EP1207345B1 - Regeleinrichtung zum Einstellen eines Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches für einen mit Öl oder Gas betriebenen Brenner - Google Patents

Regeleinrichtung zum Einstellen eines Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches für einen mit Öl oder Gas betriebenen Brenner Download PDF

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EP1207345B1
EP1207345B1 EP01126118A EP01126118A EP1207345B1 EP 1207345 B1 EP1207345 B1 EP 1207345B1 EP 01126118 A EP01126118 A EP 01126118A EP 01126118 A EP01126118 A EP 01126118A EP 1207345 B1 EP1207345 B1 EP 1207345B1
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control device
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photosensor
evaluation circuit
flame
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Kurt-Henry Dr. Mindermann
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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
    • F23N5/08—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
    • F23N5/082—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements using electronic means

Definitions

  • the invention relates to a control device for adjusting a fuel-combustion-air mixture for a burner operated with oil or gas according to the preamble of claim 1.
  • a flame detector for bluish flames of an oil or gas burner in which a semiconductor detector is used with a spectral sensitivity in the near ultraviolet with a downstream evaluation circuit, which has a regulator for the fuel combustion air ratio corresponding to spectral distribution of flame radiation affected.
  • a downstream evaluation circuit which has a regulator for the fuel combustion air ratio corresponding to spectral distribution of flame radiation affected.
  • a flame detector for bluish-burning flames of an oil or gas burner which comprises a flame radiation detecting photosensor having a strong ultraviolet to infrared sensitivity increases, and a downstream evaluation circuit which shuts off the fuel supply, if the radiation in the range of 200 to 500 nm precipitates or the increase of the detected radiation intensity above 500 nm reveals a migration out of the blue region.
  • the signal of the photo sensor is two-channel, on the one hand regarding ultraviolet radiation to 500 nm and on the other with respect to visible and infrared radiation, evaluated.
  • the object of the invention is to provide a control device according to the preamble of claim 1, which makes it possible to correctly interpret changes in the flame radiation and to regulate accordingly.
  • Fig. 1 shows a diagram concerning various quantities plotted against the lambda value.
  • Fig. 2 shows schematically a circuit diagram for a control device.
  • Fig. 3 shows diagrammatically the formation of measured values for the flicker frequency of the flame radiation.
  • a flame of an oil or gas burner burns optimally when a small stoichiometric excess air is present, ie the lambda value is slightly greater than one. If the lambda value continues to increase, the intensity of the flame radiation increases, which also happens when the lambda value drops below one. With a lambda value greater than one, the optical frequencies of the flame radiation shift to larger values when the combustion air fraction is increased, with a lambda value of less than one As the proportion of combustion air decreases, the optical frequencies of the flame radiation shift to smaller values. In the latter case, however, the development of soot also increases sharply (see diagram of Fig.
  • the curve B has a minimum at a lambda value of about 1 and increases from there to both higher and lower lambda values.
  • a distinction criterion for the two branches of the curve must be provided if one wants to avoid errors in the regulation of the fuel-combustion-air mixture.
  • a soot measurement is much too expensive for this purpose.
  • the Flackerfrequenz the flame radiation can be used for this purpose, since it is for lambda ⁇ 1 in the range of low frequencies and for lambda> 1 in the range of higher frequencies.
  • the evaluation circuit evaluates the signal of the photosensor with respect to flicker frequency and / or amplitude of the detected flame radiation and when detecting the emigration of the flame radiation at a Flackerfrequenz below a predetermined value, a signal for increasing the combustion air portion of the fuel combustion air Mixture and when a predetermined second value is exceeded, a signal for lowering the Combustion air portion of the fuel-combustion air mixture generated.
  • a photosensor which has a sensitivity that increases greatly from ultraviolet to infrared, the signal of which has to be evaluated with only one channel. It is possible to evaluate the total radiation or also the signal components of low optical frequency (visible and infrared radiation) in order to detect the emigration of the flame radiation. But you can also use other photo sensors for the same purpose.
  • a photodetector as described in DE 197 46 786 C2, which has an evaluation circuit which provides an output signal which is representative of the spectral distribution of the flame radiation in order to determine the emigration of the flame radiation in this way.
  • the flicker frequency of the flame is determined from the signal of the photosensor and then, when the emigration of the flame radiation is detected falls below a predetermined first value of the combustion air fraction and thus the lambda value, and lowered when exceeding a predetermined second value of the combustion air fraction.
  • the first and second predetermined values may be the same or define an interval in which no change in the combustion air fraction is made. In this way, a lambda value can be set slightly greater than one for optimal combustion and make a regulation in this regard to this value, without an excessive construction effort would be necessary.
  • the diagram of Fig. 1 further includes a curve C, the "zero crossings", here referred to as pulsation (Hz), of the amplified by an amplifier 1 signal of the flame radiation detecting photodetector 2 relative to lambda applies.
  • These zero crossings per unit of time essentially correspond to the flicker frequency of the flame radiation.
  • These zero crossings are generated by the evaluation circuit by the DC component of the signal of the photosensor cut off and the zero line for the AC component is so placed that the noise component of the signal is suppressed, ie that the dominant Amplitudes are left over.
  • the resulting AC signal is amplified, amplifier 3, such that substantially rectangular pulses with varying pulse widths result as a result of clipping the upper and lower sections.
  • a comparator 4 is used either with downstream counter, a shift register and evaluation or a microprocessor 5, which performs the functions of these components.
  • Low frequencies about ⁇ 30 Hz can be cut in advance by means of a high-pass filter 6 so that they do not enter into the evaluation.
  • the limit for a shutdown is relatively small and periods may occur within the predetermined time in which no zero crossing is detected, it is appropriate to divide the predetermined time into a plurality, for example, six to ten sections, in which separately counted the zero crossings are then added after each expiration of a section for a predetermined time in order to be able to compare respective values after expiration of such a section for a predetermined time with the limit.
  • This is shown schematically in FIG.
  • the required for gas and oil burners shutdown in a gas burner, for example, 1 sec, readily comply.
  • an optical filter in front of the photosensor, which absorbs substantially in a wavelength range which corresponds to the radiation of glowing furnace walls (greater than approximately 900 nm), so that a flicker which can thereby be generated in the absence of a flame, that air is swirled by a fan in the oven, is not confused with the actual flickering of a flame.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung zum Einstellen eines Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches für einen mit Öl oder Gas betriebenen Brenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine solche Regeleinrichtung ist aus Dokument DE-A-196 50 972 schon bekannt.
  • Aus DE 197 46 786 C2 ist ein Flammenwächter für bläulich brennenden Flammen eines Öl- oder Gasbrenners bekannt, bei dem ein Halbleiterdetektor mit einer spektralen Empfindlichkeit im nahen Ultraviolett mit einer nachgeschalteten Auswerteschaltung verwendet wird, die einen Regler für das Brennstoff-Verbrennungsluft-Verhältnis entsprechend der spektralen Verteilung der Flammenstrahlung beeinflußt. Dies kann aber beim Auswandern der Flammenstrahlung zu größeren Wellenlängen, dem "Gelbbereich" hin zu Problemen derart führen, daß trotz Erhöhung des Verbrennungsluftanteils das Auswandern zunimmt und daraufhin die Brennstoffzufuhr abgeschaltet wird.
  • Aus DE 198 09 653 C1 ist ein Flammenwächter für bläulich brennende Flammen eines Öl- oder Gasbrenners bekannt, der einen die Flammenstrahlung erfassenden Fotosensor, der eine von Ultraviolett zu Infrarot stark ansteigende Empfindlichkeit aufweist, und eine nachgeschaltete Auswerteschaltung umfaßt, die die Brennstoffzufuhr abschaltet, wenn die Strahlung im Bereich von 200 bis 500 nm ausfällt oder die Zunahme der erfaßten Strahlungsintensität oberhalb 500 nm ein Abwandern aus dem blauen Bereich erkennen läßt. Hierbei wird das Signal des Fotosensor zweikanalig, zum einen betreffend Ultraviolettstrahlung bis 500 nm und zum anderen betreffend sichtbare und infrarote Strahlung, ausgewertet.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regeleinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die es ermöglicht, Änderungen der Flammenstrahlung richtig zu interpretieren und dementsprechend zu regeln.
  • Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von beigefügten Abbildungen näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt ein Diagramm betreffend verschiedener Größen, aufgetragen gegenüber dem Lambda-Wert.
  • Fig. 2 zeigt schematisch ein Schaltkreisdiagramm für eine Regeleinrichtung.
  • Fig. 3 zeigt diagrammartig die Bildung von Meßwerten für die Flackerfrequenz der Flammenstrahlung.
  • Eine Flamme eines Öl- oder Gasbrenners brennt dann optimal, wenn ein geringer stöchiometrischer Luftüberschuß vorhanden, d.h. der Lambda-Wert geringfügig größer als eins ist. Steigt der Lambda-Wert weiter an, so nimmt die Intensität der Flammenstrahlung zu, was aber auch geschieht, wenn der Lambda-Wert unter eins abfällt. Bei einem Lambda-Wert größer eins verschieben sich bei Erhöhung des Verbrennungsluftanteils die optischen Frequenzen der Flammenstrahlung zu größeren Werten, bei einem Lambda-Wert kleiner eins verschieben sich bei Erniedrigung des Verbrennungsluftanteils die optischen Frequenzen der Flammenstrahlung zu kleineren Werten. In letzterem Fall steigt allerdings dann auch die Rußentwicklung stark an (vgl. Diagramm von Fig. 1, in dem Kurve A Meßwerte bezüglich der Rußentwicklung, in Bacharach angegeben, gegenüber dem Lambda-Wert aufgetragen zeigt), weshalb in diesem Fall dann, wenn über die Regelung die Rückführung des Brennstoff-Verbrennungsluftgemisches in den optimalen Bereich nicht in vorbestimmter Zeit erreicht wird, die Brennstoffzufuhr zweckmäßigerweise zu unterbrechen ist.
  • Bei Verwendung eines die Flammenstrahlung erfassenden Fotosensors, der eine vom Ultraviolett zu Infrarot stark ansteigende Empfindlichkeit aufweist, und einer nachgeschalteten Auswerteschaltung, die ein Signal erzeugt, das dem über eine vorbestimmte Zeit integrierten Signal des Fotosensors bezüglich der Strahlung im Bereich größerer Wellenlängen, etwa >500 nm, entspricht, kann man das so erzeugte Signal gegenüber Lambda auftragen. Man erhält dann eine brennerspezifische Kurve B gemäß dem Diagramm von Fig. 1.
  • Es hat sich herausgestellt, daß die Kurve B bei einem Lambda-Wert von etwa 1 ein Minimum aufweist und von dort sowohl zu höheren wie zu niedrigeren Lambda-Werten hin ansteigt. Dies führt dazu, daß ein Unterscheidungskriterium für die beiden Äste der Kurve vorgesehen werden muß, wenn man Fehler beim Regeln des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches vermeiden will. Eine Rußmessung ist hierzu allerdings viel zu aufwendig. Jedoch läßt sich die Flackerfrequenz der Flammenstrahlung zu diesem Zweck verwenden, da sie für Lambda < 1 im Bereich tiefer Frequenzen und für Lambda > 1 im Bereich höherer Frequenzen liegt.
  • Aus dieser Erkenntnis heraus ist daher vorgesehen, daß die Auswerteschaltung das Signal des Fotosensors bezüglich Flackerfrequenz und/oder Amplitude der erfaßten Flammenstrahlung auswertet und beim Feststellen des Auswanderns der Flammenstrahlung bei einer Flackerfrequenz unterhalb eines vorbestimmten Wertes ein Signal zum Erhöhen des Verbrennungsluftanteils des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches und beim Überschreiten eines vorbestimmten zweiten Wertes ein Signal zum Erniedrigen des Verbrennungsluftanteils des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches erzeugt.
  • Hierbei läßt sich vorteilhaft, wie in DE 198 09 653 C1 beschrieben, ein Fotosensor verwenden, der eine von Ultraviolett zu Infrarot stark ansteigende Empfindlichkeit aufweist, wobei dessen Signal nur einkanalig ausgewertet werden muß. Man kann die Gesamtstrahlung oder auch die Signalanteile niedriger optischer Frequenz (sichtbare und infrarote Strahlung) auswerten, um das Auswandern der Flammenstrahlung festzustellen. Es lassen sich aber auch andere Fotosensoren zum selben Zweck einsetzen. So läßt sich etwa auch ein Fotodetektor verwenden, wie er in DE 197 46 786 C2 beschrieben ist, der eine Auswerteschaltung aufweist, die ein Ausgangssignal liefert, das für die spektrale Verteilung der Flammenstrahlung repräsentativ ist, um auf diese Weise das Auswandern der Flammenstrahlung festzustellen.
  • Hierbei wird die Flackerfrequenz der Flamme aus dem Signal des Fotosensors bestimmt und dann, wenn das Auswandern der Flammenstrahlung festgestellt wird, bei Unterschreiten eines vorbestimmten ersten Wertes der Verbrennungsluftanteil und damit der Lambda-Wert erhöht, und bei Überschreiten eines vorbestimmten zweiten Wertes der Verbrennungsluftanteil erniedrigt. Der erste und der zweite vorbestimmte Wert können gleich sein oder ein Intervall definieren, in dem keine Änderung des Verbrennungsluftanteils vorgenommen wird. Auf diese Weise läßt sich ein Lambda-Wert etwas größer als eins für eine optimale Verbrennung einstellen und eine diesbezügliche Regelung auf diesen Wert vornehmen, ohne daß ein übermäßiger baulicher Aufwand notwendig wäre.
  • Das Diagramm von Fig. 1 enthält femer eine Kurve C, die "Nulldurchgänge", hier als Pulsation (Hz) bezeichnet, des von einem Verstärker 1 verstärkten Signals des die Flammenstrahlung erfassenden Fotodetektors 2 aufgetragen gegenüber Lambda betrifft. Diese Nulldurchgänge pro Zeiteinheit entsprechen im wesentlichen der Flackerfrequenz der Flammenstrahlung. Diese Nulldurchgänge werden von der Auswerteschaltung erzeugt, indem der Gleichstromanteil des Signals des Fotosensors abgeschnitten und die Nullinie für den Wechselstromanteil so gelegt wird, daß der Rauschanteil des Signals unterdrückt wird, d.h. daß die dominanten Amplituden übrig bleiben. Das sich ergebende Wechselspannungssignal wird derart verstärkt, Verstärker 3, daß sich infolge Abschneidens der oberen und unteren Abschnitte im wesentlichen Rechteckimpulse mit variierenden Pulsbreiten ergeben. Man zählt dann entsprechend auf- und/oder absteigende Flanken dieser Rechteckimpulse und damit Nulldurchgänge. Dies geschieht pro Zeiteinheit, beispielsweise pro Sekunde. Wenn die Zahl der Nulldurchgänge pro Zeiteinheit größer als ein vorbestimmter Grenzwert, beispielsweise 25, ist, geht man davon aus, daß eine Flamme vorhanden ist. Ist die Zahl der Nulldurchgänge gleich dem vorbestimmten Grenzwert oder darunter, geht man davon aus, daß keine Flamme vorhanden ist, und ein Signal zur Unterbrechung der Brennstoffzufuhr kann dementsprechend erzeugt. - Bei Auswertung der Nulldurchgänge läßt sich auf einen speziellen Fotodetektor und die zweikanalige Auswertung seines Signals nach DE 198 09 653 C1 verzichten.
  • Zur Auswertung wird zweckmäßigerweise ein Komparator 4 entweder mit nachgeschaltetem Zähler, einem Schieberegister und Auswertung oder ein Mikroprozessor 5 verwendet, der die Funktionen dieser Komponenten wahrnimmt. Niedrige Frequenzen etwa < 30 Hz können vorab mittels eines Hochpaßfilters 6 abgeschnitten werden, so daß sie nicht in die Auswertung eingehen.
  • Da der Grenzwert für eine Abschaltung relativ klein ist und Perioden innerhalb der vorbestimmten Zeit auftreten können, in denen kein Nulldurchgang festgestellt wird, ist es zweckmäßig, die vorbestimmte Zeit in eine Vielzahl, beispielsweise sechs bis zehn Abschnitte zu unterteilen, in denen separat die Nulldurchgänge gezählt werden, die dann jeweils nach Ablauf eines Abschnittes für eine vorbestimmte Zeit addiert werden, um entsprechende Werte jeweils nach Ablauf eines derartiges Abschnitt für eine vorbestimmte Zeit mit dem Grenzwert vergleichen zu können. Dies ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Hierdurch lassen sich die bei Gas- und Ölbrennern geforderten Abschaltzeiten, bei einem Gasbrenner beispielsweise 1 sec, ohne weiteres einhalten. Bei der Erzeugung des jeweiligen Wertes für die Zahl der Nulldurchgänge fällt jeweils die Anzahl des zeitlich ersten Abschnittes weg und die Anzahl des zeitlich letzten Abschnittes kommt dazu, so daß der Wert nach jedem Abschnitt aktualisiert ist und mit dem Grenzwert verglichen werden kann. Hierzu benötigt man die oben erwähnte Schieberegisterfunktion.
  • Ferner ist es zweckmäßig, vor dem Fotosensor ein optisches Filter zu verwenden, das im wesentlichen in einem Wellenlängenbereich absorbierend wirkt, der der Strahlung von glühenden Ofenwänden entspricht (größer etwa 900 nm), damit ein Flackern, das bei fehlender Flamme dadurch erzeugt werden kann, daß durch einen Ventilator im Ofen Luft verwirbelt wird, nicht mit dem tatsächlichen Flackern einer Flamme verwechselt wird.

Claims (11)

  1. Regeleinrichtung zum Einstellen eines Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches für einen mit Öl oder Gas betriebenen Brenner, mit einem die optische Flammenstrahlung und deren Pulsationen erfassenden Fotosensor (1) und einer diesem nachgeschalteten Auswerteschaltung, die feststellt, ob die Flammenstrahlung im blauen Bereich ausfällt oder zu größeren Wellenlängen hin auswandert, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung das Signal des Fotosensors bezüglich Flackerfrequenz oder Flackerfrequenz und Amplitude der erfaßten Flammenstrahlung auswertet und beim Feststellen des Auswanderns der Flammenstrahlung zu größeren Wellenlängen bei einer Flackerfrequenz unterhalb eines vorbestimmten Wertes ein Signal zum Erhöhen des Verbrennungsluftanteils des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches und beim Überschreiten eines vorbestimmten zweiten Wertes ein Signal zum Emiedrigen des Verbrennungsluftanteils des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches erzeugt.
  2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fotosensor (1) eine von Ultraviolett zu Infrarot stark ansteigende Empfindlichkeit aufweist.
  3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung einen Kanal zur Auswertung von Signalanteilen niedriger und/oder höherer optischer Frequenz aufweist.
  4. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung ein für die spektrale Verteilung der Flammenstrahlung repräsentatives Signal erzeugt und bezüglich des Auswanderns auswertet.
  5. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung die Zahl der Nulldurchgänge des bearbeiteten Signals des Fotosensors (1) innerhalb einer vorbestimmten Zeiteinheit bestimmt wobei das Signal des Fotosensors vom Gleichspannungsanteil und Rauschen befreit durch entsprechendes Verstärken zu Rechteckimpulsen verarbeitet ist.
  6. Regeleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Nulldurchgänge mit einem vorbestimmten Grenzwert vergleichbar sind, bei dessen Unterschreiten ein Abschaltsignal für die Brennstoffzufuhr erzeugt wird.
  7. Regeleinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf- oder absteigenden Flanken des Signals von der Auswerteschaltung zählbar sind.
  8. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung einen Komparator mit nachgeschaltetem Zähler aufweist.
  9. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Zeiteinheit von der Auswerteschaltung in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt ist, wobei die Zahl der Nulldurchgänge am Ende jedes Abschnitts bestimmt wird.
  10. Regeleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte einen Bruchteil der geforderten Brennerabschaltzeit beim Feststellen fehlender Flamme bilden.
  11. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fotosensor ein optisches Filter vorgeschaltet ist, das im wesentlichen Strahlung entsprechend derjenigen von glühenden Ofenwänden absorbiert.
EP01126118A 2000-11-11 2001-11-03 Regeleinrichtung zum Einstellen eines Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches für einen mit Öl oder Gas betriebenen Brenner Expired - Lifetime EP1207345B1 (de)

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EP1207345A3 EP1207345A3 (de) 2004-04-28
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