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CN104471376B - 结合有可转向可调谐二极管激光吸收光谱仪的炉内回反射器 - Google Patents

结合有可转向可调谐二极管激光吸收光谱仪的炉内回反射器 Download PDF

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CN104471376B CN201380029592.3A CN201380029592A CN104471376B CN 104471376 B CN104471376 B CN 104471376B CN 201380029592 A CN201380029592 A CN 201380029592A CN 104471376 B CN104471376 B CN 104471376B
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Abstract

描述了监视炉的内部的燃烧特性的方法。光束被投射从而通过处于锅炉内部之外的包括投掷准直透镜的投掷光学器件。投掷准直透镜将光束通过穿孔投射到锅炉内部。由投掷准直透镜投射的光束从至少一个炉内回反射器反射，并由与处于锅炉内部之外的投掷光学器件基本上相同的抓接光学器件接收。投掷光学器件和抓接光学器件可以以同一投掷/抓接光学器件实施。投掷准直透镜还可以朝着该至少一个炉内回反射器中的另一个炉内回反射器转向。可以针对每个回反射器或者基于炉内的回反射器区来计算燃烧特性。

Description

结合有可转向可调谐二极管激光吸收光谱仪的炉内回反射器
技术领域
本公开内容涉及用于测量锅炉或炉的内部的燃烧特性的方法和设备，更具体地，涉及用于将炉内回反射器与可转向可调谐二极管激光吸收光谱仪相结合地用来测量锅炉或炉内的燃烧特性的方法和设备。
背景技术
美国专利第7,469,092号描述了用于使用可调谐二极管激光吸收光谱仪(TDLAS)来监视和控制处理的方法和设备。简言之，TDLAS方法和设备涉及将可以是许多不同波长的多路光束的光束定向到锅炉或炉燃烧室中以测量锅炉燃烧特性或炉燃烧特性例如温度和各种燃烧物质包括CO、CO2、O2和H2O的浓度，各种燃烧物质包括CO、CO2、O2和H2O。TDLAS监视技术是基于由检测器在光被传输通过关注区域并且被吸收之后所接收到的特定光谱带中的激光的数目和激光的性质之间的预定关系，该特定光谱带是由于燃烧而产生的气体物质的特征。由检测器接收到的吸收光谱可以用于根据分析以及关联的燃烧参数例如温度而确定气体物质的数目。
该技术需要通过锅炉或炉的视线。事实上，由于常常期望测量多个锅炉或炉位置处的燃烧特性，所以通常需要很多视线。典型地，多个波长的激光束从锅炉或炉的投掷光学器件发射到锅炉或炉的相对侧的抓接光学器件。某些应用需要高达十五个或更多个测量路径，因此需要十五个或更多个投掷/抓接光学器件对以及三十个或更多个炉穿孔。然而，使用十五对或更多对基本上相同的投掷/抓接光学器件以及需要三十个或更多个对应的炉穿孔承受了高成本，更不必说增大了系统的复杂性。在一些情况下，系统的安装可能由于排定的锅炉或炉的关闭的时间表而需要等待数年。
由于光学器件和对应的炉穿孔的成本和复杂性，在期望监视(并且可能还控制)炉内的大量燃烧区的情况下，传统系统的实用性是有限的。
本发明旨在克服上面讨论的一个或更多个问题。
发明内容
公开内容的第一方面是监视燃烧炉的内部的燃烧特性(包括但不限于温度和各种燃烧物质的浓度)的方法。该方法包括：在炉的壁中设置至少一个穿孔；在炉的内部设置至少两个回反射表面；投射光束使之通过处于炉的内部之外的包括准直透镜的光学器件，准直透镜光学地耦合到至少一个穿孔以将光束朝着至少两个回反射表面中的第一回反射表面投射到炉的内部；利用光学器件接收来自第一回反射表面的光束；基于所接收到的来自第一回反射表面的光束来测量燃烧特性；将光束通过光学器件转向到至少两个回反射表面中的第二回反射表面；利用光学器件接收来自第二回反射表面的光束；以及基于至少所接收到的来自第二回反射表面的光束来测量燃烧特性；如本文所使用的那样，回反射器被宽泛地定义为这样的光学装置：其将入射激光重定向为朝着其源返回而不管入射角如何，只要光束入射在回反射器的孔径上即可。
根据一些实施方式，光束被传播/投射从而通过多模光纤并且通过包括准直透镜的光学器件、从回反射表面中的一个回反射表面反射、由同一准直透镜接收并且在同一多模光纤中沿相反方向传播。
在一些实施方式中，至少一个穿孔包括以下穿孔中的一种：圆形穿孔；以及与合并在炉的壁中的由多个金属膜分隔的多个平行蒸汽管平行地伸长的穿孔。例如，燃煤发电厂的一些锅炉需要平行蒸汽管。对于无蒸汽管的炉而言，可以利用任何形状的穿孔(例如三角形、正方形、矩形、椭圆形、其它多边形等)，只要光束可通过该穿孔被有效地投射和/或接收即可。
根据一些实施方式，至少两个回反射表面中的每个回反射表面由选自于包括蓝宝石和石英的组的材料制成。在一种实施方式中，至少两个回反射表面中的每个回反射表面是以下中的一种：单个大回反射器；或较小回反射器元件的阵列。在一些实施方式中，至少两个回反射表面包括以下中的至少一种：角立方回反射光学器件；或猫眼回反射球。在一些实施方式中，第一回反射表面和第二回反射表面是包括分立回反射器的阵列的单个回反射表面的第一部分和第二部分，并且其中，从第一回反射表面到第二回反射表面的转向是从单个回反射表面的第一部分到单个回反射表面的第二部分的转向。
如本文所使用的那样，参照或提及一个或多个回反射器可以意指以下中的任一种：(a)位于可能被期望监视和/或控制燃烧过程的炉中的分立位置处的单个大回反射器(例如，“分立回反射器”)，(b)替代(a)中的单个大回反射器的较小分立回反射元件的阵列(即，“回反射器阵列”或“阵列回反射器”)。
根据一些实施方式，该方法还包括设置用于将每个回反射表面安装在炉的内部的安装结构，安装结构被定位在炉的与炉的内部的火焰发射燃烧器所位于的一侧相对的一侧，其中，至少两个回反射器中的每个回反射器被配置成被固定到安装结构。至少一个安装结构可以包括具有多个槽的陶瓷安装结构，每个回反射器被保持在槽中。可替选地，镍铬线(其可以由例如包括80％的镍和20％的铬的镍铬合金制成)可以用来将回反射器中的每个回反射器固定到安装结构。在一些实施方式中，炉包括顶板和底板，顶板和底板基本上垂直于炉的壁，并且其中，火焰发射燃烧器被安装到顶板，而每个安装结构被安装到底板。实施方式还可包括附接到安装结构的多于一个的回反射器。例如，在其中回反射器包括多个小回反射器的实施方式中，并且甚至在其中两个或更多个较大回反射器附接到单个安装结构的实施方式中。
基于一些实施方式，在炉的内部设置至少两个回反射器包括将多个回反射器布置在单个平面内、多个平面内、或者经预布置的图案中。在一些实施方式中，单平面配置和多平面配置中的每个平面垂直于炉的壁或者平行于被投射从而通过光学器件的光束。
根据一些实施方式，使用光学器件使光束转向包括使光学器件绕着与至少一个穿孔的光学轴垂直的两个正交轴中的至少一个正交轴倾斜。
根据一种实施方式，接收光束包括将光束接收于多模光纤中，并且其中，测量燃烧特性包括通过将在多模光纤内传播的光的模态噪声诱发信号电平变化取平均来对噪声进行滤波。
根据一些实施方式，设置至少两个回反射器包括设置被定位在炉的内部以监视炉内的多个燃烧区的多个回反射器，其中，投射光束包括朝着多个回反射器中的每个回反射器投射光束，并且其中，测量燃烧特性包括通过考虑对从每个区反射并接收到的光束的测量来计算燃烧特性。
在一些实施方式中，光学器件还包括处于炉的内部之外的中继透镜，中继透镜光学地耦合到准直透镜并且光学地耦合到至少一个穿孔以将光束朝着至少两个回反射器中的第一回反射器和第二回反射器中的每个回反射器投射到炉的内部。
公开内容的第二方面是用于感测燃烧炉的内部的燃烧特性(包括但不限于各种燃烧物质的浓度和温度)的设备。该设备包括：二极管激光器、准直透镜、至少两个回反射器；运动学倾斜台和检测器。二极管激光器具有选定的激光频率。准直透镜光学地耦合到由二极管激光器生成的光束，准直透镜被配置成将来自二极管激光器的光束投射到炉的壁中的穿孔中。至少两个回反射器被定位在炉的内部，并且每个回反射器被配置成将来自准直透镜的光束反射回到准直透镜。运动学倾斜台包括至少一个步进电机、电机驱动器以及耦合到准直透镜的台。至少一个步进电机被配置成使台绕着与第一穿孔的光学轴垂直的两个正交轴中的至少一个正交轴倾斜，以便将光束从至少两个回反射器中的一个回反射器转向到另一个回反射器。检测器是对光学地耦合到准直透镜的选定的激光频率灵敏的类型的检测器。
根据一些实施方式，该设备还包括多模光纤，光束从二极管激光器通过多模光纤被传播到准直透镜。准直透镜被配置成将来自二极管激光器和多模光纤的光束通过穿孔投射到被定位在炉的内部的至少两个回反射表面中的一个回反射表面。准直透镜还被配置成接收来自至少两个回反射表面中的所述一个回反射表面的反射光束、并且发射反射光束使之通过同一多模光纤返回以到达光学地耦合到多模光纤的检测器。
根据一些实施方式，第一穿孔包括以下穿孔中的一种：圆形穿孔；以及与合并在炉的壁中的由多个金属膜分隔的多个平行蒸汽管平行地伸长的穿孔。通常，仅锅炉需要平行蒸汽管。对于无蒸汽管的炉而言，可以利用任何形状的穿孔，只要光束可通过该穿孔被有效地投射和/或接收即可。
在一些实施方式中，至少两个回反射器中的每个回反射器由选自于包括蓝宝石和石英的组的材料制成。在一种实施方式中，至少两个回反射器中的每个回反射器是较小回反射器元件的阵列。在一些实施方式中，至少两个回反射器包括以下中的至少一种：角立方回反射光学器件；以及猫眼回反射球。
根据一些实施方式，该设备还包括用于将每个回反射表面安装在炉的内部的安装结构，安装结构被定位在炉的与炉的内部的火焰发射燃烧器所位于的一侧相对的一侧，其中，至少两个回反射器中的每个回反射器被配置成被固定到安装结构。在一种实施方式中，每个安装结构包括具有多个槽的陶瓷安装结构，每个回反射器被保持在槽中。在另一种实施方式中，至少两个回反射器中的每个回反射器经由镍铬线(其可以由例如包括80％的镍和20％的铬的镍铬合金制成)被固定到一个安装结构。实施方式还可包括附接到安装结构的多于一个的回反射器。例如，在其中回反射器包括多个小回反射器的实施方式中，并且甚至在其中两个或更多个较大回反射器附接到单个安装结构的实施方式中。
基于一些实施方式，炉包括顶板和底板，顶板和底板基本上垂直于炉的壁，并且其中，火焰发射燃烧器被安装到顶板，而每个安装结构被安装到底板。
在若干实施方式中，至少两个回反射器包括被布置在单个平面内、多个平面内、或者经预布置的图案中的多个回反射器。在一些实施方式中，单平面配置和多平面配置中的每个平面垂直于炉的壁或者平行于被投射从而通过光学器件的光束。
在一些实施方式中，至少两个回反射器包括被定位在炉的内部以便监视炉中的多个燃烧区的多个回反射器，其中，准直透镜朝着多个回反射器中的每个回反射器投射光束，并且其中，检测器通过考虑对从每个区反射并接收到的光束的测量来计算燃烧特性。
根据一些实施方式，该设备还包括中继透镜。中继透镜光学地耦合到准直透镜和穿孔、并且被配置成将来自二极管激光器的光束通过准直透镜和穿孔投射到至少两个回反射器。
公开内容的第三方面涉及存储在可记录介质上的计算机软件，计算机软件在被处理器(例如，通用计算机或特定于应用的计算机中的一个)执行使处理器：访问数据库以确定回反射器在炉的内部的位置；将指令发送到用于驱动至少一个步进电机的电机驱动器以便倾斜其上容纳有发射/接收光学器件的台，以便基于回反射器的确定位置来将从发射/接收光学器件投射的光束转向到回反射器中的一个回反射器；接收并且存储来自光学地耦合到发射/接收光学器件的检测器的信号，该检测器检测到从回反射器中的所述一个回反射器反射回到发射/接收光学器件的光束；以及基于接收并存储的来自检测器的信号来计算燃烧特性。
在一些实施方式中，计算机软件在被处理器执行时还使处理器：将指令发送到电机驱动器，以便基于回反射器的确定位置来使光束跳跃到炉的第一预定区中的回反射器中的每个回反射器；接收并存储来自检测器的信号，该检测器检测到从炉的第一预定区中的所述回反射器中的所述每个回反射器反射回到发射/接收光学器件的光束；以及基于接收并存储的来自检测器的信号来计算第一预定区的燃烧特性。
根据一些实施方式，计算机软件在被处理器执行时还使处理器：将指令发送到电机驱动器，以便基于回反射器的确定位置来使光束跳跃到炉的第二预定区中的回反射器中的每个回反射器；接收并存储来自检测器的信号，该检测器检测到从炉的第二预定区中的回反射器中的所述每个回反射器反射回到发射/接收光学器件的光束；以及考虑所计算的第一预定区的燃烧特性，基于接收并存储的来自检测器的信号来计算第二预定区的燃烧特性。
在一些实施方式中，计算机软件在被处理器执行时还使处理器：将指令发送到电机驱动器，以便将光束转向到回反射器中的所述一个回反射器的多个部分；接收并存储来自检测器的校准信号，该检测器检测到从回反射器中的所述一个回反射器的所述多个部分反射回的光束；基于回反射器中的所述一个回反射器的多个部分中的反射最强校准信号的部分来确定最佳位置；并且将指令发送到电机驱动器，以便将光束转向到最佳位置。该自动对准特征使得发射/接收光学器件能够与炉内回反射器及其自身保持光学对准，即使发射/接收光学器件和回反射器被固定在其自身易于由于热效应或者风和振动而移动的炉或者不友好的处理室上。
本文中所描述的用于测量炉的内部的燃烧特性的方法和设备无需使用单独的投掷和抓接光学器件就允许检测燃烧特性，这导致必需的端口和光学设置和对准设备的数目至少减半。该方法和设备另外还允许通过将可转向可调谐二极管激光吸收光谱系统与炉内回反射器的阵列相结合使用来进一步减少光学设置和对准设备的数目，它们一起允许用最小数目的光学设置和对准设备实现最大数目的光束路径。因此，与不利用耦合到炉内回反射器的组合投掷/抓接光学器件和/或可转向可调谐二极管激光吸收光谱系统相比，该方法和设备允许高效地、廉价地并且以较低的复杂性享受燃烧监视的所述许多益处。
附图说明
图1A和图1B示出了锅炉或炉的壁中的用于提供通往锅炉或炉内部的光学入口的可替选穿孔；
图2A和图2B示出了用于使光束在锅炉或炉的内部转向的可转向投掷/抓接光学器件；
图3是可转向且可对准的投掷/抓接光学器件的实施方式的示意图；
图4是可转向且可对准的投掷/抓接光学器件的可替选实施方式的示意图；
图5是具有与炉内回反射器的阵列相结合使用的组合投掷/抓接光学器件的可转向可调谐二极管激光吸收光谱系统的实施方式的示意图；
图6是与炉内回反射器的阵列相结合使用的组合投掷/抓接光学器件的阵列的实施方式的俯视示意图；
图7是具有与炉内回反射器的阵列相结合使用的组合投掷/抓接光学器件的可转向可调谐二极管激光吸收光谱系统的实施方式的俯视示意图；
图8是具有与炉内回反射器的阵列相结合使用的组合投掷/抓接光学器件的可转向可调谐二极管激光吸收光谱系统的实施方式的平面示意图，其中燃烧监视和控制对炉内的预定区进行；
图9是可转向可调谐二极管激光吸收光谱系统的实施方式的侧视示意图，其中，实施方式300示出了(平面内)1D可转向监视，而实施方式400示出了2D可转向监视，且实施方式500示出了多平面可转向监视；
图10是示出了炉的内部的基于区的监视和燃烧特性的测量的流程图；
图11是具有在多排燃烧器之间的多排处理管的炉的平面图，示出了具有与炉内回反射器的阵列相结合使用的组合投掷/抓接光学器件的可转向可调谐二极管激光吸收光谱系统，其中燃烧监视和控制对炉内的预定区进行；以及
图12是其中废气出口位于炉的底部的底燃烧炉的侧视图，还示出了具有与炉内回反射器的阵列相结合使用的组合投掷/抓接光学器件的可转向可调谐二极管激光吸收光谱系统，其中燃烧监视和控制对炉内的预定区进行。
具体实施方式
除非另外指出，在说明书和权利要求中使用的表示要素的数目、尺寸、反应条件等的所有数字被理解为在所有实例中由术语“约”修饰。
在本申请和权利要求中，除非另外具体声明，所使用的单数包括复数。此外，除非另外声明，使用“或”意指“和/或”。此外，使用的术语“包括(including)”以及其它形式例如“包括(includes)”和“包括在…中(included)”不是限定性的。同样，除非另外具体声明，术语例如“元件”或者“部件”包含包括一个单元的元件和部件以及包括多于一个单元的元件和部件二者。
其全部内容特此合并到本文的美国专利第7,469,092号公开了用于监视和控制需要在锅炉的壁中安装管弯头以便提供通往锅炉的光学入口的类型的燃烧过程的方法和设备。美国专利第7,469,092号描述了包含自动对准特征的感测系统，该自动对准特征允许投掷和抓接光学器件保持光学对准，即使它们被螺钉连接到自身易于根据热效应或者风和振动而移动的锅炉或不友好的处理室上。所描述的系统提供了安装在反馈控制倾斜台上的包括单独的投掷和抓接准直透镜的单独的投掷和抓接光学器件。被复用的光由直接附接到输入光纤的准直投掷透镜跨测量区域而发射，并且位于测量区域的相对端的抓接准直透镜将发射光光学地耦合到通常是多模光纤的输出光纤。结果，抓接光学器件必须被定向为使得其与从投掷光学器件发出的光束共线。这是必须的，使得聚焦的发射光束将到达多模光纤的接受芯内。
在下文中，将交替地使用的术语“锅炉”和“炉”以指代被期望监视和控制燃烧过程的任何燃烧室。
参照图1至图10并且与在美国专利第7,469,092号中所描述的系统相比，根据各种实施方式的系统提供了安装在反馈控制倾斜台上的包括投掷/抓接准直透镜的组合投掷/抓接光学器件。被复用的光由直接附接到输入光纤的准直投掷透镜跨测量区域而发射，并且准直抓接透镜将发射光光学地耦合到通常是多模光纤的输出光纤。此处，准直投掷透镜和准直抓接透镜以同一准直透镜实施。跨测量区域被发射的被复用的光由被定位在炉中的至少一个回反射器反射回到源。回反射器是这样的光学装置：其将入射激光重定向为朝着其源返回而不管入射角如何，只要光束入射到通往回反射器的孔径的入口即可。
图1A和图1B示出了炉10的壁12中的用于提供通往炉内部的光学入口的穿孔16的两个示例。图1A示出了包括由多个金属膜12a分隔的一系列平行蒸汽管14的锅炉壁12。如图1A中所示，管弯头14a被设置用于围绕穿孔而重路由蒸汽管14，穿孔可以是例如2”(5.08cm)直径的圆形穿孔16’。
图1B示出了在WO 2010/080892A2中描述的可替选实施方式，其全部内容合并到本文中。图1B示出了宽度约为1/2英寸(1.27cm)(等于膜12a的宽度)并且沿与蒸汽管14平行的方向伸长的开槽式膜穿孔16”。该布置消除了设置管弯头14a(如图1A所示)的需要，同时有所促进光收集效率。然而，对准和保持对准比用如图1A所示的管弯头方法支撑2英寸(5.08cm)圆形穿孔16’时所要求的明显更难，并且要求更紧密的对准公差。
虽然图1A和图1B中所示的实施方式涉及在锅炉的壁中具有蒸汽管的锅炉，但实施方式不限于此，并且可以应用于被期望监视燃烧特性的任何燃烧室。在这样的情况下，穿孔16的形状可以是任何形状(包括但不限于圆形、基本上圆形、椭圆形、矩形、三角形、正方形、其它多边形等)，只要穿孔使光束通过其能够被有效地投射和接收即可。
参照图2A和图2B，各种实施方式提供了包括中继透镜22、准直透镜24和可调节台26的转向和对准系统20。中继透镜22被设置成与准直透镜24光学连通。中继透镜22在在轴30(例如图3中所示)上构建穿孔16(包括如上所述的圆形穿孔16’、开槽式膜穿孔16”或者其它形状的穿孔)期间被对准。在中继透镜22被这样对准的情况下，由中继透镜22接收到的光束必须通过位于中继透镜22的焦点处的穿孔16。可以通过将光束从准直透镜转向到中继透镜上的不同位置、以二维的方式调节通过穿孔16的光束的角度。这允许光束被转向通过穿孔16以控制光束在被设置在炉中的回反射器42(如图5至图9所示)上的入射角，以便将光束朝着转向和对准系统20的中继透镜22和准直透镜24反射回。图2A和图2B所示的包含中继透镜的实施方式在具有诸如图1B中所示的窄穿孔的燃烧室中将最经常是合意的。
由此，转向和对准系统20提供自动对准特征，该自动对准特征允许组合投掷和抓接光学器件与炉内回反射器42保持对准并且与其自身保持对准，即使转向和对准系统20和回反射器42被螺钉连接到自身易于根据热效应或者风和振动而移动的锅炉或不友好的处理室上。可调节台26的使用确保了最大强度的准直接收光束被传送到光学地耦合的多模光纤25(如图3至图5所示)。为了进一步提供有效的光学耦合，投掷光束被准直到约5mm的直径，与现有技术系统中的20mm的量级形成对照。
根据各种实施方式，转向和对准系统20可以被配置成使光束不朝着仅一个回反射器42而是朝着多个炉内回反射器42中的每个炉内回反射器转向(例如如图7至图9所示)，这将在下面详细讨论。
图3示意性地示出了用作发射器和接收器二者的可转向且可对准的组合投掷/抓接光学器件的实施方式，发射器生成从光纤25发出的激光的准直光束，接收器捕捉准直光束(从多个炉内回反射器42中的一个炉内回反射器反射)并将光束聚焦到光纤25中。
组合投掷/抓接光学器件可以安装在在引导侧具有被窗口21占用的孔的壳体28中。壳体可以是NEMA-4外壳以保护组合投掷/抓接光学器件不受环境影响。如图3中所示，实施方式包括附接到运动学倾斜台26的准直透镜24，运动学倾斜台26被定位成使准直透镜18绕着与可转向且可对准的组合投掷/抓接光学器件的光学轴30垂直的正交轴(即，X轴和Y轴)倾倒和倾斜。在各种实施方式中，准直透镜可以是单透镜、双胶合透镜或者包括多于两个的透镜。运动学倾斜台26包括台26a、两个直流驱动步进电机26b和电机驱动器26c。步进电机26b被配置成使台26a绕着与光学轴30垂直的正交轴X和Y倾倒和倾斜，并且由计算机经由因特网或者类似连接控制。该连接可以通过光纤以便避免电干扰。因为步进电机26b在移除电源时保持其位置，所以光准直不受断电的影响。步进电机26b由电机驱动器26c驱动。
在周期的或连续的系统对准期间，控制计算机监视被发射和检测的激光的量。优选地，可以对连续的或周期的对准进程提供分立的对准波长例如可见光或近红外光。任何失准将会减弱检测信号。在自动对准模式中，计算机测量检测信号、指示两个步进电机26b中的一个步进电机沿一个方向少量移动，然后重新测量检测信号。如果信号增大，则计算机指示步进电机26b中的一个步进电机再次沿同一方向移动直到信号不再增大为止。然后，计算机指示其它步进电机26b沿正交轴移动以使检测信号最大化，然后针对其它传感器头重复整个处理。随着检测信号的增大，检测器放大器增益自动地减小以使自动对准进程经过信号大小的若干迭代。自动对准系统可以以所探测的从纳瓦到毫瓦的功率运行。
在相当大的噪声存在时，该“爬山”算法能够在信号几乎全部丢失之后对准系统，并且能够承受可以使其它对准系统失准到控制电路的极限的光束阻断、断电、机械振动及其它干扰。自动对准所需要的仅是在位置空间中具有全局最大值的有限信号。取决于特定安装条件，自动对准可以以设定的间隔例如每小时周期地发生或者在延长的周期例如数天操作之后根据需要而发生。控制计算机可以监视定向信号并且仅在信号跌落到预设阈值以下时自动对准。
在一些实施方式中，计算机通过指示步进电机26b以预定角度或者计算的角度“跳跃”到第二回反射器42来将光束定向到第二炉内回反射器42。这可以在炉内回反射器被以阵列形式布置在单个平面内的情况下在单个平面内完成，使得通过绕着与可转向且可对准的组合投掷/抓接光学器件的光学轴垂直的一个正交轴(例如X轴)驱动步进电机26b来以一维的形式进行“跳跃”，以便沿其上放置有炉内回反射器阵列的单个平面扫描光束。可替选地，可以通过绕着与可转向且可对准的组合投掷/抓接光学器件的光学轴垂直的两个正交轴(例如X和Y轴)驱动步进电机26b来以二维的形式进行“跳跃”，在该情况下，炉内回反射器42可以被布置成处于多个平面内、某个经预布置的图案中或者炉内的任意位置中。一个或更多个平面可以平行于炉10的底板或者可以在发出光束的特定时间处平行于光束(在这样的情况下，多个平面将相对于彼此移动预定角度或计算出的角度)。
再参照图3，在一种实施方式中，观察管12b具有近端和远端。近端被附接以从炉10的外壁12垂直伸出，穿孔16与观察管12b的内部连通。在观察管12b的远端设置有凸缘。凸缘使壳体28能够与抵接炉凸缘的引导端附接，窗21与穿孔16光学连通。以此方式，可以将光束通过穿孔16发射到炉内部并且从被定位在炉10中的至少一个炉内回反射器42反射回到穿孔16以经过窗21并且被准直透镜24收集。在这些实施方式中，多模光纤25将被配置成发射光束并且接收反射光束。
图4示出了可转向且可对准的组合投掷/抓接光学器件20的可替选实施方式。在该可替选实施方式中，透镜24光学地耦合到光纤25。透镜24在本文被称为“准直”透镜并且可以是真准直透镜(产生直径基本上不变的光束)。可替选地，准直透镜24可以是提供轻微扩展的光束25a的“近似”准直透镜。光纤25和准直透镜24以固定的关系机械地链接在一起并且能够通过由平移机构26沿与可转向且可对准的组合投掷/抓接光学器件的光学轴30垂直的正交X-Y轴的“平移”而移动。发射光束25a能够通过平移移动以到达中继透镜22的选定的部分，中继透镜22引导光束通过薄槽16并且将光束聚焦在多个炉中回反射器42中的大约一个回反射器处(如在图5至图9所示)。与上面针对图3的实施方式讨论的相似的步进电机26b(例如，如图3中所示)、计算机控制器26c(也例如如图3中所示)和“爬山”算法与平移机构26工作上相关联以提供基本上连续的对准校正，并且提供炉内回反射器42之间的“跳跃”。
参照图5，示出了耦合到其中定位有至少一个炉内回反射器42的炉10的转向和对准系统20的各种实施方式。转向和对准系统20包括多模光纤25、发射和接收光学器件24、可调节台26、噪声降低模块32、光学分路器34、可调谐二极管激光器36和检测器38。在一种实施方式中，多模光纤25、发射和接收光学器件24和可调节台26可以与上面关于例如图2A至图4所示的实施方式中的任何实施方式所描述的那样。发射和接收光学器件24也可以仅包括准直透镜而不具有中继透镜22。噪声降低模块32包括任何类型的噪声降低装置。例如，噪声降低模块32可以包括可以与多模光纤25在工作上相关联的取平均部件，以便将在多模光纤25内传播的光的模态噪声诱发信号电平变化取平均。在一种实施方式中，取平均部件32是机械振动器。其全部内容合并到本文中的WO 2011/019755描述了用于降低多模光纤中的噪声的各种系统和方法。
在一些实施方式中，取平均部件可以通过进行下述或者进行下述二者来将模态噪声诱发信号电平变化取平均：在选定的时间段内周期地变化多模光纤的折射率、扰乱多模光纤内的光分布。可以通过周期地改变多模光纤的温度来周期地改变多模光纤的折射率。通过周期地和物理地操纵多模光纤可以改变折射率或者可以扰乱多模光纤中的光分布。
在一些实施方式中，可以通过被放置成与多模光纤热连通的热元件的作用来改变多模光纤的温度。用作热元件的合适的装置包括但不限于热电模块、电阻加热器、红外加热器、化学加热器、传统制冷装置、化学制冷器、冷却到环境温度以下的流体源或者加热到环境温度以上的流体源。光学装置可以包括温度传感器例如与多模光纤热接触的热电偶以及接收来自温度传感器的输入并且控制热元件的控制器。
在描述用于周期地操纵多模光纤的设备的特征的可替选实施方式中，操纵可以包括对多模光纤进行扭转、拉伸或者抖动。压电拉伸器可以用于实现多模光纤的周期性拉伸。可替选地，电机可以用于相对于光纤的纵轴并且相对于光纤的固定部分以顺时针方向和逆时针方向交替的方式周期地扭转多模光纤的一部分。
其全部内容合并到本文中的WO 2005/103781描述了用于光学模态噪声平均的各种设备和方法，包括通过如上所述的下述中之一来周期地变化折射率：周期地变化多模光纤的温度以及通过扭转、拉伸或抖动多模光纤来周期地操纵。
再次参照图5，多模光纤25光学地耦合到发射和接收光学器件24。多模光纤25还光学地耦合到产生选定的波长的光束的可调谐二极管激光器36。在一种实施方式中，光学分路器34与多模光纤25光学地关联。光学分路器34可以是例如在电通信应用中使用的类型的空间复用器或环形器。光学分路器34的功能是对由发射和接收光学器件24接收到的来自由可调谐二极管激光器36生成的光学信号的光学信号进行分路并且将所接收到的信号的一部分传递到检测器38，检测器38通常是对由可调谐二极管激光器36生成的光的频率灵敏的光检测器。在所选实施方式中，TDLAS传感器20与燃烧炉10的一部分工作上关联，炉10的一部分包括外壁12和其中定位有至少一个炉内回反射器42的内部空间。
由可调谐二极管激光器36生成的探测光束44被定向为离开该至少一个炉内回反射器42以使得其反射回到发射和接收光学器件24，如图5中所示。由发射和接收光学器件24接收到的发射光束的一部分由多模光纤25传递到光学分路器34以便由检测器38检测。在一些实施方式中，噪声降低部件32(其可以包括取平均部件例如机械振动器)可以用于降低在多模光纤25内传播的光的模态噪声诱发信号变化(例如，通过将模态噪声诱发信号变化取平均)。
参照图6，示出了实施方式100，其中，在发射和接收光学器件241至n与炉内回反射器之间存在一一对应关系，使得来自一个发射和接收光学器件24x的光束44被发射到并反射离开该多个炉内回反射器42中的仅一个炉内回反射器以朝着所述发射和接收光学器件24x返回。以此方式，对于30个路径而言，将需要30个发射和接收光学器件241至n和30个炉内回反射器42。该多个回反射器中的每个回反射器可以被定位在炉10的网格11中以便允许针对每个网格11监视和控制燃烧。
可替选地，对图7而言，实施方式200可以利用如以上所述的转向和“跳跃”技术将光束44从一个发射和接收光学器件24x“跳跃”到多个炉内回反射器42，该多个炉内回反射器42可以被布置在单个平面内、多个平面内、预定图案中、或者炉10内的任意位置中(如上所述)。如图7中所示，在一种实施方式中，五个发射和接收光学器件241至n可以用于监视和控制30个网格炉中的燃烧过程，其中，每个网格11在其中定位有30个回反射器42中的一个回反射器。
参照图8，示出了其中多个发射和接收光学器件24(其是例如如关于图2A至图5所示出和描述的转向和对准系统20的每个部分)围绕炉10的周长的一半(例如，沿着矩形炉10的两个壁12(例如如图8中所示)或者沿着圆形或椭圆形炉(未示出)的弧)而被布置的实施方式。在一些实施方式中，回反射器42被定位在燃烧器18之间的区或网格11中。其中可使用该系统的炉的实施方式可以包括在燃烧器18之间的多排处理管50，例如如在甲烷水蒸气重整(SMR)炉中或者具有用于进行其它处理例如乙烯裂解的炉管的其它以类似方式设计的炉中所公知的那样。图11中示出了这样的炉的示意性平面图。回反射器被定位成允许对燃烧器或合适的燃烧器组的下游的并且与处理管相邻的燃烧区进行采样。每个发射和接收光学器件24被配置成使其光束44转向和“跳跃”到其被分配的区或网格11中的回反射器42中的每个回反射器。
在一些实施方式中，参照图8，沿着首先对应于区11c的最短路径测量温度或物质浓度。在这样的情况下，发射和接收光学器件24使光束44转向或“跳跃”到区或网格11c中的两个回反射器42中的每个回反射器。当在区11c中状况已知时，光束44可被定向到也使得能够在区11b中采样的回反射器42。利用对区11c状况以及包括区11b和11c中的吸收测量的吸收测量的了解，可针对区11b计算状况。当已知区11b和11c中的状况时，能够以类似的方式、通过将测量光束44定向到使得能够对区11a、11b和11c采样的回反射器来测量区11a状况。可针对实用数目的区重复该过程。光束44的转向或“跳跃”可以按任何预定的顺序，而不必从网格11c到网格11b再到网格11a。在这样的情况下，可以在进行了所有测量之后进行区状况的计算。可以以类似的方式进行由其它发射和接收光学器件24中的每个发射和接收光学器件进行的光束44的转向或“跳跃”。
转向或“跳跃”方法的一个益处在于所需要的炉穿孔的数目降低至少2倍；从而降低了设备成本。另外，单个头可以在如图8中所示的单个平面内或者对未在图7中定义的平面内的位置进行测量。由此，可获得体积空间信息。
图9示出了用于监视和控制炉10中的燃烧的各种实施方式，包括如实施方式300中所示的(平面内)1D可转向监视、如实施方式400中所示的2D可转向监视以及如实施方式500中所示的多平面可转向监视。此处，1D和2D是指从发射和接收光学器件24的视角的维度转向。对于实施方式300和实施方式400而言，发射和接收光学器件24可以布置在相对于炉10的底板的任何期望高度处，并且可以以与例如图8中所示的类似的方式绕着炉10的侧布置。对于实施方式500而言，可以绕着炉10布置1D可转向监视和/或2D可转向监视的任何组合(例如，仅布置1D可转向监视以监视相对于炉10的底板的两个或更多个预定高度处的两个或更多个平行平面；或者布置2D可转向监视以利用遍及炉10内部的基本上全部或一部分而布置的回反射器来监视炉10的不同高度区；等)。虽然图9示出了将火焰朝下发射到炉10的底板的方向朝下的一组燃烧器18，但是各种实施方式不受这样的限制，并且燃烧器18可以被定位在炉的内部的任何位置—包括：炉10底板上，其中火焰朝着炉10的顶部发射，以及炉10的一侧，其中火焰朝着炉10的相对侧发射。在一些情况下，可以使用辐射壁燃烧器，在该情况下，由安装在这些相同的壁上的燃烧器来沿着衬有耐火材料的炉壁定向火焰。这些燃烧器的目的是加热耐火材料，然后耐火材料主要通过辐射热传递来加热管。在所有这样的情况下，将优选地按如上所述的各种可能配置或者按允许监视和控制炉10中的燃烧过程的任何配置来尽可能地在燃烧器18的火焰的大致下方(例如，在炉的相对于燃烧器的相对侧)布置回反射器。
使用回反射器42的优点包括需要较少的路径，由此避免了在紧密封装的炉中的倾斜路径的复杂性。另外，用于测量每个单元的激光束44必须传播出去并返回，由此使路径长度加倍(“两次经过激光路径”)并且增大了吸收信号强度。较强的吸收信号降低了噪声源例如模态、标准具和检测器噪声的有害影响。此外，可以获得“自对准激光路径”。换言之，根据定义，炉中的回反射目标将入射激光重定向为朝着源返回，其中传感器头收集返回光并将该返回光发送到光学检测器上。传感器头需要使发射光束指向回反射器，但是之后，不需要额外的对准。上面所讨论的自动对准过程将使光束与回反射器中的一个对准。
为了在通常可达到接近炉气体出口的1000℃到1300℃的温度的炉内有效地使用，炉内回反射器必须能够承受这些高温度，并且能够承受氧化环境。不仅需要在该环境内能够生存的光学器件，还可能需要安装或者超结构元件来将光学器件保持就位。
可能适用于炉内回反射器的两种潜在材料包括熔点为2030℃的蓝宝石和熔点为1670℃至1713℃的石英。因此，蓝宝石和石英二者均可承受炉的高温。作为氧化物，蓝宝石和石英二者在氧化环境中是稳定的。其它材料也可以工作，但是可能需经受成本和可获得性问题。
除了用于回反射器的材料以外，还存在各种要考虑的类型。例如，在一些实施方式中，可以使用角立方回反射器—经典回反射器元件。由包括蓝宝石的标准光学材料制成的角立方在商业上广泛地可获得。角立方利用了元件后侧的全内反射的优点，使得其后向反射效率非常高。角立方不具有光焦度，所以进入立方的发散光束作为具有相同发散的光束退出。因此，当入射在角立方上的光束被准直(平面波照射)时，回到源的最高回反射效率发生。
在另一种实施方式中，可以使用猫眼回反射球。折射率为2.0的球也回反射入射光束。来自准直照射光束的光线在球的后表面上形成焦斑，其中这些光线的一部分沿着与入射光线相同的角度反射回。光学质量球通常比相当大小的回反射器成本低。
与角立方相比，猫眼回反射器的一个缺点是总反射率较低。与角立方中不同，从猫眼的后表面反射的光不被全内反射。猫眼的后表面的反射率取决于材料的折射率但是将在4％至8％的范围内。在较低温度应用中，根据一些实施方式，部分反射涂层例如金可以应用于球以提高其后向反射率。
根据一些实施方式，可以使用较小回反射器的阵列，而不是被定位在炉的内部的特定位置处的单个大回反射器。用于回反射单个光束44的回反射器阵列42’将倾向于表现得更像相共轭反射镜。也就是说，不管照射光束是准直的、发散的还是会聚的，回反射光束都将倾向于沿其入射路径折回到源。因此，发散源光束将被回反射为朝着源向后会聚的光束。此外，较小回反射元件在反射时将贡献于更多的散射。此外，每个回反射元件将在反射光束上产生干涉图案。该干涉图案在波长扫描TDLAS信号中将被观察为强度条纹。单个大回反射器将被预期具有大的、轮廓分明的条纹，因为干涉波的数目将是小的。另一方面，小回反射器的阵列将产生多得多的干涉波，并且TDLAS信号中的所得条纹可能具有较小幅度、在时间上较不固定并且较易于通过信号取平均和模式扰乱来消除。另外，对于固定的回反射器表面面积而言，较小元件的阵列可能比单个大元件成本低。
在一些实施方式中，替代被定位在可能被期望监视和/或控制燃烧过程的炉内的分立位置处的分立回反射器或阵列回反射器中的每一种，可以使用包括分立小回反射器元件的阵列的一个或更多个跨式回反射表面，其中每个跨式回反射表面中的两个或更多个回反射表面可以覆盖可能被期望监视和/或控制燃烧过程的炉内的第一位置、第二位置、第三位置等。对于这样的跨式回反射表面而言，运动学台将被配置成使光束从位于第一位置的一个回反射表面“跳跃”到位于第二位置的另一个回反射表面等。
根据一些实施方式，关于回反射器的安装，可以使用安装超结构。对于安装超结构而言，陶瓷可能是最佳材料，因为它们能够承受高温和氧化环境二者。陶瓷可被加工或模制和烧制成期望的形状。陶瓷超结构可形成有多个槽或其它特征以捕捉和保持回反射器光学器件。根据一种实施方式，虽然粘合剂将不能承受炉温度，但是蓝宝石或石英光学器件可以被熔接到陶瓷安装结构。可替选地，根据另一种实施方式，光学器件可被捕捉/保持在形成在陶瓷中的槽或其它特征中。
可替选地，根据一种实施方式，可以使用镍铬线。普通的镍铬合金包括80％的镍和20％的铬，熔点约为1400℃，并且由于氧化铬的保护层而相对抗氧化。在一种实施方式中，回反射光学器件的阵列通过所述光学器件中的孔(像串上的珠子)或者通过创建线笼以捕捉每个元件来被线连接在一起。然后，镍铬线可被拴系到炉上的安装特征中或者拴系到陶瓷安装件。根据一些实施方式，对于其中废气出口52位于炉的底部(参见图12)的下燃烧炉而言，诸如装配到底板中的对应孔中的陶瓷销的保持特征被设置用于将回反射器安装在炉的底部或底板上。通常，由于期望将激光路径定位在燃烧刚好完全的位置，所以该布置将良好地工作。在其中使用上燃烧或侧燃烧炉的可替选实施方式中，回反射器安装件可以与燃烧器相对地定位，该位置典型地定位有废气出口，使得激光路径位于燃烧刚好完全的位置。在辐射壁燃烧器的情况下(其中，在非常靠近其上安装有燃烧器的壁的位置，燃烧是完全的)，因为火焰被定向为沿平行于壁的方向径向向外，网格可以近耦合到燃烧器壁。
参照图10，示出了说明用于针对炉的内部的区监视和计算燃烧特性的实施方式600的流程图。在步骤605中，通用计算机或特定于应用的计算机可以用于确定被定位在特定炉的内部的所有回反射器的位置。这可以例如通过访问其上存储有回反射器的位置的数据库来完成。可替选地，扫描光束可用来扫描炉的内部，其中当检测到反射光束(例如，后向反射光束或者反射到单独的检测器的光束)时确定回反射器的位置。在步骤610中，计算机将指令发送到电机驱动器26c以驱动步进电机26b以使台26a倾斜以便将光束“转向”到回反射器42中的一个回反射器(单个大回反射器，或较小回反射元件的阵列)。可以进行如上所述的自动对准以便确保从回反射器42反射的最佳信号。在步骤615中，计算机存储并处理与来自回反射器42的反射光束对应的来自检测器的TDLAS信号。在步骤620中，计算机将指令发送到电机驱动器26c以驱动步进电机26b以使台26a倾斜以便使光束“跳跃”到炉的预定区中的其它回反射器42中的每个回反射器。此时还可以进行自动对准。在步骤625中，计算机存储并处理与来自区中的所有回反射器42的反射光束对应的来自检测器的TDLAS信号。
在步骤630中，针对为其分配该特定发射/接收光学器件的其它区中的每个区重复步骤620至625。在步骤635中，计算机以与上面针对图8所述的类似的方式、考虑针对其它区的计算来针对每个区计算燃烧特征。随后，可以针对每个发射/接收光学器件重复步骤605至635。用于控制计算机的软件可以存储在任何可记录介质包括但不限于软盘、闪存驱动器、数据库、服务器、SD存储驱动器、硬盘驱动器上。
在上文中，虽然在炉中可以使用典型的回反射器(包括但不限于角立方、猫眼或者其它类型的回反射器等)，但是也可以使用光学反射镜或阵列或小光学反射镜来将光束反射回到源光学器件或者反射回到安装在炉的壁的外部上的不同的光学器件。然而，这样的实施方式可能比使用单个发射/接收光学器件和回反射器的实施方式在对准待从反射镜指向接收光学器件的发射光束方面更难。
公开内容的各种实施方式还可以包括权利要求中列举的各种实施方式的置换，只要每个从属权利要求是包含在先的从属权利要求以及独立权利要求中的每个权利要求的限制的多个从属权利要求即可。这样的置换明显地在本公开内容的范围内。
虽然参照许多实施方式具体地示出并描述了发明，但本领域的技术人员应当理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以对本文所公开的各种实施方式进行形式和细节的变化，并且本文中所公开的各种实施方式不意在作为权利要求的范围的限制。本文所引用的所有参考文件的全部内容通过参考而被并入。

Claims (32)

1.一种监视燃烧炉的内部的燃烧特性的方法，所述方法包括：
在所述炉的壁中设置至少一个穿孔；
在所述炉的内部设置至少两个回反射表面；
投射光束使之通过处于所述炉的内部之外的包括准直透镜的光学器件，所述准直透镜光学地耦合到所述至少一个穿孔以将光束朝着所述至少两个回反射表面中的第一回反射表面投射到所述炉的内部；
利用所述光学器件接收来自所述第一回反射表面的光束；
基于所接收到的来自所述第一回反射表面的光束来测量所述燃烧特性；
将光束通过所述光学器件转向到所述至少两个回反射表面中的第二回反射表面；
利用所述光学器件接收来自所述第二回反射表面的光束；以及
基于至少所接收到的来自所述第二回反射表面的光束来测量所述燃烧特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少两个回反射表面中的每个回反射表面由选自于包括蓝宝石和石英的组的材料制成。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少两个回反射表面中的每个回反射表面是以下中的至少一种：单个大回反射器；或较小回反射器元件的阵列。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少两个回反射表面包括以下中的至少一种：角立方回反射光学器件；或猫眼回反射球。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一回反射表面和所述第二回反射表面是包括分立回反射器的阵列的单个回反射表面的第一部分和第二部分，并且其中，从所述第一回反射表面到所述第二回反射表面的转向是从所述单个回反射表面的所述第一部分到所述单个回反射表面的所述第二部分的转向。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述炉的内部设置用于安装每个回反射表面的安装结构，所述安装结构被定位在所述炉的与所述炉的内部的火焰发射燃烧器所位于的一侧相对的一侧，其中，所述至少两个回反射表面中的每个回反射表面被配置成被固定到安装结构。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，每个安装结构包括具有多个槽的陶瓷安装结构，所述回反射表面中的每个回反射表面被保持在所述槽中。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，使用镍铬线来将所述至少两个回反射表面中的每个回反射表面固定到安装结构。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述炉包括顶板和底板，所述顶板和所述底板基本上垂直于所述炉的壁，并且其中，火焰发射燃烧器被安装到所述顶板，而所述安装结构被安装到所述底板。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述炉的内部设置所述至少两个回反射表面包括将多个回反射器布置在单个平面内、多个平面内、或者经预布置的图案中。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述单平面配置和所述多平面配置中的每个平面垂直于所述炉的壁或者平行于被投射从而通过所述光学器件的光束。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，将光束通过所述光学器件转向包括使所述光学器件绕着与所述至少一个穿孔的光学轴垂直的两个正交轴中的至少一个正交轴倾斜。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，接收光束包括将光束接收于多模光纤中，并且其中，测量所述燃烧特性包括通过将在所述多模光纤内传播的光的模态噪声诱发信号电平变化取平均来对噪声进行滤波。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，设置所述至少两个回反射表面包括设置被定位在所述炉的内部以监视所述炉内的多个燃烧区的多个回反射器，其中，投射光束包括朝着所述多个回反射器中的每个回反射器投射光束，并且其中，测量所述燃烧特性包括通过考虑对从每个区反射并接收到的光束的测量来计算所述燃烧特性。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光学器件还包括处于所述炉的内部之外的中继透镜，所述中继透镜光学地耦合到所述准直透镜并且光学地耦合到至少一个穿孔以将光束朝着所述至少两个回反射表面中的所述第一回反射表面和所述第二回反射表面中的每个回反射表面投射到所述炉的内部。
16.一种用于感测燃烧炉的内部的燃烧特性的设备，所述设备包括：
二极管激光器，所述二极管激光器具有选定的激光频率；
准直透镜，所述准直透镜光学地耦合到由所述二极管激光器生成的光束，所述准直透镜被配置成将来自所述二极管激光器的光束投射到所述炉的壁中的穿孔中；
至少两个回反射表面，所述至少两个回反射表面被定位在所述炉的内部，并且每个回反射表面被配置成将来自所述准直透镜的光束反射回到所述准直透镜；
运动学倾斜台，所述运动学倾斜台包括至少一个步进电机、电机驱动器以及耦合到至少所述准直透镜的台，其中，所述至少一个步进电机被配置成使所述台绕着与第一穿孔的光学轴垂直的两个正交轴中的至少一个正交轴倾斜，以便将光束从所述至少两个回反射表面中的第一回反射表面转向到所述至少两个回反射表面中的第二回反射表面；以及
检测器，所述检测器对所述选定的激光频率灵敏，所述检测器光学地耦合到所述准直透镜。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述穿孔包括以下穿孔中的一种：圆形穿孔；以及与合并在所述炉的壁中的由多个金属膜分隔的多个平行蒸汽管平行地伸长的穿孔。
18.根据权利要求16所述的设备，其中，所述至少两个回反射表面中的每个回反射表面由选自于包括蓝宝石和石英的组的材料制成。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述至少两个回反射表面中的每个回反射表面是以下中的一种：单个大回反射器；以及较小回反射器元件的阵列。
20.根据权利要求18所述的设备，其中，所述至少两个回反射表面包括以下中的至少一种：角立方回反射光学器件；以及猫眼回反射球。
21.根据权利要求16所述的设备，其中，所述第一回反射表面和所述第二回反射表面是包括分立回反射器的阵列的单个回反射表面的第一部分和第二部分，并且其中，从所述第一回反射表面到所述第二回反射表面的转向是从所述单个回反射表面的所述第一部分到所述单个回反射表面的所述第二部分的转向。
22.根据权利要求16所述的设备，还包括被设置在所述炉的内部的安装结构，所述安装结构被定位在所述炉的与所述炉的内部的火焰发射燃烧器所位于的一侧相对的一侧，其中，所述至少两个回反射表面中的每个回反射表面被配置成被固定到安装结构。
23.根据权利要求22所述的设备，其中，所述至少一个安装结构包括具有多个槽的陶瓷安装结构，所述回反射表面中的每个回反射表面被保持在所述槽中。
24.根据权利要求22所述的设备，其中，所述至少两个回反射表面中的每个回反射表面经由镍铬线被固定到所述至少一个安装结构。
25.根据权利要求22所述的设备，其中，所述炉包括顶板和底板，所述顶板和所述底板基本上垂直于所述炉的壁，并且其中，所述火焰发射燃烧器被安装到所述顶板，而所述安装结构被安装到所述底板。
26.根据权利要求16所述的设备，其中，所述至少两个回反射表面包括被布置在单个平面内、多个平面内、或者经预布置的图案中的多个回反射器。
27.根据权利要求26所述的设备，其中，所述单平面配置和所述多平面配置中的每个平面垂直于所述炉的壁或者平行于被投射从而通过所述光学器件的光束。
28.根据权利要求16所述的设备，其中，所述至少一个步进电机包括第一步进电机和第二步进电机，所述第一步进电机被配置成使所述台绕着与所述穿孔的光学轴垂直的所述两个正交轴中的一个正交轴倾斜，所述第二步进电机被配置成使所述台绕着所述两个正交轴中的另一个正交轴倾斜。
29.根据权利要求16所述的设备，还包括多模光纤，所述多模光纤光学地耦合到所述准直透镜和所述检测器、并且被配置成接收来自所述准直透镜的反射光束并将反射光束发射到所述检测器。
30.根据权利要求29所述的设备，还包括噪声降低部件，所述噪声降低部件被配置成通过将在所述多模光纤内传播的光的模态噪声诱发信号电平变化取平均来对噪声进行滤波、并将经滤波的信号输出到所述检测器。
31.根据权利要求16所述的设备，其中，所述至少两个回反射表面包括被定位在所述炉的内部以便监视所述炉内的多个燃烧区的多个回反射器，其中，所述准直透镜朝着所述多个回反射器中的每个回反射器投射光束，并且其中，所述检测器通过考虑对从每个区反射并接收到的光束的测量来计算所述燃烧特性。
32.根据权利要求16所述的设备，还包括光学地耦合到所述准直透镜和所述穿孔的中继透镜，所述中继透镜被配置成将来自所述二极管激光器的光束通过所述准直透镜和所述穿孔投射到所述至少两个回反射表面、并接收来自所述至少两个回反射表面中的每个回反射表面的反射光束并将反射光束发射到所述检测器。
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