EP1207346A2 - Flammenwächter für einen mit Öl oder Gas betriebenen Brenner - Google Patents

Flammenwächter für einen mit Öl oder Gas betriebenen Brenner Download PDF

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EP1207346A2 EP01126119A EP01126119A EP1207346A2 EP 1207346 A2 EP1207346 A2 EP 1207346A2 EP 01126119 A EP01126119 A EP 01126119A EP 01126119 A EP01126119 A EP 01126119A EP 1207346 A2 EP1207346 A2 EP 1207346A2
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Kurt-Henry Dr. Mindermann
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    • 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 flame detector for an oil or gas operated burner according to the preamble of claim 1.
  • From DE 198 09 653 C1 is a flame monitor for bluish burning Flames of an oil or gas burner known to the flame radiation sensing photo sensor, one that rises sharply from ultraviolet to infrared Has sensitivity, and includes a downstream evaluation circuit, the the fuel supply switches off when the radiation is in the range from 200 to 500 nm fails or the increase in the detected radiation intensity above 500 nm Migration from the blue area shows.
  • the signal of the Two-channel photo sensor on the one hand, for ultraviolet radiation up to 500 nm and on the other hand, regarding visible and infrared radiation.
  • a special photo sensor with a special evaluation is required.
  • the object of the invention is a flame detector according to the preamble of claim 1 which provides detection of whether the burner is burning, i.e. a Flame is present in a very simple way.
  • Fig. 1 shows a diagram relating to different sizes, plotted compared to the lambda value.
  • FIG. 2 schematically shows a circuit diagram for a control device.
  • Fig. 3 shows diagrammatically the formation of measured values for the Flickering frequency of the flame radiation.
  • a flame from an oil or gas burner burns optimally when a little stoichiometric excess of air is present, i.e. the lambda value is slightly larger than one. If the lambda value continues to increase, the Intensity of the flame radiation too, which also happens when the lambda value falls below one. With a lambda value greater than one shift at Increasing the proportion of combustion air increases the optical frequencies of the Flame radiation to larger values, with a lambda value less than one the optical shifts when the proportion of combustion air is reduced Frequencies of flame radiation at smaller values. In the latter case it increases however, the soot development then also strongly increases (cf. diagram of FIG.
  • the photo sensor When using a photo sensor that detects the flame radiation, the has a sensitivity that rises sharply from ultraviolet to infrared, and a downstream evaluation circuit that generates a signal that the over a predetermined time integrated signal of the photosensor with respect to the radiation in the range of longer wavelengths, approximately> 500 nm, one can do that Apply generated signal to Lambda. You then get one burner-specific curve B according to the diagram of FIG. 1.
  • the evaluation circuit can the signal from the photo sensor with regard to flicker frequency and / or amplitude of the flame radiation detected evaluate and when determining the emigration of the flame radiation at one Flicker frequency below a predetermined value, a signal to increase of the combustion air portion of the fuel-combustion air mixture and at If the predetermined second value is exceeded, a signal for lowering the Generate combustion air portion of the fuel-combustion air mixture.
  • the diagram of FIG. 1 also contains a curve C, the "zero crossings", referred to here as pulsation (Hz) of the signal amplified by an amplifier 1 of the photodetector 2 which detects the flame radiation is plotted opposite Lambda affects. These zero crossings per unit of time essentially correspond the flicker frequency of the flame radiation. These zero crossings are from the Evaluation circuit generated by the DC component of the signal of the Cut off the photo sensor and lay the zero line for the AC component the noise component of the signal is suppressed, i.e. that the dominant Amplitudes remain. The resulting AC signal becomes such amplified, amplifier 3 that as a result of cutting off the upper and lower Sections result in essentially rectangular pulses with varying pulse widths.
  • Hz pulsation
  • a comparator 4 is expediently used either downstream counter, a shift register and evaluation or one Microprocessor 5 uses the functions of these components and the Generates a shutdown signal in the event of a missing flame.
  • Low frequencies of approximately ⁇ 30 Hz can be made in advance by means of a high-pass filter 6 be cut off so that they are not included in the evaluation.
  • the limit for a shutdown is relatively small and periods can occur within the predetermined time in which there is no zero crossing is determined
  • This type of flame monitoring is extremely simple also no problem with sensitivity adjustment, so that it is extremely is easy to use. Overriding is irrelevant because of this the rectangular pulses are not significantly affected.
  • the flame guard can be used with any type of control device for the fuel-combustion air mixture deploy.
  • an optical filter in front of the photosensor use that is essentially absorbing in a wavelength range, which corresponds to the radiation from glowing furnace walls (greater than about 900 nm), thus a flickering that can be generated in the absence of flame by the fact that Air is swirled by a fan in the oven, not with the actual one Flickering of a flame is mistaken.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Flammenwächter für einen mit Öl oder Gas betriebenen Brenner, mit einem die optische Flammenstrahlung erfassenden Fotosensor und einer diesem nachgeschalteten Auswerteschaltung, die feststellt, ob die vom Fotosensor empfangene Strahlung der einer brennenden Flamme entspricht und bei negativem Ergebnis ein Abschaltsignal für die Brennstoffzufuhr erzeugt, wobei die Auswerteschaltung die Zahl der Nulldurchgänge des bearbeiteten Signals des Fotosensors innerhalb einer vorbestimmten Zeiteinheit bestimmt und mit einem vorbestimmten Grenzwert vergleicht, bei dessen Unterschreiten ein Abschaltsignal für die Brennstoffzufuhr erzeugt wird, wobei das Signal des Fotosensors vom Gleichspannungsanteil und Rauschen befreit durch entsprechendes Verstärken zu Rechteckimpulsen verarbeitet ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Flammenwächter für einen mit Öl oder Gas betriebenen Brenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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. Ein Auswertung der vom Fotosensor empfangenen Strahlung hinsichtlich dessen, ob der Brenner brennt oder im Falle, daß er nicht brennt, die Brennstoffzufuhr möglichst umgehend abzuschalten ist, ist hier nicht vorgesehen.
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. Hierbei wird ein spezieller Fotosensor mit einer speziellen Auswertung benötigt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Flammenwächter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die eine Erkennung, ob der Brenner brennt, d.h. eine Flamme vorhanden ist, in sehr einfacher Weise ermöglicht.
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.
Aus Kurve B ist ersichtlich, daß bei einem Lambda-Wert von etwa 1 ein Minimum liegt und die Kurve B von dort sowohl zu höheren wie zu niedrigeren Lambda-Werten hin ansteigt.
Dementsprechend kann die Auswerteschaltung das Signal des Fotosensors bezüglich Flackerfrequenz und/oder Amplitude der erfaßten Flammenstrahlung auswerten 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 des vorbestimmten zweiten Wertes ein Signal zum Erniedrigen des Verbrennungsluftanteils des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches erzeugen.
Das Diagramm von Fig. 1 enthält ferner 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 und die Erzeugung eines Abschaltsignals für den Fall fehlender Flamme 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.
Bei dieser Art der Flammenüberwachung, die äußerst einfach ist, besteht auch keine Problem hinsichtlich Empfindlichkeitseinstellung, so daß er auch äußerst einfach handhabbar ist. Eine Übersteuerung spielt hierbei keine Rolle, da hierdurch die Rechteckimpulse nicht wesentlich beeinträchtigt werden. Der Flammenwächter läßt sich zusammen mit jeder Art von Regeleinrichtungen für das Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch einsetzen.
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 (6)

  1. Flammenwächter für einen mit Öl oder Gas betriebenen Brenner, mit einem die optische Flammenstrahlung und deren Pulsation erfassenden Fotosensor und einer diesem nachgeschalteten Auswerteschaltung, die feststellt, ob die vom Fotosensor empfangene Strahlung der einer brennenden Flamme entspricht und bei negativem Ergebnis ein Abschaltsignal für die Brennstoffzufuhr erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung die Zahl der Nulldurchgänge des bearbeiteten Signals des Fotosensors innerhalb einer vorbestimmten Zeiteinheit bestimmt und mit einem vorbestimmten Grenzwert vergleicht, bei dessen Unterschreiten ein Abschaltsignal für die Brennstoffzufuhr erzeugt wird, wobei das Signal des Fotosensors vom Gleichspannungsanteil und Rauschen befreit durch entsprechendes Verstärken zu Rechteckimpulsen verarbeitet ist.
  2. Flammenwächter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf- oder absteigenden Flanken des Signals von der Auswerteschaltung zählbar sind.
  3. Flammenwächter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung einen Komparator mit nachgeschaltetem Zähler aufweist.
  4. Flammenwächter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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.
  5. Flammenwächter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte einen Bruchteil der geforderten Brennerabschaltzeit beim Feststellen fehlender Flamme bilden.
  6. Flammenwächter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fotosensor ein optisches Filter vorgeschaltet ist, das im wesentlichen Strahlung entsprechend derjenigen von glühenden Ofenwänden absorbiert.
EP01126119A 2000-11-11 2001-11-03 Flammenwächter für einen mit Öl oder Gas betriebenen Brenner Expired - Lifetime EP1207346B1 (de)

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