《火焰检测技术》word版
火检讲义
火检讲义一、火焰检测器的类型火焰检测器通常按照所采用的光电元件而进行分类。
常用的火焰检测器有三种：紫外线型、可见光型、以及红外线型。
1、紫外线型检测器采用紫外线光敏管作为传感元件，这种检测器的优点是报警灵敏度高，对于燃用天然气和重油的锅炉，由于火焰中的紫外线特别的丰富，采用这一类型的检测器比较合适。
对于燃烧煤粉的锅炉，由于在火焰燃烧的时候，相当一部分的紫外线被煤粉所吸收，特别当锅炉燃烧不稳定或锅炉低负荷运行时，检测器所能吸收到的紫外线较弱，这样容易造成检测器误动作。
因此，从70年代后期开始，这种检测器在煤粉锅炉上的应用日趋减少。
红外线型检测器采用光敏电阻（如硫化铅）作为传感元件，其光谱响应范围在0.7-0.32μm之间。
这种检测器的特点是呈现与紫外线型检测器相反的性能，如在火焰瞬时不稳定或低负荷运行的时候仍能稳定工作，对探头的安装位置和方向的要求也不象其他类型那样苛刻。
具有代表性的产品是美国FORNEY公司的DPD型检测器。
可见光型检测器采用光电二极管作为传感元件。
这种检测器的特点是极其类似人眼的光谱响应。
二、火焰检测器的一般工作原理1）、探头部分的原理如图 2所示，炉膛火焰中的相关波长的光线穿过探头端部的透镜，并经由光导纤维而到达探头小室，照到光敏元件上。
由光敏元件将光信号转化为电信号，并经由对数放大器转换为电压信号。
采用对数放大器是由于光敏元件输出的电流值是发光强度的指数函数，当发光强度大幅变化时，对数放大器的输出呈小幅度变化，这样可以避免放大器饱和，使得不同负荷下的正常火焰信号都在预定值之内。
对数放大器输出的电压信号，再经过传输放大器转换为电流信号，然后通过屏蔽电缆传输至火焰检测器的机箱部分。
采用电流传输而不采用电压传输，是由于前者抗干扰的能力强，信号衰减小，适合于长距离传输（可长达1500m）。
2）、机箱部分的原理如图3所示，炉膛中的火焰信号经过多次转换，最后在机箱里被转换成电压信号。
由于火焰信号本身是脉动的，其强度和频率随时在变化，且对于不同的燃料，其变化范围也不一样，所以在机箱里设计了频率检测线路，强度检测线路和故障检测线路。
火焰探测方法
②感温式火灾探测器是利用一个点型或线缆式传感器来响应其周围附近气流的异常温度或升温速率的火灾探测器。
③光辐射式火灾探测器是根据物质燃烧火焰的特征和火焰的光辐射而构成的用于响应火灾时火焰光特性的火灾探测器，通常是制成主动红外对射式线型火灾探测器和被动式紫外或红外火焰探测器。
④ 可燃气体探测器是采用各种气敏器件或传感器来响应火灾初期烟气体中某些气体浓度或液化石油气等可燃气体浓度的探测器，通常制造成点型。
(5) 可燃气体探测法
可燃气体探测法主要用于对物质燃烧产生的烟气体或易燃易爆环境泄漏的易燃气体进行探测。这类探测方法是利用各种气敏器件及其导电机理，或利用电化学元件的特性变化来探测火灾与爆炸危险性，根据使用的气敏器件不同分为热催化型原理、热导型原理、气敏型原理和三端电化学型原理等四种。
电气火灾探测方法与火灾监控系统的安装和使用 电气火灾探测方法
根据物质燃烧过程中发生的能量转换和物质转换所产生的不同火灾现象与特征，产生了不同的火灾探测方法。主要的火灾探测方法有：
(1) 空气离化探测法
空气离化探测法是利用放射性同位素释放的α射线将空气电离，使腔室(一般称为电离室)内空气具有一定的导电性;当烟雾气溶胶进入电离室内，烟粒子将吸附其中的带电离子，产生离子电流变化。此电流变化与烟浓度有直接的关系，并可用电子探测器加以检测，从而获得与烟浓度有直接关系的电信号，用于确认火灾和报警。
(5)在确定火灾探测器的布置、类型、灵敏度及数量时，应考虑被保护区域空间的大小及外形轮廓、气流方式、障碍物及其他特征。
① 热导型是利用被测可燃气与纯净空气导热性的差异和在金属氧化物表面燃烧的特性，将被测气体浓度转换成相应热丝温度或电阻的变化，达到探测的目的。
②气敏型是利用灵敏度较高的气敏半导体元件吸附可燃气体后电阻变化的特性来达到探测目的。
火焰检测技术
探头部分处理过程及特点
A、视角为3º ～5º 的透镜，以提高鉴别能力 B、光纤长度为1．5～2m C、光电二极管输出的电流是光信号的对数关系， 故采用对数放大器，使转换后的电压信号与光 信号成线性关系 D、负反馈信号源，用于对探头板电路的自检及 判别电缆是否开路。 E、电流信号易于传输，且抗干扰性能好，故通 过传输放大器将电压信号转成电流信号
波长的作用——光的分类 强度的作用——区分是否在燃烧，同时说 明光的种类不同，可用性不同 频率的作用——区分燃烧种类 结论：通过火焰中特定成份光的频率和强 度，可以鉴别火焰的有无和强弱
常用火检类型
紫外线式 可见光式 红外线式
火焰检测器的组成
探头部分：安装在锅炉 电子处理机架：位于 FSSS逻辑柜
电子机架强度检测部分
强度先越过低限，这时强度灯并不动作，强度 高于高限后，强度灯动作，强度继续变化，低 于高限后，强度允许信号仍然输出，直到强度 再次低于低限强度信号不输出。 设计的特点 火焰的强度信号超过高限设定值时，强度允许 信号即有输出；提高高限阀值以提高火焰鉴别 能力。 火焰的强度信号低于低限设定值时则没有输出； 设置较低的低限值以保证有足够的灵敏度。
电子机架频率检测部分
电子机架故障检测
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强度小于低限或高于高限，均故障。 故障检测单元的检测依据是：前端电路正 常时其信号强度不会小于某一确定的下限 值（由反馈发光二极管保证）；也不会大 于某一确定的上限值（对数放大器有抗饱 和特性）。
火焰检测技术
火焰检测器
火焰检测原理： 燃烧火焰具有各种特性，如发热程 度、电离状态、火焰不同部位的辐射、光 谱及火焰的脉动和闪烁现象、差压、音响 等，均可检测火焰的“有”或“无”。 火检分类： 温度式、差压式、火焰棒式、光学式、 图像式
《火焰检测技术》word版
火焰检测火焰有着与众不同的特征，他的颜色、温度、形状以及跳动的形式都可以作为识别的依据。
下面，我们将从火焰的静态特征和动态特征两方面入手进行火焰识别。
静态特征（颜色与形状）首先，火焰有着与众不同的颜色特征。
描述其颜色的模型有很多，图7就是其中一种，它可以由RGB空间经过简单比较计算得到。
图7 火焰颜色分布图由上图，任何RGB图像中只要满足R>=G且G>B的颜色都可以看作是火焰。
图8中显示了由该模型对各种火焰的检测结果。
虽然这种模型的误报会很多，但可以作为最初始的筛选手段排除掉最不可能是火焰的物体。
图8 火焰图片（上行）及相应颜色检测结果（下行）火焰的外形也是用来识别的重要特征。
一种模型是采用嵌套式轮廓模型。
它默认火焰存在一个或几个燃烧点，火焰从这些燃烧点一层层的向外扩散。
越到外层的地方其形状的可边度越大，而且是连续的。
图9展示了一个燃烧点的火焰模型，它由三层火焰轮廓组成，对于其右侧图10中的火焰经过该模型捕捉得到图11结果。
图9 火焰模型图10 火焰图片图11 符合模型的火焰动态特征（频率）火焰是跳跃着的，或者说是移动变化着的。
初看起来没有什么规律，其实，经研究发现，火焰的外焰部分的运动存在一定频率。
从图12中红色标出的火焰外焰部分来看，这些像素点在经历着有火焰和无火焰两种状态的切换，这个切换的频率经过计算是10HZ 。
这样，我们通过捕捉这个10赫兹的特征可以进一步确认是否有火焰的存在。
图12 火焰外焰部分 图13 外焰运动存在一定频率除此之外，火焰的运动是有能量变化的。
燃烧的物理变化和化学变化造成了火焰能量的不均衡分布。
这点可以作为区分火焰与其他颜色相似运动物体的特征。
图14中红色衣服上被黑色边框划出的区域能量变化在其右侧显示，可见衣服的能量分布是均匀的（显示为均一灰色，没有亮暗变化）。
与之对比，火焰的能量变化就显得非常不均匀，在能量分布图上看得到明显的亮暗变化。
图14 与火焰颜色接近图案的能量分布 图15火焰的能量分布烟雾检测烟雾的特征和火焰有着明显的不同，无论是静态的还是动态的。
第四章 火焰的检测1
第四章火焰的检测4．1 概述图4-1 电磁波谱图二、火灾时发出的火焰光谱与燃烧物质有关，见图4.2。
图4-2 各种不同材料的火焰光谱能量分布图由图可见，对烃类物质，产生的火焰光谱能量在红外光谱范围内，辐射强度的最大值位于4.1-4.7nm范围内。
三、火焰探测器火焰探测器是一种响应火灾发出的电磁辐射(红外、可见和紫外)的火灾探测器。
因为电磁辐射的传播速度极快，因此，这种探测器对快速发生的火灾或爆炸能够及时响应，是对这类火灾早期通报火灾的理想探测器。
响应波长高于700nm辐射能通量的探测器称红外火焰探测器。
响应波长低于400nm辐射能通量的探测器称紫外火焰探测器。
极少应用400—700nm之间的可见光辐射谱区探测火灾，这是由于太阳光的干扰太强。
图4－火焰和地面太阳光光谱图4.2 光电效应火灾探测器是一种将光量变化转换为电量变化的传感器。
它的物理基础就是光电效应。
光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。
4.2.1 外光电效应在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。
向外发射的电子叫光电子。
基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。
众所周知，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量E可由下式确定E=hυ (4-1)式中h一一普朗克常数，6.626*10-34(J·s)υ一一光的频率(s-1)物体中的电子吸收了入射光子的能量，当足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生光电子发射。
如果一个电子要想逸出，光子能量hυ必须超过逸出功A0，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。
根据能量守恒定理则有：hυ=(1／2)mv o2+ A0(4-2)式中A0——金属的逸出功，J；m——电子质量，g；v o—电子逸出速度，cm／s。
该方程称为爱因斯坦光电效应方程。
由式(4-2)可知：1、电子能否产生逸出，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。
不同的物质具有不同的逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。
火焰检测原理及应用
各种火焰检测器特点： 各种火焰检测器特点：
光敏电阻检测(红外线或紫外线式火检) 元件：由铊、镉、铅等的硒化物制成， 和具有光敏面的阴极，如氧化铯光电管。 优点：对红外线、可见光敏感，结构简单，灵敏 度高，可靠性强。 缺点：会受高温耐火墙射出红外线干扰。
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燃烧产品部 Uvisor- 18.08.2004
对火焰的分区
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对火焰的分区
根据燃烧器火焰的形状，我们人为地将其分为四部 分：从喉口开始依次为黑龙区、初始燃烧区、燃烧区和 燃尽区。 从一次风口喷射出的第一段是一股暗黑色的煤粉和 一次风的混合物流，我们称其为黑龙区，其辐射强度和 闪烁频率都很低； 第二段是初始燃烧区，煤粉因受到高温炉气和火焰 回流的加热开始燃烧，大量煤粉颗粒爆燃形成亮点流， 此段的特点是这部分煤粉燃烧亮度不是很大，但其闪烁 频率却达到最大值，往往可以在100Hz以上；
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炉膛辐射光谱： 炉膛辐射光谱：
紫外线 可见光 红外线
燃气火焰
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炉墙和燃料火焰
燃烧火焰的光谱： 燃烧火焰的光谱：
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对火焰的分区
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火焰检测
现代测试专题（1）---火焰检测
杨荟楠 2013-10-21
1
内容
I. 燃烧火焰的特征 II. 不同火焰检测器的原理和特点 III. 激光光谱技术在燃烧火焰检测中的应 用 IV. 建立测试水蒸气温度、液膜厚度及温 度的半导体激光感应器
2
炉膛火焰监测
火焰检测原理 火焰是燃烧状态稳定与否最直接的反映 火焰检测包含两个含义：火焰是否存在和燃烧是否稳定 炉膛火焰特征 燃料燃烧时火焰放出大量的能量，这些能量主要包括光能 （紫外光、可见光、红外光等）、热能和声波 燃烧火焰的辐射具有强度和脉动频率两个特点 强度信号又分为平均光强信号和闪烁光强信号
对火焰的分区
第三段为燃烧区，也称完全燃烧区，各个煤粉颗粒在与 二次风的充分混合下完全燃烧，产生很大热量，此段的 火焰亮度最高且最稳定，但闪烁频率要低于初始燃烧区
第四段是燃尽区，这时的煤粉绝大部分燃烧完毕形成飞 灰，少数较大的颗粒继续进行燃烧，最后形成高温炉气 流，其火焰亮度和闪烁频率都比较低
24
火焰闪烁频率和强度的关系
在受激辐射中通过一个光的作用，得到两个特征完全相同 的光子，如果这两个光子再引起其他原子产生受激辐射， 就能得到更多的特征完全相同的光子---光放大，激光
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激光的形成
光学谐振腔
其作用是产生和维持光振荡，光在粒子数反转的工作物质 中传播时，得到光放大，当光到达反射镜时，又反射回来 穿过工作物质，进一步得到光放大，不养不断的反射现象 即光振荡。从部分透射光反射镜投射出的光很强，这就是 输出的激光
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内容
I. 燃烧火焰的特征 II. 不同火焰检测器的原理和特点 III. 激光光谱技术在燃烧火焰检测中的应 用 IV. 建立测试水蒸气温度、液膜厚度及温 度的半导体激光感应器
火焰检测技术
火焰检测火焰有着与众不同的特征，他的颜色、温度、形状以及跳动的形式都可以作为识别的依据。
下面，我们将从火焰的静态特征和动态特征两方面入手进行火焰识别。
静态特征（颜色与形状）首先，火焰有着与众不同的颜色特征。
描述其颜色的模型有很多，图7就是其中一种，它可以由RGB空间经过简单比较计算得到。
图7 火焰颜色分布图由上图，任何RGB图像中只要满足R>=G且G>B的颜色都可以看作是火焰。
图8中显示了由该模型对各种火焰的检测结果。
虽然这种模型的误报会很多，但可以作为最初始的筛选手段排除掉最不可能是火焰的物体。
图8 火焰图片（上行）及相应颜色检测结果（下行）火焰的外形也是用来识别的重要特征。
一种模型是采用嵌套式轮廓模型。
它默认火焰存在一个或几个燃烧点，火焰从这些燃烧点一层层的向外扩散。
越到外层的地方其形状的可边度越大，而且是连续的。
图9展示了一个燃烧点的火焰模型，它由三层火焰轮廓组成，对于其右侧图10中的火焰经过该模型捕捉得到图11结果。
图9火焰模型 图10 火焰图片 图11 符合模型的火焰动态特征（频率）火焰是跳跃着的，或者说是移动变化着的。
初看起来没有什么规律，其实，经研究发现，火焰的外焰部分的运动存在一定频率。
从图12中红色标出的火焰外焰部分来看，这些像素点在经历着有火焰和无火焰两种状态的切换，这个切换的频率经过计算是10HZ 。
这样，我们通过捕捉这个10赫兹的特征可以进一步确认是否有火焰的存在。
图12 火焰外焰部分 图13 外焰运动存在一定频率除此之外，火焰的运动是有能量变化的。
燃烧的物理变化和化学变化造成了火焰能量的不均衡分布。
这点可以作为区分火焰与其他颜色相似运动物体的特征。
图14中红色衣服上被黑色边框划出的区域能量变化在其右侧显示，可见衣服的能量分布是均匀的（显示为均一灰色，没有亮暗变化）。
与之对比，火焰的能量变化就显得非常不均匀，在能量分布图上看得到明显的亮暗变化。
图14 与火焰颜色接近图案的能量分布图15火焰的能量分布烟雾检测烟雾的特征和火焰有着明显的不同，无论是静态的还是动态的。
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火焰检测
火焰有着与众不同的特征，他的颜色、温度、形状以及跳动的形式都可以作为识别的依据。
下面，我们将从火焰的静态特征和动态特征两方面入手进行火焰识别。
静态特征（颜色与形状）
首先，火焰有着与众不同的颜色特征。
描述其颜色的模型有很多，图7就是其中一种，它可以由RGB空间经过简单比较计算得到。
图7 火焰颜色分布图
由上图，任何RGB图像中只要满足R>=G且G>B的颜色都可以看作是火焰。
图8中显示了由该模型对各种火焰的检测结果。
虽然这种模型的误报会很多，但可以作为最初始的筛选手段排除掉最不可能是火焰的物体。
图8 火焰图片（上行）及相应颜色检测结果（下行）
火焰的外形也是用来识别的重要特征。
一种模型是采用嵌套式轮廓模型。
它默认火焰存在一个或几个燃烧点，火焰从这些燃烧点一层层的向外扩散。
越到外层的地方其形状的可边度越大，而且是连续的。
图9展示了一个燃烧点的火焰模型，它由三层火焰轮廓组成，对于其右侧图10中的火焰经过该模型捕捉得到图11结果。
图9 火焰模型图10 火焰图片图11 符合模型的火焰
动态特征（频率）
火焰是跳跃着的，或者说是移动变化着的。
初看起来没有什么规律，其实，经研究发现，火焰的外焰部分的运动存在一定频率。
从图12中红色标出的火焰
外焰部分来看，这些像素点在经历着有火焰和无火焰两种状态的切换，这个切换的频率经过计算是10HZ 。
这样，我们通过捕捉这个10赫兹的特征可以进一步确认是否有火焰的存在。
图12 火焰外焰部分 图13 外焰运动存在一定频率
除此之外，火焰的运动是有能量变化的。
燃烧的物理变化和化学变化造成了火焰能量的不均衡分布。
这点可以作为区分火焰与其他颜色相似运动物体的特征。
图14中红色衣服上被黑色边框划出的区域能量变化在其右侧显示，可见衣服的能量分布是均匀的（显示为均一灰色，没有亮暗变化）。
与之对比，火焰的能量变化就显得非常不均匀，在能量分布图上看得到明显的亮暗变化。
图14 与火焰颜色接近图案的能量分布 图15火焰的能量分布
烟雾检测
烟雾的特征和火焰有着明显的不同，无论是静态的还是动态的。
这样使得我们可以将其与火焰识别分开处理。
静态特征（外形与对比度）
烟雾在颜色上没有像火焰样存在明显的分布，而且颜色与烟雾的浓度有直接关系。
淡淡的烟是半透明的，可以看到其后面的物体，而浓烟是灰黑的，完全挡住了后面的事物。
这样，单独考虑烟雾的颜色便无法描述它的特征。
然而，无论烟雾浓淡，它都会使后面的事物变得模糊，甚至被完全遮挡。
我们可以通过像素的对比度变化判断烟雾的有无。
图16显示了通过对比度变化检测烟雾的结果。
图16 烟雾（上行）及通过对比度变化检测结果（下行）
动态特征（扩散）
烟雾的动态特征是烟雾区别于其他事物的重要特征。
它具备以下特点：首先，烟雾以扩散的形式变化，可以假想存在一个或几个烟雾发生点，烟雾围绕这些点扩散开去（如图17和图18所示）
；其次，与火焰类似，烟雾的边界变化也存在
一个3Hz的频率；再有，烟雾的轮廓是清晰画面与被烟雾模糊画面的交界；最后，烟雾的运动是连续而且是非刚性的。
这些特点决定了烟雾与行人，汽车等等前景运动物体有本质的不同。
图17 烟雾及其轮廓图18 扩散的烟雾及其轮廓。