Датчик погасания пламени

Датчик погасания пламени предназначен для непрерывного контроля факела горелок котельного оборудования и печей, при сжигании твердого, жидкого, газообразного топлива для разогрева сырья и теплоносителей. Может найти применение на нефтеперерабатывающих, химических, энергетических и других предприятиях, использующих в своих технологических процессах огнетехнические установки. Непрерывный контроль необходим для работы систем безопасности горелок печи, котла, осуществляющих отключение подачи топлива на горелку при не появлении ее факела в течение заданного времени, при розжиге или исчезновении факела горелки в режимах растопки печи, котла при работе на различных нагрузках.

Датчик позволяет:

Компенсировать влияние внешней фоновой засветки (естественного и искусственного освещения, раскаленных стенок печи, камер сгорания котла)

Осуществлять самобалансировку по мере старения фотоприемника и загрязнения оптических узлов продуктами горения (сера, сажа, конденсат).

Обеспечивать, на одном выделенном канале измерения распределенной системы управления (РСУ), одновременную регистрацию наличия факела горелок, отказа датчиков погасания пламени, стабильности горения.

Проводить самодиагностику, без использования различных имитаторов, электромеханических шторок, обтюраторов, сложных микропроцессорных алгоритмов коррекции.

Датчик погасания пламени предназначен для непрерывного контроля факела горелок котельного оборудования и печей, при сжигании твердого, жидкого, газообразного топлива для разогрева сырья и теплоносителей. Может найти применение на нефтеперерабатывающих, химических, энергетических и других предприятиях, использующих в своих технологических процессах огнетехнические установки.Непрерывный контроль необходим для работы системы безопасности горелок печи, котла, осуществляющих отключение подачи топлива на горелку при не появлении ее факела в течение заданного времени, при розжиге или исчезновении факела горелки в режимах растопки печи, котла при работе на различных нагрузках.Известным аналогом является датчик D-LE603 фирмы DURAG (www.durad.de). Несмотря на большое количество ручных регулировок, не имеет внутренней и внешней автоподстройки, что затрудняет его использование для контроля факела в широком диапазоне нагрузок. Может применяться только с блоками управления D-UG120, D-UG660, D-GF150. Требует: два выделенных дискретных канала в распределенной системе управления (РСУ) для реле наличия пламени и реле состояния, а также аналоговый канал 0/4-20 мА для сигнала интенсивности пламени. У моделей D-LE603 IS,IG, при сильном пламени высокая вероятность насыщения входного усилителя. У моделей D-LE603UH, US электромагнитный затвор имеет ограниченный ресурс работы в режимах самодиагностики. Заявленная функция контроля интенсивности пламени малоэффективна при паровой обдувке мазутных форсунок и при загрязнении оптических элементов датчика продуктами горения (сера, сажа, конденсат). Использование на больших печах, с количеством горелок более 3 экономически невыгодно (примерная стоимость одного комплекта датчик D-LE603 плюс блок управления D-UG660 составляет 240501 рубль).Другим аналогом является сигнализатор погасания пламени «Фламинго» СПП 1.01-04 (Руководство по эксплуатации РУТЕ. 468264.004 РЭ, www.rute.ru). Сигнализатор среднего ценового ряда, с хорошими эксплутационными характеристиками. Но может применяться только с блоком сигнализации БС 1.04-1, требует источника сетевого питания 220/24 В из-за большого потребляемого тока (200 мА). Для реализации функции контроля яркости факела необходим дополнительный модуль МФ СПП 1.01. Требует: три выделенных дискретных канала в распределенной системе управления (РСУ) для реле наличия пламени, реле слабого пламени и реле неисправности, а также аналоговый канал 4-20 мА для сигнала яркости факела. Не обеспечивает достоверного отображения состояния горелок при паровой обдувке мазутных форсунок и загрязнении оптических элементов датчика продуктами горения (сера, сажа, конденсат). Отсутствует внутренняя и внешняя автоподстройка. Жесткие ограничения по внешней засветке. Процедура проверки носит частичный характер. Примерная стоимость одного комплекта датчик плюс блок сигнализации БС 1.04-1 составляет 33748 рублей.Прототипом полезной модели является «Датчик селективного контроля факела горелки энергетических и водогрейных котлов модели УДФ-01/МИ (патент RU 63908 U1, опубликован 2007.06.10). Датчик имеет внутреннюю самодиагностику, стабилизацию чувствительности и шумов фотоприемника. В конструкцию заложена внутренняя и внешняя автоподстройка по величине спектра полезного сигнала на рабочей частоте, позволяющая обеспечить его селективность во всем диапазоне нагрузок котла. Однако, несмотря на высокие показатели прототипа, он имеет и недостатки. В первую очередь большие габариты (выпускается серийно), что затрудняет его установку в районе горелок (основной и пилотной), при большом количестве регулирующих и отсекающих устройств, запорной арматуры. Электромеханическая шторка узла самодиагностики имеет ограниченный ресурс работы и является слабым звеном датчика. Заложен сложный микропроцессорный алгоритм стабилизации чувствительности, что значительно усложняет конструкцию и снижает надежность. Требует: три выделенных дискретных канала в распределенной системе управления (РСУ) для реле защиты и сигнализации, реле неисправности, а также аналоговый канал 4-20 мА для выходного сигнала датчика. Нет возможности фиксировать одновременно пламя в нескольких точках тела факела. По мере загрязнения и старения, сигнал с фотоприемника будет также уменьшаться, что потребует автоматического увеличения чувствительности, в результате, снижается помехозащищенность, возникает высокая вероятность выдачи ложного сигнала о погасании пламени горелки. Примерная стоимость датчика УДФ-01/МИ составляет 41536 рублей.Технической задачей полезной модели является снижение стоимости, уменьшение количества электронных компонентов в одном датчике, увеличение надежности устройства в целом, исключение выдачи ложных сигналов о погасании пламени горелок, работа с различными видами топлив и спектрами излучения, компенсация влияния внешней фоновой засветки (естественного и искусственного освещения, раскаленных стенок печи, камер сгорания котла), самобалансировка по мере старения фотоприемника и загрязнения оптических узлов продуктами горения (сера, сажа, конденсат), использование одного выделенного канала измерения распределенной системы управления (РСУ) для одновременной регистрации наличия факела горелок, отказа датчиков погасания пламени, определения стабильности горения, самодиагностика, без использования различных имитаторов, электромеханических шторок, обтюраторов, сложных микропроцессорных алгоритмов коррекции.Для решения этой задачи разработан датчик погасания пламени, состоящий из приемника излучения, цепи интегрирования, цепи задержки и подсчета импульсов, электронного ключа, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя цепь установки темнового тока, узел сравнения и балансировки, генератор стабильного тока, входной каскад датчика, осуществляющий самобалансировку по мере старения фотоприемника и уменьшения коэффициента пропускания оптических узлов.Датчик полностью залит компаундом, выполнен в виде цилиндрического модуля помещенного в тубус.В качестве приемника излучения выбран фоторезистор. Принцип действия основан на преобразовании пульсаций светимости пламени в унифицированный токовый сигнал 0-5 мА.Сам регистратор (сканер) отображения пламени основной или пилотной горелки может содержать в цилиндрическом модуле от одного до четырех датчиков, в зависимости от важности позиции.Датчики модульного типа в исполнении - 1×2, 1×3, 1×4, соединены параллельно и устанавливаются в одном тубусе. Выход токовый - пассивный, с питанием от распределенной системы управления (РСУ) 24 В.Комбинация 1×4 предусматривает наблюдение за одной горелкой сразу четырьмя датчиками в одном канале измерения, что исключает возможность выдачи ложного сигнала в систему регулирования или схему блокировки и противоаварийной защиты (СБ и ПАЗ), при выходе из строя одного из них, сильных колебаниях и отрыве факела, кратковременной потери пламени. Так как каждый фотоприемник немного смещен относительно друг друга пульсации пламени регистрируются в разных точках тела факела, что значительно увеличивает достоверность полученных данных.Нестандартный способ отображения информации на автоматизированном рабочем месте (АРМ), позволяет отслеживать стабильность горения, осуществлять самодиагностику канала измерения, работоспособность каждого датчика. Входной каскад датчика обеспечивает самобалансировку, по мере уменьшения коэффициента пропускания (загрязнения) оптических узлов.Так как в печах и камерах сгорания котла может употребляться топочный мазут, топливный газ, различные сдувки и смеси топлив, 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.Блок схема одного датчика изображена на Фиг.1Принципиальная схема показана на Фиг.2.Полезная модель представляет собой фотоприемное устройство на основе микромощного операционного усилителя ОРА244. Назначение элементов следующее:Резистор R7 ограничивает ток через фотоприемник при сильной внешней засветке, резистор R5 обеспечивает минимальный ток необходимый для самобалансировки операционного усилителя DAI, C1+R1+R2+R4 и C2+R3+R6 - элементы интегратора, резистор R2 задает пороговую разность напряжений на инвертируемом 4 и неинвертируемом 3 входах операционного усилителя DA1, который отслеживает уровни напряжения на своих входах и выдает сигнал в цепь задержки и подсчета импульсов, диод VD1 не дает разряжаться конденсатору С4 через выходные цепи DA1, резистор R8 осуществляет задержку заряда емкости С4 (необходимое количество импульсов 5-8), резистор R9 определяет время разряда емкости С4 (задержка на выдачу сигнала о погасании пламени 1-2 секунды), резистор R8, R9 образуют делитель напряжения для оптимального отпирания электронного ключа на полевом транзисторе VT1, конденсатор С3 фильтрующий.Резистор R10 прецизионный с низким температурным дрейфом и собственными шумами (тип С2-29В), является генератором стабильного тока (5 мА). Использование более сложного генератора на интегральных микросхемах не имеет смысла, так как напряжение измерительного модуля распределенной системы управления (РСУ) 24 В стабилизировано. Номиналы электронных компонентов датчика подобраны таким образом, 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.Полевой транзистор VT1 (электронный ключ) на токовую цепь никакого воздействия не оказывает, так как сопротивление канала сток исток в открытом состоянии ничтожно мало и не превышает 92 мОм (милиОм).Фоторезистор ближнего ИК диапазона (0,79 мкм) показанный на схеме типа СФ3-1.Рассмотрим работу входного каскада датчика погасания пламени, при постоянной внешней засветке (пульсаций светимости нет). На фотоприемник (СФ3-1) попадает излучение раскаленных стенок печи, камеры сгорания котла, естественное или искусственное освещение. Сопротивление фотоприемника устанавливается, на каком-то определенном уровне. Причем этот уровень постоянно меняется в зависимости от внешних условий.Так как это излучение не является полезным сигналом, оно фиксируется как ФОН. Фоновый сигнал, так же как и чувствительность уменьшается по мере загрязнения фотоприемника и его старения.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%.Входной каскад построен таким образом, что при протекании тока через фоторезистор на входах 3 и 4 ОУ ОРА244 постоянно устанавливается определенное напряжение. Чтобы схема была сбалансирована, и на выходе ОУ ОРА244 присутствовал низкий уровень, напряжение на входе 3 (неинвертируемый) должно быть ниже, чем на входе 4 (инвертируемый). Эта разница (пороговая) задается резистором R2.Напряжение на входах 3 и 4 ОУ ОРА244 изменяется при изменении внешней фоновой засветки, но соотношение этих напряжений остается постоянным и схема всегда стремится вернуться в исходное состояние.Входные сигналы при различном фоне показаны на Фиг.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 изменяющийся порог (ведь соотношение остается постоянным). Переключение ОУ ОРА244 происходит за счет неодинакового времени заряда емкостей C1 и С2 входного каскада Фиг.2. Uвых.=Uпит, при любой интенсивности пульсаций пламени.Регистратор (сканер), с модулем из четырех датчиков, при наличии пламени, генерирует ток равный 20 мА. При выходе из строя одного датчика, ток в измерительной цепи уменьшится до 15 мА, при выходе из строя двух датчиков, ток будет равен 10 мА, при выходе из строя трех датчиков ток составит 5 мА, при выходе из строя всех датчиков ток равен нулю. Если горение отличное ток в измерительной цепи устанавливается на уровне, который определяется количеством работающих на данный момент датчиков и отображается на мониторе автоматизированного рабочего места (АРМ) в виде процентов соответствия (100-75-50-25%). Показания стабильны.Если горение плохое (сильные колебания и отрыв факела, кратковременная потеря пламени одним или двумя датчиками), показания нестабильны.Отображение горелок и действия оператора показаны на Фиг.6.Схема подключения к РСУ и таблица состояний канала измерения Фиг.4.Зависимость выходного сигнала от степени загрязнения датчика Фиг.5.Размещение датчиков в зависимости от формы факела Фиг.7.Для видимого спектра излучения пламени применяется фоторезистор СФ2-1, для УФ спектра (менее 0,4 мкм) СФ2-18.

Количество электронных компонентов в одном датчике минимально и составляет 18 единиц.

Наименование	Кол-во шт.	Цена руб.	Сумма руб.
Резистор чип корпус 0805 RC0805FR-07@ YAGEO	9	0,25	2,25
Операционный усилитель OPA244NA@TI SOT23-5	1	53,40	53,40
Полевой транзистор IRLML0060@IR Micro3/SOT23	1	3,48	3,48
Диод BAS216 SOD ПО	1	3,83	3,83
Прецизионный резистор С2-29 В 0,062 1%	1	5,91	5,91
Конденсатор SMCCAP/0805-50 K-X7R	4	0,68	2,72
Фоторезистор СФ3-1	1	17,50	17,50
ИТОГО:	18		89,09

Примерная стоимость одного датчика (электронные компоненты фирмы «ЭЛИТАН»), печатная плата и заливка компаундом 300 рублей, а модуля в исполнении 1×4 - 1200 рублей, что по сравнению с самым дешевым аналогом «Фламинго» СПП 1.01-04 меньше в 28 раз. Так как отпадает необходимость в использовании трех дискретных каналов (один дискретный канал у фирм Yokogawa, Honeywell стоит около 120 евро, или по курсу 4796 руб.), то дополни- тельная экономия составит еще 14389 рублей.

1. Датчик погасания пламени, состоящий из приемника излучения, цепи интегрирования, цепи задержки и подсчета импульсов, электронного ключа, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя цепь установки темнового тока, узел сравнения и балансировки, генератор стабильного тока, входной каскад датчика, осуществляющий самобалансировку по мере старения фотоприемника и уменьшения коэффициента пропускания оптических узлов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входной каскад выполнен на основе микромощного операционного усилителя, не оказывающего влияния на формирование тока в цепи питания датчика.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что переключение микромощного операционного усилителя происходит за счет неодинакового времени заряда емкостей, подключенных к инвертируемому и неинвертируемому входу.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик запитан по двухпроводной схеме от измерительного модуля распределенной системы управления 24В.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходной сигнал датчика фиксирован на уровне 5 мА и задается генератором стабильного тока.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик полностью залит компаундом, выполнен в виде цилиндрического модуля и помещен в тубус.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что цилиндрический модуль может содержать один, два (1×2), три (1×3) или четыре(1×4) датчика.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что датчики цилиндрического модуля в исполнении 1×2, 1×3, 1×4 соединены параллельно.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что одновременно производится простая самодиагностика канала измерения, регистрация отказа датчиков, контроль наличия факела, определение стабильности горения.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что выходной сигнал модуля токовый - пассивный.