DK168340B1 - UV-flammeføler - Google Patents

Description

i DK 168340 B1

Flammefølere bliver anvendt i forbrændingsanlæg for at konstatere, om flammen deri brænder reglementeret. Hvis flammen slukker under drift, skal der straks gribes til en række sikkerhedsforanstaltninger, navnlig udkobling af brændstoftilførslen. Flammefølere må på 5 den ene side i intet tilfælde melde et signal for tilstedeværelsen af en flamme, når en sådan ikke forefindes indenfor en forudgiven tid, men de skal på den anden side have en stor beredskabstid for overvågningen af flammen for også ved stærke strål ingsvariationer indenfor denne forudgivne tid i det mindste én gang at kunne melde 10 "flamme brænder".

Der findes forskellige arter af flammefølere, eksempelvis ionisationsflammefølere og forskellige fotoelektrisk arbejdende flammefølere. Af de sidstnævnte har den for ultraviolet stråling følsomme 15 UV-flammeføl er vundet anerkendelse til mange anvendelsesformål, da den ikke er følsom for stråling i det synlige eller det infrarøde område og kan anvendes lige godt til overvågning af olie- og gas-fl ammer.

20 Flammefølere bliver drevet sammen med flammevagter, der behandler signalet fra flammeføleren, således at et såkaldt flammerelæ aktiveres, hvilket relæ umiddelbart efter slukningen af flammen udløser de så nødvendige sikkerhedsforanstaltninger.

25 i forskellige tilfælde, eksempelvis i anlæg med pilotbrænderflamme, der særskilt skal overvåges, er det nødvendigt at anvende en UV-flammeføler og en ionisationsflammeføler samtidigt. Da ionisationsflammefølere skal drives med vekselspænding, er det fordelagtigt ligeledes at drive UV-flammefølere med vekselspænding for i flamme-30 vagten kun at skulle stille én art af forsyningsspænding til rådighed.

Den strålingsfølsomme komponent af en UV-flammeføl er, UV-cellen, har en tændspænding, der ligger ved 200 til 250 V, i bedste fald altså 35 ved ca. 65% af spidsspændingen af det normale 220 V vekselstrømsnet. Tændberedskabstiden for en UV-celle er derfor stærkt indskrænket ved fødning med netveksel spænding. Af denne grund er der blevet udviklet flammevagtkredsløb, hvori UV-cellen i flammeføleren drives med jævnspænding (DE patentskrift nr. 23 08 524), men der kan ikke

UK ΙΟΰ^Η-υ D I

2 samtidigt til sådanne flammevagter sluttes en ionisationsflammeføler.

UV-celler har med voksende alder tendens til spontane ikke af 5 UV-stråling forårsagede tændinger. Disse frembringer det samme signal som tilstedeværelsen af en flamme. Det skal derfor igen og igen afprøves, om der ved en UV-fl ammeføl er foreligger en sådan fejlbehæftet tilstand. Ved forbrændingsanlæg, hvor brænderen løber i intermitterende drift, bliver afprøvningen foretaget i brændpauser-10 ne, hvorfor en særlig anordning ikke er nødvendig dertil. Ved forbrændingsanlæg, som arbejder i kontinuerlig drift, skal der forefindes automatiske afprøvningsanordninger, som, medens flammen brænder, konstaterer, om UV-cellen er kommet i denne farlige ældningstilstand. Naturligvis skal også det elektroniske kredsløb 15 afprøves for, om det ikke fejlagtigt melder en flamme, når en sådan ikke findes.

Til et forbrændingsanlæg er der i DE patentskrift nr. 30 26 787 beskrevet en UV-flammeføl er, som drives med vekselspænding, og hvor 20 der foran UV-cellen er indkoblet en diode. Den er egnet til varmeanlæg i kontinuerlig drift, når man forsyner den med en blænde, der åbner og lukker med en frekvens, som er mærkbart lavere end netfrekvensen. Flammeføleren er da kun følsom under blændens åbningstid. Endvidere er den kun følsom i den tid, i hvilken den af dioden 25 leverede halvbølge har en højere spænding end tændspændingen for UV-cellen, og dens tændberedskabstid når følgelig kun en forholdsvis kort andel af den samlede driftstid. Kredsløbet kræver ikke noget stort forbrug af komponenter, men dets tændberedskabstid er lille, så at det ikke altid sørger for en forstyrrelsesfri.drift.

30

Formålet med den foreliggende opfindelse er at tilvejebringe en UV-flammeføl er, som drives med vekselspænding, og som alligevel har den størst mulige tændberedskabstid.

35 Ifølge opfindelsen opnås dette ved de i krav l's kendetegnende del angivne foranstaltninger. Underkravene angiver fordelagtige udførelsesformer.

Opfindelsen skal herefter forklares nærmere under henvisning til DK 168340 B1 3 tegningen, hvor fig. 1 viser en UV-flammevagt med en UV-fl ammeføl er i sædvanlig udførelse, 5 fig. 2 en UV-flammeføl er ifølge opfindelsen til intermitterende drift af brænderen, fig. 3 en UV-flammeføl er som ovenfor, hvor lagerkondensatoren oplader sig til en spænding, som ligger over flammefølerens forsyningsspænding, 10 fig. 4 spændings- og strømdiagrammer til fig. 1, fig. 5 spændings- og strømdiagrammer til fig. 2, fig. 6 en UV-flammeføl er med automatisk prøveanordning for et i kontinuerlig drift arbejdende forbrændingsanlæg og fig. 7 en anden sådan UV-flammeføl er.

15

Fig. 1 viser eksempelvis en flammevagt 1, som er forbundet med en flammeføler 2 og med en af nettet forsynet vekselspændingskilde 3. Flammevagten 1 har én kun for en jævnspændingskomposant følsom forstærker 4, der indvirker på et flammerelæ 5. Flammevagten 1 er 20 med klemmer 6 og 7 over et kabel forbundet med udgangen på flamme-føleren 2. Mellem klemmen 7 og indgangen på forstærkeren 4 ligger der et elektrisk netværk, der eksempelvis består af en kondensator 8 og to modstande 9 og 10, og som har en forbindelse til vekselspændingskilden 3. Kondensatoren 8 og modstanden 10 er koblet parallelt 25 med hinanden mellem tilledningen mellem klemmen 7 og forstærkeren 4 og tilledningen til vekselspændingskilden 3, og modstanden 9 ligger i retning mod klemmen 7 foran denne. Hvis fl ammef øl eren 2 over det med klemmen 7 forbundne kabel med tilstrækkelig hyppighed afgiver meldinger om tilstedeværelsen af flammen i forbrændingsanlægget, 30 bevirker flammerelæet 5 opretholdelse af brændstoftilførslen.

Flammeføleren 2 er med en indgangsklemme 11 og en udgangsklemme 12 sluttet til kablet til flammevagten 1. Som komponenter har flammeføleren 2 i seriekobling mellem indgangsklemmen 11 og udgangsklemmen 35 12 en ensretterdiode 14, en UV-celle 3 og en arbejdsmodstand 15.

Denne udførelse svarer til den i DE patentskrift nr. 30 26 787 viste og er at betragte som fortrin til flammeføleren ifølge opfindelsen, da dens tændberedskabstid, således som det påvises nedenfor, ikke opfylder opgavestillingens fordringer.

DK 168340 BT

4

Fig. 2 viser den simpleste flammeføler 2 ifølge opfindelsen til et forbrændingsanlæg, som ikke arbejder i kontinuerlig drift. I denne er der som spændingskilde for UV-cellen 13 med derefter indkoblet arbejdsmodstand 15 anbragt en lagerkondensator 16 som ladningslager 5 i forbindelse med en som enretningsladeanordning benyttet ensretterdiode 14, ved hjælp af hvilken lagerkondensatoren 16 kan oplades til den positive spidsværdi af den fødende vekselspændingskilde 3. Ensretterdioden 14 befinder sig mellem indgangsklemmen 11 og det punkt, som forbinder lagerkondensatoren 16 og UV-cellen 13, altså i 10 ladekredsen for lagerkondensatoren 16. Af1adekredsen for lagerkondensatoren 16 består af UV-cellen 13 og arbejdsmodstanden 15.

Efter en af UV-strålingen fra den på tegningen ikke viste flamme udløst tænding af UV-cellen 13 falder spændingen på lagerkondensa-15 toren 16 tilnærmelsesvis til brændspændingen u^. Hvis UV-cellen 13 er tændt under den positive halvbølge af den fødende vekselspænding, løber cellestrømmen I fra UV-cellen 13 efter denne spændingssænkning som udgangsstrøm I fra flammeføleren 2 over udgangsklemmen 12 fra flammevagten 1. Så snart UV-cellen 13 ved en af de efterfølgende 20 positive halvbølger en gang ikke tændes, sker genopladningen af lagerkondensatoren 16, hvorved ladestrømmen Ic for lagerkondensatoren 16 da fremkommer som udgangsstrøm Ia fra flammeføleren 2. En α undersøgelse af selvtænding af UV-cellen 13 eller af kortslutning af lagerkondensatoren 16 skal ved denne flammeføler 2 ske i brændpau-25 serne, og den kan altså ikke anvendes til i kontinuerlig drift arbejdende anlæg.

En flammeføler 2 med en kaskadekobling, der oplader lagerkondensatoren 16 til en spænding, som ligger over spidsværdien af forsy-30 ningsspændingen ufi for flammeføleren 2, er vist i fig. 3. Også deri findes UV-cellen 13, ensretterdioden 14, arbejdsmodstanden 15 og lagerkondensatoren 16 ligesom i fig. 2. Derudover indeholder den en første hjælpediode 17, som shunter en kaskadekondensator 18 i tilledningen fra klemmen 11 til ensretterdioden 14, og en anden 35 hjælpediode 19, som ligger mellem udgangsklemmen 12 og et punkt mellem kaskadekondensatoren 18 og ensretterioden 14.

Hvis man går ud fra, at kondensatorerne 16,18 til at begynde med ikke bærer nogen ladning, bliver lagerkondensatoren 16 efter DK 168340 B1 5 tilførsel af vekselspændingen i den positive halvbølge opladet over den første hjælpediode 17 og ensretterdioden 14. I den negative halvbølge bliver kaskadekondensatoren 18 opladet over den anden hjælpediode 19, og i den følgende positive halvbølge afladet over 5 ensretterdioden 14 på lagerkondensatoren 16. Spændingen på lagerkondensatoren 16 kan følgelig stige til den dobbelte spidsværdi, så længe UV-cellen 13 ikke tænder. Med hjælpedioden 17 parallelt med kaskadekondensatoren 18 bliver den for evalueringen nødvendige jævnstrømsandel opnået i udgangsstrømmen I, fra flammeføleren 2, når 10 UV-cellen 13 tænder. Dette kredsløb forøger den ved netunderspænding for lille afstand mellem spændingen på lagerkondensatoren 16 og tændspændingen uz (fig. 4 og 5) for UV-cellen i fig. 2 og forbedrer følgelig anlæggets driftspålidelighed. Også denne udførelse kan kun anvendes til forbrændingsanlæg, som ikke arbejder i kontinuerlig 15 drift.

Virkemåden af flammeføleren i fig. 1 er vist i fig. 4, og virkemåden af flammeføleren i fig. 2 er vist i fig. 5. I diagrammerne er vist det på elektroderne i UV-cellen 13 optrædende forløb af spændingen 20 u i den øverste række, en til flammevagten ført udgangsstrøm I i den nederste række, og i fig. 5 er vist en i UV-cellekredsløbet løbende strøm I i den midterste række alle i afhængighed af tiden.

De med a,b og c betegnede mærker over den øverste række angiver som "hændelse" forekomsten af en UV-photon på katoden i UV-cellen 13. I 25 den øverste række er endvidere hver gang angivet tændspændingen uz og brændspændingen ub for UV-cellen 13 samt forsyningsspændingen un-

Den i fig. 4 vedrørende fig. 1 betegnede forsyningsspænding un er under sin positive halvbølge også ført til UV-cellen 13, så længe 30 der på denne ikke indvirker nogen UV-stråling, og den er altså ikke tændt. Hvis der indvirker UV-stråling, brænder der også en flamme, og hvis UV-cellen 13 er i tændberedskabst i Istanden, hvis altså øjebliksværdien af cellespændingen uze på UC-cellen 13 er større end dens tændspænding u_, kan UV-cellen 13 tænde, og cellespændingen u L· tc 35 går tilbage til værdien af brændspændingen ub og forbliver på denne værdi, indtil forsyningsspændingen un falder under denne værdi, og UV-cellen slukker. Derved løber der til flammevagten 1 en udgangsstrøm I , som hver gang svarer til forskellen mellem øjebliksværdien α af forsyningsspændingen up og brændspændingen ub på UV-cellen 13.

DK 168340 B1 6

Hvis der sker indfald af en UV-photon på en af mærket c antydet tid, i hvilken der ikke foreligger noget tændberedskab af UV-cellen 13, bliver denne hændelse ikke meldt. Dette er tilfældet under varigheden af den negative halvbølge af forsyningsspændingen og i den 5 tid, hvor øjebliks værd i en af cel! espændi ngen u er mindre end

Lw tænds pændi ngen uz, altså i mere end halvdelen af den samlede tid. Tændberedskabstiden for UV-flammeføleren 2 ifølge fig. 1 opfylder følgelig ikke opgavestillingens krav.

10 Ved flammevagten ifølge fig. 2, hvis funktion er vist i fig. 5, bliver cellespændingen u ved ikke brændende flamme ved hjælp af lagerkondensatoren 16 holdt på spidsværdien af den positive halvbølge af forsyningsspændingen un· Den falder efter en af den brændende flamme forårsaget tænding af UV-cellen 13 til værdien af 15 brændspændingen u^, og der løber derved en cellestrøm Ize, der registreres som udgangsstrøm I_ af flammevagten 1 (fig. 1). Spæn-dingen på lagerkondensatoren 16 forbliver på værdien af brændspændingen U|j, når cellen i de positive halvbølger til stadighed er tændt. Hvis der imidlertid ved en af de næste positive halvbølger 20 ikke optræder nogen hændelse, hvis der altså ikke sker nogen tænding af UV-cellen 13, bliver lagerkondensatoren 16 genopladet af denne halvbølge og holder sin spænding, indtil cellen igen tænder. Den derved opstående ladestrøm I_ bliver tolket som udgangsstrøm I fra flammeføleren 2 af forstærkeren 4 (fig. 1), som om en hændelse havde 25 fundet sted i denne positive halvbølge af forsyningsspændingen un· Hvis hændelserne til at begynde med kun falder i de positive halvbølger, bliver disse meldt enkeltvis, men i den nærmest følgende hændelsesløse positive halvbølge bliver genopladningen af lagerkondensatoren 16 principielt stadig meldt som en hændelse. Da denne 30 hændelse indtræffer indenfor en meget kort tid, nemlig indenfor en periode efter den mulige slukning af flammen, er denne melding ikke af betydning.

Ved lagringen af spidsværdien af forsyningsspændingen ufi i lager-35 kondensatoren 16 fås der også en forøgelse af tændberedskabstiden for denne flammeføler 2. Der bliver ikke kun som ved flammeføleren 2 i fig. 1 meldt de med mærkerne a og b betegnede hændelser i den positive halvbølge af forsyningsspændingen un til flammevagten 1, men også den ikke med en positiv halvbølge sammenfaldende med mærket DK 168340 B1 7 c betegnede hændelse, hvis blot lagerkondensatoren 13 da er opladet over tændspændingen uz· Meldingen af denne hændelse sker da på det tidspunkt, hvor den efter hændelsen følgende hændelsesløse positive halvbølge genoplader lagerkondensatoren 16.

5

Hvis hændelserne optræder så hyppigt, at der i hver positive halvbølge finder en tænding af UV-cellen 13 sted, er der med hensyn til udgangsstrømmen L praktisk taget ingen forskel mellem en flammefø- α ler 2 ifølge fig. 1 og en flammeføler ifølge fig. 2. Begge flamme-10 følere 2 befinder sig da i en mætningstilstand. Fordelene ved flammeføleren 2 ifølge fig. 2 bliver desto mere fremtrædende, jo sjældnere hændelserne falder i tændberedskabstiden for flammeføleren 2 ifølge fig. 1, men i stedet indtræffer i den tid, hvor forsyningsspændingen un er mindre end tændspændingen u£. Med anordningen 15 ifølge fig. 2 opnås en teoretisk tændberedskabstid på 100 %.

Til forbrændingsanlæg i kontinuerlig drift er den i fig. 6 viste flammeføler 2 egnet. Den har en UV-celle 13, en ensretter 14, en arbejdsmodstand 15 og en lagerkondensator 16, der er anbragt på 20 lignende måde som i fig. 2. Endvidere findes der i en ikke vist strålegang mellem flammen og UV-cellen 13 en blænde 20, som skiftevis åbner og lukker strålegangen. Frekvensen, med hvilken denne blænde 20 arbejder, er væsentligt mindre end frekvensen af forsyningsspændingen un· Mellem den som ladningslager tjenende lagerkon-25 densator 16 og UV-cellen 13 virker der som skifteorgan en tyristor 22, som ind- og udkobles af en på den ene side til en positiv spænding sluttet synkront af blænden 20 påvirket afbryder 21 over den af en formodstand 23 og en gateafslutningsmodstand 24 dannede spændingsdelerkæde. Lagerkondensatoren 16 bliver følgelig ved lukket 30 strålegang adskilt fra UV-cellen 13, så at UV-cellen 13 i denne tid kun står under indflydelse af den over ensretterdioden 14 leverede halvbølgespænding. En første diode 25 forbinder lagerkondensatoren 16 med indgangsklemmen 11 på flammeføleren 2.

35 Kredsløbet arbejder på følgende måde: Lagerkondensatoren 16 bliver opladet over ensretterdioden 14 og den første diode 25. Hvis blænden 20 er åben, leder afbryderen 21 og derfor også tyristoren 22, og flammeføleren 2 arbejder over i det mindste flere perioder af forsyningsspændingen un som beskrevet i fig. 2 og 5. Hvis blænden 20 8 er lukket, får UV-cellen 13 ingen stråling, og der må derfor ikke afgives noget udgangssignal til flammevagten 1. Da tyristoren 22 da også er spærret, virker lagerkondensatoren 16 ikke mere som spændingskilde for UV-cellen 13, da også den første diode 25 forhindrer 5 afladningen af lagerkondensatoren 16. UV-cellen 13 er da kun, således som vist i fig. 4, tændparat i de væsentligt kortere tider, i hvilke forsyningsspændingen up ligger over tændspændingen u2-

Der kan nu foreligge følgende fejl, som i denne situation kan udløse 10 tændingen af UV-cellen 13, selv om flammeføleren 2 ved hjælp af blænden 20 er adskilt fra flammen: UV-cellen 13 får i mangel af absolut tæthed af blænden 20 ved spredning sporadisk UV-photoner.

15 UV-cellen 13 er ældet og tænder spontant på grund af den tilførte spænding eller har en kortslutning.

Såfremt den første fejl optræder, bliver denne på‘ grund af den lille 20 tændberedskabstid ved udkoblet lagerkondensator 16 kun i reduceret grad meldt til flammevagten 1. Denne undertrykker sådanne meldinger, såfremt de ikke optræder for hyppigt og betragter således længe UV-cellen 13 og strålingstætheden af blænden 20 som fejlfrie, indtil hyppigheden af tændingerne ved lukket blænde 20 når det mål, som er 25 nødvendigt ved åben blænde for meldingen "flamme brænder". Først da bliver videredrift af flammevagten 1 forhindret. Dette gælder eksempelvis for den anden nævnte fejl samt for kortslutningen af lagerkondensatoren 16. Alle andre mulige fejl nedsætter kun tændbe-redskabstiden for flammeføleren 2.

30

Fig. 7 viser en tilsvarende flammeføler 2 i en ændret kobling. Ved denne bliver udkoblingen af lagerkondensatoren 16 bevirket af en HOS-FET-omskifter 26, hvis styrespænding direkte dannes af spændingsfaldet over den i UV-cellekredsen liggende anden arbejdsmod-35 stand 31. Styrespændingen bliver afgrenet efter ensretterdioden 14 og over en modstand 27 og en anden diode 28 ført til en mellem ledningen for styrespændingen og UV-cel lekredsen liggende anden lagerkondensator 29 og sluttet til gaten i MOS-FET omskifteren 26. Den anden diode 28 forhindrer en uønsket afladning af den anden DK 168340 B1 9 1 agerkondensator 29 gennem modstanden 27 og 31. Ved hjælp af en parallelt med den anden lagerkondensator liggende zenerdiode 30 er gaten beskyttet mod overspændinger. Anordningen bliver styret af en afbryder 21, som er tilsluttet mellem source og gate i MOS-FET-5 omskifteren 26. Afbryderen 21 kan være såvel en elektromekanisk som en elektronisk komponent, f.eks. en optokobler. Sourceelektroden i MOS-FET-omskifteren 26 er sluttet til en tilslutning på UV-cellen 13, medens drainelektroden er sluttet til lagerkondensatoren 16.

10 MOS-FET-omskifteren 26 spærrer, når blænden 20 er lukket, og afbryderen 21 leder. Der opstår da de samme forhold som i det ovenfor for fig. 6 beskrevne tilfælde, når afbryderen 21 er åben deri.

Der kan også tilvejebringes flammefølere, hvor en bevægelig blænde 15 20 og en spændingsmultiplikatorkreds, således som beskrevet i fig.

3, anvendes sammen.

De beskrevne flammefølere 2 bliver drevet med vekselspænding og har en beredskabstid på 100 % af den tid, i hvilken de ikke er afdækket 20 mod flammen af en eventuelt tilstedeværende blænde 20. De lader sig teste for fejl, som foregøgler tilstedeværelsen af en flamme, i brændpauserne eller ved bevægelsen af blænden 20 ved de til forbrændingsanlæg for kontinuerlig drift egnede udførelser. Ved udførelsen til kontinuerlig drift fører imidlertid enhver afvigelse fra 25 det ønskede udgangssignal, også fejl i bl ændebe vægel sen, til signalet "ingen flamme til stede" på udgangen af flammevagten, hvilket fører til udkobling af brændstoftilførslen. De er derfor fejl sikre.

30 35

Claims (7)

1. UV-flammeføl er til overvågning af en flamme ved et forbrændingsanlæg, som kan tilsluttes elektrisk til en flammevagt og forsynes af 5 denne med en vekselspænding, og som indeholder en UV-celle, der kan tændes af en UV-stråling fra en flamme, kendetegnet ved, at den indeholder et som spændingskilde for UV-cellen (13) tjenende ladningslager (16) med et énretningsopladeorgan (14), ved hjælp af hvilket ladningslageret (16) kan oplades til spidsværdien af vek-10 selspændingen, hvor spændingen på ladningslageret (16) ved en tænding af UV-cellen (13) kan sænkes til brændspændingen (u^) for UV-cellen (13), og ladestrømmen (Ic) for ladningslageret (16) fremkommer som udgangsstrøm (I.) fra flammeføleren (2). d

2. UV-fl ammeføl er ifølge krav 1, kendetegnet ved, at ladningslageret består af en lagerkondensator (16), som er parallelkoblet med UV-cellen (13), og som indeholder mindst én ensretterdiode (14) som énretningsopladeorgan, hvilken ensretterdiode befinder sig i en elektrisk tilledning til forgreningen mellem 20 lagerkondensatoren (16) og UV-cellen (13).

3. UV-flammeføl er ifølge krav log2, kendetegnet ved, at lagerkondensatoren (16) ved hjælp af opladeorganet kan oplades til en spænding, som ligger over forsyningsspændingen (un) for flamme- 25 føleren (2).

4. UV-flammeføl er ifølge krav 3, kendetegnet ved, at den indeholder en første hjælpediode (17), som shunter en mellem en indgangskl emme (11) og ensretterdioden (14) indkoblet kaskadekon- 30 densator (18), og en anden hjælpediode (19), som ligger mellem en udgangsklemme (12) og et punkt mellem kaskadekondensatoren (18) og ensretterdioden (14).

5. UV-flammeføl er ifølge mindst et af kravene 1-4 med en i en 35 strålegang mellem flammen og UV-cellen værende blænde, som skiftevis åbner og lukker strålegangen, kendetegnet ved, at der findes et omskifterorgan mellem ladningslageret (16) og UV-cellen (13), ved hjælp af hvilket ladningslageret (16) og UV-cellen (13) kan adskilles ved lukket blænde (20). DK 168340 Bl

6. UV-fl ammeføl er ifølge krav 5, kendetegnet ved, at omskifterorganet i det væsentlige består af en afbryder (21) og en tyristor (22).

7. UV-fl ammeføl er ifølge krav 5, kendetegnet ved, at omskifterorganet i det væsentlige består af en afbryder (21) og en MOS-FET-omskifter (26).