一種調(diào)壓式智能火焰離子電流檢測電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種調(diào)壓式智能火焰離子電流檢測電路，主要用于工業(yè)燃燒器中長明燈火焰的檢測。與現(xiàn)有技術(shù)相比，精化了電路處理方式。以單片機為核心，應用單片機內(nèi)控反饋脈寬調(diào)制技術(shù)，通過調(diào)制加載在金屬檢測電極上的電壓大小整定火焰電勢場強的高低，穩(wěn)定火焰離子電流信號的產(chǎn)生，同時，應用識別與數(shù)控增益電路使火焰離子電流信號適配單片機采集要求。因此，可有效地解決因火焰飄移導致火焰信號忽有忽無、或因環(huán)境污染、潮濕造成絕緣降低、漏電導致檢測不到信號的問題。電路由單片機電路、振蕩變壓電路、金屬檢測電極、識別與程控增益電路、開關(guān)量及4—20mA信號對外輸出電路、通訊電路、顯示和鍵盤電路、電源電路等組成。具有信號采集自動增益控制、開關(guān)量輸出自動閾值收索、設(shè)置功能，電路智能化、可靠性較高。
【專利說明】
一種調(diào)壓式智能火焰離子電流檢測電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及能源領(lǐng)域中燃燒器火焰監(jiān)測技術(shù)，在石油、化工、電力等高危耗能領(lǐng)域中廣泛應用。金屬電極式火焰檢測方法作為燃燒器火焰監(jiān)測最早使用的方法之一，特別是在燃燒器長明燈中最普遍的一種方法，有難以替代的位置。
【背景技術(shù)】
[0002]長明燈系燃燒器里面的小火嘴，是燃燒器中的一個重要安全保證附件，是維持燃燒器安全運行，實現(xiàn)自動點火和熄火保護的重要設(shè)備。其重要性在于:I)實施對主、副火嘴的自動點火;2)在對燃燒器實施點火或熄火過程中防止因為爐內(nèi)殘留或是泄漏燃料而引起爆炸;3)在燃燒器運行過程中當燃料壓力或流量波動可能造成主、副火嘴熄火時，保證其安全復燃，防止出現(xiàn)爆燃。隨著人們安全意思的增強，特別是天然氣清潔能源的推廣應用，長明燈已經(jīng)成為燃燒器不可或缺的組成部分。對長明燈的火焰檢測方式，有金屬電極式檢測和光電探測式檢測兩種方式，由于燃燒器長明燈火焰、主火焰、副火焰互相重疊，光電探測式檢測方法很難區(qū)分長明燈火焰、主火焰、副火焰，對其它相鄰燃燒器還存在火焰“偷看”現(xiàn)象，所以，光電探測式檢測法一般很少用于對長明燈火焰的檢測。而金屬電極式檢測方法不受其它光、熱、磁的干擾，且反應靈敏，動作迅速，通常是長明燈火焰監(jiān)測的不二選擇。然而，長期以來，金屬電極式離子電流檢測器由于存在著未解決的抗干擾性問題，一直受到使用的致凝。主要表現(xiàn)在:
I)金屬電極式離子電流檢測器檢測不到火焰，造成這種現(xiàn)象的原因一是由于燃料壓力或者是爐內(nèi)壓力變化引起檢測電極離焰(或稱脫火)，不能形成離子電流通路?；蚴怯捎诨鹧媾c火嘴接觸區(qū)域出現(xiàn)局部氣隙，火焰內(nèi)阻過大，離子電流信號太小，檢測不到信號。二是由于環(huán)境污染、潮濕等原因?qū)е聶z測電極漏電短路檢測不到信號。
[0003]2)輸出信號不穩(wěn)，時有時無。造成這種現(xiàn)象的原因主要是由于燃料壓力或者是爐內(nèi)壓力變化或是主副火焰的引射作用變化，使附著在檢測電極上火焰上下游移，導致檢測信號時有時無，輸出信號不穩(wěn)。
[0004]3)沒有火焰，仍然有信號輸出，這種現(xiàn)象大多數(shù)是發(fā)生在以直流電壓為檢測手段火焰檢測器中，其原因是由于環(huán)境污染、潮濕等原因造成的分布電容變化，漏電流所導致假信號，出現(xiàn)輸出信號不穩(wěn)，時有時無。
[0005]所以，金屬電極式火焰離子電流檢測技術(shù)研究、創(chuàng)新，提高其使用可靠性非常重要。國內(nèi)外對于該技術(shù)的研究較早，但是發(fā)展很慢，可供選擇的新產(chǎn)品和可供查閱的資料并不多見。近幾年，在國內(nèi)隨著安全意思的提高和天然氣清潔能源的應用推廣，該技術(shù)已經(jīng)受到行業(yè)廣泛關(guān)注。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是針對【背景技術(shù)】中存在的缺點和問題開發(fā)創(chuàng)新，提供一種高穩(wěn)定性、高智能性、使用安全可靠的智能調(diào)壓型火焰離子信號檢測電路。
[0008]本發(fā)明技術(shù)方案是構(gòu)造一種智能調(diào)壓型火焰離子信號檢測電路，由單片機、振蕩變壓電路、火焰檢測金屬電極、信號識別與程控增益電路構(gòu)成對火焰信號的采集回路，由開關(guān)量信號電路和4 一 20mA模擬信號電路構(gòu)成對外輸出電路，由顯示電路、鍵盤電路、RS232通訊電路構(gòu)成人機交互電路，電源電路負責供電。
[0009]本發(fā)明在于輸入回路應用單片機脈寬調(diào)制反饋控制技術(shù)，實現(xiàn)對火焰信號采集值與鍵盤輸入設(shè)置值的程序處理、比較形成閉環(huán)反饋，控制輸出調(diào)制矩形脈沖寬度。脈沖寬度加載在主要由開關(guān)管與變壓器構(gòu)成的單端反激式振蕩變壓電路，控制開關(guān)管通斷，激勵變壓器將24V直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓，脈沖寬度控制控制交流電壓高低。交流電壓在火焰中的金屬電極上形成火焰電勢場，產(chǎn)生的離子電流信號。離子電流信號經(jīng)信號識別與數(shù)控增益電路實現(xiàn)對離子信號提取和單片機輸入匹配的自動整定。所述回路的單片機脈沖輸出口P3.1與振蕩變壓電路相連，振蕩變壓電路經(jīng)隔離電容C6與金屬電極相連，金屬電極與識別與增益匹配電路相連，識別與增益匹配電路與單片機輸入口 P3.1及通訊控制口 P1.0、P1.1、Pl.2相連。
[0010]本發(fā)明在于對外火焰狀態(tài)對外輸出電路應用單片機控制技術(shù)，實現(xiàn)對有火/無火狀態(tài)及火焰模擬幅值的輸出，單片機輸出口 P4.5與有火/無火開關(guān)量輸出電路相連，單片機輸出口 P3.6/ P3.7與4一20mA模擬信號電路相連。
[0011]本發(fā)明在于人機交互應用電路應用單片機控制技術(shù)，實現(xiàn)本機火焰模擬幅值顯示和報警功能(包括運行、故障、火焰異常情況報警)顯示、有火/無火開關(guān)動作響應閾值設(shè)置、收索功能。
[0012]【【附圖說明】】
附圖1為調(diào)壓式智能火焰離子電流檢測電路框圖。
[0013]附圖2為調(diào)壓式智能火焰離子電流檢測電路原理圖。
[0014]【【具體實施方式】】
單片機Ul的P4.7腳與復位電路U2的2腳相連，U2的3腳接+5V電源、I腳接地，U2的I 一3腳連接電容C3，單片機Ul的14、15腳分別與晶振Xl的1、2腳相連后，再串接電容C2、C3到地，Ul的38腳接+5V電源、16腳接地。
[0015]單片機Ul的P3.1腳通過Rl與開關(guān)管Ql基極相連、Ql發(fā)射極通過R3與變壓器Tl初級繞組I端相連、同時變壓器Tl初級繞組I端接24V直流電源，Ql集電極通過電感LI串接電容C4再串接電阻R4后再并接R5連至驅(qū)動開關(guān)管Q2的基極，Q2發(fā)射極接地、Q2集電極與變壓器Tl初級繞組2端相連，在變壓器的初級繞組上產(chǎn)生12—16V平均交變電壓，變壓器Tl的次級3、4端的轉(zhuǎn)換輸出180—240V交流電壓。交流電壓經(jīng)電容C6隔直后加載到金屬電極F上。
[0016]火焰離子電流信號經(jīng)電阻R6—R9、數(shù)控電位器U4、電容C7、C8及集成電路U3構(gòu)成的增益放大電路，將數(shù)控電位器U4用于增益放大電路，使電路中的信號增益從人工方式改變?yōu)閱纹瑱C數(shù)控方式，實現(xiàn)信號匹配的自動調(diào)整。電阻Rll — R12、RL6、電容C9、二極管Dl—D2、集成電路U3構(gòu)成的識別電路，經(jīng)電阻R13數(shù)字電位器Wl、集成電路U3構(gòu)成第二級放大(2倍)電路，信號放大后送入到單片機Ul的Pl.2腳。其中，數(shù)字電位器U4為程控電位器，其總線引腳2、4與單片機Ul的Pl.0和Pl.1腳牙連接、控制引腳5與單片機Ul的Pl.4腳相連接。
[0017]信號識別過程:當電路檢測到離子電流信號時，在電阻R7上產(chǎn)生下正上負的電壓，C7、C8為濾波電容，此時在U3的I腳產(chǎn)生放大了( 2倍)的負向電壓，經(jīng)D2、Rl I對電容C9充電，C9上的電壓為下正上負，經(jīng)R13加載在U3的6腳(放大器負端)，U3的6腳低于5腳，U3的7腳輸出正電壓信號。當電路未檢測到離子電流信號時，R7無電流通過，U3的I腳無信號輸出，C9上的電壓為零，U3的7腳無信號輸出。一旦火焰金屬電極對機殼產(chǎn)生漏電，就有交流成分流過R7，經(jīng)U3的7腳輸出交流電壓，由于Rl2、C9的時間常數(shù)遠遠小于Rl 1、C9的時間常數(shù)，對C9的充電速度大大超過放電速度，結(jié)果在C9上產(chǎn)生上正下負的正電壓，U3的7腳輸出反向負電壓信號。
[0018]單片機P4.5腳串接電阻R32連至三極管Q3的基極，Q3的發(fā)射極接地，Q3集電極與繼電器驅(qū)動線圈相連，繼電器二組對外輸出開關(guān)觸點分別與接線端子X3、X4、X5相連。X4—X5為常閉開關(guān)量連接端子，X3一X5為常開開關(guān)量連接端子。
[0019]單片機P3.5—P3.7腳與串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)U5的5、6、7腳相連接，U5的10—12腳分別與電容Cll 一 C13相連后接地，U5的I腳步與電容C16串接后接地、2、3腳并聯(lián)后串接電容ClO接地，U5的14腳串接電容后與13并聯(lián)與場效應管Q5的柵極相連，并與電阻R14及C14的串接電路相連至地，U5的9腳接地，U5的8腳與三極管Q4的發(fā)射極相連，Q4基極與Q5的源極相連，Q4的集電極與Q5的漏極并接后與外接端子X6相連，U5的8腳與外接端子X7相連，X6—X7對外輸出4一20mA模擬信號。
[0020]單片機Ul的P3.6、P3.7腳與LED顯示電路中的串行譯碼電路U6的1、8腳相連，Ul的卩1.4、？1.5、？1.6、？1.7腳分別與電阻1?15、1?16、1?17、1?18相連，電阻1?15的另一端與三極管06的基極相連，電阻R16的另一端與三極管Q7的基極相連，電阻R17的另一端與三極管Q8的基極相連，電阻Rl 8的另一端與三極管Q9的基極相連，Q6、Q7、Q8、Q9的發(fā)射極均接地，Q6的集電極與數(shù)碼管LED4的12腳相連，Q7的集電極與數(shù)碼管LED4的9腳相連，Q8的集電極與數(shù)碼管LED4的8腳相連，Q9的集電極與數(shù)碼管LED4的6腳相連，數(shù)碼管LED4的11、7、4、2、1、10、5、3腳分別與電阻1?19、1?20、1?21、1?22、1?23、1?24、1?25、1?26相連，電阻1?19、1?20、1?21、1?22、1?23、1?24、尺25、1?26的另一端分別與1]6的3、4、5、6、10、11、12、13腳相連。
[0021 ]單片機Ul的P3.0、P4.3腳分別與通訊電路U7的11、12腳相連，U7的4、5腳外接電容C20，l、3腳外接電容C19，U7的16腳+5V電源并連接電容C17后與2腳相連，U7的6腳串接電容Cl 8后接地，U7的15腳接地，U7的13、14腳分別與串口插座J2的3、4腳相連，J2的I腳接地。
[0022]單片機Ul的P4.4、P2.7腳分別與二極管指示電路LED3、LED2串接后再分別與電阻R27、R28相連，R27、R28的另一端并聯(lián)后接+5V電源。
[0023]單片機Ul的P2.4、P2.5、P2.6腳分別與鍵盤電路中DWN、UP、SET按鍵相連，DWN、UP、SET按鍵的另一端并聯(lián)后接地，P2.4一SET、P2.5—UP、P2.6—SET連接后分別串接電阻R29、R30、R31后并接+5V電源端。
[0024]DC24V電源經(jīng)與接線端子X1、X2相連，X2接地，Xl經(jīng)電阻R34與二極管D3相連，D3與穩(wěn)壓管U8的I腳相連，并聯(lián)電容C21、C22后接地，U8的3腳接+5V電源端，并接電容C23、穩(wěn)壓管DV2，電源指示發(fā)光二極管LEDl后接地，U8的2腳接地。U9的8、I腳接+5V、5腳與地之間接電容C25后輸出-5V電源，U9的2、4腳接電容C26，U9的3腳接地。
【主權(quán)項】
1.一種調(diào)壓式智能火焰離子電流檢測電路，其特征在于應用單片機脈寬調(diào)制和信號程控匹配技術(shù)，由單片機(I)、振蕩變壓電路(2)、金屬電極(3)、信號識別與程控匹配電路(4)、開關(guān)量信號輸出電路(5)、4一 20mA信號輸出電路(6)、顯示電路(7)、鍵盤電路(8)及RS232通訊電路(9)等電路組成。2.根據(jù)權(quán)利I所述的要求，其特征在于單片機(I)，采用高性價比的8051內(nèi)核IAP12C5A60AD，無需外擴SRAM、FLASH及AD轉(zhuǎn)換電路，采用MP810L監(jiān)測電路監(jiān)視電源，電路結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，單片機輸出端輸出矩形脈沖，脈沖寬度受AD輸入口火焰離子信號值和鍵盤連接端設(shè)置參數(shù)值控制。3.根據(jù)權(quán)利I所述的要求，其特征在于振蕩變壓電路(2)，采用調(diào)制型單端反激式振蕩變壓電路，振蕩變壓開關(guān)管通斷激勵變壓器將24V直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓，交流電壓高低由脈沖寬度控制，輸入與輸出由變壓器隔尚。4.根據(jù)權(quán)利I所述的要求，其特征在于金屬電極(3)，交流電壓加載在火焰中的金屬電極上，使之形成火焰電勢場，產(chǎn)生離子電流。5.根據(jù)權(quán)利I所述的要求，其特征在識別與程控匹配電路(4)，由識別電路和單片機數(shù)控增益調(diào)節(jié)電路組成，可有效地提取火焰信號，消除因火焰飄移及火焰內(nèi)阻變化對信號采集干擾影響，提高電路監(jiān)測的可靠性。6.根據(jù)權(quán)利I所述的要求，其特征在于對外輸出開關(guān)量電路(5)，對外輸出兩組容量為5A的SPDT有火無火開關(guān)信號，其開關(guān)信號穩(wěn)定輸出狀態(tài)對火焰內(nèi)阻充許變化范圍在0.4M—8M歐之間。7.根據(jù)權(quán)利I所述的要求，其特征在于4一20mA電路(6)，對外輸出一路火焰模擬幅值信號。8.根據(jù)權(quán)利I所述的要求，其特征在于顯示電路(7)，由4位LED數(shù)碼管和2位發(fā)光二極管電路組成，數(shù)碼管用于本機火焰模擬信號及預置參數(shù)顯示;2位發(fā)光二極管用于運行指示和出錯及報警指示。9.根據(jù)權(quán)利I所述的要求，其特征在于鍵盤電路(8)，用于預置參數(shù)、火焰信號增益及動作閾值設(shè)置值及火焰模擬幅值。10.根據(jù)權(quán)利I所述的要求，其特征在于RS232通信電路(9)，用于編程及與上位機進行通訊。
【文檔編號】G01R19/00GK105842514SQ201510915097
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年12月14日
【發(fā)明人】郭洪澈, 游述懷, 羅映波, 周海明
【申請人】湖南理工學院