一種鍋爐溫度火焰信號檢測系統設計

紀 浩，何鋒杰，程 鵬，杜芝鵬

武漢大學動力與機械學院，湖北武漢 430072

本文提出了一種基于單片機的鍋爐溫度火焰檢測系統設計，它主要有以下幾個優點：1）能夠同時在線檢測鍋爐溫度和火焰，將鍋爐內實時的溫度和火焰情況傳輸到上位機，為調整鍋爐最佳風煤比提供參考；2）設置溫度和火焰檢測下限閾值，避免多種原因爐膛燃燒不穩定，溫度場不均勻導致的爐膛滅火停爐；3）在滿足現場情況下，整套設備造價低廉，具有一定的推廣價值。

1 檢測系統構成及原理

溫度火焰信號檢測系統采用以美國Silicon Labs公司生產的C8051F500單片機為主控單元，并采用雙MCU，利用其自身具有的12位AD同時采集紅外測溫傳感器和火焰檢測傳感器傳入的模擬量信號，增強了系統抗干擾能力。采用一階慣性濾波實現信號的降噪及還原，采集到的兩路信號直觀的顯示于數碼管上，并通過串行口輸出兩路經處理過的信號到上位機。檢測系統構成框圖如圖1所示。

圖1 檢測體統構成框圖

1.1 變送器和信號處理

采用雙C8051F500作為主控單元，利用片上12位AD構成數據采集系統，對采集到的溫度和火焰信號進行信號處理，并通過串口將處理后的數據發送到上位機進行監控。

1.2 紅外測溫

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

1.3 火焰檢測

火焰檢測的主要是對火焰進行檢測和監視，在鍋爐點火、低負荷異常運行時有效防止爐內爆炸事故，確保鍋爐安全運行。如圖2火焰檢測探頭原理圖。

圖2 火焰檢測探頭原理圖

本系統采用VTB5041光電傳感器，它是320nm～1100nm硅光電池器件，測量范圍為波長400nm～800nm的可見光，并使用對數放大器進行放大處理。可見光火檢同時檢驗火焰閃爍頻率和可見光亮度，并進行邏輯加運算來檢測燃燒火焰的存在。同時采用火焰平均光強和脈動閃爍頻率雙信號，可提高檢測器的可靠性。

2 系統硬件設計

系統硬件電路設計除了包括單片機最小系統外，還包括數模轉換電路、串行通信接口電路、報警電路和顯示電路等。

2.1 串行通信接口

串行通信電路是實現單片機與上位機之間溫度和火焰數據的傳輸，按照幀發送字節，幀格式采用波特率9600，無校驗位，8位數據位，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 報警電路

報警電路主要由三極管、固態繼電器和報警器構成，其主要作用是當溫度值或火焰值低于某個閾值時，由工作在飽和的NPN三極管8050構成的開關電路控制繼電器的常開觸點閉合，從而實現報警器工作。報警電路可有效的避免爐膛燃燒不穩定和溫度場不均勻導致的爐膛滅火停爐。

2.3 顯示電路

顯示電路8位數碼管，其中四位顯示溫度信息，另外四位顯示火焰信息。通過動態循環掃描74LS138譯碼器和單片機數字IO口實現數碼管的段選和位選，利用數碼管的余輝效應和人眼視覺的暫留效應可實現對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過一階慣性濾波算法進行降噪還原，再將處理過的數據通過串行口上位機進行實時監控。

一階低通濾波算法采用此次采樣值與上次濾波輸出值進行加權，得到有效濾波值，使得輸出對輸入有反饋作用。一階低通濾波算法公式如下：

式（1.1）中：β是濾波系數；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度[3]。當β無限趨近于0，得到的數據趨于平穩，但是靈敏度的實時性有較大的滯后；反之，β無限趨于1時，數據的靈敏度較好，但是數據的波動較大，平穩性差。根據現場調試經驗取β=0.27，得到的數據值在接受的靈敏度范圍內取得盡可能好的平穩度。

4 結論

基于單片機的溫度火焰檢測系統,具有抗干擾性好、邏輯判斷準確和經濟實用等優點，能很好地適應鍋爐結構復雜、燃煤質量差異大的現場工況，為鍋爐安全運行提供了有力保障。

[1]沙占友，等.單片機外圍電路設計[M].北京：電子工業出版社.

[2]婁建中，祁冰.一種基于單片機的溫度測量電路[J].河南機電高等?？茖W校學報，2009(9)：10-12.

[3]黃勁松，田開坤.MSP430單片機的熱敏電阻溫度測量[J].單片機與嵌入式系統應用，2009(4)：61-63.