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Lichtelektrische Schalteinrichtung Die Erfindung 'betrifft eine lichtelektrische Schalteinrichtung, z. B. zur Verwendung in Flammenüber- wachungseinrichtungen.
Lichtelektrische Schalteinrichtungen dieser Art bestehen im einfachsten Fall aus einem Detektorrelais, dessen Wicklung in Reihe mit einem Photowiderstand an eine Spannungsquelle angeschlossen ist und das einen oder mehrere Kontakte zur Steuerung einer Folgeschaltung aufweist. Fällt Licht, z. B. von einer Flamme, auf den Photowiderstand, so ändert sich dessen Widerstandswert und damit in der Schaltung auch der den Aufzug und Abfall des Detektorrelais bestimmende Relais-Erregerstrom innerhalb endlicher Grenzen. Unter Licht wird in diesem Zusammenhang stets ein Teil des elektromagnetischen Spektrums verstanden, der innerhalb oder ausserhalb des sichtbaren Gebietes liegen kann.
Von lichtelektrischen Schalteinrichtungen, die den ordnungsgemässen automatischen Betriebsablauf von mit grossen Energieumsätzen verbundenen technischen Prozessen zuverlässig überwachen sollen, wird gefordert, dass sie eigensicher sind. Unter Eigensicherheit versteht man die Eigenschaft einer Schaltung, auf Störungen in der Schaltung selbst durch. bestimmte Schalthandlungen zu reagieren, welche das Entstehen gefährlicher Betriebszustände verhindern und die Störung erkennbar machen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine lichtelektrische Schalteinrichtung, welche die Forderung nach Eigensicherheit erfüllt. Es sind lichtelektrische Schalteinrichtungen bekannt, bei denen ebenfalls Eigensicherheit angestrebt, jedoch nur in bezug auf Kurzschlüsse in der Verbindungsleitung zwischen dem Detektorrelais und dem Photowiderstand erreicht ist. Zu diesem Zweck ist in unmittelbarer Nähe des Photowiderstandes, vorzugsweise im gleichen Gehäuse wie dieser, ein zusätzliches Bau- element (z. B. ein Gleichrichter, ein Kondensator, eine Drosselspule) untergebracht, das in geeignetem Zusammenwirken mit den übrigen Schaltungsgliedern die Schalteinrichtung befähigt, zwischen einer Widerstandsänderung des Photowiderstandes und einem Kurzschluss in der erwähnten Verbindungsleitung zu unterscheiden.
Ein Kurzschluss des Photowiderstandes selbst wird von den bekannten Einrichtungen nicht erfasst. Dies ist ein schwerwiegender Nachteil; denn ein Kurzschluss des vorzugsweise aus halbleitenden Verbindungen bestehenden, den Einwirkungen einer intensiven Temperaturstrahlung ausgesetzten Photowiderstandes, etwa infolge einer thermischen überlastung oder infolge des Eindringens von Fremdkörpern, ist bei Flammenüberwachungseinrichtungen mindestens ebenso wahrscheinlich wie das Auftreten eines Kurzschlusses in der Verbindungsleitung zwischen dem Detektorrelais und dem Photowiderstand. Somit liegt in den bekannten Einrichtungen nur eine Teillösung des Problems der Eigensicherheit vor.
Ausserdem haben die bekannten Einrichtungen den grossen Nachteil, dass bei den räumlich ohnedies meist äusserst beschränkten Einbauverhältnissen noch ein weiteres Bauteil in unmittelbarer Nähe des als Fühler ausgebildeten Photowiderstandes untergebracht werden muss und dass dieses Bauteil ebenfalls den Einwirkungen einer erheblichen Strahlungswärme ausgesetzt ist, was zu gefährlichen Betriebsstörungen Anlass geben kann.
Die vorliegende Erfindung einer lichtelektrischen Schalteinrichtung mit einem Detektorrelais, mit einem Photowiderstand und mit Mitteln zur Erzielung einer Eigensicherheit der Schalteinrichtung umgeht die Nachteile der bekannten Einrichtungen auf sehr einfache Art dadurch, dass das Detektorrelais als Stufenrelais ausgebildet ist, dessen erste Schaltstufe bei beleuchtetem Photowiderstand und dessen zweite
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Schaltstufe bei einem Kurzschluss im Photowiderstand oder in einer Verbindungsleitung, die den Photowiderstand mit einer Wicklung des Detektorrelais elektrisch verbindet, erregt ist.
Die Wirkungsweise eines Stufenrelais ist an sich bekannt; aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung geht jedoch hervor, welche Vorteile die Anwendung eines Stufenrelais in lichtelektrischen Schalteinrichtungen, insbesondere Flammenüberwachung, mit sich bringt.
In der Zeichnung sind Beispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 eine lichtelektrische Schalteinrichtung mit einem Wechselstrom-Stufenrelais, Fig. 2, 3 und 4 Schaltstellungen eines Kontaktfedersatzes und Fig. 5 eine lichtelektrische Schalteinrichtung mit einem Gleichstrom-Stufenrelais.
In der Fig. 1 bedeutet 1 ein Detektorrelais mit einem Magnetkern 2 und einem Anker 3, dessen Bewegung über einen Pimpel 4 auf eine Kontaktfeder 5 übertragen wird. Die Kontaktfeder 5 bildet zusammen mit Kontaktfedern 6 und 7 einen Kon- taktfedersatz. Eine Wicklung 8 des Detektorrelais 1 ist über eine Verbindungsleitung 9 mit einem Photowiderstand 10 in Reihe geschaltet. Diese Reihenschaltung liegt mit Klemmen 11 und 12 an einer Wechselspannungsquelle.
An den Kontaktfedern 5, 6 und 7 des Kontaktfedersatzes sind Kontaktnieten 13, 14, 15 und 16 angeordnet, wobei die Kontaktnieten 13 und 14 für den an die Kontaktfedern 5 und 7 angeschlossenen Arbeitsstromkreis 17 einer Folgeschaltung 18 einen Arbeitskontakt 13!14, und die Kontaktnieten 15 und 16 einen Ruhekontakt 15/16 bilden, der mit dem Arbeitskontakt 13!14 in Reihe im Arbeitsstromkreis 17 der Folgeschaltung 18 liegt. Die Folgeschaltung 18 enthält die gesamte Programm-Steue- rung z. B. einer Feuerungsanlage. Wird eine Feue- rungsanlage mittels eines von Hand oder thermo- statisch betätigten Schalters in Betrieb gesetzt, so kann sie z.
B. nur dann in Betrieb bleiben, wenn nach dem Zustandekommen einer Flamme der Arbeitsstromkreis 17 geschlossen ist. Nach erfolgter Inbetriebsetzung führt jede Unterbrechung des Arbeitsstromkreises 17 zu einer Abschaltung der Feue- rungsanlage.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung geht insbesondere aus den Fig. 2, 3 und 4 hervor, in welchen die Bezugszeichen für gleiche Teile aus der Fig. 1 übernommen sind.
Der Kontaktfedersatz kann drei verschiedene Schaltstellungen einnehmen; jeder dieser Schaltstellungen entspricht eine bestimmte Stärke des in der Wicklung 8 des Detektorrelais 1 fliessenden Erregerstromes I. Bei unbeleuchtetem Photowiderstand 10 ist dessen Widerstandswert sehr gross, folglich der Erregerstrom I so klein, dass das Detektorrelais 1 nicht aufzieht und die Kontaktfedern in ihrer in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ruhelage bleiben. Der Arbeitskontakt 13/14 ist dabei geöffnet und der Arbeitsstromkreis 17 unterbrochen.
Wird der Photowiderstand beleuchtet, z. B. durch die Strahlung einer Flamme, so sinkt sein Widerstandswert auf einen endlichen Wert, z. B. auf einige Hundert Ohm, ab. Der gleichzeitig ansteigende Erregerstrom I bewirkt nun den Aufzug des Detektorrelais, wobei bei der in diesem Fall gegebenen Erregerstromstärke die Bewegung des Relaisankers 'bei geeigneter Wahl der Federsatzkennlinie dann zum Stillstand kommt, wenn sich die Kontaktnieten 13 und 14 mit genügendem Kontaktdruck berühren, wobei der Ruhekontakt 15/16 geschlossen bleibt. In dieser Stellung des Kontaktfedersatzes, welche die Fig. 3 erkennen lässt, ist der Arbeitsstromkreis 17 geschlossen, und die Folgeschaltung 18 und eine durch diese gesteuerte Feuerungsanlage befinden sich in einem ordnungsgemässen Betriebszustand.
Tritt nun z. B. während des Betriebes in der Verbindungsleitung 9 oder im Photowiderstand 10 ein Kurzschluss auf, so steigt der Erregerstrom I auf einen im wesentlichen allein durch die Relaisimpedanz bestimmten oberen Grenzwert an und die Erregung des Detektorrelais nimmt stark zu. Dabei überschreitet der Kontaktdruck des Arbeitskontaktes 13/14 den Kontaktdruck des Ruhekontaktes 15116, der Ruhekontakt 15/16 wird geöffnet und damit der Arbeitsstromkreis 17 unterbrochen, was, wie erwähnt, zu einer Abschaltung der von der lichtelektrischen Schalteinrichtung überwachten Anlage führt.
Beim Verschwinden einer den Photowiderstand treffenden Strahlung, z. B. beim Erlöschen der Flamme in einer Feuerungsanlage, sowie bei einer Unterbrechung der Verbindungsleitung 9 oder des Photowiderstandes 10 wird das Detektorrelais 1 ent- regt und die überwachte Anlage ebenfalls ausser Betrieb gesetzt. Die beschriebene lichtelektrische Schalteinrichtung ist also vollständig eigensicher.
Durch den Betrieb einer Relaisanordnung mit Gleichstrom lässt sich deren Ansprechempfindlichkeit bekanntermassen steigern. Eine für den Erfindungsgegenstand dazu geeignete Schaltung ist in der Fig. 5, unter Benützung gleicher Bezugszeichen für gleiche Teile wie in den übrigen Figuren, dargestellt. In der Fig. 5 entspricht das Detektorrelais 1 in allen bereits beschriebenen Merkmalen und Wirkungen dem Detektorrelais 1 gemäss den Fig. 1, 2, 3 und 4. Zur Gleichrichtung einer an Klemmen 11 und 12 anliegenden, die Einrichtung speisenden Wechselspannung ist lediglich zusätzlich ein Einweggleichrichter 19 angeordnet.
Um den Photowiderstand 10 zur Vermeidung von Polarisationserscheinungen nicht mit Gleichstrom zu beaufschlagen, ist dieser in Reihe mit einem der Glättung des pulsierenden Gleichstromes dienenden Kondensator 20 dem Detektorrelais 1 parallel geschaltet. Das Detektorrelais spricht in dieser Schaltung auf den Gleichstrommittelwert des Erregerstromes I an. Dieser Gleichstrommittelwert ist von der Leitfähigkeit des an den Punkten 21 und 22
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angeschlossenen, den Photowiderstand 10 und die Verbindungsleitung 9 enthaltenden Schaltungszweiges abhängig; denn die Leitfähigkeit dieses Schaltungszweiges bestimmt die Wirksamkeit des Glättungs- kondensators 20.
Auch bei dieser Schaltung treten drei ausgeprägte Erregerstromstärken auf, je nachdem ob der Photowiderstand unbeleuchtet, beleuchtet oder an einer beliebigen Stelle zwischen den Punkten 21 und 22 kurzgeschlossen ist. Die grundsätzliche Wirkungsweise der Schaltungen gemäss der Fig. 1 und 5 ist also hinsichtlich der vorliegenden Aufgabenstellung gleichartig.
Zur Ausführung des Erfindungsgegenstandes ist nahezu jedes gewöhnliche Relais verwendbar, zu welchem sich meist mühelos eine in ihrer Wirkung dem in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellten Kontaktfedersatz entsprechende Kombination von Kontaktfedern finden lässt. Bei einem Stufenrelais gemäss der Ausführungsbeispiele kann der sonst bei elektromagnetischen Relais erforderliche Klebstift zwischen Anker und Kern entfallen, wodurch der zum Öffnen des Ruhekontaktes 15/16 benötigte Kontaktweg gewonnen wird, so dass beim Erfindungsgegenstand keine Verkürzung der Kontaktwege des Detektorrelais in Kauf genommen werden muss.
Natürlich eignet sich zur Ausführung des Erfindungsgegenstandes auch ein Stufenrelais mit zwei Ankern, wobei die Kontaktfolge schliessen vor öffnen nur für die beschriebenen Beispiele zu fordern ist. Es kann genau so gut durch jede der beiden Schaltstufen eines Stufenrelais je ein Arbeitskontakt geschlossen oder irgendeine beliebige andere Kontaktfolge geschaltet werden, wenn dies für die Ausbildung der Folgeschaltung 18, von der verschiedene Ausführungsformen bekannt sind, günstiger ist. In diesem Fall würde die Folgeschaltung 18 dann anstatt über den einzigen Arbeitsstromkreis 17 über zwei Arbeitsstromkreise, über zwei Ruhestromkreise oder über eine Kombination aus diesen mit der lichtelektrischen Schalteinrichtung in Wirkungsverbindung stehen.
Dem Relais 1 kann zur Signalisation einer Störung ein weiterer, beliebig gearteter Kontaktfedersatz zugeordnet sein, dessen Kontakte in einem besonderen Signalstromkreis liegen. Auch ist es möglich, durch selbsttätiges Vergleichen der elektrischen Zustände des Erregerstromkreises der lichtelektrischen Schalteinrichtung und des Arbeitsstromkreises 17 (oder diesem entsprechender Stromkreise) ein Kriterium für eine Störungsmeldung zu gewinnen.
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Photoelectric switching device The invention relates to a photoelectric switching device, e.g. B. for use in flame monitoring devices.
Photoelectric switching devices of this type consist in the simplest case of a detector relay, the winding of which is connected in series with a photoresistor to a voltage source and which has one or more contacts for controlling a subsequent circuit. If light falls, e.g. B. from a flame, on the photoresistor, its resistance value changes and thus in the circuit also the relay excitation current that determines the lift and fall of the detector relay within finite limits. In this context, light is always understood to be a part of the electromagnetic spectrum that can lie within or outside of the visible area.
Photoelectric switching devices that are supposed to reliably monitor the correct automatic operation of technical processes associated with large energy sales are required to be intrinsically safe. Intrinsic safety is understood as the property of a circuit to respond to faults in the circuit itself. to react to certain switching operations that prevent dangerous operating states from occurring and make the malfunction recognizable.
The present invention relates to a photoelectric switching device which meets the requirement for intrinsic safety. Photoelectric switching devices are known in which intrinsic safety is also sought, but is only achieved with regard to short circuits in the connecting line between the detector relay and the photoresistor. For this purpose, an additional component (e.g. a rectifier, a capacitor, a choke coil) is housed in the immediate vicinity of the photoresistor, preferably in the same housing as it, which, in suitable interaction with the other circuit elements, enables the switching device to distinguish between a change in resistance of the photoresistor and a short circuit in the mentioned connection line.
A short circuit in the photoresistor itself is not detected by the known devices. This is a serious disadvantage; This is because a short circuit in the photoresistor, which preferably consists of semiconducting compounds and is exposed to the effects of intense thermal radiation, for example as a result of thermal overload or the penetration of foreign bodies, is at least as likely in flame monitoring devices as a short circuit in the connecting line between the detector relay and the photoresistor . Thus, the known devices only provide a partial solution to the problem of intrinsic safety.
In addition, the known devices have the major disadvantage that with the installation conditions, which are usually extremely limited, another component has to be accommodated in the immediate vicinity of the photoresistor designed as a sensor and that this component is also exposed to the effects of considerable radiant heat, which can lead to dangerous operational disruptions Cause.
The present invention of a photoelectric switching device with a detector relay, with a photoresistor and with means for achieving intrinsic safety of the switching device bypasses the disadvantages of the known devices in a very simple manner in that the detector relay is designed as a step relay, the first switching stage of which with the photoresistor illuminated and the latter second
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Switching stage is excited in the event of a short circuit in the photoresistor or in a connecting line that electrically connects the photoresistor with a winding of the detector relay.
The mode of operation of a step relay is known per se; However, the drawing and the following description show the advantages of using a step relay in photoelectric switching devices, in particular flame monitoring.
Examples of the subject matter of the invention are shown in the drawing.
1 shows a photoelectric switching device with an alternating current step relay, FIGS. 2, 3 and 4 switch positions of a contact spring set, and FIG. 5 shows a photoelectric switching device with a direct current step relay.
In FIG. 1, 1 denotes a detector relay with a magnetic core 2 and an armature 3, the movement of which is transmitted to a contact spring 5 via a pimple 4. The contact spring 5, together with the contact springs 6 and 7, forms a contact spring set. A winding 8 of the detector relay 1 is connected in series with a photoresistor 10 via a connecting line 9. This series connection is connected to terminals 11 and 12 on an alternating voltage source.
Contact rivets 13, 14, 15 and 16 are arranged on the contact springs 5, 6 and 7 of the contact spring set, the contact rivets 13 and 14 for the working circuit 17 of a subsequent circuit 18 connected to the contact springs 5 and 7 having a working contact 13! 14, and the contact rivets 15 and 16 form a normally closed contact 15/16 which is connected in series with the normally open contact 13! The sequential circuit 18 contains the entire program control z. B. a furnace. If a firing system is put into operation by means of a manually or thermostatically actuated switch, it can e.g.
B. only remain in operation when the working circuit 17 is closed after the occurrence of a flame. After commissioning has taken place, each interruption of the working circuit 17 leads to the firing system being switched off.
The mode of operation of the device described can be seen in particular from FIGS. 2, 3 and 4, in which the reference numerals for the same parts from FIG. 1 have been adopted.
The contact spring set can assume three different switching positions; Each of these switching positions corresponds to a certain strength of the excitation current I flowing in the winding 8 of the detector relay 1. When the photoresistor 10 is not illuminated, its resistance value is very high, and consequently the excitation current I is so small that the detector relay 1 does not open and the contact springs are in their 1 and 2 remain the rest position shown. The working contact 13/14 is open and the working circuit 17 is interrupted.
If the photoresistor is illuminated, e.g. B. by the radiation of a flame, its resistance value drops to a finite value, z. B. to a few hundred ohms. The simultaneously increasing excitation current I now causes the detector relay to lift, whereby with the excitation current strength given in this case, the movement of the relay armature comes to a standstill with a suitable selection of the spring set characteristic when the contact rivets 13 and 14 touch with sufficient contact pressure, whereby the normally closed contact 15/16 remains closed. In this position of the contact spring set, which can be seen in FIG. 3, the working circuit 17 is closed, and the sequential circuit 18 and a combustion system controlled by it are in a proper operating state.
Now occurs z. B. during operation in the connection line 9 or in the photoresistor 10, the excitation current I rises to an upper limit value determined essentially solely by the relay impedance and the excitation of the detector relay increases sharply. The contact pressure of the normally open contact 13/14 exceeds the contact pressure of the normally closed contact 15116, the normally closed contact 15/16 is opened and thus the working circuit 17 is interrupted, which, as mentioned, leads to a shutdown of the system monitored by the photoelectric switching device.
When a radiation hitting the photoresistor, e.g. B. when the flame is extinguished in a furnace, as well as when the connecting line 9 or the photoresistor 10 is interrupted, the detector relay 1 is de-energized and the monitored system is also put out of operation. The photoelectric switching device described is therefore completely intrinsically safe.
It is known that operating a relay arrangement with direct current can increase its response sensitivity. A circuit suitable for this purpose for the subject matter of the invention is shown in FIG. 5, using the same reference symbols for the same parts as in the other figures. In FIG. 5, the detector relay 1 corresponds in all of the features and effects already described to the detector relay 1 according to FIGS. 1, 2, 3 and 4. To rectify an alternating voltage which is applied to terminals 11 and 12 and which feeds the device, all that is needed is a half-wave rectifier 19 arranged.
In order not to apply direct current to the photoresistor 10 in order to avoid polarization phenomena, it is connected in series with a capacitor 20 serving to smooth the pulsating direct current in parallel with the detector relay 1. In this circuit, the detector relay responds to the mean DC value of the excitation current I. This mean DC value is the conductivity of the at points 21 and 22
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connected, the photoresistor 10 and the connecting line 9 containing circuit branch dependent; because the conductivity of this circuit branch determines the effectiveness of the smoothing capacitor 20.
With this circuit, too, three distinct excitation currents occur, depending on whether the photoresistor is not illuminated, illuminated or short-circuited at any point between points 21 and 22. The basic mode of operation of the circuits according to FIGS. 1 and 5 is therefore similar with regard to the present task.
To implement the subject matter of the invention, almost any conventional relay can be used, for which a combination of contact springs corresponding in its effect to the contact spring set shown in FIGS. 2, 3 and 4 can usually be found without difficulty. In a step relay according to the exemplary embodiments, the adhesive stick between armature and core otherwise required for electromagnetic relays can be omitted, whereby the contact path required to open the normally closed contact 15/16 is obtained, so that with the subject matter of the invention no shortening of the contact paths of the detector relay has to be accepted.
Of course, a step relay with two armatures is also suitable for implementing the subject matter of the invention, the contact sequence closing before opening being required only for the examples described. A working contact can be closed just as well by each of the two switching stages of a step relay or any other contact sequence can be switched if this is more favorable for the formation of the sequence circuit 18, of which various embodiments are known. In this case, the sequence circuit 18 would then be in operative connection with the photoelectric switching device via two working circuits, via two closed circuits or via a combination of these instead of via the single working circuit 17.
To signal a fault, relay 1 can be assigned a further set of contact springs of any type, the contacts of which are in a special signal circuit. It is also possible to obtain a criterion for a fault message by automatically comparing the electrical states of the excitation circuit of the photoelectric switching device and the working circuit 17 (or circuits corresponding to this).