DE19631821A1 - Verfahren und Einrichtung zur Sicherheits-Flammenüberwachung bei einem Gasbrenner - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Sicherheits-Flammenüberwachung bei einem GasbrennerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sicherheits-
Flammenüberwachung bei einem Gasbrenner mit einer
Ionisationselektrode im Flammenbereich, von der während des
Brennerbetriebs ein Ionisationssignal abgeleitet wird. Weiterhin betrifft
die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In der DE 44 33 425 A1 ist eine Regeleinrichtung zum Einstellen eines
Gas-Verbrennungsluft-Gemisches bei einem Gasbrenner beschrieben.
Einer vom verbrennungsabhängigen Ionisationsstrom der
Ionisationselektrode abhängigen Spannung wird für eine sichere
Auswertbarkeit des Ionisationsstroms eine Wechselspannung
überlagert, die bei der weiteren Verarbeitung des Ionisationssignals
ausgefiltert wird. Zur Sicherheits-Flammenüberwachung ist ein Schmitt-
Trigger vorgesehen, der die Gaszufuhr sperrt, wenn die Flamme
erlischt, d. h. ein Ionisationssignal nicht vorliegt.
Aus der DE 195 02 901 C1 ist eine weitere Regeleinrichtung für einen
Gasbrenner bekannt. Dort ist von der Tatsache ausgegangen, daß die
Intensität der Flammen immer schwankt, also ein flackerndes
Flammenbild besteht. Es ist erkannt, daß die Amplituden dieser
Schwankungen von dem Gas-Luftverhältnis (Lambdawert) des
Verbrennungsgases abhängen. Eine Sicherheits-Flammenüberwachung
zur Gasabschaltung beim Flammenausfall ist nicht erwähnt.
Gasgeräte müssen bekanntermaßen hohen Sicherheitsanforderungen
genügen. Nach Sicherheitsvorschriften (EN 298) durchläuft der
Flammenwächter bei Gasgeräten für Dauerbetrieb während des Betriebs
in regelmäßigen Abständen, mindestens einmal pro Stunde, eine
Selbstprüfung. Bei Gasgeräten für intermittierenden Betrieb muß der
Gasbrenner innerhalb von 24 Stunden mindestens einmal abschalten,
um die Funktion des Flammenwächters überprüfen zu können. Dabei ist
nicht ausgeschlossen, daß es während des Brennerbetriebs zu einem
Defekt des Flammenwächters kommt und zusätzlich die Flamme erlischt.
Der Feuerungsautomat kann dies zunächst nicht erkennen und kein
Gasabschaltsignal auslösen, was zur Folge hat, daß unverbranntes Gas
bis zur nächsten Selbstüberprüfung des Flammenwächters bzw.
Abschaltung des Brenners ausströmt.
Aus der DE 43 09 454 A1 ist ein Ionisationsflammenwächter bekannt,
bei dem ein auf eine Betriebsspannung geladener Kondensator durch
den Ionisationsstrom entladen wird. Während des Betriebs kann der
Ionisationsflammenwachter mittels eines Testsignals auf seine Funktion
geprüft werden. Die Ionisationselektrode selbst und deren
Anschlußkabel sowie in bestimmten Störungsfällen der Kondensator
können nicht mitüberprüft werden. Die Überwachung der Flammen
erfolgt nur indirekt. Außerdem wird der Flammenwächter durch das
Testsignal nur in periodisch wiederkehrenden Zeitabschnitten überprüft.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art
vorzuschlagen, durch das erreicht wird, daß ein Gasabschaltsignal
sowohl dann auftritt, wenn die Flamme nicht besteht, und auch dann
auftritt, wenn ein Defekt besteht, der ein dem Ionisationssignal
täuschend ähnliches Signal hervorruft, wobei ein solcher Defekt auf der
gesamten Funktionsstrecke von der Ionisationselektrode bis zu einer
Überwachungsschaltung vorliegen kann.
Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs
1 gelöst.
Bei diesem Verfahren wird ein charakteristisches Flammenbild, das das
Ionisationssignal beeinflußt, zur Überwachung herangezogen. Es
werden die Schwankungen der Flammenintensität ausgenutzt, wobei
nach einer Ausführung die aufgrund des verbrennungsbedingt
zwangsläufigen Flackerns des Flammenbildes auftretenden
Schwankungen, und bei der anderen Ausführung der Flamme gezielt
aufmodulierte Schwankungen ausgewertet werden. Vorzugsweise
werden Amplitudenschwankungen ausgewertet. Es können jedoch auch,
speziell bei der gezielten Modulation statt dessen oder zusätzlich, die
Phase oder Frequenz ausgewertet werden.
Das Gasabschaltsignal, durch das die Gaszufuhr gesperrt wird, tritt
nicht nur dann auf, wenn die Flamme erlischt. Es tritt auch dann auf,
wenn infolge irgendeines technischen Defekts ein dem echten
Ionisationssignal täuschend ähnliches Signal vorliegt.
Das Gasabschaltsignal tritt nur dann auf, wenn die charakteristischen
Schwankungen des Flammenbildes und also das daraus abgeleitete
Ionisationssignal nicht vorliegen. Ein technischer Defekt der
Einrichtung, der die charakteristischen Schwankungen des
Flammenbildes vortäuscht, ist in der Praxis ausgeschlossen.
Durch das Verfahren ist die gesamte Funktionsstrecke von der
Ionisationselektrode bis zur Auswerteschaltung überwacht. Das
Gasabschaltsignal tritt also unabhängig davon auf, ob der das
Ionisationssignal vortäuschende Defekt in der Ionisationselektrode
selbst oder deren Anschlußleitung oder der Überwachungsschaltung
oder sonst wo im System liegt. Dadurch ist eine sehr hohe
Systemsicherheit erreicht, die sogar über die bisherigen
Sicherheitsvorschriften hinausgeht.
Die Sicherheits-Flammenüberwachung erfolgt auch bezüglich der
Überwachung auf technische Defekte ständig während des
Brennerbetriebs, also bei brennender Flamme. Es kann also nicht
vorkommen, daß nach einem Defekt eine längere Zeit besteht, in der
unverbranntes Gas ausströmt. Im Falle der der Flamme gezielt
aufgeprägten Modulation kann es genügen, wenn das Modulationssignal
periodisch erzeugt wird, wobei die Zeit zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Modulationssignalen so kurz bemessen wird, daß
bei einem Defekt in dieser Zeit keine gefährliche Gasmenge
unverbrannt ausströmt.
Das Ionisationssignal muß nicht allein bzw. gesondert für die
Sicherheits-Flammenüberwachung erzeugt sein. Es kann gleichzeitig
der Verbrennungsregelung dienen, die in der DE 44 33 425 A1 oder der
DE 195 02 901 C1 beschrieben ist.
Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die das
verbrennungsbedingte Flackern der Flamme auswertet, ist im Anspruch
7 gekennzeichnet.
Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit der eine gezielte
Modulation der Flamme vorgenommen wird, ist im Anspruch 8
gekennzeichnet.
Die Einrichtungen können in einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller
mit wenig Aufwand verwirklicht sein, der zugleich auch die
Verbrennungsregelung übernimmt.
Aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen ergeben
sich weitere Ausgestaltungen der Erfindung. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 2 beispielhaft einen Verlauf der Ionisationsspannung mit
verbrennungsbedingten Schwankungen (Flackern),
Fig. 3 den Verlauf der Ionisationsspannung ohne die Schwankungen
und
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels.
An einen Gasbrenner (1) für ein Gasheizgerät ist eine Gasleitung (2)
angeschlossen, in der ein abschaltbares und regelbares Gasventil (3),
beispielsweise Magnetventil, liegt. Am Gasbrenner (1) sind ein
Luftanschluß (4) und gegebenenfalls ein luftförderndes,
drehzahlsteuerbares Gebläse (5) angeordnet. Das Gebläse (5) ist nicht in
jedem Fall notwendig; es kann sich auch um einen atmosphärischen
Gasbrenner handeln.
In den Flammenbereich des Gasbrenners (1) ragt eine
Ionisationselektrode (6). Auf die Ionisationselektrode (6) ist über ein
kapazitives Koppelglied (7) eine Wechselspannung, vorzugsweise die
Netzwechselspannung (U), aufgeschaltet. Das Koppelglied (7) besteht
aus einem Kondensator und einem Widerstand. Das Koppelglied (7) liegt
über einen Widerstand (8), wie der Gasbrenner (1), elektrisch an Erde.
An die Ionisationselektrode (6) ist ein Spannungsteiler (9)
angeschlossen, der die auftretende Spannung beispielsweise um den
Faktor 10 verringert. Mit dem Spannungsteiler (9) ist ein Filter (10)
verbunden, das die Frequenz der aufgekoppelten Wechselspannung (50
Hz) aussiebt.
Am Ausgang (11) des Filters (10) liegt bei brennender Flamme ein
Ionisationssignal (Ionisationsspannung Uio), wie es beispielsweise in
Fig. 2 dargestellt ist. Das Ionisationssignal schwankt entsprechend
dem zwangsläufig auftretenden Flackern der Flammen (Schwanken der
Flammenintensität) um einen Mittelwert (M). Im Schwankungsverlauf
treten schwächere Schwankungen, die durch die Bandbreite (S1) in Fig.
2 angedeutet sind, und stärkere Schwankungen auf, die durch die
Bandbreite (S2) in Fig. 2 dargestellt sind. Abgesehen davon ändert sich
die Bandbreite in Abhängigkeit vom Lambdawert, was in der DE 195 02 901 C1
beschrieben ist.
In Fig. 2 ist beispielhaft ein abfallender zeitlicher Verlauf des
Mittelwerts (M) dargestellt, der sich bei einer Änderung des
Luftüberschusses (Lambdawert) des jeweiligen Verbrennungsvorganges
ergibt, und der zum jeweiligen Lambdawert proportional ist.
Am Ausgang (11) liegt ein erster Funktionsblock (12), der die durch das
Flackern bedingten Schwankungen so gleichrichtet oder ausfiltert, daß
am Ausgang (13) des ersten Funktionsblocks (12) der obengenannte
Mittelwert (M) zur Verfügung steht.
Dem Ausgang (13) des ersten Funktionsblocks (12) ist ein zweiter
Funktionsblock (14) nachgeschaltet, der ein um den Mittelwert (M)
liegendes Amplituden-Toleranzband erzeugt, dessen Breite in Fig. 3
mit B bezeichnet ist. Die Toleranzbandbreite (B) ist so bemessen, daß
sie kleiner ist als die kleinste Bandbreite (S1) der Schwankungen.
Der Ausgang (15) des Funktionsblocks (14) ist an einen Komparator-
Funktionsblock (16) gelegt, an dem auch der Ausgang (11) liegt.
Ausgangsseitig liegt der Komparator- Funktionsblock (16) an einem
Rücksetzeingang eines Zeitgebers (17), der auf eine
Steuervorrichtung (18) für das Gasventil (3) wirkt. Eine solche
Steuervorrichtung (18) ist als "Feuerungsautomat" üblich.
Im hier interessierenden Zusammenhang muß die Steuervorrichtung (18)
lediglich das Ausgangssignal des Zeitgebers (17) in ein Abschaltsignal
für das Gasventil (3) umsetzen.
Der Komparator-Funktionsblock (16) vergleicht ständig, ob im
Ionisationssignal (Uio) eine Amplitudenschwankung auftritt, die das
Amplituden-Toleranzband (B) über- oder unterschreitet. Tritt eine solche
Amplitudenschwankung auf, gibt der Komparator-Funktionsblock (16) ein
Rücksetzsignal an den Zeitgeber (17).
Der Zeitgeber (17) wird durch jedes Rücksetzsignal des Komparator-
Funktionsblocks (16) auf Null gesetzt und beginnt danach immer wieder
erneut zu zählen. Ist die am Zeitgeber (17) voreingestellte Zeitdauer,
beispielsweise 5 s, abgelaufen, und ist in dieser Zeitdauer kein
Rücksetzsignal aufgetreten, dann gibt der Zeitgeber (17) ein
Gasabschaltsignal an die Steuervorrichtung (18), die daraufhin das
Gasventil (3) schließt. Die genannte Zeitdauer ist so eingestellt, daß in
ihr im regelmäßigen, ungestörten Brennerbetrieb eine
Amplitudenschwankung des Ionisationssignals sicher auftritt. Um die
Empfindlichkeit nicht zu hoch zu gestalten, kann auch vorgesehen sein,
daß das Gasventil erst dann abgeschaltet wird, wenn einige,
beispielsweise zwei oder drei Gasabschaltsignale aufeinanderfolgen.
Die beschriebene Einrichtung arbeitet im wesentlichen folgendermaßen:
- a) Im regelmäßigen, ungestörten Brennerbetrieb, wenn also die Flamme vorliegt, erkennt der Komparator-Funktionsblock (16), daß die Amplitudenschwankungen auftreten und daß diese das vorgegebene Toleranzband (B) über- bzw. unterschreiten. Dies geschieht unabhängig von der jeweiligen Höhe des Mittelwertes (M) des Ionisationssignals, was wichtig ist, weil sich das Ionisationssignal, d. h. dessen Mittelwert (M), im normalen Brennerbetrieb ändern kann, wobei eine solche Änderung nicht zu einer Sicherheitsabschaltung führen soll. Der Komparator- Funktionsblock (16) gibt bei jeder Amplitudenschwankung immer wieder ein Rücksetzsignal an den Zeitgeber (17), bevor die an diesem eingestellte Zeitdauer abgelaufen ist. Es tritt also ein Gasabschaltsignal nicht auf.
- b) Erlischt die Flamme, dann liegt kein Ionisationssignal vor, so daß der Komparator-Funktionsblock (16) kein Rücksetzsignal erzeugt. Dementsprechend läuft der Zeitgeber (17) ab und gibt bei Erreichen der eingestellten Zeitdauer ein Gasabschaltsignal an die Steuervorrichtung (18). Das Gasventil (3) wird geschlossen.
- c) Besteht in der Einrichtung bei brennender oder nicht brennender Flamme ein Defekt, beispielsweise in der Ionisationselektrode (6), deren Anschlußleitung oder den sonstigen Einrichtungen (7 bis 16), der zu einem dem Ionisationssignal (Uio) am Ausgang (11) nur ähnlichen Signal oder dem Ausgang (15) ähnlichen Signal führt, dann erkennt der Komparator-Funktionsblock (16), daß die charakteristischen Amplitudenschwankungen fehlen und gibt kein Rücksetzsignal an den Zeitgeber (17), so daß das Gasabschaltsignal auftritt. Ein Gasabschaltsignal tritt also bei unterschiedlichen Störungen oder Defekten immer dann auf, wenn die Amplitudenschwankungen nicht vorliegen bzw. nicht erkannt werden, oder zwar vorliegen, aber nicht das Toleranzband (B) über- bzw. unterschreiten.
Nach Fig. 1 liegt am Ausgang (13) eine Regelschaltung (19), wie sie
beispielsweise in der DE 44 33 425 A1 beschrieben ist. Mit dieser wird
das Gasventil (3) und/oder das Gebläse (5) so geregelt, daß sich bei
unterschiedlichen Gasqualitäten und unterschiedlichen
Umgebungsbedingungen eine optimale Verbrennung bei einem
gewünschten Lambda-Sollwert ergibt.
Die Regelschaltung (19) und die beschriebenen Komponenten (9 bis 17)
lassen sich in einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor verwirklichen.
Der Aufwand für die Sicherheits-Flammenüberwachung ist damit gering.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel schematisch. Fig. 1
entsprechende Teile sind mit den dortigen Bezugszeichen versehen. An
das Gasventil (3) ist ein Modulator (20) angeschlossen. Dieser moduliert
die Gaszufuhr zum Gasbrenner (1) so, daß sich Schwankungen der
Flammenintensität ergeben. Solche gezielten Schwankungen der
Flammenintensität lassen sich auch dadurch erreichen, daß die
Luftzufuhr, beispielsweise mittels des Gebläses (5) (vgl. Fig. 1), gezielt
moduliert wird.
Diese dem Flammenbild gezielt aufmodulierten Schwankungen bilden
sich im ungestörten Brennerbetrieb im Ionisationssignal (Uio) ab. Ein auf
den Modulator (20) abgestimmter Demodulator (21) erfaßt diese
charakteristischen Schwankungen. Eine an den Demodulator (21)
angeschlossene Flammenüberwachungsschaltung (22) überwacht, ob
die vom Modulator (20) erzeugten Schwankungen im Demodulator (21)
auftreten und gibt ein Gasabschaltsignal über den Modulator (20) oder
direkt an das Gasabschaltventil (3), wenn die Schwankungen vom
Demodulator (21) nicht erkannt werden.
Die Funktionsweise ist auch hier im wesentlichen folgende:
- a) Im ungestörten Brennerbetrieb, bei vorhandener Flamme, tritt ein Gasabschaltsignal nicht auf, weil der Demodulator (21) die vom Modulator (20) verursachten Schwankungen erfaßt.
- b) Erlischt die Flamme, dann können die vom Modulator (20) verursachten Schwankungen nicht zum Demodulator (21) gelangen. Dies hat zur Folge, daß die Flammenüberwachungsschaltung (22) ein Gasabschaltsignal erzeugt.
- c) Bei irgendeinem Defekt im Wirkungskreis Modulator-Gasventil- Flamme-Ionisationselektrode-Demodulator- Flammenüberwachungsschaltung des Systems kommt das Modulationssignal nicht richtig zum Demodulator (21). Es wird dann ein Gasabschaltsignal ausgelöst.
Die Modulation kann ständig oder periodisch, beispielsweise alle 5 bis
10 s, während einer demgegenüber kurzen Zeit, beispielsweise 1 bis 3
s, erfolgen. Durch eine periodische Modulation ist gewährleistet, daß
über die Brenndauer gesehen, die Modulation nur einen geringen
Einfluß auf den Lambdawert des Verbrennungsvorgangs hat.
Die Regelschaltung (19) ist in Fig. 3 nicht dargestellt. Sie kann auch
bei diesem Ausführungsbeispiel vorhanden sein. Arbeitet die
Regelschaltung mit einem Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller, dann
kann auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Funktion der Sicherheits-
Flammenüberwachung in diesen einfach integriert sein.
Claims (8)
1. Verfahren zur Sicherheits-Flammenüberwachung bei einem
Gasbrenner mit einer Ionisationselektrode im Flammenbereich, von der
während des Brennerbetriebs ein Ionisationssignal abgeleitet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß während des Brennerbetriebs die sich aus Schwankungen der
Flammenintensität ergebenden Schwankungen des daraus abgeleiteten
elektrischen Ionisationssignals überwacht werden, und daß dann, wenn
solche Schwankungen des Ionisationssignals nicht auftreten, ein
Gasabschaltsignal ausgelöst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Ionisationssignal auch zur Regelung der Verbrennung auf einen
Lambda-Sollwert ausgewertet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die überwachten Schwankungen diejenigen Schwankungen des
Ionisationssignals sind, die sich aufgrund des verbrennungsbedingten
Flackerns der Flamme ergeben.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die überwachten Schwankungen solche Schwankungen des
Ionisationssignals sind, die sich aus einer der Verbrennungsgas- und/oder
Verbrennungsluftzufuhr aufgeprägten Modulation ergeben.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Modulation während des Brennerbetriebs periodisch oder
ständig erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Änderungen des Ionisationssignals, die auf den jeweiligen
Verbrennungsverhältnissen beruhen, derart verarbeitet werden, daß sie
die Auswertung der Schwankungen des Ionisationssignals unbeeinflußt
lassen.
7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein erster Funktionsblock (12) die Schwankungen des Ionisationssignals (Uio) unterdrückt bzw. gleichrichtet,
daß ein nachgeschalteter zweiter Funktionsblock (14) ein Amplituden- Toleranzband (B) um das Ausgangssignal des ersten Funktionsblocks (12) erzeugt, wobei das Amplituden-Toleranzband (B) so bemessen ist, daß es kleiner ist als die im Ionisationssignal (Uio) immer wiederkehrenden Amplitudenschwankungen,
daß das Ausgangssignal des zweiten Funktionsblocks (14) und das die Schwankungen enthaltende Ionisationssignal (Uio) an einen Komparator- Funktionsblock (16) gelegt sind, der dann ein Rücksetzsignal an einen Zeitgeber (17) gibt, wenn eine Amplitudenschwankung des Ionisationssignals (Uio) über oder unter das Amplituden-Toleranzband (B) hinausgeht,
und daß der Zeitgeber (17), wenn er nicht nach einer voreingestellten Zeitdauer ein Rücksetzsignal erhält, dann das Gasabschaltsignal auslöst.
daß ein erster Funktionsblock (12) die Schwankungen des Ionisationssignals (Uio) unterdrückt bzw. gleichrichtet,
daß ein nachgeschalteter zweiter Funktionsblock (14) ein Amplituden- Toleranzband (B) um das Ausgangssignal des ersten Funktionsblocks (12) erzeugt, wobei das Amplituden-Toleranzband (B) so bemessen ist, daß es kleiner ist als die im Ionisationssignal (Uio) immer wiederkehrenden Amplitudenschwankungen,
daß das Ausgangssignal des zweiten Funktionsblocks (14) und das die Schwankungen enthaltende Ionisationssignal (Uio) an einen Komparator- Funktionsblock (16) gelegt sind, der dann ein Rücksetzsignal an einen Zeitgeber (17) gibt, wenn eine Amplitudenschwankung des Ionisationssignals (Uio) über oder unter das Amplituden-Toleranzband (B) hinausgeht,
und daß der Zeitgeber (17), wenn er nicht nach einer voreingestellten Zeitdauer ein Rücksetzsignal erhält, dann das Gasabschaltsignal auslöst.
8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
vorhergehenden Ansprüche 4, 5, 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Verbrennungsgas- und/oder Verbrennungsluftzufuhr des
Gasbrenners (1) ein Modulator (20) angeordnet ist, dem ein
Demodulator (21) für das Ionisationssignal (Uio) zugeordnet ist, der das
Gasabschaltsignal auslöst, wenn er das Modulationssignal nicht
erkennt.
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