CN101339072A - 一种火焰状态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火焰状态检测方法，特别适用于锅炉内燃烧火焰状态的检测与分析。该方法包括如下步骤：光电信号转换步骤，信号预处理步骤，时间序列信号相关分析步骤。本发明提出的火焰状态检测方法，在信号预处理过程中，对燃烧器的火焰强度信号和火焰闪烁频率信号分别进行放大处理，能有效鉴别出火焰信号中的火焰强度信号和火焰闪烁频率信号，消除火焰闪烁频率信号的失真现象；通过对燃烧过程采集数据信号的相关分析，计算相邻时间段内火焰强度信号的相关性系数，以及相邻时间段内火焰闪烁频率信号之间的相关性系数，有效解决了不同燃烧点和不同层燃烧器之间的“偷看”问题。

Description

一种火焰状态检测方法

所属领域

本发明涉及一种火焰状态检测方法，特别适用于锅炉内燃烧火焰状态的检测与分析，解决锅炉燃烧火焰状态检测过程中存在的“偷看”难题。

现有技术

锅炉内燃料燃烧时的火焰信号包括火焰强度和火焰闪烁频率，相应地锅炉内火焰状态的检测方法包括强度阈值方法和频率阈值方法。根据理论分析和实验验证，火焰闪烁频率与燃料的种类有关，检测燃料燃烧时的火焰闪烁频率及其对应的火焰强度，与事先根据经验选定的火焰强度阈值和火焰闪烁频率阈值相比较，据此进行火焰燃烧状况的判断。

由于不同种类的燃料燃烧时火焰闪烁频率不同，每种火焰闪烁频率下的火焰强度也不一样，因而准确检测燃料燃烧时的火焰状态很不容易，尤其是存在多个燃烧器的大型锅炉系统中，由于有多层火焰在燃烧，同层中又有多个燃烧点。当被检测的主燃烧器灭火时，检测结果仍旧反映相邻燃烧器的火焰状态，发生“偷看”现象，造成锅炉安全保护系统的隐患。

同时，火焰强度大小是由火焰信号中的直流信号成分反映的，而交流信号反映出火焰闪烁频率，在实际检测过程中，上述直流信号和交流实时信号往往相差两个数量级。

采用上述火焰闪烁频率阈值和火焰强度阈值进行火焰有无的辨识和火焰状态的检测时，存在以下问题：(1)难以对燃烧器的主火焰和背景火焰，以及来源于相邻燃烧点的火焰信号进行有效区分，在主燃烧器火焰熄灭时，由于相邻燃烧点或者不同层燃烧器火焰信号的干扰，很容易发生“偷看”现象，引起对主燃烧器火焰状态的错误判断，从而导致控制系统的误动作；(2)由于反映火焰强度的直流信号和反映火焰闪烁频率的交流信号相差两个数量级，不加区分的信号预处理方法往往使得交流信号失真，导致火焰闪烁频率的判断不准确。

发明内容

发明目的

本发明的目的在于解决目前火焰信号检测中存在的以下问题，实现对燃烧过程中火焰状态的准确判断：(1)通过对燃烧过程数据采集信号的分析，解决不同燃烧点和不同层燃烧器之间的“偷看”难题；(2)采用交流信号和直流信号分别处理的方法，消除火焰闪烁频率的失真现象。

技术方案

本发明提出的燃烧火焰状态检测方法，包括如下步骤：

步骤一：光电信号转换步骤：使用光电传感器将燃烧火焰光信号转换成对应的燃烧火焰模拟量信号I₀；

步骤二：信号预处理步骤，包括如下子步骤：

2.1对燃烧火焰模拟量信号I₀进行信号放大、信号滤波处理，得到处理后信号I₁；

2.2从信号I₁中分离出代表火焰闪烁频率的交流信号I_a和代表火焰强度的直流信号I_b；

2.3对代表火焰闪烁频率的交流信号I_a和代表火焰强度的直流信号I_b分别进行运算放大处理，得到运算放大处理后对应信号I_A和I_B，使I_A和I_B的量值在相同的数量级范围内；

2.4将I_B转换成数字信号，并进行数据采集：得到时间序列火焰强度信号离散值X_i，j，i＝1，2，L，N表示时间序列号，j＝1，2，L，M表示第i序列数据组中的第j个数据；

2.5将I_A转换成数字信号，并进行数据采集，得到等间隔连续采样值I_k；取I_k中有限长时间内等间隔连续采样值I_k，k＝1，2，L ，l，l为进行频谱计算的数据个数，进行频谱分析得到时间序列火焰闪烁频率信号Y_i，j；

步骤三：时间序列信号相关分析步骤，包括如下子步骤：

3.1分别计算火焰强度信号X_i，j和火焰闪烁频率信号Y_i，j的时间序列相关系数；

Q_i，i+t＝f(X_i，X_i+t)，F_i，i+t＝f(Y_i，Y_i+t)

其中，Q_i，i+t和F_i，i+t分别表示火焰强度信号X_i，j和火焰闪烁频率信号Y_i，j间隔t个时间序列的相关系数，f表示相关性函数；t＝1，2，L，T表示序列数据组间隔的个数，T值根据锅炉保护系统熄火延迟时间的需要确定；

3.2连续监测火焰强度信号的时间序列相关性系数Q_i，i+t的变化值ΔQ_t，以及火焰闪烁频率信号的时间序列相关系数F_i，i+t的变化值ΔF_t；

ΔQ_t＝Q_i，i+t-Q_i，i+t-1，ΔF_t＝F_i，i+t-F_i，i+t-1

3.3根据两种信号的时间序列相关系数变化趋势判断火焰状态：如果相邻时间间隔内的相关系数变化值ΔQ_t和ΔF_t小于设定阈值，即ΔQ_t＜Δ_Q且ΔF_t＜Δ_F，而且相关系数Q_i，i+t和F_i，i+t大于设定阈值，即Q_i，i+t＞Q_Y且F_i，i+t＞F_Y，则判断火焰状态正常；否则，则判断火焰状态异常；

式中，Δ_Q-表示火焰强度信号相关系数变化阈值，Δ_F-表示火焰闪烁频率信号相关系数变化阈值，相关系数变化阈值Δ_Q和Δ_F根据经验和对实时保护系统的要求确定，在0.25～0.10之间。对实时保护系统的要求越高，Δ_Q和Δ_F数值应该越小。

Q_Y-表示火焰强度信号相关系数阈值，F_Y-表示火焰闪烁频率信号相关系数阈值。相关系数阈值Q_Y和F_Y根据理论计算以及两种信号在确定火焰状态时的主次因素确定，取值在0.75～0.95之间为合适。通常以火焰闪烁频率信号为判断火焰状态的主要因素，使得F_Y值大于Q_Y值。

有益效果

本发明提出的火焰状态检测方法在判断锅炉燃烧器的燃烧状况时效果显著，尤其是解决了相邻燃烧器之间的“偷看”问题。

本发明的信号预处理过程中，因为对燃烧器的火焰强度信号和火焰闪烁频率信号分别进行放大处理，能有效鉴别出火焰信号中存在的火焰强度信号和火焰闪烁频率信号，消除火焰闪烁频率信号的失真现象；

本发明通过对燃烧过程采集数据信号的相关分析，计算相邻时间段内火焰强度信号的相关性系数，以及相邻时间段内火焰闪烁频率信号之间的相关性系数，有效解决了不同燃烧点和不同层燃烧器之间的“偷看”问题。

具体实施方式：

本实施例提出的火焰状态检测方法处理流程包括光电信号转换步骤、信号预处理步骤、时间序列信号相关分析步骤。本实施例中，信号输入步骤由对可见光波长敏感的可见光光电传感器将火焰信号转换为对应的模拟量信号；信号预处理步骤由硬件电路和置于单片机中的软件程序完成；信号相关分析步骤由置于单片机中的软件程序完成。

本实施例提出的火焰状态检测方法具体包括如下步骤：

步骤一：光电信号转换步骤：光电传感器将燃烧火焰光信号转换成对应的燃烧火焰模拟量信号I₀；

步骤一：信号预处理步骤，包括如下子步骤：

2.1对燃烧火焰模拟量信号I₀进行信号放大、信号滤波处理，得到处理后信号I₁；滤波放大电路由运算放大器组成的压控有源滤波放大电路组成，放大倍数为2.5倍，滤波截止频率为200Hz；

2.2从信号I₁中分离出代表火焰闪烁频率的交流信号I_a和代表火焰强度的直流信号I_b；由运算放大器组成的高通滤波电路完成从信号I₁中分离出代表火焰闪烁频率信号的交流信号I_a，滤波电路截止频率为5Hz，同时得到代表火焰强度的直流信号I_b；

2.3对代表火焰闪烁频率的交流信号I_a和代表火焰强度的直流信号I_b分别进行运算放大处理，得到运算放大处理后对应信号I_A和I_B，使I_A和I_B的量值在相同的数量级范围内；两路运算放大器分别对火焰强度信号和火焰闪烁频率信号进行放大，火焰强度信号放大系数为0.5倍，代表火焰闪烁频率信号的交流信号放大系数为3.0；

2.4将I_B转换成数字信号，并进行数据采集：得到时间序列火焰强度信号离散值X_i，j。i＝1，2，L，N表示时间序列号，j＝1，2，L，M表示第i序列数据组中的第j个数据。AD转换器精度为12位，采样频率为1024Hz，数据采样数为512点；

2.5将I_A转换成数字信号，并进行数据采集：得到等间隔连续采样值I_k；取I_k中有限长时间内等间隔连续采样值I_k，k＝1，2，L，l，l为进行频谱计算的数据个数，进行频谱分析得到时间序列火焰闪烁频率信号Y_i，j。同样，AD转换器精度为12位，采样频率为1024Hz，数据采样数为512点。

步骤三：时间序列信号相关分析步骤，包括如下子步骤：

3.1分别计算火焰强度信号X_i，j和火焰闪烁频率信号Y_i，j的时间序列相关系数：

Q_i，i+t＝f(X_i，X_i+t)，F_i，i+t＝f(Y_i，Y_i+t)

其中，Q_i，i+t和F_i，i+t分别表示火焰强度信号和火焰闪烁频率信号间隔t个时间序列的相关性系数，f表示相关性函数。t＝1，2，L，T表示序列数据组间隔的个数，T值根据锅炉保护系统熄火延迟时间的需要确定。在本实施例中，熄火延迟时间为3秒，采样频率为1024Hz，数据采样数为512点，t值最大需要计算6个数值，即T取值为6；

3.2连续监测火焰强度信号的时间序列相关性系数Q_i，i+t的变化值ΔQ_t，以及火焰闪烁频率信号的时间序列相关系数F_i，i+t的变化值ΔF_t；

ΔQ_t＝Q_i，i+t-Q_i，i+t-1，ΔF_t＝F_i，i+t-F_i，i+t-1

3.3根据两种信号的时间序列相关系数变化趋势判断火焰状态：

如果相邻时间间隔内的相关系数变化值ΔQ_t和ΔF_t小于设定阈值，而且相关系数Q_i，i+t和F_i，i+t大于设定阈值，则判断火焰状态正常；否则，则判断火焰状态异常。

即如果ΔQ_t＜Δ_Q，ΔF_t＜Δ_F，而且Q_i，i+t＞Q_Y，F_i，i+t＞F_Y，则判断火焰状态正常，否则为火焰状态异常。在此，火焰强度信号相关系数变化阈值Δ_Q＝0.20，火焰闪烁频率信号相关系数变化阈值Δ_F＝0.12，火焰强度信号相关系数阈值Q_Y＝0.80，火焰闪烁频率信号相关系数阈值F_Y＝0.85。

Claims (3)

1.一种燃烧火焰状态检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：光电信号转换步骤：使用光电传感器将燃烧火焰光信号转换成对应的燃烧火焰模拟量信号I₀；

步骤二：信号预处理步骤，包括以下子步骤：

2.1对燃烧火焰模拟量信号I₀进行信号放大、信号滤波处理，得到处理后信号I₁；

2.2从信号I₁中分离出代表火焰闪烁频率的交流信号I_a和代表火焰强度的直流信号I_b；

2.3对代表火焰闪烁频率的交流信号I_a和代表火焰强度的直流信号I_b分别进行运算放大处理，得到运算放大处理后对应信号I_A和I_B，使I_A和I_B的量值在相同的数量级范围内；

2.4将I_B转换成数字信号，并进行数据采集：得到时间序列火焰强度信号离散值X_i，j，i＝1，2，L，N表示时间序列号，j＝1，2，L，M表示第i序列数据组中的第j个数据；

2.5将I_A转换成数字信号，并进行数据采集，得到等间隔连续采样值I_k；取I_k中有限长时间内等间隔连续采样值I_k，k＝1，2，L，l，l为进行频谱计算的数据个数，进行频谱分析得到时间序列火焰闪烁频率信号Y_i，j；

步骤三：时间序列信号相关分析步骤，包括以下子步骤：

3.1分别计算火焰强度信号X_i，j和火焰闪烁频率信号Y_i，j的时间序列相关系数；

Q_i，i+t＝f(X_i，X_i+t)，F_i，i+t＝f(Y_i，Y_i+t)

其中，Q_i，i+t和F_i，i+t分别表示火焰强度信号X_i，j和火焰闪烁频率信号Y_i，j间隔t个时间序列的相关系数，f表示相关性函数；t＝1，2，L，T表示序列数据组间隔的个数，T值根据锅炉保护系统熄火延迟时间的需要确定；

3.2连续监测火焰强度信号的时间序列相关性系数Q_i，i+t的变化值ΔQ_t，以及火焰闪烁频率信号的时间序列相关系数F_i，i+t的变化值ΔF_t；

ΔQ_t＝Q_i，i+t-Q_i，i+t-1，ΔF_t＝F_i，i+t-F_i，i+t-1

3.3根据两种信号的时间序列相关系数变化趋势判断火焰状态：如果相邻时间间隔内的相关系数变化值ΔQ_t和ΔF_t小于设定阈值，即ΔQ_t＜Δ_Q且ΔF_t＜Δ_F，而且相关系数Q_i，i+t和F_i，i+t大于设定阈值，即Q_i，i+t＞Q_Y且F_i，i+t＞F_y，则判断火焰状态正常；否则，则判断火焰状态异常；

式中，Δ_Q-表示火焰强度信号相关系数变化阈值，Δ_F-表示火焰闪烁频率信号相关系数变化阈值，Q_Y-表示火焰强度信号相关系数阈值，F_Y-表示火焰闪烁频率信号相关系数阈值。

2.一种如权利要求1所述的燃烧火焰状态检测方法，其特征在于：在所述步骤三的子步骤3.3中，Δ_Q和Δ_F取值范围为0.25～0.10，Q_Y和F_Y取值范围为0.75～0.95。

3.一种如权利要求1所述的燃烧火焰状态检测方法，其特征在于：在所述步骤三的子步骤3.3中，F_Y值大于Q_Y值。