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Einrichtung zur Überwachung von nichtleuchtenden Flammen Zur selbsttätigen
Überwachung von Flammen, die auf zahlreichen Gebieten -z. B. bei Öl- und
Gasbrennern - erforderlich ist, sind verschiedene Systeme bekannt.
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Flammen., deren Strahlungen bis in das sichtbare Spektrum reichen,
werden vorzugsweise durch Flammenwächter überwacht, bei denen Lichtempfänger (Fotowiderstände,
Fotozellen, Fotoelemente, Fototransistoren) die sichtbaren Strahlungen in elektrische
Energie umsetzen, diese durch elektromagnetische Relais (mit und ohne Röhren- bzw.
Magnetverstärker) verstärken und dann steuerungstechnisch auswerten. Diese Flammenwächter
haben sich vornehmlich auf dem Gebiet der Ölfeuerung bewährt und sind einfach und
preisgünstig herzustellen.
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Bei Flammen, deren Leuchten im Ultravioletten Spektrum liegt, -z.
B. bei vollkommener Verbrennung von Heizöl oder Gas- werden zwei Überwachungssysteme
zur Registrierung der Flamme angewandt. Überwachung mittels UV-Zellen als Lichtempfänger.
Überwachung des durch die Flamme ionisierten Stromes mittels zwei oder mehrerer
Überwachungselektroden. Flammenwächter mit UV-Zellen sind jedoch nicht hinreichend
betriebssicher: Bei ungleichmäseiger Zündung zwischen den beiden Elektroden -in
der UV-Zelle, d. h. bei nur einzelnen Zündpunkten als Vorzugszündstellen
auf der gesamten Elektrodenstrecke, neigen diese nach kurzer Betriebozeit zu der
bekannten "Durchzündung", wodurch die Röhre unbrauchbar wird.
Der
Durchzündungseffekt wird beschleunigt durch einen relativ grossen Zündstrom, wie
er zur steuertechnischen Auswertung nötig ist. Die Gefahr bei Betrieb mit einer
derartig beschädigten UV-Zelle.Iiegt im ständigen Signal "Flamme vorhanden", obwohl
die Flamme erloschen sein kann.
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Bei der Überwachung der Flammen auf dem Ionisationsprinzip treten
insbesondere bei kleinen Flammen sehr geringe Ionisationsströme auf, die entweder
durch aufwendige nachgeschaltete Verstärker zur steuerungstechnischen Auswertung
verstärkt werden müssen oder durch Anlegen einer grösseren Ionisationsspannung an
den Elektroden erhöht werden müssen. Diese Arttberwachung hat weiterhin den Nachteil,
dass das Ionisationssignal durch den Zündfunken der Hochsparmungszündeinrichtung
gestört wird. Aus diesem Grunde muss der Zündfunke entweder durch ein aufwendiges
Programm des nachgeschalteten Steuergerätes oder durch komplizierte Siebglieder
als Störsignal ausgeschaltet werden. Als Verstärker können sowohl Wechselstromverstärker
als auch Gleichstromverstärker dienen.
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Die Wechselstromverstärker, die mit einem relativ geringen Aufwand
herzustellen sind.. besitzen den Nachteil, dass sie einen Kurzschluss zwischen den
beiden Elektroden als bestehendes Flammensignal auswerten. Gleichstromverstärker
mit einer Wechselstromspeisung für die Ionisationsstrecke, die nur auf den, durch
die Gleichrichterwirkung der Flamme erzeugten Gleichstromanteil reagieren, benötigen
einen relativ hohen Aufwand an Verstärkerelementen.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Verwendung der bekannten
einfachen lichtelektrischen Flammenwächter zur Überwachung von unsichtbaren Flammen
unter Verwendung des geschilderten Ionisationsprinzips oder auch zur Überwachung
von Flammen, deren Strahlungen unter anderem im UV-Spektrum.Uegen mittels UV-Zellen
als Flammenfühler.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die
durch eine Flamme ionisierten Ströme bzw. die durrh die Flammenstrahlung innerhalb
einer UV-Zelle ionisierten Ströme in eine sichtbare Strahlung umzuwandeln, die einen
vorzugsweise zu verwendenden Fotowiderstand belichtet, der seinerseits zur elektrischen
Auswertung des Signals mit einem normalen lichtelektrischen Flammenwächter verbunden
ist. In der Fig. 1 ist das Prinzip dieser Erfindung für die Überwachung von
Flammen auf dem Ionisationsprinzip dargestellt.
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Als Messtrecke dient die Luftstrecke zwischen der Überwachungselektrode
(6) und dem Brennermund (7), die während des Betriebs durch die Flamme
(5) bestrichen und ionisiert wird. Das für die Ionisationsstrecke notwendige
elektrische Feld wird als Wechselfeld dadurch gebildet, dass die Elektrode
(6) durch die Anschlussklemme (8)
an Wechselspannung angeschlossen
und die Masse des Brenners (7)
geerdet wird. Der.Polaritäts- oder Gleichrichtereffekt
der Flamme, der bekanntlich je nach Elektrodenausbildung einen überwiegenden
Elektronen- oder Ionenstrom zum Fliessen bringt, wird zur Signalisierung ausgenutzt.
Dieser Strom durchfliesst einen Strahlensender (1)
der auf der einen Seite
an die Elektrode und auf der anderen Seite an die Klemme (9) angeschlossen
ist, die ihrerseits mit dem geerdeten Mittelpunktsleiter d « es Wechselstron-inetzes
verbunden ist. In diesem Strahlensender wird erfindungsgemääs der durch die Flamme
ionisierte Gleichätrom vorzugsweise in eine sichtbare Strahlung umgewandelt. Diese
Strahlungen werden von einem Strahlenempfänger (2) aufgenommen, dessen spektrale
Empfindlächkeit dem Strahlenspektrum des Strahlensenders angepasst ist. Bei der
Verwendung einer Glimmlampe als Strahlensender (1) werden die optischen Signale
von einem normalen lichtelektrischen Plammenfühler (2) wahrgenommen. Die Anschlüsse
des FlammenfüMers können in bekannter Weise mit einem normalen lichtelektrischen
Flammenwächter in Hell- oder Dunkelschaltung* verbunden werden.
Zwischen
der Klemme (8) und der Elektrode (6) ist ein Kondensator
(3) angeordnet, der als Sperre für den ionisierten Gleichstrom zum Netz hin
dient und gleichzeitig Ladekondensator für diesen Gleichstrom ist. Im Falle der
Verwendung einer Glimmlampe als Strahlensender findet die Entladung des Kondensators
nach Erreichen der Glimmlampenzündspannung über diese Glimmlampe statt, wobei durch
richtige Bemessung der Kapazität die Zündspannung mit einer steilen Spannungsflanke
ausgebildet ist, so dass auch bei kleinen Flammen und demzufolge kleinen Ionisationsströmen
die hochohmige Glimmlampe -sicher zündet.
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Zwischen dem Strahlensender (1) und der Überwachungselektrode
(6) ist eine Diode (4) angeordnet, die als Sperrglied für eine Halbwene des
Netzwechselstromes dient und gleichzeitig je
nach Polarisierung den durch
die Flamme ionisierten Elektronen-oder Ionenstrom bei der Entladung des Kondensators
(3) in den Signallampen-Stromkreis fliessen lässt. Zwischen dieser Diode
und dem Strahlensender ist als Strombegrenzer der Dämpfungswiderstand
(10) angeordnet. Mit dieser Schaltungsanordnung ist bei entsprechender Bemessung
des Kondensators (3) sichergestellt, dass die Glimmlampe nur durch den ionisierten
Gleichstromanteil zum Leuchten gebracht wird. Bei einem Kurzschluas zwischen der
Elektrode (6) bzw. deren Zuleitung und der Brennermasse erlischt die Lampe,
weil der Gleichstrom am Eingang des Übertragers ausbleibt. Trotz gleichzeitig vorhandener
Flamme zwischen den Elektroden meldet der nachgeschaltete Flammenwächter das Signal
"Flamme aus".
Der gleiche Effekt wird bei einer hochohmigen Verbindung
zwischen der Überwachungselektrode (6) bzw. deren Zuleitung und der Brennermasse
erreicht, wenn als Strahlenäender ein hochohmiger Strahler (z. B. eine Glimmlampe)
zweckmässiger -
weise verwendet wird. Hochohmige Verbindungen zwischen der
Elektrode und der Brennermasse treten in der Praxis durch Russchichten zwischen
der Elektrode und deren mit der Brennermasse verbundenen Halterungen auf.
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Die durch die Schaltungsanordnung erreichte galvanische Trennung zwischen
dem Strahlensender (1) und dem Strahlenempfänger (2) hat den Vorteil- der
Rückkopplungsfreiheit. Dadurch werden insbesondere störende Einflüsse durch den
Zündfunken der Hochspannungseinrichtung bei der lonisationsüberwachung ausgeschaltet.
Es ist deshalb nicht notwendig, im nachgeschalteten Steuergerät die Hochspannungs-Zündfunken
durch eine Zusatzfunktion während der Abfrage des Flammenwächters auszuschalten.
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Ferner zeichnet sich die erfindungsgemässe Einrichtung durch den als
Stabilisator wirkenden Reihenkreis von Dämpfungswiderstand (10) und Strahlensender
(1) aus. Netzspannungs-Schwankungen von + 20 % der Nennspannung
haben keinen Einflus-a auf die Signalgabe des Strahlensenders.
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Die geschilderten Bauteile werden zweckmässigerweise zu einem "übertrager"
zusammengefasst. Der Strahlensender, Strahlenempfänger, Kondensator, die Diode und
der Vorwiderstand können als optoelektrischer Übertrager zusammengebaut und mit
einem geeigneten Vergussmittel (z. B. Gissharz) umgussen werden, um Fremdlicht von
dem Strahlenerapfänger fern zu halten. Hierbei werden fUr die Strahlenführung zwischen
Sender und Empfänger ein freier Raum oder ein litrahlenleitender Körper (z. B. Glas)
vorgesehen.
Diese Anordnung hat den Vorteil, dass an den Übertrager
in dem die Umsetzung der ionisierten Ströme in optische Signale vorgenommen wird,
unmittelbar ein lichtelektrischer Flammenwächter bekannter Bauart angeschlossen
werden kann.
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Fig. 2 stellt die Verhältnisse bei der Überwachung einer nicht sichtbaren
Flamme durch eine UV- bzw. IR-Zelle anstelle von Überwachungselektroden dar.
In der UV- oder IR-Zelle (12) wird durch die Flamme bei anliegender
Anodenspannung ein Elektronen- bzw. lonenstrom zum Fliessen gebracht. Die Verhältnisse
gleichen denen, der zuvor beschreibenen Benutzung von Überwachungselektroden, weil
die Ionisation nunmehr zwischen den Elektroden der Zelle bei Belichtung mit UV-bzw.
IR-Strahlen auftritt. Der Ionen- bzw. Elektronenstrom wird in der gleichen Weise
einem Strahlensender zugeleitet, dort in sichtbare oder unsichtbare Strahlen umgewandelt,
die ihrerseits von einem Strahlenempfänger aufgenommen und an den nachgeschalteten
Flammenwächter weitergegeben werden. Dieser erfindungsgemässe Gedanke hat verschiedene
Vorteile gegenüber der bekannten direkten Auswertung des durch die UV-Zelle ionisierten
Stromes.
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Auf Grund dessehr hochohmigen Einganges (11) des Übertragers
bei Verwendung eines hochohmigen Strahlensenders (Glimmlampe) wird der ionißierte
Strom mit der Zelle auf wenige uA begrenzt. Die Zelle unterliegt deshalb nur einem
geringen elektrischen VerschlMss.
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Daraus ergibt sich eine hohe Lebenserwartung. Die zuvor beschriebene
und besonders bei UV-Zenen bekannte Durchzündung und damit Funktionsgefährdung ist
somit ausgeschlossen.
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Es ist ferner ausgeschlossen, dass bei Kurzschluss in den Zuleitungen
zur UV-Zelle ein Flammensignal vorgetäuscht wird. Der Kondensator (3)
wird
durch den in der Zelle polarisierten Strom aufgeladen und bewirkt -die Zündung den
Strahlennenders. Bei einem auftretenden Kurzschluse in der Zuleitung von den Anschlusakiemmen
(11) und (13) zur UV-ZeUe wird der ionisierte Gleichstrom ebenfalls
kurzgeschlossen und der Strahlensender nicht mehr gezündet. In diesem Fall signalisiert
der nachgeschaltete elektrische Flmmenwächter immer das Signal "Flamme aus"
Es
besteht die Möglichkeit auf Grund der sehr kleinen Ionisationsströme in der UV-Zelle
kleinere Zellen mit geringerem Gasvolumen herzustellen, die für den Einbau in
Öl- und Gasbrennerianlagen wesentlich besser geeignet sind.% als die grossen
Zellen, die wegen der benötigten grossen Ionisationsströme bei der bekannten direkten
Auswertung benutzt werden müssen.