DE10055831C2 - Flammenwächter für einen mit Öl oder Gas betriebenen Brenner - Google Patents
Flammenwächter für einen mit Öl oder Gas betriebenen BrennerInfo
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- F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
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- F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
- F23N5/08—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
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Description
Die Erfindung betrifft einen Flammenwächter für einen mit Öl oder Gas
betriebenen Brenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus DE 197 46 786 C2 ist ein Flammenwächter für bläulich brennenden
Flammen eines Öl- oder Gasbrenners bekannt, bei dem ein Halbleiterdetektor mit
einer spektralen Empfindlichkeit im nahen Ultraviolett mit einer nachgeschalteten
Auswerteschaltung verwendet wird, die einen Regler für das Brennstoff-
Verbrennungsluft-Verhältnis entsprechend der spektralen Verteilung der
Flammenstrahlung beeinflußt. Dies kann aber beim Auswandern der
Flammenstrahlung zu größeren Wellenlängen, dem "Gelbbereich" hin zu Problemen
derart führen, daß trotz Erhöhung des Verbrennungsluftanteils das Auswandern
zunimmt und daraufhin die Brennstoffzufuhr abgeschaltet wird. Ein Auswertung der
vom Fotosensor empfangenen Strahlung hinsichtlich dessen, ob der Brenner brennt
oder im Falle, daß er nicht brennt, die Brennstoffzufuhr möglichst umgehend
abzuschalten ist, ist hier nicht vorgesehen.
Aus DE 198 09 653 C1 ist ein Flammenwächter für bläulich brennende
Flammen eines Öl- oder Gasbrenners bekannt, der einen die Flammenstrahlung
erfassenden Fotosensor, der eine von Ultraviolett zu Infrarot stark ansteigende
Empfindlichkeit aufweist, und eine nachgeschaltete Auswerteschaltung umfaßt, die
die Brennstoffzufuhr abschaltet, wenn die Strahlung im Bereich von 200 bis 500 nm
ausfällt oder die Zunahme der erfaßten Strahlungsintensität oberhalb 500 nm ein
Abwandern aus dem blauen Bereich erkennen läßt. Hierbei wird das Signal des
Fotosensor zweikanalig, zum einen betreffend Ultraviolettstrahlung bis 500 nm und
zum anderen betreffend sichtbare und infrarote Strahlung, ausgewertet. Hierbei wird
ein spezieller Fotosensor mit einer speziellen Auswertung benötigt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Flammenwächter nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 zu schaffen, der eine Erkennung, ob der Brenner brennt, d. h. eine
Flamme vorhanden ist, in sehr einfacher Weise ermöglicht.
Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs
1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden
Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von beigefügten Abbildungen näher
erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Diagramm betreffend verschiedener Größen, aufgetragen
gegenüber dem Lambda-Wert.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Schaltkreisdiagramm für eine Regeleinrichtung.
Fig. 3 zeigt diagrammartig die Bildung von Meßwerten für die
Flackerfrequenz der Flammenstrahlung.
Eine Flamme eines Öl- oder Gasbrenners brennt dann optimal, wenn ein
geringer stöchiometrischer Luftüberschuß vorhanden, d. h. der Lambda-Wert
geringfügig größer als eins ist. Steigt der Lambda-Wert weiter an, so nimmt die
Intensität der Flammenstrahlung zu, was aber auch geschieht, wenn der Lambda-
Wert unter eins abfällt. Bei einem Lambda-Wert größer eins Verschieben sich bei
Erhöhung des Verbrennungsluftanteils die optischen Frequenzen der
Flammenstrahlung zu größeren Werten, bei einem Lambda-Wert kleiner eins
verschieben sich bei Erniedrigung des Verbrennungsluftanteils die optischen
Frequenzen der Flammenstrahlung zu kleineren Werten. In letzterem Fall steigt
allerdings dann auch die Rußentwicklung stark an (vgl. Diagramm von Fig. 1, in
dem Kurve A Meßwerte bezüglich der Rußentwicklung, in Bacharach angegeben,
gegenüber dem Lambda-Wert aufgetragen zeigt), weshalb in diesem Fall dann,
wenn über die Regelung die Rückführung des Brennstoff-
Verbrennungsluftgemisches in den optimalen Bereich nicht in vorbestimmter Zeit
erreicht wird, die Brennstoffzufuhr zweckmäßigerweise zu unterbrechen ist.
Bei Verwendung eines die Flammenstrahlung erfassenden Fotosensors, der
eine vom Ultraviolett zu Infrarot stark ansteigende Empfindlichkeit aufweist, und
einer nachgeschalteten Auswerteschaltung, die ein Signal erzeugt, das dem über
eine vorbestimmte Zeit integrierten Signal des Fotosensors bezüglich der Strahlung
im Bereich größerer Wellenlängen, etwa < 500 nm, entspricht, kann man das so
erzeugte Signal gegenüber Lambda auftragen. Man erhält dann eine
brennerspezifische Kurve B gemäß dem Diagramm von Fig. 1.
Aus Kurve B ist ersichtlich, daß bei einem Lambda-Wert von etwa 1 ein
Minimum liegt und die Kurve B von dort sowohl zu höheren wie zu niedrigeren
Lambda-Werten hin ansteigt.
Dementsprechend kann die Auswerteschaltung das Signal des Fotosensors
bezüglich Flackerfrequenz und/oder Amplitude der erfaßten Flammenstrahlung
auswerten und beim Feststellen des Auswanderns der Flammenstrahlung bei einer
Flackerfrequenz unterhalb eines vorbestimmten Wertes ein Signal zum Erhöhen
des Verbrennungsluftanteils des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches und beim
Überschreiten des vorbestimmten zweiten Wertes ein Signal zum Erniedrigen des
Verbrennungsluftanteils des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches erzeugen.
Das Diagramm von Fig. 1 enthält ferner eine Kurve C, die "Nulldurchgänge",
hier als Pulsation (Hz) bezeichnet, des von einem Verstärker 1 verstärkten Signals
des die Flammenstrahlung erfassenden Fotodetektors 2 aufgetragen gegenüber
Lambda betrifft. Diese Nulldurchgänge pro Zeiteinheit entsprechen im wesentlichen
der Flackerfrequenz der Flammenstrahlung. Diese Nulldurchgänge werden von der
Auswerteschaltung erzeugt, indem der Gleichstromanteil des Signals des
Fotosensors abgeschnitten und die Nullinie für den Wechselstromanteil so gelegt
wird, daß der Rauschanteil des Signals unterdrückt wird, d. h. daß die dominanten
Amplituden übrig bleiben. Das sich ergebende Wechselspannungssignal wird derart
verstärkt, Verstärker 3, daß sich infolge Abschneidens der oberen und unteren
Abschnitte im wesentlichen Rechteckimpulse mit variierenden Pulsbreiten ergeben.
Man zählt dann entsprechend auf- und/oder absteigende Flanken dieser
Rechteckimpulse und damit Nulldurchgänge. Dies geschieht pro Zeiteinheit,
beispielsweise pro Sekunde. Wenn die Zahl der Nulldurchgänge pro Zeiteinheit
größer als ein vorbestimmter Grenzwert, beispielsweise 25, ist, geht man davon
aus, daß eine Flamme vorhanden ist. Ist die Zahl der Nulldurchgänge gleich dem
vorbestimmten Grenzwert oder darunter, geht man davon aus, daß keine Flamme
vorhanden ist, und ein Signal zur Unterbrechung der Brennstoffzufuhr kann
dementsprechend erzeugt. - Bei Auswertung der Nulldurchgänge läßt sich auf einen
speziellen Fotodetektor und die zweikanalige Auswertung seines Signals nach DE 198 09 653 C1
verzichten.
Zur Auswertung wird zweckmäßigerweise ein Komparator 4 entweder mit
nachgeschaltetem Zähler, einem Schieberegister und Auswertung oder ein
Mikroprozessor 5 verwendet, der die Funktionen dieser Komponenten und die
Erzeugung eines Abschaltsignals für den Fall fehlender Flamme wahrnimmt.
Niedrige Frequenzen etwa < 30 Hz können vorab mittels eines Hochpaßfilters 6
abgeschnitten werden, so daß sie nicht in die Auswertung eingehen.
Da der Grenzwert für eine Abschaltung relativ klein ist und Perioden
innerhalb der vorbestimmten Zeit auftreten können, in denen kein Nulldurchgang
festgestellt wird, ist es zweckmäßig, die vorbestimmte Zeit in eine Vielzahl,
beispielsweise sechs bis zehn Abschnitte zu unterteilen, in denen separat die
Nulldurchgänge gezählt werden, die dann jeweils nach Ablauf eines Abschnittes für
eine vorbestimmte Zeit addiert werden, um entsprechende Werte jeweils nach
Ablauf eines derartiges Abschnitt für eine vorbestimmte Zeit mit dem Grenzwert
vergleichen zu können. Dies ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Hierdurch lassen
sich die bei Gas- und Ölbrennern geforderten Abschaltzeiten, bei einem
Gasbrenner beispielsweise 1 sec, ohne weiteres einhalten. Bei der Erzeugung des
jeweiligen Wertes für die Zahl der Nulldurchgänge fällt jeweils die Anzahl des
zeitlich ersten Abschnittes weg und die Anzahl des zeitlich letzten Abschnittes
kommt dazu, so daß der Wert nach jedem Abschnitt aktualisiert ist und mit dem
Grenzwert verglichen werden kann. Hierzu benötigt man die oben erwähnte
Schieberegisterfunktion.
Bei dieser Art der Flammenüberwachung, die äußerst einfach ist, besteht
auch keine Problem hinsichtlich Empfindlichkeitseinstellung, so daß er auch äußerst
einfach handhabbar ist. Eine Übersteuerung spielt hierbei keine Rolle, da hierdurch
die Rechteckimpulse nicht wesentlich beeinträchtigt werden. Der Flammenwächter
läßt sich zusammen mit jeder Art von Regeleinrichtungen für das Brennstoff-
Verbrennungsluft-Gemisch einsetzen.
Ferner ist es zweckmäßig, vor dem Fotosensor ein optisches Filter zu
verwenden, das im wesentlichen in einem Wellenlängenbereich absorbierend wirkt,
der der Strahlung von glühenden Ofenwänden entspricht (größer etwa 900 nm),
damit ein Flackern, das bei fehlender Flamme dadurch erzeugt werden kann, daß
durch einen Ventilator im Ofen Luft verwirbelt wird, nicht mit dem tatsächlichen
Flackern einer Flamme verwechselt wird.
Claims (6)
1. Flammenwächter für einen mit Öl oder Gas betriebenen Brenner, mit
einem die optische Flammenstrahlung und deren Pulsation erfassenden Fotosensor
und einer diesem nachgeschalteten Auswerteschaltung, die feststellt, ob die vom
Fotosensor empfangene Strahlung der einer brennenden Flamme entspricht und
bei negativem Ergebnis ein Abschaltsignal für die Brennstoffzufuhr erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung die Zahl der Nulldurchgänge
des bearbeiteten Signals des Fotosensors innerhalb einer vorbestimmten
Zeiteinheit bestimmt und mit einem vorbestimmten Grenzwert vergleicht, bei dessen
Unterschreiten ein Abschaltsignal für die Brennstoffzufuhr erzeugt wird, wobei das
Signal des Fotosensors vom Gleichspannungsanteil und Rauschen befreit durch
entsprechendes Verstärken zu Rechteckimpulsen verarbeitet ist.
2. Flammenwächter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf-
oder absteigenden Flanken des Signals von der Auswerteschaltung zählbar sind.
3. Flammenwächter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Auswerteschaltung einen Komparator mit nachgeschaltetem Zähler aufweist.
4. Flammenwächter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Zeiteinheit von der Auswerteschaltung in
eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt ist, wobei die Zahl der Nulldurchgänge am
Ende jedes Abschnitts bestimmt wird.
5. Flammenwächter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Abschnitte einen Bruchteil der geforderten Brennerabschaltzeit beim Feststellen
fehlender Flamme bilden.
6. Flammenwächter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Fotosensor ein optisches Filter vorgeschaltet ist, das im
wesentlichen Strahlung entsprechend derjenigen von glühenden Ofenwänden
absorbiert.
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