CN107656130A - 一种利用交流信号检测弱直流导电特性的检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用交流信号检测弱直流导电特性的检测电路，包括：交流检测电路、比较控制电路和输出电路，所述交流检测电路包括检测探棒、第一电阻和交流信号源，所述检测探棒的输出端连接第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端与交流信号源的正极连接，所述交流信号源的负极接地；所述输出电路包括由第六电阻和第二电容组成的输出滤波电路，所述交流检测电路的输出端连接控制电路，所述控制电路的输出端连接输出电路。本发明通过对燃烧火焰离子浓度大小进行动态监测，以达到对燃烧系统的燃烧工况实施实时闭环控制，保证产品在燃烧性能、效率、以及烟气排放安全、环保等性能方面的需要。

Description

一种利用交流信号检测弱直流导电特性的检测电路

技术领域

本发明涉及家用电器领域，具体涉及到一种利用交流信号检测弱直流导电特性的检测电路，可广泛应用在对具有微弱直流导电特性介质的测试及其应用领域，比如燃气具产品（包括燃气热水器、燃气采暖炉、燃气灶具、燃气烤箱等）中对火焰离子电流的监测，尤其在燃气具产品的一些高端技术领域，如预混燃烧（包括半预混燃烧）等技术中。

背景技术

在燃气具产品（包括燃气热水器、燃气采暖炉、燃气灶具、燃气烤箱等）中，火焰检测是产品必不可少的技术，随着产品技术的升级进步，燃烧技术作为燃气具产品核心技术之一，技术发展很快，屡屡已产生如预混燃烧（包括半预混燃烧）、浓淡燃烧、冷凝换热燃烧等新的技术。在这类技术中，优化燃烧工况是保证产品燃烧性能、效率、以及烟气排放安全、环保等性能指标的核心关键。利用火焰离子的直流导电特性，对火焰离子电流进行精确检测是对燃烧工况进行实时监测并实施燃烧优化控制最直接有效的依据，在这类新一代燃气具产品中，火焰离子电流的精确检测越来越成为产品的必备技术。

火焰离子信号的检测原理是利用火焰离子的单向直流导电特性，通过对安装在燃烧火焰中的两个电极之间施加一个直流或交流电压信号，信号经过火焰后可产生微弱的直流电流信号，此时可在火焰电极之间采样到该离子电流或电压信号测试到火焰信号。因为信号很微弱以及火焰离子自身的离散不稳定性，受环境等不确定因素影响很大，因此，要精确测试火焰离子电流大小并非易事。

在老一代传统燃气具产品中，由于采用的主要是敞开式燃烧方式，空气与燃气通过在燃烧器的衍射腔中一次混合以及在燃烧室中根据空燃压力比进行的二次混合来完成的，这种模式下空气与燃气的混合完全是被动的，因此这类产品中对系统燃烧工况的控制是开环控制方法，也即通过对空气与燃气的混合比实施预先设计或设置，来保证燃烧工况良好并稳定，燃烧过程中并不需要对空燃比进行二次调节和干预，因此对火焰离子信号的监测仅局限在为了满足产品安全需要的对信号的“开关”状态检测而已。

传统的火焰检测，技术手段较为简单，通常只是在火焰探棒上施加一个交流电压信号，信号经过火焰离子的导电整流作用后，在火焰探棒与机壳地之间采样到一微弱的直流分压信号，通过信号比较放大后，依此判断火焰存在与否以及系统燃烧与否。该方法只解决火焰信号的定性检测问题，也即火焰信号有无问题，并不能用于对火焰燃烧质量也即燃烧工况的监测。更早期的火焰信号直流检测方法（火焰针对地之间施加直流电压信号），因无法解决火焰针在潮态下易产生误判的问题，该技术目前已淘汰。

在新一代的燃烧技术中，如预混燃烧（包括半预混燃烧）、浓淡燃烧、冷凝换热燃烧等，由于燃烧方式均为密闭强化燃烧方式，其主要特点是单位燃烧器面积及燃烧腔体积的燃烧功率均大幅提高，而且不存在二次空气燃气混合问题，因此完全不能采用传统的被动空燃混合方式。但是，该类燃烧方式对空气燃气的混合配比设置和调节要求更高，为了满足该燃烧方式下不同负荷功率的燃烧需要，保证燃烧更加充分完全，燃烧效率更高，在系统燃烧过程中，需要对燃烧工况实施动态监测并及时进行相关的闭环调节控制。能反映燃烧工况最重要的指标一则是烟气中的CO、CO2、O2等成分含量，二则是燃烧效率，但这两项无法实时监测难以作为对燃烧工况进行及时快速调节控制的依据。火焰燃烧时产生的离子浓度是综合反映燃烧工况尤其上述二特性指标最好的依据，而对火焰离子浓度监测最直接有效的方法是对火焰离子电流尤其交流源时火焰离子电流的精确检测。因此，在新一代燃烧技术中，对火焰离子电流精确监测是实现燃烧工况动态监测并及时进行相关的闭环调节控制最直接有效的手段，一种交流信号方式检测弱直流导电特性的电路，是实现这一手段的重要关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，公开了一种利用交流信号检测弱直流导电特性的检测电路。不仅可检测到导电介质的弱直流导电特性，还可检测其电流大小，通过实时有效监控火焰燃烧实际工况以实施有效调节控制而达到最佳燃烧工况。

本发明采用的技术方案是：

一种利用交流信号检测弱直流导电特性的检测电路，包括：交流检测电路、比较控制电路和输出电路，所述交流检测电路包括检测探棒、第一电阻和交流信号源，所述检测探棒的输出端连接第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端与交流信号源的正极连接，所述交流信号源的负极接地；所述输出电路包括由第六电阻和第二电容组成的输出滤波电路，所述交流检测电路的输出端连接控制电路，所述控制电路的输出端连接输出电路。

进一步地，所述控制电路包括：第二电阻、第一电容、第一二极管、第三电阻、第四电阻、三极管、第五电阻、第二二极管、第六电阻、第二电容；所述第五电阻的一端与工作电源连接，所述第五电阻的另一端与控制器连接，第五电阻的另一端与三极管的集电极连接，所述三极管的基极与第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端与第一二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极分别通过第二电阻和第一电容接地，所述第一二极管的负极通过第三电阻接地，所述三极管的发射极与第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极通过第二电容的正极为输出端与输出电路连接。

进一步地，所述信号源为隔离型正弦波交流信号源，所述工作电源为直流工作源。

进一步地，所述三极管为NPN型三极管为N沟道场效应管。

进一步地，所述控制电路包括：第二电阻、第一电容、第一二极管、第三电阻、第四电阻、运算放大器、第五电阻、第二二极管、第六电阻、第二电容；所述第五电阻的一端与工作电源连接，所述第五电阻的另一端与控制器连接，工作电源与运算放大器的电源端连接，所述运算放大器的正极端与第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端与第一二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极分别通过第二电阻和第一电容接地，所述第一二极管的负极通过第三电阻接地，所述运算放大器的负极端与运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的输出端通过第五电阻与第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极与输出电路连接。

进一步地，所述第一二极管的阳极通过第一电容与工作电源连接。

进一步地，所述控制电路包括：第二电阻、第一电容、第一二极管、第三电阻、第四电阻、比较器、第五电阻、第二二极管、第六电阻、第二电容；所述第五电阻的一端与工作电源连接，所述第五电阻的另一端与控制器连接，工作电源与运算放大器的电源端连接，所述比较器的正极端与第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端与第一二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极分别通过第二电阻和第一电容接地，所述第一二极管的负极通过第三电阻接地，所述比较器的负极端与比较器的输出端连接，所述比较器的输出端通过第五电阻与工作电源连接，所述比较器的输出端与第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极与输出电路连接。

进一步地，所述第一二极管的阳极通过第一电容与工作电源连接。

进一步地，所述控制电路包括：第二电阻、第一电容、第一二极管、第三电阻、第四电阻、三极管、第五电阻、第二二极管、第六电阻、第二电容；所述第五电阻的一端与工作电源连接，所述第五电阻的另一端与三极管的集电极连接，所述三极管的基极与第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端与第一二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极通过第二电阻接地，所述第一二极管的阳极通过第一电容与工作电源连接，所述第一二极管的负极通过第三电阻接地，所述三极管的发射极与第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极与输出电路连接。

进一步地，所述三极管为NPN型三极管或N沟道场效应管。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明通过一种交流信号方式检测弱直流导电特性的电路，对交流源火焰离子电流可实现精确检测，输出随火焰离子电流大小而变化的模拟电压信号，供控制系统经过AD转换后进行数据量化，以准确实现对燃烧工况的及时精准控制。考虑到环境因素的影响，该电路须满足在某些潮湿状态下仍能正常工作，不会产生因潮湿带来的误判、错判问题；本发明可实现对交流源火焰离子电流大小进行实时动态检测，可解决燃气具产品（包括燃气热水器、燃气采暖炉、燃气灶具、燃气烤箱等），通过对燃烧火焰离子浓度大小进行动态监测，以达到对燃烧系统的燃烧工况实施实时闭环控制，保证产品在燃烧性能、效率、以及烟气排放安全、环保等性能方面的需要。

附图说明

图1为本发明提出的一具体实施例电路图；

图2为本发明提出的一具体实施例电路图；

图3为本发明提出的一具体实施例电路图；

图4为本发明提出的一具体实施例电路图；

图5为本发明提出的一具体实施例电路图；

图6为本发明提出的一具体实施例电路图；

图7为本发明提出的一具体实施例电路图；

图8为本发明提出的一具体实施例电路图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

一种利用交流信号检测弱直流导电特性的检测电路，包括：交流检测电路、比较控制电路和输出电路，所述交流检测电路包括检测探棒、第一电阻和交流信号源，所述检测探棒的输出端连接第一电阻2的一端，所述第一电阻2的另一端与交流信号源3的正极连接，所述交流信号源3的负极接地；所述输出电路包括由第六电阻13和第二电容14组成的输出滤波电路，所述交流检测电路的输出端连接控制电路，所述控制电路的输出端连接输出电路。

参见图1，为本发明的一具体实施例电路图；

如图1所示，检测探棒1与第一电阻2串联连接后接隔离型正弦波交流信号源3的其中一极，信号源3的另一极直接与电路的系统地15连接，该系统地15等效于系统直流工作电源10的负极；第二电阻4一端与机壳地（大地）16连接，另一端与第一电容5以及第一二极管6的正极相连接，第一电容5的另一极接入电路系统地15。第一二极管6的负极与第三电阻7、第四电阻8相连接，第三电阻7的另一端接入电路系统地15，而第四电阻8的另一端则接入NPN型三极管9的基极。NPN型三极管9的集电极与第五电阻11一端连接，第五电阻11另一端接入系统直流工作电源10的正极。NPN型三极管9的发射极与二极管12的正极连接，然后二极管12的负极又与第六电阻11和第二电容14的正极相并联，第六电阻11的另一端和第二电容14的负极接入电路系统地15。电路输出的电压信号经第二电容14的正极输出，供系统其它电路进行AD采样转换之用。

参见图2，为本发明提出的一具体实施例电路图；

如图2所示，NPN型三极管9可以用N沟道场效应管（含MOS管）代替，此时N沟道场效应管9的栅极与第四电阻8连接，其源极与第五电阻11连接，漏极与二极管12的正极连接，电路其它连接方式不变。

参见图3和图4，为本发明提出的一具体实施例电路图；

本发明提出的一种利用交流信号检测直流导电特性的检测电路，由检测探棒1，电阻2、第二电阻4、第一电容5、第一二极管6、第三电阻7、第四电阻8、运算放大器IC或比较器IC电路9、第五电阻11、二极管12、第六电阻11、第二电容14等元器件组成。检测探棒1与电阻2串联连接后接隔离型正弦波交流信号源3的其中一极，信号源3的另一极直接与电路的系统地15连接。第二电阻4一端与机壳地（大地）16连接，另一端与第一电容5以及第一二极管6的正极相连接，第一电容5的另一极接入电路系统地15。第一二极管6的负极与第三电阻7、第四电阻8相连接，第三电阻7的另一端接入电路系统地15，而第四电阻8的另一端则接入运算放大器IC或比较器IC电路9的共模输入端。运算放大器IC或比较器IC电路9的差模输入端直接与其输出端连接，其电源正端和负端分别与系统直流工作电源10正极和电路的系统地15连接。

如图3所示，当运算放大器IC或比较器IC电路9为运算放大器时，其输出端直接与第五电阻11和二极管12相串联，然后二极管12的负极又与第六电阻11和第二电容14的正极相并联，第六电阻11的另一端和第二电容14的负极接入电路系统地15。电路输出的电压信号经电容14的正极输出，供系统其它电路进行AD采样转换之用。

如图4所示，当运算放大器IC或比较器IC电路9为比较器时，其输出端与第五电阻11一端和二极管12的正极相连接，第五电阻11另一端接入系统直流工作电源10的正极。二极管12的负极与第六电阻11和第二电容14的正极相并联，第六电阻11的另一端和第二电容14的负极接入电路系统地15。电路输出的电压信号经电容14的正极输出，供系统其它电路进行AD采样转换之用。

如图5至8所示，第一电容5的连接方式还可以为其它形式，即第一电容5一端与第二电阻4和第一二极管6的正极的公共连结点相连接，其另一极接入系统直流工作电源10的正极，电路其它连接方式不变。

如电路附图1、2、5、6所示，电路工作时，正弦波交流信号3正相部分通过电阻2以及检测探棒1施加在火焰上，经过火焰的单向直流整流后，其正电压信号经过机壳地16以及第二电阻4给电容5充电（电容5充电时其另一极接系统地15或电源10正极完全是等效的），因此对系统地15而言，电容5与第二电阻4、第一二极管6正极的连接点上的电压为正电压。该电压值取决于正弦波交流信号3的电压幅值以及电阻2、第二电阻4和火焰电阻值的大小，而火焰电阻则决定了火焰离子电流的大小。该电压经第一二极管6正向整流以及第三电阻7分压后，再经第四电阻8（起限流保护作用）输入到三极管9的基极（或场效应管9的栅极）。由于三极管（或场效应管）9工作在同相跟随器状态（跟随0～VDD之间的正电压信号），因此，经三极管（或场效应管）9的发射极（或漏极）输出的电压约等于电容5上的充电电压值（对系统地15而言），而电容5上的充电电压值则直接反映了火焰离子电流的大小及其变化。当火焰离子电流在一定范围内变化时，三极管9的发射极（或场效应管9的漏极）输出电压也紧紧跟随变化，该输出电压经二极管12、第六电阻11和电容14构成的稳压电路稳压后，在电容14正极上就可以得到真实反映火焰离子电流大小的模拟电压，该信号电压与经检测探棒1检测到具有弱直流导电特性的信号电流大小正相关。该电压经系统其它电路AD采样变换后，就可获得实时反映火焰离子电流大小的数据，可作为相关控制的决策依据。

如电路附图3、4、7、8所示，当使用运算放大器IC或比较器IC电路时，因为运算放大器IC或比较器IC电路9的差模输入端与输出端短接，它们其实同样是起电压跟随器的作用。由于运算放大器IC或比较器IC电路9工作在正向单电压状态下，故该电压跟随器只能跟随0～VDD之间的正电压信号，它可跟随运算放大器IC或比较器IC电路9共模输入端的正向电压变化。同样，经运算放大器IC或比较器IC电路9输出的电压约等于电容5上的充电电压值（对系统地15而言），而电容5上的充电电压值则直接反映了火焰离子电流的大小及其变化。当火焰离子电流在一定范围内变化时，运算放大器IC或比较器IC电路9输出电压也紧紧跟随变化。运算放大器IC或比较器IC电路9的输出电压经第五电阻11限流，二极管12、第六电阻11和电容14构成的稳压电路稳压后，在电容14正极上就可以得到真实反映火焰离子电流大小的模拟电压，该信号电压与经检测探棒1检测到具有弱直流导电特性的信号电流大小正相关。该电压经系统其它电路AD采样变换后，就可获得实时反映火焰离子电流大小的数据，可作为相关控制的决策依据。

该电路能正确识别出检测探棒1处于潮湿状态甚至直接对机壳地（大地）16短路的状态，而不至于产生错误信号导致系统误判。当检测探棒1处于潮湿状态也即检测探棒1对机壳地（大地）16之间的电阻值为一有限值时，如果检测探棒1端无检测媒质存在，此时电路输出信号电压为0；当检测探棒1端有检测媒质存在时，电路仍能输出有效电压信号。当检测探棒1对机壳地（大地）16直接短路也即它们之间的电阻值为0时，电路输出信号电压为0。因此，在检测探棒1处于潮湿状态以及直接对机壳地（大地）16短路情况下不至于会造成伪信号或假信号等误判情况出现。

在具体实施中，当选用三极管时，须采用附图1、5的电路模式；当选用场效应管时，须采用附图2、6的电路模式；当选用运算放大器IC时，须采用附图3、7的电路模式；当选用比较器IC时，须选用附图4、8的电路模式。

实施中电路参数选取非常重要，否则电路根本无法工作。选用三极管时，最好是高增益倍数的快速开关型管，选用场效应管时最好是MOS管，由于电路对功率要求不高，因此选用三极管或场效应管时无需选择功率型器件。其次，电阻2、第二电阻4、第三电阻7的取值须结合正弦波交流信号源3的电压幅值大小以及所测信号有效范围而定，保证在有效测试范围下，所测信号在电容5上充电所得的直流正电压信号（对系统地15而言）须在有效工作电压范围也即0～VDD之内。在选用三极管或场效应管时，电阻2、第二电阻4、第三电阻7、第四电阻8的取值还须考虑三极管或场效应管9的基极电流或栅极电压的要求，保证三极管或场效应管9能在测试信号有效范围内可靠工作。另外，正弦波交流信号源3建议使用独立隔离型交流信号源，而且电压幅值及频率建议在60V和50Hz以上，不宜直接使用220V～/50Hz工频交流电源。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种利用交流信号检测弱直流导电特性的检测电路，其特征在于，包括：交流检测电路、比较控制电路和输出电路，所述交流检测电路包括检测探棒、第一电阻和交流信号源，所述检测探棒的输出端连接第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端与交流信号源的正极连接，所述交流信号源的负极接地；所述输出电路包括由第六电阻和第二电容组成的输出滤波电路，所述交流检测电路的输出端连接控制电路，所述控制电路的输出端连接输出电路。

2.根据权利要求1所述的一种利用交流信号检测弱直流导电特性的检测电路，其特征在于，所述控制电路包括：第二电阻、第一电容、第一二极管、第三电阻、第四电阻、三极管、第五电阻、第二二极管、第六电阻、第二电容；所述第五电阻的一端与工作电源连接，所述第五电阻的另一端与控制器连接，第五电阻的另一端与三极管的集电极连接，所述三极管的基极与第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端与第一二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极分别通过第二电阻和第一电容接地，所述第一二极管的负极通过第三电阻接地，所述三极管的发射极与第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极通过第二电容的正极为输出端与输出电路连接。

3.根据权利要求2所述的一种利用交流信号检测弱直流导电特性的检测电路，其特征在于，所述信号源为隔离型正弦波交流信号源，所述工作电源为直流工作源。

4.根据权利要求2所述的一种利用交流信号检测弱直流导电特性的检测电路，其特征在于，所述三极管为NPN型三极管为N沟道场效应管。

5.根据权利要求1所述的一种利用交流信号检测弱直流导电特性的检测电路，其特征在于，所述控制电路包括：第二电阻、第一电容、第一二极管、第三电阻、第四电阻、运算放大器、第五电阻、第二二极管、第六电阻、第二电容；所述第五电阻的一端与工作电源连接，所述第五电阻的另一端与控制器连接，工作电源与运算放大器的电源端连接，所述运算放大器的正极端与第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端与第一二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极分别通过第二电阻和第一电容接地，所述第一二极管的负极通过第三电阻接地，所述运算放大器的负极端与运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的输出端通过第五电阻与第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极与输出电路连接。

6.根据权利要求5所述的一种利用交流信号检测弱直流导电特性的检测电路，其特征在于，所述第一二极管的阳极通过第一电容与工作电源连接。

7.根据权利要求1所述的一种利用交流信号检测弱直流导电特性的检测电路，其特征在于，所述控制电路包括：第二电阻、第一电容、第一二极管、第三电阻、第四电阻、比较器、第五电阻、第二二极管、第六电阻、第二电容；所述第五电阻的一端与工作电源连接，所述第五电阻的另一端与控制器连接，工作电源与运算放大器的电源端连接，所述比较器的正极端与第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端与第一二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极分别通过第二电阻和第一电容接地，所述第一二极管的负极通过第三电阻接地，所述比较器的负极端与比较器的输出端连接，所述比较器的输出端通过第五电阻与工作电源连接，所述比较器的输出端与第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极与输出电路连接。

8.根据权利要求7所述的一种利用交流信号检测弱直流导电特性的检测电路，其特征在于，所述第一二极管的阳极通过第一电容与工作电源连接。

9.根据权利要求1所述的一种利用交流信号检测弱直流导电特性的检测电路，其特征在于，所述控制电路包括：第二电阻、第一电容、第一二极管、第三电阻、第四电阻、三极管、第五电阻、第二二极管、第六电阻、第二电容；所述第五电阻的一端与工作电源连接，所述第五电阻的另一端与三极管的集电极连接，所述三极管的基极与第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端与第一二极管的阴极连接，所述第一二极管的阳极通过第二电阻接地，所述第一二极管的阳极通过第一电容与工作电源连接，所述第一二极管的负极通过第三电阻接地，所述三极管的发射极与第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极与输出电路连接。

10.根据权利要求9所述的一种利用交流信号检测弱直流导电特性的检测电路，其特征在于，所述三极管为NPN型三极管或N沟道场效应管。