УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ПЛАМЕНИ Российский патент 1995 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к области автоматики и предназначено для контроля наличия пламени горелки в котлах.

Известен детектор пламени [1] содержащий фотоэлектрический датчик, каскады усилителей, выпрямитель, фильтр нижних частот, детектор порогов и интегратор.

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.

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.

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.

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.

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.

Наличие отличительных признаков обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "Новизна".

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".

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.

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.

На чертеже представлена функциональная схема заявляемого устройства.

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.

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.

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.

Работает устройство следующим образом.

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.

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.

Режекторный фильтр 7 пропускает сигналы во всем спектре частот, кроме диапазона частот, который содержит информацию о наличии пламени в контролируемой горелке.

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.

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.

Транзисторный ключ 10 может управлять как устройствами индикации и сигнализации, так и исполнительными механизмами, открывающими или закрывающими заслонки для подачи топлива и т.п.

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.

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.

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.

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.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство позволяет уменьшить искажение спектра входного сигнала, вызываемого наличием комбинационных частот в спектре из-за нелинейности входных характеристик устройства.

Уменьшение искажений в спектре входного сигнала позволяет повысить надежность относительного анализа сигнала для определения наличия или отсутствия пламени.

Использование: изобретение относится к приборам и предназначено для контроля наличия пламени горелки в котлах. Сущность изобретения: устройство обнаружения пламени содержит фотодиод, резистор, два усилителя, общую шину, блок обработки сигналов, в цепь отрицательной обратной связи входного усилителя введен режекторный фильтр, в качестве которого используется активный RC-фильтр. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ПЛАМЕНИ, содержащее фотодиод, резистор, два усилителя, общую шину, блок обработки, причем катод фотодиода соединен с первым выводом резистора и первым входом первого усилителя, выход которого через второй усилитель и блок обработки сигналов соединен с выходом устройства, а второй вход соединен с анодом фотодиода и общей шиной, отличающееся тем, что в него введен режекторный фильтр, вход которого соединен с выходом первого усилителя, а выход с вторым выводом резистора. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что режекторный фильтр выполнен в виде активного RC-фильтра, содержащего три резистора, три конденсатора 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 с 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 напряжения.