RU2038574C1

RU2038574C1 - Flame detector

Info

Publication number: RU2038574C1
Application number: RU93000532A
Authority: RU
Inventors: А.Г. Оробенко; С.А. Шляхтин
Original assignee: Научное конструкторское бюро "Миус"
Priority date: 1993-01-06
Filing date: 1993-01-06
Publication date: 1995-06-27

Abstract

FIELD: instrumentation engineering; detection of flame in boiler furnaces. SUBSTANCE: flame detector has photodiodes, resistor, two amplifiers, common bus, signal processing unit; input amplifier negative feedback circuit incorporates rejection filter in the form of resistive RC filter. EFFECT: improved design. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области автоматики и предназначено для контроля наличия пламени горелки в котлах. The invention relates to the field of automation and is intended to control the presence of a burner flame in boilers.

Известен детектор пламени [1] содержащий фотоэлектрический датчик, каскады усилителей, выпрямитель, фильтр нижних частот, детектор порогов и интегратор. Known flame detector [1] containing a photoelectric sensor, amplifier cascades, a rectifier, a low-pass filter, a threshold detector and an integrator.

Однако известный детектор пламени обладает малым входным динамическим диапазоном из-за возможной перегрузки большими по величине сигналами постоянного тока и шумовыми сигналами, вырабатываемыми в широком спектре частот. However, the known flame detector has a small input dynamic range due to the possible overload of large DC signals and noise signals generated in a wide range of frequencies.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является система обнаружения пламени [2] содержащая фоточувствительный диод, резистор, усилители, шину питания, общую шину, детектор амплитуды переменного тока, выпрямитель, транзистор, линию задержки, триггер Шмитта, выходной каскад. Of the known technical solutions, the closest in technical essence to the claimed device is a flame detection system [2] containing a photosensitive diode, resistor, amplifiers, power bus, common bus, AC amplitude detector, rectifier, transistor, delay line, Schmitt trigger, output stage .

Недостатком прототипа является то, что шумовые сигналы, занимающие широкий спектр частот, могут создавать комбинационные сигналы из-за нелинейности входной характеристики устройства, что приводит к искажению спектральной характеристики сигнала в анализируемой полосе частот, и перегружать входную цепь устройства. The disadvantage of the prototype is that noise signals occupying a wide range of frequencies can create combinational signals due to non-linearity of the input characteristics of the device, which leads to distortion of the spectral characteristics of the signal in the analyzed frequency band, and overload the input circuit of the device.

Целью изобретения является улучшение функциональной надежности устройства за счет увеличения динамического диапазона входной цепи путем введения в цепь отрицательной обратной связи входного усилителя режекторного фильтра. The aim of the invention is to improve the functional reliability of the device by increasing the dynamic range of the input circuit by introducing into the negative feedback circuit of the input amplifier of the notch filter.

Поставленная цель достигается тем, что в систему обнаружения пламени, содержащую фоточувствительный диод, резистор, два усилителя, общую шину, блок обработки сигналов, состоящий из последовательно соединенных детектора амплитуды переменного тока, выпрямителя и транзисторного ключа, причем катод фоточувствительного диода соединен с первым выводом резистора и первым входом первого усилителя, выход которого через второй усилитель и блок обработки соединен с выходом устройства, второй вход первого усилителя соединен с анодом фоточувствительного диода, общей шиной и эмиттером транзисторного ключа блока обработки сигналов, введен режекторный фильтр, в качестве которого используется активный RC-фильтр, содержащий три конденсатора, три резистора и повторитель напряжения, причем первые выводы первого конденсатора и второго резистора соединены с выходом первого усилителя, второй вывод первого конденсатора соединен с первыми выводами второго конденсатора и третьего резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом первого резистора и выходом повторителя напряжения, вход которого соединен с вторыми выводами второго конденсатора и четвертого резистора, первый вывод которого соединен с вторым выводом второго резистора и первым выводом третьего конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной и общим выводом повторителя. This goal is achieved by the fact that in a flame detection system containing a photosensitive diode, a resistor, two amplifiers, a common bus, a signal processing unit, consisting of series-connected AC amplitude detector, a rectifier and a transistor switch, the cathode of the photosensitive diode connected to the first output of the resistor and the first input of the first amplifier, the output of which through the second amplifier and the processing unit is connected to the output of the device, the second input of the first amplifier is connected to the photosensitive anode a diode, a common bus and emitter of the transistor key of the signal processing unit, a notch filter is introduced, which uses an active RC filter containing three capacitors, three resistors and a voltage follower, the first terminals of the first capacitor and second resistor connected to the output of the first amplifier, the second terminal of the first capacitor is connected to the first terminals of the second capacitor and the third resistor, the second terminal of which is connected to the second terminal of the first resistor and the voltage follower output Ia, the input of which is connected to the second terminals of the second capacitor and the fourth resistor, a first terminal of which is connected to a second terminal of the second resistor and the first terminal of the third capacitor, the second terminal of which is connected to a common bus and a common terminal of the repeater.

Наличие отличительных признаков обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "Новизна". The presence of distinctive features determines the compliance of the proposed technical solution to the criterion of "Novelty."

Поскольку у заявляемого устройства появляются свойства, не совпадающие со свойствами известного решения, можно сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "Существенные отличия". Since the inventive device appears properties that do not match the properties of the known solutions, we can conclude that the claimed technical solution meets the criterion of "Significant differences".

Возможность достижения цели обусловлена введением в систему обнаружения пламени, содержащую фоточувствительный диод, резистор, два усилителя, общую шину, блок обработки сигналов, содержащий детектор амплитуды переменного тока, выпрямитель, транзисторный ключ с соответствующими связями, режекторного фильтра, в состав которого входят три конденсатора, три резистора и повторитель напряжения с соответствующими связями. The possibility of achieving the goal is due to the introduction of a flame detection system containing a photosensitive diode, a resistor, two amplifiers, a common bus, a signal processing unit containing an AC amplitude detector, a rectifier, a transistor switch with corresponding connections, a notch filter, which includes three capacitors, three resistors and a voltage follower with corresponding connections.

В совокупности со старыми признаками: фоточувствительным диодом, резистором, двумя усилителями, блоком обработки сигналов с соответствующими связями это позволило при высоком коэффициенте усиления по переменному току исключить перегрузку не только из-за большого сигнала постоянного тока, но и из-за сигналов шумового спектра в диапазоне частот сигналов, вызываемых мерцанием пламени, а также уменьшить искажения спектра сигнала из-за выработки входной цепью сигналов комбинационных частот в широком диапазоне частот. Together with the old signs: a photosensitive diode, a resistor, two amplifiers, a signal processing unit with the corresponding connections, this made it possible to exclude overloading at a high AC gain not only because of the large DC signal, but also because of the noise spectrum signals in the frequency range of the signals caused by flickering of the flame, and also reduce the distortion of the spectrum of the signal due to the development of the input circuit of the signals of combination frequencies in a wide range of frequencies.

На чертеже представлена функциональная схема заявляемого устройства. The drawing shows a functional diagram of the inventive device.

Устройство обнаружения пламени содержит фотодиод 1, первый резистор 2, первый 3 и второй 4 усилители, общую шину 5, блок 6 обработки сигналов и режекторный фильтр 7. Блок 6 обработки сигналов содержит детектор 8 амплитуды переменного тока, выпрямитель 9 и транзисторный ключ 10. Режекторный фильтр 7 содержит первый 11, второй 12 и третий 13 конденсаторы, второй 14, третий 15 и четвертый 16 резисторы и повторитель напряжения 17. The flame detection device comprises a photodiode 1, a first resistor 2, a first 3 and a second 4 amplifiers, a common bus 5, a signal processing unit 6, and a notch filter 7. The signal processing unit 6 contains an AC amplitude detector 8, a rectifier 9, and a transistor switch 10. Notch the filter 7 contains the first 11, second 12 and third 13 capacitors, second 14, third 15 and fourth 16 resistors and voltage follower 17.

Катод фотодиода 1 соединен с первым выводом первого резистора 2 и с первым входом первого усилителя 3, выход которого соединен с входом второго усилителя 4 и с первыми выводами первого конденсатора 11 и второго резистора 14, второй вывод которого соединен с первыми выводами четвертого резистора 16 и третьего конденсатора 13, второй вывод которого соединен с общей шиной 5 и общим выводом повторителя напряжения 17, вход которого соединен со вторыми выводами четвертого резистора 16 и второго конденсатора 12, первый вывод которого соединен с вторым выводом первого конденсатора 11 и с первым выводом третьего резистора 15, второй вывод которого соединен с вторым выводом первого резистора 2 и выходом повторителя напряжения 17. The cathode of photodiode 1 is connected to the first terminal of the first resistor 2 and to the first input of the first amplifier 3, the output of which is connected to the input of the second amplifier 4 and to the first terminals of the first capacitor 11 and the second resistor 14, the second terminal of which is connected to the first terminals of the fourth resistor 16 and third a capacitor 13, the second terminal of which is connected to a common bus 5 and a common terminal of a voltage follower 17, the input of which is connected to the second terminals of the fourth resistor 16 and the second capacitor 12, the first terminal of which is connected to the second Odom first capacitor 11 and to a first terminal of the third resistor 15, whose second terminal is connected to the second terminal of the first resistor 2 and the voltage follower 17 output.

Анод фотодиода 1 соединен с вторым входом первого усилителя 3 и общей шиной 5. Выход второго усилителя 4 через детектор амплитуды переменного тока 8 и выпрямитель 9 соединен с базой транзисторного ключа 10, эмиттер которого соединен с общей шиной, а коллектор с выходом устройства 18. The anode of the photodiode 1 is connected to the second input of the first amplifier 3 and the common bus 5. The output of the second amplifier 4 through the AC amplitude detector 8 and the rectifier 9 is connected to the base of the transistor switch 10, the emitter of which is connected to the common bus, and the collector to the output of the device 18.

Работает устройство следующим образом. The device operates as follows.

При горении, даже спокойном, непрерывно изменяется интенсивность пламени. Частота этих изменений лежит в пределах очень низких частот от нескольких герц до десятков и сотен герц и спектр этих изменений зависит от конструкции горелок и от типа топлива. Постоянная составляющая этого спектра обычно вызвана фоновым излучением от встречных и соседних горелок. Более высокочастотные составляющие спектра сигнала не несут информацию о наличии пламени. When burning, even calm, the flame intensity continuously changes. The frequency of these changes lies in the range of very low frequencies from several hertz to tens and hundreds of hertz and the spectrum of these changes depends on the design of the burners and on the type of fuel. The constant component of this spectrum is usually caused by background radiation from oncoming and neighboring burners. The higher frequency components of the signal spectrum do not carry information about the presence of a flame.

Под воздействием излучения пламени контролируемой горелки фотодиод 1 развивает пульсирующее напряжение, поступающее на первый (инверсный) вход усилителя 3, напряжение с выхода которого поступает на вход режекторного фильтра 7. Under the influence of radiation from the flame of a controlled burner, the photodiode 1 develops a pulsating voltage supplied to the first (inverse) input of the amplifier 3, the voltage from the output of which goes to the input of the notch filter 7.

Режекторный фильтр 7 пропускает сигналы во всем спектре частот, кроме диапазона частот, который содержит информацию о наличии пламени в контролируемой горелке. The notch filter 7 passes signals in the entire frequency spectrum, except for the frequency range, which contains information about the presence of flame in the controlled burner.

Сигналы с выхода режекторного фильтра 7 через резистор 2 поступают на первый вход усилителя 3, где суммируются с сигналами, вырабатываемыми фотодиодом 1. Так как сигналы, поступающие с выхода режекторного фильтра, находятся в противофазе с сигналами, вырабатываемыми фотодиодом 1, происходит их ослабление и в итоге на вход усилителя 4, соединенного с выходом усилителя 3, поступают сигналы, спектр которых несет информацию о наличии пламени. Постоянные составляющие спектра и более высокочастотные части спектра, вызывающие из-за нелинейности входной характеристики целый ряд комбинационных частот, искажающих характер сигнала, подавляются на входе усилителя 3. The signals from the output of the notch filter 7 through the resistor 2 are fed to the first input of the amplifier 3, where they are summed with the signals generated by the photodiode 1. Since the signals coming from the output of the notch filter are out of phase with the signals produced by the photodiode 1, they are attenuated and as a result, the input of amplifier 4 connected to the output of amplifier 3 receives signals whose spectrum carries information about the presence of a flame. The constant components of the spectrum and the higher frequency parts of the spectrum, which, due to the nonlinearity of the input characteristic, cause a number of combination frequencies that distort the nature of the signal, are suppressed at the input of amplifier 3.

Сигналы с выхода усилителя 4 поступают на блок 6 обработки сигналов, первым элементом которого является детектор 8 амплитуды переменного тока. При превышении амплитуды поступающих сигналов порогового значения детектора 8 амплитуды переменного тока на его выходе вырабатывается сигнал, выпрямляемый выпрямителем 9 и отпирающий транзисторный ключ 10. The signals from the output of the amplifier 4 are fed to a signal processing unit 6, the first element of which is an AC amplitude detector 8. When the amplitude of the incoming signals exceeds the threshold value of the detector 8 of the AC amplitude, a signal is generated at its output, which is rectified by the rectifier 9 and unlocks the transistor switch 10.

Транзисторный ключ 10 может управлять как устройствами индикации и сигнализации, так и исполнительными механизмами, открывающими или закрывающими заслонки для подачи топлива и т.п. The transistor switch 10 can control both indicating and signaling devices, and actuators that open or close the flaps for fuel supply, etc.

При погасании пламени горелки изменяется спектр сигнала на выходе фотодиода 1, в котором выделяется в основном постоянная составляющая и частоты до 1-2 десятков герц (в зависимости от вида топлива). Эти сигналы подавляются на входе усилителя 3 посредством включения режекторного фильтра 7. Также подавляются шумовые составляющие спектра. Таким образом, амплитуда сигналов на выходе усилителя 4 будет меньше порогового значения амплитуды детектора 8 амплитуды переменного тока и транзисторный ключ 10 будет находиться в закрытом состоянии. When the burner flame goes out, the signal spectrum at the output of photodiode 1 changes, in which the constant component and frequencies up to 1-2 tens of hertz are allocated mainly (depending on the type of fuel). These signals are suppressed at the input of amplifier 3 by turning on the notch filter 7. The noise components of the spectrum are also suppressed. Thus, the amplitude of the signals at the output of the amplifier 4 will be less than the threshold value of the amplitude of the detector 8 of the amplitude of the alternating current and the transistor switch 10 will be in the closed state.

В качестве режекторного фильтра 7 использован двойной Т-образный мост, включенный в обратную связь повторителя напряжения 17, так как в этом случае можно добиться хорошего затухания на частотах среза фильтра. В качестве повторителя напряжения 17 рекомендуется использование операционного усилителя с непосредственной связью инверсного входа с выходом. As a notch filter 7, a double T-shaped bridge is used, which is included in the feedback of the voltage follower 17, since in this case it is possible to achieve good attenuation at the cutoff frequencies of the filter. As a voltage follower 17, it is recommended to use an operational amplifier with a direct connection of the inverse input with the output.

Частотная характеристика режекторного фильтра выбирается в зависимости от характеристики топлива и характеристики котла. Так, например, для котлов, работающих на горючем газе, диапазон частот лежит в пределах 2-40 Гц, предпочтительней 5-25 Гц. Указанные цифры должны уточняться в зависимости от использования конкретных котлов. Для котлов, работающих на мазуте, диапазон частот, подлежащий анализу, лежит в пределах от десятков до нескольких сотен герц. The frequency response of the notch filter is selected depending on the characteristics of the fuel and the characteristics of the boiler. So, for example, for boilers operating on combustible gas, the frequency range lies in the range of 2-40 Hz, preferably 5-25 Hz. The indicated figures should be specified depending on the use of specific boilers. For boilers operating on fuel oil, the frequency range to be analyzed lies in the range from tens to several hundred hertz.

Структура блока 6 обработки сигналов также может изменяться в зависимости от характера топлива. Приведенная на чертеже схема больше подходит для случая использования газового топлива. При использовании мазута можно выделить два частотных диапазона, несущих информацию о наличии пламени: от 10 до 50 Гц и от 200 до 600 Гц. Для принятия решения в блоке 6 обработки сигналов выделяется независимо два участка спектра и по соотношению амплитуд их сигналов делается вывод о наличии пламени. The structure of the signal processing unit 6 may also vary depending on the nature of the fuel. The diagram shown in the drawing is more suitable for the case of using gas fuel. When using fuel oil, two frequency ranges can be distinguished that carry information about the presence of a flame: from 10 to 50 Hz and from 200 to 600 Hz. To make a decision, in block 6 of the signal processing, two sections of the spectrum are allocated independently and a conclusion is made about the presence of a flame by the ratio of the amplitudes of their signals.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство позволяет уменьшить искажение спектра входного сигнала, вызываемого наличием комбинационных частот в спектре из-за нелинейности входных характеристик устройства. Compared with the prototype, the proposed device can reduce the distortion of the spectrum of the input signal caused by the presence of Raman frequencies in the spectrum due to the non-linearity of the input characteristics of the device.

Уменьшение искажений в спектре входного сигнала позволяет повысить надежность относительного анализа сигнала для определения наличия или отсутствия пламени. Reducing distortion in the spectrum of the input signal can improve the reliability of the relative analysis of the signal to determine the presence or absence of a flame.

Claims

1. A FLAME DETECTION DEVICE comprising a photodiode, a resistor, two amplifiers, a common bus, a processing unit, the cathode of the photodiode connected to the first output of the resistor and the first input of the first amplifier, the output of which is connected to the output of the device through the second amplifier and signal processing unit, and the second the input is connected to the anode of the photodiode and a common bus, characterized in that a notch filter is introduced into it, the input of which is connected to the output of the first amplifier, and the output to the second output of the resistor.

2. The device according to claim 1, characterized in that the notch filter is made in the form of an active RC filter containing three resistors, three capacitors and a voltage follower, the first terminals of the first capacitor and second resistor connected to the output of the first amplifier, the second terminal of the first capacitor connected to the first terminals of the second capacitor and the third resistor, the second terminal of which is connected to the second terminal of the first resistor and the output of the voltage follower, the input of which is connected to the second terminals of the second capacitor and The Fourth resistor, a first terminal of which is connected to a second terminal of the second resistor and the first terminal of the third capacitor, the second terminal of which is connected to a common bus and a common terminal of the voltage follower.