基于紫红外线检测原理的火焰传感器的设计

中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司 石发强

基于紫红外线检测原理的火焰传感器的设计

中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司 石发强

火焰传感器是火灾防范系统的重要组成部分，其安全可靠和质量优劣直接影响工作场所的安全性。为了有效监测火焰，降低火焰传感器的误报率，对火焰检测的紫外敏感器件和红外敏感器件的工作原理进行了研究，提出了一种基于紫红外线复合检测原理的火焰传感器，并给出了设计方案和工作流程。该红外与紫外复合的火焰检测传感器较采用单一检测原理的火焰传感器更具有准确性、可靠性和稳定性，还具有高灵敏度、反应快、抗干扰强等特点。

光谱；紫外（UV）；红外（IR）；诱导期；本安

引言

随着国家对煤矿安全生产的越来越重视，矿井中对各种对明火、物体表面的热、电火花、煤自燃、撞击或摩擦产生的火花检测技术近年来取得了较快的发展[1]，常用的感温、感烟式传感器，以及单一的紫外、红外火焰检测传感器都已被广泛使用。但采用现有的技术和方法，火焰检测时间相对延迟，不能在瓦斯爆炸的诱导期（或感应期）内对火焰进行快速的抑制[2]，而且误报和漏报率较高。

本文设计了一种基于紫红外线复合检测原理的本安火焰传感器，它能在1 ms以内准确判断出120º角内的火焰，并输出电信号，克服了电弧光、雷击、电磁脉冲的干扰缺陷，在技术参数上完全符合我国标准GB3836.1-2010、GB3836.4-2010、AQ 1079-2009、MT 694-1997 的要求[3-6]。

1 工作原理

火焰是各种可燃物质与氧气反应所产生的一种剧烈氧化作用，是由燃烧的气体、碳粒子为主的物质所构成。可燃物与助燃物发生氧化反应过程中释放出不同频率的能量波，按不同的光谱对外辐射。

对火焰的检测，其辐射的光谱特性起着重要的作用。矿井中各种可燃物，如：甲烷、煤、粉尘等可燃物的火焰辐射强度的波长在光谱上是有所区别的，但从光谱分布来看，采用紫外线检测原理的传感器，直接检测火焰中（0.19～0.29）μm的紫外光谱，检测的对象十分明确，响应速度也比较快，但在太阳光、电弧光、雷击、电磁脉冲等条件下有明显的误报，在实际中一般不单独应用。采用红外线检测原理的传感器，直接检测火焰中（4.20～4.50）μm的红外光谱，检测对象也十分明确，它由红外敏感器和放大电路组成，但这种类型的传感器具有压电效应，对环境压力变化敏感，误报率较高，在使用中必须明确工矿环境条件，而在实际中一般不单独应用。

火焰辐射光谱图，如图1所示。

为克服单一原理的火焰检测缺陷，本文提出一种基于红紫外线复合检测原理的火焰传感器，它能在1 ms以内准确判断出120º角内的火焰，并输出电信号，对电弧光、雷击、电磁脉冲等干扰有很强的抑制作用。

该火焰传感器由：红外线检测敏感元件、紫外线检测敏感元件、高透光滤镜片、电路（电源电路、红外检测电路、紫外检测电路、信号处理电路）组成，如图2。通过严谨的程序算法，克服了红紫外线同步检测过程中响应时间慢的缺陷，其设计完全能满足国家标准MT694-1997《煤矿用自动隔爆装置通用技术条件》与AQ 1079-2009《瓦斯管道输送自动喷粉抑爆装置通用技术条件》的要求。

图3 b 紫外检测电路原理图

图1 火焰辐射光谱图

图2 火焰传感器框图

1.1 紫外线检测部分设计

从图1上可以看出火焰的辐射光谱较广，包括了紫外、可见光和红外等辐射波段，这些辐射光谱主要是由燃烧产生的碳氢物质、气体以及无机物质为主体的固体微粒子在高温受激状态下释放出来的辐射波。

在紫外波段内能够观察到火焰的光谱是带状谱，由于大气层对短波紫外线的吸收，使太阳辐射照射到地球表面的紫外线只有波长大于0.29 μm的长波紫外线，0.29μm以下的短波辐射在地球表面极少，故采用紫外火焰探测技术，可使火焰传感器避开了最大干扰源—太阳光，提高了信噪比，提升了对极微弱信号检测能力。因此，在设计中将0.29 μm以下的波段作为火焰传感器的紫外线检测区域，工作在该检测区内的火焰传感器对日光辐射不响应（日盲区），从而避免了太阳光的干扰。

设计框图见图3a、原理图见3b。

图3a 紫外检测原理框图

检测火焰中的紫外线（UV）波段的敏感器（图3b中J1），是把盖革—米勒计数管( G-M管) 作为火焰敏感器使用。图4表示G-M管的结构及检测原理。G-M管通常结构是在一根两端用绝缘物质密闭的管内充入稀薄气体（通常是掺加了卤素的稀有气体，如氦、氖、氩等），在沿管的轴线上安装有一根金属丝电极，并在金属管壁和金属丝电极之间加上略低于管内气体击穿电压的电压。常态下，管内气体不放电；而当有高速粒子射入管内时，粒子的能量使管内气体电离导电，在丝极与管壁之间产生迅速的气体放电现象，从而输出一个脉冲电流信号。通过适当地选择加在丝极与管壁之间的电压，就可以对被探测粒子的最低能量，从而对其种类加以甄选。

图4 G- M管的结构

图5b 红外检测电路原理图

G-M管是一种冷阴极管，在其电极上外加（350± 50）V 左右的直流电压，当接收到紫外线的照射时，能够使管内气体原子电离，释放出几个自由电子，由于光电效应而溢出的光电子在电场作用下跑向阴极，这些电子沿途又电离气体的其它原子，释放出更多的电子，如此反复，使电离气体倍增。越来越多的电子再接连电离越来越多的气体原子，终于使管内气体成为导电体，在丝极与管壁之间产生迅速的气体放电现象，于是在阴极和阳极间就产生电流，使管子处于放电状态，从而完成对紫外线的检测。

1.2 红外线检测部分设计

由于紫外特别容易受电焊光、电弧、闪电、X射线等（紫外线辐射）触发而产生误报警，因此设计中应加入红外线检测。

火焰中存在着大量的可见光和0.8μm以上的红外线，这些波长的光线不易被煤尘、水蒸气和其他燃烧产物吸收，因此红外线检测适合于检测煤粉火焰、重油火焰和适合惰性气体含量较大的燃料燃烧情况。红外线火焰传感器检测燃烧火焰放射的红外线强度和火焰频率来判别火焰是否存在，从图1中可以看出火焰的红外检测灵敏度在3.2μm，采用红外与紫外复合的火焰检测技术对火焰检测有重要的实际意义。

设计框图见图5a、原理图见5b。

检测火焰的红外线方式的敏感器一般采用热电型红外线敏感器，热电效应是由温度变化引起，因此受到温度变化时，热电型敏感器输出微分电压。热电型红外线敏感器利用与其名相同的热电效应，制作材料有强介质电陶瓷、LiTaO3等单晶体、PVDF 等材料。

图5a 红外检测原理框图

由于是热电型红外线敏感器，所以对于敏感器主体来说没有波长依存性。通常把被检测的波长光线通过的光学滤光片后给敏感器，再进行密闭封装。

图6是热电型传感器的结构。

图6 热电型传感器的结构

火焰是具有起伏的燃烧。如果对火焰发出的红外线频率进行分析，可以观测到从数赫兹到约三十赫兹的频率，其峰值频率约10Hz 左右。当然，受到火灾规模和风的影响，频率会有所变化。

火焰发出的红外线由热电型传感器感光，敏感器窗口材料（光学滤光片）和安装在传感器前方的光学玻璃应选择可使4. 4μm谱带的红外线通过（4. 4μm谱带的窗口材料可用透光率大于95%以上的的蔚蓝色玻璃等，对其进行金属蒸镀，就可制成光学带通滤光片），完成对红外线的检测。

2 本安要求设计

为保证传感器能在瓦斯、丙烷、氢气、粉尘等危险性环境条件下使用，应按国家标准《GB3836.4-2010 爆炸性环境 第4部分：由本质安全型保护的设备》的要求，把电路设计为本质安全型。

国家标准把爆炸性环境用电气设备分为I类、II类和III类，其中：I类用于矿井甲烷气体环境，II类用于除矿井甲烷气体之外的其他爆炸性气体环境，III类用于除煤矿以外的爆炸性粉尘环境。

对于不同等级的工作电压，按I类、II类和III类区分使用场所，其对应的输入电容Ci、输入电感Li的要求是不一致的，国家标准《GB3836.4-2010 爆炸性环境 第4部分：由本质安全型保护的设备》中图A.2、A.3、A.4、A.5、A.6有明确的规定。

同时传感器与电源之间还应通过《GB3836.4-2010 爆炸性环境 第4部分：由本质安全型保护的设备》中10.1条规定的火花点燃试验。

图7 传感器工作流程图

3 工作流程设计

当CPU单片机同时接收到传感器红外检测电路输出的infrared signal信号和传感器紫外检测电路输出的UV信号时，判断得出有火焰，输出控制信号；当只有其中1路信号输出时，CPU单片机判断为伪信号，做丢弃处理，立即重新进入检测状态。

为防止上电时电压过冲造成误动作，CPU单片机程序中还应设计开机延时工作处理程序。

图7为工作流程图。

4 结束语

火焰传感器是火灾防范系统的重要组成部分，其安全可靠和质量优劣直接影响工作场所的安全性。本文设计的红外与紫外复合的火焰检测传感器对采用单一检测原理的火焰传感器更具有准确性、可靠性和稳定性，对我国的安全生产有积极的推动作用，该设计具有高灵敏度、反应快、抗干扰强等特点。

[1]安志伟,袁宏永,屈玉贵．火焰闪烁频率的测量研究[J]．计算机应用,2000,20(5):66-67．

[2]石发强．浅析煤矿瓦斯爆炸的机理[J]．大科技,2014,5: 197-198．

[3]GB3836．1-2010,爆炸性环境 第1部分:设备通用要求[S]．北京:中国标准出版社,2011．

[4]GB3836．4-2010,爆炸性环境 第4部分:由本质安全型保护的设备[S]．北京:中国标准出版社,2011．

[5]AQ 1079-2009,瓦斯管道输送自动喷粉抑爆装置通用技术条[S]．北京:中国标准出版社,2010．

[6]MT 694-1997,煤矿用自动隔爆装置通用技术条件[S]．北京:中国标准出版社,1998．

Design of flames sensor based on the monitoring of UV & infrared

SHI Faqiang
(CCTEG Chongqing Research Institute，Chongqing 400037，China)

Flames sensors are an indispensible part of the fire prevention system. Therefore，their reliability and quality directly influence the safety of the work site. In order to monitor fames effectively，and meanwhile reduce the false alarm rate，this article studies the theory of UV detective sensors and infra-detective sensors of flames sensors and put forward an new flame sensors based on the multiply detective theory of UV and infra rays，including its design and working process. Compared with the original fame sensors based on the single detective theory，this new flame sensors is more accurate，reliable and stable. Besides the new flame sensors possess the characteristic of Hi-sensitivity，immediate response and interference-free.

Spectrum；UV；IR；Induction Period；Intrinsic safes

石发强（1979—），男，重庆人，副研究员，中国电子学会会员，毕业于重庆通信学院，主要从事矿山安全生产监测监控系统、仪器仪表的科研工作，现工作于中煤科工集团重庆研究院有限公司。