DE3141277A1

DE3141277A1 - Flammendetektor

Info

Publication number: DE3141277A1
Application number: DE19813141277
Authority: DE
Inventors: Hannes Dipl.-Phys. 8712 Stäfa Güttinger; Gustav Rolf Dr.sc.nat. 8713 Uerikon Pfister
Original assignee: Cerberus AG
Current assignee: Cerberus AG
Priority date: 1980-12-05
Filing date: 1981-10-17
Publication date: 1982-06-16
Also published as: GB2089502A; GB2089502B; FR2496879A1

Description

Flammendetektor

Die Erfindung betrifft einen Flammendetektor, bei dem bei Vorhandensein von Flammen elektromagnetische Strahlung mittels wenigstens einer Strahlungsleiter-Anordnung einem Strahlungsempfänger zugeleitet wird, an den eine Auswerte- und Signalschaltung angeschlossen ist.

Solche Flammendetektoren können beispielsweise dazu dienen, in einer Feuerungsanlage festzustellen, ob eine Flamme vorhanden ist,und um die Abwesenheit der Flamme zu signalisieren, oder bei Verwendung in einer Brandmeldeanlage, eine unerwünschte Flammenbildung zu melden und ein Alarmsignal auszulösen. Dies geschieht durch Detektion der von Flammen ausgehenden elektromagnetischen Strahlung mittels eines Strahlungsempfängers, an den eine geeignete Auswerte- und Signalschaltung angeschlossen ist, wie beispielsweise in US 3 820 097, US 3 996 221 oder US 3 940 753 beschrieben.

Nachteilig bei solchen bekannten Flammendetektions-Anordnungen ist, dass die Strahlungsaufnehmer einer Wärmebelastung durch die Wärmestrahlung von Flammen ausgesetzt sind. Durch unzulässige Erwärmung des Strahlungsdetektors können solche Flammenmelde-Anlagen funktionsunfähig werden, sodass kein korrektes Flammensignal gegeben wird.

Um eine unzulässige Erwärmung des Strahlungsempfängers zu vermeiden, ist es, wie beispielsweise in DE-A 1 47 3 226 oder DE-A 2 834 925 beschrieben, bekannt, die von einer Flamme ausgehende elektromagnetische Strahlung mittels eines Strahlungsleiters, auch als Fiberoptik bekannt, dem ausserhalb des Strahlungsbereichs der Flammen, vor Hitzeeinwirkung geschützt angebrachten Strahlungsempfänger zuzuleiten. Auf diese Weise wird zwar ein zuverlässiger Schutz gegen Ueberhitzung erzielt

und die Betriebszuverlässigkeit verbessert, jedoch muss der Nachteil in Kauf genommen werden, dass übliche Strahlungsleiter oder Fiberoptik vorzugsweise für längerwelliges Licht oder nahes Infrarot geeignet ist. Die Verwendung solcher mit Strahlungsleitern arbeitenden Flammendetektions-Anordnungen ist daher auf den Nachweis oder die Meldung von Flammen mit erheblichem Licht- oder Infrarot-Anteil im Spektrum eingeschränkt, z.B. OeI- oder Flüssigbrennstoff-Flammen. Ungünstig ist dabei, dass Temperatur-Hintergrundstrahlung, z.B. in Oefen, im gleichen Spektralgebiet liegt, sodass zur Unterscheidung von Flammen komplizierte Auswerteschaltungen erforderlich sind.

Gasflammen, speziell Wasserstoff- oder stark wasserstoffhaltige Flammen, lassen sich mit solchen Flammendetektions-Anordnungen kaum oder nur schlecht nachweisen, da sich ihr Licht- und Infrarot-Anteil fast nicht von der Hintergrundstrahlung unterscheiden. Solche nahezu unsichtbaren Flammen lassen sich im Ofen nur durch die Strahlung im ultravioletten Spektralgebiet in der Umgebung von etwa 250 nm nachweisen. Figur 2 zeigt diesen charakteristischen Unterschied anhand typischer Spektralverteilungen verschiedener Flammen. A stellt ein Beispiel einer Oel-Flamme dar mit einem Kontinuum von Ultraviolett bis Infrarot, während B eine Wasserstoffflamme mit einem Maximum im Ultraviolett bei 250 nm zeigt.

Um Flammen aller Art, einschliesslich Gasflammen, detektieren zu können, war es bisher erforderlich, spezielle ultraviolettempfindliche Strahlungsempfänger zu verwenden. In der Regel wurden dazu, wie beispielsweise in US 3 544 792 oder US 3 553 beschrieben, Entladungsröhren verwendet, die bei Anregung mit Ultraviolett-Strahlung im Bereich von 200 - 290 nm zünden und ein Signal auslösen. Solche ultraviolett-empfindlichen Entladungsröhren sind jedoch unzuverlässige und störanfällige Bauteile und vertragen keine Hitzeeinwirkung.

Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, die erwähnten Nachteile vorbekannter Flammendetektoren zu beseitigen und insbesondere einen Flammendetektor zu schaffen, der zur Detektion aller Flammenarten, unabhängig vom verbrannten Material, geeignet ist, der nicht auf reine Temperatur-Hintergrundstrahlung anspricht und der auch unter Einwirkung von Wärmestrahlung betriebssicher, störunanfällig und empfindlich arbeitet.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass am Strahlungsleitereingang ein Wellenlängenwandler angeordnet ist, der die Ultraviolett-Strahlung von Flammen in längerwellige Strahlung umwandelt, die dem Strahlungsempfänger zugeführt wird.

Die Erfindung und zweckmässige Weiterbildungen derselben werden anhand des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispieles einer Flammendetektions-Anordnung erläutert»

Figur 2 zeigt Spektralverteilungen zur Erläuterung der Erfindung.

Bei der in Figur 1 dargestellten Anordnung ist ein Detektorkopf 1 vorgesehen, der ein temperaturfestes Gehäuse 2 mit einem Strahlungsexntrittsfenster 3 aufweist,das der Flamme zugekehrt ist und das die von den Flammen ausgehende Strahlung in das Gehäuse 2 eintreten lässt. Das Strahlungsexntrittsfenster 3 kann beispielsweise als Ultraviolett-Filter vom handelsüblichen Typ UG 11 (Schott) ausgebildet sein, welches im Wesentlichen nur Infrarotstrahlung zwischen 200 und 300 nm in das Gehäuse eintreten lässt.

Im Inneren des Gehäuses 2 befindet sich ein Wellenlängenwand" ler 4, der so ausgebildet und ausgewählt ist, dass er bei Anregung mit Ultraviolett-Strahlung im genannten Bereich zwischen 200 und 300 nm längerwellige Strahlung emittiert, beispielsweise

mit einer Wellenlänge über 600 nm bis ins nahe Infrarot. Sobald also ultraviolette Flammenstrahlung auf den Detektorkopf 1 auftritt, so emittiert der Wellenlängenwandler 4 Strahlung im langwelligen Licht oder nahen Infrarot.

Als Wellenlängenwandler 4 sind im Prinzip eine Reihe von bekannten Leuchtstoffen geeignet, beispielsweise bekannte Phosphore mit Rekombinationsleuchten vom ZnS- oder ZnSe-Typ. Wenn jedoch, wie häufig erforderlich, zur Unterscheidung der Flammenstrahlung von Störstrahlungen eine Auswertung des Flackerverhaltens in einem bestimmten Flackerfrequenzbereich erforderlich ist, ist die Nachleuchtdauer solcher Phosphore mit Rekombinationsleuchten häufig zu lang. Bei einer zweckmässigen Weiterbildung der Erfindung hat es sich daher als besonders günstig erwiesen, Phosphore mit kurzer Nachleuchtdauer zu verwenden, beispielsweise solche mit Aktivator-Ionen. Es zeigte

2+

sich, dass speziell Phosphore mit Mn -Zusatz Ultraviolett-Strahlung um 250 nm mit einem besonders guten Wirkungsgrad in Strahlung über 600 nm umwandeln können. Als geeignete Phosphore haben sich beispielsweise solche mit der Zusammensetzung

2+
(xZnO-yBeO)_SiO_-zMn erwiesen, speziell der Phosphor

2+
(0,8ZnO.0,1BeO)„SiO -0,09Mn . Andere geeignete Leuchtstoffe

2+ des gleichen Typs sind: 3-Zn₃SiO.-0,012Mn . Auch mit anderen

Aktivator-Ionen aktivierte Phosphore haben sich als günstig er-

4 +
wiesen, beispielsweise mit Mn aktiviertes MgO mit wahlweisem Zusatz von As₀O,-, TiO₄ oder GeO„, gegebenenfalls mit einem weiteren Zusatz von MgF , oder mit CrJ aktiviertes Al-O .

Die von diesen Leuchtstoffen emittierte langwellige Strahlung wird dem Eingang 5 eines Strahlungsleiters 6 zugeführt, in diesem Strahlungsleiter weitergeleitet und am Ausgang 7 des Strahlungsleiters von einem Strahlungsempfänger 8 aufgenommen. Als Strahlungsleiter 6 sind handelsübliche Lichtleiterfasern geeignet, beispielsweise bekannte Stufenindexfasern oder Gradientenindex-

fasern. Die Strahlungsleiter-Anordnung 6 kann statt aus einer einzelnen Faser auch aus einem Faserbündel zusammengesetzt sein. Die Strahlungsleiter-Anordnung 6 kann auch Verzweigungspunkte 9 bekannter und handelsüblicher Ausführung enthalten, von denen weitere Lichtleiter 6' zu weiteren Detektorköpfen I¹ zur Ueberwachung mehrerer Regionen gleichzeitig abzweigen.

Als Strahlungsempfänger 8 kann im Prinzip ein beliebiger Fotoempfänger dienen, der im Spektralgebiet sichtbaren Lichtes und nahen Infrarots eine genügende Empfindlichkeit aufweist. Als günstig haben sich beispielsweise Silizium-Fotodioden der Typen SHS, SGD und YAG (EG &G Electro-Optics) erwiesen, die ein Empfindlichkeitsmaximum bei einer Wellenlänge zwischen 600 und 1'0OO nm aufweisen.

An den Strahlungsempfänger 8 ist eine Diskriminator- und Verstärkerschaltung 9 und eine Signalschaltung 10 angeschlossen. Diese Schaltungen können in bekannter Art wie in den eingangs genannten Vorpublikationen beschrieben ausgeführt und dem gewünschten Verwendungszweck angepasst sein.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Anordnung ist aus den in Figur 2 dargestellten Spektralverteilungen zu ersehen. A zeigt ein typisches Spektrum einer OeIflamme, das ein vom Ultraviolett von 200 nm bis ins Infrarot reichendes Kontinuum aufweist. B zeigt eine Wasserstoffflamme, die im Gegensatz dazu ein Maximum im Ultraviolett bei ca. 250 nm aufweist und im sichtbaren Bereich und im Infrarot schwächer als die Oelflamme strahlt. Die Darstellung zeigt, dass die Auswertung eines Spektralbereiches in der Umgebung von 250 nm besonders günstig ist, um sowohl Flammen von Flüssigbrennstoffen als auch von Gasen nachzuweisen. Dabei ist vorteilhaft, dass Temperaturstrahler, beispielsweise der Ofenhintergund einer Verbrennungsanlage, wie durch Kurve C schematisch dargestellt, praktisch keine Strahlung unterhalb 3 00 nm enthält und daher

die Flammendetektion nicht stört. Diese Hintergrundstrahlung C wird durch das Filter 3 ferngehalten, dessen Strahlungsdurchlässigkeit als Kurve F wiedergegeben ist und im Wesentlichen nur das Spektralgebiet zwischen 200 und 300 nm umfasst und somit die Hintergrundstrahlung fast vollständig fernhält. Vom Wellenlängenwandler 4 wird diese vom Filter 3 durchgelassene Strahlung in längerwellige Strahlung, vorzugsweise über 600 nm umgewandelt. Die spektrale Empfindlichkeit des Strahlungsempfängers 8 wird wie durch Kurve S dargestellt, so gewählt, dass sie ein Maximum zwischen 600 und I¹OOO nm aufweist und somit optimal an den Wellenlängenwandler angepasst ist.

Auf die beschriebene Weise lässt sich somit eine Flammendetektions-Anordnung schaffen, welche selektiv Flammen verschiedener Art zu detektieren gestattet und welche bei einfacher Konstruktion unter der Verwendung von störunanfälligen Komponenten betriebssicher und mit optimaler Empfindlichkeit arbeiten. Dabei ist eine Beeinflussung durch Hitzestrahlung auf ein Mindestmas s beschränkt.

Claims

Patentansprüche

1.) Flammendetektor, bei dem beim Vorhandensein von Flammen elektromagnetische Strahlung mittels wenigstens einer Strahlungsleiter-Anordnung (6 ) einem Strahlungsempfänger (8 ) zugeleitet wird, an den eine Auswerte- und Signalschaltung (10) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Strahlungsleitereingang (5 ) ein Wellenlängenwandler (4 ) angeordnet ist, der die Ultraviolett-Strahlung von Flammen in längerwellige Strahlung umwandelt und dem Strahlungsleitereingang (5 ) zuführt.

2. Flammendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Wellenlängenwandler (4 ) ein Ultraviolett-Filter ( 3) angeordnet ist.

3. Flammenmelder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenlängenwandler (4 ) einen mit Ultraviolett-Strahlung anregbaren Leuchtstoff aufweist.

4. Flammendetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff mit Ultraviolett-Strahlung im Spektral bereich von 250 nm zur Emission längerwelliger Strahlung anregbar ist.

5. Flammendetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff bei Ultraviolett-Anregung Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich über 600 nm emittiert.

6. Flammendetektor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff einen Phosphor mit Aktivator-Ionen aufweist.

7. Flammendetetkor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Aktivator-Ionen zweifach positiv geladene Mangan-

2+
Ionen (Mn ) vorgesehen sind.

8. Flainmendetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff als aktive Substanz

2+

(xZnO.yBeO)-SiO -zMn aufweist, wobei x, y und ζ die Gewichtsanteile der Bestandteile darstellen.

9. Flammendetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff als aktive Substanz (0,8ZnO.0,1BeO)₂SiO -0,09Mn ⁺ aufweist.

10. Flammendetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

dass der Leuchtstoff als aktive Substanz

2+

3-Zn₃SiO₄-O,012Mn aufweist.

11. Flammendetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff als aktive Substanz 3Cd₃(PO₄)₂.CdCl -0,05Mn²⁺ aufweist.

12. Flammendetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

4+ dass der Leuchtstoff als aktive Substanz mit Mn aktiviertes MgO mit einem Zusatz aus der Gruppe von As 0 ,

TiO _λ oder GeO „
4 2

MgF „ aufweist.

TiO oder GeO^ und wahlweise einem weiteren Zusatz von 4 2

13. Flammendetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff als aktive Substanz mit Cr₃O₃ aktiviertes Al 0 aufweist.