DE2424524A1 - Elektronische einrichtung, insbesondere zur ueberwachung in feuerungsanlagen - Google Patents

Description

Patentanwalt Jacfclccli

² Stuttgart N. Menzebtraee 4Q . 2424524

S.I.E. Societa Italiana A 54 233 -

Elettronica SpA, den 20.5.1974

Via Inveri'go 14, Milano/Italien

Elektronische Einrichtung, insbesondere zur Überwachung in Feuerungsanlagen.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Einrichtung insbesondere zur Flammenüberwachung in Feuerungsanlagen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine wirksame Überwachung einer Flamme in Feuerungsanlagen setzt voraus, daß man über eine Einrichtung mit einem Detektor verfügt, der die, für die überwachte Flamme charakteristischen Strahlung auch dann noch mit möglichst grosser Empfindlichkeit erfasst, wenn diese in sehr unterschiedlicher Weise erscheinen. Andererseits soll der Detektor für alle übrigen Strahlungen, die im allgemeinen in einer Hochtemperatur-Brennkammer vorhanden sind und Störgrößen darstellen, vollkommen unempfindlich sein.

Außerdem soll eine solche Einrichtung auf die Strahlungen derart ansprechen, daß die Flamme eines (Haupt- oder Steuer-) Brenners von der Flamme weiterer daneben angeordneter Brenner unterschieden werden kann. Der Geber muß dann sofort ansprechen und gegebenenfalls ein Erlöschen der überwachten Flamme möglichst unverzüglich anzeigen.

Die Flammen haben einen großen Spektralbereich, der von der infraüber die sichtbare bis zur ultravioletten-Strahlung reicht.

Zum Stand der Technik gehören zahlreiche Detektoren, die entweder auf infrarote oder auf die ultraviolette Strahlung der Flammen ansprechen, wobei die .ultraviolette Strahlung zwar quanti-

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tativ geringer, jedoch qualitativ bedeutsamer ist. UV-Strahlung ist nämlich mit anderen in der Brennkammer vorkommenden, nicht auf die Flamme zurückzuführenden. Störstrahlungen nicht

lediglich verwechserbar. Sie wird außerdem/aus einem bestimmten Flammenbereich heraus emittiert, so daß nebeneinander brennende Flammen voneinander unterschieden werden können.

Eür UV-Strahlungsdetektoren wird üblicherweise eine Ionisationsröhre besonderer Art verwendet. Diese Gasentladungsröhre besteht aus einem für die UV-Strahlung durchläosigen Material, wobei in ihr immer dann eine ein impulsartiges Signal auslösende elektrische Entladung zustandekommt, wenn ein Quantum ultravioletter Strahlung mit einer innerhalb eines schmalen Bandes liegenden Wellenlänge einen Gasatom zwischen den Elektroden der Röhre ionisiert,. bei einer bestimmten Mindest-Potentialdifferenz zwischen Elektroden.

Für die praktische Anwendung und eine ausreichende Zuverlässigkeit ist es besonders wichtig, daß mit Hilfe einer solchen Röhre eine Überwachungseinrichtung geschaffen rerden kann, die die größtmögliche Empfindlichkeit und eine für eine sichere Auswertung geeignete Ansprechkurve aufweist. Ferner soll eine möglichst einfache elektrische Schaltung verwendet werden, damit die Zahl spezieller elektronischer Bauteile - gering bleibt, die mit der Röhre in der Nähe der Flamme angeordnet sind. Die erzeugten Signale werden über meist erheblich lange Verbindungsleitungen zum Kontrollgerät übertragen.

Bei zahlreichen bisher entwickelten Einrichtungen dieser Art arbeitet die Röhre diskontinuierlich. Dabei wird die Löschung der durch ein Strahlungsquantum ausgelösten Gasentladung dadurch erzielt, daß die Röhre mit einer Wechselspannung entweder unmittelbar mit Netzfrequenz oder über einen Resonanzkreis mit dessen Resonanzfrequenz beaufschlagt wird.

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Nachteilig hieran ist, daß die Röhre, unabhängig von der Frequenz der Vorspannung, im Bereich der Spannungsnulldurchgänge vollkommen strahlungsunempfindlich ist, da die Potentialdifferenz und damit auch die elektrische Feldstärke zwischen den Elektroden den zur Zündung erfprderlihen Mindestwert nicht erreicht;.

Ein weiterer Nachteil derartiger Einrichtungen, besteht darin, daß aus dem übertragenen elektrischen Signal die mit Sicherheit auf die Gasentladung zurückzuführenden Wechselstromkomponenten ausgefiltert werden müssen, wogegen die restlichen Vechselstromkomponenten ausgeschiedeniierden, die von der Betriebsv.'echselspannung mit Netzfrequenz oder einem Vielfachen dieser Frequenz herrühren. Dies hat zur Folge, daß das Filter für das Nutzsignal entsprechend eng sein maß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Einrichtung insbesondere zur Flammenüberwachung in Feuerungsanlagen derart zu verbessern, daß sie bei gleicher Betriebsspannung eine größere mittlere Empfindlichkeit aufweist und durch eine möglichst einfache Schaltung realisierbar ist.-Sie soll ferner eine zeitunabhängige Empfindlichkeit besitzen, damit auch schwache Strahlungen erfaßt werden können. Schließlichlich soll sie ein hohes Auflösungsvermögen gewährleisten,' damit eine genaue Zählung der Strahlungsquanten auch dann ermöglicht wird, wenn diese eine extrem hohe Einfallfrequenz aufweisen.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung kann jede Entladung innerhalb einer äußerst kurzen Zeitspanne gelöscht und die. maximale Empfindlichkeit sehr schnell wieder hergestellt -werden. Daher werden auch Sättigungserscheinungen bei Messungen sehr starker Strahlungen entsprechend begrenzt. Dies ergibt wiederum, daß bei allen in der Praxis vorkommenden Fällen die /Flammen äußerst gut unterschieden werden können. Da keine besonderen Erkennungsschaltungen bzw. Filter notwendig sind, erhöht sich auch der Wirkungsgrad

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der Übertragung der impulsartigen Signale über die Übertragungsleitung zum Kontrollgerät.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Spannung - Zeit - Diagramm der von der Betriebsspannungsquelle gelieferten Speisespannung und drei Empfindlichkeit - Zeit - Diagramme einer Gasentladungsröhre,

Fig. 2 den Stromlaufplan einer elektronischen Einrichtung zur Flammenüberwachung zur näheren Erläuterung der erfindungsgemäßen Merkmale, ■

Fig. 3 den Stromlaufplan eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Einrichtung und

Fig. 4- den Stromlaufplan eines weiteren zweckmäßigen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise von Gasentladungsröhren, bei denen die Gasentladung durch Fremdionisation erfolgt, die auf UV-Strahlung ansprechen und" die'bei der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendet werden, werden folgende Begriffe bzw. deren Abkürzungen erläutert, wobei vorausgesetzt ist, daß die Röhre einen bestimmten konstanten Gasdruck und Elektrodenabstand besitzt: Vmin =MindestZündspannung; dies ist diejenige zwischen den Elektroden bestehende Potentialdifferenz, unterhalb der auch unter Einwirkung einer starken ionisierenden Strahlung keine Gasentladung er folgt. ^v

Vis = SelbstZündspannung; dies ist diejenige zwischen den Elektroden bestehende Potentialdifferenz, oberhalb der/ohne eine ionisierende Strahlung also selbständig eine Gasentladung erfolgt,

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und die der Spannungsfestigkeit des Gases entspricht.

Imin = Mindestbrennstrom; dies ist derjenige Entladungsstrom, unterhalb dessen die Gasentladung erlischt.

Wird also die Vorspannung für die Gasentladungsröhre im Bereich von Vmi bis Vis verändert, so verändert sich auch ihre Empfindlichkeit kontinuierlich von 0 bis 1. Wird eine derartige Röhre bei einer elektronischen Einrichtung zur Flammenüberwachung verwendet, so soll die Empfindlichkeit zwar möglichst groß, jedoch ausreichend kleiner als 1 sein, da ein sicherer Abstand von der Selbstzündung gewährleistet sein muß.

Nach dem in Fig. 1 dargestellten Spannungs-Zeit-Diagramm ist bei herkömmlichen Einrichtungen dieser Art die Röhre mit einer Wechsel* spannung V. = Vq sin ( 27Tf .t) beliebiger Frequenz f vorgespannt. Dabei verändert sich die Empfindlichkeit abhängig von der Seit · entsprechend dem qualitativ angedeuteten Verlauf si, was einer mittleren Empfindlichkeit S1 entspricht. Diese mittlere Empfindlichkeit S1 kann nicht erhöht werden, ohne daß damit gleichzeitig eine gefährliche Annäherung der Empfindlichkeit zu bestimmten Zeitpunkten an den Wert 1 erfolgt.

Bei der erfindungsgemassen Einrichtung wird die Röhre dagegen ■mit Gleichspannung vorgespannt, deren Wert zwischen Vmi und Vis liegt, wobei die Gleichspannungsquelle in unmittelbarer Nähe oder von der Einrichtung entfernt angeordnet sein kann. Zwischen Vmi und Vis liegt die optimale Vorspannung, die eurerseits einen ausreichend weiten Sicherheitsabstand gegenüber der Selbstzündung und andererseits eine hohe Strahlungsempfindlichkeit der Röhre gewährleistet. Dabei sei erwähnt, daß Maßnahmen zur Feststellung des Sicherheitsabstandes gegenüber der Selbstzündung bekannt sind.

Aus dem rechten Teil der Fig. 1 ergibt sich, daß bei Anlegen einer

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Gleichspannung an die Eläctroden der Röhre-auch die Empfindlichkeit zeitunabhängig ist, also einen konstanten Verlauf s2 aufweist, und daß die mittlere Empfindlichkeit mit dem Wert S2 gleich s2 ist. Wählt man V₂ = V_Q, so wird die Empfindlichkeit S2 erheblich größer als S1.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung kann also in der Röhre jederzeit eine durch Ionisation hervorgerufene Gasentladung erfolgen. Demgegenüber ist die Röhre bei den bisher verwendeten Einrichtungen mit Wechselspannungsbetrieb, während eines großen Teiles einer Periode 1/f vollkommen unempfindlich, (s = o), wie dem Empfindlichkeit-Zeit-Diagramm im linken Teil der Fig.1 zu entnehmen ist. Dieses unterschiedliche Verhalten ist,insbesondere dann von großer Bedeutung, wenn die Strahlungsintensität derart schwach ist, daß die ionisierenden Strahlungsquanten nur selten und zufällig einfallen.

Damit eine Entladung wieder gelöscht werden kann, sind bei der erfindungsgemäßen Einrichtung Schaltelemente vorgesehen, die die volle Empfindlichkeit der Röhre wiederherstellen. ITm dies zu erreichen, muß der Strom auf einen unter Imin liegenden Wert begrenzt werden, sobald der Beginn der Entladung durch ein impulsartiges Signal angezeigt, wird.

Die Messung der einfallenden Strahlung erfolgt über analoge oder digitale Zählung bzw. Anzeige der Impulse. Um eine gute Messlinearität zu erzäaLen, muß vermdßden werden, daß die Einrichtung bei hohen Strafalungswerten vorzeitig in die Sättigung gerät. Dies bedeutet, daß der Löschvorgang innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne erfolgen muß. Der hierfür erforderliche Schaltungsaufwane? hängt im wesentlichen v&n den jeweils geforderten Betriebseigenschaften ab. Um dies zu verdeutlichen ist in Pig. 2 eine Schaltung dargestellt bei der mit der Röhre X2 und der Betriebsspannungsquelle V ein einfacher Widerstand R2 mit einem ausreichend hohen Widerstandswert in Reihe geschaltet ist. Der Widerstand R

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10-cht für eine sofortige Löschung der Gasentladung aus. Das am Ausgang des zwischen Röhre X2 und Betriebsspannungsquelle V geschalteten Impulsübertrager T 2 erscheinende Signal U ist jedoch hinsichtlich seiner Leistung und Zeitdauer unddamit seiner E:-nergie für eine Fernübertragung nicht geeignet.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindur^gemäßen Einrichtung ist in Figur 3 dargestellt, bei' der der Energiegehalt des Signals dadurch erhöht wird, daß sowohl der Entladestrom vergrössert als auch die Impulsdauer bis zu einem Höchstwert verlängert wird, der sich für alle praktisch vorkommenden Anwendungsfälle bewährt ' hat. Die Impulsdauer sollte 3oo/usec nicht überschreiten; sie liegt bei praktischen Ausführungen bei etwa 2oo/usee.

Die in Fig. 3 dargestellte und die beiden erwähnten Funktionen in einfachster Weise erfüllende Schaltung weist einen Kondensator C3 auf, der in Reihe mit der Röhre X3 und dem Übertrager T3 und parallel zur Reihenschaltung aus Widerstand R 3 und Spannungsquelle V geschaltet ist und so in Verbindung mit dem Widerstand R3 einen üblichen Kippkreis bildet.

Der Impulsübertrager T3»dessen eines Ende der Sekundärwicklung mit dem mit dem Kondensator C3 verbundenen Ende der Primärwicklung auf demselben Potential liegt, kann von beliebiger Art sein; er muß nur an. die Übertragungsleitung widerstandmässig angepasst sein. Anstelle eines Transformatorskönnte die. Anpassung an die Übertragungsleitung selbstverständlich auch mit Hilfe eines einfachen Widerstandes oder eines an sich bekannten Anpassungsnetzwerkes beispielsweise eines Verstärkers erfolgen. Wird ein Übertrager verweidet, so ist darauf zu achten, daß dessen Induktivität mit dem Kondensator C3 keinen Schwingkreis bildet. Wäre dies der Fall, so würden eingangs erwähnte Nachtäle wieder bestehen, die beim Anlegen von Wechselspannung an die Elektroden der Röhre auftreten. Zweckmäßigerweise wird jedoch bewusst ein

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aperiodisch gedämpfter Schwingkreis gebildet. Der Impulsübertrager T3 kann an beliebiger Stelle in dem aus Kondensator C3 und Röhre X3 bestehenden Kreis eingeschleift sein.

Der Kondensator C3 hat zweierlei Wirkungen. Einerseits stellt er eine niedrige Impedanz für den Entladestrom.dar, der deshalb höhere Spitzenwerte erreicht, andererseits bestimmt er sowohl die Energie eines jeden Impulses als auch die für die Widerherstellung der Empfindlichkeit der Röhre erforderliche Zeitspanne.

Bei einer aufgrund der Eigenschaften der verwendeten Röhre gewählten Gleichspannung V = 700 V haben sich für den Widerstand und den Kondensator Werte von R=68o KOhm bzw. C=500 pF am besten bewährt.

Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung, die unmittelbar aus der vorangehenden Ausführungsform ableitbar ist und die die Abgabe von Impulsen höherer Leistung und eine kürzere Rückstellzeit ermglicht, ist in Figur 4- dargestellt. Sie weist eine Röhre X4-, einen Widerstand R4-, einen Kondensator C4 und einen Impulsübertrager T4 auf, die wie die erb sprechenden Elemente beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 geschaätet sind. Darübwrhinaus ist in Reihe zur Röhre X4 ein Widerstand R5 geschaltet. Parallel zu Röhre X4- und Widerstand R5 und damit parallel zu Kondensator C4 und Primärwicklung des Übertrager T4- ist eine steuerbare Diode SCR4- geschaltet, deren Steuerelektrode zwischen Röhre X4 und Widerstand R5 angebunden ist. Die steuerbare Diode SCR4-wird durch die Entladung der Röhre gezündet und besitzt sodann bei ansonsten sinngemäß gleicher Wirkungsweise im leitenden Zu- · stand eine geringere Impedanz, so daß energiereichere Impulse abgegeben werden.

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Claims (1)

1. S.I.E. Societa Italiana ' A 34 233

   Elettronica SpA,

   Via Inverigo 14, Milano/Italien ^{öen 20}·5·J974

   Patentansprüche

   ί'!.,/Elektronische Einrichtung, insbesondere zur Flammenüberwachung in Feuerungsanlager, mit mindestens einer durch UV-Strahlung ionisierbaren Gasentladungsröhre, gekennzeichnet durch

   a) eine Gleichspannungsquelle (V) zum Vorspannen der Gasentladungsröhre (X3» X4),

   b) ein strombegrenzendes Bauteil (R3» R4) zum Löschen der Gasentladung,

   c) einen aufladbaren· Energiespeicher (C3, C4), der die zur Entladung der Gasentladungsröhre (X3» X4-) benötigte Energie liefert und die Zeitdauer der Gasentladung bestimmt, und

   d) ein Element (Q?3» T4-) zur Übertragung der durch die Gasentladung erzeugten pulsförmigen Signale auf eine Übertragungsleitung und zur Anpassung des die pulsförmigen Signale erzeugenden Kreises an die Übertragungsleitung.

   *£. Einrichtung nach Anspeuch 1, dadurch gekennzeichnet, · daß der Kondensator (03, C4-) und das Übertragungs- und Anpassungselement (T3, T⁷O derart dimensioniert sind, daß ein zumindest stark aperiodisch bedampfter Schwingkreis gebildet ist.

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   3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im die pulsförmigen Signale erzeugenden Kreis ein gesteuertes Schaltelement (SCR 4) angeordnet ist, dessen Steuerelektrode mit der Gasentladungsröhre (X 4) verbunden ist.

   4, Einrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das gesteuerte Schaltelement eine steuerbare Diode (SCR 4) ist.

   5· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 "bis 4,. dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungs- und Anpassungselement ein Impulstransformator ( T3i T4) ist, dessen Sekundärwicklung mit einem im wesentlichen rein ohmschen Lastwiderstand in Form der Übertragungsleitung" oder eines Meßkreises verbunden ist.

   6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß mehrere parallel geschaltete Gasentladungsröhren vorgesehen sind.

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