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Flammenüberwachungseinrichtung, bei welcher von der Gleichrichterwirkung
der Flamme Gebrauch gemacht wird Bei Verbrennungsanlagen mit automatischer Zuführung
des flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes werden zur Sicherung gegen Explosionen
und zwecks Vermeidung von Brennstoffvergeudung Überwachungseinrichtungen verwendet,
die auf ein Erlöschen der Flamme ansprechen und dann die Brennstoffzufuhr selbsttätig
unterbrechen. Als auf die Flamme ansprechende Fühler werden dabei wärmeempfindliche
Widerstände, Thermoelemente, Bimetalle, Photozellen, durch in die Flamme hineinragende
Elektroden eingegrenzte Ionisationsstrecken usw. verwendet.
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Bei einer bekannten Überwachungseinrichtung, welche besonders für
nichtleuchtende Gasflammen geeignet ist, wird von der Gleichrichterwirkung der Flamme
Gebrauch gemacht und eine unter Ausnutzung dieses Effektes erzeugte Gleichspannung
vermittels zweier in Reihe geschalteter Glimmlampen ständig mit einer konstanten
Gleichspannung verglichen. Die beiden Glimmlampen arbeiten mit einem polarisierten
Relais zusammen, welches über Umschaltkontakte und unter Verwendung eines Verzögerungsrelais
und eines Sicherheitsschalters die Brenneranlage steuert.
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Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung der zuletzt genannten
Art, deren Schaltung jedoch so abgeändert ist, daß ihre Ansprechsicherheit auf anomale
Betriebszustände erheblich gesteigert ist. Die verbesserte Überwachungseinrichtung
zeichnet sich dadurch aus, daß an der Gleichspannung außer den beiden in Reihe geschalteten
Glimmlampen auch die Vorerregungswicklung des polarisierten Relais und die Reihenschaltung
eines Kondensators und eines Widerstandes angeschlossen sind und die Steuerwicklung
des polarisierten Relais zwischen der Verbindung der beiden Glimmlampen und der
Verbindung zwischen dem Kondensator und dem Widerstand geschaltet ist.
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In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
dargestellt. Eine Flammenelektrode i, die in den Bereich einer Zündflamme 2 hineinragt,
ist über einen Strombegrenzungswiderstand 3 an eine Klemme 4 der Sekundärwicklung
eines Transformators 5 angeschlossen. Der Zündbrenner 6 ist bei 7 geerdet. An der
Klemme 4 ist ferner über einen Widerstand 8 ein Trockengleichrichter g angeschlossen,
der über einen Kondensator io mit der anderen Klemme ii der Sekundärwicklung des
Transformators 5 in Verbindung steht. Am Kondensator io bzw. an den Schaltpunkten
12, 13 entsteht dieserart eine feste Gleichspannung U.. An die Schaltpunkte 12,
13 sind zwei in Reihe liegende Glimmlampen 14, 15, eine über einen Vorwiderstand
16 angeschlossene Vorerregungswicklung 17 eines polarisierten Relais 18 und ein
mit einem Widerstand ig in Reihe liegender Kondensator 2o angeschlossen. Zwischen
den. Schaltpunkten 21, 22 auf den Verbindungen zwischen dem Kondensator 2o und dem
Widerstand ig einerseits und zwischen den beiden Glimmlampen 14, 15 anderseits ist
eine Steuerwicklung 23 des polarisierten Relais 18 geschaltet. Letzteres betätigt
einen Umschalter 24 ohne Unterbrechung mit den beiden Außenkontakten 25, 26. Der
Schaltpunkt 21 ist geerdet. Das polarisierte Relais 18 ist so ausgebildet, daß es
bei vorhandener Vorerregung den Umschalter 24 je nach der Richtung des durch die
Steuerwicklung 23 fließenden Stromes in die eine oder die andere Schaltstellung
umschaltet. Wenn der Strom durch die Steuerwicklung 23 zu fließen aufhört, so verbleibt
der Umschalter 24 in der entsprechenden Schaltstellung. Ohne Vorerregung, z. B.
bei Spannungsausfall, wird der Umschalter 24 außerdem stets in die dargestellte
Endlage 26 bewegt. Der Außenkontakt 26 ist über eine Heizwicklung 27 eines thermischen
Sicherheitsschalters, eine Heizwicklung 28 einer thermischen Verzögerungseinrichtung
und ein Relais 29 mit dem einen Leiter 3o eines Wechselstromnetzes verbunden. Der
Außenschalter 25 ist seinerseits über einen Kondensator 31 und das Relais
2,9 ebenfalls mit dem Netzleiter 3o verbunden. Die Heizwicklung 27 dient
zur Aufheizung eines Bimetallstreifens 32, auf dessen oberem Ende ein Umschaltkontakt
33 eines Umschalters mit den beiden Außenkontakten 34, 35 aufliegt, derart, daß
die Kontakte 33, 34 geschlossen sind. Der
Umschaltkontakt 33 ist
über einen Hauptschalter 36 mit dem anderen Leiter 37 des Wechselstromnetzes verbunden
und der Außenkontakt 35 über eine Signallampe 38 für die Anzeige von Störungen mit
dem Netzleiter 30. Wird der Bimetallstreifen 32 durch die Heizwicklung 27 aufgeheizt,
so bewegt sich sein oberes Ende nach links, und der Umschaltkontakt 33 fällt ab,
wodurch die Isontakte 33, 34 unterbrochen und die Kontakte 33, 35 geschlossen werden.
Eine Rückführung des Umschaltkontaktes 33 in die Ausgangsstellung kann nur durch
manuelle Betätigung erfolgen. Die Auslösezeit des Sicherheitsschalters beträgt beispielsweise
45 Sekunden. Die Heizwicklung 28 dient zur Aufheizung eines Bimetallstreifens 39,
dessen unteres Ende bei einer Aufheizung nach rechts ausgebogen wird. In kaltem
Zustand verhindert dieser Bimetallstreifen den Anzug des Ankers 4o des Relais 29,
so daß dessen drei Arbeitskontakte 41, 42 und 43 jeweils erst nach einer bestimmten
Verzögerungszeit, die beispielsweise 7 Sekunden beträgt, eingeschaltet werden. Über
den Kontakt 41 wird dabei die Heizwicklung 28 kurzgeschlossen, damit sie sich nach
jedem Anzug des Relaisankers 4o sofort wieder abkühlt, um für die Blockierung des
abfallenden Relaisankers 4o bereit zu sein. Der Außenkontakt 34 ist über einen Raumthermostaten
4. und einen Maximumthermostaten 45 mit einem Leiter 46 verbunden, an den die eine
Klemme der Primärwicklung des Transformators 5, deren andere Klemme mit dem Leiter
30 verbunden ist, und der Umschaltkontakt 24 des Glimmlampenrelais 18 angeschlossen
sind. Über den Arbeitskontakt 42 des Relais 29 ist der Leiter 46 ferner noch mit
einem elektromagnetisch betätigten Zündgasventil 47 und einem zweiten durch das
Relais 18 betätigten Umschaltkontakt 48 verbunden. Der Außenkontakt ,49 des letzteren
ist über einen Zündtransformator 50 mit dem Netzleiter 30 verbunden
und der Außenkontakt 51 über den Kontakt 43 des Verzögerungsrelais 29 einerseits
mit einem elektromagnetisch betätigten Hauptgasventil 52 und andererseits mit einer
Signallampe 53, die den Betriebszustand der Anlage anzeigt.
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Zur Inbetriebnahme der Überwachungseinrichtung wird der Hauptschalter
36 geschlossen, wodurch der Transformator 5, die beiden Heizwicklungen 27, 28 und
das Relais 29 an Spannung gelegt werden. Dabei ist vorausgesetzt, daß der Raumthermostat44Wärme
verlangt. Das Relais 29 kann seinen Anker 40 vorderband nur bis zum Auftreffen auf
den Bimetallstreifen 39 anziehen. Am Kondensator io bzw. an den Schaltungspunkten
12, 13 entsteht nun sofort die feste Gleichspannung U.. Dadurch fließt über den
Widerstand 16 und die Vorerregungswicklung 17 ein Gleichstrom, durch den das Relais
i8 vorerregt wird. Die Gleichspannung L', liegt auch an den beiden in Reihe geschalteten
Glimmlampen 14, 15, kann diese aber nicht zünden, weil sie kleiner gewählt ist als
die Summe der Zündspannungen derselben. Gleichzeitig wird unter dem Einfluß der
Spannung TU, auch der Kondensator 20 nach -Maßgabe des Widerstandes i9 aufgeladen.
Im Einschaltaugenblick entsteht dadurch am Widerstand i9 ein großer Spannungsabfall,
der praktisch gleich LT O ist. Sobald dieser Spannungsabfall den Wert der
Zündspannung der Glimmlampe 15 überschreitet, zündet diese. Dadurch fließt der Aufladegleichstrom
des Kondensators 2o über die Steuerwicklung 23 in Richtung des gestrichelt dargestellten
Pfeiles und lädt den Kondensator 2o beschleunigt auf. Das Relais 18 schaltet seinen
Umschalter 24 auf den Außenkontakt 25 und seinen Umschalter 48 auf den Außenkontakt
51 um. -Mit zunehmender Spannung uz. am Kondensator 2o nimmt der Spannungsabfall
irR am Widerstand i9, gemäß der Relation uR = Uo - u20, ab. Sobald nun der Spannungsabfall
am Widerstand i9 den Wert der Löschspannung der Glimmlampe 15 unterschreitet, erlischt
diese. Die Umschalter 24 und 48 verbleiben dabei auf den Außenkontakten 25 bzw.
Si. Inzwischen wird der Kondensator 20 über den Widerstand i9 langsam aufgeladen.
Nach einer gewissen Zeit erreicht die Kondensatorspannung daher den Wert der Zündspannung
der Glimmlampe 14, so daß diese jetzt zündet. Der Kondensator 2o entlädt sich dadurch
teilweise, wobei über die Steuerwicklung 23 ein Gleichstrom in der ausgezogen dargestellten
Pfeilrichtung fließt. Das Relais 18 schaltet demnach seine Umschalter 24 und 48
wieder auf die Außenkontakte 26 bzw. 49 zurück. Die kurzdauernde Umschaltung der
Umschalter 24, 48 auf die Außenkontakte 25 bzw. 51 bleibt ohne Folge, weil das Verzögerungsrelais
29 zwar erregt worden ist, aber sein-. Kontakte noch nicht hat betätigen können.
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Hat sich nun der Kondensator 2o @so weit entladen, daß seine Spannung
den Löschspannungswert der Glimmlampe 14 unterschreitet, so erlischt diese. Da der
Kondensator 2o jedoch weiter über den Widerstand i9 aufgeladen wird, erreicht die
Kondensatorspannung bald wieder den Zündspannungswert der Glimmlampe 14, so daß
diese wieder zündet usw. Die Glimmlampe 14 kippt bzw. zündet nun fortwährend mit
einer Frequenz, die im wesentlichen durch das Produkt der Werte des Widerstandes
i9 und des Kondensators 2o bestimmt wird. Die Verhältnisse sind so gewählt, daß
diese Zündfrequenz etwa i Hz beträgt. Während der periodisch erfolgenden Zündungen
der Glimmlampe 14 bleiben die Umschalter 24 und 48 auf den Außenkontakten 26 bzw.
49.
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Inzwischen hat der Bimetallstreifen 39 den Anker 4o des Verzögerungsrelais
29 freigegeben, und letzteres hat seine Kontakte 41, 42 und 43 geschlossen. über
den Kontakt 41 wird die Heizwicklung 28 kurzgeschlossen, über den Kontakt 42 das
Zündgasventil 47 geöffnet und über den Kontakt 43 die Öffnung des Hauptgasventils
52 vorbereitet. Da der Zündtransformator 5o über die Kontakte 48, 49 bereits eingeschaltet
ist, entzündet sich das aus dem Zündfflammenbrenner 6 ausströmende Gas, Bei brennender
Zündflamine 2 fließt nun ein Gleichstrom impulsweise von der Klemme 4 über den Widerstand
3, die Flammenelektrode i, die Flamme 2 zur Erde 7 und dann über den Widerstand
i9 zur Klemme i i. Dieser Gleichstrom summiert sich zu dem über den Widerstand i9
fließenden Ladegleichstrom für den Kondensator 2o und bewirkt am Widerstand i9 eine
Zunahme der Spannung. Sobald letztere den Zündspannungswert der Glimmlampe 15 überschreitet,
zündet diese, während die Glimmlampe 14, wenn sie kurz vorher erloschen ist, von
jetzt ab nicht mehr gezündet werden kann, weil der Kondensator 2o nicht mehr bis
zu ihrem Zündspannungswert aufgeladen wird. Der Kondensator 2o wird jetzt über die
Steuerwicklung 23 und die Glimmlampe 15 wieder aufgeladen, wobei ein Strom in der
gestrichelt dargestellten Pfeilrichtung fließt, was die Umschaltung der Schalter
24 und 48 auf die Außenkontakte 25 bzw. 51 zur Folge hat. Mit der Zunahme der Aufladung
des Kondensators 2o erfolgt eine entsprechende Senkung des Spannungsabfalles am
Widerstand i9. Sobald dieser den Löschspannungswert der Glimmlampe 15 unterschreitet,
erlischt diese. Der Kondensator 2o wird nun über den Widerstand i9 wieder atifgelad°n,
und die Spannung
am Widerstand i9 überschreitet wegen des über den
Widerstand ig fließenden Gleichstromes des Flammengleichrichters erneut den Zündspannungswert
der Glimmlampe 15, so daß diese wieder zündet usw. Jetzt, d. h. bei brennender Zündflamme
2, kippt bzw. zündet also die Glimmlampe 15, und zwar mit einer Frequenz, die im
wesentlichen durch das Produkt der Werte des Widerstandes i9 mit parallel geschaltetem
ohmschem Widerstand der Zündflamme 2 und des Kondensators 2o bestimmt ist. Diese
Zündfrequenz ist also von den Verhältnissen an der Zündflamme 2 abhängig und bildet
ein Maß für die Güte der Zündflamme bezüglich ihrer Gleichrichterwirkung. Praktisch
schwankt diese Zündfrequenz zwischen i bis io Hz.
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Während nun die Zündflamme 2 brennt und die Glimmlampe 15 kippt, verbleiben
die Umschalter 24 und 48 auf den Außenkontakten 25 bzw. 51, d. h. bezüglich der
Brenneranlage in Betriebsstellung. Über die Kontakte 24, 25 und den Kondensator
31 wird das Relais 29 gehalten. Der Zündtransformator 50 ist ausgeschaltet
worden, und über die Kontakte 48, 51 und den bereits geschlossenen Kontakt 43 wird
das Hauptgasventi152 geöffnet, und das aus dem nicht dargestellten Hauptgasbrenner
ausströmende Gas entzündet sich an der Zündflamme 2. Der Sicherheitsschalter ist
nicht zum Ansprechen gekommen, weil die geschilderte Inbetriebsetzung innerhalb
der Sicherheitszeit erfolgt ist. Die Heizwicklung 27 ist jetzt ausgeschaltet, und
der Bimetallstreifen 32 kühlt sich wieder ab.
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Erlischt nun die Zündflamme 2 während des Betriebes aus irgendeinem
Grunde, so muß die überwachungsei:nrichtung .sofort den Hauptgasbrenner ausschalten.
Das Erlöschen der Zündflamme :2 hat zur Folge, daß der über dieselbe fließende Gleichstrom
sofort verschwindet, wodurch der Spannungsabfall am Widerstand i9 den Zündspannungswert
der Glimmlampe 15 nicht mehr zu überschreiten vermag. Der Kondensator 20 wird jetzt
wieder über den Widerstand i9 so weit aufgeladen, daß seine Ladespannung den Zündspannungswert
der Glimmlampe 14 erreicht. Dadurch entlädt sich der Kondensator 20 über die Glimmlampe
14 und die Steuerwicklung 23, und es fließt ein Strom in der ausgezogen dargestellten
Pfeilrichtung. Die Umschalter 24 und 48 werden dadurch auf die Außenkontakte 26
und 49 umgelegt. Sobald die Entladung des Kondensators 20 so weit fortgeschritten
ist, daß seine Ladespannung den Zündspannungswert der Glimmlampe 14 unterschreitet,
erlischt die Glimmlampe 14. Der Kondensator 2o wird anschließend wieder über den
Widerstand i9 aufgeladen, die Glimmlampe 14 zündet wieder usw., d. h. sie kippt
fortwährend, und die Umschalter 24 bzw. 48 verbleiben auf den Außenkontakten 26
bzw. 49. Die beiden Heizwiderstände 26 und 28 werden deshalb wieder aufgeheizt.
Es erfolgt ein Zündungsversuch über die Kontakte 48, 49. Erscheint nach demselben
die Zündflamme 2 nicht wieder, so spricht der thermische Sicherheitsschalter an,
der durch Öffnen der Kontakte 33, 34 die Überwachungseinrichtung vom Netz trennt,
wodurch die Brenneranlage vollständig ausgeschaltet und die Störung durch die Signallampe
38 angezeigt wird. Erfolgt hingegen eine Zündung, so bewirkt die Überwachungseinrichtung
die Umschaltung der Schalter 24 und 48 auf die Außenkontakte 25 bzw. 51, und die
Brenneranlag° wird in der beschriebenen Weise wieder in Betrieb gesetzt.
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Sollte sich nach andauerndem Betrieb und mangelhafter Unterhaltung
zwischen der Flammenelektrode i und einer geerdeten Stelle des Brenners ein Nebenschlußwiderstand
bilden, z. B. durch Verrußung, Verölung oder durch Kondenswasserbildung usw., so
spricht die beschriebene Überwachungseinrichtung ebenfalls sofort an. Da in diesem
Fall der Flammengleichrichter durch den Nebenschlußwiderstand unwirksam wird, fließt
von der Klemme 4 über den Widerstand 3 und den Nebenschlußwiderstand zur Erde ein
Wechselstrom statt ein Gleichstrom. Dieser Wechselstrom ist außerdem nicht an das
Vorhandensein der Flamme 2 gebunden. Er fließt nun zur Hauptsache über die Kondensatoren
20, 1o zur Klemme ii und erzeugt eine Wechselspannung am Widerstand 3. Auf die Ladungsverhältnisse
am Kondensator 2o hat er keinen Einfluß. Wird daher die Überwachungseinrichtung
bei überbrücktem Flammengleichrichter in Betrieb genommen, so zündet zuerst einmal
die Glimmlampe 15 und dann sofort die Glimmlampe 14 periodisch. Da dieser Zustand
aufrecht bleibt, spricht der thermische Sicherheitsschalter nach Ablauf der Sicherheitszeit
an und führt die Anlage in Störstellung. Findet die Überbrückung des Flammengleichrichters
während des Betriebes statt, während dem die Glimmlampe 15 periodisch zündet, so
ergibt sich die gleiche Wirkung als wenn die Zündflamme 2 erloschen wäre, d. h.
die Glimmlampe 14 beginnt andauernd zu zünden, bis der thermische Sicherheitsschalter
anspricht und die Anlage in Störstellung führt.
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Letzteres tritt auch dann ein, wenn die Zuleitung zur Elektrode i
nicht angeschlossen oder unterbrochen ist oder wenn der Widerstand 3 defekt wird.
Desgleichen wird die Anlage ausgeschaltet, wenn Unterbrechungen oder Kurzschlüsse
an solchen Schaltelementen entstehen, die durch den entstandenen Defekt eine Umschaltung
der Schalter 24, 48 auf die Außenkontakte 26. 49 zur Folge haben oder die beim Start
eine Umschaltung der Schalter 24, 48 auf die Außenkontakte 25, 51 unmöglich machen.
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Beim Ausfall der Netzspannung wird die Anlage durch selbsttätiges
Schließen der Gasventile ebenfalls ausgeschaltet. Wesentlich ist dabei, daß auch
die beiden Umschalter 24, 48 selbsttätig auf die Außenkontakte 26, 4g zurückgeschaltet
werden, so daß bei wiederkehrender Spannung die Anlage normal in Betrieb gesetzt
wird. Von allergrößter Wichtigkeit ist aber der Umstand, daß bei der beschriebenen
Überwachungseinrichtung das Defektwerden der Glimmlampen sofort erkennbar ist, weil
jedesmal, wenn die Überwachungseinrichtung an Spannung gelegt wird, zuerst die Glimmlampe
15 einmal, dann die Glimmlampe 14 periodisch und anschließend die Glimmlampe 15
ebenfalls periodisch zünden muß. Es findet also bei jeder Inbetriebsetzung der Überwachungseinrichtung
und bei jedem Ansprechen des Raumthermostaten 44 eine Prüfung beider Glimmlampen
und der ihnen zugeordneten Schaltelemente statt, durch die die Betriebssicherheit
der beschriebenen Überwachungseinrichtung wesentlich erhöht wird.
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Statt nur einer Flammenelektrode i können auch zwei in verschieden
heiße Bereiche der Zündflamme 2 eintauchende Elektroden vorgesehen sein, wobei die
zweite Elektrode mit dem Schaltpunkt 2i verbunden ist, der dann nicht mehr geerdet
sein muß.