CN115200035B - 基于调制解调技术的离子式火焰检测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于调制解调技术的离子式火焰检测系统及其方法，系统包括包括前置放大模块以及与其连接的运算处理模块；所述前置放大模块包括交流增益单元、离子探针、隔离保护单元、电流采样单元、信号叠加单元和基准电压源；所述离子探针与交流增益单元、隔离保护单元连接；所述隔离保护单元、电流采样单元、信号叠加单元和基准电压源顺序连接；所述信号叠加单元与运算处理模块连接。本发明将采样电压与基准电压通过信号叠加单元进行叠加，有效实现了采样信号与处理单元的隔离，降低了处理单元受干扰破坏的风险。本发明可根据方波信号的参数，按照应用需求灵活设置延迟时间和灵敏度，提高了离子电流信号检测的适应性和可靠性。

Description

基于调制解调技术的离子式火焰检测系统及其方法

技术领域

本发明属于检测装置技术领域，特别是涉及点火装置中基于调制解调技术的离子式火焰检测系统及其方法。

背景技术

点火装置是在一瞬间能提供足够的能量点燃气态燃料并能稳定火焰的燃烧器，应用于锅炉点火、电厂点火、商用炉灶等场合。在燃烧应用领域，需要燃烧器的烧嘴尺寸不一，使用过程中会出现火焰不均匀，甚至是一部分烧嘴没有火焰的情况，此时从烧嘴中拍出来的燃气达到一定程度可能发生爆炸危险。在上述应用场合中为保证火焰稳定，需要火焰检测装置来检测火焰的有误，进而实现火焰稳定的控制。

目前依靠火焰离子信号检测火焰的装置中，在检测火焰时采用比较器电路，受比较器参数差异的影响，导致火焰检测灵敏度差异；同时在工业应用场合，受到环境温度、湿度、磁场等影响，也会导致检测器稳定性降低，影响检测准确性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明的目的是针对离子信号检测火焰装置易受环境因素干扰和自身差异的影响导致降低准确性的问题，从而提供基于调制解调技术的离子式火焰检测系统及其方法，提高系统抗干扰能力，提升系统稳定性，确保检测结果准确性。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：基于调制解调技术的离子式火焰检测系统，包括前置放大模块以及与其连接的运算处理模块；所述前置放大模块包括交流增益单元、离子探针、隔离保护单元、电流采样单元、信号叠加单元和基准电压源；

所述离子探针与交流增益单元、隔离保护单元连接；

所述隔离保护单元、电流采样单元、信号叠加单元和基准电压源顺序连接；所述信号叠加单元与运算处理模块连接。

所述离子探针包括探针电极和外壳电极两部分，所述探针电极和外壳电极分别与交流增益单元的交流输出端相连；所述探针电极与隔离保护单元的正输入端连接，所述外壳电极与隔离保护单元的负输入端连接。

所述探针电极与外壳电极均安装于火焰燃烧范围内，所述探针电极与外壳电极的距离不大于10mm且不接触。

所述运算处理模块包括顺序连接的函数发生器、运算比较单元、数据处理单元、信号反馈单元、参数设置单元；所述函数发生器与数据处理单元连接；所述信号反馈单元与外部的点火控制器的信号输入端连接。

所述函数发生器采用积分电路，所述积分电路输入端与数据处理单元的PWM输出端连接，所述积分电路输出端与运算比较单元连接。

所述运算比较单元采用比较电路，所述比较电路的第一输入端、第二输入端分别与信号叠加单元输出端、函数发生器的积分电路输出端连接；所述比较电路的输出端与数据处理单元的PWM输入端连接。

所述参数设置单元包括按键与显示屏，所述按键、显示屏与数据处理单元GPIO输出端连接。

所述信号反馈单元包括指示灯和继电器，所述指示灯、继电器与数据处理单元GPIO输出端连接；所述继电器与外部的点火控制器的信号输入端连接。

基于调制解调技术的离子式火焰检测方法，包括以下步骤：

当离子探针的探针电极与外壳电极之间出现火焰信号时，离子探针的探针电极与外壳电极之间产生离子电流信号，在交流增益单元产生的交流激励电流的作用下得到增强的离子电流信号；

离子电流信号经过隔离保护单元的交流与直流隔离后，传输到电流采样单元；电流采样单元将电流信号转换为电压采样信号，传输到信号叠加单元；

信号叠加单元接收基准电压源的基准电压信号，与电压采样信号叠加后得到输入电压信号，输入电压信号传输到运算处理模块；

运算处理模块根据输入电压信号产生方波信号，通过预设参数范围得到信号的变化对比，以表示火焰信号的有无。

所述运算处理模块根据输入电压信号产生方波信号，通过预设参数范围得到信号的变化对比，以表示火焰信号的有无，包括以下步骤：

数据处理单元的PWM输出端输出方波信号1，控制函数发生器中积分电路产生三角波调试信号，三角波调制信号输出到运算比较单元中比较电路的第二输入端；

运算比较单元中比较电路将第一输入端接收信号叠加单元的输入电压信号与第二输入端接收的三角波调制信号进行比较，若第一输入端信号大于第二输入端信号，则输出高电平，反之，则输出低电平，从而得到方波信号2；

数据处理单元根据方波信号2得到占空比，通过预设参数范围得到信号的变化对比，以表示火焰信号的有无。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用交流激励电流的方式增强了离子电流的幅值，提高了微弱离子电流信号在噪声中的辨识度。

2、本发明将采样电压与基准电压通过信号叠加单元进行叠加，有效实现了采样信号与处理单元的隔离，降低了处理单元受干扰破坏的风险。

3、本发明三角波信号调制与方波信号解调的方式，可将离子电流的微弱线性变化转换为多周期的占空比变化，提高了检测的准确性和抗干扰能力。

4、本发明可根据方波信号的参数，按照应用需求灵活设置延迟时间和灵敏度，提高了离子电流信号检测的适应性和可靠性。

附图说明

图1是本发明所述离子式火焰检测系统总体示意图；

图2是本发明所述离子探针结构示意图；

图3是本发明所述调制与解调技术中的信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图及实施实例对本发明做进一步的详细说明。

本发明采用软件调制与解调的方式，是为了解决不同应用环境下，温度、湿度等环境因素变化以及磁场对火焰检测系统硬件电路部分产生影响，进而影响准确性的问题。系统包括前置放大模块、运算处理模块；所述前置放大模块产生交流激励信号，在点火装置处于有火状态时，离子探针检测到离子电流，经过隔离保护、电流电压转换作为采样信号，与基准电压信号叠加后作为输入信号，传输到运算比较单元中比较电路的正输入端；所述运算处理模块中，数据处理单元中PWM比较输出方波信号1控制函数发生器产生三角波调制信号，调制信号输入到运算比较单元中比较电路的负输入端，运算比较单元中比较电路将正输入端信号和负输入端信号比较分析后输出方波信号2到数据处理单元中PWM输入捕获，数据处理单元中PWM输入捕获将方波信号进行滤波后计算得到占空比，根据设置的参数解析比较占空比的数值得到当前点火状态，将有火信号反馈到指示灯、继电器等信号输出单元。本发明适用于点火装置的有无火焰状态检测。

基于调制解调技术的离子式火焰检测系统，包括前置放大模块、运算处理模块；

前置放大模块包括交流增益模块、离子探针、隔离保护单元、电流采样单元、信号叠加单元、基准电压源；

运算处理模块包括函数发生器、运算比较单元、数据处理单元、信号反馈单元、参数设置单元；

所述交流增益单元产生交流信号，输出端连接至离子探针输入端，离子探针与点火装置的外壳组成离子电流回路输出端连接至隔离保护单元的输入端；隔离保护单元的输出端与电流采样单元的输入端相连；

所述电流采样单元的输出端与信号叠加单元的第一输入端相连，基准电压源与信号叠加单元的第二输入端相连；

所述信号叠加单元的输出端与运算比较单元的正输入端相连，函数发生器的输出端与运算比较单元的负输入端相连；

所述运算比较单元的输出端与数据处理单元相连；所述数据处理单元的控制信号输出端与函数发生器的输入端相连；所述数据处理单元的传输信号输出端与信号反馈单元的输入端相连；所述参数设置单元的输出端与数据处理单元的传输信号输入端相连；

工作原理：火焰电离探测依据两个基本原理，即火焰导电性和火焰整流。在燃烧火焰范围，离子探针的两个电极上被施加一定的电压时可以形成导电流。火焰燃烧放热引起火焰附近的分子相互碰撞，把一些电子从原子中碰撞出来，产生带电离子从而引起火焰电离。带正电的离子流向负电极，带负电荷的电子流向正电极，形成离子电流。

离子电流的大小与电场、电离率、当量比、温度、电极结构等有关，离子探针的探针电极与外壳电极之间相距不超过10mm，探针极为针形结构，长度为100mm，直径为3mm，材料为金属导电材料(如Q235)；外壳极为圆环结构，长度为100mm，内环直径为80mm，圆环厚度为3mm，材料为金属导电材料(如Q235)。探针电极与外壳电极之间通过绝缘的陶瓷固定连接，探针电极和外壳电极都处于火焰燃烧范围内，有效检测离子电流，如图2所示。

基于上述系统的调制解调技术的离子式火焰检测方法，由以下步骤实现：

离子探针的双极检测针位于点火装置内，点火装置内存在火焰信号时，离子探针之间会产生离子电流信号，在交流激励电流的作用下得到增强的离子电流信号；离子电流信号经过隔离保护单元的交流与直流隔离后，传输到电流采样单元；电流采样单元采用精密电阻将电流信号转换为电压采样信号，传输到信号叠加单元；同时，信号叠加单元接收基准电压源的基准电压信号，与电压采样信号叠加后得到输入电压信号，输入电压信号传输到运算比较单元中比较电路的正输入端；

数据处理单元中PWM比较输出产生方波信号1，方波信号1控制函数发生器中积分电路产生三角波调试信号，三角波调制信号输出到运算比较单元中比较电路的负输入端；运算比较单元中比较电路将正输入端信号与负输入端信号进行比较，若正输入端大于负输入端，则输出高电平，若正输入端小于负输入端，则输出低电平，从而得到方波信号2；方波信号2输出到数据处理单元中PWM输入捕获，数据处理单元经过处理计算得到占空比，通过预先设定的参数范围可得到信号的变化对比，即火焰信号的有无状态判断；数据处理单元将火焰信号的有无状态转换为反馈信号，输出到信号反馈单元，信号反馈单元包括指示灯、继电器等；

数据处理单元通过参数设置单元中按键与显示屏的输入，可以预先设定灵敏度、延迟时间等参数。

在测量模式中，通过施加交流增益电流形成交流电场，加强离子电流，增益电压Uen如图3中(B)所示；当有火焰时，离子探针的探针极和外壳极之间产生离子电流I，如图3中(A)所示，图中0-2s时间处于无火状态，2-4s时间处于有火状态，4-6s处于无火状态，图3中所有的时间轴t的状态与上述状态相同。经过隔离保护单元的气体放电保护管与电容过滤，有效隔断雷击、电涌电压等特殊干扰的破坏；经过隔离保护后进入到电流采样单元，电流采样单元的采样电阻将电流信号转换为电压信号，得到采样电压Usam，如图3中(C)所示；

基准电压源产生基准电压Uref，如图3中(D)所示。将采样电压Usam与基准电压Uref进过信号叠加单元叠加后，得到输入电压Uin，如图3中(E)所示。此时得到的Uin中，包含离子电流信号、增益电压信号、基准电压信号等三种信号。

数据处理单元中PWM比较输出产生方波信号1传输到函数发生器，控制函数发生器中积分电路产生三角波调制信号，得到调制电压Umod，如图3中(F)所示；输入电压Uin与调制电压Umod分别输入到运算比较单元中比较电路的正输入端和负输入端，运算比较单元根据正输入端与负输入端的大小输出信号，正输入端大于负输入端时输出高电平，正输入端小于负输入端时输出低电平，按照图示中的Umod与Uin的大小，得到经过比较电路解析的解调电压Uout，如图3中(G)所示；图3中(G)中的τ为延迟时间，即经过τ时间后，数据处理单元开始检测有无火焰的信号；

数据处理单元检测到有火信号后，输出到信号反馈单元，具体包括指示灯在有火状态下变亮，无火状态下变灭；还包括继电器在有火状态下动作，无火状态下恢复；

在标定模式中，通过图1中的参数设置单元中按键与显示屏，可以设置延迟时间和灵敏度。具体为：

延迟时间的设定，当无火状态切换到有火状态时，图3中(G)的延迟时间τ为一定时间后开始检测占空比信号变化，可以通过参数设置单元中按键与显示屏输入的参数，改变t的大小，进而改变开始检测占空比信号变化的时间，可以降低信号变化中可能存在的干扰；

灵敏度的设定，当无火状态切换到有火状态时，可以看到图3中(G)的解调电压Uout的占空比产生变化，产生变化的大小与离子电流的大小有关；离子电流的大小与现场环境中的电场、当量比、电离率、温度等相关并且确定为一定范围内的值，因此占空比的变化也是一定范围内的值；设定判定有火状态的占空比阈值接近占空比变化范围的下限值，则灵敏度高，设定判定有火状态的占空比阈值接近占空比变化范围的上限值，则灵敏度低；相应的，灵敏度低时检测稳定性和准确性高，灵敏度低时检测相应速度快，可根据实际应用需求设定合适的灵敏度。

上述实例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于调制解调技术的离子式火焰检测系统，其特征在于，包括前置放大模块以及与其连接的运算处理模块；所述前置放大模块包括交流增益单元、离子探针、隔离保护单元、电流采样单元、信号叠加单元和基准电压源；

所述离子探针与交流增益单元、隔离保护单元连接；

所述隔离保护单元、电流采样单元、信号叠加单元和基准电压源顺序连接；所述信号叠加单元与运算处理模块连接；

所述运算处理模块包括顺序连接的函数发生器、运算比较单元、数据处理单元、信号反馈单元、参数设置单元；所述函数发生器与数据处理单元连接；所述信号反馈单元与外部的点火控制器的信号输入端连接；

所述函数发生器采用积分电路，所述积分电路输入端与数据处理单元的PWM输出端连接，所述积分电路输出端与运算比较单元连接；

所述运算比较单元采用比较电路，所述比较电路的第一输入端、第二输入端分别与信号叠加单元输出端、函数发生器的积分电路输出端连接；所述比较电路的输出端与数据处理单元的PWM输入端连接。

2.按权利要求1所述的基于调制解调技术的离子式火焰检测系统，其特征在于，所述离子探针包括探针电极和外壳电极两部分，所述探针电极和外壳电极分别与交流增益单元的交流输出端相连；所述探针电极与隔离保护单元的正输入端连接，所述外壳电极与隔离保护单元的负输入端连接。

3.按权利要求2所述的基于调制解调技术的离子式火焰检测系统，其特征在于所述探针电极与外壳电极均安装于火焰燃烧范围内，所述探针电极与外壳电极的距离不大于10mm且不接触。

4.按权利要求1所述的基于调制解调技术的离子式火焰检测系统，其特征在于所述参数设置单元包括按键与显示屏，所述按键、显示屏与数据处理单元GPIO输出端连接。

5.按权利要求1所述的基于调制解调技术的离子式火焰检测系统，其特征在于所述信号反馈单元包括指示灯和继电器，所述指示灯、继电器与数据处理单元GPIO输出端连接；所述继电器与外部的点火控制器的信号输入端连接。

6.基于调制解调技术的离子式火焰检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

当离子探针的探针电极与外壳电极之间出现火焰信号时，离子探针的探针电极与外壳电极之间产生离子电流信号，在交流增益单元产生的交流激励电流的作用下得到增强的离子电流信号；

离子电流信号经过隔离保护单元的交流与直流隔离后，传输到电流采样单元；电流采样单元将电流信号转换为电压采样信号，传输到信号叠加单元；

信号叠加单元接收基准电压源的基准电压信号，与电压采样信号叠加后得到输入电压信号，输入电压信号传输到运算处理模块；

运算处理模块根据输入电压信号产生方波信号，通过预设参数范围得到信号的变化对比，以表示火焰信号的有无；

所述运算处理模块根据输入电压信号产生方波信号，通过预设参数范围得到信号的变化对比，以表示火焰信号的有无，包括以下步骤：

数据处理单元的PWM输出端输出方波信号1，控制函数发生器中积分电路产生三角波调试信号，三角波调制信号输出到运算比较单元中比较电路的第二输入端；

运算比较单元中比较电路将第一输入端接收信号叠加单元的输入电压信号与第二输入端接收的三角波调制信号进行比较，若第一输入端信号大于第二输入端信号，则输出高电平，反之，则输出低电平，从而得到方波信号2；

数据处理单元根据方波信号2得到占空比，通过预设参数范围得到信号的变化对比，以表示火焰信号的有无。

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