Датчик пламени Siemens QRA2 и попытка сваять ему замену

Датчик пламени Siemens QRA2 применяется в горелках промышленных котлов.
Несмотря на простую конструкцию, они выходят из строя очень часто. И, по закону подлости, в самый неподходящий момент.
В обзоре рассказывается о попытке слепить аналог этого датчика из подручных материалов.

Рассчитано на опытных радиолюбителей и КИПовцев.

1. Введение
Датчики пламени разработаны для использования вместе с автоматами горения Siemens для контроля горения пламени газа или жидкого топлива.
Безотказная работа горелки гарантируется, если интенсивность УФ- излучения в месте нахождения датчика пламени будет достаточно высокой для зажигания фотоэлемента датчика в течение каждой полуволны.
Интенсивность УФ- излучения в месте нахождения датчика проверяют путем замера тока
датчика пламени:
Самый интересный момент производитель, естественно, не указал: какой ток должен быть в цепи.

Мне достался уже дохлый датчик пламени:
Металлизированный пластмассовый корпус предотвращает образование статических зарядов, создаваемых потоком воздуха работающего вентилятора и устанавливается непосредственно на горелке.

Под направляющим хомутом можно увидеть маркировку:

Сердцем датчика является радиолампа, изготовленная по секретным технологиям времён 2-й мировой войны фотоэлемент AGR4 502 1131 0, чувствительный к УФ излучению:
Средний срок службы УФ-элемента приблизительно 10,000 часов при макс. 50 °C,
при более высокой температуре окружающей среды срок службы элемента значительно сокращается.

Чувствительный фотоэлемент содержит два электрода, проводимость между которыми возникает при УФ облучении в диапазоне 190...270 нм. При этом в цепи датчика пламени проходит ток.
УФ — ячейка не реагирует на раскаленный огнеупорный кирпич в камере сгорания,
дневной свет или свет от освещенности котельного помещения.



Устанавливается датчик пламени вот в такую деталь:
Диаметр отверстия 22,5мм

Горелка с установленным датчиком:
Общий вид горелки 1,75 МВт:

2. Далее эксперименты продолжились на другом объекте (ну там конспирация и всё такое).

Осциллограммы работы исправного датчика пламени выглядят следующим образом.
По напряжению (замер непосредственно на контактах клеммника датчика пламени):
Делитель 1:10, закрытый вход осциллографа.
На датчик подаётся фаза 220В без всяких диодов.
На нижнюю полуволну датчик не реагирует никоим образом, на положительной полуволне происходит его частичное отпирание, подобно стабилитрону примерно до 250В.

Осциллограмма тока (замер на резисторе 10 кОм, делитель отключен):
«Тычки» тока около 4 мА.

С виду всё просто, подумал я. И взялся за паяльник.

3. Сборка аналога предполагалась из доступных фотодиодов и транзисторов.
Спаял на макетке вот такое:
Четыре фотодиода последовательно (по 0,25В на каждом при хорошем освещении),
и вся эта батарея — к базе и эмиттеру высоковольтного транзистора.
Ну и параллельно батарее резистор 200кОм для подстраховки.

Проверил по быстрому: выпрямленное сетевое 330В транзистор держит нормально, от пламени зажигалки вроде бы открывается.

Далее ушло немало времени на поиск подходящей прозрачной трубки для корпуса самоделки.



Тем временем собрал схемку на кусочке растровой платы:
Позже добавил диод 1n4007 в цепи коллектора транзистора.

Примерка прошла успешно:

Сделал донышко из эпоксидки:
С виду неплохо:
«Входит и выходит» ©:

Прибыл на объект, установил при помощи синей зелёной изоленты:
Запуск и… дудки: контроллер не увидел пламя. ((

Повторный пуск и тот же результат.
Осциллограмма что без пламени, что с кратковременным пламенем одинаковая:
По ходу выяснилось, что выходное сопротивление контроллера около 80 кОм.
Вот такой вот облом.

4. Уже дома собрал стенд для проверки самоделки:
фото
Пара трансформаторов — это гальваноразвязка 220-220В т.к. осциллограф дома usbишный.

С пламенем зажигалки (2см от фотодиодов) получилось картинка:

Чисто для пробы замкнул коллектор-эмиттер транзистора первым попавшимся резистором, чтобы сымитировать открытие транзистора:
Совсем другое дело! Т.е. схема банально слепая.
Вывод: необходимо увеличить чувствительность на порядок!

Поиздевался ещё немного над датчиком: удалил резистор 200 кОм. Бесполезно.
Слишком примитивная схема.

На этом решил прекратить тратить время впустую и использовать решения на базе операционного усилителя…

Решение проблемы низкой чувствительности есть: использование мелкой солнечной панели.
Самое малогабаритное, что удалось найти на али, 53*18мм:
Но в таком размере только 0,5В версия (это при сильном освещении, а при слабом хорошо, если 0,2В набежит).
Ну пока есть время подумать.
5. Не просто операционный усилитель, а специализированный со встроенным фотодиодом.
OPT101
Схема получилась простейшая:
OPT101, с выхода резистор 20кОм на базу высоковольтного транзистора; в цепи коллектора диод 1n4007 (он же защитный для транзистора).
И… питание от батарейки. ))

Чтобы был запас по чувствительности, параллельно встроенному фотодиоду добавил ещё внешний дополнительный:
В «корпусе»:
В качестве испытательного воздействия — пламя зажигалки с расстояния 10см: проверил, фурычит.
Ток потребления 120мкА в темноте и 240 мкА при наличии пламени.

Если очень захочется снизить ток потребления, OP90 с потреблением 15мкА и высоковольтный полевик с изолированным затвором. И питание от 9..12В.
Словом, будет чем заняться по окончанию отопительного сезона…

Всем добра и удачных экспериментов!