高空紫外火焰探測裝置設計與應用*

劉敏層，李 陽，楊子毛，趙 奕，李艷娜

(1.西安建筑科技大學 信控學院，陜西 西安710055;2.國網三門峽供電公司，河南 三門峽472000)

0 引 言

火焰檢測對火炬的安全、經濟運行狀況有重大影響作用。在大型化工廠中，經常用到高空火炬引燃不能回收的廢氣來降低對環境的影響。所以，檢測火焰正常燃燒非常重要。

傳統火焰檢測使用K 熱電偶來進行溫度監控。當達到設定溫度時，就會給儀表等設備相應信號。但是由于熱電偶對溫度延時性，當達到設定的點火次數時，而熱電偶升溫不及時，會引起誤報;當主火炬突然熄滅，熱電偶溫度回落不及時，延誤點火器點火時機，就釋放出有毒有害工業氣體，所以，不能滿足高空火焰檢測的要求。

針對上述問題，本文設計了基于STM32 芯片，使用多個紫外光敏管來捕捉脈沖數量的電路，并且在惡劣的環境(比如:多風、下雨、烈日等)條件下也能夠準確、快速地檢測火焰燃燒情況［1］。同時記錄脈沖數量加以處理，輸出模擬量控制蒸汽調節閥，起到除塵環保作用。

1 系統結構

紫外火焰檢測系統主要有GD—708 火檢驅動電路、電壓/電流轉換電路、火焰指示電路、RS—485 串行通信模塊構成。主控電路由STM32F103RCT6 及其外圍電路組成，是系統的核心部分，主要完成數據的傳輸和處理工作。脈沖采集電路主要功能是將火焰發出的紫外線轉換成成串的脈沖信號，電壓/電流轉換電路將模擬電壓信號變成4～20 mA工業標準電流信號來控制蒸汽閥開度，當火焰正常燃燒時能夠通過指示燈進行顯示。同時，處理器還可以實現與上位機的通信功能。系統功能框圖如圖1 所示。

2 硬件電路設計

2.1 微控制器電路

圖1 系統結構框圖Fig 1 Structure block diagram of system

本系統的微處理器是選用3 2 bit 處理芯片STM32F103RCT6，該芯片由ST 公司推出，具有高性價比和豐富的片上外設，從而可簡化系統外圍電路的設計。由于該芯片上有2 個D/A 轉換器，各有一個輸出通道，這是低版本STM32 芯片所沒有的，也是選擇它作為核心控制器的一個重要原因。

如圖2 所示，STM32F103RCT6 的PA1，PA2 作為2 個脈沖計數輸入，PA4，PA5 輸出模擬電壓信號接到XTR115，將0～3.3 V 模擬電壓信號轉換成4～20 mA 電流信號輸出。PA9，PA10 引腳為串口輸入輸出，PC1～PC2 作為火焰指示輸出。

圖2 STM 32F103RCT6Fig 2 STM 32F103RCT6

2.2 紫外線光敏管GD—708 驅動電路

高空火炬主要是通過天然氣來燃燒工業無法收集的廢氣。火焰的輻射具有離散光譜的氣體輻射和伴有連續光譜的固體輻射，其光波長在0.1～10 μm 或更寬廣的范圍內，到達大氣層下的太陽光和非透紫材料作為玻殼的電光源發出的光波長均大于290 nm，該紫外光敏管光譜響應范圍是185～280 nm，所以，巧妙地避開了其它信號的干擾，尤其是太陽的背景噪聲［2］。

探測器主要元件為紫外光(UV)管，在玻璃管中有兩個電極，表面附有活性物質，玻璃管密封且充有惰性氣體。沒有UV 照射時，兩電極間無電子和離子流動，呈現很高的阻抗，相當于開路;有UV 照射時，電極上的活性物質經照射發出光電子，在激勵電壓的作用下形成電流，即火焰電流［3］。UV 管的光譜響應特性比較窄小，只對紫外線敏感，特別是對紙張、油類、可燃性氣體釋放的UV 尤為強烈。其特殊的材質不受日光影響，抗干擾能力強。火焰檢測電路主要采用UV 光敏管GD—708 采集火焰發出的UV。其實質是根據UV 強度來記錄發出脈沖的頻率，將火焰信號轉換成電信號，經過STM32 數據處理輸出模擬電壓信號。

探測器的探頭采用GD—708 光敏管，電路工作原理是:當有火焰信號時，UV 探頭輸出連續密集的脈沖串(Signal 1)，經過脈沖檢測提出有效信號［4］，輸入放大電路放大后檢波，對電容器充放電，得到一個與火焰大小相關的直流信號(Signal 2)，火焰越大，脈沖串越密集，對應Signal 2 電壓越高;反之，電壓越低。經過濾波和抗干擾處理后，再將Signal 2 通過光耦隔離芯片產生Signal 3，這是單片機能夠識別的數字信號，之后送入STM32 處理器。最后，經過XTR115 芯片輸出4～20 mA 的工業信號接蒸汽閥和一路開關信號到指示燈指示有無火焰信號。圖3 是應用電路。

圖3 GD—708 火檢驅動電路Fig 3 GD—708 fire detection driving circuit

2.3 電壓/電流轉換電路

STM32F103RCT6 內部有兩個12 位帶緩沖的D/A 轉換通道可以用于轉換2 路數字信號成為2 路模擬電壓信號并輸出。

為降低噪聲干擾和降低分布電阻產生的壓降并將這兩路電壓信號送入XTR115 電流環電路轉換成電流信號。XTR115 可將0～3.3 V 信號通過Rin 電阻器，獲得4～20 mA的標準輸出。圖4 為XTR115 電流環電路。

電流環電路的電流放大倍數是100，根據式(1)，同時可以從管腳8 輸出5 V 電壓，可以給單片機供電［5］。但應當注意，UV 光敏管電路需分開接地。

式中 Vin為輸出電壓，Rin為輸入電阻，I 為輸出電流值。

圖4 XTR115 電流環電路Fig 4 XTR115 current loop circuit

2.4 RS—485 串行通信模塊

該系統設計了RS—485 串行通信接口，允許多點雙向通信，保證其同上位機通信的需要。MAX485 為單一正3 V 供電，能夠實現遠距離通信。利用MAX485 將D/A 轉換后的數據及時傳給上位機進行保存，方便以后的離線分析和數據處理。

3 軟件設計

軟件系統設計包括以下幾個模塊:1)系統初始化;2)數據采集與分析處理;3)下位機數據發送與上位機數據接收。整個系統的軟件流程圖如圖5 所示。

圖5 軟件流程圖Fig 5 Software flowchart

3.1 初始化

首先完成GPIO 口初始化配置，將PA1 和PA2 配置為脈沖計數采樣通道，配置PA4 和PA5 為模擬量信號輸出端口，PA9 和PA10 引腳為串口的輸入輸出，PC1 和PC2 作為火焰指示輸出。

3.2 數據采集與分析處理

在本設計中，對多個UV 探頭進行脈沖采樣，采樣時間是可編程的，每個通道轉換時間為7 μs。針對Signal 3 進行數據分析處理。若通道數據累加到M 個點，對數據進行相關的識別算法分析。主要利用閾值分析、相關性分析、火焰燃燒狀況分析。

1)閾值分析:根據兩個UV 探頭之一UV1 探頭脈沖累加值M1，作為閾值特征f1。

2)相關性分析:UV2 探頭的累加值M2，把M1/M2作為相關特征f2。

3)火焰燃燒狀況分析:對每個探頭累加值進行采樣，定義上一個采樣累加值為M3，這個周期采樣累加值為M4，M3/M4作為閃爍特性f3。

4)根據火炬火焰識別分析的判據閾值A=［a1，a2，a3，a4］，對燃燒情況做出如下判斷:

當閾值特征f1＞a1時，則認為達到燃燒的閾值條件，火焰起燃，指示燈點亮。當相關性特征f2＞a2時，則認為達到燃燒時各探測器的相關性條件;當火焰燃燒狀況a3＜f3≤a4時，判斷火焰表現為連續性燃燒;否則，說明火焰表現為閃爍性。

設STM32 采集到的脈沖頻率為f Hz，比例系數為K，起始電壓值為b。由于隨著脈沖個數增多，模擬電壓符合一次線性關系，方程式(2)如下

其中，Y 為輸出0～3.3 V 電壓值，經過XTR115 電路轉換成4～20 mA 電流值。

多個UV 探頭對高空火炬進行實時監控，快速準確地進行點火控制。

3.3 串口通信

軟件編寫了串口與上位機通信程序，將得到的電流信號每隔一秒通過串口輸出到上位機。采用STM 32 的固件函數配置串口的波特率115 200，數據長度8 位，停止位為1、無校驗位，使用串口線連接板上的COM 口和上位機串口后即能完成信息通信。

4 調試結果與分析

為了檢測探測器的靈敏度［6］，在戶外20 ℃和標準大氣壓條件下，點燃火焰高度為10 cm 的液化氣，得到距探測器不同間距下實驗數據，如表1 所示。

表1 實驗結果Tab 1 Experimental results

當探頭距火焰10 m 時，輸出的脈沖波形頻率為48.9 Hz，如圖6 所示。

圖6 間距10 m 脈沖波形Fig 6 Pulse waveform of 10 m spacing

結果表明:能夠實時記錄脈沖數量，反應靈敏。隨間距增大，脈沖波形的周期變長，頻率減小。當距離15 m 安裝位置時，其見火響應時間小于等于1 s，熄火響應時間小于等于3 s。

5 結束語

UV 火焰探測裝置應用了GD—708UV 光敏管，對UV 非常敏感，能夠迅速獲取火焰燃燒信號。通過輸出4～20 mA電流實現對蒸汽調節閥的控制，滿足工程要求。但在測量較遠距離時，需用石英鏡片聚光能夠最大限度地透過UV。

該裝置大力推廣在航天工業、油漆工廠、石油化工企業、制藥企業等行業將得到廣泛應用。

［1］ 張紅蘭，李 揚.基于多傳感器的智能火災報警器的設計［J］.儀器儀表用戶，2009，16(4):48－50.

［2］ 于永正.紫外火焰探測器性能綜合檢測平臺設計［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2009.

［3］ 萬先運.劉 昀.真空處理設備FMB 氧槍UV 火焰監測裝置的國產化改造［J］.冶金自動化，2008，32(6):55－57.

［4］ 王洋洋，高國強，張進明.基于C8051F120 的紫外型火焰探測器設計［J］.傳感器與微系統，2013，32(9):89－92.

［5］ 昝 勇，羅永紅，王沛瑩.XTR115 電流環電路原理及應用［J］.電子設計工程，2011，19(8):190－192.

［6］ 高 慶，王殿安，蘇亞林.紫外光接收轉換技術及儀表應用［J］.油氣田地面工程，2005，24(11):34.