CN206601188U - 一种两红外两紫外的红紫复合探测技术实现火焰探测的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种两红外两紫外的红紫复合探测技术实现火焰探测的装置，包括四个火焰探测器；每个火焰探测器均依次经其对应的对数放大器、带通滤波器和高精度模拟数字转换器与现场可编程门阵列电连接，现场可编程门阵列并行处理四个火焰探测器所在通道的数字信号；现场可编程门阵列与微控制单元电连接，微控制单元设置有RS485接口和CAN总线接口；四个火焰探测器分别为两个红外探测器和两个紫外探测器。本实用新型的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种两红外两紫外的红紫复合探测技术实现火焰探测的装置及方法，改善现有火焰探测器灵敏度低、误报率高等问题。

Description

一种两红外两紫外的红紫复合探测技术实现火焰探测的装置

技术领域

本发明属于火焰探测技术领域，特别是涉及一种两红外两紫外的红紫复合探测技术实现火焰探测的装置及方法。

背景技术

在生产、加工、储存、使用和运输各种可燃物质的部门，飞机停机库、大型油气罐区、关键的石油化工装置及自动加工工厂等部门，都需要配备性能可靠、反应灵敏的火焰探测器。众所周知，若能在火苗刚刚燃起时，火焰探检器就能立即探测到“小火”,人们便能尽快采取灭火措施，从而避免或减少损失，往往比较容易奏效。因此，无论是单纯的火焰探测系统，还是作为自动灭火系统一部分的火焰检测，都对火焰探测探头提出了相当高的要求。首先是探头要有高的灵敏度，同时要有高的可靠性，再有就是希望探头要有大的检测距离，即有大的保护范围。

火焰探测器的定义：物质燃烧时，在产生烟雾和放出热量的同时，也产生可见或不可见的光辐射，因此，火焰探测器又称感光式火灾探测器，它是用于响应火灾的光特性，即扩散火焰燃烧的光照强度和火焰的闪烁频率的一种火灾探测器。各种光学火焰探测器探头都选择火焰光的某些频带范围,而且是“火焰”所具有的比较特殊的频带。目前使用广泛的火焰探测器主要有四种：单紫外(UV) 探测器、单红外(IR)探测器、双红外(IR)探测器和紫外(UV) /红外(IR)复合探测器。

传统火焰探测器存在的缺点：单红外或者单紫外火焰探测器的抗干扰能力较差，较容易受太阳光、热源、荧光灯、白炽灯等背景光的影响而产生误报警，因此，这类火焰探测器仅适用于自然光线有限的封闭空间；双波段红外火焰探测器一定程度上克服了背景辐射的干扰，提高了火灾探测灵敏度，具有比单波段红外火焰探测器更好的探测性能，但整体上依然存在误报警率高、探测距离短等缺点；传统的紫外红外复合式火焰探测器受限于紫外光电管的使用方式，响应时间较长，这类火焰探测器无法满足对火焰的快速响应要求；除此之外现有的火焰探测器在信号处理过程中，多采用线性放大技术，无法侦测到微小信号，同时动态范围较小，致使火焰探测器灵敏度低，探测距离有限。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种两红外两紫外的红紫复合探测技术实现火焰探测的装置，改善现有火焰探测器灵敏度低、误报率高等问题。

本发明提供了一种两红外两紫外的红紫复合探测技术实现火焰探测的装置，其特征在于：它包括四个火焰探测器；每个火焰探测器均依次经其对应的对数放大器、带通滤波器和高精度模拟数字转换器(ADC)与现场可编程门阵列(FPGA)电连接，现场可编程门阵列并行处理四个火焰探测器所在通道的数字信号；现场可编程门阵列与微控制单元(MCU)电连接，微控制单元设置有RS485 接口和CAN总线接口，微控制单元输出0～20mA电流环并通过输出不同的电流值表明检测结果；四个火焰探测器分别为两个红外探测器和两个紫外探测器；其中两红外探测器的中心波长分别为 4.3nm和3.8nm，两紫外探测器的中心波长分别为254nm和355nm。

所述微控制单元的输出端连接有LED指示灯，所述LED指示为三色LED指示灯，通过不同颜色和不同闪烁频率表明检测结果。

所述紫外探测器包括管帽和底座，管帽和底座配合形成密闭空间；管帽一端嵌设有窗口材料，所述密闭空间内设置有PCB板，PCB 上设置有光电二极管和前置放大电路；光电二极管检测管帽外部空气中的光信号并将其转换为电流信号传递至前置放大电路；前置放大电路将接收到的电流信号转换为电压信号输出；底座上设置有连接前置放大电路输出端的输出引脚、连接前置放大电路电源输入端的电源引脚、连接前置放大电路接地端的接地引脚、用于与外部接地端连接的接地管脚。

上述技术方案中，所述前置放大电路包括放大器；放大器的正极输入端接地；放大器的负极输入端连接光电二极管的阴极，光电二极管的阳极的接地；放大器的负极输入端和输出端之间连接有反馈电阻；反馈电阻两端并联有补偿电容；放大器的负极输入端经PD内阻接地；放大器的负极输入端经PD结电容接地。所述密闭空间填充氮气或者真空；所述窗口材料为石英玻璃或者滤光片；所述光电二极管采用GaN半导体材料制成。

本发明提供了一种两红外(IR)两紫外(UV)的红紫复合探测技术实现火焰探测的方法，其特征在于包括以下步骤：所述四个火焰探测器对火焰及周边信号进行采集；对数放大器将其对应的火焰探测器采集的信号转换成模拟电压信号；带通滤波器对其对应对数放大器处理后的模拟电压信号进行滤波处理；高精度模拟数字转换器将其对应带通滤波器过滤后的模拟电压信号转换为数字信号；所述现场可编程门阵列将所述4个高精度模拟数字转换器处理后的信号进行并行处理，形成识别真实火焰的判断依据，并根据该判断依据获得检测结果信号并提供给所述微控制单元；微控制单元将信息输出给外围接口电路。

上述技术方案包括以下步骤：

步骤1，两个红外探测器和两个紫外探测器对火焰及周边信号进行采集，其中两红外探测器的中心波长分别为4.3nm和3.8nm，两紫外探测器的中心波长分别为254nm和355nm；

步骤2，对数放大器对其对应的火焰探测器采集的信号分别进行电荷放大，将pA级微弱电流信号转换成模拟电压信号，保证电流的宽动态范围采集与转换；

步骤3，带通滤波器对所述对数放大器处理后的模拟电压信号分别进行滤波处理，截取火焰闪烁频率(3～30Hz)范围内的低频信号，屏蔽频谱特性为直流的光源；

步骤4，高精度模拟数字转换器将所述带通滤波器过滤后的模拟电压信号分别转换为数字信号，提高信噪比；

步骤5，采用所述现场可编程门阵列将所述4个高精度模拟数字转换器处理后的信号进行并行处理，形成识别真实火焰的判断依据，且当设备工作环境中，出现某种物质燃烧产生的火焰时，所述现场可编程门阵列将根据该判断依据获得检测结果信号并提供给所述微控制单元；

步骤6，由所述微控制单元控制所述现场可编程门阵列的处理流程，获取所述现场可编程门阵列的检测结果信号，并将信息输出给外围接口电路，即LED指示灯、0～20mA电流环输出、RS485接口和CAN总线接口。

所述现场可编程门阵列是对四个通道数字信号并行处理的微处理器；红外探测器和紫外探测器输出信号经过电荷放大，闪烁频率滤波，模数转换后输入到现场可编程门阵列，在现场可编程门阵列内部，对数字信号进行平滑滤波和归一化预处理得到入射光强的二进制数值，然后分别对红外和紫外两个通道的入射光强二进制数值做幅值比较运算，并设置置信区间，形成识别真实火焰的判断依据；当设备工作环境中，出现某种物质燃烧产生的火焰时，现场可编程门阵列可以根据该“判断依据”获得检测结果信号并提供给微控制单元；该检测结果信号包括：“故障”、“正常”、“检测到红外”、“检测到紫外”、“预报警”、“报警”；所述现场可编程门阵列支持四个通道数字信号并行处理，减小运算延时，提高系统响应速度。

所述中心波长在4.3um的红外探测器对火焰红外辐射有强烈响应，用于实现对火焰的检测；中心波长在3.8um的红外探测器用于实现对背景的检测。中心波长在3.8um的红外探测器对太阳光的响应强度比中心波长在4.3um的红外探测器对太阳光的响应强度高，但是对火焰红外辐射的响应强度比中心波长在4.3um的红外探测器对火焰红外辐射的响应强度低，可以用于实现对背景的检测。

所述两个红外探测器，在有火焰和无火焰时输出响应增加值有明显变化，通过对两个红外探测器的响应增加值的对比实现克服背景干扰，以检测到真实火焰。

所述中心波长在254nm和355nm两个紫外探测器，在紫外光谱范围内，对金属类，烃类有机化合物燃烧时的火焰有不同的输出响应强度。

所述对于金属类燃烧物，254nm的紫外探测器输出响应强于 355nm的紫外探测器；对于烃类化合物燃烧物，355nm的紫外探测器输出响应强于254nm的紫外探测器；当红外探测器识别到真实火焰时，通过两个紫外探测器输出响应增加值的对比分析燃烧物种类。

本发明采用不同波段的两红外两紫外探测器组成的传感器阵列，利用不同波段红外、紫外探测器的响应特性差异，通过信号处理及对响应增加值差异的系统分析，能对太阳光、闪电、电焊、人工光源、热辐射等干扰有很好的抑制，实现真实火焰探测。本发明通过特定波长的两红外两紫外探测器实现红紫复合火焰探测的方法，可以有效地识别真实火焰，改善误报率，同时可以对火焰燃烧物种类在一定程度上进行区分，更好的指导火焰报警后的防爆灭火工作。本发明由传感器阵列、对数放大器、带通滤波器、高精度模拟数字转换器和现场可编程门阵列等部件组成的火焰探测设备，现场可编程门阵列支持四个通道数字信号并行处理，减小运算延时，从而提高系统响应速度，整个设备具有较高的灵敏度，可以迅速的预报火焰。本发明的紫外探测器选择合适的TIA运放器件，跨阻放大器即TIA应用于弱光检测场合，可以将PD(光电二极管)输出的电流信号转化成电压信号，以实现将芯片电流输出转换为电压输出，方便用户直接使用，不需要再专门配置转换电路。紫外探测器内部的前置放大电路和外部的对数放大器相配合实现两级放大，进一步提高灵敏度。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是紫外探测器结构示意图；

图3是紫外探测器的电路示意图。

其中，1-管帽；2-窗口材料；3-光电二极管；4-PCB板；5-底座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种两红外两紫外的红紫复合探测技术实现火焰探测的装置，其特征在于：它包括四个火焰探测器；四个火焰探测器形成并列的传感器阵列；每个火焰探测器均依次经其对应的对数放大器、带通滤波器和高精度模拟数字转换器与现场可编程门阵列电连接，现场可编程门阵列并行处理四个火焰探测器所在通道的数字信号；现场可编程门阵列与微控制单元电连接，微控制单元设置有RS485接口和CAN总线接口，微控制单元输出 0～20mA电流环并通过输出不同的电流值表明检测结果；四个火焰探测器分别为两个红外探测器和两个紫外探测器；其中，IR1和IR2 为红外探测器，中心波长分别为4.3nm和3.8nm，所述UV1和UV2 位紫外探测器，中心波长分别为254nm和355nm。所述RS485输出，实现电平标准转换，便于系统输出信息的长距离传输；所述CAN 总线输出，实现CAN总线协议，便于系统间信息交互。

所述微控制单元的输出端连接有LED指示灯，所述LED指示为三色LED指示灯，通过不同颜色和不同闪烁频率表明检测结果，该检测结果包括“故障--黄灯常亮；正常--绿灯1Hz闪烁；检测到红外--红灯1Hz闪烁；检测到紫外--红灯2Hz闪烁；预报警--红灯 4Hz闪烁；报警--红灯常亮。0～20mA电流环输出电流值表示的检测结果如下：故障--0mA；正常--4mA；检测到红外--8mA；检测到紫外--12mA；预报警--16mA；报警--20mA。

所述火焰探测器内部设置有前置放大电路，有效减少火焰探测器本身的体积并通过火焰探测器本体直接输出电压信号，进一步减少探测装置的整体体积。前置放大电路与外部对数放大器相互配合实现双级放大，进一步保证输出信号的精度。火焰探测器包括管帽和底座，管帽和底座配合形成密闭空间；管帽一端嵌设有窗口材料，所述密闭空间内设置有PCB板，PCB上设置有光电二极管和前置放大电路；光电二极管检测管帽外部空气中的光信号并将其转换为电流信号传递至前置放大电路；前置放大电路将接收到的电流信号转换为电压信号输出；底座上设置有连接前置放大电路输出端的输出引脚、连接前置放大电路电源输入端的电源引脚、连接前置放大电路接地端的接地引脚、用于与外部接地端连接的接地管脚。所述密闭空间填充氮气或者真空。所述窗口材料为石英玻璃或者滤光片。所述光电二极管根据不同的需求采用GaN半导体材料制成，以实现红外探测或者紫外探测。所述前置放大电路包括放大器；放大器的正极输入端接地；放大器的负极输入端连接光电二极管的阴极，光电二极管的阳极的接地；放大器的负极输入端和输出端之间连接有反馈电阻；反馈电阻两端并联有补偿电容。放大器的负极输入端经PD内阻接地；放大器的负极输入端经PD结电容接地。

本发明提供了一种两红外(IR)两紫外(UV)的红紫复合探测技术实现火焰探测的方法，其特征在于包括以下步骤：所述四个火焰探测器对火焰及周边信号进行采集；对数放大器将其对应的火焰探测器采集的信号转换成模拟电压信号；带通滤波器对其对应对数放大器处理后的模拟电压信号进行滤波处理；高精度模拟数字转换器将其对应带通滤波器过滤后的模拟电压信号转换为数字信号；所述现场可编程门阵列通过数学模型和软件算法将所述4个高精度模拟数字转换器处理后的信号进行并行处理，形成识别真实火焰的判断依据，并根据该判断依据获得检测结果信号并提供给所述微控制单元；微控制单元将信息输出给外围接口电路。

上述技术方案包括以下步骤：

步骤1，由两个红外探测器和两个紫外探测器形成的传感器阵列对火焰及周边信号进行采集，其中两红外探测器的中心波长分别为4.3nm和3.8nm，两紫外探测器的中心波长分别为254nm和 355nm；

步骤2，对数放大器对所述传感器阵列采集的信号分别进行电荷放大，将pA级微弱电流信号转换成模拟电压信号，保证电流的宽动态范围采集与转换；

步骤3，带通滤波器对所述对数放大器处理后的模拟电压信号分别进行滤波处理，截取火焰闪烁频率(3～30Hz)范围内的低频信号，屏蔽频谱特性为直流的光源(太阳光，氙气灯，紫外灯等)；

步骤4，高精度模拟数字转换器将所述带通滤波器过滤后的模拟电压信号分别转换为数字信号，该设备为16bit高精度模拟数字转换器，提高信噪比；

步骤5，采用所述现场可编程门阵列通过数学模型和软件算法将所述4个高精度模拟数字转换器处理后的信号进行并行处理，形成识别真实火焰的判断依据，且当设备工作环境中，出现某种物质燃烧产生的火焰时，所述现场可编程门阵列将根据该判断依据获得检测结果信号并提供给所述微控制单元；

步骤6，由所述微控制单元控制所述现场可编程门阵列的处理流程，获取所述现场可编程门阵列的检测结果信号，并将信息输出给外围接口电路，即LED指示灯、0～20mA电流环输出、RS485接口和CAN总线接口。

所述现场可编程门阵列是一款基于数学模型和软件算法且能对四个通道数字信号并行处理的微处理器；红外探测器和紫外探测器输出信号经过电荷放大，闪烁频率滤波，模数转换后输入到现场可编程门阵列，在现场可编程门阵列内部，对数字信号进行平滑滤波和归一化预处理得到入射光强的二进制数值，然后分别对红外和紫外两个通道的入射光强二进制数值做幅值比较运算，并设置置信区间，形成识别真实火焰的判断依据；当设备工作环境中，出现某种物质燃烧产生的火焰时，现场可编程门阵列可以根据该“判断依据”获得检测结果信号并提供给微控制单元；该检测结果信号包括：“故障”、“正常”、“检测到红外”、“检测到紫外”、“预报警”、“报警”；所述现场可编程门阵列支持四个通道数字信号并行处理，减小运算延时，提高系统响应速度。

所述中心波长在4.3um的红外探测器对火焰红外辐射有强烈响应，用于实现对火焰的检测；中心波长在3.8um的红外探测器对太阳光的响应强度比中心波长在4.3um的红外探测器对太阳光的响应强度高，但是对火焰红外辐射的响应强度比中心波长在4.3um的红外探测器对火焰红外辐射的响应强度低，因此可以用于实现对背景的检测。

所述两个红外探测器，在有火焰和无火焰时输出响应增加值有明显变化，通过对两个红外探测器的响应增加值的对比实现克服背景干扰，以检测到真实火焰。

所述中心波长在254nm和355nm两个紫外探测器，在紫外光谱范围内，对金属类，烃类有机化合物燃烧时的火焰有不同的输出响应强度。

所述对于金属类燃烧物，254nm的紫外探测器输出响应强于 355nm的紫外探测器；对于烃类化合物燃烧物，355nm的紫外探测器输出响应强于254nm的紫外探测器；当红外探测器识别到真实火焰时，通过两个紫外探测器输出响应增加值的对比分析燃烧物种类

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种两红外两紫外的红紫复合探测技术实现火焰探测的装置，其特征在于：它包括四个火焰探测器；每个火焰探测器均依次经其对应的对数放大器、带通滤波器和高精度模拟数字转换器与现场可编程门阵列电连接，现场可编程门阵列并行处理四个火焰探测器所在通道的数字信号；现场可编程门阵列与微控制单元电连接，微控制单元设置有RS485接口和CAN总线接口，微控制单元输出0～20mA电流环并通过输出不同的电流值表明检测结果；四个火焰探测器分别为两个红外探测器和两个紫外探测器；其中两红外探测器的中心波长分别为4.3nm和3.8nm，两紫外探测器的中心波长分别为254nm和355nm。

2.根据权利要求1所述的两红外两紫外的红紫复合探测技术实现火焰探测的装置，其特征在于所述微控制单元的输出端连接有LED指示灯，所述LED指示为三色LED指示灯，通过不同颜色和不同闪烁频率表明检测结果。

3.根据权利要求1所述的两红外两紫外的红紫复合探测技术实现火焰探测的装置，其特征在于所述紫外探测器包括管帽和底座，管帽和底座配合形成密闭空间；管帽一端嵌设有窗口材料，所述密闭空间内设置有PCB板，PCB上设置有光电二极管和前置放大电路；光电二极管检测管帽外部空气中的光信号并将其转换为电流信号传递至前置放大电路；前置放大电路将接收到的电流信号转换为电压信号输出；底座上设置有连接前置放大电路输出端的输出引脚、连接前置放大电路电源输入端的电源引脚、连接前置放大电路接地端的接地引脚、用于与外部接地端连接的接地管脚。

4.根据权利要求3所述的两红外两紫外的红紫复合探测技术实现火焰探测的装置，其特征在于所述前置放大电路包括放大器；放大器的正极输入端接地；放大器的负极输入端连接光电二极管的阴极，光电二极管的阳极的接地；放大器的负极输入端和输出端之间连接有反馈电阻；反馈电阻两端并联有补偿电容；放大器的负极输入端经PD内阻接地；放大器的负极输入端经PD结电容接地。

5.根据权利要求3所述的两红外两紫外的红紫复合探测技术实现火焰探测的装置，其特征在于所述密闭空间填充氮气或者真空；所述窗口材料为石英玻璃或者滤光片；所述光电二极管采用GaN半导体材料制成。