DE4010570C5 - Method for monitoring furnaces and arrangement for carrying out the method - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Überwachung einer Feuerungsanlage, insbesondere eines Ölbrenners, bei dem zum Erfassen des Strahlungsspektrums einer Flamme der Feuerungsanlage in einem Bereich der Wellenlänge von 220 bis 350 nm ein Strahlungsdetektor aus Siliziumkarbid verwendet wird mit einem Substrat (2) aus Siliziumkarbid und einer auf dem Substrat (2) angeordneten Epitaxieschicht (4), die mit einer n-leitenden Dotierungsschicht (6) versehen ist, an deren Oberfläche eine edelgasimplantierte Rekombinationszone (10) gebildet ist.method for monitoring a furnace, in particular an oil burner, in which for detecting the radiation spectrum of a flame of the furnace in one Range of wavelength From 220 to 350 nm, a radiation detector made of silicon carbide used is provided with a substrate (2) made of silicon carbide and one on the Substrate (2) arranged epitaxial layer (4), which with an n-type Doping layer (6) is provided, on whose surface a noble gas implanted recombination zone (10) is formed.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung von Feuerungsanlagen, insbesondere von Ölbrennern, und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Strahlungsdetektor für ultraviolette Strahlung.The The invention relates to a method for monitoring furnaces, in particular of oil burners, and an arrangement for implementation the method with a radiation detector for ultraviolet radiation.
Ein sicherer Betrieb von Feuerungsanlagen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, insbesondere Ölfeuerungsanlagen, ist bekanntlich wesentlich abhängig von der Stabilität des Verbrennungsprozesses. Wird ein ungewolltes Erlöschen der Flamme nicht angezeigt, so können größere Mengen von unverbranntem Brennstoff der Brennkammer zugeführt werden und die Rückzündung kann eine Explosion auslösen. Es sind deshalb entsprechende Überwachungseinrichtungen vorgesehen, die akustische Geräte, Fernseher oder auch Strahlungsdetektoren enthalten können. Die Lichtstrahlung der Brennerflamme wird jedoch im allgemeinen von einer aus der Atmosphäre kommenden Strahlung sowie von der Wärmestrahlung der heißen Kammerwände überlagert. Ferner besteht vor allem im Ultraviolett-Bereich die Gefahr, daß das Licht benachbarter Flammen durch gasförmige Brennstoffanteile, beispielsweise Ölnebel, gestreut und dadurch das Signal verfälscht wird. Man kann zwar den Einfluß der Streustrahlung dadurch begrenzen, daß der Detektor möglichst nahe an der Flamme angeordnet wird; hierzu sind jedoch nur Sensoren für verhältnismäßig hohe Temperaturen geeignet.One safe operation of combustion plants using fossil fuels operated, in particular oil-fired installations, is known to be significantly dependent from the stability the combustion process. Will an unwanted extinction of the flame not displayed, so can larger quantities of unburned fuel can be supplied to the combustion chamber and the flashback can cause an explosion. There are therefore appropriate monitoring devices provided the acoustic devices, TV or radiation detectors may contain. The However, light radiation of the burner flame is generally of one from the atmosphere coming radiation and superimposed by the heat radiation of the hot chamber walls. Furthermore, especially in the ultraviolet range there is a risk that the light adjacent flames by gaseous Fuel shares, such as oil mist, scattered and thereby the signal is corrupted becomes. Although one can the influence of scattered radiation by limiting that Detector as possible is placed close to the flame; however, these are only sensors for relatively high Temperatures suitable.
In einer bekannten Ausführungsform eines Flammensensors ist als Strahlungsdetektor eine gasgefüllte Röhre vorgesehen, die im UV-Bereich empfindlich ist Das Empfindlichkeitsmaximum der Röhre liegt bei etwa 180 bis 200 nm, d. h. gerade in dem Spektralbereich, in dem das Signal durch Streustrahlung an Ölnebeln besonders beeinflußt werden kann. Ferner sind bei gasgefüllten Röhren Alterungserscheinungen nicht ausgeschlossen. Eine andere optische Methode ist der Flackersensor. Der Flackersensor arbeitet nicht mit gasgefüllten Röhren, sondern mit Siliziumphotodioden. Hierzu sind zwei gekreuzte Strahlen vorgesehen, denen jeweils eine Silizium-Photozelle als Detektor zugeordnet ist. Den Detektoren wird die gesamte sichtbare Strahlung zugeführt Der Kreuzungspunkt der Strahlen bestimmt den Empfindlichkeitsbereich. Diese Anordnung erfordert jedoch einen verhältnismäßig großen Aufwand (J. Phys. E.: Sci. Instr. 21 (1988), Seiten 921 bis 928).In a known embodiment a flame sensor is provided as a radiation detector, a gas-filled tube, which is sensitive in the UV range The sensitivity maximum of Tube lies at about 180 to 200 nm, d. H. straight in the spectral range, in the signal is particularly affected by scattered radiation on oil mists can. Further, when gas-filled roar Aging phenomena are not excluded. Another optical Method is the flicker sensor. The flicker sensor is not working with gas-filled tubes, but with silicon photodiodes. These are two crossed rays each provided with a silicon photocell as a detector assigned. The detectors receive all the visible radiation supplied The crossing point of the rays determines the sensitivity range. However, this arrangement requires a relatively large effort (J. Phys. E .: Sci. Instr. 21 (1988), pages 921 to 928).
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung von Feuerungsanlagen anzugeben, das eine Früherkennung einer im Verlöschen befindlichen Flamme ermöglicht und bei dem sowohl ein störender Einfluß von Streulicht als auch der Einfluß von Tageslicht auf die Überwachung ausgeschlossen ist. Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens soll eine hohe Wärmebeständigkeit haben und somit dicht an die spezielle Flamme einer Flammenreihe herangebracht werden können. Ferner soll die Anordnung über längere Zeit möglichst wartungsfrei betrieben werden können und eine Beeinflussung durch benachbarte Flammen ausgeschlossen sein. Außerdem soll die Anordnung durch eine kurze Ansprechzeit als Flackersensor dienen und damit durch Vergleich von Flackersignal und Durchschnittsintensität eine Früherkennung einer im Verlöschen befindlichen Flamme möglich sein.Of the The invention is based on the object, a method for monitoring of combustion plants requiring early detection of extinction Flame allows and in which both a disturbing Influence of Stray light as well as the influence of Daylight on the surveillance is excluded. An arrangement for carrying out the method is intended to be high heat resistance and thus close to the special flame of a row of flames can be brought. Furthermore, the arrangement is about longer Time possible can be operated maintenance-free and interference by adjacent flames excluded be. Furthermore the arrangement should be characterized by a short response time as a flicker sensor serve and thus by comparison of flicker signal and average intensity early detection one in extinction located flame possible be.
Die Erfindung besteht nun in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Damit ist sowohl ein störender Einfluß des kurzwelligen Streulichts als auch ein Einfluß der langwelligen Strahlung der Kammerwände ausgeschlossen.The Invention is now in the characterizing features of the claim 1. This is both a disturbing Influence of short-wave scattered light as well as an influence of the long-wave radiation of chamber walls locked out.
Ein Strahlungsdetektor für UV-Strahlung mit einem Halbleiterkörper aus Siliziumkarbid ist bekanntlich empfindlich in einem Bereich der Wellenlänge von etwa 200 bis 450 nm und kann bei Temperaturen bis wenigstens 700°C betrieben werden. Dieser Strahlungsdetektor enthält ein Substrat aus Siliziumkarbid, das durch Epitaxie mit einer p-leitenden Schicht der 6H-Modifikation versehen ist Diese Epitaxieschicht enthält einen pn-Übergang, der durch Implantation von n-leitendem Dotierungsstoff hergestellt ist (SPIE, Bd. 868 (1987), Seiten 40 bis 45.One Radiation detector for UV radiation with a semiconductor body made of silicon carbide is known to be sensitive in a range of wavelength about 200 to 450 nm and can be operated at temperatures up to at least 700 ° C. become. This radiation detector contains a silicon carbide substrate, by epitaxy with a p-type layer of 6H modification This epitaxial layer contains a pn junction, produced by implantation of n-type dopant (SPIE, Vol. 868 (1987), pages 40-45.
Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß durch besondere Maßnahmen der Empfindlichkeitsbereich dieser bekannten Strahlungsdetektoren dem Spektralbereich eines Flammensensors angepaßt werden kann.The Invention is based on the recognition that by special measures the sensitivity range of these known radiation detectors the Spectral range of a flame sensor can be adjusted.
Durch eine Rekombinationszone zwischen der Oberfläche der Epitaxieschicht und dem pn-Übergang wird die untere Grenze des Empfindlichkeitsbereichs E angehoben, weil in dieser Schicht die kurzwellige Strahlung von weniger als 220 nm, insbesondere weniger als 250 nm, absorbiert wird und die entstehenden Ladungsträger sofort rekombinieren. Das Detektorsignal kann somit durch Streulicht, das im wesentlichen in einem Bereich der Wellenlänge von etwa 180 bis 220 nm auftritt, nicht mehr beeinflußt werden. Diesen unteren Grenzwert erhält man mit einer Dicke der Rekombinationszone von wenigstens 0,08 μm, insbesondere etwa 0,15 μm. Mit einer sehr geringen Abklingzeit des Ausgangssignals dieses Sensors erhält man zugleich einen Flackersensor.By a recombination zone between the surface of the epitaxial layer and the pn junction the lower limit of the sensitivity range E is raised, because in this layer the short-wave radiation is less than 220 nm, in particular less than 250 nm, is absorbed and the resulting charge carriers recombine immediately. The detector signal can thus be detected by stray light, essentially in a wavelength range of about 180 to 220 nm occurs, no longer affected become. This lower limit is obtained with a thickness of Recombination zone of at least 0.08 microns, especially about 0.15 microns. With a Very low cooldown of the output signal of this sensor is obtained at the same time a flicker sensor.
In einer besonderen Ausführungsform der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens wird die Epitaxieschicht mit einer vergrabenen Damageschicht versehen, deren Tiefe höchstens etwa 8 μm, insbesondere höchstens etwa 3,5 μm, beträgt. Diese Epitaxieschicht kann vorzugsweise durch Implantation eines Edelgases, insbesondere Helium, hergestellt werden Diese Damageschicht verhindert, daß langwelliges Licht mit einer Wellenlänge größer als 350 nm, insbesondere größer als 325 nm, einen Beitrag zum Detektorsignal liefert. Wird in dieser Ausführungsform die Dicke der Rekombinationszone etwa 0,15 um und der Abstand der Damage-Schicht von der Oberfläche etwa 3,5 μm gewählt, so erhält man einen bevorzugten Empfindlichkeitsbereich E des Flammensensors zwischen 250 und 325 nm. Es wird somit auch der. Einfluß des Lichts im oberen UV-Bereich zwischen 325 und etwa 380 nm ausgeschlossen.In a particular embodiment of the arrangement for carrying out the method, the epitaxial layer is provided with a buried dama layer whose depth is at most about 8 μm, in particular at most about 3.5 μm. This epitaxial layer can preferably be produced by implantation of a noble gas, in particular helium This damaging layer prevents longwave light having a wavelength greater than 350 nm, in particular greater than 325 nm, from contributing to the detector signal. If, in this embodiment, the thickness of the recombination zone is about 0.15 μm and the distance of the damage layer from the surface is about 3.5 μm, a preferred sensitivity range E of the flame sensor between 250 and 325 nm is obtained , Influence of light in the upper UV range between 325 and about 380 nm excluded.
Zusätzlich können durch eine Vergütung der Oberfläche durch eine Antireflexionsschicht mit einem engen Bereich der Durchlaßwellenlänge die störenden Einflüsse noch weiter begrenzt werden.In addition, through a remuneration the surface through an antireflection layer having a narrow range of transmission wavelength disturbing influences be further limited.
Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren
In
der Anordnung zur Durchführung
des Verfahrens enthält
ein Flammensensor ein Substrat
Beispielsweise
erhält
man mit einer Dosis von vorzugsweise etwa 4 × 1014 cm–2 bei
einer Spannung von etwa 140 kV eine Rekombinationsione
In
einer besonderem Ausführungsform
der Anordnung gemäß der Erfindung
kann die Epitaxieschicht
In
einem zentralen Bereich ist die Epitaxieschicht
In
einer besonderen Ausführungsform
des Flammensensors ist die freie Oberfläche der Rekombinationszone
Im
Diagramm gemäß
In
der bevorzugten Ausführungsform
des Flammensensors mit einer Tiefe D der Damageschicht
In der Regel geht dem Erlöschen der Flamme ein relativ zum Gesamtsignal großes Flackersignal voran. Die Anordnung gemäß der Erfindung als Flammensensor erlaubt zugleich eine Erfassung des Flackerns, da die Flackerfrequenz in der Größenordnung von 100 Hz, die Abklingzeit des Sensors aber in der Größenordnung von 10–7 s liegt.As a rule, the extinction of the flame is preceded by a large flicker signal relative to the overall signal. The arrangement according to the invention as a flame sensor at the same time allows a detection of the flicker, since the flicker frequency in the order of 100 Hz, the decay time of the sensor but in the order of 10 -7 s.
Die Flackerintensität läßt sich von der Konstantintensität elektronisch leicht trennen, beispielsweise durch Gleichrichtung. Ferner läßt sich elektronisch leicht der Quotient zwischen beiden Intensitäten bilden, entweder durch Umwandlung in Digitalsignale und digitale Quotientenbildung oder beispielsweise analog mittels eines Hallgenerators mit konstant gehaltenem Ausgangssignal.The Flackerintensität let yourself from the constant intensity Easily separated electronically, for example by rectification. Furthermore, can be electronically easily form the quotient between both intensities, either by conversion to digital signals and digital quotient formation or, for example, by means of a Hall generator with constant held output signal.
Bei hohen und zeitlich ansteigendem Flackeranteil kann ein dahintergeschalteter Schaltkreis mit hoher Zuverlässigkeit eine Gefahrensituation anzeigen und von ungefärlichen Situationen trennen.at high and temporally increasing Flackeranteil can be a behind Circuit with high reliability indicate a dangerous situation and separate it from unfavorable situations.
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1990
- 1990-04-02 DE DE4010570A patent/DE4010570C5/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE4010570C2 (en) | 1998-02-19 |
DE4010570A1 (en) | 1991-10-10 |
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