Датчик погасания пламени

2.D-LE603 (Германия) - не имеет внутренней и внешней автоподстройки, требует два выделенных дискретных канала в распределённой системе управления (РСУ) и один аналоговый 4...20мА. При сильном пламени высокая вероятность насыщения входного усилителя. Электромагнитный затвор имеет малый ресурс работы. Заявленная функция контроля интенсивности пламени малоэффективна. Высокая стоимость. Санкционные ограничения с поставками.

3.УДФ-01/МИ (Россия) - большие габариты, шторка узла самодиагностики имеет ограниченный ресурс работы. Заложен сложный микропроцессорный алгоритм стабилизации чувствительности. Требует три выделенных дискретных канала в РСУ, а также один аналоговый канал 4...20 мА. Низкая помехозащищённость, высокая вероятность выдачи ложного сигнала.

4."Фламинго" (Россия) - может применяться только с блоком сигнализации БС1.04-1.

Требует наличия источника сетевого питания 220/24 В из-за большого потребляемого тока (200 мА). Для реализации функции контроля яркости факела необходим дополнительный модуль МФ СПП1.01. Требует три выделенных дискретных канала в РСУ, а также аналоговый канал 4...20 мА. Не обеспечивает достоверного отображения состояния горе-лок при паровой обдувке мазутных форсунок и загрязнении оптических элементов датчика продуктами горения (сера, сажа, конденсат). Отсутствуют внутренняя и внешняя автоподстройки. Жёсткие ограничения по внешней засветке.

Технические задачи, которые решались при разработке устройства, - снижение стоимости, минимизация габаритов, уменьшение числа электронных компонентов в одном датчике, увеличение надёжности устройства в целом, исключение выдачи ложных сигналов о погасании пламени горелок, работа с различными видами топлива и спектрами излучения, компенсация влияния внешней фоновой засветки (естественного и искусственного освещения, раскалённых стенок печи, камер сгорания котла), самобалансировка по мере загрязнения оптических узлов продуктами горения (сера, сажа, конденсат), использование одного выделенного канала измерения РСУ для контроля наличия факела, регистрации отказа датчиков, определение стабильности горения, самодиагностика, без использования различных имитаторов, обтюраторов, электромеханических шторок, сложных микропроцессорных алгоритмов коррекции.

Для решения этой задачи разработан датчик погасания пламени, описываемый в этой статье.

В качестве приёмника излучения выбран фоторезистор. Принцип действия основан на преобразовании пульсаций светимости пламени в унифицированный токовый сигнал 0...5 мА.

Датчик запитан по двухпроводной схеме напряжением 24 В от искробезопасного барьера распределённой системы управления, что значительно снижает стоимость одного канала измерения и упрощает его подключение.

Сам регистратор (сканер) отображения пламени основной или пилотной горелки может содержать в цилиндрическом модуле (тубусе) от одного до четырёх датчиков, в зависимости от важности позиции.

Исполнение 1x4 предусматривает наблюдение за одной горелкой сразу четырьмя датчиками, помещёнными в один тубус в виде модуля. Датчики соединены параллельно. Выходной сигнал модуля - токовый. Основное преимущество при таком включении, посравнению с аналогами, заключается в том, что вероятность выхода из строя сразу четырёх датчиков чрезвычайно мала. Поскольку каждый фотоприёмник смещён относительно друг друга, пламя регистрируется в разных точках тела факела, что увеличивает достоверность полученных данных.

Как показывает практика, при исчезновении сигнала с датчика сразу очень сложно определить, что же произошло - или погасла горелка, или вышел из строя сам датчик. Эта ситуация может привести к плачевным последствиям. Поэтому устанавливают дублирующие датчики или в конструкцию закладывают функцию проверки работоспособности датчика, когда перекрывается полностью оптический узел, и с помощью мигающего светодиода или лампы со шторкой или обтюратором имитируют пульсации пламени. Но всё это усложняет конструкцию, увеличивает стоимость и снижает надёжность.

Нестандартный способ отображения информации на автоматизированном рабочем месте (АРМ) позволяет производить простую самодиагностику канала измерения - контроль наличия факела, регистрацию отказа датчиков, определение стабильности горения.

Рассмотрим регистратор (сканер) в исполнении 1x4. Датчики соединены параллельно и в сумме (при наличии пламени) генерируют ток, равный 20 мА. Каждый датчик имеет свою токовую долю в интервале 4...20 мА, поэтому несложно определить число датчиков в конкретный момент в исправном состоянии.

Рис. 1.

Один из вариантов контроля состояния горелок на мониторе АРМ показан на рис. 1. Использовано стандартное окно для отображения графиков изменения параметра измерительных приборов с выходным сигналом 4...20 мА РСУ YOKOGAWA и HONEYWELL. Когда работают все четыре датчика и пламя стабильно, график зелёного цвета (уровень 4) находится в верхней части окна в виде прямой линии, процент соответствия - 100 %. При выходе из строя одного датчика график опускается ниже (уровень 3), процент соответствия станет 75 % и т. д. Если пламя нестабильное, наблюдается отрыв факела, начинают наблюдаться провалы, как показано на зелёном графике на рис. 1. При полном погасании пламени ток в измерительной цепи прекращается, графики исчезают, а на мониторе АРМ высвечивается надпись "ОБРЫВ". В этом состоит самодиагностика датчиков.
Входной каскад датчика обеспечивает самобалансировку по мере уменьшения коэффициента пропускания (загрязнения продуктами горения) оптических узлов. Поскольку в печах и в камерах сгорания котлов могут использоваться топочный мазут, топливный газ, различные сдувки и смеси топлива в процессе технологического режима, то спектр излучения такого пламени сдвинут в ближнюю инфракрасную область. Поэтому предпочтение отдано фоторезисторам, работающим в диапазоне излучения более 0,7 мкм.

Для перекрытия всего спектра излучения пламени горелок и обеспечения всережимности регистратора (сканера) в один модуль совместно устанавливаются фоторезисторы ультрафиолетового (менее 0,4 мкм), видимого и инфракрасного рабочего диапазона.

Рис. 2.

Схема одного датчика показана на рис. 2. Условно она разбита на несколько частей. Поскольку, как было отмечено выше, техническая задача - снижение стоимости, простота изготовления, увеличение надёжности устройства в целом, электронная компоновка (начинка) максимально уменьшена.

Приёмник излучения - фоторезистор ближнего ИК-диапазона (0,79 мкм) СФ3-1, он предназначен для преобразования пульсаций светимости пламени в электрический сигнал.

Цепь установки темнового тока, несмотря на свою простоту, - очень важная часть устройства. Без неё датчик работать не будет. Цепь проходит параллельно приёмнику излучения, соединена с ним и образована резистором R6. Дело в том, что темновое сопротивление фоторезистора СФ3-1 - 30 МОм, а фоторезистора СФ3-9Б, который также можно использовать в датчике, - 5 ГОм. По мере уменьшения коэффициента пропускания оптических узлов (загрязнение продуктами горения) сопротивление приёмника излучения тоже будет увеличиваться.

В какой-то момент оно может достигнуть такого значения, при котором микромощный ОУ ОРА244NA перестанет балансироваться и гарантированно переключаться. Поэтому для создания необходимого потенциала на входах ОУ часть тока направляется через резистор R6, его сопротивление для фоторезистора СФ3-1 определено опытным путём.
Цепь интегрирования состоит из двух частей - C1R1R2R4 и C2R3R8 с разными постоянными времени, которые подключены к инвертирующему входу (вывод 4) и неинвертирующему входу (вывод 3) микромощного ОУ ОРА244NA.

Резистор R7 ограничивает ток через фотоприёмник при сильной внешней засветке. Собственно узел сравнения и балансировки выполнен на микромощном ОУ ОРА244ЫД, работающем в режиме компаратора, хотя в самой балансировке задействованы все элементы входного каскада. При достижении разности потенциалов (пороговой) на инвертирующем и неинвертирующем входах на выходе ОУ появляются импульсы с частотой пульсаций пламени (порядка 5...15 Гц), по амплитуде примерно равные напряжению питания.

Самобалансирующийся входной каскад, как видно из схемы датчика, не содержит регулировочных элементов, хотя основное условие для нормальной работы датчика - это низкий уровень на выходе ОУ при любой внешней засветке. Если поднести к фоторезистору постоянный (непульсирующий) источник излучения и искусственно изменять коэффициент пропускания 90 %, 70 %, 30 %, конденсаторы С1, С2 зарядятся и будут иметь потенциал, соответственно, высокий, средний, низкий. Причём значение потенциала для обеспечения низкого уровня на выходе ОУ не имеет никакого значения, главное, чтобы он был всегда чуть выше на инвертирующем входе ОУ. Резистор R2 с запасом компенсирует напряжение смещения нуля ОУ и определяет пороговую разность потенциалов на инвертирующем и неинвертирующем входах. Чем меньше сопротивление резистора R2, тем выше чувствительность датчика.

При воздействии на фотоприёмник пульсирующего пламени горелки его сопротивление начинает изменяться, изменяется и потенциал на конденсаторах С1, С2. Поскольку участок цепи интегрирования C2R3R8 имеет меньшую постоянную времени, чем C1R1R2R4, потенциал на конденсаторе С2 успевает опускаться ниже потенциала на конденсаторе С1, что приводит к переключению ОУ и появлению импульсов на его выходе. В случае постоянной внешней засветки (пульсаций светимости нет) на фотоприёмник СФ3-1 попадает излучение раскалённых стенок печи, камеры сгорания котла, естественное или искусственное освещение. Сопротивление фотоприёмника устанавливается на каком-то определённом уровне. Причём этот уровень постоянно изменяется в зависимости от внешних условий, изменяется и потенциал на конденсаторах С1, С2. В конечном итоге потенциал на конденсаторах С1, С2 всегда устанавливается на том или ином значении с учётом пороговой разницы (на конденсаторе С2 он чуть выше).

Медленно изменяющаяся внешняя засветка не приводит к переключению ОУ. Поскольку это излучение не является полезным сигналом, оно фиксируется как "ФОН". Фоновый сигнал снижается по мере уменьшения коэффициента пропускания (загрязнения продуктами горения) оптических узлов.

Большинство используемых в настоящее время приборов для отслеживания погасания пламени (ФДЧ, "Фламинго", Fireye, DURAG и др.) не в состоянии компенсировать большой уровень фонового сигнала и теряют чувствительность и способность достоверно отображать информацию при загрязнении 25...30 %.

Условный, поясняющий график узла сравнения и балансировки датчика при различном фоне показан на рис. 3 (частота пульсаций - 7 Гц, степень загрязнения - 30 %, 70 %, 90 %). Из графиков видно, что амплитуда выходного сигнала не зависит от степени загрязнения и величины фона, не оказывает никакого влияния и на изменяющийся порог.

Рис. 3.

Цепь задержки и накопления импульсов состоит из диода VD1 и элементов R9, R10, C4. Необходимое число импульсов (5-8) для зарядки конденсатора С4 и открывания транзистора VT1 задаёт резистор R9. Диод VD1 не позволяет разряжаться конденсатору С4 через выходные цепи ОУ. Резистор R10 определяет время разрядки конденсатора С4, задержка на выдачу сигнала о погасании пламени - 1...2 с. Резисторы R9, R10 образуют делитель напряжения для оптимального открывания полевого транзистора VT1, конденсатор С3 - блокировочный по питанию.

Электронный ключ собран на полевом транзисторе VT1. На токовую сигнальную цепь он никакого воздействия не оказывает, поскольку сопротивление канала сток-исток в открытом состоянии ничтожно мало и не превышает 92 мОм.

Ток (5 мА) в измерительной цепи формирует прецизионный резистор R11 с низким температурным дрейфом и собственными шумами. Использование более сложного генератора на транзисторах или на интегральных микросхемах не имеет смысла, поскольку напряжение измерительного модуля РСУ 24 В стабилизировано.

Детали и номиналы электронных компонентов датчика подобраны так, что потребляемый им ток в режиме регистрации пламени не изменяется и не превышает 100 мкА, что, в свою очередь, не оказывает существенного влияния на формирование сигнала 5 мА в канале измерения.

Стоимость одного модуля с учётом стоимости деталей, материалов, работы в исполнении 1x4, по сравнению с самым дешёвым аналогом "Фламинго" СПП 1.01-04, меньше примерно в 28 раз. Также отпадает необходимость в использовании трёх довольно-таки дорогих дискретных каналов РСУ.

Датчик погасания пламени налаживания не требует. Но проверить работоспособность сканера с модулем в исполнении 1x4 можно простым способом. Необходимо подключить источник напряжением 24 В последовательно с измерителем тока. Направляем тубус сканера на источник света, например лампу накаливания. При открытом и закрытом входном отверстии сигнал в измерительной цепи должен быть равен нулю - происходит самобалансировка. Если с какой-то частотой, с помощью руки, перекрывать входное отверстие сканера, в измерительной цепи появится сигнал, равный 20 мА. Нельзя использовать для проверки люминесцентные и светодиодные лампы освещения из-за их сильных пульсаций, датчик будет на них просто срабатывать.

Тубус сканера изготовлен из тонкостенной стальной или алюминиевой трубки длиной 300...350 мм и внутренним диаметром 20...25 мм. Лучше сделать его из двух частей и соединить с помощью теплоизолирующей муфты, чтобы исключить перегрев датчиков. Можно обеспечить подачу воздуха для охлаждения. Для хорошего светоотражения поверхность трубки изнутрислегка шлифуют. Никакие фокусирующие линзы, стёкла в сканере не используются. Датчики залиты компаундом (для последующего ремонта можно и не заливать), они образуют модуль, кото-рый плотно вставляется с противоположной стороны тубуса и по мере необходимости меняется как обыкновенная лампа.

Рис. 4.

Рис. 5.

Печатная плата изготовлена из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита толщиной 1 мм размерами 60x8 мм. Её чертёж показан на рис. 4, а расположение элементов - на рис. 5. Платы в исполнении 1x4 соединены в виде квадрата параллельно по цепям питания (рис. 6, рис. 7).

Рис. 6.

Рис. 7.

В датчике применены детали для поверхностного монтажа. Резисторы и конденсаторы - любые типоразмера 0805. Керамические конденсаторы применены на номинальное напряжение не менее 50 В. Резистор R11 - прецизионный.

Транзистор IRLML0060 можно заменить на IRLML0040, IRLML0100. Диод BAS216 заменим любым подходящих размеров.

Микромощный ОУ должен иметь напряжение питания не меньше 36 В и потребляемый ток не более 50 мкА. Вместо ОРА244 в корпусе SOT-23-5 подойдут ОРА251, ОР90 в корпусе SO-8 с небольшим изменением печатной платы.

Вместе с фоторезистором СФ3-1 в одном модуле регистратора (сканера) могут устанавливаться и другие малогабаритные фоторезисторы, работающие в УФ, ИК и в видимой области спектра. Хорошие результаты показали дешёвые импортные фоторезисторы GL5549 c темновым сопротивлением не менее 10 МОм и с максимумом поглощения излучения с длиной волны 540 нм.

В заключение нужно отметить, что датчик погасания пламени прошёл успешные испытания на одной из технологических установок Сибири и показал очень хорошие результаты.

Датчик в исполнении 1x4 можно использовать не только с РСУ, но и с обычным стабилизированным источником питания 24 В и последовательно включённым стрелочным миллиамперметром с интервалом измерения 0...20 мА. Работают четыре датчика - ток 20 мА, работают три датчика - ток 15 мА и т. д. Если стрелка миллиамперметра не стоит на одном месте, значит, пламя нестабильно.

Резистор R11 допускается установить большего сопротивления, например 4,9...5 кОм, при этом верхняя на рис. 1 зелёная линия, уровень 4, опустится чуть ниже, что намного удобнее для отображения информации. На общую картину на АРМ это никак не повлияет. Стабилизированный источник питания напряжением 24 В легко заменяется на другой с меньшим напряжением, но при этом нужно по закону Ома рассчитать сопротивление резистора R11.

Если в РСУ, например YOKOGAWA, не всегда допускается сигнал ниже 4 мА (происходит фиксация последнего значения), регистратор (сканер) изготавливается в исполнении 1x3, а в четвёртом будет стоять просто резистор R11, без датчика.

Автор: А. Вовк, г. Ангарск Иркутской обл.