使用火焰校正来检测燃烧器火焰存在的方法和系统 相关申请的交叉引用 [0001] 本申请要求 2021 年 10 月 6 日提交的美国临时申请第 63/252,663 号的权益,其全部内容通过引用并入本文。 场地 [0002] 本公开涉及使用火焰整流检测燃烧器火焰存在的系统,更具体地,涉及当存在火焰时使用火焰棒和热表面点火器形成整流电流路径的一部分的改进方法和系统。 背景 [0003] 当操作燃烧器时,希望提供一些方法来确定是否存在火焰以确保未燃烧的燃烧气体不会供应到燃烧器及其周围环境并且不会产生爆炸危险。 一种已知的用于检测火焰存在的装置是“火焰棒”或“火焰校正棒”。 [0004] 火焰棒是带有陶瓷绝缘体的导电棒,用作第一电极,并在燃烧器点燃时定位以接触火焰。 燃烧器外壳用作第二电极。 当它存在并且向火焰棒提供激励电压时,火焰提供允许电流从火焰棒流向燃烧器外壳的导电路径。 相反,当提供激励电压且不存在火焰时,没有电流从火焰棒流向燃烧器外壳。 感测电路通常连接到火焰棒以检测从火焰棒到燃烧器外壳的电流的存在,从而可以提供火焰存在或不存在的指示。 燃烧过程通常会产生污染火焰棒的烟灰或其他沉积物。 沉积物充当绝缘体,增加了 火焰棒的阻抗并在给定电压下减少燃烧器的电流。 因此,由于火焰棒的阻抗达到过高水平,必须以一定频率更换或维修火焰棒。 因此,需要一种改进的方法来使用火焰整流来检测燃烧器火焰的存在。 概括 [0005] 根据本公开的第一方面,提供了一种燃烧器火焰检测系统,其包括具有导电端子的导电火焰传感器和具有火焰检测信号输出节点的火焰感测电路。 导电火焰传感器导电端子靠近具有导电体的燃烧器定位。 燃烧器具有点燃状态和未点燃状态,使得当燃烧器处于点燃状态时,燃烧器和传导性火焰传感器彼此电连通。 火焰感应电路被配置为向导电火焰传感器导电端子提供频率为约24kHz至约300KHz的交流电,并且当燃烧器处于点火状态并且交流电被提供给导电端子时, 火焰传感电路产生从导电火焰传感器导电端子到燃烧器的整流电流。 [0006] 根据本公开的第二方面,提供了一种确定燃烧器是否被点燃的方法。 该方法使用包括导电端子并且定位在燃烧器附近的导电火焰传感器。 该方法包括提供可操作地连接到导电端子的火焰感测交流电源,该交流具有从大约24kHz到大约300kHz的频率; 当交流电源向火焰传感器导电端子提供交流电,燃烧器处于点火状态时,导电火焰传感器产生整流电流至燃烧器 [0007] 根据本公开的第三方面,提供了一种燃烧器火焰检测系统,其包括热表面点火器,该点火器包括连接到导电端子并靠近具有导电体的燃烧器定位的导电图案。 燃烧器有点燃状态和未点燃状态, 使得当燃烧器处于点火状态时,导电端子和燃烧器导电体彼此电连通。 在一个优选的例子中,燃烧器火焰检测系统包括火焰感应电路,该火焰感应电路被配置为向热表面点火器导电端子提供火焰感应交流电,其中当燃烧器处于点火状态并且火焰感应交流电被提供给 热表面点火器导电端子,火焰传感电路产生从热表面点火器导电端子到燃烧器的整流电流。 [0008] 根据本公开的第四方面,提供了一种确定具有导电体的燃烧器是否被点燃的方法。 该方法包括提供具有导电端子并靠近燃烧器定位的导电火焰传感器,以及提供可操作地连接到导电端子并具有频率为约 24kHz 至约 300kHz 的交流电并产生整流的火焰感测交流电源。 当火焰感应交流电源向导电火焰传感器的导电端子提供火焰感应交流电时,导电火焰传感器流向燃烧器的电流,燃烧器处于点火状态。 附图的简要说明 [0009] 图l是描述根据本公开的燃烧器火焰检测系统的示意图; [0010] 图2A是描述图1的修改的示意图,其中热表面点火器的加热导电图案也被用作火焰感应导电图案; [0011] 图2B是描绘图1的修改的示意图,其中热表面点火器包括加热导电图案和单独的火焰感测导电图案。 [0012] 图3A是描绘用于向图1的振荡器电路提供DC电压的直流电源的示意图; [0013] 图 3B 是描绘用于提供交流电源的示意图 图1的振荡器电路的直流电压; [0014] 图4A-4D描绘了适合用作图1的燃烧器火焰检测系统中的火焰传感器的“第三条腿”热表面点火器的各种示例; [0015] 图5A-5C描绘了当火焰感测电路经受交流电时火焰棒驱动电路双极结型晶体管的发射极、集电极和基极以及图1的火焰棒驱动电路电容器输出节点的电压对时间数据 燃烧器火焰不存在; [0016] 图6A-6C描绘了当火焰感测电路经受交流电时火焰棒驱动电路双极结型晶体管的发射极、集电极和基极以及图1的火焰棒驱动电路电容器输出节点的电压对时间数据 并且存在燃烧器火焰; [0017] 图7A-7B分别是具有特定污垢程度的火焰棒的模拟峰峰值电压和平均电压对频率的曲线图; 和 [0018] 图8A-8B分别是一周后图7A-7B的结垢火焰棒的模拟峰峰值电压和平均电压对频率的曲线图。 [0019] 相似的附图标记指代图中相似的部分。 描述 [0020] 本文的系统和方法使用“火焰校正”的特性来确定是否存在燃烧器火焰。 在火焰整流中,活动火焰定义了从火焰传感器到燃烧器主体的电气路径。 如技术人员所知,基于 Mbllberg 的火焰模型,通过火焰的导电路径可以建模为与二极管串联的高阻(兆欧)电阻器。 因此,当受到交流电时,火焰在交流信号为正时导电,而在交流信号为负时作为开路。 [0021]火焰棒是导电棒,通常用作火焰整流传感器。 当燃烧器点燃时,棒通常位于火焰内。 随着时间的推移,燃烧过程中产生的烟灰和其他颗粒物质会积聚在火焰棒上并“污染”它,从而导致其灵敏度降低。 已经发现火焰棒可以建模为电容器。 累积存款可以建模为 不同厚度的绝缘体。 正如本领域技术人员所知,RC 电路的复阻抗是电阻和“电抗电容”的向量和: (1) Z ² = R ² + X ² X _c c = — 2nfC 其中 Z= 复数(矢量)阻抗(欧姆) R=电阻(欧姆) f=频率(秒 ^-1 ) C=电容(法拉) X _c =容抗 [0022] 如等式 (1) 和 (2) 所示,随着沉积物在火焰棒上的积累,其电容会降低,从而增加电抗电容 Xc 对阻抗 Z 的贡献。在 60 Hz 的标准(美国)交流频率下, 火焰棒上形成的污染物会产生很大的阻抗。 正如等式 (1) 和 (2) 还表明的那样,随着施加的交流信号的频率 f 增加,容抗 Xc 减小,并且复阻抗接近电阻。 已经发现,通过充分增加提供给火焰棒的交流激励信号的频率,可以显着降低火焰棒阻抗对烟灰或其他沉积物积聚的敏感性。 [0023] 热表面点火器是一种众所周知的点燃燃烧气体的装置。 氮化硅热表面点火器通常包括两个绝缘瓦片,在两个绝缘瓦片的内表面之一上印有印刷的导电发热图案。 当连接到电压源时,导电的发热图案会产生热量。 还发现,这种结构的热表面点火器也可以用作火焰整流传感器,并可以建模为电容器。 相对于火焰棒,热表面点火器具有产生燃烧温度的额外优势,这使它们能够烧掉累积的沉积物并避免火焰棒所需的更换周期。 本文公开的电路旨在生成适用于一个电压范围的二进制 (ON/OFF) 信号 商业微控制器基于火焰整流传感器暴露于火焰时产生的火焰整流信号的存在。 [0024] 参考图1,描绘了燃烧器火焰检测系统20。 燃烧器火焰检测系统20包括导电火焰传感器22和火焰感测电路24。火焰传感器22优选地是相对于燃烧器21定位的火焰整流传感器,使得当燃烧器21被点燃时,从火焰传感器22存在电气路径 ,通过火焰到达包括燃烧器21的导电燃烧器主体。 [0025] 火焰感测电路24被设计成在火焰感测电路24的火焰检测信号输出节点36处提供适合于输入到火焰存在指示器的信号。 该指示器优选地是视觉的和/或听觉的。 火焰存在指示器可以是独立的指示器或者可以与控制器集成,例如市售的微控制器。 在优选示例中,控制器可操作地连接到燃气阀,该燃气阀可操作以选择性地将燃烧气体供应到燃烧器21。在某些优选示例中,火焰感测电路24被设计成在火焰感测电路输出端提供二元信号(开/关) 即使火焰传感器 22 生成的信号不是二进制信号,节点 36 在图1的示例中,火焰感测电路24被设计成当不存在火焰时提供逻辑高指示(例如,3.3V或5V)并且当存在火焰时提供逻辑低指示(例如,0V)。 [0026]火焰传感器22优选是火焰棒或热表面点火器。 在火焰传感器22是热表面点火器的某些示例中,导热图案在点火操作期间产生热量并且在火焰检测操作期间检测火焰的存在。 在其他示例中,热表面点火器包括与加热导电图案分开的火焰感测导电图案,使得加热和火焰感测可以同时发生。 [0027] 火焰检测电路24在输入节点38接收交流电压信号,该信号是交流生成电路31的输出。交流生成电路生成的交流信号可以是正弦波,但最好是方波。 [0028] 在优选示例中,如图1所示,AC生成电路31是具有DC源33并且在输出节点34处生成AC方波的多谐振荡器振荡器电路。 [0029] 在图 1 的示例中,多谐振荡器振荡器电路是一个非稳态 本领域已知类型的振荡器电路。 AC产生电路31包括四个电阻器35a-35d,每个电阻器具有连接到DC源33的输入节点。电阻器35a和35d每个连接到各自的输出节点41a和41b。 输出节点41a连接到双极结型晶体管(BJT)37a的集电极和电容器39b。 输出节点41b连接到BJT 37b的集电极和电容器39a。 电阻器35b和35c分别连接到节点43a和43b。 电阻器35b的输出节点43a也连接到BJT 37a的基极,BJT 37a也连接到电容器39a。 电阻器35c的输出节点43c也连接到BJT 37b的基极,BJT 37b也连接到电容器39b。 [0030] 当直流电源33向电阻器35a-35d提供直流电压时,电容器39a和39b将充电和放电。 随着电容器39a和39b充电和放电,BJT 37a和37b将交替接通和断开,导致BJT 37a和37b集电极电压上升和下降,从而对电容器39a和39b再充电。 电容器39c和电阻器35e用作高通滤波​​器,去除否则将在AC生成电路31输出节点34处观察到的DC输出。DC源33提供从大约10V到大约48V的电源电压,优选地从大约 12V至约36V,更优选约24V。 DC源33在图3A中更详细地示出。 直流电源 33 包括具有接地端子 100 和正极端子 93 的电池 92,其连接到交流生成电路 31。 可以提供图3B。 AC转换电路49包括具有正端子96和接地端子100的24V AC电源95。正端子96连接到二极管97,二极管97连接到输出节点91,输出节点91连接到AC生成电路31。纹波电容器98被提供 输出节点91和地之间。 当交流电源95的电压为正且高于电容器98的饱和电压时,电容器98充电。 当AC电源95电压低于电容器98的饱和电压时,电容器98放电,从而平滑由二极管97半波整流来自AC电源95的电流引起的纹波。 [0031] 电容器39a和39b连同电阻器35b和35c被选择为通过调节流过电容器39a和39b的电流在输出节点34处实现AC信号的期望频率。 选择电阻器 35a 和 35d 以实现 通过调整流过 BJT 37a 和 37b 的电流来调整输出节点 34 处 AC 信号的所需上升沿时间。 在优选实施例中,交流发生电路31为平衡多谐振荡器,电阻35b、35c的阻值相等,电阻35a、35d的阻值相等,电容39a、39b的电容值相等。 [0032]在优选示例中,AC生成电路31的元件值被选择以在输出节点34处产生具有从24kHZ到300kHZ的频率范围的方波AC电压信号,更优选地从40kHz到200kHz,并且还更优选地从70kHZ到到 100kHZ,并且更优选地从80kHz到90kHZ。 在优选示例中,当燃烧器21被点燃时,这些频率在火焰感测电路输出节点36处产生稳定信号(逻辑高或逻辑低)。 已经发现,当火焰传感器22为火焰棒且交流发生电路输出节点34处的交流信号具有这些范围内的频率时,火焰传感电路输出节点36处的信号在燃烧器21被点燃时是稳定的,即使当显着时 火焰棒上堆积了沉积物。 用于实现上述优选频率的AC生成电路31的示例性元件值如下: 表格1 [0033] 火焰感测电路24包括火焰传感器驱动电路26、信号调节电路28和负载电路30。火焰传感器22包括导电端子32,其接收来自火焰的输出节点(未单独示出)的输出信号 传感器驱动电路26。在火焰棒的情况下,导电端子32电连接到火焰棒本体。 在热表面点火器的情况下,导电端子32电连接到热表面点火器中的加热导电图案或火焰感测导电图案。 [0034] 火焰传感器驱动电路26提供了一种放大当火焰传感器22经受交变电流同时存在火焰时引入的DC偏移的手段。 火焰传感器驱动器电路26包括电阻器42,其与火焰传感器22串联并且具有连接到电容器40和电阻器44的输入节点45。电容器40具有连接到输入节点38的输入。输入节点38连接到BJT 46发射极48和AC产生电路输出节点34。BJT 46发射极48也是火焰传感器驱动检测电路24的输出节点。电阻44连接到BJT基极60和电阻42输入节点45。BJT 46集电极50定义了一个 火焰传感器驱动器电路火焰检测输出节点连接到信号调节电路28。BJT 46充当开关,当存在火焰时将电流从集电极50供应到信号调节电路28。 [0035] BJT 46 是 PNP BJT,其中当存在电流流过基极 60 的路径时,从发射极 48 到具有固定电压的基极 60 存在正偏移。当不存在火焰时,实际上存在开路 火焰传感器 22 到燃烧器 21,并且没有电流从发射器 48 到基极 60 的路径。但是,当存在火焰时,并且存在电流通过基极到电阻器 42 的路径,BJT 46 导通 ,这允许电流从发射器 48 流向集电极 50。当没有火焰时,集电极 50 在正 AC 循环期间浮动在发射器 48 电压上,并在负 AC 循环期间连接到地。 流过电阻器42和火焰传感器22的电流在节点45处产生DC偏移电压,这导致发射极48和基极60之间的BJT 46偏移超过开启BJT 46所需的阈值。 火焰传感器驱动电路26的元件取值优选示例如下: 表 2 [0036] 当存在火焰时,随着 BJT 46 导通,电流从 AC 生成电路输出节点 34 流向二极管 52,二极管 52 是信号调节电路 28 的一部分。信号调节电路 28 包括 RC 低通滤波器并将二极管处的输入信号转换为 当存在火焰时,图52在信号调节电路输出节点66处产生正的且变化较小的信号。 减小的可变性确保负载电路30可以在负载电路输出节点36处更可靠地提供具有离散二进制值的DC电压,该节点也是火焰感测电路24输出节点。 [0037]信号调节电路28包括连接到电阻器58和电容器54的并联组合的二极管52。电阻器58和电容器54限定RC低通滤波器。 当 BJT 46 集电极 50 的交流信号为正时,二极管 52 正向偏置并允许电流通过。 当 BJT 46 集电极 50 的 AC 电压为负时,二极管 52 反向偏置并且不允许电流通过。 因此,电阻器58和电容器54仅承受正电压。 当 BJT 46 集电极 50 处的交流电压大于电容器 54 的电压时,电容器 54 充电直至达到其峰值电压。 当 BJT 46 集电极 50 处的交流电压低于电容器电压时,电容器 54 放电。 因此,电容器54平滑由二极管52提供的半波整流产生的纹波。电阻器58提供到地的路径以移除电容器54两端的过量电荷。电阻器58的输入节点56连接到限流电阻器62。 [0038] 信号调节电路28还包括限流电阻器62,其与齐纳二极管64一起连接到信号调节电路输出节点66。齐纳二极管64被反向偏置并且保护负载电路30免受电涌,因为一旦它达到其击穿电压 ,齐纳二极管64允许电流流向地,从而将信号调节电路输出节点66限制在击穿电压。 通常希望使信号调节电路输出节点66处的电压最大化。因此,优选地选择二极管52以具有小电压降。 还希望滤除AC噪声并在信号调节电路输出节点66处具有更快的响应,因此,电容器54被选择为具有低电容。 优选地选择电阻器62以具有将防止信号调节电路输出节点66处的电压浪涌的电阻,并且选择齐纳二极管64以在信号调节电路输出节点66处具有最大期望电压的击穿电压。 [0039] 信号调节电路28的元件值的优选示例在表3中示出: 表3 [0040] 信号调节电路28连接到负载电路30。在图1的示例中,信号调节电路28连接到MOSFET 68的栅极。MOSFET 68优选地是n型MOSFET,其中源极70接地 漏极72与节点77相连。由于它是n型MOSFET,当MOSFET导通时,沟道电流从漏极流向源极。 [0041] DC 源 74 向负载电路 30 提供直流电。负载电路 30 调节来自信号调节电路 28 的电压,以匹配连接到火焰感测电路输出节点 36 的控制器的输入要求。在替代实施方式中,DC 源 33 提供两者 AC生成电路31和负载电路30。在某些示例中,信号调节电路输出节点66处的电压范围从0-25V,优选地从0-12V,并且更优选地从0-9V,这取决于频率 AC发生电路输出节点34处的电压信号的变化。 [0042] 来自信号调节电路28的节点66的输出不是流入负载电路30的电流,而是使MOSFET 68导通和截止的电压。 当 MOSFET 68 导通时,它就像一个低阻电阻器,提供低阻抗接地路径。 因此,在没有齐纳二极管 78 和电阻器 80 的情况下,控制器的输入电压(即,火焰感测电路输出节点 36 处的电压)在存在火焰时将近似为零,并且近似为直流电源 74 的电压( 例如,24V),当没有火焰存在时,这对于许多商用微控制器来说太高了。 齐纳二极管78和电阻器80形成并联组合并且被选择以匹配微控制器(未示出)输入要求。 齐纳二极管78还通过有效地将火焰感测电路输出节点36处的电压限制在齐纳二极管78的击穿电压来保护控制器免受过电压。 [0043] 使用以下关系,电阻器80的电阻可以基于控制器的期望最大输入电压来确定: 其中,Rso=电阻器的阻值80(欧姆) V?4= 来自直流电源的直流输入电压 74(伏特) Vso=最大控制器输入电压(伏特) [0044] 在 R76 为 47kΩ 且最大控制器输入电压为 3.3V 的示例中,等式 (3) 得出 Rso 的电阻为 7.5kΩ。 也可选择齐纳二极管78使其击穿电压等于微控制器的最大输入电压以保护其免受浪涌。 首选示例性组件值 负载电路30在表4中提供: 表 4 [0045] 如前所述,在某些示例中,可以使用热表面点火器来代替火焰传感器22的火焰棒。热表面点火器包括至少两个陶瓷绝缘瓦片,具有设置在它们之间的导热图案,例如通过印刷 其中一个绝缘瓦片的其中一个内表面上的图案。 在优选实例中,瓷砖包含氮化硅。 这种氮化硅点火器的示例在美国专利申请No.16/366,479中示出,其全部内容通过引用并入本文。 [0046] 在某些示例中,仅包括导热图案的氮化硅点火器被用作火焰传感器22,而在其他示例中提供了热表面点火器,其包括导热图案和用作火焰传感器22的单独的火焰感测导电图案 . 在前一种情况下,点火器以加热模式和火焰感应模式运行。 在加热模式中,当在其导电端子上施加电压时,加热导电图案产生热量。 在火焰感应模式下,电压不会施加在点火器的端子上。 相反,其中一个端子连接到火焰的电阻器 42 传感器驱动电路26和另一个与地断开,以便当燃烧器21被点燃时,火焰感测导电电路充当向燃烧器火焰导电的电极。 图 2A 中显示了说明此类点火器的实施方式的示意图。 [0047] 在图2A中,点火器84表示为电阻器。 导热图案(未单独示出)连接到正极端子113a和接地端子113b。 开关86和88可选择性地打开以断开点火器84与交流电源82的连接并且可选择性地闭合以将点火器84连接至交流电源82,在这种情况下交流电源作为点火交流电源。 AC电源82具有正极端子83和接地端子85。开关86和88优选地限定单掷双极开关组件,其中一个致动器同时打开开关86和88或同时关闭开关86和88。 [0048] 在加热模式中,开关86和88处于闭合位置并且分别与正极点火器端子113a和接地点火器端子113b电接触。 在加热模式中,电流从交流电源 82 正极端子 83 流过点火器 84 并流向将点火器接地端子 113b 连接到交流电源接地端子 85 的节点 90。在火焰感应模式中,开关 86 和 88 处于打开位置 使得点火器84与交流电源82和地断开。 已经发现,当点火器 84 处于火焰感应模式时,将接地端子 113b 与地面断开连接很重要,因为否则来自火焰传感器驱动电路 26 的电流可能对地短路,而不是流过燃烧器火焰并流向燃烧器主体 21 . [0049] 参考图2B,提供了“第三条腿”热表面点火器的示例性实施。 短语“第三支腿热表面点火器”是指包含加热导电图案和火焰感应导电图案的点火器。 如图 4A-4D 所示,导热图案(例如,图 4A-4D 中的导热图案 116、136、156、170)可以夹在热表面点火器 84 的绝缘瓦片之间。火焰感测导电图案可以 位于两块最外面的绝缘瓦片之间或位于其中一块最外面的绝缘瓦片的外侧。 火焰感应导电图案与加热导电图案电隔离,并包括一个连接到传感器输出端的导电端子 32 火焰感应驱动电路电阻42(即火焰感应驱动电路火焰传感器输出节点)和火焰感应导电图形。 加热导电图案连接到正端子 92 和接地端子 94。正端子 92 通过选择性地打开和闭合开关 86 选择性地连接到交流电源 82,开关 86 连接到交流电源 82 的正极端子 83。接地端子 94与AC电源82的接地端子89一样接地,并且点火器接地端子94在节点90处连接到AC电源接地端子89。在加热操作期间,开关86闭合以放置热表面点火器的正极端子92 开关84与交流电源82的正极端子83电连通。在火焰感测操作期间,如果没有同时进行加热操作,则开关86将保持断开。 加热导电图案和火焰感测导电图案彼此电隔离,使得点火器接地端子94可以保持接地,而不会在点燃燃烧器21时通过燃烧器21的火焰使电短路。 [0050] 参考图4A-4D,示出了第三支路热表面点火器102、120、140和160的几个示例。 点火器102、120、140和160中的每一个包括至少两个陶瓷绝缘瓦片,导热图案布置在至少两个瓦片之间。 点火器102、120、140和160中的每一个还包括设置在至少两个陶瓷绝缘瓦片之间或至少两个陶瓷绝缘瓦片之一的外表面上的火焰感测导电图案。 瓷砖优选地由组合物形成并且具有美国专利申请No.16/366,479('479 App)中描述的尺寸。 本文所述的导热图案可由相同的材料并使用‘479 App中所述的相同工艺形成。 火焰感测导电图案也可由与'479 App.中所述相同的材料和使用相同的工艺形成,但不需要具有相同的图案,因为当燃烧器21时它们仅充当用于将电传导至火焰的电极 点亮。 它们也不需要配制来产生热量,除非相同的导电图案用于热量产生和火焰感测。 [0051] 如‘479 App.中所讨论的,用于本文所述的气体燃烧器系统的陶瓷热表面点火器是通过烧结陶瓷组合物制备的。 在某些示例中,烧结后,用于形成点火器的陶瓷绝缘瓦(不是 包括导电油墨电路)具有不小于10的室温电阻率 ¹² Q-cm,最好不小于10 ¹³ Q-cm,最好不小于10 ¹⁴ Q-厘米。 在相同或其他示例中,根据 ASTM C-1525,瓷砖的热冲击值不低于 900°F,优选不低于 950°F,更优选不低于 1000°F。 [0052] 在其他示例中,包含加热导电图案的导电油墨具有约 1.4x102 的(烧结后)室温电阻率 ⁴ Q cm 至约 4.5xl0' ⁴ Q cm,最好从大约 1.8xl0' ⁴ Q cm 至约 4.lx 10' ⁴ Q cm,更优选从约2.2xl0' ⁴ Q cm 至约 3.7xl0' ⁴ 问厘米。 对于沿其长度具有恒定横截面积的材料,根据众所周知的公式,给定温度 T 下的电阻率 p 与相同温度 T 下的电阻 R 相关: (4) R(T)=p(T) (1/A),其中 p= 导电电路材料在温度 Z 下的电阻率 (Q-cm); R = 在温度 Z 下的电阻 (Q); T= 温度(°F 或°C); A=横截面积(cm ² ) 垂直于电流流动方向的导电油墨电路; 和 1 = 导电油墨电路沿电流流动方向的总长度 (cm)。 [0053] 在横截面积沿导电电路的长度变化的情况下,电阻可以表示为: [0054] 其中,L=沿电流方向的电路总长度(cm),其余变量如等式(4)所定义。 [0055]在某些实例中,包含本文所述的陶瓷热表面点火器的陶瓷体优选包含氮化硅和稀土氧化物烧结助剂,其中稀土元素是镱、钇、 钪和镧。 烧结助剂可以作为选自前述稀土氧化物以及二氧化硅、氧化铝和氧化镁中的一种或多种的共掺杂剂提供。 还优选包括也增强致密化的烧结助剂保护剂。 优选的烧结助剂保护剂是二硅化钼。 稀土氧化物烧结助剂(有或没有共掺杂剂)的存在量优选为约2至约15重量%,更优选约8至约14重量%,还更优选约约15%重量。 占陶瓷体重量的 12% 至约 14%。 二硅化钼的存在量优选为陶瓷体重量的约3%至约7%,更优选为约4%至约7%,还更优选为约5.5%至约6.5%。 余量是氮化硅。 [0056] 导电油墨电路优选印在其中一块瓷砖的表面上,以产生陶瓷热表面点火器(后烧结),其加热特性适合点火器预期的特定应用以及电压 点火器将在其中运行。 下面表 5 中列出了各种应用的一些示例性室温电阻 (RTR) 值。 表 5 [0057] 用于加热导电电路的导电油墨可包含碳化钨,碳化钨的含量按油墨的重量计为约 20% 至约 80%,优选为约 30% 至约 80%,更优选为约 70% 至约 75% . 氮化硅的用量优选占油墨重量的约15%至约40%,优选约15%至约30%,更优选约18%至约25%。 相同 所述用于陶瓷体的烧结助剂或共掺杂剂的含量也优选为陶瓷体重量的约0.02%至约6%,优选约1%至约5%,更优选约2%至约4%。 墨水。 在某些示例中,火焰感测导电图案包括由与加热导电图案具有相同成分的墨水形成。 [0058] 参考图4A,提供了热表面点火器102的分解图。 点火器102包括第一陶瓷绝缘瓦104和第二陶瓷绝缘瓦106。第一陶瓷绝缘瓦104具有内表面110a和外表面110b。 第二陶瓷绝缘瓦106具有外表面108a和内表面108b。 第一陶瓷绝缘瓦104和第二陶瓷绝缘瓦106的内表面110a和108b彼此面对。 加热导电图案116印刷在第二绝缘瓷砖106的内表面108b上并连接到导电端子32。火焰传感导电图案112印刷在第一绝缘瓷砖104的外表面100b上。绝缘瓷砖104和106是 如 '479 申请中所述进行层压,以创建单一的热表面点火器结构。 [0059] 参考图4B,热表面点火器120包括第一陶瓷绝缘瓦122、第二陶瓷绝缘瓦124和第三陶瓷绝缘瓦126。第一陶瓷绝缘瓦122包括内表面128b和外表面128a,并且火焰感测导体 图案印刷在内表面128b上。 导电端子32连接到火焰感测导电图案138。 [0060]第二绝缘瓷砖124包括面向陶瓷绝缘瓷砖122的第一面130a和面向第三绝缘瓷砖126的第二面130b。导热图案136印刷在第二陶瓷绝缘瓷砖126的第二面130b上并且面向 第三陶瓷绝缘瓦132a的内表面132a。 导热图案连接到两个端子134a和134b,分别用于连接电源和地。 三个陶瓷绝缘瓦片 122、124 和 126 使用‘479 App 中描述的技术层压在一起。 创建一个单一的热表面点火器结构。 [0061] 在图 4C 的示例中,热表面点火器 140 包括三个陶瓷绝缘瓦片 142、144 和 146。火焰感测导电图案(未显示,但类似于图 4A 和 4B 的图案 112 和 138)连接到导电 端子32并印刷在陶瓷绝缘瓦144的第一面150a上。加热导电图案156印刷在陶瓷绝缘瓦144的第二面150b上。火焰感应图案和加热导电图案156都夹在陶瓷绝缘瓦之间 参见图142和144。陶瓷绝缘瓦142具有外表面148a和内表面148b。 内表面148b面向陶瓷绝缘瓦144的表面150a。陶瓷绝缘瓦146具有内表面152a和外表面152b。 内表面 152a 面对陶瓷绝缘瓦片 144 的表面 150b。三个陶瓷瓦片 142、144 和 146 使用‘479 App 中的技术层压。 创建一个单一的热表面点火器。 [0062] 在图4D的示例中,热表面点火器140包括第一陶瓷绝缘瓦162和第二陶瓷绝缘瓦165。第一陶瓷绝缘瓦162具有外表面164a和内表面164b。 第二陶瓷绝缘瓦164具有内表面166a和外表面16b。 然而,在该示例中,加热导电图案170和火焰感测导电图案172均印刷在第一陶瓷绝缘瓦160的同一面164b上并面向第二陶瓷绝缘瓦164的内表面166a。陶瓷绝缘瓦162 和 164 是使用 '479 App 中描述的技术进行层压的。 创建一个单一的热表面点火器。 示例 1 火焰传感器驱动电路仿真 [0063] 在该示例中,图1的火焰传感器驱动电路26的操作在燃烧器21被点燃时和它未被点燃时都被示出。 用于模拟的元件值如下: [0064] 将 24kHZ 电压信号提供给 BJT 46 的发射极 48,并且节点 45、BJT 集电极 50 和 BJT 基极 60 处的电压通过仿真确定。 图 5A 显示了发射极 48 处的输入电压信号 180 和节点 45 处的电压信号 182。图 5B 显示了 BJT 基极 60 处的输入电压信号 180 和电压信号 184。图 5C 显示了发射极 48 处的输入电压信号 180 和 BJT集电极50处的电压信号190。 [0065] 当燃烧器 21 未点燃时,火焰传感器 22 和燃烧器 21 之间存在开路。因为没有通过电阻器 42 的电流路径,所以没有从 BJT 发射极 48 到 BJT 基极 60 的电流路径可用。因此,没有 BJT 46 中的发射极-基极偏移,并且 BJT 保持关闭状态。 结果,节点45电压浮动在发射极48电压上,信号180和182相同。 在发射极 48 处的正 AC 循环期间,集电极 50 保持为 0V 并且基本上接地。 在负 AC 周期期间,集电极 50 看到发射极 48 的电压。因此,如图 5C 所示,集电极 50 电压信号 190 在负 AC 周期期间密切跟踪输入电压信号 180,但在正 AC 周期期间,集电极 50 电压是 上限为零。 因为当燃烧器21未点燃时集电极50处的电压信号从不为正——并且因为二极管52——没有电流流向信号调节电路28,并且信号调节电路28输出节点66将接地。 [0066] 当燃烧器 21 点燃时,存在从火焰传感器 22 到燃烧器 21 的有效电流路径,根据 Mollberg 的火焰模型,可以将其建模为与二极管串联的相对较低电阻的电阻器,其中的串联组合 与相对较高电阻的电阻器并联。 结果,正电流从火焰传感器22传递到燃烧器21,但是只有小的负泄漏电流从燃烧器21传递到火焰传感器22。 [0067] 当正电流从火焰传感器 22 流向燃烧器 21 时,火焰的整流效应导致节点 45 处的电压相对于节点 38 产生负的(时变的)DC 偏移,因为电容器 40(就像一般的电容器一样) 不能通过 DC。 图6A示出了节点38处的输入电压信号和节点45处的电压。输入信号180与节点45信号194之间在周期峰值处的间隙表示该负DC偏移。 由于如图 6B 中输入电压信号 180 和 BJT 集电极信号 198 之间的间隙所示电阻器 44 两端的压降,BJT 发射极 48 和 BJT 基极 60 之间的偏移略低于 BJT 发射极 48 和节点 45 之间的偏移 . 当 BJT 48 导通时,从发射极 48 到集电极 50 的路径是阻抗非常低的路径。 因此,在图6C中,BJT集电极信号202紧密地跟踪节点38(和发射极48)处的输入电压信号180。 然而,只有正电压将通过信号调节电路二极管52。 [0068] 如图5A-5C和6A-6C所示,当燃烧器21被点燃时,信号调节电路28检测到交流产生电路31的正电压周期,而不是负电压周期,并且正交流周期电压的值是 由于信号调节电路 28 中的 RC 网络的低通滤波,在信号调节电路输出节点 66 处平滑并变得更加恒定。结果,当燃烧器 21 被点燃时由火焰产生的时变 DC 偏移被转换成某种东西 更接近二进制开/关信号,尽管其值可能不适用于某些商用微控制器。 因此,提供负载电路30以将该信号转换成具有与微控制器输入要求相匹配的逻辑高电平和逻辑低电平的DC电压。 例 2 确定交流频率以减少火焰棒结垢的影响 [0069] 如前所述,为顶部火焰棒提供更高频率的交流电压可以降低累积沉积物对火焰棒阻抗的影响。 它们还可以减少热表面点火器的陶瓷绝缘瓦对点火器阻抗的影响。 本例中,图1的电路采用火焰棒作为火焰传感器22,只是将交流产生电路31换成了任意波形发生器(AWG),负载电路也做了修改,去掉了电阻80和 齐纳二极管 78 并在电阻器 76 和 MOSFET 68 之间添加一个 LED。随着来自 AWG 的方波频率发生变化,当存在火焰时评估 LED 开启时间的百分比。 目标是让 LED 在燃烧器 21 点亮的时间内 100% 亮起。 组件值如下: [0070] “Monster Mash”是一种用于模拟极端污染条件的配方 通过混合通常用于家用烤箱并在其中产生土壤的各种不同食品成分。 在此示例中,Monster Mash 包含樱桃馅饼馅、番茄泥、蛋黄、全脂马苏里拉奶酪、巴氏杀菌奶酪酱、猪油和木薯粉。 Monster Mash 沿着 2.249 英寸(57.13 毫米)的火焰棒施加,火焰棒的长度为 3.249 英寸(82.53 毫米),直径为 0.114 英寸(2.89 毫米)。 它是通过将火焰棒穿过一定量的 Monster Mash 施加到平坦表面上的,以获得略微半透明的薄层,并在火焰棒周围平滑直至均匀。 将火焰棒放在平底锅中,但支撑在平底锅表面上方以防止燃烧,然后放入预热至 375°F 的烤箱中 7-8 分钟,直到 Monster Mash 变成金黄色。 火焰棒的烤层直径为 0.127 英寸(3.23 毫米)。 燃烧器 21 点亮,AWG 频率从 10Hz 到 3MHz 变化,并测量“接通率”。 火焰传感器驱动器电路输入节点 38 处的峰峰值电压被测量为平均电压。 信号调节电路输出节点66处的峰峰值电压也被测量为平均电压。 [0071]图7A-D显示了第一组运行的结果。 图 7A 和 B 显示输出节点 66 处的峰峰值电压和平均电压直到火焰传感器驱动器电路输入节点 38 处的输入电压频率(这也是火焰感测 电路输入节点)达到约 10kHz 的转换。 在较低频率下,由于 Monster Mash 的结垢,火焰传感器驱动器电路 26 输出节点 66 处的平均电压预计约为零,如低于 10KHz 时所观察到的(图 7B)。 在10KHz,信号调节电路28输出节点66电压在零和8V之间快速切换。 在 700 kHZ,输出节点 66 的平均电压在 3.5V 和 8V 之间变化。 在 700kHZ 以上,输出节点 66 电压信号变得不太稳定,并且输出节点 66 平均电压变化高达 2V(图 7B 中未显示)。 观察到 LED 在 200kHZ 和 400kHZ 之间的频率下 100% 的时间点亮。 产生一致输出的最低频率为 24kHz,产生 95% 的接通率。 [0072] 图8A-D显示了在第一组运行一周后进行的第二组运行的结果。 图8A和B示出输出节点66处的峰间电压和平均电压不响应燃烧器被点燃直到火焰传感器驱动器电路输入节点38处的输入电压的频率达到约 2kHz。 在 2kHz 转换中,信号调节电路输出节点 66 电压在 0 和 8 V 之间快速切换。低于 2kHz(图 8A)的输出节点 66 处缺少可靠的峰峰值电压信号表明存在污垢 . [0073] 一旦频率达到 20kHz,LED 就会在 99% 的时间内点亮,但除非频率在 40kHz-2MHz 范围内,否则不会在 100% 的时间内持续点亮。 因为它没有被整流,所以在整个运行过程中节点 38 处的电压保持为零或非常接近零(图 8C)。 除了在 10k Hz 左右发生的一次转换外,峰峰值电压(应该是输入电压振幅的两倍)相当恒定(图 8D)。 [0074] 图 7A-7D 的运行与图 8A-8D 中的运行相比的差异被认为归因于施加 Monster Mash 时的不一致以及由于测试的长度。 然而,基于数据,据信24kHZ至300kHZ的频率范围是优选的,40kHZ至200kHz是更优选的并且70kHZ至100kHZ的频率范围仍然是更优选的。