一種鍋爐溫度火焰信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紀(jì) 浩，何鋒杰，程 鵬，杜芝鵬

武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北武漢 430072

本文提出了一種基于單片機(jī)的鍋爐溫度火焰檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）能夠同時(shí)在線檢測(cè)鍋爐溫度和火焰，將鍋爐內(nèi)實(shí)時(shí)的溫度和火焰情況傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，為調(diào)整鍋爐最佳風(fēng)煤比提供參考；2）設(shè)置溫度和火焰檢測(cè)下限閾值，避免多種原因爐膛燃燒不穩(wěn)定，溫度場不均勻?qū)е碌臓t膛滅火停爐；3）在滿足現(xiàn)場情況下，整套設(shè)備造價(jià)低廉，具有一定的推廣價(jià)值。

1 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成及原理

溫度火焰信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)采用以美國Silicon Labs公司生產(chǎn)的C8051F500單片機(jī)為主控單元，并采用雙MCU，利用其自身具有的12位AD同時(shí)采集紅外測(cè)溫傳感器和火焰檢測(cè)傳感器傳入的模擬量信號(hào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)抗干擾能力。采用一階慣性濾波實(shí)現(xiàn)信號(hào)的降噪及還原，采集到的兩路信號(hào)直觀的顯示于數(shù)碼管上，并通過串行口輸出兩路經(jīng)處理過的信號(hào)到上位機(jī)。檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

圖1 檢測(cè)體統(tǒng)構(gòu)成框圖

1.1 變送器和信號(hào)處理

采用雙C8051F500作為主控單元，利用片上12位AD構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)采集到的溫度和火焰信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，并通過串口將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。

1.2 紅外測(cè)溫

本系統(tǒng)采用非接觸式全輻射的紅外測(cè)溫方法。非接觸式測(cè)溫方法不會(huì)破壞被測(cè)介質(zhì)的溫度場和流場。同時(shí)，感溫元件傳熱慣性小，可用于測(cè)量快變及不穩(wěn)定熱力過程的溫度，測(cè)量上限不受材料性質(zhì)的影響，適合在鍋爐機(jī)等高溫場合應(yīng)用。系統(tǒng)選用德國OPTRIS公司的1MH型紅外激光探頭，其測(cè)量溫度范圍為：650℃～1800℃，分辨率為0.1℃，自帶的放大器可對(duì)探頭信號(hào)進(jìn)行放大、線性化處理和消噪處理，特別適用于鍋爐檢測(cè)的測(cè)溫探頭。

1.3 火焰檢測(cè)

火焰檢測(cè)的主要是對(duì)火焰進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)視，在鍋爐點(diǎn)火、低負(fù)荷異常運(yùn)行時(shí)有效防止?fàn)t內(nèi)爆炸事故，確保鍋爐安全運(yùn)行。如圖2火焰檢測(cè)探頭原理圖。

圖2 火焰檢測(cè)探頭原理圖

本系統(tǒng)采用VTB5041光電傳感器，它是320nm～1100nm硅光電池器件，測(cè)量范圍為波長400nm～800nm的可見光，并使用對(duì)數(shù)放大器進(jìn)行放大處理?？梢姽饣饳z同時(shí)檢驗(yàn)火焰閃爍頻率和可見光亮度，并進(jìn)行邏輯加運(yùn)算來檢測(cè)燃燒火焰的存在。同時(shí)采用火焰平均光強(qiáng)和脈動(dòng)閃爍頻率雙信號(hào)，可提高檢測(cè)器的可靠性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)除了包括單片機(jī)最小系統(tǒng)外，還包括數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、串行通信接口電路、報(bào)警電路和顯示電路等。

2.1 串行通信接口

串行通信電路是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)之間溫度和火焰數(shù)據(jù)的傳輸，按照幀發(fā)送字節(jié)，幀格式采用波特率9600，無校驗(yàn)位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位[1]。串行口硬件接口電路如圖3所示。

圖3 串口硬件電路接口

2.2 報(bào)警電路

報(bào)警電路主要由三極管、固態(tài)繼電器和報(bào)警器構(gòu)成，其主要作用是當(dāng)溫度值或火焰值低于某個(gè)閾值時(shí)，由工作在飽和的NPN三極管8050構(gòu)成的開關(guān)電路控制繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警器工作。報(bào)警電路可有效的避免爐膛燃燒不穩(wěn)定和溫度場不均勻?qū)е碌臓t膛滅火停爐。

2.3 顯示電路

顯示電路8位數(shù)碼管，其中四位顯示溫度信息，另外四位顯示火焰信息。通過動(dòng)態(tài)循環(huán)掃描74LS138譯碼器和單片機(jī)數(shù)字IO口實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的段選和位選，利用數(shù)碼管的余輝效應(yīng)和人眼視覺的暫留效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度值和火焰信息的讀取[2]。

3 軟件算法

利用C8051F500自身12位ADC采集的溫度和火焰值經(jīng)過一階慣性濾波算法進(jìn)行降噪還原，再將處理過的數(shù)據(jù)通過串行口上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

一階低通濾波算法采用此次采樣值與上次濾波輸出值進(jìn)行加權(quán)，得到有效濾波值，使得輸出對(duì)輸入有反饋?zhàn)饔?。一階低通濾波算法公式如下：

式（1.1）中：β是濾波系數(shù)；x（n）是此次采樣值；y（n-1）是上次濾波輸出值；y（n）是本次濾波輸出值。β的取值范圍為[0,1]。

使用一階濾波最重要的就是平衡靈敏度和平穩(wěn)度[3]。當(dāng)β無限趨近于0，得到的數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)，但是靈敏度的實(shí)時(shí)性有較大的滯后；反之，β無限趨于1時(shí)，數(shù)據(jù)的靈敏度較好，但是數(shù)據(jù)的波動(dòng)較大，平穩(wěn)性差。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗(yàn)取β=0.27，得到的數(shù)據(jù)值在接受的靈敏度范圍內(nèi)取得盡可能好的平穩(wěn)度。

4 結(jié)論

基于單片機(jī)的溫度火焰檢測(cè)系統(tǒng),具有抗干擾性好、邏輯判斷準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，能很好地適應(yīng)鍋爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜、燃煤質(zhì)量差異大的現(xiàn)場工況，為鍋爐安全運(yùn)行提供了有力保障。

[1]沙占友，等.單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社.

[2]婁建中，祁冰.一種基于單片機(jī)的溫度測(cè)量電路[J].河南機(jī)電高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2009(9)：10-12.

[3]黃勁松，田開坤.MSP430單片機(jī)的熱敏電阻溫度測(cè)量[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009(4)：61-63.