CN103336164B

CN103336164B - 一种可精确检测交流源火焰离子电流大小的电路

Info

Publication number: CN103336164B
Application number: CN201310251353.4A
Authority: CN
Inventors: 胡志恒; 刘筱明; 高中伟
Original assignee: FOSHAN SHUNDE AOJUN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Foshan City Prescott Electronic Technology Co. Ltd.
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2033-06-24
Also published as: CN103336164A

Abstract

一种可精确检测交流源火焰离子电流大小的电路，它包括信号取样电路、采样调制电路、输出整形电路和直流电平信号源；信号取样电路与采样调制电路连接，采样调制电路与输出整形电路连接；直流电平信号源与第一运算放大器（U1A）和第二运算放大器（U2A）连接；由于采用这样的结构，燃烧火焰信号在交流检测时的数据采样量化，为可靠监测产品的燃烧工况和燃烧性能，并采取相应控制对策提供了极好的数据依据。

Description

一种可精确检测交流源火焰离子电流大小的电路

技术领域

本发明为一种可精确检测交流源火焰离子电流大小的电路。

背景技术

目前现有技术，在燃气热水器、燃气灶、燃气采暖炉等产品中，火焰燃烧工况是保证产品燃烧性能、效率、以及烟气排放安全、环保等核心性能指标的关键因素，尤其在这类产品的强制燃烧技术、预混（包括半预混）燃烧技术、冷凝式燃烧换热技术等高端技术领域，通过对火焰离子电流的精确检测是实施对火焰燃烧工况监测最直接有效的依据，因此，也是保证产品燃烧性能、效率、以及烟气排放安全、环保等核心性能指标符合产品标准要求的关键所在。

在燃气热水器、燃气采暖锅炉等产品中，传统的火焰检测是利用火焰的直流导电原理，通过在火焰针对地之间施加一交流或直流电压信号，经过火焰的直流导电和整流作用后，在系统地上存在一微弱的直流负电平电压信号（火焰针对地之间施加交流电压信号时），或火焰针对地之间的分压电压信号（火焰针对地之间施加直流电压信号时），再经过相关比较放大电路检测到火焰信号。但该方法只能检测到火焰信号的定性特征，解决火焰信号有无问题，并不能用于对火焰燃烧质量也即燃烧工况的监测。另外，由于直流信号火焰检测方法（火焰针对地之间施加直流电压信号）无法解决火焰针在潮湿状态下易产生误判的问题，该技术现已基本淘汰。

新一代的燃气热水器、燃气采暖锅炉产品中，由于引进了更先进的燃烧控制技术，如强制燃烧技术、预混（包括半预混）燃烧技术、冷凝式燃烧技术等，对燃烧工况实施闭环动态监测控制越来越成为必要的控制技术手段。而对火焰离子电流尤其交流源火焰离子电流的精确检测却又是实施这一技术手段最直接有效的方法，因此，找到一种可精确检测交流源火焰离子电流大小的方法，是解决这类问题的关键，更是完善新一代燃烧控制技术的核心突破口。

发明内容

本发明的目的是：提供一种可精确检测交流源火焰离子电流大小的电路，它能使燃烧火焰信号在交流检测时的数据采样量化，对燃烧工况实施有效的闭环动态监测控制，保证产品燃烧性能、效率、以及烟气排放安全、环保等性能方面的需要。

本发明是这样实现的：一种可精确检测交流源火焰离子电流大小的电路，它包括信号取样电路、采样调制电路、输出整形电路和直流电平信号源；信号取样电路与采样调制电路连接，采样调制电路与输出整形电路连接；直流电平信号源与第一运算放大器（U1A）和第二运算放大器（U2A）连接；

所述采样调制电路由二极管（D1），无极性电容（C1），第三、第四、第五、第六电阻（R3、R4、R5、R6），第一运算放大器（U1A）构成；所述二极管（D1）的正极、第六电阻（R6）串联后与第一运算放大器（U1A）的输出口C脚相连；无极性电容（C1）和二极管（D1）的负极与第一运算放大器（U1A）的差模输入口B脚连接，无极性电容（C1）与直流电平信号源连接；第三电阻（R3）和第四电阻（R4）串联，第三电阻（R3）接在无极性电容（C1）与直流电平信号源之间，第三电阻（R3）和第四电阻（R4）之间与第一运算放大器（U1A）的共模输入口A脚连接，第四电阻（R4）接电源负极；第五电阻一端接在第三电阻（R3）和第四电阻（R4）串联的电路与第一运算放大器（U1A）的共模输入口A脚之间、另一端接在第六电阻下部；

或所述采样调制电路由二极管（D1），无极性电容（C1），第三、第四、第五、第六和第七电阻（R3、R4、R5、R6、R7），第一比较器（U1A）构成；所述二极管（D1）的正极、第六电阻（R6）串联后与第一比较器（U1A）的输出口C脚相连；无极性电容（C1）和二极管（D1）的负极与第一比较器（U1A）的差模输入口B脚连接，无极性电容（C1）与直流电平信号源连接；第三电阻（R3）和第四电阻（R4）串联，第三电阻（R3）接在无极性电容（C1）与直流电平信号源之间，第三电阻（R3）和第四电阻（R4）之间与第一比较器（U1A）的共模输入口A脚连接，第四电阻（R4）接电源负极；第五电阻一端接在第三电阻（R3）和第四电阻（R4）串联的电路与第一比较器（U1A）的共模输入口A脚之间、另一端接在第六电阻下部；第七电阻（R7）一端与第一比较器（U1A）输出口C脚连接、另一端与电源VCC连接；

所述输出整形电路由第二运算放大器（U2A）、第九电阻（R9）构成；第二运算放大器（U2A）的输出端F与第九电阻（R9）串接，第九电阻（R9）与输出端子连接；

或所述输出整形电路由第二比较器（U2A）、第八电阻（R8）、第九电阻（R9）构成；第二比较器（U2A）的输出端F与第九电阻（R9）串接，第八电阻（R8）一端与直流电平信号源连接、另一端接第二比较器（U2A）的输出端F与第九电阻（R9）之间，第九电阻（R9）与输出端子连接。

所述的一种可精确检测交流源火焰离子电流大小的电路，其特殊之处在于：所述信号取样电路由FID、第一电阻（R1）、正弦波交流信号源和第二电阻（R2）依次串联构成；

信号取样电路的第二电阻（R2）与无极性电容（C1）和二极管（D1）的结点连接。

所述的一种可精确检测交流源火焰离子电流大小的电路，其特殊之处在于：所述信号取样电路包括FID、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、正弦波交流信号源、第二电容（C2）和电阻（R0）；

所述FID、第一电阻（R1）和第二电阻（R2）依次串联，第二电阻（R2）与无极性电容（C1）和二极管（D1）的结点连接；

所述电阻（R0）、正弦波交流信号源和第二电容（C2）串联，第二电容（C2）的另一端接在第一、第二电阻（R1、R2）之间；电阻（R0）另一端接电源；电阻（R0）和正弦波交流信号源之间有一接地端（GND）。

所述的一种可精确检测交流源火焰离子电流大小的电路，其特殊之处在于：所述第一运算放大器（U1A）的输出口C脚与第二运算放大器（U2A）的差模输入口E脚连接；

所述第一运算放大器（U1A）的共模输入口A脚与第二运算放大器（U2A）的共模输入口D脚连接。

所述的一种可精确检测交流源火焰离子电流大小的电路，其特殊之处在于：所述第一运算放大器（U1A）的输出口C脚与第二运算放大器（U2A）的共模输入口D脚连接；

所述第一运算放大器（U1A）的共模输入口A脚与第二运算放大器（U2A）的差模输入口E脚连接。

本发明一种可精确检测交流源火焰离子电流大小的电路，由于采用这样的结构，燃烧火焰信号在交流检测时的数据采样量化，为可靠监测产品的燃烧工况和燃烧性能，并采取相应控制对策提供了极好的数据依据。

附图说明

图1是本发明的电路原理图。

图2是本发明第二种实施方式的电路原理图。

图3是本发明第三种实施方式的电路原理图。

图4是本发明第四种实施方式的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种可精确检测交流源火焰离子电流大小的电路，它包括信号取样电路、采样调制电路、输出整形电路和直流电平信号源；信号取样电路与采样调制电路连接，采样调制电路与输出整形电路连接；直流电平信号源与第一运算放大器U1A和第二运算放大器U2A连接；

所述采样调制电路由二极管D1，无极性电容C1，第三、第四、第五和第六电阻R3、R4、R5、R6，第一运算放大器U1A构成；所述二极管D1的正极、第六电阻R6串联后与第一运算放大器U1A的输出口C脚相连；第三、第四电阻R3、R4为分压电阻。

无极性电容C1和二极管D1的负极与第一运算放大器U1A的差模输入口B脚连接，无极性电容C1的另一端与直流电平信号源VCC连接；第三电阻R3和第四电阻R4串联，第三电阻R3接在无极性电容C1与直流电平信号源之间，第三电阻R3和第四电阻R4之间与第一运算放大器U1A的共模输入口A脚连接，第四电阻R4接电源负极；第五电阻R5一端接在第三电阻R3和第四电阻R4的串联电路与第一运算放大器U1A的共模输入口A脚之间、另一端接在第六电阻R6下部，即接在第六电阻R6和第一运算放大器U1A的输出口C脚之间；

当将第一运放大器置换为第一比较器时，还包括一第七电阻R7，第七电阻R7一端与第一比较器U1A输出口C脚连接、另一端与电源VCC连接。第七电阻R7作为第一比较器U1A的输出口C脚的上拉电阻。

所述输出整形电路由第二运算放大器U2A、第九电阻R9构成；第二运算放大器U2A的输出端F与第九电阻R9串接，第九电阻R9与输出端子连接。第二运算放大器U2A的输出口F脚经与第九电阻R9串联连接，输出直流方波脉宽信号供整机系统采样检测使用。

当第二运算放大器U2A为第二比较器时，还包括一第八电阻R8；第八电阻R8一端与直流电平信号源VCC连接、另一端接在第二比较器U2A的输出端F与第八电R8之间，其输出端F须上拉的第八电阻R8与其工作电源VCC相连。

所述信号取样电路由FID、第一电阻R1、正弦波交流信号源V1和第二电阻R2依次串联构成；

信号取样电路的第二电阻R2与无极性电容C1和二极管D1的结点连接。

所述第一运算放大器U1A的输出口C脚与第二运算放大器U2A的差模输入口E脚连接；所述第一运算放大器U1A的共模输入口A脚与第二运算放大器U2A的共模输入口D脚连接。

本发明的另一种实施方式：如图2所示，所述第一运算放大器U1A的输出口C脚与第二运算放大器U2A的共模输入口D脚连接；所述第一运算放大器U1A的共模输入口A脚与第二运算放大器U2A的差模输入口E脚连接。

如图3、图4所示，所述信号取样电路包括FID、第一电阻R1、第二电阻R2、正弦波交流信号源V1、第二电容C2和电阻R0；

所述FID、第一电阻R1和第二电阻R2依次串联，第二电阻R2与无极性电容C1和二极管D1的结点连接；

所述电阻R0、正弦波交流信号源V1和第二电容C2串联，第二电容C2的另一端接在第一、第二电阻R1、R2之间；电阻R0另一端接电源；电阻R0和正弦波交流信号源V1之间有一接地端GND。

其一是整形输出处理电路部分中第二运算放大器U2A的共模输入端D、差模输入端E与前级采样调制电路相连接时，二者可以互换连接，也即第二运算放大器U2A的差模输入口E脚与第一运算放大器U1A共模输入口A脚、第五电阻R5的一脚以及第三、第四电阻R3、R4的串联连接点相连接，第二运算放大器U2A共模输入端D与第一运算放大器U1A的输出口C脚、以及第五电阻R5与第六电阻R6的连接点相连接。这种模式下，第二运算放大器U2A的输出口F脚输出的直流方波脉宽信号正好反相。

其二是正弦波交流信号源V1直接采用220V/50Hz工频电压电源信号时，还可以将正弦波交流信号源V1的L极经过一个耐高压的无极性电容C2与第二电阻R2连接，同时该连接点直接与串联在火焰探针FID上的一个第一电阻R1相连接，正弦波交流信号源V1的N极因为与大地GND完全是等零电位，因此可视为其N极与GND之间直接相接，此时，系统地与大地GND之间需串联一个较大的绝缘电阻R0。

这种可精确检测交流源火焰离子电流大小的电路，电路工作时，正弦波交流信号V1经火焰离子的直流整流作用后产生的直流火焰离子电流（μA级，可根据第一、第二电阻R1、R2设定其最大检测值），经第一运算放大器U1A及其外围电路（二极管D1、无极性电容C1、第三、第四、第五和第六电阻R3～R6）构成的调制电路调制后，此时第二运算放大器U2A的输出口F脚输出一定频率f、幅值为VCC的直流方波脉宽信号，供整机系统直接检测使用。

这种可精确检测交流源火焰离子电流大小的电路，在FID端无燃烧火焰信号、或火焰信号极弱、或火焰探针对地导通（含短路）时，输出脉宽信号Vf的频率f为一较低值fL；在正常充分燃烧时，火焰电流较大，此时输出脉宽信号Vf的频率f为较大值fH；在燃烧不完全或火焰电流介于最小和最大之间时，输出脉宽信号Vf的频率f介于fL～fH之间变化。

在具体实施中，电路参数取值非常重要，元器件及电源信号相关参数可根据检测灵敏度以及产品电气安全需要进行最佳选择。若正弦波交流信号源采用工频电压220V～/50Hz，为保证产品电气安全性，R0、R1、R2的取值不得低于2MΩ左右，而且最好采用多个电阻串联的方式，以提高电路电气爬电距离。

该电路极好地解决了燃烧火焰信号在交流检测时的数据采样量化问题，为可靠检测燃气热水器、燃气采暖锅炉，尤其这类产品的强制燃烧技术、预混（包括半预混）燃烧技术、冷凝式燃烧换热技术等高端技术领域的燃烧工况和燃烧性能，并采取相应控制对策提供了极好的数据依据。

以上所述的仅是本发明的优先实施方式。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的情况下，还可以作出若干改进和变型，这也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种可精确检测交流源火焰离子电流大小的电路，其特征在于：它包括信号取样电路、采样调制电路、输出整形电路和直流电平电源；信号取样电路与采样调制电路连接，采样调制电路与输出整形电路连接；直流电平电源与第一运算放大器和第二运算放大器连接；

所述采样调制电路由二极管（D1），无极性电容（C1），第三、第四、第五和第六电阻（R3、R4、R5、R6）以及第一运算放大器构成；所述二极管（D1）的正极和第六电阻（R6）的一端串联后由第六电阻（R6）的另一端与第一运算放大器的输出口（C脚）相连；无极性电容（C1）的一端和二极管（D1）的负极与第一运算放大器的差模输入口（B脚）连接，无极性电容（C1）的另一端与直流电平电源正极（VCC）连接；第三电阻（R3）的一端和第四电阻（R4）的一端串联，第三电阻（R3）的另一端接在无极性电容（C1）的另一端与直流电平电源正极（VCC）连接点之间，第三电阻（R3）和第四电阻（R4）之间的连接点与第一运算放大器的共模输入口（A脚）连接，第四电阻（R4）另一端接直流电平电源负极；第五电阻（R5）的一端接在第三电阻（R3）、第四电阻（R4）和第一运算放大器的共模输入口（A脚）之间的连接点，另一端与第一运算放大器的输出口（C脚）相连；

所述输出整形电路由第二运算放大器以及第九电阻（R9）构成；第二运算放大器的输出端（F脚）与第九电阻（R9）的一端串接，第九电阻（R9）另一端与输出端子连接；

第一运算放大器的输出口（C脚）与第二运算放大器的差模输入口（E脚）连接，第一运算放大器的共模输入口（A脚）与第二运算放大器的共模输入口（D脚）连接；或者，第一运算放大器的输出口（C脚）与第二运算放大器的共模输入口（D脚）连接，第一运算放大器的共模输入口（A脚）与第二运算放大器的差模输入口（E脚）连接；

信号取样电路由无极性电容（C1）和二极管（D1）的连接点接入采样调制电路。

2.一种可精确检测交流源火焰离子电流大小的电路，其特征在于：它包括信号取样电路、采样调制电路、输出整形电路和直流电平电源；信号取样电路与采样调制电路连接，采样调制电路与输出整形电路连接；直流电平电源与第一比较器和第二比较器连接；

所述采样调制电路由二极管（D1），无极性电容（C1），第三、第四、第五、第六和第七电阻（R3、R4、R5、R6、R7）以及第一比较器构成；所述二极管（D1）的正极和第六电阻（R6）的一端串联后由第六电阻（R6）的另一端与第一比较器的输出口（C脚）相连；无极性电容（C1）的一端和二极管（D1）的负极以及第一比较器的差模输入口（B脚）相连接，无极性电容（C1）的另一端与直流电平电源正极（VCC）连接；第三电阻（R3）一端和第四电阻（R4）一端串联，其连接点与第一比较器的共模输入口（A脚）连接，第三电阻（R3）另一端与无极性电容（C1）另一端以及直流电平电源正极（VCC）相连接，第四电阻（R4）另一端接直流电平电源负极；第五电阻（R5）一端接在第三电阻（R3）、第四电阻（R4）和第一比较器的共模输入口（A脚）之间的连接点，第五电阻（R5）另一端与第一比较器输出口（C脚）连接；第七电阻（R7）一端与第一比较器输出口（C脚）连接，另一端与直流电平电源正极（VCC）连接；

所述输出整形电路由第二比较器、第八电阻（R8）以及第九电阻（R9）构成；第二比较器的输出端（F脚）与第九电阻（R9）的一端串接，第八电阻（R8）的一端与直流电平电源正极（VCC）连接，第八电阻（R8）另一端接第二比较器的输出端（F脚）与第九电阻（R9）之间的连接点，第九电阻（R9）的另一端与输出端子连接；第一比较器的输出口（C脚）与第二比较器的差模输入口（E脚）连接，第一比较器的共模输入口（A脚）与第二比较器的共模输入口（D脚）连接；或者，第一比较器的输出口（C脚）与第二比较器的共模输入口（D脚）连接，第一比较器的共模输入口（A脚）与第二比较器的差模输入口（E脚）连接；

3.根据权利要求1或2所述的一种可精确检测交流源火焰离子电流大小的电路，其特征在于：所述信号取样电路由FID、第一电阻（R1）、正弦波交流信号源(V1)和第二电阻（R2）依次串联构成；

信号取样电路的第二电阻（R2）一端与正弦波交流信号源(V1)连接，另一端与无极性电容（C1）和二极管（D1）的连接点连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种可精确检测交流源火焰离子电流大小的电路，其特征在于：所述信号取样电路包括FID、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、正弦波交流信号源(V1)、第二电容（C2）和电气隔地电阻（R0），其中电气隔地电阻（R0）为大于2MΩ；

所述FID、第一电阻（R1）和第二电阻（R2）依次串联后由第二电阻（R2）另一端与采样调制电路的无极性电容（C1）和二极管（D1）的连接点连接；

所述电气隔地电阻（R0）、正弦波交流信号源(V1)和第二电容（C2）依次串联后由第二电容（C2）的另一端接在第一、第二电阻（R1、R2）之间的连接点；电气隔地电阻（R0）另一端接直流电平电源正极（VCC）；电气隔地电阻（R0）和正弦波交流信号源(V1)之间有一接地端（GND）。