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Die Erfindung betrifft einen Flammendetektor,
insbesondere zur Überwachung
einer Gas- bzw. Ölflamme.
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Flammen von Gas- und Ölbrennern
müssen in
der Regel daraufhin überwacht
werden, ob an dem Brenner tatsächlich
eine Flamme vorhanden ist oder nicht. Verlischt die Flamme, aus
welchen Gründen auch
immer, muss sichergestellt werden, dass die Brennstoffzufuhr abgestellt
wird, um keine Ansammlungen zündfähiger Gemische
zu erzeugen und somit Verpuffungen zu provozieren.
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Es sind Zündeinheiten für Gas-Durchlauferhitzer
bekannt, die zur Flammenüberwachung
einen Ionisierungsfühler nutzen.
Ein solcher wird durch eine Elektrode gebildet, die in die Flamme
ragt. Die Zündeinheit
erzeugt zwischen dem Brenner und der Ionisationselektrode eine höhere Spannung,
die wenn die Flamme vorhanden ist aufgrund der Ionisation innerhalb
der Flamme einen Stromfluss zur Folge hat. Dieser wird von der Zündeinheit
erfasst.
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In vielen Fällen wird jedoch die Flammenüberwachung
durch Überwachung
der von der Flamme ausgehenden Strahlung gewünscht. Dazu ist es möglich, Strahlungsdetektoren
einzusetzen. Diese benötigen
jedoch in der Regel eine eigene Spannungsversorgung.
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Aus der
DE 198 41 475 C1 ist ein
Flammenüberwachungssystem
sowie ein Verfahren zur Überwachung
einer Flamme bekannt, das mit einem Strahlungssensor arbeitet. Dieser
wandelt die von der Flamme ausgehende Strahlung in ein Flammensignal
um, das einem Flammensignalverstärker
zugeführt
wird, der daraus ein Ausgangssignal erzeugt. Eine frequenzselektive
Anordnung, die an ihrem Eingang ebenfalls das Flammensignal erhält, detektiert das
Vorhandensein von periodischen Signalen in dem Flammensignal und
deaktiviert den Flammensignalverstärker, wenn ein Flammensignal
mit periodischen Signalen oder kein Flammensignal oder ein Testsignal
vorliegt.
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Die verwendeten Baugruppen sind elektronische
Baugruppen, die mit einer Spannungsversorgung versehen sein müssen. Wie
diese im Einzelnen ausgeführt
wird bleibt offen.
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Aus der
DE 196 31 821 C2 sind ein
Verfahren und eine Einrichtung zur Sicherheits-Flammenüberwachung
bei einem Gasbrenner mit einer Ionisationselektrode bekannt, von
der während
des Brennerbetriebs ein Ionisationssignal abgeleitet wird. Die sich
aus den Schwankungen der Flammenintensität ergebenden Schwankungen des
abgeleiteten elektrischen Ionisationssignals werden überwacht.
Wenn solche Schwankungen des Ionisationssignals nicht auftreten
wird ein Gasabschaltsignal ausgelöst, wobei die überwachten
Schwankungen diejenigen Schwankungen des Ionisationssignals sind,
die sich aufgrund des verbrennungsbedingten Flackerns der Flamme
ergeben. Treten solche Schwankungen nicht auf, wird ein Gasabschaltsignal
ausgelöst.
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Diese Druckschrift gibt keine Auskunft
darüber,
wie ein solcher Flammendetektor, der einen Ionisationsfühlereingang
aufweist, mit einem sonstigen, beispielsweise einem strahlungsempfindlichen, Flammendetektor
verbunden werden könnte.
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Aus der
EP 0 229 265 A1 ist ein
Wechselstrahlungsflammenwächter
bekannt, der ein strahlungsempfindliches Bauelement und eine daran
angeschlossene Auswerte- und Schalteinheit aufweist. Diese dient
dazu, aus der von dem strahlungsempfindlichen Bauelement ausgenommenen
Wechselstrahlung ein elektrisches Abbildungssignal zu bilden, dessen
pulsierende Komponente in Rechtecksignale umgeformt wird. Durch
Gleichrichtung des Rechtecksignals entsteht das Flammenanwesenheitssignal,
welches einer der Prozesssteuerung dienenden Schalteinheit zugeführt werden
kann. Jedoch bleibt offen, wie ein strahlungsempfindliches Bauelement
an den Ionisationsfühlereingang
einer Auswerteeinrichtung anzuschließen wäre.
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Davon ausgehend ist es Aufgabe der
Erfindung, einen Flammendetektor zu schaffen, der sich zum Anschluss
an einen Ionisationsfühlerausgang einer
Flammenerfassungsschaltung eignet, die beispielsweise Teil eines
Feuerungsautomaten sein kann.
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Diese Aufgabe wird mit dem Flammendetektor
nach Anspruch 1 gelöst:
Der
erfindungsgemäße Flammendetektor
ist zweipolig ausgebildet. Er weist einen schaltbaren Kanal auf, der
wenigstens zwei Schaltzustände
einnehmen kann. Ein erster Schaltzustand signalisiert an dem Ionisierungsfühlerausgang
der Flammenüberwachungsschaltung
das Vorhandensein einer Flamme während
der zweite Schaltzustand das Nichtvorhandensein signalisiert. Außerdem wird
der schaltbare Kanal zur Spannungsversorgung einer Umsetzerschaltung
angezapft, die ein von einem strahlungsempfindlichen Bauelement
geliefertes Signal in ein Schaltsignal zum Schalten des schaltbaren
Kanals umsetzt. Die Schaltzustände
des schaltbaren Kanals sind dabei vorzugsweise so festgelegt, dass
die Spannungsversorgungsschaltung in beiden Schaltzuständen aus
der Spannung in dem schaltbaren Kanal eine ausreichende Betriebsspannung
für den
Betrieb der Umsetzerschaltung erzeugt. Damit sind für die Spannungsversorgung
des Flammendetektors lediglich zwei Leitungen erforderlich, nämlich die
Signalleitung die zu dem Ionisierungsfühlerausgang der Flammenüberwachungsschaltung
führt und
eine Masseleitung.
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Das strahlungsempfindliche Bauelement
ist beispielsweise ein ultraviolettempfindliches Element, z. B.
eine UV-Empfangsdiode.
Deren Signal kann auf unterschiedliche Weise ausgewertet werden.
Bei einer einfachen Lösung
ist an die UV-Empfangsdiode eine Komparatorschaltung angeschlossen,
die das von der UV-Empfangsdiode gelieferte Strom- oder Spannungssignal
mit einem Sollwert vergleicht. Ausgangsseitig kann die Komparatorschaltung
ein in dem schaltbaren Kanal angeordnetes Schaltelement, beispielsweise
einen Transistor, steuern. Diese Schaltung hat den Vorzug der Einfachheit
für sich.
Allerdings können
Fremd-UV-Quellen ein Flammensignal vortäuschen.
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Es ist auch möglich, das von der UV-Empfangsdiode
gelieferte Signal zu filtern, um ein für brennende Flammen typisches
Flackersignal auszusieben, dieses gleich zu richten und das gleichgerichtete
Signal einer Komparatorschaltung zuzuführen. Damit ist es möglich, die
Sicherheit gegen Fehlerkennungen bei Fremdlichteinstrahlung zu erhöhen.
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Der schaltbare Kanal enthält vorzugsweise ein
Gleichrichterbauelement, das von dem Ionisierungsfühlerausgang
zur Masse in Flussrichtung gepolt ist. Damit sind die zwei Zustände des
schaltbaren Kanals ein erster Zustand, in dem der Kanal vollständig hochohmig
ist und ein zweiter Zustand, in dem der Kanal in einer Richtung
leitet. Der schaltbare Kanal simuliert somit für den Ionisierungsfühlerausgang
der Flammenüberwachungsschaltung
das Verhalten einer Flamme: ist die Flamme verloschen, ist die Strecke
zwischen einer Ionisierungsfühlerelektrode
und dem Brennerkörper
hochohmig; ist die Flamme hingegen vorhanden, ist die Stromflussrichtung von
der Ionisierungsfühlerelektrode
zu dem Brenner bevorzugt. Somit können insbesondere Flammenüberwachungsschaltungen,
die die Gleichrichtwirkung einer Brennerflamme auswerten ohne Modifikation mit
dem erfindungsgemäßen Flammendetektor
betrieben werden und somit auf UV-Erkennung umgerüstet werden.
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Ein Gleichrichterbauelement in dem
schaltbaren Kanal hat einen weiteren Vorzug der darin liegt, dass
die Spannungsversorgung der Umsetzerschaltung auf besonders einfache
Weise unabhängig von
dem Schaltzustand des schaltbaren Kanals sichergestellt werden kann.
Der Kanal wird nur in einer Richtung leitend; die andere von dem
Ionisierungsfühlerausgang
ausgegebene Halbwelle eines Wechselspannungssignals von beispielsweise
50 oder 60 Hertz bleibt vollständig
erhalten. Diese Halbwelle dient der Speisung eines Spannungsversorgungsschaltung
für die
Umsetzerschaltung. Die Spannungsversorgungsschaltung ist dabei vorzugsweise als
Zweiweg-Gleichrichterschaltung ausgebildet. Sie enthält beispielsweise
zwei Kondensatoren und zwei Dioden. Sie ist über einen auch der Strombegrenzung
dienenden Kondensator an den schaltbaren Kanal angeschlossen und
ist aufgrund der Dimensionierung insbesondere dieses Kondensators
aus Sicht des Ionisierungsfühlerausgangs
hochohmig. Insbesondere stellt sie jedoch eine symmetrische Last
für den
Ionisierungsfühlerausgang
dar, so dass ein Stromfluss in die Spannungsversorgungsschaltung
hinein kein Flammensignal vortäuscht.
Nachdem Flammen, auch wenn sie vorhanden sind, immer relativ hochohmig
sind, sind die zu messenden Ionisierungsströme naturgemäß relativ klein. Sie liegen
allenfalls im Bereich einiger 10 μA. Die Lastsymmetrie
der Zweiweg-Gleichrichterschaltung verhindert, dass ein in dieser
Größenordnung
oder darüber liegender
Ladestrom als Flammensignal erfasst wird und somit gefahrträchtige Betriebsroutinen
auslöst. Die
Spannungsversorgungsschaltung erzeugt einen symmetrischen Stromfluss,
bei dem die positive und die negative Halbwelle gleich groß sind,
und zur Signalisierung einer Flamme wird ein asymmetrischer Signalstrom
benutzt, bei dem die positive und die negative Halbwelle unterschiedlich
groß sind.
Dies schafft die Möglichkeit,
in einer Leitung den Betriebsstrom auch dann klar von dem Signalstrom
sicher zu unterscheiden, wenn dieser viel schwächer als der Lade- und Betriebsstrom
ist.
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Weitere Einzelheiten vorteilhafter
Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder
Unteransprüchen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 eine
Flammenüberwachungsschaltung
mit einem Flammendetektor als schematisiertes Schaltbild,
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2 den
Flammendetektor nach 1 in einem
Blockschaltbild und
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3 eine
abgewandelte Ausführungsform des
Flammendetektors als Blockschaltbild.
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In 1 ist
eine Flammenüberwachungseinrichtung 1 veranschaulicht,
die einen Flammendetektor 2 enthält. Dieser ist mit einer ersten
Leitung 3 an einen Ionisierungsfühlerausgang 4 eines
Feuerungsautomaten 5 angeschlossen, der eine Flammenüberwachungsschaltung
enthält.
Der Ionisierungsfühlerausgang 4 dient
normalerweise der Überwachung
einer Flamme durch Prüfung
der vorhandenen Leitfähigkeit.
Dazu steht an dem Ionisierungsfühlerausgang 4 in
der Regel eine Wechselspannung von beispielsweise mehreren hundert
Volt relativ hochohmig an. Beispielsweise kann der Ionisierungsfühlerausgang 4 über einen
hochohmigen Widerstand von einigen hundert Kiloohm mit einer Phase
einer Netzspannungsversorgung verbunden sein. Außerdem weist der Feuerungsautomat 5 einen
Masseanschluss 6 auf, der über eine Leitung 7 mit
dem Flammendetektor 2 verbunden ist. Die Leitung 7 führt außerdem zu
einem Brenner 8, der eine zu überwachende Flamme 9 erzeugt.
Der Flammendetektor 2 weist somit einen Signalausgang 11,
an den über
die Leitung 3 der Ionisierungsfühlerausgang 4 angeschlossen
ist, und einen Masseanschluss 12 auf, der über die
Leitung 7 mit dem Masseanschluss 6 verbunden ist.
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Der Flammendetektor 2 enthält einen
schaltbaren Kanal 14, der von dem Signalausgang 11 zu dem
Masseanschluss 12 geht. In dem Kanal 14 ist eine
Diode 15 angeordnet, deren Anode mit dem Signalausgang 11 verbunden
ist. Außerdem
ist in dem Kanal 14 ein elektronischer Schalter angeordnet. Dieser
wird beispielsweise durch die Kollektoremitterstrecke eines Transistors 16 gebildet.
Dieser ist vorzugsweise ein npn-Transistor. Sein Emitter führt zu dem
Masseanschluss 12. Seine Basis ist an eine Umsetzerschaltung 17 angeschlossen,
die den Transistor 16 entsprechend einem Eingangssignal öffnet und
schließt.
Ihr Eingangssignal er hält
die Umsetzerschaltung 17 von einem strahlungsempfindlichen Bauelement,
vorzugsweise einer UV-Empfangsdiode 18. Die UV-Empfangsdiode 18 ist
so angeordnet, dass sie der UV-Strahlung
ausgesetzt ist, die von der Flamme 9 ausgeht, wenn diese
vorhanden ist. Die Umsetzerschaltung 17 ist so beschaffen,
dass der Transistor 16 Basisstrom erhält, wenn die UV-Empfangsdiode 18 UV-Strahlung
empfängt.
Umgekehrt erhält
der Transistor 16 keinen Basisstrom, wenn die UV-Empfangsdiode keine
UV-Strahlung empfängt.
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Die Umsetzerschaltung 17 weist
einen Spannungsversorgungseingang 19 auf, der mit einer Spannungsversorgungsschaltung 21 verbunden
ist. Zur Erzeugung eines Betriebsspannung gegen Masse ist die Spannungsversorgungsschaltung über einen
Schaltungszweig 22 mit dem Kanal 14, vorzugsweise
an einer Stelle zwischen dem Signalausgang 11 und der Anode
der Diode 15 verbunden. In dem Schaltungszweig 22 ist
ein Kondensator 23 relativ geringer Kapazität angeordnet.
Er ist Teil einer Zweiweg-Gleichrichterschaltung, dabei aber so
dimensioniert, dass er aus der relativ hohen, an der Leitung 3 anstehenden
Wechselspannung von beispielsweise einigen hundert Volt, lediglich
Ströme
im Bereich von etwa ein paar hundert Microampere ableitet. Fakultativ
kann mit dem Kondensator 23 ein Widerstand 24 in
Reihe geschaltet sein. Dieser kann einen Widerstandswert von hundert
Kiloohm oder mehr aufweisen.
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Der Zweig 22 führt zur
Kathode einer mit ihrer Anode gegen Masse geschalteten Diode 25.
Die Kathode der Diode 25 ist mit der Anode einer Diode 26 verbunden,
deren Kathode zu einem gegen Masse geschalteten Pufferkondensator 27 führt. Diesem ist
eine Z-Diode 28 zur Spannungsbegrenzung oder auch zur Spannungskonstanthaltung
parallel geschaltet.
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Die insoweit beschriebene Flammenüberwachungseinrichtung 1 arbeitet
wie folgt:
Soll der Brenner 8 in Betrieb genommen
werden, erhält
zunächst
der entsprechende zur Flammenüberwachung
zuständige
Teil des Feuerungsautomaten 5 den Befehl zur Flammenkontrolle.
Dazu wird an dem Ionisierungsfühlerausgang 4 ein
Wechselspannungssignal relativ hohen Betrags (beispielsweise 220
V Wechselspannung) ausgegeben. Dieses Signal führt über den Zweig 22 zur
Aufladung des Pufferkondensator 27. Der dabei fließende Ladestrom
ist jedoch symmetrisch, d. h. bei positiver
und negativer Halbwelle gleich groß. Deshalb erkennt der Feuerungsautomat 5 trotz
fließenden
Ausgangsstroms keine Flamme. Würde
er zu diesem Zeitpunkt, zu dem noch gar keine Flamme brennen kann,
eine solche erkennen, indem der Ladestrom das Vorhandensein einer
Flamme vortäuscht,
würde der
Feuerungsautomat 5 den Startvorgang sofort blockieren, weil
davon ausgegangen werden muss, dass die Flammenerkennung defekt
ist. Solch fehlerhaftes Verhalten wird jedoch vermieden, weil über den
Kondensator 23 und die Dioden 25, 26 beide
Wechselspannungshalbwellen des Wechselspannungssignals an dem Ionisierungsfühlerausgang 4 gleichermaßen auf
den Pufferkondensator 27 übertragen werden. An diesem
baut sich nunmehr eine Spannung auf, die von der Z-Diode 28 beispielsweise
auf 7,5 V begrenzt wird. Die Zeitkonstante
für die
Aufladung des Pufferkondensators 27 ist dabei vorzugsweise
geringer als eine Sekunde.
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Nach Aufladen des Pufferkondensators 27 ist
die Flammenüberwachungseinrichtung 1 betriebsbereit.
Nachdem bislang keine Flamme 9 erfasst worden ist, gibt
der Feuerungsautomat 5 nun den Brennerbetrieb frei, wodurch
ein nicht weiter veranschaulichtes Gasventil geöffnet und die Flamme
9 gezündet wird.
Diese sendet UV-Strahlung aus, die von der UV-Empfangsdiode 18 empfangen
wird. Entsprechend erhält
der Transistor 16 Basisstrom und die Kollektoremitterstrecke
wird niederohmig leitend. Damit wird der Ionisierungsfühlerausgang 9 für positive Halbwellen
gegen Masse kurzgeschlossen oder zumindest belastet. Letzteres insbesondere
wenn in dem Kanal 14 in Reihe zu der Diode 15 ein
Widerstand angeordnet ist. Die negative Halbwelle wird von der Diode 15 jedoch
nicht durchgelassen, so dass an der Leitung 3 und dem Signalausgang 11 nun
noch die negativen Halbwellen, d. h.
eine stark wellige negative Gleichspannung, anliegen. Dieses Verhalten
wird von dem Feuerungsautomaten 5 als Vorhandensein einer
Flamme erkannt. Die negativen Spannungsimpulse an dem Signalausgang 11 genügen dabei,
um über
den Zweig 22, den Kondensator 23 und die Dioden 25, 26 weiterhin
den Pufferkondensator 27 auf eine zum Betrieb der Umsetzerschaltung 17 ausreichenden
Spannung zu halten. Somit wird der Flammendetektor 2 über eine
einzige Leitung 3 sowohl mit Betriebsspannung versorgt
als auch liefert er über
diese Leitung das Flammensignal an den Feuerungsautomaten 5.
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Die Umsetzerschaltung 17 ist
in 2 nochmals als Blockschaltbild
veranschaulicht. Sie kann als wesentliches Element einer Komparatorschaltung 29 enthalten,
deren Eingang 30, 31 mit der UV-Empfangsdiode 18 verbunden
ist. Ihr Ausgang 33, 34 ist mit der Basis des
Transistors 16 bzw. mit Masse verbunden. Eine solche Umsetzerschaltung
schaltet den Transistor 16 ein, wenn ein ausreichend hoher UV-Pegel
an der Empfangsdiode 18 ansteht. Zur Vermeidung von unklaren
Schaltzuständen
kann die Komparatorschaltung hysterese Eigenschaften aufweisen.
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Bei einer verfeinerten Ausführungsform
werden die von der Empfangsdiode 18 empfangenen UV-Signale
auf zeitliche Schwankungen untersucht, um das Vorhandensein einer
Flamme 9 zu erkennen. Damit sollen die für Brennerflammen
typischen Flackererscheinungen ausgewertet werden. Dazu weist die
Umsetzerschaltung 17 eine Filterschaltung 36, eine
nachgeschaltete Gleichrichterschaltung 37 und eine Komparatorschaltung 38 auf,
an deren Ausgang ein Schaltsignal ansteht. Bedarfsweise kann dieses auch
mit einem weiteren Signal UND-verknüpft werden, das nur dann vorhanden
ist, wenn das Ausgangssignal der UV-Empfangsdiode im Mittel einen Grenzsignalwert überschreitet.
Damit können
Fehlerkennungen minimiert werden.
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Ein zum Anschluss an einen Ionisierungsfühlerausgang 4 vorgesehener
Flammendetektor 2 zur UV-Überwachung einer Flamme 9 weist
einen schaltbaren Kanal 14 auf, der an den Ionisierungsfühlerausgang 4 angeschlossen
ist. Der Kanal 14 weist wenigstens zwei Signalzustände auf,
wobei er in keinem von beiden Signalzuständen vollständig kurzgeschlossen ist. An
den Kanal 14 ist eine Spannungsversorgungsschaltung zur
Spannungsversorgung des Flammendetektors 2 angeschlossen.
Die Verbindungsleitung 3 zwischen dem Flammendetektor 2 und
dem Ionisierungsfühlerausgang 4 dient
somit sowohl zur Spannungsversorgung des Flammendetektors 2 als
auch zur Signalübertragung.