一种紫外光电火焰检测系统及方法

1.本发明涉及火焰燃烧检测技术领域，特别是涉及一种紫外光电火焰检测系统及方法。


背景技术：

2.在大型火力发电、石化动力站、城市供热以及高炉废气等领域，锅炉作为工业生产中的一种重要设备，使用频率日益增多。为了保证锅炉安全平稳地运行，预防锅炉爆炸事故的发生，必须对锅炉炉膛火焰燃烧情况进行实时检测和判断，当锅炉无火时，及时切断燃料供应，从根本上防止炉膛爆燃的发生。
3.目前常用的火焰检测装置多数采用热能温度、热能差压、电离导电等原理，检测效果差，不能很好的把目标火焰和背景火焰可靠的分开，无法防止“偷窥”问题；传统的检测装置大部分是火焰检测器与信号处理器一体化结构，采用防爆隔热金属外壳，成本高，结构复杂，不能灵活适应不同的锅炉炉膛环境；通常情况下，火焰检测装置中火焰检测门槛域值都是设定好之后无法自行更改，没有现场自学习功能，现场适应性存在缺陷；传统的火焰检测装置数据无线通信模式覆盖距离范围窄，节点设备受限，现场部署复杂，抗干扰性能低；或者仅仅采用总线方式，不能满足不同场景模式的需要。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供了一种紫外光电火焰检测系统及方法，采用火焰检测单元和信号处理单元分体设置，结构简化，安装方便，大大降低了成本；并具有自学习功能，能够根据不同的锅炉炉膛环境配置不同的火焰报警门槛阈值，灵活性和适应性强，普及性高，适合更大范围的推广。
5.为了解决解决上述技术问题，本发明提供了一种紫外光电火焰检测系统，包括：
6.紫外探测单元，用于探测炉膛内火焰的紫外光线，产生电信号；
7.信号处理单元，用于在自学习状态下，通过自学习方法获得有火阈值和无火阈值；在运行状态下，读取紫外探测单元发送的电信号，将电信号转换为脉冲信号，对脉冲信号进行时域和频域上的解析得到火焰参数，通过比较火焰参数与有火阈值和无火阈值来判断火焰的有无。
8.进一步的，所述通过自学习方法获得有火阈值和无火阈值的具体步骤为：
9.所述信号处理单元分别在锅炉处于有火和无火环境时，多次获取紫外探测单元发送的信号，对所述信号进行采样，经过傅里叶变换计算信号的脉动频率，并计算采样点的均值获得信号幅值，将得到的信号脉动频率和信号幅值上传到上位机终端；
10.所述上位机终端对多次获取的信号脉动频率和信号幅值取平均值，得到有火阈值和无火阈值，并返回至信号处理单元。
11.进一步的，所述上位机终端和信号处理单元之间的数据交互采用物联网nb-iot模组，所述nb-iot模组与终端平台之间采用coap协议实现数据交互，通过dtls协议保障两者
之间的链路安全。
12.进一步的，所述紫外探测单元包括紫外线传感器、金属外壳、透紫滤光片，所述金属外壳前端设置有螺纹管，用于外接金属管道通往锅炉炉膛，锅炉火焰发出的紫外信号通过金属管道和透紫滤光片聚焦，经紫外线传感器的紫外光电管探测到紫外光线后，产生电信号。
13.进一步的，所述紫外线传感器焊接到电路小板上，电路小板另一面引出电缆导线到标准插拔端子座，所述插拔端子座为紫外线传感器与金属壳线缆之间的接口，所述金属壳线缆与信号处理单元的端子连接。
14.进一步的，所述信号处理单元还用于提供紫外探测单元需要的起始敏感电压和工作电压。
15.进一步的，所述信号处理单元设置有延时时间设置旋转拨码，用于调节继电器动作延时时间；所述继电器外接熄火控制阀，用于切断可燃气体来源。
16.进一步的，所述信号处理单元设置有灵敏度设置旋转拨码，用于在自学习无效状态下，设置有火阈值和无火阈值；所述灵敏度设置旋转拨码的不同档位对应不同的灵敏度，不同的灵敏度对应不同的有火阈值和无火阈值。
17.为了解决解决上述技术问题，本发明还提供了一种紫外光电火焰检测方法，包括：
18.紫外探测单元探测炉膛内火焰的紫外光线，产生电信号；
19.在自学习状态下，信号处理单元通过自学习方法获得有火阈值和无火阈值；
20.在运行状态下，信号处理单元读取紫外探测单元发送的电信号，将电信号转换为脉冲信号，对脉冲信号进行时域和频域上的解析得到火焰参数，通过比较火焰参数与有火阈值和无火阈值来判断火焰的有无。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22.本发明克服了原来火焰检测门槛域值被固定的缺陷，功能上增加了自学习功能，在初次安装启动该功能时配置匹配锅炉环境的火焰报警门槛阈值，灵活性和适应性强，普及性高，适合更大范围的推广。
23.本发明采用火焰检测器和信号处理器分体结构，信号处理部分采用abs工程塑料外壳，需要电缆和火焰检测部分相连，结构简化，安装方便，大大降低了成本。
24.本发明采用rs485总线方式与窄带物联网nb-iot模组和数据处理终端通讯。rs485总线方式普及率高，可配套大部分工业控制终端；nb-iot模组覆盖范围宽，可以支持十几万个节点，采集数据可直接上传到云终端平台，不需通过网关，简化现场部署，克服了传统通讯方式覆盖范围窄，节点设备受限，现场部署复杂的缺陷。
25.本发明克服了锅炉火焰检测采用热能温度、热能差压、电离导电等原理检测效果差的问题，采用紫外线火焰检测传感器和特制透紫滤光片，既能检测锅炉内特定波长的紫外光，又能滤除一些干扰的光，区分出目标火焰和背景火焰，防止了“偷窥”问题的发生。
附图说明
26.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
27.图1为本发明实施例一的紫外火焰检测单元示意图；
28.图2为本发明实施例一的信号处理单元布局示意图；
29.图3为本发明实施例一紫外线火焰检测系统各单元连接示意图；
30.图4为本发明实施例一的信号处理单元实现方法示意图。
31.其中：1、透紫滤光片；2、电路小板；3、防水接头pg9；4、紫外线传感器；5、电源dc/dc；6、灵敏度设置旋转拨码；7、延时时间设置旋转拨码；8、有火学习按键；9、无火学习按键；10、开关量模块；11、主控制模块；12、双色状态报警灯；13、nb-iot模组；14、rs485输出模块；15、输出端子排；16、abs工程塑料外壳；17、信号处理电路板。
具体实施方式
32.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
33.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
34.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
35.实施例一
36.如图1、图2、图3和图4所示，本发明的目的之一是提供一种紫外光电火焰检测系统，包括紫外光电火焰检测装置、上位机终端，紫外光电火焰检测装置包括紫外探测单元和信号处理单元。检测装置对锅炉火焰特定波长的紫外光、炉内火焰的强度和火焰闪烁频率进行采集，利用紫外光电传感器的光谱分析原理，进行筛选提取、光电转换和算法处理。紫外探测单元和信号处理单元为分体结构，紫外探测单元采用金属外壳，信号处理单元采用防水型abs工程塑料外壳，紫外探测单元通过分体连接电缆与信号处理单元连接。
37.紫外探测单元采用紫外火焰检测传感器，传感器利用锅炉火焰本身特有波长的紫外线强度来判断火焰的有无，具有检测灵敏度高，性能稳定、抗干扰性强、一致性好的特点。如图1所示，紫外探测单元包括紫外线传感器4、金属外壳、透紫滤光片1。
38.紫外探测单元采用金属外壳，既能屏蔽外界干扰，又能在锅炉炉口高温环境下将热量分散开，避免热量过于集中。金属壳前端有通用螺纹管，可外接长金属管通往锅炉炉腔体。金属外壳靠近螺纹管的一端固定安装有透紫滤光片1，透紫滤光片1为特别定制的玻璃透镜，透紫滤光片的材料为耐热温度高的氟化钙晶体，折射率均匀，机械性能稳定、抗辐照损失能力强，透光范围宽，应力双折射低，透光范围宽，既能够通过锅炉火焰内一定波长范围的紫外光线，又能滤除一些其他波长干扰的光，不受日光、红外热辐射、炉膛高温等影响；同时透紫滤光片采用厚度适中的平片圆形，能尽可能大角度的探测边缘火焰，防止误报和漏报。
39.紫外火焰检测传感器的选择是分体式紫外火焰检测装置的关键，紫外火焰检测传
感器由紫外光电管、石英玻璃窗、光学遮光板、反光环、电路和管壳玻璃组成。紫外线传感器4焊接到中间隔离电路小板2上，在电路小板另一面引出电缆导线到标准插拔端子座，插拔端子座为传感器与金属壳线缆之间的接口，能实现迅速插拔，提高工作效率；防水接头(防水接头pg9)3的线缆(金属壳线缆)端子插到电路小板2的端子座，紫外线传感器4和防水接头3在电路小板2上完成对接，增加了线缆的牢固性，又隔离开传感器和电缆，避免了线缆安装时的缠绕，起到稳固作用，安装时方便快捷，提高效率。金属壳线缆(防水接头3的线缆)与信号处理单元的端子连接。
40.紫外线透过管壳玻璃入射到紫外光电管的阴极，紫外光电管阴极材料表面的功函数和管壳玻璃透紫性参数决定了紫外管光谱响应的上限波长和下限波长。锅炉火焰发出的紫外信号通过光路管道(螺纹管)和透紫滤光片聚焦，经紫外火焰传感器的紫外光电管探测到紫外光线后，产生电流，通过分体连接电缆进入信号处理单元进行处理。
41.信号处理单元采用防水型abs工程塑料外壳16，外型轻盈，体积较小；采用插拔式端子、多芯屏蔽线缆连接紫外探测单元的防水接口，安装方便，布线简单快捷。
42.信号处理单元一方面提供紫外火焰检测传感器需要的起始敏感电压和工作电压，使得紫外火焰检测传感器始终稳定的工作在一个额定电压范围内；另一个方面处理紫外火焰检测传感器采集到的信号，将采集信号转换为脉冲信号，将电信号转换为一定频率的脉冲信号，对脉冲信号进行时域和频域上的解析得到火焰参数(信号脉动频率和信号幅值)，通过比较火焰参数与标准门槛阈值来判断火焰的有无。其中，标准门槛阈值包括有火阈值和无火阈值。
43.如图2所示，信号处理单元包括电源dc/dc5、灵敏度设置旋转拨码6、延时时间设置旋转拨码7、有火学习按键8、无火学习按键9、开关量模块10、主控制模块11、双色状态报警灯12、nb-iot模组13、rs485输出模块14、输出端子排15、abs工程塑料外壳16和信号处理电路板17。
44.作为一种实施方式，如图4所示，信号处理单元具有现场自学习功能，在自学习状态下，通过自学习方法获得有火阈值和无火阈值，具体的：信号处理单元分别在锅炉处于有火和无火环境时，多次获取紫外探测单元发送的信号；对所述信号进行采样，经过傅里叶变换计算信号的脉动频率，并计算采样点的均值获得信号幅值；将得到的信号脉动频率和信号幅值上传到上位机终端；所述上位机终端对多次获取的信号脉动频率和信号幅值取平均值，得到有火阈值和无火阈值。
45.装置的灵敏度可通过灵敏度旋转拨码6设置，拨码一共有10个档位，灵敏度旋转拨码6置0位时自学习有效，在自学习状态下，有火学习按键8和无火学习按键9有效。当锅炉新安装火焰检测装置时，需要并能够有条件进行现场调试时，所谓的有条件就是此时锅炉是新安装火焰检测装置，还处于测试阶段，锅炉炉火可以随时进行熄灭和点燃，此时先进行有火自学习。
46.一、此时锅炉处于正常的有火环境，将灵敏度旋转拨码6置0位，按下有火自学习按键8，信号处理单元进入自学习状态，绿灯闪烁，闪烁间隔时间1秒，紫外火焰检测传感器连续采集火焰数据参数，经过信号处理电路进行放大、滤波传给中央处理器，中央处理器进行ad转换为数字电信号参数。自学习状态下绿灯一直闪烁，30秒后自行停止。具体的，信号处理单元自学习过程包括：
47.(1)信号处理单元以特定的采样频率采集紫外火焰检测传感器发出的信号，根据奈奎斯特采样定理，经过傅里叶变换计算信号的脉动频率，也就是每秒采集到的脉冲数，通过一定数量的采样点的均值获得信号的强度，也就是信号的电压值，即信号幅值；
48.(2)当绿灯停止闪烁时，自学习停止，将得到的信号脉动频率和信号幅值上传到上位机终端，终端对数据进行保存、归类；
49.(3)若再次按下自学习按键8，自学习重新开始，返回步骤(1)，进行多次进行学习，学习次数越多，最终学习的参数越准确，若无任何操作，则进行下一步；
50.(4)终端对多次学习的信号脉动频率和信号幅值数据进行处理，取平均值，这个值就是作为有火阈值参数。
51.二、从有火进入无火模式，熄灭炉火，此时锅炉内处于高温模式，进行无火自学习，按下无火自学习按键9，信号处理单元进入自学习状态，绿灯闪烁，闪烁间隔时间1秒，紫外火焰检测传感器连续采集火焰数据参数，经过信号处理电路进行放大、滤波传给中央处理器，中央处理器进行ad转换为数字电信号参数。自学习状态下绿灯一直闪烁，30秒后自行停止。
52.信号单元无火自学习过程和有火自学习过程一致，最后得到的参数为无火阈值参数。
53.自学习完毕后，锅炉火焰检测装置测试完毕，系统进入运行状态，锅炉正常点火使用，火焰检测装置正常检测，检测过程和自学习过程一致，检测数据和自学习得到的有火阈值参数和无火阈值参数进行比较。当检测数据大于有火阈值参数时，锅炉处于有火状态，结论有火，锅炉正常运行；当检测数据小于无火阈值参数时，锅炉处于熄火状态，结论熄火，终端和检测装置会同时报警，相应继电器动作，带动气体阀门关闭，阻止漏气的发生。
54.延时时间设置旋转拨码7为熄火延时时间设置开关，熄火延时时间指的是当紫外线传感器检测到的脉冲参数小于无火阈值参数时，报警灯亮，延时一段时间后，报警继电器10动作，延时时间设置作用是发现锅炉熄火报警后能留出时间余量来关闭可燃气体电磁阀，保证炉膛内还有一定的可燃气体，以防炉膛内部下次点火困难。可以设置继电器动作延时时间，延时时间有九个档位设置，可以留出足够的开启和关闭外接熄火电磁阀的时间余量。
55.作为一种实施方式，所述信号处理单元设置有灵敏度设置旋转拨码，用于在自学习无效状态下，设置有火阈值和无火阈值。如图4所示，在有些环境下，比如锅炉一直在使用中，或者锅炉原来的火焰检测装置出现故障，需要更换，这种情况不适合安装火焰检测装置时进行自学习，在自学习无效状态下，可以通过灵敏度设置旋转拨码6来设置灵敏度，拨码开关的0-9挡位对应不同的灵敏度，1为灵敏度最高，依次往下降低，此时自学习按键无效，程序正常运行，循环读取紫外线传感器信号，与已设定灵敏度对应的阈值参数进行比较，采集到的参数比有火阈值大时，结论有火；采集到的参数比无火阈值小时，结论无火。无火时，双色状态报警灯红色灯常亮，延时设定时间后继电器动作，继电器外接气体阀门，切断可燃气体来源，阻止燃气的排放。灵敏度的设置可以在一定范围内弥补无法通过自学习获得准确火焰上下限阈值参数的缺陷，能更准确判断锅炉内火焰的状态，及时有效的采取应对措施，具有很强的适应性，提高了无火和有火检测的准确概率。
56.4vdc/5vdc电源模块5给整个装置提供供电电源，满足了信号采集和传感器电压电
流的需要。主控制模块11采用抗干扰性强的工业级芯片，有效处理紫外传感器信号并进行解析。nb-iot模组13与平台之间采用coap协议实现数据交互，通过dtls协议保障两者之间的链路安全，nb-iot模组13与主控制模块11之间通过uart实现通信。rs485输出模块14将火焰信号及相关参数以modbus协议输出到端子排15。
57.如图3所示为紫光火焰检测单元、信号处理单元以及外围之间连接方法示意图，信号处理单元通过线缆和紫外火焰检测单元连接，接收紫外火焰检测单元传送的信号，同时信号处理单元通过线缆给紫外火焰检测单元提供弱电流高压电，使得紫外线传感器能够正常工作；紫外火焰检测单元通过螺纹管外接特制金属管道到炉膛，检测炉膛内火焰的紫外光线；信号处理单元为24v直流供电，单元内有dc/dc模块，转换为电路需要的直流电压；报警输出方式有继电器输出，并能通过rs485总线和物联网nb-iot模组实现与云终端平台的数据交互。
58.紫外光电火焰检测装置采集的数据可直接通过rs485总线和物联网nb-iot模组上传到云终端平台，不需通过网关，简化现场部署，克服了传统通讯方式覆盖范围窄，节点设备受限，现场部署复杂的缺陷。
59.紫外光电火焰检测装置和终端平台之间的数据交互采用物联网nb-iot模组，nb-iot全称为narrow band internet of things，具有长时间、低流量、高稳定性的无线通信传输优势。内置sim卡，锅炉炉膛火焰等数据采集后可直接上传到云终端平台，不需通过网关，现场部署简化。总线rs485传输，采用modbus通讯协议向总控制室终端传输锅炉炉膛有火无火情况。
60.nb-iot模组与终端平台之间采用coap协议实现数据交互，通过dtls协议保障两者之间的链路安全。
61.实施例二
62.本发明的目的之二是提供一种紫外光电火焰检测方法，其具体包括如下步骤：
63.紫外探测单元探测炉膛内火焰的紫外光线，产生电信号；
64.将电信号传输至信号处理单元，信号处理单元在自学习状态下，通过自学习方法获得有火阈值和无火阈值；在运行状态下，读取紫外探测单元发送的电信号，将电信号转换为脉冲信号，对脉冲信号进行时域和频域上的解析得到火焰参数，通过比较火焰参数与有火阈值和无火阈值来判断火焰的有无。
65.信号处理单元的火焰参数和火焰的有无结果传输至终端平台，终端平台显示火焰参数和火焰的有无结果；
66.信号处理单元在自学习状态下，通过自学习方法获得有火阈值和无火阈值的具体步骤为：
67.旋转灵敏度设置旋转拨码6指到0时，系统进入自学习状态，有火学习按键8和无火学习按键有效，所述信号处理单元分别在锅炉处于有火和无火环境时，多次获取紫外探测单元发送的信号，对所述信号进行采样，经过傅里叶变换计算信号的脉动频率，并计算采样点的均值获得信号幅值，将得到的信号脉动频率和信号幅值上传到上位机终端；所述上位机终端对多次获取的信号脉动频率和信号幅值取平均值，得到有火阈值和无火阈值，并返回至信号处理单元。
68.所述信号处理单元设置有灵敏度设置旋转拨码，用于在自学习无效状态下，设置
有火阈值和无火阈值。具体的：将灵敏度设置拨码6拨到1—9任意数值，则取消自学习功能，系统进入自学习无效状态，有火学习按键和无火学习按键无效。
69.系统进入运行状态，循环读取紫外线传感器发送的电信号，与已设定的阈值参数进行比较，采集到的参数比有火阈值大时，结论有火；采集到的参数比无火阈值小时，结论无火。无火时，双色状态报警灯红色灯常亮，延时设定时间后继电器动作，继电器外接熄火控制阀，切断可燃气体来源，阻止燃气的排放。
70.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。