CN103575390B - 一种高精度的多通道火焰检测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度的多通道火焰检测器，包括:N（N<=8）路火焰检测电路模块、编码器、微处理器、弱信号测量模块和通讯接口模块，其中：N路火焰检测电路把当前火焰状态的结果送入编码器；编码器把最多八路火焰状态编码成3个信号指示，其结果送入微处理器；微处理器根据火焰状态再控制火焰大小的精密测量，把结果显示在现场屏幕上和通过通信接口上传到中央控制室；弱信号测量模块实现微弱信号的精确放大，输出信号经过模数转换处理送入微处理器进行闭环反馈控制。本发明不增加新的传感器情况下，利用火焰离子在烧嘴上的单向导电性，可以检测火焰状态和火焰大小，且火焰离子的检测方式不受光、热、磁的干扰，反应灵敏，动作迅速。

Description

一种高精度的多通道火焰检测器

技术领域

本发明涉及一种燃烧监测技术，具体地说，涉及的是一种高精度的多通道火焰检测器，能够广泛应用于炉窑、加热罩等燃烧加热温控的容器监测。

背景技术

钢铁行业的炼钢炼铁流程工业、食品行业的烘干保温和水泥行业的烧制中都

离不开燃烧加热这一过程。点燃一个烧嘴需具备以下条件：适量的燃气+适量的助燃空气+火源；目前工业上所用的燃料一般为天燃气、液化气、工业煤气等介质。燃料均属有害、有毒、易燃、易爆气体，这就需要考虑引入火焰监控仪器仪表，火焰状态的判断必须直接反应到执行器端。火焰燃烧前伴随脉冲点火高压（高达7KV电压），需要火焰检测端能够抑制瞬态高压。火焰燃烧产生内阻极大的感应电动势，故宏观表现为在烧嘴上流过微安级电流。目前国内外市场上的火焰检测多采用单通道模式，且无法获得火焰电流大小的精确值。要实现如此小信号的精确测量，就必须对信号无失真的放大，采用温漂抑制、滤波、反馈控制等一系列策略。

中国专利申请号：CN200920209428.1，该专利提供“一种多通道火焰检测器，包括：主中央处理器，与主中央处理器相连接的模式转换电路，通过模式转换电路与主中央处理器相连接的从中央处理器，分别与主中央处理器和从中央处理器输入端相连接的至少2路火焰信号采集通道，与火焰信号采集通道相连接的至少2个火焰采样处理系统，分别与主中央处理器和从中央处理器输出端相连接的多路电子开关，与多路电子开关相连接的至少2路继电器开关。由于采用多通道同时采集多路火焰信号并进行独立的处理放大，避免了通道间信号的相互影响，同时设备总数大为下降，占用空间小，便于维护管理。一旦主处理器异常或故障，从中央处理器能够自动接替主中央处理器的工作，保障生产安全。”

该专利与本发明技术要点比较：

1.火焰大小检测：该专利无法检测火焰大小的精确值，只能放大火焰信号避免通道间互相干扰。本发明通过斩波稳零技术可以精确测得火焰大小。

2.多通道体现：该专利的多通道是模数转换电路直接连接中央处理器。本发明通过编码器，把N个通道的火焰信息通过编码方式只需占用log₂N的中央处理器管脚。

中国专利申请号：CN200710109770.X，专利名称为：一种火焰检测装置和火焰检测方法，该专利提供“一种通过对火焰区域的红外图象进行实时的连续成像和模式识别来检测火焰的装置和方法。来自该区域的红外辐射穿过宽视场透镜，并由对近红外范围敏感的电荷耦合元件阵列检测。该系统随后将图象数字化，从测量结果中提取出特性参数，并存储用于模式识别的图象和特性信息。为了实现模式识别的功能，将得出的当前测量结果的实时特性与预先存储的模式进行统计比较，预先存储的模式表示已知火焰状况出现在区域内时从该区域发出的辐射的图象。基于这种比较，作出评估以确定存在或不存在火焰。该特性测量结果也用于评价火焰的品质。”

该专利与本发明技术要点比较：

火焰检测原理不同：该专利利用CCD获得的当前图像信息和预先存储的模式进行统计比较来判断火焰的存在与否。本发明不增加新的传感器情况下，利用火焰离子在烧嘴上的单向导电性，可以检测火焰状态和火焰大小，且火焰离子的检测方式不受光、热、磁的干扰，反应灵敏，动作迅速。

发明内容

本发明的目的是针对单路火焰检测器的资源浪费，提供一种高精度的多通道火焰检测器，并用编码器能追踪到具体某一路火焰信号的状态，通过微弱信号的精密检测电路，能消除对信号干扰常见的温漂和环境噪声。

为实现上述的目的，本发明所述的高精度的多通道火焰检测器，包括N（N<=8）路火焰检测电路模块、编码器、微处理器、弱信号测量模块和通讯接口模块，N路火焰检测电路模块分别与编码器和弱信号测量模块相连，微处理器分别与弱信号测量模块、编码器、显示屏和通信接口模块连接。其中：N路火焰检测电路把当前火焰状态（有无火焰）的结果送入编码器；编码器把最多八路火焰状态编码成3个信号指示，其结果送入微处理器；微处理器根据火焰状态再控制火焰大小的精密测量，把结果显示在现场屏幕上和通过通信接口上传到中央控制室；弱信号测量模块实现微弱信号的精确放大，输出信号经过模数转换处理送入微处理器进行闭环反馈控制。

本发明在不增加新的传感器情况下，利用火焰离子在烧嘴上的单向导电性，可以检测火焰状态和火焰大小，且火焰离子的检测方式不受光、热、磁的干扰，反应灵敏，动作迅速。为了达到一个检测器监测多路火焰燃烧状态的目的，设计了多通道编码地址模式，使得控制端能用少量端口区分多路信号各自的状态。

另外，为了实现微弱信号的精确放大，弱信号测量模块采用SPWM波控制输入模拟开关进行斩波调制，调制后信号经第一级运放放大后进行同步解调，解调得到的信号进行第二级运放放大，输出信号经过模数转换处理送入微处理器进行闭环反馈控制，补偿温漂提高系统稳定性。

进一步的，所述弱信号测量模块由SPWM发生器、输入输出模拟开关、两级运放和模数转换器组成。所述SPWM发生器用于SPWM斩波调制解调，并通过输出TTL电平的SPWM波来控制模拟开关的通断频率；待测的微弱信号经过输入模拟开关调制后进入第一级运放，第一级运放出来的信号进入同步解调的输出模拟开关，输出模拟开关的信号出来后进入第二级运放，第二级运放输出信号一路经过两个电阻的线性分压反馈到输入模拟开关端，第二级运放另一路输出信号进入模数转换器；模数转换器的输出端连接到微处理器，微处理器用来控制SPWM发生器和火焰逻辑判断。

为了保证火焰有无状态能被有效传递，除设置了通信接口传递火焰的完整情况外，还冗余设置了继电器接口传递火焰有无的信息来保证生产安全。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明利用火焰离子在烧嘴上的单向导电性来检测火焰的大小，这样的检测方式不受光、热、磁的干扰，反应灵敏，动作迅速。通过斩波稳零技术不仅放大了火焰信号避免了通道间互相干扰还可以精确测得火焰大小。通过编码器把N个通道的火焰信息通过编码方式只需占用log₂N的中央处理器管脚即可识别到具体脚位信息。

附图说明

图1高精度的多通道火焰检测器结构示意图。

图2火焰检测电路原理图。

图3微弱信号精密测量结构图。

图4多通道火焰检测器流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的解释，但是以下的内容不用于限定本发明的保护范围。

本实施例针对单路火焰检测器的资源浪费，特设计了高精度多通道火焰检测器，并用编码器能追踪到具体某一路火焰信号的状态，通过微弱信号的精密检测电路，能消除对信号干扰常见的温漂和环境噪声。

如图1所示，高精度多通道火焰检测器包括N（N<=8）路火焰检测电路模块、编码器、微处理器、弱信号测量模块和通讯接口模块，N路火焰检测电路模块分别与编码器和弱信号测量模块相连，弱信号测量模块与编码器连接，编码器与微处理器连接，微处理器与通信接口模块连接。

N路火焰检测电路把当前火焰状态（有无火焰）的结果送入编码器，把最多八路火焰状态编码成3个信号指示，其结果送入微处理器。微处理器根据火焰状态再控制火焰大小的精密测量，把结果显示在现场屏幕上和通过通信接口上传到中央控制室。

如图2所示，火焰检测电路模块，其电路组成为：保险丝F1的一端与开关S1的一端连接，开关S1的另一端分别与发光二极管D7的正极、高压瓷片电容C4的一端和变压器T1的第1脚相连，发光二极管D7的负极与限流电阻R8的一端连接，限流电阻R8的另一端分别与高压瓷片电容C4的另一端和变压器T1的第5脚相连，变压器T1第3脚和第4脚短接，变压器T1的第10脚分别与变压器T1的第6脚、储能电容C2的正极、电阻R4的一端、稳压二极管D1的负极、储能电容C1的一端、滤波电容C3的一端、分压电阻R1的一端、MOS管的漏极端和二极管D3的负极相连，电阻R4的另一端分别与电阻R7的一端和电阻R3的一端相连，电阻R7的另一端和电阻R5的一端连接，电阻R3的另一端分别与稳压二极管D1的正极、储能电容C1的另一端、滤波电容C3的另一端和分压电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端分别与MOS管的门极端和电阻R1的另一端相连，MOS管的源极端与发光二极管D6的正极连接，发光二极管的负极分别与稳压二极管D2的负极和继电器K1控制端的一极相连，稳压二极管D2的正极分别与继电器K1控制端的另一极、二极管D5的正极和储能电容C2的负极相连，变压器T1的第9脚与二极管D5的负极连接，变压器T1的第7脚与检测取样电阻R6的一端连接，检测取样电阻R6的另一端与放电管RV3的一端连接，放电管RV3的另一端与电阻R5的另一端连接。

火焰检测电路的设计符合工业生产的实际需求。在合上开关时，电路得电，上电指示灯亮起；点火变压器次级的两组线圈分别产生230V的交流电和20V交流电，其中230V交流电加载到检测电极两端，在有火焰燃烧时，将产生火焰电动势作用在检测回路上打开MOS管产生继电器动作，20V交流电边整形成28V左右直流电给相关元件供电；当火焰燃烧时，有火指示灯亮起且继电器闭合通知微处理器。在脉冲高压点火时，点火电极对放电回路产生近7kV高压，采用放电管来抑制瞬态高能，防止高压对电路造成击穿损坏和对检测电路的干扰。当有火焰时，连接点uA【5】和连接点PE【7】间形成虚拟直流通路，电阻R4上形成微安电流的直流分压，稳压管D1钳制电压在|Vgs|的2倍以上，则电阻R1、R2分压得到PMOS Q1的Vgs控制MOS管的开关。

如图3所示，弱信号测量模块由用于SPWM斩波调制解调的SPWM发生器、两级运放、闭环反馈补偿和模数转换器组成。微处理器采用NXP公司的32位ARM7系列的LPC2214，它主要用来控制SPWM发生器和火焰逻辑判断。SPWM发生器采用MITEL公司的SPWM波专用集成芯片SA4828，它可以发生高达24KHz的三角载波信号，输出TTL电平的SPWM波控制模拟开关的通断频率。输入模拟开关采用Hittite公司的HMC484MS8G开关芯片，待测的微弱信号经过输入模拟开关调制后进入第一级运放，第一级运放采用TI公司的OP27放大器芯片。第一级运放出来的信号进入同步解调的输出模拟开关，型号同输入模拟开关。第二级运放采用TI公司的OP27放大器芯片，输出模拟开关的信号出来后进入第二级运放，输出信号一路经过两个电阻的线性分压反馈到输入模拟开关端，输出信号另一路进入模数转换器。模数转换器采用AD公司的12位AD芯片。

图4示出了多通道火焰检测器的工作流程。多通道火焰检测器上电后，电源指示灯亮，首先检测电路判断通道是否有火焰燃烧，若无，则一直循环判断是否有火，若有则点亮现场火焰指示灯，微处理器被触发SPWM波的控制信号送入SPWM专用集成芯片发生调制的SPWM波，然后再经同步解调得到火焰大小的精密测量信号，采集的信号被用作现场屏幕显示同时被通过通讯接口模块远传到中央控制器。

综上，本实施例利用火焰离子在烧嘴上的单向导电性来检测火焰的大小，这样的检测方式不受光、热、磁的干扰，反应灵敏，动作迅速。通过斩波稳零技术不仅放大了火焰信号避免了通道间互相干扰还可以精确测得火焰大小。通过编码器把N个通道的火焰信息通过编码方式只需占用log2N的中央处理器管脚即可识别到具体脚位信息。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种高精度的多通道火焰检测器，其特征在于包括:N路火焰检测电路模块、编码器、微处理器、弱信号测量模块和通讯接口模块，N路火焰检测电路模块分别与编码器和弱信号测量模块相连，微处理器分别与弱信号测量模块、编码器、显示屏和通讯接口模块连接，N<＝8；其中：N路火焰检测电路模块把当前火焰状态的结果送入编码器；编码器把最多八路火焰状态编码成3个信号指示，其结果送入微处理器；微处理器根据火焰状态再控制火焰大小的精密测量，把结果显示在现场屏幕上和通过通信接口上传到中央控制室；弱信号测量模块实现微弱信号的精确放大，输出信号经过模数转换处理送入微处理器进行闭环反馈控制；

所述火焰检测电路模块，其电路组成为：保险丝F1的一端与开关S1的一端连接，开关S1的另一端分别与发光二极管D7的正极、高压瓷片电容C4的一端和变压器T1的第1脚相连，发光二极管D7的负极与限流电阻R8的一端连接，限流电阻R8的另一端分别与高压瓷片电容C4的另一端和变压器T1的第5脚相连，变压器T1第3脚和第4脚短接，变压器T1的第10脚分别与变压器T1的第6脚、储能电容C2的正极、电阻R4的一端、稳压二极管D1的负极、储能电容C1的一端、滤波电容C3的一端、分压电阻R1的一端、MOS管的漏极端和二极管D3的负极相连，二极管D3的正极与稳压二极管D2的正极、继电器K1控制端的一极、储能电容C2的负极和二极管D5的正极相连，电阻R4的另一端分别与电阻R7的一端和电阻R3的一端相连，电阻R7的另一端和电阻R5的一端连接，电阻R3的另一端分别与稳压二极管D1的正极、储能电容C1的另一端、滤波电容C3的另一端和分压电阻R2的一端相连，分压电阻R2的另一端分别与MOS管的门极端和分压电阻R1的另一端相连，MOS管的源极端与发光二极管D6的正极连接，发光二极管D6的负极分别与稳压二极管D2的负极和继电器K1控制端的另一极相连，稳压二极管D2的正极分别与继电器K1控制端的一极、二极管D5的正极和储能电容C2的负极相连，变压器T1的第9脚与二极管D5的负极连接，变压器T1的第7脚与检测取样电阻R6的一端连接，检测取样电阻R6的另一端与放电管RV3的一端连接，放电管RV3的另一端与电阻R5的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的高精度的多通道火焰检测器，其特征在于：所述弱信号测量模块采用正弦脉冲宽度调制(SPWM)波控制输入模拟开关进行斩波调制，调制后信号经第一级运放放大后进行同步解调，解调得到的信号进行第二级运放放大，输出信号经过模数转换处理送入微处理器进行闭环反馈控制，补偿温漂提高系统稳定性。

3.根据权利要求2所述的高精度的多通道火焰检测器，其特征在于：所述弱信号测量模块由正弦脉冲宽度调制(SPWM)发生器、输入模拟开关、输出模拟开关、两级运放和模数转换器组成；所述正弦脉冲宽度调制(SPWM)发生器用于正弦脉冲宽度调制(SPWM)斩波调制解调，并通过输出TTL电平的正弦脉冲宽度调制(SPWM)波来控制输入模拟开关、输出模拟开关的通断频率；待测的微弱信号经过输入模拟开关调制后进入第一级运放，第一级运放出来的信号进入同步解调的输出模拟开关，输出模拟开关的信号出来后进入第二级运放，第二级运放输出信号一路经过两个电阻的线性分压反馈到输入模拟开关端，第二级运放另一路输出信号进入模数转换器；模数转换器的输出端连接到微处理器，微处理器用来控制正弦脉冲宽度调制(SPWM)发生器和火焰逻辑判断。

4.根据权利要求3所述的高精度的多通道火焰检测器，其特征在于：所述正弦脉冲宽度调制(SPWM)发生器采用MITEL公司的正弦脉冲宽度调制(SPWM)波专用集成芯片SA4828，它可以发生高达24KHz的三角载波信号，输出TTL电平的正弦脉冲宽度调制(SPWM)波控制模拟开关的通断频率。

5.根据权利要求3所述的高精度的多通道火焰检测器，其特征在于：所述输入模拟开关采用Hittite公司的HMC484MS8G开关芯片。

6.根据权利要求3所述的高精度的多通道火焰检测器，其特征在于：所述第一级运放、第二级运放采用TI公司的OP27放大器芯片。

7.根据权利要求3所述的高精度的多通道火焰检测器，其特征在于：所述模数转换器采用AD公司的12位AD芯片。

8.根据权利要求1-7任一项所述的高精度的多通道火焰检测器，其特征在于：所述微处理器采用NXP公司的32位ARM7系列的LPC2214。