一种自适应火焰辐射强度的测量电路

摘要

本发明公开了火焰辐射测量技术中的一种自适应火焰辐射强度的测量电路。所述测量电路包括信号采集及反馈控制电路，输入滤波电路、第一放大电路、二阶滤波电路和第二放大电路，其中信号采集及反馈控制电路包括光敏晶体管、偏置调节晶体管、第一定值电阻、第二定值电阻、第三定值电阻、第四定值电阻、滤波电容和滑动变阻器。本发明实现了对不同火焰辐射强度范围的测量，同时能提高弱信号的强度，改善信噪比。

说明书

技术领域

本发明属于火焰辐射测量技术领域，尤其涉及一种自适应火焰辐射强度 的测量电路。

背景技术

应用光学技术对火焰光强信号及火焰闪烁频率的采集测量，能够实现对火 焰频率和光强信号的区分，准确判断火焰强度信号。这项技术已经广泛应用于 锅炉内燃料燃烧特性的测量。燃料在燃烧过程中向外辐射能量，伴随火焰形状、 温度或热辐射能变化等现象，火焰辐射强度和闪烁频率会出现脉动现象。在信 号处理过程中，单从火焰辐射强度的平均值不足以反应辐射强度的脉动特性， 而火焰闪烁则是判断活跃稳定性的一个重要参数。文献《Suppression Dynamics of a  Laminar Oscillating Diffusion Flame with Co-flow Air》(H.Gohari Darabkhani and Y.Zhang， Proceedings of the World Congress on Engineering 2010Vol II WCE 2010，June 30-July 2， 2010，London，U.K.)介绍了火焰辐射强度的平均值和火焰闪烁对火焰辐射特性 的影响。

火焰辐射特性由动态成分和稳态成分组成。其中稳态成分即为火焰辐射 信号的时均值。时均值I_DC用来表示燃烧火焰闪烁信号中稳态成分的强度，用 数学公式表示为：

$I_{\mathrm{DC}}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{I}_n---\left(1\right)$

其中，N为采样长度，I_n为热辐射信号的第n个采样值。在检测时，比 较理想的是使时均值处于检测电路测量范围的中间，而信号的波动幅度大小 适当，接近而又不超出测量量程的上下限。这样所采取的信号，便于进行火 焰的波动的频谱分析，从而得到火焰稳定性的参考判据。

然而在实际检测过程中，如果燃烧工况出现较大变化，会使燃烧强度出 现相应的较大变化，从而导致常规的固定放大倍数的测量放大电路出现两个 问题：

(A)当火焰辐射强度很低时，电路输出的信号幅度很低，这样导致很 低的信噪比，从而使信号分析难以进行；

(B)当燃烧剧烈，火焰信号很强时，时均值I_DC很高，以至于接近甚至 超过放大电路的工作点的上限，放大电路的工作点将接近或进入饱和状态， 此时在放大电路的输出端将失去部分高幅值的波动信号，甚至全部波动信号， 从而无法反映火焰的真实波动情况。

实际的燃烧过程，当燃烧不稳定或是在调节负荷时，常常会出现较大程 度的工况变动，使燃烧强度难以预测，此时检测电路可能会失去作用。另外， 在燃烧不稳定时，燃烧强度也可能间歇性地变得很弱，此时很容易影响检测 系统的判断，以至于导致误判。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有的火焰辐射强度测量电路，在燃烧强度出现 较大变化时，无法测量火焰辐射强度的问题，提供一种自适应火焰辐射强度的 测量电路，根据燃烧强度变化，自动调节测量范围，以实现在燃烧强度出现较 大变化时的准确测量。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是，一种自适应火焰辐射强度的 测量电路，包括信号采集及反馈控制电路，输入滤波电路、第一放大电路、二 阶滤波电路和第二放大电路，其特征是所述信号采集及反馈控制电路包括光敏 晶体管、偏置调节晶体管、第一定值电阻、第二定值电阻、第三定值电阻、第 四定值电阻、滤波电容和滑动变阻器；

所述光敏晶体管的基极与偏置调节晶体管的集电极和第四定值电阻相连， 光敏晶体管的集电极与电源正极相连，光敏晶体管的发射极分别与第二定值电 阻和第三定值电阻相连；

所述第二定值电阻的一端分别与第三定值电阻和光敏晶体管的发射极相 连，另一端串联滑动变阻器后接地；

所述第三定值电阻的一端分别与第二定值电阻和光敏晶体管的发射极相 连，另一端分别与滤波电容和偏置调节晶体管的基极相连；

所述滤波电容的一端分别与偏置调节晶体管的基极和第三定值电阻相连， 另一端接地；

所述第一定值电阻的一端分别与偏置调节晶体管的发射极和第二放大电 路相连，另一端接地；

所述偏置调节晶体管的基极分别与第三定值电阻和滤波电容相连，偏置调 节晶体管的集电极分别与光敏晶体管的基极和第四定值电阻相连，偏置调节晶 体管的发射极分别与第一定值电阻和第二放大电路相连；

所述第四定值电阻的一端分别与光敏晶体管的基极和偏置调节晶体管的 集电极相连，另一端接电源正极。

所述光敏晶体管采用3DU465P3光电三极管，其波长范围为500～1050nm， 尖峰波长为880nm。

所述偏置调节晶体管为电流控制型的晶体管、电压控制型的JFET结型场 效应器件或者电压控制型的MOSFET器件。

本发明实现了对不同火焰辐射强度范围的测量，同时能提高弱信号的强 度，改善信噪比。

附图说明

图1是一种自适应火焰辐射强度的测量电路结构图；

图2是信号采集及反馈控制电路结构图；

图3是应用本发明提供的测量电路的测量系统原理图；

图4是应用本发明提供的测量电路的测量系统构成示意图；

图5是应用本发明的测量电路测量信号在时域的分布图；

图6是测量的时域信号的频谱分析结果图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅 仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例1

图1是一种自适应火焰辐射强度的测量电路结构图，图1中，本发明提供 的一种自适应火焰辐射强度的测量电路包括信号采集及反馈控制电路，输入滤 波电路、第一放大电路、二阶滤波电路和第二放大电路。其中，信号采集及反 馈控制电路包括光敏晶体管Q2、偏置调节晶体管Q1、第一定值电阻R1、第 二定值电阻R2、第三定值电阻R3、第四定值电阻R4、滤波电容C1和滑动变 阻器W1。

光敏晶体管Q2的基极与偏置调节晶体管Q1的集电极和第四定值电阻R4 相连，光敏晶体管Q2的集电极与电源正极相连，光敏晶体管Q2的发射极分 别与第二定值电阻R2和第三定值电阻R3相连。

第二定值电阻R2的一端分别与第三定值电阻R3和光敏晶体管Q2的发射 极相连，另一端串联滑动变阻器W1后接地。第二定值电阻R2是光敏晶体管 Q2的发射极信号采样及限流电阻。滑动变阻器W1是光敏晶体管Q2的工作电 流微调电位器。

第三定值电阻R3的一端分别与第二定值电阻R2和光敏晶体管Q2的发射 极相连，另一端分别与滤波电容C1和偏置调节晶体管Q1的基极相连。第三 定值电阻R3既是偏置调节晶体管Q1的基极偏置电阻，同时也是滤波电容C1 的充电限流电阻。

滤波电容C1的一端分别与偏置调节晶体管Q1的基极和第三定值电阻R3 相连，另一端接地。滤波电容C1是一阶滤波器的滤波电容。

第一定值电阻R1的一端分别与偏置调节晶体管Q1的发射极和第二放大 电路相连，另一端接地。第一定值电阻R1是偏置调节晶体管Q1的发射极负 载电阻，同时也是偏置调节晶体管Q1的发射极信号采样电阻。

偏置调节晶体管Q1的基极分别与第三定值电阻R3和滤波电容C1相连， 偏置调节晶体管Q1的集电极分别与光敏晶体管Q2的基极和第四定值电阻R4 相连，偏置调节晶体管Q1的发射极分别与第一定值电阻R1和第二放大电路 相连。

第四定值电阻R4的一端分别与光敏晶体管Q2的基极和偏置调节晶体管 Q1的集电极相连，另一端接电源正极。第四定值电阻R4是光敏晶体管Q2的 基极偏置电阻及偏置调节晶体管Q1的集电极的负载及限流电路。

所述自适应火焰辐射强度的测量电路进一步还包括精密稳压电源，精密稳 压电源分别与输入滤波电路和光敏晶体管Q2的集电极相连。精密稳压电源的 输出侧和接地端之间并联有电容C2和C3。精密稳压电源能够进一步提高光敏 晶体管Q2对于火焰微小变化信号的检出。

图2是信号采集及反馈控制电路结构图。结合图2，本发明提供的一种自适 应火焰辐射强度的测量电路的工作原理是：首先，图2中的+V为一恒定电压， 当第二定值电阻R2和滑动变阻器W1一定时，流经第四定值电阻R4的定电流 I_R4＝I_Q1c+I_Q2b，I_Q2b为光敏晶体管Q2的初始偏置电流。当光敏晶体管Q2感受到 相应的火焰变化时，光敏晶体管Q2的发射极电流流经第二定值电阻R2和滑动 变阻器W1后也将产生随之变化的电压信号V_Q2e，电压信号V_Q2e经第三定值电阻 R3和滤波电容C1组成的一阶低通滤波器滤除快速变化的火焰电压信号，作为反 馈控制信号接到偏置调节晶体管Q1的基极。因低通滤波器截止频率大大低于火 焰信号变化频率，当第一定值电阻R1为定值时，作为反馈控制元件的偏置调节 晶体管Q1将产生一个与低通滤波器输出电压成正比的集电极电流I_Q1c，进而引 起电压信号V_Q2e上升，电压信号V_Q2e的上升会导致偏置调节晶体管Q1的集电极 电流I_Q1c的上升，偏置调节晶体管Q1的集电极电流I_Q1c的上升又会使得光敏晶体 管Q2的初始偏置电流I_Q2b上升，而光敏晶体管Q2的初始偏置电流I_Q2b的上升会 造成电压信号V_Q2e的下降，从而实现了自适应火焰辐射强度的测量电路的偏置 自动调整。进一步，图2中，当燃料燃烧产生小火焰时，J9点电位降低，导致 偏置调节晶体管Q1的基极工作点下降，流过偏置调节晶体管Q1的集电极的电 流也下降，第四定值电阻R4上的电压降随之减小，提升了光敏晶体管Q2的工 作点，从而提高了光敏晶体管Q2的放大倍数；当燃料燃烧产生大火焰时，J9 点电位升高，导致偏置调节晶体管Q1的基极工作点上升，流过偏置调节晶体管 Q1的集电极的电流上升，第四定值电阻R4上的电压降增大，降低了光敏晶体 管Q2的工作点，从而减小了光敏晶体管Q2的放大倍数。由于上述作用，对于 拟定测量的火焰，结合适当的预先的工作范围的调整，能在一定范围内，避免 放大器出现信号饱和。

实施例2

图3是应用本发明提供的测量电路的测量系统原理图，图3中，该电路检 测的火焰信号，经数据采集卡采集，然后传输到计算机内，由专门的软件进行 时频分析，所得的结果用于燃烧稳定性等状态分析。图4是应用本发明提供的 测量电路的测量系统构成示意图，图4中，光敏晶体管1(包含在自适应火焰 辐射强度的测量电路中)用于接收并处理火焰强度信号，信号放大电路2(包 含在自适应火焰辐射强度的测量电路)用于对处理的信号进行放大，数据采集 卡3用于采集放大后的信号并输入计算机，计算机4用于处理并分析采集的 信号，燃气瓶5用于储存燃料，轴流风机6用于为燃烧器送风，流量计7用于 测量燃料的使用量，操作平台8用于控制燃料的燃烧，燃烧器9用于燃烧燃料。

图4中，光敏晶体管采用3DU465P3光电三极管，其波长范围为500～ 1050nm，尖峰波长为880nm。偏置调节晶体管采用电流控制型的晶体管、电压 控制型的JFET结型场效应器件或者电压控制型的MOSFET器件。数据采集卡 采用4716系列，每秒采集1024个数据。采集的数据在计算机中用相关的软件 进行分析。

对于图4所示的可定量控制气体流量的燃气燃烧系统，空气通过鼓风机(轴 流风机6)引入系统中，分两部分进入燃烧器。一部分空气(称为一级空气) 通过管道被夹带进入燃气流，与燃气混合后，形成预混一次风，从燃烧喷嘴底 部中间孔通入，燃气和一级空气预混之后喷出燃烧形成圆锥形火焰。此外，另 一部分空气(称为二级空气)经过流量计直接进入燃烧喷嘴底部，从燃气管周 围环形流道流出，形成空气环流扩散燃烧。实时采集火焰强度信号并使用信号 处理软件对信号进行频谱分析和强度分析。

结合图1，应用本发明提供的测量电路的具体测量过程如下：

步骤1：进行光敏晶体管Q2工作点的调整。在所需测量或拟定的燃烧强 度下，调整W1，使J4端口输出信号具有一定的上下变动的余地，其可变范围 应能容纳火焰辐射的波动范围；输出端口J4用于输出检测的火焰辐射检测信 号的波动值；

步骤2：进行零点标定。在没有点火时，调整滑动变阻器W2，使J4端口 输出信号为0；

步骤3：进行零点标定。在没有点火时，调整滑动变阻器W3，使第二放 大电路的J5端口的指示为0；输出端口J5输出火焰辐射检测信号的时均值；

步骤4：再重复步骤1和步骤2若干次，使正常火焰时，J4端口输出信号 上下变动范围在可测量的范围之内，并且端口J5的数值基本稳定；

步骤5：对火焰进行检测；

步骤6：利用相关软件对检测信号进行相应的分析。

图5是应用本发明的测量电路测量信号在时域的分布图。在本例中，对该 信号进行频谱分析以后，得到如图6所示的频域信号。从频域信号图中可以看 出，燃烧波动的频率集中在10Hz左右。

本发明提供的测量电路能够对于火焰辐射检测的强度范围进行扩展，同时 能在一定程度上提高弱信号的强度，改善信噪比。使对于检测变化较快的有效 动态火焰信号的功能得以显著增强。另外，检测电路输出的火焰辐射强度的时 均值，提供了一种燃烧强度的时间平均参考值，进一步丰富了检测数据的种类。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可 轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明 的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。