den selben Bezugszeichen versehen. Corresponding parts are in all figures with the provided with the same reference numerals.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 2 der Verbren nungsanalyse in einem Verbrennungsraum 1. Fig. 1 shows schematically a device 2 of the combustion analysis in a combustion chamber 1st

In dem Feuer- oder Verbrennungsraum 1 einer nicht dargestell ten Dampferzeugeranlage, z. B. einem fossilgefeuerten Dampfer zeuger einer Kraftwerksanlage oder einer Müllverbrennungsan lage, findet der Verbrennungsprozeß statt. Die Vorrichtung 2 umfaßt ein optisches System 10 und ein mit dem optischen Sy stem 10 verbundenes Datenverarbeitungssystem 12. Das optische System 10 erfaßt über eine Öffnung 11 in der Wandung 13 des Verbrennungsraumes 1 für die Verbrennung signifikante Strah lungsdaten D in Form von Bildern und leitet diese dem Daten verarbeitungssystem 12 zu.In the fire or combustion chamber 1 of a steam generator system, not shown, z. B. a fossil-fired steamer generator of a power plant or a waste incineration location, the combustion process takes place. The apparatus 2 comprises an optical system 10 and a stem 10 connected to the optical Sy data processing system 12th The optical system 10 detects through an opening 11 in the wall 13 of the combustion chamber 1 for the radiation radiation data D significant in the form of images and passes this to the data processing system 12 .

Dabei ist das optische System 10 derart an der Wandung 13 mittels nicht näher dargestellter Befestigungsmittel positio niert, so daß sich ein möglichst großes Sichtfeld, d. h. ein großer Sichtwinkel α, auf mindestens eine im Verbrennungsraum 1 entstehende Flamme F ergibt.The optical system 10 is positio ned on the wall 13 by means of fasteners, not shown, so that there is as large a field of view, ie a large viewing angle α, on at least one flame F arising in the combustion chamber 1 .

Das optische System 10 umfaßt als Objektiv eine Linse 14, wo bei der Linse 14 eine Anzahl von Strahlteilern T1 bis T3 nachgeschaltet ist. Dabei kann das optische System 10 auch mehrere Linsen 14 als Objektiv umfassen. Die von der Flamme F eines Brenners 16 ausgehende Strahlung geht in einem Abbil dungsstrahlengang durch die Linse 14, so daß Bündelstrahlen 18 auf den Strahlteiler T1 fallen. Dabei weisen die Bündel strahlen 18 die bei der Verbrennung entstehenden Emissionsli nien oder Bandenstrahlung der Reaktionsprodukte auf.The optical system 10 comprises a lens 14 as a lens, where a number of beam splitters T1 to T3 are connected downstream of the lens 14 . The optical system 10 can also include a plurality of lenses 14 as an objective. The radiation emanating from the flame F of a burner 16 passes in an imaging beam path through the lens 14 , so that bundle beams 18 fall onto the beam splitter T1. The bundles emit 18 the emission lines or band radiation of the reaction products formed during the combustion.

Der Strahlteiler T1 sowie die diesem nachgeschalteten Strahl teiler T2 und T3 teilen die Bündelstrahlen 18 oder das Strah lenspektrum der Flamme F durch physikalische Strahlteilung in eine Anzahl von Spektralbereichen 20. Dabei bleibt der Bün delquerschnitt ungeändert, d. h., die Aufteilung der Bündel strahlen 18 erfolgt gleichmäßig über den gesamten Querschnitt der Strahlteiler T1, T2, T3 entsprechend deren gewählten Re flexions- und Transmissionsgrades. Die Strahlteiler T1, T2, T3, auch Linien- oder Schmalbandfilter genannt, ermöglichen somit eine wellenlängenabhängige physikalische Teilung der Bündelstrahlen 18 in eine Anzahl von Spektralbereichen 20. Einen weiteren Abgleich erreicht man durch eine Anzahl von Korrekturfiltern 22, die unmittelbar vor Aufnahmeplatten 24 angeordnet sind.The beam splitter T1 and the beam splitters T2 and T3 connected downstream split the beam 18 or the beam spectrum of the flame F into a number of spectral ranges 20 by physical beam splitting. The bundle delquerschnitt remains unchanged, that is, the distribution of the beams 18 takes place evenly over the entire cross-section of the beam splitters T1, T2, T3 in accordance with their chosen reflection and transmittance. The beam splitters T1, T2, T3, also called line or narrow-band filters, thus enable a wavelength-dependent physical division of the bundle beams 18 into a number of spectral ranges 20 . A further adjustment is achieved by a number of correction filters 22 which are arranged directly in front of mounting plates 24 .

Jeder aus dem Strahlenspektrum der Flamme F herausgefilterte Spektralbereich 20 wird jeweils auf eine zugehörige Aufnahme platte 24 abgebildet. Als Aufnahmeplatten 24 werden insbeson dere CCD-Bildsensoren mit einer spektralen Empfindlichkeit von ca. 300 nm bis ca. 1.000 nm verwendet, so daß das gesamte sichtbare Strahlenspektrum der Flamme F problemlos erfaßt werden kann. Bauweise und Arbeitsprinzip eines solchen CCD-Bildsensors sind aus der Druckschrift "Halbleiter-Optoelek tronik" von Maximilian Bleicher, 1986, Dr. A. Hüthig Verlag, Heidelberg, bekannt. Im Ausführungsbeispiel sollen drei Para meter (die Konzentrationen von NO_x, CO sowie die Temperatur) analysiert werden. Entsprechend sind vier Aufnahmeplatten 24 vorgesehen, auf die jeweils ein zweidimensionales Bild des Verbrennungsraums 1 mit der Flamme F fällt. Entsprechend wer den von dem Datenverarbeitungssystem 12 vier Sätze von Strah lungsdaten D aus den Sensoren ausgelesen und jeweils zu einer computertomographischen Rekonstruktion der Verteilung der Temperatur und der bei der Verbrennung entstehenden Reakti onsprodukte verarbeitet, die für eine Bildschirmdarstellung und/oder einer Weiterverarbeitung zu Istwerten für die Steue rung der Anlage geeignet ist.Each spectral range 20 filtered out of the radiation spectrum of the flame F is in each case mapped onto an associated recording plate 24 . CCD image sensors with a spectral sensitivity of approx. 300 nm to approx. 1,000 nm are used as mounting plates 24 , so that the entire visible radiation spectrum of the flame F can be detected without problems. The construction and working principle of such a CCD image sensor are from the publication "Semiconductor Optoelectronics" by Maximilian Bleicher, 1986, Dr. A. Hüthig Verlag, Heidelberg, known. In the exemplary embodiment, three parameters (the concentrations of NO _x , CO and the temperature) are to be analyzed. Correspondingly, four mounting plates 24 are provided, each of which has a two-dimensional image of the combustion chamber 1 with the flame F. Correspondingly, who reads four sets of radiation data D from the data processing system 12 from the sensors and processes them in each case to produce a computed tomographic reconstruction of the distribution of the temperature and the reaction products resulting from the combustion, which are used for a screen display and / or further processing into actual values for the Control of the system is suitable.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des optischen Systems 10. Das optische System 10 umfaßt ein Gehäuse 26 mit einem zylinderförmigen Aufsatz 27 sowie mit darin vier räumlich ge trennt voneinander angeordneten Aufnahmeplatten 24 ₃, 24 ₄, 24 ₅, 24 ₆. Zur Stromversorgung der Aufnahmeplatten 24 ₃ bis 24 ₆ um faßt das optische System 10 ein Netzteil 29. Fig. 2 shows the basic structure of the optical system 10. The optical system 10 comprises a housing 26 with a cylindrical attachment 27 and with four spatially separated receiving plates 24 ₃ , 24 ₄ , 24 ₅ , 24 ₆ arranged therein. To supply power to the mounting plates 24 ₃ to 24 _6, the optical system 10 comprises a power supply 29 .

Unmittelbar vor jeder Aufnahmeplatte 24 ₃ bis 24 ₆ ist jeweils ein Korrekturfilter 22 ₃ bis 22 ₆ angeordnet. In Abhängigkeit von den auszukoppelnden Spektralbereichen 20 ₃ bis 20 ₆ aus dem Strahlenspektrum der Flamme F können weitere Korrekturfil ter 22 vorgesehen sein. Den Korrekturfiltern 22 ₃ bis 22 ₆ sind die Strahlteiler T₁ bis T₃ vorgeschaltet, wobei die Strahl teiler T1 bis T3 derart schräggestellt sind, daß die Aufnah meplatten 24 ₃ bis 24 ₆ in einem Winkel von 90° zueinander an geordnet sind.A correction filter 22 ₃ to 22 _{6 is} arranged in front of each mounting plate 24 ₃ to 24 ₆ . Depending on the spectral ranges 20 ₃ to 20 _{6 to be} coupled out from the radiation spectrum of the flame F, further correction filters 22 can be provided. The correction filters 22 ₃ to 22 ₆ , the beam splitters T ₁ to T _{3 are connected} upstream, the beam splitters T1 to T3 being inclined such that the recording plates 24 ₃ to 24 _{6 are arranged} at an angle of 90 ° to one another.

Bedingt durch den Einsatz des optischen Systems 10 unmittel bar an dem Verbrennungsraum 1 umfaßt das optische System 10 ein Kühlsystem 28. Für jede Aufnahmeplatte 24 ₃ bis 24 ₆ umfaßt das Kühlsystem 28 dabei ein Kühlelement 30, z. B. ein Peltier element mit Kühlkörper. Darüber hinaus umfaßt das Kühlsystem 28 eine an der Innenwand des Gehäuses 26 angeordnete Isola tion 32, insbesondere Isolationswolle.Due to the use of the optical system 10 direct bar on the combustion chamber 1, the optical system 10 comprises a cooling system 28th For each mounting plate 24 ₃ to 24 _6, the cooling system 28 comprises a cooling element 30 , for. B. a Peltier element with heat sink. In addition, the cooling system 28 comprises an insulation 32 arranged on the inner wall of the housing 26 , in particular insulation wool.

Zum Schutz vor Verunreinigungen sind die Aufnahmeplatten 24 ₃ bis 24 ₆ und die optischen Komponenten, insbesondere die Strahlteiler T1 bis T3, die Korrekturfilter 22 ₃ bis 22 ₆ und die Linse 14, sowie die Kühlelemente 30 von einer Kammer 34 oder Kapsel umgeben. Beispielsweise ist die Kammer 34 in Form eines Blechkastens mit einem auf einer Seitenfläche angeord neten zylinderförmigen Stutzen 35 ausgeführt. Das Gehäuse 26 ist im wesentlichen an die Form der Kammer 34 angepaßt, wobei der Aufsatz 27 des Gehäuses 26 in die Öffnung 11 der Wandung 13 des Verbrennungsraumes 1 eingesetzt ist.To protect against contamination, the mounting plates 24 ₃ to 24 ₆ and the optical components, in particular the beam splitters T1 to T3, the correction filters 22 ₃ to 22 ₆ and the lens 14 , and the cooling elements 30 are surrounded by a chamber 34 or capsule. For example, the chamber 34 is in the form of a sheet metal box with a cylindrical neck 35 arranged on a side face. The housing 26 is essentially adapted to the shape of the chamber 34 , the cap 27 of the housing 26 being inserted into the opening 11 of the wall 13 of the combustion chamber 1 .

Beim Betrieb des optischen Systems 10 werden die für die Ver brennung charakteristischen Parameter, wie z. B. die Reakti onsprodukte der Verbrennung CO, CN und NO_x sowie die Tempera tur, vorverarbeitet. Dabei wird mittels des optischen Systems 10 die Flamme F des Brenners 16 erfaßt. Je nach Positionie rung und Sichtwinkel α des optischen Systems 10 kann dieses auch mehrere Flammen F mehrerer Brenner 16 gleichzeitig er fassen. Mit anderen Worten: Bei einer Positionierung des op tischen Systems 10 in einem Winkel von 90° zu in einer Linie übereinander angeordneten Brennern 16 kann das optische Sy stem 10 bei einem sehr großen Sichtfenster α ein oder mehrere Flammen F ortsaufgelöst in einem Bild darstellen.When operating the optical system 10 , the parameters characteristic of the combustion, such as, for. B. the reaction products of combustion CO, CN and NO _x as well as the temperature, preprocessed. The flame F of the burner 16 is detected by means of the optical system 10 . Depending on the positioning and viewing angle α of the optical system 10 , this can also capture several flames F of several burners 16 at the same time. In other words, for a positioning of the op tables system 10 at an angle of 90 ° to each other in a line arranged burners 16, the optical Sy stem 10, in a very large viewing window α one or more flames F in a spatially resolved in an image represent.

Die Bündelstrahlen 18 der Flamme F werden über die Linse 14 auf den Strahlenteiler T1 gestrahlt. Der Strahlteiler T1, insbesondere ein Gelbfilter, transmittiert einen ersten Spek tralbereich 20 ₁ von größer 545 nm (gelbes Licht) und reflek tiert einen zweiten Spektralbereich 20 ₂ von kleiner 500 nm (blaues Licht). Anschließend wird mittels des Strahlteilers T2, insbesondere ein Rotfilter, der auf diesen auftreffende Spektralbereich 20 ₁ in zwei weitere Spektralbereiche 20 ₃ und 20 ₄ geteilt, wobei der Spektralbereich 20 ₃ von kleiner 630 nm (oranges Licht) reflektiert und der Spektralbereich 20 ₄ von größer 630 nm (rotes Licht) transmittiert wird. In den beiden Spektralbereichen 20 ₃ und 20 ₄ liegt die sogenannten Schwarz- bzw. Graukörperstrahlung nach dem Planck'schen Gesetz vor, die zur Ermittlung der Temperaturverteilung der Flamme F dient.The bundle beams 18 of the flame F are radiated onto the beam splitter T1 via the lens 14 . The beam splitter T1, in particular a yellow filter, transmits a first spectral range 20 ₁ of greater than 545 nm (yellow light) and reflects a second spectral range 20 ₂ of less than 500 nm (blue light). Subsequently, the beam splitter T2, in particular a red filter, divides the spectral range 20 ₁ that strikes it into two further spectral ranges 20 ₃ and 20 ₄ , the spectral range 20 ₃ reflecting less than 630 nm (orange light) and the spectral range 20 ₄ increasing 630 nm (red light) is transmitted. In the two spectral ranges 20 ₃ and 20 _{4 there} is the so-called black or gray body radiation according to Planck's law, which is used to determine the temperature distribution of the flame F.

Durch den Strahlteiler T3 wird der durch den Strahlteiler T1 ausgekoppelte Spektralbereich 20 ₂ mit einer Bandbreite von kleiner 500 nm nochmals unterteilt in einen weiteren Spek tralbereich 20 ₅ mit einer Bandbreite von kleiner 400 nm (violettes Licht) sowie einem Spektralbereich 20 ₆ mit einer Bandbreite von 400 nm bis 500 nm (grünes Licht). In dem Spek tralbereich 20 ₅ liegt dabei die Emissionslinie des Reaktions produktes der Verbrennung CN und in dem Spektralbereich 20 ₆ liegt die Emissionslinie des Reaktionsproduktes CO.Through the beam splitter T3, the spectral range 20 ₂ coupled out by the beam splitter T1 with a bandwidth of less than 500 nm is subdivided into a further spectral range 20 ₅ with a bandwidth of less than 400 nm (violet light) and a spectral range 20 ₆ with a bandwidth of 400 nm to 500 nm (green light). In the spectral range 20 ₅ is the emission line of the reaction product of the combustion CN and in the spectral range 20 ₆ is the emission line of the reaction product CO.

Als Strahlteiler T1 bis T3 können alle lichtablenkenden oder -teilenden optischen Komponenten eingesetzt werden, z. B. Farbfilter, Prismen oder Spiegel. Die in dem optischen System 10 eingesetzten Strahlteiler T1 bis T3 sind sogenannte dich roitische additive und subtraktive Farbfilter, die sowohl für eine vorgebbare Bandbreite den Spektralbereich reflektieren, als auch für eine zweite Bandbreite dessen Spektralbereich transmittieren. Auch kann die Teilung und Filterung der Spek tralbereiche durch Aperturteilung und entsprechende Filterung erfolgen.All light-deflecting or dividing optical components can be used as beam splitters T1 to T3, e.g. B. color filters, prisms or mirrors. The beam splitters T1 to T3 used in the optical system 10 are so-called dichroic additive and subtractive color filters which reflect the spectral range for a predefinable bandwidth as well as transmit the spectral range for a second bandwidth. The division and filtering of the spectral areas can also be carried out by aperture division and appropriate filtering.

Die durch die Strahlteiler T2 und T3 herausgefilterten Spek tralbereiche 20 ₃ und 20 ₄ bzw. 20 ₅ und 20 ₆ werden mittels der Korrekturfilter 22 ₃ und 22 ₄ bzw. 22 ₅ und 22 ₆ auf eine Band breite von ca. 10 nm begrenzt. D. h. die Korrekturfilter 22 ₃ sowie 22 ₄ transmittieren aus den Spektralbereichen 20 ₃ sowie 20 ₄ eine Bandbreite von 545 bis 555 nm bzw. von 645 nm bis 655 nm. Analog dazu transmittieren die Korrekturfilter 22 ₅ und 22 ₆ aus den Spektralbereichen 20 ₅ bzw. 20 ₆ eine Bandbreite von 375 bis 385 nm bzw. von 445 bis 455 nm. Als Korrekturfil ter 22 ₃ bis 22 ₆ sind insbesondere Interferenzfilter mit einer Bandbreite von 10 nm +/- 2 nm eingesetzt.The spectral regions 20 ₃ and 20 ₄ or 20 ₅ and 20 ₆ filtered out by the beam splitters T2 and T3 are limited to a bandwidth of approximately 10 nm by means of the correction filters 22 ₃ and 22 ₄ or 22 ₅ and 22 ₆ . That is, the correction filters 22 ₃ and 22 ₄ transmit a bandwidth from 545 to 555 nm or from 645 nm to 655 nm from the spectral ranges 20 ₃ and 20 _4. Analogously, the correction filters 22 ₅ and 22 ₆ transmit from the spectral ranges 20 ₅ and 20 ₆ a bandwidth from 375 to 385 nm or from 445 to 455 nm. In particular, interference filters with a bandwidth of 10 nm +/- 2 nm are used as correction filters 22 ₃ to 22 ₆ .

Die Intensitäten oder das Licht der jeweils herausgefilterten Spektralbereiche 20 ₃ bis 20 ₆ werden von den entsprechenden Aufnahmeplatten 24 ₃ bis 24 ₆ aufgenommen. Mittels der aus den ortsaufgelösten Intensitäten der Bilder resultierenden Span nungswerten oder Strahlungsdaten D der Aufnahmeplatten 24 ₃ bis 24 ₆ wird dann in dem Datenverarbeitungssystem 12 die räumliche Verteilung des jeweiligen Parameters, z. B. die Tem peratur, die Konzentration von CO und CN, ermittelt. The intensities or the light of the spectral ranges 20 ₃ to 20 ₆ filtered out in each case are recorded by the corresponding receiving plates 24 ₃ to 24 ₆ . By means of the results from the spatially resolved intensities of the images clamping or radiation data D voltage values of the receiving plates 24 ₃ to 24 ₆ is then in the data processing system 12, the spatial distribution of the respective parameter z. B. the tem perature, the concentration of CO and CN, determined.

Um ein Rauschen des durch die Aufnahmeplatte 24 ₃ bis 24 ₆ auf genommenen Bildes zu verhindern, muß die Betriebstemperatur der Aufnahmeplatte 24 ₃ bis 24 ₆ unterhalb einer Betriebstempe ratur von ca. 40°C gehalten werden. Dazu umfaßt das optische System 10 einen Temperatursensor 36, z. B. einen Thermistor oder einen Thermoschalter, dessen Meßwert einem Ventilator 38 zugeführt wird. Über den Ventilator 38 wird die Zufuhr von Kühlluft KL gesteuert. Dem Ventilator 38 ist ein Filter 39 zur Reinigung der Kühlluft KL vorgeschaltet.In order to prevent a noise of the receiving plate by the 24 ₃ to 24 ₆ taken image, the operating temperature of the receiving plate 24 ₃ to 24 ₆ must be kept below an operating Tempera ture of about 40 ° C. For this purpose, the optical system 10 comprises a temperature sensor 36 , e.g. B. a thermistor or a thermal switch, the measured value is supplied to a fan 38 . The supply of cooling air KL is controlled via the fan 38 . A filter 39 for cleaning the cooling air KL is connected upstream of the fan 38 .

Die Anzahl der in dem optischen System 10 angeordneten Auf nahmeplatten 24 ist an die Anzahl der für den Verbrennungs prozeß zu untersuchenden Parameter angepaßt. Üblicherweise ist es ausreichend, die Konzentrationsverteilung von den Re aktionsprodukten CO, NO sowie die Temperaturverteilung und die Geometrie der Flamme aufzunehmen. (Z. B. kann auch eine Analyse der Sauerstoffkonzentration noch aufschlußreich sein). Nur in speziellen Fällen werden mehr als vier Aufnah meplatten 24 benötigt.The number of arranged in the optical system 10 on receiving plates 24 is adapted to the number of parameters to be examined for the combustion process. It is usually sufficient to record the concentration distribution of the reaction products CO, NO as well as the temperature distribution and the geometry of the flame. (For example, an analysis of the oxygen concentration can also be revealing). Only in special cases are more than four recording plates 24 required.

In Fig. 3 ist beispielhaft ein Bildschirmsteuerfeld 40 dar gestellt. Dieses Bildschirmsteuerfeld 40 umfaßt sechs Ausga befelder F1 bis F6, ein Meldefenster M1 sowie eine Anzahl von Eingabeelementen E1 bis En. In dem Meldefenster M1 sind bei spielsweise Zustandsmeldungen anhand von Farbkennungen über jeden Brenner 16 ablesbar. Durch Anklicken des Buchstabens "U" erhält das Bedienpersonal weitere Informationen über ei nen unteren (entspricht "U") Brenner 16, wobei dieser Brenner 16 im unteren Bereich des Verbrennungsraumes 1 angeordnet ist.In Fig. 3, a screen control panel 40 is provided as an example. This screen control panel 40 comprises six output fields F1 to F6, a message window M1 and a number of input elements E1 to En. In the message window M1, for example, status messages can be read from each burner 16 using color codes. By clicking on the letter "U", the operating personnel receive further information about a lower (corresponds to "U") burner 16 , this burner 16 being arranged in the lower region of the combustion chamber 1 .

In dem Ausgabefeld F1 ist die Geometrie der Flamme, insbeson dere deren Helligkeit, eines Brenners 16 in Form eines Bildes B1 dargestellt. Analog zu dem Ausgabefeld F1 sind in den Aus gabefeldern F3, F4, F5 und F6 in den zugehörigen Bildern B3, B4, B5 bzw. B6 die Verteilung der Temperatur, die Verteilung der Konzentration von CO, die Verteilung der Konzentration von NO_x bzw. die Verteilung der Konzentration von CN in der Flamme dargestellt. Dabei werden die normierten und numeri schen Werte der Helligkeit, der Temperatur und der jeweiligen Konzentration durch geeignete Farbsignalisierungen in den Bildern B1, B3, B4, B5, B6 realisiert.In the output field F1, the geometry of the flame, in particular the brightness thereof, of a burner 16 is shown in the form of an image B1. Analogous to the output field F1, the output fields F3, F4, F5 and F6 in the associated pictures B3, B4, B5 and B6 show the distribution of the temperature, the distribution of the concentration of CO and the distribution of the concentration of NO _x and the distribution of the concentration of CN in the flame is shown. The normalized and numerical values of brightness, temperature and the respective concentration are realized by suitable color signaling in Figures B1, B3, B4, B5, B6.

In Abhängigkeit von den durch die Aufnahmeplatten 24 aufge nommen Intensitäten der jeweiligen Parameter ändert das ent sprechende Flammenbild B1, B3, B4, B5 und B6 in der Darstel lung die Farbe. Jedem Bild B1, B3, B4, B5, B6 wird eine Skala S1, S3, S4, S5, S6 zugeordnet. In der Skala S1, S3, S4, S5 oder S6 kann anhand der Farbsignalisierung der jeweilige nu merische Wert der Helligkeit, der Konzentration oder der Tem peratur des zu untersuchenden Parameters ermittelt werden.Depending on the intensities of the respective parameters recorded by the receiving plates 24, the corresponding flame image B1, B3, B4, B5 and B6 changes the color in the representation. A scale S1, S3, S4, S5, S6 is assigned to each image B1, B3, B4, B5, B6. On the scale S1, S3, S4, S5 or S6, the respective nu meric value of the brightness, the concentration or the temperature of the parameter to be examined can be determined on the basis of the color signaling.

In dem Ausgabefeld F2 sind numerische Werte von weiteren Pro zeßparametern, die für den Verbrennungsprozeß von Bedeutung sind, dargestellt, z. B. der Prozeßparameter Leistung. Selbst verständlich sind auch weitere beispielhafte Ausführungsarten des Bildschirmsteuerfeldes 40 nach dem Stand der Technik mög lich. So sind je nach Anzahl der zu untersuchenden Parameter des Verbrennungsprozesses weniger oder mehr Ausgabefelder F1 bis F6 möglich.In the output field F2, numerical values of further process parameters that are important for the combustion process are shown, e.g. B. the process parameter performance. Of course, other exemplary embodiments of the screen control panel 40 according to the prior art are possible. Depending on the number of parameters of the combustion process to be examined, fewer or more output fields F1 to F6 are possible.

Anhand der Flammenbilder F1 bis F6 ist es dem Bedienpersonal möglich, neben der Geometrie der Flamme auch quantitative Aussagen über Schadstoffbildungen in der Flamme zu erkennen und zu identifizieren. Darüber hinaus erlaubt es das optische System 10 aufgrund der geringen Meßzeiten der Aufnahmeplatten 24 von ca. 5 s, räumlich differenzierte, mehrdimensionale Flammenbilder F1, F3, F4, F5, F6 sehr schnell zur Verfügung zu stellen, wobei die diesen Flammenbildern F1, F3, F4, F5, F6 zugrundeliegenden Meßsignale auch einer Fuzzy- oder Neuro- Fuzzy-Logik zur Ermittlung von Sollwerten für eine Feuerungs regelung zugeführt werden können. Insbesondere durch die quantitative Ermittlung der Konzentrationsverteilung von Re aktionsprodukten der Verbrennung sowie der Temperaturvertei lung und deren Verwendung in einer Feuerungsregelung ist eine besonders geringe Schadstoffemission des Verbrennungsprozes ses gewährleistet.On the basis of the flame images F1 to F6, it is possible for the operating personnel to recognize and identify, in addition to the geometry of the flame, quantitative statements about pollutant formation in the flame. In addition, owing to the short measuring times of the recording plates 24 of approximately 5 s, the optical system 10 allows spatially differentiated, multidimensional flame images F1, F3, F4, F5, F6 to be made available very quickly, the flame images F1, F3, F4, F5, F6 underlying measurement signals can also be fed to a fuzzy or neuro-fuzzy logic for determining setpoints for a firing control. Particularly through the quantitative determination of the concentration distribution of reaction products of the combustion as well as the temperature distribution and their use in a combustion control system, a particularly low pollutant emission of the combustion process is guaranteed.

In Fig. 4 ist ein weiteres Bildschirmsteuerfeld 42 abgebil det. In dem Bildschirmsteuerfeld 42 ist beispielhaft in dem Ausgabefeld F8 das Abbild einer Gesamtflamme in einem Ver brennungsraum 1 dargestellt. Anhand der Farbsignalisierung der Skala S7 ist die Temperaturverteilung in dem Verbren nungsraum 1 ermittelbar. In den neben dem Flammenbild F8 an geordneten Meldefenstern M2 bis M6 sind numerischen Werte für die bei der Verbrennung entstehenden Parameter, wie z. B. die maximale Temperatur oder die mittlere Emission von CO und NO_x, ablesbar.In FIG. 4 is a further screen panel 42 is det abgebil. In the screen control field 42 , the image of an entire flame in a combustion chamber 1 is shown as an example in the output field F8. The temperature distribution in the combustion chamber 1 can be determined on the basis of the color signaling of the scale S7. In addition to the flame image F8 on ordered message windows M2 to M6, numerical values for the parameters arising during combustion, such as. B. the maximum temperature or the average emission of CO and NO _x , readable.

Um das Ausgabefeld F8 sind darüber hinaus vier Bedienfelder K1 bis K4 angeordnet. Dabei charakterisiert jedes Bedienfeld K1 bis K4 jeweils Bedienelemente zum Steuern von sechs Bren nern 16. D.h., über diese Bedienfelder K1 bis K4 ist es dem Bedienpersonal möglich, jeden einzelnen Brenner 16 des Ver brennungsraums 1 ein- bzw. auszuschalten sowie die Brenn stoffzufuhr jedes einzelnen Brenners 16 zu steuern. Jeweils drei Brenner 16 werden von einer nicht dargestellten Kohle mühle mit Brennstoff versorgt.Four control panels K1 to K4 are also arranged around the output field F8. Each control panel K1 to K4 characterizes controls for controlling six burners 16 . Ie, via these control panels K1 to K4 it is possible for the operating personnel to switch each individual burner 16 of the combustion chamber 1 on or off and to control the fuel supply of each individual burner 16 . Each three burners 16 are supplied with fuel from a coal mill, not shown.

Darüber hinaus umfaßt das Bildschirmsteuerfeld 42, wie schon das Bildschirmsteuerfeld 40 weitere Eingabefelder E1 bis En. Mit den Eingabefeldern E1 bis En ist es dem Bedienpersonal möglich, weitere Prozeßinformationen sowie Prozeßsteuerungen aufzurufen bzw. durchzuführen. In addition, the screen control field 42 , like the screen control field 40 , comprises further input fields E1 to En. With the input fields E1 to En it is possible for the operating personnel to call up or carry out further process information and process controls.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Vorrichtung 2' zur Flammenana lyse und Flammenüberwachung umfassend ein optisches System 10' und ein Datenverarbeitungssystem 12'. Dabei ist anstelle einer in dem optischen System 10 eingesetzten Aufnahmeplatte 242 der Fig. 1 ein Meßmodul 44, insbesondere ein Flammenfüh ler oder -wächter, angeordnet. Analog zu dem optischen System 10 der Fig. 1 umfaßt das optische System 10' als Objektiv eine Linse 14' und eine Anzahl von Strahlteilern T1' bis T3', die der Linse 14' nachgeschaltet sind. Die aus dem Strahlen spektrum der Flamme F herausgefilterten Spektralbereiche 20 ₃', 20 ₅', 20 ₆' und deren Intensitäten werden von den ent sprechenden Aufnahmeplatten 24 ₃', 24 ₅' und 24 ₆' aufgenommen, wobei aus den ortsaufgelösten Intensitäten der Bilder der Aufnahmeplatten 24 ₃', 24 ₅' und 24 ₆' die räumliche Verteilung der zu untersuchenden Parameter in dem Datenverarbeitungs-Sy stem 12' ermittelt wird. Fig. 5 shows schematically a device 2 'to Flammenana analysis and flame control comprising an optical system 10', and a data processing system 12 '. In this case, instead of a mounting plate 242 of FIG. 1 used in the optical system 10 , a measuring module 44 , in particular a flame sensor or monitor, is arranged. Analogous to the optical system 10 of FIG. 1, the optical system 10 'comprises as a lens a lens 14 ' and a number of beam splitters T1 'to T3' which are connected downstream of the lens 14 '. The filtered out from the radiation spectrum of the flame F spectral ranges 20 ₃ ', 20 ₅ ', 20 ₆ 'and their intensities are recorded by the corresponding recording plates 24 ₃ ', 24 ₅ 'and 24 ₆ ', with the spatially resolved intensities of the images the mounting plates 24 ₃ ', 24 ₅ ' and 24 ₆ 'the spatial distribution of the parameters to be examined in the data processing system 12 ' is determined.

Der Spektralbereich 20 ₄', beispielsweise ein breitbandiger Rest des Strahlenspektrums der Flamme F, wird von dem Meßmo dul 44 aufgenommen. Das Meßmodul 44 wandelt pulsierende Strahlungsparameter des Spektralbereichs 20 ₄' der Flamme F in ein elektrisches Signal S. Das Meßmodul 44 umfaßt dabei drei unabhängige Kanäle K1, K2 und K3 zur gleichzeitigen Erfassung der im Spektralbereich 20 ₄' liegenden Pulsationsfrequenz der Flamme F des Brenners 16.The spectral range 20 ₄ ', for example a broadband rest of the radiation spectrum of the flame F, is recorded by the measuring module 44 . The measuring module 44 converts pulsating radiation parameters of the spectral range 20 ₄ 'of the flame F into an electrical signal S. The measuring module 44 comprises three independent channels K1, K2 and K3 for simultaneous detection of the pulsation frequency of the flame F of the burner 16 which is in the spectral range 20 ₄ ' .

Das Datenverarbeitungs-System 12' bewertet voneinander unab hängig die Signale S der Kanäle K1 bis K3. Liefern zwei Ka näle K1 und K2 beispielsweise das Signal S = "Flamme aus", so wird die Sicherheitsabschaltung des Brenners 16 ausgelöst.The data processing system 12 'independently evaluates the signals S of the channels K1 to K3. Provide two channels K1 and K2, for example, the signal S = "flame out", the safety shutdown of the burner 16 is triggered.

Die mehrkanalige Ausführung des Meßmoduls 44 sowie die drei Aufnahmeplatten 24 ₃', 24 ₅', 24 ₆' gewährleisten sowohl einen hohen Sicherheitsgrad bei der Überwachung der Flamme F eines einzelnen Brenners 16 als auch eine Analyse der Flamme F in Bezug auf Temperatur- und Konzentrationsverteilungen inner halb der Flamme F. Darüber hinaus ist durch die integrierte Anordnung des Meßmoduls 44 und der Aufnahmeplatten 24 ₃', 24 ₅', 24 ₆' in einem einzelnen optischen System 10' eine Öff nung 11 in der Wandung 13 des Verbrennungsraumes 1 ausrei chend, so daß Montage- und Systemkosten in Bezug auf die Ein bringung von geeigneten Öffnungen 11 in die Wandung 13 sowie in Bezug auf geeignete Halterungen bzw. in Bezug auf die not wendige Anzahl von Kühlsystemen reduziert werden.The multi-channel design of the measuring module 44 and the three mounting plates 24 ₃ ', 24 ₅ ', 24 ₆ 'ensure both a high level of security when monitoring the flame F of an individual burner 16 and an analysis of the flame F with respect to temperature and concentration distributions within half the flame F. In addition, the integrated arrangement of the measuring module 44 and the mounting plates 24 ₃ ', 24 ₅ ', 24 ₆ 'in a single optical system 10 ' an opening 11 in the wall 13 of the combustion chamber 1 is sufficient , so that assembly and system costs in relation to the introduction of suitable openings 11 in the wall 13 and in relation to suitable brackets or in relation to the neces sary number of cooling systems are reduced.

Bedingt durch den einfachen Aufbau des optischen Systems 10, 10' sowie durch die passive optische Erfassung der Verbren nungsparameter, d. h., es werden keinen zusätzlichen Licht quellen benötigt, ist dieses optische System 10, 10' beson ders für einen Einsatz in Kraftwerken geeignet. Insbesondere eignet sich das optische System 10, 10' bedingt durch die sehr schnelle Ermittlung von Meßwerten von im Verbrennungs prozeß entstehenden Reaktionsprodukten zur Verbrennungsana lyse und zur Feuerungsregelung. Die Möglichkeit der Aufnahme einzelner Flammenbilder erlaubt es ferner, direkt am Ort der Entstehung von Schadstoffen, über die Feuerungsregelung rege lungstechnisch in den Verbrennungsprozeß eingreifen zu kön nen.Due to the simple structure of the optical system 10 , 10 'and the passive optical detection of the combustion parameters, that is, no additional light sources are required, this optical system 10 , 10 ' is particularly suitable for use in power plants. In particular, the optical system 10 , 10 'is suitable due to the very rapid determination of measured values of reaction products arising in the combustion process for combustion analysis and for firing control. The possibility of recording individual flame images also allows control technology to intervene in the combustion process directly at the location where pollutants are formed.

Claims

1. Method for combustion analysis in a combustion chamber, wherein an image (B1, B3, B4, B5, B6) of a flame (F) is recorded and from spatially resolved intensities of the image (B1, B3, B4, B5, B6) for at least a specifiable spectral range ( 20 ₃ , 20 ₄ , 20 ₅ , 20 ₆ ) a spatial distribution of a parameter characterizing the combustion process is determined.

2. The method according to claim 1, wherein the spectral range ( 20 ₃ , 20 ₄ , 20 ₅ , 20 ₆ ) by beam splitting of the radiation spectrum of the flame (F) is coupled out.

3. The method according to any one of claims 1 or 2, wherein the spectral range ( 20 ₃ , 20 ₄ , 20 ₅ , 20 ₆ ) is coupled out with a bandwidth of about 5 to 20 nm.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein by means of an emission line lying in a first spectral range ( 20 ₅ , 20 ₆ ) and the intensity thereof, a spatial concentration distribution of a combustion radical in the flame (F) is reconstructed by computer tomography.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the spatial temperature distribution in the flame (F) is reconstructed by computer tomography by means of the Planck radiation lying in a second spectral range ( 20 ₃ , 20 ₄ ) and its intensity.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein a pulsating parameter of the flame (F) is monitored by means of a third spectral range ( 20 ₄ ') and a pulsation parameter is determined.

7. Device for combustion analysis in a combustion chamber ( 1 ) with an optical system ( 10 ), the on a recording plate ( 24 ) generates a spatially resolved image (B1, B3, B4, B5, B6) of a flame (F), wherein at least one beam splitter (T1 to T3) for coupling out at least one spectral range ( 20 ₁ to 20 ₆ ) specific to a parameter to be investigated from a radiation spectrum of the flame (F) is connected upstream of the receiving plate ( 24 ).

8. The device according to claim 7, wherein a cooling system ( 28 ) is provided.

9. The device according to claim 7 or 8, wherein the cooling system ( 28 ) for the or each receiving plate ( 24 ) each comprises a cooling element ( 30 ).

10. The device according to one of claims 7 to 9, in each of which a plurality of beam splitters (T1 to T3) are provided for coupling out the or each spectral range ( 20 ₁ to 20 ₆ ).

11. The device according to one of claims 7 to 10, in which the or each beam splitter (T1 to T3) is dichroic is.

12. Device according to one of claims 7 to 11, in which a number of spatially separated receiving plates ( 24 ₃ to 24 ₆ ) corresponding to the number of spectral ranges ( 20 ₃ to 20 ₆ ) are provided.

13. The device according to one of claims 7 to 12, wherein a charge-coupled-device camera is used as the receiving plate ( 24 ).

14. Device according to one of claims 7 to 13, wherein the or each mounting plate ( 24 ) has a filter ( 22 ) connected in front.

15. The device according to one of claims 7 to 14, wherein the or each mounting plate ( 24 ) with an evaluation unit ( 12 ) is connected.

16. Device for flame analysis and flame monitoring of a burner ( 16 ) in a combustion chamber ( 1 ) with an optical system ( 10 ), the on a mounting plate ( 24 ₃ ', 24 ₅ ', 24 ₆ ') a spatially resolved image (B1 , B3, B4, B5, B6) egg ner flame (F) generated, and with a measuring module ( 44 ) for measurement of pulsating radiation parameters of the flame (F), at least one beam splitter (T1 'to T3') for coupling out at least one For a parameter to be examined, speci fical spectral range ( 20 ₃ 'to 20 ₆ ') from the radiation spectrum of the flame (F) is provided, the beam splitter (T1 'to T3') of the mounting plate ( 24 ₃ ', 24 ₅ ' , 24 ₆ ') and the measuring module ( 44 ) is connected upstream.