Комбинированный алгоритм обнаружения пламени для извещателей пламени, работающих по принципу спектральной селекции

Введение

В дополнение к этим методам существует и третий — метод спектральной селекции, не требующий анализа амплитудных характеристик излучения и основанный на спектральном анализе, который способен выявить максимумы излучения пламени [1].

Особенностью спектральной характеристики излучения пламени в инфракрасной области (рис. 1), позволяющей реализовать принцип спектральной селекции, можно считать наличие двух выраженных «пиков» излучения с максимумами на длинах волн 2,9 мкм (полоса излучения нагретых паров воды) и 4,4 мкм (полоса излучения СО₂) и «провала» излучения на длинах волн 3,2–4 мкм.

Рис. 1. Спектр углеводородного пламени в ИК-области спектра

Принцип спектральной селекции основан на точном количественном измерении интенсивности инфракрасного излучения в характерных для испускания пламени спектральных поддиапазонах и вне их. После логической обработки результатов измерений принимается решение о наличии или отсутствии пламени. Спектры возможных «помех» для извещателя пламени в инфракрасной области представлены на рис. 2.

Рис. 2. Спектры возможных помех в ИК-области спектра

Для реализации этого варианта применяются фотоприемники, которые для своей работы не требуют модуляции интенсивности излучения и обладают необходимым диапазоном спектральной чувствительности.

Метод спектральной селекции отличается от вышеуказанных высокой помехозащищенностью по отношению к оптическим помехам в ультрафиолетовом и «мерцающим» оптическим помехам в инфракрасном диапазонах спектра, а также высоким быстродействием. Этот метод используется в ИП «Набат» производства АО «НИИ «Гириконд» [2, 3]. В качестве фотоприемного элемента в ИП «Набат» применяется быстродействующий двухэлементный фотогальванический приемник инфракрасного излучения, состоящий из основного и опорного каналов. Спектральные характеристики каналов определяются как физическими свойствами материала фоточувствительного элемента, так и соответствующими интерференционными фильтрами. Диапазон спектральной чувствительности основного канала фотоприемного элемента должен совпадать с характерными полосами в инфракрасном спектре излучения пламени. Диапазон спектральной чувствительности опорного канала должен находиться вне этих полос излучения. В зависимости от различных комбинаций материалов фоточувствительного слоя и спектральных характеристик интерференционных фильтров в инфракрасных ИП «Набат» используются три варианта фотоприемников. Наиболее простой и дешевый в изготовлении вариант фотоприемника (тип 1) обеспечивает защиту от ложных срабатываний, в соответствии с требованиями [4], при воздействии оптических помех: фоновой освещенности от люминесцентной лампы 2500 лк и от лампы накаливания 250 лк. Кроме того, ИП с фотоприемником типа 1 защищен от ложных срабатываний при воздействии инфракрасного излучения от нагретых объектов с температурой до +120 °C. В сложных условиях эксплуатации нередко требуется дополнительная защита от помех. Например, в производственных условиях часто необходима защита от инфракрасного излучения значительно более нагретых объектов. В этом случае используются модификации фотоприемника, обеспечивающего защиту от нагретых объектов температурой до +250 °C (тип 2) и от нагретых объектов температурой до +500 °C (тип 3).

При этом с увеличением степени защиты от нагретых объектов значительно возрастает сложность изготовления и себестоимость фотоприемника в связи с применением иных материалов фоточувствительных слоев и более сложных оптических фильтров.

В данной статье рассматривается комбинированный алгоритм обнаружения пламени, позволяющий использовать более простые по конструкции фотоприемники при сохранении высокой помехозащищенности ИП к излучению нагретых объектов.

Принцип действия извещателей

В основе метода спектральной селекции лежит точное измерение уровня интенсивности излучения в основном и опорном каналах. После измерения вычисляется разница между обоими сигналами (РС). При превышении РС определенной, заданной программой контроллера, величины — уровня сравнения (УС) — происходит выдача извещения о наличии пламени в поле зрения ИП. При этом уровень сравнения является величиной, значение которой корректируется только при изменении температуры окружающей среды (корректируется изменение чувствительности фотоприемника) и не зависит от фонового излучения (инфракрасных помех, попадающих в поле зрения ИП).

Данный алгоритм является быстродействующим, однако при наличии инфракрасных помех может привести к ложным срабатываниям ИП, если фотоприемник не рассчитан на работу с таким фоновым излучением, то есть опорный канал полностью не компенсирует увеличение теплового фона в поле зрения ИП. Этого можно избежать, введя «плавающий» (меняющийся в соответствии с изменением теплового фона объектов в поле зрения ИП) УС и дополнительные критерии проверки наличия излучения пламени. Такими критериями могут быть низкочастотные колебания пламени или сигнал от дополнительного ультрафиолетового канала. Применение дополнительного УФ-канала значительно увеличивает себестоимость ИП, а также повышает время детектирования пламени до 3–6 с.

В качестве дополнительного критерия в статье предлагается детектирование низкочастотной модуляции излучения пламени в ИК-диапазоне.

При использовании алгоритма с двумя критериями наличия пламени на первом этапе методом спектральной селекции с интервалом 1 с вычисляется разница сигналов между основным и опорным каналами. В случае превышения сигнала основного канала над сигналом опорного — разница является положительным числом. Положительное значение РС сопоставляется с уровнем сравнения, записанным в памяти контроллера при настройке ИП.

Если значение РС больше УС на заданную в процессе настройки ИП величину, то с интервалом в 1 с проводится еще одно контрольное измерение РС, а затем, по достижении двух подряд превышений РС над УС, выполняется проверка по дополнительному критерию. В противном случае счетчик превышений сбрасывается, а уровень сравнения остается неизменным.

Для идентификации пламени по эффекту пульсации интенсивности его инфракрасного излучения необходимо фиксировать низкочастотные колебания пламени в диапазоне от 2 до 20 Гц. В ходе проведенных экспериментов на очаге ТП‑5 (горение гептана на площади 0,1 м²) и ТП‑6 (горение спирта на площади 0,2 м²) получены результаты, приведенные в таблице. По итогам эксперимента в качестве частот для идентификации пламени были выбраны частоты 2, 4 и 6 Гц. Критерием выбора частот была величина амплитуды колебаний интенсивности инфракрасного излучения пламени на данной частоте.

При проверке по дополнительному критерию производится 64 выборочных измерения с интервалом порядка 15,5 мс. Затем для повышения помехозащищенности процесс повторяется. Из полученных выборок методом преобразования Фурье вычисляются амплитуды частот 2, 4 и 6 Гц в измеренном сигнале.

При превышении амплитудой определенного значения хотя бы на одной из частот принимается решение о наличии пламени в поле зрения ИП.

Если же амплитуда на всех трех частотах меньше заданного значения, это свидетельствует о появлении в поле зрения ИП тепловой оптической помехи. В таком случае измеренное на первом этапе значение РС становится новым значением уровня сравнения и сохраняется в памяти контроллера.

При исчезновении тепловой оптической помехи из поля зрения ИП значение РС становится меньше УС. Для повышения помехозащищенности в этом случае проверка производится три раза подряд с интервалом в 1 с, затем значение РС становится новым значением уровня сравнения.

Если разница (с любым знаком) между РС и УС менее установленной программно величины, то значение УС остается неизменным и анализ спектра низкочастотных колебаний интенсивности инфракрасного излучения пламени не производится. Это помогает сократить влияние погрешности измерения и уменьшить энергопотребление контроллера.

Используя данный алгоритм, мы получаем «плавающий» уровень сравнения, зависящий от теплового фона в поле зрения ИП. Таким образом, в сложных условиях эксплуатации можно использовать фотоприемники, изначально не предназначенные для этого. Для извещателей «Набат» фотоприемник типа 2 может быть заменен более простым и дешевым в изготовлении типом 1, а тип 3 — типом 2. К недостаткам данного алгоритма следует отнести снижение быстродействия ИП от 100 мс (минимальное время срабатывания) до 4–5 с, что укладывается в нормативы, представленные в [4].

Следует заметить, что детектирование низкочастотной модуляции пламени производится на сигнале, полученном с помощью метода спектральной селекции, что дополнительно повышает помехозащищенность ИП.

Заключение

Использование алгоритма с двумя критериями обнаружения пламени помогает значительно снизить технологические и материальные издержки при изготовлении уже существующих ИП производства ОАО «НИИ «Гириконд». Во многих случаях ИП, работающий по такому алгоритму, способен замещать комбинированные ИК/УФ- или многодиапазонные ИК-извещатели пламени от различных производителей.

Алгоритм универсален и может использоваться как для существующих, так и для перспективных ИП, работа которых основана на принципе спектральной селекции. Опытные образцы показали высокую помехоустойчивость к инфракрасному излучению раскаленных и нагретых объектов при сохранении дистанции обнаружения пламени.