DE2413482C3 - Einrichtung zur Überwachung einer einzelnen Brennerflamme in einer eine Mehrzahl von Brennerflammen aufweisenden Brennkammer - Google Patents

Einrichtung zur Überwachung einer einzelnen Brennerflamme in einer eine Mehrzahl von Brennerflammen aufweisenden Brennkammer

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DE2413482C3
DE2413482C3 DE2413482A DE2413482A DE2413482C3 DE 2413482 C3 DE2413482 C3 DE 2413482C3 DE 2413482 A DE2413482 A DE 2413482A DE 2413482 A DE2413482 A DE 2413482A DE 2413482 C3 DE2413482 C3 DE 2413482C3
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    • F23NREGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00Systems for controlling combustion
    • F23N5/02Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/08Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Überwachung einer einzelnen Brenr .-rflamme 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.
Es ist bekannt, daß in diesem Fall die Flammen der verschiedenen Brenner die Neigung haben, zu einer einzigen Flamme zusammenzuschmelzen. Es ist daher äußerst schwierig festzustellen, ob ein oder mehrere der in der Mitte des Brennerbündels gelegenen Brenner brennen oder nicht brunnen.
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. 10000 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 Ein richtung 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 photoelektrischen Empfänger gelieferten Signalen werden in eimern Wechselstromverstärker Frequenzen unter 200 Hz abgeschwächt und Frequenzen -snter 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 eine Mehrzahl von Brennerflammen aufweisenden Brennkammer so auszuführen, daß eine zuverlässige Anzeige darüber, ob die überwachte Flamme brennt oder nicht, erhalten wird. Gelöst wird diese Aufgabe, ausgehend von einer Einrichtung der im Oberbegriff 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 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.
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, 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 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 Brcnnerflamme 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
F i g. 1 ein Diagramm Ober 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 erfindungsgsmäße 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 erfindungsgemäßen Einrichtung verwendet wird,
Fig.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 Schaitschema der Einrichtung zur Überwachung einer Flamme.
Es ist möglich, die Verteilung der Energie E(O 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 Ki. 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 100 Hz 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 ?iner derartigen Zelle dargestellt, die mit der Spektralkurve S einer Heizölflamme verglichen ist. Im Diagramm der F i g. 2 ist der Bereich Vder Wellenlängen A (in μπί) Schraffiert, die dem sichtbaren Licht entsprechen. Ferner wurden die infraroten und ultravioletten Bereiche mit IR und t/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 abgibt.
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 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
is 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 : ;r Ausv/ertung des Signais verbunden werden.
Das Signal der Zelle 11 weist eine Gleichstromkomponente auf, die durch einen Kondensator 13 (Fig.5) beseitigt wird. Somit tritt ausschließlich die Wechselstromkomconente in den operativen Verstärker 14 ein, der beispielsweise ein Signal mit 100 mV von Spitze zu Spitze auf 10 Volt verstärkt
jo Das verstärkte Signal tritt in das Hochpaßfilter 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.
1-Ί Dieses Filter kann ein Filter sein, welches eine Durchlaßfunktion nach Chebyshev oder Butterworth
der Gattung
hat, wobei das Polynom P(Jw) eine
Zahl η der Wurzeln oder Pole der Durchlaßfunktion hat. 4i) Je größer η ist, desto größer ist die Neigung der Dämpfung des Filters. Man wählt vorzugsweise ein Filter mit einer Durchlaßfunktion der Form
η- > N(Jm)
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.
Ίο Bei der Erfindung ist die Dämpfungskurve eines derartigen Filters vorteilhafterweise eine Kurve, wie sie in F i g. 4 gezeigt ist.
Die Dämpfung ist bis zum Punkt A, d. h. bis zu einer Frequenz von etwa 25 Hz. praktisch vollkommen. Die
μ Sißnalfrequenzen 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 austreterde Signal wird dem Verstärker 16 zugeführt, an dessen Ausgang man bei einer brennenden Flamme ein beträchtliches
w) Signal in der Größenordnung von 10 Volt mit Frequenzen zwischi.ii 50 und 100 Hz und bei einer erloschenen Flamme kein Signal erhält.
Der Ausgang des Verstärkers 16 ist mit einem Integrierdetektor 17 verbunden, der strndig eine
μ praktisch konstante Spannung erzeugt. Die Spannung beträgt bei Vorliegen einer Flamme beispielsweise zwischen 5 und 10 Voii und ist im umgekehrten Fall praktisch 0.
Diese Ausgangsspannung des Intcgricrdctcktors 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.
Jeder 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 RuB 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(Fig.6) ausgerichtet, die im vorliegenden Fall mit der Vertikalen den Winkel α 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
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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 seinerr Wechselstromanteil dem Verstärker 14 zugeführt, vor dem das Signal 42 ausgeht, welches nur die verstärkter Wechselstromkomponenten enthält, die ausschließlich dem Filter 15 zugeführt werden.
Das elliptische Filter 15 wird entsprechend dei Beschreibung im Artikel »Design active elliptic filter! easily« in der Zeitschrift ELECTRONIC DESIGN vorr 21. Oktober 1971 so berechnet, daß die Frequenzer ίο unter 25 Hz praktisch vollständig gesperrt und die Frequenzen über 50 Hz frei durchgelassen werden, wie dies in Fig.4 dargestellt ist. Dieses Filter ist ein Filtei dritter Ordnung und weist drei Pole und zwei Nullsteller auf.
ι -, Aus dem Filter 15 tritt ein Signal 45 aus, das praktisch keine Frequenzen mehr unter 50 Hz aufweist und übei den Kondensator 46 dem Verstärker 16 zugeführt wird Der Verstärker wird auf Sättigung eingestellt, so daG man ein Signal 47 erhält, dessen Spitzen 48a und 4Sb die maximale Ausgangsamplitude dieses Verstärkers haben wodurch das dem Integrierdetektor zugeführte Signa nivelliert und praktisch der Wert des gleichgerichteter Signals festgelegt wird.
Der Integrierdetektor 17 weist einen Gleichrichter 4?
2-, mit Vollwegbrückenschaltung auf, der eine Integrier schaltung 50 ansteuert, deren Kondensator durch einer hohen Widerstand 51 überbrückt ist. Dieser hohe Widerstand 51 gestattet die Entladung, wenn dei Brenner erlischt. Klemmen 52 gestatten, das Signal dei
jo Flamme zu regeln.
Ein Rheostat mit Klemmen 53, der eine regelbare Dämpfung gestattet, führt einem Verstärker 54 mi einer einheitlichen Verstärkung das Signal des Inte grierdetektors zu, um dessen Scheinwiderstand den· )-, Scheinwiderstand eines Schmitt-Triggers 18 anzupas sen, der zwei Transistoren aufweist, die in gemeinsamer Ausgängen angeordnet sind.
Die Größe des Ausgangs des Schmitt-Triggers wire
durch eine Zener-Diode 55 geregelt, die mit einen Widerstand 56 in Reihe geschaltet ist. Wenn somit di< Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers den durch di< Schalteinrichtung 55, 56 bestimmten Wert übersteigt ...ΐ«4 rliopa A ι icito η rrcctta nnt in tr pi η pm Vprstärkpr 5"
τ* ta u w··...* « »__o_--q Γ — — ■ O
zugeführt, um eine Spule 58 eines Steuerrelais einei Alarmvorrichtung zu speisen.
Um eine falsche Auslösung zu verhindern, wird di<
Erregung der Spule 58 durch einen Kondensator 5?
verzögert und die Energie der Selbstinduktion der Spult
58 nach dem Aufhören der Erregung des Relais in einei so 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 to 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 maximaler 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 I, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochpaßfilter (15) ein elliptisches Filter ist jo
DE2413482A 1973-03-20 1974-03-20 Einrichtung zur Überwachung einer einzelnen Brennerflamme in einer eine Mehrzahl von Brennerflammen aufweisenden Brennkammer Expired DE2413482C3 (de)

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