Датчик пламени ФЭП-Р для газового котла. Доработка схемы.

Незапланированный DIY накануне Нового года. Или опять разработка схемы для промышленного применения.
Надо было молчать, но уже поздно. Обзор для электронщиков и теплотехников.

1. Из-за известных событий пришлось мне поменять место обитания и работу.
Официально я числюсь просто КИПовцем, но реально это 5в1:
— электронщик\электрик
— теплотехник\технолог
— немного слесарь\механик
— специалист по газовым котлам всех пород и мастей
— водитель



Вот так я и оказался на пару с сотрудником на котельной консервного завода, где функционируют оставшиеся два живых котла (№2 и №3):

Проблемный котёл справа (№3).

Есть ещё два нерабочих котла (№1 и №4): это доноры запчастей.

2. Описание проблемы.
На котлах установлены комплекты средств управления КСУ-ЭВМ-М (далее по тексту «система» ).
Процессорный модуль на базе Atmel AT89C51:


«Комплект предназначен для управления:
— работой одногорелочных и двухгорелочных водогрейных и паровых
котлов, работающих на газообразном и/или жидком (включая мазут) топливе;
— работой сушильных и других видов одногорелочных и двухгорелоч-
ных теплоагрегатов, работающих на газообразном и/или жидком (включая
мазут) топливе.
Модернизированный комплект средств управления КСУ-ЭВМ-М по
своим техническим характеристикам, установочным размерам, названиям цепей, номерам контактов внешних разъемов полностью заменяет комплект средств управления КСУ-ЭВМ.
Комплект обеспечивает работу теплоагрегатов без постоянного присутствия персонала. » ©

Котёл №2 работает более-менее нормально.
А вот котёл №3 без всяких причин спонтанно аварийно останавливается: система обнаруживает ОТСУТСТВИЕ пламени основной горелки.

Далее всё как положено: срабатывание отсечных клапанов по газу и звуковая сигнализация (звоночек 1в1, как в школах).
Оператор мирный сон которого был прерван вынужден выполнять серию привычных телодвижений около котла, после чего работа котла возобновляется на какое-то время.
И так много раз…

Естественно, заказчик делает звонок руководству обслуживающей организации, в которой я аrbeiten.
И группа КИПовцев выезжает на объект в попытках что-то там исправить.

Ещё один любопытный момент: котёл №3 до ремонта работал без сбоев, а после ремонта начались чудеса.

3. Суть проблемы
В комплект КСУ-ЭВМ-М входит датчик пламени ФЭП-Р:

Преобразователь фотоэлектрический ФЭП-Р предназначен для преобразования пульсаций инфракрасного излучения пламени в электрические импульсы в схемах защиты и сигнализации в составе котельной автоматики типа КСУ-ЭВМ(-М) и КРиК-2. ©

Внутри корпуса за стекляшкой прячется фоторезистор ФР1-3:

Бывает исполнение с фоторезистором в каком-то другом корпусе:


Датчик устанавливается на фланце таким образом, чтобы фоторезистор «видел» пламя внутри топки:


Схема ФЭП-Р нашлась в открытом доступе:


Питание схемы: 24..30 В.

В схеме допущен ряд ошибок:
— в стабилитрон кс213б2 «вдули» 0,22 Вт, что за пределами его скромных возможностей (max 150 мВт по паспорту или 50 мВт, если хочется, чтобы надёжно)
— организация питания операционного усилителя (ОУ) не подходит для работы каскадов (переменка относительно нуля).
И т.д. по мелочи.

Да, оно как-то работает. Но есть «маленькая» принципиальная ошибка.
Пульсирующее пламя есть следствие неправильного режима работы горелки. В частности, такое бывает, когда происходит срыв пламени.
Но разработчики ФЭП-Р приняли за основу, что пульсирующее пламя — это норма.
Получается, что в случае непульсирующего пламени система будет видеть… отсутствие пламени.


И чёрт меня дёрнул сказать «мне бы осциллограф, чтобы посмотреть выход датчика пламени».
Для экспериментов работы мне выдали новенький цифровой осциллограф АКИП-4115/3А.

По прибытию на объект вот что увидели:

Сорри за качество.


Естественно, выходной сигнал непериодический и крайне нестабильный.
Что приводит к ложным срабатываниям системы.

Заказчик пожертвовал для экспериментов полурабочий ФЭП-Р, мол, дерзай.
Собственно, мне нужен был только корпус и фоторезистор.

4. Меняем схему
Постановка задачи:
— максимальная простота и дешевизна схемы
— выходной сигнал типа — меандр, чтобы «обмануть» процессор в схеме
— питание 24..30 В

Из схемы-донора был извлечён фоторезистор ФР1-3.
Вот его характеристики:

Особенность этого фоторезистора: пик его чувствительности приходится на длину волны 2 мкм (ИК диапазон).

По факту темновое сопротивление выковырянного экземпляра оказалось около 300 кОм.
Для рабочих режимов горелки были определены два значения:
— около 50 кОм для режима т.н. большого горения
— около 80 кОм для режима т.н. малого горения

Схема сначала была «собрана» в MultiSim10:

R9 — это фоторезистор.

На ОУ U5A собран генератор на частоту около 36 Гц.
ОУ U5B — это компаратор.

Работает схема проще некуда:
— при отсутствии пламени на выходе логический ноль

— при наличии пламени на выходе меандр около 36 Гц


Питание ОУ +6В (стабилизатор 78L06), чтобы выходной уровень логической единицы LM358 был около 4,5 В.

Схема на стадии сборки:

Всё собрано на макетной печатной плате:


Проверка схемы в домашних условиях была проведена при помощи пламени спички. )))
Затем макет был помещён в корпус, и далее испытания продолжились на реальном объекте.

Имитация погасания пламени основной горелки выполнялась… путем закрытия поворотной задвижки на газовой трубе.
Проверка была выполнена несколько раз. Всё работает без проблем.

5. Вместо заключения.
И так, макет проверен в работе. Всё ОК.
Теперь осталось лишь изготовить печатные платы, спаять все аккуратно и установить в корпуса датчиков ФЭП-Р.
Но это уже в Новом году.
Надеюсь, схема пригодится ещё кому-нибудь.

Всем мира и благополучия!