发光火焰燃烧状态的实时监测.docx

文章编号 :1004 - 9762 (1999) 04 - 0432 - 03发光火焰燃烧状态的实时监测苏凤岐1 ,杨文志1 ,陈宏杰2(11 包头钢铁学院 机械工程系 ,内蒙古 包头 014010 ;21 包头钢铁学院 科研处 ,内蒙古 包头 014010)关键词 :发光火焰 ;燃烧状态 ;检测中图分类号 : tq03811文献标识码 :a摘 要 :介绍了一项利用光学和电学的方法监测火焰燃烧状态的研究 ,通过对发光火焰辐射强度的测量和综合分析 ,来确定火焰燃烧状态是否正常 ,为安全生产 、节能降耗提供了一种更为便利而有效的手段 1real2time monitor of luminous fla me burning statesu feng2qi1 , yang wen2zhi1 , chen hong2jie2(11department of mechanical engineering ,uist baotou ,baotou 014010 , china ; 2. scientific research office ,uist baotou ,baotou 014010 , china)key words :luminous flame ; burning state ;monitorabstract :a research method by the use of optics and electricity to monitor the flame burning state is introduced. by measuring and analyzing radiation intensity of luminous flame , it is determined whether the flame burning state is in a normal situation or not . this research provides aconvenient and effective monitoring methed for the manufacture safety ,energy saving and low consumption rate .火焰颜色的在线监测 ,即可及时掌握合成炉的反应状态 ,保证生产的正常进行 ,减小生产成本 ,避免事 故发生 1 过氢 、过氯问题在我国化工企业都不同程度地存在 1 虽然近年来随着工厂管理水平的提高 , 生成工艺及装备的改进 ,使问题得以缓解 ,但限于手 段的不足 ,仍不能从根本上予以解决 1采用先进的光电仪器对合成炉火焰进行监测 ,可以反映合成炉运行状态 ,并及时提示 、报警 、记录 生产过程 ,对保证安全生产具有很大意义 1问题的提出在聚氯乙烯生产过程中 ,氯化氢的合成是一个 十分重要的工序 ,如果合成过程中氯气比例偏高 ,则 在与乙炔混合后反应强烈 ,急剧升温 ,以致引起管道 损坏 、着火 、甚至爆炸 ,严重影响生产安全 、生产秩序 及产品质量 1 氯气 、氢气在合成炉中经过燃烧合成 为氯化氢气体 1 在燃烧过程中氯气 、氢气的比例必 须合适 ,过氢 、过氯都会使整个生产线的生产不正 常 ,不仅造成能源的极大浪费 ,环境的严重污染 ,而 且使生产成本增加 1 严重过氢时还会造成设备爆 炸 ,引起人身伤亡的重大事故 1 氯气 、氢气是通过电 解食盐水产生的 ,其压力 、流量 、纯度经常变化 ,从而 使氯气或氢气过量 ,当氯气过量时 ,反应火焰变红 ; 当氢气过量时 ,反应火焰变绿 ,需要人工及时调整流 量 ,以保证二者进行充分的化合反应 1 通过对反应12非接触测量的原理本文采用非接触式方法测量火焰燃烧状态 ,并提出采用光谱分离 、光电转换及线性变换 、计算机数据采集 、分析处理的方法来测量火焰的燃烧状态 1 光谱分离法是将氯气 、氢气在合成燃烧时火焰发出 的可见光 ,利用分光的方法将其分离成红 、绿 、蓝 3 收稿日期 :1999 - 06 - 25作者简介 :苏凤岐 (1956 - ) ,男 ,内蒙古呼和浩特人 ,包头钢铁学院工程师 ,主要从事机械工程测量研究 1433苏凤岐等 :发光火焰燃烧状态的实时监测种基本颜色的光强信号 1 在火焰燃烧过程中不同的燃烧状态下 3 种颜色的光的强度不同 ,因此 ,只要测 量出燃烧火焰中 3 种不同颜色的光的强度 ,通过计 算机进行定性和定量分析 ,即可判断火焰的燃烧状 态是否正常 1发光火焰燃烧状态是判断火焰燃烧是否正常的 非常重要的特征参数 1 它对于火焰燃烧机理的研究 及工程上的火焰监测 、控制都极有意义 1 但在火焰 燃烧中化学合成 、分解的过程不断地发生 ,各参加反 应的物质的成分 、比例及燃烧条件也时有变化 ,因而使得火焰的燃烧状态不断发生变化 ,燃烧状态的实 时测量变得十分困难 1发光火焰在燃烧时 ,通常会有大量活跃的反应 微粒 ,这些微粒将辐射出连续的光谱 ,而且随温度的 不同 ,燃烧条件及状态的变化都会使辐射强度及其光谱的分布发生改变 ,燃烧火焰亮度愈亮 ,总的辐射 能量落在可见光谱范围内的分量就愈多 1 光的辐射 强度的分布对燃烧状态是很重要的 ,可以作为火焰 燃烧状态的一个重要特征参数 ,这就是根据可见光 测量燃烧状态的基本原理11 首先 , 利用发光火焰在可见光谱区段内的辐射特点 ,借助光学原理或光 电原理将其分离成红 、绿 、蓝 3 种基本颜色的光 13 种颜色光的强度常随火焰明亮程度的变化而发生变 化 1 然后用光电元件 ( 光电转换元件可采用色敏元 件 、红外器件 、硅光电池及具有分光 、滤波 、滤色功能的专用元件等) 将 3 种颜色光的强度的变化量转变 为电压的变化 ,经线性变换和放大后送到计算机 ,由 计算机进行数据采集 、处理分析 ,由所建立的输入输 出关系来判断火焰的燃烧状态是否正常 1 同时将结 果送到显示器显示21统主要包括 : (1) 颜色传感器 ; (2) 信号变换电路 ; (3)单片机计算机数据采集处理系统 ; (4) 状态显示 ; (5)报警系统 1图 1 测量系统硬件原理框图fig. 1 flo w diagra m of lard ware principle of monitoring system311传感器本测量装置是采用了非接触式测量的方法 ,所 以传感器必须有以下功能 :(1) 有能够直接检测燃烧火焰强度的光路 ,以便 得到足够的辐射光强 ;(2) 能够将燃烧火焰强度分离成红 ( r) 、绿 ( g) 、 蓝 (b) 3 种不同颜色的光强信号 ;(3) 具有能够检测出红 ( r) 、绿 ( g) 、蓝 (b) 3 种 不同颜色的光强信号并将其转换成电信号的光电转换元件 ,以便得到随燃烧火焰强度变化而变化的电压信号 1传感器原理图如图 2 所示 1 本测量装置采用由 宽带光敏二极管分别加红 ( r) 、绿 ( g) 、蓝 (b) 滤色片 构成三基色光强接受电路 ,它与透镜装在同一测头 内 ,既能感受到光 ,又能将光进行放大 ,还能分辨出光的颜色 ,再由光电元件将其转换为电信号 1系统的组成与工作原理测量系统的硬件原理图如图 1 所示31 测量系3图 2 传感器原理框图fig. 2 flo w diagra m of sensor principle 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 434包 头 钢 铁 学 院 学 报1999 年 12 月 第 18 卷 第 4 期由于光电元件的输出具有指数特性 ,所以其输出信号也是 1 个指数曲线 ,这样的输出必须进行线 性变换以满足后面的数据转换 、采集 、处理的要求 1 本文采用对数放大器将其进行放大和线性变换 ,这 样既满足了后续电路的幅值要求 ,又满足了线性要求 1312 单片机系统单片机微机系统是一个以 8031 与 eprom2764 , ad574a/ d 构 成 的 单 片 机 应 用 系 统 , 如 图 3 所 示 18031 的 p1 口与显示电路相连 , 用来显示火焰燃烧 状态值及报警值 1p310 ,p311 为报警状态输出 ,共有 正常 、过氢 、过氯 3 种状态 ,分别以 1 ,0 ; 0 ,1 ; 1 ,1 表示 ,经模拟开关切换分别去控制指示灯和报警器 1p312 用来确定报警值 ,p313 修改报警值41计算机将所采集到的 3 组信号 (红 、绿 、蓝) 分别做均值处理后 ,进行比较 ,分别得到 2 组相对值 ( 绿 信号/ 红信号 、蓝信号/ 红信号) ,当火焰颜色发生改 变时 ,该值也相应发生改变 ,该比值的变化反映了合 成炉内火焰燃烧状态的变化 ,以该值作为炉内火焰燃烧状态的特征参数 ,并以数字方式显示在屏幕上 ,以便操作人员参考 14软件程序设计单片机软件程序框图如图 4 所示 1图 4 单片机软件程序框图fig. 4 flo w diagra m of monlithic micro computer hard ware poregra me图 3 单片机应用系统原理框图fig. 3 flo w diagra m of monolithic micro computer a pplication system5结束语本文所介绍的发光火焰燃烧状态实时监测装置313 接口电路接口电路主要完成报警 、燃烧状态显示以及数据 变换传输等功能 1 在正常状态下 ,只有 1 个指示灯发 光 ,显示器显示当时的状态值 1 当过氯或过氢时 ,除 相应的指示灯亮外 ,报警器同时发出声音报警 1数据变换电路的作用是在测量过程中 ,将所测 的结果经 v/ i 变换器变换后 ,将信号传送到上位机 进行数据显示 、存储 1(1) 火焰颜色的检测 由经过滤光的光敏元件感受燃烧火焰中各色火焰的光强并将其变化量变换为电流的变化 ,再经变 换电路转换为电压的变化 ,然后经对数变换放大后 送到 a/ d 转换器进行模数转换 ,作为计算机分析的 基本信号 1(2) 火焰燃烧状态的监测已在包头黄河化工集团云杉化工厂氯碱合成炉上安装使用 1 运行表明 ,该系统能够及时对过氢 、过氯作 出报警 ,运行状态可靠 ,保证了生产的安全进行 1参考文献1 赵易成 1 实用燃烧技术m. 北京 : 冶金工业出版社 ,199212 徐国富 ,刘