CN1212592C

CN1212592C - 火焰探测装置

Info

Publication number: CN1212592C
Application number: CNB971213127A
Authority: CN
Inventors: 梅田孝裕; 长井彪; 荻野俊郎; 福田明雄; 鹤田邦弘
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-02-13
Filing date: 1997-10-24
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2017-10-24
Also published as: KR19980070054A; US5952930A; KR100279647B1; CN1190768A

Abstract

本发明公开一种火焰探测装置，包括一对参考电极、一个火焰棒和一个燃烧器。用一个电势差探测装置探测这对参考电极间的电势差V₁₂，V₁₂随电流I_fr线性变化。把参考电极间的动态火焰阻抗定义为I_fr-V₁₂特性中的斜率。本发明的特征在于利用与I_fr无关的动态火焰阻抗探测火焰。当燃烧空气中包含少量的挥发性硅酮化合物时，燃烧期间即使在火焰棒和燃烧器上都形成绝缘的氧化硅，由于动态火焰阻抗与I_fr无关，本发明的火焰探测装置也能够准确地探测火焰。

Description

火焰探测装置

本发明涉及一种利用动态火焰阻抗探测火焰的装置，即使在火焰棒和燃烧器上都形成绝缘的氧化硅，该火焰探测装置也能对火焰作出准确的响应。

通常根据燃烧中火焰的电导率，利用火焰棒作为典型的火焰探测装置。将火焰棒置于燃烧器产生的火焰中。当在火焰棒与燃烧器之间施加电压时，由于火焰中存在带电粒子(离子和电子)，在火焰棒与燃烧器之间有电流流过。电流与燃烧条件(如输入率和空气-燃料比)有关。由于缺氧、不正常的空气-燃料比以及其它因素引起的典型非正常燃烧，将会减小电流。在美国专利4245977和4710125中可以看到利用火焰棒探测非正常燃烧的例子。

下面将说明这种火焰探测的缺点。当燃烧空气中含有少量的从发丝喷雾和其它东西挥发出来的硅有机化合物时，在火焰棒和燃烧器的表面上都形成绝缘的氧化硅。结果，尽管硅有机化合物对燃烧没有负面的影响，由于氧化硅的绝缘特性会减小电流。另一方面，如上所述，非正常燃烧也会减小电流。这些事实表明，利用电流进行的一般火焰探测是不能够区分电流的减小是由于形成的氧化硅造成的还是由于非正常燃烧造成的。因此，当电流减小到一定的程度时，即使含有少量的硅有机化合物的燃烧是正常的，也必须强迫停止燃烧，以保证安全的燃烧。

日本的专利公开公告6-101834和6-213432公开了在含有少量硅有机化合物的燃烧条件下能够探测火焰的一般火焰探测装置。

在前一项专利中，公开了一种包含火焰棒的燃烧装置，在火焰棒与火焰接触的部分表面上开有槽沟。该专利介绍，由于硅有机化合物不能到达槽沟，在槽沟上不会形成绝缘的氧化硅，因而，电流能够流过槽沟。

在后一项专利中，公开了另一种含有火焰棒的燃烧装置，在火焰棒与火焰接触的这部分固定有一个辅助棒，辅助棒的热稳定性比火焰棒的差。这项专利介绍，由于辅助棒的热稳定性差，在辅助棒的表面上会产生裂痕，辅助棒表面上未形成氧化硅的新的裂痕表面能够再次被利用。而且，电流能流过该裂痕表面。

上述的一般火焰棒显然只有在火焰棒的表面上形成绝缘的氧化硅才是有效的。然而，由于在燃烧器的表面上也形成氧化硅，因此一般的火焰棒对于燃烧器表面上形成的绝缘氧化硅显然是无效的。

本发明的目的之一是提供一种即使在火焰棒和燃烧器的表面上都形成绝缘的氧化硅也能够准确地探测火焰的火焰探测装置。

本发明的目的之二是提供一种对火焰棒与燃烧器之间施加的电压变化或电流变化是稳定的火焰探测装置。

本发明的目的之三是提供一种能够在较宽的输入率范围上探测火焰的火焰探测装置。

本发明的目的之四是提供一种能够探测一般火焰棒不能探测的非正常燃烧的火焰探测装置。

简而言之，根据本发明，将一对参考电极和一个火焰棒置于燃烧器产生的火焰中与带电粒子接触。当在火焰棒与燃烧器之间由电源施加电压V_fr时，由于火焰的导电性，在火焰棒与燃烧器之间有电流I_fr流过。用一个电势差探测装置可探测这对参考电极间的电势差V₁₂。最新发现，V₁₂随I_fr线性变化。根据这一发现，动态火焰阻抗定义为I_fr-V₁₂特性曲线的斜率。显然，动态火焰阻抗与I_fr无关。

本发明的一个特点是利用一对参考电极间的动态火焰阻抗进行火焰探测。当燃烧空气中含有少量的挥发性的硅有机化合物时，在燃烧期间在火焰棒和燃烧器的表面上都形成绝缘的氧化硅。结果，尽管硅有机化合物对燃烧没有负面作用，由于这一绝缘特性，将减小I_fr。然而，由于动态火焰阻抗与I_fr无关，即使由于形成的绝缘的硅有机化合物在较大程度上减小了I_fr，但动态火焰阻抗是不变的。

本发明的另一特点是动态火焰阻抗对火焰棒与燃烧器之间的V_fr变化或I_fr变化是稳定的。电流I_fr不是随V_fr线性变化的。然而，由于动态火焰阻抗与I_fr无关，因此对V_fr的变化也是稳定的。

本发明的又一个特点是动态火焰阻抗对输入率的依赖性弱于I_fr的依赖性。电流I_fr取决于火焰棒与燃烧器之间的平均火焰阻抗(定义为R_fr＝V_fr/I_fr)。由于较大的内侧火焰是在高输入率下在火焰棒与燃烧器之间的所有地方产生的，所以平均火焰阻抗较低。然而，由于较小的内侧火焰是在低输入率下仅在燃烧器表面附近产生的，火焰阻抗低的区域被限制在燃烧器表面附近，具有较高火焰阻抗的较大的外侧火焰是在内侧火焰的外侧产生的。平均火焰阻抗主要是由高的火焰阻抗决定的，I_fr以与高的平均火焰阻抗成反比关系减小。因此，I_fr对输入率的依赖性较强。另一方面，由于动态火焰阻抗是靠近燃烧器表面的阻抗，它对应于内侧火焰的阻抗，与输入率无关。结果，它对输入率的依赖性较弱。这个特性使其能够在较宽的输入率范围上探测火焰。

结合本发明实施例所示的附图，从以下的描述中将会清楚本发明的进一步目的、特征和优点。

参照以下对实施例的描述，结合附图，可以理解本发明。其中：

图1是本发明实施例1火焰探测装置的截面图。

图2是不含硅酮化合物煤油在正常燃烧时电流与所加电压的关系图。在以下的介绍中，除特别说明外，不含硅酮化合物的煤油简称为煤油。

图3是煤油在正常燃烧时第一电势差与所加电压的关系图。

图4(a)和4(b)分别是煤油在正常燃烧时，分别在(3950-2570)千卡/小时和(1690-650)千卡/小时输入率下第一电势差与电流的关系图。

图5(a)和5(b)分别是煤油在正常燃烧时，分别在3950千卡/小时和650千卡/小时输入率下第一动态阻抗，视在第一动态阻抗和火焰平均阻抗与电流的关系图。这些阻抗是通过处理图2、3和4中所示的外加电压、电流、第一电势差和第一截距获得的。

图6是煤油在正常燃烧时在V_fr＝24V下，电流和第一电势差与输入率的关系图。

图7是在V_fr＝24V下，第一火焰阻抗和平均火焰阻抗与输入率的关系。这些阻抗是通过处理图6所示的电流和第一电势差获得的。

图8(a)和8(b)分别是在3950千卡/小时和650千卡/小时输入率和V_fr＝24V下，含200ppm硅酮油的煤油在正常燃烧时，电流和第一电势差与燃烧时间的关系图。

图9(a)和9(b)分别是在3950千卡/小时和650千卡/小时输入率下，第一动态阻抗、视在第一动态阻抗和火焰平均阻抗与燃烧时间的关系图。这些阻抗是通过处理图8所示的电流和第一电势差获得的。

图10(a)和10(b)分别是在3950千卡/小时和650千卡/小时输入率下，第一动态阻抗、视在第一阻抗和平均火焰阻抗与其初始值之比同燃烧时间的关系图。这些比率是通过处理图9所示的各个阻抗值获得的。

图11(a)和11(b)分别是在3950千卡/小时和650千卡/小时输入率下，在图8(a)和8(b)所示的煤油燃烧期间以及在初始的正常燃烧期间，第一电势差与电流的关系。

图12(a)和12(b)分别是在(3950-2570)千卡/小时和(1690-650)千卡/小时输入率下，煤油在正常燃烧时第二电势差与电流的关系。

图13(a)和13(b)分别是在3950千卡/小时和650千卡/小时输入率和V_fr＝24V下，含200ppm硅酮油的煤油在正常燃烧时，电流和第二电势差与燃烧时间的关系图。

图14(a)和14(b)分别是在3950千卡/小时和650千卡/小时输入率下，在燃烧期间第二动态阻抗、视在第二动态阻抗和平均火焰阻抗与燃烧时间的关系图。这些阻抗是通过处理图13所示的电流和第二电势差获得的。

图15(a)和15(b)分别是在3950千卡/小时和650千卡/小时输入率下，在燃烧期间第二动态阻抗、视在第二动态阻抗和火焰平均阻抗与其初始值之比同燃烧时间的关系图。这些比值是通过处理图14所示的各个火焰阻抗获得的。

图16是本发明实施例2火焰探测装置的截面图。

图17(a)和17(b)分别是煤油在正常燃烧时，在(3950-2570)千卡/小时和(1690-650)千卡/小时输入率下第三电势差与电流的关系图。

图18(a)和18(b)分别是在3950千卡/小时和650千卡/小时输入率和V_fr＝24V下，在含200ppm硅酮油的煤油正常燃烧期间，电流和第三电势差与燃烧时间的关系图。

图19(a)和19(b)分别是在3950千卡/小时和650千卡/小时输入率下，第三动态阻抗、视在第三动态阻抗和火焰平均阻抗与燃烧时间的关系图。这些阻抗是通过处理图18所示的电流和第三电势差获得的。

图20(a)和20(b)分别是在3950千卡/小时和650千卡/小时输入率下，在燃烧期间第三动态阻抗、视在第三动态阻抗和火焰平均阻抗与其初始值之比同燃烧时间的关系图。这些比值是通过处理图19所示的各个火焰阻抗获得的。

图21是火焰棒、第一和第二参考电极配置的详细图。

图22是V₁₂/V_12i比与第一参考电极在X方向的位置的关系图。

图23是V₁₂/V_12i比与第一参考电极在Y方向的位置的关系图。

现在，参考附图对本发明的火焰探测装置作如下介绍。

首先参照图1，具有多个燃烧器口2的传导燃烧器1固定在气化器3上，把煤油一类的液体燃料供给气化器3，通过嵌入在气化器中的电加热器4使之气化。在被气化的燃料气体与燃烧空气预混合前，用点火器5点燃预混合的气体。于是在燃烧器1上产生火焰。火焰棒7和一对参考电极(包括第一参考电极8和第二参考电极9)与产生的火焰6中带电粒子接触。除此之外，传导燃烧器1包含一块在高温时使用的金属，如不锈钢。火焰棒也包含一根直径约2毫米的金属线，如不锈钢线。用配备本发明火焰探测装置的国产煤油炉测量下述的各种特性。

电源10和电流探测装置11与火焰棒7和燃烧器1串接。火焰6包括内侧火焰6a和外侧火焰6b。前者是在燃烧器I中由被气化燃料气体与一次空气预混合燃烧产生的，包含许多带电粒子(电子和离子)，后者是由剩余燃料气体与周围的二次空气燃烧在前者的外侧产生的。后者包含的带电粒子比前者的少。当燃烧器1包含许多如图1所示的相互间隔几毫米的燃烧器口时，在所有的输入速率下，产生许多相互分开的内侧火焰6a。另一方面，尽管在低输入速率下产生许多个外侧火焰6b，但是在高输入率下，只产生一个外侧火焰6b，因为随着输入速率的增大，每个外侧火焰6b扩大，把许多外侧火焰6b合在一起。然而，当燃烧器1包含大量的相邻间隔小于1毫米的燃烧排气口2时，在实际的各种输入速率下，实际上产生一个内侧火焰6a和一个外侧火焰6b。把这种类型的燃烧器1称为表面燃烧的燃烧器，通常采用金属网燃烧器、Schwank燃烧器和其它燃烧器。尽管采用前一种类型的燃烧器1测量下述的各种特性，但是，用后一种类型的燃烧器1也能够获得类似的特性。

当在火焰棒7与燃烧器1之间加一电压时，由于存在带电粒子，在它们之间产生电流I_fr。这时，由于从火焰棒7到燃烧器1的电势降，在它们之间存在等势面。第一参考电极8与一个等势面相接触，第二参考电极9与另一个等势面相接触。结果，用第一电势差探测装置12探测一对参考电极8和9之间的第一电势差V₁₂，探测装置12与一对参考电极8和9耦合。用第一处理装置13处理第一电势差V₁₂和电流I_fr。也可以用一个第二电势差探测装置14探测第二参考电极9和燃烧器1之间的第二电势差V_2b，探测装置14与第二参考电极9和燃烧器1耦合。用第二处理装置15处理第二电势差V_2b和电流I_fr。在以下的介绍中将说明这些数据的处理。此外，在各种不同的燃烧条件下同时测量V_fr、I_fr、V₁₂和V_2b各量。尽管为了简化起见，图1中未示出V_fr的探测装置，V_fr显然是容易测量的。

较佳的情况是，可以用输入阻抗很高(超过10¹¹Ω)的静电计作为第一和第二电势差探测装置12和14，因为，能够获得V_fr和V₁₂的最大电压。另一方面，当采用一般的国产电子电路产品作为第一和第二电势差探测装置12和14时，较佳的情况是，在第一与第二参考电极8和9之间以及第二参考电极9与燃烧器1之间分别与一个固定电阻器连接。考虑到国产电路中冷凝水造成的绝缘电阻一般低于10MΩ，尽管V₁₂和V_2b的电压较低，固定电阻最好低于1MΩ。在以下的介绍中，V₁₂和V_2b的电压分别是在1MΩ固定电阻器的两端测得的电压。此外，为了减小噪声在1MΩ固定电阻上还并联一个5μF的电容。

图2和图3示出不含硅酮化合物煤油在正常燃烧时在不同的输入速率下测得的V_fr-I_fr和V_fr-V₁₂的关系图。在以下的介绍中，除特别说明外，不含硅酮化合物的煤油简称为煤油。如图2所示，I_fr不随V_fr的增大线性增大。这一结果表面，燃烧棒7与燃烧器1之间的火焰阻抗不是欧姆性的。另一方面，第一电势差V₁₂几乎随V_fr的增大线性地增大。这一结果表明，第一与第二参考电极8和9之间的第一火焰阻抗近乎是欧姆性的。这一发现得到图4的证实。

图4示出I_fr-V₁₂特性。图4(a)和4(b)分别示出煤油在正常燃烧时，在(3950-2570)千卡/小时和(1690-650)千卡/小时输入率下的关系图。在图4中，直线(实线和点划线)是以直线拟合方式获得的。例如，在3950千卡/小时下用方程(V₁₂＝0.0133I_fr-0.0383)表示的直线，这里，V₁₂和截距、I_fr和斜率的单位分别是V、μA和MΩ。通过把各个I_fr代入线性拟合方程中计算的V₁₂与测得的V₁₂在5％范围内是准确相符的。在不同输入率下也获得同样的一致性。直线拟合方程通常由方程(1)表示：

V₁₂＝V₁₂₀+R_12dcI_fr (1)

式中V₁₂和V₁₂₀、R_12dc和I_fr的单位分别是V、MΩ和μA。我们定义截距V₁₂₀和斜率R_12dc分别为第一截距和线性拟合的第一动态火焰阻抗。方程式(1)不与原点相交就原因不详细了解。然而，这可能起因于等离子体电势。

由于在图4所示的燃烧装置中能够事先测量V₁₂₀，通过在所需的时间里用这个V₁₂₀测量I_fr和V₁₂，根据方程式(2)能够计算测得的第一动态火焰阻抗R_12dc。此外，测得的第一动态火焰阻抗在下面的描述中简单地表示为第一动态阻抗。对于测得的第二和第三动态火焰阻抗也采用同样的表示。

R_12d＝(V₁₂-V₁₂₀)/I_fr (2)

根据V_fr、I_fr和V₁₂的测量值，利用方程式(3)和(4)也可以分别定义平均火焰阻抗R_fr和视在第一动态火焰阻抗R_12a，表示如下：

R_fr＝V_fr/I_fr (3)

R_12a＝V₁₂/I_fr (4)

在本发明中，利用第一处理装置13，根据方程式(2)和(4)，通过对测得的I_fr和V₁₂进行处理，很容易获得第一动态阻抗R_12d和视在第一动态火焰阻抗R_12a，在第一处理装置中，V₁₂₀存储在存储器中。

较大的内侧火焰是在高输入率下在火焰棒7与燃烧器1之间的所有地方上产生的，较小的内侧火焰是在低输入率下仅在燃烧器附近产生的。不用说，火焰的温度分布也是不均匀的。由于热产生的带电粒子分布在较大程度的火焰6中，火焰的导电性在火焰6范围中也是不均匀的。结果，当施加一定的电压V_fr时，测得的I_fr与火焰棒7与燃烧器1之间阻抗R_fr的倒数成正比。如果V₁₂₀＜＜V₁₂，视在第一动态火焰阻抗R_12a几乎与第一动态火焰阻抗R_12d一致。当有较大的I_fr流过时，由于V₁₂大于V₁₂₀，R_12a也几乎与R_12d相等。然而，当I_fr较低时，由于与在较低I_fr下测得的较低V₁₂相比V₁₂₀不能忽略，R_12a也不能与R_12d相一致。

图5(a)和5(b)分别是煤油在正常燃烧时，在3950千卡/小时和650千卡/小时输入率下I_fr-R_12d、I_fr-R_12a和I_fr-R_fr的关系图。在图5中，以空心圆圈表示的R_12d是在3950千卡/小时和650千卡/小时输入率下用V₁₂₀＝-0.0383V和V₁₂₀＝-0.0056V把测得的V₁₂和I_fr代入方程式(2)计算的。点划线表示图4中从线性拟合方程获得的斜率(在3950千卡/小时和650千卡/小时输入率下R_12dc＝13.3kΩ和R_12dc＝4.48kΩ)，显然与I_fr全然无关。把测得的V_fr和I_fr代入到方程(3)中，可计算R_fr，图中以黑圆圈表示。

R_fr对电流I_fr的依赖性最大，如图5所示。例如，在3950千卡/小时下，I_fr为60μA和18μA时R_fr分别为390kΩ和270kΩ。前者比后者大约1.44倍。然而，与相同I_fr条件下相比，R_12a仅为1.07倍。第一动态火焰阻抗R_12d是低于±5％的常量。如下所述，在650千卡/小时下也获得类似的结果。在I_fr＝11μA和4μA下，平均火焰阻抗R_fr分别是2.2MΩ和1.2MΩ。前者约比后者大1.83倍。然而，与相同的I_fr条件相比，R_12a仅是1.23倍。第一动态阻抗R_12d是低于±6％的常量。当在正常燃烧时输入率是常量时，显然，火焰阻抗较佳地也是常量，与I_fr或V_fr无关。这个事实表明R_12a和R_12d比一般的R_fr或I_fr更适合于火焰探测。

此外，在本实施例中，由于V₁₂₀比V₁₂低得多，如图4(a)和4(b)所示，R_12a与R_12d在±3％内，近乎相等，如图5(a)和5(b)所示。然而，采用表面燃烧的燃烧器1时，由于V₁₂₀变大，与V₁₂相比不能忽略时，R_12a与R_12d相差很大。在这种情况下，R_12d更适合于探测火焰。第一截距V₁₂₀与燃烧器1的构造有关。较佳的做法是根据燃烧器1的构造确定是采用R_12a还是R_12d。如果可能的话，由于不需要事先测量V₁₂₀，采用R_12a则更好。对于下述的第二截距V_2b0的说明证实可获得类似的结果。

图6示出煤油在正常燃烧时在特定外加电压(V_fr＝DC24V)条件下，I_fr和V₁₂与输入率的关系图。I_fr和V₁₂都随输入率的减小而减小。图7示出下述不同火焰阻抗与输入率的关系。平均火焰阻抗R_fr随输入率的减小而增大。具体说，在1650千卡/小时以下平均火焰阻抗迅速增大。结果，在1650千卡/小时的R_fr比3950的R_fr大5.6倍。预计在低于650千卡/小时的低输入率下R_fr迅速增大到超过3MΩ。这个事实表明R_fr不适合于低输入率下的火焰探测，因为在下述的国产电路中由于冷凝水造成绝缘电阻降低到约10MΩ。

另一方面，尽管R_12a和R_12d都随输入率的减小而减小，但是它们对输入率的依赖性都比R_fr的小。在3950千卡/小时的R_12a和R_12d比650千卡/小时的R_12a和R_12d大不到2.5倍。具体说，实际上在低于1690千卡/小时的输入率范围中，它们对输入率的依赖性较佳地应是小的，因为希望它们足够小到即使在低于650千卡/小时的更低输入率下用国产电路也能轻易地探测的水平。从以上描述显然可以看出，对于探测较宽输入率范围上的火焰6来说，R_12a和R_12d较一般的R_fr或I_fr更佳。

图1所示的本装置形成绝缘的氧化硅的稳定性可以得到如下确证。利用配备本火焰探测装置的国产油炉，在含200ppm硅酮油的煤油燃烧期间，在恒定的外加电压(V_fr＝DC24V)和特定的时间下，连续地测量一组I_fr和V₁₂，并分别根据方程式(3)、(4)和(2)连续评价不同的火焰阻抗R_fr、R_12a和R_12d。采用与图2测量所用的相同电路进行测量。测量后发现，火焰棒7和燃烧器1的表面上都有白色的材料。通过x射线微观分析发现，白色材料是由硅和氧组成的，证明氧化硅是在燃烧期间形成的。此外，以电学方式没有观察到增加的硅酮油对燃烧的不良作用。下面将对此作详细介绍。

图8(a)和8(b)分别示出在3950千卡/小时和650千卡/小时输入率时，I_fr和V₁₂与燃烧时间的关系。由于随着燃烧时间的增加，在火焰棒7和燃烧器1的表面上都逐步形成了绝缘的氧化硅，因此I_fr和V₁₂都随燃烧时间的增加而减小。图9(a)和9(b)示出R_fr、R_12a和R_12d与燃烧时间的关系。通过把在上述燃烧期间测得的I_fr和V₁₂分别代入到方程式(3)、(4)和(2)中，可计算R_fr、R_12a和R_12d的曲线值。此时，V₁₂₀是事先测得的值(见图4)。为了比较它们与燃烧时间的关系，图10(a)和10(b)示出不同的火焰阻抗与其初始值的不同比率。从图9和图10可知，与一般的R_fr相比，R_12a和R_12d对绝缘氧化硅的稳定性显然都更大。不用说，火焰探测用的火焰阻抗显然应与绝缘的氧化硅无关。

R_12d为什么对绝缘氧化硅稳定的原因详情不清。然而，如图11所示，现已发现，在含有硅酮油的燃烧期间测得的I_fr-V₁₂特性与不含硅酮油的正常燃烧期间测得的I_fr和V₁₂初始特性是接近一致的。图11(a)和11(b)分别示出在3950千卡/小时和650千卡/小时下的I_fr-V₁₂特性。这一发现表明，第一参考电极8与第二参考电极9之间的电势差几乎仅与I_fr有关，根据方程式(1)可确定该电势差。结果，I_fr的减小无论是由于V_fr的减小造成的，如图2所示，还是由于绝缘氧化硅造成的，如图8所示，I_fr减小对V₁₂的影响几乎是相同的。R_12d的稳定性可以归功于I_fr-V₁₂特性中的这一性质。考虑到火焰阻抗实质上受带电粒子的密度、电荷和迁移率的影响，R_12d对绝缘氧化硅的稳定性还表明，在电学性质方面，含硅酮油的燃烧与常规的燃烧几乎是一样的。如果硅酮油被热分解，火焰6中形成的新的带电粒子达到一定范围，预计火焰阻抗必须降低到同样的范围。此外，R_12a与R_12d一样也同样稳定。这一结果归因于在上述测量中V₁₂比测得的V₁₂₀小。例如，在3950千卡/小时下，V₁₂₀＝-0.0383V，比最终的V₁₂～0.4V小得多(见图8(a)或11(a))。在650千卡/小时下，V₁₂₀＝-0.0056V，比最终的V₁₂～0.02V同样小得多(见图8(b)或11(b))。

图12示出煤油在正常燃烧中测得的I_fr-V_2b的特性。图12(a)和12(b)分别示出在(3950-2570)千卡/小时和(1690-650)千卡/小时输入率下的特性。图中，直线(实线和点划线)是通过线性拟合获得的直线。这些特性是在与图4所示的I_fr-V₁₂特性的相同时间测得的。因此，电流Ifr与图4所示的相同。Ifr-V2b特性还表明线性度与I_fr-V₁₂特性一样好。这个结果表明，利用V_2b和I_fr的测量值，可以合理地把视在第二动态火焰阻抗R_2ba和第二动态火焰阻抗R_2bd定义为：

R_2ba＝V_2b/I_fr (5)

R_2bd＝(V_2b-V_2b0)/I_fr (6)

式中V_2bo定义为第二截距，可以根据I_fr-V_2b特性的直线拟合事先计算，与V₁₂₀类似。V_2b和V_2b0、R_2ba和R_2bd、I_fr的单位分别是V、MΩ和μA。在本发明中，根据方程式(5)和(6)，利用第二处理装置15，通过对测得的I_fr和V_2b进行处理，很容易获得第二动态火焰阻抗R_12d和视在第二动态火焰阻抗R_12a，在第二处理装置中，V_2b0存储在存储器中。

由于V_2b是第二参考电极9的电势与燃烧器1的电势的电势差，它表示与第二参考电极9接触的等势面在电学上离开燃烧器1多远。发现等势面在电学上与燃烧器1相邻，因为V_2b/V_fr比小于0.1。这个事实意味着，V_2b是燃烧器1附近的火焰6中电势差。这里，我们讨论V_1b/V_fr比，式中V_1b是第一参考电极8与燃烧器1之间的电势差，根据V_1b＝V₁₂+V_2b可以计算出V_1b。V_1b/V_fr比小于0.15。考虑到V_1b表示与第一参考电极8接触的等势面在电学上离开燃烧器1多远，尽管它与第二参考电极9接触的等势面的位置分开一点距离，该等势面也与燃烧器1相邻。这个事实意味着，V₁₂也是燃烧器1附近的火焰6中电势差，因此，R_12d是燃烧器1附近的火焰6中火焰阻抗。

图13(a)和13(b)分别示出输入率为3950千卡/小时和650千卡/小时时，含200ppm硅酮油的煤油在燃烧期间I_fr和V_2b与燃烧时间的关系。图14(a)和14(b)分别示出在3950千卡/小时和650千卡/小时输入率下，R_fr、R_2ba和R_2bd与燃烧时间的关系。通过把上述燃烧期间测得的I_fr和V₁₂分别代入方程式(3)、(5)和(6)，可以计算R_fr、R_2ba和R_2bd的曲线值。此时，V_2b0是事先测得的值(见图12)。为了比较它们与燃烧时间的关系，图15(a)和15(b)示出不同的火焰阻抗与其初始值的不同比率。此外，由于这些特性是在与图8所示特性的相同时间测得的，对于I_fr和R_fr的特性是与图8、9和10中所示的特性一样的。

尽管V_2b随I_fr减小而减小，与图8中所示的V12是一样的，但是，在3950千卡/小时R_2bd和R_2ba都增大到较大的程度，如图14(a)所示。在初始的燃烧时间里，R_2bd和R_2ba象R_fr一样都迅速地增大到相似的范围，大约在200分钟后，它们在约50％的增量上饱和。R_2bd和R_2ba为什么增大的原因不是十分清楚。然而，由于在燃烧器1的表面上明显地形成绝缘的氧化硅，在燃烧器1附近必然存在较大的电势差。由于V_2b包含燃烧器1附近的这一较大电势差，R_2bd和R_2ba被认为是增大的。

由于在燃烧期间在燃烧器1和火焰棒7上都形成了氧化硅，当R_fr增大到较大程度时，R_12d和R_12a变到低于±20％的较小范围(见图9或10)，R_2bd和R_2ba在3950千卡/小时下增大到较大的程度。这个结果表明，通过同时监测R₁₂(R_12d或R_12a)和R_2b(R_2bd或R_2ba)能够探测氧化硅。当观察到R₁₂较小变化和R_2b较大增加时，可以将其归因于氧化硅，燃烧是正常的。在这种情况下，能够继续维持燃烧。然而，当观察到R₁₂发生较大变化，超过±20％时，这可能归因于燃烧偏离正常燃烧。例如，当输入率为2530千卡/小时，在A/F～1处R_12d是最小的，这里比率A/F是空气与燃料气体之比。然而，在A/F～1.2和A/F～0.7时，R_12d分别是A/F～1时的4.3倍和4倍。当输入率为650千卡/小时，在A/F～1.2处R_12d是最小的。然而，在A/F～1.4和A/F～0.8时，R_12d分别是A/F～1时的2.3倍和2.7倍。在这种情况下，为了维持安全性，应停止燃烧。由于能够区分R_fr的增大或I_fr减小是由于氧化硅还是由于偏离正常燃烧，显然，较佳的情况应是同时监测R₁₂和R_2b。

另一方面，与在3950千卡/小时的特性相比，正是这一特性使在650千卡/小时没有观察到R_2bd和R_2ba二者明显增大。这个事实说明，包括一个参考电极的结构，如图16所示，也是有用的。较佳地应在给定输入率下在燃烧期间，在3950千卡/小时和650千卡/小时，以适当的时间间隔同时监测R_2bd或R_2ba。在3950千卡/小时，当R_2bd或R_2ba高于预计值并近似等于650千卡/小时初始值时，尽管将会形成绝缘的氧化硅，燃烧也是正常的。然而，当R_2bd或R_2ba在3950千卡/小时和650千卡/小时都高于预计值时，这可能归因于燃烧偏离正常燃烧。例如，R_2bd或R_2ba与A/F的关系与R_12d或R_12a的关系是相似的。与1图所示的结构相比，这个实施例的优点是结构简单。

现在再参考图1，把第一参考电极8与火焰棒7之间的电势差新定义为第三电势差V_1f。图17(a)和17(b)示出煤油在正常燃烧时的I_fr-V_1f特性，这里，V_1f根据方程式(7)计算

V_1f＝V_fr-V₁₂-V_2b (7)

该特性表明，其线性度与图4和12的线性度一样好。这种良好的线性度表明，利用测得的I_fr和V_1f可以把视在第三动态火焰阻抗R_1fa和第三动态火焰阻抗R_1fd合理地定义如下：

R_1fa＝V_1f/I_fr (8)

R_1fd＝(V_1f-V_1f0)/I_fr (9)

式中V_1f0定义为第三截距，从I_fr-V_1f特性的线性拟合可以事先计算，与V₁₂₀是相似的。V_1f和V_1f0、R_1fa和R_1fd、I_fr的单位分别是V、MΩ和μA。在本发明中，利用第三处理装置17，利用第三处理装置17根据方程式(8)和(9)通过处理测得的I_fr和V_1f很容易获得第三动态火焰阻抗R_1fd和视在第三动态火焰阻抗R_1fa，V_1fo存于第三处理装置17的存储器中。此外，除了根据方程式(7)计算外，用第三电势差探测装置16也能够探测第三电势差V_1f。

由于V_1f是第一参考电极8的电势与火焰棒7的电势间的电势差，它表示与第一参考电极8接触的等势面位于与火焰棒7电分离的多远地方。发现等势面在电学上是远离火焰棒7的，因为V_1f/V_fr之比高于0.85略低于1。这暗示，几乎所有的V_fr都是加在第一参考电极8与火焰棒7之间的。

图18(a)和18(b)分别示出当输入率为3950千卡/小时和650千卡/小时，含200ppm硅酮油的煤油在正常燃烧期间，I_fr和V_1f与燃烧时间的关系。图19(a)和19(b)分别示出R_fr、R_1fa和R_1fd与燃烧时间的关系。通过把上述燃烧期间测得的I_fr和V_1f分别代入方程式(3)、(8)和(9)，可计算R_fr、R_1fa和R_1fd的曲线值。这时，V_fb0是事先测量的值(见图17)。为了比较它们的燃烧时间关系，图20(a)和20(b)示出各种火焰阻抗与其初始值的不同比值。此外，由于这些特性是与图8所示特性同时测量的，对于I_fr和R_fr的特性是与图8、9和10所示的特性相同的。

特性表明，在3950千卡/小时和650千卡/小时R_1fa和R_1fd都增大到较大的程度，如图19(a)和19(b)所示。其原因不是十分清楚。然而，由于在火焰棒7的表面上明显地形成了绝缘的氧化硅，在靠近火焰棒7的地方，必然存在较大的电势差。由于V_1f包含火焰棒7附近的较大电势差，R_1fa和R_1fd都被认为是增大的。

由于在燃烧期间在燃烧器1和火焰棒7上都形成了氧化硅，当R_fr增大到较大程度时，R_12d和R_12a变到低于±20％的较小范围(见图9或10)，R_1fd和R_1fa二者线性地增大到与R_fr相似的范围。这个结果表明，通过同时监测R₁₂(R_12d或R_12a)和R_1f(R_1fd或R_1fa)能够探测氧化硅。当观察到R₁₂较小变化和R_1f较大增加时，可以将其归因于氧化硅，燃烧是正常的。在这种情况下，能够继续维持燃烧。然而，当观察到R₁₂发生较大变化，超过±20％时，这可能归因于燃烧偏离正常燃烧。例如，R_1fa和R_1fd与A/F的关系与R_12a和R_12d的关系是相似的。在这种情况下，为了维持安全性，应停止燃烧。由于能够区分R_fr的增大或I_fr减小是由于氧化硅还是由于偏离正常燃烧，显然，较佳的情况应是同时监测R₁₂和R_1f。

当采用陶瓷燃烧器这类绝缘燃烧器1时，燃烧器不能作为电极工作。在这种情况下，较佳地应在燃烧器1的表面附近放置一个导电的材料。为了使由于导电材料缘故造成的压力损失保持尽可能低，较佳地应采用象不锈钢网这样的薄形多孔材料作为导电材料。

当火焰棒7和第一、第二参考电极8和9暴露在火焰中较长时间时，它们的暴露端变形。由于I_fr、R₁₂、R_2b和R_1f与从所述每个端头到燃烧器1的每个距离有关，为了维持所述的距离即使在所述的端头变形时也尽可能地精确，火焰棒7、第一、第二参考电极8和9较佳地是垂直于燃烧器1放置。

对于火焰棒7和第一、第二参考电极8和9的暴露端到燃烧器1的位置基本上是不加限制的。然而，当在暴露端周围存在极少量的带电粒子时，由于暴露端与燃烧器1之间的阻抗非常高，I_fr十分小，很难测量V₁₂。因此，暴露端较佳地应置于燃烧器口2的上方，这里有许多带电粒子。

当采用包含许多以4mm间隔排列的燃烧器口2的燃烧器1时，可以如下测量V₁₂与暴露端位置的函数关系。此外，燃烧器口2，宽3.5mm，高13.5mm。开始，火焰棒7和第一、第二参考电极8和9的端头在Y-轴方向上分别排在离燃烧器口2顶边1mm、6mm和11.2mm处，如图21所示。在X-轴方向，它们排列在燃烧器口2的中心，在Z-轴方向(在图21中垂直于纸面的方向)，它们排列在离燃烧器口2表面1.5mm处。标准的第一电势差V_12i定义为在上述初始位置上测得的V₁₂。

只有在25500千卡/小时在X-轴方向移动第一参考电极8，其它电极维持在初始位置时，V₁₂随移动而变化。图22示出V₁₂/V₁₂i比与X-轴方向的位置的函数关系。V₁₂/V_12i比在燃烧器口2的中心(初始位置)是最大的，在燃烧器口2与相邻的燃烧器口2’之间的中心是最小的。这些结果表明，带电粒子的量在燃烧器口2的中心(初始位置)最多，在燃烧器口2与相邻的燃烧器口2’之间的中心最少。由于V₁₂变到低于±20％的较低范围，较佳地是，控制第一参考电极8的端头，使之置于X＜±1.75mm的位置范围上。这个较佳的位置范围大致对应于燃烧器口2的宽度。

只有在2500千卡/小时在Y-轴方向移动第一参考电极8，其它电极维持在初始位置时，V₁₂也随移动而变化。图23示出V₁₂/V_12i比与Y-轴方向的位置的函数关系。V₁₂/V_12i比不是在燃烧器口2的中心(初始位置，Y＝0mm)而是在Y～1mm位置处是最大的。尽管原因不是十分清楚，但是可以将其归因于火焰6的流动。在Y～1mm的前后，V₁₂/V_12i比逐步减小。这一性质也可以认为是与带电粒子的分布对应的。由于V₁₂变到低于±20％的较低范围，较佳地是，控制第一参考电极8的端头，使之置于Y＜±2mm的位置范围上。这个较佳的位置范围大致对应于燃烧器口2的长度的30％左右。

Claims

1.一种火焰探测装置，其特征在于包括：

带有燃烧器口的传导燃烧器；

在所述燃烧器上产生的火焰；

置于火焰中与带电粒子接触的火焰棒；

电耦合在所述的火焰棒与所述的燃烧器之间的提供电压的电源；

耦合在所述的火焰棒与所述的燃烧器之间的用于探测电流的电流探测装置；

置于火焰中与所述的带电粒子接触的一对参考电极，当所述的火焰棒与所述的燃烧器之间施加一电压时，一个参考电极与所述火焰棒与所述燃烧器间分布的一个等势面接触，另一个电极与另一个等势面接触；

耦合在所述的一对参考电极之间的第一电势差探测装置，第一电势差表示所述一对电极之间的电势差；以及

通过对所述的第一电势差和所述的电流进行处理，估计第一火焰阻抗的第一处理装置，该第一处理装置估计定义为所述第一电势差与所述电流之比的视在第一动态火焰阻抗。

2.一种火焰探测装置，其特征在于包括：

带有燃烧器口的传导燃烧器；

在所述燃烧器上产生的火焰；

置于火焰中与带电粒子接触的火焰棒；

通过对所述的第一电势差和所述的电流进行处理，估计第一火焰阻抗的第一处理装置，该第一处理装置估计定义为所述第一电势差减去第一截距与所述电流之比的第一动态火焰阻抗，所述第一截距表示在所述第一电势差与所述电流之间的关系中当所述电流为零时所述第一电势差的电压。

3.一种火焰探测装置，其特征在于包括：

带有燃烧器口的传导燃烧器；

在所述燃烧器上产生的火焰；

置于火焰中与带电粒子接触的火焰棒；

置于火焰中与所述的带电粒子接触的一个参考电极，当所述的火焰棒与所述的燃烧器之间施加一电压时，所述的这个参考电极与所述火焰棒与所述燃烧器间分布的等势面接触；

耦合在所述的参考电极与燃烧器之间的第二电势差探测装置，第二电势差表示所述参考电极与所述燃烧器之间的电势差；以及

通过对所述的第二电势差和所述的电流进行处理，估计第二火焰阻抗的第二处理装置，第二处理装置估计定义为所述的第二电势差与所述的电流之比的视在第二火焰阻抗。

4.一种火焰探测装置，其特征在于包括：

带有燃烧器口的传导燃烧器；

在所述燃烧器上产生的火焰；

置于火焰中与带电粒子接触的火焰棒；

通过对所述的第二电势差和所述的电流进行处理，估计第二火焰阻抗的第二处理装置，该第二处理装置估计定义为所述的第二电势差减去第二截距与所述电流之比的第二动态火焰阻抗，所述第二截距表示在所述第二电势差与所述电流之间的关系中当所述电流为零时所述第二电势差的电压。

5.如权利要求3或4所述的火焰探测装置，其特征在于：

所述的第二电势差是在高、低输入率下以特定的时间间隔测量的；

所述的第二处理装置通过对上述的两个第二电势差和所述的电流进行处理而估计所述的第二火焰阻抗。

6.一种火焰探测装置，其特征在于包括：

带有燃烧器口的传导燃烧器；

在所述燃烧器上产生的火焰；

置于火焰中与带电粒子接触的火焰棒；

置于火焰中与所述的带电粒子接触的一对参考电极，当所述的火焰棒与所述的燃烧器之间施加一电压时，一个参考电极与所述火焰棒与所述燃烧器间分布的一个等势面接触，另一个参考电极与另一个等势面接触；

耦合在所述的一对参考电极之间的第一电势差探测装置，第一电势差表示所述一对电极之间的电势差；

通过对所述的第一电势差和所述的电流进行处理，估计第一火焰阻抗的第一处理装置，该第一处理装置估计定义为所述第一电势差与所述电流之比的视在第一火焰阻抗；

耦合在所述一对参考电极中一个电极与所述的燃烧器之间的第二电势差探测装置，第二电势差表示所述这个参考电极与所述燃烧器之间的电势差，所述的这个电极的电势低于另一个电极的电势；以及

通过对所述的第二电势差和所述的电流进行处理，估计第二火焰阻抗的第二处理装置，该第二处理装置估计定义为所述第二电势差与所述电流之比的视在第二火焰阻抗。

7.一种火焰探测装置，其特征在于包括：

带有燃烧器口的传导燃烧器；

在所述燃烧器上产生的火焰；

置于火焰中与带电粒子接触的火焰棒；

通过对所述的第一电势差和所述的电流进行处理，估计第一火焰阻抗的第一处理装置，第一处理装置估计定义为第一补偿电压与所述的电流之比的第一动态火焰阻抗，所述的第一补偿电压定义为从所述的第一电势差中减去第一截距的电压，所述第一截距表示在所述第一电势差与所述电流之间的关系中当所述电流为零时所述第一电势差的电压；

通过对所述的第二电势差和所述的电流进行处理，估计第二火焰阻抗的第二处理装置，第二处理装置估计定义为第二补偿电压与所述的电流之比的第二动态火焰阻抗，所述的第二补偿电压定义为从所述的第二电势差中减去第二截距的电压，所述第二截距表示在所述第二电势差与所述电流之间的关系中当所述电流为零时所述第二电势差的电压。

8.如权利要求6或7所述的火焰探测装置，其特征在于：所述的第二电势差是在高、低输入率下以特定的时间间隔测量的。

9.一种火焰探测装置，其特征在于包括：

带有燃烧器口的传导燃烧器；

在所述燃烧器上产生的火焰；

置于火焰中与带电粒子接触的火焰棒；

通过对所述的第一电势差和所述的电流进行处理，估计第一火焰阻抗的第一处理装置，该第一处理装置估计定义为所述的第一电势差与所述的电流之比的视在第一火焰阻抗；

耦合在所述的一对参考电极中一个电极与所述的火焰棒之间的第三电势差探测装置，第三电势差表示所述一对参考电极中所述一个电极与所述火焰棒之间的电势差，所述的这个电极的电势高于另一个电极的电势；以及

通过对所述的第三电势差和所述的电流进行处理，估计第三火焰阻抗的第三处理装置，该第三处理装置估计定义为所述的第三电势差与所述的电流之比的视在第三火焰阻抗。

10.一种火焰探测装置，其特征在于包括：

带有燃烧器口的传导燃烧器；

在所述燃烧器上产生的火焰；

置于火焰中与带电粒子接触的火焰棒；

通过对所述的第三电势差和所述的电流进行处理，估计第三火焰阻抗的第三处理装置，该第三处理装置估计定义为第三补偿电压与所述的电流之比的第三动态火焰阻抗，所述的第三补偿电压定义为从所述的第三电势差中减去第三截距的电压，所述第三截距表示在所述第三电势差与所述电流之间的关系中当所述电流为零时所述第三电势差的电压。

11.如权利要求1、2、3、4、6、7、9或10所述的火焰探测装置，其特征在于：在所述的一对参考电极之间以及所述一对参考电极中一个电极与所述燃烧器之间连接一个低于1MΩ的固定值电阻，所述的这个电极的电势低于另一个电极的电势。

12.如权利要求1、2、3、4、6、7、9或10所述的火焰探测装置，其特征在于：所述的火焰棒和所述的一对参考电极是垂直于所述的燃烧器排列的。

13.如权利要求1、2、3、4、6、7、9或10所述的火焰探测装置，其特征在于：所述的燃烧器包含许多燃烧器口；所述的火焰棒的一端和所述的一对参考电极排列在所述的一个或多个燃烧器口的上方。