CN104235873B - 一种基于静电传感器的火焰稳定性监测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于静电传感器的火焰稳定性监测装置和方法，所述装置包括静电传感器1、预放大电路6、二次放大和滤波电路7、信号处理与数据分析单元8、显示单元9；所述静电传感器1为三对相互错开条形静电电极3嵌入到静电传感器1靠近燃烧器火焰2的一端，感应所在位置燃烧器火焰2的燃烧特性信息；每个静电电极3通过电极绝缘材料4与其他部分绝缘；为了防止信号受干扰，装有屏蔽外壳5；为了提高信噪比，每个静电电极3的输出直接接入预放大电路6；预放大电路6的输出端通过信号线与二次放大和滤波电路7连接实现二次放大和滤波，二次放大和滤波电路7的输出端连接信号处理与数据分析单元8；信号处理与数据分析单元8的输出端连接显示单元9；最终在显示单元9显示火焰特征参数。

Description

一种基于静电传感器的火焰稳定性监测装置和方法

技术领域

本发明属于火焰监测技术领域，特别涉及一种基于静电传感器的火焰稳定性监测装置和方法。

背景技术

燃烧炉在工业生产过程的各个领域都得到广泛应用，作为一种具有特殊性质的设备，其安全运行不仅对工业生产过程的安全性十分重要，而且对保护财产安全也极其重要。为了防止燃烧炉发生意外事故，通常要安装炉膛安全监控系统，而其中火焰检测装置又是关键部分之一。随着科技的发展和研究的进一步深入，火焰检测技术经历了几个不同的阶段，总的来说，可以分为直接检测和间接检测两种方法。直接检测法包括：电极法、差压法、声波法和温度法等。这些方法都有局限性，电极法只能用来简单判断点火是否成功；差压法虽然原理简单，但可靠性不佳；声波法易受其它噪声的干扰；温度法存在大延迟问题，对于生产过程的控制是不允许的。间接检测法包括辐射光能测量技术、相关原理测量技术和基于图像与数字图像处理的检测技术等。基于辐射光能的检测技术在实践中大多采用组合光学探头来提高检测的可靠性，但这类传感器的光学探头易受粉尘污染而不能得到广泛应用。现在研究较多的基于图像处理的火焰检测系统大多数还处于试验研究阶段。

火焰是发光发热的氧化反应，火焰内部充满大量带电颗粒，尤其是碳烟颗粒、阴阳离子以及自由电子。利用燃烧器火焰中各类颗粒的特性，可应用在静电传感器感应火焰中的带电颗粒。通过静电传感器对感应电荷预放大，经信号调理、然后经微处理器系统对静电信号进行分析，从而得到有关火焰特征的参数，即，火焰稳定性。该装置结构简单、成本低、受环境因素如粉尘的影响小，具有安装灵活、无需冷却等优点，避免了其它测量方法的一些缺点。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的缺点，提供一种基于静电传感器的火焰稳定性监测装置和方法。

一种基于静电传感器的火焰稳定性监测装置，其特征在于，所述装置包括静电传感器1、预放大电路6、二次放大和滤波电路7、信号处理与数据分析单元8、显示单元9；所述静电传感器1为三对相互错开条形静电电极3嵌入到静电传感器1靠近燃烧器火焰2的一端，感应所在位置燃烧器火焰2的燃烧特性信息；每个静电电极3通过电极绝缘材料4与其他部分绝缘；为了防止信号受干扰，装有屏蔽外壳5；为了提高信噪比，每个静电电极3的输出直接接入预放大电路6；预放大电路6的输出端通过信号线与二次放大和滤波电路7连接实现二次放大和滤波，二次放大和滤波电路7的输出端连接信号处理与数据分析单元8；信号处理与数据分析单元8的输出端连接显示单元9；最终在显示单元9显示火焰特征参数。

所述基于静电传感器的火焰稳定性监测装置，其特征在于，所述信号处理与数据分析单元8包括时域和频域特分析模块、互相关分析模块和数据融合模块，通过分析计算静电信号得到火焰强度、火焰闪烁频率、火焰速度和稳定性火焰特征参数。

所述基于静电传感器的火焰稳定性监测装置，其特征在于，所述静电电极3由耐高温耐高压不锈钢或铜片制成，能耐受燃烧炉或燃烧器的火焰温度。

所述基于静电传感器的火焰稳定性监测装置，其特征在于,所述静电传感器电极绝缘材料4由氧化物(如氧化铝或氧化镁等)陶瓷材料制成。

所述基于静电传感器的火焰稳定性监测装置，其特征在于，所述静电电极3长度和宽度根据被测火焰大小进行调整。一般取宽度为2～4mm，长度为10～20mm。

所述基于静电传感器的火焰稳定性监测方法，包括以下步骤：

S1：静电传感器1采集火焰特征信号，经预放大电路6、二次放大和滤波电路7得到用于计算分析的静电信号。

S2：在信号处理与数据分析单元8进行静电信号的时域和频域特、互相关分析，计算后得到火焰强度、闪烁频率、火焰速度特征参数。

S3：根据得到的火焰强度、闪烁频率、火焰速度特征参数，利用数据融合分析技术得出火焰稳定性参数。

所述基于静电传感器的火焰稳定性监测方法中所述步骤S2中火焰强度、闪烁频率、火焰速度的特征参数计算方法如下：

火焰强度由以下公式计算：

$I_s=\frac{1}{6}\underset{j=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{I}_j$ ①

$I_j=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(I_i-\stackrel{\‾}{I})}^2}$ ②

其中I_S为静电信号的强度，用其来表征火焰强度，N为信号采样点数，I_j为第j个电极的静电信号的均方值，I_i为第i个电极的静电信号的均方值，为单个电极静电信号的均值；

火焰闪烁频率由以下公式计算：

$F_I=\frac{1}{6}\underset{j=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{Ij}}$ ③

$F_{\mathrm{Ij}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}S\left(i\right)f\left(i\right)}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}S\left(i\right)}$ ④

其中F_I为火焰的闪烁频率，F_Ij为第j个电极得出的火焰频率，S(i)为第i个频率点的功率谱密度，f(i)为第i个点的频率，N为信号的频率成分数目；

火焰速度由以下公式计算：

火焰速度定义为火焰中颗粒物从火焰上游到下游的传播速度。

$V_F=\frac{1}{3}\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{Fj}}$ ⑤

V_Fj＝L_j/τ_j⑥

$R_{\mathrm{xy}}=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$ ⑦

其中V_F为火焰的平均速度，即为三个瞬间火焰速度的平均值，V_Fj为第j对电极所得火焰速度，L_j为第j对电极之间的间距，x(t)和y(t)为上下游电极静电信号，R_xy为信号x(t)和y(t)的互相关函数，τ_j为第j对互相关函数的渡越时间即，互相关函数峰值位置，T为积分时间。

所述基于静电传感器的火焰稳定性监测方法，其特征在于，所述步骤S3稳定性计算方法如下：

⑧

其中，δ为火焰的稳定指数，δ∈[0,1]，0代表火焰稳定性最差，1代表火焰稳定性最好。I_S,F_I,V_F分别表示火焰强度，火焰闪烁频率和火焰速度，分别为I_S,F_I,V_F测量值的标准偏差，分别为I_S,F_I,V_F的理论值最大标准偏差，即，I_S,F_I,V_F在其均值上下最大波动范围的一半，分别为的权值，在不同的工况下，不同的特征参数所占的权值比重不同。

本发明有益效果是：

(1)装置结构简单、成本低、受环境因素(如粉尘)的影响小，具有安装灵活、无需冷却等优点，可以实现对火焰燃烧特征参数的连续实时监测。

(2)静电传感器直接获取火焰的静电信息，通过信号调理、处理单元减小背景噪声对有用信号的影响。其次，利用信号相关性原理测量火焰的速度。

(3)本发明创新了火焰的稳定性评价公式，根据火焰的特征参数(火焰的强度，火焰闪烁频率和火焰的速度)的信息实现综合全面的对火焰稳定性的定量评价。

附图说明

图1为基于静电传感器的火焰稳定性监测装置原理示意图。

图2为火焰特征参数检测方法流程图。

图中：1.静电传感器；2.火焰；3.静电电极；4.电极绝缘材料；5.屏蔽外壳；6.预放大电路；7.二次放大和滤波电路；8.信号处理与数据分析单元；9.显示单元。

具体实施方式

本发明提供一种基于静电传感器的火焰稳定性监测装置，其特征在于，所述装置包括静电传感器1、预放大电路6、二次放大和滤波电路7、信号处理与数据分析单元8、显示单元9；所述静电传感器1为三对相互错开条形静电电极3(A1,A2,B1,B2,C1,C2)嵌入到静电传感器1靠近燃烧器火焰2的一端，感应所在位置燃烧器火焰2的燃烧特性信息；每个静电电极3通过绝缘材料4与其他部分绝缘；为了防止信号受干扰，装有屏蔽外壳5；为了提高信噪比，每个静电电极3的输出直接接入预放大电路6；预放大电路的输出端通过信号线与二次放大和滤波电路7连接实现二次放大和滤波，二次放大和滤波电路7的输出端连接信号处理与数据分析单元8；信号处理与数据分析单元8的输出端连接显示单元9；最终在显示单元9显示火焰特征参数。

信号处理与数据分析单元8包括时域和频域特分析模块、互相关分析模块和数据分析模块，通过分析计算静电信号得到火焰强度、火焰闪烁频率、火焰速度和稳定性火焰特征参数。

本发明还提供一种基于静电传感器的火焰稳定性监测方法，包括以下步骤：

S1：静电传感器1采集火焰特征信号，经预放大电路6、二次放大和滤波电路7得到用于计算分析的静电信号。

S2：在信号处理与数据分析单元8进行静电信号的时域和频域特、互相关分析、计算后得到火焰强度、火焰闪烁频率、火焰速度特征参数。

S3：根据得到的火焰强度、火焰闪烁频率、火焰速度特征参数，利用数据融合分析技术得出火焰稳定性参数。

火焰强度、火焰闪烁频率、火焰速度特性参数计算方法具体如下：

火焰强度由以下公式计算：

$I_s=\frac{1}{6}\underset{j=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{I}_j$ ①

$I_j=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(I_i-\stackrel{\‾}{I})}^2}$ ②

其中I_S为静电信号的强度，用其来表征火焰强度，N为信号采样点数，I_j为第j个电极的静电信号的均方值，I_i为第i个电极的静电信号的均方值，为单个电极静电信号的均值。

火焰闪烁频率由以下公式计算：

$F_I=\frac{1}{6}\underset{j=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{Ij}}$ ③

$F_{\mathrm{Ij}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}S\left(i\right)f\left(i\right)}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}S\left(i\right)}$ ④

其中F_I为火焰的闪烁频率，F_Ij为第j个电极得出的火焰频率，S(i)为第i个频率点的功率谱密度，f(i)为第i个点的频率，N为信号的频率成分数目。

火焰速度由以下公式计算：

火焰速度定义为火焰中颗粒物从火焰上游到下游的传播速度。

$V_F=\frac{1}{3}\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{Fj}}$ ⑤

V_Fj＝L_j/τ_j⑥

$R_{\mathrm{xy}}=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$ ⑦

其中，V_F为火焰的平均速度，即为可测量燃烧速度的平均值，不考虑无信号的电极对。V_Fj为第j对电极所得火焰速度，L_j为第j对电极的中心间距，x(t)和y(t)为上下游电极静电信号，R_xy为信号x(t)和y(t)两路信号的互相关函数，τ_j为第j对互相关函数的渡越时间，即，互相关函数峰值位置，T为积分时间。

火焰稳定性计算方法具体如以下公式：

⑧

其中δ为火焰的稳定指数，δ∈[0,1]，0代表火焰稳定性最差，1代表火焰稳定性最好。I_S,F_I,V_F分别表示火焰强度，火焰闪烁频率和火焰速度，分别为I_S,F_I,V_F测量值的标准偏差，分别为I_S,F_I,V_F的理论值最大标准偏差，也就是I_S,F_I,V_F在其均值上下最大波动范围的一半，分别为的权值，在不同的工况下，不同的特征参数所占的权值比重不同。

静电电极3由耐高温高压不锈钢或铜片制成，能耐受燃烧炉或燃烧器的火焰温度。

静电传感器电极绝缘材料4可由氧化物(如氧化铝或氧化镁等)陶瓷材料制成。

静电电极3长度和宽度根据被测火焰大小进行调整。一般取宽度为2～4mm，长度为10～20mm。

以上说明仅为本发明的具体实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，做任何的修改和替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于静电传感器的火焰稳定性监测装置，其特征在于，所述装置包括静电传感器(1)、预放大电路(6)、二次放大和滤波电路(7)、信号处理与数据分析单元(8)、显示单元(9)；所述静电传感器(1)为三对相互错开条形静电电极(3)嵌入到静电传感器(1)靠近燃烧器火焰(2)的一端，感应所在位置燃烧器火焰(2)的燃烧特性信息；每个静电电极(3)通过电极绝缘材料(4)与其他部分绝缘；为了防止信号受干扰，装有屏蔽外壳(5)；为了提高信噪比，每个静电电极(3)的输出直接接入预放大电路(6)；预放大电路(6)的输出端通过信号线与二次放大和滤波电路(7)连接实现二次放大和滤波，二次放大和滤波电路(7)的输出端连接信号处理和数据分析单元(8)；信号处理与数据分析单元(8)的输出端连接显示单元(9)；最终在显示单元(9)显示火焰特征参数，所述火焰特征参数包括火焰强度、火焰闪烁频率、火焰速度，根据这些火焰特征参数得出火焰稳定性参数。

2.根据权利要求1所述的基于静电传感器的火焰稳定性监测装置，其特征在于，所述信号处理和数据分析单元(8)包括时域和频域特分析模块、互相关分析模块和数据分析模块，通过分析计算静电信号得到火焰强度、火焰闪烁频率、火焰速度和稳定性火焰特征参数。

3.根据权利要求1所述的基于静电传感器的火焰稳定性监测装置，其特征在于，所述静电电极(3)由耐高温耐高压不锈钢或铜片制成，能耐受燃烧炉或燃烧器的火焰温度。

4.根据权利要求1所述的基于静电传感器的火焰稳定性监测装置，其特征在于，所述静电传感器电极绝缘材料(4)由氧化物陶瓷材料制成。

5.根据权利要求1所述的基于静电传感器的火焰稳定性监测装置，其特征在于，所述静电传感器电极绝缘材料(4)由氧化铝陶瓷材料或氧化镁陶瓷材料制成。

6.根据权利要求1所述的基于静电传感器的火焰稳定性监测装置，其特征在于，所述静电电极(3)的长度为10～20mm，宽度为2～4mm。

7.一种基于静电传感器的火焰稳定性监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：静电传感器(1)采集火焰特征信号，经预放大电路(6)、二次放大和滤波电路(7)得到用于计算分析的静电信号；

S2：在信号处理与数据分析单元(8)进行静电信号的时域和频域特、互相关分析、计算后得到火焰强度、火焰闪烁频率、火焰速度特征参数；

S3：根据得到的火焰强度、火焰闪烁频率、火焰速度特征参数，利用数据融合分析技术得出火焰稳定性参数。

8.根据权利要求7所述的基于静电传感器的火焰稳定性监测方法,其特征在于，所述步骤S2中火焰强度、火焰闪烁频率、火焰速度的计算方法如下：

火焰强度由以下公式计算：

$I_s=\frac{1}{6}\underset{j=1}{\overset{6}{\Σ}}{I}_j$ ①

$I_j=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{(I_i-\stackrel{\‾}{I})}^2}$ ②

其中I_S为静电信号的强度，用来表征火焰强度，N为信号采样点数，I_j为第j个电极的静电信号的均方值，I_i为第i个电极的静电信号的均方值，为单个电极静电信号的均值；

火焰闪烁频率由以下公式计算：

$F_I=\frac{1}{6}\underset{j=1}{\overset{6}{\Σ}}{F}_{Ij}$ ③

$F_{Ij}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}S\left(i\right)f\left(i\right)}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}S\left(i\right)}$ ④

其中F_I为火焰的闪烁频率，F_Ij为第j个电极得出的火焰频率，S(i)为第i个频率点的功率谱密度，f(i)为第i个点的频率，N为信号的频率成分数目；

火焰速度由以下公式计算：

火焰速度定义为火焰中颗粒物从火焰上游到下游的传播速度；

$V_F=\frac{1}{3}\underset{j=1}{\overset{3}{\Σ}}{V}_{Fj}$ ⑤

V_Fj＝L_j/τ_j⑥

$R_{xy}=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\τ})dt$ ⑦

其中V_F为火焰的平均速度，即为可测量燃烧速度的平均值，不考虑无信号的电极对，V_Fj为第j对电极所得火焰速度，L_j为第j对电极的中心间距，x(t)和y(t)为上下游电极静电信号，R_xy为信号x(t)和y(t)两路信号的互相关函数，τ_j为第j对互相关函数的渡越时间，即，互相关函数峰值位置，T为积分时间。

9.根据权利要求7所述的基于静电传感器的火焰稳定性监测方法,其特征在于，所述步骤S3中火焰稳定性计算方法如下：

其中，δ为火焰的稳定指数，δ∈[0,1]，0代表火焰稳定性最差，1代表火焰稳定性最好；I_S,F_I,V_F分别表示火焰强度，火焰闪烁频率和火焰速度，分别为I_S,F_I,V_F测量值的标准偏差，分别为I_S,F_I,V_F的理论值最大标准偏差，即，I_S,F_I,V_F在其均值上下最大波动范围的一半，分别为的权值，在不同的工况下，不同的特征参数所占的权值比重不同。