EP1154203B1 - Messeinrichtung für eine Flamme - Google Patents

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EP1154203B1 EP01107100A EP01107100A EP1154203B1 EP 1154203 B1 EP1154203 B1 EP 1154203B1 EP 01107100 A EP01107100 A EP 01107100A EP 01107100 A EP01107100 A EP 01107100A EP 1154203 B1 EP1154203 B1 EP 1154203B1
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voltage
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signal
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Rainer Lochschmied
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Siemens Schweiz AG
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Siemens Schweiz AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/12—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods
    • F23N5/123—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods using electronic means

Definitions

  • the present invention relates to a measuring device for a flame according to claim 1.
  • the invention also relates to a control device for a burner with the measuring device for a flame according to claim 1.
  • the present invention has for its object to provide a measuring device for a flame of the type mentioned, which allows a more accurate and improved signal evaluation.
  • the alternating component influenced by the flame signal can be separated from the direct voltage component via first means and the separate alternating component can be compared to the separated direct voltage component via second means in order to generate a pulse-width-modulated signal.
  • adjustable signal range in a wide range, the high sensitivity and the large signal-to-noise ratio whether the flame is on or off and that the analog signal is very accurate and reproducible.
  • the signal transmission via an optocoupler is possible, with both information, flame on and off and PWM signal can be transmitted via only one optocoupler.
  • the ionization electrode can be made touch-proof.
  • Fig. 1 shows schematically the principle of operation of the inventive circuit.
  • the flame 14 with ionization electrode 15 shown in FIG. 2 is represented by a diode 1a and a resistor 1b.
  • an AC voltage of, for example, 230V is applied.
  • U B a positive DC voltage
  • the flame resistance 1b also influences the alternating current through the decoupling resistor 4, but to varying degrees compared to the direct current.
  • the resistor 4 thus flows a direct current and an alternating current as described above.
  • the resistor 4 is now followed by a high pass 5 and a low pass 6.
  • the high-pass 5 the alternating current is filtered out and blocked the DC component. Due to the low-pass filter, the DC component dependent on the flame resistance 1b is filtered out and the alternating current is essentially blocked.
  • the alternating current flowing from the high-pass filter 5 is amplified and a reference voltage U Ref is added.
  • the direct current flowing from the high-pass filter 6 is amplified with possibly small alternating current components and a reference voltage U Ref is added.
  • the DC voltage component U is compared in a comparator 10 with the reference voltage U Ref .
  • Both signals, the PWM signal and the flame signal can now be further processed separately or linked by means of an OR gate 12.
  • an OR gate 12 As an output of the OR gate 12, if there is a flame, a PWM signal is shown whose duty cycle is a measure of the flame resistance 1b. If no flame is present, the output of the OR gate is permanently at 1.
  • the PWM signal can be transmitted via an optocoupler, not shown, in order to achieve a protective separation between the mains side and the protective low voltage side.
  • FIG. 2 shows the actual structure of the diode 1a shown in FIG. 1 as an equivalent circuit 1 and of the resistor 1b, as is also known, for example, from DE 196 32 983 A1.
  • a burner 13 By a burner 13, a flame 14 can be generated. In the flame area 14 protrudes an ionization electrode 15 which detects the ionization current. This depends on the flame resistance and thus the electrode temperature. The electrode temperature in turn depends on the lambda value and thus the excess air of the mixture to be burned. By means of the lambda value, the ratio of air to gas can be adjusted. Typically, the lambda value is chosen between 1.15 and 1.3 to achieve a higher than stoichiometric air to gas ratio

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung für eine Flamme nach Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Regeleinrichtung für einen Brenner mit der Messeinrichtung für eine Flamme nach Anspruch 1.
  • Aus der DE 196 32 983 A1 ist eine Messeinrichtung für eine Flamme und eine zugehörige Regeleinrichtung einen Gasbrenner bekannt, bei der mittels einer Ionisationselektrode ein Lambda-Sollwert für niedrige Emissionen eingestellt wird. Mittels eines Komparators wird das analoge Signal zur Weiterverarbeitung digitalisiert. Das durch den Komparator erzeugte Signal weist jedoch nur einen geringen Signalhub und einen geringen Signal-Störabstand bei der Ein-Aus-Schwelle auf, wenn das Signal auch zur Flammenüberwachung verwendet werden soll.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung für eine Flamme der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche eine genauere und verbesserte Signalauswertung ermöglicht.
  • Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den unabhängigen Ansprüche angegebenen Merkmale gelöst.
  • Kern der Erfindung ist es somit, dass der vom Flammensignal beeinflusste Wechselanteil über erste Mittel vom Gleichspannungsanteil trennbar ist und der getrennte Wechselanteil mit dem abgetrennten Gleichspannungsanteil über zweite Mittel vergleichbar ist um ein pulsweitenmoduliertes Signal zu erzeugen.
  • Durch den Vergleich des Wechselanteils mit dem Gleichanteil werden Schwankungen der Amplitude in der Versorgungsspannung kompensiert, da sich beide Anteile mit der Amplitude in gleichem Verhältnis ändern. Änderungen in der Flamme, z. B. bedingt durch Änderungen der Luftzahl, beeinflussen dagegen die beiden Anteile ungleich.
  • Weitere Vorteile sind der in einem weiten Bereich einstellbare Signalhub, die grosse Empfindlichkeit und der grosse Signal-Störabstand ob die Flamme Ein oder Aus ist sowie dass das analoge Signal sehr genau und reproduzierbar ist.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • So ist die Signalübertragung über einen Optokoppler möglich, wobei beide Informationen, Flamme Ein und Aus und PWM-Signal über nur einen Optokoppler übertragen werden können. Durch den Einbau von Berührschutz-Widerständen kann die Ionisationselektrode berührsicher ausgestaltet werden.
  • Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemässen Verfahrens werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
    • Fig. 1
    Blockschaltbild des erfindungsgemässen Aufbaus;
    Fig. 2
    tatsächlicher Aufbau der in Figur 1 als Ersatzschaltung 1 dargestellten Flamme mit Ionisationselektrode.
  • Fig. 1 zeigt schematisch das Funktionsprinzip der erfindungsgemässen Schaltung. Unter 1 ist in einer Ersatzschaltung die in Figur 2 gezeigte Flamme 14 mit Ionisationselektrode 15 durch eine Diode 1a und einen Widerstand 1b dargestellt. Über L und N wird eine Wechselspannung von beispielsweise 230V angelegt. Wenn eine Flamme vorhanden ist, fliesst wegen der Flammendiode la durch den Blockkondensator 3 in der positiven Halbwelle ein grösserer Strom als in der negativen Halbwelle. Dadurch bildet sich zwischen L und einem zum Zweck des Berührschutzes angebrachten Widerstandes 2 eine positive Gleichspannung UB am Blockkondensator 3 aus. Durch einen Entkopplungswiderstand 4 fliesst daher ein Gleichstrom von N zum Blockkondensator 3. Die Höhe des Gleichstromes hängt dabei von UB und damit direkt vom Flammenwiderstand 1b ab. Der Flammenwiderstand 1b beeinflusst ebenfalls den Wechselstrom durch den Entkoppelwiderstand 4, allerdings in unterschiedlichem Maß gegenüber dem Gleichstrom. Durch den Widerstand 4 fliesst somit ein Gleichstrom und ein Wechselstrom wie oben beschrieben. Dem Widerstand 4 ist nun ein Hochpass 5 und ein Tiefpass 6 nachgeschaltet. Durch den Hochpass 5 wird der Wechselstrom ausgefiltert und der Gleichstromanteil abgeblockt. Durch den Tiefpass wird der vom Flammenwiderstand 1b abhängige Gleichstromanteil ausgefiltert und der Wechselstrom im wesentlichen abgeblockt. In einem Verstärker 7 wird der aus dem Hochpass 5 fliessende Wechselstrom verstärkt und eine Referenzspannung URef zuaddiert. In einem Verstärker 8 wird der aus dem Hochpass 6 fliessende Gleichstrom mit eventuell geringen Wechselstromanteilen verstärkt und eine Referenzspannung URef zuaddiert. Die Referenzspannung URef kann beliebig, z.B. URef = 0 gewählt werden, sie wird jedoch vorzugsweise so gewählt, dass die Verstärker und Komparatoren nur eine Versorgung benötigen. An einem Komparator 9 werden die aus dem Verstärker 7 austretende Wechselspannung U- und die aus dem Verstärker 8 austretende Gleichspannung U= miteinander verglichen und ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal erzeugt. Ändert sich die Amplitude der Netzspannung, so ändern sich Wechselspannung und Gleichspannung im gleichen Verhältnis, das PWM-Signal ändert sich nicht. Der Signalhub des PWM-Signals kann mittels der Verstärker 7 und 8 in einem weiten Bereich zwischen τ = 0 und τ = 50% Tastverhältnis eingestellt werden.
    Der Gleichspannungsanteil U= wird in einem Komparator 10 mit der Referenzspannung URef verglichen. Ist eine Flamme vorhanden, ist der Gleichspannungsanteil grösser als die Referenzspannung (U= > URef) und der Komparatorausgang des Komparators 10 schaltet auf 0. Ist keine Flamme vorhanden, so ist der Gleichspannungsanteil ungefähr gleich der Referenzspannung (U= ≈ URef). Wegen dem Gleichspannungsanteil überlagerten, geringen Wechselspannungsanteil, den der Tiefpass 6 nicht ausfiltert, unterschreitet der Gleichspannungsanteil kurzzeitig die Referenzspannung und am Komparatorausgang des Komparators 10 erscheinen Impulse. Diese Impulse werden auf ein nachtriggerbares Monoflop 11 gegeben. Das Monoflop wird so getriggert, dass die aus dem Komparator 10 ausgegebene Impulsfolge schneller kommt als die Impulsdauer des Monoflops ist. Dadurch erscheint wenn keine Flamme vorhanden ist am Ausgang des Monoflops konstant eine 1. Ist eine Flamme vorhanden, so wird das Monoflop nicht getriggert und am Ausgang erscheint permanent eine 0. Das nachtriggerbare Monoflop 11 bildet somit einen "missing pulse detector" welches das dynamische Ein-/Aus-Signal in ein statisches Ein-/Aus-Signal umwandelt.
  • Beide Signale, das PWM-Signal und das Flammensignal können nun separat weiterverarbeitet werden oder aber mittels eines Oder-Gliedes 12 verknüpft werden. Als Ausgang des Oder-Gliedes 12 zeigt sich bei vorhandener Flamme ein PWM-Signal, dessen Tastverhältnis ein Mass für den Flammenwiderstand 1b ist. Ist keine Flamme vorhanden, ist der Ausgang des Oder-Gliedes permanent auf 1. Das PWM-Signal kann über einen nicht dargestellten Optokoppler übertragen werden, um eine Schutztrennung zwischen der Netzseite und der Schutzkleinspannungsseite zu erreichen.
  • Figur 2 zeigt den tatsächlichen Aufbau der in Figur 1 als Ersatzschaltung 1 dargestellten Diode 1a und des Widerstands 1b, wie er auch beispielsweise aus der DE 196 32 983 A1 bekannt ist. Durch einen Brenner 13 ist eine Flamme 14 erzeugbar. In den Flammenbereich 14 ragt eine Ionisationselektrode 15 welche den Ionisationsstrom erfasst. Dieser hängt vom Flammenwiderstand und damit der Elektrodentemperatur ab. Die Elektrodentemperatur ihrerseits hängt vom Lambdawert und damit dem Luftüberschuss des zu verbrennenden Gemisches ab. Mittels des Lambdawertes kann das Verhältnis von Luft zu Gas eingestellt werden. Üblicherweise wird der Lambdawert zwischen 1.15 und 1.3 gewählt, um ein überstöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Gas zu erreichen
  • Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims (10)

  1. Messeinrichtung für eine Flamme, insbesondere zur Verwendung in einer Regeleinrichtung für einen Brenner (13), mit einer im Flammenbereich (14) des Brenners angeordneten Ionisationselektrode (15), auf die eine Wechselspannung aufgeschaltet ist, wodurch sich in Abhängigkeit vom Ionisationsstrom ein Gleichspannungsanteil überlagert,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der vom Flammenwiderstand beeinflusste Wechselspannungsanteil über erste Mittel (5, 6) vom Gleichspannungsanteil trennbar ist und die getrennte Wechselspannung mit dem abgetrennten Gleichspannungsanteil über zweite Mittel (9, 10) vergleichbar ist um ein pulsweitenmoduliertes Signal zu erzeugen.
  2. Messeinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wechselspannung und der Gleichspannungsanteil mittels eines Hochpasses (5) und eines Tiefpasses (6) voneinander trennbar sind.
  3. Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wechselspannung und der Gleichspannungsanteil mittels eines Komparators (9) vergleichbar ist.
  4. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Gleichspannungsanteil mittels eines Komparators (10) mit einer Referenzspannung (URef) vergleichbar ist um als Flammensignal verwendet zu werden.
  5. Messeinrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Flammensignal an ein getriggertes Monoflop (11) gelegt ist um ein statisches Ein-/Aus-Signal zu bilden.
  6. Messeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das über ein Monoflop (11) getriggerte Flammensignal mit dem pulsweitenmoduliertes Signal in einem Oder-Glied (12) verknüpft ist.
  7. Messeinrichtung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das aus dem Oder-Glied (12) ausgegebene Signal über einen Optokoppler übertragbar ist.
  8. Messeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in Serie zur Ionisationselektrode (15) mindestens ein Widerstand (2) als Berührschutz gelegt ist.
  9. Regeleinrichtung für einen Brenner (13) mit der Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Verwendung der Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 8 in einem Feuerungsautomaten.
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