DE4122636A1 - Vorrichtung und verfahren zum ueberwachen einer flamme - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Über­ wachen einer Flamme nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Durch die EP 03 88 065 ist eine Schaltung bekannt geworden, bei der eine Flamme mittels eines Sensors detektiert wird und die Informa­ tion, ob eine Flamme vorhanden ist oder nicht, als Ladung auf einen Kondensator übertragen wird. In bestimmten Zeitabständen wird dieser Kondensator entladen, wobei der Entladestrom ein Signal an eine signalverarbeitende Anordnung abgibt. Dies erfolgt über eine die Potentiale des Sensorkreises und der signalverarbeitenden Anordnung trennende Einheit.

Dieser Schaltung ist zu eigen, daß die Entladung des Kondensators und die Weiterverarbeitung der Signale innerhalb der signalverar­ beitenden Anordnung eine feste Phasenbeziehung aufweisen müssen. Aus diesem Grund ist eine weitere potentialtrennende Einheit erforder­ lich.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß das vom Sensor abgegebene Signal einem Spannungs-/Frequenzumsetzer zugeführt wird, dessen Ausgangssignal an eine signalverarbeitende Anordnung weitergeleitet wird. Das vom Sensor abgegebene Signal wird so in ein dynamisches Signal überführt, dessen Übertragung und Auswertung einfach und sicher ist.

Durch die dynamische Signalübertragung führt jeder Bauteilausfall, der das dynamische Verhalten unterbindet, zur gleichen Information wie das Signalverhalten bei erloschener Flamme. Je nach Auslegung der signalverarbeitenden Anordnung kann dies zur Abschaltung des brennstoffbeheizten Gerätes und/oder zu einem Alarm führen.

Die Umsetzung des Sensorsignals in eine vom Potential des Sensor­ kreises unabhängige Größe gewährleistet ein einfaches und sicheres Übertragen des Sensorsignals auf die signalverarbeitende Anordnung. Diese Umsetzung erfolgt mittels eines Spannungs-/Frequenzumsetzers, der auch als Strom-/Frequenzumsetzer ausgeführt sein kann.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführte Maßnahme sind vorteil­ hafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Schaltung möglich.

Wird der Spannungs-/Frequenzumsetzer in der Form eines Pulsweiten­ modulators oder eines Frequenzmodulators aufgebaut, werden dem Sensorsignal dadurch dynamische Kenngrößen zugeordnet, wie z. B. das Tastverhältnis oder die Frequenz bzw. die Phase eines oszillierenden Signals, die auf einfache Weise herstellbar und wieder detektierbar sind. Es ist auch möglich, dem Sensorsignal mehrere Kenngrößen zuzu­ ordnen und so eine Redundanz zu erzeugen.

Besonders einfach kann das Sensorsignal in ein pulsweitenmoduliertes Signal überführt werden, wenn ein Komparator vorgesehen ist, der das Sensorsignal mit einer Dreieckspannung vergleicht. Die Grundfrequenz der Dreieckspannung, die auch zeitlich veränderbar sein kann, gibt eine Rahmenzeit vor und die Höhe des Sensorsignals bestimmt das Ver­ hältnis zwischen Impuls und Pause innerhalb der Rahmenzeit.

Unter Ausnützung der ionisierenden Eigenschaften der Flamme kann der Sensor als einfache, sich in den Flammenbereich erstreckende Elek­ trode, beispielsweise in Form eines Drahtes, ausgebildet sein. Wird zwischen Brenner und Elektrode eine Spannung angelegt, so fließt, wenn die Flamme vorhanden ist, ein Strom. Dieser Strom, oder auch der dadurch bedingte Spannungsabfall an einem elektrischen Bauteil, kann zur Auswertung, ob eine Flamme vorhanden ist oder nicht, heran­ gezogen werden. Auf diese Weise lassen sich teure optische Sensoren vermeiden.

Das parallele Verarbeiten des Ausgangssignals des Spannungs-/Fre­ quenzumsetzers in der signalverarbeitenden Anordnung, die auch zur Steuerung der Brennstoffzufuhr Verwendung finden kann, und in einer Sicherheitsschaltung erzeugt eine Redundanz und vermindert so ein Fehlverhalten bei auftretenden Fehlern. Die Sicherheitsschaltung kann durch einfachste Mittel aufgebaut sein, die lediglich die die Flammeninformation enthaltenen Kennwerte auf obere oder untere Grenzwerte überprüft. Die Sicherheitsschaltung kann dann direkt auf das Ventil in der Brennstoffzufuhrleitung wirken, oder zum Beispiel auf die Energieversorgung dieses Ventils.

Durch die Trennung der Potentiale des Sensorkreises und des Kreises der signalverarbeitenden Anordnung lassen sich Einstreuungen in die empfindliche Sensorschaltung weitgehend vermeiden. Hierzu kann vor­ teilhaft ein Opto-Koppler eingesetzt werden.

Eine nach dem Verfahren zum Überwachen einer Flamme eines brenn­ stoffbeheizten Gerätes arbeitende Schaltung überführt vorteilhaft das vom Sensor abgegebene Signal in ein oszillierendes Signal mit vorgebbaren Kennwerten. Die die Information bezüglich der Flamme enthaltenden Kennwerte, zum Beispiel das Impulspausenverhältnis eines Rechtecksignals oder die Frequenz und/oder Phasenlage des oszillierenden Signals, können so ausgewählt werden, daß Einflüsse, wie Einstreuungen in die den Sensor enthaltende Schaltung, keinen Einfluß auf die Kennwerte ausüben. Weiterhin ist es möglich, solche Kennwerte auszuwählen, die bei auftretenden Fehlern, wie zum Bei­ spiel ein Bauteilausfall, bestimmte Extremwerte annehmen, die sich leicht detektieren lassen.

Ferner kann vorgesehen werden, daß unabhängig von der signalverar­ beitenden Anordnung eine Sicherheitsschaltung vorgesehen wird, die die Kennwerte des oszillierenden Signals auf bestimmte Grenzwerte überprüft und bei Über- oder Unterschreiten ein Alarmsignal abgibt. Dadurch erhält man auf einfache Weise eine redundante Schaltung hoher Fehlersicherheit.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Über­ sicht von Baugruppen, Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer möglichen Ausführung und Fig. 3 zwei miteinander korrespondierende Spannungs-/Zeitdiagramme, die das Erzeugen eines pulsweitenmodu­ lierten Signals nach der Ausführung gemäß Fig. 2 erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist mit 10 ein Brenner eines nicht dargestellten brenn­ stoffbeheizten Gerätes und mit 12 die Brennstoffzufuhrleitung zum Brenner 10 bezeichnet. Auf die Brennstoffzufuhrleitung 12 wirken zwei Ventile 14, die vorteilhaft als Magnetventile ausgebildet sein können. Diese Ventile sind allgemein bekannt und werden hier nicht näher beschrieben.

Der Flammenbereich 16 des Brenners 10 wird mit einem Sensor 18 ab­ getastet, der über eine Leitung 20 mit einer signalverarbeitenden Anordnung 22 verbunden ist. Die Leitung 20 wird unterbrochen durch eine Potentialtrennung 24, die in Form eines Opto-Kopplers aufgebaut ist. Der Opto-Koppler 24 ist ein gängiges Bauteil, so daß auch auf dessen Funktionsweise nicht eingegangen wird.

Als signalverarbeitende Anordnung 22 findet eine Mikrocomputer­ schaltung Anwendung, die auch die Steuerung des gesamten Gerätes wahrnimmt. Diese ist mit den Ventilen 14 verbunden und kann sowohl an- und abschaltend als auch stetigregelnd auf diese einwirken.

In der Leitung 20 ist ferner ein Spannungs-/Frequenzumsetzer 26 vorgesehen, der im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 in der Form eines Pulsweitenmodulators dargestellt und hier näher beschrieben ist.

Der Pulsweitenmodulator enthält einen Komparator 28, an dessen erstem Eingang die Leitung 20 angeschlossen ist. An dem Ausgang des Komparators 28 ist die weiterführende Leitung 20 angeschlossen. Weiterhin ist ein Dreiecksgenerator 30 vorgesehen, dessen Ausgang auf den zweiten Eingang des Komparators geführt ist. Durch das Ver­ gleichen der Dreieckspannung Ud (Fig. 3) mit der auf Leitung 20 liegenden Signalspannung Ue entsteht am Ausgang des Komperators 28 eine Rechteckspannung, deren Amplitude Ua einen voreinstellbaren Wert besitzt und deren Impulspausenverhältnis bei festvorgegebener Dreieckspannung von der Signalspannung Ue auf der Leitung 20 abhängt (siehe Fig. 3).

Anstatt des Impulsweitenmodulators kann auch ein Frequenzmodulator eingesetzt werden, der ein Ausgangssignal bestimmter Frequenz oder bestimmter Phase in Abhängigkeit des mittels der Leitung 20 in ihn eingekoppelten Sensorsignals abgibt.

Es ist auch denkbar, einen Pulsweitenmodulator einzusetzen, dem eine Frequenzmodulation in der Form überlagert ist, daß sich die Impuls­ folgefrequenz beziehungsweise die vorgegebene Rahmenzeit der Impuls­ folge ändert. Die hierzu erforderliche Schaltung kann zum Beispiel in Form eines Multivibrators aufgebaut sein.

Der Sensor 18 ist in Form einer sich in den Flammenbereich 16 er­ streckenden Elektrode, insbesondere durch ein Drahtende, ausgebildet und über einen Spannungsteiler 32 mit einer Spannungsquelle 34 ver­ bunden. Die andere Seite der Spannungsquelle 34 ist über den Brenner 10 mit einer Gerätemasse verbunden.

Steht über dem Brenner 10 keine Flamme, so ist der Kreis Elektrode 18, Spannungsteiler 32, Spannungsquelle 34 und Brenner 10 offen und es fließt kein Strom. Bei vorhandener Flamme wird die Strecke zwischen Brenner 10 und Elektrode 18 ionisiert, ein Strom fließt und über den Teilwiderständen des Spannungsteilers 32 fallen Teil­ spannungen ab. Die Leitung 20 ist zwischen den Teilwiderständen am Spannungsteiler 32 angeschlossen, wodurch eine Teilspannung als Signal verwendet wird. Die Information ergibt sich daraus, daß bei einer Flamme eine Spannung am Teilwiderstand abfällt, während ohne Flamme keine Spannung vorhanden ist.

Um einen Materialtransport innerhalb der Flamme zu vermeiden, wird die Spannungsquelle 34 als Wechselspannungsquelle ausgelegt. Die Flamme besitzt eine gleichrichtende Wirkung, so daß über den Wider­ ständen 32 eine gleichförmige Spannung abfällt. Eine Diode 38 in der Form einer Zenerdiode begrenzt die maximale Eingangsspannung am Komparator 28 und ein Kondensator 40 glättet diese Spannung zusätzlich.

Von der Leitung 20 zweigt zwischen der Potentialtrennung 24 und der signalverarbeitenden Anordnung 22 eine Leitung 42 ab, die zu einer Sicherheitsschaltung 44 führt, die direkt (Fig. 1) oder indirekt (Fig. 2) auf die Magnetventile 14 wirkt.

In Fig. 2 enthält die Sicherheitsschaltung 44 einen Fre­ quenz-/Spannungsumsetzer 46 dessen Ausgang negiert auf den Eingang eines UND-Glieds 48 geführt ist. Der zweite Eingang des UND-Glieds 48 ist mit den Magnetventilen 14 verbunden. Der Ausgang des UND-Glieds 48 führt zu einem Bimetallschalter 50, der sich in der nicht dargestellten Stromzufuhr zu den Magnetventilen 14 befindet. Durch diese Anordnung ist eine einfache redundante Sicherheits­ schaltung geschaffen, die bei auftretenden Fehlern die Magnetventile 14 selbständig und zuverlässig schließt.

Die vorbeschriebene Schaltung arbeitet wie folgt:
Ist der in Fig. 2 abgebildete Brenner 10 in Betrieb, so fällt über den Teilwiderständen des Spannungsteilers 32 eine Spannung ab. Diese Spannung wird gleichgerichtet und geglättet, anschließend im Kompa­ rator 28 mit einer Dreieckspannung verglichen und so ein Pulsweiten moduliertes Signal einheitlicher Amplitude erzeugt. Dieses wird über die Potentialtrennung 24 der signalverarbeitenden Anordnung 22 und dem Frequenz-/Spannungsumsetzer 46 der Sicherheitsschaltung 44 zuge­ führt. Bei fehlerfreiem Betrieb liegt die Frequenz des übertragenen Signals innerhalb bestimmter Grenzwerte. Die beispielsweise als Mikrocomputer ausgelegte signalverarbeitende Anordnung 22 steuert oder regelt den normalen Betrieb des brennstoffbeheizten Gerätes.

Am Ausgang des Frequenz-/Spannungsumsetzers 46 liegt ein Signal an, das über eine Negierung dem UND-Glied 48 zugeführt ist. Die Ventile 14 sind geöffnet, wodurch ein Signal am zweiten Eingang des UND-Glieds 48 anliegt. In diesem Zustand erzeugt das UND-Glied kein Ausgangssignal, der Bimetallschalter 50 bleibt geschlossen und die Stromzufuhr zu den Magnetventilen 14 bleibt erhalten.

Erlischt die Flamme, zum Beispiel durch eine normale Abschaltung oder durch einen auftretenden Fehler, so entfällt die Spannung an den Teilwiderständen des Spannungsteilers 32 und beeinflußt damit die Frequenz des zur signalverarbeitenden Anordnung 22 übertragenen Signals. Der Mikrocomputer detektiert, daß keine Flamme mehr vor­ handen ist und gibt ein Signal zum Schließen der Ventile 14 aus, wenn dies nicht bereits geschehen ist.

Da auch das Eingangssignal der Sicherheitsschaltung 44 beeinflußt ist, ändert sich ebenfalls das Ausgangssignal des Frequenzspannungs­ umsetzers 46. Durch die Negation des Eingangs des UND-Glieds 48 führt dies zu einem Ausgangssignal des UND-Glieds 48 wodurch der Bimetallschalter 50 geöffnet und die Stromzufuhr zu den Magnetven­ tilen unterbrochen wird, wenn die Magnetventile 22 nicht bereits durch die Steuereinheit 22 abgeschaltet werden. Auf diese Weise wird - unabhängig von der signalverarbeitenden Anordnung 22 - das brennstoffbeheizte Gerät im Fehlerfall durch Schließen der Magnet­ ventile 14 abgeschaltet. Bei einer normalen Abschaltung im fehler­ freien Betrieb, führt das Öffnen der Magnetventile 14 zum Erlöschen des auf den zweiten Eingang des UND-Gliedes 48 geführten Signals, so daß die Änderung des Ausgangssignals des Frequenzspannungsumsetzers 46 nicht zum Öffnen des Bimetallschalters 50 führt.

In entsprechender Weise arbeitet die Sicherheitsschaltung 44 auch dann, wenn statt des pulsweitenmodulierten ein frequenzmoduliertes oder eine Mischform aus pulsweiten und frequenzmoduliertem Signal Verwendung findet. Wichtig ist hierfür nur, daß der Fre­ quenz-/Spannungsumsetzer 46 das Ausgangssignals des Spannungs-/Fre­ quenzumsetzers 26 auf vorgegebene Grenzwerte überprüft und bei Über- oder Unterschreiten dieser Grenzwerte durch eine Signal­ änderung an seinem Ausgang erkennbar macht.

Es ist auch denkbar, daß die in Fig. 1 aufgezeigten Baugruppen 36, 26, 24, 22, 44 ganz oder teilweise als Programmabläufe in einem Mikrocomputer realisiert sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwachen einer Flamme sieht vor, daß ein beliebiger Sensor 18, zum Beispiel ein optischer Sensor oder eine Elektrode, ein Signal an eine signalverarbeitende An­ ordnung 22 abgibt. Dieses Signal, das gleichförmig oder wechsel­ förmig sein kann, wird in ein oszillierendes Signal mit bestimmten Kennwerten überführt, derart, daß die Kennwerte die Information, ob eine Flamme vorhanden ist oder nicht, enthalten. Die Kennwerte sind beispielsweise ein Pulsweitenverhältnis, eine Frequenz oder eine Phasenlage oder auch Kombinationen hiervon. Über- oder unterschreiten diese Kennwerte bestimmte Grenzen, so kann dadurch erkannt werden, ob die Flamme vorhanden ist oder nicht oder ob ein Fehler vorliegt.

Weiterhin kann der signalverarbeitenden Anordnung 22 eine Sicher­ heitsschaltung 44 parallelgeschaltet werden, deren Aufgabe lediglich darin besteht, zu überprüfen, ob die Kennwerte innerhalb vorgebbarer Grenzwerte liegen und in Abhängigkeit davon ein Ausgangssignal zu generieren.

Auf diese Weise kann eine Flamme einfach, fehlersicher und redundant überwacht werden. Auftretende Fehler, wie ein Bauteilausfall oder Einstreuungen in den Sensorkreis müssen nicht durch die signalverar­ beitende Anordnung 22 erkennbar sein, sondern führen durch die Grenzwertüberwachung der Sicherheitsschaltung direkt zum Abschalten des brennstoffbeheizten Gerätes.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Überwachen eines brennstoffbeheizten Gerätes, mit mindestens einem Sensor zum Erfassen der Flamme, der ein Signal an eine signalverarbeitende Anordnung abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Sensor (18) abgegebene Signal einem Spannungs-/Frequenz­ umsetzer (26) zugeführt ist, dessen Ausgangssignal an die signalver­ arbeitende Anordnung (22) weitergeleitet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-/Frequenzumsetzer (26) als Pulsweitenmodulator (28, 30) realisiert ist, dessen Ausgangssignal die Information über die Flamme als Tastverhältnis enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-/Frequenzumsetzer (26) als Frequenzmodulator realisiert ist, dessen Ausgangssignal die Information über die Flamme als Fre­ quenz oder als Phase enthält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-/Frequenzumsetzer (26) in der Form einer Kombination aus Pulsweiten- und Frequenzmodulators realisiert ist, dessen Ausgangs­ signal die Information über die Flamme in den Kennwerten Tastver­ hältnis und Frequenz oder Phase enthält.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sensor (18) als eine, sich in einen Flammen­ bereich (16) erstreckende Elektrode ausgebildet ist, die an eine Spannungsquelle (34) angeschlossen ist, und durch die ein Strom fließt, wenn eine Flamme vorhanden ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch ge­ kennzeichnet, daß die signalverarbeitende Anordnung (22) eine Aus­ wertung enthält, die Steuersignale wenigstens an ein auf eine Brenn­ stoffzufuhrleitung (12) des brennstoffbeheizten Gerätes wirkendes Ventil (14) abgibt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Sicherheitsschaltung (44) vorgesehen ist, die einen Frequenz-/Spannungsumsetzer (46) enthält, dem ein Ausgangs­ signal des Spannungs-/Frequenzumsetzer (26) zugeführt ist, und die Steuersignale wenigstens an ein auf eine Brennstoffzufuhrleitung (12) des brennstoffbeheizten Gerätes wirkendes Ventil abgibt.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens zwischen dem Spannungs-/Frequenzum­ setzer (26) und der signalverarbeitenden Anordnung (22) Mittel (24) zur Potentialtrennung, insbesondere ein Opto-Koppler, vorgesehen sind.

9. Verfahren zum Überwachen einer Flamme eines brennstoffbeheizten Gerätes, mit einem Sensor zum Erfassen der Flamme, der ein Signal an eine signalverarbeitende Anordnung abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Sensor (18) abgegebene Signal in ein oszillierendes Signal vorgebbarer Kennwerte überführt wird, wobei die Kennwerte die Information des Sensors (18) enthalten.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das oszillierende Signal einer Sicherheitsschaltung (44) zugeführt wird, die, wenn die Kennwerte bestimmte Grenzwerte über- oder unter­ schreiten, unabhängig von der signalverarbeitenden Anordnung (22) ein Signal mindestens an ein auf eine Brennstoffzufuhrleitung (12) des brennstoffbeheizten Gerätes wirkenden Ventil (14) abgibt.