DE2413482B2 - Einrichtung zur Überwachung einer einzelnen Brennerflamme in einer eine Mehrzahl von Brennerflammen aufweisenden Brennkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich ati eine Einrichtung zur Überwachung einer einzelnen Brennerflamme in einer eine Mehrzahl von Brennerflammen aufweisenden Brennkammer, mit einem auf die einzelne Brennerflarnme gerichteten Peilrohr, mit einem an dem der Brennerflamme abgewandten Ende des Peilrohrs angeordneten photoelektrischen Empfänger und mit einer Schaltung zur Auswertung der vom photoelektrischen Empfänger gelieferten Signale, wobei in der Schaltung die in den Signalen enthaltene Gleichstromkomponente abgetrennt wird und selektiv wirkende Schaltmittel vorgesehen sind, durch die nur Signale einer höheren Frequenz weiterverarbeitet werden.

Es ist bekannt, daß in diesem Fall die Flammen der verschiedenen Brenner die Neigung haben, zu einer einzigen Flamme zusammenzuschmelzen. Es ist dahei äußerst schwierig festzustellen, ob ein oder mehrere der in der Mitte des Brennerbündels gelegenen Brenner brennen oder nicht brennen.

Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art (DE-OS 19 09 029) ist das Peilrohr auf die Flammenwurzel gerichtet, und die zur Anzeige verwendeten Frequenzen der Signale, die von dem am Peilrohr angeordneten photoelektrischen Empfänger geliefert werden, liegen in der Größenordnung von 1000, 3000 oder 10 000 Hz und darüber. Demgemäß sind die selektiven Schaltmittel derart ausgeführt, daß sie die Frequenzen unterhalb 1000, 3000 bzw. 10 000 Hz ausfiltern. Die darüber liegenden Frequenzen werden dagegen von einem gegengekoppelten Verstärker in eine Impulsreihe umgewandelt, deren Wiederholungsquote von der Anzahl dieser darüberliegenden Frequenzen abhängig ist. Ein elektrischer Flammenanzeiger wird von der Impulsfolgefrequenz beeinflußt. Diese bekannte Einrichtung ist so verwickelt aufgebaut, daß mit einer solchen Ausführung eine zuverlässige Anzeige darüber nicht erhalten werden kann, ob die überwachte Flamme brennt oder nicht.

Es ist auch eine Einrichtung bekannt (GB-PS 9 76 621), bei welcher das Peilrohr auf die dem Brenner zugewandte Flammenfront gerichtet ist In den vom photoe-'ektrischen Empfänger gelieferten Signalen werden in einem Wechselstromverstärker Frequenzen

ίο unter 200 Hz abgeschwächt und Frequenzen unter 100 Hz sehr stark abgeschwächt Abgesehen davon, daß diese bekannte Einrichtung eine vergleichsweise komplizierte Signalauswerteschaltung aufweist, besteht der gleiche Nachteil wie bei der obengenannten bekannten

:=; Einrichtung, daß nämlich eine zuverlässige Anzeige darüber nicht erhalten werden kann, ob die überwachte Flamme brennt oder nicht

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Überwachung einer einzelnen Brennerflamme in einer

>o eine Mehrzahl von Brennerflammen aufweisenden Brennkammer so auszuführen, daß eine zuverlässiee Anzeige darüber, ob die überwachte Flamme brennt oder nicht, erhalten wird. Gelöst wird diese Aufgabe, ausgehend von einer Einrichtung der im Oberbegriff

2ί genannten Art dadurch, daß das Peilrohr mit der Achse des der einzelnen Brennerflamme zugeordneten Brenners einen kleinen Winkel bildet und auf den Bereich maximaler Lichtstärke der einzelnen Brennerflamme gerichtet ist, daß als selektiv wirkendes Schaltmittel ein

ω Hochpaßfilter mit einer Grenzfrequenz in der Größenordnung von 50 Hz vorgesehen ist und daß das Hochpaßfilter von der Grenzfrequenz ausgehend zum Sperrbereich hin einen Dämpfungsanstieg von etwa 30 db pro Oktave aufweist.

J5 Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß., wenn eine Brennerflamme erloschen ist, die noch vorhandenen von den Brennkammerwänden und von benachbarten Brennerflammen kommenden Strahlungen praktisch keine Komponenten mit einer Frequenz oberhalb 50 Hz haben. Wird nun das Peilrohr in der beanspruchten Weise angeordnet, so trifft es die Achse des Brenners im Bereich der maximalen Lichtstärke der überwachten Flamme, ohne dabei die Achsen der anderen Brenner zu treffen. Das Peilrohr nimmt daher im wesentlichen die Flamme wahr, gegen die es gerichtet ist. Das Peilrohr wird nicht direkt von den Flammen beeinflußt, die sich in dessen Nähe befinden. Das Flackern des Widerscheins der benachbarten Flammen oder das Flackern des Widerscheins,

)0 der von den Wänden der Brennkammer herrührt, die von den Flammen der noch in Betrieb befindlichen Brenner angestrahlt werden, hat indessen eine viel geringere Frequenz als das Flackern, das in der Achse der direkt angepeilten Flamme auftritt, in deren Kern

Vi die Strömung ihre maximale Turbulenz hat. Zusammen mit der Verwendung eines Hochpaßfilters mit einer Grenzfrequenz in der Größenordnung von 50 Hz und einem Dämpfungsanstieg, wie er beansprucht ist, wird insgesamt eine Überwachungseinrichtung erhalten, bei deren Verwendung eine zuverlässige Anzeige über das Brennen oder Nichtbrennen der überwachten Brennerflamme gewährleistet ist. Die Erfindung ist besonders zur Flammenüberwachung in einer Brennkammer mit einer Vielzahl parallel ausgerichteter Brenner mit großer Wärmeleistung geeignet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Hochpaßfilter ein elliptisches Filter.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeich-

nung beispielsweise erläutert Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm über die Verteilung der Spektralenergie in der turbulenten Strömung am Ausgang eines Gebläsebrenners,

F i g. 2 ein Diagramm, in welchem das Emissionsspektrum einer Brennerflamme und die Ansprechkurve einer Sperrschichtfotozelle aus Silizium dargestellt sind,

F i g. 3 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Überwachung einer Flamme mit einer Sperrschichtfotozelle,

F i g. 4 ein Diagramm, bei welchem in Abhängigkeit von der Frequenz die Wirkung der Dämpfung eines Hochpaßfilters auf ein Mehrfachfrequenzsignal gezeigt ist, das bei der erfinduiigsgemäßen Einrichtung verwendet wird,

F i g. 5 eine schematische Zusammenstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Überwachung der Flamme,

F i g. 6 eine Ansicht der Vorderseite eines Kessels mit zwölf Hochleistungsbrennern,

Fig.7 einen Querschnitt längs der Linie VII-VII in F i g. 6 und

Fig.8 ein vollständiges elektrisches Schaltschema der Einrichtung zur Überwachung einer Flamme.

Es ist möglich, die Verteilung der Energie E(Q in Abhängigkeit von der Frequenz / in Hertz bei den physikalischen Größen und insbesondere bei der Strahlungsenergie theoretisch und experimentell zu bestimmen, die in der turbulenten Strömung eines beispielsweise mit flüssigen Brennstoffen gespeisten Hochleistungsbrenners auftritt.

Wenn sich der Brenner in seinem normalen Betriebszustand befindet, d. h. wenn er in einer Brennkammer brennt, entspricht die Energieverteilung der Kurve K\. Wenn der Brenner ausgeht, die Brennkammer heiß bleibt und die Umgebung leuchtet, entspricht die Energieverteilung der Kurve K* Diese zweite Kurve Ki fällt unterhalb von 50 Hz bis auf 0 ab. Die Kurve K₁ dagegen hört erst über 200 Hz auf und hat bei den Frequenzen zwischen 50 und 100Hz eine verhältnismäßig bedeutsame Energie.

Obgleich alle physikalischen Größen stromab des Brenners aufgrund der turbulenten Strömung Schwankungen unterworfen sind, ist es besonders vorteilhaft, einen photoelektrischen Empfänger vorzusehen, um diese Schwankungen hervorzuheben, wodurch man der Notwendigkeit entgehen kann, den Empfänger in die Flamme zu halten.

Man kann zu diesem Zweck vorteilhafterweise eine Sperrschichtfotozelle aus Silizium mit einem n-p-Übergang verwenden, die auf ein breites Spektralband anspricht, so daß evtl. teilweise auftretende Abdunkelungen, die die Amplitude des empfangenen Signals beeinflussen, die übertragenen Frequenzen nicht ändern. Eine derartige Zelle wird beispielsweise von der Societe Radiotechnique-Compelec (R.T.C.) unter der Bezeichnung BPX46 verkauft.

In Fig. 2 ist beispielsweise die Ansprechkurve M einer derartigen Zelle dargestellt, die mit der Spektralkurve 5 einer Heizölflamme verglichen ist. Im Diagramm der Fi g. 2 ist der Bereich Vder Wellenlängen λ (in μπι) schraffiert, die dem sichtbaren Licht entsprechen. Ferner wurden die infraroten und ultravioletten Bereiche mit IR und i/Vbezeichnet.

Es ist offensichtlich, daß eine derartige Zelle in der Lage ist, sämtliche von einer Brennerflamme ausgehenden Strahlen aufzufangen, und daß die Zellen nach dem Erlöschen der Flamme weiterhin noch eine bedeutsame Energie aufgrund der Infrarotabstrahlung der Brennkammer und evtl. der benachbarten Brenner abgibr.

Der Einbau einer derartigen Zelle ist in Fig.3 dargestellt.

Derartige Zellen haben die Form einer Scheibe 1, die in einem zylindrischen Gehäuse 2 untergebracht werden kann. Das zylindrische Gehäuse 2 besteht aus hintereinander angeordneten Elementen 4 und 5 und 6, die mit Schrauben 7 zusammengehalten sind. Die Zelle

ίο kann durch einen thermischen Schirm 8 geschützt werden, der zumindest einen Teil der langwelligen Infrarotstrahlen abhält

Das Gehäuse 2 läßt sich mit Hilfe des Gewindes 10 an der Brennkammer oder am Ende des Rohres zum Anpeilen der Flamme befestigen, wie dies anhand der F i g. 6 und 7 beschrieben wird.

Der Durchmesser einer Zelle BPX46 beträgt etwa 40 mm. Aufgrund der Größe der Zelle bietet das Anpeilen und Beobachten der Flamme keine Schwierigkeit

Die Leitungen 12 der Zelle können durch den Anschlußstutzen 11 mit der Schaltung zur Auswertung des Signals verbunden werden.

Das Signal der Zelle 11 weist eine Gleichst.omkomponente auf, die durch einen Kondensator 13 (F i g. 5) beseitigt wird. Somit tritt ausschließlich die Wechselstromkomponente in den operativen Verstärker 14 ein, der beispielsweise ein Signal mit 100 mV von Spitze zu Spitze auf 10 Volt verstärkt.

Das verstärkte Signal tritt in das Hociipaßfilter 15 ein, welches die Tiefenkomponenten unter 50 Hz beseitigt.

Dieses Filter ist vorzugsweise ein aktives, sogenanntes »elliptisches« Filter, um einen Anstieg der Dämpfungskurve zur Grenzfrequenz hin zu erzielen.

r> Dieses Filter kann ein Filter sein, welches eine Durchlaßfunktion nach Chebyshev oder Butterworth

der Gattung ψ,—, hat, wobei das Polynom P(ju>) eine

Zahl η der Wurzeln oder Pole der Durchlaßfunktion hat. Je größer η ist, desto größer ist die Neigung der Dämpfung des Filters. Man wählt vorzugsweise ein Filter mit einer Durchlaßfunktion der Form

mit welcher maximale Steigung der Dämpfungskurve erzielt werden kann. Ein derartiges Filter, welches die elliptischen Funktionen des ersten und zweiten Grades erfüllt, wird gewöhnlich »elliptisches Filter« genannt.

Bei der Erfindung ist die Dämpfungskurve eines derartigen Filters vorteilhafterweise eine Kurve, wie sie in Fig.4gezeigt ist.

Die Dämpfung ist bis zum Punkt A, d. h. bis zu einer Frequenz von etwa 25 Hz, praktisch vollkommen. Die Signalfrequenzen über dem Punkt B, d h. über 50 Hz, gehen frei hindurch. Die Dämpfung beträgt etwa 30 db pro Oktave. Das aus dem Filter 15 austretende Signal wird dem Verstärker 16 zugeführt, an dessen Ausgang man bei einer ^rennenden Flamme ein beträchtliches Signal in der Größenordnung von 10 Volt mit Frequenzen zwischen 50 und 100 Hz und bei einer erloschenen Flamme kein Signa) erhält

Der Ausgang des Verstärkers 16 ist mit einem Integrierdetektor 17 verbunden, der ständig eine praktisch konstante Spannung erzeugt. Die Spannung beträgt bei Vorliegen einer Flamme beispielsweise zwischen 5 und 10 Volt und ist im umgekehrten Fall praktisch 0.

Diese Ausgangsspannung des Integrierdetektors steuert einen Schalttrigger 18, der seinerseits über ein Relais 19 ein Hörsignal 20 und/oder ein Lichtsignal 21 und/oder ganz allgemein über die Leitung 22 die Vorrichtung zur Überwachung und automatischen Steuerung des Brenners steuert.

Die in den Fig.6 und 7 dargestellte Vorderseite des Kessels weist drei übereinander angeordnete Kästen auf, denen durch ein nicht dargestelltes Gebläse Luft zugeführt wird.

leder der Kästen trägt vier Brenner 34, von denen jeder mit einer Befestigungsscheibe 35 fest verbunden ist. Die Befestigungsscheibe 35 trägt ein Peilgerät in Form eines geradlinigen Rohres 36, an dessen von der Flamme abgewandten Ende das Gehäuse 2 mit der Sperrschichtfotozelle 1 befestigt ist.

Das Peilrohr 36 mündet in der Rückseite eines Kastens in der Nähe des Endes des Brenners 34 und hinter öffnungen 38 für die Zufuhr von Sekundärluft zum Brenner.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Atmosphäre des Peilbereiches reingehalten und die Verschmutzung der Zelle durch Ruß verlangsamt wird.

Darüber hinaus bildet die Achse des Peilgerätes mit der Achse des Brenners einen sehr kleinen Winkel, der unter 10" liegt. Schließlich ist das Peilrohr eines jeden Brenners in einer Radialebene P (F ig. 6) ausgerichtet, die im vorliegenden Fall mit der Vertikalen den Winkel λ bildet, wobei die Radialebene so gewählt wird, daß die Achse des Peilrohres auf keine andere Brennerachse auftrifft als auf die Achse des Brenners, dessen Flamme beobachtet wird.

Das Peilrohr betrachtet somit im wesentlichen den Kern der ihm zugeordneten Flamme und die Rückwand der Brennkammer durch die Heißgase hindurch, die zu anderen Brennern gehören und deren Turbulenz sich bereits teilweise beruhigt hat.

Wenn die zugeordnete Flamme brennt, empfängt die Zelle ein flackerndes Lichtbündel, dessen Frequenz verhältnismäßig hoch ist. Wenn dagegen die Flamme erloschen ist, erreichen die Schwankungen der Abstrahlung von der Rückwand der Kammer durch die restlichen brennenden Brenner und durch die Strahlen der Flammenenden dieser Brenner nur verhältnismäßig niedrige Frequenzen, die unter 50 Hz liegen.

F i g. 8 zeigt das Schaltschema der F i g. 5 zur Auswertung des Ausgangssignals jeder Zelle 1.

Ein Potentiometer 40 im Verstärker 14 gestattet die Regelung der Empfindlichkeit der Zelle 1.

Das von der Zelle ausgehende modulierte Signal 41. das jedoch eine starre Gleichstromkomponente aufweist, wird dank des Kondensators 13 nur mit seinem Wechselstromanteil dem Verstärker 14 zugeführt, von dem das Signal 42 ausgeht, welches nur die verstärkten Wechselstromkomponenten enthält, die ausschließlich dem Filter 15 zugeführt werden.

Das elliptische Filter 15 wird entsprechend der Beschreibung im Artikel »Design active elliptic filters easily« in der Zeitschrift ELECTRONIC DESIGN vom 21. Oktober 1971 so berechnet, daß die Frequenzen unter 25 Hz praktisch vollständig gesperrt und die Frequenzen über 50 Hz frei durchgelassen werden, wie dies in F i g. 4 dargestellt ist. Dieses Filter ist ein Filter dritter Ordnung und weist drei Pole und zwei Nullstellen auf.

Aus dem Filter 15 tritt ein Signal 45 aus, das praktisch keine Frequenzen mehr unter 50 Hz aufweist und über den Kondensator 46 dem Verstärker 16 zugeführt wird. Der Verstärker wird auf Sättigung eingestellt, so daß man ein Signal 47 erhält, dessen Spitzen 48a und 48f>die maximale Ausgangsamplitude dieses Verstärkers haben, wodurch das dem Integrierdetektor zugeführte Signal nivelliert und praktisch der Wert des gleichgerichteten Signals festgelegt wird.

Der Integrierdetektor 17 weist einen Gleichrichter 49 mit Vollwegbrückenschaluing auf, der eine Integrierschaltung 50 ansteuert, deren Kondensator durch einen hohen Widerstand 51 überbrückt ist. Dieser hohe Widerstand 51 gestattet die Entladung, wenn der Brenner erlischt. Klemmen 52 gestatten, das Signal der Flamme zu regeln.

Ein Rheostat mit Klemmen 53. der eine regelbare Dämpfung gestattet, führt einem Verstärker 54 mit einer einheitlichen Verstärkung das Signal des Integrierdetektors zu, um dessen Scheinwiderstand dem Scheinwiderstand eines Schmitt-Triggers 18 anzupassen, der zwei Transistoren aufweist, die in gemeinsamen Ausgängen angeordnet sind.

Die Größe des Ausgangs des Schmitt-Triggers wird durch eine Zener-Diode 55 geregelt, die mit einem Widerstand 56 in Reihe geschaltet ist. Wenn somit die Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers den durch die Schalteinrichtung 55, 56 bestimmten Wert übersteigt, wird diese Ausgangsspannung einem Verstärker 57 zugeführt, um eine Spule 58 eines Steuerrelais einer Alarmvorrichtung zu speisen.

Um eine falsche Auslösung zu verhindern, wird die Erregung der Spule 58 durch einen Kondensator 59 verzögert und die Energie der Selbstinduktion der Spule 58 nach dem Aufhören der Erregung des Relais in einer Diode 60 beseitigt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Überwachung einer einzelnen Brennerflamme in einer eine Mehrzahl von Brennerflammen aufweisenden Brennkammer, mit einem auf die einzelne Brennerflamme gerichteten Peilrohr, mit einem an dem der Brennerflamme abgewandten Ende des Peilrohrs angeordneten photoelektrischen Empfänger und mit einer Schaltung zur Auswertung der vom photoelektrischen Empfänger gelieferten Signale, wobei in der Schaltung die in den Signalen enthaltene Gleichstromkomponente abgetrennt wird und selektiv wirkende Schaltmittel vorgesehen sind, durch die nur Signale einer höheren Frequenz weiterverarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Peilrohr (36) mit der Achse des der einzelnen Brennerflamme zugeordneten Brenners einen kleinen Winkel bildet und auf den Bereich maximaJcr Lichtstärke der einzelnen Brennerflamme gerichtet ist. daß als selektiv wirkendes Schaltmittel ein Hochpaßfilter (15) mit einer Grenzfrequenz in der Größenordnung von 50 Hz vorgesehen ist und daß das Hochpaßfilter von der Grenzfrequenz ausgehend zum Sperrbereich hin einen Dämpfungsanstieg von etwa 30 db pro Oktave aufweist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochpaßfilter (15) ein elliptisches Filter ist.