动力工程测试技术
现代测试专题（1）---火焰检测
杨荟楠 2013-10-21
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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
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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
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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
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第二节 各种火焰检测器的特点
利用火焰产生电动势原理
工作原理：火焰监测器内部安装有光电管，当光电管接收 到火焰信号后，内阻降低，电压升高，升高后的电压经过 功率放大，部分放大输出，信号输入点火程序器
闪烁频率与辐射强度之间的关系取决于燃烧器结构 布臵、检测方法、燃料种类、燃烧器的运行条件 （如燃料与空气比，一次风速）、以及观察角度等 因素。一般来说 火焰闪烁频率在火焰的初始燃烧区较高，然后向燃 尽区依次降低 检测器距火焰初始燃烧区越近，检测到的高频成分 （80-300Hz）越强 检测器探头视角相对狭窄（6-12˚）被检测的火焰信 25 号越真实
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第二节 各种火焰检测器的特点
光电管检测（可见光式火检）：
元件：在抽真空的玻璃泡内放臵两个电极，阳极和具 有光敏面的阴极，如氧化铯光电管 优点：对可见光敏感，结构简单，特别适合监测整个 炉膛的火焰 缺点：炉墙的红外线会干扰其测量信号，光电管耐温 低，工作一段时间后灵敏度会降低
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第二节 各种火焰检测器的特点
炉膛火焰检测原理和方法
色度分布特性 根据国际表色方法对燃煤火焰的颜色进行定量计算 研究表明，煤粉火焰基本处于白色区域，但非纯白光， 三原色光谱略成黄绿兰。任何一个色光的表色系统都可 直观都可直观地反映燃烧状况。 在煤粉浓度较高时，火焰颜色略呈黄色，随着煤粉浓度 的降低，色度坐标减小，颜色从绿色过渡到兰色。 在煤粉稀薄时，色度坐标的反应也很灵敏。火焰的色度 坐标变低，意味燃料量不足，燃烧不稳定，甚至可能出 现灭火。
火焰检测器的选型
检测系统的物理结构
一体化式：火检探头和放大器集成在一起，安装在燃 烧器上 优点：结构简单，节约空间 缺点：对现场恶劣环境适应性不强，就地温度、湿度 和噪音等因素直接影响其正常运行，维护成本高，无 论是探头或放大器损坏都要一起更换；调试不便，要 到就地或通过手调器调试
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火焰检测器的选型
优点：检测系统动作准确，灵敏 缺点：要求有高灵敏度的检流计，电极易烧坏和积碳
利用声电原理
优点：信号简单 缺点：受外界声源、噪声影响，易产生误动作
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第二节 各种火焰检测器的特点
利用热电原理
优点：造价低，结构简单 缺点：热电偶热惯性大，灵敏度差、寿命短、可靠 性差
利用火焰周围压力变化性原理
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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，可将其分为四部分： 黑龙区、初始燃烧区、燃烧区、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，即黑龙区，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，但是其闪烁频率却 达到最大值，往往可以在100Hz 以上 23
炉膛火焰检测原理和方法
频率分布特性： 由于各种随机扰动的存在，火焰辐射强度是随时间变化的，它在平均光强上 下波动（闪烁），其频率为0-2000Hz。火焰辐射脉动频率与燃煤成分，风/煤 比，一、二次风率、风速等有关，根据脉动频率量值可以判断火焰的存在 火焰的频谱分布特性通过对火焰信号时间序列的FFT获得，得到稳定或不稳 定工况下的频谱分布图。火焰不稳定时，低频部分的能量增加较多，变化较 大。 经过大量实验分析，存在三个火焰基础闪烁频率的范围： 15-50 Hz 火焰正常 7-15 Hz 火焰不稳定 ≤7 Hz 火焰熄灭 我国运用较多的比较成功的FSSS系统（炉膛安全监控系统）是可见光双信号 5 火焰检测器（双信号---用火焰强度和火焰频率来综合判断火焰是否存在）
燃烧诊断
光谱分析诊断技术 煤粉火焰中波长为600-700nm的辐射能量与煤粉浓度间存在 正比关系。通过检测这一波段的辐射强度，可获得煤粉浓 度变化的信息，对锅炉燃烧状态进行诊断 火焰颜色分析的诊断技术 可对同一色光进行表色，确定火焰的色度坐标。不同色 度坐标反映不同的煤粉浓度、不同的燃料品质。 火焰色度坐标可作为风煤匹配是否恰当的诊断依据，火 焰色度坐标变低，表明燃烧区的煤粉浓度低，不利于优 化燃烧
特点：
单色性好 频率、波长单一 方向性好 发散小、可远距离传输 亮度高 高能量密度 相干性好 相位固定
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激原子气体：HeNe,金属蒸汽 离子气体：Ar/Kr 中性气体：CO、CO2、N2O….
坚固耐用的固体激光器 红宝石、YAG等 液体激光器 燃料激光器 小巧玲珑的半导体激光器 高功率的化学激光器（高于万瓦）
光敏电阻检测（红外线或紫外线式 火焰）
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：会受高温耐火强射出红外线干扰
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炉膛辐射光谱
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燃烧火焰的光谱
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红外线和紫外线感测器
硫化铅感测器：是一种硫化铅光敏电阻，其特点是 对红外线辐射特别敏感。燃料在燃烧时，由化学反 应产生红外线辐射，使硫化铅光敏电阻感应，转变 成电信号 磷化镓感测器：是一种磷化镓光敏电阻，其特点是 对紫外线辐射特别敏感。燃料在燃烧时，由化学反 应产生紫外线辐射，使磷化镓光敏电阻感应，转变 成电信号
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炉膛火焰检测原理和方法
数字图像火焰检测 用CCD摄像机摄取火焰的图像，输出信号用计算机处 理。 方法：一般用棱镜或光纤将图像传至安装在锅炉外边 的摄像机，用计算机处理，在显示器上以火焰亮度分 布图等形式显示。 优点：这种系统灵敏度很高，操作使用方便，随着总 价格的日益降低，必将有更广泛的应用。
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炉膛火焰检测原理和方法
基于相关原理的火焰检测 两个光电探头呈一定角度安装，当二探头检测的相交 区域有火焰时，二探头会同时测到同区域相似的火焰 辐射信号，此时相关系数比较大； 当相交区域的火焰熄灭时，二探头测到的将是不同区 域的背景火焰或炉壁辐射信号，其接收的信号自然不 同，故相关系数有差异。 同样，任何火焰的漂移和不稳定都将导致相关系数的 降低。实践经验表明，相关系数>70%时可以认为火焰 正常。
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激光的形成

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激光诱导荧光光谱技术
荧光：当某种常温物质经某种波长的入射光（通常为紫外 线或X射线）照射，吸收光能后进入激发态且立即退激发并 发出出射光（通常波长比入射光的波长长，在可见光波 段）；且一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失。具 有这种性质的出射光就被称为荧光。
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炉膛火焰检测原理和方法
光谱分布特性 依据火焰的辐射强度来判断火焰是否存在 按检测所用光谱波段差异可分为紫外线、可见光、红外 线及全辐射火焰检测
1. 紫外线适于燃油锅炉检测 2. 红外线比较适合检测全炉膛火焰 3. 可见光及近红外线是应用较多的光谱区
火焰检测原理判断火焰存在是否，拟设定一个强度阀值， 当辐射强度超过此阀值时认为火焰存在 4
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火焰颜色分析的诊断技术
火焰颜色为橙黄色：表明氧气充足，火焰强度，充 分燃烧 煤粉浓度大时呈明亮的橙黄色
火焰颜色为兰色：表明氧气不足，燃烧不稳定，不 充分
煤粉浓度小时略呈兰色
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燃烧诊断
利用摄像法检测诊断技术 利用CCD相机可拍摄到火焰分布情况，通过火焰的形式和分 布，可以判断燃烧器的气流工况、煤粉气流的着火及燃烧 情况、炉膛的热偏差状况以及水冷壁有无结渣等诊断 频谱分析诊断技术 根据火焰的频谱分布特性的低频波动能量和燃烧稳定性 的本质特性联系在全频范围内进行燃烧诊断，能获得更 详尽的反映燃烧工况的信息 燃烧不稳定时，低频波动能量变大，频谱中的交流分量 大大增加 燃烧稳定时，低频波动幅度变小，频谱中交流分量也小
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火焰的脉动现象及其特性
对煤粉燃烧器而言，在燃烧器喷口处，一次风和煤粉 的混合物形成紊流，使燃烧火焰产生无规律的波动， 瞬间波动的幅值也不尽相同，即火焰的脉动现象，也 就是通常说火焰的闪烁，特性如下： 火焰的闪烁频率是火焰燃烧的重要特征，也是判断 有火无火的重要依据 混合物在气流震动越强时燃烧反应速度越快，燃烧 火焰的燃烧频率也越高 距离燃烧火焰越近，闪烁频率越高 不同的燃料，闪烁频率不同，油燃烧火焰闪烁频率 高于煤火焰