具有辐射能量估计的多频谱火焰检测器制造技术

一种用于危险位置的工业安全应用的火焰检测器(100)，其被配置用于辐射能量监控、量化和信息传输。系统具有至少一个光学传感器通道，每个光学传感器通道包括被配置成在危险位置处从视场内的受监视场景接收光能的光学传感器(2a，2b，2c，2d)，通道产生提供由光学传感器在传感器频谱带宽内接收的光辐射能量的量化指示的信号(3a，3b，3c，3d)。处理器(6，120)对来自至少一个光学传感器通道的信号做出响应以提供火焰的存在的火焰存在指示以及表示来自受监视场景的光辐射能量的幅度的量化指示。人工神经网络可以可选地用于提供对应于火焰状况的输出。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
用于危险位置的工业安全的火焰检测器具有用于检测指示火焰的存在的电磁辐射(包括可见光、红外光或者紫外光)的一个或多个光学传感器。火焰检测器可以检测和测量例如大约4.3微米的红外(IR)辐射，该波长是由燃烧的碳氢化合物产生的二氧化碳的频谱发射峰值的特性。通过多传感器火焰检测器而单独使用的光学传感器在其视场内感测到的频谱范围内连续地监测来自所有辐射源的总辐射入射。辐射源包括要检测的火焰源以及诸如日光、反射、电弧焊、发热设备和具有典型的工业设置的结构等非火焰滋扰源。虽然这样的辐射信息可以通过光学传感器来连续地监控，然而用于安全应用的工业火焰检测器是“通过不通过”设备，其具有正常非活动状态，之后是警告状态以及在检测到火时的警报状态。火焰检测器可以产生由于仪器不能够区分由火焰发出的辐射和由诸如以上列出的其他滋扰源发出的辐射而引起的虚假警报附图说明本领域技术人员根据如附图中图示地对其示例性实施例的以下详细描述将很容易理解本公开的特征和优点，在附图中：图1是使用多个光学传感器的火焰检测系统的示例性实施例的示意性框图。图1A图示适合用于多频谱火焰检测系统的光学传感器的示例性传感器壳体结构。图2是图1的多频谱火焰检测系统的模拟前端的示例性实施例的电子框图。图3是图1的火焰检测系统的信号处理功能的示例性实施例的功能流程图。图4A是在图3中图示的多频谱火焰检测系统中使用的预处理功能的示例性实施例的示例性流程图。图4B是在图1-图4A中图示的多频谱火焰检测系统中使用的辐射能量计算的示例性实施例的流程图。图5图示在图1-图4中图示的多频谱火焰检测系统中使用的ANN处理的示例性实施例。图6是如图1中的火焰检测系统的信号处理功能的另一示例性实施例的功能框图。图7是用于在数量和质量上评估所检测的情况的示例性0-20mA模拟电流接口的图示。图8是如图1中的火焰检测系统的信号处理功能的另一示例性实施例的功能框图。图9是如图1中的火焰检测系统的信号处理功能的另一示例性实施例的功能框图。具体实施方式在以下的详细描述中以及在附图中的若干图中，相似的元素用相似的附图标记来标识。附图没有按比例，并且可以出于说明目的而放大相对的特征大小。图1图示包括四个光学传感器或感测元件2a、2b、2c、2d的多传感器火焰检测系统1的示例性实施例的示意性框图。在本示例性实施例中，光学传感器用于感测红外频谱中的能量。在示例性实施例中，由传感器生成的模拟信号通过电子装置3a、3b、3c、3d被调节并且然后通过模数变换器(ADC)4被变换成数字信号。在图1的示例性实施例中，多频谱火焰检测系统1包括电子控制器或信号处理器6，例如数字信号处理器(DSP)、ASIC或者微型计算机或基于微处理器的系统。在示例性实施例中，控制器6可以包括DSP，然而可以备选地部署其他设备或逻辑电路用于其他应用和实施例。在示例性实施例中，信号处理器6还包括：作为串行通信接口(SCI)的双通用异步接收器发射器(UART)61、串行外围接口(SPI)62、可以用于监控温度传感器7的内部ADC63、用于外部存储器(SRAM)21的外部存储器接口(EMIF)64、以及用于片上数据存储的非易失性存储器(NVM)。Modbus91或HART92协议可以用作用于UART61上的串行通信的接口。这两个协议连同诸如PROFlbus、Fieldbus和CANbus等用于将现场仪器接口连接到计算机或可编程逻辑控制器(PLC)的其它协议在过程工业中是众所周知的。在示例性实施例中，信号处理器6通过SPI62从ADC4接收数字检测器信号5。在示例性实施例中，信号处理器6通过SPI62连接到多个其他接口。这些接口可以包括外部NVM22、警报中继23、故障中继24、显示器25和模拟输出26。在示例性实施例中，模拟输出26可以是0-20mA输出。在示例性实施例中，模拟输出26处例如16mA的第一电流水平可以指示火焰警告状况，模拟输出26处例如20mA的第二电流水平可以指示火焰警报状况，第三电流水平可以指示正常操作，例如在不存在火焰时，并且模拟输出26处例如0mA的第四电流水平可以指示系统故障，其可能是由诸如电气故障等的状况引起的。在其他实施例中，可以选择其他电流水平来表示各种状况。在示例性实施例中，模拟输出26可以用于触发火抑制单元。在示例性实施例中，信号处理器6被编程为执行预处理和ANN处理，如下面更全面地讨论的。在示例性实施例中，多个检测器2包括可以具有不同的频谱范围并且可以布置成阵列的多个频谱传感器。在示例性实施例中，多个检测器2包括对多个波长敏感的光学传感器。检测器2中的至少一个或多个可以能够检测在火焰发出强的光辐射的频谱范围内的光辐射。例如，传感器可以检测在UV到IR频谱范围内的辐射。仅作为示例，适合在示例性火焰检测系统1中使用的示例性传感器包括硅、碳化硅、磷酸镓、氮化镓和铝氮化镓传感器以及光电管类型的传感器。适合用于在示例性火焰检测系统中使用的其他示例性传感器包括IR传感器，诸如例如热电、硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)以及其他量子或热传感器。在示例性实施例中，合适的UV传感器在200-260纳米的范围内工作。在示例性实施例中，光电管类型的传感器和/或铝氮化镓传感器每个提供“日盲性”或者对日光的抗扰。在示例性实施例中，合适的IR传感器在碳氢火焰特定的4.3微米的范围内和/或在氢火焰特定的2.9微米的范围内工作。在示例性实施例中，除了出于对火焰发射(例如UV，2.9微米以及4.3微米)的灵敏性而被选择的传感器，多个传感器2还包括对不同波长敏感以帮助标识和区分火焰辐射和非火焰辐射的一个或多个传感器。被称为抗扰传感器的这些传感器对火焰发射不太敏感，但是，提供关于红外背景辐射的额外的信息。抗扰传感器检测与火焰不相关联的波长，并且可以用于帮助区分来自火焰源和非火焰源的辐射。在示例性实施例中，抗扰传感器包括例如2.2微米波长检测器。适合这一目的的传感器在美国专利6,150,659中有所描述。在图1的示例性实施例中，火焰检测系统1包括四个传感器2a-2d的阵列，其包括分别对4.9微米(2a)、2.2微米(2b)、4.3微米(2c)和4.45微米(2d)的辐射敏感的频谱滤波器。在示例性实施...

【技术保护点】
一种用于危险位置的工业安全应用的火焰检测器，被配置用于辐射能量监控、量化、以及随后的信息传输，所述火焰检测器包括：至少一个光学传感器通道，每个通道包括被配置成从在危险位置处视场内的受监视场景接收光能的光学传感器，所述通道产生提供由所述光学传感器在传感器频谱带宽内接收的光辐射的量化指示的信号，所述光学传感器被配置用于检测在火焰发出强的光辐射的频谱区域中的光辐射；处理器，对来自所述至少一个光学传感器通道的所述信号做出响应并且被配置成数字地处理和分析所述信号以提供真正火焰事件的检测的火焰存在指示，并且提供所述受监视场景的辐射能量输出的量化指示，以及在检测到火时生成火焰警报信号；以及输出电路，用于向应用设备传输所述火焰警报信号和所述量化指示。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.23 US 14/162,6451.一种用于危险位置的工业安全应用的火焰检测器，被配置用
于辐射能量监控、量化、以及随后的信息传输，所述火焰检测器包
括：
至少一个光学传感器通道，每个通道包括被配置成从在危险位
置处视场内的受监视场景接收光能的光学传感器，所述通道产生提
供由所述光学传感器在传感器频谱带宽内接收的光辐射的量化指示
的信号，所述光学传感器被配置用于检测在火焰发出强的光辐射的
频谱区域中的光辐射；
处理器，对来自所述至少一个光学传感器通道的所述信号做出
响应并且被配置成数字地处理和分析所述信号以提供真正火焰事件
的检测的火焰存在指示，并且提供所述受监视场景的辐射能量输出
的量化指示，以及在检测到火时生成火焰警报信号；以及
输出电路，用于向应用设备传输所述火焰警报信号和所述量化
指示。
2.根据权利要求1所述的火焰检测器，其中所述至少一个光学
传感器通道的所述光学传感器具有位于红外(IR)波长范围内的频
谱带宽。
3.根据权利要求1所述的火焰检测器，其中所述量化指示提供
由引起火焰检测事件的火生成的辐射热量的估计。
4.根据权利要求1所述的火焰检测器，其中所述至少一个光学
传感器通道包括自动增益电路(AGC)，以防止或降低在存在高的
所接收的光能的情况下的饱和效应，并且AGC增益信号提供作为与
所接收的光辐射能量成反比的连续指示的增益信号值，并且所述处
理器对所述AGC增益信号做出响应以产生所述量化指示信号。
5.根据权利要求4所述的火焰检测器，其中所述至少一个光学
传感器通道包括多个红外(IR)传感器通道，每个红外(IR)传感
器通道对来自其他IR传感器通道的不同波长的IR能量做出响应，

\t并且所述控制器被配置成在产生所述量化指示信号时针对所述多个
IR传感器通道对所述AGC增益信号值求平均。
6.根据权利要求1所述的火焰检测器，其中所述处理器包括用
于提供所述火焰存在指示的人工神经网络。
7.根据权利要求1所述的火焰检测器，其中所述处理器被配置
成使用基于专家的规则生成所述火焰存在指示。
8.根据权利要求1所述的火焰检测器，其中所述处理器被配置
成：将所述量化指示与预设门限相比较，并且仅在真正火焰事件的
所述火焰存在指示被提供并且所述量化指示超过所述预设门限的情
况下生成所述火焰警报信号。
9.一种用于危险位置的工业安全应用的火焰检测器，被配置用
于辐射热量(IR)监控、火焰检测、辐射热量输出的量化、以及随
后的信息传输，所述火焰检测器包括：
多个光学传感器通道，每个通道包括被配置成从在危险位置处
视场内的受监视场景接收光辐射的光学传感器，每个通道产生提供
由所述光学传感器在不同于其他光学传感器通道的频谱带宽内接收
的光辐射的辐射度比例信息的信号；
处理器，对来自所述光学传感器通道的所述信号做出响应以用
于数字地处理处所述信号以提供指示真正火焰事件的检测的火焰存
在信号，并且提供所述受监视场景的辐射能量输出(RHO)的量化
指示信号；以及
输出电路，用于向应用设备传输根据所述火焰存在信号得到的
或表示所述火焰存在信号的信号以及所述量化指示信号。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述光学传感器通道中的
一个或多个包括对给定的IR波长或带宽敏感的红外(IR)传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·赫西诺夫，S·B·巴利加，J·G·罗梅罗，C·菲利蒙，
申请(专利权)人：通用显示器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US