CN101221070B

CN101221070B - 火焰检测装置

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Publication number: CN101221070B
Application number: CN2008100020508A
Authority: CN
Inventors: 山田哲也; 菊地则雄; 山田晃
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2028-01-09
Also published as: TW200839154A; JP2008172068A; CN101221070A; JP4803672B2; KR100923127B1; KR20080066554A; TWI352942B

Abstract

本发明提供一种采用半导体光接收元件作为光接收单元的火焰检测装置，其结构简单，具有防止半导体光接收元件反接、并检测半导体光接收元件短路故障的功能。该火焰检测装置具有半导体光接收元件和检测装置主体，该半导体光接收元件检测火焰发出的可见光，该检测装置主体经电缆向上述半导体光接收元件提供其驱动电压，并经上述电缆检测上述半导体光接收元件的火焰检测信号来判断有无火焰，尤其是在上述半导体光接收元件与上述电缆之间串联插入防止反接用二极管，并且在上述检测装置主体除了设定用于判断有无上述火焰的第一阈值之外，还设定分别判断上述半导体光接收元件的短路及反接的第二及第三阈值。

Description

火焰检测装置

技术领域

本发明涉及使用光电二极管等半导体光接收元件作为检测火焰发出的可见光的光接收单元的火焰检测装置。

背景技术

检测煤气燃烧器(gas burner)、燃油器(oil burner)等的火焰来用于其燃烧(点火)控制的火焰检测装置包括传感器头和检测装置主体，该传感器头例如装有检测火焰发出的可见光的光接收单元，该检测装置主体经电缆向上述光接收单元提供其驱动电压，并经上述电缆检测上述光接收单元的火焰检测信号来判断有无火焰(例如参照专利文献1、2)。

另外，燃油器例如图4所示那样，在鼓风机1的送风口(喷射管)内设置燃料喷嘴2，并接近上述燃料喷嘴2的喷嘴口而设置点火电极3。在用于检测这种燃油器的火焰以控制其燃烧的火焰检测装置中的传感器头4例如被设置成：位于上述燃料喷嘴2的后方，用于检测形成于该燃料喷嘴2的喷嘴口的火焰发出的可见光。另外，作为装到传感器头4中的光接收单元，以往主要采用CdS单元。

如图5中点火控制时序所示，燃油器的燃烧控制如下：接受燃烧器的启动指令，首先使鼓风机1工作，然后使点火变压器工作而使点火电极3产生火花，在火花稳定的状态下打开燃料阀，从而将从上述燃料喷嘴2喷出的燃料点着。然后，在由上述火焰检测装置检测到燃料燃烧产生的火焰后，停止上述点火变压器的工作，从而完成该点火控制(例如参照专利文献3)。

专利文献1：日本专利公开平8-261443号公报

专利文献2：日本专利第3255442号公报

专利文献3：日本专利公开平6-288541号公报

发明内容

近年来，由于RoHS(Restriction of Hazardous Substances；关于危险物质的限制)指示等化学物质限制，Cd(镉)的使用受到限制。因此，最近尝试取代以往的CdS单元，而采用光电二极管等半导体光接收元件作为火焰检测装置的光接收单元。但是，CdS单元是无极性的，而Si光电二极管等半导体光接收元件是有极性的，需要相对于驱动电源将正极、负极正确地连接。另外，在将半导体光接收元件反接时，该半导体光接收元件的工作不稳定，而且其输出信号本身不确定。因此，可靠地检测半导体光接收元件的反接、防止因反接而引发的问题变得尤为重要。

半导体光接收元件具有如下特性：对光的检测灵敏度高，且对受光强度的电流输出特性呈线性，在黑暗(无火焰)状态下其输出电流极小，仅为数nA左右。因此，存在这样的问题：即使正确连接了半导体光接收元件，也会在半导体光接收元件发生短路故障时由于不能得到火焰检测信号而无法判断出得不到火焰检测信号的原因是由于处于黑暗(无火焰)状态还是由于发生短路故障。

鉴于上述问题的存在，本发明的目的在于提供一种结构简单的火焰检测装置，其采用光电二极管等半导体光接收元件作为光接收单元，尤其是能够可靠地检测半导体光接收元件的反接、防止因反接引起的问题，还具有检测半导体光接收元件的短路故障的功能。

为了达到上述目的，本发明的火焰检测装置具有半导体光接收元件和检测装置主体，该半导体光接收元件检测火焰发出的可见光，该检测装置主体经电缆向上述半导体光接收元件提供其驱动电压，并经上述电缆检测由上述半导体光接收元件检测到的火焰检测信号来判断有无火焰，其特征在于：特别在上述半导体光接收元件与上述电缆之间串联插入防止反接用二极管，并且在上述检测装置主体除了设定用于判断有无上述火焰的第一阈值之外，还设定判断上述半导体光接收元件的短路的第二阈值和判断上述半导体光接收元件的反接的第三阈值。

另外，作为上述半导体光接收元件，优选使用例如一体具有光电二极管和将该光电二极管的输出放大的放大器的元件。串联连接后再与驱动电源连接的第一电阻器和第二电阻器，在上述第一电阻器或上述第二电阻器的两端之间经由上述电缆而并联连接有上述半导体光接收元件，通过上述第一电阻器和上述第二电阻器对电源电压进行电阻分压来生成上述半导体光接收元件的驱动电压，并判断在上述第一电阻器和上述第二电阻器的连接点产生的电压以判断有无火焰。

采用如此构成的火焰检测装置，由于在上述半导体光接收元件与上述电缆之间串联插入防止反接用二极管，因此，即使将半导体光接收元件反接到检测装置主体(驱动电源)上，也能够可靠地保护该半导体光接收元件，还能够防止半导体光接收元件的不稳定工作。对上述检测装置除了设定用于判断有无上述火焰的第一阈值之外，还设定用于判断上述半导体光接收元件的反接的第二阈值和用于判断上述半导体光接收元件的短路的第三阈值，通过比较第二阈值、第三阈值与检测电压，能够分别判断半导体光接收元件的反接状态、该半导体光接收元件的短路故障状态，因此，能够取得消除了在未检测到来自半导体光接收元件的火焰检测信号的状态下将其误判为“无火焰”等的效果。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的火焰检测装置的概略构成图。

图2是表示半导体光接收元件(光电二极管)相对于受光强度的输出电流特性的图。

图3是表示火焰判断阈值Vth1、反接判断阈值Vth2、短路检测阈值Vth3相对于火焰检测电压Vin的关系的图。

图4是表示煤气燃烧器的概略构成与火焰检测装置的传感器头的安装部位之间关系的图。

图5是表示煤气燃烧器中点火控制时序的例子的图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明一个实施方式的火焰检测装置。

图1示出实施方式的火焰检测装置的主要部分的概略构成。在图1中，10是安装作为检测火焰发出的可见光的光接收单元的半导体光接收元件(例如Si光电二极管)11而成的传感器头，20是经电缆30向上述半导体光接收元件11提供其驱动电压、并经上述电缆30检测上述半导体光接收元件11的火焰检测信号来判断有无火焰的检测装置主体。

检测装置主体20具有例如串联连接后再与驱动电源连接的第一固定电阻21及第二固定电阻22，例如在接地侧的第二固定电阻22的两端之间经电缆30与半导体光接收元件11并联连接。上述第一固定电阻21和第二固定电阻22具有将电源电压Vc分压而生成上述半导体光接收元件11的驱动电压Vd、并经上述电缆30输出该驱动电压Vd的作用，并且，该第一固定电阻21和第二固定电阻22还具有如后述那样依据上述半导体光接收元件11的输出(火焰检测信号)而使上述第一固定电阻21与第二固定电阻22的连接点处的电压发生变化的作用。换言之，半导体光接收元件11经电缆30与上述第二固定电阻22并联连接。并且，半导体光接收元件11接受火焰发出的可见光，输出火焰检测信号，并根据与之相伴的阻抗的变化使上述固定电阻21、22的连接点处的电压发生变化。

检测上述半导体光接收元件11的输出(火焰检测信号)的检测装置主体20中的火焰检测部23例如由微型计算机构成，被构成为根据在上述固定电阻21、22的连接点处所产生的电压变化来判断是否存在上述半导体光接收元件11的火焰检测信号。尤其是，该火焰检测部23被构成为通过将预先设定的判断阈值电压Vth与在上述固定电阻21、22的连接点处产生的电压进行比较来检测有无火焰。

在火焰检测的控制对象为燃油器时，在上述检测装置20上设有根据有无火焰来控制燃油器的鼓风机31、点火变压器(点火电极)32以及燃料阀(燃料喷嘴)33的各动作的燃烧控制装置24。不言而喻，该燃烧控制装置24也可以作为上述构成火焰检测部23的微型计算机所具有的一部分功能来得到实现。

基本上如上所述，在使用半导体光接收元件、例如Si光电二极管11作为检测火焰发出的可见光的光接收元件的火焰检测装置中，本发明的特征在于，如图1所示的实施方式那样，在传感器头10上，在Si光电二极管11的附近分别装有暗电流加法电路12和滤波电路13，并插入了与上述Si光电二极管11串联的防止反接用二极管14。

作为上述Si光电二极管11，在此表示的是采用在光电二极管11上一体设有其负载电阻11a和用于放大其输出电流的放大器11b的、所谓复合型光IC的例子。但当然也可以是负载电阻11a及放大器11b分别作为单体部件而组装到光电二极管11上。上述暗电流加法电路12例如由与上述Si光电二极管11并联连接的固定电阻构成。上述滤波电路13由将电阻13a和电容器13b、13c组合而成的无源低通滤波器构成。该滤波电路13具有使光电二极管11的火焰检测信号延迟而输出到上述电缆30的作用，并具有防止由于叠加在上述电缆30上的噪声引起的上述光电二极管11的误动作的功能，即具有除去噪声功能。

在此，首先说明上述暗电流加法电路12。用作光接收单元的半导体光接收元件(光电二极管)11与以往普通的CdS单元相比，其响应速度快数m秒，并且具有如图2中特性A所示那样的、相对于其受光强度(亮度)为大致线性的输出电流特性。在受光强度较低时，尤其是在黑暗(无火焰)时，其输出电流非常小，仅为数nA左右，接受火焰发出的可见光而其受光强度增大，随之输出电流增大。在一般的测量用途中，这样的输出电流特性在降低测量误差方面非常合适。

但是，上述的输出电流特性意味着黑暗(无火焰)时的半导体光接收元件(光电二极管)11的阻抗极高。在经电缆30将上述半导体光接收元件(光电二极管)11连接在检测器主体20上的结构的火焰检测装置中，半导体光接收元件(光电二极管)11的阻抗较高时，电缆30的走线(布线)容易受到噪声的影响，会造成误检测。即，在半导体光接收元件(光电二极管)11的阻抗较高的状态(黑暗状态)，仅由于叠加在电缆30上的微小噪声就会使通过该电缆30检测的上述半导体光接收元件(光电二极管)11的输出发生较大变动。而且，如上所述，上述半导体光接收元件(光电二极管)11本身多配置在鼓风机31或点火变压器(点火电极)32等噪声发生源的附近。

因此，在该火焰检测装置中，在半导体光接收元件(光电二极管)11的跟前连接与该半导体光接收元件(光电二极管)11并联的固定电阻，意图降低在从检测装置主体20侧经电缆30观察上述半导体光接收元件(光电二极管)11时的黑暗状态下的阻抗，由此使该半导体光接收元件(光电二极管)11难以受到外来噪声的影响。具体而言，如图1所示，在半导体光接收元件(光电二极管)11的附近，对该半导体光接收元件(光电二极管)11并联连接作为暗电流加法电路12的固定电阻，在此基础上，经电缆30将上述半导体光接收元件(光电二极管)11连接到检测装置主体20上。

这样一来，由于与半导体光接收元件(光电二极管)11并联连接的固定电阻，在半导体光接收元件(光电二极管)11的阻抗高于该固定电阻的电阻值时，在经电缆30对半导体光接收元件(光电二极管)11施加驱动电压Vd时，电流主要流过上述固定电阻。并且，随着半导体光接收元件(光电二极管)11的阻抗变低，该半导体光接收元件(光电二极管)11的输出电流增加。于是，即使在黑暗时，也如图2所示的输出电流特性B那样，经电缆30流过一定程度的电流，从而可增大经电缆30观察上述半导体光接收元件(光电二极管)11时的暗电流。如上所述，与半导体光接收元件(光电二极管)11并联连接的固定电阻，在表观上起到使该半导体光接收元件(光电二极管)11的暗电流增加、并降低黑暗时半导体光接收元件(光电二极管)11的阻抗的作用。

其结果，即使在黑暗时，也能够将半导体光接收元件(光电二极管)11的阻抗抑制成低于一定程度，因此，即使在噪声发生源附近配置有电缆30，也能够抑制噪声的混入。能够有效防止通过该电缆30在对上述半导体光接收元件(光电二极管)11的输出进行检测时因混入噪声而发生的误检测。

也可以取代上述固定电阻，按如下方式构成暗电流加法电路12，即、可根据半导体光接收元件(光电二极管)11的输出而改变上述放大器11b的增益，从而使黑暗时的放大器11b的输出增大。在该情况下，例如可相应于半导体光接收元件(光电二极管)11的输出而改变放大器11b的偏压，由此，使其电流输出特性(增益)发生变化即可，或者，也可以在使用微处理器或A/D转换器将半导体光接收元件(光电二极管)11的输出进行数字转换后，经电缆30传送其数字信号时，依据上述半导体光接收元件(光电二极管)11的输出来使A/D转换特性自身可变。

但是，即使如上述那样通过在半导体光接收元件(光电二极管)11的输出中加上暗电流成分来实施防止其误检测的对策，在电缆30上也会重叠有外来噪声。而且，半导体光接收元件(光电二极管)11抵抗外来噪声的能力弱，由于该外来噪声，容易引起半导体光接收元件(光电二极管)11自身的闭锁(latch up)等误动作。

因此，在该火焰检测装置中，在半导体光接收元件(光电二极管)11的附近设置滤波电路13，来避免上述半导体光接收元件(光电二极管)11受到经电缆30所施加的外来噪声的影响、防止上述半导体光接收元件(光电二极管)11的锁定等误动作。同时，通过上述滤波电路13使从半导体光接收元件(光电二极管)11经电缆30所输出的火焰检测信号延迟，由此，除去了由于火焰的晃动等引起半导体光接收元件(光电二极管)11非本意的响应成分。即，如上所述，半导体光接收元件(光电二极管)11的响应特性与以往的CdS单元相比是非常快的，仅是其可见光的强度因火焰的晃动而稍有变动，就会灵敏地响应其受光强度的变化。因此，即使仅是半导体光接收元件(光电二极管)11的输出(火焰检测信号)因微小的火焰晃动而降低，也可能误将其检测为消焰。

为了防止这样的问题，如上所述，在该火焰检测装置中，在半导体光接收元件(光电二极管)11的跟前设置滤波电路13，从而使快速响应的上述半导体光接收元件(光电二极管)11的输出(火焰检测信号)延迟，由此，使火焰检测信号的响应波形平缓后，输出到电缆30。换言之，通过滤波电路13，使半导体光接收元件(光电二极管)11的表观上的响应特性延迟。由上述滤波电路13，除去从上述点火变压器等噪声发生源重叠于上述电缆30的火花噪声等外来噪声，使上述半导体光接收元件(光电二极管)11的工作稳定。

其结果，在检测装置主体20侧，可不受火焰晃动影响地检测在工作稳定状况下的半导体光接收元件(光电二极管)11的输出(火焰检测信号)变化作为迟缓的响应信号，因此，可稳定地进行火焰检测。尤其是将滤波电路13设置于半导体光接收元件(光电二极管)11的附近，从而能够实现防止由噪声导致半导体光接收元件(光电二极管)11发生误动作的功能、并实现该半导体光接收元件(光电二极管)11的响应性的改善。

上述的传感器头10、即半导体光接收元件(光电二极管)11和检测装置主体20是仅经双芯电缆30而相连接的。因此，存在将半导体光接收元件(光电二极管)11相对于检测装置主体20反接的可能性。由于以往的CdS单元是无极性的，所以相对于检测装置主体20的连接极性不存在问题。但是，若将半导体光接收元件(光电二极管)11反接，则该半导体光接收元件(光电二极管)11的工作变得不稳定，而且其输出信号自身也不确定。

因此，在该火焰检测装置中，在半导体光接收元件(光电二极管)11的跟前串联插入防止反接用的二极管1 4，并在检测装置主体20上设置检测半导体光接收元件(光电二极管)11反接的反接检测功能及检测该半导体光接收元件(光电二极管)11短路故障的短路故障检测功能。该反接检测功能和短路故障检测功能是通过将在上述第一固定电阻21与第二固定电阻22的连接点产生的电压与预先设置的阈值相比较的功能来实现的，上述阈值与后述的用于判断有无火焰的阈值不同。

即，在该火焰检测装置中，通过在半导体光接收元件(光电二极管)11与电缆30之间串联插入防止反接用的二极管14，使在反接时来自检测装置主体20侧的驱动电压Vd不施加于半导体光接收元件(光电二极管)11，从而禁止半导体光接收元件(光电二极管)11自身的工作，不会得到非本意的输出(火焰检测信号)。换言之，在将半导体光接收元件(光电二极管)11反接时，将该半导体光接收元件(光电二极管)11的输出设为“0”，从而成为总是“无火焰”的检测状态。

在该火焰检测装置中，与上述那样设置防止反接用的二极管14相结合，上述检测装置主体20除了判断有无火焰的功能之外，还设有半导体光接收元件(光电二极管)11的反接检测功能及短路故障检测功能。上述反接检测功能及短路故障检测功能中，如图3所示，当将根据上述第一固定电阻21及第二固定电阻22的连接点所产生的电压Vin判断有无火焰的阈值赋予为Vth1时，将所设定的反接检测用阈值Vth2赋予高于该阈值Vth1的电压值，将所设定的短路检测用阈值Vth3赋予低于上述阈值Vth1的电压值。

在检测装置主体20上经电缆30未连接半导体光接收元件(光电二极管)11时，若设在上述第一固定电阻21和第二固定电阻22的连接点所产生的电压Vd为5V，则当经电缆30将半导体光接收元件(光电二极管)11正常连接到该检测装置主体20上时，在黑暗(无火焰)的状态下，仅有由上述暗电流加法电路1 2增加的暗电流部分的电流从上述电缆30经由传感器头10流过，因此，在上述第一固定电阻21和第二固定电阻22的连接点所产生的电压Vin比上述电压Vd稍低一些。即，上述半导体光接收元件(光电二极管)11对第二固定电阻22产生并联作用，相当于仅分流了上述增加的暗电流部分的电流，因此导致上述检测电压Vin比驱动电压Vd稍低一些。

而且，当半导体光接收元件(光电二极管)11检测到因火焰而产生的可见光而输出火焰检测信号，其阻抗降低时，随之在上述第一固定电阻21和上述第二固定电阻22的连接点所产生的电压Vin进一步降低。上述判断有无火焰的阈值Vth1被设定为可识别检测电压Vin因有无该受光而发生变化的电压值。

与此不同，在将半导体光接收元件(光电二极管)11反接时，由上述防止反接用二极管14切断对半导体光接收元件(光电二极管)11供电、进而切断对传感器头10的供电，因此，上述暗电流加法电路12不会发挥作用，因此，即使在黑暗(无火焰)状态下，在上述第一固定电阻21和第二固定电阻22的连接点所产生的电压Vin也不会从上述驱动电压Vd降低。上述反接检测用阈值Vth2被设定为可识别检测电压Vin因有无该反接而发生变化的差异的电压值。在反接的状态下，即使存在火焰，由于半导体光接收元件(光电二极管)11自身不工作，所以不能得到其输出，因此，施加于驱动电压Vd的检测电压Vin不会发生变化。因此，通过用上述反接检测用阈值Vth2判断这样的状态，可检测出传感器头10、即半导体光接收元件(光电二极管)11的反接。

在将半导体光接收元件(光电二极管)11正常连接在检测装置主体20上时，只要该半导体光接收元件(光电二极管)11正常发挥作用，就存在包括上述暗电流加法电路12在内的内部阻抗，因此，即使半导体光接收元件(光电二极管)11输出最大的火焰检测信号(电流)，在上述第一固定电阻21和第二固定电阻22的连接点所产生的电压Vin也不会低至0V。但是，若半导体光接收元件(光电二极管)11发生短路故障，则无论是否存在暗电流加法电路12，第二固定电阻22的两端之间经防止反接用二极管14而短路，因此，上述第一固定电阻21及第二固定电阻22的连接点所产生的电压Vin一下子降低至0V。上述短路故障检测用阈值Vth3被设定为可识别检测电压Vin因有无该半导体光接收元件(光电二极管)11的短路故障而发生变化的差异的电压值。

这样一来，在检测装置主体20中，如上述那样根据在上述第一固定电阻21和第二固定电阻22的连接点所产生的电压Vin来判断有无火焰，并设置分别判断半导体光接收元件(光电二极管)11的反接及短路故障的功能，从而，既能确认火焰检测装置的工作可靠性，又能确实执行火焰检测。因此，能够可靠性良好地且稳定地执行燃油器等的燃烧控制。

而且，本发明不限于上述实施方式。例如对于上述的第一～第三阈值Vth1、Vth2、Vth3，可以时分别依据半导体光接收元件(光电二极管)11的输出特性、其驱动条件等而设定。当然也可以将防止反接用的二极管14的插入位置取为正极电源线。对于适于采用除了Si以外的其他半导体光接收元件作为光接收单元的情况也同样能够适用。另外，在不脱离本发明要点的范围内，可对本发明进行各种变形来加以实施。

Claims

1.一种火焰检测装置，具有带正极和负极的有极性的Si光电二极管和检测装置主体，该Si光电二极管用于检测火焰发出的可见光，该检测装置主体通过电缆向上述Si光电二极管提供其驱动电压，并且通过上述电缆检测由上述Si光电二极管检测到的火焰检测信号来判断有无火焰，其中：

在上述Si光电二极管与上述电缆之间串联插入防止反接用二极管，该防止反接用二极管在反接了上述Si光电二极管时切断提供给该Si光电二极管的上述驱动电压，至少将上述Si光电二极管和上述防止反接用二极管安装到传感器头内，并且对上述检测装置主体除了设定有用于判断有无上述火焰的第一阈值之外，还设定有用于判断上述Si光电二极管的短路的第二阈值和用于判断上述半导体光接收元件的反接的第三阈值。

2.根据权利要求1所述的火焰检测装置，其特征在于：

上述检测装置主体还具有用于将上述Si光电二极管的输出放大的放大器。

3.根据权利要求1所述的火焰检测装置，其特征在于：

上述检测装置主体具有串联连接后再与驱动电源连接的第一电阻器和第二电阻器，在上述第一电阻器或上述第二电阻器的两端之间通过上述电缆而并联连接有上述Si光电二极管，

通过上述第一电阻器和上述第二电阻器对电源电压进行电阻分压来生成上述Si光电二极管的驱动电压，并且通过判断在上述第一电阻器和上述第二电阻器的连接点上产生的电压来判断有无火焰。