RU220403U1

RU220403U1 - Flame presence sensor

Info

Publication number: RU220403U1
Application number: RU2023119080U
Authority: RU
Inventors: Алексей Иванович Нефедьев; Людмила Алексеевна Нефедьева; Артем Александрович Коноваленко
Filing date: 2023-07-19
Publication date: 2023-09-12

Abstract

Полезная модель относится к энергетике и может быть использована для контроля наличия пламени. Представлен датчик контроля наличия пламени, содержащий несущий корпус с разъемами подключения к электросети и выдачи выходных сигналов, в котором установлен блок питания, усилитель, полосовой фильтр, усилитель-формирователь сигнала, вход которого соединен с выходом полосового фильтра, а выход подключен к первому входу блока обработки сигнала, усилитель-формирователь сигнала ионизационного датчика пламени, выход которого соединен со вторым входом блока обработки сигнала, пьезоэлектрический вибропреобразователь, выход которого соединен с входом усилителя, датчик ионного тока, включенный между блоком питания и электродом ионизационного датчика пламени, причем выход датчика ионного тока подключен к входу усилителя-формирователя сигнала ионизационного датчика пламени, выполненного в виде электрода, запрессованного в керамический стержень. Технический результат – повышение надёжности определения наличия пламени в тепловой установке, работающей на газообразном или жидком топливе. 1 ил. The utility model relates to energy and can be used to monitor the presence of a flame. A flame detection sensor is presented, containing a supporting housing with connectors for connecting to the electrical network and issuing output signals, in which a power supply unit, an amplifier, a bandpass filter, and a signal conditioner amplifier are installed, the input of which is connected to the output of the bandpass filter, and the output is connected to the first input of the block signal processing, an amplifier-former of the signal of the ionization flame sensor, the output of which is connected to the second input of the signal processing unit, a piezoelectric vibration transducer, the output of which is connected to the input of the amplifier, an ion current sensor connected between the power supply and the electrode of the ionization flame sensor, the output of the ionization current sensor connected to the input of the signal conditioning amplifier of the ionization flame sensor, made in the form of an electrode pressed into a ceramic rod. The technical result is an increase in the reliability of determining the presence of a flame in a thermal installation operating on gaseous or liquid fuel. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к энергетике и может быть использована для контроля наличия пламени в тепловой установке, работающей на газообразном или жидком топливе.The utility model relates to the energy sector and can be used to monitor the presence of a flame in a thermal installation operating on gaseous or liquid fuel.

Известен датчик погасания пламени (патент РФ №135083, МПК F23N5/00, опубл. 23.11.2013, бюл. № 33), состоящий из приемника излучения, цепи интегрирования, цепи задержки и подсчета импульсов, электронного ключа, цепи установки темнового тока, узла сравнения и балансировки, генератора стабильного тока, входного каскад датчика, осуществляющего самобалансировку по мере старения фотоприемника и уменьшения коэффициента пропускания оптических узлов. Входной каскад устройства может быть выполнен на основе микромощного операционного усилителя, не оказывающего влияния на формирование тока в цепи питания датчика, переключение микромощного операционного усилителя происходит за счет неодинакового времени заряда емкостей, подключенных к инвертируемому и неинвертируемому входу, датчик запитан по двухпроводной схеме от измерительного модуля распределенной системы управления 24 В, выходной сигнал датчика фиксирован на уровне 5 мА и задается генератором стабильного тока, датчик полностью залит компаундом, выполнен в виде цилиндрического модуля и помещен в тубус, цилиндрический модуль может содержать один, два, три или четыре датчика, датчики цилиндрического модуля соединены параллельно, одновременно производится простая самодиагностика канала измерения, регистрация отказа датчиков, контроль наличия факела, определение стабильности горения, а также выходной сигнал модуля может быть токовым — пассивным.A flame extinction sensor is known (RF patent No. 135083, IPC F23N5/00, published November 23, 2013, Bulletin No. 33), consisting of a radiation receiver, an integration circuit, a delay circuit and pulse counting, an electronic key, a dark current setting circuit, a node comparison and balancing, a stable current generator, a sensor input stage that performs self-balancing as the photodetector ages and the transmittance of optical nodes decreases. The input stage of the device can be made on the basis of a micro-power operational amplifier, which does not affect the formation of current in the sensor's power circuit; switching of the micro-power operational amplifier occurs due to the unequal charging time of the capacitors connected to the inverted and non-inverted input; the sensor is powered in a two-wire circuit from the measuring module distributed control system 24 V, the output signal of the sensor is fixed at 5 mA and is set by a stable current generator, the sensor is completely filled with compound, made in the form of a cylindrical module and placed in a tube, the cylindrical module can contain one, two, three or four sensors, cylindrical sensors The modules are connected in parallel, at the same time simple self-diagnosis of the measurement channel is carried out, sensor failure is registered, the presence of a torch is monitored, combustion stability is determined, and the output signal of the module can be current - passive.

Недостатком данной системы является недостаточная надежность определения наличия пламени из-за применения для этой цели только оптического способа.The disadvantage of this system is the insufficient reliability of determining the presence of a flame due to the use of only an optical method for this purpose.

Известно устройство контроля пламени (патент РФ №2319900, МПК F23N5/08, опубл. 20.03.2008, бюл. № 8), которое содержит фотоприемник, подключенный к входу преобразователя сигнала фотоприемника в частоту, выход которого через линию связи соединен с первым входом канала обработки сигнала, выходом связанного с исполнительным органом, и первым устройством сигнализации. Устройство содержит также частотный компаратор, вход которого подключен к выходу преобразователя сигнала фотодиода в частоту через линию связи, а выход соединен с входом реле времени, выходом связанного со вторым устройством сигнализации. Кроме того, устройство содержит светодиод, оптически связанный с фотоприемником, генератор электрических импульсов, выход которого соединен со светодиодом.A flame control device is known (RF patent No. 2319900, IPC F23N5/08, published March 20, 2008, Bulletin No. 8), which contains a photodetector connected to the input of the photodetector signal converter into frequency, the output of which is connected through a communication line to the first input of the channel processing the signal output associated with the executive body and the first signaling device. The device also contains a frequency comparator, the input of which is connected to the output of the photodiode signal-to-frequency converter through a communication line, and the output is connected to the input of a time relay, the output of which is connected to the second alarm device. In addition, the device contains an LED optically coupled to a photodetector, an electrical pulse generator, the output of which is connected to the LED.

Известен датчик селективного контроля факела горелки энергетических и водогрейных котлов модели УДФ-01/МИ (патент РФ №63908, МПК F23N5/00, опубл. 10.16.2007, бюл. № 16), состоящий из несущего корпуса, оптической системы, кожуха для пылебрызгозащиты оптической системы, платы фотоприемника, обеспечивающей прием и преобразование инфракрасного излучения факела требуемого диапазона излучения и передачу выходного преобразованного сигнала в блок обработки сигнала, блока питания и платы обработки сигнала, обеспечивающей выделение высокочастотных пульсаций факела при работающей и не работающей горелке в рабочем диапазоне частот, формирование признака наличия и отсутствия факела, самодиагностику с выводом состояния датчика на световые индикаторы, автоподстройку параметров датчика для реализации его всережимности, сохранение параметров датчика на энергонезависимом запоминающем устройстве при исчезновении питания и сбоях в работе, причем плата фотоприемника и сам фотоприемник, плата обработки сигнала и блок питания смонтированы в несущем корпусе, с установленными на нем разъемами для подключения к сети, выдачи выходных сигналов и подключения к пульту, с установленными на кожухе световыми индикаторами для сигнализации о работе датчика.A known sensor for selective control of the burner torch of power and hot water boilers model UDF-01/MI (RF patent No. 63908, IPC F23N5/00, publ. 10.16.2007, bulletin No. 16), consisting of a supporting body, an optical system, and a casing for dust and splash protection optical system, photodetector board, which provides reception and conversion of infrared radiation of the torch of the required radiation range and transmission of the converted output signal to the signal processing unit, power supply and signal processing board, which ensures the isolation of high-frequency pulsations of the torch when the burner is running and not working in the operating frequency range, formation a sign of the presence and absence of a torch, self-diagnosis with display of the sensor status on light indicators, automatic adjustment of sensor parameters to ensure its full operation, saving sensor parameters on a non-volatile memory device in the event of a power outage and malfunctions, including the photodetector board and the photodetector itself, the signal processing board and the unit The power supplies are mounted in a supporting housing, with connectors installed on it for connecting to the network, issuing output signals and connecting to the remote control, with light indicators installed on the casing to indicate the operation of the sensor.

Недостатком данного устройства является значительная сложность и недостаточная надежность из-за использования только оптического способа определения наличия пламени в тепловой установке, работающей на газообразном или жидком топливе. The disadvantage of this device is its significant complexity and lack of reliability due to the use of only an optical method for determining the presence of a flame in a thermal installation operating on gaseous or liquid fuel.

Известен датчик контроля наличия пламени (патент РФ №186367, МПК F23N5/08, опубл. 16.01.2019, бюл. № 2), содержащий несущий корпус с смонтированными в нем платой фотоприемника, блок питания, блок обработки сигнала и блок световых индикаторов, оптическую систему с кожухом для пылебрызгозащиты, ионизационный датчик с электродами, установленными в керамическом стержне, и установленный в несущем корпусе усилитель-формирователь сигнала, к входу которого подключен ионизационный датчик, а к выходу - блок обработки сигнала.A flame detection sensor is known (RF patent No. 186367, IPC F23N5/08, published on January 16, 2019, Bulletin No. 2), containing a supporting housing with a photodetector board mounted in it, a power supply, a signal processing unit and a block of light indicators, optical a system with a casing for dust and splash protection, an ionization sensor with electrodes installed in a ceramic rod, and a signal conditioner amplifier installed in the supporting housing, to the input of which the ionization sensor is connected, and to the output - a signal processing unit.

Недостатком данного устройства является значительная сложность и недостаточная надежность из-за большой вероятности ложных срабатываний оптического датчика от нагретых стенок и элементов газового котла, и также имеется большая вероятность срабатывания ионизационного датчика при отсутствии пламени при высокой влажности воздуха в тепловой установке, работающей на газообразном или жидком топливе. The disadvantage of this device is its significant complexity and lack of reliability due to the high probability of false alarms of the optical sensor from the heated walls and elements of the gas boiler, and there is also a high probability of the ionization sensor triggering in the absence of a flame at high air humidity in a thermal installation operating on gaseous or liquid fuel

Наиболее близким к полезной модели является датчик контроля наличия пламени (патент РФ №205148, МПК F23N 5/00, опубл. 29.06.2021, бюл. № 19), содержащий несущий корпус с разъемом для подключения к электросети и разъемом для выдачи выходных сигналов, в котором установлен блок питания, усилитель, перестраиваемый полосовой фильтр, выделяющий полосу звуковых частот, несущую информацию о наличии пламени, усилитель-формирователь сигнала, вход которого соединен с выходом полосового фильтра, а его выход подключен к первому входу блока обработки сигнала, усилитель-формирователь сигнала ионизационного датчика пламени, выход которого соединен с вторым входом блока обработки сигнала, а его выходу подключен блок световых индикаторов.The closest to the utility model is a flame detection sensor (RF patent No. 205148, IPC F23N 5/00, publ. 06/29/2021, Bulletin No. 19), containing a supporting housing with a connector for connecting to the electrical network and a connector for issuing output signals, in which a power supply is installed, an amplifier, a tunable bandpass filter that selects an audio frequency band that carries information about the presence of a flame, a signal conditioner amplifier, the input of which is connected to the output of the bandpass filter, and its output is connected to the first input of the signal processing unit, a shaper amplifier signal from the ionization flame sensor, the output of which is connected to the second input of the signal processing unit, and a block of light indicators is connected to its output.

Недостатком данного устройства является недостаточная надежность звукового датчика, который не изолирован от камеры сгорания, в результате чего на нем скапливаются продукты горения газообразного или жидкого топлива, что приводит к ложным срабатываниям или отказу звукового датчика.The disadvantage of this device is the insufficient reliability of the sound sensor, which is not isolated from the combustion chamber, as a result of which combustion products of gaseous or liquid fuel accumulate on it, which leads to false alarms or failure of the sound sensor.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании датчика пламени, сочетающего в себе вибрационный и ионизационный принципы работы для достижения повышенной надежности определения наличия пламени в тепловой установке, работающей на газообразном или жидком топливе.The problem to be solved by the claimed utility model is to create a flame sensor that combines vibration and ionization operating principles to achieve increased reliability in determining the presence of a flame in a thermal installation operating on gaseous or liquid fuel.

Технический результат – повышение надёжности определения наличия пламени в тепловой установке, работающей на газообразном или жидком топливе.The technical result is an increase in the reliability of determining the presence of a flame in a thermal installation operating on gaseous or liquid fuel.

Технический результат достигается за счет того, что датчик контроля наличия пламени, содержащий несущий корпус с разъемом для подключения к электросети и разъемом для выдачи выходных сигналов, в котором установлен блок питания, ионизационный датчик пламени, усилитель, перестраиваемый полосовой фильтр, усилитель-формирователь сигнала, вход которого соединен с выходом полосового фильтра, а выход подключен к первому входу блока обработки сигнала, усилитель-формирователь сигнала ионизационного датчика пламени, выход которого соединен со вторым входом блока обработки сигнала и блок световых индикаторов, при этом дополнительно снабжен пьезоэлектрическим вибропреобразователем, выход которого соединен с входом усилителя, датчиком ионного тока, включенным между блоком питания и электродом ионизационного датчика пламени, причем выход датчика ионного тока подключен к входу усилителя-формирователя сигнала ионизационного датчика пламени, а ионизационный датчик пламени выполнен в виде электрода, запрессованного в керамический стержень.The technical result is achieved due to the fact that a flame detection sensor containing a supporting housing with a connector for connecting to the electrical network and a connector for output signals, in which a power supply unit, an ionization flame sensor, an amplifier, a tunable bandpass filter, a signal conditioner amplifier, are installed, the input of which is connected to the output of the bandpass filter, and the output is connected to the first input of the signal processing unit, the signal conditioner amplifier of the ionization flame sensor, the output of which is connected to the second input of the signal processing unit, and the light indicator unit, which is additionally equipped with a piezoelectric vibration transducer, the output of which is connected with an amplifier input, an ionization current sensor connected between the power supply and the electrode of the ionization flame sensor, wherein the output of the ionization current sensor is connected to the input of the signal conditioning amplifier of the ionization flame sensor, and the ionization flame sensor is made in the form of an electrode pressed into a ceramic rod.

Сущность предлагаемого датчика контроля наличия пламени заключается в определении наличия пламени одновременно двумя методами – вибрационным и ионизационным, с сопоставлением полученных результатов, что позволит повысить надёжность определения наличия пламени, и, соответственно, повысить безопасность работы тепловых установок на газообразном или жидком топливе.The essence of the proposed sensor for monitoring the presence of a flame is to determine the presence of a flame simultaneously by two methods - vibration and ionization, with a comparison of the results obtained, which will increase the reliability of determining the presence of a flame, and, accordingly, increase the safety of operation of thermal installations using gaseous or liquid fuels.

Особенностью данного технического решения является совмещение пьезоэлектрического вибропреобразователя и ионизационного датчика в одной конструкции, а также осуществление совместной обработки сигналов с датчиков одним блоком обработки сигнала.A feature of this technical solution is the combination of a piezoelectric vibration transducer and an ionization sensor in one design, as well as the joint processing of signals from the sensors by one signal processing unit.

На чертеже изображена структурная схема датчика контроля наличия пламени.The drawing shows a block diagram of a flame detection sensor.

Датчик контроля наличия пламени содержит несущий корпус 1, пьезоэлектрический вибропреобразователь 2, усилитель 3, перестраиваемый полосовой фильтр 4, выделяющий полосу частот, которая несет информацию о наличии пламени, усилитель-формирователь сигнала 5, с выхода которого сигнал подается на первый вход блока обработки сигнала 6, ионизационный датчик пламени, состоящий из керамического стержня 7, в который запрессован электрод 8 ионизационного датчика пламени, подключенный к источнику питания 9 через датчик ионного тока 10, выход датчика ионного тока 10 подключен к входу усилителя-формирователя сигнала 11 ионизационного датчика пламени, выходной сигнал которого подан на второй вход блока обработки сигнала 6, обеспечивающего формирование признака наличия и отсутствия факела, самодиагностику с выводом состояния датчиков на блок световых индикаторов 12, автоподстройку параметров датчика, сохранение параметров датчика на энергонезависимом запоминающем устройстве при исчезновении питания и сбоях в работе. Пьезоэлектрический вибропреобразователь 2, усилитель 3, перестраиваемый полосовой фильтр 4, усилитель-формирователь сигнала 5 и усилитель-формирователь сигнала 11 ионизационного датчика пламени, блок обработки сигнала 6, блок питания 9 смонтированы в несущем корпусе 1. На несущем корпусе 1 установлены разъем 13 для подключения к электросети, и разъем 14 для выдачи выходных сигналов, а также блок световых индикаторов 12 для сигнализации о работе датчиков и результатах самодиагностики.The flame detection sensor contains a supporting body 1, a piezoelectric vibration transducer 2, an amplifier 3, a tunable bandpass filter 4 that selects a frequency band that carries information about the presence of a flame, a signal conditioner amplifier 5, from the output of which the signal is supplied to the first input of the signal processing unit 6 , ionization flame sensor, consisting of a ceramic rod 7, into which the electrode 8 of the ionization flame sensor is pressed, connected to the power source 9 through the ion current sensor 10, the output of the ion current sensor 10 is connected to the input of the signal conditioner amplifier 11 of the ionization flame sensor, output signal which is fed to the second input of the signal processing unit 6, which ensures the formation of a sign of the presence and absence of a torch, self-diagnosis with output of the sensor status to the block of light indicators 12, automatic adjustment of sensor parameters, saving sensor parameters on a non-volatile storage device in the event of a power failure and malfunctions. Piezoelectric vibration transducer 2, amplifier 3, tunable bandpass filter 4, signal conditioner amplifier 5 and signal conditioner amplifier 11 of the ionization flame sensor, signal processing unit 6, power supply 9 are mounted in the supporting housing 1. A connector 13 is installed on the supporting housing 1 for connection to the power supply, and connector 14 for issuing output signals, as well as a block of light indicators 12 for signaling the operation of sensors and the results of self-diagnosis.

Датчик контроля наличия пламени работает следующим образом. The flame detection sensor works as follows.

При наличии пламени в тепловой установке, работающей на газообразном или жидком топливе, возникают звуковые волны, которые в свою очередь вызывают вибрацию корпуса тепловой установки и ионизационного датчика пламени, состоящего из керамического стержня 7, в который запрессован электрод 8 ионизационного датчика пламени. Вибрации керамического стержня 7 вызывают колебания пьезоэлектрического вибропреобразователя 2, который преобразует колебания корпуса тепловой установки и керамического стержня 7 в электрический сигнал, который в свою очередь усиливается усилителем 3 и поступает на вход перестраиваемого полосового фильтра 4, где происходит выделение полосы частот, несущей информацию о наличии пламени. С выхода перестраиваемого полосового фильтра 4 сигнал подается на усилитель-формирователь сигнала 5, с выхода которого сигнал поступает в блок обработки сигнала 6, где происходит его анализ, и формируется признак наличия или отсутствия пламени. In the presence of a flame in a thermal installation operating on gaseous or liquid fuel, sound waves arise, which in turn cause vibration of the thermal installation housing and the ionization flame sensor, consisting of a ceramic rod 7 into which the electrode 8 of the ionization flame sensor is pressed. Vibrations of the ceramic rod 7 cause vibrations of the piezoelectric vibration transducer 2, which converts the vibrations of the thermal unit housing and the ceramic rod 7 into an electrical signal, which in turn is amplified by the amplifier 3 and fed to the input of the tunable bandpass filter 4, where a frequency band is allocated that carries information about the presence flame. From the output of the tunable bandpass filter 4, the signal is fed to the signal conditioning amplifier 5, from the output of which the signal enters the signal processing unit 6, where it is analyzed and a sign of the presence or absence of a flame is formed.

От источника питания 9 через датчик ионного тока 10 напряжение подается на электрод ионизационного датчика пламени 8, запрессованного в керамический стержень 7. При наличии пламени от источника питания 9 через датчик ионного тока 10 и через электрод ионизационного датчика пламени 8 начинает протекать ионный ток, являющийся признаком наличия пламени. Сигнал о наличии ионного тока с датчика ионного тока 10 подается на усилитель-формирователь сигнала 11 ионизационного датчика пламени, с выхода которого сигнал подается на второй вход блока обработки сигнала 6, где происходит его анализ, и формируется признак наличия или отсутствия пламени. From the power source 9 through the ion current sensor 10, the voltage is supplied to the electrode of the ionization flame sensor 8, pressed into the ceramic rod 7. In the presence of a flame from the power source 9, through the ion current sensor 10 and through the electrode of the ionization flame sensor 8, an ion current begins to flow, which is a sign presence of flame. The signal about the presence of ion current from the ion current sensor 10 is supplied to the signal conditioner amplifier 11 of the ionization flame sensor, from the output of which the signal is supplied to the second input of the signal processing unit 6, where it is analyzed and a sign of the presence or absence of flame is formed.

Блок обработки сигнала 6 формирует выходной сигнал наличия пламени и сигнал на блок световых индикаторов 12 только при наличии сигналов от пьезоэлектрического вибропреобразователя и ионизационного датчика. При отсутствии сигнала о наличии пламени от любого из датчиков, блок обработки сигнала 6 выдает сигнал отсутствия пламени на разъем 14. Блок обработки сигнала 6 также проводит самодиагностику с выводом состояния датчиков на блок световых индикаторов 12. Электропитание датчика контроля наличия пламени осуществляется через разъем 13. The signal processing unit 6 generates an output signal for the presence of a flame and a signal to the block of light indicators 12 only in the presence of signals from the piezoelectric vibration transducer and ionization sensor. If there is no signal about the presence of a flame from any of the sensors, the signal processing unit 6 issues a flame absence signal to connector 14. The signal processing unit 6 also conducts self-diagnosis with the output of the sensor status to the light indicator block 12. The power supply to the flame presence control sensor is carried out through connector 13.

В макете датчика контроля наличия пламени был использован пьезоэлектрический вибропреобразователь AP1011 фирмы «ГлобалТест».The AP1011 piezoelectric vibration transducer from GlobalTest was used in the prototype of the flame presence control sensor.

Таким образом, датчик контроля наличия пламени, содержащий несущий корпус с смонтированными в нем блоком питания, блоком обработки сигнала, блоком световых индикаторов, последовательно подключенных пьезоэлектрического вибропреобразователя, усилителя, перестраиваемого полосового фильтра и усилителя-формирователя сигнала, а также керамический стержень, в который запрессован электрод ионизационного датчика пламени, подключенный к источнику питания через датчик ионного тока, выход которого подключен через усилитель-формирователь сигнала ионизационного датчика пламени к входу блока обработки сигнала 6, обеспечивает повышенную надежность определения наличия пламени, что повышает безопасность тепловых установок, работающих на газообразном или жидком топливе.Thus, a flame detection sensor containing a supporting body with a power supply unit, a signal processing unit, a unit of light indicators mounted in it, a piezoelectric vibration transducer, an amplifier, a tunable bandpass filter and a signal conditioner amplifier, sequentially connected in it, as well as a ceramic rod into which the the electrode of the ionization flame sensor, connected to the power source through an ion current sensor, the output of which is connected through an amplifier-former of the signal of the ionization flame sensor to the input of the signal processing unit 6, provides increased reliability in determining the presence of a flame, which increases the safety of thermal installations operating on gaseous or liquid fuel

Claims

A flame detection sensor containing a supporting housing with a connector for connecting to the electrical network and a connector for issuing output signals, in which a power supply unit is installed, an ionization flame sensor, an amplifier, a tunable bandpass filter, a signal conditioning amplifier, the input of which is connected to the output of the bandpass filter, and the output is connected to the first input of the signal processing unit, an amplifier-former of the signal of the ionization flame sensor, the output of which is connected to the second input of the signal processing unit, and a block of light indicators, characterized in that the flame presence control sensor is additionally equipped with a piezoelectric vibration transducer, the output of which is connected to the input of the amplifier, an ionization current sensor connected between the power supply and the electrode of the ionization flame sensor, wherein the output of the ionization current sensor is connected to the input of the signal conditioning amplifier of the ionization flame sensor, and the ionization flame sensor is made in the form of an electrode pressed into a ceramic rod.