第 38 卷 第 9 期 2015 年 9 月 技 术 工 程 煤 炭 与 化 工 Coal and Chemical Industry Vol.38 No.9 Sept. 2015 基于紫红外线检测原理的火焰传感器的设计 石发强 （ 中国煤炭科工集团 重庆研究院有限公司 ， 重庆 400037） 摘 要： 火焰传感器是火灾防范系统的重要组成部分， 其安全可靠和质量优劣直接影响工作场 所的安全性。 为了有效监测火焰， 降低火焰传感器的误报率， 对火焰检测的紫外敏感器件和红 外敏感器件的工作原理进行了研究， 提出了一种基于紫红外线复合检测原理的火焰传感器， 并 给出了设计方案和工作流程。 该红外与紫外复合的火焰检测传感器较采用单一检测原理的火焰 传感器更具有准确性、 可靠性和稳定性， 还具有高灵敏度、 反应快、 抗干扰强等特点。 关键词： 光谱 ； 火焰传感器 ； 紫外； 红外； 诱导期； 本安 中图分类号 ： TP212.11 文章编号： 2095- 5979（ 2015） 09- 0101- 04 文献标识码 ： A Design of Flame Sensor Based on the Detection Principle of UV and IR SHI Fa- qiang ( CCTEG Chongqing Design and Research Institute，Chongqing 400037，China ) Abstract：Flame sensor is an indispensible part of the fire prevention system, its reliability and quality directly influence the safety of the work site. In order to monitor flames effectively，and meanwhile reduce the false alarm rate，the theory of UV（ ultraviolet ray） flame detective sensors and IR (infrared) flame detective sensors was studied and an new flame sensor based on the multiply detective principle of UV and infra rays were put forward，including its design scheme and working process. Compared with the original flame sensor based on the single detective principle，the new flame sensor based on the UV and IR composite detective principle is more accurate，reliable and stable. Besides the new flame sensor possess the characteristics of high- sensitivity，quick- response and interference- free etc.. Key words：spectrum；flame sensor; UV；IR；induction period；intrinsic safety 0 引 言 随着国家对煤矿安全生产的重视逐渐提高 ， 近 年 来 ， 矿 井 中 各 种 对 明 火 、 物 体 表 面 的 热 、 电 火 花、 煤自燃、 撞击或摩擦产生的火花检测技术取得 了较快的发展， 常用的感温、 感烟式传感器 ， 以及 单 一 的 紫 外 、 红 外 火 焰 检 测 传 感 器 都 已 被 广 泛 使 用。 但采用现有的技术和方法， 火焰检测时间相对 延迟 ， 不能在瓦斯爆炸的诱导期 （ 或感应期 ） 内 对火焰进行快速的抑制， 而且误报和漏报率较高。 我们设计了一种基于紫红外线复合检测原理的 本 安 火 焰 传 感 器 ， 它 能 在 1 ms 以 内 准 确 判 断 出 120°内 的 火 焰 ， 并 输 出 电 信 号 ， 克 服 了 电 弧 光 、 雷击、 电磁脉冲的干扰缺陷， 在技术参数上完全符 合 我 国 标 准 GB 3836.1- 2010、 GB 3836.4- 2010、 AQ 1079- 2009、 MT 694- 1997 的要求。 1 本安火焰传感器工作原理 各种可燃物质与氧气反应所产生的一种剧烈氧 化作用形成火焰， 其由燃烧的气体、 碳粒子为主的 物质所构成。 可燃物与助燃物发生氧化反应过程中 释 放 出 不 同 频 率 的 能 量 波 ， 按 不 同 的 光 谱 对 外 辐 射。 对火焰的检测， 其辐射的光谱特性起着重要的 作用。 矿井中各种可燃物， 如甲烷、 煤 、 粉尘等火 焰辐射强度的波长在光谱上是有所区别的 。 但从光 收稿日期 ： 2015- 07- 17； 责任编辑 ： 邵阳雪 作者简介 ： 石发强 （ 1979— ） ， 男 ， 重庆人 ， 副研究员 。 E- mail： gjzjzx@163.com 引用格式 ： 石发强 基于紫红外线检测原理的火焰传感器的设计 . [ J ]. 煤炭与化工 ， 2015， 38 （ 9） ： 101- 104， 107. 101 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2015 年第 9 期 煤 炭 与 化 工 第 38 卷 谱分布来看， 采用紫外线检测原理的传感器 ， 直接 检测火焰中 0.19～0.29μm 的紫外光谱 ， 检测的对 象十分明确， 响应速度也比较快， 但在太阳光 、 电 弧光、 雷击、 电磁脉冲等条件下有明显的误报 ， 在 实际中一般不单独应用。 采用红外线检测原理的传 感 器 ， 直 接 检 测 火 焰 中 4.20 ～4.50μm 的 红 外 光 谱， 检测对象也十分明确， 它由红外敏感器和放大 电路组成， 但这种类型的传感器具有压电效应 ， 对 环境压力变化敏感， 误报率较高， 在使用中必须明 确工矿环境条件， 而在实际中一般不单独应用。 火焰辐射光谱图如图 1 所示。 紫外线 可见光 紫外线 检测区域 度 强 射 辐 对 相 红外线 到达地面 的太阳光 0.29 0.4 0.8 4.4 λ/μm 图 1 火焰辐射光谱图 为克服单一原理的火焰检测缺陷， 提出一种基 于红紫外线复合检测原理的火焰传感器， 它能在 1 ms 内 准 确 判 断 出 120°内 的 火 焰 ， 并 输 出 电 信 号， 对电弧光、 雷击、 电磁脉冲等干扰有很强的抑 制作用。 该火焰传感器由红外线检测敏感元件 、 紫外线 检测敏感元件 、 高透光滤镜片 、 电路 （ 电源电路 、 红 外 检 测 电 路 、 紫 外 检 测 电 路 、 信 号 处 理 电 路 ） 组成， 如图 2 所示。 VCC350 V 3.9 M 0.022 nF 100 pF 紫外线 检测部分 红外线 检测部分 0 V 1 V 10 V 单片机 多路模 拟开关 OUT 图 2 火焰传感器 通过严谨的程序算法， 克服了红紫外线同步检 测过程中响应时间慢的缺陷， 其设计完全能满足国 家 标 准 MT 694—1997 《 煤 矿 用 自 动 隔 爆 装 置 通 用 技术条件》 与 AQ 1079—2009 《 瓦斯管道输送自动 喷粉抑爆装置通用技术条件》 的要求。 1.1 紫外线检测部分设计 从图 1 可以看出， 火焰的辐射光谱较广 ， 包括 了紫外、 可见光和红外等辐射波段。 这些辐射光谱 主要由燃烧产生的碳氢物质、 气体以及无机物质为 主体的固体微粒子在高温受激状态下释放出来的辐 射波。 在 紫 外 波 段 内 能 够 观 察 到 火 焰 的 光 谱 是 带 状 谱， 由于大气层对短波紫外线的吸收， 使太阳辐射 照射到地球表面的紫外线只有波长＞0.29 μm 的长 波 紫 外 线 ， ＜0.29μm 的 短 波 辐 射 在 地 球 表 面 极 少， 故采用紫外火焰探测技术， 可使火焰传感器避 开最大干扰源———太阳光， 从而提高了信噪比 ， 提 升了对极微弱信号检测能力。 因此， 在设计中将＜ 0.29 μm 的 波 段 作 为 火 焰 传 感 器 的 紫 外 线 检 测 区 域， 工作在该检测区内的火焰传感器对日光辐射不 响应 （ 日盲区） ， 从而避免了太阳光的干扰。 紫外检测原理框图如图 3 所示， 紫外检测电路 原理图如图 4 所示。 紫外工 作电路 紫外传感器 信号整形 单片机 图 3 紫外检测原理 0.1 uF 检 测 点 1 M TP NOP_TP R6 1M TP NOP_TP 图 4 紫外检测电路原理 102 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

石发强 ： 基于紫红外线检测原理的火焰传感器的设计 检 测 火 焰 中 的 紫 外 线 （ UV） 波 段 的 敏 感 器 （ 图 4 中 J1） ， 是把盖革—米勒计数管 （ G- M 管 ） 作为火焰敏感器使用。 G- M 管的结构如图 5 所示。 玻璃 UV 阴极 紫外线入射光 阳极 电流限制器 高压电 图 5 G- M 管的结构 G- M 管 通 常 结 构 是 在 1 根 两 端 用 绝 缘 物 质 密 闭 的 管 内 充 入 稀 薄 气 体 （ 通 常 是 掺 加 了 卤 素 的 稀 有气体 ， 如氦 、 氖 、 氩等 ） ， 在沿管的轴线上安装 有 1 根金属丝电极， 并在金属管壁和金属丝电极之 间加上略低于管内气体击穿电压的电压 。 常态下 ， 管内气体不放电； 而当有高速粒子射入管内时 ， 粒 子的能量使管内气体电离导电， 在丝极与管壁之间 产生迅速的气体放电现象， 从而输出 1 个脉冲电流 信 号 。 通 过 适 当 地 选 择 加 在 丝 极 与 管 壁 之 间 的 电 压， 就可以得到探测粒子的最低能量， 从而对其种 类加以甄选。 G- M 管 是 一 种 冷 阴 极 管 ， 在 其 电 极 上 外 加 350±50 V 左右的直流电压 ， 当接收到紫外线的照 射时， 能够使管内气体原子电离， 释放出几个自由 电子。 由于光电效应而溢出的光电子在电场作用下 跑向阴极 ， 这些电子沿途又电离气体的其他原子 ， 2015 年第 9 期 释放出更多的电子 ， 如此反复 ， 使电离气体倍增 。 越来越多的电子再接连电离越来越多的气体原子 ， 终于使管内气体成为导电体， 在丝极与管壁之间产 生迅速的气体放电现象， 于是在阴极和阳极间就产 生电流， 使管子处于放电状态， 从而完成对紫外线 的检测。 1.2 红外线检测部分设计 由于紫外特别容易受电焊光 、 电弧 、 闪电 、 X 射线等 （ 紫外线辐射 ） 触发而产生误报警 ， 因此 设计中应加入红外线检测。 火 焰 中 存 在 着 大 量 的 可 见 光 和 ＞0.8μm 的 红 外线， 这些波长的光线不易被煤尘、 水蒸气和其他 燃烧产物吸收， 因此， 红外线检测适合于检测煤粉 火焰、 重油火焰和适合惰性气体含量较大的燃料燃 烧情况。 红外线火焰传感器检测燃烧火焰放射的红外线 强度和火焰频率来判别火焰是否存在。 从图 1 中可 以看出， 火焰的红外检测灵敏度为 3.2 μm， 因此 ， 采用红外与紫外复合的火焰检测技术对火焰检测有 重要的实际意义。 红外检测原理框图如图 6 所示， 红外检测电路 原理图如图 7 所示。 红外传感器 放大电路 单片机 点 测 检 点 测 检 点 测 检 0.1 uF 20 pF 5.1 M 点 测 检 TP 4.02 K 1 K 2 K 0.1 uF 检 测 51 R 图 7 红外检测电路原理 红外自检电路 图 6 红外检测原理 10 nF/16 V 红 外 信 号 103 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2015 年第 9 期 煤 炭 与 化 工 第 38 卷 检测火焰的红外线方式的敏感器一般采用热电 型红外线敏感器。 热电效应是由温度变化引起 ， 因 此 ， 受 到 温 度 变 化 时 ， 热 电 型 敏 感 器 输 出 微 分 电 压。 热电型红外线敏感器利用与其名相同的热电效 等 单 晶 体 、 应 ， 制作材料有强介质电陶瓷 、 LiTaO3 PVDF 等材料。 热电型红外线敏感器， 对于敏感器主体来说没 有波长依存性。 所以通常把被检测的波长光线通过 光学滤光片后给敏感器， 再进行密闭封装。 热电型传感器的结构如图 8 所示。 红外线 可见光等 罩 印刷线路板 窗口材料 热点物质 电子部件 图 8 热电型传感器的结构 火焰是具有起伏的燃烧所形成。 如果对火焰发 出的红外线频率进行分析 ， 可以观测到从几 Hz 到 约 30 Hz 的频率 ， 其 峰 值 频 率 约 10 Hz。 当 然 ， 受 到火灾规模和风的影响， 频率会有所变化。 火焰发出的红外线由热电型传感器感光 ， 敏感 器窗口材料 （ 光学滤光片 ） 和安装在传感器前方 的光学玻璃应选择可使 4.4 μm 谱带的红外线通过 （ 4.4 μm 谱带的窗口材料可用透光率＞95%以上的 蔚蓝色玻璃等， 对其进行金属蒸镀， 就可制成光学 带通滤光片） ， 完成对红外线的检测。 2 本安火焰传感器设计要求 为保证传感器能在瓦斯、 丙烷、 氢气 、 粉尘等 危 险 环 境 条 件 下 使 用 ， 应 按 国 家 标 准 《 GB3836. 4- 2010 爆炸性环境 第 4 部分 ： 由本质安全型保护 的设备》 的要求， 把电路设计为本质安全型。 国家标准把爆炸性环境用电气设备分为Ⅰ类 、 Ⅱ类和Ⅲ类 ， 其中 ， Ⅰ类用于矿井甲烷气体环境 ， Ⅱ类用于除矿井甲烷气体之外的其他爆炸性气体环 境， Ⅲ类用于除煤矿以外的爆炸性粉尘环境。 对于不同等级的工作电压， 按Ⅰ类、 Ⅱ类和Ⅲ 类区分使用场所， 其对应的输入电容 Ci、 输入电感 的要求是不一致的 ， 国家标准 《 GB3836.4- 2010 Li 爆炸性环境 第 4 部分： 由本质安全型保护的设备 》 中图 A.2~A.6 有明确的规定。 104 同时 ， 传感器与电源之间还应通过 《 GB3836. 4- 2010 爆炸性环境 第 4 部分 ： 由本质安全型保护 的设备》 中 10.1 条规定的火花点燃试验。 3 本安火焰传感器工作流程设计 当 CPU 单 片 机 同 时 接 收 到 传 感 器 红 外 检 测 电 路 输 出 的 红 外 信 号 和 传 感 器 紫 外 检 测 电 路 输 出 的 UV 信号时 ， 判断得出有火焰 ， 输出控制信号 ； 当 只 有 其 中 1 路 信 号 输 出 时 ， CPU 单 片 机 判 断 为 伪 信号， 做丢弃处理， 立即重新进入检测状态。 为 防 止 上 电 时 电 压 过 冲 造 成 误 动 作 ， CPU 单 片机程序中还应设计开机延时工作处理程序。 工作流程图如图 9 所示。 开机 自检 是否正常 是 否 红外探测 紫外探测 是否有信号 是否有信号 否 否 是 逻辑与 是 输出控制信号 图 9 传感器工作流程 4 结 语 火焰传感器是火灾防范系统的重要组成部 分 ， 其 安 全 可 靠 和 质 量 优 劣 直 接 影 响 工 作 场 所 的 安 全 性。 本文设计的红外与紫外复合的火焰检测传感器 较采用单一检测原理的火焰传感器更具有准确性 、 可靠性和稳定性 ， 对安全生产有积极的推动作用 ， 该设计具有高灵敏度、 反应快、 抗干扰强等特点。 参考文献 ： [ 1 ] [ 2 ] 安志伟 ， 袁宏永 ， 屈玉贵 机应用 ， 2000， 20 （ 5） ： 66- 67． 石 发 强 浅 析 煤 矿 瓦 斯 爆 炸 的 机 理 . . 火焰闪 烁 频 率 的 测 量 研 究 计 算 [ J ]. [ J ]. 大 科 技 ， 2014 （ 5 ） ： 197- 198. [ 3 ] GB 3836.1- 2010， 爆炸性环境 第 [ 4 ] GB 3836.4- 2010， 爆 炸 性 环 境 第 1 4 部分 ： 设备通用要求 [ S ]. 部 分 ： 由 本 质 安 全 型 保 护 的设备 [ S ]. [ 5 ] AQ1079- 2009， 瓦斯管道输送自动喷粉抑爆装置通用技术条 [ 6 ] MT 694- 1997， 煤矿用自动隔爆装置通用技术条件 [ S ]. [S]. （ 下转第 107 页） 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

王 磊等 ： EIZ140- 4 等温压缩机止推轴承安装及检修技术要点 2015 年第 9 期 在 回 装 轴 承 箱 上 盖 时 发 现 止 推 轴 承 位 移 忽 然 跳 至 0.48 mm， 再次对止推轴承位移进行确认， 发现位移 值在 0.04～0.50 mm 间变化。 于是再次拆开轴承箱上盖检查确认止推轴承间 隙， 检查结果为 - 0.45～0.50 mm。 观察转子移动到最末端时， 止推轴承上盖有偏 移现象。 金斯伯雷止推轴承如图 4 所示。 值 最 终 稳 定 在 0.28 mm， 止 推 轴 承 温 度 为 74 ℃ ， 本次检修取得成功。 3 结 语 本次检修发现的一个最大的问题就是止推轴承 零点的定位。 不论是原始安装还是本次检修都犯了一个共同 的错误， 即在未安装轴承箱上盖的情况下选取的零 点。 此时， 由于止推轴承没有被完全定位 ， 所以得 出的转子总窜量是不真实的。 因 此 ， 在 检 修 及 安 装 机 组 止 推 轴 承 位 移 探 头 时， 必须在保证轴承箱盖安装好的情况下才能确定 零点位置。 参考文献 ： 图 4 金斯伯雷止推轴承 由图 4 可见， 金斯伯雷止推轴承由上下两半组 成， 在上半部分未滑入轴承箱的情况下， 该轴承是 无法定位的， 在推动转子的过程中， 上部会产生倾 斜， 影响最终的数据。 因此， 必须把整个轴承箱上盖扣上后再进行数 据 测 量 。 至 此 判 断 问 题 关 键 在 于 止 推 轴 承 无 法 定 位， 导致轴承零点有误。 于是采取先安装轴承箱上 盖， 由轴承箱盖将止推轴承完全定位后再找零点。 再次回装轴承箱上盖， 将转子推至一端 ， 记录 其位移值 0.52 mm， 拆除轴承箱上盖， 确认位移值没 有变化后， 调整探头， 使其位移指示值为 0.22 mm。 调整完成后， 回装轴承箱上盖， 再次测量转子 总窜量 ， 结 果 为 - 0.24～~0.26 mm， 与 止 推 间 隙 基 本吻合。 至此， 该问题算处理完成， 回装蜗壳 、 联轴节 等。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [10] [11] 空气压缩机高压缸振动分析 石油化工设 [ J ]. . 肖 萍 ， 牛立斌 备 ， 2003 （ 6） ： 26- 28. 王 芹 ， 何玉伟 ， 徐大伟 . 械 ， 2006 （ 12） ： 123- 125. 止推轴承流体动压润滑失效分析 离心式压缩机的轴承 通用机 [ J ]. 机械工程学报， 2000 （ 1） ： [J ]. 空气静压止推轴承性能的数值分 . 西安工业学院学报 ， 2002 （ 1） ： 45- 48. 增压器止推轴承性能及失效原因分 26- 28. 张静文 ， 张君安 ， 刘 波 析 施新南 ， 王 航 ， 胡辽平 析 [ J ]. . 轴承 ， 2003 （ 11） ： 35- 39. . H240 [ J ]. 冯学锋 化工 ， 2005 （ 8） ： 43- 45. 程鹏远 ， 李庆生 . 空压机的维护与检修 型空压机组轴瓦振动原因分析及改造 河南 [ J ]. [ J ]. 农机使用与维修 , 2011 （ 2） ： 26- 28. 任 青 平 . 多 轴 离 心 式 空 气 压 缩 机 检 修 方 式 探 讨 [ J ]. 大 氮 肥 ， .DHP40- 15 2010 （ 3） ： 124- 126. 余 智 玲 体机械 ， 2009 （ 1） ： 46- 49. 莫才颂 ， 林荣雄 承 ， 2013 （ 4） ： 8- 12. 盛 辉 . . 型 离 心 空 压 机 振 动 分 析 与 故 障 诊 断 离心式压缩机组振 动 原 因 分 析 及 处 理 流 [ J ]. 轴 [ J ]. 滚动转子式压缩机止推轴承摩擦磨损性能 分 析 与 实 验 2015 年 4 月 ， 系统再次试车 。 油系统运行后 ， 空 压 机 转 子 位 移 值 为 - 0.22 mm， 运 行 正 常 后 位 移 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! （ 上接第 104 页） 润滑与密封 ， 2013 （ 2） ： 56- 59. 研究 肖建海 ， 盛颂恩 ， 白少先 ， 等 分布的影响 止推轴承瓦面形面对油 膜 温 度 [ D ]. 2006. [ J ]. [12] . [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [10] [11] 闫 正 ， 刘保亭 ， 赵庆勋 ， 等 及 红 外 光 谱 研 究 尖晶石结构氧化物 材 料 的 制 备 河 北 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ） ， 2005 [ J ]. . 减免裸露电气接头 热 致 故 障 的 方 法 华北电力大学学报 ， 2002 （ 2） ： 123- 125. 由 火 焰 图 像 求 取 燃 烧 温 度 场 方 法 研 究 [ J ]. . 华 . （ 4 ） ： 56- 59. 王海英 ， 陈 衡 ， 董 瑾 与材料研究 [ J ]. 刘 禾 ， 程 伟 良 北电力大学学报 ， 2005 （ 2） ： 41- 42. 高 强 ， 马鹏飞 ， 马英红 研究 董 瑾 ， 陈 衡 ， 王海英 [ J ]. . . 微波波谱特性在污秽检测中的应用 华北电力大学学报 ， 2005 （ 4） ： 45- 46. 降低裸露电气接头热 故 障 的 理 论 研 [12] [13] [14] [15] [16] 究与热设计 [ J ]. 邵 慧 ， 王向周 华北电力大学学报 ， 1998 （ 2） ： 43- 45. 虚拟微弱正弦信号幅值测量仪的分析与设计 . 中北大学学报 （ 自然科学版 ） ， 2005 （ 6） ： 45- 46. [ J ]. 苏尚恩 ， 李智中 ， 王艳红 ， 等 激光靶光电探测系统优 化 设 计 . 中北大学学报 （ 自然科学版 ） ， 2006 （ 4） ： 35- 36. 本质安全型红外甲烷报警仪设 . [ J ]. 王小珲 ， 王晶禹 ， 王 丽 ， 等 计 刘 思 伟 ， 李 一 男 ， 王 汝 琳 [ J ]. 中北大学学报 （ 自然科学版 ） ， 2011 （ 6） ： 16- 18. 新 型 矿 用 红 外 瓦 斯 检 测 仪 的 研 制 河北理工大学学报 （ 自然科学版 ） ， 2007 （ 4） ： 23- 26. 河 池 学 院 基于混沌振子 的 微 弱 信 号 检 测 . [ J ]. 姜 毅 ， 林宗兵 学报 ， 2008 （ 5） ： 24- 26. . [ J ]. 107 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net