紫外光電型一體化火焰檢測器設計

劉建翔，李紹鵬，李楊，薛瑩，劉欣

(齊魯工業大學(山東省科學院) 山東省科學院自動化研究所，山東 濟南 250014)

火焰檢測器作為鍋爐爐膛安全監控系統(furnace safety supervision system， FSSS)的重要組成部分，能夠提供爐膛燃燒狀態信號。FSSS根據此信號發出準確的操作指令，確保在爐膛滅火的情況下，快速切斷全部燃料，從而有效防止因突然熄火或爆燃引起的鍋爐爆炸。目前，國內外對燃燒爐火焰檢測的研究主要集中在對火焰發出的紅外光和紫外光的檢測以及對火焰的實際圖像監控和處理上[1]。可見光圖像處理型火焰檢測系統具有可視、直觀、易定位的優勢，目前國內外研究者較多，但此類設備需要執行復雜的算法，導致響應速度偏慢。紅外型火焰檢測系統是通過檢測火焰輻射出的紅外線判斷火焰燃燒狀況，但易受爐膛內高溫輻射的影響而發生誤報現象，目前主要是通過多個波段紅外傳感器復合使用來解決此問題，但是這樣設備成本偏高。

紫外型火焰檢測器可以通過檢測火焰輻射出的紫外線來確定火焰燃燒狀態，其優點是成本低、穩定性好、靈敏度高、抗干擾能力強。燃氣和輕油燃燒發出的火焰中含有大量紫外線，因此紫外型火焰檢測器適合應用于以天然氣、高爐氣、焦爐煤氣、瓦斯氣、輕油等為供給燃料的鍋爐燃燒火焰檢測中。傳統的火焰檢測器由火焰傳感器和信號處理器兩部分組成，其中火焰傳感器安裝在燃燒爐上，信號處理器安裝在控制室，二者通過電纜相連。由于火焰傳感器輸出的信號是微弱的電壓信號，傳輸過程中易衰減或失真，因此通常傳輸距離有限。本文設計的一體化火焰檢測器將傳感器和信號處理器合二為一，能夠保證火焰檢測的準確性，減少系統故障點，安裝更方便。

1 紫外火焰檢測原理及系統組成

1.1 紫外火焰檢測原理

工廠鍋爐爐膛中燃燒的火焰會輻射出大量的光線，包括紫外光、可見光和紅外光。從火焰的光譜特性來看，燃氣火焰中含有大量的紫外光，少量的可見光和紅外光。利用紫外光電傳感器對火焰中的紫外光進行檢測，其工作原理如下：紫外光透過紫外光電管玻璃外殼入射到陰極金屬表面，當光頻率大于極限頻率(即入射光的波長小于臨界波長)時，會產生光電效應，從陰極金屬表面瞬間逸出光電子，在光頻率不變的情況下，入射光強度越大，單位時間內陰極發射的光電子數目越多。光電子在電場的作用下向陽極運動，途中與管內氣體原子碰撞而發生電離。電離過程中形成的新電子與光電子一起被陽極吸收，正離子卻向反方向運動被陰極接收[2]，在圖1所示電路中形成數倍于真空光電管的光電流。一般紫外光電管用純金屬作為陰極材料，在紫外管內充入特殊的氣體，經過繁流倍增放電達到高輸出的目的。

圖1 紫外光電管工作原理電路Fig.1 Operating principle of the ultraviolet phototube circuit

研究表明，各種燃料的火焰閃爍頻率范圍為2～600 Hz，燃氣鍋爐火焰發出的紫外光波長為100～300 nm[3-4]。通過現場實測數據分析，鍋爐設備的火焰頻率分量主要集中在200 Hz內，因此設計被測信號頻率上限fH=200 Hz，奈奎斯特采樣頻率為2fH=400 Hz。根據奈奎斯特采樣定理，采樣頻率應該大于奈奎斯特采樣頻率，故設計采樣頻率為512 Hz，即在1 s的采樣窗口期內采樣512個點，然后通過快速傅里葉變換(FFT)計算火焰信號的頻率。另外，火焰信號的強度通過統計512個采樣點的均值來獲得。本文通過燃燒爐火焰輻射出的紫外光的頻率和強度是否超過設定閾值判斷爐膛“有火”或“無火”。選用國產紫外光電管GD34作為紫外傳感器，典型工作電壓為直流245 V±15 V，采用頂窗式進光，光窗材料為透紫玻璃，靈敏度(計數率)為1000～2000 次/min，能很好地探測185～280 nm紫外光輻射，而對此光譜區域外的紫外輻射不敏感，譬如可見太陽光以及室內照明光源。

1.2 火焰檢測器電路組成

本文設計的火焰檢測器系統組成框圖如圖2所示。檢測器采用Microchip公司PIC18F45K80單片機作為系統的控制核心，擴展外圍功能電路，主要包括：紫外管高壓驅動單元、數據采集處理單元、液晶顯示單元、按鍵輸入單元、紅外遙控單元和信號傳輸單元等。其中液晶顯示單元、按鍵輸入單元和紅外遙控單元組成了一體化檢測器的人機接口。液晶顯示界面顯示火焰強度和火焰頻率，并提供各種狀態指示；通過現場按鍵或紅外遙控器可以設定設備各種參數，譬如有火門檻、無火門檻、有火延時時間、熄火響應時間、系統自檢、通訊波特率等。狀態信號輸出由雙路開關量繼電器、4～20 mA電流環、RS-485總線接口組成。雙路繼電器的開關量狀態表示火焰狀態和設備故障狀態；4～20 mA電流環表征當前火焰信號的強度大小；通過RS-485總線完成Modbus協議通信，實現檢測器與遠程監控上位機系統的連接。

圖2 檢測器系統組成框圖Fig.2 Composition block diagram of the detector system

2 火焰檢測器硬件電路設計

2.1 紫外傳感器高壓驅動

紫外傳感器一般需要幾百伏的直流高壓驅動才能正常工作，但火焰檢測器通常采用直流低壓電源，因此需要進行DC-AC-DC的轉換，以獲得傳感器的工作高壓[5-6]。本文設計驅動電路如圖3所示，利用PIC單片機內部CCP模塊，設置模塊工作在脈寬調制PWM模式，設計輸出40 kHz開關脈沖信號，使MOSFET管Q2處于開關狀態。此時儲能電感L1上產生定量的感應電動勢，與供電電壓相疊加，形成高壓脈沖信號，然后再經二極管D1、電容C8的整流、濾波，實現穩定的直流高壓輸出。

圖3 紫外傳感器高壓驅動電路Fig.3 High-voltage driving circuit of the ultraviolet sensor

2.2 紅外遙控信號接收

為了方便在現場進行設備參數(譬如報警閾值、響應延時、通訊ID、波特率等)的設定、修改和調試，本文設計的火焰檢測器采用紅外遙控式操作，選用一體化紅外接收探頭HS0038。

圖4 HS0038的解調前后波形Fig.4 Waveform before and after HS0038 demodulation

HS0038接收遙控器發射的頻率為38 kHz.周期約為26 μs的紅外信號，并對信號進行放大、檢波和整形，得到TTL電平的編碼信號，然后送入單片機的外部中斷INT0口。當遙控器發射按鍵指令時，由HS0038接收到該信號并進行軟件解碼，去控制相關對象，進行相關設置操作。當紅外遙控發射端有脈沖串時，HS0038接收端輸出低電平，否則輸出高電平。在圖4中，A為HS0038接收到的波形，B為HS0038解調輸出的波形。

2.3 火焰狀態信號傳輸

一體化火焰檢測器探測器保留傳統數字開關量輸出和標準電流輸出方式，和上位機PLC或DCS系統進行連接。開關量信號用來表示有火、無火狀態和報警輸出，標準電流輸出4～20 mA用來表示火焰強度。其中電流輸出電路如圖5所示，火焰強度信號經單片機D/A轉換后，輸出電壓0～5 V，再經U/I轉換成0～20 mA電流信號。設定R1=R2=R3=R4?R6，可以推算出：IL=Uout/R6，輸出負載電流與負載RL大小無關。經測試該電路有良好的線性U/I輸出特性。

圖5 0～20 mA電流輸出電路Fig.5 Output circuit for a current of 0～20 mA

檢測器采用Modbus 總線RTU模式作為信號傳輸協議與上位機通訊，滿足爐膛安全監控系統帶載容量及傳輸距離、實時性、可靠性的要求[7]。PLC/DCS主機采用定時輪詢的方式，主機通過0x02功能碼請求PDU幀實時查詢某地址的火焰檢測器的狀態，對應地址的檢測器收到請求幀后通過響應PDU幀給主機返回自身的有火、無火及故障信息。主機通過0x05功能碼的請求PDU幀要求某地址的火焰檢測器進行復位動作，對應地址的火焰檢測器收到請求幀后執行復位操作并返回響應幀PDU。其功能碼結構定義見表1所示。

表1 Modbus通訊功能碼結構

2.4 火焰采集信號調理

火焰頻率信號的采集利用PIC單片機內嵌增強型捕捉ECCP1模塊,設置為捕捉模式，在每個脈沖上升沿進行觸發中斷，在中斷程序里通過ECCP1IF中斷標志來精確計數。利用施密特觸發器CD4093將紫外光電管陰極產生的尖峰脈沖信號整形成規則的矩形脈沖，送入單片機外部中斷輸入口進行脈沖捕捉。火焰頻率信號整形后的波形(1通道)與整形前的波形(2通道)對比如圖6所示。火焰強度信號的采集通過運算放大器LM2902設計二級放大器，將傳感器產生的電流信號轉換成電壓信號，并放大成標準電壓后送入單片機ADC轉換器處理。

圖6 火焰頻率信號整形后波形圖Fig.6 Waveform of the flame frequency signal after shaping

3 火焰檢測器軟件設計

整個檢測器軟件采用模塊化設計[8-9]，主要分主程序、采樣子程序、液晶顯示子程序、通訊接口子程序、中斷程序等，全部利用C語言編寫，并在MPLAB X IDE集成開發環境下編譯調試。主程序主要完成系統的初始化和火焰狀態的判別工作，主要代碼結構采用狀態機模式設計，SWITCH CASE語句實現，而數據采集任務在中斷中完成，主程序流程如圖7所示。

圖7 主程序軟件流程圖Fig.7 The main software program flow chart

4 現場實驗測試

將火焰檢測器通過法蘭連接于高爐煤氣燃燒爐上(見圖8)，通清潔、干燥的冷卻風源[10]，冷風流量為110 L/min，由安裝法蘭上的螺紋連接口接入，火焰檢測器距離燃燒爐爐壁60 cm。圖9是現場實驗采集到的火焰紫外脈沖頻率數據，前4次是在熄火階段，后6次在完全燃燒階段。在熄火階段，熾熱的爐壁會產生一定的紫外輻射，但頻率較低，一般低于10 Hz，且變化率小，一般不超過2 Hz。在完全燃燒階段，燃燒火焰發出很強的紫外輻射量，頻率可達100 Hz以上，隨著鼓風量的大小和煤氣閥門開度不同，頻率有幾十赫茲的變化幅度。本文火焰檢測器無火門檻設置為10～20設定值，設置有火門檻比無火門檻高20設定值，可以較好地實現燃燒爐火焰的檢測。

圖8 現場安裝示意圖Fig.8 The site installation schematic

圖9 紫外脈沖頻率實測圖Fig.9 Map of ultraviolet pulse frequency measurement

5 結論

針對傳統分體式火焰檢測器信號傳輸距離近、安裝不方便等不足，本文將火焰傳感器和信號檢測放大器二合一設計，并通過檢測火焰信號的紫外光脈沖數和強度值來判斷火焰的有無狀態，提高了復雜環境下整機的可靠性和信號傳輸能力。基于上述設計的火焰檢測器熄火響應時間為1～6 s(現場可設定)；隔爆性能為Exd II CT6；防護性能為IP65；工作溫度為-30 ～75 C°；采用Modbus RTU協議RS-485總線和標準4～20 mA電流輸出。該檢測器已應用于以天然氣、高爐氣、焦爐煤氣、瓦斯氣、輕油等為供給燃料的鍋爐燃燒火焰檢測中，實際應用驗證結果表明，該設計安裝使用方便、運行穩定可靠，保障了鍋爐爐膛燃燒的安全。