专利名称：紫外线火焰检测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种火焰检测系统，具体的说是涉及一种用于检测火焰紫外辐射 的火焰检测系统。
技术背景 火焰检测系统中，当被检锅炉中的目标火焰在燃烧或熄灭状态时，锅炉火焰检测 探头输出的电信号强度应该有明显的区别，这样有助于锅炉火焰信号放大器准确的识别被 检目标火焰的状态。传统的锅炉火焰检测探头一般为红外线火焰检测探头。由于气体燃料燃烧时比较干净、明亮，火焰边沿没有像煤粉或燃油燃烧时产生的 烟尘，而这种烟尘能够有效地吸收火焰的红外辐射。当使用气体燃料的锅炉在进行火焰检 测时，被检的目标火焰熄灭后，由于其他正在燃烧的火焰不产生烟尘，这些火焰的红外辐射 没有被有效地吸收，因此，如果利用接收红外辐射的红外线火焰检测探头检测燃气锅炉的 气体火焰，虽然目标火焰的红外辐射没有了，但仍然能检测到背景火焰的红外辐射(如对 面火焰的红外辐射等)，且这些背景火焰的红外辐射能量与目标火焰燃烧时的能量相当，造 成目标火焰熄灭前后，火焰检测探头输出的信号强度没有明显的区别，使得锅炉火焰信号 放大器无法识别被检目标火焰已经熄灭，从而产生“偷看”现象。另外，传统的火焰检测系统中，通常采用火焰信号放大器对所接收的目标火焰电 信号进行如下处理1.去除被检目标火焰电信号中的直流成分；2.将被检目标火焰电信号中的交流成分转换为绝对值；3.将该绝对值乘以一个设定的系数后作为被检目标火焰相对强度值输出；4.将该相对强度值与已设定的燃烧和熄灭值比较，判断并输出被检目标火焰燃烧 或熄灭状态信号。然而，由于锅炉内背景火焰辐射会在不同程度上对被检目标火焰电信号产生除特 征频率外的其他频率的干扰信号，如果简单地将含有背景火焰辐射干扰的被检目标火焰电 信号的交流成分转换为绝对值，从而计算出的被检目标火焰相对强度值有时会出现误差， 被检目标火焰的燃烧或熄灭状态有时会出现误判。因此，上述的被检目标火焰电信号处理 方法存在一定的缺陷。
发明内容本实用新型的目的是提供一种紫外线火焰检测系统，将目标火焰辐射的紫外线能 量转变为电信号输出，并对输出的电信号进行调理和频谱分析，从而更准确有效地检测目 标火焰燃烧或熄灭的状态信号，避免误检情况的发生。本实用新型为了达到上述目的，所采取的技术方案是提供一种紫外线火焰检测系统，包括紫外线火焰检测探头，与紫外线火焰检测探 头相连接的火焰信号处理系统，所述火焰信号处理系统包括与紫外线火焰检测探头相连接的模数转换电路，与模数转换电路相连接的数字信号处理器。 进一步，所述火焰检测探头包括依次设置于同一光路上的聚光透镜，紫外透光片 和紫外光电探测器。所述紫外光电探测器包括紫外光电传感器，与紫外光电传感器相连接的电流电压 转换电路，与电流电压转换电路相连接的隔直电路，与隔直电路相连接的电压信号放大电 路，与电压信号放大电路相连接的低通滤波电路，所述低通滤波电路的输出端与火焰信号 处理系统中的模数转换电路相连接。所述火焰信号处理系统中的数字信号处理器包括与模数转换电路相连接的低通 数字滤波�？椋氲屯ㄊ致瞬ㄆ飨嗔拥钠灯追治瞿？椋肫灯追治瞿？橄嗔拥幕鹧� 判断�？�。本实用新型紫外线火焰检测探头的优点是 如上述的结构，本实用新型采用紫外线火焰检测探头来针对目标火焰中的紫外 辐射进行检测，由于气体燃料在燃烧时，会在其火焰边沿产生一层水蒸汽，这层水蒸汽能够 有效地吸收火焰的紫外线辐射。因此，选用紫外线火焰检测探头检测气体燃料燃烧的目标 火焰时，当目标火焰熄灭时，虽然背景火焰仍在燃烧，但由于水蒸气的吸收作用，紫外线火 焰检测探头检测到背景火焰信号能量低于目标火焰燃烧时的信号能量，即紫外线火焰检测 探头在火焰燃烧或熄灭时输出的信号强度有明显的区别，从而避免了“偷看”现象的发生。 如上述的结构，本实用新型采用火焰信号处理系统将采集到的模拟火焰信号转 换成数字信号并进行处理，利用被检目标火焰闪烁特征频率的特殊性，通过数字信号处理 技术可以将目标火焰采样而来的时域信号，转换为频域信号，通过频域信号的振幅分布与 标准火焰分布对比来判断火焰的有无，大大提高了火焰检测系统抗背景火焰干扰的能力， 相对火焰强度及火焰燃烧或熄灭状态的输出更加准确、可靠。
图1是本实用新型紫外线火焰检测系统一实施例的结构示意图；图2是本实用新型紫外线火焰检测系统中紫外线火焰检测探头一实施例的结构 示意图；图3是本实用新型紫外线火焰检测系统中紫外光电探测器一实施例的电原理图；图4是本实用新型紫外线火焰检测系统中火焰信号处理系统一实施例的结构示 意图；图5是本实用新型紫外线火焰检测系统中火焰信号处理系统一实施例的电原理 图；图6是本实用新型紫外线火焰检测系统中火焰信号处理系统一实施例的工作流 程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例进一步说明本实用新型紫外线火焰检测系统的结构特征。图1是本实用新型紫外线火焰检测系统一实施例的结构示意图。如图1所示，本 实用新型紫外线火焰检测系统，包括紫外线火焰检测探头1，与紫外线火焰检测探头1相连接的火焰信号处理系统2，所述火焰信号处理系统2包括与紫外线火焰检测探头1相连接的 模数转换电路21，与模数转换电路21相连接的数字信号处理器22。进一步，所述火焰检测探头1包括依次设置于同一光路上的聚光透镜11，紫外透 光片12和紫外光电探测器13。所述紫外光电探测器13包括紫外光电传感器131，与紫外光电传感器131相连接 的电流电压转换电路132，与电流电压转换电路132相连接的隔直电路133，与隔直电路133 相连接的电压信号放大电路134，与电压信号放大电路134相连接的低通滤波电路135，所 述低通滤波电路135的输出端与火焰信号处理系统2中的模数转换电路21相连接。所述火焰信号处理系统还包括数字信号处理器相连接的存储器23、译码器24和 I/O接口电路25。所述火焰信号处理系统2中的数字信号处理器22包括与模数转换电路21相连接 的低通数字滤波�？�221，与低通数字滤波器221相连接的频谱分析�？�222，与频谱分析 �？�222相连接的火焰判断�？�223。图2是本实用新型紫外线火焰检测系统中紫外线火焰检测探头1 一实施例的结构 示意图。如图2所示，在检测火焰时，紫外线火焰检测探头1中的聚光透镜11 (在本实例中， 采用石英透镜)对准锅炉目标火焰，将目标火焰辐射光线聚集起来；将紫外透光片12的透光面垂直放置于所述聚光透镜11聚集光线的光路上，使聚 集光线全部照射在所述的紫外透光片12的透光面上，由于紫外透光片12具有很高的紫外 线透光率和很低的其他光的透光率，使得目标火焰辐射的光线在通过紫外透光片12后，保 留的主要是紫外频谱的光线，而其他频谱的辐射光线能量被大幅降低。经过紫外透光片12滤光的光线进入紫外光电探测器13中的紫外线光电传感器 131，所述紫外线光电传感器131的传感面垂直于所述透镜的光路并位于所述聚光透镜11 的聚焦点上，由于紫外线光电传感器13对紫外频谱的光线有较高的响应率(即接收紫外辐 射光线能转换出较大的电流)，而对紫外频谱以外的光线响应率非常低(即接收其他频段 的光线转换的电流极弱)，因此，经过紫外线光电传感器131转换后的电流信号频率与目标 火焰紫外辐射光线的闪烁频率相同，强度与目标火焰紫外辐射光线强度成正比。所述紫外光电探测器13包括紫外光电传感器131，与紫外光电传感器131相连接 的电流电压转换电路132，与电流电压转换电路132相连接的隔直电路133，与隔直电路133 相连接的电压信号放大电路134，与电压信号放大电路134相连接的低通滤波电路135，所 述低通滤波电路135的输出端与火焰信号处理系统2中的模数转换电路21相连接。在本实施例中，聚光透镜11，紫外透光片12和紫外光电探测器13被装在一个密闭 的外壳(图中为画出)内，聚光透镜11被装在外壳上。锅炉目标火焰辐射的紫外光线通过 聚光透镜11和紫外透光片12投射到紫外光电探测器13中的紫外光电传感器131感光面 上，被转换为微弱的电流信号。所述的紫外光电探测器13焊接在一块电路板上(如图1所 示)，其中紫外光电传感器131焊接在电路板背面，电流电压转换电路132、隔直电路133、电 压信号放大电路134和低通滤波电路135设置在电路板的正面，由电路板上的电路处理目 标火焰紫外辐射转换的电信号。图3是本实用新型紫外线火焰检测系统中紫外光电探测器一实施例的电原理图。 在本实施例中，紫外线光电传感器131是光电二极管UlOO。光电二极管UlOO转换出的电流信号通过由运算放大器U101B、电阻RlOO和电容C108构成的电流电压转换电路132，将微 弱的电流信号转换为电压信号，输出给隔直电路133。图2中电容CllO和电阻R102构成隔 直电路133，滤除信号中直流分量，并输出给电压信号放大电路134。 在本实施例中，电压信号放大电路134采用2级同相放大电路的结构，它包括由运 算放大器UlO 1A、电阻R103、电阻R104和电容Cl 16构成的第1级同相放大电路，由运算放 大器U102A、电阻R105、电阻R106、电阻R107和电容Clll构成的第2级同相放大电路。隔 直电路133输出的交流信号依次经过第1级同相放大电路和第2级同相放大电路进行信号 放大，输出给低通滤波电路135。在本实施例中，低通滤波电路135采用2级有源低通滤波的结构，它包括由运算放 大器U102B、电阻R108、电阻R109、电阻R110、电阻Rlll电容C112和电容C113构成的第1 级有源低通滤波电路，由运算放大器U102C、电阻Rl 12、电阻Rl 13、电阻Rl 14电阻Rl 15、电 容C114和电容C115构成的第2级有源低通滤波电路，根据火焰检测中的信号特点，所述第 1级有源低通滤波电路和第2级有源低通滤波电路的通带截止频率选为200Hz，通过低通滤 波电路135的2级有源低通滤波，可以将信号中由电缆连线引入的高频干扰滤除，将信号 中的高频干扰信号衰减-40分贝，滤波后的信号通过由运算放大器U102D、电阻R116、电阻 R117、电阻R119和电阻R120构成同相放大输出电路输出给火焰信号处理系统2中的模数 转换电路21。图4是本实用新型紫外线火焰检测系统中火焰信号处理系统的结构示意图。如图 4所示，所述火焰信号处理系统2包括模数转换电路21和与模数转换电路21相连接的数字 信号处理器22。所述数字信号处理器22包括与模数转换电路21相连接的低通数字滤波模 块221，与低通数字滤波器221相连接的频谱分析�？�222，与频谱分析�？�222相连接的 火焰判断�？�223。火焰信号处理系统2中的模数转换电路21接收到从紫外线火焰检测探头1输出 的火焰紫外辐射的模拟信号，对模拟信号进行数字采样，输出数字信号给低通数字滤波模 块221，由低通数字滤波�？�221对数字信号进行低通滤波，根据火焰闪烁的特性，滤除信 号中的高频干扰部分，传输给频谱分析模块222进行频谱分析，将采集到的时域分布的火 焰信号转换成频域信号，得到火焰信号在频域上的强度(振幅)分布，并根据与预先设置 的火焰闪烁特征频率选取相应频率上的信号振幅输出给火焰判断�？�223，火焰判断�？� 223将得到的振幅值分别与设置的火焰熄灭振幅值和火焰燃烧振幅值进行比较，判断目标 火焰燃烧或者熄灭，并输出状态信号。图5是本实用新型紫外线火焰检测系统中火焰信号处理系统2 —实施例的电原 理图。如图5所示，紫外线火焰检测探头1采集到的模拟信号从火焰信号处理系统2的 FLAME-IN端输入，由电容C200和电阻R200组成的隔直电路对输入信号进行隔直处理，滤除 信号中直流分量，并输出给后级的2级同相放大电路。在图5中，电容C201起滤除信号中 的高频干扰作用，瞬态电压抑制管D200起抑制连接电缆可能引入的瞬态高电压作用。经隔直处理的信号经过运算放大器U200D、电阻R201、电阻R202、构成的第1级同 相放大电路和运算放大器U200C、电阻R203、电阻R204和电阻R205构成的第2级同相放大 电路进行信号放大，输出给2级有源低通滤波电路。电容C202起滤除信号中的高频干扰作 用。[0043]由运算放大器U200B、电阻R206、电阻R207、电阻R208、电阻R209、电容C203、电容C204构成的第1级有源低通滤波电路，和由运算放大器U200A、电阻R210、电阻R211、电阻 R212、电阻R213、电容C205和电容C206构成的第2级有源低通滤波电路依次对接收到的信 号进行低通滤波，经过滤波的信号输出给模数转换电路21。在本实施例中，有源低通滤波电 路的通带截止频率设定为200Hz。在图5中，电阻R214为滤波电路输出负载，电容C207和 电容C208为运算放大器U200A的电源滤波电容。由AD集成芯片U202、电阻R217、电阻R218、电容C212、电容C213、电阻R219和电 阻R220构成的模数转换电路21对输入的模拟信号进行数字采样，将采样后的数字信号输 出给电容C214、电感L200电容C215和电容C216起AD集成芯片U202的电源滤波作用。在本实施例中，模数转换电路21中AD集成芯片输入的被转换模拟量信号范围 为-IOV +10V，转换后输出16位数字信号。由于锅炉火焰闪烁的特征频率一般低于 200Hz，根据采样定理原则，模数采样的采样频率fο设置为768Hz，AD集成芯片连续取样256 点，将256点取样得到的数字信号输出给数字滤波�？榻写�。模数转换电路21输出的数字信号通过低通数字滤波器221进行数字滤波，进一步 滤除电路中产生的干扰信号，提高信号质量。在本实施例中，为了不产生“混叠”失真，低通 数字滤波器221的通带截止频率选定为200Hz。经低通数字滤波器221滤波后的信号通过频谱分析�？�222进行频谱分析，将时 域分布的数字采样信号转换成频域上的信号强度(振幅)分布，并根据预先设置的火焰闪 烁特征频率选出与特征频率相同频率上的信号强度(振幅)，将得到的振幅值作为目标火 焰的相对强度值输出给火焰判断�？�223。火焰判断�？�223将频谱分析�？�222输出的目标火焰的相对强度值与预先设 置的火焰熄灭振幅值和火焰燃烧振幅值进行比较，判断被检目标火焰燃烧或熄灭状态并输
出ο在本实施例中，所述低通数字滤波器221，频谱分析�？�222和火焰判断�？�223 是采用TI公司生产的DSP芯片TMS320VC5402PGE来实现的，该DSP芯片基于先进的、经过 优化的哈佛结构，有1条程序存储器总线和三条各自独立的数据总线，其指令周期为10ns， 运算能力为100MIPS，有1个40位的算术逻辑单元，2个40位的累加器，有1个17X17位的 乘法器和1个40位的加法器，可以在单个周期内完成1次乘法及1次累加运算。这些优良 的运算性能确保了本实用新型火焰检测系统中该DSP芯片作为数字信号处理器22的控制 核心，所述低通数字滤波器221，频谱分析�？�222和火焰判断模块223均以数字信号处理 �？榈男问街糜贒SP芯片中。需要说明的是，本实施例仅就数字信号处理器22应用于火焰检测系统中进行信 号处理的特点，采用在DSP芯片中以数字信号处理�？榈男问绞迪值屯ㄊ致瞬ㄆ�221，频 谱分析模块222和火焰判断�？�223的功能，上述实施方式仅是本实用新型提供的一较佳 实施例，在实际使用中，根据本实用新型揭示的技术方案，完全可以采用其他专用设备作为 低通数字滤波器221，频谱分析�？�222和火焰判断�？�223。例如，可以采用CF-3600便 携式FFT分析仪(或其他类似FFT分析仪)进行数字滤波和频谱分析，并通过比较电路判 断火焰有无的输出。如图5所示，DSP芯片U1B(U1B只画出了所述DSP芯片的其中一部分管脚)的DO-D15信号、AO-A19信号、PS、DS、IS、MSTRB, IOSTRB和R/W等信号根据连接电路的要求，分别与存储器23、译码器24和I/O接口电路25相连接。同时，D0-D15信号与所述的AD集 成芯片U202相连，控制AD集成芯片并读取AD取样值。本实施例中，所述存储器23是由FLASH和SRAM构成的存储器电路。所述译码器 24是由FPGA构成的译码器。所述I/O接口电路25为人机界面，上位机通讯等应用提供接
口转换。图6是本实用新型紫外线火焰检测系统中火焰信号处理系统一实施例的工作流 程图。如图6所示，本实施例中火焰信号处理系统2的工作流程如下本实施例中，通过定时中断的手段保证采样频率，由于模数采样的采样频率fo设 置为768Hz，因此定时器相应的设置为(1/768)秒中断一次。DSP运行后每1/768秒进入一次如图4所示的流程首先选通AD芯片，读取AD转 换值。然后将读取的AD转换值存入存储器。每存储完一次AD转换值，需要判断是否已经进行了 256次取样，如果还未完成256 次取样，则再次启动AD转换，准备下一个1/768秒后再进入，然后退出本次程序；如果已经 进行了 256次取样，则进入下一步骤，开始对已经得到的256个取样值进行数字低通滤波和 频谱分析。本实施例中，所述低通数字滤波器221采用置于DSP中的无限冲激响应(IIR)数 字滤波�？槲�256个取样值进行数字低通滤波，滤波通带截止频率为200Hz。上述256个取样值通过数字低通滤波后进行FFT (快速傅里叶变换)计算，得到取 样信号的频谱x(k)，其中，k为频率次数，频谱X(k)为复数形式。本实施例中，由于选用取 样频率fo = 768Hz，取样数N = 256，所以频率分辨率F = 3Hz。根据预先设置在火焰判断�？�223中的火焰闪烁特征频率fs，从得到的频谱X (k) 中选出与设定的特征频率相同频率的频谱值xog，其中= fs/F，计算出特征频率点的振 幅值|X(kq) I，作为被检目标火焰的相对火焰强度值输出。本实施例中，所述火焰闪烁特征 频率fs可以通过与DSP芯片相连接的I/O接口电路25从外接的人机接口输入和修改。输出的振幅值|X(kq) I与火焰判断�？�223中预先设定的火焰熄灭振幅值作比 较，若|X(kq) I值小于设定的火焰熄灭振幅值，则置被检目标火焰为火焰熄灭状态，否则再 用所述的|X(kq) I与火焰判断�？�223中预先设定的火焰燃烧振幅值作比较，若|X(kq) 值大于设定的火焰燃烧振幅值，则置被检目标火焰为火焰燃烧状态。本实施例中，所述火焰 熄灭振幅值和火焰燃烧振幅值可以通过与DSP芯片相连接的I/O接口电路25从外接的人 机接口输入和修改。根据上述判断流程，若所述的|X(kq) I值大于设定的火焰熄灭振幅值、小于设定 的火焰燃烧振幅值时火焰状态保持上一次设定不变，这样使火焰状态的变化具有滞回特 性，能够有效滤除判断阈值附近扰动的一些干扰信号，提高火焰判断的准确度。经过上述比较后，准备下一个256次取样，退出本程序。
权利要求紫外线火焰检测系统，其特征在于包括紫外线火焰检测探头，与紫外线火焰检测探头相连接的火焰信号处理系统，所述火焰信号处理系统包括与紫外线火焰检测探头相连接的模数转换电路，与模数转换电路相连接的数字信号处理器。
2.如权利要求1所述的紫外线火焰检测系统，其特征在于所述火焰检测探头包括依次 设置于同一光路上的聚光透镜，紫外透光片和紫外光电探测器。
3.如权利要求2所述的紫外线火焰检测系统，其特征在于所述紫外光电探测器包括紫 外光电传感器，与紫外光电传感器相连接的电流电压转换电路，与电流电压转换电路相连 接的隔直电路，与隔直电路相连接的电压信号放大电路，与电压信号放大电路相连接的低 通滤波电路，所述低通滤波电路的输出端与火焰信号处理系统中的模数转换电路相连接。
4.如权利要求1所述的紫外线火焰检测系统，其特征在于所述火焰信号处理系统还包 括数字信号处理器相连接的存储器、译码器和I/O接口电路。
5.如权利要求1所述的紫外线火焰检测系统，其特征在于所述火焰信号处理系统中的 数字信号处理器包括与模数转换电路相连接的低通数字滤波�？椋氲屯ㄊ致瞬ㄆ飨嗔� 接的频谱分析�？椋肫灯追治瞿？橄嗔拥幕鹧媾卸夏？�。
6.如权利要求5所述的紫外线火焰检测系统，其特征在于所述低通数字滤波器采用无 限冲激响应(IIR)数字滤波器。
7.如权利要求5所述的紫外线火焰检测系统，其特征在于所述频谱分析�？橹猩柚糜� 火焰闪烁特征频率值。
8.如权利要求5所述的紫外线火焰检测系统，其特征在于所述火焰判断�？橹猩柚糜� 火焰熄灭振幅值和火焰燃烧振幅值。
专利摘要紫外线火焰检测系统，包括紫外线火焰检测探头，与紫外线火焰检测探头相连接的火焰信号处理系统，所述火焰信号处理系统包括与紫外线火焰检测探头相连接的模数转换电路，与模数转换电路相连接的数字信号处理器。采用紫外线火焰检测探头针对目标火焰中的紫外辐射进行检测，从而避免了传统火检探头由于背景火焰干扰而发生的“偷看”现象，提高检测的准确度和抗干扰能力。同时火焰信号处理系统将采集到的模拟火焰信号转换成数字信号并进行数字滤波和频谱分析，利用火焰闪烁特征频率的特性，通过频谱信号判断火焰燃烧状态，大大提高了火焰检测系统抗背景火焰干扰的能力，火焰状态的输出更加准确可靠。
文档编号G01J1/42GK201600190SQ20092021499
公开日2010年10月6日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者乐龙彪, 陈昊, 黄志高 申请人:上海神明控制工程有限公司
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