DE4027090C2 - Anordnung zum Überwachen einer Brennerflamme - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Über­ wachen einer Brennerflamme, mit einem über die Brennerflamme geschlossenen Ionisationsstromkreis und einem von der Bren­ nerflamme abhängig gesteuerten Oszillator zur Erzeugung ei­ nes dynamisches Überwachungssignals.

Eine Gasflamme wirkt bei Einbindung in einen Ionisa­ tionsstromkreis bekanntlich als Reihenschaltung aus einem hochohmigen Widerstand (ca. 10 bis 100 Megaohm) und einer Diode. Dieser Effekt wird bei einer aus der EP 0159748 A1 bekannten Schaltung zur Flammenüberwachung ausgenutzt. Der über die Flamme fließende Ionisationsstrom erzeugt eine Meß­ gleichspannung an einem Kondensator, die an einen Signalein­ gang eines Komparators angelegt und mit einer von der Netz­ frequenz abgeleiteten Rechteckimpulsfolge verglichen wird. Aus dem Vergleichsergebnis wird ein Signal zur Flammenüber­ wachung abgeleitet, dessen Frequenz der Netzfrequenz ent­ spricht. Diese bekannte Anordnung ermöglicht zwar zusätzlich zu der Überwachung des Vorhandenseins der Flamme selbst auch eine Überwachung einiger besonders gefährdeter Schaltungs­ komponenten und erzeugt ein Abschaltsignal bei einer Fehl­ funktion dieser Komponenten, ist jedoch trotzdem für den Dauerbetrieb nicht zuverlässig genug. Bei Fehlern in denje­ nigen Komponenten, welche die dem Vergleich dienende Refe­ renzspannung erzeugen, kann ein das Vorhandensein einer Brennerflamme simulierendes Signal entstehen. Außerdem kön­ nen Netzfrequenzeinstrahlungen zum Schalten der Kompara­ toranordnung führen. Dies ist ein generelles Problem, wenn - wie bei der bekannten Schaltung - eine Referenzspannung bei Netzfrequenz vorgesehen ist.

Bei einer aus der DE 24 30 328 A1 bekannten Anordnung der gattungsgemäßen Art wird der Oszillator mit einem von einem Flammendetektor erzeugten Auslösesignal gesteuert. Das zur Auslösung erforderliche Signal ist relativ schwach; dem­ entsprechend feinfühlig muß der Oszillator auf das Auslöse­ signal ansprechen. Änderungen in einer Komponente des mit dem Auslöseeingang gekoppelten Rückkopplungskreises können zu einer Verschiebung und damit zu einer Fehlauslösung füh­ ren. Der Abstimmungs- und Einstellungsaufwand der Einzelkom­ ponenten der Gesamtanordnung ist relativ hoch.

Die US-PS 38 53 455 beschreibt eine Flammen; Zünd- und Überwachungsanordnung, bei der ein Flammenwächter einen Os­ zillator in Abhängigkeit von dem Vorhandensein einer Flamme steuert. Funktion und Ansprechverhalten des Oszillators sind abhängig von der Funktion der Komponenten der Flammenabtast­ schaltung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Flammen­ überwachung ohne wesentlichen baulichen und/oder funktionel­ len Mehraufwand zuverlässig und damit für den Dauerbetrieb geeignet zu machen.

Ausgehend von einer Anordnung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Anordnung sorgt dafür, daß ein Flammensignal unter allen Umständen nur dann angezeigt wird, wenn einerseits eine Flamme vorhanden ist und der Ionisa­ tionsstrom über die Flamme fließt und andererseits alle Kom­ ponenten der Überwachungsanordnung uneingeschränkt funk­ tionsfähig sind. Das Schwingen des Oszillators, d. h. dessen dynamisches Ausgangssignal ist ein stets fehlersicheres Zei­ chen für das Vorhandensein einer Flamme; denn der Oszillator wird direkt aus dem über die Flamme fließenden Ionisations­ strom versorgt. Bei einem Elektrodenkurzschluß fließt nur ein Wechselstrom, der die vom Oszillator benötigte Versor­ gungsgleichspannung nicht erzeugen kann. Die Folge ist, daß der Oszillator nicht schwingen kann.

Ein wesentlicher weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die zuverlässige Flammenüberwachung mit einfachen baulichen Mitteln erreicht wird. Der Oszillator bedarf keines (dynamischen) Referenzsignals und wird direkt aus dem Ionisati­ onsstromkreis gespeist. Der Ionisationsstrom ist sowohl Ein­ gangssignal als auch Versorgungssignal. Die Erfindung arbeitet auch unabhängig von der Netzfrequenz, da der Oszillator auf eine geeignete Oszillatorfrequenz abgestimmt werden kann. Im Gegensatz zum oben beschriebenen Stande der Technik besteht also keine Gefahr von Netzfrequenzeinstrahlungen und die Be­ triebssicherheit der Überwachungsschaltung beeinträchtigenden Fehlschaltungen. Die Oszillatorfrequenz kann beispielsweise im Bereich zwischen 1 und 10 kHz vorgesehen sein; bei dem weiter unten beschriebenen Beispiel beträgt die Oszillatorfrequenz ca. 2 kHz, einer Frequenz, bei der keine Netzfrequenzeinstrahlungen in den weiterverarbeitenden bzw. signalauswertenden Schaltungen zu erwarten sind.

Eine weitere Erhöhung der Zuverlässigkeit der Flammenüber­ wachung läßt sich in Weiterbildung der Erfindung dadurch errei­ chen, daß das Ausgangssignal des Oszillators über eine Ladungs­ pumpenschaltung zum Versorgen eines Stellglieds verwendet wird und daß die Brennstoffzufuhr zu der Überwachten Brennerflamme unterbrochen wird, wenn und solange das Stellglied ohne Versor­ gung ist. Dabei wirkt das dynamische Ausgangssignal des Oszil­ lators als Ladungspumpensignal, das einem zum Stellglied gehö­ renden Relais zugeführt wird, um das Vorhandensein der Brenner­ flamme anzuzeigen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet,

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit den wichtigsten, teilweise als Blöcke dargestellten Komponenten; und

Fig. 2 ein teilweise gegenüber Fig. 1 abgewandeltes und ergänztes Ausführungsbeispiel.

Die in Fig. 1 dargestellte Flammenwächteranordnung weist einen Netztransformator 1 mit zwei Sekundärwicklungen 11 und 12 auf, aus denen die Gesamtanordnung gespeist wird. Ein Netzteil 2 liegt an der ersten Sekundärwicklung 11 und erzeugt in dem beschriebenen Beispiel eine Betriebsspannung von 24 V. Die zweite Sekundärwicklung 12 erzeugt die Ionisationsspannung für einen Ionisationsstromkreis. Dieser enthält neben der Sekundär­ wicklung 12 die Flamme 3, deren elektrische Ersatzschaltung, wie eingangs gesagt, aus einer Reihenschaltung aus einem hoch­ ohmigen Widerstand 30 und einer Diode 31 besteht. Der Ionisati­ onsstrom fließt von der in die Flamme 3 eintauchenden Ionisati­ onselektrode 32 durch die Gasflamme 3 (elektrische Ersatzkompo­ nenten 30, 31) zum Brennermassenanschluß 33. Außerdem enthält der Ionisationsstromkreis einen gegebenenfalls einstellbaren Begrenzungswiderstand 4, eine Bezugsspannungsleitung 5 und einen Rechteckoszillator 6 als Last. Der Oszillator 6 bezieht seine Versorgungsgleichspannung aus dem Ionisationsstromkreis und ist demgemäß mit seinen beiden Versorgungsanschlüssen 61, 62 in den Ionisationsstromkreis 12, 33, 3, 4, 6, 5 eingebunden. Ein Siebkondensator 7 ist zum Rechteckoszillator 6 parallel ge­ schaltet.

An den Ausgang 63 ist der Signaleingang eines Verstärkers 8 kapazitiv angekoppelt. Der Verstärker 8 wird aus dem Netzteil 2 mit 24 V Betriebsspannung versorgt.

Ein Gleichrichter 9 entwickelt aus dem verstärkten und ka­ pazitiv angekoppelten Oszillatorsignal eine gleichgerichtete Ausgangsspannung gegen das Bezugspotential V_REF auf der Leitung 5. An den Ausgängen 91 und 92 des Gleichrichters 9 wird daher nur eine Spannung entwickelt, wenn am Gleichrichtereingang 90 Rechteckimpulse vom Ausgang 63 des Oszillators 6 anstehen. Wenn der Oszillator 6 nicht schwingt, ist die Spannungsdifferenz an den Ausgangsanschlüssen 91 und 92 gleich Null oder unterhalb einer zur Erregung des nachgeschalteten Relais 10 notwendigen Schwellenspannung. Das Relais 10 ist Bestandteil eines in der Zeichnung nur durch einen Kontakt 14 (Schließer) veranschau­ lichten Stellglieds, das zur Steuerung einer geeigneten Signal- und/oder Brennstoff-Steuereinrichtung dient.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Anordnung arbeitet betriebsmäßig wie folgt. Ist die Flamme 3 vorhanden, so fließt ein Ionisationsstrom über den Ionisationsstromkreis 12, 5, 6, 4, 3 und 33. Der Kondensator 7 lädt sich auf eine Gleichspan­ nung auf, und der Oszillator 6 schwingt bei einer Frequenz von ca. 2 kHz. Die am Ausgang 63 auftretende Rechteckimpulsfolge wird vom Verstärker 8 verstärkt und dient als Pumpsignal für den Gleichrichter 9, der am Anschluß 92 eine Gleichspannung ge­ gen 91 erzeugt. Letztere erregt das Relais 10 und schließt da­ mit den Stellgliedstromkreis über den Kontakt 14. Fällt die Flamme 3 aus, so ist der Ionisationsstromkreis unterbrochen. Der Kondensator 7 entlädt sich über den Oszillator 6. Die Schwingungen am Ausgang 63 des Oszillators 6 brechen ab, sobald die Spannung am Kondensator 7 einen bestimmten Schwellenwert unterschritten hat. Das Relais 10 fällt ab und der Kontakt 14 wird geöffnet. Der Oszillator 6 kann erst anschwingen, wenn der Kondensator 7 über die Flamme 3 wieder mit Gleichstrom versorgt wird. Aufgrund der direkten Speisung des Oszillators 6 aus dem Ionisationsstrom über die Flamme 3 ist das Schwingen des Oszil­ lators ein fehlersicheres Zeichen für das Vorhandensein der Brennerflamme. Bei einem Elektrodenkurzschluß (32/33) fließt nur ein Wechselstrom, der über den Kondensator 7 durchgelassen wird. Der Oszillator 6 erhält daher keine Gleichspannung über den Kondensator 7. Ein Schwingen des Oszillators 6 ist unmög­ lich.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 stimmt hinsichtlich der Anordnung des Ionisationsstromkreises und der Netzspan­ nungsversorgung mit demjenigen gemäß Fig. 1 überein. Abgewan­ delt und funktionell ergänzt ist die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 hinsichtlich einiger dem Ausgang 63 des Oszillators nachgeschalteter Komponenten. Letztere sorgen für eine Fehler­ meldung und bei einer Unterbrechung des Zweiges des Siebkonden­ sators 7 und gleichzeitigem Elektrodenkurzschluß (32/33). In diesem Fehlerzustand erzeugt der Oszillator 6 am Ausgang 63 eine Impulspaketfolge, wobei die Impulspakete jeweils über eine von zwei aufeinanderfolgenden Halbwellen der Netzspannung am Ausgang 63 ausgegeben werden. (Die Oszillatorfrequenz am Aus­ gang 63 beträgt bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel 2 kHz.) Während der jeweils anderen Halbwelle bleibt der Oszilla­ tor 6 im Ruhezustand. Die sich an den ersten Kupplungskondensa­ tor anschließende Schaltung wirkt als Impulsabstandsdiskrimina­ tor, der im Falle einer Unterbrechung des Wechselstromkreises über den Kondensator 7 und einer entsprechenden Unterbrechung zwischen den Impulspaketen am Ausgang 63 ein Störsignal an das dem Relais 10 entsprechenden Relais 10a der Anordnung gemäß Fig. 2 gibt.

Dem Ausgang 63 in Fig. 2 ist ein erster Eingang eines er­ sten Komparators 18 nachgeschaltet. Der zweite Eingang ist mit einer Bezugsspannung U1ref beaufschlagt, die von der Gleich­ spannung am Ausgang des Netzteils 2 abgeleitet ist. Der Kompa­ rator 18 wandelt das Oszillator-Ausgangssignal in eine Rechteckspannung mit 24 V Hub um. Ein Tiefpaß 19 mit relativ großer Zeitkonstante gegenüber der Oszillatorfrequenz entwic­ kelt ein Signal entsprechend dem arithmetischen Mittel der vom Komparator eingespeisten Rechteckspannung. Bei einheitlichem Tastverhältnis, d. h. fehlerfreiem Betrieb, bewegt sich diese Spannung auf den Wert der halben Betriebsspannung und durch­ läuft dabei die an einem nachgeschalteten Komparator 20 über eine zweite Bezugsspannung U2ref voreingestellte Schalt­ schwelle. Falls anstelle eines einheitlichen Oszillatortakts am Ausgang 63 eine Folge von Impulspaketen ausgegeben wird, d. h. die vorausgehende Schaltung fehlerbehaftet ist, ist das vom Tiefpaß 19 gebildete arithmetische Mittel nur ein Viertel der Referenzspannung, was nicht ausreicht, um die Schwelle des Kom­ parators 20 zu durchlaufen. Der Komparator 20 bleibt dann im Ruhezustand.

Falls alle vorausgegangenen Komponenten fehlerfrei arbei­ ten, wird die Schaltschwelle des zweiten Komparators 20 von dem Tiefpaß-Ausgangssignal durchlaufen, und es wird am Ausgang 21 des zweiten Komparators ein Signal erzeugt. Dem Ausgang 21 ist ein Triggerschaltung 22 nachgeschaltet, die in der dargestell­ ten Ausführung eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 23, einem Kondenstor 24 und einer Diode 25 aufweist. Die im Trig­ gerkondensator 24 gespeicherte Ladung wird im Falle eines Si­ gnals am Ausgang 21 auf ein Relais 26 gegeben, das dadurch kurzzeitig anzieht. Der Triggerstoß bei Ladung des Kondensators 24 reicht jedoch zum Halten des Relais' 26 nicht aus. Gehalten wird das Relais 26 über den als Ladungspumpe wirkenden Gleich­ richter 9, der mit den Ausgangsimpulsen des ersten Komparators 18 beaufschlagt ist. Der Gleichrichter 9 erhält aber nur dann eine zum Halten des Relais' 26 geeignete Wechselspannung, wenn der Oszillator 6 ordnungsgemäß schwingt, also auch eine Flamme vorhanden ist. Das Relais 26 schaltet das Relais 10a, das ebenso wie das Relais 10 in der Ausführung gemäß Fig. 1 als Flammenüberwachungsrelais dient.

Die Anordnungen gemäß Fig. 1 und 2 zeigen, daß eine un­ bedingt zuverlässige und für den Dauerbetrieb geeignete Flam­ menüberwachung mit wenigen, relativ einfach aufgebauten Schal­ tungskomponenten erreicht wird.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche Abwand­ lungen möglich. So ist der Rechteckoszillator 6 auch durch an­ dere Schaltungen ersetzbar, die bei Versorgung mit dem Gleich­ strom aus dem Ionisationsstromkreis ein dynamisches Ausgangssi­ gnal erzeugen. Auch kann die Auswerteschaltung 9, 10, 14 in anderer, ggf. bekannter Weise realisiert werden. Die Anschal­ tung einer Ladungspumpenschaltung erweist sich als vorteilhaft, (wenn auch nicht unbedingt erforderlich), da sie das System unempfindlicher macht gegen Fremdeinflüsse.

Claims (7)

1. Anordnung zum Überwachen einer Brennerflamme mit ei­ nem über die Brennerflamme geschlossenen Ionisationsstrom­ kreis und einem von der Brennerflamme (3) abhängig gesteuer­ ten Oszillator (6) zur Erzeugung eines dynamischen Überwa­ chungssignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungsanschlüsse (61, 62) des Oszilla­ tors (6) in Reihe mit dem von der Brennerflamme (3) gebilde­ ten Gleichrichter (31) im Ionisationsstromkreis (12, 3, 4, 6, 5) so angeordnet sind, daß die Versorgungsenergie des Oszillators (6) aus dem Ionisationsstromkreis entnommen wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorfrequenz im Bereich zwischen 1 und 10 kHz, vorzugsweise zwischen 1,5 und 2,5 kHz eingestellt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Siebkondensator (7) parallel zum Oszilla­ tor (6) in den Ionisationsstsromkreis (5, 6, 7, 4, 3, 33, 12) eingebunden ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein hochohmiger Widerstand (4) in Reihe mit dem Oszilla­ tor (6) und dem Siebkondensator (7) im Ionisationsstromkreis angeordnet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Signalausgang (63) des Oszillators (6) eine Ladungspumpenschaltung (9) nachgeschaltet ist, die ein Überwachungsstellglied (10, 14; 10a) versorgt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Überwachungsstellglied ein gepoltes Relais (10; 10a) aufweist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Oszillatorausgang (63) eine das Tastverhältnis des Oszillatorsignals überwachende Schaltung (18-26) nachgeschaltet ist, die so ausgebildet ist, daß sie bei bestimmten Änderungen des Tastverhältnisses des Oszilla­ torsignals eine Störmeldung bewirkt.