DE19746786C2 - Optischer Flammenwächter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Flammenwächter für Öl- oder Gas­ brenner, die den Brennstoff mit blauer Flamme verbrennen. Dies wird durch bestimmte konstruktive Maßnahmen an den Brennern erreicht, etwa Abgasrückführung, und ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad in Verbindung mit niedrigem Schadstoffanfall. Oft handelt es sich bei solchen Brennern um solche mit Verbrennungsluftgebläse.

In Deutschland besteht die Vorschrift, daß optische Flammenwächter für solche Brenner in einem Spektralbereich außerhalb des Spektrums des sichtbaren Lichts ansprechen sollen. Bekannte Flammenwächter hoher Emp­ findlichkeit sprechen im UVA-Bereich an und basieren auf Silizium-, GaP- oder GaAsP-Dioden, denen Auswerteschaltkreise nachgeschaltet sind. Aus­ gewertet werden der Strahlungsdruck und der auf das Flackern der Flamme zurückgehende Wechselanteil, um eine Diskriminierung gegenüber stati­ scher Hintergrundstrahlung, etwa von Kesselwänden, zu erreichen. In der Regel wird die Strahlungsintensität über zwei Schwellen ausgewertet, ei­ ne Vorwarnschwelle und eine Sicherheitsschwelle. Ein solcher Flammen­ wächter wird z. B. unter der Typenbezeichnung IRIS 3001 von der Firma BFI Automation in Ratingen, DE, angeboten. Er ist gleichermaßen für alle Farben der brennenden Flammen einschließlich Nah-Infrarot ausgelegt.

Bei blau brennenden Flammen kann bei sich ändernden Parametern eine Stö­ rung dahingehend auftreten, daß die Flamme beginnt, sich farblich zu ve­ rändern. Solche Parameter können die Temperatur des Brennstoffs, die Temperatur der Verbrennungsluft, die Fördermenge von Brennstoff oder Verbrennungsluft und andere umfassen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Flammenwäch­ ter zu schaffen, der ein Steuersignal abgibt, das von der spektralen Ve­ ränderung der Flamme abhängig ist. Die Flamme ist dabei nach wie vor vorhanden und droht auch nicht zu verlöschen, aber die spektrale Vertei­ lung der Strahlung ändert sich auch in dem für die Überwachung nicht ausgenutzten sichtbaren Bereich.

Diese Aufgabe wird durch die Kombination der im Patentanspruch 1 angege­ benen Merkmale gelöst.

Der Halbleiterdetektor mit maximaler spektraler Empfindlichkeit im nahen Ultraviolettbereich (UV-A) liefert bei blau brennender Flamme ein Flac­ kersignal mit relativ niedriger Amplitude, geringem Druck und relativ hoher Frequenz im Bereich von < 150 Hz.

Schlägt die Flamme in Richtung größerer Wellenlängen um, so nimmt zwar die Empfindlichkeit des Halbleiterdetektors ab, doch liefert z. B. eine gelb brennende Flamme eine Strahlungsintensität wesentlich größerer Am­ plitude, so daß die verringerte Empfindlichkeit des Detektors kompen­ siert oder sogar überkompensiert wird. Die erfaßte Intensität (Strah­ lungsdruck) ist zwar geeignet, die Spektralverschiebung über einen Schwellwertschalter zu erkennen, aber weniger geeignet, eine ausreichen­ de Regelkennlinie abzuleiten. Wenn man jedoch beachtet, daß die hohe Am­ plitude der Flackerintensität von einer deutlich niedrigeren Frequenz ist als bei blau brennender Flamme, soll diese Flackerfrequenz zusätz­ lich ausgewertet werden, um eine Farbstörung in Richtung grün, gelb, rot zu erfassen.

Als im Handel erhältliche Halbleiterdetektoren mit der im Patentanspruch 1 vorausgesetzten spektralen Empfindlichkeit sind Galliumphosphid-, Si­ liziumkarbid- und speziell behandelte Silizium-Dioden zu nennen, gegebe­ nenfalls mit einem vorgesetzten optischen Filter. Leider ist die absolu­ te Empfindlichkeit solcher Dioden im UVA-Bereich ziemlich niedrig, so daß ihr Ausgangssignal nur wenig über dem Rauschpegel liegt. Es genügt aber als Flammenwächtersignal, ist jedoch für Regelsignale unzulänglich.

Deshalb ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, einen zweiten Halbleiterdetektor wesentlich höherer Empfindlichkeit vorzusehen, der keine Flammenwächterfunktion hat, also auch im sichtbaren bis infraroten Spektralbereich ansprechen darf. Eine Siliziumdiode (Uv-enhanced) ist hierfür geeignet, die den Anteil kürzerer Wellenlängen im Ausgangssignal begünstigt. Das Ausgangssignal einer solchen Siliziumdiode kann dann in einzelne Spektralbereiche zerlegt werden, deren Intensitätsverhältnis Aufschluß darüber gibt, ob die Flamme wie gewünscht "blau" brennt oder nach anderen Farben umschlägt. Ein solches Signal liegt hinreichend hoch über dem Rauschpegel, so daß es als IST-Wertsignal für eine Regelung eingesetzt werden kann.

Ein Umschlag der Flammenfarbe von blau nach gelb bedeutet z. B., daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis in Richtung Luftmangel auswandert. Um den SOLL-Zustand wieder herzustellen, müßte also die Luftzufuhr erhöht oder die Brennstoffzufuhr gesenkt werden. Wenn die Leistung des Brenners kon­ stant bleiben soll, ist bei der Luftzufuhr einzugreifen. Bei einem Ge­ bläsebrenner könnte mithin das Stellsignal die Gebläsedrehzahl verän­ dern. Die zu regelnde Leistung entspräche dann der Leistung des Gebläse­ motors.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß in einem solchen Fall ein Hauptgebläse und ein Hilfsgebläse vorgesehen werden, von denen das Hauptgebläse eine Luftmenge fördert, die eine unterstöchiometrische Ver­ brennung, das heißt Luftunterschuß, ergibt. Der zur Stöchiometrie feh­ lende Luftdurchsatz wird von dem Hilfsgebläse geliefert, und nur dieses wird geregelt, das heißt, nur auf dieses wirkt das Stellsignal. Auf die­ se Weise kann man die zu regelnde Leistung auf z. B. 10% der Gesamtgeblä­ seleistung herabsetzen.

Die beigefügten Zeichnungen dienen der Erläuterung der Erfindung, wobei

Fig. 1 die Kennlinie des Überwachungsdetektors darstellt und

Fig. 2 ein Blockschaltschema der Auswertekreise ist.

In Fig. 1 ist die Ansprechempfindlichkeit des Überwachungsdetektors in Abhängigkeit von der Wellenlänge der auftreffenden Strahlung in willkür­ lichen Einheiten aufgetragen. Man erkennt, daß der Detektor z. B. eine maximale Empfindlichkeit bei 390 nm aufweist, die nach beiden Seiten ab­ fällt, aber nicht zu Null wird, also auch noch bei Strahlung jenseits von 500 nm ein Ausgangssignal liefert. Da bei langwelligerem Licht die Intensität stark ansteigt (gestrichelte Linie), kann der Empfindlich­ keitsabfall des Detektors kompensiert oder sogar überkompensiert werden, wenn die spektrale Intensitätsverteilung sich in Richtung längerer Wel­ len verschiebt.

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines optischen Flammenwächters gemäß der Erfindung. Der Überwachungsdetektor 10 mit der in Fig. 1 angegebenen Kennlinie, gegebenenfalls mit vorgeschaltetem optischen Filter 12, ist mit einem Verstärker 14 verbunden, dessen Ausgang das Überwachungssignal führt. Fällt das Ausgangssignal des Überwachungsdetektors 10 unter eine im Verstärker vorgesehene Schwelle, verschwindet das Signal "Flamme brennt" auf Ausgangsleitung 16. Der Ausgang des Verstärkers ist ferner an den Eingang eines Filters 18 angeschlossen. Wie eingangs erläutert, sind die Flackerfrequenzen bei einer "gelb" brennenden Flamme niedriger als bei einer "blau" brennenden, wobei die Grenze bei ca. 200 Hz liegt. Das Filter kann wahlweise die unter dieser Grenze liegenden Signale be­ dämpfen und die darüberliegenden durchlassen oder umgekehrt. In beiden Fällen führt der Filterausgang ein Wechselsignal, das für eine der bei­ den Flammenfarben charakteristisch ist. Der Filterausgang wird im Gleichrichter 20 gleichgerichtet, und das gleichgerichtete Signal steu­ ert über einen Schwellenschaltkreis 21 ein Anzeigegerät 22 an.

Zusätzlich ist ein IST-Wertdetektor 24 vorgesehen. Es handelt sich hier um eine Diodenzeile mit einem vorgeschalteten optischen Element 26, etwa einem Prisma oder einem Beugungsgitter, das die auftreffende Strahlung in ihre Spektralanteile zerlegt, welche dann auf die einzelnen Dioden der Zeile 24 auftreffen. Die Einzeldioden werden im Zeitmultiplex ausge­ lesen, wobei der Multiplexer durch die Schalter 28 angedeutet ist, die Signale werden mittels Verstärker 30 verstärkt und im Speicher 32 abge­ legt. Entsprechend einem geeigneten Algorithmus werden die gespeicherten Werte im Komparator 31 miteinander verglichen, und das Vergleichsergeb­ nis ergibt einen IST-Wert, gehalten in einer vom Multiplexer ange­ stoßenen Abtast- und Halteschaltung 34. Ein Sollwertgeber 36 liefert die Führungsgröße an den Regler 38, wo sie mit den Istwerten verglichen wer­ den. Das Ausgangsstellsignal des Reglers beaufschlagt ein Hilfsgebläse 40, das mit einem Hauptgebläse parallel oder in Serie geschaltet ist und einen Bruchteil der Verbrennungsluft, vorzugsweise etwa 10%, liefert.

Wie durch die Leitung 42 angedeutet, kann das Ausgangssignal des Schwel­ lenschaltkreises als Hilfsgröße dem Regler aufgeschaltet werden. Bei­ spielsweise kann dem Regelalgorithmus bei plötzlicher Gelbverschiebung ein Differentialanteil aufgeschaltet werden, der im Normalbetrieb nicht benötigt wird.

Claims (4)

1. Optischer Flammenwächter für einen Öl oder Gas mit blauer Flamme verbrennenden Brenner, mit einem das Vorhandensein der Flamme überwachenden Halbleiterdetektor (10) mit einer spektralen Empfindlichkeit im nahen Ultraviolett, der an einen Auswertekreis (14 bis 21) angeschlossen ist, der ein Warnsignal liefert, wenn die Frequenz des Detektorausgangssignals unter einen Schwellenwert fällt, wobei die Verbrennung über einen Regler (38) für das Luft-Brennstoff-Verhältnis aufgrund der Flammenüberwachung beeinflußbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein IST-Wertdetektor (24) vorgesehen ist, der ein für die spektrale Verteilung der von der Flamme ausgehenden Strahlung repräsentatives Ausgangssignal liefert und mit einer mit dem Regler (38) gekoppelten Auswerteschaltung (30 bis 34) für das Ausgangssignal zum Erzeugen eines IST-Wertsignals verbunden ist.

2. Flammenwächter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der IST- Wertdetektor (24) eine Diodenzeile mit vorgeschalteter Spektralzerlegung (26) ist.

3. Flammenwächter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodenzeile im Multiplexbetrieb abfragbar ist.

4. Flammenwächter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (38) mit einem Hilfsgebläse (40) zum Verändern eines Bruchteils des Luftdurchsatzes, dessen konstanter Hauptanteil von einem Hauptgebläse erzeugt wird, gekoppelt ist.