Zasady testowania czujników płomieni: Część 1

Czujnik płomienia to jedno z najważniejszych urządzeń zabezpieczających, znajdujących się w komorach spalania przemysłowych urządzeń grzewczych, takich jak kotły parowe, piece suszarnicze czy suszarnie przemysłowe. Czujnik płomienia sprawdza, czy płomień pilotowy oraz płomień główny są rzeczywiście zapalone. Przy właściwej instalacji i obsłudze czujniki płomienia mają za zadanie zapobiegać wybuchom kotłów spowodowanym zapaleniem się paliwa nagromadzonego w komorze spalania w sytuacjach awarii palnika („płomienia”). Awaria płomienia występuje, kiedy płomień w komorze spalania kotła czy pieca zanika z powodu problemów ze sprzętem czy niewłaściwego przebiegu procesu. Wszystkie urządzenia, w których zachodzi spalanie, niezależnie, czy jest to piec, czy kocioł, mają zamontowane czujniki do monitorowania sygnału płomienia.

W artykule prezentujemy zasady oraz aplikacje stosowane do testowania czujników płomienia i procesów w przemysłowych systemach grzewczych, a w szczególności opalanych gazem lub olejem. Aby właściwie przetestować i nadzorować czujniki płomienia, technik czy inżynier muszą dokładnie rozumieć zasady normalnej pracy urządzeń grzewczych, znać podstawy elektryki oraz mieć doświadczenie z nowoczesnymi cyfrowymi miernikami wielofunkcyjnymi (digital multimeter – DMM).

Podstawowe zasady działania czujników płomienia i systemów sterowania palnikami

Producenci nowoczesnych urządzeń grzewczych zazwyczaj instalują półprzewodnikowe czujniki płomienia w fabryce, aby wykrywały płomień w komorze spalania. Czujniki są podłączone do systemu sterowania palnikiem w panelu sterującym urządzenia grzewczego. Systemem sterującym może być nowoczesny regulator z mikroprocesorem lub regulator elektromechaniczny starszego typu. System sterowania palnikiem utrzymuje ustaloną kolejność (etapy) wykonywania czynności, zapewniającą bezpieczne uruchomienia i wyłączenia urządzenia. Kolejne etapy postępowania są następujące:

• przedmuchiwanie wstępne
• zapłon
• sprawdzenie płomienia pilotowego
• sprawdzenie zapłonu i płomienia palnika głównego
• monitorowanie w trakcie pracy
• wyłączenie palnika
• przedmuchanie po zakończeniu pracy

Podczas sprawdzania płomienia pilotowego czujnik płomienia przesyła sygnał do zespołu sterującego palnika. Jeśli płomień pojawia się na palniku w określonym przedziale czasu (zazwyczaj 1–2 minuty), wysyłany jest ciągły sygnał do regulatora, co pozwala na wykonanie kolejnego etapu, którym jest zazwyczaj zapalenie głównego palnika. Jeśli jednak sygnał o płomieniu nie jest właściwy lub jeśli nie pojawi się podczas danego cyklu spalania, regulator palnika blokuje daną funkcję sterującą, której nie można uruchomić bez ręcznego zerowania. Zazwyczaj blokada palnika to funkcja nadzoru płomienia, która odcina dopływ paliwa (do palnika pilotowego oraz głównego) zasilającego palnik.

Zastosowanie czujnika płomienia

Czujniki płomienia są dostępne w różnych wielkościach i kształtach dostosowanych do różnych zastosowań. W kotłach, piecach, suszarniach i piecach do wyprażania czujniki płomienia są instalowane fabrycznie. Rodzaj stosowanego czujnika zależy od rodzaju płomienia, paliwa, wielkości palnika oraz stopnia trudności wykrywania lub obserwowania płomienia. Głównym czynnikiem, jaki należy wziąć pod uwagę, jest temperatura, na jaką będzie narażony czujnik. Trudne zastosowania to na przykład palniki emitujące podczerwień, palniki na dwa rodzaje paliwa oraz palniki zasilane węglem, gorące elementy ogniotrwałe oraz warunki, gdzie występują zakłócenia zapłonu.

Rodzaje czujników płomieni i sensorów (czujników pomiarowych)

W komorach spalania urządzeń grzewczych są używane następujące rodzaje czujników płomieni:

Rys. 1. Czujnik typu CAD jest ceramicznym krążkiem powleczonym siarczkiem kadmu, na który jest nałożona siatka przewodząca. Elektrody podłączone do krążka ceramicznego przekazują sygnał elektryczny do sterownika głównego. Czujnik CAD ma wysoką oporność elektryczną w ciemności a niską w świetle

Fotorezystorowy (siarczek kadmu) – czujnik płomienia zawierający element fotoprzewodzący, stosowany w układach głównego sterowania olejem. Czujnik będący wtykową fotokomórką instalowany jest w przewodzie powietrznym palnika, z którego fotokomórka może „widzieć” płomień. Czujnik jest podpięty do głównego układu sterowania olejem, rys. 1. Fotokomórka to ceramiczny krążek powleczony siarczkiem kadmu, na którym znajduje się siatka przewodząca. Elektrody przymocowane do ceramicznego krążka przesyłają sygnał elektryczny do głównego układu sterowania. W ciemności siarczek kadmu ma bardzo wysoki opór elektryczny. W świetle widzialnym jego opór jest bardzo mały, co pozwala na przewodzenie prądu. Cały zespół jest hermetycznie uszczelniony, co ma zapobiec uszkodzeniu czujnika.

Na podczerwień (IR) – czujnik płomienia na podczerwień to fotokomórka z siarczku ołowiu, wrażliwa na promieniowanie IR emitowane podczas spalania paliw, takich jak gaz ziemny, olej czy węgiel. Ponieważ ponad 90% całości promieniowania płomienia stanowi podczerwień (IR), czujniki te otrzymują wystarczającą ilość promieniowania i mogą wykrywać nawet słabe płomienie, jak również płomienie o większej intensywności. Fotokomórka z elementem z siarczku ołowiu (stosowanym w tym czujniku) nie potrafi wychwycić różnicy pomiędzy promieniowaniem IR emitowanym przez rozgrzane, żaroodporne elementy a promieniowaniem emitowanym przez płomień.

Dlatego układ czujnika promieniowania IR jest wyposażony we wzmacniacz, który reaguje tylko na migotanie charakterystyczne dla promieniowania płomienia, a nie reaguje na stałe promieniowanie typowe dla gorących elementów żaroodpornych. Niestety, dym lub aerozol paliwowy znajdujące się w komorze spalania mogą od czasu do czasu odbijać, zaginać czy też pochłaniać promieniowanie rozgrzanych elementów żaroodpornych, co prowadzi do występowania fluktuacji promieniowania. Te fluktuacje mogą symulować migotanie płomienia, a promieniowanie IR może być nadal obecne, nawet jeśli element żaroodporny w sposób widoczny przestał się żarzyć. Dlatego należy zachować bardzo dużą ostrożność podczas stosowania systemów wykrywania płomienia z sensorami IR; trzeba mieć pewność, że reagują tylko na płomień.

Opór elektryczny siarczku ołowiu zmniejsza się pod wpływem promieniowania IR. Jeśli fotokomórka z siarczku ołowiu zostanie poddana działaniu napięcia, prąd będzie przepływał, kiedy czujnik jest pod wpływem promieniowania IR.

Na światło widzialne – ten czujnik płomienia reaguje na światło widzialne emitowane przez płomień spalający olej opałowy. Czujnik jest używany ze specjalnym systemem zabezpieczającym, który nadzoruje płomień w palnikach do spalania oleju opałowego w zastosowaniach komercyjnych i przemysłowych. W optymalnych warunkach czujnik płomienia jest w stanie wykryć większość płomieni ze spalania oleju opałowego z odległości 1,8 metra. Krytyczne czynniki wpływające na określenie właściwej odległości czujnika od płomienia to: optymalizacja sygnału płomienia (prądowego lub napięciowego) oraz temperatura czujnika płomienia. Inne czynniki mogą również być istotne, ale to już zależy od konkretnej aplikacji. Czujnik musi po prostu widzieć płomień. Należy go umiejscowić tak blisko płomienia, na ile pozwalają ograniczenia fizyczne i temperaturowe.

Czujniki na światło widzialne zaczynają zastępować czujniki fotorezystorowe typu cad (siarczek kadmu). Jednakże temperatura fotokomórki na światło widzialne nie może przekraczać 73°C, a temperatura płytki pomiarowej nie może przekraczać 93°C.

Na światło ultrafioletowe (UV) – czujniki reagujące na promieniowanie UV emitowane z płomieni każdego rodzaju. Te elektroniczne urządzenia półprzewodnikowe reagują na promieniowanie emitowane podczas spalania większości paliw węglowodorowych, takich jak gaz ziemny, gaz propan-butan oraz olej opałowy.

W przypadku spalania większości paliw węglowodorowych emitowana jest wystarczającą ilość promieniowania UV, aby czujnik mógł wykryć obecność płomienia w komorze spalania. Czujnik jest montowany poza komorą spalania. Kiedy płomień jest obecny, czujnik wykrywa emitowane promienie UV i generuje sygnał, który jest przesyłany do wzmacniacza w systemie nadzoru płomienia.

Wzmocniony sygnał uruchamia przekaźnik płomienia, zapewniając prawidłowe działanie systemu. Jeśli płomień zgaśnie, przekaźnik nie przekaże sygnału, co w konsekwencji spowoduje odcięcie dopływu paliwa do palnika pilotowego i głównego. Ponieważ rurka sensora UV musi widzieć płomień, należy go umieścić tak blisko płomienia, jak tylko pozwalają warunki fizyczne, temperatura oraz inne ograniczenia.

Rys. 2. Pręt czujnika płomienia i palnik są elektrodami, do których jest przyłożony prąd zmienny. Płomień działa jak prostownik sygnału, który następnie (jako DC) jest przekazywany do systemu nadzoru płomienia

Prętowe czujniki płomienia są stosowane łącznie z systemem nadzoru płomienia w palnikach gazowych lub olejowych, przemysłowych lub komercyjnych wyposażonych w gazowe palniki pilotowe. Zarówno czujnik prętowy płomienia, jak i system nadzoru zużywają bardzo mało prądu. Ten prąd czujnikowy jest przewodzony przez płomień, który działa jako prostownik. Czujnik oraz palnik mające wspólne uziemienie stanowią elektrody czujnikowe, na które podawany jest sygnał AC (prądu zmiennego), rys. 2.

Prąd przepływa do uziemienia tylko w jednym kierunku, co generuje sygnał DC (prądu stałego), który można monitorować oraz mierzyć; podawany jest na wejście systemu nadzoru płomienia. System nadzoru płomienia przecina dopływ paliwa, kiedy płomień gaśnie.

Autor: George Allen