劉敏層，李 陽，楊子毛，趙 奕，李艷娜

(1.西安建筑科技大學(xué) 信控學(xué)院，陜西 西安710055;2.國網(wǎng)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(jīng)濟(jì)運行狀況有重大影響作用。在大型化工廠中，經(jīng)常用到高空火炬引燃不能回收的廢氣來降低對環(huán)境的影響。所以，檢測火焰正常燃燒非常重要。

傳統(tǒng)火焰檢測使用K 熱電偶來進(jìn)行溫度監(jiān)控。當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時，就會給儀表等設(shè)備相應(yīng)信號。但是由于熱電偶對溫度延時性，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的點火次數(shù)時，而熱電偶升溫不及時，會引起誤報;當(dāng)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(yè)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(shè)計了基于STM32 芯片，使用多個紫外光敏管來捕捉脈沖數(shù)量的電路，并且在惡劣的環(huán)境(比如:多風(fēng)、下雨、烈日等)條件下也能夠準(zhǔn)確、快速地檢測火焰燃燒情況［1］。同時記錄脈沖數(shù)量加以處理，輸出模擬量控制蒸汽調(diào)節(jié)閥，起到除塵環(huán)保作用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

紫外火焰檢測系統(tǒng)主要有GD—708 火檢驅(qū)動電路、電壓/電流轉(zhuǎn)換電路、火焰指示電路、RS—485 串行通信模塊構(gòu)成。主控電路由STM32F103RCT6 及其外圍電路組成，是系統(tǒng)的核心部分，主要完成數(shù)據(jù)的傳輸和處理工作。脈沖采集電路主要功能是將火焰發(fā)出的紫外線轉(zhuǎn)換成成串的脈沖信號，電壓/電流轉(zhuǎn)換電路將模擬電壓信號變成4～20 mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流信號來控制蒸汽閥開度，當(dāng)火焰正常燃燒時能夠通過指示燈進(jìn)行顯示。同時，處理器還可以實現(xiàn)與上位機的通信功能。系統(tǒng)功能框圖如圖1 所示。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 微控制器電路

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure block diagram of system

本系統(tǒng)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(shè)，從而可簡化系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計。由于該芯片上有2 個D/A 轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)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(qū)動電路

高空火炬主要是通過天然氣來燃燒工業(yè)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(xù)光譜的固體輻射，其光波長在0.1～10 μm 或更寬廣的范圍內(nèi)，到達(dá)大氣層下的太陽光和非透紫材料作為玻殼的電光源發(fā)出的光波長均大于290 nm，該紫外光敏管光譜響應(yīng)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(zhì)，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(xiàn)很高的阻抗，相當(dāng)于開路;有UV 照射時，電極上的活性物質(zhì)經(jīng)照射發(fā)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(yīng)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(zhì)不受日光影響，抗干擾能力強?；鹧鏅z測電路主要采用UV 光敏管GD—708 采集火焰發(fā)出的UV。其實質(zhì)是根據(jù)UV 強度來記錄發(fā)出脈沖的頻率，將火焰信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過STM32 數(shù)據(jù)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(dāng)有火焰信號時，UV 探頭輸出連續(xù)密集的脈沖串(Signal 1)，經(jīng)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(guān)的直流信號(Signal 2)，火焰越大，脈沖串越密集，對應(yīng)Signal 2 電壓越高;反之，電壓越低。經(jīng)過濾波和抗干擾處理后，再將Signal 2 通過光耦隔離芯片產(chǎn)生Signal 3，這是單片機能夠識別的數(shù)字信號，之后送入STM32 處理器。最后，經(jīng)過XTR115 芯片輸出4～20 mA 的工業(yè)信號接蒸汽閥和一路開關(guān)信號到指示燈指示有無火焰信號。圖3 是應(yīng)用電路。

圖3 GD—708 火檢驅(qū)動電路Fig 3 GD—708 fire detection driving circuit

2.3 電壓/電流轉(zhuǎn)換電路

STM32F103RCT6 內(nèi)部有兩個12 位帶緩沖的D/A 轉(zhuǎn)換通道可以用于轉(zhuǎn)換2 路數(shù)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(chǎn)生的壓降并將這兩路電壓信號送入XTR115 電流環(huán)電路轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)輸出。圖4 為XTR115 電流環(huán)電路。

電流環(huán)電路的電流放大倍數(shù)是100，根據(jù)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(yīng)當(dāng)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(huán)電路Fig 4 XTR115 current loop circuit

2.4 RS—485 串行通信模塊

該系統(tǒng)設(shè)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?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。利用MAX485 將D/A 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)及時傳給上位機進(jìn)行保存，方便以后的離線分析和數(shù)據(jù)處理。

3 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)設(shè)計包括以下幾個模塊:1)系統(tǒng)初始化;2)數(shù)據(jù)采集與分析處理;3)下位機數(shù)據(jù)發(fā)送與上位機數(shù)據(jù)接收。整個系統(tǒng)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(shù)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(shù)據(jù)采集與分析處理

在本設(shè)計中，對多個UV 探頭進(jìn)行脈沖采樣，采樣時間是可編程的，每個通道轉(zhuǎn)換時間為7 μs。針對Signal 3 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。若通道數(shù)據(jù)累加到M 個點，對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的識別算法分析。主要利用閾值分析、相關(guān)性分析、火焰燃燒狀況分析。

1)閾值分析:根據(jù)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(guān)性分析:UV2 探頭的累加值M2，把M1/M2作為相關(guān)特征f2。

3)火焰燃燒狀況分析:對每個探頭累加值進(jìn)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(jù)火炬火焰識別分析的判據(jù)閾值A(chǔ)=［a1，a2，a3，a4］，對燃燒情況做出如下判斷:

當(dāng)閾值特征f1＞a1時，則認(rèn)為達(dá)到燃燒的閾值條件，火焰起燃，指示燈點亮。當(dāng)相關(guān)性特征f2＞a2時，則認(rèn)為達(dá)到燃燒時各探測器的相關(guān)性條件;當(dāng)火焰燃燒狀況a3＜f3≤a4時，判斷火焰表現(xiàn)為連續(xù)性燃燒;否則，說明火焰表現(xiàn)為閃爍性。

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

其中，Y 為輸出0～3.3 V 電壓值，經(jīng)過XTR115 電路轉(zhuǎn)換成4～20 mA 電流值。

多個UV 探頭對高空火炬進(jìn)行實時監(jiān)控，快速準(zhǔn)確地進(jìn)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(shù)配置串口的波特率115 200，數(shù)據(jù)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(diào)試結(jié)果與分析

為了檢測探測器的靈敏度［6］，在戶外20 ℃和標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 實驗結(jié)果Tab 1 Experimental results

當(dāng)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(jié)果表明:能夠?qū)崟r記錄脈沖數(shù)量，反應(yīng)靈敏。隨間距增大，脈沖波形的周期變長，頻率減小。當(dāng)距離15 m 安裝位置時，其見火響應(yīng)時間小于等于1 s，熄火響應(yīng)時間小于等于3 s。

5 結(jié)束語

UV 火焰探測裝置應(yīng)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(xiàn)對蒸汽調(diào)節(jié)閥的控制，滿足工程要求。但在測量較遠(yuǎn)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(yè)、油漆工廠、石油化工企業(yè)、制藥企業(yè)等行業(yè)將得到廣泛應(yīng)用。

［1］ 張紅蘭，李 揚.基于多傳感器的智能火災(zāi)報警器的設(shè)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(shè)計［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2009.

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

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

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

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