EP1157236A1 - Device for monitoring the flames of oil burners, with adaptive properties - Google Patents
Device for monitoring the flames of oil burners, with adaptive propertiesInfo
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Abstract
Description
Vorrichtung zur Flammenüberwachung bei Ölbrennern mit adaptiven Eigenschaften Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Flammenüberwachung bei Ölbrennern gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs l.
Derartige Vorrichtungen zur Flammeniiberwachung verfügen in der Regel über einen Sensor, der das Licht der Flamme des Brenners erfasst und hieraus ein entsprechendes Signal erzeugt, sowie über eine Verstärkerschaltung zur Auswertung des vom Sensor erfassten Signals.
Das vom Sensor zu erfassende Licht der Flamme verfügt abhängig vom Betriebszustand des Ölbrenners über einen grossen Dynamikbereich. Bei einem"kalten"Olbrenner-also beim Anfahren des Ölbrenners-wird vom Sensor nur ein kleines Signal erfasst, bei einem "heissen"Olbrenner hingegen liegt ein grosses Signal vor. Diese Dynamik bringt das Problem mit sich, dass die Anforderungen an die Empfindlichkeit derartiger Vorrichtungen zeitlich variabel sind, da sowohl ein sicheres Anfahren als auch Abschalten des Ölbrenners gewährleistet sein muss.
Bei Vorrichtungen zur Flammenüberwachung nach dem Stand der Technik wird dem obigen Dynamikbereich keine Rechnung getragen, dass heisst die Empfindlichkeit der Vorrichtungen zur Flammenüberwachung wird lediglich auf einen festen Wert eingestellt.
Daraus folgt unmittelbar, dass die Funktionsweise der Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nur suboptimal sein kann.
Als Stand der Technik wird auf die DE 196 50 972 A1 verwiesen, die ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung und Regelung von Verbrennungsprozessen offenbart.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine Vorrichtung zur Flammenüberwachung bei Ölbrennem zu schaffen, die optimiert ist.
Dieses Problem wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs I gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt :
Fig. l eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Flammenüberwachung bei Ölbrennem als schematisiertes Blockschaltbild.
Die in der Zeichnung gezeigte erfindungsgemässe Vorrichtung zur Flammenüberwachung bei Ölbrennem verfiigt über einen Sensor 10 sowie über eine dem Sensor 10 zugeordnete Verstärkerschaltung 11. Der Sensor 10 überwacht eine nicht-dargestellte Flamme eines ebenfalls nicht dargestellten Ölbrenners. Konkret handelt es sich bei dem Sensor 10 vorzugsweise um einen Infrarot-Sensor, der das Licht der Flamme des Ölbrenners im Infrarot-Bereich erfasst und hieraus ein entsprechendes Signal 12 generiert. Die Verstärkerschaltung 11 dient der Auswertung des vom Sensor 10 erfassten Signals 12.
Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass der Sensor 10 nicht als Infrarot-Sensor ausgebildet sein muss. Vielmehr können auch andere Sensoren zur Überwachung der Flamme des Ölbrenners eingesetzt werden.
Die erfindungsgemässe Verstärkerschaltung 11 passt ihre Empfindlichkeit automatisch an den tatsächlichen Pegel des vom Sensor 10 erfassten Signals 12 an. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Verstärkerschaltung 11 und damit die aus dem Sensor 10 und der Verstärkerschaltung 11 bestehende Vorrichtung zur Flammeniiberwachung unabhängig vom Zustand des Brenners ist, also über den gesamten Dynamikbereich der Flamme des Ölbrenners zuverlässig arbeitet.
Die Verstärkerschaltung 11 verfügt hierzu über eine Spannungsteiler-Einrichtung 13, eine Filtereinrichtung 14, eine Gleichrichter-Einrichtung 15 und eine Verstärker-Einrichtung 16.
Gemäss Figur 1 dienen das vom Sensor 10 erfasste Signal 12 sowie ein Regelsignal 17 als Eingangsgrössen für die Spannungsteiler-Einrichtung 13. In der Spannungsteiler Einrichtung 13, die als Kombination von Festwiderstand und einstellbarem Widerstand ausgebildet ist, werden das vom Sensor 10 erfasste Signal 12 sowie das Regelsignal 17 derart miteinander verrechnet, dass die Amplitude des vom Sensor erfassten Signals 12 auf eine definierte Amplitude eingestellt wird. Dieses auf die definierte Amplitude eingestellte Signal ist das Ausgangssignal 18 der Spannungsteiler-Einrichtung 13, welches der Filter Einrichtung 14 als Eingangssignal zugeführt wird.
Die Filter-Einrichtung 14 umfasst zwei Filter, nämlich einen ersten Bandpassfilter 19 sowie einen dem ersten Bandpassfilter 19 nachgeschalteten zweiten Bandpassfilter 20. In der Filter-Einrichtung 14 wird das Ausgangssignal 18 der Spannungsteiler-Einrichtung 13 demnach gefiltert, und ein Ausgangssignal 21 der Filter-Einrichtung 14 wird anschliessend der Gleichrichter Einrichtung 15 zugeführt, die aus dem in Wechselspannung vorliegenden Ausgangssignal 21 ein gleichgerichtetes Ausgangssignal 22 erzeugt. Bei dem Ausgangssignal 22 handelt es sich demzufolge um ein auf die definierte Amplitude eingestelltes, gefiltertes sowie gleichgerichtetes Ausgangssignal des Sensors 10.
Wie Figur 1 entnommen werden kann, verfügt die Gleichrichter-Einrichtung 15 über einen mit einer Diode 23 in Reihe geschalteten Widerstand 24, wobei die Reihenschaltung aus der Diode 23 und dem Widerstand 24 jeweils mit einem Kondensator 25 und einem weiteren Widerstand 26 parallelgeschaltet sind.
Gemäss Figur 1 wird das Ausgangssignal 22 der Gleichrichter-Einrichtung 15 der Verstärker-Einrichtung 16 als Eingangssignal zugeführt. Darüber hinaus wird der Verstärker-Einrichtung 16 ein über entsprechend dimensionierte Widerstände 27,28 und 29 bereitgestelltes Referenzsignal als Sollwert zugeführt. Das Referenzsignal für die Verstärker-Einrichtung 16 wird gemäss Figur 1 zwischen den Widerständen 27 und 28 abgegriffen. Die Verstärker-Einrichtung 16 erzeugt aus diesen Eingangssignalen das Regelsignal 17.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Verstärker-Einrichtung 16 dann, wenn dieselbe über eine Proportional/Integral-Verstärkungscharakteristik verfügt.
Das Ausgangssignal 22 der Gleichrichter-Einrichtung 15 wird zusätzlich einem Komparator 30 als Eingangssignal zugeführt, der das Ausgangssignal 22 der Gleichrichter Einrichtung 15 mit einem Referenzwert vergleicht, der zwischen den Widerständen 29 und 27 abgegriffen wird. Dieser Referenzwert für den Komparator 30 beträgt beispielsweise 70% der definierten Amplitude, auf die das vom Sensor 10 ermittelte Signal 12 in der Spannungsteiler-Einrichtung 13 eingestellt wird. Als Ausgangsgrösse 31 stellt der Komparator 30 ein Flammensignal bereit, welches Informationen über das Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein der Flamme des Ölbrenners enthält.
Da, wie oben dargestellt, die Amplitude des vom Sensor 10 erfassten Signals 12 stets automatisch auf die definierte Amplitude normiert wird, ist die Empfindlichkeit der Verstärkerschaltung 11 über den gesamten Dynamikbereich der Flamme des Ölbrenners optimiert.
Wie bereits oben dargestellt wurde, verfügt die Verstärker-Einrichtung 16 über eine Proportional/Integral-Verstärkungscharakteristik. Die Verstärkungscharakteristik der Verstärker-Einrichtung 16 ist dabei derart ausgelegt, dass ein grösser werdendes Ausgangssignal 22 schnell ausgeregelt wird, während ein kleiner werdendes Ausgangssignal 22 langsam ausgeregelt wird. Hierdurch ist sichergestellt, dass bei einem Flammenausfall das Ausgangssignal 22 schnell unter den Schwellenwert von vorzugsweise 70% fallut und so der Komparator sicher und schnell einen entsprechenden Flammenausfall melden kann.
Die Verstärkungscharakteristik der Verstärker-Einrichtung 16 ist gemäss Figur 1 des weiteren durch ein Signal 32 veränderbar. Diese Eigenschaft ist dann von Bedeutung, wenn die erfindungsgemässe Vorrichtung bei mehrstufig arbeitenden Ölbrennem zum Einsatz kommen soll. So kann nämlich in Verbindung mit mehrstufigen Ölbrennem bei einer Umschaltung von einer Leistungsstufe in eine andere Stufe des Ölbrenners eine sprunghafte Veränderung der Lichtverhältnisse in bezug auf die Flamme des Ölbrenners stattfinden.
Hier muss zuverlässig verhindert werden, dass eine hierdurch bewirkte Verringerung des vom Sensor 10 erfassten Signals 12 als Flammenabriss bzw.
Flammenausfall interpretiert wird. Hierzu wird synchron mit einer Stufenumschaltung des Ölbrenners über das Signal 32 die Verstärkungscharakteristik der Verstärker-Einrichtung 16 auf ein Maximum eingestellt. Hierdurch wird demnach selektiv bei Stufenumschaltungen des Ölbrenners die Verstärkerschaltung 11 momentan derart empfindlich gemacht, dass bei einem sprunghaften Rückgang des Signals 12 infolge einer Stufenumschaltung sicher auf das Vorhandensein einer Flamme des Ölbrenners geschlossen werden kann.
Des weiteren verfügt die Verstärkerschaltung 11 über eine Selbsttest-Funktion. Hierzu ist der Verstärkerschaltung 11 ein Selbsttest-Signal 33 über eine zweite Spannungsteiler Einrichtung 34 zuführbar. Das Selbsttest-Signal 33 dient hierbei der zweiten Spannungsteiler-Einrichtung 34 als Eingangsgrösse, wobei eine Ausgangsgrösse 35 der zweiten Spannungsteiler-Einrichtung 34 der Filter-Einrichtung 14, nämlich dem ersten Bandpassfilter 19, als Eingangsgrösse zur Verfügung gestellt wird.
Bei dem Selbsttest Signal 33 handelt es sich um eine Folge von Impulsen, wobei über die Spannungsteiler Einrichtung 34 synchron zu den Impulsen des Selbsttest-Signals 33 die Verstärkung des ersten Bandpassfilters 19 auf vorzugsweise ein Drittel seiner nominellen Verstärkung reduziert wird. Eine nicht-dargestellte Auswerteschaltung, die dem Komparator 30 nachgeschaltet ist, überprüft, ob der Komparator 30 die im Takt der Impulse des Selbsttest Signals 33 durchgeführte Signalreduzierung erkennt.
Ist dies der Fall, so arbeitet die Verstärkerschaltung 11 fehlerfrei. Hierbei ist von Bedeutung, dass über die Spannungsteiler-Einrichtung 34 die Verstärkung des ersten Bandpassfilters 19 nicht auf Null reduziert wird, sondern nur vorzugsweise gedrittelt oder auch halbiert wird.
Übersteuert nämlich die Verstärker-Einrichtung 16 aufgrund eines Fehlers, so genügt das Dritteln oder das Halbieren der Verstärkung des ersten Bandpassfilters 19 nicht, damit der Komparator 30 auf die Impulse des Selbsttest-Signals 33 entsprechend reagieren kann.
Damit ist ein Fehler erkannt. Würde jedoch die Verstärkung des ersten Bandpassfilters 19 auf Null reduziert werden, so würde auch bei einer übersteuernden Verstärker-Einrichtung 16 der Komparator 30 auf die Impulse im Selbsttest-Signal reagieren und könnte dann den Fehler nicht erkennen.
Von Vorteil ist des weiteren, wenn die erfindungsgemässe Vorrichtung aus dem Sensor 10 und der adaptiven Verstärkerschaltung 11 in ein digitales, mikroprozessorgesteuertes Steuergerät bzw. Regelgerät integriert wird. Bei dieser Integration kann nämlich die erfindungsgemässe Vorrichtung optimal eingesetzt werden. So kann ein digitales, mikroprozessorgesteuertes Steuergerät bzw. Regelgerät die Ausgangsgrösse 31 des Komparators 30 direkt auswerten.
Auch kann ein digitales Steuergerät bzw. Regelgerät das Selbsttest-Signal 33 sowie das Signal 32 sicher und leicht generieren. Darüber hinaus kann auf einfache Art und Weise das Regelsignal 17 einfach ausgewertet werden. Darüber hinaus ergibt sich bei einer Integration der erfindungsgemässen Vorrichtung in einen Mikroprozessor eine Kosteneinsparung, da der konstruktive Aufbau vereinfacht wird.
Bezugszeichenliste :
10 Sensor l l Verstärkerschaltung
12 Signal 13 Spannungsteiler-Einrichtung
14 Filter-Einrichtung
15 Gleichrichter-Einrichtung
16 Verstärker-Einrichtung
17 Regelsignal
18 Ausgangssignal 19 BandpaBfilter
20 Bandpassfilter
21 Ausgangssignal
22 Ausgangssignal
23 Diode
24 Widerstand
25 Kondensator
26 Widerstand
27 Widerstand
28 Widerstand
29 Widerstand
30 Komparator 31 Ausgangsgrösse
32 Signal 33 Selbsttest-Signal
34 Spannungsteiler-Einrichtung
35 Ausgangsgrösse
Device for flame monitoring in oil burners with adaptive properties The invention relates to a device for flame monitoring in oil burners according to the preamble of claim 1.
Such devices for flame monitoring generally have a sensor that detects the light from the flame of the burner and uses this to generate a corresponding signal, and an amplifier circuit for evaluating the signal detected by the sensor.
The flame light to be detected by the sensor has a large dynamic range depending on the operating status of the oil burner. In the case of a "cold" oil burner - that is to say when the oil burner starts up - only a small signal is detected by the sensor, whereas in the case of a "hot" oil burner there is a large signal. This dynamic brings with it the problem that the requirements for the sensitivity of such devices are variable over time, since both a safe start-up and shutdown of the oil burner must be guaranteed.
In devices for flame monitoring according to the prior art, the above dynamic range is not taken into account, that is, the sensitivity of the devices for flame monitoring is only set to a fixed value.
It follows directly from this that the functioning of the devices according to the prior art can only be suboptimal.
As prior art, reference is made to DE 196 50 972 A1, which discloses a method and an arrangement for monitoring and regulating combustion processes.
Proceeding from this, the present invention is based on the problem of creating a device for flame monitoring in oil burners which is optimized.
This problem is solved by a device with the features of claim I. Further advantageous embodiments of the invention result from the subclaims and the description. A preferred exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. The drawing shows:
1 shows an inventive device for flame monitoring in oil burners as a schematic block diagram.
The device according to the invention for flame monitoring in oil burners, shown in the drawing, has a sensor 10 and an amplifier circuit 11 assigned to sensor 10. Sensor 10 monitors a flame (not shown) of an oil burner, also not shown. Specifically, the sensor 10 is preferably an infrared sensor that detects the light of the flame of the oil burner in the infrared range and generates a corresponding signal 12 from it. The amplifier circuit 11 is used to evaluate the signal 12 detected by the sensor 10.
For the sake of completeness, it should be noted that the sensor 10 need not be designed as an infrared sensor. Rather, other sensors can be used to monitor the flame of the oil burner.
The amplifier circuit 11 according to the invention automatically adjusts its sensitivity to the actual level of the signal 12 detected by the sensor 10. This ensures that the amplifier circuit 11 and thus the device for flame monitoring consisting of the sensor 10 and the amplifier circuit 11 is independent of the state of the burner, that is to say operates reliably over the entire dynamic range of the flame of the oil burner.
For this purpose, the amplifier circuit 11 has a voltage divider device 13, a filter device 14, a rectifier device 15 and an amplifier device 16.
According to FIG. 1, the signal 12 detected by the sensor 10 and a control signal 17 serve as input variables for the voltage divider device 13. In the voltage divider device 13, which is designed as a combination of a fixed resistor and an adjustable resistor, the signal 12 and the control signal 17 is offset against one another in such a way that the amplitude of the signal 12 detected by the sensor is set to a defined amplitude. This signal set to the defined amplitude is the output signal 18 of the voltage divider device 13, which is fed to the filter device 14 as an input signal.
The filter device 14 comprises two filters, namely a first band-pass filter 19 and a second band-pass filter 20 connected downstream of the first band-pass filter 19. Device 14 is then fed to the rectifier device 15, which generates a rectified output signal 22 from the output signal 21 present in AC voltage. The output signal 22 is accordingly a filtered, rectified, and rectified output signal from the sensor 10 that is set to the defined amplitude.
As can be seen in FIG. 1, the rectifier device 15 has a resistor 24 connected in series with a diode 23, the series connection of the diode 23 and the resistor 24 being connected in parallel with a capacitor 25 and a further resistor 26.
According to FIG. 1, the output signal 22 of the rectifier device 15 is fed to the amplifier device 16 as an input signal. In addition, the amplifier device 16 is supplied with a reference signal provided via correspondingly dimensioned resistors 27, 28 and 29 as a setpoint. According to FIG. 1, the reference signal for the amplifier device 16 is tapped between the resistors 27 and 28. The amplifier device 16 generates the control signal 17 from these input signals.
A configuration of the amplifier device 16 is particularly advantageous if it has a proportional / integral gain characteristic.
The output signal 22 of the rectifier device 15 is additionally fed to a comparator 30 as an input signal which compares the output signal 22 of the rectifier device 15 with a reference value which is tapped between the resistors 29 and 27. This reference value for the comparator 30 is, for example, 70% of the defined amplitude to which the signal 12 determined by the sensor 10 is set in the voltage divider device 13. As the output variable 31, the comparator 30 provides a flame signal which contains information about the presence or absence of the flame of the oil burner.
Since, as shown above, the amplitude of the signal 12 detected by the sensor 10 is always automatically normalized to the defined amplitude, the sensitivity of the amplifier circuit 11 is optimized over the entire dynamic range of the flame of the oil burner.
As already shown above, the amplifier device 16 has a proportional / integral gain characteristic. The amplification characteristic of the amplifier device 16 is designed in such a way that an output signal 22 that becomes larger is quickly corrected, while an output signal 22 that is becoming smaller is slowly adjusted. This ensures that, in the event of a flame failure, the output signal 22 drops quickly below the threshold value of preferably 70%, and the comparator can thus reliably and quickly report a corresponding flame failure.
According to FIG. 1, the amplification characteristic of the amplifier device 16 can also be changed by a signal 32. This property is important when the device according to the invention is to be used in multi-stage oil burners. For example, in connection with multi-stage oil burners, when switching from one power stage to another stage of the oil burner, there can be a sudden change in the lighting conditions with respect to the flame of the oil burner.
In this case, it must be reliably prevented that the signal 12 detected by the sensor 10 is reduced as a result of the flame or
Flame failure is interpreted. For this purpose, the gain characteristic of the amplifier device 16 is set to a maximum in synchronism with a step changeover of the oil burner via the signal 32. As a result, the amplifier circuit 11 is therefore made selectively sensitive at the time when the oil burner is switched over in stages, so that if the signal 12 drops suddenly as a result of a stage changeover, the presence of a flame in the oil burner can be reliably concluded.
Furthermore, the amplifier circuit 11 has a self-test function. To this end, the amplifier circuit 11 can be supplied with a self-test signal 33 via a second voltage divider device 34. The self-test signal 33 serves the second voltage divider device 34 as an input variable, an output variable 35 of the second voltage divider device 34 being provided to the filter device 14, namely the first bandpass filter 19, as an input variable.
The self-test signal 33 is a sequence of pulses, the gain of the first bandpass filter 19 being reduced to preferably one third of its nominal gain via the voltage divider device 34 in synchronism with the pulses of the self-test signal 33. An evaluation circuit (not shown), which is connected downstream of the comparator 30, checks whether the comparator 30 detects the signal reduction carried out in time with the pulses of the self-test signal 33.
If this is the case, the amplifier circuit 11 operates without errors. It is important here that the voltage divider device 34 does not reduce the gain of the first bandpass filter 19 to zero, but rather only preferably divides it in half or halves it.
If the amplifier device 16 overrides due to an error, the third or the halving of the gain of the first bandpass filter 19 is not sufficient so that the comparator 30 can react accordingly to the pulses of the self-test signal 33.
An error is thus recognized. However, if the gain of the first bandpass filter 19 were reduced to zero, the comparator 30 would also react to the pulses in the self-test signal in the case of an overdriving amplifier device 16 and would then not be able to recognize the error.
It is also advantageous if the device according to the invention from the sensor 10 and the adaptive amplifier circuit 11 is integrated into a digital, microprocessor-controlled control unit. With this integration, the device according to the invention can be optimally used. A digital, microprocessor-controlled control device or regulating device can thus directly evaluate the output variable 31 of the comparator 30.
A digital control device or control device can also generate the self-test signal 33 and the signal 32 safely and easily. In addition, the control signal 17 can be easily evaluated. In addition, there is a cost saving when the device according to the invention is integrated into a microprocessor, since the structural design is simplified.
Reference symbol list:
10 sensor l l amplifier circuit
12 Signal 13 voltage divider device
14 filter device
15 Rectifier device
16 amplifier device
17 control signal
18 output signal 19 bandpass filter
20 bandpass filters
21 output signal
22 output signal
23 diode
24 resistance
25 capacitor
26 resistance
27 resistance
28 resistance
29 resistance
30 comparator 31 output size
32 Signal 33 Self-test signal
34 Voltage divider device
35 initial size
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