劉建翔，李紹鵬，李楊，薛瑩，劉欣

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，山東 濟(jì)南 250014)

火焰檢測(cè)器作為鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(furnace safety supervision system， FSSS)的重要組成部分，能夠提供爐膛燃燒狀態(tài)信號(hào)。FSSS根據(jù)此信號(hào)發(fā)出準(zhǔn)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(guó)內(nèi)外對(duì)燃燒爐火焰檢測(cè)的研究主要集中在對(duì)火焰發(fā)出的紅外光和紫外光的檢測(cè)以及對(duì)火焰的實(shí)際圖像監(jiān)控和處理上[1]。可見(jiàn)光圖像處理型火焰檢測(cè)系統(tǒng)具有可視、直觀、易定位的優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)外研究者較多，但此類設(shè)備需要執(zhí)行復(fù)雜的算法，導(dǎo)致響應(yīng)速度偏慢。紅外型火焰檢測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)檢測(cè)火焰輻射出的紅外線判斷火焰燃燒狀況，但易受爐膛內(nèi)高溫輻射的影響而發(fā)生誤報(bào)現(xiàn)象，目前主要是通過(guò)多個(gè)波段紅外傳感器復(fù)合使用來(lái)解決此問(wèn)題，但是這樣設(shè)備成本偏高。

紫外型火焰檢測(cè)器可以通過(guò)檢測(cè)火焰輻射出的紫外線來(lái)確定火焰燃燒狀態(tài)，其優(yōu)點(diǎn)是成本低、穩(wěn)定性好、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)。燃?xì)夂洼p油燃燒發(fā)出的火焰中含有大量紫外線，因此紫外型火焰檢測(cè)器適合應(yīng)用于以天然氣、高爐氣、焦?fàn)t煤氣、瓦斯氣、輕油等為供給燃料的鍋爐燃燒火焰檢測(cè)中。傳統(tǒng)的火焰檢測(cè)器由火焰?zhèn)鞲衅骱托盘?hào)處理器兩部分組成，其中火焰?zhèn)鞲衅靼惭b在燃燒爐上，信號(hào)處理器安裝在控制室，二者通過(guò)電纜相連。由于火焰?zhèn)鞲衅鬏敵龅男盘?hào)是微弱的電壓信號(hào)，傳輸過(guò)程中易衰減或失真，因此通常傳輸距離有限。本文設(shè)計(jì)的一體化火焰檢測(cè)器將傳感器和信號(hào)處理器合二為一，能夠保證火焰檢測(cè)的準(zhǔn)確性，減少系統(tǒng)故障點(diǎn)，安裝更方便。

1 紫外火焰檢測(cè)原理及系統(tǒng)組成

1.1 紫外火焰檢測(cè)原理

工廠鍋爐爐膛中燃燒的火焰會(huì)輻射出大量的光線，包括紫外光、可見(jiàn)光和紅外光。從火焰的光譜特性來(lái)看，燃?xì)饣鹧嬷泻写罅康淖贤夤?，少量的可?jiàn)光和紅外光。利用紫外光電傳感器對(duì)火焰中的紫外光進(jìn)行檢測(cè)，其工作原理如下：紫外光透過(guò)紫外光電管玻璃外殼入射到陰極金屬表面，當(dāng)光頻率大于極限頻率(即入射光的波長(zhǎng)小于臨界波長(zhǎng))時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)，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(qiáng)度越大，單位時(shí)間內(nèi)陰極發(fā)射的光電子數(shù)目越多。光電子在電場(chǎng)的作用下向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，途中與管內(nèi)氣體原子碰撞而發(fā)生電離。電離過(guò)程中形成的新電子與光電子一起被陽(yáng)極吸收，正離子卻向反方向運(yùn)動(dòng)被陰極接收[2]，在圖1所示電路中形成數(shù)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(nèi)充入特殊的氣體，經(jīng)過(guò)繁流倍增放電達(dá)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?xì)忮仩t火焰發(fā)出的紫外光波長(zhǎng)為100～300 nm[3-4]。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，鍋爐設(shè)備的火焰頻率分量主要集中在200 Hz內(nèi)，因此設(shè)計(jì)被測(cè)信號(hào)頻率上限fH=200 Hz，奈奎斯特采樣頻率為2fH=400 Hz。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率應(yīng)該大于奈奎斯特采樣頻率，故設(shè)計(jì)采樣頻率為512 Hz，即在1 s的采樣窗口期內(nèi)采樣512個(gè)點(diǎn)，然后通過(guò)快速傅里葉變換(FFT)計(jì)算火焰信號(hào)的頻率。另外，火焰信號(hào)的強(qiáng)度通過(guò)統(tǒng)計(jì)512個(gè)采樣點(diǎn)的均值來(lái)獲得。本文通過(guò)燃燒爐火焰輻射出的紫外光的頻率和強(qiáng)度是否超過(guò)設(shè)定閾值判斷爐膛“有火”或“無(wú)火”。選用國(guó)產(chǎn)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(jìn)光，光窗材料為透紫玻璃，靈敏度(計(jì)數(shù)率)為1000～2000 次/min，能很好地探測(cè)185～280 nm紫外光輻射，而對(duì)此光譜區(qū)域外的紫外輻射不敏感，譬如可見(jiàn)太陽(yáng)光以及室內(nèi)照明光源。

1.2 火焰檢測(cè)器電路組成

本文設(shè)計(jì)的火焰檢測(cè)器系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。檢測(cè)器采用Microchip公司PIC18F45K80單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，擴(kuò)展外圍功能電路，主要包括：紫外管高壓驅(qū)動(dòng)單元、數(shù)據(jù)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(hào)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(cè)器的人機(jī)接口。液晶顯示界面顯示火焰強(qiáng)度和火焰頻率，并提供各種狀態(tài)指示；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)按鍵或紅外遙控器可以設(shè)定設(shè)備各種參數(shù)，譬如有火門檻、無(wú)火門檻、有火延時(shí)時(shí)間、熄火響應(yīng)時(shí)間、系統(tǒng)自檢、通訊波特率等。狀態(tài)信號(hào)輸出由雙路開(kāi)關(guān)量繼電器、4～20 mA電流環(huán)、RS-485總線接口組成。雙路繼電器的開(kāi)關(guān)量狀態(tài)表示火焰狀態(tài)和設(shè)備故障狀態(tài)；4～20 mA電流環(huán)表征當(dāng)前火焰信號(hào)的強(qiáng)度大??；通過(guò)RS-485總線完成Modbus協(xié)議通信，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)器與遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)系統(tǒng)的連接。

圖2 檢測(cè)器系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Composition block diagram of the detector system

2 火焰檢測(cè)器硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 紫外傳感器高壓驅(qū)動(dòng)

紫外傳感器一般需要幾百伏的直流高壓驅(qū)動(dòng)才能正常工作，但火焰檢測(cè)器通常采用直流低壓電源，因此需要進(jìn)行DC-AC-DC的轉(zhuǎn)換，以獲得傳感器的工作高壓[5-6]。本文設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，利用PIC單片機(jī)內(nèi)部CCP模塊，設(shè)置模塊工作在脈寬調(diào)制PWM模式，設(shè)計(jì)輸出40 kHz開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)，使MOSFET管Q2處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)。此時(shí)儲(chǔ)能電感L1上產(chǎn)生定量的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，與供電電壓相疊加，形成高壓脈沖信號(hào)，然后再經(jīng)二極管D1、電容C8的整流、濾波，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的直流高壓輸出。

圖3 紫外傳感器高壓驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 High-voltage driving circuit of the ultraviolet sensor

2.2 紅外遙控信號(hào)接收

為了方便在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)備參數(shù)(譬如報(bào)警閾值、響應(yīng)延時(shí)、通訊ID、波特率等)的設(shè)定、修改和調(diào)試，本文設(shè)計(jì)的火焰檢測(cè)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(diào)前后波形Fig.4 Waveform before and after HS0038 demodulation

HS0038接收遙控器發(fā)射的頻率為38 kHz.周期約為26 μs的紅外信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、檢波和整形，得到TTL電平的編碼信號(hào)，然后送入單片機(jī)的外部中斷INT0口。當(dāng)遙控器發(fā)射按鍵指令時(shí)，由HS0038接收到該信號(hào)并進(jìn)行軟件解碼，去控制相關(guān)對(duì)象，進(jìn)行相關(guān)設(shè)置操作。當(dāng)紅外遙控發(fā)射端有脈沖串時(shí)，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(diào)輸出的波形。

2.3 火焰狀態(tài)信號(hào)傳輸

一體化火焰檢測(cè)器探測(cè)器保留傳統(tǒng)數(shù)字開(kāi)關(guān)量輸出和標(biāo)準(zhǔn)電流輸出方式，和上位機(jī)PLC或DCS系統(tǒng)進(jìn)行連接。開(kāi)關(guān)量信號(hào)用來(lái)表示有火、無(wú)火狀態(tài)和報(bào)警輸出，標(biāo)準(zhǔn)電流輸出4～20 mA用來(lái)表示火焰強(qiáng)度。其中電流輸出電路如圖5所示，火焰強(qiáng)度信號(hào)經(jīng)單片機(jī)D/A轉(zhuǎn)換后，輸出電壓0～5 V，再經(jīng)U/I轉(zhuǎn)換成0～20 mA電流信號(hào)。設(shè)定R1=R2=R3=R4?R6，可以推算出：IL=Uout/R6，輸出負(fù)載電流與負(fù)載RL大小無(wú)關(guān)。經(jīng)測(cè)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(cè)器采用Modbus 總線RTU模式作為信號(hào)傳輸協(xié)議與上位機(jī)通訊，滿足爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)帶載容量及傳輸距離、實(shí)時(shí)性、可靠性的要求[7]。PLC/DCS主機(jī)采用定時(shí)輪詢的方式，主機(jī)通過(guò)0x02功能碼請(qǐng)求PDU幀實(shí)時(shí)查詢某地址的火焰檢測(cè)器的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)地址的檢測(cè)器收到請(qǐng)求幀后通過(guò)響應(yīng)PDU幀給主機(jī)返回自身的有火、無(wú)火及故障信息。主機(jī)通過(guò)0x05功能碼的請(qǐng)求PDU幀要求某地址的火焰檢測(cè)器進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作，對(duì)應(yīng)地址的火焰檢測(cè)器收到請(qǐng)求幀后執(zhí)行復(fù)位操作并返回響應(yīng)幀PDU。其功能碼結(jié)構(gòu)定義見(jiàn)表1所示。

表1 Modbus通訊功能碼結(jié)構(gòu)

2.4 火焰采集信號(hào)調(diào)理

火焰頻率信號(hào)的采集利用PIC單片機(jī)內(nèi)嵌增強(qiáng)型捕捉ECCP1模塊,設(shè)置為捕捉模式，在每個(gè)脈沖上升沿進(jìn)行觸發(fā)中斷，在中斷程序里通過(guò)ECCP1IF中斷標(biāo)志來(lái)精確計(jì)數(shù)。利用施密特觸發(fā)器CD4093將紫外光電管陰極產(chǎn)生的尖峰脈沖信號(hào)整形成規(guī)則的矩形脈沖，送入單片機(jī)外部中斷輸入口進(jìn)行脈沖捕捉?；鹧骖l率信號(hào)整形后的波形(1通道)與整形前的波形(2通道)對(duì)比如圖6所示。火焰強(qiáng)度信號(hào)的采集通過(guò)運(yùn)算放大器LM2902設(shè)計(jì)二級(jí)放大器，將傳感器產(chǎn)生的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并放大成標(biāo)準(zhǔn)電壓后送入單片機(jī)ADC轉(zhuǎn)換器處理。

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

3 火焰檢測(cè)器軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)檢測(cè)器軟件采用模塊化設(shè)計(jì)[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(yǔ)言編寫，并在MPLAB X IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下編譯調(diào)試。主程序主要完成系統(tǒng)的初始化和火焰狀態(tài)的判別工作，主要代碼結(jié)構(gòu)采用狀態(tài)機(jī)模式設(shè)計(jì)，SWITCH CASE語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)，而數(shù)據(jù)采集任務(wù)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(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

將火焰檢測(cè)器通過(guò)法蘭連接于高爐煤氣燃燒爐上(見(jiàn)圖8)，通清潔、干燥的冷卻風(fēng)源[10]，冷風(fēng)流量為110 L/min，由安裝法蘭上的螺紋連接口接入，火焰檢測(cè)器距離燃燒爐爐壁60 cm。圖9是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)采集到的火焰紫外脈沖頻率數(shù)據(jù)，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(huì)產(chǎn)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(guò)2 Hz。在完全燃燒階段，燃燒火焰發(fā)出很強(qiáng)的紫外輻射量，頻率可達(dá)100 Hz以上，隨著鼓風(fēng)量的大小和煤氣閥門開(kāi)度不同，頻率有幾十赫茲的變化幅度。本文火焰檢測(cè)器無(wú)火門檻設(shè)置為10～20設(shè)定值，設(shè)置有火門檻比無(wú)火門檻高20設(shè)定值，可以較好地實(shí)現(xiàn)燃燒爐火焰的檢測(cè)。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖Fig.8 The site installation schematic

圖9 紫外脈沖頻率實(shí)測(cè)圖Fig.9 Map of ultraviolet pulse frequency measurement

5 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)分體式火焰檢測(cè)器信號(hào)傳輸距離近、安裝不方便等不足，本文將火焰?zhèn)鞲衅骱托盘?hào)檢測(cè)放大器二合一設(shè)計(jì)，并通過(guò)檢測(cè)火焰信號(hào)的紫外光脈沖數(shù)和強(qiáng)度值來(lái)判斷火焰的有無(wú)狀態(tài)，提高了復(fù)雜環(huán)境下整機(jī)的可靠性和信號(hào)傳輸能力?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)的火焰檢測(cè)器熄火響應(yīng)時(shí)間為1～6 s(現(xiàn)場(chǎng)可設(shè)定)；隔爆性能為Exd II CT6；防護(hù)性能為IP65；工作溫度為-30 ～75 C°；采用Modbus RTU協(xié)議RS-485總線和標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流輸出。該檢測(cè)器已應(yīng)用于以天然氣、高爐氣、焦?fàn)t煤氣、瓦斯氣、輕油等為供給燃料的鍋爐燃燒火焰檢測(cè)中，實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)安裝使用方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，保障了鍋爐爐膛燃燒的安全。