煤粉爆炸检测解决方案

1. 项目背景
煤粉是碳、氢和挥发硫组成的可燃性粉尘，不仅容易自燃，而且容易发生爆炸。煤粉爆炸的本质实质是气体爆炸，即煤粉和可挥发气体瞬间与氧气结合强烈燃烧的过程，持续只有0.01~0.02秒。爆炸时从引爆点以30~300M/秒的速度迅速向外扩散，发生爆轰时的传输速度达2000~5000米/秒。
在煤矿坑道作业或大型煤粉磨制厂家中，有大量煤粉漂浮在空中，如果这些煤粉属于易爆型煤，则在达到一定浓度的时候将发生强烈爆炸。因此，必须测定每种煤粉的爆炸性，以便采取针对措施，保证生产安全。
在测定煤粉爆炸特性的时候，一般是通过实验测定爆炸下限与返回火焰长度这两个参数来确定煤粉的爆炸性。爆炸下限指能使喷入一定装置中的粉尘云点燃并维持火焰传播的最小粉尘浓度,是确定粉尘爆炸性重要参数。试验室通常使用20L的爆炸装置进行测定.喷吹现场广泛采用长管式煤粉爆炸性测试仪检测煤尘引燃后产生的返回火焰长度，该长度随煤粉爆炸性的强弱而显著变化：返回火焰长度大于600 毫米可认定该煤粉具有强爆炸性；在400～600 毫米之间则煤粉具有中强度爆炸性；小于400 毫米则煤粉具有弱爆炸性。

2. 技术指标要求
在检测煤粉爆炸特性参数的时候，我们要达到以下技术指标：
 检测返回火焰长度在小于600mm
 检测精度为2mm
 火焰爆炸持续时间为0.01秒
 爆炸扩散速度为100米/秒

3. 技术难点
要清楚地拍摄到煤粉爆炸时火焰扩散的整个过程，需要高速相机。煤粉爆炸的持续时间只有0.01秒，如果拍摄2张图片，则相机的拍摄速度也要达到200帧/秒。再加上火焰的扩散速度很快，在极短的时间内就可以达到火焰的最大长度，并很快熄灭，所以要拍摄煤粉的爆炸燃烧过程，需要高速相机。
另外，煤粉在爆炸过程中，每种煤粉爆炸产生的火焰亮度都不一样。即使是同一种煤粉，在爆炸的瞬间及火焰扩散过程中，火焰的亮度也不一样，这就很难设置相机的曝光时间来拍摄图像。如果曝光时间设置得较长，则相机很容易饱和，图像质量会严重下降；如果曝光时间设置得过短，则火焰的扩散过程可能会不完整。

4. 系统解决方案
针对以上两个难题，我们推荐使用瑞士Photonfocus的MV-D1024E-160-CL-12相机。，该相机的分辨率为1024*1024像素，采用Camera Link Base接口，最高帧速为每秒150帧。由于采用了相机内置的图像校正算法，Photonfocus的CMOS相机能获得更高质量的图像，其图像采样精度能达到12bit。
Photonfocus生产的相机采用Linlog技术，极大地扩展了相机响应的动态范围。Linlog技术是Photonfocus的专利技术。我们知道，CMOS相机和CCD相机的图像灰度输出值都是与光照度成线性关系的，一幅图像中最亮与最暗像素的比值叫做图像的动态范围。一般来说，采用线性响应的CCD相机的动态范围为70dB左右，CMOS相机在60dB左右。对于某些应用，如激光焊接，其图像中的最亮和最暗部分的比值超过1百万倍，即120dB，远远超过CCD相机和常规CMOS相机的动态范围。Linlog技术就是在一台相机中集成了线性响应和对数响应，在低照度区域采用线性响应，在高亮区域采用对数响应，从而大大提高了图像的动态范围。并且Linlog技术解决了常规对数响应相机的很多缺陷，如线性响应和对数响应转折点处的图像对比度降低，没有全局快门等，使其更好地适合高速高动态领域的应用。
所以MV-D1024E-160相机能很好解决煤粉爆炸过程中相机曝光时间的设置问题。我们可以将相机的曝光时间设得稍微长一点，即使在爆炸初期，火焰比较强烈，相机也能很好地成像，而不会饱和。
第二个难点就是速度问题。MV-D1024E-160在全分辨率下的速度为每秒150帧，但Photonfocus公司的CMOS相机采用特殊的数据读出总线，当选取图像中的一部分区域（Rigon Of Interest，简称ROI）时，可在横向和纵向两个方向提高图像传输速度，而其他厂商的CMOS相机，当选取ROI时，只有当纵向上的像素变小时，才能提供传输速度。下表是MV-D1024E-160-CL-12在不同分辨率下的拍摄速度：



分辨率 1024
X
1024 752
X
582 512
X
512 640
X
480 320
X
240 256
X
256 160
X
120 128
X
128 64
X
64
帧速 150 356 588 505 1941 2241 6995 7927 16090

在技术指标中，我们假设图像的精度为2mm，则如果火焰长度600mm，那么其在图像中占到的像素为600mm/2mm=300像素。如果火焰以100米/秒的速度扩散，则达到最大长度需要的时间为600mm/100m/s=6毫秒。则如果我们选取ROI为512*512，则相机的拍摄速度为每秒588帧，在6毫秒的时间内我们可以拍摄到588*6/1000=3.5帧，所以能够检测到火焰的最大长度。
图像采集卡我们推荐Silicon Software的ME IV采集卡。Photonfocus的MV-D1024E-160相机和Silicon Software的ME IV采集卡结合，可获得很高的性能。ME IV采集卡采用全FPGA设计，板上自带高速内存，能保证图像数据传输的流畅性。我们在测试的时候，将相机的ROI设置为128*128，曝光时间设置为10微秒，用ME IV可以获取每秒钟约8000帧的采集速度。


综上所述，我们推荐如下解决方案：


型号 推荐理由
相机 瑞士Photonfocus的
MV-D1024E-160-CL-12  采用Linlog技术，能解决煤粉爆炸过程中相机曝光时间设置的问题
 灵活的ROI设置，可以只输出爆炸点周围的图像，极大提高拍摄速度
采集卡 德国Silicon Software的
ME IV FPGA图像采集卡  全FPGA设计，PCI-E接口，拥有完美的性能
 与Photonfocus相机配合，可高速传输ROI图像，达到每秒8000帧的速度