多形态火焰高度的小区间光强分布检测

(中国计量学院计量测试工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引言

推进剂作为化学品罐装加压物质广泛应用于日常产品中，燃烧和爆炸是其物理危害最为突出的表现形式。在联合国TDG、GHS及欧盟REACH等危化品法规[1-2]中，火焰高度是评定化学品火焰特定、确定的燃烧状态的重要参数[3]。可燃物质存在的状态不同，燃烧形式多种多样，燃烧的强度、火焰的形态及波长都不尽相同。现有常用的检测方法为人工目测法和基于机器视觉的图像检测法。目测法因火焰跳动和对无色火焰的不敏感性，难以准确捕捉火焰高度，特别是化学品检测过程存在较大危险。基于机器视觉的图像检测法是火焰高度检测的常用方法，因系统复杂、图像处理算法繁琐等难以适应各种强度和波长的火焰而存在一定局限[4-6]。

本文基于化学品分类鉴定过程中多形态、宽光谱的火焰高度检测需求，给出了一种广谱火焰高度检测方法。其特点是以光热传感阵列为核心的梳状火焰检测部件，双火焰检测部件错位镜像布局可扩展信息参数，运用小区间光强分布计算火焰高度。标准光源高度试验和多类型化学品火焰高度检测结果表明，本文提出的广谱火焰高度检测方法能够有效检测火焰高度。

1 火焰检测机构

目前，被认定为危险化学品的物质有3万多种，它们的燃烧形式多样，燃烧过程存在火焰脉动和肉眼不易觉察的淡蓝色火焰[7]。为明确化学品燃烧火焰情况，对泡沫气雾剂、定型摩丝、丙烷及酒精等典型易燃化学品的燃烧火焰进行光谱检测，结果如图1所示。

图1 典型易燃化学品燃烧光谱

由图1可以看出，不同类型物质光谱的波长分布范围相差较大且强度各异，使用单一传感器难以覆盖较大的广谱范围。物质燃烧的化学反应过程将释放光、热和声辐射等大量能量。为此，采用光谱感应范围为0.4～0.8 μm的光敏传感器阵列检测可见光，采用光谱感应范围为5.5～15 μm的红外热释电传感器阵列检测红外光，输出信号强度与光强呈线性关系。两组传感器阵列高250 mm，相距10 mm，满足化学品火焰宽谱检测需求，其结构分布如图2所示。

图2 传感器分布示意图

传感器阵列在传感器检测角度范围和光线入射角度的综合影响下，火焰尖端光线易斜向上入射至高于火焰实际位置的传感器而引起高度误判。为减弱和消除非水平方向的杂散光并精确捕捉火焰尖端高度，根据传感器阵列形状设计的梳状遮光装置如图3所示。

图3 梳状遮光装置

图3中：L=45 mm为单个遮光板长，相邻遮光齿的间距为10 mm,D为透光孔高度，θ为遮光板斜面角度。透光孔中心线与传感器光轴重合，单元遮光板安装于传感器之间，以分割火焰高度并消除水平方向外的其他光线干扰。在空间分布上，为提高检测分辨力，在检测区域另一侧安装呈错位镜像布局的检测板，即一侧检测模块的遮光板与另一侧检测模块的透光孔水平相对，右侧检测模块比左侧检测模块高5 mm。

双火焰检测模块的错位镜像分布可提高检测精度，但易使传感器检测时受到对面遮光板端面的光线干扰。因此,将遮光板设计为斜面，使火焰光线反射后偏离检测区域，消除干扰。根据极限条件，即定点定量物质燃烧时火焰最下端的光线入射到最上端的遮光板斜面反射后刚好偏离检测区，求得遮光板斜面角度θ=17.3°。为便于加工，实际斜面倾角为20°。

由于遮光装置表面经喷砂和发黑处理，非直接入射透光孔的光线强度经过多次漫反射和吸收后非常弱，只有直接入射到透光孔的光线是影响检测的重要因素。因此,透光孔理论上越小越好。配合传感器尺寸要求，透光孔高度D为3 mm。在化学品燃烧定点定量测试情况下，为使阵列中相邻传感器检测区域不重叠，计算调整遮光板到火焰的水平距离为105 mm。

2 火焰小区间光强分布算法

梳状火焰高度检测模块分割火焰高度，在每个高度上得到光热两个传感器信号，光敏传感器为主要检测传感器，红外热释电传感器补充目标信息。在暗室检测环境下，火焰的有无在信号幅值及其梯度输出上有较大差异性。硬件初始滤波后，传感器信号未检测到火焰时输出为零。

根据两类传感器对各种物质光谱的感应程度，对其加权求和，得到信号输出为：

(1)

式中：a1、a2为左侧火焰检测装置的光敏传感器和红外热释电传感器阵列检测到的信号；b1、b2为右侧火焰检测装置的光敏传感器和红外热释电传感器阵列检测到的信号；k1、k2为加权系数；i=[1,2,…，26]为基于火焰基端的阵列传感器编号。

错位镜像分布的火焰检测装置如图4所示。

图4 火焰高度检测示意图

在分割火焰高度时，梳状火焰高度检测模块的镜像错位安装进一步细分了火焰高度检测区域。相邻传感器检测区域之间存在1 mm左右的不重叠检测区s3，有效避免了在相对传感器检测临界点无法区分火焰高度位置。传感器检测区域存在3个对称的遮光板检测范围，其将中心轴上的高度分成s1、s2两部分，且s1=s2+s3。

根据传感器是否有信号输出，某时刻火焰左侧传感器阵列检测到最高火焰位置的传感器编号为i，右侧传感器阵列能检测到最高火焰位置的传感器编号为j。由于左侧传感器阵列比右侧高5 mm，对同一火焰高度有传感器编号i≥j，则火焰高度近似表示为：

(2)

初步估计火焰高度，火焰高度范围为[10i,10i+s1](i=j)或[10i-s2,10i](i>j)，在此区域内，光强近似均匀分布。

由于火焰的脉动性，在实际检测过程中，火焰尖端抖动对高度检测存在较大的干扰，易造成高度的误判。在初始火焰高度计算的基础上，在火焰尖端所在区间，通过光强分布进一步逼近真实高度。

假设火焰尖端区间内的火焰高度为x，当i=j时，可得：

(3)

从而求得：

(4)

则修正后的火焰高度为：

(5)

同理，当i>j时，火焰高度为：

(6)

对火焰高度进行分割，并根据小区间光强分布分析模拟真实火焰分布，以消除火焰尖端抖动干扰。同时，通过软件记录传感器感应火焰的时间计算火焰持续时间，实现多波长、多形态火焰高度的定量、非接触、低成本检测。

3 实测结果及分析

LED是一种固态半导体发光器件，可近似为朗伯光源[8-9]。将LED以5mm等间距直线排列构成线光源，通过软件设置LED亮灭模拟不同火焰高度。采用本文火焰高度检测方法得到的检测数据如表1所示。

表1 标准光源模拟检测数据

由表1可以看出，线阵光源模拟的火焰高度检测误差≤2 mm。为进一步验证火焰高度检测技术对化学品定量燃烧火焰高度的检测效果，在标准试验情况下，对泡沫摩丝、酒精、清洁剂和上光蜡4种典型易燃化学品进行定点定量燃烧试验。检测时在与火焰高度同高区域加装标尺，并用高速摄像机记录化学品燃烧过程；计算标尺中火焰的高度值并与本文方法的检测数据作比较，结果如表2所示。

由表2可知,采用本文检测方法得到的火焰高度能较好地接近火焰的真实高度，检测精度高。

表2 化学品火焰高度检测数据

4 结束语

本文针对易燃化学品火焰高度检测中存在的火焰多形态、宽光谱问题，提出了一种快速、低成本的广谱火焰高度检测方法。具体设计了针对火焰高度的检测机构，以分割并检测火焰高度；采用光、热双传感器的传感器阵列，扩大了火焰光谱检测范围；采用梳状遮光罩，消除了非水平方向的杂散光影响。在此基础上针对火焰的尖端扰动，根据小区间光强分布计算，进一步提高了检测分辨率。经试验结果认定，相对于传统图像检测方法，该检测方法成本低，在易于工程化实现的条件下检测精度高。

[1] United Nations.Recommendations on the transport of dangerous goods manual of tests and criteria fourth revised edition.ST/SG/AC.10/11/Rev.4.

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