專(zhuān)利名稱(chēng)：分體式燃燒火焰檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃燒火焰檢測(cè)系統(tǒng)，尤其是涉及一種分體式燃燒火焰信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)，特別適用于火力發(fā)電廠或石油化工企業(yè)的鍋爐內(nèi)燃燒火焰狀況的檢測(cè)分析。
背景技術(shù)：
通常檢測(cè)燃燒火焰的探頭為一體化的火檢探頭，就是將所有相關(guān)的電路都做在一個(gè)探頭的殼體里。這種一體化火檢探頭的電路比較復(fù)雜，功耗較高，而大多數(shù)集成電路的工作溫度上限是85℃，這就使火檢的工作環(huán)境溫度上限不超過(guò)65℃；傳統(tǒng)的分體式火檢探頭采用光敏電阻作光電傳感器，光敏電阻的溫度特性很差，溫度升高時(shí)其性能急劇下降，導(dǎo)致探頭在高溫下檢測(cè)不到火焰信號(hào)，且容易損壞；因?yàn)榛饳z探頭安裝在鍋爐壁上，靠近燃燒器或油槍?zhuān)涔r相當(dāng)惡劣，特別是在一些老舊鍋爐上，由于鍋爐壁隔熱效果不理想，會(huì)使探頭的工作環(huán)境溫度比較高，時(shí)間一長(zhǎng)，探頭易老化、損壞。綜上所述，為了提高火檢的可靠性并降低故障率，有必要提高探頭的工作環(huán)境溫度上限。
火焰給人眼的直覺(jué)是亮度和火焰根部亮度的脈動(dòng)。根據(jù)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，火焰的閃爍或脈動(dòng)，其頻率與燃料種類(lèi)有關(guān)。由于不同種類(lèi)的燃料燃燒時(shí)的火焰特征頻率不同，每種頻率下的火焰的強(qiáng)度也不一樣，因此準(zhǔn)確檢測(cè)、控制燃料燃燒時(shí)的火焰狀況很不容易。然而傳統(tǒng)的火焰檢測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)火焰燃燒時(shí)，主要是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器將接收到的燃燒火焰的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，簡(jiǎn)單地進(jìn)行幅值比較后，就對(duì)火焰進(jìn)行有無(wú)火的識(shí)辨，及燃燒狀況的分析。這樣的測(cè)量，它忽略了火焰信號(hào)的頻率特征，也就難以準(zhǔn)確地檢測(cè)火焰狀況。特別在多個(gè)燃燒器的大型鍋爐控制系統(tǒng)中，由于有多層火焰在燃燒，同層中又有多個(gè)燃燒點(diǎn)，傳統(tǒng)火檢推算難以對(duì)燃燒器的主火焰和背景火焰進(jìn)行有效區(qū)分的辨識(shí)，這就很容易引起對(duì)火焰的錯(cuò)誤判斷從而導(dǎo)致控制的誤動(dòng)作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提高火檢系統(tǒng)的可靠性，保證火檢探頭能夠在非常惡劣的工況下正常穩(wěn)定地工作。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于對(duì)有效頻率段內(nèi)火焰光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行采樣分析，通過(guò)數(shù)字濾波器對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除干擾信號(hào)(高頻部分)，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，即對(duì)信號(hào)在頻域范圍內(nèi)進(jìn)行處理，進(jìn)而給出火焰的強(qiáng)度及頻率的分量值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒火焰狀況比較的準(zhǔn)確地鑒別。
為了達(dá)到上述的目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是將火檢系統(tǒng)分成火檢探頭和火檢放大器兩大部分，具體的結(jié)構(gòu)是包括一火檢探頭，火檢探頭僅包括光電探測(cè)器和連接于光電探測(cè)器輸出端的預(yù)處理電路，用于探測(cè)燃燒火焰信號(hào)；一火檢放大器，火檢放大器包括一輸入端與火檢探頭中的預(yù)處理電路輸出端相連接的火焰模擬信號(hào)處理電路，輸入端與火焰模擬信號(hào)處理電路的輸出端相連接的A/D轉(zhuǎn)換器，與A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端相連接的數(shù)字信號(hào)處理電路，分別與數(shù)字信號(hào)處理電路相連接的顯示器，D/A轉(zhuǎn)換器，開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路和串行通信接口電路；其中數(shù)字信號(hào)處理電路中包括內(nèi)部置有信號(hào)處理系統(tǒng)的微處理器。
所述的置于微處理器內(nèi)的信號(hào)處理系統(tǒng)包括一信號(hào)采集模塊，用于采集火焰燃燒的數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)包括在有限長(zhǎng)的時(shí)域和頻域內(nèi)等間隔連續(xù)采樣的時(shí)域信號(hào)和頻率信號(hào)以及與時(shí)域信號(hào)相對(duì)應(yīng)的火焰強(qiáng)度信號(hào)；一數(shù)字濾波模塊，采用數(shù)字濾波器濾掉由上述信號(hào)采集模塊所采集的燃燒火焰信號(hào)中的干擾信號(hào)；一分析處理模塊，對(duì)于經(jīng)過(guò)上述數(shù)字濾波模塊濾除干擾信號(hào)的頻率信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，采用快速傅立葉變換(FFT)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)頻率下的信號(hào)強(qiáng)度值，輸出有無(wú)火焰燃燒的開(kāi)關(guān)量信號(hào)、有無(wú)故障的開(kāi)關(guān)量信號(hào)以及對(duì)應(yīng)頻率下的強(qiáng)度信號(hào)，用以顯示火焰燃燒的狀況。
本發(fā)明的分體式燃燒火焰檢測(cè)系統(tǒng)的效果顯著。
●本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)，如上述的結(jié)構(gòu)，火檢探頭只負(fù)責(zé)火焰信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換功能，以簡(jiǎn)化電路，提高火檢探頭工作溫度的上限和可靠性，將比較復(fù)雜的火焰信號(hào)放大和處理電路放在火檢放大器內(nèi)，火檢放大器可以工作在較好的環(huán)境里，這樣有利于提高可靠性。因?yàn)楹?jiǎn)化了火檢探頭的電路設(shè)計(jì)，所以本發(fā)明的火檢探頭工作環(huán)境溫度上限達(dá)到了100℃；火檢放大器的電路雖比較復(fù)雜，但其可以工作在比較理想的環(huán)境里，比如，放大器可以做成標(biāo)準(zhǔn)4U尺寸的電路板卡，能夠安裝在機(jī)房的機(jī)柜卡架上運(yùn)行；●本發(fā)明檢測(cè)系統(tǒng)中的火檢放大器是對(duì)火檢探頭送來(lái)的火焰信號(hào)做進(jìn)一步處理后進(jìn)行燃燒火焰的強(qiáng)弱和有無(wú)火焰和故障進(jìn)行檢測(cè)，并輸出表征火焰強(qiáng)度的(比如4～20mADC)模擬量信號(hào)和表征有無(wú)火焰和故障的開(kāi)關(guān)量信號(hào)；●本發(fā)明的信號(hào)處理系統(tǒng)中，因?yàn)樾盘?hào)采集模塊所采集燃燒火焰的數(shù)字信號(hào)中包括頻率信號(hào)，因此，本發(fā)明的信號(hào)處理系統(tǒng)能夠通過(guò)火焰的頻率特征，準(zhǔn)確地檢測(cè)火焰燃燒的狀況；●本發(fā)明的信號(hào)處理系統(tǒng)中，因?yàn)榘ㄎ挥谛盘?hào)采集模塊與分析處理模塊之間的數(shù)字濾波模塊，能夠?qū)⒉恍枰母蓴_信號(hào)濾掉，使得檢測(cè)的特征頻率更準(zhǔn)確，所檢測(cè)的火焰狀況更真實(shí)；●本發(fā)明的信號(hào)處理系統(tǒng)中，因?yàn)榘ǚ治鎏幚砟K對(duì)經(jīng)過(guò)濾波后的頻率信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，并采用快速傅立葉變換(FFT)計(jì)算出對(duì)應(yīng)頻率下的強(qiáng)度值，以獲得燃燒火焰的頻率和對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值，因而，能夠全面而比較精確地顯示出火焰燃燒的狀況。


圖1是本發(fā)明分體式燃燒火焰檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的信號(hào)處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明火檢探頭中預(yù)處理電路的一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明火檢放大器中火焰模擬信號(hào)處理電路一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)火檢明放大器中數(shù)字信號(hào)處理電路一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是本發(fā)明火檢放大器中開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路；圖7是本發(fā)明分析處理模塊進(jìn)行頻譜分析和FFT運(yùn)算的流程圖；圖8是本發(fā)明的一實(shí)施例，信號(hào)處理模塊所采用的數(shù)據(jù)是未經(jīng)數(shù)字濾波模塊濾波的數(shù)據(jù)，運(yùn)用FFT公式計(jì)算出的頻率及其對(duì)應(yīng)的功率譜；圖9是與圖8的實(shí)施例相同，只是信號(hào)處理模塊所采用的數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波模塊濾去干擾信號(hào)后的數(shù)據(jù)，運(yùn)用FFT公式計(jì)算出的頻率及其對(duì)應(yīng)的功率譜；圖10是本發(fā)明的又一實(shí)施例，信號(hào)處理模塊所采用的數(shù)據(jù)是未經(jīng)數(shù)字濾波模塊濾波的數(shù)據(jù)，運(yùn)用FFT公式計(jì)算出的頻率及其對(duì)應(yīng)的功率譜；圖11是與圖10實(shí)施例相同，信號(hào)處理模塊所采用的數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波模塊濾去干擾信號(hào)后的數(shù)據(jù)，運(yùn)用FFT公式計(jì)算出的頻率及其對(duì)應(yīng)的功率譜；具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征。
圖1為本發(fā)明分體式燃燒火焰檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，它包括一火檢探頭1和一火檢放大器2兩大部分。
所述的火檢探頭1包括光電探測(cè)器102和連接于光電探測(cè)器102輸出端的預(yù)處理電路103，其中光電探測(cè)器102用于探測(cè)燃燒火焰信號(hào)101，預(yù)處理電路103用于對(duì)信號(hào)的隔直、放大和濾波的處理；所述的火檢放大器2包括一輸入端與火檢探頭1中的預(yù)處理電路103輸出端相連接的火焰模擬信號(hào)處理電路201，輸入端與火焰模擬信號(hào)處理電路201的輸出端相連接的A/D轉(zhuǎn)換器202，與A/D轉(zhuǎn)換器202的輸出端相連接的數(shù)字信號(hào)處理電路203，分別與數(shù)字信號(hào)處理電路203相連接的顯示器206，D/A轉(zhuǎn)換器204，開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路205和串行通信接口電路207；所述的數(shù)字信號(hào)處理電路203中包括內(nèi)部置有信號(hào)處理系統(tǒng)的微處理器DSP；在本實(shí)施例中，顯示器203為點(diǎn)陣式LED顯示器，串行通信接口電路207為RS485串行通信接口電路，為提供火檢放大器對(duì)外的接口。
圖2是置于微處理器DSP內(nèi)的信號(hào)處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，信號(hào)處理系統(tǒng)01置于與A/D轉(zhuǎn)換器202相連接的數(shù)字信號(hào)處理電路203中的微處理器DSP內(nèi)，它包括一信號(hào)采集模塊011，用于采集火焰燃燒的數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)包括在有限長(zhǎng)的時(shí)域和頻域內(nèi)等間隔連續(xù)采樣的時(shí)域信號(hào)和頻率信號(hào)以及與時(shí)域信號(hào)相對(duì)應(yīng)的火焰強(qiáng)度信號(hào)；一數(shù)字濾波模塊012，采用數(shù)字濾波器濾(在本實(shí)施例中，采用IIR低通數(shù)字濾波器)濾掉由上述信號(hào)采集模塊011所采集的燃燒火焰信號(hào)中的干擾信號(hào)，即濾去在計(jì)算中不希望存在的干擾信號(hào)，特別是濾去頻率干擾信號(hào)；一分析處理模塊013，對(duì)于經(jīng)過(guò)上述數(shù)字濾波模塊012濾除干擾信號(hào)的頻率信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，采用快速傅立葉變換(FFT公式)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)頻率下的信號(hào)強(qiáng)度值，輸出有無(wú)火焰燃燒和有無(wú)故障的開(kāi)關(guān)量信號(hào)以及對(duì)應(yīng)頻率下的功率譜，用以顯示火焰燃燒的狀況。在本實(shí)施例中，采用的快速傅立葉變換是時(shí)間抽取基2的快速傅立葉變換(FFT公式)。
所述的信號(hào)采集模塊011是采集燃燒火焰的模擬信號(hào)已經(jīng)轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)。每隔1.3ms采樣一次，為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，采用先進(jìn)先出的原則對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行更新；為了得到鍋爐火焰信號(hào)的離散頻譜分布特性，首先是對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行等間隔連續(xù)采樣，在時(shí)間域上對(duì)火焰信號(hào)進(jìn)行離散化。時(shí)域信號(hào)是火焰光強(qiáng)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后得到的電壓值，其大小正比于輻射光強(qiáng)。在對(duì)火焰信號(hào)時(shí)間序列進(jìn)行采樣時(shí)，會(huì)得到一組長(zhǎng)度為N的火焰強(qiáng)度信號(hào)，但在這過(guò)程中有兩個(gè)重要的參數(shù)要確定采樣頻率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大小的選擇。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，若火焰閃爍信號(hào)的最高頻率為ft，為防止混頻，選定抽樣頻率fs≥2ft，實(shí)際在本實(shí)施例中，選擇的采樣頻率fs為768Hz，所以通過(guò)768Hz的采樣頻率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣后，經(jīng)過(guò)時(shí)域轉(zhuǎn)頻域的數(shù)字信號(hào)處理，能在頻域范圍內(nèi)恢復(fù)384Hz以下的頻率信號(hào)。因?yàn)殄仩t火焰的閃爍頻率不超過(guò)250Hz，所以這樣的采樣頻率對(duì)于實(shí)際鍋爐火焰的應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。在采樣頻率確定后，頻率的分辯率Δf就由數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大小來(lái)決定，即有Δf＝fs/N；盡管Δf越小越好，但Δf越小即頻率范圍內(nèi)的分辨率就越高，使得N越大，使計(jì)算量和存儲(chǔ)量也隨之增大。在本實(shí)施例中，在做DFT采用的是時(shí)間抽取(DIF)基2的FFT運(yùn)算。所以，N取2的整次冪為256，即頻率的分辨率Δf為3Hz。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在同一采樣頻率下用不同數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的大小而發(fā)現(xiàn)N的改變并不會(huì)使火焰的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生改變，即只要對(duì)穩(wěn)定和不穩(wěn)定工況火焰信號(hào)的采樣頻率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大小保持一致，那么各工況低頻分量幅值大小的不同依然具有鮮明的可比性。在這里，頻率的分辨率對(duì)火焰的模式識(shí)別沒(méi)有太大的影響。
所述的數(shù)字濾波模塊012是濾除火焰頻率信號(hào)中在處理過(guò)程中不希望存在的干擾頻率信號(hào)。由于鍋爐燃燒的火焰比較復(fù)雜，加上現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，所以火焰信號(hào)在由模擬量經(jīng)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過(guò)程中可能存在一些高頻的干擾信號(hào)，影響了火焰信號(hào)的純凈性。所以在對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行時(shí)域轉(zhuǎn)頻域的運(yùn)算之前要進(jìn)行數(shù)字濾波，濾除高頻的干擾信號(hào)(如高于200Hz的信號(hào))。本實(shí)施例中，采用的是IIR低通數(shù)字濾波器，其通帶為0Hz～200Hz。
所述的分析處理模塊013每隔20ms對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算；通過(guò)IIR低通數(shù)字濾波器濾除這些數(shù)字信號(hào)中沒(méi)用的干擾信號(hào)，保留有效部分；然后再對(duì)這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理，將信號(hào)由時(shí)域轉(zhuǎn)換為頻域，計(jì)算出信號(hào)在各個(gè)頻帶部分的能量值，據(jù)此數(shù)據(jù)來(lái)判斷燃燒火焰的有無(wú)。分析處理模塊可以對(duì)火焰信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，如果檢測(cè)的是鍋爐內(nèi)燃燒的火焰，當(dāng)鍋爐燃燒時(shí)，爐膛內(nèi)存在著主火焰和背景火焰，主火焰和背景火焰的燃燒閃爍的頻率存在很大的區(qū)別，通過(guò)對(duì)爐膛火焰信號(hào)的頻域分析，給出主火焰和背景火焰在不同頻帶上有很大不同的能量值。所以通過(guò)鎖定主火焰的閃爍頻率，運(yùn)行本發(fā)明的信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)主火焰進(jìn)行信號(hào)分析，能有效地去除不同于主火焰閃爍頻率的背景火焰信號(hào)，能較好地解決火焰檢測(cè)對(duì)爐膛內(nèi)檢測(cè)中的誤判斷問(wèn)題。
如上述，在本實(shí)施例中是要計(jì)算鍋爐燃燒火焰在特征頻率下的強(qiáng)度值，要對(duì)采樣數(shù)據(jù)x(n)進(jìn)行頻譜分析。本實(shí)施例中，采用了時(shí)間抽取(DIF)基2的快速傅立葉變換。根據(jù)信號(hào)處理上的離散傅立葉變換，對(duì)該組信號(hào)x(n)作DFT運(yùn)算就可獲得該時(shí)域信號(hào)在頻域上的對(duì)應(yīng)表示，所采用的轉(zhuǎn)換公式為
X(k)=Σn=0N-1x[n]e-j2πnk/N]]>(k＝0，1，...，N-1)其中x(n)是列長(zhǎng)為N(n＝0，1，...N-1)的輸入序列，X(k)為有限長(zhǎng)為N的序列x(n)的離散傅立葉變換，WN＝e-j(2π/N)因?yàn)閄(k)是復(fù)數(shù)，則可將其轉(zhuǎn)換成功率譜P(k)為P(k)＝|X(k)|2/N，k＝0～(N-1)在本實(shí)施例中N＝256。
運(yùn)用上面的公式運(yùn)算，完成對(duì)信號(hào)的頻譜分析，計(jì)算出對(duì)應(yīng)頻率下的信號(hào)強(qiáng)度，結(jié)合系統(tǒng)對(duì)火焰特征頻率及有無(wú)火門(mén)檻值的預(yù)設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)對(duì)單燃燒器或多燃燒器的鍋爐內(nèi)的火焰燃燒狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。
圖3是本發(fā)明火檢探頭中預(yù)處理電路的一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，在本實(shí)施例中，火檢探頭1中的預(yù)處理電路103內(nèi)包括由電容和電阻構(gòu)成的信號(hào)隔直電路1031，用于隔去光電探測(cè)器102輸出電信號(hào)中的直流信號(hào)；與信號(hào)隔直電路1031輸出端相連接的由集成運(yùn)算放大器和電阻電容構(gòu)成的信號(hào)放大電路1032以及與信號(hào)放大電路1032輸出端相連接的濾波電路1033。信號(hào)放大電路1032對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行放大后，由濾波電路1033濾去干擾信號(hào)。
圖4是本發(fā)明火檢放大器中火焰模擬信號(hào)處理電路一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，作為火檢放大器中火焰模擬信號(hào)處理電路201包括至少一級(jí)信號(hào)放大和濾波處理電路。在本實(shí)施例中，包括三級(jí)由運(yùn)算放大器和電阻電容組成的放大和濾波處理電路，如圖4所示。
圖5是本發(fā)明火檢明放大器中數(shù)字信號(hào)處理電路一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖5所示，數(shù)字信號(hào)處理電路203包括微處理器DSP，分別與微處理器DSP連接的晶振OSC、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM、程序存儲(chǔ)器FLASH和看門(mén)狗。在本實(shí)施例中，微處理器DSP采用TMS320C5402，操作系統(tǒng)的軟件為CCS’5000。如圖5所示，數(shù)字信號(hào)處理電路203是以微處理器DSP為核心，晶振OSC為微處理器DSP提供系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)；本發(fā)明的信號(hào)處理系統(tǒng)一程序(軟件)保存在程序存儲(chǔ)器FLASH內(nèi)；當(dāng)微處理器DSP上電啟動(dòng)時(shí)，將信號(hào)處理系統(tǒng)程序裝載在微處理器DSP內(nèi)開(kāi)始運(yùn)行，進(jìn)行火焰信號(hào)的采集、處理分析以及輸入輸出開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)等；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM保存微處理器DSP分析處理過(guò)程中的數(shù)據(jù)；看門(mén)狗電路能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，防止微處理器DSP死機(jī)等。
圖6是本發(fā)明火檢放大器中的開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路205。如圖6所示，開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路205包括開(kāi)關(guān)量輸入電路和開(kāi)關(guān)量輸出電路；所述的開(kāi)關(guān)量輸入電路包括至少兩路由光耦隔離器和電阻組成的輸入開(kāi)關(guān)量信號(hào)電路。在本實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)量輸入電路包括兩路輸入開(kāi)關(guān)量信號(hào)電路。例如，外部輸入的開(kāi)關(guān)量信號(hào)為24V電平信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦隔離器的隔離并轉(zhuǎn)換為3.3V信號(hào)輸入給數(shù)字信號(hào)處理電路中的微處理器DSP啟動(dòng)進(jìn)入相對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)；所述的開(kāi)關(guān)量輸出電路包括至少兩路由一個(gè)三極管、繼電器、二極管和電阻組成的輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)電路。在本實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)量輸出電路包括兩路輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)電路，其中一路輸出的開(kāi)關(guān)量是表示有無(wú)火焰的信號(hào)，另一路輸出的開(kāi)關(guān)量是表示有無(wú)故障的信號(hào)；例如，當(dāng)數(shù)字信號(hào)處理電路輸出的3.3V開(kāi)關(guān)量信號(hào)驅(qū)動(dòng)一個(gè)三極管后，再驅(qū)動(dòng)火焰繼電器，使火焰繼電器的外部?jī)山M常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，說(shuō)明有火焰信號(hào)；同樣，輸出的3.3V開(kāi)關(guān)量信號(hào)驅(qū)動(dòng)另一個(gè)三極管后，使故障繼電器的外部?jī)山M常開(kāi)觸點(diǎn)被閉合了，說(shuō)明此時(shí)有故障信號(hào)。
圖7是本發(fā)明分析處理模塊進(jìn)行頻譜分析和FFT運(yùn)算的流程圖。如圖7所示，圖7圖面中左邊部分完成倒位序操作，在FFT運(yùn)算中，N為2的整數(shù)次冪，X(k)為自然順序，但為了適應(yīng)原位計(jì)算，在運(yùn)算之前應(yīng)先對(duì)序列x(n)進(jìn)行倒序。倒序的規(guī)律就是把順序數(shù)的二進(jìn)制位倒置，即可得到倒序值。倒序數(shù)是在M位二進(jìn)制數(shù)最高位加一，逢2向右進(jìn)位。對(duì)于，M位二進(jìn)制數(shù)最高位的權(quán)值為N/2，且從左到右二進(jìn)制位的權(quán)值依次為冪N/4，N/8，…，2，1。因此，最高位加一相當(dāng)于十進(jìn)制運(yùn)算j+N/2。(j表示當(dāng)前倒序數(shù)的十進(jìn)制數(shù)值)。圖7圖面中右邊部分完成FFT的運(yùn)算，根據(jù)DFT的基二分解方法，可以發(fā)現(xiàn)在第L(L表示從左到右的運(yùn)算級(jí)數(shù)，j＝1，2，3...M)級(jí)中，每個(gè)蝶形的兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)(其中N為2的整數(shù)次冪，js＝Log2N，Imn[]蝶形因子虛部，Ren[]蝶形因子實(shí)部)相距B＝2^(L-1)個(gè)點(diǎn)，同一旋轉(zhuǎn)因子對(duì)應(yīng)著間隔為2^L點(diǎn)的2^(M-L)個(gè)蝶形。從輸入端開(kāi)始，逐級(jí)進(jìn)行，共進(jìn)行M級(jí)運(yùn)算。在進(jìn)行L級(jí)運(yùn)算時(shí)，依次求出個(gè)2^(L-1)不同的旋轉(zhuǎn)因子，每求出一個(gè)旋轉(zhuǎn)因子，就計(jì)算完它對(duì)應(yīng)的所有的2^(M-L)個(gè)蝶形。因此，可以用三重循環(huán)程序?qū)崿F(xiàn)FFT變換。同一級(jí)中，每個(gè)蝶形的兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)只對(duì)本蝶形有用，而且每個(gè)蝶形的輸入、輸出數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)又同在一條水平線上，所以輸出數(shù)據(jù)可以立即存入原輸入數(shù)據(jù)所占用的存儲(chǔ)單元。這種方法可稱(chēng)為原址計(jì)算，可節(jié)省大量的存儲(chǔ)單元。
在本實(shí)施例中，輸入為頻率為20Hz，幅值為2V的正弦波的光信號(hào)。用768Hz的采樣頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣序列x(n)長(zhǎng)度為256，運(yùn)用上述FFT公式，計(jì)算出對(duì)應(yīng)頻率下的功率譜P(k)的值為表1，曲線如圖8；圖8中橫坐標(biāo)為7的地方有一個(gè)尖峰值，其他頻率分量都很小，可以忽略。
表1

當(dāng)進(jìn)行FFT運(yùn)算之前，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波模塊濾去高頻干擾信號(hào)后，再進(jìn)行FFT運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示，其曲線如圖9所示；從圖9可以看出橫坐標(biāo)為7的地方也同樣存在一尖峰值，表2的數(shù)據(jù)與表1也相同，同樣其他頻率分量都很?。煌ㄟ^(guò)圖8和圖9的數(shù)據(jù)表明運(yùn)行數(shù)據(jù)和所要求的理論值相符。(注由于本發(fā)明中采樣周期為1/3秒，所以FFT運(yùn)算頻率的分辨率為3Hz，因此，橫坐標(biāo)為7對(duì)應(yīng)的頻率為21Hz)。
表2

在另一個(gè)實(shí)施例中，輸入是頻率為360Hz，幅值為2V的正弦波的光信號(hào)。用768Hz的采樣頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣序列x(n)長(zhǎng)度為256，運(yùn)用上述FFT公式運(yùn)算，計(jì)算出對(duì)應(yīng)頻率下的功率譜P(k)的值A(chǔ))在運(yùn)行中未加IIR低通數(shù)字濾波器，計(jì)算出對(duì)應(yīng)頻率下的功率譜P(k)值的數(shù)據(jù)如表3所示，曲線如圖10所示。從圖10中可以看出橫坐標(biāo)為120的地方有一個(gè)尖峰值，其他頻率分量都很小，可以忽略，這個(gè)數(shù)據(jù)與所要求的理論值相符。
表3

B)運(yùn)行中增加IIR低通數(shù)字濾波器后，計(jì)算出對(duì)應(yīng)頻率下的功率譜P(k)值如表4所示，曲線如圖11所示。橫坐標(biāo)為120的地方有一個(gè)尖峰值，其他頻率分量都很小，可以忽略。但尖峰值的大小為92左右，與表3中的衰減幅度為DB＝1843/92＝20.03，說(shuō)明增加IIR低通數(shù)字濾波器以后能有效濾除高于200Hz的信號(hào)，達(dá)到了預(yù)期的要求。
表4

權(quán)利要求
1.一種分體式燃燒火焰檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于包括一火檢探頭，它包括光電探測(cè)器和連接于光電探測(cè)器輸出端的預(yù)處理電路，用于探測(cè)燃燒火焰信號(hào)；一火檢放大器，它包括一輸入端與火檢探頭中的預(yù)處理電路輸出端相連接的火焰模擬信號(hào)處理電路，輸入端與火焰模擬信號(hào)處理電路的輸出端相連接的A/D轉(zhuǎn)換器，與A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端相連接的數(shù)字信號(hào)處理電路，分別與數(shù)字信號(hào)處理電路相連接的顯示器，D/A轉(zhuǎn)換器，開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路和串行通信電路；其中數(shù)字信號(hào)處理電路中包括內(nèi)部置有信號(hào)處理系統(tǒng)的微處理器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分體式燃燒火焰檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的置于微處理器內(nèi)的信號(hào)處理系統(tǒng)包括一信號(hào)采集模塊，用于采集火焰燃燒的數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)包括在有限長(zhǎng)的時(shí)域和頻域內(nèi)等間隔連續(xù)采樣的時(shí)域信號(hào)和頻率信號(hào)以及與時(shí)域信號(hào)相對(duì)應(yīng)的火焰強(qiáng)度信號(hào)；一數(shù)字濾波模塊，采用數(shù)字濾波器濾掉由上述信號(hào)采集模塊所采集的燃燒火焰信號(hào)中的干擾信號(hào)；一分析處理模塊，對(duì)于經(jīng)過(guò)上述數(shù)字濾波模塊濾除干擾信號(hào)的頻率信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，采用快速傅立葉變換，計(jì)算出對(duì)應(yīng)頻率下的信號(hào)強(qiáng)度值，輸出有無(wú)火焰燃燒的開(kāi)關(guān)量信號(hào)、有無(wú)故障的開(kāi)關(guān)量信號(hào)以及對(duì)應(yīng)頻率下的強(qiáng)度信號(hào)，用以顯示火焰燃燒的狀況。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分體式燃燒火焰檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的火檢探頭中的預(yù)處理電路包括信號(hào)隔直電路，與信號(hào)隔直電路連接的信號(hào)放大電路以及與信號(hào)放大電路連接的濾波電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分體式燃燒火焰檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的火焰模擬信號(hào)處理電路包括至少一級(jí)信號(hào)放大和濾波處理電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分體式燃燒火焰信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)字信號(hào)處理電路中還包括與微處理器連接的晶振、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器和看門(mén)狗。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分體式燃燒火焰檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路包括開(kāi)關(guān)量輸入電路和開(kāi)關(guān)量輸出電路；所述的開(kāi)關(guān)量輸入電路包括至少兩路由光耦隔離器和電阻組成的輸入開(kāi)關(guān)量信號(hào)電路；所述的開(kāi)關(guān)量輸出電路包括至少兩路由一個(gè)三極管、繼電器、二極管和電阻組成的輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)電路。
全文摘要
一種分體式燃燒火焰檢測(cè)系統(tǒng)，包括一僅包括光電探測(cè)器和連接于光電探測(cè)器輸出端的預(yù)處理電路的火檢探頭和一火檢放大器?；饳z放大器包括一輸入端與火檢探頭中的預(yù)處理電路輸出端相連接的火焰模擬信號(hào)處理電路，輸入端與火焰模擬信號(hào)處理電路的輸出端相連接的A/D轉(zhuǎn)換器，與A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端相連接的數(shù)字信號(hào)處理電路，分別與數(shù)字信號(hào)處理電路相連接的顯示器，D/A轉(zhuǎn)換器，開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路和串行通信電路；數(shù)字信號(hào)處理電路中包括內(nèi)部置有信號(hào)處理系統(tǒng)的微處理器。信號(hào)處理系統(tǒng)包括信號(hào)采集模塊，數(shù)字濾波模塊和分析處理模塊。數(shù)字信號(hào)處理電路輸出有無(wú)火焰和有無(wú)故障的開(kāi)關(guān)量信號(hào)以及燃燒火焰的頻率及其對(duì)應(yīng)的功率譜。
文檔編號(hào)G01J5/00GK101034008SQ20071003883
公開(kāi)日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2007年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月30日
發(fā)明者王平, 樊凱凱, 張海華, 劉國(guó)超, 葉正桂 申請(qǐng)人:上海神明控制工程有限公司