專利名稱：燃燒火焰信號處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃燒火焰信號處理系統(tǒng)，特別適用于鍋爐內(nèi)燃燒火焰狀況的分析。
背景技術(shù)：
火焰給人眼的直覺是亮度和火焰根部亮度的脈動。根據(jù)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，火焰的閃爍或脈動，其頻率與燃料種類有關(guān)。由于不同種類的燃料燃燒時的火焰特征頻率不同，每種頻率下的火焰的強(qiáng)度也不一樣，因此準(zhǔn)確檢測、控制燃料燃燒時的火焰狀況很不容易。尤其在大型的鍋爐中，燃料燃燒時的火焰狀況更加復(fù)雜。然而傳統(tǒng)的火焰檢測器觀測火焰燃燒時，主要是通過光電轉(zhuǎn)換器將接收到的燃燒火焰的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換成電壓信號后，簡單地進(jìn)行幅值比較后，就對火焰進(jìn)行有無火的識辨，及燃燒狀況的分析。這樣的測量，它忽略了火焰信號的頻率特征，也就難以準(zhǔn)確地檢測火焰狀況。特別在多個燃燒器的大型鍋爐控制系統(tǒng)中，由于有多層火焰在燃燒，同層中又有多個燃燒點(diǎn)，傳統(tǒng)火檢推算難以對燃燒器的主火焰和背景火焰進(jìn)行有效區(qū)分的辨識，這就很容易引起對火焰的錯誤判斷從而導(dǎo)致控制的誤動作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于對有效頻率段內(nèi)火焰光強(qiáng)信號進(jìn)行采樣分析，通過數(shù)字濾波器對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除干擾信號(高頻部分)，并對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，即對信號在頻域范圍內(nèi)進(jìn)行處理，進(jìn)而給出火焰的強(qiáng)度及頻率的分量值，從而實(shí)現(xiàn)對燃燒火焰狀況比較的準(zhǔn)確地鑒別。
為了達(dá)到上述的目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是提供一種燃燒火焰信號處理系統(tǒng)，它包括信號采集模塊和分析處理模塊，位于信號采集模塊與分析處理模塊之間的數(shù)字濾波模塊；
所述的信號采集模塊用于采集燃燒火焰的數(shù)字信號(由模擬信號已經(jīng)轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號)，該數(shù)字信號包括在有限長的時域和頻域內(nèi)等間隔連續(xù)采樣的時域信號和頻率信號以及與時域信號相對應(yīng)的火焰強(qiáng)度信號；所述的數(shù)字濾波模塊是采用IIR數(shù)字濾波器濾掉由上述信號采集模塊所采集的燃燒火焰頻率信號中的(頻率)干擾信號；所述的分析處理模塊用于對經(jīng)過上述數(shù)字濾波模塊濾除干擾信號后的頻率信號進(jìn)行頻譜分析，采用快速傅立葉變換，計算出對應(yīng)頻率下的信號強(qiáng)度值，用以顯示火焰燃燒的狀況。
本發(fā)明的燃燒火焰信號處理系統(tǒng)的效果顯著。
●本發(fā)明的處理系統(tǒng)中，因?yàn)樾盘柌杉K所采集燃燒火焰的數(shù)字信號中包括頻率信號，因此，本發(fā)明的處理系統(tǒng)能夠通過火焰的頻率特征，準(zhǔn)確地檢測火焰燃燒的狀況；●本發(fā)明的處理系統(tǒng)中，因?yàn)榘ㄎ挥谛盘柌杉K與分析處理模塊之間的數(shù)字濾波模塊，能夠?qū)⒉恍枰母蓴_信號濾掉，使得檢測的特征頻率更準(zhǔn)確，所檢測的火焰狀況更真實(shí)；●本發(fā)明的處理系統(tǒng)中，因?yàn)榘ǚ治鎏幚砟K對經(jīng)過濾波后的頻率信號進(jìn)行頻譜分析，并采用快速傅立葉變換(FFT)計算出對應(yīng)頻率下的強(qiáng)度值，以獲得燃燒火焰的頻率和對應(yīng)的強(qiáng)度值，因而，能夠全面而比較精確地顯示出火焰燃燒的狀況。


圖1是本發(fā)明燃燒火焰信號處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中數(shù)字信號輸入源1的一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明數(shù)字濾波模塊中的matlab數(shù)字濾波的效果曲線圖(橫坐標(biāo)為頻率Hz，縱坐標(biāo)為強(qiáng)度比例)；圖4是一實(shí)施例的頻率和與其對應(yīng)強(qiáng)度值的曲線圖；圖5是圖4實(shí)施例中的曲線加入數(shù)字濾波模塊后的曲線圖；圖6是另一實(shí)施例的頻率和與其對應(yīng)強(qiáng)度值的曲線圖；圖7是圖6實(shí)施例中的曲線加入數(shù)字濾波模塊后的曲線圖；
上述圖4、5、6、7的曲線圖中，橫坐標(biāo)為頻率～單位量是格數(shù)X×3Hz，例如格數(shù)X＝7，則相對應(yīng)的頻率為7×3Hz＝21Hz；縱坐標(biāo)為強(qiáng)度～功率P(k)值；圖8是本發(fā)明分析處理模塊中頻譜分析FFT運(yùn)算的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征。
如圖1所示，本發(fā)明燃燒火焰信號處理系統(tǒng)，它包括與數(shù)字信號輸入源1相連接的信號采集模塊2，與信號采集模塊2相連接的數(shù)字濾波模塊3，與數(shù)字濾波模塊3相連接的分析處理模塊4。在本實(shí)施例中，本發(fā)明處理系統(tǒng)是置于DSP處理器TMS320C5402內(nèi)，操作系統(tǒng)軟件為CCS’5000。
圖2是數(shù)字信號輸入源1的一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。在本實(shí)施例中，如圖2所示，在數(shù)字信號輸入源1中，包括由光電探測器(是紅外或紫外光電探測器)102探測火焰信號(或是鍋爐內(nèi)燃燒火焰信號)101，經(jīng)過預(yù)處理電路103對其火焰信號進(jìn)行放大，濾波和隔離處理，處理后的火焰模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器104將其模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后被本發(fā)明處理系統(tǒng)中的信號采集模塊2所采集。若采集的火焰信號是鍋爐內(nèi)的火焰信號，因?yàn)殄仩t中火焰的光強(qiáng)度信號是不同頻率信號的一個混合信號，所以，在下面的實(shí)施例中將輸入不同頻率的火焰信號來模擬鍋爐內(nèi)的火焰信號。
如圖2所示，輸入的火焰的模擬信號通過預(yù)處理電路對信號進(jìn)行隔值(去處信號中的直流部分)、濾波、放大處理，將微弱的光信號轉(zhuǎn)換為有用的電信號；經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器(在本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度為16位，精度可達(dá)0.076mV)將該模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸進(jìn)本發(fā)明處理系統(tǒng)內(nèi)的信號采集模塊中；如圖1所示，信號采集模塊所采集的信號是由數(shù)字信號輸入源1輸入的數(shù)字信號，在本實(shí)施例中，其運(yùn)行時鐘頻率為100MHZ。將每隔1.3ms采樣一次，為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，采用先進(jìn)先出的原則對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行更新；每隔20ms對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算；先通過IIR數(shù)字濾波器濾除沒用的干擾信號，再進(jìn)行FFT運(yùn)算，將信號由時域轉(zhuǎn)換為頻域，計算出信號在各個頻帶部分的能量值。如果是鍋爐內(nèi)燃燒的火焰，當(dāng)鍋爐燃燒時，爐膛中存在著主火焰和背景火焰，主火焰和背景火焰的燃燒閃爍的頻率存在很大的區(qū)別，通過對爐膛火焰信號的頻域分析，主火焰和背景火焰在不同頻帶上的能量值有很大的不同，所以通過鎖定主火焰的閃爍頻率，運(yùn)行本發(fā)明的燃燒火焰信號處理系統(tǒng)對主火焰進(jìn)行信號分析，能有效地去除不同于主火焰閃爍頻率的背景火焰信號，能較好地解決火焰檢測器在爐膛檢測中的誤判斷問題。
如圖1所示的結(jié)構(gòu)，所述的信號采集模塊2用于采集燃燒火焰的模擬信號已經(jīng)轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號，該數(shù)字信號如上所述，應(yīng)該包括在有限長的時域和頻域內(nèi)等間隔連續(xù)采樣的時域信號和頻率信號，以及與時域信號相對的火焰強(qiáng)度信號。如圖2中所示的數(shù)字信號輸入源1的實(shí)施例，其中燃燒火焰信號是鍋爐內(nèi)燃燒的火焰信號，為了得到鍋爐火焰信號的離散頻譜分布特性，首先是對時域信號進(jìn)行等間隔連續(xù)采樣，在時間域上對火焰信號進(jìn)行離散化。時域信號是火焰光強(qiáng)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后得到的電壓值，其大小正比于輻射光強(qiáng)。在對火焰信號時間序列進(jìn)行采樣時，會得到一組長度為N的火焰強(qiáng)度信號，但在這過程中有兩個重要的參數(shù)要確定采樣頻率和數(shù)據(jù)長度大小的選擇。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，若火焰閃爍信號的最高頻率為ft，為防止混頻，選定抽樣頻率fs≥2ft，實(shí)際在本實(shí)施例中，選擇的采樣頻率fs為768Hz，所以通過768Hz的采樣頻率對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣后，經(jīng)過時域轉(zhuǎn)頻域的數(shù)字信號處理，能在頻域范圍內(nèi)恢復(fù)384Hz以下的頻率信號。因?yàn)橛匈Y料表明鍋爐火焰的閃爍頻率不超過250Hz，所以這樣的采樣頻率對于實(shí)際鍋爐火焰的應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了。在采樣頻率確定后，頻率的分辯率Δf就由數(shù)據(jù)長度大小來決定，即有Δf＝fs/N；盡管Δf越小越好，但Δf越小即頻率范圍內(nèi)的分辨率越高，使得N越大，使計算量和存儲量也隨之增大。在本實(shí)施例中，在做DFT采用的是時間抽取(DIF)基2的FFT運(yùn)算。所以，N取2的整次冪為256，即頻率的分辨率Δf為3Hz。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在同一采樣頻率下用不同數(shù)據(jù)長度的大小而發(fā)現(xiàn)N的改變并不會使火焰的識別標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生改變，即只要對穩(wěn)定和不穩(wěn)定工況火焰信號的采樣頻率、數(shù)據(jù)長度大小保持一致，那么各工況低頻分量幅值大小的不同依然具有鮮明的可比性。在這里，頻率的分辨率對火焰的模式識別沒有太大的影響。
所述的數(shù)字濾波模塊3是用于濾除火焰頻率信號中在處理過程中不希望存在的干擾頻率信號。
如圖2的實(shí)施例，由于鍋爐燃燒的火焰比較復(fù)雜，加上現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，所以火焰信號在由模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程中可能存在一些高頻的干擾信號，影響了火焰信號的純凈性，所以在對采樣信號進(jìn)行時域轉(zhuǎn)頻域的運(yùn)算之前要進(jìn)行數(shù)字濾波，濾除高頻的干擾信號(如上述實(shí)施例的高于200Hz的信號)。本實(shí)施例中，采用的是IIR低通數(shù)字濾波器，根據(jù)上述實(shí)施例的實(shí)際采樣頻率及系統(tǒng)的要求，IIR低通數(shù)字濾波器的性能應(yīng)該是通帶為0Hz～200Hz。
在本實(shí)施例中、IIR低通數(shù)字濾波器的具體指標(biāo)為通帶截止頻率Wp200Hz；阻帶截止頻率Ws350Hz；通帶衰減Rp0.5db；阻帶衰減Rs20db；采樣頻率Fs768Hz。
實(shí)際的濾波器系數(shù)由matlab仿真得出通過調(diào)用matlab函數(shù)[n，wn]＝buttord(Wp/(Fs/2)，Ws/(Fs/2)，Rp，Rs)和[b，a]＝butter(n，wn)計算出的濾波器系數(shù)a、ba1＝1；a2＝0.88492； a3＝0.31357b1＝0.54962； b2＝1.0992； b3＝0.54962濾波器的差分方程為y(n)＝0.54962*x(n)+1.0992*x(n-1)+0.54962*x(n-2)-0.88492*y(n-1)-0.31357*y(n-2)；圖3是上述本實(shí)施例中所采用的IIR低通數(shù)字濾波器比較典型的濾波曲線，從圖3中可以看出，在≤200Hz時，信號的強(qiáng)度值是最大，即通帶截止頻率Wp為200Hz、到350Hz時，強(qiáng)度值小于0.1，即為阻帶截止頻率Ws為350Hz。
圖4、圖5是一實(shí)施例的頻率和與其對應(yīng)強(qiáng)度值的曲線。在本實(shí)施例中，輸入頻率為20Hz，幅值為2V的正弦波。圖4是未經(jīng)過數(shù)字濾波模塊濾波的曲線，在橫坐標(biāo)7(×3Hz)處有一個尖峰值；圖5是經(jīng)過數(shù)字濾波模塊濾波后的曲線；因?yàn)楸緦?shí)施例中，數(shù)字濾波模塊中所采用的是IIR低通數(shù)字濾波器，如上述，它的通帶截止頻率WP為200Hz，尖峰值是在低通帶內(nèi)。所以，圖5與圖4的尖峰值相同，由此表明運(yùn)行數(shù)據(jù)與所要求的值(理論)相符合。
圖6、圖7是另一實(shí)施例頻率和與其相對應(yīng)強(qiáng)度值的沒通過和通過數(shù)字濾波模塊濾波的兩組曲線。在本實(shí)施例中、輸入頻率為360Hz，幅值為2V的正弦波。
圖6的曲線是未經(jīng)過IIR低通數(shù)字濾波器的濾波，從圖6中可以看出橫坐標(biāo)為120的地方有一個尖峰值，峰值為1843左右；圖7是經(jīng)過IIR低通數(shù)字濾波器部濾波后，從圖7中可以看出橫坐標(biāo)為120的地方有一個尖峰值，但峰值為92左右，衰減幅度為DB＝1843/92＝20.03，說明經(jīng)過IIR低通數(shù)字濾波器以后能有效濾除高于200Hz的信號，達(dá)到了預(yù)期的要求。
所述的分析處理模塊4用于對經(jīng)過上述數(shù)字濾波模塊3濾除干擾信號的頻率信號進(jìn)行頻譜分析，采用FFT計算出對應(yīng)頻率下的強(qiáng)度值，完成檢測鍋爐內(nèi)燃燒火焰的狀況。如上述，在本實(shí)施例中是要計算鍋爐燃燒火焰在特征頻率下的強(qiáng)度值，要對采樣數(shù)據(jù)x(n)進(jìn)行頻譜分析。本實(shí)施例中采用了時間抽取(DIF)基2的快速傅立葉變換。根據(jù)信號處理上的離散傅立葉變換，對該組信號x(n)作DFT運(yùn)算就可獲得該時域信號在頻域上的對應(yīng)表示，所采用的轉(zhuǎn)換公式為X(K)=Σn=0N-1x[n]e-j2πnklN,(k=0,1,...,N-1)]]>其中x(n)是列長為N(n＝0，1，...N-1)的輸入序列，X(k)為有限長為N的序列x(n)的離散傅立葉變換，WN＝e-j(2π/N)，在本實(shí)施例中N＝256因?yàn)閄(k)是復(fù)數(shù)，則可將其轉(zhuǎn)換成功率譜P(k)為P(k)＝|X(k)|2/N，k＝0～(N-1)在本實(shí)施例中N＝256運(yùn)用上面公式運(yùn)算，完成對信號的頻譜分析，計算出對應(yīng)頻率下的信號強(qiáng)度，結(jié)合系統(tǒng)對火焰特征頻率及有無火門檻值的預(yù)設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)對單燃燒器或多燃燒器的鍋爐的火焰燃燒狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。
圖8是上述FFT運(yùn)算的流程圖。圖8圖面上左邊的部分完成倒位序操作，F(xiàn)FT運(yùn)算中，N為2的整數(shù)次冪，X(k)為自然順序，但為了適應(yīng)原位計算，在運(yùn)算之前應(yīng)先對序列x(n)進(jìn)行倒序。倒序的規(guī)律就是把順序數(shù)的二進(jìn)制位倒置，即可得到倒序值。倒序數(shù)是在M位二進(jìn)制數(shù)最高位加一，逢2向右進(jìn)位。對于，M位二進(jìn)制數(shù)最高位的權(quán)值為N/2，且從左到右二進(jìn)制位的權(quán)值依次為冪N/4，N/8，…，2，1。因此，最高位加一相當(dāng)于十進(jìn)制運(yùn)算J+N/2。(J表示當(dāng)前倒序數(shù)的十進(jìn)制數(shù)值)；圖8圖面上右邊的部分完成FFT的運(yùn)算，根據(jù)DFT的基二分解方法，可以發(fā)現(xiàn)在第L(L表示從左到右的運(yùn)算級數(shù)，L＝1，2，3…M)級中，每個蝶形的兩個輸入數(shù)據(jù)(其中N為2的整數(shù)次冪，js＝Log2N，Imn[]蝶形因子虛部，Ren[]蝶形因子實(shí)部)相距B＝2^(L-1)個點(diǎn)，同一旋轉(zhuǎn)因子對應(yīng)著間隔為2^L點(diǎn)的2^(M-L)個蝶形。從輸入端開始，逐級進(jìn)行，共進(jìn)行M級運(yùn)算。在進(jìn)行L級運(yùn)算時，依次求出個2^(L-1)不同的旋轉(zhuǎn)因子，每求出一個旋轉(zhuǎn)因子，就計算完它對應(yīng)的所有的2^(M-L)個蝶形。因此，可以用三重循環(huán)程序?qū)崿F(xiàn)FFT變換。同一級中，每個蝶形的兩個輸入數(shù)據(jù)只對本蝶形有用，而且每個蝶形的輸入、輸出數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)又同在一條水平線上，所以輸出數(shù)據(jù)可以立即存入原輸入數(shù)據(jù)所占用的存儲單元。，這種方法可稱為原址計算，可節(jié)省大量的存儲單元。
如圖4、圖5的實(shí)施例，輸入頻率為20Hz，幅值為2V的正弦波的光信號。用768Hz的采樣頻率對信號進(jìn)行采樣，采樣序列x(n)長度為256，運(yùn)用上述FFT公式和流程，計算出對應(yīng)頻率下的功率譜P(k)的值為表1，曲線如圖4；圖4中橫坐標(biāo)為7的地方有一個尖峰值，其他頻率分量都很小，可以忽略。
表1

當(dāng)進(jìn)行FFT運(yùn)算之前，經(jīng)過數(shù)字濾波模塊濾去高頻干擾信號后，再進(jìn)行FFT運(yùn)算，計算結(jié)果如表2所示，其曲線如圖5所示；從圖5可以看出橫坐標(biāo)為7的地方也同樣存在一尖峰值，表2的數(shù)據(jù)與表1也相同，同樣其他頻率分量都很?。煌ㄟ^圖4和圖5的數(shù)據(jù)表明運(yùn)行數(shù)據(jù)和所要求的理論值相符。(注由于本實(shí)施例中，采樣周期為1/3秒，所以FFT運(yùn)算頻率的分辨率為3Hz，因此，橫坐標(biāo)為7對應(yīng)的頻率為21Hz)。
表2

如圖6、圖7的實(shí)施例，輸入頻率為360Hz，幅值為2V的正弦波的光信號。用768Hz的采樣頻率對信號進(jìn)行采樣，采樣序列x(n)長度為256，運(yùn)用上述FFT公式和流程運(yùn)算，計算出對應(yīng)頻率下的功率P(k)的值A(chǔ))在運(yùn)行中未加IIR低通數(shù)字濾波器，計算出對應(yīng)頻率下的功率譜P(k)值的數(shù)據(jù)如表3所示的曲線如圖6所示。從圖6中可以看出橫坐標(biāo)為120的地方有一個尖峰值，其他頻率分量都很小，可以忽略，這個數(shù)據(jù)與所要求的理論值相符。
表3

B)運(yùn)行中增加IIR低通數(shù)字濾波器后，計算出對應(yīng)頻率下的功率P(k)值，如表4所示，曲線如圖7所示。橫坐標(biāo)為120的地方有一個尖峰值，其他頻率分量都很小，可以忽略。但尖峰值的大小為92左右，與表3中的衰減幅度為DB＝1843/92＝20.03，說明增加IIR低通數(shù)字濾波器以后能有效濾除高于200Hz的信號，達(dá)到了預(yù)期的要求。
表4

權(quán)利要求
1.一種燃燒火焰信號處理系統(tǒng)，包括信號采集模塊和分析處理模塊，其特征在于包括位于信號采集模塊與分析處理模塊之間的數(shù)字濾波模塊；所述的信號采集模塊用于采集燃燒火焰的數(shù)字信號，該數(shù)字信號包括在有限長的時域和頻域內(nèi)等間隔連續(xù)采樣的時域信號和頻率信號以及與時域信號相對應(yīng)的火焰強(qiáng)度信號；所述的數(shù)字濾波模塊是采用IIR數(shù)字濾波器濾掉由上述信號采集模塊所采集的燃燒火焰頻率信號中的干擾信號；所述的分析處理模塊用于對經(jīng)過上述數(shù)字濾波模塊濾除干擾信號后的頻率信號進(jìn)行頻譜分析，采用快速傅立葉變換，計算出對應(yīng)頻率下的信號強(qiáng)度值，用以顯示火焰燃燒的狀況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒火焰信號處理系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)字濾波模塊中所采用的IIR數(shù)字濾波器是通帶為0Hz～200Hz的IIR低通數(shù)字濾波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒火焰信號處理系統(tǒng)，其特征在于所述的分析處理模塊采用的快速傅立葉變換是時間抽取基2的快速傅立葉變換。
全文摘要
一種燃燒火焰信號處理系統(tǒng)，包括信號采集模塊，數(shù)字濾波模塊和分析處理模塊。信號采集模塊采集在有限長的時域和頻域內(nèi)等間隔連續(xù)采樣的時域信號、頻率信號以及與時域信號相對應(yīng)的強(qiáng)度信號；采集的頻率信號通過數(shù)字濾波模塊濾去不需要的干擾信號；分析處理模塊對濾除干擾的頻率信號進(jìn)行頻譜分析，采用FFT計算出對應(yīng)頻率下的信號強(qiáng)度值。因?yàn)槭且曰鹧嫒紵奶卣黝l率來檢測火焰燃燒的狀況，所以，檢測結(jié)果更真實(shí)而準(zhǔn)確。
文檔編號G01J1/02GK1987376SQ20061014777
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月22日
發(fā)明者樊凱凱 申請人:上海神明控制工程有限公司