专利名称：燃烧火焰的检测方法
技术领域：
本发明涉及一种燃烧火焰的检测方法，特别适用于锅炉内燃烧火焰工况的分析。
背景技术：
锅炉火焰燃烧给人的直接感受是亮度的强弱和火焰根部亮度的脉动。根据理论分 析和试验验证，火焰的闪烁或脉动，其频率与燃料种类有很大关系。由于不同种类的燃料燃 烧时的火焰特征频率不同，每种频率下的火焰的强度也不一样，因此准确检测、控制燃料燃 烧时的火焰状况很不容易。尤其在大型的锅炉中，燃料燃烧时的火焰状况更加复杂。然而传 统的火焰检测器观测火焰燃烧时，主要是通过光电转换器将接收到的燃烧火焰的光强信号 转换成电压信号后，简单地进行幅值比较后，就对火焰进行有无火的识辨，及燃烧状况的分 析。这样的测量，它忽略了不同燃料火焰信号的频率特征，也就难以准确地检测火焰状况， 很容易产生误报现象，影响锅炉的生产安全。
发明内容
本发明的目的在于对锅炉中不同燃料的燃烧火焰进行检测。给出频谱曲线，即给 出火焰在不同燃烧频率下的能量强度分布值。根据该功率谱分析对比，实时获得燃烧火焰 的准确工况。 为了达到上述的目的，本发明采取的技术方案是
提供一种燃烧火焰的检测方法，其具体步骤是 〈1>首先采用燃烧火焰检测装置采集燃烧火焰信号，该信号包括在有限长的时域 和频域内等间隔连续采样的时域信号和频域信号以及与频域信号相对应的火焰强度信号， 并转换成数字信号； 〈2〉在计算机内建一燃烧火焰检测系统，在该检测系统内建立信号采集�？椋瞬� 模块，功率谱计算�？楹凸β势追治瞿？椋� 〈3〉将上述采集的火焰燃烧数字信号输入到上述计算机内的燃烧火焰检测系统 内，通过燃烧火焰检测系统内的滤波模块滤掉干扰信号，通过功率谱计算�？榈募扑慊竦� 功率谱，通过功率谱分析�？榻卸员确治觯霰冉虾蟮墓β势祝�
〈4>根据上述给出的功率谱，分析燃烧火焰的状况。 上述第〈1>步中，所述采集燃烧火焰信号采用燃烧火焰检测装置，燃烧火焰检测 装置对燃烧火焰的模拟信号通过检测装置中的光电转换，将火焰的光信号转换成电流信 号，经过检测装置中放大处理电路将电流信号放大并将电流信号转换成电压信号，然后通 过A/D转换器将模拟光电信号转换成数字信号。定时读取数字信号并保存在数据序列中完 成对信号的采集。该数字信号包括在有限长的时域和频域内等间隔连续采样的时域信号和 频率信号以及与时域信号相对应的火焰强度信号； 所述在计算机内建立的燃烧火焰检测系统，其中信号采集�？椴杉鲜鍪淙氲氖� 字信号，然后要经过滤波�？榻新瞬ù�。因为工业锅炉内燃烧状况比较复杂，信号干扰源较多，所以必须进行滤波。本发明中采用IIR低通滤波器滤掉信号中夹杂的燃烧火焰 频率信号中的(频率)干扰信号。通过现场实验和测试，现场锅炉中的燃烧火焰的频率在 200Hz以下，所以在本实施例中使用的低通滤波器主要是滤除高于频率200Hz的干扰信号；
所述采用功率谱计算�？榛袢∪忌栈鹧娴墓β势住１痉⒚魍ü糜诠β势准扑隳� 块中的快速傅立叶变换FFT公式，将时域信号变成频域信号，即将强度(纵坐标)-时间(横 坐标)曲线变成强度(纵坐标)-频率(横坐标)曲线的功率谱曲线。即为对应频率下的 火焰信号强度值。 所述功率谱分析�？槎陨鲜龌竦玫墓β势浊呓蟹治觯杂诓煌德氏碌幕鹧�
能量分布进行分析，做出有无火判断。 本发明的火焰检测方法的效果显著。 參本发明的检测方法中，因为采集燃烧火焰的信号中包括频率信号，因此，本发明
的燃烧火焰检测系统能够通过比对不同燃烧状态下火焰的频率特征，通过频率特征能够准 确地检测火焰燃烧的状况； 參本发明的检测方法中，因为建立滤波�？椋芄唤恍枰母扇判藕怕说簦沟�
检测的特征频率更准确，所得的检测结果更稳定可靠； 參本发明的检测方法中，因为建立一包括功率谱计算�？楹凸β势追治瞿？榈娜�
烧火焰检测系统，对经过滤波后的频率信号进行频谱计算和功率谱分析，通过功率谱计算 �？橹械目焖俑盗⒁侗浠籉FT公式，计算出对应频率下的强度值，获得燃烧火焰的频率和 对应的强度值(功率)的功率谱，基于功率谱检测燃烧火焰，能够全面而比较精确地反映出 真实火焰的燃烧状况。 參本发明的检测方法中，因为建立的燃烧火焰检测系统中包含功率谱分析�？椋�
此�？橹泻幸桓霾煌剂希煌停煌忌兆刺碌幕鹧嫒忌掌灯追植继卣魍嫉氖� 据库�？椤Ｒ虼四芄桓莶煌剂系娜忌掌德实墓β势追植记撸胧导什獾玫幕鹧嫒忌� 的功率谱实时进行对比，这样能更准确的检测火焰燃烧的状况。
图1是本发明检测方法所建立的燃烧火焰检测系统一实施例的结构示意图； 图2是本发明燃烧火焰检测系统一实施例的流程图； 图3-l、3-2是本发明检测方法采用FFT公式运算一实施例的流程图； 图4是本发明检测方法建立的燃烧火焰检测系统中功率谱分析�？樗娲⒌拇�
燃烧火焰标准频率谱分布的特征曲线图。
具体实施例方式
下面结合实施例和附图进一步说明本发明检测方法的特征。
如上所述，本发明检测方法的具体步骤是 〈1>采用燃烧火焰检测装置采集燃烧火焰信号。在本实施例中，所采用的燃烧火 焰检测装置是由上海神明控制工程有限公司提供。燃烧火焰检测装置采集的火焰信号为 锅炉炉膛内油枪或煤燃烧器的实时燃烧的火焰信号，燃烧火焰信号进入该装置内经光电转 换部分，此部分由光电二极管(PH0T0DI0DE)将光信号转换为电信号，再经运放电路转换为电压信号，然后经过隔直电容去除火焰电压信号中的直流分量，仅保留交流分量(火焰的 闪烁信号)，再经过运放电路进行放大处理，将交流电压信号放大到适当的水平，最后送到 A/D转换电路。该燃烧火焰检测装置中在信号转换与放大电路中，电阻越大，越容易受到干 扰，因此单级放大倍数不易过大，必须采用多级放大电路的形式。该燃烧火焰检测装置采用 一级电流-电压转换电路、一级隔直和同相预放大电路、两级同相放大电路和两级二阶有 源滤波器。电流_电压信号转换及信号放大使用运放电路，选用合适的运放和运放电路的 设计至关重要，光电传感器有一项参数对于电路的设计起着最关键的作用，那就是光敏度 (Photo Spectral Sensitivity或Spectral Sensitivity)。该燃烧火焰检测装置采用ADI 公司专为光电二极管前置放大而设计的运算放大器(型号为AD823)，还包括电流-电压信 号转换和预放大电路。多级放大电路和有源滤波器采用TI公司提供的型号为LM224A(或 者ADI公司的0P484FS)的四运放。经过一系列处理的模拟电压信号最后送入A/D转换电 路转换为16位数字信号。 对火焰数据的采集对整个检测的准确性有至关重要的作用，所以数据采集采用如 下方法为了得到锅炉火焰信号的离散频谱分布特性，对火焰在时间域上(一段时间内)进 行数字离散化，即首先对时域火焰信号进行每间隔(等间隔)为0. 13ms连续采样256点， 定义为长度N等于256的火焰强度信号的序列。根据香农采样定理，若火焰闪烁信号的最 高频率为ft，为防止混频，选定抽样频率fs > 2ft。在本实施例中，选择的采样频率fs为 768Hz，通过每间隔为0. 13ms对火焰连续进行采样256次的强度信号，经过时域转频域的数 字信号处理(详细转换过程在功率谱计算�？槟�)，能在频域范围内恢复384Hz以下的频率 信号。根据(有资料表明)锅炉火焰的闪烁频率不超过250Hz，所以这样的采样频率对于实 际锅炉火焰的应用来说已经足够了。 〈2>在计算机内建立一燃烧火焰检测系统(软件)，该燃烧火焰检测系统如图1所 示它包括对燃烧火焰信号进行采集的信号采集�？�101，对采集的数字信号进行滤波处 理的滤波�？�102，进行计算功率谱的功率谱计算�？�103，以及对功率谱进行分析对比的 功率谱分析�？�104。其检测的流程如图2所示。 图2是燃烧火焰检测系统一实施例的流程图。如图2所示，燃烧火焰检测系统开 始运行，首先由燃烧火焰检测装置定时(每间隔O. 13ms)连续采集的燃烧火焰信号(数字 信号)输入到燃烧火焰检测系统中信号采集�？�101内，在本实施例中，信号采集�？�101 以768Hz的采样频率进行数字信号采样，当采满256个点数后输入到滤波�？�102内；滤波 �？�102采用IIR低通滤波器滤掉干扰信号，再将信号输入到功率谱计算模块103 ;功率谱 计算模块103采用快速傅立叶转换(FFT)公式计算功率谱，获得的功率谱输入到功率谱分 析�？�104内；功率谱分析�？�104将该功率谱已存储的燃烧火焰标准频率谱分布的特征 曲线进行对比，判别火焰燃烧的状况。 所述滤波�？�102采用IIR低通滤波器滤波。IIR低通滤波器将不需要的干扰信 号进行滤除。由于锅炉内燃烧的火焰比较复杂，加上锅炉内环境比较恶劣，所以采集火焰信 号比较复杂。在由模拟量经A/D转换成数字信号的过程中可能存在一些高频的干扰信号， 影响了火焰信号的纯净性。滤波�？�102对火焰数字信号序列x(n)，(如n = 0 255)进 行滤波，滤除高频的干扰信号。在本实施例中，采用的IIR低通滤波器是根据本实施例中锅 炉中的燃烧火焰信号为低频信号，火焰信号的闪烁频率低于200Hz，所以采用IIR低通滤波器。其通带宽度为0Hz 200Hz。 在本实施例中、IIR低通滤波器的具体指标为 通带截止频率Wp : 200Hz ;阻带截止频率Ws :350Hz ; 通带衰减Rp :0. 5db ;阻带衰减Rs :20db ;采样频率Fs :768Hz 。 实际的滤波器系数由matlab仿真得出 通过调用matlab函数 [n， wn] = buttord (Wp/ (Fs/2) ， Ws/ (Fs/2) ， Rp， Rs)禾口 [b， a] = butter (n， wn)
计算出的滤波器系数a、 b : al = 1 ; a2 = 0. 88492 ; a3 = 0. 31357bl = 0. 54962 ; b2 = 1. 0992 ; b3 = 0. 54962
滤波器的差分方程为 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); 所述燃烧火焰检测系统中的功率谱计算�？�103采用快速傅立叶转换(FFT)公式 计算功率谱。为获取火焰功率谱，它首先对经过滤波后的信号进行FFT运算，将信号由时域 (能量-时间曲线)转换为频域(能量-频率曲线)，计算出信号在各个频带上的能量值。 如本实施例中是锅炉内燃烧的火焰，当锅炉燃烧时，炉膛中存在着主火焰和背景火焰，主火 焰和背景火焰的燃烧闪烁的频率存在很大的区别，通过对炉膛火焰信号的频域分析，主火 焰和背景火焰在不同频带上的能量值有很大的不同。所以通过锁定主火焰的闪烁频率，运 用存储于功率谱分析�？槟诨鹧嫒忌帐菘饽？槟诘谋曜计德市藕�(功率谱)进行对比分 析，能有效地分别出和去除不同于主火焰闪烁频率的背景火焰信号，能较好地解决对于炉 膛内火焰检测的误判断问题。 所述功率谱计算�？槎跃鲜雎瞬？槁顺扇判藕诺钠德市藕沤衅灯准� 算，采用FFT公式计算出对应频率下的强度值。如上述，在本实施例中是要计算锅炉燃烧火 焰在特征频率下的强度值，要对采样数据x(n)进行频谱分析。本实施例中采用时间抽取 (DIF)基2的快速傅立叶变换。根据信号处理上的离散傅立叶变换，对该组信号x(n)作FFT
运算就可获得该时域信号在频域上的对应表示，所采用的FFT转换公式为
爛=2#—w & 二01， , —d ............(1) 其中x(n)是列长为256(n = 0， 1， . . . 255)的输入序列；X(k)为有限长为N的序 列x(n)的离散傅立叶变换后的频谱因数，X(k)为复数，WN = e—j(WN)为FFT计算的蝶形因 子，在本实施例中N = 256。 所述FFT转换公式1的计算流程如图3-1 ，图3-2。 因为X(k)是复数，则可将其转换成功率谱P(k)，转换公式为 P(k) = |X(k) |2/N， k = 0 (N-l) ............ (2) 运用上面公式2运算，获得频谱，获得对应频率下的信号强度。 图3-l、3-2为上述公式(1)的具体计算流程，其中图3-1为倒位序流程，其完成倒位序操作。FFT运算中，N必须为2的整数次幂，计算流程中A(1)为自然顺序(为原始数据 序列)，但为了适应原位计算，在运算之前应先对序列A(I)进行倒序。图3-1中A(J)为倒 位序序列。倒序的规律就是把顺序数的二进制位倒置，即可得到倒序值。倒序数是在M位 二进制数最高位加一，逢2向右进位。对于，M位二进制数最高位的权值为N/2，且从左到右 二进制位的权值K依次为幂N/4， N/8，…，2，l。因此，最高位加一相当于十进制运算J+K。 (J表示当前倒序数的十进制数值)。 图3-2为FFT公式(1)计算的流程，为按时间分隔的序列输入，并进行FFT运算的
流程。图3-2中U， W， J为复数；1， IP为蝶形结的两个节点；M为所在级数；LE为蝶形结间
距；LEI为同一蝶形中参加运算的两个节点间距；J为循环变量。设定L为整个FFT计算嵌 套循环次数，其中L = Log2N。整个循环递推过程由三个嵌套循环构成。外层循环控制一个 循环次数为L的运算，内层的循环控制同一级(M相同)各碟型的运算，M表示第M级(M为 1，2，3…L)。其中最内一层循环控制同一种碟型结的运算，而中间一层则控制不同碟型结的运算。 图3-2中最内层循环，其循环变量为I， I用来控制同一种碟型结运算。显然其步 进值为碟型结间距值LE，其中LE二2M，同一种碟型结中参加运算的两节点的间距为LE1，其 中LE1 = 2M-1。 图3-2的第二层循环，其循环变量J用来控制计算不同种(不同系数)的碟型结， J的步进值为1。 图3-2最外层循环，用循环变量M来控制运算的级数，M为1 L，当M改变时，则 LE1，LE和系数U都会改变。 所述燃烧火焰检测系统中功率谱分析模块104在其内部存储燃烧火焰标准频率 谱分布的特征曲线图(见图4)。 图4是存储在功率谱分析�？�104数据库�？橹腥醯湫�(标准)频谱分布曲线。 横坐标为频率，纵坐标为功率。 曲线01是煤火焰的燃烧频谱分布曲线，中心(峰值功率处)频率较低，主要分布 在15Hz左右的范围，最高不超过30Hz ; 曲线02是气体燃烧的频谱分布曲线，中心(峰值功率处)频率主要分布在40Hz 左右的范围内，其频率范围为30 60Hz左右的范围内； 曲线03是油燃烧的频谱分布曲线，中心(峰值功率处)频率主要分布在80Hz左 右的范围内，其频率范围为50 100Hz左右的范围内。 如图4所示，火焰燃烧的频率分布图其实就是一个锅炉内不同燃料不同火焰燃烧 状况的数据库。根据现场测试和试验分析，火焰燃烧有以下特征当燃料为煤粉时，火焰燃 烧的能量基本集中在15Hz的频带范围内；当燃料为气体时，火焰燃烧的能量基本集中在 40Hz的频带范围内；当燃料为重油时，火焰燃烧的能量基本集中在80Hz的频带范围内。
通过FFT功率谱计算后的，功率谱分析�？槎曰竦玫氖导嗜忌栈鹧婀β势子氡曜� 的火焰燃烧频谱分布特征图进行比对，结合对火焰特征频率及有无火门槛值的预设定值， 实现对(单燃烧器或多燃烧器的)锅炉内燃烧火焰状态的准确判断。
权利要求
一种燃烧火焰的检测方法，其特征在于检测方法的具体步骤是<1>首先采用燃烧火焰检测装置采集燃烧火焰信号，该信号包括在有限长的时域和频域内等间隔连续采样的时域信号和频域信号以及与频域信号相对应的火焰强度信号，并转换成数字信号；<2>在计算机内建一燃烧火焰检测系统，在该燃烧火焰检测系统内建立信号采集�？椋瞬？椋β势准扑隳？楹凸β势追治瞿？椋�<3>将上述采集的火焰燃烧数字信号输入到上述计算机内的燃烧火焰检测系统内，通过燃烧火焰检测系统内的滤波�？槁说舾扇判藕牛üβ势准扑隳？榈募扑慊竦霉β势祝üβ势追治瞿？榻卸员确治觯霰冉虾蟮墓β势祝�<4>根据上述给出的功率谱，分析燃烧火焰的状况。
2. 根据权利要求1所述的燃烧火焰的检测方法，其特征在于所述滤波�？椴捎肐IR低 通滤波器滤波。
3. 根据权利要求1所述的燃烧火焰的检测方法，其特征在于所述功率谱计算�？椴捎� 快速傅立叶变换公式获取功率谱。
4. 根据权利要求1所述的燃烧火焰的检测方法，其特征在于所述功率谱分析�？樵谄� 内部存储燃烧火焰标准频率谱分布特征曲线图。
全文摘要
一种燃烧火焰的检测方法，首先采集燃烧火焰在有限长的时域和频域内等间隔连续采样的时域信号和频域信号以及对应的火焰强度信号；建立包括信号采集�？椋瞬？椋β势准扑隳？楹凸β势追治瞿？榈娜忌栈鹧婕觳庀低�。采集的信号通过燃烧火焰检测系统中滤波�？槁巳ゲ恍枰母扇判藕牛煌üβ势准扑隳？榧扑愠龆杂ζ德氏碌男藕徘慷戎担还β势追治瞿？槎怨β势捉卸员确治觯鍪凳辈獾玫墓β势祝莨β势追治龌鹧嫒忌盏淖刺媒峁媸刀既�。
文档编号G01J3/30GK101769792SQ20081020493
公开日2010年7月7日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者樊凯凯, 陈昊, 黄志高 申请人:上海神明控制工程有限公司
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