AT414179B - Flammenüberwachungsschaltung - Google Patents

Description

2

AT 414 179 B

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flammenüberwachungsschaltung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches.

Bei bekannten derartigen Flammenüberwachungsschaltungen wird der lonisationsstrom durch die Flamme gemessen. Dabei benötigen die bekannten derartigen Lösungen eine zweite loni-sationselektrode zusätzlich zu der eigentlichen Überwachungselektrode, deren Signal durch eine fehlersichere digitale Flammenwächterschaltung ausgewertet wird.

Dabei ergibt sich jedoch durch die erforderliche zweite Elektrode der Nachteil eines entsprechend hohen konstruktiven Aufwandes, der insbesondere durch die erforderlichen Durchführungen der Leitungen und die zweite Elektrode selbst, sowie deren Befestigung bedingt ist.

Aus DE 2626779 A1 ist eine Mess-Ionisationskammer bekannt, die über eine Spannungsänderung eine Rauchentwicklung erfasst. Der Einsatzbereich solch einer Mess-Ionisationskammer unterscheidet sich von der einer lonisationselektrode dadurch, dass letztere in offener Flamme zu dessen Erkennung betrieben wird und nicht etwa der Ermittlung einer Rauchentwicklung dient, welche nicht zwangsläufig einem offenen Feuer entstammen muss.

Weiterhin sind aus DE 4433425 C2 und DE 19502901 C2 Auswerteschaltungen bekannt, die über einen zum Brenner parallel geschalteten Widerstand verfügen, um auf Basis der gemessenen Spannung eine Signalverarbeitung im Sinne einer Luftzahlregelung durchzuführen. Die vorliegende Erfindung führt hingegen eine Auswertung auf Basis eines zum lonisationsstrom proportionalen Signals durch, welches mittels eines seriell geschalteten Shunt-Widerstandes entkoppelt wird.

Die DE 3937290 A1 weist eine Schaltung zur Detektierung der Verbrennungsgüte auf. Eine rückwirkungsfreie Kopplung an eine Schaltung zur Überwachung der Präsenz einer Flamme, wie es die vorliegende Erfindung vorschlägt, ist allerdings nicht vorgesehen.

Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und eine Flammenüberwachungsschaltung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei der eine sicherheitsrelevante Auswerteschaltung zur Detektierung der Präsenz einer Brennerflamme und eine Differenzverstärkerschaltung zur Einstellung der Verbrennungsgüte über einen Shunt-Widerstand rückwirkungsfrei miteinander gekoppelt werden.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Flammenüberwachungsschaltung der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruches erreicht.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ergeben sich die Vorteile, dass lediglich eine lonisationselektrode zur Flammenüberwachung erforderlich ist und die an die lonisationselektrode geschaltete fehlersichere Flammenüberwachungsschaltung in ihrer Sicherheit nicht durch eine analoge Differenzverstärkerschaltung beeinflusst wird. Dabei ist auf einfache Weise eine Ausfilterung der Wechselstromanteile des lonisationssignales vorgesehen, wobei das abgenommene Gleichspannungssignal einer Verstärkerschaltung zugeführt werden kann.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, dass das lonisationssignal durch die Auskopplung des von diesen abgeleiteten Signals kaum beeinflusst wird, wodurch ein entsprechend hohes Maß an Genauigkeit der Auswertung ermöglicht wird.

Durch die Merkmale des Anspruches 3 ergibt sich der Vorteil, dass ein sehr eindeutiges Ausgangssignal sichergestellt ist, das auch für die Signalisierung oder die Einleitung eines Korrekturvorganges verwendet werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Figuren 1, 2 und 3 der Zeichnungen näher erläutert. 5 5 3

AT 414 179 B

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische erfindungsgemäße Flammenüberwachungsschaltung und Fig. 2 und 3 Details aus Fig. 1.

In allen Darstellungen bedeuten gleiche Bezugszeichen die gleichen Einzelheiten.

Ein in einer Brennkammer 6 angeordneter metallischer Brenner 7 ist elektrisch mit Masse GND verbunden. Weiter ist eine einzige lonisationselektrode 5 vorgesehen, die bei Vorhandensein io einer Flamme 2 am Brenner einen lonisationsstrom liefert. Die lonisationselektrode 5 ist mit einer Auswerteschaltung 1 verbunden.

Diese Auswerteschaltung 1 ist an Masse GND und an zwei Versorgungsspannungen U_j0ni und Ub1 angeschlossen. Ausgangsseitig liefert die Auswerteschaltung 1, die im Wesentlichen die 15 Größe des lonisationsstromes mit einem vorgegebenen Wert vergleicht, ein digitales Flammensignal an einem Ausgang 3.

An die Auswerteschaltung 1 ist weiter ein Shunt-Widerstand Rshunt über zwei Leitungen 8 und 9 angeschlossen, zu dem ein Kondensator C1 parallel geschaltet ist. Weiter sind an jede Elektro-20 de dieses Kondensators C1 Widerstände R1 bzw. R2 angeschlossen, die weiter über einen weiteren Kondensator C2 miteinander verbunden sind, wobei dieser Kondensator C2 mit nichtinvertierenden Eingängen 10, 11 zweier Differenzverstärker OP1, OP2 verbunden ist. Diese Differenzverstärker OP1, OP2 sind an Masse GND und an eine Versorgungsspannung Ub2 angeschlossen. 25

Die invertierenden Eingänge 12, 13 der beiden Differenzverstärker OP1, OP2 sind über Widerstände R3, R5 mit Ausgängen der Differenzverstärker OP1, OP2 verbunden, wobei der invertierende Eingang des Differenzverstärkers OP1 über einen Widerstand R4 mit dem Widerstand R5 und dem Ausgang des Differenzverstärkers OP2 verbunden ist. Weiter ist an den invertierenden 30 Eingang 12 des Differenzverstärkers OP2 eine Versorgungsspannung Ub1 über einen Widerstand R6 angeschlossen.

Der Ausgang des Differenzverstärkers OP1 ist über einen Widerstand R7 und ein an Masse GND angeschlossene R/C-Parallelschaltung R8/C3 mit einer Ausgangsklemme 4 verbunden, 35 die ein Spannungssignal führt, das dem Gleichstromanteil des lonisationsstromes proportional ist, der zwischen Elektrode und Masse GND fließt.

Diese bisher beschriebene Schaltung nach Fig. 1 ausgenommen der Auswerteschaltung 1 entspricht dem Schaltungsteil B in Fig. 2. Die Auswerteschaltung 1 kann beispielhaft dem 40 Schaltungsteil A in Fig. 2 entsprechen.

Beim Schaltungsteil A in Fig. 2, entsprechend Fig. 3, der erfindungsgemäßen Flammenwächterschaltung ist eine Wechselspannungsquelle UJoni über einen Widerstand R155 und einen zu diesem in Reihe geschalteten Kondensator C150 mit der lonisationselektrode 5 verbunden, 45 die nahe der Flammenzone 2 des Brenners 7 angeordnet ist. Dabei ist die Flamme durch ein Ersatzschaltbild dargestellt, das einen hochohmigen Widerstand Flamme und eine zu diesem in Reihe geschalteten Diode Dpiamme umfasst, wobei diese Reihenschaltung mit der Masse GND des Brenners 7 verbunden ist. so Die lonisationselektrode 5 ist weiter mit einer Auswerteschaltung verbunden. Diese umfasst eine Spannungsteilerschaltung bestehend aus einer mit der lonisationselektrode 5 verbundenen Reihenschaltung der Widerstände R153 und R154 einerseits und eines Widerstandes R163, der mit einem positiven Pol einer Gleichspannungsquelle Ub1 verbunden ist. Dabei ist zum Widerstand R163 ein Kondensator C154 parallel geschaltet, an dem auch die die Basis eines 55 pnp-Transistors T152 angeschlossen ist, dessen Emitter mit dem positiven Pol der Gleichspan- 4

AT 414 179 B nungsquelle Ub angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors T152 ist über einen Widerstand R164 mit der Brennermasse GND verbunden, die mit dem negativen Pol GND der Gleichspannungsquelle Ub verbunden ist. 5 An dem Kollektor des Transistors T152 ist weiter eine Signaleinrichtung angeschlossen, die ebenfalls mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle Ub und deren negativen Pol GND angeschlossen ist.

Diese Signaleinrichtung umfasst einen Kondensator C152 mit Parallelwiderstand R165, der in io Reihe mit einer Diode D150 und einem weiteren Kondensator C151 geschaltet ist, wobei letzterer mit einem Basisanschluss eines Transistors T150, einem Kollektoranschluss eines Transistors T151 und über einen Widerstand R152 mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle Ub verbunden ist. Die Kathode der Diode D150 ist dabei weiter mit dem Basisanschluss des Transistors T151 und über einen Widerstand R159 mit der Brennermasse verbunden. 15

Der Kondensator C152 und die Anode der Diode D150 sind über einen Widerstand R158 ebenfalls mit der Brennermasse verbunden.

Der Emitter des Transistors T151 ist über einen Widerstand R161 mit der Brennermasse, bzw. 20 dem negativen Pol GND der Gleichspannungsquelle Ub verbunden, wobei der Emitter des Transistors T150 über diesen Widerstand und einen zu diesem in Reihe geschalteten Widerstand R162 mit dem Emitter des Transistors T151 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors T150 ist direkt mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle Ub verbunden. 25 Zwischen dem Emitter des Transistors T150 und dem Widerstand R162 sind über Widerstände R157 und R160 die Anzeigesignale _Flamme 1 und _Flamme2 angeschlossen.

In Fig. 2 ist die Zusammenschaltung der Auswerteschaltung 1 aus Fig. 1, entsprechend Fig. 3, mit der Eingangs beschriebenen Differenzverstärkerschaltung B dargestellt. 30

Die Funktion der Auswerteschaltung gemäß Fig. 3 samt der Signaleinrichtung wird im Folgenden erläutert.

Ist keine Flamme vorhanden, wobei die Flamme im Sinne eines elektronischen Ersatzschaltbil-35 des eine hochohmige Diodenstrecke mit dem Widerstand R^mme in Reihe zur Diode DFiamme bildet, wird die an der lonisationselektrode loni anliegende Spannung UJoni über die Widerstände R153, R154 und R163 heruntergeteilt und in Kombination mit dem Kondensator C154 Tiefpass gefiltert. Die somit an der Basis von T152 anliegende Wechselspannung reicht nicht aus, um den Transistor T152 anzusteuern. Der Transistor T152 ist dauerhaft gesperrt. Damit 40 sperrt auch der Transistor T151 und der Transistor T150 ist durchgeschaltet. Das Potential an den Anzeigen _Flamme1 und der optionalen zweiten Anzeige _Flamme2 ist ein High-Potential, das bedeutet, dass keine Flamme erkannt wird.

Bei vorhandener Flamme fließt bei der positiven Halbwelle von UJoni ein Strom von der lonisa-45 tionselektrode loni zur Brennermasse, bzw. dem negativen Pol GND der Gleichspannungsquelle Ub. Dadurch sinkt das Potential an der Basis des Transistors T152 und während der negativen Halbwelle fängt dessen Emitter-Kollektorstrecke an zu leiten, was dazu führt, dass am Kollektor des Transistors T152 Spannungsimpulse erzeugt werden, die über den Kondensator C152 und Diode D150 auf die Basis des Transistors T151 übertragen werden und dieser leitend 50 wird. Da sich der Kondensator C151 durch die Basis-Emitterstrecke des Transistors T151 umlädt, bleibt letzterer für einige Zeit leitend. Der Transistor T150 sperrt hierdurch dauerhaft und an den Anzeigen _Flamme1 und _Flamme2 liegt ein, sich im wesentlichen aus dem Spannungsteiler, der durch die Widerstände R152 und R161 gebildet ist, ergebender, Low-Pegel an. Wird bei niederohmiger Flamme das Potential an der Basis des Transistors T152 so klein, dass 55 dieser dauerhaft angesteuert wird, wird über den Widerstand R165 und die Diode D150 der

Claims (3)

1. 5 AT 414 179 B Transistor T151 ebenfalls dauerhaft angesteuert und der Transistor T150 sperrt. In diesem Fall liegt ebenfalls ein Low-Pegel an den Anzeigen _Flamme1 und _Flamme2 an, was wiederum einer erkannten Flamme entspricht. 5 Durch geeignete Dimensionierung der Widerstände R161, R162, R152 kann ein Hystereseverhalten eingestellt werden. Über die Widerstände R164, R165, R158 und R159 in Verbindung mit den Kondensatoren C152 und C151 kann die Empfindlichkeit der Auswerteschaltung bzw. der Signaleinrichtung eingestellt werden. io Die Schaltung ist so ausgelegt, dass Bauteilfehler immer, auch in Verbindung mit einem unabhängigen Zweitfehler, entweder zu einem statischen Ausgangsignal führen, oder die Funktion der Schaltung nicht oder nur im Hinblick auf die Empfindlichkeit beeinflussen. Dieses ermöglicht den Einsatz z.B. in Gasfeuerungsautomaten nach EN 298. 15 Die Funktion der Differenzverstärkerschaltung B in Fig. 2 bzw. gemäß Fig. 1 wird im Folgenden erläutert. Eine dem lonisationsstrom proportionale Spannung, die durch 11 am Flammenwächtereingang an dem Widerstand Rshunt hervorgerufen wird, wird über die Widerstände R1 und R2 abgegrif- 20 fen. Mit Hilfe der Kondensatoren C1 und C2 wird das Wechselspannungssignal unterdrückt. Die resultierende Gleichspannung Ut1Gieichanteii wird gemäß υυοηϊ = ax UnGieichanteii + b verstärkt. Der Faktor a und der Offset b ergeben sich aus dem Verhältnis der Widerstände R4 und R3 mit R4=R5 und R3=R6, sowie dem Verhältnis R7 zu R8. 25 Durch die im Vergleich zu RshUnt und R153, R154 hochohmige Dimensionierung der Widerstände R1 und R2 ist sichergestellt, dass bei Bauteilfehlern in dem Schaltungsteil B der digitale Ausgang der Auswerteschaltung A, oder einer alternativen Auswerteschaltung 1 gemäß Fig. 1, entweder weiterhin ordnungsgemäß funktioniert oder, dass ein statisches Ausgangssignal _Flamme anliegt, unabhängig davon, ob tatsächlich eine Flamme vorhanden ist, sodass der 30 Fehler von einer nachgeschalteten Logik erkannt werden kann. Dieses ermöglicht den Einsatz der Gesamtschaltung z.B. in Gasfeuerungsautomaten nach EN 298. Patentansprüche: 35 1. Flammenüberwachungsschaltung für einen aus Metall bestehenden Brenner, der auf einem elektrischen Potential liegt, mit einer lonisationselektrode (5) und einer Auswerteschaltung (1), die ein digitales Ausgangssignal liefert, dadurch gekennzeichnet, dass die lonisationselektrode (5) mit einem Signaleingang der Auswerteschaltung (1) verbunden ist, 40 an welche weiterhin ein Shunt-Widerstand (RShunt) seriell zur Entkopplung eines dem loni sationsstrom proportionalen Signales angeschlossen ist, und die weitere Auswertung dieses entkoppelten Signals mittels einer Differenzverstärkerschaltung (B) mit nachgeschalteter Messbereichsanpassung erfolgt.
2. 2. Flammenüberwachungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzverstärkerschaltung (B) eine gegenüber dem Shunt-Widerstand hochohmige R/C-Schaltung (C1, R1, R2) zur Filterung des Wechselstromanteiles des ausgekoppelten Signales aufweist. so
3. 3. Flammenüberwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärkerschaltung (B) ein Analog-Digital-Konverter nachgeschaltet ist. 55 Hiezu 3 Blatt Zeichnungen