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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung
der Dichtheit eines von einem Gasbrenner befeuerten Strahlrohres.
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Gasbefeuerte
keramische Strahlrohre finden insbesondere in Industrieöfen wegen
der langen Lebensdauer eine ständig
steigende Verbreitung.
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Ein
Nachteil beim Einsatz von keramischen Strahlrohren ist, dass im
Falle eines Schadens das Strahlrohr bricht und sofort ein großer freier
Querschnitt zum Ofenraum hin vorhanden ist.
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Ein
Schaden des Strahlrohres ist bislang nicht ohne weiteres erkennbar
und kann zu erheblichen Nachteilen im Prozess führen, da die Ofenatmosphäre entsprechend
verändert
wird. Auch ergeben sich erhebliche sicherheitstechnische Probleme.
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Hat
ein Industrieofen mehrere Strahlrohre und tritt ein Bruch auf, so
wird dies nicht sofort erkannt. Der Ofeninnenraum ist meist durch
den Einlauf und Auslauf nicht dicht gegenüber der äußeren Umgebung abgeschlossen,
so dass kein Druckanstieg auftritt. Ist der Ofen mit Schutzgas befüllt, so
wird die Atmosphäre
im Falle eines Strahlrohrbruches verändert, was sich schleichend
entwickeln kann und nur durch ständige
Analysen oder sonstige Messverfahren feststellbar ist. Außerdem ist
nicht unmittelbar feststellbar, welches Strahlrohr, gebrochen ist.
Nur durch Abschalten des dem Strahlrohr zugeordneten Brenners kann
eine Eingrenzung erfolgen. Dies kostet Zeit, da erst auf eine Reaktion
der Ofenatmosphäre
bzw. eine Auswirkung davon gewartet werden muss. Auch können Analysen
von Schutzgaskomponenten des Strahlrohres sehr zeitaufwändig sein. Befindet
sich im Ofenraum nur Luft, so ist ein Strahlrohrbruch im Produktionsprozess
kaum feststellbar.
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All
diese Probleme sind nachteilig bei der Verwendung von keramischen
Strahlrohren. Dagegen sind Strahlrohre aus Stahl einer stärkeren Korrosion
ausgesetzt und weniger temperaturbeständig. Auch entwickeln sich
Schäden
an Strahlrohren aus Stahl meist schleichend.
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Aus
der US-A-4 219 324 ist es bekannt, mittels eines Flammendetektors
die Funktionsweise eines Brenners zu überwachen. Ferner wird hierbei
die Zusammensetzung des Abgasstroms überwacht, um einen Fehlerzustand
bei Abweichung von vorgegebenen Sollwerten festzustellen.
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Aus
der US-A-4 508 501 ist ferner ein zur Überwachung der Dichtheit eines
von einem Gasbrenner befeuerten Strahlrohres bekannt, bei dem von
einer Steuerung des Brenners der Sauerstoffgehalt im Abgasstrom
des Brenners überwacht
wird. Bei Abweichung von einem vorgegebenen Sollwert wird ein Fehlersignal ausgegeben.
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Schließlich ist
es aus der JP-A-55066729 (Patent Abstracts of Japan) bekannt, bei
dem gleichfalls der Abgasstrom des Brenners überwacht wird und hieraus ein
Signal zur Überwachung
abgeleitet wird. Auch hierbei wird die Abgaszusammensetzung überwacht.
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Im
Stand der Technik erfordert die Überwachung
der Dichtheit des Strahlrohres eine aufwändige Überwachung der Gaszusammensetzung,
was kompliziert und teuer ist und zudem das Problem der Alterung
von Sensoren beinhaltet.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Überwachung der
Dichtheit eines von einem Gasbrenner befeuerten Strahlrohres zu
schaffen, womit sich ein einfacher und kostengünstiger Aufbau und ein schnelles
Ansprechen im Fehlerfall ergibt.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Überwachung der Dichtheit eines
von einem Gasbrenner befeuerten Strahlrohres gelöst, bei dem von einer Steuerung
des Brenners ein Brennersignal abgeleitet wird, das mindestens die
Zustände
BRENNER AUS bei ausgeschaltetem Brenner und BRENNER EIN bei eingeschaltetem
Brenner einnehmen kann, bei dem ferner der Abgasstrom des Brenners überwacht
wird und hiervon ein Abgassignal abgeleitet wird, das mindestens
die Zustände
ABGAS AUS bei nicht mit ausreichendem Volumenstrom strömenden Abgas
und ABGAS EIN bei ordnungsgemäß abströmendem Abgas
annehmen kann, und bei dem das Brennersignal und das Abgassignal
miteinander verknüpft
werden, um bei der Kombination BRENNER EIN und ABGAS AUS ein Fehlersignal
ausgeben.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird ferner durch eine Vorrichtung zur Überwachung
der Dichtheit eines von einem Gasbrenner befeuerten Strahlrohres
gelöst,
mit einem Sensor zur Überwachung
des Abgasstromes des Brenners, der bei Überschreiten eines vorgegebenen
Schwellwertes ein dafür
charakteristisches Abgassignal ausgibt und mit einer Überwachungsschaltung,
der das Abgassignal und ein von einer Steuerung des Brenners abgeleitetes
Brennersignal, das den Einschaltzustand des Brenners anzeigt, zugeführt sind,
und die bei einem den Einschaltzustand des Brenners anzeigendem
Brennersignal und gleichzeitigem Ausbleiben des Abgassignals ein
Signal ausgibt.
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Die
Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
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Ist
der Brenner eingeschaltet, was durch das Brennersignal angezeigt
wird, so muss das aus dem Strahlrohr abströmende Abgas mit einem für den Brenner
charakteristischen Abgasvolu menstrom strömen. Bleibt dieser Abgasvolumenstrom
aus oder erreicht nicht die notwendige Größe, so ist von einer Undichtheit des
Strahlrohres auszugehen. Durch die Verknüpfung des Abgassignals, das
einen ausreichenden Volumenstrom des Abgases anzeigt, mit dem von
der Steuerung des Brenners abgeleiteten Brennersignal lässt sich auf
diese Weise eine Undichtheit des Strahlrohres leicht erkennen.
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Die Überwachung
des Abgasstroms kann etwa durch eine volumetrische Messung, durch
eine Wirkdruckmessung, durch eine Strömungsgeschwindigkeitsmessung
mit einem induktiven oder Ultraschall-Verfahren oder durch eine
Drucksondenmessung überwacht
werden.
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Eine
besonders einfache Ausführung
ergibt sich, wenn der Abgasstrom mittels eines Wirkdruckverfahrens
durch Einschnürung
des Strömungsquerschnitts
mittels einer Drosseleinrichtung, insbesondere mittels einer Differenzdruckblende, überwacht
wird. Es kann dann eine Differenzdruckmessung zwischen dem Eingang und
dem Ausgang der Drosseleinrichtung durchgeführt werden. Liegt der gemessene
Differenzdruck unterhalb eines vorgegebenen Schwellwertes, so wird
das erhaltene Abgassignal auf ABGAS AUS gesetzt. Liegt der Differenzdruck
darüber,
so ergibt sich das Abgassignal ABGAS EIN.
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Als
Schwellwert kann hierbei bspw. ein Wert von 10 mbar, vorzugsweise
von 5 mbar, weiter bevorzugt von 3 mbar, insbesondere von 2 mbar,
zwischen Eingang und Ausgang der Differenzdruckblende verwendet werden.
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In
zusätzlicher
Weiterbildung der Erfindung wird auch bei der Kombination BRENNER
AUS und ABGAS EIN ein Fehlersignal ausgegeben.
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Wird
nämlich
ein Abgassignal ausreichender Größe gemessen,
ohne dass das für
das Einschalten des Brenners charakteristische Signal BRENNER EIN
anliegt, so ist davon auszugehen, dass eine Störung in der Steuerung des Brenners
bzw. im hiervon erhaltenen Brennersignal vorliegt.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden
Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern
auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar
sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugsnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine vereinfachte Darstellung
eines Industrieofens mit einem Brenner und einem Strahlrohr in Form
eines Mantelstrahlrohres und einer zugeordneten Einrichtung zur Überwachung
der Dichtheit des Strahlrohres; und
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2 eine mögliche Ausführung einer Schaltung mit Leuchttaster
zur Anzeige und Quittierung einer Meldung, die eine Undichtheit
des Strahlrohres anzeigt.
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In 1 ist ein Industrieofen,
der mit einem gasbefeuerten Strahlrohr beheizt ist und mit einer
erfindungsgemäßen Überwa chungseinrichtung
zur Überwachung
der Dichtheit des Strahlrohrs ausgestattet ist, schematisch dargestellt
und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet.
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Der
Industrieofen 10 weist eine lediglich schematisch mit einer
strichpunktierten Linie angedeutete Ofenkammer 11 auf,
die mittels eines Gasbrenners 12 beheizt ist. Der Gasbrenner 12 weist
ein in die Ofenkammer 11 hineinragendes Strahlrohr 14 in
Form eines Mantelrohres auf. Die über das Strahlrohr 14 zurückgeführten Abgase
gelangen über
einen lediglich schematisch angedeuteten Ausgang des Strahlrohrs 14 in eine
Abgasleitung 18 und werden in einen Abgaskanal 20 geleitet.
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Erfindungsgemäß wird nun
zur Überwachung
der Dichtheit des Strahlrohres 14 der über die Abgasleitung 18 strömende Abgasvolumenstrom überwacht
und mit einem von der Brennersteuerung 28 abgeleiteten Brennersignal,
das ein ordnungsgemäßes Arbeiten
des Brenners anzeigt, verknüpft.
Arbeitet der Brenner ordnungsgemäß und ergibt
sich kein Abgasvolumenstrom, der die charakteristische Größe für den verwendeten Brennertyp
aufweist, so ist davon auszugehen, dass eine Undichtheit des Strahlrohres
vorliegt.
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Hierzu
ist in der Abgasleitung 18 eine Differenzdruckblende 22 eingefügt. Am Eingang
und am Ausgang der Differenzdruckblende, d.h. unmittelbar davor
und dahinter, ist eine Druckmesseinrichtung 24 über Messleitungen 26 angeschlossen.
Ergibt sich bei ordnungsgemäß arbeitendem
Brenner 12 ein Differenzdruck Δp ausreichender Größe von z.B.
2 mbar, so ist davon auszugehen, dass keinerlei Undichtheit des
Strahlrohres 14 vorliegt. Anderenfalls wird ein Fehlersignal
erzeugt. Hierzu ist eine Überwa chungsschaltung
vorgesehen, die lediglich schematisch mit der Ziffer 38 angedeutet
ist. Der Überwachungsschaltung 38 wird
das von der Druckmesseinrichtung 24 erhaltene Abgassignal 34 und
das von der Brennersteuerung 28 erhaltene Brennersignal 32 zugeführt. Von
der Überwachungsschaltung 38 wird
ein Ausgangssignal 36 erzeugt, das im einfachsten Fall
lediglich die Zustände
OK bzw. FEHLER annehmen kann.
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Das
von der Druckmesseinrichtung 24 erhaltene Abgassignal 24 kann
gleichfalls im einfachsten Fall lediglich die Zustände ABGAS
EIN oder ABGAS AUS einnehmen. Gleichfalls ist das Brennersignal 32 vorzugsweise
als binäres
Signal gestaltet, das lediglich die Zustände BRENNER EIN und BRENNER
AUS annehmen kann.
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Es
versteht sich, dass die Verknüpfungen
des Abgassignals 34 und des Brennersignals 32 durch
die Überwachungsschaltung 38 entweder
durch eine herkömmliche,
festverdrahtete Schaltung oder durch eine digitale Schaltlogik erfolgen
können,
die im einfachsten Fall bspw. mittels TTL-Logik-Bausteinen ausgeführt ist.
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Das
in Abhängigkeit
von den verschiedenen möglichen
Kombinationen des Brennersignals 32 und des Abgassignals 34 erhaltene
Ausgangssignal 36 könnte
dann etwa durch eine Wahrheitstabelle dargestellt werden, wie dies
nachfolgend in Tabelle 1 wiedergegeben ist.
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Dabei
steht bei den Eingangssignalen eine „0" für
den Zustand AUS bzw. LOW, also BRENNER AUS bzw. ABGAS AUS und eine „1" für den Zustand
EIN bzw. HIGH, also BRENNER EIN bzw. ABGAS EIN. Beim Ausgangssignal
steht eine „0" für den Zustand
IN ORDNUNG oder OK, während
eine „1" einen Fehler anzeigt.
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Bei
der einfachsten Ausführung
der Schaltung wird lediglich bei der Kombination BRENNER EIN und ABGAS
AUS ein Fehlersignal erzeugt, d.h. eine logische „1" ausgegeben. Bei
einer alternativen Ausführung wird
zusätzlich
auch für
die Kombination BRENNER AUS und ABGAS EIN ein Fehlersignal ausgeben,
was durch die logische „1" bei dieser Kombination
in Klammern angezeigt ist.
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Wird
nämlich
ein Abgassignal erhalten, ohne dass ein Brennersignal anliegt, so
muss von einer Störung
des Brenners bzw. einer Störung
des Brennersignals ausgegangen werden.
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Es
versteht sich, dass die lediglich beispielhaft anhand von 1 und Tabelle 1 dargestellte Überwachung
der Dichtheit eines Strahlrohres nicht nur bei einem Ofen bei einem
einzigen Strahlrohr, sondern auch bei Öfen mit mehreren Strahlrohren
verwendet werden kann. Hierbei kann bei jedem Strahlrohr eine Drucküberwachung
durchgeführt
werden und die erhaltenen Abgassignale können mittels einzelner Überwachungsschaltungen
oder mittels einer einzigen Überwachungsschaltung
mit den betreffenden Brennersignalen verknüpft werden.
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Es
versteht sich ferner, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung
beliebiger Strahlrohre verwendet werden kann. Es können also
bspw. Mantel-Strahlrohre, P-Strahlrohre
und Doppel-P-Strahlrohre überwacht
werden. Aber auch bei Durchgangs- und U-Strahlrohren kann das erfindungsgemäße Prinzip
verwendet werden. Dabei wird der Abgassstrom am Ausgang des Durchgangs
des U-Rohres mittels der Differenzdruckblende und der Druckmesseinrichtung überwacht.
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Eine
mögliche
Ausführung
für die Überwachungsschaltung 38 mit
herkömmlichen
Bauelementen ist in 2 dargestellt.
Mit dieser Überwachungsschaltung 38 wird
lediglich dann ein Fehlersignal ausgegeben, wenn die Kombination
BRENNER EIN und ABGAS AUS erhalten wird. Zusätzlich ist hierbei jedoch ein
Leuchttaster zur Anzeige und Quittierung der Fehlermeldung vorgesehen.
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Die Überwachungsschaltung 38 kann
bspw. in einem separaten Gehäuse
untergebracht sein, das zusätzlich
jeweils am zugeordneten Brenner untergebracht ist.
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Die Überwachungsschaltung 38 weist
einen Eingang 56 für
das von der Brennersteuerung 28 erhaltene Brennersignal
(220 V-Signal) auf, das die Zustände BRENNER EIN oder BRENNER
AUS annehmen kann. Dieser Eingang 56 ist mit einem Relais
K1 verbunden, das mit seinem Steuerkreis 40 am anderen
Ende an den Nullleiter N über
den Anschluss 64 angeschlossen ist. Gleichfalls an den
Nullleiter N ist ein Relais K2 mit seinem Steuerkreis 42 angeschlossen,
der in Reihe mit dem Schließkontakt 41 des
Relais K1 und in Reihe mit der Druckmesseinrichtung 24 liegt,
die über
die Anschlüsse 58 und 60 angeschlossen
ist und die über
eine Leitung 50 mit der von der Brennersteuerung 28 erhaltenen
220 V-Phase verbunden ist, die über
den Anschluss 62 angeschlossen ist. Die Druckmesseinrichtung 24 öffnet den
in 2 schematisch angedeuteten Öffnerkontakt
dann, wenn der Differenzdruck den voreingestellten Schwellwert von
z.B. 2 mbar überschreitet.
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Parallel
zum Steuerkreis 42 des Relais K2 ist eine Indikatorlampe 44 angeschlossen,
die mit ihrem einen Ende am Nullleiter liegt und mit ihrem anderen
Ende über
den Steuerkreis 43 des Relais K2 und einen Taster 46 mit
der Leitung 50 und dem Anschluss 62, also mit
der 220V-Phase verbunden ist. Durch eine Leitung 48 zwischen
dem Steuerkreis 42 und dem Schaltkreis 43 des
Relais ist die Indikatorlampe 44 parallel zum Steuerkreis 42 des
Relais K2 geschaltet.
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Wird
das Brennersignal BRENNER EIN erhalten und fehlt das Abgassignal,
d.h. öffnet
der Öffnerkontakt
der Druckmesseinrichtung 24 die Verbindung zwischen dem
Schaltkreis 41 des Relais K1 und der Leitung 50 nicht,
so wird dies durch Aufleuchten der Indikatorlampe 44 angezeigt,
und es wird ein Fehlersignal am Ausgang 66 ausgegeben.
Das Fehlersignal kann durch den Taster 46 quittiert werden.
