基于钾元素发射光谱的木粉尘火焰/火花检测装置*

倪申健 尚征帆 张 杰 徐兆军 那 斌

（南京林业大学，江苏 南京 210037）

近年来，粉尘燃爆事故常见诸报端，分析事故发生的原因可以发现，粉尘火花是引发这些事故的一个必要条件[1-3]。木材加工厂在输送粉尘的过程中，可能混入之前工序中残留的金属颗粒，其与管壁之间碰撞摩擦致使粉尘产生火花，引发燃爆等事故，以致造成人员伤亡和财产损失。为减少这类事故的发生，一方面应控制粉尘燃爆五边形中其余四个因素，即漂浮态粉尘、密闭空间、存在可燃性气体和可燃性粉尘[4-5]，另一方面则需迅速识别并扑灭出现的粉尘火花[6]。因此，研发快速识别、准确判断的火花检测装置对于人造板的安全生产具有十分重要的意义。

国外有较多企业提供粉尘火焰/火花检测的技术方案，但产品中包含的传感器国内无法购置，一旦设备损坏不仅需要高昂的维修费，更会耽误工期，且不易维修，因而限制了其大范围应用。为此,国内外学者展开相关研究以寻求解决方案，Hashim等[7]运用人工神经网络和小波变换优化火花检测装置；韩科立等[8]利用光电二极管设计出采棉机输送管道的火花检测系统；李杨等[9]通过优化光电检测电路，采取对射式无盲区检测方式，对管道输送火花检测技术进行研究，以实现高灵敏性火花检测与熄除一体化。

综合来看，目前常见的粉尘火花检测方式可分为四大类，分别为图像[10-11]、温度[12]、烟雾[13]以及光电[14-15]。其中，基于图像的检测方式,利用视频对目标进行监测，检测范围大、响应速度快，但是设备体积较大，而且处理图像的过程十分复杂。基于温度的检测方式,利用目标燃烧过程中热量累积的原理，通过温度传感器采集热量信息，是一种间接反映火花是否产生的检测方式，信号获得较为迟滞。基于烟雾的检测方式,通过检测目标对象释放烟雾的浓度进行判别，这种方式无法真实反映有无火花产生，如阴燃前期只有烟没有火花[15-18]。基于光电的检测方式,需要设计出复杂的光电信号采集电路，易受外界电磁场的干扰，容易产生误差。针对上述检测方式的不足，本文提出一种基于钾元素发射光谱的粉尘火焰/火花检测方法，并依此设计一款木粉尘火焰/火花检测装置，助力企业安全生产，为预防粉尘燃爆事故提供技术支撑。

1 检测原理

1.1 理论背景

树木在其生长过程中不断从土壤中吸收水分、矿物质等营养，同时将这些养分存储于树干中。当树木成为木材时，部分养分被锁存在木材中，因而在木材的抽提物中能检测到钾、钠、锰、铁等元素[19-21]。

在特定检测方法下会显示出这些元素的特征，光谱便是其中一种。光谱学是研究电磁波与物质之间相互作用的一种方法，而电磁波主要由来自于原子核外电子跃迁辐射产生。原子核外电子运行的轨道称为能级，如图1所示，每个能级跃迁所需要的能量各不相同,越靠近原子核需要的能量越大。正常状态下，原子处于基态；原子吸收能量后，部分核外电子就会跃迁成为自由状态,不受原子核束缚，此时原子处于激发态，如图2 所示。

图1 原子能级图Fig.1 Atomic energy level diagram

图2 基态与激发态Fig.2 Ground state and excited state

1.2 理论依据

玻尔理论给出了一般性原子的总能量[22]，如公式1所示。

式中:ћ为约化普朗克常数；m为原子质量,kg；a为电子距离原子核的距离,m；e为电子势能,J；E为原子总能量,J。

对公式（1）求微分，可得公式（2）：

通过公式（2-3）计算得到的单电子跃迁能量极小，但大量电子的累积便能带来质变。研究表明，达到粉尘云满足最小点火能时的能量为毫焦量级[23-24]。进一步利用公式（4）可以得到该能量所辐射出的光谱波长，如公式（5）所示。

式中：h为普朗克常数；c为光速,m/s；v为频率,Hz；λ为电磁波长,nm。

1.3 理论验证

1.3.1 试验材料与设备

材料：马尾松(Pinus massonianaLamb. ), 安徽大别山；杨木（PopulusL.）, 江苏宿迁。利用热平面模拟火花的点火源，采用蔚海光学仪器（上海）有限公司生产的海洋光学的光谱仪(SN：OS361AC55004186）采集光谱信号，光谱检测范围350～1 020 nm。

1.3.2 试验结果

粉尘火焰/火花光谱特征预实验图像如图3 所示，虚线为粉尘正常状态下采集到的背景谱线，几乎是一条水平直线；实线为马尾松火焰/火花光谱特征，在750～800 nm附近出现了一个峰值；点划线为杨木火焰/火花光谱特征，在600 nm附近有一个峰值，在750～800 nm附近也出现了一个类似于马尾松的波峰。根据有关文献[25-26]研究，生物质材料在600 nm附近会有钠元素特征光谱，750～800 nm附近会有钾元素特征光谱。

图3 粉尘火焰/火花光谱特征Fig.3 Spectral characteristics of dust flame / spark

2 检测装置设计

针对马尾松和杨木火焰/火花的共同特征——钾元素特征光谱，选择可见光-近红外光谱元件作为检测装置的探测元件，其中近红外部分能够更好地涵盖钾元素光谱产生的边界，而可见光部分则可以用于钠元素特征光谱的检测，增加检测的可靠性。

2.1 元件选型

选择HAMAMATSU公司生产的C12880MA型微型光谱采集元件作为本研究的信号采集元件，其性能参数如表1 所示，实物及其检测原理如图4 所示，入射光通过狭缝经凹面反射汇集于CMOS成像元件中，形成各通道检测数值。

表1 C12880MATab.1 Parameters of C12880MA

图4 光谱实物及其检测原理Fig.4 Spectral object and its detection principle

用公式（6）将每个通道采集到的数据转化为谱线波长:

式中：a0～a5为光谱仪内置系数；pix为每个通道采集的光数据。

2.2 方案设计

从工厂实际使用环境考虑，列出可能的功能需求，如表2 所示，并依此进行装置的总体设计，如图5 所示。

图5 硬件整体设计Fig.5 Overall hardware design

表2 功能需求Tab.2 Functional requirements

图6为HAMAMATSU推荐元件驱动电路，据此设计C12880MA的外围电路，如图7所示，其中ADP7104ARDZ-R7是一个12V转5V的电源芯片，为C12880MA提供电力；MC74VHCT08ADTR2G是一个数据缓冲器，用于缓冲C12880MA的输出信号；MCP6021T-E/OT是电压跟随器，用于稳定C12880MA的输出信号。

图6 C12880MA官方驱动电路Fig.6 C12880MA official drive circuit

图7 C12880MA外围电路Fig.7 C12880MA peripheral circuit

2.3 A/D转换模块

A/D转换模块的主要任务就是将获得的模拟信号转换成数字信号。C12880MA的信号输出最大频率为5 MHz，信号输出引脚的电压为4.8 V，其时序要求如图8 所示，第89 个TRG信号后开始采集288 个通道的数据。

图8 C12880MA模拟脚输出时序图Fig. 8 C12880MA analog pin output sequence diagram

本文选择TI公司ADS7883 型A/D转换芯片，具有12 位无延时转换精度，支持5V信号输入电压，传输速度为每秒钟3 M次，能够完全满足设计需求。A/D转换的原理图设计如图9 所示。

图9 A/D转换芯片电路设计Fig.9 A/D conversion chip circuit design

利用公式（7）将模拟信号转换为数字电压值：

式中：Volt为ADS7883 的参考电压，V；Num为经过芯片内部协议转换的数字量；VREF为经过A/D转换的电压值，V。

3 结论

本文以木粉尘钾元素发射光谱为理论依据，并进行理论验证性试验，得出如下结论：1）粉尘火焰/火花具备钾元素特征光谱；2）钾元素光谱特征为马尾松、杨木两种木材的共有特征。在此基础上采用光谱元件进行装置设计，设计的检测装置精度高、成本低、体积小，可运用于木制品加工行业，助力企业安全生产。