DE2326067C3 - Vorrichtung zur Überwachung einer Flamme in einem Vielflammenbrenner - Google Patents

Description

ein an die Verstärker (24, 25) angeschlossener Multiplikator (26) zur Bildung des Produktes

ein an die Vollweggleichrichter (29, 30) angeschlossener Multiplikator (33) zur Bildung des Produktes

ein an die beiden Multiplikatoren (26, 33) angeschlossener Teiler (28) zur Bildung des Signals, das gleich dem Quotienten

und ein Tiefpaßfilter (35) zur Glättung dieses Signals. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Signalauswertegerät vorgesehen sind
zwei Verstärker zur Bildung der Signale Ar-χ bzw.

zwei an die Verstärker angeschlossene Nulldurchgangsdetektoren zur Erzeugung von Spannungen, die dem Vorzeichen der Signale x-x bzw. y—y entsprechen,

ein an die beiden Nulldurchgangsdetektoren angeschlossener Logikkreis, der alternativ zwei unterschiedliche Ausgangssignale erzeugt, je nachdem die Vorzeichen der Signale x-xbzw. y—y gleich oder verschieden sind,

und ein an den Logikkreis angeschlossenes Tiefpaßfilter zum Integrieren des Ausgangssignals.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung einer Flamme in einem Vielflammenbrenner, mit einem auf die zu überwachende Flamme gerichteten photoelektrischen Sensor und einem an den Signalausgang des Sensors angeschlossenen Signalauswertegerät.

Vorrichtungen dieser Art sind aus DE-OS 19 09 029 und US-PS 30 55 416 bekannt. Sie ermöglichen es, das ordnungsgemäße Brennen einer Flamme des Vielflammenbrenners beim Anfahren oder im Dauerbetrieb des Brenners zu überwachen und bei nicht ordnungsgemäßer Flammenausbildung Alarm- oder Gegenmaßnahmen selbsttätig auszulösen, z. B. beim Erlöschen der Flamme die Brennstoffzufuhr selbsttätig zu sperren, um explosive Nachzündungen zu vermeiden. Die bekannten Vorrichtungen sind jedoch nur unvollkommen in der Lage, selektiv nur auf die jeweils zu überwachende Flamme anzusprechen und sie von der Strahlung benachbarter Flammen oder von der Hintergrund-Strahlung der Ofenwandung zu unterscheiden. Es kann daher vorkommen, daß diese Vorrichtungen auf Grund der Umgebungs- und/oder Hintergrundstrahlung fälschlich das Vorhandensein der zu überwachenden Flamme anzeigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der genannten Art so zu verbessern, daß sie den Zustand einer bestimmten ausgewählten Flamme eines Vielflammenbrenners mit größerer Zuverlässigkeit und ohne störende Beeinflussung durch benachbarte Flammen oder die Hintergrundstrahlung zu überwachen vermag.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein zweiter photoelektrischer Sensor vorgesehen und aus einer vom ersten Sensor abweichenden Richtung auf die zu überwachende Flamme gerichtet ist und daß die Signalausgänge beider Sensoren an das Signalauswertegerät angeschlossen sind und dieses als Gerät zur Bestimmung des Korrelationsgrades der Ausgangssignale der beiden Sensoren ausgebildet ist.

Hierdurch wird der Vorteil erreicht, daß die beiden Sensoren zwar gemeinsam den gleichen zu überwachenden Flammenbereich, aber unterschiedliche Umgebungs- oder Hintergrundbereiche der zu überwachenden Flamme erfassen. Die in jeder Flamme stets vorhandenen Strahlungsschwankungen oder Flackererscheinungen, die durch Turbulenzen an der Flammenwurzel und/oder durch Schwingungserscheinungen oder fortschreitende Entflammungsfronten längs der Flamme verursacht werden, werden daher in den beiden Sensoren Signale von ungefähr gleichem zeitlichen Verlauf und daher großer gegenseitiger Korrelation erzeugen, während die von den beiden Sensoren erfaßten Strahlungsanteile des Hintergrundes oder benachbarter Flammen von verschiedenen Bereichen stammen und daher keine oder nur eine geringe gegenseitige Korrelation aufweisen. Durch die Bestimmung des Korrelationsgrades kann somit die Strahlung der zu überwachenden Flamme zuverlässig von den anderen Strahlungsanteilen unterschieden werden.

Vorzugsweise ist jedem Sensor eine seinen öffnungswinkel begrenzende Blende vorgeschaltet und die Sensoren sind derart angeordnet, daß die Mittellinien ihrer öffnungswinkel sich im Bereich de/ zu überwachenden Flamme schneiden und miteinander einen Winkel einschließen, der größer ist als der von jeder Blende begrenzte öffnungswinkel. Die Größe des öffnungswinkels kann entsprechend dem jeweiligen Verhältnis gewählt werden und wird vorteühafterweise möglichst klein gewählt, weil dann auch der von den Mittellinien eingeschlossene Winkel klein gehalten werden kann und damit der von beiden Sensoren erfaßte Überlappungsbereich eine größere Länge und einen größeren Abstand von den Sensoren haben kann. Es ist dann auch leichter, die Sensoren so anzuordnen, daß nur eine einzige öffnung in der Ofenwandung benötigt wird.

Jeder Sensor kann, wie aus US-PS 34 54 767 an sich bekannt, mit der Blende und einer Abbild-ingsoptik in einem Rohr angeordnet sein, das Luftzuführungs- und -abzugseinrichtungen zur Erzeugung einer Luftströmung aufweist, so daß die Sensoren gekühlt bzw. von Ruß und Rauchgasen freigehalten werden können.

Die Bestimmung des Korrelationsgrades der Ausgangssignale der Sensoren kann mit einem handeisüblichen Korrelator erfolgen. Dies sind relativ kostspielige Geräte, die den Korrelationsgrad quantitativ genau anzeigen können. In vielen Fällen genügt aber eine vereinfachte Signalauswertung, die nicht den exakten Korrelationsgrad anzeigt, sondern nur ein mit der Korrelation verknüpftes Ausgangssignal erzeugt, das zur Anzeige und/oder zur Auslösung von Steuermaßnahmen dienen kann. Ausführungsformen solcher vereinfachten Signalauswertegeräte sind in den Unteransprüchen 4 und 5 angegeben.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in schematischer Draufsicht eine Flammenüberwrchungseinrichtung in einem Vielflammenbrenner;

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild der Korrelationsbestimmungseinrichtung für die Vorrichtung nach Fig. 1.

Gemäß Fig. I sind zwei photoelektrische Sensoren 10, 11 so angeordnet, daß jeweils am Ort eines photoelektrischen Detektors 12 das optische Bild einer Flammenfront erzeugt wird. Jeder Sensor umfaßt ein Halterungsrohr 13, welches den photoelektrischen Detektor 12, eine abbildende Linse 14 und ein rohrförmiges Blendensystem 15 enthält. Dieses Blendensystem 15 ist so angeordnet, daß sich ein Öffnungswinkel von etwas mehr als 1° ergibt. In einem für einen großen Ofen typischen Fall ist das Rohr etwa 1,5 m lang und hat einen Durchmesser von 15 bis 20 mm. Die beiden Sensoren sind in einer öffnung der Ofenwand in einem Winkel zueinander angeordnet, wobei dieser Winkel größer sein muß als der öffnungswinkel jedes Sensors, so daß beide Sensoren Licht aus demselben Bereich einer bestimmten, zu überwachenden Flamme empfangen.

In Fig. 1 sind der Deutlict.¹·"'! halber die öffnungswinkel der beiden Sensoren i0 und 11 und der Winkel zwischen ihren Achsen stark übertrieben groß dargestellt und der Überlappungsbereich zwischen den beiden Empfangssektoren wurde nahe am ofenseitigen Eintrittsende der beiden Sensoren gezeichnet. Man sieht jedoch, daß durch Wahl eines kleinen Winkels zwischen den optischen Achsen dieser Überlappungsbereich sehr weit in den Ofen hinein verlegt werden kann. Die Lage einer Brennerflamme in einem Ofen hängt ab von dem Luft-Brennstoff-Verhältnis und der Brennstoffzufuhr. Die Sensoren sind so angeordnet, daß die Über- > Iappungszone den erforderlichen Bereich der möglichen Lagen der zu überwachenden Flamme umfaßt. Es ist jedoch zu beachten, daß zur inneren und äußeren Grenze der Überlappungszone hin immer weniger Anteile der erfaßten Strahlungssektoren an der

κι Überlappung beteiligt sind, so daß entsprechend auch die Korrelation der beobachteten Flamme in Richtung auf diese Grenzen hin abnimmt.

Die photoelektrischen Detektoren können innerhalb eines breiten Bereichs der optischen Wellenlänge

π empfindlich sein, oder sie können selektiv ausgebildet sein. Bei mit Kohlestaub oder öl beheizten Brennern sind die Flammen praktisch undurchsichtig. In diesen Fällen kann die Flammenfront leicht beobachtet werden. Als photoelektrischer Detektor bei solchen

_'o Flammen wird vorteilhafterweise eine Silizium-Photozelle, die eine große optische Bandbreite hat, verwendet. Bei Erdgasflammen ist es vorteilhaft die langwelligere Strahlung zu verwenden, insbesondere im infraroten Bereich des Spektrums, wo die Flamme ausreichend

r> undurchsichtig ist, so daß störender Lichteinfluß von Flammen, die hinter der beobachteten Flamme liegen, ausscheidet. Bei derartigen Flammen können photoleitfähige Elemente aus Bleisulfid oder Indiumantimonid verwendet werden, deren Ausgangssignale stärker von

in der Infrarotstrahlung abhängen.

Obwohl die in Fig. 1 gezeigten Sensoren einfache Abbildungssysteme aufweisen, können auch kompliziertere Teleskope, z. B. ein Newton- oder ein Cassegrain-System verwendet werden, um den erforderlichen

Γ) kleinen öffnungswinkel zu erhalten.

Es kann auch eine Luftzuführung mit einer Drosselöffnung vorgesehen sein, um einen kleinen Luftstrom durch das Halterungsrohr in Richtung zum Ofen zu erzeugen, um das optische System klar und sauber zu

κι halten. Es können jedoch auch andere bekannte Maßnahmen angewendet werden, um den Eintritt von Rauch und festen Teilchen aus dem Ofen in das Rohr zu verhindern oder zu reduzieren.

Es ist zu beachten, daß die beiden Abbildungssysteme

π an jeder beliebigen Stelle so angeordnet werden können, daß ihre Öffnungssektoren sich am Ort der zu überwachenden Flamme überlappen. Separate Systeme können für jede einzelne Flamme des Ofens, die überwacht werden soll, vorgesehen werden.

in Die elektrischen Ausgangssignale der beiden Sensoren 12 werden einem Signalkorrelator 16 zugeführt. Korrelatoren zum Korrelieren optischer Signale sind im Handel erhältlich; sie geben ein Ausgangssignal, welches ein Maß für den Korrelationskoeffizienten

;-) zwischen zwei angelegten Wechselstromsignalen ist.

Wenn die von der Zeit t abhängigen Ausgangssignale der beiden Photozellen mit x(t) und y(t) bezeichnet werden, dann kann der Korrelationskoeftizient ρ,, zwischen den beiden Ausgangssignalen der Photozellen

-,ο definiert werden als

l-T

/T

Hierbei ist

7" die Zeitperiode, über welche die Signale korreliert werden,

γ eine Integrationsvariable, die die Zeit darstellt,
χ und y die alternierenden Komponenten der Detektorsignale mit dem zeillichen Mittelwert Null.

Für eine einfache Überwachungseinrichtung, die nur das Vorhandensein oder Fehlen einer Flamme anzeigen soll, ist es jedoch nicht erforderlich, den Korrelationskoeffizienten genau zu bestimmen. Es kann ausreichen, ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches mit der Korrelation verknüpft ist.

Eine einfache und preisgünstige Signalauswerteschaltung hierfür ist in Fig. 2 dargestellt, die ein von der Amplitude unabhängiger Korrelator ist und die Momentanwerte und Beträge der beiden Eingangssignaie verarbeitet und effektiv den Quotienten

bildet, wobei χ und y die Eingangssignale von den Photosensoren und χ und y ihre Mittelwerte sind. Das Ausgangssignal dieser Verarbeitungsstufe wird durch ein Tiefpaßfilter geglättet, wobei die Zeitkonstante bei dieser Ausführungsform 0,5 Sekunden beträgt. Hierdurch wird eine kontinuierliche Mittelwertbildung erreicht.

In Fig. 2 werden die Eingänge χ und y von den Sensoren über Leitungen 18 und 19 und Justierpotentiometer 20,21 den beiden Bandpaßfiltern 22,23 zugeführt, die zweckmäßigerweise einen Durchlaßbereich von 20 bis 1000 Hz haben. Die Signale von diesen Bandpaßfiltern werden zwei getrennten Verstärkern 24, 25 zugeführt, welche Ausgangssignale mit den Amplituden (x—x) und (y—y) erzeugen. Diese beiden Signale werden zunächst einem Signalmultiplikator 26 zugeführt, der die Amplituden der beiden Signale miteinander multipliziert und dem ein Justierverstärker 27 nachgeschaltet ist, so daß sich das Signal

(x-x) (y-y)

ergibt. Dieses wird wiederum einem Eingang eines Teilers oder Verhältnisbilders 28 zugeführt. Die Ausgänge von den Verstärkern 24,25 werden außerdem getrennt zwei linearen Vollweggleichrichtern 29, 30 zugeführt, von denen jeder einen Operationsverstärker 31 bzw. 32 umfaßt. Es ergeben sich die Ausgangssignale

jeder der Verstärker 31 bildet einen Gleichrichter, de den Absolutbetrag des Eingangssignals bildet, und jede der Verstärker 32 ist ein Einstell- oder Normierungsver stärken Die beiden Signale von den Verstärkern 3; werden in einem Multiplikator 33 multipliziert unc laufen dann über einen Normierungsverstärker 34 zun zweiten Eingang des Teilers 28. Der Ausgang de: Teilers 28 wird durch ein Tiefpaßfilter 35 mit einei Zeitkonstante von 0,5 Sekunden geglättet, so daß mar

ι» am Punkt 36 das gewünschte Ausgangssignal erhält. Da: Signal kann einem Anzeige- und/oder Aufzeichnungs gerät zugeführt werden, das bei 37 angeordnet ist. In de: Regel wird man es aber für Steuerzwecke verwenden wie durch den Block 38 angedeutet, z. B. zum Schließer der Brennstoffzufuhr, wenn ein Verlöschen der riamiin festgestellt wird.

Man erkennt, daß diese Korrelationsschaltung nui zwei Multiplikatoren verwendet. Keine Quadratbildunj oder Wurzelbildung ist erforderlich.

Es wurde gefunden, daß man mit einer Schaltung gemäß F i g. 2 anhand des Niveaus des Ausgangssignal· nicht nur unterscheiden kann, ob eine normale Flammt oder keine Flamme vorhanden ist, sondern auch der Zwischenzustand einer unnormalen Flamme. Die; kommt daher, daß das Ausmaß der Korrelation von dei Lage der Flamme abhängt. Die Flammenlage hängt al beispielsweise vom Luft-Brennstoff-Verhältnis, unc somit kann eine unnormale Flamme aufgrund eine: unvorschriftsmäßigen Luft-Brennstoff-Verhältnisse:

jo eine Größe des Ausgangssignals am Punkt 3( verursachen, die zwischen einer praktisch vollständiger Korrelation und fehlender Korrelation liegt. Es könner deshalb Vorkehrungen getroffen sein, um eine Alarm oder Steuereinrichtung zu betätigen, wenn sich da:

Ausgangssignal in einem mittleren Amplitudenbereicr befindet.

Es können auch andere Schaltungen verwende werden, die Ausgangssignale ergeben, welche mit den· Korrelationskoeffizienten zwischen den beiden Ein gangssignalen verknüpft sind, beispielsweise eint digitale Datenverarbeitungsstufe mit Nulldurchgangs detektoren und einem Logikkreis, der ein positive; Spannungsniveau abgibt, wenn die Vorzeichen dei Eingangssignale gleich sind, und eine entsprechendt

4; negative Spannung, wenn die Vorzeichen der Eingangs signale ungleich sind. Diese Spannungen von dei Logikschaltung können durch einen Digital-Analogum wandler stabilisiert und dann mit einem Tiefpaßfiltei integriert werden.

Hierzu ι mau ^cicnnuncen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Überwachung einer Flamme in einem Vielflammenbrenner, mit einem auf die zu überwachende Flamme gerichteten photoelektrischen Sensor und einem an den Signalausgang des Sensors angeschlossenen Signaiauswertegerät, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter photoelektrischer Sensor (11) vorgesehen und aus einer vom ersten Sensor (10) abweichenden Richtung auf die zu überwachende Flamme gerichtet ist und daß die Signalausgänge beider Sensoren (10, 11) an das Signalauswertegerät (16) angeschlossen sind und dieses als Gerät zur Bestimmung des Korrelationsgrades der Ausgangssignale der beiden Sensoren ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Sensor (10, 11) eine seinen öffnungswinkel begrenzende Blende (15) vorgeschaltet ist und die Sensoren derart angeordnet sind, daß die Mittellinien ihrer öffnungswinkel sich im Bereich der zu überwachenden Flamme schneiden und miteinander einen Winkel einschließen, der größer ist als der von jeder Blende begrenzte öffnungswinkel.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sensor mit der Blende (15) und einer Abbildungsoptik (14) in einem Rohr (13) angeordnet ist, das Luftzuführungs- und -abzugseinrichtungen zur Erzeugung einer Luftströmung aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Signalauswertegerät vorgesehen sind zwei Verstärker (24,25) zur Bildung der Signale x—x und y—y, wobei χ und y die Amplituden der Ausgangssignale der Sensoren und χ und y ihre Mittelwerte sind,

zwei an die Verstärker (24, 25) angeschlossene Vollweggleichrichter (29,30) zur Bildung der Signale