CH618265A5 - - Google Patents

Description

La présente invention se rapporte à un détecteur de flamme permettant de déterminer la condition de combustion d'une flamme en détectant un rayonnement infrarouge particulier émis par la flamme.

On a déjà proposé de nombreuses sortes de détecteurs de flamme permettant de déceler la présence d'une flamme. Toutefois, aucun de ces détecteurs n'est conçu de manière à permettre une détection instantanée de l'état de la flamme, par exemple la condition de combustion parfaite ou imparfaite, ou la grandeur de la flamme.

On a essayé de contrôler la condition de combustion de la flamme dans une cheminée d'une usine chimique au moyen d'une télévision couleurs permettant un contrôle à distance. Toutefois, une telle solution dépend éventuellement des yeux d'un opérateur et, par conséquent, un contrôle selon cette solution requiert une attention soutenue de l'opérateur avec le résultat qu'un contrôle parfait ne peut être atteint. Cette solution n'est, par conséquent, pas adéquate pour un contrôle automatique des conditions de combustion.

On a découvert dans le passé que le rayonnement émis par une flamme nue comprend, dans une large mesure, des rayons infrarouges moyens présentant une longueur d'onde proche de 2 p. et 4,3 à 4,4 n causés par un rayonnement résonant de bioxyde de carbone particulier à la flamme.

On sait également qu'un carbone solide isolé existe dans une flamme rouge, sera chauffé au rouge et irradiera un spectre continu.

Le détecteur permet de connaître la condition de combustion de la flamme telle que la couleur de la flamme (bleue ou pâle pour une combustion parfaite, ou rouge ou encore brûlant en dégageant une fumée noire par suite d'une combustion imparfaite), ou l'importance de la flamme. Il peut être utilisé pour commander automatiquement la fourniture d'air ou d'oxygène en quantité appropriée, ou pour contrôler l'état de la flamme dans une cheminée d'une usine chimique, afin de maintenir des conditions de combustion appropriées sans créer de causes de pollution de l'environnement provoquées par une combustion dégageant de la fumée noire.

La présente invention a pour but de permettre un contrôle automatique des conditions de combustion de la flamme.

Le détecteur selon la présente invention est caractérisé en ce qu'il comprend un disque rotatif présentant un filtre passe-bande s pour une région de l'infrarouge comprenant une longueur d'onde à rayonnement résonant de bioxyde de carbone et un filtre passe-bande pour une région de l'infrarouge ne comprenant pas ladite longueur d'onde, un seul convertisseur photo-électrique pour mesurer l'intensité du rayonnement ayant passé à travers lesdits io filtres passe-bande et un circuit diviseur délivrant un signal représentatif du rapport d'un signal de sortie du convertisseur photoélectrique comprenant la longueur d'onde du rayonnement résonant du bioxyde de carbone à un signal de sortie du convertisseur ne comprenant pas ladite longueur d'onde.

15 Le détecteur peut aussi comprendre un circuit additionneur pour effectuer la somme desdits signaux de sortie.

La présente invention sera maintenant décrite en référence au dessin annexé dans lequel :

La fig. 1 représente un spectre d'une région d'infrarouge d'une 20 flamme.

La fig. 2 représente une structure schématique du détecteur de flamme selon la présente invention.

La fig. 3 représente un signal de sortie du convertisseur photoélectrique.

25 La fig. 4 représente un schéma-bloc d'une forme d'exécution d'un circuit de traitement du signal.

La fig. 1 montre les résultats de mesure du spectre d'une flamme pour le changement de la condition de combustion. La fig. 1 est le résultat d'une observation à moins de quelques mètres 30 de la flamme.

A la fig. 1, on a reporté en abscisse la longueur d'onde et en ordonnée l'intensité du rayonnement. La flamme présente un large spectre s'étendant jusqu'aux ultraviolets. Toutefois, la présente invention utilise les radiations ayant une longueur d'onde 35 comprise dans la région médiane des infrarouges, la proportion de ces radiations étant relativement faible dans le champ naturel ou dans la lumière d'une illumination artificielle, dans le but d'améliorer le rapport signal/bruit du détecteur. C'est pourquoi la fig. 1 illustre uniquement le même domaine de longueurs d'onde. Un 40 rayonnement intense de 4,4 (i de longueur d'onde est observé pour une flamme brûlant parfaitement, avec une flamme bleue ou pâle, comme montré par la courbe a à la fig. 1. Dans ce cas, le rayonnement de longueur d'onde proche de 4,4 p., par exemple 3,8 p., est faible. Si l'on prend l'intensité correspondant à 3,8 |x de longueur 45 d'onde comme représentative de la longueur d'onde proche de 4,4 |i, le rapport de l'intensité du rayonnement de 4,4 p. de longueur d'onde à l'intensité du rayonnement de 3,8 |i de longueur d'onde est une valeur située entre 10 et 30.

Lorsqu'un combustible tel que, par exemple, de la gazoline so brûle, l'intensité du rayonnement de la flamme varie, comme représenté par la courbe b à la fig. 1, et le rapport de l'intensité du rayonnement de 4,4 |i de longueur d'onde à l'intensité du rayonnement de 3,8 ji de longueur d'onde variera entre 2 et 4. D'autre part, l'intensité du rayonnement de 4,4 |i de longueur 55 d'onde sera sensiblement de même ordre de grandeur pour une flamme ayant sensiblement le même pouvoir calorifique pour les deux conditions de combustion mentionnées ci-dessus.

Il est possible de connaître la condition de combustion des flammes en observant le rayonnement émis par ces flammes ayant 60 une longueur d'onde de 4,4 |i et le rayonnement ayant une longueur d'onde proche, par exemple 3,8 |i comme déjà mentionné.

Le rayonnement résonant de CO2 de 4,3 à 4,4 |i de longueur d'onde émis par la flamme est sélectivement absorbé par le CO2 présent dans l'air et, lorsque la distance entre la flamme et le 65 point d'observation augmente, le rapport de l'intensité du rayonnement de 4,4 ji de longueur d'onde à l'intensité du rayonnement de 3,8 |i de longueur d'onde variera. En effet, le rayonnement d'une longueur d'onde proche de 3,8 (x est absorbé

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dans une moindre mesure par du CO2 et de l'HfeO compris dans l'air, alors que le rayonnement d'une longueur d'onde proche de 4,4 est dans une large mesure absorbé par le CO2.

Par conséquent, lorsque la condition de combustion de la flamme est déterminée au moyen de l'intensité du rayonnement d'une longueur d'onde de 4,4 |i ou approchant, il est nécessaire d'effectuer une correction en fonction de la distance entre le point d'observation et la flamme.

A titre d'exemple, référence sera faite au résultat d'un contrôle de la condition de combustion d'une flamme dans une cheminée d'une usine chimique. La cheminée présente une hauteur de 80 m avec un diamètre supérieur à 1 m. Généralement, une flamme de 1 m de haut brûle à l'extrémité supérieure de la cheminée dans une condition proche de la combustion parfaite, et quelquefois, une flamme de plusieurs mètres à plusieurs dizaines de mètres apparaît. Quelquefois, une grande quantité de fumée noire est produite. Le détecteur selon la présente invention a été placé à 200 m de la cheminée et des mesures concernant l'intensité de rayonnement et la condition de combustion correspondant à trois longueurs d'onde, 4,4, 4,0 et 3,8 n, ont été faites. Le résultat de ces mesures est donné dans le tableau suivant:

Combus

Flamme

Flamme

Flamme tion orange rouge rouge parfaite

avec un avec

peu de beaucoup

fumée de fumée

noire noire

4,4 n

3,8 M- 2,5-3 2-1 1-0,5 inférieure

à 0,5

Il est possible de déterminer, à partir du rapport de l'intensité de rayonnement de 4,4 ji de longueur d'onde à l'intensité du rayonnement de 3,8 n de longueur d'onde, si la flamme brûle parfaitement, si elle est rouge ou si elle brûle en dégageant de la fumée noire, comme représenté dans le tableau. Il est également possible d'estimer la quantité de carbone dans un combustible, par exemple si le combustible est du méthane, de l'hexane ou autres, à partir du rapport et de la quantité d'air ou de la quantité de vapeur fournie.

Dans ce tableau, le rapport relatif à la combustion parfaite est compris entre 10 et 30 pour une distance de quelques mètres (fig. 1), alors que le rapport est compris entre 2,5 et 3 pour une distance de 200 m, car le rayonnement de 4,4n de longueur d'onde a été partiellement absorbé par le CO2 compris dans l'air.

Le rapport prend donc différentes significations en fonction de la distance de l'observation, toutefois la quantité de CO2 comprise dans l'air est sensiblement constante et la quantité dépendant de la distance est absorbée. Par conséquent, la correction est simple.

Le détecteur utilise les caractéristiques de rayonnement émises par une flamme dans la région médiane des infrarouges, caractéristiques mentionnées ci-dessus, dans le but de déterminer les conditions de combustion des flammes.

La fig. 2 représente schématiquement une disposition du détecteur.

A la fig. 2, le chiffre de référence 1 désigne une flamme à observer. 2 et 3 désignent des filtres passe-bande adaptés pour laisser passer des rayonnements de différentes longueurs d'onde, 4 est un disque portant les filtres passe-bande, 5 est un arbre de commande pour faire tourner le disque, 6 est un moteur d'entraînement, 7 est un convertisseur photo-électrique (élément recevant de la lumière) pour mesurer l'intensité du rayonnement ayant passé à travers les filtres passe-bande 2, 3 et 8 est un support.

Un seul convertisseur photo-électrique 7 a été prévu pour une pluralité de filtres passe-bande. Le convertisseur photo-élec-trique 7 est disposé de manière que chaque filtre passe-bande 2 et 3 prenne alternativement position en regard du convertisseur 7 lorsque le disque 4 tourne.

En d'autres termes, le convertisseur photo-électrique voit la flamme alternativement à travers les filtres passe-bande 2 et 3. Si l'on admet que les signaux de sortie du convertisseur photoélectrique 7, en utilisant les filtres passe-bande 2 et 3, sont E2 et E3, ces signaux apparaîtront comme représenté à la fig. 3.

A la fig. 3, le temps est représenté en abscisse et le signal de sortie du convertisseur photo-électrique 7 est reporté en ordonnée. Dans le convertisseur photo-électrique 7, on utilise un élément semi-conducteur tel que PbSe, une thermistance en technologie couche mince et un élément à effet pyrotechnique.

En amenant un tel signal de sortie à un circuit de calcul à travers un circuit d'échantillonnage, la quantité de lumière reçue par une pluralité de filtres passe-bande peut être mesurée au moyen d'un seul convertisseur photo-électrique. Cela amène les avantages décrits ci-après. Les éléments recevant de la lumière, utilisés pour recevoir des rayons infrarouges, sont généralement coûteux et, habituellement, un tel élément coûteux est utilisé pour chaque filtre passe-bande. Au contraire, un seul élément photoélectrique suffit pour tout le dispositif, ce qui est économique.

Généralement, un élément recevant de la lumière présente une sensibilité variant avec la température ambiante et ce domaine de variation n'est pas constant sur une grande gamme de températures pour différents éléments. Si l'on prévoit un élément photoélectrique pour chaque filtre passe-bande, il y aura une apparition de bruit due à la différence des coefficients de température, de sorte que la limite supérieure de la sensibilité du détecteur est restreinte et une grande sensibilité ne peut pas être obtenue. Un récepteur de lumière n'ayant qu'un seul élément photo-électrique supprime ce problème.

Il est impossible d'avoir une pluralité d'éléments photoélectriques présentant une constante de temps thermique quasi constante, ce qui peut être une source de bruit en cas de changement de la température ambiante. Le fait d'utiliser un seul élément photo-électrique supprime ce problème.

Comme mentionné ci-dessus, il est possible de mesurer d'une manière peu coûteuse l'intensité de plusieurs régions de longueur d'onde avec un bon rapport signal/bruit en faisant tourner plusieurs filtres passe-bande devant un seul élément photo-électrique 7. La sortie de l'élément photo-électrique 7 représenté à la fig. 3 est amenée à travers un circuit d'échantillonnage à un circuit de calcul où le rapport des intensités de chaque longueur d'onde et la valeur absolue de chaque intensité sont lus.

Un schéma-bloc d'un circuit typique est montré à la fig. 4.

A la fig. 4, les chiffres de référence 9 et 10 désignent des circuits à portes. Le chiffre de référence 11 est un détecteur de la position angulaire du disque à filtres, 12 est un générateur d'impulsions d'échantillonnagè, utilisé pour déterminer l'instant auquel un signal est reçu sur l'entrée au moyen d'un signal provenant du détecteur 11. Les circuits à portes 9 et 10 sont ouverts à un instant déterminé en réglant les temps pour rentrer un signal. Le chiffre de référence 13 désigne un diviseur, 14 est un additionneur et 15 un circuit pour la correction de l'opération du diviseur en fonction de la distance de la flamme au détecteur. On utilise, par exemple, un circuit pour ajuster le gain d'un amplificateur pour la longueur d'onde de 4,4 (i. Les chiffres de référence 16 et 17 désignent des circuits de sortie délivrant des signaux pour le contrôle de la flamme ou pour une alerte.

Le diviseur 13 reçoit des signaux d'entrée proportionnels à l'intensité du rayonnement ayant passé à travers les filtres passe-bande 2 et 3, ces signaux provenant des circuits 9 et 10. Le diviseur 13 calcule le rapport de l'intensité du rayonnement de 4,4 \i de longueur d'onde au rayonnement d'une longueur d'onde proche de 4,4 |i, par exemple 3,8 (x, ce dernier ne comprenant pas

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de rayonnement résonant de bioxyde de carbone, de sorte qu'un signal de sortie est émis. Le diviseur utilise un seul élément récepteur de lumière et l'influence du changement de température sur la sensibilité peut être complètement négligée.

Le signal de sortie ainsi émis indique si la flamme brûle complètement ou avec de la fumée noire, comme montré dans le tableau. Le circuit de correction 15 est utilisé pour introduire une correction dépendant de la distance entre la flamme et le détecteur. Le taux d'atténuation de la longueur d'onde de 4,4 |x dans l'air sera de 0,48 pour 100 m, 0,32 pour 200 m et 0,12 pour 500 m sur la base de l'intensité pour la distance zéro choisie égale à 1.

On peut désirer connaître la dimension de la flamme et avoir des informations sur la fumée noire émise ou non par cette flamme lorsqu'elle brûle. Dans ce cas, le circuit additionneur 14 est efficace. La quantité de chaleur fournie par unité de temps est sensiblement proportionnelle à l'intensité du rayonnement de 4,4 |i de longueur d'onde parmi les grandeurs variées de flammes.

La somme des intensités des deux longueurs d'onde 4,4 p. et 3,8 p. est comparativement convenable pour une valeur numérique représentative de la grandeur apparente de la flamme. Le circuit additionneur 14 permet donc la connaissance de la grandeur de la s flamme.

Le détecteur comprend un disque rotatif 4 portant une pluralité de filtres passe-bande pour une région de l'infrarouge comprenant une longueur d'onde d'un rayonnement résonant de bioxyde de carbone, un seul convertisseur photo-électrique 7 pour mesurer io l'intensité du rayonnement ayant passé à travers les filtres passe-bande 2, 3 du disque et un circuit de calcul pour diviser les signaux de sortie du convertisseur photo-électrique. Un détecteur de flamme avec lequel la condition de combustion d'une flamme est déterminée avec une très grande sensibilité sur une large 15 gamme de températures peut être obtenu. Il est également possible de déterminer la grandeur de la flamme au moyen du détecteur par l'adjonction d'un circuit additionneur des signaux de sortie des filtres passe-bande.

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1 feuille dessins

Claims (4)

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1. Détecteur de flamme, caractérisé en ce qu'il comprend un disque rotatif présentant un filtre passe-bande pour une région de l'infrarouge comprenant une longueur d'onde à rayonnement résonant de bioxyde de carbone et un filtre passe-bande pour une région de l'infrarouge ne comprenant pas ladite longueur d'onde, un seul convertisseur photo-électrique pour mesurer l'intensité du rayonnement ayant passé à travers lesdits filtres passe-bande et un circuit diviseur délivrant un signal représentatif du rapport d'un signal de sortie du convertisseur photo-électrique comprenant la longueur d'onde du rayonnement résonant du bioxyde de carbone à un signal de sortie du convertisseur ne comprenant pas ladite longueur d'onde.

2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit à portes branché entre le convertisseur photo-électrique et le circuit diviseur, un générateur d'impulsions d'échantillonnage destiné à contrôler lesdites portes, et un détecteur de la position angulaire du disque rotatif qui contrôle le générateur d'impulsions.

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REVENDICATIONS

3. Détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit correcteur de distance associé audit circuit diviseur.

4. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit additionneur pour effectuer la somme desdits signaux de sortie.