УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ПЛАМЕНИ
DEVICE TO MEASURE INTENSIVE FLAME

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к устройству для измерения интенсивности пламени, имеющее отличительные признаки, изложенные в преамбуле главного пункта формулы изобретения.
Технологические предпосылки
Настоящее изобретение относится, в частности, но не исключительно, к области систем для управления подачей газа к горелкам устройств для отопления, пламя в которых предназначено для нагрева окружающей среды или промежуточной текучей среды, циркулирующей в котельной установке.
Типичным вариантом применения являются системы, управляющие подачей газа в горелки бойлеров для отопления жилых домов и/или горячего водоснабжения жилых домов.
В той области техники, к которой относится настоящее изобретение известно решение, согласно которому вышеуказанные приборы по соображениям безопасности снабжаются устройствами, которые определяют наличие пламени, измеряя ток, текущий в датчике пламени, известный в этой области техники как "ток ионизации", как описано, например, в патентах США №5599180, №6060719 и в патенте Японии №4244922.
Тем не менее, в этой области техники сохраняется необходимость в создании устройств не только для обнаружения, но и для измерения интенсивности пламени, чтобы оптимизировать параметры горения и, следовательно, уменьшить вредные выбросы и расход топлива.
В этой области техники к таким устройства предъявляются требования достаточной стабильности характеристик при изменении температуры, по меньшей мере в том диапазоне температур, в котором это устройство используется, при разбросе характеристик компонентов и при изменении питающего напряжения, в то же время без сильного влияния на издержки, сроки производства и без усложнения конструкции.
Описание изобретения
Главной задачей настоящего изобретения является создание устройства для измерения интенсивности пламени, которое конструктивно и функционально отвечает вышеприведенным требованиям и, в то же время, устраняет недостатки прототипов.
Эти и другие задачи, более подробно описанные ниже, достигаются с помощью устройства для измерения интенсивности пламени в соответствии с приложенной формулой изобретения.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения представлены в нижеследующем подробном описании предпочтительного осуществления изобретения, приведенного исключительно в качестве неограничивающего примера, со ссылками на приложенные чертежи, где
Фиг.1 - схема предпочтительного варианта осуществления устройства для измерения интенсивности пламени по настоящему изобретению.
Фиг.2 - диаграмма изменения коэффициента заполнения (в %) напряжения V как функции тока ионизации (мкА) пяти разных примеров датчика пламени при заранее определенной температуре согласно схеме по фиг.1.
Фиг.3 - показывает разброс температур (°C) величин, показанных на фиг.2.
Фиг.4 - предпочтительный вариант осуществления входного/выходного сигнала на разные компоненты устройства по фиг.1.
Фиг.5 - схематическая иллюстрация предпочтительного варианта осуществления системы управления по настоящему изобретению, содержащей устройство по фиг.1.
Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения
Как показано на фиг.1, устройство для измерения интенсивности пламени, выполненное с возможностью, например, измерения интенсивности пламени в горелках, в соответствии с настоящим изобретением, в целом обозначено позицией 1.
Устройство 1 для измерения интенсивности пламени содержит датчик U1 пламени, расположенный в горелке так, чтобы контактировать с пламенем, когда оно присутствует, и генерировать ток ионизации, пропорциональный интенсивности пламени.
Датчик U1 предпочтительно изготовлен с использованием традиционных технологий и содержит, например, два электрода. В предпочтительном варианте осуществления изобретения работу датчика пламени можно сравнить с работой генератора тока, соединенного с элементом, работающим в одностороннем режиме, например диодом, включенным последовательно с резистором (см. диод D2 и резистор R10 на фиг.1): ток, генерируемый датчиком в результате присутствия пламени, на практике течет только в одном направлении. Это, в частности, вызвано тем, что в бойлерах по прототипу горелки часто заземляют, и это приводит к тому, что, когда в датчике U1 при наличии пламени течет ток, он "стекает" на землю.
Как правило, токи, генерируемые датчиками пламени, соединенными с известными в этой области техники горелками, имеют силу порядка микроампер. Например, в рассматриваемых вариантах применения ток ионизации, генерируемый в датчике U1, предпочтительно изменяется от 0,8 мкА до 7,5 мкА. Устройство по настоящему изобретению, тем не менее, может использоваться также и в случае, когда токи ионизации имеют другой порядок величины.
Термин "интенсивность пламени" в предпочтительном варианте, описываемом ниже, имеет следующее значение: "слабое" пламя - это пламя, которое частично "лижет" датчик при пространственном рассмотрении, а "сильное" пламя - это пламя, полностью окружающее датчик. Различные уровни интенсивности пламени от слабого до сильного, таким образом, соответствуют состояниям соприкосновения пламени со все большей площадью узла датчика, пока пламя полностью не окружит его.
Устройство 1 для измерения интенсивности пламени получает не только токовый сигнал от датчика U1, но сигнал переменного напряжения V1, имеющий первый заранее определенный коэффициент заполнения, например, центрированный по нулю коэффициент заполнения 50%. Напряжением V может быть, например, напряжение сети питания, из которого постоянная компонента удалена конденсатором С1 (см. фиг.1, на котором резистор R1, конденсатор С1 и два дополнительных резистора R2 и R4 включены последовательно, что является одним из возможных вариантов настоящего изобретения) для получения синусоидального сигнала, имеющего первый коэффициент заполнения 50% и, по существу, центрированного на нуле (т.е. имеющего среднюю величину, по существу, равную нулю). Напряжение V1 также может подаваться генератором переменного сигнала или аккумуляторной батареей (не показаны).
Согласно основному отличительному признаку настоящего изобретения устройство 1 для измерения интенсивности пламени далее содержит средство 2 для изменения первого заранее определенного коэффициента заполнения сигнала V1, на вход которого подается и ток ионизации, генерируемый датчиком U1 после резистора R6, и сигнал V1 переменного напряжения. Это средство 2 генерирует на выходе сигнал V переменного напряжения, имеющий второй коэффициент заполнения, который является функцией первого коэффициента заполнения (который известен и задан при монтаже устройства 1) и тока U1 ионизации, как будет показано ниже. В частности, второй коэффициент заполнения выходного сигнала V увеличивается при увеличении тока ионизации. Измеряя второй коэффициент заполнения, таким образом, можно определить интенсивность пламени, поскольку величина тока ионизации пропорциональна интенсивности пламени.
Средства 2 изменения содержат переключающий элемент, предпочтительно транзистор Q1, на базу которого подается сигнал V1 и ток ионизации.
Положительное напряжение питания, которое на фиг.1 обозначено как постоянное напряжение Vcc, подается на коллектор транзистора Q1. На фиг.1 также показан резистор R5 коллектора.
Разность потенциалов между базой и эмиттером транзистора Q1 определяется по входному сигналу на базе (эмиттер предпочтительно соединен с землей). Величины различных компонентов устройства 1, величины тока ионизации и величина сигнала V1 переменного тока, имеющего первый коэффициент заполнения, таковы, что входной сигнал на базе транзистора Q1 имеет величину, которая колеблется между уровнем насыщения (когда входной сигнал на базе транзистора максимален) и уровнем отсечки для транзистора Q1, что приводит к работе последнего, по существу, в качестве "переключателя".
Следует понимать, что, работая между насыщением и отсечкой и не в линейной зоне, транзистор Q1, по существу, не чувствителен к изменениям температуры, в отличие от случая, когда транзистор работал бы в линейной зоне. Более того, поскольку коэффициент усиления транзистора не является существенным параметром, в устройстве по настоящему изобретению можно применять чрезвычайно дешевые транзисторы.
Измерительное устройство 1 далее содержит опциональное фильтрующее устройство 3, посредством которого сигнал V1 переменного напряжения и токовый сигнал от датчика пламени (если пламя присутствует) преимущественно фильтруются и, затем, подаются как входные сигналы на базу транзистора Q1.
Опциональные фильтрующие устройства 3 предпочтительно содержат фильтр 3 нижних частот, который предпочтительно сформирован двумя включенными параллельно фильтрами нижних частот: первым фильтром 4 нижних частот, например, включенным последовательно с резистором r8' и конденсатором С3, и вторым фильтром 5, например, включенным последовательно с резистором R9 и конденсатором С2. Одна клемма конденсатора С3 и конденсатора С2 предпочтительно соединена с землей.
Фильтр 3 нижних частот, содержащий два фильтра 4 и 5 нижних частот, включенных параллельно, является идеальным решением для понижения частоты отсечки общего сигнала при использовании коммерчески доступных, дешевых и надежных компонентов. Параллельное включение двух фильтров нижних частот на практике позволяет использовать резисторы и конденсаторы меньшего номинала, чем в случае одиночного фильтра нижних частот. По той же причине, т.е. для удешевления и упрощения схемы, резистор R8' предпочтительно содержит два последовательно включенных резистора R7 и R8.
Очевидно, что входной сигнал на фильтр 3 нижних частот имеет отрицательное смещение относительно сигнала V1, при этом такое смещение зависит от величины тока ионизации от датчика U1 на землю. Поэтому, начиная с коэффициента заполнения сигнала V1, сигнал, подаваемый на вход фильтра 3 и, следовательно, на базу транзистора Q1, имеет коэффициент заполнения ниже, чем сигнал V1 в результате тока ионизации, который, при его наличии, создает отрицательное смещение сигнала V1, т.е. его "сдвиг" на определенную величину, определяемую силой тока ионизации, к величинам отрицательного напряжения.
Фильтр 3 нижних частот электрически соединен как выход с базой транзистора Q1 средством 6, регулирующим напряжение на базе транзистора Q1. Средство 6 регулирования напряжения базы транзистора Q1, например, содержит диод D4, включенный параллельно с базой, т.е. соединяющий базу и эмиттер транзистора Q1 для ограничения напряжения на базе до уровня, ниже максимального уровня, допустимого для транзистора Q1, чтобы не допустить повреждения транзистора. Предпочтительно, диод D4 расположен параллельно базе (хотя диод D4 может быть включен последовательно с базой транзистора) поскольку такое включение обеспечивает лучшее температурное поведение устройства 1. Диод D4 далее включен параллельно с резистором R11, который выполнен с возможностью соединять базу с землей.
Транзистор Q1 далее предпочтительно содержит резистор R5 коллектора и имеет напряжение V коллектора, которое представляет выходной сигнал измерительного устройства 1: этот выходной сигнал V, по существу, содержит двухуровневое напряжение (для упрощения, известное краткими именованиями "высокое" и "низкое"), со вторым коэффициентом заполнения, зависящим от изменения насыщения (которому соответствует "низкое" напряжение V) и отсечки (которому соответствует "высокое" напряжение V) транзистора Q1. Поскольку величина первого коэффициента заполнения сигнал V1 остается постоянной, величина коэффициента заполнения сигнала V зависит от отрицательного смещения, пропорционального току ионизации, генерируемому датчиком U1 пламени, в сигнале, подаваемом на базу транзистора Q1.
Преимущественно, резисторы R1-R11 относятся к типу, который не меняет характеристик при изменении температуры, например, являются транзисторами типа компонентов с поверхностным монтажом, чтобы обеспечить, наряду с использованием транзистора Q1 вне линейной зоны, воспроизводимость характеристик устройства 1 в заранее определенном диапазоне температур, эквивалентном эксплуатационному диапазону горелки, например в диапазоне от -40°C до 80°C.
Исключительно для примера, используемые резисторы имеют следующие значения: R1=100 кОм, R2=R4=470 кОм, R3=2,3 МОм, R5=R6=R7=1 МОм, R8 =22 МОм, R9=15 МОм, R10=47 МОм. Использованные конденсаторы имеют следующие значения: С1=2,2 нФ, С3=С2=1 нФ. И, наконец, Vcc=5 В.
Сигнал V1 переменного напряжения зависит, однако, от типа источника питания, к которому подключено устройство, т.е. в Италии - от сигнала частотой 50 Гц. Если эта величина меняется, т.е. частота сети равна 60 Гц, все, что необходимо, это изменение программного обеспечения, поскольку устройство может использоваться с любым напряжением сети питания.
Система 7 управления по настоящему изобретению, показанная на фиг.5, содержит устройство 1 для измерения интенсивности пламени, и средство 8 для сравнения второго коэффициента заполнения выходного сигнала устройства 1 с множеством заранее определенных уровней, чтобы присвоить интенсивности пламени конкретную величину второго коэффициента заполнения.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения имеется четыре уровня пламени. Таким образом, управляющая функция присваивает заранее определенный уровень конкретным величинам второго коэффициента заполнения.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения ток ионизации, генерируемый в датчике U1, может меняться в диапазоне от 0,8 мкА до 4,5 мкА, что приводит к, по существу, линейному изменению второго коэффициента заполнения (минимальный - при отсутствии пламени, и затем увеличивающийся при увеличении тока ионизации).
Средство 8 сравнения предпочтительно содержит микропроцессор μP, на вход которого подается напряжение V коллектора с высокой частотой дискретизации, типично, каждые 64 мкс, при этом эта величина может, тем не менее, меняться и зависит, помимо прочего, от частоты переменного сигнала V1 и от тока ионизации.
Предпочтительно, если устройство 1 получает питание непосредственно от сети электропитания, система 7 управления далее содержит разделительный трансформатор 9, предназначенный для того, чтобы сделать сигнал V1 независимым от сетевого источника питания. Разделительный трансформатор 9 имеет вспомогательную обмотку на вторичной обмотке (не показана), изолирующую "высоковольтную" часть цепи 2 изменения, что избавляет от необходимости применять оптроны для стыковки с микропроцессором.
Устройство 1 по настоящему изобретению работает следующим образом.
В отсутствие пламени ток ионизации не течет через датчик U1 пламени, и, следовательно, входным и выходным сигналами фильтрующего устройства 3, которое ослабляет только амплитуду сигнала, но не меняет коэффициент заполнения, являются сигналы V1 переменного напряжения, имеющие заранее определенный коэффициент заполнения, например, соответствующий частоте сетевого источника питания. В предпочтительном варианте первый коэффициент заполнения равен 50%.
Поэтому разность потенциалов между базой и эмиттером транзистора Q1 чередуется между величинами отсечки и насыщения во время интервалов времени, зависящих от сигнала V1, и второй коэффициент заполнения напряжения V коллектора пропорционален и первому коэффициенту заполнения и "инвертирован" относительно него. В частности, когда на базе транзистора Q1 имеется положительный входной сигнал, сигнал V является отрицательным, а когда на базе транзистора Q1 имеется отрицательный сигнал, сигнал V является положительным. В отсутствие пламени, однако, сигнал V не имеет коэффициента заполнения, совпадающего с коэффициентом заполнения сигнала V1 из-за наличия резистора R3 (в предпочтительном варианте, 2,2 МОм) для обеспечения более точного обнаружения сигнала V.
В предпочтительном варианте осуществления устройства 1, имеющего выход, показанный на фиг.2, коэффициент заполнения сигнала V при нулевом пламени задается равным 20%, хотя коэффициент заполнения сигнала V при нулевом пламени можно задавать произвольно.
При наличии пламени, ток ионизации в датчике U1 пламени приводит к отрицательному смещению относительно переменного сигнала V1 на входе фильтра 3 нижних частот, пропорциональному силе этого тока: чем больше ток, тем большим будет отрицательное смещение, т.е. "сдвиг" сигнала V1 к отрицательным значениям напряжения и, следовательно, коэффициент заполнения сигнала, подаваемого на базу транзистора Q1, будет пропорционально уменьшаться. Следует обратиться к фиг.4, на которой показан пример сигнала, присутствующего как вход/выход в разных точках (в частности, в точках А, В, С, D и при отсутствии пламени) устройства 1. Хотя этот вариант иллюстрирует синусоидальный сигнал V1 с коэффициентом заполнения 50%, очевидно, что сигнал V1 может быть любым переменным сигналом с заранее заданным коэффициентом заполнения.
В первом предпочтительном варианте осуществления изобретения сигнал V1 является синусоидальным с коэффициентом заполнения 50%.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения сигнал V1 является треугольным сигналом с коэффициентом заполнения 50%. Генератор треугольного сигнала является особенно предпочтительным в случаях, когда необходимо использовать генератор переменного тока (например, когда соединение с сетью электропитания невозможно и, следовательно, приходится использовать соответствующий аккумулятор). В результате отрицательного смещения, разность потенциалов между базой и эмиттером транзистора Q1 такова, чтобы отсекать транзистор Q1 на временной интервал, превышающий интервал насыщения, поскольку сигнал, подаваемый на базу транзистора, находится в области отрицательного напряжения дольше, чем период, в течение которого на базу подается положительное напряжение. Таким образом, выходной сигнал V устройства 1 имеет "высокое" состояние дольше, чем "низкое", что приводит к увеличению его коэффициента заполнения (см. сигналы на фиг.4). Следовательно, чем сильнее уменьшается коэффициент заполнения входного сигнала на базе транзистора Q1, тем сильнее увеличивается коэффициент заполнения сигнала коллектора (т.е. напряжение V).
Второй коэффициент заполнения напряжения V коллектора, определяемый прохождением тока насыщения транзистора Q1 на резистор R5, таким образом, пропорционален обнаруженной интенсивности пламени, как показано на фиг.2: абсцисса показывает ток ионизации (пропорциональный интенсивности пламени), а ордината показывает полученный коэффициент заполнения сигнала V. Чем больше ток, тем больше коэффициент заполнения, пока не будет достигнуто "насыщение" (сигнал V постоянно на "высоком" уровне). Различные кривые, показанные на фиг.2, относятся к множеству разных устройств 1, в частности, содержащих разные датчики U1 чтобы убедиться, что их поведение аналогично.
Устройство 1 имеет соответствующие размеры, так чтобы величина насыщения достигалась для максимальных уровней пламени, обычно встречающихся в горелках, в которых это устройство применяется.
В результате использования компонентов с поверхностным монтажом и того факта, что транзистор Q1 не работает в линейной зоне, заявители смогли убедиться, что при изменениях температуры от -40°C до +80°C максимальное изменение коэффициента заполнения сигнала V составляет 2%, что делает устройство 1, по существу, нечувствительным к температуре в нормальном эксплуатационном диапазоне температур. На фиг.3 представлена диаграмма, аналогичная фиг.2, полученная для трех разных рабочих температур устройства 1, составлявших -25°C, 25°C и 70°C (в данном случае также для каждой температуры приведены модели разных устройств 1, имеющих разные датчики).
В системе 7 управления напряжение V дискретизируется с высокой частотой и полученные дискретные величины сравниваются в микропроцессоре с заранее определенными уровнями управляющей функции.
Таким образом, настоящее изобретение достигает поставленные задачи и обеспечивает вышеописанные преимущества по сравнению с известными из уровня техники решениями.
Следует понимать, в частности, что устройство для измерения интенсивности пламени не изменяет характеристик при изменении температуры, при разбросе характеристик компонентов и при изменении питающего напряжения.