CN101034008A

CN101034008A - 分体式燃烧火焰检测系统

Info

Publication number: CN101034008A
Application number: CN 200710038836
Authority: CN
Inventors: 王平; 樊凯凯; 张海华; 刘国超; 叶正桂
Original assignee: SHENMING CONTROL ENGINEERING Co Ltd SHANGHAI
Current assignee: SHENMING CONTROL ENGINEERING Co Ltd SHANGHAI
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2007-09-12

Abstract

一种分体式燃烧火焰检测系统，包括一仅包括光电探测器和连接于光电探测器输出端的预处理电路的火检探头和一火检放大器。火检放大器包括一输入端与火检探头中的预处理电路输出端相连接的火焰模拟信号处理电路，输入端与火焰模拟信号处理电路的输出端相连接的A/D转换器，与A/D转换器的输出端相连接的数字信号处理电路，分别与数字信号处理电路相连接的显示器，D/A转换器，开关量输入输出电路和串行通信电路；数字信号处理电路中包括内部置有信号处理系统的微处理器。信号处理系统包括信号采集模块，数字滤波模块和分析处理模块。数字信号处理电路输出有无火焰和有无故障的开关量信号以及燃烧火焰的频率及其对应的功率谱。

Description

分体式燃烧火焰检测系统

技术领域

本发明涉及一种燃烧火焰检测系统，尤其是涉及一种分体式燃烧火焰信号的检测系统，特别适用于火力发电厂或石油化工企业的锅炉内燃烧火焰状况的检测分析。

背景技术

通常检测燃烧火焰的探头为一体化的火检探头，就是将所有相关的电路都做在一个探头的壳体里。这种一体化火检探头的电路比较复杂，功耗较高，而大多数集成电路的工作温度上限是85℃，这就使火检的工作环境温度上限不超过65℃；传统的分体式火检探头采用光敏电阻作光电传感器，光敏电阻的温度特性很差，温度升高时其性能急剧下降，导致探头在高温下检测不到火焰信号，且容易损坏；因为火检探头安装在锅炉壁上，靠近燃烧器或油枪，其工况相当恶劣，特别是在一些老旧锅炉上，由于锅炉壁隔热效果不理想，会使探头的工作环境温度比较高，时间一长，探头易老化、损坏。综上所述，为了提高火检的可靠性并降低故障率，有必要提高探头的工作环境温度上限。

火焰给人眼的直觉是亮度和火焰根部亮度的脉动。根据理论分析和试验验证，火焰的闪烁或脉动，其频率与燃料种类有关。由于不同种类的燃料燃烧时的火焰特征频率不同，每种频率下的火焰的强度也不一样，因此准确检测、控制燃料燃烧时的火焰状况很不容易。然而传统的火焰检测系统观测火焰燃烧时，主要是通过光电转换器将接收到的燃烧火焰的光强信号转换成电压信号后，简单地进行幅值比较后，就对火焰进行有无火的识辨，及燃烧状况的分析。这样的测量，它忽略了火焰信号的频率特征，也就难以准确地检测火焰状况。特别在多个燃烧器的大型锅炉控制系统中，由于有多层火焰在燃烧，同层中又有多个燃烧点，传统火检推算难以对燃烧器的主火焰和背景火焰进行有效区分的辨识，这就很容易引起对火焰的错误判断从而导致控制的误动作。

发明内容

本发明的一个目的在于提高火检系统的可靠性，保证火检探头能够在非常恶劣的工况下正常稳定地工作。

本发明的另一个目的在于对有效频率段内火焰光强信号进行采样分析，通过数字滤波器对采样数据进行预处理，去除干扰信号(高频部分)，并对处理后的数据进行频谱分析，即对信号在频域范围内进行处理，进而给出火焰的强度及频率的分量值，从而实现对燃烧火焰状况比较的准确地鉴别。

为了达到上述的目的，本发明采取的技术方案是：将火检系统分成火检探头和火检放大器两大部分，具体的结构是：包括：一火检探头，火检探头仅包括光电探测器和连接于光电探测器输出端的预处理电路，用于探测燃烧火焰信号；

一火检放大器，火检放大器包括一输入端与火检探头中的预处理电路输出端相连接的火焰模拟信号处理电路，输入端与火焰模拟信号处理电路的输出端相连接的A/D转换器，与A/D转换器的输出端相连接的数字信号处理电路，分别与数字信号处理电路相连接的显示器，D/A转换器，开关量输入输出电路和串行通信接口电路；其中数字信号处理电路中包括内部置有信号处理系统的微处理器。

所述的置于微处理器内的信号处理系统包括：

一信号采集模块，用于采集火焰燃烧的数字信号，该数字信号包括在有限长的时域和频域内等间隔连续采样的时域信号和频率信号以及与时域信号相对应的火焰强度信号；

一数字滤波模块，采用数字滤波器滤掉由上述信号采集模块所采集的燃烧火焰信号中的干扰信号；

一分析处理模块，对于经过上述数字滤波模块滤除干扰信号的频率信号进行频谱分析，采用快速傅立叶变换(FFT)，计算出对应频率下的信号强度值，输出有无火焰燃烧的开关量信号、有无故障的开关量信号以及对应频率下的强度信号，用以显示火焰燃烧的状况。

本发明的分体式燃烧火焰检测系统的效果显著。

●本发明的检测系统，如上述的结构，火检探头只负责火焰信号的光电转换功能，以简化电路，提高火检探头工作温度的上限和可靠性，将比较复杂的火焰信号放大和处理电路放在火检放大器内，火检放大器可以工作在较好的环境里，这样有利于提高可靠性。因为简化了火检探头的电路设计，所以本发明的火检探头工作环境温度上限达到了100℃；火检放大器的电路虽比较复杂，但其可以工作在比较理想的环境里，比如，放大器可以做成标准4U尺寸的电路板卡，能够安装在机房的机柜卡架上运行；

●本发明检测系统中的火检放大器是对火检探头送来的火焰信号做进一步处理后进行燃烧火焰的强弱和有无火焰和故障进行检测，并输出表征火焰强度的(比如4～20mADC)模拟量信号和表征有无火焰和故障的开关量信号；

●本发明的信号处理系统中，因为信号采集模块所采集燃烧火焰的数字信号中包括频率信号，因此，本发明的信号处理系统能够通过火焰的频率特征，准确地检测火焰燃烧的状况；

●本发明的信号处理系统中，因为包括位于信号采集模块与分析处理模块之间的数字滤波模块，能够将不需要的干扰信号滤掉，使得检测的特征频率更准确，所检测的火焰状况更真实；

●本发明的信号处理系统中，因为包括分析处理模块对经过滤波后的频率信号进行频谱分析，并采用快速傅立叶变换(FFT)计算出对应频率下的强度值，以获得燃烧火焰的频率和对应的强度值，因而，能够全面而比较精确地显示出火焰燃烧的状况。

附图说明

图1是本发明分体式燃烧火焰检测系统的结构示意图；

图2是本发明的信号处理系统的结构示意图；

图3是本发明火检探头中预处理电路的一实施例结构示意图；

图4是本发明火检放大器中火焰模拟信号处理电路一实施例的结构示意图；

图5是本发火检明放大器中数字信号处理电路一实施例的结构示意图；

图6是本发明火检放大器中开关量输入输出电路；

图7是本发明分析处理模块进行频谱分析和FFT运算的流程图；

图8是本发明的一实施例，信号处理模块所采用的数据是未经数字滤波模块滤波的数据，运用FFT公式计算出的频率及其对应的功率谱；

图9是与图8的实施例相同，只是信号处理模块所采用的数据是经过数字滤波模块滤去干扰信号后的数据，运用FFT公式计算出的频率及其对应的功率谱；

图10是本发明的又一实施例，信号处理模块所采用的数据是未经数字滤波模块滤波的数据，运用FFT公式计算出的频率及其对应的功率谱；

图11是与图10实施例相同，信号处理模块所采用的数据是经过数字滤波模块滤去干扰信号后的数据，运用FFT公式计算出的频率及其对应的功率谱；

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明检测系统的结构特征。

图1为本发明分体式燃烧火焰检测系统的结构示意图，如图1所示，它包括一火检探头1和一火检放大器2两大部分。

所述的火检探头1包括光电探测器102和连接于光电探测器102输出端的预处理电路103，其中光电探测器102用于探测燃烧火焰信号101，预处理电路103用于对信号的隔直、放大和滤波的处理；

所述的火检放大器2包括一输入端与火检探头1中的预处理电路103输出端相连接的火焰模拟信号处理电路201，输入端与火焰模拟信号处理电路201的输出端相连接的A/D转换器202，与A/D转换器202的输出端相连接的数字信号处理电路203，分别与数字信号处理电路203相连接的显示器206，D/A转换器204，开关量输入输出电路205和串行通信接口电路207；所述的数字信号处理电路203中包括内部置有信号处理系统的微处理器DSP；在本实施例中，显示器203为点阵式LED显示器，串行通信接口电路207为RS485串行通信接口电路，为提供火检放大器对外的接口。

图2是置于微处理器DSP内的信号处理系统的结构示意图。如图2所示，信号处理系统01置于与A/D转换器202相连接的数字信号处理电路203中的微处理器DSP内，它包括：

一信号采集模块011，用于采集火焰燃烧的数字信号，该数字信号包括在有限长的时域和频域内等间隔连续采样的时域信号和频率信号以及与时域信号相对应的火焰强度信号；

一数字滤波模块012，采用数字滤波器滤(在本实施例中，采用IIR低通数字滤波器)滤掉由上述信号采集模块011所采集的燃烧火焰信号中的干扰信号，即滤去在计算中不希望存在的干扰信号，特别是滤去频率干扰信号；

一分析处理模块013，对于经过上述数字滤波模块012滤除干扰信号的频率信号进行频谱分析，采用快速傅立叶变换(FFT公式)，计算出对应频率下的信号强度值，输出有无火焰燃烧和有无故障的开关量信号以及对应频率下的功率谱，用以显示火焰燃烧的状况。在本实施例中，采用的快速傅立叶变换是时间抽取基2的快速傅立叶变换(FFT公式)。

所述的信号采集模块011是采集燃烧火焰的模拟信号已经转换成的数字信号。每隔1.3ms采样一次，为保证数据的连续性，采用先进先出的原则对采样数据进行更新；为了得到锅炉火焰信号的离散频谱分布特性，首先是对时域信号进行等间隔连续采样，在时间域上对火焰信号进行离散化。时域信号是火焰光强经过光电转换后得到的电压值，其大小正比于辐射光强。在对火焰信号时间序列进行采样时，会得到一组长度为N的火焰强度信号，但在这过程中有两个重要的参数要确定：采样频率和数据长度大小的选择。根据香农采样定理，若火焰闪烁信号的最高频率为f_t，为防止混频，选定抽样频率f_s≥2f_t，实际在本实施例中，选择的采样频率f_s为768Hz，所以通过768Hz的采样频率对数据进行采样后，经过时域转频域的数字信号处理，能在频域范围内恢复384Hz以下的频率信号。因为锅炉火焰的闪烁频率不超过250Hz，所以这样的采样频率对于实际锅炉火焰的应用来说已经足够了。在采样频率确定后，频率的分辩率Δf就由数据长度大小来决定，即有：

Δf＝f_s/N；

尽管Δf越小越好，但Δf越小即频率范围内的分辨率就越高，使得N越大，使计算量和存储量也随之增大。在本实施例中，在做DFT采用的是时间抽取(DIF)基2的FFT运算。所以，N取2的整次幂为256，即频率的分辨率Δf为3Hz。经过实验验证，在同一采样频率下用不同数据长度的大小而发现：N的改变并不会使火焰的识别标准发生改变，即只要对稳定和不稳定工况火焰信号的采样频率、数据长度大小保持一致，那么各工况低频分量幅值大小的不同依然具有鲜明的可比性。在这里，频率的分辨率对火焰的模式识别没有太大的影响。

所述的数字滤波模块012是滤除火焰频率信号中在处理过程中不希望存在的干扰频率信号。由于锅炉燃烧的火焰比较复杂，加上现场环境比较恶劣，所以火焰信号在由模拟量经AD转换成数字量的过程中可能存在一些高频的干扰信号，影响了火焰信号的纯净性。所以在对采样信号进行时域转频域的运算之前要进行数字滤波，滤除高频的干扰信号(如高于200Hz的信号)。本实施例中，采用的是IIR低通数字滤波器，其通带为0Hz～200Hz。

所述的分析处理模块013每隔20ms对采样数据进行运算；通过IIR低通数字滤波器滤除这些数字信号中没用的干扰信号，保留有效部分；然后再对这些数字信号进行分析处理，将信号由时域转换为频域，计算出信号在各个频带部分的能量值，据此数据来判断燃烧火焰的有无。分析处理模块可以对火焰信号进行频谱分析，如果检测的是锅炉内燃烧的火焰，当锅炉燃烧时，炉膛内存在着主火焰和背景火焰，主火焰和背景火焰的燃烧闪烁的频率存在很大的区别，通过对炉膛火焰信号的频域分析，给出主火焰和背景火焰在不同频带上有很大不同的能量值。所以通过锁定主火焰的闪烁频率，运行本发明的信号处理系统对主火焰进行信号分析，能有效地去除不同于主火焰闪烁频率的背景火焰信号，能较好地解决火焰检测对炉膛内检测中的误判断问题。

如上述，在本实施例中是要计算锅炉燃烧火焰在特征频率下的强度值，要对采样数据x(n)进行频谱分析。本实施例中，采用了时间抽取(DIF)基2的快速傅立叶变换。根据信号处理上的离散傅立叶变换，对该组信号x(n)作DFT运算就可获得该时域信号在频域上的对应表示，所采用的转换公式为：

X (k) = Σ_{n = 0}^{N - 1} x [n] e^{- j 2 πnk / N}

(k＝0，1，...，N-1)

其中x(n)是列长为N(n＝0，1，...N-1)的输入序列，X(k)为有限长为N的序列x(n)的离散傅立叶变换，

W_N＝e^-j(2π/N)

因为X(k)是复数，则可将其转换成功率谱P(k)为：

P(k)＝|X(k)|²/N，k＝0～(N-1)

在本实施例中N＝256。

运用上面的公式运算，完成对信号的频谱分析，计算出对应频率下的信号强度，结合系统对火焰特征频率及有无火门槛值的预设定值，实现对单燃烧器或多燃烧器的锅炉内的火焰燃烧状态的准确判断。

图3是本发明火检探头中预处理电路的一实施例结构示意图。如图3所示，在本实施例中，火检探头1中的预处理电路103内包括由电容和电阻构成的信号隔直电路1031，用于隔去光电探测器102输出电信号中的直流信号；与信号隔直电路1031输出端相连接的由集成运算放大器和电阻电容构成的信号放大电路1032以及与信号放大电路1032输出端相连接的滤波电路1033。信号放大电路1032对输入的信号进行放大后，由滤波电路1033滤去干扰信号。

图4是本发明火检放大器中火焰模拟信号处理电路一实施例的结构示意图，作为火检放大器中火焰模拟信号处理电路201包括至少一级信号放大和滤波处理电路。在本实施例中，包括三级由运算放大器和电阻电容组成的放大和滤波处理电路，如图4所示。

图5是本发明火检明放大器中数字信号处理电路一实施例的结构示意图。如图5所示，数字信号处理电路203包括微处理器DSP，分别与微处理器DSP连接的晶振OSC、数据存储器SRAM、程序存储器FLASH和看门狗。在本实施例中，微处理器DSP采用TMS320C5402，操作系统的软件为CCS’5000。如图5所示，数字信号处理电路203是以微处理器DSP为核心，晶振OSC为微处理器DSP提供系统的时钟信号；本发明的信号处理系统一程序(软件)保存在程序存储器FLASH内；当微处理器DSP上电启动时，将信号处理系统程序装载在微处理器DSP内开始运行，进行火焰信号的采集、处理分析以及输入输出开关量控制信号等；数据存储器SRAM保存微处理器DSP分析处理过程中的数据；看门狗电路能够提高系统运行的可靠性，防止微处理器DSP死机等。

图6是本发明火检放大器中的开关量输入输出电路205。如图6所示，开关量输入输出电路205包括开关量输入电路和开关量输出电路；所述的开关量输入电路包括至少两路由光耦隔离器和电阻组成的输入开关量信号电路。在本实施例中，开关量输入电路包括两路输入开关量信号电路。例如，外部输入的开关量信号为24V电平信号，经过光耦隔离器的隔离并转换为3.3V信号输入给数字信号处理电路中的微处理器DSP启动进入相对应的运行状态；

所述的开关量输出电路包括至少两路由一个三极管、继电器、二极管和电阻组成的输出开关量信号电路。在本实施例中，开关量输出电路包括两路输出开关量信号电路，其中一路输出的开关量是表示有无火焰的信号，另一路输出的开关量是表示有无故障的信号；例如，当数字信号处理电路输出的3.3V开关量信号驱动一个三极管后，再驱动火焰继电器，使火焰继电器的外部两组常开触点闭合，说明有火焰信号；同样，输出的3.3V开关量信号驱动另一个三极管后，使故障继电器的外部两组常开触点被闭合了，说明此时有故障信号。

图7是本发明分析处理模块进行频谱分析和FFT运算的流程图。如图7所示，图7图面中左边部分完成倒位序操作，在FFT运算中，N为2的整数次幂，X(k)为自然顺序，但为了适应原位计算，在运算之前应先对序列x(n)进行倒序。倒序的规律就是把顺序数的二进制位倒置，即可得到倒序值。倒序数是在M位二进制数最高位加一，逢2向右进位。对于，M位二进制数最高位的权值为N/2，且从左到右二进制位的权值依次为幂N/4，N/8，…，2，1。因此，最高位加一相当于十进制运算j+N/2。(j表示当前倒序数的十进制数值)。图7图面中右边部分完成FFT的运算，根据DFT的基二分解方法，可以发现在第L(L表示从左到右的运算级数，j＝1，2，3...M)级中，每个蝶形的两个输入数据(其中N为2的整数次幂，js＝Log₂N，Imn[]蝶形因子虚部，Ren[]蝶形因子实部)相距B＝2^(L-1)个点，同一旋转因子对应着间隔为2^L点的2^(M-L)个蝶形。从输入端开始，逐级进行，共进行M级运算。在进行L级运算时，依次求出个2^(L-1)不同的旋转因子，每求出一个旋转因子，就计算完它对应的所有的2^(M-L)个蝶形。因此，可以用三重循环程序实现FFT变换。同一级中，每个蝶形的两个输入数据只对本蝶形有用，而且每个蝶形的输入、输出数据节点又同在一条水平线上，所以输出数据可以立即存入原输入数据所占用的存储单元。这种方法可称为原址计算，可节省大量的存储单元。

在本实施例中，输入为频率为20Hz，幅值为2V的正弦波的光信号。用768Hz的采样频率对信号进行采样，采样序列x(n)长度为256，运用上述FFT公式，计算出对应频率下的功率谱P(k)的值为表1，曲线如图8；图8中横坐标为7的地方有一个尖峰值，其他频率分量都很小，可以忽略。

表1

横坐标频率	5	6	7	8	18	33	72	87	105
横坐标频率	5	6	7	8	18	33	72	87	105	纵坐标P(k)	423	1001	1938	465	176	101	180	52	21

当进行FFT运算之前，经过数字滤波模块滤去高频干扰信号后，再进行FFT运算，计算结果如表2所示，其曲线如图9所示；

从图9可以看出横坐标为7的地方也同样存在一尖峰值，表2的数据与表1也相同，同样其他频率分量都很小；通过图8和图9的数据表明运行数据和所要求的理论值相符。(注：由于本发明中采样周期为1/3秒，所以FFT运算频率的分辨率为3Hz，因此，横坐标为7对应的频率为21Hz)。

表2

横坐标频率	5	6	7	8	18	33	72	87	105
横坐标频率	5	6	7	8	18	33	72	87	105	纵坐标P(k)	428	1006	1933	460	185	89	60	34	15

在另一个实施例中，输入是频率为360Hz，幅值为2V的正弦波的光信号。用768Hz的采样频率对信号进行采样，采样序列x(n)长度为256，运用上述FFT公式运算，计算出对应频率下的功率谱P(k)的值：

A)在运行中未加IIR低通数字滤波器，计算出对应频率下的功率谱P(k)值的数据如表3所示，曲线如图10所示。从图10中可以看出横坐标为120的地方有一个尖峰值，其他频率分量都很小，可以忽略，这个数据与所要求的理论值相符。

表3

横坐标：频率	21	33	85	102	104	119	120	121	122
横坐标：频率	21	33	85	102	104	119	120	121	122	纵坐标P(k)	8	7	17	9	126	220	1843	287	154

B)运行中增加IIR低通数字滤波器后，计算出对应频率下的功率谱P(k)值如表4所示，曲线如图11所示。横坐标为120的地方有一个尖峰值，其他频率分量都很小，可以忽略。但尖峰值的大小为92左右，与表3中的衰减幅度为DB＝1843/92＝20.03，说明增加IIR低通数字滤波器以后能有效滤除高于200Hz的信号，达到了预期的要求。

表4

横坐标：频率	72	77	87	102	103	119	120	121	122
横坐标：频率	72	77	87	102	103	119	120	121	122	纵坐标P(k)	29	7	30	9	77	9	92	7	6

Claims

1.一种分体式燃烧火焰检测系统，其特征在于包括：

一火检探头，它包括光电探测器和连接于光电探测器输出端的预处理电路，用于探测燃烧火焰信号；

一火检放大器，它包括一输入端与火检探头中的预处理电路输出端相连接的火焰模拟信号处理电路，输入端与火焰模拟信号处理电路的输出端相连接的A/D转换器，与A/D转换器的输出端相连接的数字信号处理电路，分别与数字信号处理电路相连接的显示器，D/A转换器，开关量输入输出电路和串行通信电路；其中数字信号处理电路中包括内部置有信号处理系统的微处理器。

2.根据权利要求1所述的分体式燃烧火焰检测系统，其特征在于所述的置于微处理器内的信号处理系统包括：

一分析处理模块，对于经过上述数字滤波模块滤除干扰信号的频率信号进行频谱分析，采用快速傅立叶变换，计算出对应频率下的信号强度值，输出有无火焰燃烧的开关量信号、有无故障的开关量信号以及对应频率下的强度信号，用以显示火焰燃烧的状况。

3.根据权利要求1所述的分体式燃烧火焰检测系统，其特征在于所述的火检探头中的预处理电路包括：信号隔直电路，与信号隔直电路连接的信号放大电路以及与信号放大电路连接的滤波电路。

4.根据权利要求1所述的分体式燃烧火焰检测系统，其特征在于所述的火焰模拟信号处理电路包括至少一级信号放大和滤波处理电路。

5.根据权利要求1所述的分体式燃烧火焰信号处理系统，其特征在于所述的数字信号处理电路中还包括与微处理器连接的晶振、数据存储器、程序存储器和看门狗。

6.根据权利要求1所述的分体式燃烧火焰检测系统，其特征在于所述的开关量输入输出电路包括开关量输入电路和开关量输出电路；所述的开关量输入电路包括至少两路由光耦隔离器和电阻组成的输入开关量信号电路；所述的开关量输出电路包括至少两路由一个三极管、继电器、二极管和电阻组成的输出开关量信号电路。