CN103728482A - 燃气具火焰离子电流检测电路及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种燃气具火焰离子电流检测电路，包括MCU，MCU的IO口包括P0口、P1口、P2口、P3口且MCU具有定时/计数功能，还包括定值电容C1、电阻R1、定值电阻R2、第一连接器、第二连接器，定值电容C1的一端与P0口电联接，另一端同时与P1口、定值电阻R2的一端、第二连接器电联接，定值电阻R2的另一端与P2口电联接，电阻R1一端与P3口电联接，另一端与第一连接器电联接，第一连接器的输出接口与火焰探针或燃烧器电联接，第二连接器的输出接口与燃烧器或火焰探针电联接该电路的检测方法包括MCU初始化、对定值电容C1不断充放电等步骤，可以精确地检测火焰等效阻抗，排除环境参数对检测精度的影响。

Description

燃气具火焰离子电流检测电路及其检测方法

技术领域

本发明涉及到一种燃气具火焰离子电流检测电路及其检测方法。

背景技术

家用燃气具的火焰监测一般采用火焰离子电流方式，通过对有火焰及无火焰状态下的产生的电压值差别来判断火焰的存在，该差别是通过比较器输出的高低电平或通过电阻取样分压产生不同的电压值。采用电压比较器方式，只能输出高低两种状态，不能检测离子电流的大小；采用电阻取样分压取样方式，虽能相对检测火焰离子电流大小，但在不同温度及湿度环境下，同样的火焰状态检测到火焰电流值差别极大，所以这种检测电流值方法受温度及湿度环境影响较大，也受火焰探针的氧化程度影响较大，只能用于判断火焰的存在；实际应用过程中往往需要检测火焰燃烧工况的变化，如燃气空气配比变化造成燃烧工况变劣，这种燃烧工况的变化会引起火焰离子电流的微小变化，上述方法检测精度低不能精确的检测离子电流信号的变化值，且无法判断火焰电流的变化是环境变化产生还是燃烧工况变化产生。为克服上述缺陷，对燃气具火焰离子电流检测电路及其检测电路进行了改进。

发明内容

本发明解决其技术问题采用的技术方案是提供一种燃气具火焰离子电流检测电路及其检测方法，不仅可以判断无火焰状态及火焰探针与燃烧器短路状态，更可以精确地检测火焰等效阻抗，排除环境参数对检测精度的影响，通过该方法可以判断火焰离子电流的变化，从而准确判断燃烧工况的变化。 

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：燃气具火焰离子电流检测电路，包括MCU，MCU的IO口包括P0口、P1口、P2口、P3口且MCU具有定时/计数功能，还包括定值电容C1、电阻R1、定值电阻R2、第一连接器、第二连接器，定值电容C1的一端与P0口电联接，另一端同时与P1口、定值电阻R2的一端、第二连接器电联接，定值电阻R2的另一端与P2口电联接，电阻R1一端与P3口电联接，另一端与第一连接器电联接，第一连接器的输出接口与火焰探针或燃烧器电联接，第二连接器的输出接口与燃烧器或火焰探针电联接。

所述的P0口、P1口、P2口、P3口均可设置为输入高电阻、输出低电平、输出高电平。

所述的MCU通过内部定时/计数器或通用寄存器计数，计数时间小于1us。

所述的定值电容C1为无极性电容，容量为100pF～1 uF。

所述的定值电阻R2为高精度电阻，阻值为10KΩ～10MΩ。

上述燃气具火焰离子电流检测电路的检测方法，包括如下步骤：

（1）MCU初始化，设置定时/计数器为对内部时钟计数； 

（2）设置P0口、P1口输出低电平，定值电容C1放电，定时/计数器清零；

（3）设置P1口、P3口为输入高电阻状态， P2输出高电平，并同时启动定时/计数器计数，当定值电容C1充电电压达到高电平阈值Vth时， P1口为高电平，停止计数，得到定时/计数器值为Tr，并存储于指定的寄存器中，

Tr= -R2*C1*ln(1 - Vth/Vdd)   …… ①，

（4） 重复（2）；

（5）设置P1口、P2口为输入高电阻状态， P3口输出高电平，并同时启动定时/计数器计数，当定值电容C1充电电压达到高电平阈值Vth时，P1口为高电平，立刻停止计数，得到定时/计数器值为Tf,并存储于指定的寄存器中，

Tf= -Rf*C1*ln(1 - Vth/Vdd)   ……②，

其中Rf 为火焰正向等效内阻， 

比较①②式可以得到 Rf = R2*Tf/Tr    ……③；

（6）设置P0口输出低电平，P1口输出高电平，定值电容C1充电，定时/计数器清零；

（7）设置P1口、P3口为输入高电阻状态， P2口输出低电平，并同时启动定时/计数器计数，当C1放电电压达到低电平阈值Vtl时，P1为低电平，立刻停止计数，得到定时/计数器值为Tc，并存储于指定的寄存器中，

放电时间Tc = -R2*C1*ln(Vtl/Vdd)   ……④，

（8）重复（6）；

（9）设置P1口、P2口为输入高电阻状态， P3口输出低电平，并同时启动定时/计数器计数，当C1放电电压达到低电平阈值Vtl时， P1口为低电平，立刻停止计数，得到定时/计数器值为Tfc，并存储于指定的寄存器中，

放电时间: Tfc = - Ri2*C1*ln(Vtl/Vdd)   ……⑤，

其中Ri2 为火焰正向并联等效内阻，比较④⑤式可以得到

Ri2 = R2*Tfc/Tc  ……⑥；

（10）比较③⑥式可以得到：Ri1≈ Rf*Ri2/（Rf+Ri2），其中Ri1为火焰离子等效阻抗。

本发明同背景技术相比所产生的有益效果：由于本发明采用包括定值电容C1、电阻R1、定值电阻R2，定值电容C1的一端与P0口电联接，另一端同时与P1口、定值电阻R2的一端、第二连接器电联接，定值电阻R2的另一端与P2口电联接，电阻R1一端与P3口电联接，另一端与第一连接器电联接，第一连接器的输出接口与火焰探针或燃烧器电联接，第二连接器的输出接口与燃烧器或火焰探针电联接的方案及其检测方法，利用不同的火焰离子电流对电容的充放电时间不一样，MCU依据火焰回路充放电时间值与标准阻抗对同一电容的充放电时间对比来计算火焰等效阻抗，火焰等效阻抗对应于火焰离子电流电流值的原理，不仅可以判断无火焰状态及火焰探针与燃烧器短路状态，更可以精确地检测火焰等效阻抗，排除环境参数对检测精度的影响，通过该方法可以判断火焰离子电流的变化，从而准确判断燃烧工况的变化。 

附图说明：图1为本发明的电路连接图。

图2是图1中火焰离子电流的等效电路图。

图3为本发明中检测方法的流程图。

具体实施方式：参看附图1、附图2、附图3，本发明的燃气具火焰离子电流检测电路，包括MCU、第一连接器1、第二连接器2，MCU的IO口包括P0口、P1口、P2口、P3口且MCU具有定时/计数功能，所述的P0口、P1口、P2口、P3口均可设置为输入高电阻、输出低电平、输出高电平，本发明中这四个IO口输出低电平用0表示，输出高电平用1表示，还包括定值电容C1、电阻R1、定值电阻R2，本发明中的定值电容是指容量值固定的电容，定值电阻是指阻值固定的电阻，定值电容C1的一端与P0口电联接，另一端同时与P1口、定值电阻R2的一端、第二连接器2电联接，定值电阻R2的另一端与P2口电联接，电阻R1一端与P3口电联接，另一端与第一连接器1电联接，第一连接器1的输出接口与火焰探针或燃烧器电联接，相对应地，第二连接器2的输出接口与燃烧器或火焰探针电联接。

对于有特定的定时/计数器的MCU，所述的MCU通过内部定时/计数器来实现计数功能，对于没有特定定时/计数器的MCU，则MCU通用寄存器配合软件设置来实现定时/计数功能，基于精度要求，计数时间小于1us，精度越高，数值计算越准确。本实施例的MCU, 具有内部的定时/计数器，计数脉冲为时钟脉冲。

优选地，所述的定值电容C1为无极性电容，容量为100pF～1 uF，所述的定值电阻R2为高精度电阻，阻值为10KΩ～10MΩ。

上述燃气具火焰离子电流检测电路的检测方法包括如下步骤：

（1） MCU初始化，设置定时/计数器为对内部时钟计数； 

（2）设置IO口P0 P1为输出状态，并输出低电平，C1经P1口 、MCU电源地、P0口形成放电回路。放电时间经程序控制，确保C1储存电荷接近于0，定时/计数器清零，并处于等待计数状态；

（3）设置IO口P1、P3为输入高电阻状态， P2输出高电平，并同时启动MCU内部定时/计数器计数；程序实时检测P1的输入状态，当C1充电电压达到阈值电平Vth时（检测到P1为高电平），立刻停止计数，得到定时/计数器值为Tr，并存储于指定的寄存器中，

理论上Tr= -R2*C1*ln(1 - Vth/Vdd)   …… ①，

其中R2为标准电阻，Vth为高电平阈值，是MCU内部系统自动设置的，Vdd为电源电压；

（4）重复第2步；

（5）设置IO口P1、P2为输入（高电阻）状态， P3设置为输出状态输出高电平，并同时启动MCU内部定时/计数器计数；程序实时检测P1为输入状态，当C1充电电压达到阈值电平Vth时（检测到P1为高电平）立刻停止计数，得到定时/计数器值为Tf,并存储于指定的寄存器中，

理论上  Tf= -Rf*C1*ln(1 - Vth/Vdd)   ……②，

其中Rf 为火焰正向等效内阻，等效于（相当于）Ri1与Ri2的并联，等效电路如图2，所谓火焰正向等效内阻正向是指如2的等效电路中，上端接火焰探针、下端接燃烧器时的火焰等效内阻；Vth为高电平阈值；Vdd为电源电压。R1为隔离电阻，相对于Rf可以忽略不计，

由于C1、Vth、Vdd为常数，比较①②式可以得到

Rf = R2*Tf/Tr    ……③，

按照以下公式③，R2、Tf、Tr为已知值，通过软件计算可以得到Rf的精确值；

（6）设置IO口P0 P1为输出状态，P0输出低电平，P1输出高电平，电源经经P1口 、C1、P0口、MCU电源地形成充电回路。确保C1充电接近于Vdd，定时/计数器清零，并处于等待计数状态；

（7）设置IO口P1、P3为输入高电阻状态， P2输出低电平，并同时启动MCU内部定时/计数器计数；程序实时检测P1为输入状态，当C1放电电压达到阈值电平Vtl时（检测到P1为低电平）立刻停止计数，得到定时/计数器值为Tc，并存储于指定的寄存器中，

理论上放电时间Tc = -R2*C1*ln(Vtl/Vdd)   ……④，

其中R2为标准电阻， Vtl为低电平阈值, 是MCU内部系统自动设置的，Vdd为电源电压；

（8）重复第6步；

（9）设置P1、P2口为输入高电阻状态， P3口输出低电平，并同时启动MCU内部定时/计数器计数；程序实时检测P1为输入状态，当C1放电电压达到阈值电平Vtl时（检测到P1为低电平）立刻停止计数，得到定时/计数器值为Tfc，并存储于指定的寄存器中，

理论上放电时间: Tfc = - Ri2*C1*ln(Vtl/Vdd)   ……⑤，

其中Ri2 为火焰正向并联等效内阻，可以理解安装的绝缘电阻（与火焰无关）。等效电路如图2；Vtl为低电平阈值；Vdd为电源电压，

由于C1、Vtl、Vdd为常数，比较④⑤式可以得到

Ri2 = R2*Tfc/Tc  ……⑥，

按照以下公式⑥，R2、Tfc、Trc为已知值，通过软件计算可以得到Ri2的精确值；

（10） 在Rf等效电路图中，由于Ri2受温度湿度环境影响较大，能真实反映火焰离子流变化的是Ri1值，Ri1为从探针到燃烧器的火焰单向阻抗，按照上述已知值Rf，Ri2，通过软件计算可以得到Ri1的精确值，Ri1为从探针到燃烧器的火焰单向阻抗，

      Ri1≈ Rf*Ri2/（Rf+Ri2）

如果无火焰状态，Ri1值接近∝；当火焰探针与燃烧器短路时，Ri1值为0，由Ril的精确值即可推知火焰离子电流的精确值。

由于在稳定的燃烧工况下，火焰燃烧产生的等离子数是一定的，在施加稳定的电压下，会产生稳定的离子电流，也就是说在稳定的电压下，火焰等效内阻是稳定的，因而可以通过检测火焰阻抗来检测火焰离子电流值。不同的火焰离子电流对电容的充放电时间不一样，本发明通过MCU依据火焰回路充放电时间值与固定阻抗对同一电容的充放电时间对比来计算火焰等效阻抗，火焰等效阻抗对应于火焰离子电流电流值，由于时间检测的精度可以达到0.1微秒级，从而可以获得精确的火焰电流变化值。

本发明仅由2个电阻，1个电容组成，电路设计简单实用可靠，成本低廉。不仅可以判断无火焰状态及火焰探针与燃烧器短路状态，更可以精确地检测火焰等效阻抗，排除环境参数对检测精度的影响。通过该方法可以判断火焰离子电流的变化，从而准确判断燃烧工况的变化。相比传统的火焰检测电路，不需电压比较电路及AC电源电路，因此成本更低，更可靠，精度更高。

Claims (6)

1.一种燃气具火焰离子电流检测电路，包括MCU，MCU的IO口包括P0口、P1口、P2口、P3口且MCU具有定时/计数功能，其特征在于还包括定值电容C1、电阻R1、定值电阻R2、第一连接器（1）、第二连接器（2），定值电容C1的一端与P0口电联接，另一端同时与P1口、定值电阻R2的一端、第二连接器（2）电联接，定值电阻R2的另一端与P2口电联接，电阻R1一端与P3口电联接，另一端与第一连接器（1）电联接，第一连接器（1）的输出接口与火焰探针或燃烧器电联接，第二连接器（2）的输出接口与燃烧器或火焰探针电联接。

2.根据权利要求1所述的燃气具火焰离子电流检测电路，其特征在于所述的P0口、P1口、P2口、P3口均可设置为输入高电阻、输出低电平、输出高电平。

3.根据权利要求1所述的燃气具火焰离子电流检测电路，其特征在于所述的MCU通过内部定时/计数器或通用寄存器计数，计数时间小于1us。

4.根据权利要求1所述的燃气具火焰离子电流检测电路，其特征在于所述的定值电容C1为无极性电容，容量为100pF～1 uF。

5.根据权利要求1所述的燃气具火焰离子电流检测电路，其特征在于所述的定值电阻R2为高精度电阻，阻值为10KΩ～10MΩ。

6.一种根据权利要求1～5任一项所述燃气具火焰离子电流检测电路的检测方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）MCU初始化，设置定时/计数器为对内部时钟计数； 

（2）设置P0口、P1口输出低电平，定值电容C1放电，定时/计数器清零；

（3）设置P1口、P3口为输入高电阻状态，P2输出高电平，并同时启动定时/计数器计数，当定值电容C1充电电压达到高电平阈值Vth时，P1口为高电平，停止计数，得到定时/计数器值为Tr，并存储于指定的寄存器中，

Tr= -R2*C1*ln(1 - Vth/Vdd)   …… ①，

（4） 重复（2）；

（5）设置P1口、P2口为输入高电阻状态，P3口输出高电平，并同时启动定时/计数器计数，当定值电容C1充电电压达到高电平阈值Vth时，P1口为高电平，立刻停止计数，得到定时/计数器值为Tf，并存储于指定的寄存器中，

Tf= -Rf*C1*ln(1 - Vth/Vdd)   ……②，

其中Rf 为火焰正向等效内阻， 

比较①②式可以得到 Rf = R2*Tf/Tr    ……③；

（6）设置P0口输出低电平，P1口输出高电平，定值电容C1充电，定时/计数器清零；

（7）设置P1口、P3口为输入高电阻状态，P2口输出低电平，并同时启动定时/计数器计数，当C1放电电压达到低电平阈值Vtl时，P1为低电平，立刻停止计数，得到定时/计数器值为Tc，并存储于指定的寄存器中，

放电时间Tc = -R2*C1*ln(Vtl/Vdd)   ……④，

（8）重复（6）；

（9）设置P1口、P2口为输入高电阻状态，P3口输出低电平，并同时启动定时/计数器计数，当C1放电电压达到低电平阈值Vtl时，P1口为低电平，立刻停止计数，得到定时/计数器值为Tfc，并存储于指定的寄存器中，

放电时间: Tfc = - Ri2*C1*ln(Vtl/Vdd)   ……⑤，

其中Ri2 为火焰正向并联等效内阻，比较④⑤式可以得到

Ri2 = R2*Tfc/Tc  ……⑥；

（10）比较③⑥式可以得到：Ri1≈ Rf*Ri2/（Rf+Ri2），其中Ri1为火焰离子单向等效阻抗。

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