基于木質粉塵燃燒特征光譜的火花探測裝置研究

尚征帆，張杰，倪申健，徐兆軍，那斌，朱南峰

(南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，南京 210037)

木制產(chǎn)品加工過程中會產(chǎn)生大量的木質廢屑和粉塵，在傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程中這些粉塵沒有得到有效的處理，因而埋下了諸多安全隱患。隨著社會的不斷發(fā)展，人們對于生產(chǎn)環(huán)境的安全性要求不斷提高，對生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的粉塵有了較為嚴苛的處理需求，但是在處理粉塵的過程中燃爆事故依然時有發(fā)生[1]。從有記錄的第一起粉塵爆炸事故[2]發(fā)生至今已有上百年歷史，但燃爆事故發(fā)生的頻率并沒有隨著科技的進步而顯著下降，反而成為木材加工行業(yè)安全生產(chǎn)的重大威脅[3]。粉塵爆炸的危害不僅在于其巨大的沖擊力，更在于極易誘發(fā)第2次爆炸，進而對進入現(xiàn)場救援的工作人員造成不可挽回的傷害[4]。根據(jù)調查，木質粉塵燃爆多發(fā)于運輸管道、料倉等相對密閉的場合，漂浮的木質粉塵由點火源引燃觸發(fā)爆炸[5-6]。研究表明，粉塵燃爆需要滿足5個基本條件：密閉空間、氧化劑、可燃性粉塵、合適的分散濃度以及點火源[7-11]，其中，點火源是最容易控制的一個變量，因此，針對點火源進行探測是防控裝置研發(fā)的出發(fā)點和著重點[12]。

國內利用火花的光電現(xiàn)象著手研發(fā)相應的檢測裝置，如汪秀清等[13]指出，火花探測器是一種光敏設備，外界環(huán)境光會對其產(chǎn)生較為嚴重的影響，因此必須要避免漏光所造成的錯誤操作。相比于國內設備研發(fā)尚處起步階段，國外一些大廠的產(chǎn)品已占據(jù)了廣闊市場空間，如德國EWS公司與格雷康(GRECON)、加拿大瀚森泰克(HANSENTEK)與美國的克拉克(CLARKS)[14]。與國內檢測裝置相比，進口的火花探測器具有檢測范圍廣、響應速度快、誤判動作少等優(yōu)點，但是過高的成本限制了其推廣。

筆者從點火源開始研發(fā)火花探測器，以期設計出既具備進口設備優(yōu)點又可控成本的火花探測器。從理論出發(fā)，研究并設計了一款基于dsPIC的火花檢測裝置，完成對管道中粉塵火花信號的采集、放大及處理等，可實現(xiàn)對木粉塵燃燒火花快速準確的探測，且具有較低的成本。

1 火花探測原理

1.1 輻射基本定律

黑體輻射定律表明，絕對零度以上的物體都會向外輻射能量，且輻射出的能量強度和物體的波長與溫度有密切聯(lián)系，如式(1)所示：

(1)

式中：B(λ,T)為黑體的光亮輻射強度；λ為輻射波長；T為黑體絕對溫度；h為普朗克常數(shù)；K為玻爾茲曼常數(shù)；c為光速。

普朗克黑體輻射定律通常運用于絕對黑體，但現(xiàn)實中的大多數(shù)物質與黑體存在較大差異。為將粉塵燃燒輻射強度、溫度和輻射定律建立聯(lián)系，引入斯蒂芬-玻爾茲曼定律并對問題進行簡化[15]，如式(2)和(3)所示:

(2)

E=εEb=εσT4

(3)

式中：E為輻射功率；ε為發(fā)射率；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；Eb為同波長下黑體的輻射功率?？梢钥闯觯矬w的溫度越高，其輻射功率也越強。燃燒的木質粉塵其表面溫度顯著高于環(huán)境溫度，因此其輻射出的能量也遠遠高于環(huán)境背景，通過對這種光和熱的探測可以達到探測火花的目的[16]。

1.2 木質粉塵燃燒光譜特征

以楊樹(PopulusL.)和馬尾松(PinusmassonianaLamb)為例，對2種木材粉塵的燃燒過程進行光譜試驗，發(fā)現(xiàn)其燃燒過程中均包含鈉、鉀元素的波峰特征，如圖1所示，分別呈現(xiàn)了背景光譜曲線和2種木材粉塵燃燒時的光譜特征。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，在木粉塵燃燒時由鈉和鉀元素發(fā)出的光譜十分明顯，其中，由鉀元素激發(fā)的光譜強度遠大于由鈉元素所激發(fā)的光譜強度。由于鈉元素和鉀元素是樹木生長過程中必需的微量元素，而且在樹木中的含量相對穩(wěn)定，因此可以作為檢測特征用于火花探測。

圖1 不同樹種粉塵燃燒光譜特征

1.3 傳感器材料的選擇

根據(jù)上述光譜特征，主要針對590～770 nm波長范圍進行火花探測器的設計，因此，所選用的光敏傳感器必須對上述波長范圍內的光信號有較強的響應度[17]。響應度是輸出電信號電流大小與入射光功率的比值，可以發(fā)現(xiàn)材料的響應度與光線波長呈正比關系，如式(4)所示：

(4)

式中：R為響應度；IP為平均輸出電流；PO為平均輸入功率；e為電子電荷；η為量子效率。

常見的光電二極管材料一般為硅或鍺，而硅材料在波長590～770 nm時的量子效率較高[18]，能滿足需求。

2 火花探測裝置軟硬件設計

2.1 硬件設計

2.1.1 火花探測裝置整體設計

整個系統(tǒng)由控制器單元、光電檢測單元和串口通信單元等部分組成，如圖2所示。管道內產(chǎn)生的火花經(jīng)過光電探頭轉換為模擬電流信號，經(jīng)運放轉化成電壓信號后利用濾波電路將干擾信號去除，再傳遞至模/數(shù)轉換器轉換為數(shù)字信號，利用上位機所設定的光強閾值，通過dsPIC控制輸出模塊進行相應的動作。

圖2 火花探測裝置整體設計

2.1.2 傳感器選型

由于光電二極管對環(huán)境溫度比較敏感，很容易使電路產(chǎn)生溫漂，而火花探測器工作環(huán)境的溫度也會有較大變化，因此對傳感器的溫度響應要求更高。采用PIN光電二極管(S1223型，日本濱松)作為本火花探測裝置的傳感器，如圖3所示，該型號光電二極管在可見光到近紅外波段(光譜響應范圍320～1 100 nm)具有高靈敏性、高可靠性和高速響應等特性，可滿足設計需求。

圖3 傳感器及其特性指標

2.1.3 信號放大電路設計

由于火花信號本身較為微弱，因而硅管采集并輸出的電信號就十分微弱，需要對獲得的信號進行放大。但電路放大的不僅僅是有效信號，也會將噪音等雜波信號一并放大，因此需要通過硬件設計獲取較為純凈的有效信號。低噪聲電路可以有效濾除噪聲所帶來的影響，其第1級如圖4所示，采用LT1793作為運算放大器，使電路同時擁有低電壓噪聲和極低電流噪聲的特點，可滿足噪聲需求。

圖4 初級放大電路設計

為進一步提高火花探測裝置的靈敏度，額外設計了二級放大電路，如圖5所示，將初級放大電路的輸出信號進行再次放大。采用LT1012作為放大元件，其同樣也是低噪音運放，但是二級放大電路在放大正常信號的同時也放大了噪聲，進而影響裝置的精準性。因此，將初級放大電路與二級放大電路的信號同時傳輸至dsPIC，并由單片機進行權重比較后做出判斷，從而達到靈敏度和精準性之間的平衡。

圖5 二級放大電路設計

2.2 軟件設計

軟件運行流程如圖6所示，主要由系統(tǒng)初始化、參數(shù)設置、A/D轉換、數(shù)據(jù)處理、串口通信和控制信號輸出等程序模塊構成。其中，系統(tǒng)初始化包括時鐘初始化、端口初始化、中斷初始化、串口初始化以及ADC初始化等部分。

圖6 軟件運行流程

軟件設計主要包括：信號快速準確地采集與處理；通過串口實現(xiàn)穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸與控制。因此，程序設計的主要思路為：dsPIC每10 ms采集6次，取平均值作為一次采樣結果；每10個采樣結果再進行一次軟件濾波，得到一個有效的采樣數(shù)據(jù)，并保留2位有效數(shù)字通過串口發(fā)送至上位機，若取得的有效數(shù)據(jù)大于上位機所設定的閾值便發(fā)出警報。

2.3 實物樣貌

本裝置的整體外觀如圖7所示,整個裝置包覆在金屬外殼中，避免了電磁信號的干擾，提高了裝置的工作穩(wěn)定性與環(huán)境適應性。

圖7 裝置整體外觀

3 裝置性能測試

為定量描述本研究所設計的火花探測裝置的各方面性能，嚴格按照“Approval standard for spark detection and extinguishing systems”搭建檢測平臺對本裝置進行性能檢測，檢測項目主要包括火花探測器的同軸性能、視場角、半功角以及反應時間。

3.1 檢測平臺的搭建與原理

檢測平臺如圖8所示，主要由信號發(fā)生器、基準標定電源、示波器、供電電源等組成。信號發(fā)生器采用GaAs裝置(峰值波長900 nm，包括2個特征光譜)，可產(chǎn)生特定波長的信號，用來模擬火花信號；基準標定電源用于輸出穩(wěn)定電壓，作為標定模擬火花輻射源輻射功率的電源；示波器用于校驗信號發(fā)生器發(fā)射的波形和測量探頭的反應時間。

1.基準標定電源;2.信號發(fā)生器;3.檢測平臺;4.供電電源;5.示波器;6.被檢裝置。

3.2 檢測試驗

3.2.1 同軸性能試驗

通過信號發(fā)生器發(fā)射脈沖，火花模擬器以相同頻率產(chǎn)生信號，并將探測到的信號數(shù)量上傳至電腦進行顯示。若顯示的火花數(shù)量與發(fā)射脈沖數(shù)一致，則移動滑塊使探測器遠離模擬源；若火花數(shù)量小于發(fā)射脈沖數(shù)，則移動滑塊使探測器靠近模擬源；重復測量，直至測量出探測器在當前情形下能夠探測到所有紅外信號的最遠距離?；鸹ㄌ綔y器的同軸性能試驗結果表明，該火花探測器的探測距離為75 cm。

3.2.2 半功角試驗

將探測器置于同軸性能的一半距離處，將旋轉臺順(逆)時針轉動5°，按下信號發(fā)生器上的觸發(fā)按鈕，觀察電腦上探測到的火花數(shù)量。若火花數(shù)量與發(fā)射脈沖數(shù)一致，則增大角度，直至探測器無法探測到全部信號，記錄旋轉臺的旋轉角度，即為探測器的半功角?；鸹ㄌ綔y器的半功角試驗結果表明，該火花探測器的半功角為115°。

3.2.3 視場角試驗

將探測器置于同軸性能的最遠探測距離處，將旋轉臺順(逆)時針轉動5°，按下信號發(fā)生器上的觸發(fā)按鈕，觀察電腦上探測到的火花數(shù)量。若火花數(shù)量與發(fā)射脈沖一致，則增大角度，直至探測器無法探測到全部紅外信號，記錄旋轉臺的旋轉角度，即為探測器的水平視場角?；鸹ㄌ綔y器的視場角試驗結果表明，該火花探測器的水平視場角為40°。

3.2.4 探測器反應時間試驗

移動探測器使探測器與模擬源的距離為20 cm，通過示波器光標測量出示波器上信號1上升沿與信號2上升沿的時間差并記錄，該時間差即為當前情形下探測器的反應時間。移動探測器，每次增大探測器與模擬源的距離為5 cm，重復測量并記錄時間差，直至達到最遠探測距離，測量出探測器與模擬源各個距離下的反應時間。火花探測器的反應時間試驗結果表明，該火花探測器在最遠探測距離(75 cm)時的反應時間為520 μs。

3.3 試驗結果

根據(jù)檢測試驗的結果，可得到本裝置的具體性能參數(shù)為：同軸性能75 cm、半功角115°、視場角40°和反應時間520 μs。由此可知，本裝置的同軸性能，即最遠探測距離是檢測標準0.15 m的5倍，在最遠探測距離時的反應時間也控制在微秒級，優(yōu)于德國某品牌同類型產(chǎn)品毫秒級的反應時間。

4 結 論

本研究圍繞木質粉塵燃爆的問題展開，分析了火花探測的原理，針對楊木與馬尾松粉塵的燃燒過程進行光譜監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在燃燒時均會在鈉、鉀元素對應的波長范圍內激發(fā)出明顯峰值。依據(jù)上述特征選取傳感器并基于dsPIC進行硬件開發(fā)，在電路設計中，兩級放大電路的設計使得裝置更好地平衡了誤報率與靈敏度之間的矛盾。為進一步降低裝置誤報率，可根據(jù)管道氣流速度的不同，通過上位機對火花探測裝置進行采樣頻率與警報閾值的設置。將本裝置按照國際標準進行測試，結果表明所設計開發(fā)的火花探測裝置保證了低誤報率、高靈敏度，探測距離是檢測標準的5倍，能夠達到設計目標，滿足企業(yè)的使用需求。