Jak fungují senzory plamene?

Navržené čidlo zhášení plamene je určeno pro nepřetržité sledování hořáku hořáků kotlů a topenišť při spalování pevných, kapalných a plynných paliv. Uplatnění najde v rafinerii ropy, chemické výrobě, výrobě energie a dalších podnicích, které využívají požárně-technická zařízení.
Při nekontrolovaném uhašení hořáku může dojít ke kontaminaci vnitřního objemu spalovací komory topeniště, kotle plynem, výbuchu a zničení technologického zařízení, požáru a havárii. Na senzor zhasnutí plamene byl přijat patent na vynález Ruské federace č. 2553826.

Velmi důležitými faktory jsou cena zařízení pro snímání plamene (zejména u vícehořákových pecí), jeho rozměry, způsob napájení a přenosu signálu, spolehlivost, spolehlivost odečtů, eliminace vlivu vnějšího osvětlení pozadí a možnost jednoduché autodiagnostiky.

Nepřetržité sledování plamene je nezbytné pro provoz bezpečnostních a havarijních ochranných systémů při zapalování v režimech spalování kamen, kotle, při provozu při různém zatížení, jakož i při zhasnutí hořáku.

Podívejme se na několik modelů senzorů kontroly plamene a identifikujeme jejich nedostatky.

1. Fireye Uv7a4 (USA) – registrace ultrafialového záření plamene. Selhání snímače při sebemenším znečištění. K napájení lampy je zapotřebí celá ovládací skříň a vysoké napětí. Vliv vnějšího osvětlení pozadí nebyl eliminován. Neexistuje žádná možnost autodiagnostiky. Vysoká cena. Sankční omezení dodávek.

2. D-LE603 (Německo) – nemá interní a externí autotuning, vyžaduje dva vyhrazené diskrétní kanály v distribuovaném řídicím systému (DCS) a jeden analogový 4 mA. Při silném plameni je velká pravděpodobnost saturace vstupního zesilovače. Elektromagnetická závěrka má krátkou životnost. Deklarovaná funkce regulace intenzity plamene je neúčinná. Vysoká cena. Sankční omezení dodávek.

3. UDF-01/MI (Rusko) – velké rozměry, závěrka autodiagnostické jednotky má omezenou životnost. Je zahrnut složitý mikroprocesorový algoritmus pro stabilizaci citlivosti. Vyžaduje tři vyhrazené diskrétní kanály v DCS a také jeden analogový kanál 4 mA. Nízká odolnost proti šumu, vysoká pravděpodobnost vydání falešného signálu.

4. „Flamingo“ (Rusko) – lze použít pouze s poplachovou jednotkou BS1.04-1.

Vyžaduje síťové napájení 220/24 V kvůli vysokému odběru proudu (200 mA). Pro implementaci funkce řízení jasu hořáku je nutný přídavný modul MF SPP1.01. Vyžaduje tři vyhrazené diskrétní kanály v DCS a také analogový kanál 4 mA. Neposkytuje spolehlivé zobrazení stavu hořáků při parním dmýchání trysek topného oleje a znečištění optických prvků snímače zplodinami hoření (síra, saze, kondenzát). Neexistují žádné interní nebo externí automatické ladění. Přísná omezení vnějšího osvětlení.

Technické problémy, které byly vyřešeny při vývoji zařízení, byly snížení nákladů, minimalizace rozměrů, snížení počtu elektronických součástek v jednom snímači, zvýšení spolehlivosti zařízení jako celku, eliminace vydávání falešných signálů o plameni hořáku hašení, práce s různými druhy paliv a spekter záření, kompenzace vlivu vnějšího osvětlení pozadí (přirozené a umělé osvětlení, horké stěny topeniště, spalovací komory kotlů), samovyvažování při kontaminaci optických jednotek zplodinami (síra, saze, kondenzát), použití jednoho vyhrazeného měřicího kanálu DCS pro sledování přítomnosti hořáku, registrování poruch snímačů, stanovení stability spalování, autodiagnostika, bez použití různých simulátorů, uzávěrů, elektromechanických uzávěrů, komplexní korekce mikroprocesorem algoritmy.

K vyřešení tohoto problému byl vyvinut senzor zhášení plamene, popsaný v tomto článku.

Jako přijímač záření je zvolen fotorezistor. Princip činnosti je založen na převodu pulzací svítivosti plamene na jednotný proudový signál 0 mA.

Snímač je napájen přes dvouvodičový obvod s napětím 24 V z jiskrově bezpečné bariéry distribuovaného řídicího systému, což výrazně snižuje náklady na jeden měřicí kanál a zjednodušuje jeho připojení.

Samotný zapisovač (skener) pro zobrazení plamene hlavního nebo zapalovacího hořáku může obsahovat ve válcovém modulu (trubici) jeden až čtyři senzory, podle důležitosti polohy.

Verze 1×4 umožňuje monitorování jednoho hořáku se čtyřmi senzory umístěnými v jedné trubici ve formě modulu. Senzory jsou zapojeny paralelně. Výstupní signál modulu je aktuální. Hlavní výhodou tohoto zapojení oproti analogovému je extrémně nízká pravděpodobnost selhání čtyř senzorů najednou. Vzhledem k tomu, že každý fotodetektor je vůči sobě posunut, plamen je zaznamenáván v různých bodech těla hořáku, což zvyšuje spolehlivost získaných dat.

Jak ukazuje praxe, když signál ze senzoru zmizí, je velmi obtížné okamžitě určit, co se stalo – buď hořák zhasl, nebo samotný senzor selhal. Tato situace může mít katastrofální následky. Proto se instalují duplicitní snímače nebo návrh obsahuje funkci pro kontrolu funkčnosti snímače při zablokování celé optické jednotky a simulaci pulsací plamene pomocí blikající LED nebo lampy se závěrkou nebo závěrkou. To vše ale komplikuje konstrukci, zvyšuje náklady a snižuje spolehlivost.

Nestandardní způsob zobrazování informací na automatizované pracovní stanici (AWS) umožňuje jednoduchou autodiagnostiku měřicího kanálu – sledování přítomnosti hořáku, záznam poruch snímače, stanovení stability spalování.

Uvažujme 1×4 rekordér (skener). Čidla jsou zapojena paralelně a celkem (v přítomnosti plamene) generují proud rovný 20 mA. Každý senzor má svůj vlastní proudový podíl v rozsahu 4 mA, takže je snadné určit počet senzorů v konkrétním okamžiku v dobrém stavu.

Jedna z možností sledování stavu hořáků na automatizovaném monitoru pracoviště je na Obr. 1. Pro zobrazení grafů změn parametrů pro měřicí přístroje s výstupním signálem 4 mA pro YOKOGAWA a HONEYWELL DCS bylo použito standardní okno. Když všechny čtyři senzory fungují a plamen je stabilní, zelený graf (úroveň 20) je v horní části okna ve formě přímky, procento vyhovění je 4 %. Pokud jeden senzor selže, graf klesne níže (úroveň 100), procento vyhovění se stane 3% atd. Pokud je plamen nestabilní, je pozorováno oddělení plamene, začnou být pozorovány poklesy, jak ukazuje zelený graf na Obr. 75. Když plamen úplně zhasne, proud v měřicím obvodu se zastaví, grafy zmizí a na monitoru AWP se zobrazí zpráva „OPEN“. Toto je vlastní diagnostika senzorů.
Vstupní stupeň snímače zajišťuje samovyvažování při poklesu propustnosti (kontaminace zplodinami hoření) optických jednotek. Vzhledem k tomu, že pece a spalovací komory kotlů mohou při technologickém procesu využívat topný olej, topný plyn, různé odfuky a palivové směsi, je emisní spektrum takového plamene posunuto do blízké infračervené oblasti. Proto jsou preferovány fotorezistory pracující v oblasti záření více než 0,7 mikronu.

Pro pokrytí celého spektra záření plamene hořáku a zajištění plného provozu zapisovače (skeneru) jsou v jednom modulu společně instalovány fotorezistory ultrafialového (méně než 0,4 mikronu), viditelného a infračerveného provozního rozsahu.

Schéma jednoho snímače je na Obr. 2. Obvykle se dělí na několik částí. Protože, jak bylo uvedeno výše, technickým úkolem je snížit náklady, snadnost výroby, zvýšit spolehlivost zařízení jako celku, je elektronické uspořádání (náplň) co nejvíce omezeno.

Přijímač záření je blízký IR fotorezistor (0,79 μm) SF3-1, je určen k převodu pulzací svítivosti plamene na elektrický signál.

Obvod nastavení temného proudu je i přes svou jednoduchost velmi důležitou součástí zařízení. Bez něj snímač nebude fungovat. Obvod probíhá paralelně s přijímačem záření, je s ním spojen a je tvořen rezistorem R6. Faktem je, že temný odpor fotorezistoru SF3-1 je 30 MOhm a fotorezistoru SF3-9B, který lze také použít ve snímači, je 5 GOhm. Se snižováním propustnosti optických jednotek (kontaminace zplodinami hoření) se bude zvyšovat i odpor přijímače záření.

V určitém okamžiku může dosáhnout hodnoty, při které již nebude mikrovýkonový operační zesilovač OPA244NA vyvážený a přepnutí zaručeno. Pro vytvoření potřebného potenciálu na vstupech operačního zesilovače je proto část proudu směrována přes rezistor R6, jeho odpor pro fotorezistor SF3-1 byl stanoven experimentálně.
Integrační obvod se skládá ze dvou částí – C1R1R2R4 a C2R3R8 s různými časovými konstantami, které jsou připojeny k invertujícímu vstupu (pin 4) a neinvertujícímu vstupu (pin 3) mikrovýkonového operačního zesilovače OPA244NA.

Rezistor R7 omezuje proud procházející fotodetektorem při silném vnějším osvětlení. Samotná srovnávací a vyvažovací jednotka je vyrobena na mikrovýkonovém operačním zesilovači OPA244YD, pracujícím v režimu komparátoru, i když na samotném vyvážení jsou zapojeny všechny prvky vstupního stupně. Po dosažení rozdílu potenciálu (prahové hodnoty) na invertujícím a neinvertujícím vstupu se na výstupu operačního zesilovače objeví pulsy s frekvencí pulsace plamene (asi 5 Hz), přibližně stejnou amplitudou jako napájecí napětí.

Samovyvažovací vstupní stupeň, jak je patrné z obvodu snímače, neobsahuje nastavovací prvky, ačkoli hlavní podmínkou pro normální provoz snímače je nízká úroveň na výstupu operačního zesilovače při jakémkoli vnějším osvětlení. Pokud k fotorezistoru přivedete konstantní (nepulzující) zdroj záření a uměle změníte propustnost na 90%, 70%, 30%, kondenzátory C1, C2 se nabijí a mají potenciál vysoký, střední, nízký, resp. Navíc na hodnotě potenciálu pro zajištění nízké úrovně na výstupu operačního zesilovače nezáleží, hlavní je, že na invertujícím vstupu operačního zesilovače je vždy o něco vyšší. Rezistor R2 kompenzuje s rezervou nulové offsetové napětí operačního zesilovače a určuje prahový rozdíl potenciálu na invertujícím a neinvertujícím vstupu. Čím nižší je odpor rezistoru R2, tím vyšší je citlivost snímače.

Když je fotodetektor vystaven pulzujícímu plameni hořáku, jeho odpor se začíná měnit a mění se i potenciál na kondenzátorech C1, C2. Protože sekce integračního obvodu C2R3R8 má menší časovou konstantu než C1R1R2R4, dokáže potenciál na kondenzátoru C2 klesnout pod potenciál na kondenzátoru C1, což vede ke spínání operačního zesilovače a výskytu pulzů na jeho výstupu. V případě stálého vnějšího osvětlení (nedochází k pulzacím svítivosti) přijímá fotodetektor SF3-1 záření z horkých stěn topeniště, spalovací komory kotle a přirozeného nebo umělého osvětlení. Odpor fotodetektoru je nastaven na určitou úroveň. Navíc se tato hladina neustále mění v závislosti na vnějších podmínkách a mění se i potenciál na kondenzátorech C1, C2. Nakonec je potenciál na kondenzátorech C1, C2 vždy nastaven na jednu nebo druhou hodnotu, s přihlédnutím k prahovému rozdílu (na kondenzátoru C2 je o něco vyšší).

Pomalu se měnící vnější osvětlení nevede k přepínání operačních zesilovačů. Protože toto záření není užitečný signál, je zaznamenáno jako „BACKGROUND“. Signál pozadí se snižuje s tím, jak klesá propustnost (kontaminace zplodinami hoření) optických jednotek.

Většina v současnosti používaných zařízení pro sledování zhášení plamene (FDCh, Flamingo, Fireye, DURAG atd.) není schopna kompenzovat vysokou úroveň signálu na pozadí a ztrácí citlivost a schopnost spolehlivě zobrazovat informace při kontaminaci 25 %. .

Podmíněný, vysvětlující graf srovnávací a vyvažovací jednotky snímače s různým pozadím je na Obr. 3 (frekvence pulsace – 7 Hz, stupeň znečištění – 30 %, 70 %, 90 %). Z grafů je zřejmé, že amplituda výstupního signálu nezávisí na stupni znečištění a hodnotě pozadí a nemá žádný vliv na měnící se práh.

Obvod zpoždění a akumulace impulsů se skládá z diody VD1 a prvků R9, R10, C4. Potřebný počet pulsů (5-8) pro nabití kondenzátoru C4 a otevření tranzistoru VT1 se nastavuje odporem R9. Dioda VD1 neumožňuje vybití kondenzátoru C4 přes výstupní obvody operačního zesilovače. Rezistor R10 určuje dobu vybíjení kondenzátoru C4, zpoždění pro vydání signálu o zhasnutí plamene je 1s. Rezistory R2, R9 tvoří dělič napětí pro optimální otevření tranzistoru VT10 s efektem pole, kondenzátor C1 je blokovací kondenzátor napájení.

Elektronický klíč je namontován na tranzistoru VT1 s efektem pole. Nemá žádný vliv na obvod proudového signálu, protože odpor kanálu zdroje kolektoru v otevřeném stavu je zanedbatelný a nepřesahuje 92 mOhm.

Proud (5 mA) v měřicím obvodu je generován přesným rezistorem R11 s nízkým teplotním driftem a vlastním šumem. Použití složitějšího generátoru na bázi tranzistorů nebo integrovaných obvodů nemá smysl, jelikož napětí 24V měřicího modulu DCS je stabilizované.

Části a jmenovité hodnoty elektronických součástí snímače jsou zvoleny tak, aby se jím spotřebovaný proud v režimu detekce plamene neměnil a nepřesáhl 100 μA, což zase nemá významný vliv na tvorbu signál 5 mA v měřicím kanálu.

Náklady na jeden modul, s přihlédnutím k nákladům na díly, materiály, práci ve verzi 1×4, ve srovnání s nejlevnějším analogovým „Flamingo“ SPP 1.01-04, jsou přibližně 28krát nižší. Také není potřeba používat tři poměrně drahé diskrétní kanály DCS.

Snímač zhášení plamene nevyžaduje seřízení. Funkčnost skeneru s modulem 1×4 si ale můžete ověřit jednoduchým způsobem. Je nutné zapojit 24 V zdroj do série s měřičem proudu. Nasměrujte trubici skeneru na zdroj světla, jako je žárovka. Při otevřeném a zavřeném vstupním otvoru musí být signál v měřicím obvodu roven nule – dochází k samovyvažování. Pokud při určité frekvenci rukou zablokujete vstupní otvor skeneru, objeví se v měřicím obvodu signál rovný 20 mA. Fluorescenční a LED osvětlovací lampy nelze použít pro testování, protože na nich senzor jednoduše spustí.

Trubka skeneru je vyrobena z tenkostěnné ocelové nebo hliníkové trubky o délce 300–350 mm a vnitřním průměru 20–25 mm. Je lepší ho vyrobit ze dvou částí a spojit pomocí tepelně-izolační spojky, aby nedocházelo k přehřívání snímačů. Lze přivádět chladicí vzduch. Pro dobrý odraz světla je povrch tubusu zevnitř lehce zabroušen. Ve skeneru nejsou použity žádné zaostřovací čočky ani sklo. Snímače jsou naplněny hmotou (pro následné opravy je nemusíte plnit), tvoří modul, který je těsně zasunut na opačné straně tubusu a podle potřeby se vyměňuje jako běžná lampa.

Deska plošných spojů je z jedné strany vyrobena ze sklolaminátové fólie o tloušťce 1 mm a rozměrech 60 × 8 mm. Jeho kresba je na Obr. 4 a uspořádání prvků je na Obr. 5. Desky 1×4 jsou zapojeny ve tvaru čtverce paralelně podél silových obvodů (obr. 6, obr. 7).

Senzor používá díly pro povrchovou montáž. Rezistory a kondenzátory – libovolná standardní velikost 0805. Keramické kondenzátory se používají pro jmenovité napětí minimálně 50 V. Rezistor R11 je přesný.

Tranzistor IRLML0060 lze nahradit IRLML0040, IRLML0100. Diodu BAS216 můžeme nahradit jakoukoliv vhodnou velikostí.

Mikrovýkonový operační zesilovač musí mít napájecí napětí minimálně 36 V a proudový odběr maximálně 50 μA. Místo OPA244 v pouzdře SOT-23-5 jsou vhodné OPA251, OR90 v pouzdře SO-8 s mírnou změnou plošného spoje.

Spolu s fotorezistorem SF3-1 lze do jednoho modulu záznamníku (skeneru) instalovat další fotorezistory malých rozměrů pracující v UV, IR a viditelné oblasti spektra. Dobré výsledky vykazovaly levné dovezené fotorezistory GL5549 s temným odporem minimálně 10 MOhm a maximální absorpcí záření o vlnové délce 540 nm.

Na závěr je třeba poznamenat, že senzor zhášení plamene byl úspěšně testován na jedné z technologických instalací na Sibiři a vykazoval velmi dobré výsledky.

Snímač ve verzi 1×4 lze použít nejen s DCS, ale také s klasickým stabilizovaným zdrojem 24 V a sériově zapojeným ručičkovým miliampérmetrem s intervalem měření 0 mA. Pracují čtyři čidla – proud 20 mA, tři čidla – proud 20 mA atd. Pokud ručička miliampérmetru nestojí na jednom místě, znamená to, že plamen je nestabilní.

Rezistor R11 lze nastavit na vyšší odpor, např. 4,9. 5 kOhm, zatímco horní na Obr. 1 zelený řádek, úroveň 4, půjde o něco níže, což je mnohem pohodlnější pro zobrazení informací. To neovlivní celkový obraz automatizovaného pracoviště. Stabilizovaný zdroj 24 V lze snadno vyměnit za jiný s nižším napětím, ale v tomto případě je nutné vypočítat odpor rezistoru R11 pomocí Ohmova zákona.

Pokud v DCS, například YOKOGAWA, není vždy povolen signál pod 4 mA (poslední hodnota je pevná), je záznamník (skener) vyroben ve verzi 1×3 a čtvrtý bude mít jednoduše rezistor R11, bez senzor.

Autor: A. Vovk, Angarsk, Irkutská oblast.

První automatický požární hlásič byl tepelný. Vytvořili ho Američané Francis Upton a Fernando Dibble na konci 19. století. Návrh senzoru zahrnoval elektrické baterie, zvonovou kopuli, magnet s otevřeným obvodem a termostatické zařízení. Ten detekoval abnormální množství tepla a obvod mezi baterií a magnetem se uzavřel. Kladivo zasáhlo kopuli zvonu a tím signalizovalo nebezpečí. Jak fungují moderní požární senzory – více o tom v dnešním díle!

Požár lze rozpoznat podle vzhledu kouře, zvýšení teploty nebo silného záblesku světla. Tyto faktory jsou základem pro činnost požárních čidel. Nejběžnější z nich jsou detektory kouře a tepla, detektory plamene a kombinovaná zařízení.

Činnost hlásiče kouře je založena na záznamu zplodin hoření v tělese hlásiče. K tomu dochází v důsledku provozu optického systému, který se skládá z LED, která vysílá paprsek světla, a fotobuňky, která převádí světlo na elektrický signál. Světelný paprsek z LED je cíleně nasměrován přes fotobuňku. Pokud není žádný kouř, světlo nemůže dosáhnout povrchu fotobuňky. Pokud kouř vstoupí do pouzdra senzoru, světelný paprsek se začne náhodně odrážet a dopadá na fotobuňku. Spustí se a elektronický obvod vygeneruje a předá povel do požárního poplachového zařízení. Pokud se do senzoru dostane vodní pára nebo plyny, vychýlí také světelný výstup a způsobí falešný poplach. Proto se detektory kouře neinstalují na místa, kde nemusí správně fungovat.

Pokud jde o tepelné detektory, jsou k dispozici ve dvou typech: prahové a integrální. Prahové čidlo se spouští při dosažení určité teploty, obvykle 60-70 stupňů. Uvnitř jeho těla jsou pružinové kontakty, které jsou spojeny materiálem citlivým na teplo. Vlivem teploty tepelně citlivá vrstva měkne a řetěz se přetrhne.

Integrovaný senzor reaguje na rychlost nárůstu teploty. Na svorky jeho tepelného článku je přiváděno stabilizované napětí. Při jeho působení protéká v elektrickém obvodu proud, jehož hodnota při pokojové teplotě zůstává prakticky nezměněna. Když na tepelný článek začne působit otevřený oheň, odpor snímače se zvýší. Rychlost změny proudu je zaznamenávána elektronickým obvodem, který je obvykle nastaven tak, aby rostl rychlostí 5 stupňů za sekundu. Když rychlost ohřevu dosáhne kritické hodnoty, senzor vyšle signál alarmu. Integrované detektory se používají zpravidla ve skladech a průmyslových objektech.

Další skupinou požárních senzorů jsou hlásiče plamene. Na otevřený oheň reagují díky citlivé fotobuňce. Zaznamenává vzhled jednoho ze spekter optických vln nebo jeho celý rozsah. Nejjednodušší modely tohoto typu mohou být spuštěny jasným světlem ze slunce, lampami a rušením optického spektra. K odstranění falešných poplachů se používají speciální filtry. Vzhledem k vysoké ceně a složitosti konstrukce se detektory plamene používají v průmyslových podnicích.

Pro minimalizaci falešných poplachů existují také kombinovaná zařízení, která kombinují schopnosti kouřových a tepelných modelů a také detektory plamene. Mají infračervené, tepelné a optické senzory a lze je nakonfigurovat tak, aby se spouštěly z každého senzoru samostatně, nebo aby je signalizovaly současně. Ve zvláště významných průmyslových prostorách se používají čtyřkanálové kombinované detektory, které navíc zohledňují výskyt oxidu uhelnatého.