王冠鷹 鄭占旗 宋文剛 張立軍

摘要：針對基于紫紅外光敏管報警的三波段火焰探測器，提出一種高可靠的軟件算法。該算法在以往簡單判定閾值方法的基礎(chǔ)上，通過對紫紅外信號進行分類，利用頻域分析、時域分析、信號特征分析等多種方法進行處理，進一步優(yōu)化了報警信號的觸發(fā)邏輯，提升了探測器靈敏性。同時具備高可靠防誤報能力，能夠有效排除多種非火焰因素的干擾。經(jīng)過試驗測試表晴，火焰探測器各項指標滿足預期要求。

關(guān)鍵詞：火焰探測器;軟件算法;火災報警;算法優(yōu)化;現(xiàn)場測試;軟件實現(xiàn)

中圖分類號：TN362-34：X932

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019） 24-0030-04

0 引言

紫紅外火焰探測器是根據(jù)火焰的光輻射特征，采用雙紅外波段（2.7-4.35 μm）和單紫外波段（185-260 nm）共三個波段作為敏感區(qū)間，對火焰信號進行監(jiān)測并進行報警輸出的裝置[1]。其可以用于火焰燃燒監(jiān)控、火災自報警和特殊場合滅火抑爆[2-3]。相較于其他報警裝置，火焰探測器能夠在ms量級對火焰準確識別，具有無可比擬的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于礦井、油田、石化企業(yè)、易燃易爆儲存等場所，以滿足滅火抑爆需要[4]。

在現(xiàn)有的簡單判斷觸發(fā)閾值的報警邏輯中，一直存在誤報率過高問題。實際使用面臨的干擾因素較多，太陽光、雷電、電磁脈沖、各種人工光源等是最常見的干擾源。產(chǎn)生的信號變化與真實火警重疊，有可能引起誤報警邏輯觸發(fā)。未具備較高的綜合防誤報能力，未能滿足高可靠的性能要求。

針對基于紫紅外光敏管理報警的三波段水焰探測器，本文提出一種較為可靠的判斷算法。通過對紫紅外信號進行處理，設(shè)計紫紅外常態(tài)觸發(fā)邏輯和單紫外強觸發(fā)邏輯兩種邏輯，最后對觸發(fā)信號特征再次排除。該算法經(jīng)過現(xiàn)場測試，各性能達到預期要求，在保持高靈敏、高精度的同時，具有高可靠防誤報能力。

1 報警原理

物質(zhì)在燃燒的過程中，會不同程度向外放出各種波長的輻射，標準火焰的輻射光譜在整個波段范圍內(nèi)的強度分布如圖1所示，火焰的發(fā)射光譜跨越紫外、可見光、和紅外三個頻譜帶[5]。火焰探測器主要是通過對燃燒過程中所產(chǎn)生的光的變化進行判斷來實現(xiàn)火災報警的目的[2]。可以用作火警特征的信號波段分為紫外波段，以及多個紅外波段[6]。

紫外波段輻射來源于金屬原子發(fā)射譜和微弱的NO帶狀譜，一般將290 nm以下作為檢測區(qū)域，這是因為，日光是重要的干擾源[7]，它具有十分復雜的分布。由于大氣層吸收，最終到達地球表面的紫外線波長大于290 nm。采用紫外波段（185-260 nm）檢測避開了自然光源的復雜背景，具有較高的可靠性[8]。

紅外輻射大多為H20，C02，C0，02和N2等分子在受激狀態(tài)下放出的電磁輻射[9]，有多個波段可用于火焰識別，最重要是4.35 μm附近的C02原子團的光譜[10]，為火焰所特有，且具有絕對大強度，是最常用紅外波段。同時，2.7μm附近波段范圍也被用于紅外檢測，以提高火焰探測器系統(tǒng)的可靠性。

火焰探測器由多個光學傳感器組成，具體框圖如圖2所示。紫外光敏管是一個封閉玻璃管，具有對火焰反應(yīng)速度快、高靈敏度、高輸出、可靠性好等特點。紅外光敏管是一種光敏電阻，紅外1表示4.35 μm的光敏管，紅外2表示2.7 μm的光敏管。根據(jù)設(shè)計要求，火焰探測器可以準確快速識別真實的火焰信號無漏報，并且具備綜合防誤報能力，因此需要科學有效的軟件算法設(shè)計。

2 算法實現(xiàn)

火焰報警程序算法主要包括系統(tǒng)初始化模塊、火焰判斷模塊和報警輸出模塊等部分。初始化模塊主要完成系統(tǒng)功能的初始化及探頭狀態(tài)自檢，并對基準電壓進行初始設(shè)定?；鹧媾袛嗄K主要對狀態(tài)參量實時處理跟蹤，當滿足一定的報警邏輯設(shè)定之后，判斷為火警信號。報警輸出模塊是程序的輸出口，進行火警輸出，并產(chǎn)生相應(yīng)動作進行滅火抑爆。其中火焰判斷模塊是算法的核心模塊，包括單紫外強邏輯觸發(fā)和紫紅外常態(tài)觸發(fā)兩種類型。整個程序算法的流程圖如圖3所示，A，a，b均為設(shè)定量。

2.1 單紫外強邏輯觸發(fā)

單紫外觸發(fā)的設(shè)計思想是面向近距離內(nèi)、短時間的、較大強度的火焰類型。此時火焰已足夠強大，產(chǎn)生的計數(shù)已足夠多，已超過非火焰因素所對應(yīng)的計數(shù)極限，可以依靠紫外邏輯產(chǎn)生火警觸發(fā)，而無需再等待紅外信號的疊加。采用這種方式，可以實現(xiàn)對短時、近距、高強的火警快速判斷、迅速處置的目的。

一般來說，單紫外觸發(fā)的閾值較大。為了提升可靠性，在此基礎(chǔ)上設(shè)置較強的邏輯門檻，同時對脈沖的時間特征進行判斷，只有滿足兩重條件，才真正判定為火警信號，以防止產(chǎn)生誤報警。整個過程如下：

Stepl：閾值分析。以某一間隔為計時周期.每個計時周期內(nèi)計數(shù)達到閾值A(chǔ)，則進行時間特征判斷。

Step2：時間分析。對滿足閾值的觸發(fā)信號，分析每個時間內(nèi)的計數(shù)，如果符合以下之一，則判為滿足：

1） Aver_UL[1]>Aoo;

2） （Aver_UL[I]>Aii）&&（Aver_UL[2]>A12）

3） （Aver_UL[1]>A21）&&（ Aver_UL[3]>A22）;

4）（ Aver_UL[2]>A3.）&&（Aver_UL[3]>A32）.

其中Aver_UL[i]（i=1，2，3）代表了每個最小時間內(nèi)的計數(shù)，Aij（ i=0，1，2，3;j=0，1，2）代表了相應(yīng)的閾值。

Step3：預報警輸出。

2.2 紫紅外常態(tài)觸發(fā)

紫紅外觸發(fā)是算法內(nèi)基本常設(shè)判斷設(shè)定，是一種常態(tài)觸發(fā)邏輯。采用紫外和紅外作為判斷信號，具有比較高的可靠性，適宜于大部分火焰類型檢測。

在正常狀態(tài)下，紫外不應(yīng)有輸出，紅外1和紅外2會維持一個較高電壓?；鹧姘l(fā)生時，紫外產(chǎn)生脈沖計數(shù)，紅外1和紅外2會出現(xiàn)不同程度的下降。實際使用中，任意一個達到設(shè)定閾值，即產(chǎn)生紅外觸發(fā)。

具體流程如下：

Stepl：紫外判斷。某一間隔為計時周期，每個周期內(nèi)紫外計數(shù)達到閾值a（a《A），則進行紅外判斷。

Step2：紅外判斷。以紅外1及紅外2的前一時刻幅值為信號的判斷基準，如果下一時刻的幅值超過了b_t%，則滿足條件。其中b_t（i=1，2）代表紅外1或紅外2的下降幅度，可以根據(jù)實際進行設(shè)定。

Step3：預報警輸出。

2.3 誤報警觸發(fā)排除

在取得預報警信號之后，算法并不即刻進行輸出。為了實現(xiàn)高可靠的火焰探測，還要再次進行誤報警排除，才能最終輸出報警信息。誤報警觸發(fā)排除主要是進行觸發(fā)信號比對，會將所觸發(fā)報警的信號特征與已存儲的非火焰信號特征進行比對，如果完全符合則排除報警，否則解除等待直接輸出報警信息。

3 試驗結(jié)果

3.1 響應(yīng)時間試驗

火焰探測器的響應(yīng)時間測試采用電子快門測試臺系統(tǒng)[11]，測試火源為標準火，符合GJB1734A規(guī)范，距離探測器為40 cm?；鹪磁c探測器之間有電子快門計時系統(tǒng)，計時起點與快門開啟時刻同步，計時終點為探測器信號端輸出報警信號，最終兩個信號的時間差由計時系統(tǒng)自動讀取。

試驗結(jié)果如圖4所示。橫軸表示火焰探測器編號，ij表示了第i批次的第j個，進行10次試驗，計算平均值、標準差。由圖可以看出，所有火焰探測器的響應(yīng)時間全部滿足≤2 ms，且分布比較穩(wěn)定。在所有的測試結(jié)果中，最小值為0.31 ms（12號），最大值為1.81 ms（ 21號）。

3.2 探測距離試驗

距離測試采用標準導軌氣動快門方式，火源不變，開門方式改由氣動觸發(fā)。隨機選取兩個火焰探測器分別放置在距離火源1.2 m，3.0 m的地方進行測試。測試10次，取平均值、標準差，結(jié)果如表1所示。

可以看到，在1.2 m時，響應(yīng)時間區(qū)間為0.95 -2.28 ms;對于3.0 m，響應(yīng)時間區(qū)間為1.26-116.82 ms?；鹧嫣綔y器對于不同距離的近、中、遠程火全部都能夠響應(yīng)，產(chǎn)生報警輸出。

3.3 防誤報試驗

針對火焰探測器實際使用中可能面臨的干擾因素，設(shè)計了7種類型防誤報測試，內(nèi)容如表2所示。先置于暗室環(huán)境中，依次用各干擾項進行測試，觀察是否會輸出報警信號。測試結(jié)果表明，火焰探測器具備良好的防誤報能力，能夠有效排除日光、各類人工光源、環(huán)境、熱輻射、電磁輻射等非火焰因素引發(fā)的誤報警。

4 結(jié)語

火焰識別算法是探測器能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)、穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵，為此，設(shè)計了紫紅外常態(tài)觸發(fā)，以及單紫外強邏輯觸發(fā)的兩種報警邏輯。經(jīng)過現(xiàn)場測試，火焰探測器的響應(yīng)時間、探測距離、防誤報等各項性能指標均達到預期要求，解決了火焰探測器一直存在的誤報率過高的問題。下一步，將繼續(xù)優(yōu)化算法，進一步提升火焰探測器的綜合性能。

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作者簡介：王冠鷹（1991-），男，山東德州人，博士，博士后研究人員，研究方向為微電子學與固體電子學。

鄭占旗（1982-），男，河南鄭州人，博士，助理研究員，研究方向為微電子學與固體電子學。

宋文剛（1996-），男，四川宜賓人，博士研究生，研究方向為微電子學與固體電子學。