СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВЫМ ИНФРАКРАСНЫМ ИЗЛУЧАТЕЛЕМ Российский патент 2002 года по МПК F23N5/24 

Изобретение относится к газовым горелкам и может быть использовано в автоматике газовых горелок, в том числе инфракрасного излучения, применяемых в промышленности, коммунальных и сельскохозяйственных предприятиях (и на открытом воздухе), как источник тепла.

Известна "Газовая горелка для нагревательных приборов, в частности водонагревателей", в которой топливо-воздушная смесь нагревается на пластине горелки до температуры воспламенения с образованием факела, содержащая средства ограничения температуры пламени до значения, при котором не превышается заданная граница, см.патент РФ 2150637.

Недостатком данной горелки является довольно примитивная автоматика, не контролирующая многие важные функции, например время зажигания, работу горелки при исчезновении (пропадании) электроэнергии, когда пластина уже не нагревается, т. е. факел тухнет, а газ продолжает поступать со всеми вытекающими последствиями.

Известна автоматика "Газовоздушной горелки", в которой, наоборот, имеется контроль наличия пламени факела с индивидуальным подводом топлива от системы автоматического регулирования, см. патент РФ 2146788.

Недостатком автоматики данной горелки является недостаточность контролируемых функций: например, не контролируются временные функции розжига, отключения электроэнергии и т.д.

Известна автоматика по патенту РФ 2144645 "Способ определения среднего излучения от горящего слоя установки сжигания и регулирования процесса горения."
1. Способ определения среднего излучения и соответствующей этому излучению средней температуры участка поверхности горящего слоя при помощи инфракрасной или термографической фотокамеры в установках сжигания и регулирования процесса горения по меньшей мере в контролируемом участке поверхности этой печной установки, отличающийся тем, что измерение ограничивают диапазоном волн, который соответствует минимуму искажающих результат газов над горящим слоем, подогреваемый измерениям участок поверхности делят растровыми ячейками на несколько подучастков, на протяжении некоторого промежутка времени, в течение которого в контролируемом участке поверхности горящий слой счищается неподвижным, а излучение и температура горящего слоя почти постоянными, делают несколько следующих один за другим фотоснимков путем взаимного сравнения фотоснимков, выполненных в течение одного промежутка времени, подучастки с излучением от покоящихся излучающих сред отделяют от подучастков с излучением от подвижных излучающих сред, для расчета среднего излучения или средней температуры участка поверхности учитывается только излучение или температура подучастков с излучением от покоящихся излучающих сред.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при помощи нечеткой логики из полученных измерительных значений образуют регулировочное значение для регулирования отдельных или всех процессов, видоизменяемых до сих пор в прямой или косвенной зависимости от температуры горения.

Недостатками автоматики данного способа являются очень высокая аппаратурная сложность из-за применения инфракрасной или термографической фотокамеры, последующим процессом контроля и обработки получаемых изображений, применение нечеткой и т. д. Как следствие этого очень высокая стоимость, сложность в перестройке, т.е. автоматика не отвечает критерию "стоимость - эффективность".

Технической задачей изобретения является повышение эффективности управления и контроля зажигания при снижении материальных (аппаратурных) затрат.

Для решения поставленной задачи предлагается система управления газовым инфракрасным излучателем, содержащая задающий генератор, схему контроля тока ионизации, схему контроля электромагнитного клапана, схему управления электромагнитным клапаном, микроконтроллер с шиной последовательного интерфейса, схему формирования импульса зажигания со схемой формирования входного импульса, инфракрасный излучатель с датчиком тока ионизации, электромагнитный клапан, стабилизированный источник питания, переключатель "сеть", первый и второй нормально открытые контакты, входные шины ~ 220 В/ 50 Гц и вторичные шины ~ 220 В, соединенные следующим образом: выход задающего генератора соединен с вторым входом микроконтроллера, выход схемы контроля тока ионизации - с третьим входом, а выход схемы контроля зажигания - с четвертым, первый выход микроконтроллера соединен с входом схемы управления электромагнитным клапаном, второй выход - с входом схемы управления зажиганием, а вход/выход - с шиной последовательного интерфейса, выходы схем управления электромагнитным клапаном и зажигания соединены со схемами контроля электромагнитного клапана и зажигания соответственно, кроме того, механически соединены с первым и вторым нормально открытыми контактами соответственно, вторичные шины ~220 В соединены со стабилизированным источником питания, также через сетевой фильтр соединены со схемой формирования импульса зажигания, причем одна шина непосредственно, а другая через первый и второй нормально открытые контакты, выход схемы формирования импульса зажигания соединен с инфракрасным излучателем, выход датчика тока, ионизации которого соединен со схемой контроля тока ионизации, а выход инфракрасного излучателя в виде тепла является выходом системы; схема формирования импульса зажигания содержит схему формирования входного импульса и повышающий трансформатор, причем шины ~220 В с выхода сетевого фильтра соединены со входом схемы формирования входного импульса, выход которого соединен с первичной обмоткой трансформатора, один конец вторичной обмотки которого соединен с нулевой шиной, а второй является выходом схемы.

На чертеже показана структурная схема системы, на которой изображено: 1 - задающий генератор, 2 - схема контроля тока ионизации (СКТИ), 3 - схема контроля электромагнитного клапана (СКЭМК), 4 - схема управления электромагнитным клапаном (СУЭМК), 5 - микроконтроллер (МК), 6 - схема управления зажиганием (СУЗ), 7 - схема контроля зажигания (СК3), 8 - сетевой фильтр, 9 - схема формирования импульса зажигания (СФИЗ), 10 - схема формирования входного импульса (СФВИ), 11 - инфракрасный излучатель (ИФРИ), 12 - датчик тока ионизации (ДТИ), 13 - электромагнитный клапан (ЭМК), 14 - стабилизированный источник питания (СИП), входные шины ~220 В/ 50...60 Гц, вторичные шины ~ 220 В, первый и второй нормально открытые контакты НОК1 и НОК2 соответственно, шина последовательного интерфейса, шины +5 В и +12 В, тактовая шина fт, переключатель "Сеть" вкл/выкл, нулевая шина.

Указанные узлы и блоки представлены следующим образом.

Задающий генератор 1 может быть выполнен по схеме кварцевого генератора, см. "Полупроводниковая схемотехника" У.Титце и К Шенк, М, Мпр, 1982 г.,стр. 300-301.

Схема контроля тока ионизации 2 выполняется на операционном усилителе и компараторе: если ток ионизации отсутствует, то компаратор находится на одном упоре, а если присутствует и достаточен, то на другом.

Схема контроля электромагнитного клапана 3 выполнена на компараторе, который реагирует на наличие или отсутствие сигнала на его входе.

Схема управления электромагнитным клапаном 4 выполнена на транзисторе и реле, транзистор включается по команде с МК 5 и в свою очередь включает реле, которое своими контактами НОК 1 замыкает шину ~220 В.

Микроконтроллер 5 на ИМС типа 80 С 196 КС, см. каталог фирмы Jntel "EMBEDDED MICROCONTROLLERS and PROCESSORS", volumel, 1993.

Схема управления зажиганием 6 выполнена так же, как и схема 4.

Схема контроля зажигания выполнена так же, как и схема 3.

Сетевой фильтр 8 может быть выполнен в общем случае на высокочастотных конденсаторах, включенных между шинами ~220 В и нулевой шиной.

Схема формирования импульса зажигания 9 состоит из формирователя входного импульса 10, выполненного по стандартной тиристорной схеме на каждый полупериод ~220 В, и повышенного трансформатора Тр.

Инфракрасный излучатель 11 - стандартный, например, типа 2102, производства АО "Запсибгазпром", г.Тюмень, ул.Республики, 143а.

Датчик тока ионизации 12 представляет собой металлический штырь, изолированный от корпуса, находящийся под потенциалом относительно корпуса излучателя, вследствие чего ток ионизации прямо пропорционален температуре излучателя.

Электромагнитный клапан 13 применен от фирмы Honeywell, TYPE UR 4605А, 1062-2.

Стабилизированный источник питания 14 выполнен по классической схеме: трансформатор, выпрямители, стабилизаторы на ИМС 142 серии с умощняющими транзисторами (по числу выходных напряжений), см. А.А. Краснопрошина и др. "Электроника и микросхемотехника" ч.II, Киев, высшая школа, 1989 г., стр. 260-261.

ПК "Сеть" обычный двухполюсный переключатель на два положения "Вкл. /Выкл.";
Шина последовательного интерфейса, например, по стандарту RS232C, см. "Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC", M.: МИР, 1992г., стр.237.

Система работает следующим образом.

Переключатель ПК "Сеть" ставится в положение "Вкл.", на систему подается напряжение ~220 В, после выбега напряжений стабилизированного источника питания 14 на все входящие блоки системы подаются напряжения +5 В и +12 В, после чего МК 5 готов к работе (проходит внутреннее обнуление с поступлением задающего генератора 1 тактовой частоты fт). В МК 5 начинается время ожидания, которое длится приблизительно 1 с. В течение этого времени осуществляется проверка на отсутствие постороннего пламени в инфракрасном излучателе 11 посредством анализа наличия ионизационного тока в датчике 11 (при наличии постороннего пламени процесс зажигания от системы не происходит и МК 5 переходит в "спящий" режим с выдачей информации по шине последовательного интерфейса на ЦП), далее система перезапускается от ПК "Сеть". По истечении этого времени с первого выхода МК 5 подается команда на включение электромагнитного клапана 13 через НОК 1 схемы управления электромагнитным клапаном 4, после чего газовая смесь поступает на горелку (горелки) инфракрасного излучателя 11 (горелки на схеме условно не показаны), одновременно с включением электромагнитного клапана 13 начинается процесс зажигания, для чего выдается команда с МК 5 (вых 2) на схему управления зажиганием 6, контакты НОК 2 замыкаются, и собирается цепь ~220 В, которая через сетевой фильтр 8 поступает на схему формирования импульса зажигания 9. Схема формирования входного импульса 10 из ~220 В (в каждый период) формирует импульс, который через повышающий трансформатор Тр (до 15 кВ) поступает на инфракрасный излучатель 11 (горелку), зажигая смесь воздуха и газа. В отработанном газе возникает ионизированный ток порядка 0,2 мА, который усиливается в схеме контроля тока ионизации 2. Последняя осуществляет постоянный контроль за наличием и величиной этого тока, при пропадании или уменьшения которого ниже определенной величины срабатывает схема контроля 2 и выключается газовый вентиль при помощи электромагнитного клапана 13. Если после команды на розжиг пламени, излучатель не зажигается в течение 30 с (контроль времени по таймеру внутри МК 5), то схема разбирается (размыкаются контакты НОК 1 и НОК 2), а повторное включение системы осуществляется повторным выключением с последующим включением переключателя ПК "Сеть". Если же в течение указанных 30 с МК5 получает сигнал о наличии ионизационного тока, то схема формирования импульса зажигания 9 отключается (размыкаются НОК 2), электромагнитный клапан 13 остается открытым и система переходит в нормальный режим работы. В случае потухания пламени во время работы, сразу же срабатывает схема контроля тока ионизации 2 по прекращению выдачи тока ионизации датчиком 12, и автоматически начинается повторное зажигание в течение также 30 с. Если в течение этих 30 с не произойдет повторного зажигания газа, то электромагнитный клапан 13 отключается по команде МК 5 схемой 4 через НОК 1, и зажигание отключается.

Применение данной системы обеспечивает:
- подключение к центральному процессору (ЦП) по последовательному интерфейсу по стандартному каналу;
- объединение всех излучателей в обогреваемом помещении (независимо от его размеров) в единую сеть, работающую под управлением одного ЦП;
- использование в качестве центрального ЦП компьютера IBM PC, параллельно выполняющего другие задачи;
- программирование времени включения и выключения излучателя;
- программирование времени розжига в зависимости от вида потребляемого газа;
- автоматический встроенный контроль системы;
- адаптированность системы к особенностям российских электрических сетей;
- обеспечение требований по безопасности;
- надежная работа электронного блока при отрицательных температурах;
- снижение затрат на отопление помещения.

Изобретение относится к газовым горелкам и может быть использовано в автоматике газовых горелок, в том числе инфракрасного (ИК) излучения, применяемых в промышленности, коммунальных и сельскохозяйственных предприятиях (и на открытом воздухе), как источник тепла. Система управления газовым ИК излучателем, содержащая источник питания, входные шины, переключатель "сеть", вторичные шины, датчик ИК излучателя, схему управления электромагнитным клапаном (ЭМК), схему управления зажиганием и первый и второй нормально открытые контакты, механически соединенные с выходом схем управления ЭМК и зажигания, и схему формирования импульса зажигания со схемой формирования входного импульса, связанную со вторым нормально открытым контактом, выход которой подсоединен к ИК излучателю, дополнительно содержит микроконтроллер с шиной последовательного интерфейса, задающий генератор, схему контроля ЭМК, схему контроля зажигания, схему контроля тока ионизации и сетевой фильтр, датчик ИК излучателя выполнен в виде датчика тока ионизации, а источник питания в виде стабилизированного источника питания. Изобретение позволяет повысить эффективность управления и контроля зажигания при снижении материальных (аппаратурных) затрат. 1 ил.

Система управления газовым инфракрасным излучателем, содержащая источник питания, входные шины, переключатель "сеть", вторичные шины, датчик инфракрасного излучателя, схему управления электромагнитным клапаном, схему управления зажиганием и первый и второй нормально-открытые контакты, механически соединенные с выходом схем управления электромагнитным клапаном и зажигания и схему формирования импульса зажигания со схемой формирования входного импульса, связанную со вторым нормально открытым контактом, выход которой подсоединен к инфракрасному излучателю, отличающаяся тем, что содержит микроконтроллер с шиной последовательного интерфейса, задающий генератор, схему контроля электромагнитного клапана, схему контроля зажигания, схему контроля тока ионизации и сетевой фильтр, датчик инфракрасного излучателя выполнен в виде датчика тока ионизации, а источник питания в виде стабилизированного источника питания, причем выход задающего генератора соединен с вторым входом микроконтроллера, выход схемы контроля тока ионизации - с третьим входом, а выход схемы контроля зажигания - с четвертым, первый выход микроконтроллера соединен с входом схемы управления электромагнитным клапаном, второй выход - с входом схемы управления зажиганием, а вход/выход - с шиной последовательного интерфейса, выходы схем управления электромагнитным клапаном и зажигания соединены со схемами контроля электромагнитного клапана и зажигания соответственно, вторичные шины ~ 220 В соединены со стабилизированным источником питания, также через сетевой фильтр соединены со схемой формирования импульса зажигания, причем одна шина непосредственно, а другая через первый и второй нормально открытые контакты, а выход датчика тока ионизации соединен со схемой контроля тока ионизации.