一種自適應火焰輻射強度的測量電路的製作方法
2023-09-20 23:47:40 2
專利名稱：一種自適應火焰輻射強度的測量電路的製作方法
技術領域：
本發明屬於火焰輻射測量技術領域，尤其涉及一種自適應火焰輻射強度的測量電路。
背景技術：
應用光學技術對火焰光強信號及火焰閃爍頻率的採集測量，能夠實現對火焰頻率和光強信號的區分，準確判斷火焰強度信號。這項技術已經廣泛應用於鍋爐內燃料燃燒特性的測量。燃料在燃燒過程中向外輻射能量，伴隨火焰形狀、溫度或熱輻射能變化等現象， 火焰輻射強度和閃爍頻率會出現脈動現象。在信號處理過程中，單從火焰輻射強度的平均值不足以反應輻射強度的脈動特性，而火焰閃爍則是判斷活躍穩定性的一個重要參數。文獻《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.)介紹了火焰輻射強度的平均值和火焰閃爍對火焰輻射特性的影響。火焰輻射特性由動態成分和穩態成分組成。其中穩態成分即為火焰輻射信號的時均值。時均值IDe用來表示燃燒火焰閃爍信號中穩態成分的強度，用數學公式表示為
1 NIoc=-Z1n(!)
7V n=\其中，N為採樣長度，In為熱輻射信號的第η個採樣值。在檢測時，比較理想的是使時均值處於檢測電路測量範圍的中間，而信號的波動幅度大小適當，接近而又不超出測量量程的上下限。這樣所採取的信號，便於進行火焰的波動的頻譜分析，從而得到火焰穩定性的參考判據。然而在實際檢測過程中，如果燃燒工況出現較大變化，會使燃燒強度出現相應的較大變化，從而導致常規的固定放大倍數的測量放大電路出現兩個問題(A)當火焰輻射強度很低時，電路輸出的信號幅度很低，這樣導致很低的信噪比， 從而使信號分析難以進行；(B)當燃燒劇烈，火焰信號很強時，時均值Idc很高，以至於接近甚至超過放大電路的工作點的上限，放大電路的工作點將接近或進入飽和狀態，此時在放大電路的輸出端將失去部分高幅值的波動信號，甚至全部波動信號，從而無法反映火焰的真實波動情況。實際的燃燒過程，當燃燒不穩定或是在調節負荷時，常常會出現較大程度的工況變動，使燃燒強度難以預測，此時檢測電路可能會失去作用。另外，在燃燒不穩定時，燃燒強度也可能間歇性地變得很弱，此時很容易影響檢測系統的判斷，以至於導致誤判。
發明內容
本發明的目的在於，針對現有的火焰輻射強度測量電路，在燃燒強度出現較大變化時，無法測量火焰輻射強度的問題，提供一種自適應火焰輻射強度的測量電路，根據燃燒強度變化，自動調節測量範圍，以實現在燃燒強度出現較大變化時的準確測量。為實現上述目的，本發明提供的技術方案是，一種自適應火焰輻射強度的測量電路，包括信號採集及反饋控制電路，輸入濾波電路、第一放大電路、二階濾波電路和第二放大電路，其特徵是所述信號採集及反饋控制電路包括光敏電晶體、偏置調節電晶體、第一定值電阻、第二定值電阻、第三定值電阻、第四定值電阻、濾波電容和滑動變阻器；所述光敏電晶體的基極與偏置調節電晶體的集電極和第四定值電阻相連，光敏電晶體的集電極與電源正極相連，光敏電晶體的發射極分別與第二定值電阻和第三定值電阻相連；所述第二定值電阻的一端分別與第三定值電阻和光敏電晶體的發射極相連，另一端串聯滑動變阻器後接地；所述第三定值電阻的一端分別與第二定值電阻和光敏電晶體的發射極相連，另一端分別與濾波電容和偏置調節電晶體的基極相連；所述濾波電容的一端分別與偏置調節電晶體的基極和第三定值電阻相連，另一端接地；所述第一定值電阻的一端分別與偏置調節電晶體的發射極和第二放大電路相連， 另一端接地；所述偏置調節電晶體的基極分別與第三定值電阻和濾波電容相連，偏置調節電晶體的集電極分別與光敏電晶體的基極和第四定值電阻相連，偏置調節電晶體的發射極分別與第一定值電阻和第二放大電路相連；所述第四定值電阻的一端分別與光敏電晶體的基極和偏置調節電晶體的集電極相連，另一端接電源正極。所述光敏電晶體採用3DU465P3光電三極體，其波長範圍為500 1050nm，尖峰波長為880nm。所述偏置調節電晶體為電流控制型的電晶體、電壓控制型的JFET結型場效應器件或者電壓控制型的MOSFET器件。本發明實現了對不同火焰輻射強度範圍的測量，同時能提高弱信號的強度，改善信噪比。
圖1是一種自適應火焰輻射強度的測量電路結構圖；圖2是信號採集及反饋控制電路結構圖；圖3是應用本發明提供的測量電路的測量系統原理圖；圖4是應用本發明提供的測量電路的測量系統構成示意圖；圖5是應用本發明的測量電路測量信號在時域的分布圖；圖6是測量的時域信號的頻譜分析結果圖。
具體實施例方式下面結合附圖，對優選實施例作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的範圍及其應用。
實施例1圖1是一種自適應火焰輻射強度的測量電路結構圖，圖1中，本發明提供的一種自適應火焰輻射強度的測量電路包括信號採集及反饋控制電路，輸入濾波電路、第一放大電路、二階濾波電路和第二放大電路。其中，信號採集及反饋控制電路包括光敏電晶體Q2、偏置調節電晶體Q1、第一定值電阻R1、第二定值電阻R2、第三定值電阻R3、第四定值電阻R4、 濾波電容Cl和滑動變阻器Wl。光敏電晶體Q2的基極與偏置調節電晶體Ql的集電極和第四定值電阻R4相連，光敏電晶體Q2的集電極與電源正極相連，光敏電晶體Q2的發射極分別與第二定值電阻R2和第三定值電阻R3相連。第二定值電阻R2的一端分別與第三定值電阻R3和光敏電晶體Q2的發射極相連， 另一端串聯滑動變阻器Wl後接地。第二定值電阻R2是光敏電晶體Q2的發射極信號採樣及限流電阻。滑動變阻器Wl是光敏電晶體Q2的工作電流微調電位器。第三定值電阻R3的一端分別與第二定值電阻R2和光敏電晶體Q2的發射極相連， 另一端分別與濾波電容Cl和偏置調節電晶體Ql的基極相連。第三定值電阻R3既是偏置調節電晶體Ql的基極偏置電阻，同時也是濾波電容Cl的充電限流電阻。濾波電容Cl的一端分別與偏置調節電晶體Ql的基極和第三定值電阻R3相連，另一端接地。濾波電容Cl是一階濾波器的濾波電容。第一定值電阻Rl的一端分別與偏置調節電晶體Ql的發射極和第二放大電路相連，另一端接地。第一定值電阻Rl是偏置調節電晶體Ql的發射極負載電阻，同時也是偏置調節電晶體Ql的發射極信號採樣電阻。偏置調節電晶體Ql的基極分別與第三定值電阻R3和濾波電容Cl相連，偏置調節電晶體Ql的集電極分別與光敏電晶體Q2的基極和第四定值電阻R4相連，偏置調節電晶體 Ql的發射極分別與第一定值電阻Rl和第二放大電路相連。第四定值電阻R4的一端分別與光敏電晶體Q2的基極和偏置調節電晶體Ql的集電極相連，另一端接電源正極。第四定值電阻R4是光敏電晶體Q2的基極偏置電阻及偏置調節電晶體Ql的集電極的負載及限流電路。所述自適應火焰輻射強度的測量電路進一步還包括精密穩壓電源，精密穩壓電源分別與輸入濾波電路和光敏電晶體Q2的集電極相連。精密穩壓電源的輸出側和接地端之間並聯有電容C2和C3。精密穩壓電源能夠進一步提高光敏電晶體Q2對於火焰微小變化信號的檢出。圖2是信號採集及反饋控制電路結構圖。結合圖2，本發明提供的一種自適應火焰輻射強度的測量電路的工作原理是首先，圖2中的+V為一恆定電壓，當第二定值電阻R2 和滑動變阻器Wl —定時，流經第四定值電阻R4的定電流Ik4 = IQ1。+IQ2b，Ig2b為光敏電晶體 Q2的初始偏置電流。當光敏電晶體Q2感受到相應的火焰變化時，光敏電晶體Q2的發射極電流流經第二定值電阻R2和滑動變阻器Wl後也將產生隨之變化的電壓信號VQ2e，電壓信號 Vg2e經第三定值電阻R3和濾波電容Cl組成的一階低通濾波器濾除快速變化的火焰電壓信號，作為反饋控制信號接到偏置調節電晶體Ql的基極。因低通濾波器截止頻率大大低於火焰信號變化頻率，當第一定值電阻Rl為定值時，作為反饋控制元件的偏置調節電晶體Ql將產生一個與低通濾波器輸出電壓成正比的集電極電流Iqi。，進而引起電壓信號VQ2e上升，電壓信號VQ2e的上升會導致偏置調節電晶體Ql的集電極電流IQ1。的上升，偏置調節電晶體Ql 的集電極電流IQ1。的上升又會使得光敏電晶體Q2的初始偏置電流IQ2b上升，而光敏電晶體 Q2的初始偏置電流IQ2b的上升會造成電壓信號VQ2e的下降，從而實現了自適應火焰輻射強度的測量電路的偏置自動調整。進一步，圖2中，當燃料燃燒產生小火焰時，J9點電位降低， 導致偏置調節電晶體Ql的基極工作點下降，流過偏置調節電晶體Ql的集電極的電流也下降，第四定值電阻R4上的電壓降隨之減小，提升了光敏電晶體Q2的工作點，從而提高了光敏電晶體Q2的放大倍數；當燃料燃燒產生大火焰時，J9點電位升高，導致偏置調節電晶體 Ql的基極工作點上升，流過偏置調節電晶體Ql的集電極的電流上升，第四定值電阻R4上的電壓降增大，降低了光敏電晶體Q2的工作點，從而減小了光敏電晶體Q2的放大倍數。由於上述作用，對於擬定測量的火焰，結合適當的預先的工作範圍的調整，能在一定範圍內，避免放大器出現信號飽和。實施例2圖3是應用本發明提供的測量電路的測量系統原理圖，圖3中，該電路檢測的火焰信號，經數據採集卡採集，然後傳輸到計算機內，由專門的軟體進行時頻分析，所得的結果用於燃燒穩定性等狀態分析。圖4是應用本發明提供的測量電路的測量系統構成示意圖， 圖4中，光敏電晶體1(包含在自適應火焰輻射強度的測量電路中)用於接收並處理火焰強度信號，信號放大電路2 (包含在自適應火焰輻射強度的測量電路)用於對處理的信號進行放大，數據採集卡3用於採集放大後的信號並輸入計算機，計算機4用於處理並分析採集的信號，燃氣瓶5用於儲存燃料，軸流風機6用於為燃燒器送風，流量計7用於測量燃料的使用量，操作平臺8用於控制燃料的燃燒，燃燒器9用於燃燒燃料。圖4中，光敏電晶體採用3DU465P3光電三極體，其波長範圍為500 1050nm，尖峰波長為880nm。偏置調節電晶體採用電流控制型的電晶體、電壓控制型的JFET結型場效應器件或者電壓控制型的MOSFET器件。數據採集卡採用4716系列，每秒採集IOM個數據。 採集的數據在計算機中用相關的軟體進行分析。對於圖4所示的可定量控制氣體流量的燃氣燃燒系統，空氣通過鼓風機(軸流風機6)引入系統中，分兩部分進入燃燒器。一部分空氣(稱為一級空氣)通過管道被夾帶進入燃氣流，與燃氣混合後，形成預混一次風，從燃燒噴嘴底部中間孔通入，燃氣和一級空氣預混之後噴出燃燒形成圓錐形火焰。此外，另一部分空氣(稱為二級空氣)經過流量計直接進入燃燒噴嘴底部，從燃氣管周圍環形流道流出，形成空氣環流擴散燃燒。實時採集火焰強度信號並使用信號處理軟體對信號進行頻譜分析和強度分析。結合圖1，應用本發明提供的測量電路的具體測量過程如下步驟1 進行光敏電晶體Q2工作點的調整。在所需測量或擬定的燃燒強度下，調整W1，使J4埠輸出信號具有一定的上下變動的餘地，其可變範圍應能容納火焰輻射的波動範圍；輸出埠 J4用於輸出檢測的火焰輻射檢測信號的波動值；步驟2 進行零點標定。在沒有點火時，調整滑動變阻器W2，使J4埠輸出信號為 0 ；步驟3 進行零點標定。在沒有點火時，調整滑動變阻器W3，使第二放大電路的J5 埠的指示為0 ；輸出埠 J5輸出火焰輻射檢測信號的時均值；步驟4 再重複步驟1和步驟2若干次，使正常火焰時，J4埠輸出信號上下變動範圍在可測量的範圍之內，並且埠 J5的數值基本穩定；步驟5 對火焰進行檢測；步驟6 利用相關軟體對檢測信號進行相應的分析。圖5是應用本發明的測量電路測量信號在時域的分布圖。在本例中，對該信號進行頻譜分析以後，得到如圖6所示的頻域信號。從頻域信號圖中可以看出，燃燒波動的頻率集中在IOHz左右。本發明提供的測量電路能夠對於火焰輻射檢測的強度範圍進行擴展，同時能在一定程度上提高弱信號的強度，改善信噪比。使對於檢測變化較快的有效動態火焰信號的功能得以顯著增強。另外，檢測電路輸出的火焰輻射強度的時均值，提供了一種燃燒強度的時間平均參考值，進一步豐富了檢測數據的種類。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
權利要求
1.一種自適應火焰輻射強度的測量電路，包括信號採集及反饋控制電路，輸入濾波電路、第一放大電路、二階濾波電路和第二放大電路，其特徵是所述信號採集及反饋控制電路包括光敏電晶體、偏置調節電晶體、第一定值電阻、第二定值電阻、第三定值電阻、第四定值電阻、濾波電容和滑動變阻器；所述光敏電晶體的基極與偏置調節電晶體的集電極和第四定值電阻相連，光敏電晶體的集電極與電源正極相連，光敏電晶體的發射極分別與第二定值電阻和第三定值電阻相連；所述第二定值電阻的一端分別與第三定值電阻和光敏電晶體的發射極相連，另一端串聯滑動變阻器後接地；所述第三定值電阻的一端分別與第二定值電阻和光敏電晶體的發射極相連，另一端分別與濾波電容和偏置調節電晶體的基極相連；所述濾波電容的一端分別與偏置調節電晶體的基極和第三定值電阻相連，另一端接地；所述第一定值電阻的一端分別與偏置調節電晶體的發射極和第二放大電路相連，另一端接地；所述偏置調節電晶體的基極分別與第三定值電阻和濾波電容相連，偏置調節電晶體的集電極分別與光敏電晶體的基極和第四定值電阻相連，偏置調節電晶體的發射極分別與第一定值電阻和第二放大電路相連；所述第四定值電阻的一端分別與光敏電晶體的基極和偏置調節電晶體的集電極相連， 另一端接電源正極。
2.根據權利要求1所述的自適應火焰輻射強度的測量電路，其特徵是所述光敏電晶體採用3DU465P3光電三極體，其波長範圍為500 1050nm，尖峰波長為880nm。
3.根據權利要求1所述的自適應火焰輻射強度的測量電路，其特徵是所述偏置調節電晶體為電流控制型的電晶體、電壓控制型的JFET結型場效應器件或者電壓控制型的 MOSFET 器件。
全文摘要
本發明公開了火焰輻射測量技術中的一種自適應火焰輻射強度的測量電路。所述測量電路包括信號採集及反饋控制電路，輸入濾波電路、第一放大電路、二階濾波電路和第二放大電路，其中信號採集及反饋控制電路包括光敏電晶體、偏置調節電晶體、第一定值電阻、第二定值電阻、第三定值電阻、第四定值電阻、濾波電容和滑動變阻器。本發明實現了對不同火焰輻射強度範圍的測量，同時能提高弱信號的強度，改善信噪比。
文檔編號G01J5/24GK102507018SQ20111032494
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月24日 優先權日2011年10月24日
發明者劉石, 李志宏, 李驚濤, 王宏, 雷兢, 韓振興 申請人:華北電力大學