DE1815968A1

DE1815968A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Flammenueberwachung

Info

Publication number: DE1815968A1
Application number: DE19681815968
Authority: DE
Inventors: Landon Jun William Walton
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1967-12-26
Filing date: 1968-12-20
Publication date: 1969-08-07
Also published as: GB1217930A; US3551908A; NL6818634A; FR1598090A; ES361790A1

Description

zum Patentgesuch

der Pa. Combustion Engineering, Inc, Windsor, Conn., U.S.A.

betreffend:

"Verfahren und Vorrichtung zur Flammenüberwachung"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Flammenüberwachung.

Sowohl bei Haushaltsfeuerungsanlagen als auch in der Industrie wird häufig Verbrennung von Flüssigbrennstoffen als Wärmequelle verwendet. In allen diesen Fällen ist es wichtig, daß im Interesse der Sicherheit niemals sich unverbrannte Gase ansammeln, was z.B. eintritt, wenn keine Zündung der Flamme eintritt, und die dann infolge irgendwelcher Zufälle gezündet werden können und eine Explosion verursachen können» Es ist deshalb erforderlich, irgendeine Einrichtung vorauseilen, welche ein Nichtvorhandensein der Flamme anzeigt, und es wird dabei bevorzugt, daß dies nicht nur angezeigt wird, sondern daß infolge dieser Anaeige die Brennstoffzuführung zum Feuerungsraum sofort beendet wird. Gegenwärtig sind verschiedene Typen von Flammendetektoren üblich, die

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das NichtVorhandensein einer Flamme anzeigen und die Ansammlung von Brennstoff und damit die Ausbildung eines möglicherweise gefährlichen Zustands verhindert. Diese Flammendetektoren basieren gewöhnlich auf einem der folgenden Prinzipien: 1. Thermostatbeeinflussung, 2. Einwirkung auf 1 icht ejmpf iadl4€fee~GarS^FrW^dimgsröirren/ 3. Di f fe rn t i aldruck innerhalb der Flamme und 4. elektrische Eigenschaften der Flammengase.

Die auf den ersten drei genannten Prinzipien beruhenden Flammendetektoren besitzen grundsätzliche Nachteile. Der Thermostat besitzt eine lange Ansprechzeit, weil er so wärmeempfindlich ist, daß eine endliche Zeitperiode existiert zwischen dem Wegfall der Flamme und dem Ansprechen auf/die Abkühlung der Umgebung,bis der Wegfall der Flamme angezeigt werden kann. Die Verwendung von lichtempfindlichen Gasentladungsröhren als Detektoren bringt den Nachteil mit sich, daß diese Systeme kostspielige und empfindliche Verstärkereinrichtungen erfordern und häufig unwirksam gemacht werden, weil sich lichtundurchlässige Niederschläge bilden. Außerdem erfordern diese Einrichtungen zusätzliche Kontrollmittel, um sicherzustellen, Aß sie richtig arbeiten.

Bei Anwendung des Differentialdruckprinzips für die Überwachung (Messung der Druckänderung, die auftritt, zwischen einem Punkt, bei dem keine Flamme existiert und einem Punkt,, bei dem die Flamme als existent angesehen wird) ist die hierfür erforderliche Einrichtung mechanisch kompliziert und unterliegt Störungen durch Feuchtigkeit und Korrosion. Darüberhinaus ist bei Anwendung jedes der oben genannten ersten drei Prinzipien die Überwachungseinrichtung innerhalb der Flammenumgebung angeordnet und demgemäß den extremen Bedingungen ausgesetzt, die dort herrschen.

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Das vierte genannte Prinzip, auf dem Flammendetektoren beruhen können, macht von den den Flammengasen innewohnenden elektrischen Eigenschaften Gebrauch. Die bekannten elektrischen Eigenschaften, die gegenwärtig verwendet werden, sind 1 ._der thermionische Effekt, 2. der Thermoelement effekt und 3·

Die Ausnutzung des thermionischen Effekts beiPuht^ auf der Erhitzung von zwei Elektroden durch eine Flamme. Falls ~~"^===s==^_^_ä ein Potentialgradient zwischen den Elektroden auftritt, wird durch die Erwärmung die Arbeitsfunktion einer Elektrode herab- " gesetzt, und es ergibt sich eine Elektronenemission von dieser. Diese Elektronen wandern zur anderen Elektrode, so daß sich ein Stromfluß zwischen den beiden Elektroden ergibt. Dieser Stromfluß wird verwendet, um irgendeine Schalteinrichtung zur Flammenanzeige zu betätigen. Der Effekt'ist temperaturabhängig, und demgemäß wird eine Flamme immer noch angezeigt werden, wenn die Flamme tatsächlich bereits erloschen ist, falls die Elektroden genügend erwärmt sind.

Der Thermoelementeffekt besteht darin, daß eine Elektrode erwärmt wird,und damit ein zufälliger Driftstrom erzeugt wird, der zu einem fluktuierenden polarisierten Potential g zwischen den Enden der Elektrode führt. Dieses Driftpotential wird dem Gitter einer Röhre zugeführt, so daß die Röhre durchschaltet und ein Signal zu einer Flammenanzeigeeinrichtung übermittelt. Da nur Ströme in der Größenordnung von Mikroampere fließen, muß ein Gerät mit sehr hoher Impedanz verwendet werden, daß demgemäß rauschempfindlich, ist.

\ Der Bogenentladungseffekt umfaßt die Anwendung eines

hohen Potentials zwischen zwei Elektroden, was zu einem Bogenentladungsdurchschlag führt, wenn die ionisierten Flammengase

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zwischen den Elektroden vorhanden sind. Beim Durchschlag fließt ein großer Strom zwischen den Elektroden. Dieser Effekt, ebenso wie der thermionische Effekt, ist temperaturempfindlich, derart, daß bei genügend weit erwärmten Elektroden der Durchschlag aufrechterhalten bleibt, selbst, wenn die Flamme bereits erloschen ist. Ferner hängt dieser Effekt von dem Elektrodenabstand ab, d.h. die Elektroden müssen sehr nahe aneinander angeordnet werden, damit der Durchschlag mit Sicherheit erfolgt. Infolge dieses geringen Abstandes ist die Anordnung gegen Feuchtigkeit und Kontt*«nination empfindlich.

Trotz Existenz der eben erläuterten Probleme, welche von den extremen Bedingungen herrühren, die in dem Bereich der zu überwachenden Flamme existieren, gibt es einen ganz bestimmten Vorteil für die Verwendung von Einrichtungen, die von den elektrischen Eigenschaften der Flammengase Gebrauch machen. Die Einrichtung, die der Anzeige der Existenz oder Nichtexistenz der Flamme dient, kann nämlich von der Flammenquelle selbst entfernt angeordnet werden und braucht deshalb nicht der intensiven Erhitzung und der Korrosion innerhalb der Verbrennungskammer ausgesetzt zu werden. Der einzige Teil bei auf den elektrischen Eigenschaften der Flammengase berührenden Einrichtungen, der der Flammenumgebung ausgesetzt ist, besteht aus simplen Metallelektroden, die als Leiter in der Flamme Verwendung finden.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, da& von einem vierten elektrischen Merkmal der Flammengase Gebrauch macht, das mit Vorteil für die Überwachung angewandt werden kann, und nicht den Beschränkungen unterworfen 1st wie die oben genannten Effekte. Eine Flamme ist ein stark ionisiertes gasförmiges Plasma, bestehend aus der gleichen Anzahl

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von positiven Ionen und freien Elektronen mit einer geringfügigen Anzahl negativer Ionen. Die freien Elektronen machen die Flammengase elektrisch leitend.

Gemäß der Erfindung wird nun ein Verfahren zur Flammenüberwachung mit zwei von der Flamme durchsetzten voneinander isolierten Elektroden vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der einen Elektrode eine Wechselspannung niedriger Amplitude zugeführt wird urid die Modulation infolge der Ionisation in der Flamme des an der zweiten Elektrode abnehmbaren Signals als Überwachungssignal verwendet wird.

Indem man also2wei Elektroden im Flammenbereich anordnet und einer der Elektroden ein WechselSpannungssignal niedriger Frequenz und niedriger Amplitude aufdrückt, wird bei Vorhandensein einer Flamme ein Signal an der anderen Elektrode empfangen. Dieses Signal an der zweiten Elektrode besitzt eine modulierte Wellenform (Trägersignal plus Modulationsüberlagerung) . Mittels Abtastung der Amplitude des modulierten Signals kann eine Alarrneinrichtung betätigt werden, wenn die Amplitude unter einen vorgegebenen entsprechend der erwarteten Amplitudedes normal modulierten Signals gewählten Wert fällt. Mit der zweiten Elektrode kann eine Wandlerschaltung verbunden sein, an deren Ausgang eine Flammenbeobachtungs- und Alarmeinrichtung angeschlossen ist. Die Wandlerschaltung kann so ausgebildet sein, daß sie nur auf ein Signal anspricht, das eine Höhe besitzt, die einem schwach modulierten Träger entspricht. Die Frequenz des modulierten Flammensignals ändert sich ebenfalls mit dem Verhalten der Flamme, so daß sich auch eine qualitative Auswertung des Signals ermöglichen läßt, die einen Hinweis auf das Verhalten der Flamme gibt. Eine quantitative Wiedergabe der Flammenintentsitat ist ebenfalls erhältlich, da die Amplitude des modulierten Flammensignals sich direkt mit der Flammenintensität ändert. Die Flammenbeobachtungsein-

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richtung kann also eine dauernde optisch sichtbare Anzeige für das Verhalten der Flamme und deren Intensität liefern, während eine Alarmeinrichtung ausgelöst werden kann, wenn die Flamme erlischt. Es kann entweder eine optische oder eine akustische Alarmanlage verwendet weden, oder es kann auch direkt die Brennstoffzufuhr zu dem Verbrennungsraum abgeschaltet werden.

Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt in Diagrammform die Flammenüberwachungselektroden mit deren Signalen, die jeweils über der Elektrode angedeutet sind;

Fig. 2 zeigt in Diagrammform die Elektroden mit dem ionisierten Gas zwischen ihnen;

Fig. 3 zeigt in Diagrammform ein Blockschaltbild für die Flammenüberwachungsvorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 4 zeigt scheniatisch das Schaltbild für die

Flammenüberwachungsvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 5 stellt perspektivisch eine Montageplatte mit den Elektroden dar;

Fig. 6 zeigt in Ansicht, teilweise im Schnitt, einen Reed-Relais-Ausgangsschalter, der in der Vorrichtung verwendet wird und

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Fig. 7 zeigt in Ansicht; teilweise im Schnitt,

eine abgewandelte Ausführungsform für die Elektrode, die gemäß der Erfindung verwendet wird.

In Fig. 1 ist die Eigenschaft der Flammengase dargestellt, auf denen das Verfahren gemäß der Erfindung beruht. Ein Trägersignal C niedriger Frequenz und niedriger Spannung Io wird über einenLeiter 12. der Elektrode 14 aufgedrückt. Das Signal wird von der Flamme 16 weitergeleitet und moduliert und erscheint auf der Elektrode l8. Das modulierte ™ Signal M, das an der Elektrode 18 empfangen worden ist, besteht aus der Trägersignalwellenform Io und modulierten Spannungsspitzen 2o. Dieses Signal wird von der Elektrode 18 über den Leiter 22 abgenommen.

In Fig. 2 ist dargestellt, daß das Flammengas, das zwischen den Elektroden 14 und 18 vorhanden ist, aus positiven Ionen 24, Elektronen 26 und wenigen negativen Ionen 28 besteht. Wenn das Trägersignal C der Elektrode 14 zugeführt wird, werden die Gaselektronen durch die Flammengas ionisation moduliert und wandern zur Elektrode 18 mittels des Trägersignals C. Die Elektronen legen unterschiedliche Wege zurück, z.B. |

d.,, dp und verleihen damit dem Trägersignal C eine zusätzliche Modulation in Form eines Potentialpegels. Die Spitzen 2o repräsentieren die Summe der Trägerwellenform Io uänd der Modulation, hervorgerufen durch diesen unterschiedlichen Weg der Elektronen 26.

Fig. 3 zeigt in Diagrammform, wie dieses Flammengasionisationsmuster, das sich in dem modulierten Signal ausdrückt, für die Flammenüberwachung verwendet wird. Eine Wechselspannungsquelle Jo erzeugt ein Signal zwischen Masse und Elektrode 14, der das Signal über den Leiter 12 zuge-

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führt wird. Das Signal wird der Elektrode 18 übertragen und über den Leiter 22 einer Wandlerschaltung 34 zugeführt. Falls eine Flamme existiert, betätigt die Wandlerschaltung 34 eine Flammenbeobachtungs- und/oder Alarmeinrichtung 36. Wenn die Flamme erlischt, wird die Flammenbeobachtungseinrichtung 36 nicht mehr länger betätigt udnd dafür die Alarmeinrichtung 38 erregt.

Fig. 4 zeigt eine praktische Ausführungsform für eine fc Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Obwohl ein bestimmtes Schaltbild für die Vorrichtung in Fig. 4 dargestellt ist, versteht es sich, daß es sich hier nur um ein Beispiel handelt und andere Schaltungen ebensogut verwendet werden können, um das-selbe Ergebnis zu liefern. Eine Wechselspannungsquelle 30 (z.B. Netzspannung) führt einem Isolationstransformator 4o eine niedrige Wechselspannung zu* Die Aufgabe des Transformators liegt darin, die Schaltung gegen Masse zu isolieren. Der Transformator 4o ist mit einer Sicherung¹ 42 ausgestattet. Die niedrige Wechselspannung wird über den Isolationstransformator 4o auf die Elektrode 14 über den Leiter 12 gegeben; die Leitung 14 ist ebenfalls mit einer Sicherung 44 ausgestattet. Der Schaltkreis weist einen Spitzenspannungs-P begrenzer 46 auf , um die Übertragung von Spannungspitzen aus dem Netz zum Arbeitsschaltkreis zu verhindern. Die Elektrode 14 ist auf einer Montageplatte 48 befestigt und von dieser mittels eines Isolatiors 5o isoliert, wie am besten in Fig. 5 erkennbar. Auf der Montageplatte 48 ist im Abstand von der Elektrode 14 die Elektrode l8 ebenfalls an der Montageplatte 18 durch einen Isolator 54 isoliert angeordnet. Die Montageplatte 48 ist in einem üblichen öl- und Oasaünderhorn 52 anordnet (am besten in Fig. 4 erkennbar) und dient dazu, die Brennstoffdüse 7o und die Zündkerze 72 richtig zu positionieren. Die Elektroden sind so angeordnet, daß sie von der Flamme durch-

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setzt werden, wenn in dem Horn 52 eine Flamme vorhanden ist. Es sind hier zwei Elektroden gezeigt, doch können auch andere Konfigurationen verwendet werden, z.B. eine Anordnung, bei der nur eine Anordnung Verwendung findet und das Horn als die andere Elektrode dient.

Wenn das Tr övgersignal C der Elektrode 14 zugeführt wird, arbeitet diese Elektrode als Sendersonde, die ein Signal zu der Elektrode l8 sendet, welche als Empfängersonde dient. Das an der Elektrode 18 empfangene Signal wird über die Leitung 22 einer Wandlerschaltung zugeführt, welchen einen gesteuerten Siliziumgleichrichter 56 umfaßt, sowie einen Vorwiderstand 58 für die Gatt elektrode des Sliziumgleichrichters und einen Spannungsbegrenzer 60 für den Gleichrichter. Zwar wird hier von einem gesteuerten Siliziumgleichrichter Gebrauch gemacht, doch kann auch irgendein anderer gattergesteuerter Schalter Verwendung finden. Die Gatterschwelle des gesteuerten Siliziumgleichrichters 56 liegt oberhalb der Spannung des Wechselspannungsträgersignals C der Quelle Jo,das der Empfangselektrode l8 aufgedrückt wird. Der Gleichrichter wird jedoch durch eine Spannung aufgesteuert, deren Amplitude der des modulierten Signals M entspricht (Trägerwfcllenform Io plus Modulationszusätze) und das an der Elektrode l8 erscheint, wenn in dem Horn 52 eine Flamme existiert.

Wenn der Siliziumgleichrichter 56 aufgesteuert wird, wird ein Ausgangsschalter, z.B. ein Reed-Relais 62 erregt, so daß die Flammenbeobachtungseinrichtung 64 ein Signal erhält. Dieses Signal ist direkt abhängig von dem Flammenverhalten und der Flammenintensität. Die Frequenz des modulierten Flammensignals ändert sich mit dem Flammenverhalten, während die Amplitude des modulierten Flammensignals sich direkt mit

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der Flammenintensität ändert. Deshalb gestattet die Flammenbeobachtungseinrichtung bei Vorhandensein derFlamme,nicht nur deren Existenz festzustellen, sondern auch qualitativ und quantitativ deren Kennwerte.

Bei Erlöschen der Flamme wird der gesteuerte Siliziumgleichrichter 56 nicht mehr gegattert,und das Reed-Relais 62 wird entregt. Mit dem Reed-Relais 62 kann eine Alarmeinrichtung 38 derart verbunden sein, daß sie auf die Entregung des Reed-Relais 62 anspricht. Bei Entregung des Reed-Relais kann die Alarmeinrichtung 38 ein optisches oder akustisches Signal abgeben und/oder angewandt werden, um die Brennstoffzufuhr zum Zündehorn 52 in irgendeiner bekannten Art zu unterbrechen.

Da ein gesteuerter Siliziumgleichrichter nur während der positiven Halbwelle eines Wechselstromes leitet, ist in dem Schaltkreis eine Relaisverzögerung 68 vorgesehen, welche Energie während dieses leitenden Halbzyklus speichert und die gespeicherte Energie während des negativen Teiles des Zyklus abgibt. Auf diese Weise wird das Reed-Relais 62 dauernd erregt, bis zu dem Zeitpunkt, in dem der Siliziumgleichrichter 56 nicht mehr aufgesteuert ist (d.h. keine Flamme mehr vorhanden ist, um das Trägersignal C zu modulieren), wonach das Reed-Relais entregt wird und die Alarmeinrichtung 38 auslöst.

Fig. 6 zeigt ein typisches Reed-Relais 62, das in Fig. nur schematisch angedeutetiist. Ein evakuiertes Glasgehäuse 74 umgibt die Anschlüsse 76, 78 von Kontakten 80, 82. Wenn die Spule des Reed-Relais 62 (die das Gehäuse 74 einschließt und hier nicht dargestellt ist) durch das Gattern des gesteuerten ■ Siliaiumgleichrichters 56 erregt wird, werden die Kontakte 80 und 82 zusammengebracht und schließen den Kreis für die Flammenbeobachtungs- und Alarmeinrichtung 64, 38. Es versteht sich,

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daß natürlich ein Reed-Relais nur eine der üblichen Ausführungsformen für einen Ausgangsschalter ist.

Obwohl die Elektroden 14, l8 Metallsonden sind, hates sich gezeigt, daß handelsübliche Zündkerzen für Plugzeugmotoren viel wirksamer noch als Elektroden, dienen können, um das Problem des Aufbaus parasitärer äquivalenter Widerstände zwischen den Elektroden zu lösen. Parasitäre äquivalente Widerstände können sich aufbauen infolge kohlehlaltiger Verbrennungsprodukte, die sich zwischen den Elektroden ^ ansammeln und einen direkten Strompfad ausbilden und damit die Elektroden kurzschließen. Wie in Fig. 7 gezeigt, besteht eine übliche Plugzeugzündkerze aus einem Gehäuse 86 mit einer öffnung 88. In dem Gehäuse ist ein keramischer Isolator 9o mit einer Elektrodenspitze 92 angeordnet,.die aus ihm herausragt. Ein Teil der Luft 94, die in dem Horn 52 strömt, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten, wird durch die öffnung 88 geführt und bläst rund um die herausragende Elektrodenspitze 92. Diese Luftumwälzung dient dazu, alle festen Verbrennungsprodukte zu entfernen, die sonst dazu neigen würden, sich auf der Elektrodenspitze 92 aufzubauen, so daß mit dieser Anordnung die Spitze saubergehalten wird.

Gemäß der vorstehenden Erläuterung ergibt sich, daß durch die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Flammenüberwachung vorgeschlagen werden, welche nicht nur den nachteiligen Effekten der bisher bekannten Geräte unterworfen sind, sondern darüberhinaus noch weitere Vorteile aufweisen: Die Schaltung für die gesamte Einrichtung ist einfach und bedarf nur eines geringen Platzes. Darüberhinaus ist der Plammendetektor gemäß der Erfindung sehr zuverlässig und arbeitet sicher innerhalb einer kürzeren Ansprechzeit als die

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bisher üblichen Detektoren, wobei die ganze Einrichtung noch wesentlich kostengünstiger herstellbar ist.

- Patentansprüche -

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Claims

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IJ Verfahren zur Flammenüberwachung mit zwei, von der •M-arnme durchsetzten, voneinander isolierten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß der einen Elektrode eine Wechselspannung niedriger Amplitude zugeführt wird und die Modulation des infolge der Ionisation in der Flamme an der zweiten Elektrode abnehmbaren Signals als Überwachungssignal verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des modulierten Signals abgetastet wird und eine Alarmeinrichtung betätigt wird, wenn die Amplitude unter einen vorgegebenen entsprechend der Amplitude des normal modulierten, erwarteten Signals entsprechenden Wert fällt.
3· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine mit der zweiten Elektrode (l8) verbundene Wandlerschaltung (3¹O* an deren Ausgang eine Flammenbeobachtungs- (36, 64) und Alarmeinrichtung (38) angeschlossen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerschaltung (3^) einen Ausgangsschalter (62) aufweist, der bei Vorhandensein der Modulation das Modulationssignal an die Flämmenbeobachtungseinrichtung (64) legt und bei Verschwinden der Modulation die Alarmeinrichtung (38) auslöst.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerschaltung einen gattergesteuerten Steuerschalter (56) aufweist, der für Stromdurchgang aufsteuerbar

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ist bei Auftreten einer bestimmten Spannung an dem Gatter, deren Höhe durch das modulierte WechselSpannungssignal gegeben ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5* dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsschalter (62) durch den Stromfluß durch den Steuerschalter (56) in der Schaltstellung gehalten wird, in der das Modulationssignal an die Flammenbeobachtungseinrichtung gelegt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (l4, l8) aus Metall bestehen und in einem solchen Abstand voneinander angeordnet sind, daß der Zwischenraum zwischen ihnen von mindestens einem Teil der Flamme durchsetzt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektroden Zündkerzen (84) verwendet werden mit^;einem Gehäuse (86), einem Isolator (9o) und einer aus diesem herausragenden Spitze (92), und daß das Gehäuse zur Förderung eines Luftstroms zwischen Gehäuse, Isolator und Spitze zwecks Verhinderung der Ablagerung von Verbrennungsprodukten zwischen der Spitze und dem Gehäuse ausgebildet ist.

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