基于紫紅外線檢測原理的火焰傳感器的設計

中國煤炭科工集團重慶研究院有限公司 石發強

基于紫紅外線檢測原理的火焰傳感器的設計

中國煤炭科工集團重慶研究院有限公司 石發強

火焰傳感器是火災防范系統的重要組成部分，其安全可靠和質量優劣直接影響工作場所的安全性。為了有效監測火焰，降低火焰傳感器的誤報率，對火焰檢測的紫外敏感器件和紅外敏感器件的工作原理進行了研究，提出了一種基于紫紅外線復合檢測原理的火焰傳感器，并給出了設計方案和工作流程。該紅外與紫外復合的火焰檢測傳感器較采用單一檢測原理的火焰傳感器更具有準確性、可靠性和穩定性，還具有高靈敏度、反應快、抗干擾強等特點。

光譜；紫外（UV）；紅外（IR）；誘導期；本安

引言

隨著國家對煤礦安全生產的越來越重視，礦井中對各種對明火、物體表面的熱、電火花、煤自燃、撞擊或摩擦產生的火花檢測技術近年來取得了較快的發展[1]，常用的感溫、感煙式傳感器，以及單一的紫外、紅外火焰檢測傳感器都已被廣泛使用。但采用現有的技術和方法，火焰檢測時間相對延遲，不能在瓦斯爆炸的誘導期（或感應期）內對火焰進行快速的抑制[2]，而且誤報和漏報率較高。

本文設計了一種基于紫紅外線復合檢測原理的本安火焰傳感器，它能在1 ms以內準確判斷出120o角內的火焰，并輸出電信號，克服了電弧光、雷擊、電磁脈沖的干擾缺陷，在技術參數上完全符合我國標準GB3836.1-2010、GB3836.4-2010、AQ 1079-2009、MT 694-1997 的要求[3-6]。

1 工作原理

火焰是各種可燃物質與氧氣反應所產生的一種劇烈氧化作用，是由燃燒的氣體、碳粒子為主的物質所構成。可燃物與助燃物發生氧化反應過程中釋放出不同頻率的能量波，按不同的光譜對外輻射。

對火焰的檢測，其輻射的光譜特性起著重要的作用。礦井中各種可燃物，如：甲烷、煤、粉塵等可燃物的火焰輻射強度的波長在光譜上是有所區別的，但從光譜分布來看，采用紫外線檢測原理的傳感器，直接檢測火焰中（0.19～0.29）μm的紫外光譜，檢測的對象十分明確，響應速度也比較快，但在太陽光、電弧光、雷擊、電磁脈沖等條件下有明顯的誤報，在實際中一般不單獨應用。采用紅外線檢測原理的傳感器，直接檢測火焰中（4.20～4.50）μm的紅外光譜，檢測對象也十分明確，它由紅外敏感器和放大電路組成，但這種類型的傳感器具有壓電效應，對環境壓力變化敏感，誤報率較高，在使用中必須明確工礦環境條件，而在實際中一般不單獨應用。

火焰輻射光譜圖，如圖1所示。

為克服單一原理的火焰檢測缺陷，本文提出一種基于紅紫外線復合檢測原理的火焰傳感器，它能在1 ms以內準確判斷出120o角內的火焰，并輸出電信號，對電弧光、雷擊、電磁脈沖等干擾有很強的抑制作用。

該火焰傳感器由：紅外線檢測敏感元件、紫外線檢測敏感元件、高透光濾鏡片、電路（電源電路、紅外檢測電路、紫外檢測電路、信號處理電路）組成，如圖2。通過嚴謹的程序算法，克服了紅紫外線同步檢測過程中響應時間慢的缺陷，其設計完全能滿足國家標準MT694-1997《煤礦用自動隔爆裝置通用技術條件》與AQ 1079-2009《瓦斯管道輸送自動噴粉抑爆裝置通用技術條件》的要求。

圖3 b 紫外檢測電路原理圖

圖1 火焰輻射光譜圖

圖2 火焰傳感器框圖

1.1 紫外線檢測部分設計

從圖1上可以看出火焰的輻射光譜較廣，包括了紫外、可見光和紅外等輻射波段，這些輻射光譜主要是由燃燒產生的碳氫物質、氣體以及無機物質為主體的固體微粒子在高溫受激狀態下釋放出來的輻射波。

在紫外波段內能夠觀察到火焰的光譜是帶狀譜，由于大氣層對短波紫外線的吸收，使太陽輻射照射到地球表面的紫外線只有波長大于0.29 μm的長波紫外線，0.29μm以下的短波輻射在地球表面極少，故采用紫外火焰探測技術，可使火焰傳感器避開了最大干擾源—太陽光，提高了信噪比，提升了對極微弱信號檢測能力。因此，在設計中將0.29 μm以下的波段作為火焰傳感器的紫外線檢測區域，工作在該檢測區內的火焰傳感器對日光輻射不響應（日盲區），從而避免了太陽光的干擾。

設計框圖見圖3a、原理圖見3b。

圖3a 紫外檢測原理框圖

檢測火焰中的紫外線（UV）波段的敏感器（圖3b中J1），是把蓋革—米勒計數管( G-M管) 作為火焰敏感器使用。圖4表示G-M管的結構及檢測原理。G-M管通常結構是在一根兩端用絕緣物質密閉的管內充入稀薄氣體（通常是摻加了鹵素的稀有氣體，如氦、氖、氬等），在沿管的軸線上安裝有一根金屬絲電極，并在金屬管壁和金屬絲電極之間加上略低于管內氣體擊穿電壓的電壓。常態下，管內氣體不放電；而當有高速粒子射入管內時，粒子的能量使管內氣體電離導電，在絲極與管壁之間產生迅速的氣體放電現象，從而輸出一個脈沖電流信號。通過適當地選擇加在絲極與管壁之間的電壓，就可以對被探測粒子的最低能量，從而對其種類加以甄選。

圖4 G- M管的結構

圖5b 紅外檢測電路原理圖

G-M管是一種冷陰極管，在其電極上外加（350± 50）V 左右的直流電壓，當接收到紫外線的照射時，能夠使管內氣體原子電離，釋放出幾個自由電子，由于光電效應而溢出的光電子在電場作用下跑向陰極，這些電子沿途又電離氣體的其它原子，釋放出更多的電子，如此反復，使電離氣體倍增。越來越多的電子再接連電離越來越多的氣體原子，終于使管內氣體成為導電體，在絲極與管壁之間產生迅速的氣體放電現象，于是在陰極和陽極間就產生電流，使管子處于放電狀態，從而完成對紫外線的檢測。

1.2 紅外線檢測部分設計

由于紫外特別容易受電焊光、電弧、閃電、X射線等（紫外線輻射）觸發而產生誤報警，因此設計中應加入紅外線檢測。

火焰中存在著大量的可見光和0.8μm以上的紅外線，這些波長的光線不易被煤塵、水蒸氣和其他燃燒產物吸收，因此紅外線檢測適合于檢測煤粉火焰、重油火焰和適合惰性氣體含量較大的燃料燃燒情況。紅外線火焰傳感器檢測燃燒火焰放射的紅外線強度和火焰頻率來判別火焰是否存在，從圖1中可以看出火焰的紅外檢測靈敏度在3.2μm，采用紅外與紫外復合的火焰檢測技術對火焰檢測有重要的實際意義。

設計框圖見圖5a、原理圖見5b。

檢測火焰的紅外線方式的敏感器一般采用熱電型紅外線敏感器，熱電效應是由溫度變化引起，因此受到溫度變化時，熱電型敏感器輸出微分電壓。熱電型紅外線敏感器利用與其名相同的熱電效應，制作材料有強介質電陶瓷、LiTaO3等單晶體、PVDF 等材料。

圖5a 紅外檢測原理框圖

由于是熱電型紅外線敏感器，所以對于敏感器主體來說沒有波長依存性。通常把被檢測的波長光線通過的光學濾光片后給敏感器，再進行密閉封裝。

圖6是熱電型傳感器的結構。

圖6 熱電型傳感器的結構

火焰是具有起伏的燃燒。如果對火焰發出的紅外線頻率進行分析，可以觀測到從數赫茲到約三十赫茲的頻率，其峰值頻率約10Hz 左右。當然，受到火災規模和風的影響，頻率會有所變化。

火焰發出的紅外線由熱電型傳感器感光，敏感器窗口材料（光學濾光片）和安裝在傳感器前方的光學玻璃應選擇可使4. 4μm譜帶的紅外線通過（4. 4μm譜帶的窗口材料可用透光率大于95%以上的的蔚藍色玻璃等，對其進行金屬蒸鍍，就可制成光學帶通濾光片），完成對紅外線的檢測。

2 本安要求設計

為保證傳感器能在瓦斯、丙烷、氫氣、粉塵等危險性環境條件下使用，應按國家標準《GB3836.4-2010 爆炸性環境 第4部分：由本質安全型保護的設備》的要求，把電路設計為本質安全型。

國家標準把爆炸性環境用電氣設備分為I類、II類和III類，其中：I類用于礦井甲烷氣體環境，II類用于除礦井甲烷氣體之外的其他爆炸性氣體環境，III類用于除煤礦以外的爆炸性粉塵環境。

對于不同等級的工作電壓，按I類、II類和III類區分使用場所，其對應的輸入電容Ci、輸入電感Li的要求是不一致的，國家標準《GB3836.4-2010 爆炸性環境 第4部分：由本質安全型保護的設備》中圖A.2、A.3、A.4、A.5、A.6有明確的規定。

同時傳感器與電源之間還應通過《GB3836.4-2010 爆炸性環境 第4部分：由本質安全型保護的設備》中10.1條規定的火花點燃試驗。

圖7 傳感器工作流程圖

3 工作流程設計

當CPU單片機同時接收到傳感器紅外檢測電路輸出的infrared signal信號和傳感器紫外檢測電路輸出的UV信號時，判斷得出有火焰，輸出控制信號；當只有其中1路信號輸出時，CPU單片機判斷為偽信號，做丟棄處理，立即重新進入檢測狀態。

為防止上電時電壓過沖造成誤動作，CPU單片機程序中還應設計開機延時工作處理程序。

圖7為工作流程圖。

4 結束語

火焰傳感器是火災防范系統的重要組成部分，其安全可靠和質量優劣直接影響工作場所的安全性。本文設計的紅外與紫外復合的火焰檢測傳感器對采用單一檢測原理的火焰傳感器更具有準確性、可靠性和穩定性，對我國的安全生產有積極的推動作用，該設計具有高靈敏度、反應快、抗干擾強等特點。

[1]安志偉,袁宏永,屈玉貴．火焰閃爍頻率的測量研究[J]．計算機應用,2000,20(5):66-67．

[2]石發強．淺析煤礦瓦斯爆炸的機理[J]．大科技,2014,5: 197-198．

[3]GB3836．1-2010,爆炸性環境 第1部分:設備通用要求[S]．北京:中國標準出版社,2011．

[4]GB3836．4-2010,爆炸性環境 第4部分:由本質安全型保護的設備[S]．北京:中國標準出版社,2011．

[5]AQ 1079-2009,瓦斯管道輸送自動噴粉抑爆裝置通用技術條[S]．北京:中國標準出版社,2010．

[6]MT 694-1997,煤礦用自動隔爆裝置通用技術條件[S]．北京:中國標準出版社,1998．

Design of flames sensor based on the monitoring of UV & infrared

SHI Faqiang
(CCTEG Chongqing Research Institute，Chongqing 400037，China)

Flames sensors are an indispensible part of the fire prevention system. Therefore，their reliability and quality directly influence the safety of the work site. In order to monitor fames effectively，and meanwhile reduce the false alarm rate，this article studies the theory of UV detective sensors and infra-detective sensors of flames sensors and put forward an new flame sensors based on the multiply detective theory of UV and infra rays，including its design and working process. Compared with the original fame sensors based on the single detective theory，this new flame sensors is more accurate，reliable and stable. Besides the new flame sensors possess the characteristic of Hi-sensitivity，immediate response and interference-free.

Spectrum；UV；IR；Induction Period；Intrinsic safes

石發強（1979—），男，重慶人，副研究員，中國電子學會會員，畢業于重慶通信學院，主要從事礦山安全生產監測監控系統、儀器儀表的科研工作，現工作于中煤科工集團重慶研究院有限公司。