專利名稱：一種自適應(yīng)火焰輻射強度的測量電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于火焰輻射測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種自適應(yīng)火焰輻射強度的測量電路。
背景技術(shù)：
應(yīng)用光學技術(shù)對火焰光強信號及火焰閃爍頻率的采集測量，能夠?qū)崿F(xiàn)對火焰頻率和光強信號的區(qū)分，準確判斷火焰強度信號。這項技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鍋爐內(nèi)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(xiàn)象， 火焰輻射強度和閃爍頻率會出現(xiàn)脈動現(xiàn)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(yīng)輻射強度的脈動特性，而火焰閃爍則是判斷活躍穩(wěn)定性的一個重要參數(shù)。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(tài)成分和穩(wěn)態(tài)成分組成。其中穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)成分的強度，用數(shù)學公式表示為
1 NIoc=-Z1n(!)
7V n=\其中，N為采樣長度，In為熱輻射信號的第η個采樣值。在檢測時，比較理想的是使時均值處于檢測電路測量范圍的中間，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。這樣所采取的信號，便于進行火焰的波動的頻譜分析，從而得到火焰穩(wěn)定性的參考判據(jù)。然而在實際檢測過程中，如果燃燒工況出現(xiàn)較大變化，會使燃燒強度出現(xiàn)相應(yīng)的較大變化，從而導致常規(guī)的固定放大倍數(shù)的測量放大電路出現(xiàn)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，以至于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(tài)，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(wěn)定或是在調(diào)節(jié)負荷時，常常會出現(xiàn)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(wěn)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(tǒng)的判斷，以至于導致誤判。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對現(xiàn)有的火焰輻射強度測量電路，在燃燒強度出現(xiàn)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(yīng)火焰輻射強度的測量電路，根據(jù)燃燒強度變化，自動調(diào)節(jié)測量范圍，以實現(xiàn)在燃燒強度出現(xiàn)較大變化時的準確測量。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是，一種自適應(yīng)火焰輻射強度的測量電路，包括信號采集及反饋控制電路，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，其特征是所述信號采集及反饋控制電路包括光敏晶體管、偏置調(diào)節(jié)晶體管、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；所述光敏晶體管的基極與偏置調(diào)節(jié)晶體管的集電極和第四定值電阻相連，光敏晶體管的集電極與電源正極相連，光敏晶體管的發(fā)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晶體管的發(fā)射極相連，另一端串聯(lián)滑動變阻器后接地；所述第三定值電阻的一端分別與第二定值電阻和光敏晶體管的發(fā)射極相連，另一端分別與濾波電容和偏置調(diào)節(jié)晶體管的基極相連；所述濾波電容的一端分別與偏置調(diào)節(jié)晶體管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(diào)節(jié)晶體管的發(fā)射極和第二放大電路相連， 另一端接地；所述偏置調(diào)節(jié)晶體管的基極分別與第三定值電阻和濾波電容相連，偏置調(diào)節(jié)晶體管的集電極分別與光敏晶體管的基極和第四定值電阻相連，偏置調(diào)節(jié)晶體管的發(fā)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晶體管的基極和偏置調(diào)節(jié)晶體管的集電極相連，另一端接電源正極。所述光敏晶體管采用3DU465P3光電三極管，其波長范圍為500 1050nm，尖峰波長為880nm。所述偏置調(diào)節(jié)晶體管為電流控制型的晶體管、電壓控制型的JFET結(jié)型場效應(yīng)器件或者電壓控制型的MOSFET器件。本發(fā)明實現(xiàn)了對不同火焰輻射強度范圍的測量，同時能提高弱信號的強度，改善信噪比。


圖1是一種自適應(yīng)火焰輻射強度的測量電路結(jié)構(gòu)圖；圖2是信號采集及反饋控制電路結(jié)構(gòu)圖；圖3是應(yīng)用本發(fā)明提供的測量電路的測量系統(tǒng)原理圖；圖4是應(yīng)用本發(fā)明提供的測量電路的測量系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；圖5是應(yīng)用本發(fā)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(jié)果圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。應(yīng)該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
實施例1圖1是一種自適應(yīng)火焰輻射強度的測量電路結(jié)構(gòu)圖，圖1中，本發(fā)明提供的一種自適應(yīng)火焰輻射強度的測量電路包括信號采集及反饋控制電路，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，信號采集及反饋控制電路包括光敏晶體管Q2、偏置調(diào)節(jié)晶體管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。光敏晶體管Q2的基極與偏置調(diào)節(jié)晶體管Ql的集電極和第四定值電阻R4相連，光敏晶體管Q2的集電極與電源正極相連，光敏晶體管Q2的發(fā)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和光敏晶體管Q2的發(fā)射極相連， 另一端串聯(lián)滑動變阻器Wl后接地。第二定值電阻R2是光敏晶體管Q2的發(fā)射極信號采樣及限流電阻?；瑒幼冏杵鱓l是光敏晶體管Q2的工作電流微調(diào)電位器。第三定值電阻R3的一端分別與第二定值電阻R2和光敏晶體管Q2的發(fā)射極相連， 另一端分別與濾波電容Cl和偏置調(diào)節(jié)晶體管Ql的基極相連。第三定值電阻R3既是偏置調(diào)節(jié)晶體管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(diào)節(jié)晶體管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(diào)節(jié)晶體管Ql的發(fā)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(diào)節(jié)晶體管Ql的發(fā)射極負載電阻，同時也是偏置調(diào)節(jié)晶體管Ql的發(fā)射極信號采樣電阻。偏置調(diào)節(jié)晶體管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(diào)節(jié)晶體管Ql的集電極分別與光敏晶體管Q2的基極和第四定值電阻R4相連，偏置調(diào)節(jié)晶體管 Ql的發(fā)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的一端分別與光敏晶體管Q2的基極和偏置調(diào)節(jié)晶體管Ql的集電極相連，另一端接電源正極。第四定值電阻R4是光敏晶體管Q2的基極偏置電阻及偏置調(diào)節(jié)晶體管Ql的集電極的負載及限流電路。所述自適應(yīng)火焰輻射強度的測量電路進一步還包括精密穩(wěn)壓電源，精密穩(wěn)壓電源分別與輸入濾波電路和光敏晶體管Q2的集電極相連。精密穩(wěn)壓電源的輸出側(cè)和接地端之間并聯(lián)有電容C2和C3。精密穩(wěn)壓電源能夠進一步提高光敏晶體管Q2對于火焰微小變化信號的檢出。圖2是信號采集及反饋控制電路結(jié)構(gòu)圖。結(jié)合圖2，本發(fā)明提供的一種自適應(yīng)火焰輻射強度的測量電路的工作原理是首先，圖2中的+V為一恒定電壓，當?shù)诙ㄖ惦娮鑂2 和滑動變阻器Wl —定時，流經(jīng)第四定值電阻R4的定電流Ik4 = IQ1。+IQ2b，Ig2b為光敏晶體管 Q2的初始偏置電流。當光敏晶體管Q2感受到相應(yīng)的火焰變化時，光敏晶體管Q2的發(fā)射極電流流經(jīng)第二定值電阻R2和滑動變阻器Wl后也將產(chǎn)生隨之變化的電壓信號VQ2e，電壓信號 Vg2e經(jīng)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(diào)節(jié)晶體管Ql的基極。因低通濾波器截止頻率大大低于火焰信號變化頻率，當?shù)谝欢ㄖ惦娮鑂l為定值時，作為反饋控制元件的偏置調(diào)節(jié)晶體管Ql將產(chǎn)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(diào)節(jié)晶體管Ql的集電極電流IQ1。的上升，偏置調(diào)節(jié)晶體管Ql 的集電極電流IQ1。的上升又會使得光敏晶體管Q2的初始偏置電流IQ2b上升，而光敏晶體管 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(xiàn)了自適應(yīng)火焰輻射強度的測量電路的偏置自動調(diào)整。進一步，圖2中，當燃料燃燒產(chǎn)生小火焰時，J9點電位降低， 導致偏置調(diào)節(jié)晶體管Ql的基極工作點下降，流過偏置調(diào)節(jié)晶體管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，提升了光敏晶體管Q2的工作點，從而提高了光敏晶體管Q2的放大倍數(shù)；當燃料燃燒產(chǎn)生大火焰時，J9點電位升高，導致偏置調(diào)節(jié)晶體管 Ql的基極工作點上升，流過偏置調(diào)節(jié)晶體管Ql的集電極的電流上升，第四定值電阻R4上的電壓降增大，降低了光敏晶體管Q2的工作點，從而減小了光敏晶體管Q2的放大倍數(shù)。由于上述作用，對于擬定測量的火焰，結(jié)合適當?shù)念A先的工作范圍的調(diào)整，能在一定范圍內(nèi)，避免放大器出現(xiàn)信號飽和。實施例2圖3是應(yīng)用本發(fā)明提供的測量電路的測量系統(tǒng)原理圖，圖3中，該電路檢測的火焰信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集，然后傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)，由專門的軟件進行時頻分析，所得的結(jié)果用于燃燒穩(wěn)定性等狀態(tài)分析。圖4是應(yīng)用本發(fā)明提供的測量電路的測量系統(tǒng)構(gòu)成示意圖， 圖4中，光敏晶體管1(包含在自適應(yīng)火焰輻射強度的測量電路中)用于接收并處理火焰強度信號，信號放大電路2 (包含在自適應(yīng)火焰輻射強度的測量電路)用于對處理的信號進行放大，數(shù)據(jù)采集卡3用于采集放大后的信號并輸入計算機，計算機4用于處理并分析采集的信號，燃氣瓶5用于儲存燃料，軸流風機6用于為燃燒器送風，流量計7用于測量燃料的使用量，操作平臺8用于控制燃料的燃燒，燃燒器9用于燃燒燃料。圖4中，光敏晶體管采用3DU465P3光電三極管，其波長范圍為500 1050nm，尖峰波長為880nm。偏置調(diào)節(jié)晶體管采用電流控制型的晶體管、電壓控制型的JFET結(jié)型場效應(yīng)器件或者電壓控制型的MOSFET器件。數(shù)據(jù)采集卡采用4716系列，每秒采集IOM個數(shù)據(jù)。 采集的數(shù)據(jù)在計算機中用相關(guān)的軟件進行分析。對于圖4所示的可定量控制氣體流量的燃氣燃燒系統(tǒng)，空氣通過鼓風機(軸流風機6)引入系統(tǒng)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，與燃氣混合后，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后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(jīng)過流量計直接進入燃燒噴嘴底部，從燃氣管周圍環(huán)形流道流出，形成空氣環(huán)流擴散燃燒。實時采集火焰強度信號并使用信號處理軟件對信號進行頻譜分析和強度分析。結(jié)合圖1，應(yīng)用本發(fā)明提供的測量電路的具體測量過程如下步驟1 進行光敏晶體管Q2工作點的調(diào)整。在所需測量或擬定的燃燒強度下，調(diào)整W1，使J4端口輸出信號具有一定的上下變動的余地，其可變范圍應(yīng)能容納火焰輻射的波動范圍；輸出端口 J4用于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(diào)整滑動變阻器W2，使J4端口輸出信號為 0 ；步驟3 進行零點標定。在沒有點火時，調(diào)整滑動變阻器W3，使第二放大電路的J5 端口的指示為0 ；輸出端口 J5輸出火焰輻射檢測信號的時均值；步驟4 再重復步驟1和步驟2若干次，使正?；鹧鏁r，J4端口輸出信號上下變動范圍在可測量的范圍之內(nèi)，并且端口 J5的數(shù)值基本穩(wěn)定；步驟5 對火焰進行檢測；步驟6 利用相關(guān)軟件對檢測信號進行相應(yīng)的分析。圖5是應(yīng)用本發(fā)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后，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(fā)明提供的測量電路能夠?qū)τ诨鹧孑椛錂z測的強度范圍進行擴展，同時能在一定程度上提高弱信號的強度，改善信噪比。使對于檢測變化較快的有效動態(tài)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(shù)據(jù)的種類。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)火焰輻射強度的測量電路，包括信號采集及反饋控制電路，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，其特征是所述信號采集及反饋控制電路包括光敏晶體管、偏置調(diào)節(jié)晶體管、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；所述光敏晶體管的基極與偏置調(diào)節(jié)晶體管的集電極和第四定值電阻相連，光敏晶體管的集電極與電源正極相連，光敏晶體管的發(fā)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晶體管的發(fā)射極相連，另一端串聯(lián)滑動變阻器后接地；所述第三定值電阻的一端分別與第二定值電阻和光敏晶體管的發(fā)射極相連，另一端分別與濾波電容和偏置調(diào)節(jié)晶體管的基極相連；所述濾波電容的一端分別與偏置調(diào)節(jié)晶體管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(diào)節(jié)晶體管的發(fā)射極和第二放大電路相連，另一端接地；所述偏置調(diào)節(jié)晶體管的基極分別與第三定值電阻和濾波電容相連，偏置調(diào)節(jié)晶體管的集電極分別與光敏晶體管的基極和第四定值電阻相連，偏置調(diào)節(jié)晶體管的發(fā)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晶體管的基極和偏置調(diào)節(jié)晶體管的集電極相連， 另一端接電源正極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)火焰輻射強度的測量電路，其特征是所述光敏晶體管采用3DU465P3光電三極管，其波長范圍為500 1050nm，尖峰波長為880nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)火焰輻射強度的測量電路，其特征是所述偏置調(diào)節(jié)晶體管為電流控制型的晶體管、電壓控制型的JFET結(jié)型場效應(yīng)器件或者電壓控制型的 MOSFET 器件。
全文摘要
本發(fā)明公開了火焰輻射測量技術(shù)中的一種自適應(yīng)火焰輻射強度的測量電路。所述測量電路包括信號采集及反饋控制電路，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，其中信號采集及反饋控制電路包括光敏晶體管、偏置調(diào)節(jié)晶體管、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(fā)明實現(xiàn)了對不同火焰輻射強度范圍的測量，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(yōu)先權(quán)日2011年10月24日
發(fā)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