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Verfahren zur überwachung eines photoempfindlichen Elementes einer
wechselstromgespeisten Flammenüberwachungsanordnung und Schaltungsanordnung zur
Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur überwachung
eines photoempfindlichen Elementes einer wechselstrombetriebenen Flammenüberwachungsanordnung,
wobei das photoempfindliche Element während der positiven Halbperiode gespeist wird
und bei Vorhandensein einer Flamme während dieser Periode Arbeitssignale entnommen
werden.
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Verfahren dieser Art dienen zum überwachen der vom Brennstoff erzeugten
Flamme. Zu diesem Zweck wird ein photoempfindliches (meist ein ultraviolett-oder
infrarotempfindliches) Element der Flamme ausgesetzt und derart in die Anordnung
aufgenommen, daß es eine geeignete Alarm- oder ähnliche Sicherungsvorrichtung betätigen
kann. Eine solche Vorrichtung kann ein Relais enthalten, das erregt wird, wenn die
Flamme brennt, und das abfällt, wenn die Flamme aus irgendeinem Grund fehlt. Eine
Anordnung dieser Art wird wirksam, wenn die Stromzufuhr an das Relais fehlt, da
das Abfallen des Relais einem Flammenfehler entspricht.
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Das photoempfindliche Element kann z. B. eine photoemittierende Zelle
sein. Wenn einer solchen Zelle eine Spannung zugeführt wird, kann der Strom durch
diese Zelle von der darauffallenden Strahlung abhängig gemacht werden. Durch die
mit variierenden Bestrahlungspegeln erhaltene Zunahme und Ab-
nahme des Stromes
durch das Element kann die obenerwähnte Sicherungsvorrichtung auf bekannte Weise
betätigt werden.
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Es ist wichtig, daß ein in der Schaltungsanordnung auftretender Fehler
keine verringerte Sicherung zur Folge hat, d. h., daß es von Wichtigkeit
ist, daß die Anordnung bei einer möglichst großen Fehlerzahl wirksam wird. Würde
die Anordnung nicht wirksam werden, so könnten große Unannehmlichkeiten auftreten,
z. B. dadurch, daß ein Ofen von öl überschwemmt wird, wenn die Flamme gelöscht
wird, ohne daß jedoch die ölzufuhr von der Regelschaltungsanordnung ausgeschaltet
wird.
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Der elektrische Widerstand photoempfindlicher Elemente nimmt normalerweise
mit der Zunahme der Intensität der darauffallenden Strahlung ab. Wenn im obenerwähnten
Fall das Ausbleiben der auffallenden Strahlung infolge des Löschens der Flamme somit
keine starke Zunahme des elektrischen Widerstandes herbeiführt, ist die Gefahr eines
Nichtwirksamwerdens der Anordnung sehr groß. Es ist unglücklicherweise möglich,
daß in den üblichen photoempfindlichen Elementen, insbesondere in photoemittierenden
Elementen, gewisse Fehler auftreten können, durch die gerade diese Situation entstehen
kann. Man hat oft festgestellt, daß auf der Kathode eines photoemittierenden Elementes
kleine Kristalle wachsen, die nach einer bestimmten Zeit sehr groß werden. Sie können
sogar so groß werden, daß sie einen Durchschlag herbeiführen, da das an ihren Spitzen
beim Anlegen der normalen Betriebsspannung des Elementes auftretende elektrische
Feld genügend groß sein kann, um die Anoden-Kathoden-Strecke des Elementes leitend
zu machen, sogar ohne daß Strahlung auf die Zelle fällt. Wenn somit diese Situation
sich ergibt, wird der Widerstand des Elementes durch das Ausbleiben auffallender
Strahlung nicht in genügendem Maße zunehmen, um die Sicherungsvorrichtung zu betätigen,
d. h., daß die das Element enthaltende und die Sicherungsvorrichtung steuernde
Anordnung nicht wirksam wird. Wie oben erwähnt, ist diese Situation sehr unerwünscht.
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Es sind bereits mehrere Wege vorgeschlagen worden, um das Auftreten
dieser Situation festzustellen. Dabei muß zwischen der Strahlungsquelle und dem
photoempfindlichen Element eine auf mechanischem Wege betätigte undurchsichtige
Blende angebracht werden. Die Blende befindet sich normalerweise in der offenen
Lage, so daß Strahlung auf das Element
auffallen kann. Sie wird
jedoch zum Unterbrechen der Strahlung periodisch kurzzeitig geschlossen, wodurch
der zum Element gehörige Regelkreis Sicherungsmittel betätigt, wenn das Element
sich verhält, als ob während der Periode, in der die Blende geschlossen ist, noch
Strahlung darauffällt. Auf diese Weise kann kontrolliert werden, ob das Element
noch die gewünschten Eigenschaften aufweist. Selbstverständlich können in mechanischen
Anordnungen dieser Art leicht mechanische Fehler auftreten, was ungünstig ist. Die
Blende kann z. B. in der geschlossenen oder offenen Lage stehenbleiben, wodurch
ihre kontrollierende Wirkung verlorengeht oder der Ofen unnötig abgeschaltet werden
kann.
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Die Erfindung bezweckt, ein überwachungsverfahren zu schaffen, das
ohne mechanische Blenden wirken kann.
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Die Erfindung besteht darin, daß während der negativen Periode dem
photoempfindlichen Element ein Hilfssignal zugeführt wird, dessen Zeitdauer kleiner
als die statistisch zu erwartenden Intervalle zwischen den nacheinander auf das
Element auffallenden Photonen ist.
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Eine geeignete Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens enthält
Speisemittel zum Zuführen einer effektiven Betriebsspannung an das photoempfindliche
Element, Unterbrechungsmittel zum periodischen Unterbrechen der effektiven Betriebsspannung,
eine Steuervorrichtung zum Regeln äußerer Geräte und Hilfsmittel, die dem Element
während der periodischen Unterbrechungen nach Intervallen vom Anfang der Unterbrechungen
an, die die Zeitverzögerung, in dem das Element von einem ,gut leitenden Zustand
in einen schlecht leitenden Zustand übergeht, überschreiten ', während der Dauer
der Prüfperioden eine Hilfsspannung zuführen.
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Die photoemittiernde Zelle ist vorzugsweise eine auf einzelne Photonen
ansprechende Vorrichtung, z. B. vom Typ 155 UG.
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Das abgeleitete Signal kann zur Betätigung einer geeigneten Alarm-
oder ähnlichen Vorrichtung ver-C wendet werden, die angibt, daß die Anordnung nicht
mehr gut wirkt. Es kann auch zur Regelung des äußeren Gerätes verwendet werden,
z. B. dadurch, daß es dieses Gerät abschaltet, so daß kein Schaden entsteht.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand beiliegender, eine Ausführungsform
darstellender schematischer Zeichnung näher erläutert.
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In der Zeichnung bezeichnet 1 eine gasgefüllte und als auf
einzelne Photonen ansprechendes strahlungsempfindliches Element verwendete Photozelle.
Aus einer Wechselstromquelle 2 wird der erwähnten Zelle über die Anzapfung
32 am Transformator 3 und den Gleichrichter 4 eine Betriebsspannung
zugeführt. Da mit dem Gleichrichter 4 keine Glättungsmittel verbunden sind, wird
der Zelle eine annähernd einweggleichgerichtete Wechselspannung zugeführt. Der Gleichrichter
unterbricht somit periodisch die Betriebsspannung während abwechselnder Halbperioden
der von der Quelle gelieferten Spannung. Die Zelle ist mit einem Belastungswiderstand
5 versehen, damit eine einweggleichgerichtete, dem auf die Photozelle auffallenden
Licht proportionale Ausgangsspannung erhalten wird. Diese Ausgangsspannung wird
über Widerstände 8 bzw. 9 den Steuerelektroden zweier gasgefüllter
Röhren mit kalter Kathode 6 und 7 zugeführt. Gleichrichter
10 bzw. 11 sind in den Kathodenkreisen der Röhren 6 und
7 aufgenommen, um die Löschung der Entladung in den Röhren zu fördern, wenn
das Vorzeichen der Anoden-Kathoden-Potentiale der Röhren wechselt. Die Zündelektroden
der Röhren werden über Widerstände 12 bzw. 13 gespeist, und den Röhrenanoden
wird über im wesentlichen gleiche Belastungswiderstände 14 bzw. 15 ein vom
Transformator herrührender Wechselstrom zugeführt. 16 bezeichnet ein Relais
zum Regeln äußerer Geräte. Das Relais wird von einem Kondensator 17
überbrückt.
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Abgesehen vom übrigen Teil der Anordnung, wirkt dieser bereits beschriebene
erste Teil der Anordnung wie folgt: Gemeinsam mit den Belastungswiderständen 14
und 15 wirken die Röhren 6 und 7 wie ein Differentialverstärker
für ihren Steuerelektroden zugeführte einweggleichgerichtete Spannungen. Der Strom
für den Verstärker wird vom Transformator 3 geliefert, und die Ausgangsspannung
des Verstärkers wird dem mit der Anode der Röhre 6 bzw. 7 verbundenen
Ende des Widerstandes 14 bzw. 15 entnommen.
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Es sei angenommen, daß in der Photozelle 1 kein Fehler auftritt.
In unbelichtetem Zustand werden die Kathode der Zelle 1 und somit die Steuerelektroden
der Röhren 6 und 7 stets an Erdpotential liegen. Es wird somit zwischen
den Steuerelektroden und den Kathoden der Röhren 6 und 7 eine niedrige,
durch die Lage der Anzapfungen 18 und 19 bestimmte Wechselspannung
angelegt. Diese Spannung wird derart gewählt, daß sie zu niedrig ist, um die Röhren
6
und 7 zu zünden, so daß diese im nichtleitenden Zustand verbleiben.
Die mittleren Potentiale jeder der Röhrenanoden sind somit während einiger Perioden
im wesentlichen gleich Erdpotential (vorausgesetzt, daß die Anzapfungen
18, 19 und 20, 21 symmetrisch zur geerdeten Anzapfung 22 liegen). Die mittlere
Spannung am Relais 16 ist somit nahezu Null. Der Kondensator 17 hat
eine genügend große Kapazität, um zu sichern, daß im wesentlichen nur diese mittlere
Spannung wirksam ist. Infolgedessen wird das Relais nach wie vor nicht erregt.
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In belichtetem Zustand (wieder vorausgesetzt, daß kein Fehler in der
Photozelle auftritt) wird die Kathode der Photozelle während abwechselnder Halbperioden
der Speisespannung positiv gegen Erde. Die Zelle wird ja leitend, wenn die dem Gleichrichter
4 zugeführte Spannung das richtige Vorzeichen hat. Dieses positive Kathodenpotential
wird an die Steuerelektroden der Röhren 6 und 7 angelegt. Es stellt
sich heraus, daß während dieser Halbperioden, in denen die Zelle 1 leitend
ist, die Anode der Röhre 6 positiv gegenüber der Kathode ist und daß die
Anode der Röhre 7 negativ ist. Die Röhre 6 wird somit während dieser
Halbperioden wegen ihrer positiven Steuerspannung gezündet, während die Röhre
7 wegen ihrer negativen Anodenspannung im nichtleitenden Zustand verbleibt.
Andererseits bleiben, da die Steuerspannungen dann gegen Erde Null sind, die beiden
Röhren während der anderen Halbperioden, wie bereits für den unbelichteten Zustand
beschrieben wurde, ungezündet. Das mittlere Potential der Anode der Röhre
6 wird somit negativ gegen Erde, während das Potential der Röhre
7 noch nahezu gleich Erdpotential ist. Dieser Unterschied wird zum Erreger
des Relais ausgenutzt.
Dieser Teil der Schaltungsanordnung in dieser
Ausführung hat den Nachteil, daß ein Kurzschluß oder ein ähnlicher in der Photozelle
auftretender Fehler die Erregung des Relais veranlassen wird. Der übrige Teil der
Anordnung bezweckt, eine solche Erregung zu verhüten.
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Der übrige Teil der Anordnung enthält eine gasgefüllte Röhre
23, deren Anode von der Transformatoranzapfung 24, deren Steuerelektrode
von der Anzapfung 25 über den Widerstand 26 und deren Zündelektrode
und Kathode von der Anzapfung 21 über den Widerstand 27 und vom Gleichrichter
28
bzw. vom Kathodenwiderstand 29 gespeist werden. Der Gleichrichter
28 hat den gleichen Zweck wie die Gleichrichter 10 und 11.
Die am Kathodenende des Kathodenwiderstandes erzeugte Spannung wird der Anode der
Photozelle über den Kondensator 30 und den Gleichrichter 31 zugeführt.
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Dieser zweite Teil der Schaltungsanordnung wirkt wie folgt: Während
der Halbperioden der Wechselspannung der Quelle 2, während der das obere Ende des
Transformators positiv gegenüber dem unteren Ende ist, d. h. wenn die Photozelle
im belichteten Zustand oder gegebenenfalls beim Auftreten eines Fehlers leitend
wird, ist die Anode der Röhre 23 negativ gegenüber ihrer Kathode. Die Röhre
verbleibt daher in nichtleitendem Zustand, und der erste Teil der Schaltungsanordnung
wirkt auf die oben beschriebene Weise. Während der anderen Halbperioden führen die
Anode und die Steuerelektroden der Röhre 23 jedoch gegen die Kathode ein
positives Potential, und die Röhre wird in den leitenden Zustand umgekippt.
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Dies erfolgt jedoch erst dann, nachdem nach einer bestimmten Zeitdauer
die Steuerelektrode und Anode eine hinreichend hohe positive Spannung erhalten haben.
Diese Zeit muß länger als die Löschzeit der Röhren 6 und 7 sein. Sobald
die Röhre 23 leitend wird, wird das Kathodenende des Widerstandes
29
positiv gegen die Anzapfung 21, und der positive Impuls dieses Widerstandes
wird in Form eines Spannungsimpulses über den Kondensator 30 und den Gleichrichter
31 der Anode der Photozelle 1 zugeführt. Die Kapazität des Kondensators
30 wird so klein gewählt, daß dieser Impuls im Vergleich zu dem statistisch
erwarteten Intervall zwischen nacheinander folgenden wirksamen Photonen der zu dieser
Zeit gegebenenfalls auf die Photozelle auffallenden Strahlung nur kurze Zeit dauert.
(Unter »wirksame Photonen« werden diejenigen Photonen verstanden, die wahrscheinlich
die Emission eines Photoelektrons von der Kathode der Zelle 1 zur Folge haben.
Es kann erforderlich sein, im Strahlungsweg ein nahezu undurchsichtiges Filter anzubringen,
damit das Intervall zwischen nacheinander folgenden wirksamen Photonen eine geeignete
Länge aufweist.) Da der Spannungsimpuls eine so kurze Zeitdauer hat, wird die Photozelle
während der Zuführung dieser Spannung wahrscheinlich nicht leitend, es sei denn,
daß in der Zelle ein Fehler auftritt. Dies bedeutet, daß wenn die Zelle während
der Zuführung leitend bleibt, diese Zelle allem Anschein nach fehlerhaft ist, und
es ist erforderlich, daß das Relais abfällt, so daß das äußere Gerät nicht mehr
gefährdet wird.
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Wenn die Zelle 1 fehlerhaft ist und somit während der Zuführung
des Spannungsimpulses leitend ist, wird sie während jeder Halbperiode der Wechselspannung
der Speisequelle 2 leitend sein. Die Röhre 6
wird somit während abwechselnder
Halbperioden gekippt, und die Röhre 7 wird nun auch während der anderen Halbperioden
gekippt, wobei ihrer Anode ein Signal entnommen wird, das sich mit dem von der Zelle
während dieser Halbperioden durchgelassenen Strom ändert. Während einer Anzahl von
Perioden ist die Wirkung derart, daß die mittleren Anodenspannungen der Röhren
6 und 7 nahezu einander gleichen. Das Relais 16 führt somit
nahezu keine Spannung und fällt, wie erforderlich, demzufolge ab.
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Die Röhren 6, 7 und 23 können z. B. auch durch Thyristoren
ersetzt werden.