高空紫外火焰探测装置设计与应用*

刘敏层，李 阳，杨子毛，赵 奕，李艳娜

(1.西安建筑科技大学 信控学院，陕西 西安710055;2.国网三门峡供电公司，河南 三门峡472000)

0 引 言

火焰检测对火炬的安全、经济运行状况有重大影响作用。在大型化工厂中，经常用到高空火炬引燃不能回收的废气来降低对环境的影响。所以，检测火焰正常燃烧非常重要。

传统火焰检测使用K 热电偶来进行温度监控。当达到设定温度时，就会给仪表等设备相应信号。但是由于热电偶对温度延时性，当达到设定的点火次数时，而热电偶升温不及时，会引起误报;当主火炬突然熄灭，热电偶温度回落不及时，延误点火器点火时机，就释放出有毒有害工业气体，所以，不能满足高空火焰检测的要求。

针对上述问题，本文设计了基于STM32 芯片，使用多个紫外光敏管来捕捉脉冲数量的电路，并且在恶劣的环境(比如:多风、下雨、烈日等)条件下也能够准确、快速地检测火焰燃烧情况［1］。同时记录脉冲数量加以处理，输出模拟量控制蒸汽调节阀，起到除尘环保作用。

1 系统结构

紫外火焰检测系统主要有GD—708 火检驱动电路、电压/电流转换电路、火焰指示电路、RS—485 串行通信模块构成。主控电路由STM32F103RCT6 及其外围电路组成，是系统的核心部分，主要完成数据的传输和处理工作。脉冲采集电路主要功能是将火焰发出的紫外线转换成成串的脉冲信号，电压/电流转换电路将模拟电压信号变成4～20 mA工业标准电流信号来控制蒸汽阀开度，当火焰正常燃烧时能够通过指示灯进行显示。同时，处理器还可以实现与上位机的通信功能。系统功能框图如图1 所示。

2 硬件电路设计

2.1 微控制器电路

图1 系统结构框图Fig 1 Structure block diagram of system

本系统的微处理器是选用3 2 bit 处理芯片STM32F103RCT6，该芯片由ST 公司推出，具有高性价比和丰富的片上外设，从而可简化系统外围电路的设计。由于该芯片上有2 个D/A 转换器，各有一个输出通道，这是低版本STM32 芯片所没有的，也是选择它作为核心控制器的一个重要原因。

如图2 所示，STM32F103RCT6 的PA1，PA2 作为2 个脉冲计数输入，PA4，PA5 输出模拟电压信号接到XTR115，将0～3.3 V 模拟电压信号转换成4～20 mA 电流信号输出。PA9，PA10 引脚为串口输入输出，PC1～PC2 作为火焰指示输出。

图2 STM 32F103RCT6Fig 2 STM 32F103RCT6

2.2 紫外线光敏管GD—708 驱动电路

高空火炬主要是通过天然气来燃烧工业无法收集的废气。火焰的辐射具有离散光谱的气体辐射和伴有连续光谱的固体辐射，其光波长在0.1～10 μm 或更宽广的范围内，到达大气层下的太阳光和非透紫材料作为玻壳的电光源发出的光波长均大于290 nm，该紫外光敏管光谱响应范围是185～280 nm，所以，巧妙地避开了其它信号的干扰，尤其是太阳的背景噪声［2］。

探测器主要元件为紫外光(UV)管，在玻璃管中有两个电极，表面附有活性物质，玻璃管密封且充有惰性气体。没有UV 照射时，两电极间无电子和离子流动，呈现很高的阻抗，相当于开路;有UV 照射时，电极上的活性物质经照射发出光电子，在激励电压的作用下形成电流，即火焰电流［3］。UV 管的光谱响应特性比较窄小，只对紫外线敏感，特别是对纸张、油类、可燃性气体释放的UV 尤为强烈。其特殊的材质不受日光影响，抗干扰能力强。火焰检测电路主要采用UV 光敏管GD—708 采集火焰发出的UV。其实质是根据UV 强度来记录发出脉冲的频率，将火焰信号转换成电信号，经过STM32 数据处理输出模拟电压信号。

探测器的探头采用GD—708 光敏管，电路工作原理是:当有火焰信号时，UV 探头输出连续密集的脉冲串(Signal 1)，经过脉冲检测提出有效信号［4］，输入放大电路放大后检波，对电容器充放电，得到一个与火焰大小相关的直流信号(Signal 2)，火焰越大，脉冲串越密集，对应Signal 2 电压越高;反之，电压越低。经过滤波和抗干扰处理后，再将Signal 2 通过光耦隔离芯片产生Signal 3，这是单片机能够识别的数字信号，之后送入STM32 处理器。最后，经过XTR115 芯片输出4～20 mA 的工业信号接蒸汽阀和一路开关信号到指示灯指示有无火焰信号。图3 是应用电路。

图3 GD—708 火检驱动电路Fig 3 GD—708 fire detection driving circuit

2.3 电压/电流转换电路

STM32F103RCT6 内部有两个12 位带缓冲的D/A 转换通道可以用于转换2 路数字信号成为2 路模拟电压信号并输出。

为降低噪声干扰和降低分布电阻产生的压降并将这两路电压信号送入XTR115 电流环电路转换成电流信号。XTR115 可将0～3.3 V 信号通过Rin 电阻器，获得4～20 mA的标准输出。图4 为XTR115 电流环电路。

电流环电路的电流放大倍数是100，根据式(1)，同时可以从管脚8 输出5 V 电压，可以给单片机供电［5］。但应当注意，UV 光敏管电路需分开接地。

式中 Vin为输出电压，Rin为输入电阻，I 为输出电流值。

图4 XTR115 电流环电路Fig 4 XTR115 current loop circuit

2.4 RS—485 串行通信模块

该系统设计了RS—485 串行通信接口，允许多点双向通信，保证其同上位机通信的需要。MAX485 为单一正3 V 供电，能够实现远距离通信。利用MAX485 将D/A 转换后的数据及时传给上位机进行保存，方便以后的离线分析和数据处理。

3 软件设计

软件系统设计包括以下几个模块:1)系统初始化;2)数据采集与分析处理;3)下位机数据发送与上位机数据接收。整个系统的软件流程图如图5 所示。

图5 软件流程图Fig 5 Software flowchart

3.1 初始化

首先完成GPIO 口初始化配置，将PA1 和PA2 配置为脉冲计数采样通道，配置PA4 和PA5 为模拟量信号输出端口，PA9 和PA10 引脚为串口的输入输出，PC1 和PC2 作为火焰指示输出。

3.2 数据采集与分析处理

在本设计中，对多个UV 探头进行脉冲采样，采样时间是可编程的，每个通道转换时间为7 μs。针对Signal 3 进行数据分析处理。若通道数据累加到M 个点，对数据进行相关的识别算法分析。主要利用阈值分析、相关性分析、火焰燃烧状况分析。

1)阈值分析:根据两个UV 探头之一UV1 探头脉冲累加值M1，作为阈值特征f1。

2)相关性分析:UV2 探头的累加值M2，把M1/M2作为相关特征f2。

3)火焰燃烧状况分析:对每个探头累加值进行采样，定义上一个采样累加值为M3，这个周期采样累加值为M4，M3/M4作为闪烁特性f3。

4)根据火炬火焰识别分析的判据阈值A=［a1，a2，a3，a4］，对燃烧情况做出如下判断:

当阈值特征f1＞a1时，则认为达到燃烧的阈值条件，火焰起燃，指示灯点亮。当相关性特征f2＞a2时，则认为达到燃烧时各探测器的相关性条件;当火焰燃烧状况a3＜f3≤a4时，判断火焰表现为连续性燃烧;否则，说明火焰表现为闪烁性。

设STM32 采集到的脉冲频率为f Hz，比例系数为K，起始电压值为b。由于随着脉冲个数增多，模拟电压符合一次线性关系，方程式(2)如下

其中，Y 为输出0～3.3 V 电压值，经过XTR115 电路转换成4～20 mA 电流值。

多个UV 探头对高空火炬进行实时监控，快速准确地进行点火控制。

3.3 串口通信

软件编写了串口与上位机通信程序，将得到的电流信号每隔一秒通过串口输出到上位机。采用STM 32 的固件函数配置串口的波特率115 200，数据长度8 位，停止位为1、无校验位，使用串口线连接板上的COM 口和上位机串口后即能完成信息通信。

4 调试结果与分析

为了检测探测器的灵敏度［6］，在户外20 ℃和标准大气压条件下，点燃火焰高度为10 cm 的液化气，得到距探测器不同间距下实验数据，如表1 所示。

表1 实验结果Tab 1 Experimental results

当探头距火焰10 m 时，输出的脉冲波形频率为48.9 Hz，如图6 所示。

图6 间距10 m 脉冲波形Fig 6 Pulse waveform of 10 m spacing

结果表明:能够实时记录脉冲数量，反应灵敏。随间距增大，脉冲波形的周期变长，频率减小。当距离15 m 安装位置时，其见火响应时间小于等于1 s，熄火响应时间小于等于3 s。

5 结束语

UV 火焰探测装置应用了GD—708UV 光敏管，对UV 非常敏感，能够迅速获取火焰燃烧信号。通过输出4～20 mA电流实现对蒸汽调节阀的控制，满足工程要求。但在测量较远距离时，需用石英镜片聚光能够最大限度地透过UV。

该装置大力推广在航天工业、油漆工厂、石油化工企业、制药企业等行业将得到广泛应用。

［1］ 张红兰，李 扬.基于多传感器的智能火灾报警器的设计［J］.仪器仪表用户，2009，16(4):48－50.

［2］ 于永正.紫外火焰探测器性能综合检测平台设计［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2009.

［3］ 万先运.刘 昀.真空处理设备FMB 氧枪UV 火焰监测装置的国产化改造［J］.冶金自动化，2008，32(6):55－57.

［4］ 王洋洋，高国强，张进明.基于C8051F120 的紫外型火焰探测器设计［J］.传感器与微系统，2013，32(9):89－92.

［5］ 昝 勇，罗永红，王沛莹.XTR115 电流环电路原理及应用［J］.电子设计工程，2011，19(8):190－192.

［6］ 高 庆，王殿安，苏亚林.紫外光接收转换技术及仪表应用［J］.油气田地面工程，2005，24(11):34.