DE19931111A1 - Vorrichtung zum Überwachen von Flammen mit einem Flammenfühler bzw. Flammendetektor (Flammenwächter) und Verwendung desselben - Google Patents

Abstract

Bei einem einen Flammendetektor (7) und eine Auswerteschaltung (9) aufweisenden Flammenwächter weist der Flammendetektor (7) mindestens eine Reihe von nebeneinander (zeilenförmig) und/oder (spaltenförmig) angeordnete und mit der Auswerteschaltung (9) elektrisch verbundene Halbleiter-Fotosensoren (8) auf, wodurch bei geringem Raumbedarf und verhältnismäßig einfachem Aufbau der Flammenwächter höhere Zuverlässigkeit und Empfindlichkeit gegenüber üblichen als Fotozellen ausgebildeten Flammendetektoren bietet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Überwachen von Flammen mit einem Flammenfühler bzw. Flammendetektor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung sowie auf eine Verwendung solcher "Flammenwächter" genannter Vorrichtungen.

Zur Überwachung von Brennern in Heizungsanlagen werden Flammenwächter verwendet, die mittels ihres Flammendetektors das Vorhandensein einer Brennerflamme überwachen. Als Flammendetektor werden vorzugsweise Ionisationselektroden oder Ultraviolett-Fotozellen verwendet; die letztgenannten haben den Vorteil, daß sie für Überwachung sowohl von Ölflammen als auch von Gasflammen gleichwertig eingesetzt werden können und im Gegensatz zu anderen Fotodetektoren nicht für Strahlungen des sichtbaren Bereichs oder des Infrarotbereichs empfindlich sind. Der Flammenfühler gibt bei der Existenz einer Flamme ein Flammensignal an eine Auswerteschaltung ab, die dieses Flammensignal verstärkt und häufig ein Flammenrelais enthält. Bei einem ausbleibenden Flammensignal während des Brennerbetriebs, beispielsweise beim Erlöschen der Brennerflamme, fällt das Flammenrelais ab, so daß dann vorgeschriebene Sicherheitsmaßnahmen ausgelöst und beispielsweise die Brennstoffzufuhr zum Brenner unterbrochen werden kann.

Im Zuge der fortschreitenden Optimierung von Brennern mit dem Ziel einer besseren Energieausnutzung und geringeren Schadstoffausstoß ist die Verbesserung der Empfindlichkeit des Flammendetektors wichtig. Zu diesem Zweck ist es bereits bekannt (DE 196 45 555 A1), eine Kompensationsschaltung vorzusehen, wodurch periodisch abgedunkelt wird und durch Vergleich der bewußten Abdunkelung mit dem tatsächlichen Flammensignal eine höhere Zuverlässigkeit und größere Empfindlichkeit erzielt werden kann. Der technische Aufwand für diese Kompensationsschaltung ist jedoch unerwünscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs genannten Gattung hinsichtlich höherer Zuverlässigkeit und Empfindlichkeit mit geringem Aufwand und möglichst geringem Raumbedarf zu verbessern.

Die Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet und in Unteransprüchen sind bevorzugte Ausbildungen und Verwendungen derselben beansprucht.

Gemäß der Erfindung wird im Flammendetektor nicht nur ein einziges Fühler- oder Sensorelement verwendet, das bei Existenz der Flamme das Flammensignal abgibt. Statt dessen werden mehrere und zwar mindestens eine Reihe von nebeneinander und/oder übereinander angeordnete Fotosensoren aus Halbleitermaterial verwendet, die mit der Auswerteschaltung elektrisch verbunden sind. Anstelle der zeilenförmigen oder spaltenförmigen Anordnung kann auch eine sowohl zeilenförmige als auch spaltenförmige Anordnung nach Art einer Matrix oder eines Array angewendet werden.

Hierdurch ist es möglich, das Flammenbild auch räumlich aufzulösen, wodurch nicht nur die Existenz oder Nichtexistenz einer Flamme, sondern auch das Abbild und die Art der Flamme und gegebenenfalls auch der Ort der Flamme erfasst werden kann. Die Auswerteschaltung weist dabei zweckmäßigerweise Datenverarbeitungseinrichtung wie Rechner und Computer auf, welche durch geeignete Softwareprogramme und Algorithmen eine Auswertung hinsichtlich Abbild, Art, Standort und dergleichen Charakteristika der Flamme vornimmt. Aufgrund der Redundanzen im Empfänger kann hierdurch hohe Sicherheit mit hoher Zuverlässigkeit verknüpft werden. Aufgrund der Redundanz der in einzelne den speziellen Halbleiter-Bauelementen zugeordnete Sensoren aufgeteilten Flammendetektoren kann ein Dauerbetrieb ohne Abdunkeln des Sensors erfolgen, wodurch sich mechanische Teile einsparen lassen und sogar ein kleinerer Flammendetektor verwendbar ist. Die einzelnen Foto-Halbleiter-Bauelemente können beispielsweise dadurch überwacht werden, daß benachbarte Bildpunkte (Pixel) miteinander verglichen werden und durch eine Plausibilitätskontrolle der Ausfall eines Bildpunkts feststellbar ist.

Dabei empfiehlt sich die Verwendung des erfindungsgemässen Flammenwächters als Flackersensor. Bei bekannten Flackersensoren besteht das Problem, daß das Flackersignal gegenüber dem statischen Signal sehr klein ist und daher die Auswertung nur mit großer Schwierigkeit richtig ausführbar ist. Aufgrund der vielen einzelnen Foto-Halbleiter-Bauelemente bei einer Foto-Zeile und - noch besser - bei einer Foto-Matrix oder einem Foto-Array kann der Flammenrand, der stärker flackert als die Flammenmitte, gezielt mit Software-Algorithmen im Abbild gesucht und zur Beobachtung des Flackerns verwendet werden.

Eine weitere bevorzugte Verwendung ist für die Fremdlichtüberwachung. Das Fremdlicht kann selektiv überwacht werden, da sich das System merkt, woher das Fremdlicht kommt, und diesen Bereich bei späterer Flammenüberwachung ausblenden kann.

Einen besonderen Vorteil bietet die Erfindung bei der Bewertung der Flammenqualität bzw. Flammengüte gleichfalls durch Anwendung von Software-Algorithmen. Üblicherweise wird gewünscht, daß die Flamme genügend groß brennt, so daß nicht nur die Existenz einer Flamme, sondern vor allem auch die Qualität derselben in die Überwachung eingehen kann.

Unter diesen Verwendungen eignet sich die Erfindung auch zur Anwendung bei Müllverbrennungsanlagen. Dort ist nämlich das Flammenbild manchmal auf mehrere kleine Flammen räumlich verteilt und spektral sehr unterschiedlich. Vor allem beim Zuführen von Müll ändert sich das Flammenbild sehr erheblich. Bei einer bildmäßigen Erfassung wird deutlicher erkannt, ob im Brennraum eine Flamme existiert und der Betrieb aufrechterhalten bleibt.

Auch bei Brenneranlagen, bei denen mehrere Brenner gleichzeitig überwacht werden müssen, wird das Problem vermieden, daß ein Brenner das Fühlerelement eines benachbarten Brenners mit beleuchtet und somit der Flammenausfall des benachbarten Brenners evtl. nicht zuverlässig detektiert werden kann. Durch die von der Erfindung gewährleistete "räumliche Auflösung" wird besser erkannt, an welcher Stelle welche Flamme brennt, so daß dann auch bei einem Flammenausfall der betreffende Brenner neu gezündet werden kann, ohne daß auch andere Brenner neu zu zünden sind. Die räumliche Selektion und Bewertung von Fremdlicht ist durch die Erfindung sehr leicht möglich.

Auch ein bei atmosphärischen Brennern existierendes Problem kann einfach gelöst werden. Oftmals funktioniert bei solchen Brennern ein Überzünden von einer Brennerlanze zur benachbarten Brennerlanze oder entlang einer Brennerlanze im Fehlerfall (z. B. bei verstopfter Düse oder mechanisch gebrochener Lanze) nicht zuverlässig. Unverbrannter Brennstoff gelangt dann durch den Kamin in die Umwelt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dieses Problem gelöst werden, was auch der besseren Energieeffizienz zugute kommt.

Bei der Art der Ausbildung und Ausformung des Flammendetektors hat sich die MOS-Halbleitertechnik als besonders günstig erwiesen.

Dabei ist die einfachste Ausbildung die CCD (Charge-Coupled Devices) Technik von ladungsgekoppelten Halbleiter-Bauelementen, die in Reihen bzw. Spalten angeordnet sind. Die Auswerteschaltung sorgt dann dafür, daß die einzelnen Foto-Halbleiter-Elemente einer Reihe durch getaktete elektrische Felder der Reihe nach abgefragt werden, indem Elektronen aus den betreffenden Kristallen herausgelöst und entlang der zugehörigen Kristallreihe weitergeschoben werden, bis sie am Rand an ein ebenfalls getaktetes Schieberegister übergeben werden. Hierbei können mehrere solcher Reihen in Spalten angeordnet werden, so daß sich eine Matrix ergibt, bei der die am Rand der Reihen auftretenden Einzelsignale in ein Schieberegister übergeben werden.

Noch einfacher ist die Verwendung der CMOS-Technik, d. h. der Complementary Metal Oxide Semiconductor-Technik, die den Vorteil bietet, daß die einzelnen Foto-Halbleiter-Elemente als Array bzw. Matrix auf einen einzigen Halbleiter-Chip angeordnet sind, der zusätzlich auch zumindest Teile der Auswerteschaltung aufweist. Diese integrierte CMOS-Chip-Technik bietet den Vorteil gegenüber der CCD-Technik einer geringeren Leistungsaufnahme, einer Verringerung der Systemkosten durch Integration weiterer Systemkomponenten der Auswerteschaltung sowie eines freieren und zufälligeren Zugriffs auf alle Pixel bzw. Bildelemente.

In der einzigen Figur sind zwei alternative Ausbildungsformen der Erfindung schematisch dargestellt.

Die Flamme 1 wird von einem Brenner 2 erzeugt, welcher über eine Leitung 3 mit einem Brennmittel, beispielsweise Öl, versorgt wird. Die Brennmittelzufuhr kann durch ein Ventil 4 gesteuert werden.

Um nicht nur die Existenz der Flamme 1, sondern auch deren Größe und Art aufgrund der von ihr abgegebenen Strahlung 5 zu ermitteln, sind im Abstand von der Flamme 1 Lichtstrahlensammler in Form der schematisch dargestellten Linsen 6 angeordnet, welche die Lichtstrahlen auf zwei Flammendetektoren 7 werfen, von denen der obere Flammendetektor 7 aus einem CCD-Halbleiter- Element 7a besteht, bei dem eine Reihe von einzelnen, als Fotodioden dienenden Halbleiter-Elementen 8 aufgebaut ist. Stellen beispielsweise die mittleren dieser Halbleiter-Elemente 8 eine Strahlung fest, wird von diesen jeweils ein Signal über die betreffende Verbindungsleitung 10 zur Auswerteschaltung 9 weitergegeben, welche nach Auswertung, beispielsweise durch Vergleich mit einem vorgegebenen Programm, das Auswerteergebnis über die Verbindungsleitung 12 zu einem Anzeige- - und gegebenenfalls - Steuergerät 11 leitet, dem wiederum eine Steuergröße 13 zuführbar ist, so daß in Abhängigkeit von dem Auswertesignal 12 und der Steuergröße 13 über die Steuerleitung 14 das Ventil 4 gesteuert werden kann.

Da in der Mitte des CCD-Elements 4a die stärkste Strahlung auftritt, was in der Zeichnung durch tiefere Schwärzung symbolisiert ist, wird in der Auswerteschaltung 9 ermittelt, an welcher Stelle die Flamme mit welcher Intensität brennt; hierdurch wird eine Art "zweidimensionale" Flammenbildermittlung durchgeführt.

Im Unterschied dazu besteht der rechts neben der Flamme 1 angeordnete Fotodetektor 7 aus einem Array bzw. einer Matrix 7b von in Zeilen und Reihen angeordneten Fotodioden-Halbleiter-Elementen 8 nach Art der CMOS-Technologie. Während in der Zeichnung eine schematische Aufsicht auf diesen Foto­ detektor 7 dargestellt ist, wendet sich die Frontseite im praktischen Einsatz in Richtung der Flamme 1, um von dort ein "dreidimensionales" Strahlungsbild aufzunehmen, das in der Zeichnung wiederum symbolisiert ist durch unterschiedliche Schwärzungen bzw. Graustufen. Der Fotodetektor 7 ist mit einer Auswerteschaltung als Chip integriert, so daß das Ergebnis der Auswertung als Auswertesignal oder -signalkette abführbar ist.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Überwachen von Flammen mit einem Flammenfühler bzw. Flammendetektor zum Erzeugen eines Flammensignals beim Feststellen der Existenz einer Flamme und mit einer Aus­ werteschaltung, z. B. Verstärker, zum Verarbeiten des Flammensignals, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammendetektor (7) mindestens eine Reihe von nebeneinander (zeilenförmig) und/oder übereinander (spaltenförmig) angeordnete und mit der Auswerteschaltung (9) elektrisch verbundene Halbleiter-Fotosensoren (8) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Matrix (7b) von in Zeilen und Spalten angeordneten Halbleiter-Fotosensoren (8) als Flammendetektor (7) verwendet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammendetektor (7) mindestens ein Halbleiter-Bauelement in MOS-Technik aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammendetektor (7) mindestens ein CCD-Halbleiterelement (7a) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammendetektor (7) ein CMOS-Halbleiterelement aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Auswerteschaltung als Prozessor auf demselben Halbleiter-Chip integriert ist, der die Fotosensoren (8) als Matrix beherbergt.

7. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für einen Flackersensor.

8. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Überwachung von Fremdlicht.

9. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Feststellen der Flammenqualität.

10. Verwendung zu dem in Anspruch 9 genannten Zweck in Müllverbrennungsanlagen.

11. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in Mehrbrenner-Anlagen.

12. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für atmosphärische Brenner.