火焰检测原理
火焰检测原理
所有燃料燃烧都会辐射一定量的紫外线和大量的红外线，光谱包括红外线、可见光和紫外线。因此，整个光谱可用于检测火焰的存在或不存在。
由于燃料种类不同，火焰辐射强度不同，火焰检测部件也不同。一般来说，在燃烧的煤粉火焰中，除了含有三种原子气体（如CO2和水蒸气）外，还含有一些发热的粒状焦炭颗粒，以及它们的强红外、可见光和一些紫外线辐射，紫外线通常很容易被燃烧产物和烟尘颗粒吸收，并迅速减少，因此煤粉燃烧火焰宜采用可见光和红外火焰探测器。而在用于加热炉和点火的油火焰中，除了一部分CO2和水蒸气外，还有大量发光炭黑颗粒，它们还可以辐射更强的可见光、红外线和紫外线，因此可以用来检测火焰中三种更敏感的成分进行测量。当使用可燃气体作为主要燃料时，火焰初始燃烧区域的紫外线辐射很强。除了稳定的电磁波，所有的火焰都在脉动。因此，单燃烧器工业锅炉的火焰监测可通过使用带低通滤波器（10-20 Hz）（通常使用硫化铅）的红外固体探测器利用火焰脉动变化特性。但电站锅炉多燃烧器炉膛火焰的闪烁规律不同于单燃烧器工业锅炉，特别是在燃烧器喉部，闪烁频率范围更宽。
硫化铅（PbS）传感器是一种硫化铅光致抗蚀剂，其特征在于对红外辐射特别敏感。当燃料燃烧时，化学反应产生闪烁的红外辐射，使硫化铅光敏电阻感应，转换成电信号，然后由放大器处理，输出4-20mA或0-10V模拟量。在光谱中，红外线的波长超过600nm，而这种硫化铅传感器的光谱灵敏度为600nm-3000nm，可以有效收集大部分红外辐射，还可以覆盖可见光中的部分红光，从而充分确保收集到的火焰信号的真实性。
磷化钾（GaP）传感器，是一种磷化钾光致抗蚀剂，其特征在于对紫外辐射特别敏感。当燃料燃烧时，化学反应产生闪烁的紫外线辐射，使磷化钾光敏电阻感应，转换成电信号，然后由放大器处理，输出4-20mA或0-10V模拟量。在光谱中，紫外波长小于380nm，而该硫化铅传感器的光谱灵敏度为190nm-550nm，可以有效收集大部分紫外辐射，也可以覆盖可见光中的大部分紫光，从而充分保证采集到的火焰信号的真实性。
在低频范围内（10-20Hz），煤粉和油在有火或无火情况下的闪烁强度差异非常小。有火和无火煤粉之间辐射强度最大差异处的闪烁频率约为300Hz，有火和无火燃油之间的差异应处于更高的频率（高于100Hz），以实现更好的检测。
闪烁频率和辐射强度之间的关系取决于燃烧器配置、检测方法、燃料类型、燃烧器的操作条件（如燃料空气比、一次风速）和观察角度。一般来说：
1） 火焰的初始燃烧器中的火焰闪烁频率较高，然后朝着燃尽区域依次降低。
2） 探测器越靠近火焰的初始燃烧区，探测到的高频分量（100-400Hz）越强；
3） 探测器探头的视角越窄，探测到的火焰信号越真实；反之亦然。
可以推断，全炉监测的闪烁频率远低于单燃烧器监测。
燃烧器火焰的形状被人为地分为四个部分：黑龙区、初始燃烧区、燃烧区和从喉部开始的燃尽区。第一阶段是暗煤粉和一次风的混合物，我们称之为黑龙区，辐射强度低，闪烁频率低。第二阶段是初始燃烧区。由于高温炉气加热和火焰回流，煤粉开始燃烧，大量煤粉颗粒放气形成亮点流。该阶段的特点是该部分煤粉的燃烧亮度不是很大，但其闪烁频率达到最大值，可以超过100Hz。第三阶段是燃烧区，也称为完全燃烧区。每个煤粉颗粒在二次风的充分混合下完全燃烧，产生大量热量。该阶段火焰亮度最高且最稳定，但闪烁频率低于初始燃烧区。第四部分是燃尽区域，此时大部分煤粉燃烧形成飞灰，少数较大颗粒继续燃烧，最终形成高温炉膛气流，其火焰亮度和闪烁频率相对较低。应注意的是，上述频率指的是闪烁频率，它与某些火焰探测器中的脉冲频率基本不同。前者是燃料混合物火焰燃烧的特征特性，而后者仅是显示火焰强度的方法。
在锅炉燃烧现场，我们可以发现使用紫外光敏管检测器或磷化钾检测器监测煤粉燃烧
燃烧装置，通过检测火焰信号强度可能等于或低于相邻火焰信号强度，这是因为靠近燃烧器喉部的部分中未燃烧的煤粉往往具有遮盖效果，它实际上是煤粉和一次空气混合物的深色，我们称之为黑龙区，如果火焰检测器是通过该区域或靠近黑龙的视线，当燃烧器停止运行而其他燃烧器继续在炉膛内燃烧时，而不是原始信号强度增加，则该结构是使用紫外光管检测器监测煤粉燃烧器的一个大问题，但如果选择使用紫外光敏管或磷化钾检测油枪的点火，则会起到利与弊的作用，可以有效防止“窥视”问题。
因此，建议使用可见光检测器或红外检测器来检测火焰闪烁的高频分量。由于气体火焰不具有煤火焰和油火焰的高频（100-400Hz）脉动特性，因此红外探测系统对气体火焰无效，建议对所有气体燃料使用紫外线探测器。
ABB在30多年前推出了世界上最古老的可见光型火焰检测系统，并在全世界得到了广泛应用，但在长期的应用过程中发现火焰检测器，经常看到火灾困难的情况，有时会频繁发生“窥视”，并分析其原因，主要是在使用一些相对劣质的煤或现在很多电厂经常使用混合煤燃烧，黑龙区域的火焰变长，因此可见光熄灭后往往集中在黑龙区域和初始燃烧区域的部分，火焰强度大大减弱，不会发生火灾；此外，可见闭式消防检查也受负荷与一次风之比的影响很大。因此，红外线和紫外线检测已逐渐取代可见光检测。
一般来说，炉膛火焰发出的辐射能以不同的频率闪烁，不同燃料和燃烧器的闪烁频率也不同。火焰的平均光强度在熔炉中良好燃烧和不良燃烧之间有所不同。火焰检测器是利用火焰的闪烁频率和光的辐射强度来综合判断火焰的强弱。
