紫外火焰探测器的设计

紫外火焰探测器的设计

【摘要】利用火焰发出的紫外线对火焰信号进行检测的原理，讨论了紫外型火焰探测器的电路组成，分析了各部分电路的工作过程。该火焰探测器具有广泛的应用前景。

【关键词】紫外线火焰探测器脉冲驱动

在油气生产领域，极易发生火灾，因此必须对火焰的发生进行有效检测，及时提供报警信息以保证安全生产。由于各种燃料燃烧时的火焰所发出的紫外线都很强，且火焰如果熄灭，紫外线随即消失。因此利用检测紫外线来检测火焰的方法可靠性较高，而且不受可见光和红外线的影响。为此，作者利用紫外线传感器研制了紫外型火焰探测器。

1 火焰紫外线的检测原理

紫外线传感器对紫外线进行响应的波段在185～260nm狭窄范围内，而对超出该频谱范围的光线不敏感，利用它可以对火焰中的紫外线进行检测。它是一个封闭且能透过紫外线的玻璃管，管内充满了一种特殊的气体。玻璃管内部有一对由金属引线引出的电极——阳极和光电阴极，其中光电阴极由只对紫外线敏感的金属材料制成，在紫外线照射下发射光电子。

2 探测器的电路组成和工作原理

探测器的电路组成分成两大部分：驱动电路、信号处理与控制电路。2.1 驱动电路

传感器一旦开始放电，就会处于一种自保持放电方式，即使紫外线消失，仍有放电电流存在，这样就不能正确地检测紫外线。因为传感器本身没有自动抑制火花的特性，必须从外部加入灭弧电路。采用周期性地减小阳极电压，使其低于VS的方法可以防止放电电流的自保持。

紫外线传感器需要外加350V的高电压进行驱动，而探测器的外供电源一般是直流低压电源或干电池，因此需进行DC/AC/DC的转换，以获得传感器所需要的高电压。

图1示出了由电阻R1和电容C1组成的脉冲驱动电路的工作波形。

在b点：当有紫外线射来时会产生一次放电，充电电容C1提供放电电流，电阻R2产生瞬时电流，得到一个尖脉冲电压输出。

在c点：由于提供放电电流，电容C1上的电量减少，则阳极电位也随之降低，当电位低于放电维持电压VS时，就暂时停止放电。

在d点：当停止放电时，电容C1开始通过电阻R1从电源Ebb充电，传感器的阳极电压再次增加。

在e点：当阳极电压达到放电起始电压时，如果有连续的紫外线照射到传感器上，则使其再次放电，且产生连续的尖脉冲。

不断重复以上过程，驱动电路就可以完成对紫外线的检测。它不仅可以抑制传感器的火花，而且还用输出脉冲表示紫外线的存在。

2.2 信号处理与控制电路

2.2.1 传感器的灵敏度与背景噪声

灵敏度与放电电流的大小无关，而是依赖于放电的次数（输出脉冲数）。当入射光较弱时，输出脉冲数与入射光强成正比；而当入射光增加到一定强度时，输出脉冲数量则呈饱和状态，不再增加

如果来自火焰以外的紫外线如宇宙射线、电弧焊的火花等入射到传感器中，也会产生放电，这些紫外线就是背景噪声。检测紫外线时，输出脉冲中包含有背景噪声，因此输出信号必须经过处理，滤掉背景噪声，以检出正确的火焰信号。图2所示为在各种入射光强下传感器的输出波形。

2.2.2 信号处理电路

入射的火焰紫外线与背景噪声具有相同的输出脉冲波形，所以只有根据不同入射光强下产生的脉冲频率（脉冲间隔）从背景噪声中识别火焰信号。若放电次数非常少，则说明是背景噪声，将其除去；若脉冲数在一定时间间隔内大于一特定数值，则证明是火焰信号，将其送到控制电路。信号处理电路中来自紫外线传感器的输出脉冲同时送到定时器和计数器中，当脉冲间隔大于定时器的设定值T1时，定时器关闭且将计数器复位为零。当计数值达到设定值时，就会产生一个输出脉冲，并且复位计数器。由计数器输出的脉冲经脉冲扩展后送入控制电路。

探测器的灵敏度取决于定时时间及在这段时间内预置的脉冲个数。定时时间应低于背景噪声所产生的脉冲间隔，但如果太短，就可能检测不到较弱的紫外线。减少预置的脉冲个数可提高灵敏度，但易引起误动作。因此需要采取措施，对灵敏度进行控制。

2.2.3 控制电路

灵敏度由控制电路进行调整。延时电路是为了防止偶然的强紫外线入射或火焰不稳定而引起误动作，延时时间可调整。最后，信号电压经过转换电路变为干接点信号或4～20mA电流控制信号输出。

3 结束语

紫外型火焰探测器具有灵敏度高，抗干扰能力强、准确性好的特点，可以广泛应用于自动报警及联锁保护系统中。该产品已在油气生产设施火灾消防中推广使用，效果良好，具有广泛的应用前景。