DE1199915B

DE1199915B - Flame guard for gas firing

Info

Publication number: DE1199915B
Application number: DED34731A
Authority: DE
Inventors: Hans Mungaard
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1960-11-14
Filing date: 1960-11-14
Publication date: 1965-09-02

Description

Flammenwächter für Gasfeuerungen Die Erfindung betrifft einen Flammenwächter für Gasfeuerungen mit einem Meßglied und zwischen Flamme und Meßglied geschaltetem Filter. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flammenwächter zu schaffen, der für Störstrahlung weitgehend unempfindlich ist. Derartige Störstrahlung kommt bei Feuerungen beispielsweise von den rotglühenden Wänden des Feuerungsraumes.Flame monitor for gas firing The invention relates to a flame monitor for gas firing with a measuring element and connected between the flame and the measuring element Filter. It is based on the task of creating a flame guard for Interfering radiation is largely insensitive. Such interference radiation comes from firing for example from the red-hot walls of the combustion chamber.

Es ist bekannt, den Einfluß der Störstrahlung auf den Flammenwächter dadurch auszuschließen, daß man eine gewisse Modulation der Flamme heranzieht und ein direkt von der Flamme bestrahltes Meßglied in Form eines Fotowiderstandes über einen Wechselstromverstärker an eine Reihenschaltung von Gleichrichter und Relais legt. Auf diese Weise wird die Flamme an der Modulation erkannt. Das Verfahren versagt aber, wenn auch die Störstrahlung einer gewissen Modulation unterliegt, was dann sofort ein falsches Signal auslöst oder bei erlöschender Flamme das Relais eingeschaltet hält.It is known the influence of interference radiation on the flame monitor to exclude by using a certain modulation of the flame and a measuring element directly irradiated by the flame in the form of a photo resistor an AC amplifier to a series circuit of rectifier and relay lays. In this way the flame is recognized by the modulation. The procedure fails but if the interfering radiation is also subject to a certain modulation, what then immediately triggers an incorrect signal or the relay is switched on when the flame goes out holds.

Es ist auch ein Verfahren bekannt, bei dem die einem fotoelektrischen Meßglied zugeführte Strahlung durch eine rotierende Lochblende unterbrochen wird, die von einem Elektromotor angetrieben ist. Abgesehen davon, daß bei dieser Anordnung die Störstrahlung immer noch einen sehr beträchtlichen Wert hat, erhält man durch diesen gesonderten Antrieb eine Störquelle mehr. Auch bei diesem bekannten Verfahren ist daher die Gefahr groß, daß der Flammenwächter eine falsche Belichtung erhält und die Brennstoffzufuhreinrichtung eingeschaltet läßt, obwohl die Flamme erloschen ist.There is also known a method in which the one photoelectric The radiation fed to the measuring element is interrupted by a rotating pinhole diaphragm, which is driven by an electric motor. Apart from the fact that with this arrangement the interference radiation still has a very considerable value is obtained through this separate drive is one more source of interference. Even with this known method therefore, there is a great risk that the flame monitor will receive a false exposure and leaves the fuel supply device switched on even though the flame is extinguished is.

Des weiteren ist es zur Ausschaltung der Störstrahlung von den glühenden Wänden bekannt, ein blauempfindliches fotoelektrisches Meßglied zu verwenden oder aber dem Meßglied ein Blaufilter vorzuschalten. Auf diese Weise kann man zwar den Einfluß der Wärmestörstrahlung der Ofenwände auf das Meßglied gering halten; das Meßglied ist aber in wesentlich stärkerem Maße gegenüber Störstrahlung durch Tageslicht empfindlich.Furthermore it is used to eliminate the interfering radiation from the glowing ones Walls known to use a blue-sensitive photoelectric measuring element or but to connect a blue filter upstream of the measuring element. In this way you can Keep the influence of radiated heat from the furnace walls on the measuring element low; the The measuring element is, however, to a much greater extent than radiation from daylight sensitive.

All diese Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß das Meßglied im langwelligen Infrarotbereich empfindlich und das vorgeschaltete Filter im wesentlichen nur für Strahlung oberhalb 3,8 w durchlässig ist. Der Ausdruck »Filter« soll hierbei alle optischen Vorrichtungen umfassen, mit deren Hilfe aus der zugeführten Strahlung ein bestimmter Frequenzbereich ausgewählt werden kann.All these disadvantages are eliminated according to the invention in that the measuring element sensitive in the long-wave infrared range and the upstream Filter is essentially only permeable to radiation above 3.8 w. The expression "Filter" is intended to include all optical devices with the help of which from a certain frequency range can be selected for the supplied radiation.

Der Empfindlichkeitsbereich des Flammenwächters wird damit - im Gegensatz zu allen bisherigen Vorschlägen - ganz weit ins infrarote Gebiet vorgeschoben. Dort ist die Störstrahlung durch Tageslicht völlig unbeachtlich und die Störstrahlung durch glühende Wände so gering, daß sie das Meßglied kaum noch beeinflussen kann. Umgekehrt gibt es in diesem Gebiet wegen des Linienspektrums der Flamme ausgeprägte Energiemaxima, so daß man ein sehr günstiges Nutz-Stör-Verhältnis erzielt.The sensitivity range of the flame monitor is thus - in contrast to all previous proposals - pushed very far into the infrared region. there the interference radiation from daylight is completely irrelevant and the interference radiation so small by glowing walls that it can hardly influence the measuring element. Conversely, there are pronounced ones in this area because of the line spectrum of the flame Energy maxima, so that a very favorable useful-disturbance ratio is achieved.

Des weiteren eignet sich der erfindunggemäße Flammenwächter auch für schwach leuchtende oder unsichtbare Flammen. Für diesen Zweck sind zwar schon fotoelektrische Meßglieder bekannt, die auch im Ultrarotbereich empfindlich sind, z. B. Zellen aus Bleisulfid. Diese Flammenwächter unterlagen aber im starken Maße dem Einfluß der Störstrahlung von den Feuerungsraumwänden.Furthermore, the flame monitor according to the invention is also suitable for faintly glowing or invisible flames. Photoelectric ones are already used for this purpose Measuring elements known that are also sensitive in the ultra-red range, z. B. cells from Lead sulfide. These flame guards were subject to the influence of the Interfering radiation from the furnace walls.

Mit Hilfe der Erfindung ist eine bisher nie erreichte Sicherheit gegeben, daß beim Erlöschen der Flamme die Störstrahlung keinen Einfluß auf das Weiterarbeiten der Brennstoffzufuhranlage nehmen kann. Diese Sicherheit ist so groß, daß man sogar Vereinfachungen am fotoelektrischen Meßglied oder Verstärkungen im Strahlungsgang vornehmen kann, die bisher noch niemals zur Debatte standen.With the help of the invention a previously unattained security is given, that when the flame is extinguished, the interference radiation has no effect on further work the fuel supply system can take. This security is so great that you can even Simplifications on the photoelectric measuring element or reinforcements in the radiation path that has never been discussed before.

Beispielsweise kommen als Meßglieder nicht nur die üblichen Fotoelemente oder Fotowiderstände in Frage, sondern auch beliebige andere temperaturempfindliche Organe, wie Bimetallschalter, Gasdruckrelais. Wegen des großen Verhältnisses von Nutz- zu Störstrahlung können die Strahlen auch unbedenklich durch Linsen oder Hohlspiegel auf das Meßglied konzentriert werden, ohne daß die Störstrahlung einen schädlichen Einfluß nimmt. Man kann dann auf einem relativ hohen Temperaturniveau arbeiten, so daß eine weitgehende Unabhängigkeit von der Umgebungstemperatur erreicht ist. Es hat sich gezeigt, daß bei Gasfeuerungen eine ausgeprägte Energiespitze bei etwa 4,3R liegt. Vorzugsweise sollte daher die aus Filter und Meßglied bestehende Flammenwächteranordnung ihre maximale Empfindlichkeit bei diesem Wert haben. Diese gewünschte Selektivabhängigkeit kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß man das Meßglied als Fotowiderstand ausbildet, der durch entsprechende Zusätze so eingestellt ist, daß sein Empfindlichkeitsbereich eine kleine relative Bandbreite besitzt, wobei das % bei 4,3 liegt. Im allgemeinen genügt aber ein Meßglied, das auf einen größeren Frequenzbereich anspricht, weil die nicht erwünschten Frequenzen durch das Filter ausgefiltert werden. Da Filter mit nur einer Absorptionskante, etwa bei 3,8 u, ausreichen, sind relativ billige Filter verwendbar. Besonders kompakt wird der Flammenwächter, wenn die Linse Filtereigenschaften besitzt.For example, not only the usual photo elements are used as measuring elements or photoresistors in question, but also any other temperature-sensitive Organs such as bimetal switches, gas pressure relays. Because of the large ratio of The rays can also be used to interfere with radiation safely through lenses or concave mirrors can be concentrated on the measuring element without the interference radiation causing a damaging effect Influence. You can then work at a relatively high temperature level, so that it is largely independent of the ambient temperature. It it has been shown that with gas firing a pronounced energy peak at about 4,3R lies. The flame monitor arrangement consisting of a filter and a measuring element should therefore preferably be used have their maximum sensitivity at this value. This desired selective dependency can for example be achieved by using the measuring element as a photo resistor forms, which is adjusted by appropriate additives that its sensitivity range has a small relative range, the% being 4.3. In general but a measuring element that responds to a larger frequency range is sufficient because the unwanted frequencies are filtered out by the filter. Because filter with only one absorption edge, around 3.8 u, suffice, are relatively cheap Filters can be used. The flame detector is particularly compact if the lens has filter properties owns.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung. Es zeigt F i g.1 in einem Diagramm die spektrale Energieverteilung einer Gasfiamme und der Störstrahlung und F i g. 2 bis 5 vier Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Flammenwächters.Further features of the invention emerge from the following Description of several exemplary embodiments in connection with the drawing. It FIG. 1 shows a diagram of the spectral energy distribution of a gas flame and the interfering radiation and F i g. 2 to 5 four embodiments of the invention Flame monitor.

In dem Diagramm der F i g.1 ist in der Abszisse die Wellenlänge 2 und in der Ordinate die Energie bzw. Empfindlichkeit E in relativen Einheiten angegeben. Kurve A zeigt die Energieverteilung einer Gasflamme (Propan, Butan, Stadtgas od. dgl.) über den gesamten hier interessierenden Frequenzbereich. Es ist ersichtlich, daß die Kurve A mehrere ausgeprägte Maxima besitzt, davon eines bei 1,5 u, also in der Nähe des sichtbaren Spektrums, und eines bei 4,3 u, also im Bereich langwelligerer Wärmestrahlung. Die Kurve B zeigt die Störstrahlung an, die von einer Ofenwand bei etwa 1100° C ausgeht. Diese Kurve steigt bis zu einem Maximum bei etwa 2,1 u und fällt dann kontinuierlich ab. Das Verhältnis der gesamten Nutzstrahlung zur gesamten Störstrahlung ist verhältnismäßig schlecht, wie sich aus einem Vergleich der Integralflächen unter den beiden Kurven A und B ergibt.In the diagram in FIG. 1, the wavelength 2 is indicated on the abscissa and the energy or sensitivity E is indicated in relative units on the ordinate. Curve A shows the energy distribution of a gas flame (propane, butane, town gas or the like) over the entire frequency range of interest here. It can be seen that curve A has several pronounced maxima, one of them at 1.5 u, that is to say in the vicinity of the visible spectrum, and one at 4.3 u, that is to say in the region of longer-wave thermal radiation. Curve B shows the interfering radiation emanating from a furnace wall at around 1100 ° C. This curve rises to a maximum at about 2.1 u and then falls continuously. The ratio of the total useful radiation to the total interfering radiation is relatively bad, as can be seen from a comparison of the integral areas under the two curves A and B.

Übliche Fotowiderstände haben einen Empfindlichkeitsbereich gemäß der Kurve C. Dies bedeutet, daß die wirksam vom Fotowiderstand aufgenommene Strahlung durch die von der Kurve D angedeutete Fläche bestimmt ist. Das hier wirksame Flächenintegral der Nutzenergie steht in einem noch schlechteren Verhältnis zu dem Flächenintegral der Störstrahlung.Usual photoresistors have a sensitivity range according to of curve C. This means that the radiation effectively picked up by the photoresistor is determined by the area indicated by curve D. The area integral effective here the useful energy has an even worse ratio to the area integral the interference radiation.

Erfindungsgemäß wird nun aus dem gesamten Frequenzbereich ein Abschnitt herausgewählt, der im wesentlichen das Frequenzband um 4,3 u umfaßt. Bei einer genauen Selektion, beispielsweise von 4,2 bis 4,7 u, ergibt sich ein Verhältnis der Integralfläche unter der Kurve A zu der Integralfläche unter der Kurve B, das um ein Vielfaches größer ist als die bekannten Nutz-Stör-Verhältnisse. Aber auch wenn man nur eine Grenze zieht und beispielsweise die gesamte Strahlung mit einer Wellenlänge über 3,8 u auf den strahlungselektrischen Wandler einwirken läßt, ergibt sich ein die bisherigen Konstruktionen bei weitem übertreffendes Nutz-Stör-Verhältnis.According to the invention, a section is now made from the entire frequency range selected, which essentially covers the frequency band around 4.3 u. With an exact Selection, for example from 4.2 to 4.7 u, results in a ratio of the integral area under curve A to the integral area under curve B, which is a multiple is greater than the known useful-disturbance ratios. But even if you only have one Border draws and, for example, the entire radiation with one wavelength 3.8 u can act on the radiative-electrical converter, the result is a previous designs by far surpassing the useful-disturbance ratio.

In F i g. 2 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. In einem Rohr 1 ist das Meßglied 2 angeordnet. Die in Pfeilrichtung einfallenden Strahlen gelangen über ein Filter 3 auf die strahlungsempfindliche Fläche 4 des Meßgliedes 2. Über die Leitung 5 wird der elektrische Ausgangswert abgeführt. Das Filter ist so eingestellt, daß es nur Strahlen mit einer Wellenlänge von mehr als 3,8 [. durchläßt. Filter dieser Art mit einer einseitigen Absorptionskante können beispielsweise aus relativ dünnen Schichten von Natriumchlorid, Calciumchlorid, Ammaniumchlorid und ähnlichen Stoffen hergestellt werden. Es kommen auch Körper aus Aluminiumoxyd A1203 (Saphir), Arsentrisulfid As2S3 und bestimmten Quarzen in Frage, die überdies wegen ihrer guten Wärmebeständigkeit besonders gut für vorliegenden Zweck geeignet sind.In Fig. Figure 2 illustrates a first embodiment of the invention. The measuring element 2 is arranged in a tube 1. The ones falling in the direction of the arrow Rays reach the radiation-sensitive surface 4 of the through a filter 3 Measuring element 2. The electrical output value is carried off via line 5. That Filter is set so that there are only rays with a wavelength longer than 3.8 [. lets through. Filters of this type with a one-sided absorption edge can for example from relatively thin layers of sodium chloride, calcium chloride, Ammanium chloride and similar substances are produced. Bodies come too made of aluminum oxide A1203 (sapphire), arsenic trisulfide As2S3 and certain quartz in Question, which is particularly good for present because of its good heat resistance Purpose are suitable.

Nach F i g. 3 kann man zwischen Filter 3 und Meßglied 2 noch eine Linse 6 schalten. Wenn die strahlungsempfindliche Fläche des Meßgliedes 2 im Brennpunkt dieser Linse angeordnet ist, läßt sich dort eine Strahlungsenergie konzentrieren, was z. B. die Verwendung sehr kleiner temperaturempfindlicher Meßglieder ermöglicht.According to FIG. 3 you can have another one between filter 3 and measuring element 2 Switch lens 6. When the radiation-sensitive surface of the measuring element 2 is in focus this lens is arranged, a radiation energy can be concentrated there, what z. B. allows the use of very small temperature-sensitive measuring elements.

Die Linse kann auch vor das Filter gelegt sein. Nach einem besonders einfachen, in F i g. 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel kann sie sogar die Filtereigenschaften selbst besitzen, sei es, daß sie eine Filterschicht trägt, sei es, daß sie selbst aus einem Filtermaterial hergestellt ist.The lens can also be placed in front of the filter. After a special one simple, in F i g. 4 illustrated embodiment, it can even use the Have filter properties themselves, be it that it carries a filter layer it is that it is itself made of a filter material.

In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 ist das Meßglied 2 zwischen das Filter 3 und einen Hohlspiegel 7, insbesondere einen Parabolspiegel, gelegt, so daß das Meßglied 2 von der durch den Spiegel 7 konzentrierten Strahlung getroffen wird. Diese Konstruktion ist noch billiger als bei Verwendung einer Linse.In the embodiment according to FIG. 5 is the measuring element 2 between the filter 3 and a concave mirror 7, in particular a parabolic mirror, placed, so that the measuring element 2 is struck by the radiation concentrated by the mirror 7 will. This construction is even cheaper than using a lens.

Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen nach den F i g. 2 bis 5 erhält man außerdem einen weitgehenden Schutz gegen die Ablagerung von Ruß, Staub u. dgl. am Meßglied, was bei vielen derartigen Bauelementen von Bedeutung ist, weil sie nicht selbst eine Schutzabdeckung besitzen.In all the exemplary embodiments according to FIGS. Receives 2 to 5 you also have extensive protection against the build-up of soot, dust and the like. on the measuring element, which is important for many such components because they do not have a protective cover themselves.

Als Meßglieder lassen sich Foto- oder Thermoelemente verwenden, die bei Bestrahlung eine Spannung abgeben. Des weiteren sind Foto- und Thermowiderstände geeignet, die bei sich ändernder Bestrahlung ihren Widerstandswert ändern, beispielsweise die bekannten Widerstände aus InSb, PbTe, PbSe, InAs, oder U02, ZrO2, Mg0, A1203, Be0, Th02, ZrC, TiC, SiC, ZrB2, CrB, MoSi. Fotoelektromagnetische Meßglieder sind genauso verwendbar wie kleine Bimetallrelais, Gasdruckrelais, bei denen die von der Temperatur abhängige Ausdehnung eines Gases ausgenutzt wird, einfache Luftkondensatoren und viele andere mehr.Photo or thermocouples can be used as measuring elements give off a voltage when exposed to radiation. There are also photo and thermal resistors suitable that change their resistance value with changing irradiation, for example the well-known resistors made of InSb, PbTe, PbSe, InAs, or U02, ZrO2, Mg0, A1203, Be0, Th02, ZrC, TiC, SiC, ZrB2, CrB, MoSi. Photoelectromagnetic measuring elements are just as usable as small bimetal relays, gas pressure relays, where the from the temperature-dependent expansion of a gas is used, simple air condensers and many others.

Welche der verschiedenen Filter, Linsen, Spiegel und Meßglieder und welche der veranschaulichten oder frei wählbaren Kombinationen im Einzelfall verwendet werden, hängt von den Betriebsbedingungen, der Arbeitstemperatur, der Feuerungsart, dem Aufbau des Schaltgeräts und weiteren Faktoren ab, unter deren Berücksichtigung der Fachmann den jeweils optimalen Flammenwächter angeben kann.Which of the various filters, lenses, mirrors and measuring elements and which of the illustrated or freely selectable combinations used in the individual case depends on the operating conditions, the working temperature, the type of combustion, the structure of the switching device and other factors, taking them into account the specialist can specify the optimum flame monitor in each case.

Claims

Claims: 1. Flame monitor for gas firing with a measuring element and a filter connected between the flame and the measuring element -z e i c h n e t that the measuring element is sensitive and in the long-wave infrared range the upstream Filter essentially only for radiation above 3.8 1, is permeable.

2. Flame monitor according to claim 1, characterized in that that the measuring element is designed as a photoelectric measuring element.

3. Flame monitor according to claim 1, characterized in that the measuring element is a temperature-sensitive Measuring element is formed.

4. Flame monitor according to Claims 1 to 3, characterized in that that the existing of the measuring element and filter flame monitor arrangement is at its maximum Sensitivity at 4.3 [, has.

5. Flame monitor according to claims 1 to 4, characterized characterized in that the filter is also designed as a lens. Considered References: U.S. Patent No. 2,388,124; "Technische Rundschau" 1957, No. 54, pp. 19 to 23; »Archive for techn. Messen «Blatt J 392-3 from February 1955; »Procedural Reports «1959, issue 1496, p.1369, No. L, B. 1495/29.