DE1233086B - Sensor for a photoelectric switching device for flame monitoring - Google Patents
Sensor for a photoelectric switching device for flame monitoringInfo
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Description
Fühler für eine lichtelektrische Schalteinrichtung zur Flammenüberwachung Die Erfindung betrifft einen Fühler für eine lichtelektrische Schalteinrichtung zur Flammenüberwachung.Sensor for a photoelectric switching device for flame monitoring The invention relates to a sensor for a photoelectric switching device for flame monitoring.
Ein neues elektronisches Halbleiterbauelement, die sogenannte PNPN-Vierschichtdiode, eignet sich vortrefflich als Fühlerelement für photoelektrische Flammenüberwachungseinrichtungen. Die Vierschichtdiode ist ein elektronischer Schalter mit hohem Schaltvermögen, der durch Licht ausgesteuert wird und in leitendem Zustand als Richtleiter wirkt. Der Sperrstrom entspricht dem einer normalen Siliziumdiode.A new electronic semiconductor component, the so-called PNPN four-layer diode, is excellently suited as a sensor element for photoelectric flame monitoring devices. The four-layer diode is an electronic switch with high switching capacity, the is controlled by light and acts as a directional guide when it is conductive. Of the Reverse current corresponds to that of a normal silicon diode.
Die Vierschichtdiode benötigt zur Aussteuerung eine im Vergleich zu anderen lichtempfindlichen Schaltungselementen ziemlich große Beleuchtun.-.sstärke auf ihrer lichtempfindlichen Schicht. Durch Verwendung einer Sammellinse im Strahlengang vor der Vierschichtdiode läßt sich dies bekanntlich erreichen. Eine Flamme stellt aber einen Temperaturstrahler niedriger Temperatur dar, und in diesem Fall verursacht eine gewöhnliche Sammellinse eine unzulässige Konzentration der Wärmestrahlung auf dem Halbleiterelement.The four-layer diode requires a compared to other light-sensitive circuit elements quite high illuminance on their photosensitive layer. By using a converging lens in the beam path As is well known, this can be achieved before the four-layer diode. A flame represents but a thermal radiator of low temperature, and in this case causes an ordinary converging lens an impermissible concentration of the thermal radiation the semiconductor element.
Eine weitere Besonderheit der Vierschichtdiode ist es, daß der zur Aussteuerung erforderliche Schwellenwert der Beleuchtungsstärke bei ein und demselben Typ starke Exemplarstreuung aufweist. In lichtelektrischen Schalteinrichtungen mit Vierschichtdioden muß deshalb eine Justiermöglichkeit vorgesehen werden, um serienmäßig hergestellte Geräte auf gleiche Ansprechwerte einstellen zu können. Die üblichen Justierglieder sind jedoch verhältnismäßig teuer und geben wegen ihrer Empfindlichkeit unter den rauhen Betriebsbedingungen, wie sie bei Flammenwächtem vorliegen, leicht zu Störungen Anlaß.Another peculiarity of the four-layer diode is that the threshold value of the illuminance required for modulation has a high level of specimen variance for one and the same type. In photoelectric switching devices with four-layer diodes, an adjustment option must therefore be provided in order to be able to set devices manufactured in series to the same response values. The usual adjusting elements are, however, relatively expensive and, because of their sensitivity, can easily give rise to malfunctions under the rough operating conditions that exist with flame monitors.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fühler für eine lichtelektrische Schalteinrichtung mit einer lichtgesteuerten Vierschichtdiode und einem dieser zugeordneten, lichtsammelnden optischen System, bei dem diese Forderungen auf einfachste Weise erfüllt sind. Gemäß der Erfindung ist die Vierschichtdiode in einem Körper aus lichtdurchlässigem Kunststoff eingegossen, der durch die Form seiner Oberfläche das in bezug auf die lichtempfindliche Stelle der Vierschichtdiode lichtsammelnde optische System bildet.The present invention relates to a sensor for a photoelectric Switching device with a light-controlled four-layer diode and one associated with it, light-collecting optical system in which these demands in the simplest possible way are fulfilled. According to the invention, the four-layer diode is in a body made of translucent Poured in plastic, which by the shape of its surface with respect to the Light-sensitive point of the four-layer diode forms the light-collecting optical system.
Die Erfindung gestattet zunächst ein äußerst einfaches Herstellungsverfahren, das sich vorzüglich für eine billige Massenfertigung eignet. Die Justierung kann durch Verschieben der Vierschichtdiode innerhalb des noch nicht festgewordenen Kunststoffes erfolgen, so daß besondere Justierglieder entfallen. Ist der Kunststoff dann erst einmal fest geworden, so bleibt die vorgenommene Justierung mit unbedingter Sicherheit auch bei rauhester Behandlung des Fühlers erhalten.The invention initially allows an extremely simple manufacturing process, which is ideally suited for cheap mass production. The adjustment can by moving the four-layer diode within the plastic that has not yet solidified take place so that special adjusting members are not required. Only then is the plastic once established, the adjustment made remains with absolute certainty Preserved even with the roughest treatment of the feeler.
Bei dem Fühler gemäß der Erfindung muß die Gesamtstrahlung eine verhältnismäßig dicke Kunststoffschicht durchlaufen, und dadurch wird gerade der langwellige Anteil der Strahlung vor dem Auftreffen auf die Vierschichtdiode durch Absorption stark geschwächt. Damit wird ohne besondere Filter eine überhitzung der Vierschichtdiode verhindert. Durch Cleeignete Auswahl des verwendeten Kunststoffes oder durch Zusätze zu diesem läßt sich die bevorzugte Absorption der langwelligen gegenüber der kurzwelligen Strahlung noch steigern.In the sensor according to the invention, the total radiation must be proportionate pass through a thick layer of plastic, and this is precisely the long-wave portion of the radiation before it hits the four-layer diode due to absorption weakened. This means that the four-layer diode will overheat without a special filter prevented. Through a suitable selection of the plastic used or through additives this can be attributed to the preferred absorption of the long-wave versus the short-wave Increase radiation even more.
Dabei braucht auf eine hohe Temperatarbeständigkeit der Zusatzstoffe keine Rücksicht genommen zu werden, weil bei der Herstellung des Kunststoffkörpers im Gegensatz zu Körpern aus Glas keine nennenswerten Temperaturen auftreten. Man kann deshalb z.B. dem Kunststoff auch Stoffe direkt beimengen, welche die besonders kurzwelligen Anteile der Strahlung in denjenigen sichtbaren Bereich transponieren, für den die Vierschichtdiode besonders empfindlich ist, und die es damit gestatten, die Gesamtstrahlung und mit ihr die Energie der schädlichen infraroten Strahlung herabzusetzen.The additives need to have a high temperature resistance no consideration to be taken because in the manufacture of the plastic body In contrast to bodies made of glass, no significant temperatures occur. Man can therefore, for example, also add substances directly to the plastic, which the particular transpose short-wave components of the radiation into the visible range, to which the four-layer diode is particularly sensitive, and which thus allow the total radiation and with it the energy of the harmful infrared radiation to belittle.
F i 1 der Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und F i g. 2 zeigt ein Schaltbild einer lichtelektrischen Schalteinrichtung.F i 1 of the drawing shows an embodiment of the invention, and F i g. 2 shows a circuit diagram of a photoelectric switching device.
Der Fühler nach F i g. 1 enthält eine Vierschichtdiode 1, die zusammen mit Anschlußelementen 2 und 3 in alasklarem Kunststoff 4 eingebettet ist. Die Einbettung erfolgt am besten durch Kaltvergießen in einer Form 5 mit symmetrisch, vorzugsweise asphärisch gewölbtem Boden 6, der glasklar durchsichtig sein muß. Die Justierung des Fühlers erfolgt mittels einer Justiervorrichtung vor dem Aushärten des Kunststoffes 4. Die Form 5 kann aus einem Werkstoff bestehen, der sich mit dem Kunststoff 4 verbindet und dann einen festen Bestandteil des Fühlers bildet. Soll die Form 5 nach dem Aushärten des Kunststoffes 4 entfernt werden, so muß der Boden 6 sehr dünnwandig sein, damit der für die Justierung maßgebende Strahlengang nicht gestört wird.The feeler according to FIG. 1 contains a four-layer diode 1 which, together with connection elements 2 and 3, is embedded in clear plastic 4. The embedding is best done by cold casting in a mold 5 with a symmetrically, preferably aspherically curved bottom 6, which must be crystal clear. The sensor is adjusted by means of an adjusting device before the plastic 4 hardens. The mold 5 can consist of a material which bonds with the plastic 4 and then forms a permanent part of the sensor. If the mold 5 is to be removed after the plastic 4 has hardened, the base 6 must be very thin-walled so that the beam path which is decisive for the adjustment is not disturbed.
Vorzugsweise wird ein Kunststoff mit gesteigerter Infrarotabsorption verwendet. Dasselbe Ziel kann auch durch einen auf der der Flamme zugekehrten Oberfläche des Kunststoffkörpers 4 angebrachten Belag erreicht werden, der die Infrarotstrahlung selektiv reflektiert.A plastic with increased infrared absorption is preferred used. The same aim can also be achieved by one on the surface facing the flame of the plastic body 4 attached covering can be achieved, the infrared radiation selectively reflected.
Es ist auch möglich, im Strahlengang, vorzugsweise unmittelbar vor der lichtempfindlichen Schicht der Vierschichtdiode 1, eine lumineszierende Schicht anzuordnen, die einen Teil der auffallenden Strahlung in Licht einer Wellenlänge umsetzt, für welche die Vierschichtdiode besonders empfindlich ist. Wählt man bei einem Fühler gemäß der F i g. 1 einen Kunststoff 4 mit möglichst geringer Absorption im Bereich kurzer Wellenlängen, so kann durch Suspension fluoreszierender Stoffe im Kunststoff 4 eine sehr wirksame Verstärkung der nutzbaren Strahlung erzielt werden. Eine durch die Teilchen des fluoreszierenden Stoffes entstehende leichte Trübung des Kunststoffes 4 bewirkt zudem, daß der Lichtpegel im Kunststoff 4 durch Ausnutzung der Randstrahlen weiter angehoben wird.It is also possible to arrange a luminescent layer in the beam path, preferably immediately in front of the light-sensitive layer of the four-layer diode 1, which converts part of the incident radiation into light of a wavelength to which the four-layer diode is particularly sensitive. If one chooses for a sensor according to FIG. 1 a plastic 4 with the lowest possible absorption in the range of short wavelengths, a very effective amplification of the usable radiation can be achieved by suspension of fluorescent substances in the plastic 4. A slight clouding of the plastic 4 caused by the particles of the fluorescent substance also has the effect that the light level in the plastic 4 is further increased by utilizing the marginal rays.
Die F i g. 2 läßt den Aufbau einer lichtelektrischen Schalteinrichtung mit einer Vierschichtdiode erkennen. Im einfachsten Fall besteht die Schalteinrichtung aus einer an Klemmen 7 und 8 mit Netzwechselstrom gespeisten Reihenschaltung eines Gleichstromrelais9 mit der Vierschichtdiodel, auf die eine die Schalteinrichtung steuernde Strahlung 10, z. B. die Strahluna, der Flamme einer Feuerungsanlage, einwirkt. Das Gleichstromrelais 9 besitzt einen Arbeitskontakt 11, der einer nicht gezeichneten Folgeschaltung angehört und dessen Kontaktzustand ein Kriterium dafür darstellt, ob die Vierschichtdiode 1 Strahlung empfängt oder nicht.The F i g. 2 shows the structure of a photoelectric switching device with a four-layer diode. In the simplest case, the switching device consists of a series connection of a direct current relay 9 with the four-layer diode, which is fed with mains alternating current at terminals 7 and 8 , to which a radiation 10 controlling the switching device, e.g. B. the Strahluna, the flame of a furnace, acts. The direct current relay 9 has a normally open contact 11 which belongs to a subsequent circuit (not shown) and whose contact state represents a criterion for whether the four-layer diode 1 receives radiation or not.
Im unbelichteten Zustand fließt nur der sehr geringe Sperrstrom; das Relais 9 nimmt dabei seine Ruhelage ein. Wird die Vierschichtdiode 1 durch einfallende Strahlung 10 ausgesteuert, so bildet sich wegen der Richtwirkung der Diode 1 ein pulsierender Gleichstrom aus, welcher das Gleichstromrelais 9 erregt. Im Falle eines Kurzschlusses in oder über der Vierschichtdiode 1 wird das Gleichstromrelais 9 nur von Wechselstrom durchflossen, der wegen des großen Wechselstromwiderstandes der Relaiswicklung dieses nicht zu erregen vermag. Die Schalteinrichtung gemäß der F i g. 2 besitzt also die für eine Flammenüberwachungseinrichtung wichtige Eigenschaft, daß Störungen in der Leitung zum Fühler oder im Fühler selbst, z. B. Unterbrechung oder Kurzschluß, dazu führen, daß das als Detektorrelais wirkende Gleichstromrelais 9 seine Ruhelage einnimmt. Die kippende Charakteristik und das hohe Schaltvermögen der Vierschichtdiode ermöglichen, für eine lichtelektrische Schalteinrichtune, einfache und robuste Schaltungselemente zu verwenden und dadurch eine hohe Betriebssicherheit und lange Lebensdauer zu erzielen.In the unexposed state, only the very low reverse current flows; the relay 9 assumes its rest position. If the four-layer diode 1 is controlled by incident radiation 10 , because of the directional effect of the diode 1, a pulsating direct current is formed, which excites the direct current relay 9. In the event of a short circuit in or on the four-layer diode 1, the DC relay 9 is traversed only by alternating current, which is not able to attract because of the large AC resistance of the relay winding this. The switching device according to FIG . 2 therefore has the important property for a flame monitoring device that disturbances in the line to the sensor or in the sensor itself, z. B. interruption or short circuit, lead to the fact that acting as a detector relay DC relay 9 assumes its rest position. The tilting characteristic and the high switching capacity of the four-layer diode make it possible to use simple and robust circuit elements for a photoelectric switching device and thus to achieve a high level of operational reliability and a long service life.
Soweit in der Beschreibuna von »Licht« gesprochen wird, ist der sichtbare Bereich des Spektrums gemeint. Es ist natürlich möglich, die im vorstehenden angestellten überlegungen in sinngemäßer Weise auch auf Spektralbereiche anzuwenden, die außerhalb des Sichtbaren liegen. Unter gewissen Umständen kann es vorteilhaft sein, durch Filterung zusätzlich oder alternativ andere Wellenlängen als solche des Infrarotgebietes aus dem genutzten Strahlenbündel zu entfernen. Dies richtet sich in erster Linie danach, mit welchem Anteil des Emissionsspektrums der Lichtquelle die Vierschichtdiode ausgesteuert werden soll und wie die spektrale Empfindlichkeit der Vierschichtdiode über das Spektrum verteilt ist. Ferner kann auch die Wahl der für das optische System verfügbaren Werkstoffe maßgebend sein.As far as "light" is spoken of in the description, it is visible Meant area of the spectrum. It is of course possible to employ the above Considerations to apply analogously to spectral ranges that are outside of the visible. In certain circumstances it can be beneficial to go through Filtering additionally or alternatively other wavelengths than those of the infrared region to be removed from the beam used. This is primarily aimed according to which part of the emission spectrum of the light source is the four-layer diode should be controlled and how the spectral sensitivity of the four-layer diode is spread over the spectrum. Furthermore, the choice of the one for the optical system available materials must be decisive.
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