Ионизационный контроль пламени что это
Управление пламенем при помощи электрода ионизации
Во время использования любого теплового оборудования, работающего на природном горючем, всегда нужно крепко помнить о высоком риске воспламенения или даже взрыва этого природного горючего вещества.
Самой частой причиной подобных случаев является отрыв пламени с последующим затуханием. Это происходит при его смещении от выхода в направлении потока газовой смеси. В итоге топка заполняется газом, что приводит к хлопку или взрыву. Причина отрыва – превышение скорости потока смеси над скоростью распространения огня.
Контролируем пламя
Контроль наличия открытого огня производится с помощью ионизационного электрода. Принцип контроля пламени с помощью данного процесса основан на классическом физическом явлении.
При горении газа происходит образование огромного количества свободно заряженных частиц – электронов со знаком минус и ионов со знаком плюс. Они притягиваются и двигаются к ионизационному электроду и формируют ток ионизации небольшой силы – буквально несколько микроампер.
Электрод ионизации соединяется с автоматом горения, который снабжен чутким пороговым устройством. Оно срабатывает при образовании достаточного количества заряженных электронов и ионов – разрешает работу горелки. Если же поток ионизации снижается и достигает минимального порога, горелка мгновенно отключается.
Ионизационный электрод контроля пламени устроен довольно просто: он состоит из керамического корпуса и помещенного в него стержня. Главный элемент – специализированный высоковольтный кабель с разъемами для крепления.
Чтобы устройство работало правильно и долго, нужно первым делом точно соблюдать соотношение воздуха и горючей смеси. Второе условие успеха – содержание устройства в полной чистоте.
Назначение и принцип работы ионизационного электрода
Ионизационный электрод контроля наличия и состояния пламени. Автоматическое отключение подачи газа при погасшем пламени горелки. Отслеживание состояния воздушно-газовой смеси и восстановление процесса горения. Совмещение в одном устройстве запальной и контрольной функций.
Ионизационные электроды используют в датчиках контроля пламени газовых горелок. Их главная задача — сигнализировать блоку управления о прекращении горения и необходимости перекрыть поступление газа.
Эти устройства применяют для контроля непрерывности пламени в промышленных печах, домашних котлах отопления, газовых колонках и кухонных плитах. Нередко их дублируют фотодатчиками и термопарами, но в самых простых тепловых аппаратах ионизационный электрод является единственным средством контроля за зажиганием газа и непрерывностью его горения.
Назначение, принцип работы и конструкция ионизационного электрода
Если в нагревательном устройстве по каким-то причинам пропадает пламя, то сразу же должна быть прекращена подача газа. В противном случае он достаточно быстро заполнит объем установки и помещение, что может привести к объемному взрыву от случайной искры.
Поэтому все нагревательные установки, работающие на природном газе, в обязательном порядке должны оснащаться системой слежения за наличием пламенем и блокировки подачи газа.
Ионизационные электроды контроля пламени обычно выполняют две функции: во время зажигания газа от запальника разрешают его подачу при наличии устойчивой искры, а при исчезновении пламени подают сигнал на отключение газа основной горелки.
Принцип работы
Принцип работы ионизационного электрода основан на физических свойствах пламени, которое по своей сути является низкотемпературной плазмой, т. е. средой, насыщенной свободными электронами и ионами и поэтому обладающей электропроводностью и чувствительностью к электромагнитным полям.
Обычно на него подается положительный потенциал от источника постоянного тока, а корпус горелки и запальник присоединяются к отрицательному.
На рисунке ниже показан процесс возникновения тока между корпусом запальника и электродным стержнем, возвышающийся торец которого предназначен для контроля пламени основной горелки.
Процесс зажигания газа в нагревательной установке происходит в два этапа. На первом в запальник подается небольшое количество газа и включается электроискровое зажигание. При возникновении в запальнике устойчивого воспламенения происходит ионизация и начинает протекать постоянный ток в сотые доли миллиампер.
Устройство контроля электрода подает сигнал системе управления, открывается электроклапан, и происходит поджигание основного потока газа. С этого момента электрод формирует управляющий сигнал уже от ионизации его пламени.
Система управления настроена на определенный уровень ионизации, поэтому, если ее интенсивность снижается до заданного предела и ток в плазме падает, происходит отключение подачи газа и гашение пламени. После этого весь цикл с использованием запальника повторяется в автоматическом режиме до тех пор, пока процесс горения не станет устойчивым.
Одним из главных достоинств ионизационных электродов является мгновенная скорость срабатывания при погасании пламени. В отличие от них термопарные датчики формируют сигнал только через несколько секунд, которые им требуются для остывания.
Кроме того, ионизационные электроды недороги, т. к. имеют очень простую конструкцию: металлический стержень, изолирующая втулка и разъем. Также они очень просты в эксплуатации и обслуживании, которое заключается в очистке стержня от нагара.
К недостаткам датчиков ионизационного контроля можно отнести их ненадежность при работе с газовым топливом, содержащим большие доли водорода или окиси углерода. В этом случае в пламени генерируется недостаточное количество свободных ионов и электронов, что приводит к невозможности удержания стабильного тока. Кроме того, этот метод может оказаться непригодным при работе в условиях повышенной запыленности.
Конструктивные особенности
Вместе с тем температура в верхней части пламени при горении природного газа может достигать 1600 °C, поэтому контрольные электроды размещают в его корне, где температура ниже — от 800 до 900 °C.
Изолирующий цоколь ионизационного электрода, с помощью которого он монтируется на запальнике, представляет собой высокопрочную и жаростойкую керамическую втулку.
Ионизационный электрод может быть только контрольным, а может выполнять сразу две функции: запальную и контрольную. Во втором случае для зажигания пламени запальника на него подается высокое напряжение, формирующее искру.
Через несколько секунд оно отключается, происходит переключение на питание постоянным током и переход в контрольный режим. Если электрод выполняет только контрольную функцию, то его изоляция, разъем и кабель должны соответствовать требованиям низковольтной аппаратуры, эксплуатируемой при высоких температурах.
При использовании его в качестве запального сопротивление изоляции должно выдерживать на пробой напряжение 20 кВ, а подсоединение к блоку управления производиться высоковольтным кабелем.
При установке ионизационного электрода в корпус конкретной горелки необходимо применять изделие оптимальной длины. Слишком большой стержень будет перегреваться, деформироваться и быстрее покрываться нагаром.
В случае малой длины возможны ситуации, когда ионизационный поток будет прерываться при уходе пламени от конца электрода к другому краю корпуса горелки. В реальных условиях длину электрода обычно подбирают экспериментальным путем.
В бытовых газовых плитах для зажигания используют электроискровые запальные электроды, а для контроля за пламенем — термопарные датчики. А почему в бытовых устройствах не применяют ионизационные электроды в раздельном или совмещенном виде?
Ведь они дешевле термопар. Если вы знаете ответ на этот вопрос, поделитесь, пожалуйста, информацией в комментариях к данной статье.
Особенности датчиков пламени горелки
Бытовые и промышленные приборы, работающие на сжиженном или природном газе должны в обязательном порядке оборудоваться датчиком наличия пламени. Отсутствие горения может привести к тому, что газ начнет поступать в окружающее пространство. Это чревато пожаром или взрывом.
Конструктивные особенности
Для предотвращения опасных ситуаций разработаны специальные датчики, которые отслеживают наличие процесса горения газа в устройстве. По конструкции датчики пламени существуют нескольких типов, использующие разные принципы контроля процесса горения. Наибольшее распространение получили следующие:
Каждый из перечисленных типов имеет как достоинства, так и недостатки.
Фотоэлектрические
В время горения происходит излучение светового потока, который регистрируется фоточувствительным элементом конструкции. В спектре пламени присутствует излучение всего спектра, поэтому разработаны устройства, реагирующие на:
Наиболее просты по конструкции инфракрасные датчики. Главный недостаток заключается в том, что инфракрасное излучение испускают все нагретые тела, поэтому велика вероятность ложных показаний при отсутствии пламени от нагретых стенок и элементов газового котла.
Датчики, реагирующие на видимое излучение могут давать ложное срабатывание от посторонней засветке и не могут работать при открытой камере сгорания.
Наиболее надежны ультрафиолетовые датчики, но доля ультрафиолетового излучения в пламени невелика, поэтому приходится применять меры по повышению чувствительности фотоэлемента. Наиболее распространено использование фотоумножительных конструкций. Увеличение надежности контроля достигается применением чувствительных элементов, реагирующих сразу на несколько частей спектра излучения.
Все фотодатчики обладают следующими недостатками:
К фотоэлектрическим относится широко распространенный датчик наличия пламени ДП1.
В зависимости от варианта исполнения (модификации)и схемы блока сигнализации датчик пламени ДП1 имеет различающиеся характеристики по типу установки, температурным характеристикам и может использоваться в широком диапазоне устройств.
Термопары
Работа основана на свойстве спаяразнородных металлов при нагреве генерировать электродвижущую силу. Ля регистрации ЭДС достаточно чувствительного вольтметра, роль которого в электронной схеме выполняет простейший компаратор.
Среди достоинств элементов на термопаре:
Основной недостаток — крайне высокая инерционность, которую можно уменьшить снизив размеры чувствительного элемента, но это снижает термостойкость и срок службы. Запаздывание срабатывания вызвано временем, необходимым для снижения температуры контакта при пропадании пламени.
Стоимость датчиков контроля пламени на термоэлектрическом эффекте может быть высокой из-за необходимости применения редкоземельных металлов в сплавах для увеличения чувствительности и повышения термостойкости.
Ионизационные
Работа данных устройств основана на том, что при горении раскаленные газы находятся в ионизированном состоянии, то есть представляют собой плазму. Плазма, как четвертое состояние вещества, за счет ионов обладает высокой электропроводностью.
Конструктивно ионизационный датчик наличия пламени горелки представляет собой металлический электрод, внесенный в зону горения. Между электродом и корпусом горелки (форсунками) приложена разность потенциалов. При наличии пламени между электродом и горелкой начинает протекать электрический ток, тем больший, чем больше интенсивность горения, то есть степень ионизации нагретых продуктов сгорания. Протекающий ток регистрируется электронной схемой. Схема контроля регулируется на определенное значение тока, которое зависит от интенсивности горения. Снижение мощности пламени приводит к подаче сигнала об его отсутствии.
К потере чувствительности приводят:
Ложное срабатывание может вызвать наличие пыли на изоляции, вызывающей токи утечки.
В зоне горения электрод располагают в корне пламени, где его температура не превышает 900 ⁰С. Конструктивно датчик выполняется из хромаля, сплава железа с примесью алюминия и хрома. Изоляция в стенке камеры сгорания выполняется из высокотемпературной керамики.
Наиболее часто ионизационный датчик объединяют с запальным электродом. Во время поджига на него подаются импульсы высокого напряжения. В это время схема контроля пламени отключена. После прекращения поджига реле подключает электрод к схеме контроля. При наличии необходимой величины тока между электродом и горелкой считается, что поджиг произошел успешно, в противном случае процесс повторяется заново.
Комбинированная конструкция требует наличия высоковольтной изоляции провода, подходящего к электроду.
Использование
Перечисленные конструкции применяются не только в газовых котлах. Их используют также в металлургическом производстве для контроля за зоной плавления металла, в котлах, работающих на всех видах топлива. Это также относится и к упомянутому выше датчику пламени ДП1.
Область применения фотоэлектрических элементов определяется спектральной характеристикой. Так нагретые металлы имеют максимум излучения в инфракрасном диапазоне, а в пламени газа присутствует большая доля ультрафиолетовых лучей.
В бытовых газовых котлах наиболее часто используются ионизационные датчики, так как они имеют малые габариты, простую конструкцию и низкую стоимость.
Видео по теме
Контроль наличия пламени
Наличие пламени контролируют либо с помощью ионизационного электрода, либо с помощью фотодатчика. Как правило, с помощью ионизационного электрода контролируют горение запальника, который, в свою очередь, в случае необходимости воспламенит основную горелку. Фотодатчиками контролируют пламя основной горелки. Фотодатчик для контроля пламени запальника не применяют ввиду малого размера пламени запальника. Применение ионизационного электрода для контроля пламени основной горелки не рационально, так как электрод, помещенный в пламя основной горелки будет быстро обгорать.
Фотодатчики различаются по чувствительности к различной длине волны светового потока. Одни фотодатчики реагируют только на видимый и инфракрасный спектр светового потока от горящего пламени, другие воспринимают только его ультрафиолетовую составляющую. Самым распространенным фотодатчиком, реагирующим на видимую составляющую светового потока, является датчик ФДЧ.
Отличительной особенностью ультрафиолетовых фотодатчиков (УФД), например UVS-1 фирмы Kromschroeder, является то, что они реагируют только на ультрафиолетовую составляющую светового потока, излучаемого пламенем горелки. В световом потоке от разогретых тел, элементов конструкций печей, футеровки ковшей ультрафиолетовая составляющая мала. Поэтому к посторонней засветке датчик «равнодушен», как и к солнечному свету.
Фотодатчики должны иметь, так сказать, визуальный контакт с пламенем горелки, поэтому они расположенны в непосредственной близости от него. Как правило, они распологаются со стороны горелки под углом 20-30° к ее оси. Из-за этого они подвержены сильному нагреву тепловым излучением от стенок агрегата и радиационному нагреву через визирное окно. Для зашиты фотодатчика от перегрева применяют защитные стекла и принудительный обдув. Защитные стекла производятся из жаропрочного кварцевого стекла и устанавливаются на некотором удалении перед визирным окном фотодатчика. Обдув датчика осуществляется либо вентиляторным воздухом (если горелка установки работает на вентиляторном воздухе), либо сжатым воздухом пониженного давления. Подаваемый объем воздуха осуществляет охлаждение фотодатчика не только за счет процессов теплоотдачи, но и из-за того, что вокруг него создается область повышенного давления, которая как бы отталкивает горячий воздух, не давая ему контактировать с датчиком.
Основными причинами пропадания ионизации являются отсутствие требуемого соотношения газ-воздух запальника, загрязнение или обгорание ионизационного (контрольного) электрода. Еще одной причиной пропадания сигнала ионизации может являться уменьшение сопротивления между ионизационным электродом и корпусом запальника, которое чаще всего происходит из-за оседания токопроводящей пыли на запальное устройство.
Как правило, ионизационный электрод размещается вдоль оси запальной горелки, конец электрода должен находиться в «корне» пламени запальника. В некоторых запальных устройствах ионизационный электрод выполняет функцию запального электрода. В этом случае на него в течении фиксированного времени подается высокое напряжение с запального трансформатора для поджига запальника. После того как поджиг запальника произведен контрольный электрод переходит в режим контроля ионизации – цепи поджига отключаются и электрод соединяется с входом автомата горения. В этом случае возможна еще одна причина пропадания сигнала ионизации, связанная с обрывом во вторичной обмотке трансформатора. Но искра в этом случае может все равно нормально генерироваться, поэтому данную неисправность иногда трудно определить.
Большое значение для стабильной работы запального устройства имеет правильно выставленное соотношение газ-воздух. В большинстве случаев требуемые значения давления газа и воздуха приводятся изготовителем в паспорте запальной горелки. Не смотря на то, что говоря «соотношение газ-воздух» в большинстве случаев имеют в виду их объемное соотношение (один объем газа на десять объемов воздуха), но настраивают запальник, да и горелку, впрочем, тоже, по давлению, так как это сделать намного проще и дешевле. Для этого конструкцией запальника предусмотрено подключение контрольного манометра к газовому и воздушному тракту в определенных местах.
Установки постоянно работающие при температурах свыше 800°С (мартеновские печи, например) могут и не оснащаться системами контроля наличия факела. Это связано с тем, что температура воспламенения газа находиться в пределах 645 – 750°С. Таким образом, в случае отрыва факела исходящий из сопла горелки газ воспламениться от разогретой кладки внутреннего пространства теплового агрегата. Очень часто перед соплом горелки выкладывают специальный горелочный камень – он воспламеняет поток газа и стабилизирует горение.
Для повышения надежности работы и уменьшения количества остановов установки из-за пропадания ионизации можно сделать контроль наличия пламени не постоянным, осуществляя его по схеме «ИЛИ». В этом случае, если установка прогрелась до температур свыше 750°С и сигнал ионизации с запальной горелки по какой то причине пропал, то основная горелка все равно продолжит работу.
Дополнительную информацию вы можете найти в разделе «Вопрос-ответ».
Ионизационный контроль пламени что это
ДОБАВЛЕНО 11/03/2009 19:15
ДОБАВЛЕНО 11/03/2009 19:42
| мастер-ломастер писал: |
| awow, а та схема что дал I.Cherry, чем не устраивает? |
предложенные схемки просто супер по простоте и надежности, однако не решают проблем ложного срабатывания при отклонении пламени от электродов датчика. на одной из котельных ЗЗУ с оптическим контролем задолбало постоянной подстройкой и в конечном итоге при выбросе пламени из смотрового окна накрылось. прицепили к ЛУЧу ионизац. датчик- самоделку. поплыли стандартные дефекты, о которых ранее сказал. какой выход? покупать новый комплект или клепать другой датчик. Моим шкурным интересом может только зарплата и место быть, тк контора долгов на15 лимонов имеет о покупке чего-либо желательно не заикаться
| -20 dB писал: |
| awow, ну, вроде вопрос уже решён, |
Просто, надежно и технологично как советский трактор (это о схеме), спасибо от лица всех КИПовцев с периферии. Устраивает на все 100%. Может тему пока не закрывать, вдруг у кого-то еще нечто подобное есть и инфой поделиться захочет?!
С датчиком ионизации мы не работали.
ДОБАВЛЕНО 14/06/2009 15:48
Чайник.
Это я себя имел ввиду.
ДОБАВЛЕНО 18/06/2009 10:28
Мне кажется достойно внимания 
Разъясни пожалуйста по первой схеме, какие лучше брать диоды и стабилитрон, и какое нужно реле. А что если использовать в схеме малое напряжение питания от блока (а то боюсь во время ремонта будет долбить
) Это возможно?Заранее и премного.
ПыСы: а может и платка есть?
вот она. см. вложение.
ДОБАВЛЕНО 25/02/2015 01:03
