專利名稱：燃燒火焰的檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃燒火焰的檢測方法，特別適用于鍋爐內(nèi)燃燒火焰工況的分析。
背景技術：
鍋爐火焰燃燒給人的直接感受是亮度的強弱和火焰根部亮度的脈動。根據(jù)理論分 析和試驗驗證，火焰的閃爍或脈動，其頻率與燃料種類有很大關系。由于不同種類的燃料燃 燒時的火焰特征頻率不同，每種頻率下的火焰的強度也不一樣，因此準確檢測、控制燃料燃 燒時的火焰狀況很不容易。尤其在大型的鍋爐中，燃料燃燒時的火焰狀況更加復雜。然而傳 統(tǒng)的火焰檢測器觀測火焰燃燒時，主要是通過光電轉(zhuǎn)換器將接收到的燃燒火焰的光強信號 轉(zhuǎn)換成電壓信號后，簡單地進行幅值比較后，就對火焰進行有無火的識辨，及燃燒狀況的分 析。這樣的測量，它忽略了不同燃料火焰信號的頻率特征，也就難以準確地檢測火焰狀況， 很容易產(chǎn)生誤報現(xiàn)象，影響鍋爐的生產(chǎn)安全。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于對鍋爐中不同燃料的燃燒火焰進行檢測。給出頻譜曲線，即給 出火焰在不同燃燒頻率下的能量強度分布值。根據(jù)該功率譜分析對比，實時獲得燃燒火焰 的準確工況。 為了達到上述的目的，本發(fā)明采取的技術方案是
提供一種燃燒火焰的檢測方法，其具體步驟是 〈1>首先采用燃燒火焰檢測裝置采集燃燒火焰信號，該信號包括在有限長的時域 和頻域內(nèi)等間隔連續(xù)采樣的時域信號和頻域信號以及與頻域信號相對應的火焰強度信號， 并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號； 〈2〉在計算機內(nèi)建一燃燒火焰檢測系統(tǒng)，在該檢測系統(tǒng)內(nèi)建立信號采集模塊，濾波 模塊，功率譜計算模塊和功率譜分析模塊； 〈3〉將上述采集的火焰燃燒數(shù)字信號輸入到上述計算機內(nèi)的燃燒火焰檢測系統(tǒng) 內(nèi)，通過燃燒火焰檢測系統(tǒng)內(nèi)的濾波模塊濾掉干擾信號，通過功率譜計算模塊的計算獲得 功率譜，通過功率譜分析模塊進行對比分析，給出比較后的功率譜；
〈4>根據(jù)上述給出的功率譜，分析燃燒火焰的狀況。 上述第〈1>步中，所述采集燃燒火焰信號采用燃燒火焰檢測裝置，燃燒火焰檢測 裝置對燃燒火焰的模擬信號通過檢測裝置中的光電轉(zhuǎn)換，將火焰的光信號轉(zhuǎn)換成電流信 號，經(jīng)過檢測裝置中放大處理電路將電流信號放大并將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后通 過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬光電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。定時讀取數(shù)字信號并保存在數(shù)據(jù)序列中完 成對信號的采集。該數(shù)字信號包括在有限長的時域和頻域內(nèi)等間隔連續(xù)采樣的時域信號和 頻率信號以及與時域信號相對應的火焰強度信號； 所述在計算機內(nèi)建立的燃燒火焰檢測系統(tǒng)，其中信號采集模塊采集上述輸入的數(shù) 字信號，然后要經(jīng)過濾波模塊進行濾波處理。因為工業(yè)鍋爐內(nèi)燃燒狀況比較復雜，信號干擾源較多，所以必須進行濾波。本發(fā)明中采用IIR低通濾波器濾掉信號中夾雜的燃燒火焰 頻率信號中的(頻率)干擾信號。通過現(xiàn)場實驗和測試，現(xiàn)場鍋爐中的燃燒火焰的頻率在 200Hz以下，所以在本實施例中使用的低通濾波器主要是濾除高于頻率200Hz的干擾信號；
所述采用功率譜計算模塊獲取燃燒火焰的功率譜。本發(fā)明通過置于功率譜計算模 塊中的快速傅立葉變換FFT公式，將時域信號變成頻域信號，即將強度(縱坐標)-時間(橫 坐標)曲線變成強度(縱坐標)-頻率(橫坐標)曲線的功率譜曲線。即為對應頻率下的 火焰信號強度值。 所述功率譜分析模塊對上述獲得的功率譜曲線進行分析，對于不同頻率下的火焰
能量分布進行分析，做出有無火判斷。 本發(fā)明的火焰檢測方法的效果顯著。 參本發(fā)明的檢測方法中，因為采集燃燒火焰的信號中包括頻率信號，因此，本發(fā)明
的燃燒火焰檢測系統(tǒng)能夠通過比對不同燃燒狀態(tài)下火焰的頻率特征，通過頻率特征能夠準 確地檢測火焰燃燒的狀況； 參本發(fā)明的檢測方法中，因為建立濾波模塊，能夠?qū)⒉恍枰母蓴_信號濾掉，使得
檢測的特征頻率更準確，所得的檢測結(jié)果更穩(wěn)定可靠； 參本發(fā)明的檢測方法中，因為建立一包括功率譜計算模塊和功率譜分析模塊的燃
燒火焰檢測系統(tǒng)，對經(jīng)過濾波后的頻率信號進行頻譜計算和功率譜分析，通過功率譜計算 模塊中的快速傅立葉變換FFT公式，計算出對應頻率下的強度值，獲得燃燒火焰的頻率和 對應的強度值(功率)的功率譜，基于功率譜檢測燃燒火焰，能夠全面而比較精確地反映出 真實火焰的燃燒狀況。 參本發(fā)明的檢測方法中，因為建立的燃燒火焰檢測系統(tǒng)中包含功率譜分析模塊，
此模塊中含有一個不同燃料，不同爐型，不同燃燒狀態(tài)下的火焰燃燒頻譜分布特征圖的數(shù) 據(jù)庫模塊。因此能夠根據(jù)不同燃料的燃燒頻率的功率譜分布曲線，與實際測得的火焰燃燒 的功率譜實時進行對比，這樣能更準確的檢測火焰燃燒的狀況。


圖1是本發(fā)明檢測方法所建立的燃燒火焰檢測系統(tǒng)一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明燃燒火焰檢測系統(tǒng)一實施例的流程圖； 圖3-l、3-2是本發(fā)明檢測方法采用FFT公式運算一實施例的流程圖； 圖4是本發(fā)明檢測方法建立的燃燒火焰檢測系統(tǒng)中功率譜分析模塊所存儲的儲
燃燒火焰標準頻率譜分布的特征曲線圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖進一步說明本發(fā)明檢測方法的特征。
如上所述，本發(fā)明檢測方法的具體步驟是 〈1>采用燃燒火焰檢測裝置采集燃燒火焰信號。在本實施例中，所采用的燃燒火 焰檢測裝置是由上海神明控制工程有限公司提供。燃燒火焰檢測裝置采集的火焰信號為 鍋爐爐膛內(nèi)油槍或煤燃燒器的實時燃燒的火焰信號，燃燒火焰信號進入該裝置內(nèi)經(jīng)光電轉(zhuǎn) 換部分，此部分由光電二極管(PH0T0DI0DE)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)運放電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后經(jīng)過隔直電容去除火焰電壓信號中的直流分量，僅保留交流分量(火焰的 閃爍信號)，再經(jīng)過運放電路進行放大處理，將交流電壓信號放大到適當?shù)乃?，最后送?A/D轉(zhuǎn)換電路。該燃燒火焰檢測裝置中在信號轉(zhuǎn)換與放大電路中，電阻越大，越容易受到干 擾，因此單級放大倍數(shù)不易過大，必須采用多級放大電路的形式。該燃燒火焰檢測裝置采用 一級電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、一級隔直和同相預放大電路、兩級同相放大電路和兩級二階有 源濾波器。電流_電壓信號轉(zhuǎn)換及信號放大使用運放電路，選用合適的運放和運放電路的 設計至關重要，光電傳感器有一項參數(shù)對于電路的設計起著最關鍵的作用，那就是光敏度 (Photo Spectral Sensitivity或Spectral Sensitivity)。該燃燒火焰檢測裝置采用ADI 公司專為光電二極管前置放大而設計的運算放大器(型號為AD823)，還包括電流-電壓信 號轉(zhuǎn)換和預放大電路。多級放大電路和有源濾波器采用TI公司提供的型號為LM224A(或 者ADI公司的0P484FS)的四運放。經(jīng)過一系列處理的模擬電壓信號最后送入A/D轉(zhuǎn)換電 路轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字信號。 對火焰數(shù)據(jù)的采集對整個檢測的準確性有至關重要的作用，所以數(shù)據(jù)采集采用如 下方法為了得到鍋爐火焰信號的離散頻譜分布特性，對火焰在時間域上(一段時間內(nèi))進 行數(shù)字離散化，即首先對時域火焰信號進行每間隔(等間隔)為0. 13ms連續(xù)采樣256點， 定義為長度N等于256的火焰強度信號的序列。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，若火焰閃爍信號的最 高頻率為ft，為防止混頻，選定抽樣頻率fs > 2ft。在本實施例中，選擇的采樣頻率fs為 768Hz，通過每間隔為0. 13ms對火焰連續(xù)進行采樣256次的強度信號，經(jīng)過時域轉(zhuǎn)頻域的數(shù) 字信號處理(詳細轉(zhuǎn)換過程在功率譜計算模塊內(nèi))，能在頻域范圍內(nèi)恢復384Hz以下的頻率 信號。根據(jù)(有資料表明)鍋爐火焰的閃爍頻率不超過250Hz，所以這樣的采樣頻率對于實 際鍋爐火焰的應用來說已經(jīng)足夠了。 〈2>在計算機內(nèi)建立一燃燒火焰檢測系統(tǒng)(軟件)，該燃燒火焰檢測系統(tǒng)如圖1所 示它包括對燃燒火焰信號進行采集的信號采集模塊101，對采集的數(shù)字信號進行濾波處 理的濾波模塊102，進行計算功率譜的功率譜計算模塊103，以及對功率譜進行分析對比的 功率譜分析模塊104。其檢測的流程如圖2所示。 圖2是燃燒火焰檢測系統(tǒng)一實施例的流程圖。如圖2所示，燃燒火焰檢測系統(tǒng)開 始運行，首先由燃燒火焰檢測裝置定時(每間隔O. 13ms)連續(xù)采集的燃燒火焰信號(數(shù)字 信號)輸入到燃燒火焰檢測系統(tǒng)中信號采集模塊101內(nèi)，在本實施例中，信號采集模塊101 以768Hz的采樣頻率進行數(shù)字信號采樣，當采滿256個點數(shù)后輸入到濾波模塊102內(nèi)；濾波 模塊102采用IIR低通濾波器濾掉干擾信號，再將信號輸入到功率譜計算模塊103 ;功率譜 計算模塊103采用快速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)公式計算功率譜，獲得的功率譜輸入到功率譜分 析模塊104內(nèi)；功率譜分析模塊104將該功率譜已存儲的燃燒火焰標準頻率譜分布的特征 曲線進行對比，判別火焰燃燒的狀況。 所述濾波模塊102采用IIR低通濾波器濾波。IIR低通濾波器將不需要的干擾信 號進行濾除。由于鍋爐內(nèi)燃燒的火焰比較復雜，加上鍋爐內(nèi)環(huán)境比較惡劣，所以采集火焰信 號比較復雜。在由模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程中可能存在一些高頻的干擾信號， 影響了火焰信號的純凈性。濾波模塊102對火焰數(shù)字信號序列x(n)，(如n = 0 255)進 行濾波，濾除高頻的干擾信號。在本實施例中，采用的IIR低通濾波器是根據(jù)本實施例中鍋 爐中的燃燒火焰信號為低頻信號，火焰信號的閃爍頻率低于200Hz，所以采用IIR低通濾波器。其通帶寬度為0Hz 200Hz。 在本實施例中、IIR低通濾波器的具體指標為 通帶截止頻率Wp : 200Hz ;阻帶截止頻率Ws :350Hz ; 通帶衰減Rp :0. 5db ;阻帶衰減Rs :20db ;采樣頻率Fs :768Hz 。 實際的濾波器系數(shù)由matlab仿真得出 通過調(diào)用matlab函數(shù) [n， wn] = buttord (Wp/ (Fs/2) ， Ws/ (Fs/2) ， Rp， Rs)禾口 [b， a] = butter (n， wn)
計算出的濾波器系數(shù)a、 b : al = 1 ; a2 = 0. 88492 ; a3 = 0. 31357bl = 0. 54962 ; b2 = 1. 0992 ; b3 = 0. 54962
濾波器的差分方程為 y (n) = 0. 54962*x (n) +1. 0992*x (n_l) +0. 54962*x (n_2) _0. 88492*y (n_l) -0. 313 57氺y(n-2); 所述燃燒火焰檢測系統(tǒng)中的功率譜計算模塊103采用快速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)公式 計算功率譜。為獲取火焰功率譜，它首先對經(jīng)過濾波后的信號進行FFT運算，將信號由時域 (能量-時間曲線)轉(zhuǎn)換為頻域(能量-頻率曲線)，計算出信號在各個頻帶上的能量值。 如本實施例中是鍋爐內(nèi)燃燒的火焰，當鍋爐燃燒時，爐膛中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，通過對爐膛火焰信號的頻域分析，主火 焰和背景火焰在不同頻帶上的能量值有很大的不同。所以通過鎖定主火焰的閃爍頻率，運 用存儲于功率譜分析模塊內(nèi)火焰燃燒數(shù)據(jù)庫模塊內(nèi)的標準頻率信號(功率譜)進行對比分 析，能有效地分別出和去除不同于主火焰閃爍頻率的背景火焰信號，能較好地解決對于爐 膛內(nèi)火焰檢測的誤判斷問題。 所述功率譜計算模塊對經(jīng)過上述濾波模塊濾除干擾信號的頻率信號進行頻譜計 算，采用FFT公式計算出對應頻率下的強度值。如上述，在本實施例中是要計算鍋爐燃燒火 焰在特征頻率下的強度值，要對采樣數(shù)據(jù)x(n)進行頻譜分析。本實施例中采用時間抽取 (DIF)基2的快速傅立葉變換。根據(jù)信號處理上的離散傅立葉變換，對該組信號x(n)作FFT
運算就可獲得該時域信號在頻域上的對應表示，所采用的FFT轉(zhuǎn)換公式為
爛=2#—w & 二01， , —d ............(1) 其中x(n)是列長為256(n = 0， 1， . . . 255)的輸入序列；X(k)為有限長為N的序 列x(n)的離散傅立葉變換后的頻譜因數(shù)，X(k)為復數(shù)，WN = e—j(WN)為FFT計算的蝶形因 子，在本實施例中N = 256。 所述FFT轉(zhuǎn)換公式1的計算流程如圖3-1 ，圖3-2。 因為X(k)是復數(shù)，則可將其轉(zhuǎn)換成功率譜P(k)，轉(zhuǎn)換公式為 P(k) = |X(k) |2/N， k = 0 (N-l) ............ (2) 運用上面公式2運算，獲得頻譜，獲得對應頻率下的信號強度。 圖3-l、3-2為上述公式(1)的具體計算流程，其中圖3-1為倒位序流程，其完成倒位序操作。FFT運算中，N必須為2的整數(shù)次冪，計算流程中A(1)為自然順序(為原始數(shù)據(jù) 序列)，但為了適應原位計算，在運算之前應先對序列A(I)進行倒序。圖3-1中A(J)為倒 位序序列。倒序的規(guī)律就是把順序數(shù)的二進制位倒置，即可得到倒序值。倒序數(shù)是在M位 二進制數(shù)最高位加一，逢2向右進位。對于，M位二進制數(shù)最高位的權(quán)值為N/2，且從左到右 二進制位的權(quán)值K依次為冪N/4， N/8，…，2，l。因此，最高位加一相當于十進制運算J+K。 (J表示當前倒序數(shù)的十進制數(shù)值)。 圖3-2為FFT公式(1)計算的流程，為按時間分隔的序列輸入，并進行FFT運算的
流程。圖3-2中U， W， J為復數(shù)；1， IP為蝶形結(jié)的兩個節(jié)點；M為所在級數(shù)；LE為蝶形結(jié)間
距；LEI為同一蝶形中參加運算的兩個節(jié)點間距；J為循環(huán)變量。設定L為整個FFT計算嵌 套循環(huán)次數(shù)，其中L = Log2N。整個循環(huán)遞推過程由三個嵌套循環(huán)構(gòu)成。外層循環(huán)控制一個 循環(huán)次數(shù)為L的運算，內(nèi)層的循環(huán)控制同一級(M相同)各碟型的運算，M表示第M級(M為 1，2，3…L)。其中最內(nèi)一層循環(huán)控制同一種碟型結(jié)的運算，而中間一層則控制不同碟型結(jié)的運算。 圖3-2中最內(nèi)層循環(huán)，其循環(huán)變量為I， I用來控制同一種碟型結(jié)運算。顯然其步 進值為碟型結(jié)間距值LE，其中LE二2M，同一種碟型結(jié)中參加運算的兩節(jié)點的間距為LE1，其 中LE1 = 2M-1。 圖3-2的第二層循環(huán)，其循環(huán)變量J用來控制計算不同種(不同系數(shù))的碟型結(jié)， J的步進值為1。 圖3-2最外層循環(huán)，用循環(huán)變量M來控制運算的級數(shù)，M為1 L，當M改變時，則 LE1，LE和系數(shù)U都會改變。 所述燃燒火焰檢測系統(tǒng)中功率譜分析模塊104在其內(nèi)部存儲燃燒火焰標準頻率 譜分布的特征曲線圖(見圖4)。 圖4是存儲在功率譜分析模塊104數(shù)據(jù)庫模塊中三條典型(標準)頻譜分布曲線。 橫坐標為頻率，縱坐標為功率。 曲線01是煤火焰的燃燒頻譜分布曲線，中心(峰值功率處)頻率較低，主要分布 在15Hz左右的范圍，最高不超過30Hz ; 曲線02是氣體燃燒的頻譜分布曲線，中心(峰值功率處)頻率主要分布在40Hz 左右的范圍內(nèi)，其頻率范圍為30 60Hz左右的范圍內(nèi)； 曲線03是油燃燒的頻譜分布曲線，中心(峰值功率處)頻率主要分布在80Hz左 右的范圍內(nèi)，其頻率范圍為50 100Hz左右的范圍內(nèi)。 如圖4所示，火焰燃燒的頻率分布圖其實就是一個鍋爐內(nèi)不同燃料不同火焰燃燒 狀況的數(shù)據(jù)庫。根據(jù)現(xiàn)場測試和試驗分析，火焰燃燒有以下特征當燃料為煤粉時，火焰燃 燒的能量基本集中在15Hz的頻帶范圍內(nèi)；當燃料為氣體時，火焰燃燒的能量基本集中在 40Hz的頻帶范圍內(nèi)；當燃料為重油時，火焰燃燒的能量基本集中在80Hz的頻帶范圍內(nèi)。
通過FFT功率譜計算后的，功率譜分析模塊對獲得的實際燃燒火焰功率譜與標準 的火焰燃燒頻譜分布特征圖進行比對，結(jié)合對火焰特征頻率及有無火門檻值的預設定值， 實現(xiàn)對(單燃燒器或多燃燒器的)鍋爐內(nèi)燃燒火焰狀態(tài)的準確判斷。
權(quán)利要求
一種燃燒火焰的檢測方法，其特征在于檢測方法的具體步驟是<1>首先采用燃燒火焰檢測裝置采集燃燒火焰信號，該信號包括在有限長的時域和頻域內(nèi)等間隔連續(xù)采樣的時域信號和頻域信號以及與頻域信號相對應的火焰強度信號，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；<2>在計算機內(nèi)建一燃燒火焰檢測系統(tǒng)，在該燃燒火焰檢測系統(tǒng)內(nèi)建立信號采集模塊，濾波模塊，功率譜計算模塊和功率譜分析模塊；<3>將上述采集的火焰燃燒數(shù)字信號輸入到上述計算機內(nèi)的燃燒火焰檢測系統(tǒng)內(nèi)，通過燃燒火焰檢測系統(tǒng)內(nèi)的濾波模塊濾掉干擾信號，通過功率譜計算模塊的計算獲得功率譜，通過功率譜分析模塊進行對比分析，給出比較后的功率譜；<4>根據(jù)上述給出的功率譜，分析燃燒火焰的狀況。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒火焰的檢測方法，其特征在于所述濾波模塊采用IIR低 通濾波器濾波。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒火焰的檢測方法，其特征在于所述功率譜計算模塊采用 快速傅立葉變換公式獲取功率譜。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒火焰的檢測方法，其特征在于所述功率譜分析模塊在其 內(nèi)部存儲燃燒火焰標準頻率譜分布特征曲線圖。
全文摘要
一種燃燒火焰的檢測方法，首先采集燃燒火焰在有限長的時域和頻域內(nèi)等間隔連續(xù)采樣的時域信號和頻域信號以及對應的火焰強度信號；建立包括信號采集模塊，濾波模塊，功率譜計算模塊和功率譜分析模塊的燃燒火焰檢測系統(tǒng)。采集的信號通過燃燒火焰檢測系統(tǒng)中濾波模塊濾去不需要的干擾信號；通過功率譜計算模塊計算出對應頻率下的信號強度值；功率譜分析模塊對功率譜進行對比分析，給出實時測得的功率譜，根據(jù)功率譜分析火焰燃燒的狀態(tài)，所得結(jié)果真實而準確。
文檔編號G01J3/30GK101769792SQ20081020493
公開日2010年7月7日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者樊凱凱, 陳昊, 黃志高 申請人:上海神明控制工程有限公司