DE2308524C3 - Optisch wirkender Flammenwächter mit einer UV-empfindlichen Schaltröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optisch wirkenden Flammenwächter mit einer UV-empfindlichen Schaltröhre, die bei UV-Bestrahlung einen ein Flammenwächterrelais steuernden Glimmstrom führt, insbesondere zur Überwachung von öl- cder Gasbrennerflammen, wobei die Schaltröhre das Relais über einen in dessen Stromkreis liegenden elektronischen Schalter steuert und Glied eines eine einen Triggerkreis speisende Sägezahnspannung liefernden Detektorkreises ist

Zur kontinuierlichen, selbsttätigen Überwachung von öl- und Gasbrennerflammen werden in immer stärke- f>5 rem Maße UV-empfindliche Schaltröhren eingesetzt. Optische Flammenwächter dieser Art registrieren die von der Flamme ausgehende, im ultravioletten Spektralbereich erzeugte Strahlung. Dies hai den Vorteil, daß derartige Flammenwächter weder durch die Strahlung eventuell glühender Ofenausmauerungen, noch durch Fremdlicht in ihrer Funktion beeinträchtigt werden können, weil derartige Strahlungsquellen praktisch keine im ultravioletten Spektralbereich liegende Lichtenergie emittieren, so daß die UV-Röhre ausschließlich auf das Brennen der öl- oder Gasbrennerflamme selbst anspricht.

Flammenwächter dieser Art werden unter anderem in selbstlöschender Schaltung betrieben. Trifft bei einer derartigen Schaltung ein Photon mit ausreichender Energie, nämlich ein UV-Photon, auf die Kathode der UV-Röhre auf, so wird unter der Voraussetzung, daß die an die Röhre angelegte Spannung über der statischen Zündspannung der Röhre liegt, ein Elektron freigegeben, wodurch eine Entladung gezündet wird, welche die Röhre leitend macht. Sobald der Momentanwert der Röh'enspannung unter die Brennspannung fällt, wird die Entladung wieder gelöscht. Eine Wiederzündung der Röhre während der darauffolgenden Periode hängt von der UV-fntensität ab, mit welcher die Röhre beaufschlagt wird. Eine Gefahrenquelle liegt bei der Verwendung derartiger UV-Röhren zur Flammenüberwachung darin, daß UV-Röhren dieser Art auch ohne Einwirkung von UV-Strahlung bei unterschiedlich hoher Spannung selbsttätig durchzünden. Die Höhe dieser sogenannten Selbstzündspani.ung, bei welcher die Rchre als auch ohne UV-Einstrahlung das Hindurchfließen eines Stroms ermöglicht, ändert sich im Laufe der Betriebszeit der Röhre, so daß insbesondere gegen Ende der Lebensdauer der Röhre die Gefahr besteht, daß der Flammenwächter eine nicht vorhandene Flamme meldet.

Um dieser Gefahr zu begegnen, ist es bereits vorgeschlagen worden, den Lichtweg, über den die UV-Strahlung die UV-Röhre erreicht, periodisch abzudunkeln (deutsche Auslegeschriften 10 05 675 und 12 70 214) oder aber zwei UV-Röhren in entsprechender Schaltung zu verwenden (deutsche Auslegeschrift 12 30 514), wodurch also, wenn die eine Röhre bereits ohne UV-Einstrahlung durchzündet, durch die andere, noch ;ntakt befindliche Röhre eine fehlerhafte Flammenanzeige vermieden wird. Diese Flammenwächter haben aber den Nachteil, daß einmal, wenn nämlich zwei UV-Röhren in entsprechener Schaltung betrieben werden, bei langer Brenner-Betriebsdauer nicht ausgeschlossen werden kann, daß tatsächlich während der nicht kontrollierbaren Betriebszeit beide UV-Röhren durchzünden, während andererseits das periodische Abdunkeln des Lichtwegs mechanisch bewegte Bauteile erforderlich macht, die sich abnutzen können.

Durch die deutsche Auslegeschrift 19 55 338 ist bereits ein UV-Flammenwächter bekanntgeworden, bei dem die UV-Schaltröhre über einen Operationsverstärker mit dem Relaiskreis verbunden ist. Bei diesem UV-Flammenwächter ist zwar eine fehlerhafte Flammenanzeige infolge eines Versagens der UV-Röhre im vorstehend erläuterten Sinne ausgeschlossen, jedoch ist auch hier die Betriebssicherheit der Überwachung nur so lange gewährleistet, wie nicht innerhalb des Operationsverstärkers selbst ein Fehler auftritt. Fällt der Operationsverstärker mit seinem verhältnismäßig komplizierten inneren Aufbau aus, so kann auch diese bekannte Flammenüberwachungsvorrichtung eine Flamme melden, obwohl diese erloschen ist, so daß nicht rechtzeitig die Brennstoffzufuhr unterbrochen wird, wie es beim NichtVorhandensein einer Flamme an sich

der Fall sein mußte.

Andererseits ist durch die DT-OS 15 26 201 bereits ein optisch wirkender Flammenwächter mit einer UV-empfindlichen Schaltröhre zur Überwachung von öl- und Gasbrennerfiammen bekannt, bei der die Schall- ^ röhre einerseits mit einem gleichstromführenden RC-Glied und andererseits mit der Steuerelektrode eines in dem Stromkreis des Flammenwächterrelais liegenden Thyristors verbunden ist. Bei den durch diese Druckschrift bekanntgewordenen Flammenwächter wird das Relais, welches gegebenenfalls Sicherungsmaßnahmtn auslös!. beispielsweise bei fehlender Flamme die Brennstoffzufuhr unterbindet, durch einen Thyristor beaufschlagt, der mittels der UV-Röhre direkt getriggert wird. Damit wird zwar eine Selbstüberwachung der UV-Röhre erreicht, so daß beim Absinken der Selbstzündspannung der Röhre das Relais stets zur »sicheren Seite« fällt, bei einer Störung also stets nur gemeldet werden kann, daß keine Flamme brennt, während eine fehlerhafte Anzeige in der entgegengesetzten Riehhing, mit anderen Worten die Anzeige eines Brennens der Flamme, obwohl diese tatsächlich nicht brennt, ausgeschlossen ist jedoch ist die Schwingfrequenz des Röhrenkreises nicht frei wählbar, sondern an die Thyristor-Charakeristiken gebunden. Dies bedingt daß die Charakteristiken des Röhrenkreises nicht auf eine optimale Empfindlichkeit und UV-Ausnutzung abgestimmt werden können. Es ist nicht gewährleistet, daß der Thyristor stets, wie es zur Erhaltung eines möglichst kräftigen, das Relais beaufschlagenden Impulses erforderlich ist, am Anfang der vorderen Impulsflanke angesteuert wird. Die Frequenz des Röhrenkreises und damit die Ansteuerung des Thyristors ändern sich nämlich je nach der Intensität der auf die Röhre einwirkenden UV-Bestrahlung sowie nach der Betriebsdauer der Röhre. Auch ist die Ansteuerung des Thyristors bei diesem bekannten Flammenwächter davon abhängig, welche relative Anordnung die UV-Schaltröhre zur UV-Quelle bzw. zum Brenner hat, da hiervon die Intensität des die Röhre beaufschlagenden Lichts abhängt.

Auch bei dem Flammenwächter nach der DT-AS 12 49 384 wirkt die UV-Röhre als Trägerelement zur Zündung des Thyristors, so daß es nicht zur Ausbildung einer unabhängigen Kippschwingung kommt Altert die UV-Röhre, so kann auch bei diesem Flammenwächter ohne UV-Einstrahlung ein Flammensignal vorgetäuscht werden, weil nämlich der Thyristor beispielsweise dann, wenn es vm einem Kurzschluß zwischen Steuerelektrode und Anode des Thyristors kommt ohne UV-Einstrahlung durchschaltet und das Relais zum Anziehen bringt Die erforderliche Betriebssicherheit ist also auch hierbei nicht gegeben.

Andererseits zeigen die US-PS 32 86 093 sowie 35 31 692 Flammenwächter, bei denen an der UV- Röhre Netz-Wechselspannung anliegt, mit der notwendigen Folge, daß beispielsweise bei einem Kurzschluß zwischen den Elektroden der UV-Röhre auch dann, wenn keine UV-Bestrahlung auf die Röhre auftrifft, die Röhre jeweils beim Null-Durchgang der Netzspannung gelöscht wird. Zündet die Röhre also beispielsweise bei Alterung ohne UV-Einwirkung durch oder entsteht, wie bereits ausgeführt ein Kurzschluß an den Elektroden, so wird das Relais erregt ohne daß eine Flamme vorhanden ist. Damit ist ein sicherer Betrieb nicht gewährleistet, ft.s

Schließlich ist durch die CH-PS 5 06 752 ein Flammenwächter der eingangs genannten Gattung bekanntgeworden, bei dem die Schaltröhre ebenfalls mit Netz-Wechselspannung betrieben ist und der Triggerkreis lediglich dazu dient, die Lebenserwartung der UV-Sohaltröhre dadurch zu verlängern, daß nach dem Anziehen des Relais der die Röhre durchfließende Strom bis auf den bedeutend geringeren Relais-Haltestrom reduziert wird. Auch diesem Flammenwächter haftet prinzipiell der Nachteil an, daß bei einem Durchzünden der UV-Schaltröhre oder bei auftretenden Fehlern in den übrigen Komponenten der Flammenwächterschaltung das Relais weiter angezogen bleiben kann, so daß kein sicherer Betrieb gewährleistet ist.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, einen Flammenwächter der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei dem selbst bei brennender Flamme das Flammenwächterrelais abfällt, sobald die UV-Röhre infolge von Alterungserscheinungen od. dgl. einen bestimmten sicheren Betriebszustand unterschreitet, wobei außerdem sichergestellt sein soll, daß beim Ausfall eines beliebigen Bauelements des Flammenwächters das Relais abfällt, so daß der Flammenwächter unter allen denkbaren Betriebszuständen immer auf der »sicheren« Seite arbeitet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Flammenwächter der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß die Schaltröhre (UV-R) mit Gleichspannung betrieben und der Detektorkreis ein hinsichtlich Spannung und Frequenz auf maximale Empfindlichkeit und Ausbeute der Schaltröhre eingestellter selbsterregter, eine vom Betriebszustand der Schaltröhre in Amplitude und Frequenz abhängige Sägezahnspannung erzeugender Generatorkreis ist; und daß Amplitude und Frequenz des durch die durch den Generatorkreis definierte Sägezahnspannung gespeisten Triggerkreises an die Ansteuerungsbedingungen des elektronischen Schalters, unabhängig vom Generatorkreis, angepaßt sind.

Beim erfindungsgemäßen Flammenwächter ist der Detektorkreis in der angegebenen Weise als Generatorkreis ausgebildet, dessen Amplitude und Frequenz so auf die Schaltröhre abgestimmt sind, daß diese eine maximale Ausbeute aufweist. Altert die Röhre, so verändern sich sowohl Frequenz wie Amplitude des Generatorkreises, wobei sich beim Altern die Frequenz erhöhl und die Amplitude erniedrigt. Dem Generatorkreis, der die Sägezahnspannung erzeugt ist der Triggerkreis nachgeschaltet, dessen Frequenz von derjenigen des Generatorkreises unabhängig ist. Der Triggerkreis selbst ist wiederum, unabhängig vom Detektoroder Generatorkreis, darauf abgestimmt, daß maximale Bedingungen für die Ansteuerung des elektronischen Schalters erreicht werden.

Die Wirkung dieser Maßnahmen wird besonders deutlich bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche sich dadurch auszeichnet, daß der Generatorkreis in den Löschphasen der Schaltröhre aus einem Generatorkreiskondensator einen Speicherkondensator des Triggerkreises beaufschlagt welcher die Zündspannung für eine mit der Steuerelektrode des als Thyristor ausgebildeten elektronischen Schalters verbundene Triggerdiode liefert. Tritt nämlich beim Flammenwächter nach der Erfindung auf Grund der Alterung der UV-Schaitröhre eine Erhöhung der Frequenz des Generatorkreises auf, so verringert sich die Frequenz des Triggerkreis.es, da zur Ladung des Speicherkondensators eine längere Zeit benötigt wird. Diese Verringerung der Frequenz des Triggerkreises führt letztendlich dazu, daß das Flammenwächterrelais auch bei Vorhandensein einer Flamme nicht mehr im

angezogenen Zustand gehalten werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Flammenwächter wird also erreicht, daß auch während des Betriebs bei Unterschreiten eines sicheren Mindestzustands der UV-Schaltröhre, Verursacht durch Alterung od. dgl., die Anlage abgeschaltet wird, obwohl noch eine Flamme vorhanden ist. Ebenso fällt das Flammenwächterrelais beim Ausfall eines beliebigen Bauelements des Flammenwächters ab. Hierdurch ist gewährleistet, daß der Flammenwächter immer auf der »sicheren« Seite arbeitet.

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 in schematischer Darstellung die Schaltungsanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung und

F i g. 2 die Schaltungsanordnung bei einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Flammenwächters.

Bei dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel liegt die UV-Schaltröhre UV-/? (ultraviolettempfindliche Fotozelle) mit einer Elektrode an der positiven und mit der anderen Elektrode über Widerstände Ri und Ri an der negativen Spannungsquelle (Erdpotential). Bei Leitendwerden der UV-Schaltröhre UV-/? durch UV-Einstrahlung ergibt sich eine Kippschwingung (Sägezahnkurve), deren Frequenz von den Widerständen Rj, Ri, einem Generatorkreiskondensator Ci sowie der Zünd- und Löschspannung der UV-Schaltröhre UV-R abhängt. Nach Leitendwerden der UV-Schaltröhre durch UV-Einstrahlung wird der in Reihe mit der Diode Di liegende Generatorkreiskondensator Ci mit einer Spannung aufgeladen, die sich aus dem Spannungsteilerverhältnis: Reihenschaltung UV-Röhre, Widerstände Ri und Ri, ergibt. Die Ladespannung am Generatorkreiskondensator Ci läßt das Potential an der UV-Röhre sinken, so daß die Röhre bei Unterschreiten der Brennspannung in den nichtleitenden Zustand übergeht Während der nun folgenden Löschphase wird die im Generatorkreiskondensator Cz gespeicherte elektrische Ladung über den Widerstand Ri einem Speicherkondensator Ca zugeführt, der mit der Gegenseite des Generatorkreiskondensators Ci in Verbindung steht Die Diode Eh stellt während der Flußphase die Verbindung des Generatorkreiskondensators Ci mit dem Fußpunkt des Widerstands A3 her.

Ist das zum Zünden der UV-Röhre UV-R notwendige Spannungspotential wieder erreicht, so zündet die UV-Röhre erneut, wenn UV-Einstrahlung vorliegt. Das Schaltspiel wiederholt sich dann periodisch. Hat die Spannung am Speicherkondensator Ca die Zündspannung einer Triggerdiode Ds erreicht, so wird periodisch ein Thyristor Th gezündet Die Zündfolgefrequenz wird dabei in keiner Weise von den Charakteristiken des die Röhre UV-R enthaltenden Generatorkreises beeinflußt, sondern hängt neben der Kapazität des Speicherkondensators Ca lediglich von der Zünd- und Löschspannung der Triggerdiode Ds ab. Der Thyristor Th arbeitet auf ein Gleichstrom-Flammenwächterrelais RE mit parallelgeschaltetem Kondensator Cs und Vorwiderstand RVzur Begrenzung des Einschaltstroms.

Das charakteristische Merkmal der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnung, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist, besteht darin, daß ein von dem den Thyristor triggernden Triggerkreis vollständig getrennter Generatorkreis vorgesehen ist, ,wobei der Generatorkreis aus der UV-Röhre UV-R, R2, Ri, G und Di besteht, während der Triggerkreis durch Da, Ca und Ds definiert ist. Die Frequenz des Generatorkreises UV-/?, /?2, Ri, Ci, Di sowie dessen Zeitkonstante sind auf optimale Ausbeute und Empfindlichkeit der UV-Röhre UV-/? optimiert, während die Charakteristiken des

s Triggerkreises Da, Ca, Ds auf optimale Thyristoransteuerung abgestimmt sind. Sinkt gegen Ende der Lebensdauer der Schaltröhre UV-/? deren Zündspannung, so erhöht sich die Schaltfrequenz. Die durch den Generatorkreiskondensator Ci und den Widerstand Ri festgelegte Zeitkonstante bleibt unverändert. Dies hat erfindungsgemäß zur Folge, daß die durch die UV-Röhre erzeugte, am Generatorkreiskondensator Ci gespeicherte Ladung nach Erreichen eines bestimmten Grenzwerts nicht mehr abgeführt werden kann. Bei weiterem Sinken von Zünd- und Brennspannung der UV-Röhre UV-/? fließt im Endzustand ein reiner Gleichstrom, der durch Ri und Ri begrenzt wird. Hierdurch geht die Spannung am Speicherkondensator Ca gegen Null, so daß die Ansteuerung des Thyristors 77» über die Triggerdiode Ds unterbleibt. Das Flammenwächterrelais RE fällt ab, wodurch gegebenenfalls die Brennstoffzufuhr unterbrochen wird. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß bei einem Durchzünden der UV-Röhre ohne UV-Einstrahlung das Flammenwächterrelais REstets zur sicheren Seite abfällt. Die Schaltung ist weiterhin so konzipiert, daß bei Kurzschluß oder Leitungsunterbrechung eines wesentlichen Bauteils, einschließlich der UV-Röhre UV/?, das Flammenwächterrelais abfällt, wodurch ein Höchstmaß an Sicherheit erreicht wird.

In F i g. 2 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur optischen Flammenüberwachung gezeigt bei dem der Generatorkreis, der Triggerkreis sowie der Relaiskreis gemeinsam durch eine Wechselspannungsquelle mit elektrischer Energie versorgt werden. Als Versorgungsspannung dient dabei eine Wechselspannung beliebiger Frequenz. Diese wird in bekannter Weise über die Dioden Di, Di und die Kondensatoren C\, Ci gleichgerichtet und verdoppelt. Die Kondensatoren können so dimensioniert sein, daß eine gewisse Restwelligkeit erhalten bleibt Aus diesem Grunde ist ein VDR-Widerstand vorgesehen, der in Verbindung mit einem Widerstand R\ die Versorgungsspannung stabilisiert. Stattdessen kann die Stabilisierung natürlich auch in geeigneter Weise mittels Zenerdioden erfolgen, wobei also die Dioden D\ und Di durch eine oder mehrere in Reihe geschaltete Zenerdioden oder der VDR-Widerstand durch eine oder mehrere in Reihe geschaltete Zenerdioden ersetzt werden.

Bei der Schaltungsanordnung von F i g. 2 liegt die UV-Schaltröhre wiederum mit der einen Elektrode an der positiven und mit der anderen über die Widerstände Ri und Ri an der negativen Spannungsquelle. Im Unterschied zu der Schaltungsanordung von F i g. 2 weist der Triggerkreis zusätzlich zur Diode Da, dem Speicherkondensator Ca und der Triggerdiode Ds noch einen einstellbaren Widerstand Ra auf, durch dessen Verstellung die Zündfolgefrequenz, mit welcher der Thyristor Th angesteuert wird, verändert werden kann. Diese Zündfolgefrequenz hängt weiterhin auch noch von dem der Triggerdiode Ds nachgeschalteten Widerstand Rs ab. Zur Potentialtrennung liegt zwischen der Triggerdiode Ds bzw. dem Widerstand Rs und dem Thyristor Th ein Transformator 77?, welcher also den Thyristorkreis spannungsmäßig vom Triggerkreis trennt In der Diode De erfolgt dann die Gleichrichtung des Steuerstroms für den Thyristor Tk -

Sowohl bei dem in F i g. 1 als auch bei dem in F i g. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Thyristor stets am Anfang der vorderen Impulsflanke angesteuert. Ändert sich im Laufe der Zeit infolge der Abnutzung der UV-Röhre od. dgl. die Frequenz des Generatorkreises, so bleibt hiervon die Frequenz des Thyristorkreises vollständig unbeeinflußt. Bei den beiden Ausführungsbeispielen kann der Thyristor natürlich durch einen an- deren geeigneten elektronischen Schalter ersetzt werden, beispielsweise durch einen Triac oder eine Kaltkathodenröhre. Da die Charakteristiken des Generatorkreises von denen des Triggerkreises vollständig unabhängig sind, kann als UV-Schaltröhre UV-/? jede beliebige Röhre gwählt werden, beispielsweise eine Hochvoltröhre, welche sich gegenüber Niedervoltröhren durch eine höhere Lebensdauer auszeichnet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Optisch wirkender Flammenwächter mit einer UV-empfindlichen Schaltröhre, die bei UV-Bestrahlung einen ein Flammenwächttrrelais steuernden Glimmstrom führt, insbesondere zur Überwachung von öl- oder Gasbrennerflammen, wobei die Schaltröhre das Relais über einen in dessen Stromkreis liegenden elektronischen Schalter steuert und Glied eines eine einen Triggerkreis speisende Sägezahnspannung liefernden Detektorkreises ist, d a durch gekennzeichnet, daß die Schaltröhre (UV-Ä) mit Gleichspannung betrieben und der Detektorkreis ein hinsichtlich Spannung und Frequenz auf maximale Empfindlichkeit und Ausbeute der Schaltröhre eingestellter selbsterregter, eine vom Betriebszustand der Schaltröhre in Amplitude und Frequenz abhängige Sägezahnspannung erzeugender Generatorkreis (UV-/?, #2, A3, Ci, Di) ist; und daß Amplitude und Frequenz des durch die durch den Generatorkreis definierte Sägerahnspannung gespeisten Triggerkreises (Da, Ca, Ds) an die Ansteuerungsbedingungen des elektronischen Schalters (ThX unabhängig vom Generatorkreis, angepaßt sind.

2. UV-Flammenwächter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generatorkreis in den Löschphasen der Schaltröhre (UV- R) aus einem Generatorkreiskondensator (Ci) einen Speicherkondensator (Ci) des Triggerkreises (Da, Ca, Di) beaufschlagt, welcher die Zündspannung für eine mit der Steuerelektrode des als Thyristor (Th) ausgebildeten elektronischen Schalters verbundene Triggerdiode (Di) liefert.

3. UV-Flammenwächter nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine spannungsverdoppelnde Gleichrichterschaliung (Di, D2, Ci, d, /?i) zur Spannungsversorung des Generatorkreises (UV- R), R2, Ri, Ci, Di); und eine zwischen der Triggerdiode (Di) und dem Thyristor (Th) angeordnete Einrichtung (TR) zur Potentialtrennung von Trigger- (Da, Ca, Di) und Relaiskreis (Th, RE, Q).

4. UV-Flammenwächter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Potentialtrennung von Trigger- (D*. Ca, Di) und Relaiskreis (Th, RE, Cs) ein Transformator (TR) ist; und daß die spannungsverdoppelnde Gleichrichterschaltung (Dt, Di, Ci, O, R\) durch Zenerdioden stabilisiert ist.