Ионизационный датчик пламени принцип работы

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.

неправильная пропорция газовоздушной смеси, формируемой в запальнике;
нагар или загрязнение на ионизационном электроде;
недостаточная мощность потока пламени;
уменьшение сопротивления изоляции из-за накопления в запальнике токопроводящей пыли.

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.

Контроль наличия пламени

Тепловые агрегаты, работающие на природном газе (печи, котлы, стенды нагрева и т.п.) должны оборудоваться системой контроля наличия пламени. В процессе работы тепловых агрегатов возможны ситуации, при которой пламя горелки (факел) потухнет, но газ будет продолжать поступать во внутреннее пространство агрегата и окружающую среду и при наличии искры или открытого огня возможно воспламенение этого газа и даже взрыв. Наиболее часто потухание пламени происходит из-за отрыва факела.

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.

Световой поток воспринимается фоторезистором датчика, и после усиления преобразуется либо в выходной сигнал 0-10В, пропорциональный освещенности, либо подается на обмотку реле, контакты которого замыкаются, если освещенность превышает установленный порог. Тип выходного сигнала — сигнал 0-10В или контакты реле — определяется модификацией ФДЧ. Фотодатчик ФДЧ обычно работает с вторичным прибором Ф34. Вторичный прибор обеспечивает питание ФДЧ напряжением +27В, на нем также выставляются пороги срабатывания в том случае, если используется ФДЧ с токовым выходом. Кроме того, в зависимости от модификации, Ф34 может контролировать сигнал от ионизационного электрода запальной горелки, управлять розжигом и работой горелки с помощью встроенных реле.

К недостаткам фотодатчиков видимого света можно отнести то, что они реагируют на любой источник света — солнечный свет, свет фонарика, световое излучение нагретых элементов конструкции, футеровки сталеразливочных ковшей и т.п. Это ограничивает их применение, например в стендах нагрева, так как ложные срабатывания от светящейся разогретой футеровки ковшей блокируют работу автоматики (ошибка «ложное пламя»). Наиболее широко ФДЧ применяются на печах сушки песка, ферросплавов и т.п. — там где температура нагрева редко превышает 300-400°С, а значит отсутствует свечение разогретых элементов конструкции печи.

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.

Основой этого датчика является вакуумная лампа — электронный фотоумножитель. Как правило, питаются эти датчики напряжением 220В и имеют токовый выходной сигнал, который меняется от 0 до нескольких десятков микроампер. К недостаткам ультрафиолетовых датчиков можно отнести то, что вакуумная лампа фотоумножителя имеет ограниченный срок службы. Через пару лет эксплуатации лампа теряет свою эмиссионную способность и датчик перестает работать. Сигнал с УФД передается на автомат горения серии IFS, функции которого аналогичны функциям Ф34.

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.

Контроль наличия пламени запальника в большинстве случаев осуществляется ионизационным электродом. Принцип контроля пламени по ионизации основан на том, что при сжигании газа образуется множество свободных электронов и ионов. Эти частицы «притягиваются» к ионизационному электроду и вызывают протекание тока ионизации величиной в десятки микроампер. Ионизационный электрод соединяется с входом прибора контроля наличия ионизации (автоматом горения). Если при горении пламени запальника образуется достаточное количество свободных электронов и отрицательных ионов, то в автомате горения срабатывает пороговое устройство разрешающее работу (или розжиг) основной горелки. В случае если интенсивность ионизации падает ниже определенного уровня, то основная горелка отключается даже в том случае, если она работала нормально. На размещенном ниже видео показано, как благодаря нагреву воздуха между обкладками конденсатора (в нашем случае одна обкладка это контрольный электрод, другая обкладка — корпус запальника) в цепи начинает протекать электрический ток.

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.

Автомат горения часто выполняет не только функцию контроля наличия пламени — на нем строиться вся автоматика управления розжигом горелки, как, например, это реализовано в автомате горения ASL50P фирмы Hegwein.

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.

Ионизационный электрод крепиться к корпусу запальника через керамическую изолирующую втулку и соединяется с входом автомата горения экранированным одножильным кабелем. Если ионизационный электрод используется еще и в качестве запального, то с запальным трансформатором он соединяется специальным высоковольтным кабелем, например, ПВ-1. Изолирующая втулка изготавливается из керамики с большим содержанием Al2O3, которая характеризуется высокой механической прочностью, температурной стойкостью и электрической прочностью до 18 кВ . Ионизационный электрод изготавливается канталя — металлического сплава устойчивого к высоким температурам и электрохимической коррозии

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».

По какому принципу работает датчик ионизации.

по какому принципу работает датчик ионизации.
Который используется в котлах для «видимости» пламени?

Понятное дело,он работает от нагрева,но это не есть ответ на мой первоначальный вопрос.

Не знаешь, не пиши

ПРОСТО САНЯ написал :
по какому принципу работает датчик ионизации.
Который используется в котлах для «видимости» пламени?

Принцип очень простой, пламя (низкотемпературная плазма), является полупроводником. То, что ты видишь на горелке, обычный электрод, кусок проводника в изоляции, весь фокус в электронном блоке.

sergey 73 , спасибо,я так и думал.

ПРОСТО САНЯ — скажите, а по какой причине вас заблокировали на «Яндексе» ? ))

Контроль наличия пламени запальника в большинстве случаев осуществляется ионизационным электродом. Принцип контроля пламени по ионизации основан на том, что при сжигании газа образуется множество свободных электронов и ионов. Эти частицы «притягиваются» к ионизационному электроду и вызывают протекание тока ионизации величиной в десятки микроампер. Ионизационный электрод соединяется с входом прибора контроля наличия ионизации (автоматом горения). Если при горении пламени запальника образуется достаточное количество свободных электронов и отрицательных ионов, то в автомате горения срабатывает пороговое устройство разрешающее работу (или розжиг) основной горелки. В случае если интенсивность ионизации падает ниже определенного уровня, то основная горелка отключается даже в том случае, если она работала нормальноОсновными 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. Автомат горения часто выполняет не только функцию контроля наличия пламени — на нем строиться вся автоматика управления розжигом горелкиКак 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.Ионизационный электрод крепиться к корпусу запальника через керамическую изолирующую втулку и соединяется с входом автомата горения экранированным одножильным кабелем. Если ионизационный электрод используется еще и в качестве запального, то с запальным трансформатором он соединяется специальным высоковольтным кабелем, например, ПВ-1. Изолирующая втулка изготавливается из керамики с большим содержанием Al2O3, которая характеризуется высокой механической прочностью, температурной стойкостью и электрической прочностью до 18 кВ. Ионизационный электрод изготавливается канталя — металлического сплава устойчивого к высоким температурам и электрохимической коррозии

ИБП для фазозависимых котлов отопления

Как выбрать ИБП для фазозависимых котлов отопления. Принцип работы датчика пламени котла отопления

Необходимость фазировки для работы котла отопления

В современных газовых котлах отопления управление подачей топливной смеси и параметрами составления смеси газа и воздуха управляет электронный контроллер. Информацию о наличии пламени, интенсивности горения и о качестве сжигания газа контроллер получает от датчика пламени. В основе принципа работы датчика пламени лежит процесс образования свободных ионов в воздушной среде между электродами и горелкой под воздействием пламени. Корректная работа такого датчика возможна только при правильном фазном подключении котла отопления к электрической сети. Направление движения свободных электронов определяется наличием фазы на электроде.

Для чего нужен контроль наличия пламени в газовых котлах отопления?

Прежде всего для безопасности эксплуатации отопительного прибора. Для повышения эффективности сжигания топлива в современных котлах и увеличения КПД котлов используется приготовление насыщенной воздушно-газовой смеси. Чем больше воздуха направить в такую смесь, тем более эффективным будет процесс сжигания. Однако при большой мощности воздушного потока в сочетании с сильной тягой может произойти отрыв пламени. Этот процесс очень опасен, если не прекратить подачу топлива, то может произойти объемный взрыв большой мощности.

Второй важной функцией автоматики, работающей на анализе интенсивности образования свободных ионов в пламени, является управление процессом составления горючей смеси. Получая данные от датчика пламени, процессор принимает решение об изменении скорости подачи топлива в горелку и об изменении соотношения долей газа и воздуха в смеси. Добиваясь оптимального уровня горения, удаётся существенно повысить эффективность котла и улучшить экологичность работы прибора.

Принцип работы датчика пламени котла отопления

Чтобы эффективно и быстро контролировать наличие пламени в горелке газового котла отопления используются датчик пламени, построенный на принципе изменения электрической ёмкости воздуха при ионизации его пламенем. Основной принцип функционирования датчиков пламени ионизационного типа состоит в том, что в процессе горения смеси газов образуется большое количество свободных ионов. Эти свободные заряженные частицы устремляются к ионизационному электроду, образуется электрический ток ионизации. Электрический сигнал с ионизационного электрода приходит в электронный модуль управления котла отопления. Если в процессе горения топлива появляется необходимое число свободных ионов, то процессор модуля управления подтверждает подачу топлива в главную горелку котла. Если уровень свободных ионов снижается, то блок управления даёт команду на прекращение подачи топлива в горелку.

В отличие от контроля пламени с помощью теплового клапана, ионный датчик пламени даёт команду на отключение раньше. Котел будет отключен в начале процесса аварии, до того как элементы котла остынут.

Выбор ИБП для фазозависимых котлов отопления

Для работы современных фазозависимых котлов отопления необходимо использовать специализированный источник бесперебойного питания, имеющий явную фазу и нейтраль.

По этой причине нельзя применять обычные компьютерные ИБП, они не имеют выделенной фазировки. По этой же причине нельзя использовать без специального ИБП электрогенераторы, не имеющие выраженной фазировки электрического тока.

Компания БАСТИОН производит линейку специальных источников бесперебойного питания для котлов отопления. ИБП TEPLOCOM и SKAT разработаны специально для питания современных газовых котлов отопления и циркуляционных насосов.

Источники бесперебойного питания БАСТИОН имеют:

правильную фазировку выходного сигнала;
синусоидальный график напряжения;
стабилизированную частоту тока.

ИБП TEPLOCOM и SKAT способны обеспечивать длительный резерв питания в случае отключения сетевого напряжения. Специализированные источники питания для оборудования систем отопления были протестированы специалистами международных электротехнических лабораторий и были рекомендованы для организации питания газового оборудования известных брендов.

Все источники бесперебойного питания TEPLOCOM и SKAT производятся в соответствии с требованиями российских и международных стандартов качества и безопасности продукции. Подробнее об ИБП для котлов отопления БАСТИОН смотрите в разделе «Источники бесперебойного питания».

Физический процесс ионизации воздуха пламенем

В физике хорошо известен эффект влияния пламени на ионизацию воздуха. Простой физический эксперимент доказывает изменение электрических свойств воздушной среды при воздействии на него открытым пламенем. Ниже приводим видеоролик такого физического эксперимента.

Ионизация газа пламени

В природе ионизация воздуха возникает при разрядах молнии. Мощные потоки ионов возникают при термоядерных взрывах на звездах. Процесс появления ионов различных веществ демонстрируется в ходе физических экспериментов. Ниже представлены красивые изображения потоков ионов.

Где купить специализированный ИБП для котла отопления

Купить качественные и проверенные временем российские источники бесперебойного питания компании БАСТИОН для газовых котлов отопления и другого оборудования можно в магазинах фирменной сети СКАТ в городах: Москва, Санкт-Петербург, Ростов-на-Дону, Новосибирск, а также в фирменном интернет-магазине «СКАТ».

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:

Фотоэлектрические;
Термопары;
Ионизационные.

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:

Видимое излучение;
Ультрафиолетовой излучение;
Инфракрасное излучение;
Комбинированные.

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:

Большие размеры, накладывающие ограничения по применению в малогабаритных конструкциях;
Нахождение чувствительного полупроводникового элемента вблизи нагретой зоны котла;
Малый срок службы фотоумножителя;
Сложность обвязки (электронной схемы);
Резкое снижение чувствительности (отсутствие срабатывания при нормальных условиях) при наличии пыли и загрязнений на поверхности датчика.

Возможность размещения за пределами камеры сгорания;
Высокая надежность в пределах срока службы.

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:

Простота конструкций;
Высочайшая надежность;
Высокая термостойкость;
Нечувствительность к загрязнениям;
Нет необходимости в источнике питания — датчик сам генерирует напряжение.

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.

Простота;
Надежность;
Долговечность;
Высокое быстродействие;
Низкая стоимость.

Чувствительность к загрязнениям на поверхности электрода;
Ненадежность работы в среде газов, содержащих большое количество водорода или окиси углерода, поскольку в таких средах степень ионизации невелика.

К потере чувствительности приводят:

Загрязнение поверхности;
Неправильная пропорция горючей смеси;
Малая интенсивность горения;

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

Ионизационные пожарные извещатели: виды и принцип действия

Ионизационный пожарный извещатель – это высокотехнологичное автоматическое устройство для регистрации очага пожара по появлению в газовоздушной среде защищаемого помещения летучих продуктов процесса горения – мельчайших частиц копоти, гари. Такой способ обнаружения основан на свойстве ионизированного воздуха притягивать частицы дымового потока, что и послужило появлению такого названия.

По своей эффективности, это одна из последних ступеней технического развития дымовых пожарных извещателей, сравнимая по чувствительности, скорости/инерционности обнаружения характерных признаков процесса горения с образованием дымов, лишь с газовыми, аспирационными, проточными датчиками; превышая показатели оптико-электронных устройств, предназначенных для таких же целей.

Ионизационные пожарные извещатели способны обнаруживать очаг возгорания не только на самой ранней стадии по появлению летучих частиц реакции горения, но и реагируют на любой их размер; а также цвет, зависящий от физико-химических параметров пожарной нагрузки в защищаемых помещениях, так называемый серый и черный дым; что недоступно большинству других автоматических устройств, фиксирующих образование дымового потока.

Из-за сложности производства, технического контроля при создании подобных устройств; необходимости утилизации/дезактивации, отслуживших свой срок ионизационных пожарных извещателей только на специализированных предприятиях атомной промышленности, созданы предпосылки для высокой стоимости изделий.

В силу наличия в них, пусть и в допустимых государственными нормами, небольшого количества радиоактивных веществ внутри миниатюрных радиоизотопных излучателей, являющихся неотъемлемым элементом конструкции в большинстве моделей изделий; отчасти из-за сформировавшегося предвзятого общественного мнения в нашей стране они серийно не производятся.

Однако, за рубежом их изготовление продолжается, и сертифицированные в установленном порядке изделия можно приобрести на российском рынке пожарно-технической продукции.

Согласно определения, данному в ГОСТ Р 53325-2012, это автоматическое устройство обнаружения очага возгорания, способ действия которого основывается на изменении значений электрического тока, проходящего через искусственно ионизированный воздух, при появлении в них дымовых частиц, образовавшихся в процессе горения твердых, жидких материалов.

По контролируемому признаку пожара, конструкции изделий, техническому устройству чувствительных элементов датчиков, способу обнаружения дымовых частиц к ионизационным пожарным извещателям относят два вида:

Радиоизотопный дымовой извещатель КИ-1

Радиоизотопные

Это дымовой пожарный извещатель, который срабатывает вследствие воздействия продуктов горения на ионизационный ток внутренней рабочей камеры извещателя. Принцип действия радиоизотопного извещателя основан на ионизации воздуха камеры при облучении его радиоактивным веществом. Принцип действия радиоизотопного извещателя основан на ионизации воздуха камеры при облучении его радиоактивным веществом. При введении в такую камеру противоположно заряженных электродов возникает ионизационный ток. Заряженные частички «прилипают» к более тяжёлым частичкам дыма, снижая свою подвижность — ионизационный ток уменьшается. Его уменьшение до определённого значения извещатель воспринимает как сигнал «тревога».

Структурная схема радиоизотопного пожарного извещателя РИД-1

Подобный извещатель эффективен в дымах любой природы. Однако наряду с описанными выше достоинствами радиоизотопные извещатели имеют существенный недостаток, о котором не следует забывать. Речь идёт об использовании в конструкции извещателей источника радиоактивного излучения. В связи с этим возникают проблемы соблюдения мер безопасности при эксплуатации, хранении и транспортировке, а также утилизации извещателей после окончания срока эксплуатации. Эффективен для обнаружения возгораний, сопровождающихся появлением так называемых «чёрных» видов дыма, характеризующихся высоким уровнем поглощения света.

Электроиндукционные

Аэрозольные частицы засасываются из окружающей среды в цилиндрическую трубку (газоход) при помощи малогабаритного электрического насоса и попадают в зарядную камеру. Под воздействием униполярного коронного разряда, частицы приобретают объёмный электрический заряд и, двигаясь далее по газоходу, попадают в измерительную камеру, где наводят на её измерительном электроде электрический сигнал, пропорциональный объёмному заряду частиц и, следовательно, их концентрации. Сигнал с измерительной камеры попадает в предварительный усилитель и далее в блок обработки и сравнения сигнала. Датчик осуществляет селекцию сигнала по скорости, амплитуде и длительности и выдаёт информацию при превышении заданных порогов в виде замыкания контактного реле.

Структурная схема электроиндукционного пожарного извещателя

Структурная схема электроиндукционного пожарного извещателя

Высоковольтный модулятор.
Регулятор напряжения.
Блок питания.
Усилитель.
Блок обработки информации.
Зарядная камера, электрод кольцо.
Зарядная камера, электрод игла.
Конденсатор.
Резистор.
Резистор.
Стабилитрон.
Индукционный электрод.
Светодиод.
Побудитель расхода аэрозоля.
F – Выходной сигнал.

Конструктивно, измерительная линия представляет из себя цилиндрический газоход, на входе которого расположена зарядная камера типа игла-цилиндр, а на выходе измерительный электрод-кольцо и побудитель расхода воздушной смеси.

Основным параметром электроиндукционного пожарного извещателя, который позволяет применить плавающий порог, является его чувствительность, которая позволяет обеспечить устойчивый уровень электрического сигнала, пропорционального весовой концентрации аэрозоля, во всем его возможном диапазоне изменения.

В СП 5.13130.2009, о требованиях к проектированию систем АПС, АУПТ, выбор точечных дымовых пожарных извещателей рекомендовано выполнять в соответствии с их чувствительностью к различным типам дыма. По этому характерному показателю ионизационные пожарные извещатели находятся вне конкуренции среди подобных устройств, в т.ч. эффективно выявляют «черный» дым.

Принцип действия

Удивительна история изобретения дымового радиоизотопного детектора. В конце 1930-х гг. физик Вальтер Йегер занимался разработкой ионизационного датчика для обнаружения отравляющего газа. Он полагал, что ионы молекул воздуха, образованные под действием радиоактивного элемента (схема А, Б), будут связываться молекулами газа и за счет этого будет уменьшаться электрический ток в цепи прибора. Однако небольшие концентрации ядовитого газа не оказывали никакого влияния на проводимость в измерительной ионизационной камере датчика. Вальтер с расстройства закурил и вскоре с удивлением заметил, что микроамперметр, подключенный к датчику, зафиксировал падение тока. Оказалось, что частицы дыма от сигареты воспроизвели тот эффект, который не смог обеспечить отравляющий газ (схема В). Этот эксперимент Вальтера Йегера проложил путь для создания первого детектора дыма.

Основывается на фиксации, регистрации изменений показателей электротока, проходящего через ионизированные молекулы воздушной среды в чувствительном элементе датчика, при воздействии на них мелких частиц летучих продуктов реакции горения.

При попадании таких частиц в камеру датчика ионизационного дымового извещателя они за счет разности электрических потенциалов присоединяются к ионам, что снижает скорость их движения и, как результат, силу тока; при снижении их количества, удалении из чувствительного элемента устройства – сила тока начинает расти.

Уменьшение силы электротока, проходящего через ионизированный воздух, до порогового/критического значения, установленного настройками изделия, воспринимается устройством как признак обнаружения очага пожара в контролируемой зоне, защищаемом помещении; с формированием, передачей тревожного сообщения на приемно-контрольную аппаратуру установки АПС или блок управления системы автоматического пожаротушения.

Принцип работы радиоизотопных дымовых извещателей основывается на ионизации воздушной среды в контрольной камере чувствительного элемента, размещенного внутри корпуса изделия, при интенсивном излучении его маломощным узконаправленным источником радиоактивного излучения; в электроиндукционных пожарных датчиках ионизация воздуха осуществляется униполярным коронным разрядом электрического тока.

Конструкция

Получившего наибольшее распространение по сравнению с электроиндукционным устройством, ионизационного радиоизотопного дымового извещателя состоит из следующих элементов:

Корпуса из высококачественного пластика, например, негорючего поликарбоната с отверстиями для входа и выпуска воздуха, дымовых газов, защищенными как мелкой металлической сеткой от проникновения насекомых, так и формой корпуса вокруг них, их расположением на нем для защиты от воздействия прямых воздушных потоков.
Монтажной базы с электронной печатной платой, на которой установлены две, последовательно включенные в электрическую цепь ионизационные камеры – контрольная и измерительная; блок управления с микроконтроллером, предназначенный для обработки данных, передачи сигналов, адресации устройства; входными/выходными скользящими зажимными контактами/клеммами для подключения к шлейфу установки АПС.
Конструктивно контрольная камера размещена внутри измерительной, являясь закрытым объемом, защищенным от проникновения частиц дыма; в то время как измерительная камера открыта, предназначена для свободного проникновения, фильтрации газовоздушной среды для фиксации происходящих в ней изменений.

Типовая конструкция ионизационного извещателя

Компактного источника радиоактивного излучения, чаще содержащего ничтожно малое количество изотопа америция-241, нанесенного на металлическую фольгу, установленного внутри контрольной камеры. Его излучение проникает через обе камеры, образуя в воздухе положительно и отрицательно заряженные частицы – ионы воздуха; при этом радиоизотопный источник излучения несет положительный, а внешняя измерительная камера – отрицательный заряд. При подаче электропитания на входные контакты ионизационного пожарного извещателя внутри него возникает электрическое поле.
При накоплении на сигнальном электроде, установленном на границе соединения контрольной и измерительной дымовой камер, положительного заряда достаточной силы, установленного настройками микроконтроллера; он через аналого-цифровой преобразователь, входящий в состав электронной интегральной схемы, формируется в тревожный сигнал, передаваемый на прибор/блок установки АПС.

Сила тока в ионизированном пространстве внутри такого пожарного извещателя остается стабильной только при сохранении нормальных условий в зоне контроля.

При малейших изменениях в воздухе ионизационные пожарные извещатели чутко реагируют, приводя в действие весь комплекс автоматической противопожарной защиты, что дает возможность, если не сразу ликвидировать очаг возгорания; то дать возможность локализовать его, дать время до прибытия пожарных подразделений, минимизировать материальный ущерб.

Ионизационный датчик пламени принцип работы

Назначение и принцип работы ионизационного электрода