高可靠火焰探測器軟件算法設計與測試

王冠鷹 鄭占旗 宋文剛 張立軍

摘要：針對基于紫紅外光敏管報警的三波段火焰探測器，提出一種高可靠的軟件算法。該算法在以往簡單判定閾值方法的基礎上，通過對紫紅外信號進行分類，利用頻域分析、時域分析、信號特征分析等多種方法進行處理，進一步優化了報警信號的觸發邏輯，提升了探測器靈敏性。同時具備高可靠防誤報能力，能夠有效排除多種非火焰因素的干擾。經過試驗測試表晴，火焰探測器各項指標滿足預期要求。

關鍵詞：火焰探測器;軟件算法;火災報警;算法優化;現場測試;軟件實現

中圖分類號：TN362-34：X932

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019） 24-0030-04

0 引言

紫紅外火焰探測器是根據火焰的光輻射特征，采用雙紅外波段（2.7-4.35 μm）和單紫外波段（185-260 nm）共三個波段作為敏感區間，對火焰信號進行監測并進行報警輸出的裝置[1]。其可以用于火焰燃燒監控、火災自報警和特殊場合滅火抑爆[2-3]。相較于其他報警裝置，火焰探測器能夠在ms量級對火焰準確識別，具有無可比擬的優勢，廣泛應用于礦井、油田、石化企業、易燃易爆儲存等場所，以滿足滅火抑爆需要[4]。

在現有的簡單判斷觸發閾值的報警邏輯中，一直存在誤報率過高問題。實際使用面臨的干擾因素較多，太陽光、雷電、電磁脈沖、各種人工光源等是最常見的干擾源。產生的信號變化與真實火警重疊，有可能引起誤報警邏輯觸發。未具備較高的綜合防誤報能力，未能滿足高可靠的性能要求。

針對基于紫紅外光敏管理報警的三波段水焰探測器，本文提出一種較為可靠的判斷算法。通過對紫紅外信號進行處理，設計紫紅外常態觸發邏輯和單紫外強觸發邏輯兩種邏輯，最后對觸發信號特征再次排除。該算法經過現場測試，各性能達到預期要求，在保持高靈敏、高精度的同時，具有高可靠防誤報能力。

1 報警原理

物質在燃燒的過程中，會不同程度向外放出各種波長的輻射，標準火焰的輻射光譜在整個波段范圍內的強度分布如圖1所示，火焰的發射光譜跨越紫外、可見光、和紅外三個頻譜帶[5]。火焰探測器主要是通過對燃燒過程中所產生的光的變化進行判斷來實現火災報警的目的[2]。可以用作火警特征的信號波段分為紫外波段，以及多個紅外波段[6]。

紫外波段輻射來源于金屬原子發射譜和微弱的NO帶狀譜，一般將290 nm以下作為檢測區域，這是因為，日光是重要的干擾源[7]，它具有十分復雜的分布。由于大氣層吸收，最終到達地球表面的紫外線波長大于290 nm。采用紫外波段（185-260 nm）檢測避開了自然光源的復雜背景，具有較高的可靠性[8]。

紅外輻射大多為H20，C02，C0，02和N2等分子在受激狀態下放出的電磁輻射[9]，有多個波段可用于火焰識別，最重要是4.35 μm附近的C02原子團的光譜[10]，為火焰所特有，且具有絕對大強度，是最常用紅外波段。同時，2.7μm附近波段范圍也被用于紅外檢測，以提高火焰探測器系統的可靠性。

火焰探測器由多個光學傳感器組成，具體框圖如圖2所示。紫外光敏管是一個封閉玻璃管，具有對火焰反應速度快、高靈敏度、高輸出、可靠性好等特點。紅外光敏管是一種光敏電阻，紅外1表示4.35 μm的光敏管，紅外2表示2.7 μm的光敏管。根據設計要求，火焰探測器可以準確快速識別真實的火焰信號無漏報，并且具備綜合防誤報能力，因此需要科學有效的軟件算法設計。

2 算法實現

火焰報警程序算法主要包括系統初始化模塊、火焰判斷模塊和報警輸出模塊等部分。初始化模塊主要完成系統功能的初始化及探頭狀態自檢，并對基準電壓進行初始設定。火焰判斷模塊主要對狀態參量實時處理跟蹤，當滿足一定的報警邏輯設定之后，判斷為火警信號。報警輸出模塊是程序的輸出口，進行火警輸出，并產生相應動作進行滅火抑爆。其中火焰判斷模塊是算法的核心模塊，包括單紫外強邏輯觸發和紫紅外常態觸發兩種類型。整個程序算法的流程圖如圖3所示，A，a，b均為設定量。

2.1 單紫外強邏輯觸發

單紫外觸發的設計思想是面向近距離內、短時間的、較大強度的火焰類型。此時火焰已足夠強大，產生的計數已足夠多，已超過非火焰因素所對應的計數極限，可以依靠紫外邏輯產生火警觸發，而無需再等待紅外信號的疊加。采用這種方式，可以實現對短時、近距、高強的火警快速判斷、迅速處置的目的。

一般來說，單紫外觸發的閾值較大。為了提升可靠性，在此基礎上設置較強的邏輯門檻，同時對脈沖的時間特征進行判斷，只有滿足兩重條件，才真正判定為火警信號，以防止產生誤報警。整個過程如下：

Stepl：閾值分析。以某一間隔為計時周期.每個計時周期內計數達到閾值A，則進行時間特征判斷。

Step2：時間分析。對滿足閾值的觸發信號，分析每個時間內的計數，如果符合以下之一，則判為滿足：

1） Aver_UL[1]>Aoo;

2） （Aver_UL[I]>Aii）&&（Aver_UL[2]>A12）

3） （Aver_UL[1]>A21）&&（ Aver_UL[3]>A22）;

4）（ Aver_UL[2]>A3.）&&（Aver_UL[3]>A32）.

其中Aver_UL[i]（i=1，2，3）代表了每個最小時間內的計數，Aij（ i=0，1，2，3;j=0，1，2）代表了相應的閾值。

Step3：預報警輸出。

2.2 紫紅外常態觸發

紫紅外觸發是算法內基本常設判斷設定，是一種常態觸發邏輯。采用紫外和紅外作為判斷信號，具有比較高的可靠性，適宜于大部分火焰類型檢測。

在正常狀態下，紫外不應有輸出，紅外1和紅外2會維持一個較高電壓。火焰發生時，紫外產生脈沖計數，紅外1和紅外2會出現不同程度的下降。實際使用中，任意一個達到設定閾值，即產生紅外觸發。

具體流程如下：

Stepl：紫外判斷。某一間隔為計時周期，每個周期內紫外計數達到閾值a（a《A），則進行紅外判斷。

Step2：紅外判斷。以紅外1及紅外2的前一時刻幅值為信號的判斷基準，如果下一時刻的幅值超過了b_t%，則滿足條件。其中b_t（i=1，2）代表紅外1或紅外2的下降幅度，可以根據實際進行設定。

Step3：預報警輸出。

2.3 誤報警觸發排除

在取得預報警信號之后，算法并不即刻進行輸出。為了實現高可靠的火焰探測，還要再次進行誤報警排除，才能最終輸出報警信息。誤報警觸發排除主要是進行觸發信號比對，會將所觸發報警的信號特征與已存儲的非火焰信號特征進行比對，如果完全符合則排除報警，否則解除等待直接輸出報警信息。

3 試驗結果

3.1 響應時間試驗

火焰探測器的響應時間測試采用電子快門測試臺系統[11]，測試火源為標準火，符合GJB1734A規范，距離探測器為40 cm。火源與探測器之間有電子快門計時系統，計時起點與快門開啟時刻同步，計時終點為探測器信號端輸出報警信號，最終兩個信號的時間差由計時系統自動讀取。

試驗結果如圖4所示。橫軸表示火焰探測器編號，ij表示了第i批次的第j個，進行10次試驗，計算平均值、標準差。由圖可以看出，所有火焰探測器的響應時間全部滿足≤2 ms，且分布比較穩定。在所有的測試結果中，最小值為0.31 ms（12號），最大值為1.81 ms（ 21號）。

3.2 探測距離試驗

距離測試采用標準導軌氣動快門方式，火源不變，開門方式改由氣動觸發。隨機選取兩個火焰探測器分別放置在距離火源1.2 m，3.0 m的地方進行測試。測試10次，取平均值、標準差，結果如表1所示。

可以看到，在1.2 m時，響應時間區間為0.95 -2.28 ms;對于3.0 m，響應時間區間為1.26-116.82 ms。火焰探測器對于不同距離的近、中、遠程火全部都能夠響應，產生報警輸出。

3.3 防誤報試驗

針對火焰探測器實際使用中可能面臨的干擾因素，設計了7種類型防誤報測試，內容如表2所示。先置于暗室環境中，依次用各干擾項進行測試，觀察是否會輸出報警信號。測試結果表明，火焰探測器具備良好的防誤報能力，能夠有效排除日光、各類人工光源、環境、熱輻射、電磁輻射等非火焰因素引發的誤報警。

4 結語

火焰識別算法是探測器能夠實現快速響應、穩定可靠的關鍵，為此，設計了紫紅外常態觸發，以及單紫外強邏輯觸發的兩種報警邏輯。經過現場測試，火焰探測器的響應時間、探測距離、防誤報等各項性能指標均達到預期要求，解決了火焰探測器一直存在的誤報率過高的問題。下一步，將繼續優化算法，進一步提升火焰探測器的綜合性能。

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作者簡介：王冠鷹（1991-），男，山東德州人，博士，博士后研究人員，研究方向為微電子學與固體電子學。

鄭占旗（1982-），男，河南鄭州人，博士，助理研究員，研究方向為微電子學與固體電子學。

宋文剛（1996-），男，四川宜賓人，博士研究生，研究方向為微電子學與固體電子學。