DE19841475C1 - Flammenüberwachungssystem und Verfahren zur Überwachung einer Flamme - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Flammenüberwachungssystem sowie ein Verfahren zur Überwachung einer Flamme mit einem Flammensensor (1), der die von der Flamme ausgehende Strahlung in ein Flammensignal (U¶1¶) umwandelt und einem Flammensignalverstärker (40), der das Flammensignal (U¶1¶) in ein Ausgangssignal (U¶5¶) umwandelt. Eine frequenzselektive Anordnung (6, 17, 18, 19) detektiert das Vorhandensein von periodischen Signalen im Flammensignal (U¶1¶) und aktiviert den Flammensignalverstärker (40), wenn ein nichtperiodisches Flammensignal (U¶1¶) vorliegt und deaktiviert den Flammensignalverstärker (40), wenn ein Flammensignal (U¶1¶) mit periodischen Signalen oder kein Flammensignal (U¶1¶) oder ein Testsignal (T) vorliegt. Die frequenzselektive Anordnung (6, 17, 18, 19) weist dabei einen Frequenzdetektor (18) auf, der das Vorhandensein nichtperiodischer Flammensignale (U¶1¶) detektiert und über Schaltmittel (6, 17, 19) den Flammensignalverstärker (40) entsprechend aktiviert oder deaktiviert. Der Frequenzdetektor (18) integriert das Flammensignal (U¶1¶) beispielsweise über definierte Perioden hinweg oder bezogen auf einen Referenzwert, so dass periodische Signale durch einen definierten Wert detektiert werden und dementsprechend der Flammensignalverstärker (40) gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Flammenüberwachungssystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art, sowie ein Verfahren zur Überwachung einer Flamme nach dem Oberbegriff des Anspruches 9.

Zur Überwachung von Öl-, Gas- oder Kohlenstaubflammen werden u. a. auch solche Flammenüber­ wachungssysteme bzw. Verfahren eingesetzt, die die Intensitätsschwankungen der Flamme im infraroten Spektralbereich ausnützen. Vorteil solcher Systeme ist, dass sie alle Brennstoffarten abdecken, und somit keine brennstoffspezifischen Überwachungsarten bei Mehrstoffbrennern - z. B. Erfassung der UV-Strahlung bei Gas und der sichtbaren Strahlung bei Schweröl - erforderlich werden. Nachteile der IR-Überwachung sind allerdings, dass sowohl die langsamen Intensitätsänderungen einer nachglühenden Ofenwand - die sog. Schlierenfrequenzen- als auch die schnellen Änderungen von in der Regel mit Netzwechselspannung betriebenen Lichtquellen eine Flamme vortäuschen können. Kommt es zu einer Einstrahlung von künstlichem Licht in den Brennerraum während des Betriebes oder auch während der Wartung von Brennersystemen, würde eine IR-Überwachung das Vorhandensein einer Flamme vortäuschen.

Die Filterung der Schlierenfrequenzen, die in diversen Veröffentlichungen mit bis zu 3 Hz angegeben werden, ist relativ einfach mittels Hochpässen durchführbar, wobei die durch den Verbrennungsvorgang erzeugten Flammenfrequenzen oberhalb von 10 Hz dadurch nicht beschnitten werden. Problematischer und aufwendiger wird es allerdings, wenn die Harmonischen der Netzfrequenz durch Ausfilterung unterdrückt werden müssen. Diese Methode bedeutet zwangsläufig auch den Verlust von Information aus der Flamme, besonders dann, wenn die Netzfrequenz grossen Toleranzen unterliegt bzw. verschiedene Nennfrequenzbereiche abgedeckt werden müssen. Die für Flammenüberwachungs­ einrichtungen relevante europäische Gerätenorm EN298 lässt auch die Möglichkeit zu, dass durch ein entsprechendes Befestigungssystem des Flammenfühlers seine Abschaltung erreicht wird, wenn er aus der Befestigung entfernt wird. In jedem Falle ist die Fremdlichtsicherheit auch bei Betrachtung von Erst- und Zweitfehlern gemäss EN298 zu gewährleisten. Bei der letztgenannten Methode dürfte dies ausserordentlich schwer zu erfüllen sein, da die Funktionsfähigkeit z. B. eines Endschalters nur durch die tatsächliche Entfernung des Flammenfühlers aus seiner Befestigung geprüft werden kann.

Es ist daher ein Bestreben, die Immunität gegen netzfrequenzmodulierte Fremdlichtquellen auf elektronischem Wege zu erreichen, sei es durch in sich fehlersichere Schaltungen oder durch zyklischen Test - bei für Dauerbetrieb konzipierten Überwachungssystemen selbstverständlich während des Brennerbetriebs.

In der EP 0 320 082 A1 ist eine Flammenüberwachungsschaltung beschrieben, bei der alleine die Auswertung der Wechsellichtkomponente einer Flamme als Massnahme für eine fehlersichere Flammenerkennung herangezogen wird. Diese Lösung bietet jedoch nur Sicherheit gegen Flammen­ vortäuschung, so lange es sich bei dem dort erwähnten, sicherheitsrelevanten Umgebungslicht um Gleichlicht handelt. Licht von meist wechselspannungsbetriebenen Fremdlichtquellen führt dagegen sehr wohl zur Vortäuschung einer Flamme und damit zu einem unsicheren Brennerbetrieb.

Darüberhinaus besteht die Gefahr, dass ein interner Bauteilfehler im IC trotz fehlender Flamme die Ansteuerung des Brennstoffventils aufrechterhält. Alleine aus diesem Grund verbietet sich schon der Einsatz an Brennern im Dauerbetrieb.

Die EP 0 334 027 A1 offenbart eine diesbezüglich geeignete Lösung, allerdings ist der Aufwand infolge der vollständigen Zweikanaligkeit unverhältnismässig hoch und die Immunität gegen netzfrequente Wechsellichtsignale wird mit frequenzselektiven Anordnungen erreicht, deren Nachteil bezüglich Verlust von Flammensignalinformation bereits erwähnt wurde.

Eine Lösung, die diesen Mangel beseitigt, ist in der EP 0 229 265 A1 aufgezeigt. Dort werden netzfrequenzharmonische Signale mit hoher Selektivität gesperrt, so dass der Informationsverlust aus dem Flammensignal sehr gering gehalten wird. Allerdings ist die Anwendbarkeit an Brennern im Dauerbetrieb fraglich, weil ein interner Bauteilfehler bsp. des Flip-Flops - mit Flammensimulation als Folge - im Betrieb nicht festgestellt wird, und auch die Immunität gegen netzfrequente Wechsellichtsignale allenfalls bei Brennerstillstand festgestellt werden könnte.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Flammenüberwachungssystem bzw. ein Verfahren zur Überwachung einer Flamme zu schaffen, das Immunität gegen netzfrequenzharmonische Eingangssignale bei geringstem Verlust an Flammensignalinformation aufweist und für den Einsatz bei Brennern im Dauerbetrieb geeignet ist.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Unteransprüche.

Die vorliegende Erfindung löst das Problem dadurch, daß ein Flammensensor zunächst die von einer Flamme ausgehende Strahlung in ein Flammensignal umwandelt, welches wiederum durch einen Flammensignalverstärker in ein Ausgangssignal umgesetzt wird. Eine frequenzselektive Anordnung, die parallel zu dem Flammensignalverstärker angeordnet ist, empfängt ebenfalls das Flammensignal selbst und überprüft dieses auf das Vorhandensein von periodischen Signalen. Wird das Vorhandensein von nichtperiodischen Signalen durch die frequenzselektive Anordnung detektiert, wird der Flammensignalverstärker aktiviert, während bei der Detektion von periodischen Signalen oder bei dem Nichtvorhandensein eines Flammensignals der Flammensignalverstärker deaktiviert wird. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Flammensignal mit einem Testsignal zu überschreiben, so daß der Eingang des Flammensignalverstärkers als auch der Eingang der frequenzselektiven Anordnung durch das Testsignal selbst beaufschlagt werden kann, so daß Ausfälle innerhalb der Flammenüberwachungsschaltung, beispielsweise der Ausfall einzelner Bauteile detektiert werden kann.

Die frequenzselektive Anordnung weist dabei einen Frequenzdetektor auf, der das Vorhandensein nichtperiodischer Flammensignale detektiert und über entsprechende Schaltmittel den Flammensignal­ verstärker entsprechend aktiviert oder deaktiviert. Dies kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden.

Zum einen ist es möglich, das Flammensignal zunächst zu verstärken und in ein Rechtecksignal umzuwandeln, wobei für diese Umwandlung ein beliebiges Referenzsignal herangezogen werden kann. Dieses Rechtecksignal dient dann als Steuersignal einer bipolaren Strom- oder Spannungsquelle, die wiederum einen Integrator speist, so daß das Ausgangssignal des Integrators bei periodischen Ein­ gangssignalen des Frequenzdetektors um einen konstanten Mittelwert herumschwankt. In anderen Worten ausgedrückt, lädt und entlädt die bipolare Strom- bzw. Spannungsquelle den Integrator je nach der Schwankungsbreite des Eingangs bzw. des Flammensignals, so daß bei periodischen Eingangs­ signalen der gemittelte Integrationswert in etwa Null ist.

Die frequenzselektive Anordnung weist darüber hinaus einen Koppler bzw. einen Schalter auf, der zunächst feststellt, ob das Ausgangssignal des Frequenzdetektors, das heißt das integrierte Eingangssignal innerhalb einer definierten Schaltschwelle um einen bestimmten Mittelwert herum bleibt, um dann einen Schalter zu betätigen, der den Flammensignalverstärker entsprechend aktiviert oder deaktiviert. Stellt der Frequenzdetektor fest, daß ein reinperiodisches Signal vorliegt, so gewährleistet die o. g. Schaltschwelle, daß Restschwankungen des integrierten Signals um den konstanten Mittelwert herum bzw. leichte Abweichungen um den Nullwert unberücksichtigt bleiben, die je nach Grenzfrequenz des Integrators auch durch rein periodische Eingangssignale hervorgerufen werden können.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß der Frequenzdetektor das Eingangssignal, also beispielsweise das Flammensignal über vorher fest definierte Perioden hinweg integriert und die frequenzselektive Anordnung das integrierte Ausgangssignal zur Betätigung eines Schalters verwendet, der wiederum den Flammensignalverstärker aktiviert oder deaktiviert. Durch die Integration über diese definierten Perioden hinweg ist es möglich, eine sehr enge, das heißt schmalbandige Filterung diskreter Frequenzen vorzunehmen, die üblicherweise Vielfache der Netzfrequenz sind, so daß hier Fremdlichtkomponenten die der Wechselspannung der Netzfrequenz folgen, scharf ausgefiltert werden, so daß sämtliche anderen Frequenzen, das heißt insbesondere Flammensignale nahezu verlustfrei detektiert werden können. Dabei ist es sinnvoll, den Frequenzdetektor nach jeder Integration über eine der definierten Perioden hinweg in seinen Ausgangszustand zurückzusetzen, ansonsten ein Abdriften der Integratorausgangsspannung zur Flammensimulation führen könnte, was beim Test als Bauteilfehler erkannt würde.

Das Flammensignal ist dabei mit einem periodischen Testsignal überschreibbar, so daß der Frequenzdetektor dann das Testsignal auswertet, welches die Überprüfung der Schaltung als solches ermöglicht und den Ausfall einzelner Bauteile detektiert.

Der Frequenzdetektor aktiviert den Schalter derart, daß der Flammensignalverstärker bei einem nichtperiodischen Flammensignal ein gültiges Ausgangssignal liefert, während bei der Detektion von periodischen Eingangssignalen am Frequenzdetektor der Flammensignalverstärker deaktiviert wird, so daß am Ausgang des Flammensignalverstärkers kein gültiges Signal geliefert wird.

Das periodische Testsignal wird vorteilhafterweise in regelmäßigen Zeitabständen angelegt, um stets Sicherheit über das einwandfreie Funktionieren der Flammenüberwachungsschaltung zu haben.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Flammenüberwachungssystem mit geeigneten Schaltelementen,

Fig. 2 die Signalverläufe des Flammenüberwachungssystems nach Fig. 1,

Fig. 3 ein anderes Flammenüberwachungssystem mit geeigneten Schaltelementen,

Fig. 4 ein Testsignal des Flammenüberwachungssystems nach Fig. 3,

Fig. 5 die Signalverläufe des Flammenüberwachungssystems nach Fig. 3, und

Fig. 6 ein vereinfachtes Flammenüberwachungssystems nach Fig. 3.

Die Fig. 1 zeigt ein Flammenüberwachungssystem. Die von einem Sensor 1 aufgenommene und in ein elektrisches Signal, die Signalspannung U₁, gewandelte Flammenstrahlung wird erstens in einem ersten Eingangsverstärker 2 mit Hochpassverhalten verstärkt und dem Eingang eines Schmitt-Triggers 3 zugeführt. Die Signalspannung U₁ ist auf eine Masse m bezogen. Mit der Signalspannung U₂ am Ausgang des Schmitt-Triggers 3 wird nun erstens eine bipolare Stromquelle 4 angesteuert, die einen ersten Integrator 5 bezüglich einer Referenzspannung U_Ref positiv oder negativ lädt. Die Polarität und Dauer der jeweiligen Ladezyklen sind vom Zustand des Ausgangs des Schmitt-Triggers 3 und somit direkt von der Signalspannung U₁ des Sensors 1 abhängig. Der Integrator 5 weist ein Tiefpassverhalten auf, wobei die Grenzfrequenz des Tiefpasses typischerweise bei etwa 80 Hz liegt.

Die Signalspannung U₂ am Ausgang des Schmitt-Triggers 3 wird zweitens mittels eines Schaltkreises 6 zur Steuerung eines als Schalter arbeitenden n-Kanal JFET 7 (junction field effect transistor) aufbereitet. Der Schaltkreis 6 ist als aus zwei Kondensatoren und zwei Dioden bestehende Ladungspumpe ausgebildet, die das wechselförmige Ausgangssignal U₂ des Schmitt-Triggers 3 in ein Gleichspannungssignal U₃ negativer Polarität transformiert. Das Gleichspannungssignal U₃ wird über einen vom Ausgangssignal U₄ des Integrators 5 gesteuerten zweiten Schalter 8 dem Steuereingang des JFET 7 zugeführt. Der Steuereingang des JFET 7 ist zur Glättung der Steuerspannung noch über einen Kondensator 9 mit der Referenzspannung U_Ref verbunden. Im Beispiel ist der zweite Schalter 8 als lichtempfangende Seite eines Optokopplers 10 ausgebildet, dessen lichtsendender Seite die Signal­ spannung U₄ am Ausgang des Integrators 5 über einen Gleichrichter 11 zugeführt wird.

Der Gleichrichter 11 und der nachgeschaltete Optokoppler 10 stellen für den Integrator 5 eine Last dar. Der Integrator 5 wird nun einerseits durch die Stromquelle 4 entsprechend dem Zustand des Ausgangs des Schmitt-Triggers 3 in unregelmässigen Abständen geladen bzw. entladen. Andererseits wird der Integrator 5, sofern der Betrag der Signalspannung U₂ an seinem Ausgang über der Schaltschwelle des Optokopplers 10 liegt, belastet. Bei Frequenzen der Signalspannung U₁, die unterhalb der Grenzfrequenz des Tiefpasses des Integrators 5 liegen, ist der von der Stromquelle 4 gelieferte Lade­ strom für den Integrator 5 deutlich grösser als der Entladestrom infolge der Belastung durch den Gleichrichter 11 und den Optokoppler 10, so dass der Integrator 5 sowohl auf ein vergleichsweise grosses positives wie negatives Potential geladen werden kann. Bei Frequenzen der Signalspannung U₁, die oberhalb der Grenzfrequenz des Tiefpasses des Integrators 5 liegen, ist hingegen der Entladestrom infolge der Belastung durch den Gleichrichter 11 und den Optokoppler 10 deutlich grösser als der von der Stromquelle 4 gelieferte Ladestrom, so dass die Signalspannung U₂ am Ausgang des Integrators 5 unterhalb der Schaltschwelle des Optokopplers 10 bleibt.

Die Signalspannung U₁ wird nun zweitens einem zweiten Eingangsverstärker 12 mit Hochpassverhalten zugeführt, mittels eines zweiten Gleichrichters 13 gleichgerichtet und einem zweiten Integrator 14 zugeführt. Wenn der JFET 7 sperrt, dann wird die Signalspannung U₁ vom zweiten Eingangsverstärker 12 verstärkt und die Spannung U₅ am Ausgang des zweiten Integrators 14 hat einen vom Potential der Masse m verschiedenen Wert. Wenn der JFET 7 hingegen im leitenden Zustand ist, dann wird die Signalspannung U₁ am Eingang des Verstärkers 12 unwirksam, so dass die Spannung U₅ am Ausgang des Integrators 14 das Potential der Masse m annimmt.

Die Fig. 2 zeigt die Spannungssignale U₁, U₂ und U₄ für den Fall, dass nur von der Flamme ausgehende Strahlung auf den Sensor 1 fällt. Am Ausgang des Schmitt-Triggers 3 treten Impulse 15 unterschied­ licher Länge auf. Solange ein Impuls 15 vorhanden ist, wird der Integrator 5 durch die Stromquelle 4 aufgeladen, in den Pausen zwischen den Impulsen 15 wird der Integrator 5 entladen. Die Signalspannung U₂ liegt dabei gemäss der obigen Beschreibung meistens über der Schaltschwelle 16 des Optokopplers 10. Wie der Figur zu entnehmen ist, wird der Optokoppler 10 jedoch in unregelmässigen Abständen ein- und ausgeschaltet. Dank der Glättung des Ausgangssignals des Optokopplers 10 durch den Kondensator 9 bleibt aber der JFET im sperrenden Zustand, so dass das Flammensignal U₁ auf den zweiten Eingangsverstärker 12 gelangt und die Spannung U₅ am Ausgang des zweiten Integrators 14 einen Wert hat, der "Flamme vorhanden" bedeutet.

Wird der Sensor 1 (Fig. 1) aus seiner Halterung gelöst und neben dem Brenner plaziert, wobei dann z. B. das von einer Neonröhre stammende Licht, dessen Grundfrequenz bei etwa 100 Hz liegt, auf ihn auftrifft, dann tritt am Ausgang des Schmitt-Triggers 3 eine Signalspannung U₂ auf, die aus einer regelmässigen Folge von Impulsen 15 besteht, deren Tastverhältnis 1 beträgt. Die Impulse 15 laden und entladen den Integrator 5 mittels der Stromquelle 4 während jeweils gleich langen Zeiten, so dass die Signalspannung U₄ am Ausgang des Integrators 5 bereits nach kurzer Zeit eine Dreieckspannung ist, deren Spitzenwerte wegen des Tiefpassverhaltens des Integrators 5 unterhalb der Schaltschwelle des Optokopplers 10 liegen. Der Optokoppler 10 bleibt dann permanent ausgeschaltet und der JFET 7 wird leitend. Demzufolge wird das Flammensignal vom zweiten Eingangsverstärker 12 nicht mehr verstärkt und die Spannung U₅ am Ausgang des zweiten Integrators 14 nimmt den Wert der Masse m an, der "Flamme nicht vorhanden" bedeutet.

Die Fig. 2 zeigt ebenfalls den Verlauf der Signalspannung U₄ für den Fall, dass der Sensor 1 zum Zeitpunkt t₁ (Fig. 1) aus seiner Halterung gelöst wurde. Eingezeichnet sind auch die Schaltschwellen 16 des Optokopplers 10. Die Signalspannung U₄, die zum Zeitpunkt t₁ zufällig einen hohen Wert aufweist, so dass der JFET sperrt, nimmt wegen des Tiefpassverhaltens des Integrators 5 allmählich ab und vermag schlussendlich den Optokoppler 10 nicht mehr anzusteuern.

In der Fig. 1 ist noch ein Steuereingang eingezeichnet, über den der Signalspannung U₁ ein Testsignal T überlagert werden kann. Ein solches Testsignal T ist z. B. ein 100 Hz-Signal, das eine mit Wechselstrom betriebene Lichtquelle vortäuscht. Wird das Testsignal T ab dem Zeitpunkt t₁ angelegt, so läuft das Ausgangssignal U₄ des Integrators 5 aufgrund der Dämpfung des Kopplers 19, das heißt des Gleich­ richters 11 und des Optokopplers 10 gegen die Referenzspannung U_Ref, wobei nach Unterschreiten der Schaltschwelle 16 und nach Ablauf der Zeitspanne Δ_t die Ausgangsspannung U₅ am Ausgang des Flammensignalverstärkers 40 den Wert der Masse m annimmt. Somit ergibt sich hier nach Fig. 2 ein Ausgangssignal, das trotz starker Beleuchtung des Sensors mit Kunstlicht die Bewertung "Flamme nicht vorhanden" abgibt.

Oft wird jedoch ein Ausgangssignal gewünscht, das nicht nur das Vorhandensein einer Flamme meldet, sondern auch ein Maß für die Stärke der vom Fühler erfaßten Flammenstrahlung darstellt. Aus diesem Grund ist der eigentliche Flammensignalverstärker 40 als rein analoger Verarbeitungskanal mit den Blöcken 12, 13 und 14 aufgebaut.

Die Blöcke 18, 19 sowie 6 und 17 haben hier zwei verschiedene Aufgaben zu erfüllen:

• 1. Die Meldung, ob ein gültiges Flammensignal U₁ vorliegt, das heißt, ob sich die Frequenz des Eingangssignals und damit das Ein-/Aus-Verhältnis des Schmitt-Triggers 3 laufend ändert.
• 2. Der Nachweis, daß der Analogwert U₅ am Ausgang des Integrators 14 zu Null wird, wenn vom Flammensensor 1 ein Signal mit konstanter Frequenz bzw. kein Signal mehr geliefert wird, wobei dieser Nachweis als Folge der Einspeisung einer Testspannung U_T erbracht werden muß.

Die Lösung nach Fig. 1 ist nicht nur auf die Sperrung bestimmter Frequenzen beschränkt, sondern bildet prinzipiell bei jeder konstanten Frequenz am Integrator 5 den Mittelwert 0. Die Augenblicksspannung erreicht jedoch je nach Frequenz des Eingangssignals U₁ und je nach Zeitkonstante des Integrators 5 mehr oder weniger hohe Werte, so daß eine periodische pulsförmige Ansteuerung des Kopplers 19 unter bestimmten Systembedingungen möglich ist. Hier empfiehlt sich die Ergänzung des Integrators 5 mit einem Längswiderstand zu einem einfachen RC-Tiefpaß und die Ausbildung der Stromquelle 4 als Spannungsquelle, bsp. einer bipolaren Spannungsquelle, so daß sich für Schmitt-Trigger-Impulse mit Tastverhältnis 1 eine oberhalb der Grenzfrequenz immerhin mit 6 Dezibel pro Oktave zunehmende Dämpfung ergibt. Je mehr jedoch das Tastverhältnis auch bei den höheren Frequenzen von 1 abweicht, desto weniger wirkt diese Dämpfung. Je nach dem zeitlichen Verlauf des Flammensignals U₁ entstehen am Kondensator des Integrators 5 Spannungen, die mehr oder weniger häufig in Amplitude und Polarität wechseln. Selbst wenn davon ausgegangen wird, daß die Strahlungsfrequenz netzbetriebener Lichtquellen das Doppelte der Netzfrequenz beträgt, also beispielsweise 100 Hz, so muß die Grenzfrequenz des o. g. einfachen Tiefpasses sehr tief gelegt werden, um zwischen Nutzsignal der Flamme und Störsignal von beispielsweise 100 Hz ausreichend genau unterscheiden zu können. Um hier bei gleichem Störabstand eine größere Bandbreite für das Nutzsignal zu erreichen, ist z. B. die Zwischenschaltung eines Tiefpasses höherer Ordnung am Ausgang des Eingangsverstärkers 2 vorteilhaft.

Um jedoch die Bandbreite für das Flammensignal zu erhalten, die unabhängig von den netzfrequenz­ harmonischen Störsignalen ist, ist eine unendlich schmalbandige Sperre für diese Störfrequenzen erforderlich.

Fig. 3 zeigt eine Lösung, die speziell für die Sperrung von definierten harmonischen Netzfrequenzen, das heißt beispielsweise 50 Hz, 100 Hz, 150 Hz usw. ausgelegt ist. Hier wird über jede Netzperiode der Mittelwert neu gebildet und derart ausgelesen, daß netzfrequenzharmonische Sensorsignale stets zum Auslesewert Null führen, während Signale mit davon abweichender Frequenz Werte liefern, deren Beträge von Null unterschiedlich sind, um so ein gültiges Flammensignal U₁ zu detektieren. Bei diesem Prinzip ist die Integrationszeit direkt von der aktuellen Netzfrequenz abhängig, wodurch eine scharfe Unterscheidung zwischen Nutz- und Störsignal ermöglicht wird.

Der Eingangsverstärker 20 mit Tiefpaßcharakteristik dient der Vorverstärkung des Sensorsignals U₁ bei gleichzeitiger Dämpfung hochfrequenter Störspannungen. Ihm folgt ein weiterer Verstärker 21 mit Hochpaßcharakteristik, bei dem die niedrigen Schlierenfrequenzen wie oben erwähnt bedämpft werden.

Das Ausgangssignal dieses Verstärkers 21 wird über drei verschiedene Wege für verschiedene Zwecke weiterverarbeitet. Im Mittelwertbildner 22 wird die Integration über jeweils eine Netzperiode vorge­ nommen. Der Mittelwertbildner bzw. -integrator 22 wird nach jedem Integrationsintervall mittels dem in 22 dargestellten Schalter auf Null zurückgesetzt. Unmittelbar vor diesem RESET wird der aktuelle Wert des Integrators durch Schließen des Schalters 23 ausgelesen und über den Zweiweggleichrichter 24 als Trigger-Impuls auf den Eingang des Monoflops 25 geschaltet. Mit dem Differenzierer 26 wird aus der Vorderflanke des Monoflop-Impulses der Steuerimpuls für den RESET-Schalter des Integrators bzw. Mittelwertbildners 22 gewonnen.

Für die Steuerung des Auslese-Schalters 23 wird im Schmitt-Trigger 30 aus der Netzbrummspannung ΔU ein Triggerimpuis für das Monoflop 29 erzeugt, welches dann seinerseits den Auslese-Schalter 23 netzsynchron betätigt. Die Abhängigkeit des RESET-Impulses für den Integrator 22 von der Vorder­ flanke des Monoflops 25 - und nicht etwa direkt vom Steuerimpuls für den Auslese-Schalter 23 - soll gewährleisten, daß der Inhalt des Integrators 22 stets ausgelesen wird, bevor er durch den RESET- Impuls gelöscht wird.

Analog zu dem Prinzip nach Fig. 1 wird auch hier das Ausgangssignal U₄ des Integrators 22 indirekt zur Freigabe des - in diesem Fall vorverstärkten - Sensorsignals U₁ für die weitere Verarbeitung benutzt.

Dazu wird zunächst das vorverstärkte Sensorsignal U₁ dem Schmitt-Trigger 28 zugeführt, dessen Aus­ gangsimpulse zur Gewinnung einer negativen Spannung mit Hilfe der Ladungspumpe 6 herangezogen werden. Die negative Spannung dient - wie in Fig. 1 - zur Sperrung des selbstleitenden JFET 7, wodurch der Eingang der Aktivfilterstufe 33 für das vorverstärkte Sensorsignal U₁ freigegeben wird. Diese Stufe hat wiederum Hochpaßcharakteristik, um die Schlierenfrequenzsignale weiter zu bedämpfen. Im nachfolgenden Zweiweg-Gleichrichter 34 mit Integrationskondensator wird aus dem vorverstärkten Sensor-Signal U₁ die analoge Ausgangsspannung U₅ gewonnen.

Für den Test auf Abschaltung des Ausgangssignals US bei Auftreten netzfrequenzharmonischer Sensorsignale U₁ wird mittels Anhebung des Mittelwerts der Verstärkerspeisespannung U_S vom Betriebswert U_B auf den Testwert U_T die Schwelle der Zehnerdiode 31 überschritten und der Testschalter 32 geschlossen, wodurch die der Speisespannung U_T überlagerte Netzbrummspannung ΔU dem Sensorsignal U₁ überlagert und somit ein netzfrequentes Störsignal eingekoppelt wird (vgl. Fig. 4). Die so erzwungene Überschreibung des Sensorsignals durch die Netzbrummspannung führt dazu, daß die am Integrator 22 über jede Netzperiode gemittelten Werte zu Null werden, so daß letztendlich der Schalter 17, das heißt der JFET 7 leitend und das Ausgangssignal U₅ ebenfalls Null werden muß.

In Fig. 4 ist die Umschaltung der Speisespannung U_S von Betrieb U_B auf Test U_T und umgekehrt dargestellt. Diese Umschaltung kann auch mit einem Mikroprozessorsystem gesteuert werden. Die Fehlererkennung erfolgt nach demselben Prinzip wie für Fig. 1 beschrieben.

Die Verstärkerspeisespannung U_S ist gleich U_B plus ΔU. Die Phasen Betrieb und Test sind in Fig. 4 derart dargestellt, daß die Testspannung zwischen den Zeitpunkten t' und t" anliegt.

In Fig. 5 sind die Inhalte des Integrators bzw. Mittelwertbildners 22 dargestellt. Bei verschiedenen Sensorsignalen U₁ stehen jeweils unterschiedliche Ausgangssignale U₄ mit unterschiedlichen Werten a, b, c und d am Ausgang des Integrators 22 zum Auslesen bereit. Am Verlauf der Integratorspannung U₄ ist erkennbar, daß das nullpunktsymmetrische Störsignal stets das Ergebnis Null liefern muß, wenn über konstante Perioden ΔT integriert wird. Dies sind vorteilhafterweise Netzperioden oder Vielfache der entsprechenden Netzperiode. Dabei spielt es keine Rolle, zu welchem Zeitpunkt das Integrationsintervall beginnt. Die Zeit vom Beginn des Auslesens bis zum Ende des Rücksetzens, also bis zu Beginn des nächsten Integrationsintervalls, kann gegenüber der Netzperiodendauer ΔT, also dem Intervall selbst, so kurz gehalten werden, daß der "Meßfehler" trotz Integration in jeder der aufeinanderfolgenden Netzperioden vernachlässigbar ist.

Die Schaltung nach Fig. 3 kann auch noch variiert werden. Fig. 6 zeigt beispielhaft eine derartige Variante der Schaltung nach Fig. 3. So ist es z. B. möglich, für die Ansteuerung der Ladungspumpe 6 das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers 30 mitzubenutzen, um den Schmitt-Trigger 28 einzusparen. Außer der Einsparung von Bauteilen hätte diese Variante den Vorteil der gleichmäßigeren und damit zuverlässigeren Gate-Spannungserzeugung für den selbstleitenden JFET 7 infolge konstanter Pumpfrequenz. Allerdings ginge dann eine jetzt vorhandene Eigenschaft verloren, die auch einen gewissen Vorteil hat, nämlich die, daß die Ladungspumpe mit ihrem Hochpaßcharakter eine zusätzliche Sicherheit gegen die Detektion von Schlierensignalen wie oben beschrieben, wenn sie wie in Fig. 3 vom Nutzsignal abhängig ist, bietet.

Des weiteren ist denkbar, daß die Aktivfilterstufe 33 entfallen kann, wenn die Dämpfung der Schlieren­ frequenzen im Hochpaßverstärker 21 bereits ausreicht, um eine Flammensimulation zu verhindern.

Auch der Schmitt-Trigger 30 ist nicht erforderlich, weil das Monoflop 29 direkt von der Netzbrummspannung ΔU angesteuert werden kann.

Eine weitere Variante mit Einsparung des Schmitt-Triggers 28 wäre die Ansteuerung der Ladungspumpe 6 aus dem Monoflop 25. Als Folge dessen könnte der Transistor 27 entfallen, so daß die Entladezeitkonstante der Ladungspumpe 6 so klein dimensioniert werden kann, daß der Test in der dafür verfügbaren Zeit durchgeführt werden kann.

Claims (12)

1. Flammenüberwachungssystem mit
einem Flammensensor (1), der die von der Flamme ausgehende Strahlung in ein Flammensignal (U₁) umwandelt,
einem Flammensignalverstärker (40), der das Flammensignal (U₁) in ein Ausgangssignal (U₅) umwandelt, und
einer frequenzselektiven Anordnung (6, 17, 18, 19), die das Vorhandensein von periodischen Signalen im Flammensignal (U₁) detektiert,
dadurch gekennzeichnet,
dass die frequenzselektive Anordnung (6, 17, 18, 19) den Flammensignalverstärker (40) aktiviert, wenn ein nichtperiodisches Flammensignal (U₁) vorliegt, und
dass die frequenzselektive Anordnung (6, 17, 18, 19) den Flammensignalverstärker (40) deaktiviert, wenn ein Flammensignal (U₁) mit periodischen Signalen oder kein Flammensignal (U₁) oder ein Testsignal (T) vorliegt.

2. Flammenüberwachungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die frequenzselektive Anordnung (6, 17, 18, 19) einen Frequenzdetektor (18) aufweist, der das Vorhandensein nichtperiodischer Flammensignale (U₁) detektiert und über Schaltmittel (6, 17, 19) den Flammensignalverstärker (40) entsprechend aktiviert oder deaktiviert.

3. Flammenüberwachungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzdetektor (18) das Flammensignal (U₁) in ein Rechtecksignal (U₂) umwandelt und das Rechtecksignal (U₂) als Steuersignal einer bipolaren Strom-/Spannungsquelle (4) zur Speisung eines Integrators (5) verwendet, so dass das Ausgangssignal (U₄) des Integrators (5) bei periodischen Flammensignalen (U₁) um einen konstanten Mittelwert (U_ref) schwankt.

4. Flammenüberwachungssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die frequenzselektive Anordnung (6, 17, 18, 19) einen Koppler (19) aufweist, der, wenn das Ausgangssignals (U₄) des Frequenzdetektors (18) innerhalb einer definierten Schaltschwelle (16) um den konstanten Mittelwert (U_ref) herum bleibt, einen Schalter (17) aktiviert, der den Flammensignalverstärker (40) deaktiviert.

5. Flammenüberwachungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzdetektor (18) das Flammensignal (U₁) über definierte Perioden hinweg integriert und die frequenzselektive Anordnung (6, 17, 18) dieses integrierte Ausgangssignal (U₄) zur Betätigung eines Schalters (17) verwendet, der den Flammensignalverstärker (40) aktiviert oder deaktiviert.

6. Flammenüberwachungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzdetektor (18) nach jeder Integration über eine der definierten Perioden in seinen Ausgangszustand rücksetzbar ist.

7. Flammenüberwachungssystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die definierten Perioden Vielfache der Netzperioden sind.

8. Flammenüberwachungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammensignal (U₁) mit einem periodischen Testsignal (T) überschreibbar ist, und der Frequenzdetektor (18) das Testsignal (T) auswertet.

9. Verfahren zur Überwachung einer Flamme, wobei
die von der Flamme ausgehende Strahlung in ein Flammensignal (U₁) und dieses in ein Ausgangssignal (U₅) umgewandelt wird, und
das Vorhandensein periodischer Signale im Flammensignal (U₁) durch eine frequenzselektive Anordnung (6, 17, 18, 19) detektiert wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Flammensignal (U₁) in ein Ausgangssignal (U₅) umgewandelt wird, wenn ein nichtperiodisches Flammensignal (U₁) vorliegt, und
dass das Flammensignal (U₁) in ein Nullsignal (U_m) umgewandelt wird, wenn ein Flammensignal (U₁) mit periodischen Signalen oder kein Flammensignal (U₁) oder ein Testsignal (T) vorliegt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass periodische Flammensignale (U₁) mittels einer Integration der Flammensignale (U₁) über bestimmte Perioden hinweg und/oder um einen konstanten Mittelwert (U_ref) herum detektiert werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass, falls das integrierte Flammensignal (U₁) nahezu Null ist oder innerhalb einer definierten Schaltschwelle (16) um den konstanten Mittelwert (U_ref) herum bleibt, das Flammensignal (U₁) in das Nullsignal (U_m) umgewandelt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, dass ein periodisches Testsignal (T) in regelmässigen Zeitabständen angelegt wird und das Auftreten des Nullsignals (U_m) überprüft wird.