基于鉀元素發(fā)射光譜的木粉塵火焰/火花檢測裝置*

倪申健 尚征帆 張 杰 徐兆軍 那 斌

（南京林業(yè)大學，江蘇 南京 210037）

近年來，粉塵燃爆事故常見諸報端，分析事故發(fā)生的原因可以發(fā)現(xiàn)，粉塵火花是引發(fā)這些事故的一個必要條件[1-3]。木材加工廠在輸送粉塵的過程中，可能混入之前工序中殘留的金屬顆粒，其與管壁之間碰撞摩擦致使粉塵產(chǎn)生火花，引發(fā)燃爆等事故，以致造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。為減少這類事故的發(fā)生，一方面應控制粉塵燃爆五邊形中其余四個因素，即漂浮態(tài)粉塵、密閉空間、存在可燃性氣體和可燃性粉塵[4-5]，另一方面則需迅速識別并撲滅出現(xiàn)的粉塵火花[6]。因此，研發(fā)快速識別、準確判斷的火花檢測裝置對于人造板的安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。

國外有較多企業(yè)提供粉塵火焰/火花檢測的技術方案，但產(chǎn)品中包含的傳感器國內(nèi)無法購置，一旦設備損壞不僅需要高昂的維修費，更會耽誤工期，且不易維修，因而限制了其大范圍應用。為此,國內(nèi)外學者展開相關研究以尋求解決方案，Hashim等[7]運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡和小波變換優(yōu)化火花檢測裝置；韓科立等[8]利用光電二極管設計出采棉機輸送管道的火花檢測系統(tǒng)；李楊等[9]通過優(yōu)化光電檢測電路，采取對射式無盲區(qū)檢測方式，對管道輸送火花檢測技術進行研究，以實現(xiàn)高靈敏性火花檢測與熄除一體化。

綜合來看，目前常見的粉塵火花檢測方式可分為四大類，分別為圖像[10-11]、溫度[12]、煙霧[13]以及光電[14-15]。其中，基于圖像的檢測方式,利用視頻對目標進行監(jiān)測，檢測范圍大、響應速度快，但是設備體積較大，而且處理圖像的過程十分復雜。基于溫度的檢測方式,利用目標燃燒過程中熱量累積的原理，通過溫度傳感器采集熱量信息，是一種間接反映火花是否產(chǎn)生的檢測方式，信號獲得較為遲滯。基于煙霧的檢測方式,通過檢測目標對象釋放煙霧的濃度進行判別，這種方式無法真實反映有無火花產(chǎn)生，如陰燃前期只有煙沒有火花[15-18]。基于光電的檢測方式,需要設計出復雜的光電信號采集電路，易受外界電磁場的干擾，容易產(chǎn)生誤差。針對上述檢測方式的不足，本文提出一種基于鉀元素發(fā)射光譜的粉塵火焰/火花檢測方法，并依此設計一款木粉塵火焰/火花檢測裝置，助力企業(yè)安全生產(chǎn)，為預防粉塵燃爆事故提供技術支撐。

1 檢測原理

1.1 理論背景

樹木在其生長過程中不斷從土壤中吸收水分、礦物質等營養(yǎng)，同時將這些養(yǎng)分存儲于樹干中。當樹木成為木材時，部分養(yǎng)分被鎖存在木材中，因而在木材的抽提物中能檢測到鉀、鈉、錳、鐵等元素[19-21]。

在特定檢測方法下會顯示出這些元素的特征，光譜便是其中一種。光譜學是研究電磁波與物質之間相互作用的一種方法，而電磁波主要由來自于原子核外電子躍遷輻射產(chǎn)生。原子核外電子運行的軌道稱為能級，如圖1所示，每個能級躍遷所需要的能量各不相同,越靠近原子核需要的能量越大。正常狀態(tài)下，原子處于基態(tài)；原子吸收能量后，部分核外電子就會躍遷成為自由狀態(tài),不受原子核束縛，此時原子處于激發(fā)態(tài)，如圖2 所示。

圖1 原子能級圖Fig.1 Atomic energy level diagram

圖2 基態(tài)與激發(fā)態(tài)Fig.2 Ground state and excited state

1.2 理論依據(jù)

玻爾理論給出了一般性原子的總能量[22]，如公式1所示。

式中:?為約化普朗克常數(shù)；m為原子質量,kg；a為電子距離原子核的距離,m；e為電子勢能,J；E為原子總能量,J。

對公式（1）求微分，可得公式（2）：

通過公式（2-3）計算得到的單電子躍遷能量極小，但大量電子的累積便能帶來質變。研究表明，達到粉塵云滿足最小點火能時的能量為毫焦量級[23-24]。進一步利用公式（4）可以得到該能量所輻射出的光譜波長，如公式（5）所示。

式中：h為普朗克常數(shù)；c為光速,m/s；v為頻率,Hz；λ為電磁波長,nm。

1.3 理論驗證

1.3.1 試驗材料與設備

材料：馬尾松(Pinus massonianaLamb. ), 安徽大別山；楊木（PopulusL.）, 江蘇宿遷。利用熱平面模擬火花的點火源，采用蔚海光學儀器（上海）有限公司生產(chǎn)的海洋光學的光譜儀(SN：OS361AC55004186）采集光譜信號，光譜檢測范圍350～1 020 nm。

1.3.2 試驗結果

粉塵火焰/火花光譜特征預實驗圖像如圖3 所示，虛線為粉塵正常狀態(tài)下采集到的背景譜線，幾乎是一條水平直線；實線為馬尾松火焰/火花光譜特征，在750～800 nm附近出現(xiàn)了一個峰值；點劃線為楊木火焰/火花光譜特征，在600 nm附近有一個峰值，在750～800 nm附近也出現(xiàn)了一個類似于馬尾松的波峰。根據(jù)有關文獻[25-26]研究，生物質材料在600 nm附近會有鈉元素特征光譜，750～800 nm附近會有鉀元素特征光譜。

圖3 粉塵火焰/火花光譜特征Fig.3 Spectral characteristics of dust flame / spark

2 檢測裝置設計

針對馬尾松和楊木火焰/火花的共同特征——鉀元素特征光譜，選擇可見光-近紅外光譜元件作為檢測裝置的探測元件，其中近紅外部分能夠更好地涵蓋鉀元素光譜產(chǎn)生的邊界，而可見光部分則可以用于鈉元素特征光譜的檢測，增加檢測的可靠性。

2.1 元件選型

選擇HAMAMATSU公司生產(chǎn)的C12880MA型微型光譜采集元件作為本研究的信號采集元件，其性能參數(shù)如表1 所示，實物及其檢測原理如圖4 所示，入射光通過狹縫經(jīng)凹面反射匯集于CMOS成像元件中，形成各通道檢測數(shù)值。

表1 C12880MATab.1 Parameters of C12880MA

圖4 光譜實物及其檢測原理Fig.4 Spectral object and its detection principle

用公式（6）將每個通道采集到的數(shù)據(jù)轉化為譜線波長:

式中：a0～a5為光譜儀內(nèi)置系數(shù)；pix為每個通道采集的光數(shù)據(jù)。

2.2 方案設計

從工廠實際使用環(huán)境考慮，列出可能的功能需求，如表2 所示，并依此進行裝置的總體設計，如圖5 所示。

圖5 硬件整體設計Fig.5 Overall hardware design

表2 功能需求Tab.2 Functional requirements

圖6為HAMAMATSU推薦元件驅動電路，據(jù)此設計C12880MA的外圍電路，如圖7所示，其中ADP7104ARDZ-R7是一個12V轉5V的電源芯片，為C12880MA提供電力；MC74VHCT08ADTR2G是一個數(shù)據(jù)緩沖器，用于緩沖C12880MA的輸出信號；MCP6021T-E/OT是電壓跟隨器，用于穩(wěn)定C12880MA的輸出信號。

圖6 C12880MA官方驅動電路Fig.6 C12880MA official drive circuit

圖7 C12880MA外圍電路Fig.7 C12880MA peripheral circuit

2.3 A/D轉換模塊

A/D轉換模塊的主要任務就是將獲得的模擬信號轉換成數(shù)字信號。C12880MA的信號輸出最大頻率為5 MHz，信號輸出引腳的電壓為4.8 V，其時序要求如圖8 所示，第89 個TRG信號后開始采集288 個通道的數(shù)據(jù)。

圖8 C12880MA模擬腳輸出時序圖Fig. 8 C12880MA analog pin output sequence diagram

本文選擇TI公司ADS7883 型A/D轉換芯片，具有12 位無延時轉換精度，支持5V信號輸入電壓，傳輸速度為每秒鐘3 M次，能夠完全滿足設計需求。A/D轉換的原理圖設計如圖9 所示。

圖9 A/D轉換芯片電路設計Fig.9 A/D conversion chip circuit design

利用公式（7）將模擬信號轉換為數(shù)字電壓值：

式中：Volt為ADS7883 的參考電壓，V；Num為經(jīng)過芯片內(nèi)部協(xié)議轉換的數(shù)字量；VREF為經(jīng)過A/D轉換的電壓值，V。

3 結論

本文以木粉塵鉀元素發(fā)射光譜為理論依據(jù)，并進行理論驗證性試驗，得出如下結論：1）粉塵火焰/火花具備鉀元素特征光譜；2）鉀元素光譜特征為馬尾松、楊木兩種木材的共有特征。在此基礎上采用光譜元件進行裝置設計，設計的檢測裝置精度高、成本低、體積小，可運用于木制品加工行業(yè)，助力企業(yè)安全生產(chǎn)。