EP2105669A1

EP2105669A1 - Flammenueberwachungs- und Bewertungseinrichtung

Info

Publication number: EP2105669A1
Application number: EP08005613A
Authority: EP
Inventors: Kurt-Henry Dr. Mindermann; Jens Michael Mindermann
Original assignee: BFI Automation Mindermann GmbH
Current assignee: BFI Automation Mindermann GmbH
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2028-03-26
Also published as: EP2105669B1; DK2105669T3

Abstract

Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung für eine Verbrennungseinrichtung, mit einem die optische Flammenstrahlung und deren Pulsation erfassenden Sensor (1) und einer diesem nachgeschalteten Auswerteschaltung (2), die feststellt, ob die vom Sensor (1) empfangene Strahlung der einer brennenden Flamme entspricht, und bei negativem Ergebnis ein Abschaltsignal für die Brennstoffzufuhr erzeugt, und der Sensor (1) über drei Kanäle als Eingabekanäle für die Auswerteschaltung (2) mit der Auswerteschaltung (2) verbunden ist, und die Auswerteschaltung (2) zur gleichzeitigen Auswertung der Flammenfrequenz, der Amplitude des Flammensignals und des mittleren Strahlungsdrucks ausgestaltet ist, wobei ein Kompositionssignal durch die Auswerteschaltung (2) unter Berücksichtigung der drei Kanäle zur Flammenüberwachung erzeugbar ist und eine Bewertung der Flamme auf Grundlage der Signale der drei Kanäle durchführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung für eine Verbrennungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Verbrennungseinrichtung kann mit gasförmigen, flüssigen sowie festen fossilen Brennstoffen oder auch Reststoffen (z.B. Müll) betrieben werden. Als Verbrennungseinrichtung sind beispielsweise Brenner, Flächenbrenner, Müllverbrennungseinrichtungen und dergleichen möglich.
Bei der optischen Überwachung und Bewertung von Verbrennungen bzw. Feuerungen und der dabei entstehenden Flammen durch den Einsatz verschiedener Strahlungssensoren im Ultravioletten-, sichtbaren und Infrarotbereich sollen die entstehenden schnellen chemischen Verbindungen eines Brennstoffes bei der Oxidation mit Sauerstoff erfasst und in auswertbare Signale über Strom und Spannung elektronisch gespeichert werden. Die durch die Strahlungssensoren erfasste elektromagnetische Strahlung gibt Aufschluss über sehr wichtige Verbrennungszustände, wie z.B. eine optimale wirtschaftliche Verbrennung, die bei einer vollständigen Reaktion im Prozess des Brennstoffluft-Mengenverhältnisses ablaufen muss.
Man spricht dann von einer vollständigen Verbrennung, wenn alle oxidierbaren Bestandteile des Brennstoffes die höchstmögliche Menge an Sauerstoff gebunden haben. Die Flammenbewertung erlaubt die Angabe der Luftzahl Lambda sowie eine wesentliche Einstellungshilfe und Verbesserung bei der Kontrolle der gewünschten CO-, CO₂-, NOX-Werte, für die man aus ökologischen und wirtschaftlichen Gründen Grenzwerte bzw. Grenzbereiche festlegt. Eine der wirksamsten Möglichkeiten zur Energieeinsparung ist die online mit der Flammenüberwachung und -bewertung gesteuerte CO₂-Emissionsreduzierung sowie die Verhinderung einer starken und schnellen Russausbildung im Kessel und in Rauchgaskanälen durch eine CO-Überwachung.
Aus EP 1 207 346 B1 ist ein Flammenwächter für einen mit Öl oder Gas betriebenen Brenner bekannt, bei dem eine Auswerteschaltung die Zahl der Nulldurchgänge eines bearbeiteten Signals eines Fotosensors innerhalb einer vorbestimmten Zeiteinheit bestimmt und mit einem vorbestimmten Grenzwert vergleicht. Bei Unterschreitung des vorbestimmten Grenzwerts wird ein Abschaltsignal für die Brennstoffzufuhr erzeugt. Dementsprechend kann die Auswerteschaltung das Signal des Fotosensors bezüglich Flackerfrequenz und/oder Amplitude der erfassten Flammenstrahlung auswerten.
Aus DE 197 46 786 C2 ist ein Flammenwächter für bläulich brennende 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. Eine 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 Fotosensors 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, wobei keine Bewertung des Brennverhaltens, sondern lediglich eine sicherheitsgerichtete Abschaltung der Brennstoffzufuhr erfolgt.
Aus EP 1 256 763 A2 ist eine Überwachungsvorrichtung zur Flammenüberwachung an ölbetriebenen Gebläsebrennern bekannt, die das von einem Fotowiderstand abgegebene Signal zweikanalig auswertet. Ein erster Kanal dient zur Erfassung der mittleren Helligkeit. Ein zweiter Kanal dient zur Erfassung von Wechselanteilen, die vom Flackern der Flamme herrühren. Die Flamme wird nur dann als ordnungsgemäß brennend anerkannt, wenn an beiden Kanalausgängen der Kanäle ein Signal vorhanden ist. Auf diese Weise soll sichergestellt werden, dass die Flammenüberwachung nicht mit einem defekten Fotowiderstand vorgenommen wird. Die Überwachungsvorrichtung ist auf das bloße Erkennen der Flamme und eine Abschaltung der Brennstoffzufuhr, sofern die Flamme als nichtbrennend bewertet wird, ausgerichtet.
Aus dem Datenblatt zum Giersch FQD, Flammendetektor, Ausgabe März '99, ist beispielsweise ein Flammendetektor bekannt, der neben der Feststellung des Vorhandenseins einer Flamme zusätzlich eine quantitative Aussage über die Verbrennungsgüte ermöglicht, indem ein von der Russzahl abhängiges Signal zur Verfügung steht. Ein Signal einer Fotodiode wird auf zwei Kanälen einem Mikroprozessor zugeführt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Flammenüberwachungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die eine hohe Redundanz für eine erforderliche Sicherheitsüberwachung im Dauerbetrieb in sehr einfacher Weise zusammen mit einer Bewertung des Brennverhaltens ermöglicht.
Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Hierdurch wird eine Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung für eine Verbrennungseinrichtung geschaffen. Die Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung weist einen die Flammenstrahlung und deren Pulsation erfassenden Sensor und eine diesem nachgeschaltete Auswerteschaltung auf. Die Auswerteschaltung stellt fest, ob die vom Sensor empfangene Strahlung der einer brennenden Flamme entspricht. Bei negativem Ergebnis erzeugt die Auswerteschaltung ein Abschaltsignal für die Brennstoffzufuhr. Der Sensor ist über drei Kanäle, die als Eingabekanäle für die Auswerteschaltung ausgestaltet sind, mit der Auswerteschaltung verbunden. Die Auswerteschaltung ist zur gleichzeitigen Auswertung der Flammenfrequenz, der Amplitude des Flammensignals und des mittleren Strahlungsdrucks ausgestaltet. Dadurch wird eine möglichst hohe Dynamik und Genauigkeit bei der Ermittlung der Flackerfrequenzen und Amplituden als auch des Gleichdruckes erhalten. Man erreicht dadurch eine hohe Redundanz für die erforderliche Sicherheitsüberwachung im Dauerbetrieb, ohne den sonst üblichen teureren Blendenbetrieb einsetzen zu müssen. Es ist ein Kompositionssignal, d.h. ein Signal, das die drei Signale der drei Kanäle nach vorgegebenen Kriterien berücksichtigt, durch die Auswerteschaltung erzeugbar und eine Bewertung des Flammenverhaltens aufgrund der Signale der drei Kanäle durchführbar. Durch die dreikanalige Auswertung von Strahlungsdruck, Frequenz und Amplitude kann man weitergehende Informationen aus dem Flammensignal zur Bewertung und sicherheitsgerichteten Verarbeitung gewinnen. Man erhält eine klare Angabe des Verbrennungsverhaltens, eine Diskriminierung der Flammen und eine eindeutigere Identifizierung von Störsignalen. Ein periodischer Vergleich der über die drei Kanäle ermittelten Größen erlaubt das frühzeitige Detektieren einer eventuellen nachteiligen Veränderung im Verbrennungsraum.
Der Sensor ist vorzugsweise als ein fotoelektrischer Sensor wie z.B. eine Fotodiode ausgestaltet, um eine kostengünstige opto-elektronische Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung zu schaffen. Bei den meisten Fotosensoren wird die Eigen-EMK ausgenutzt, so dass eine Eigenschwingung oder Rauschen bei der Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung reduziert wird. Als Fotosensor kann vorzugsweise ein Halbleitersensor auch mit optischem Filter verwendet werden. Der Arbeitsbereich sollte bei einer Wellenlänge unter 300 nm anfangen und bis in den Infrarotbereich hineinreichen. Das Maximum der Empfindlichkeit liegt oberhalb von 800 nm. Sehr wichtig ist auch die Erfassung der Radikalen und deren Modulationsfrequenzen im vorgenannten Bereich.
Vorzugsweise weist der verwendete Fotosensor eine in einem großen Bereich lineare Grundkennlinie in Bezug auf die Wellenlänge auf. So lässt sich über das Verhältnis des modulierten Wechselanteils (Flamme) zum Gleichanteil (Hintergrundstrahlung der Brennkammer) zuverlässig auf die in der Brennkammer herrschenden Bedingungen schließen (z.B. IR-Anteil, Temperatur, Flammenfarbe usw.).
Für eine einfache und kostengünstige ausführbare Möglichkeit den Sensor zu realisieren, mit dem sowohl die Flammenfrequenz, die Amplitude des Flammensignals und der mittlere Strahlungsdruck gemessen werden können, kann bevorzugt der Sensor auch als ein lonisations-, Druck-, oder Schallsensor ausgestaltet sein.
Die erste Trennung der drei Kanäle erfolgt vorzugsweise schon unmittelbar hinter dem Sensor über eine getrennte Verarbeitung der physikalischen Größen Strom (Gleichdruck) und Spannung (Frequenz und Amplitude). Die getrennte Verarbeitung der physikalischen Größen ist besonders einfach über einen Widerstand möglich. Das vom Fotosensor empfangene Signal wird über den Widerstand einfach in die physikalische Größe Strom und in die physikalische Größe Spannung aufgeteilt, so dass eine direkte Korrespondenz zwischen den zu erhaltenden Größen vorliegt. Zur Flammenüberwachung und -Bewertung wird somit ein und dasselbe Signal, das unterschiedlich aufbereitet wird, zur Redundanz verwendet.
Vorzugsweise ist das Kompositionssignal einer Einrichtung zur Einstellung einer optimalen Luftregelung bei der Verbrennung und/oder Einstellung der Brennstoffzufuhr zuführbar. Das Kompositionssignal ist dabei auf die entsprechende Einrichtung zur Einstellung von Luft- oder Brennstoffzufuhr aufschaltbar.
Zur weiteren Steigerung der Redundanz ist bei der Auswertung der Flammenfrequenz eine doppelte Nullpunkt-Durchgangskontrolle durchführbar. Durch die doppelte Nullpunkt-Durchgangskontrolle ist die Flammenfrequenz genauer bestimmbar und kann somit zu einem exakteren Kompositionssignal führen.
Bevorzugt ist die Auswerteschaltung mit einer Empfindlichkeitsregelstufe verbunden. Die Empfindlichkeitsregelstufe, die hardware- oder softwaremäßig ausgestaltet sein kann, regelt die Empfindlichkeit für den Kanal der Frequenz und/oder den Kanal der Amplitude in Abhängigkeit vom ausgewerteten Signal des Kanals des Strahlungsdrucks.
Vorzugsweise sind in dem Kanal für den Strahlungsdruck und in dem Kanal für die Amplitude Abzweige vorgesehen, die auf Abschaltglieder für die Brennstoffzufuhr geführt sind. Somit ist eine weitere Redundanz vorhanden. Unabhängig vom Signal der Auswerteschaltung ist eine Abschaltung der Brennstoffzufuhr sicherheitsgerichtet durchführbar.
Für Wartungs- und Servicearbeiten sowie im Störungsfall ist es sinnvoll, wenn vorzugsweise die Auswerteschaltung einen Speicher aufweist, in dem Parameter hinsichtlich Abschaltungen und/oder Frequenzhistogramme hinterlegbar und auslesbar sind.
Bevorzugt kann auch vorgesehen sein, dass das Signal des Sensors über ein hochtemperaturbeständiges Lichtleitkabel (Glasfaser) aus dem Bereich der Feuerung herausgeführt und dann über drei Kanäle der Auswerteschaltung zugeführt wird.
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 schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung;
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Amplitude der Flamme in Abhängigkeit von der Zeit;
Fig. 3 zeigt einen ersten Kanal des Blockschaltbilds von Fig. 1;
Fig. 4 zeigt einen zweiten und dritten Kanal des Blockschaltbilds von Fig. 1;
Fig. 5 zeigt einen Verlauf einer über einen ersten Kanal gemessenen repräsentativen Größe für den Strahlungsdruck und eine auf Basis des Strahlungsdrucks eingestellte Empfindlichkeit;
Fig. 6 zeigt einen Verlauf einer über einen dritten Kanal gemessenen repräsentativen Größe für eine Amplitude in linearer Darstellung;
Fig. 7 zeigt einen Verlauf einer über einen dritten Kanal gemessenen repräsentativen Größe für eine Amplitude in logarithmischer Darstellung; und
Fig. 8 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung gezeigt. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 liegt zwischen einem als Fotosensor ausgestalteten Sensor 1 und einer Auswerteschaltung 2 der Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung eine dreikanalige Verbindung zwischen dem Fotosensor 1 und der Auswerteschaltung 2 vor. Die Auswerteschaltung 2 ist gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als Mikroprozessor ausgestaltet.
Der Fotosensor 1 kann im Brennraum einer Feuerung vorgesehen sein. Zur Zuleitung zum Sensor kann ein Hochtemperatur-Glasfaserkabel an diesem angeschlossen sein, um das Signal dem Fotosensor 1 aus dem Hochtemperaturbereich zuzuführen.
Die in Fig. 1 dargestellten Kanäle schließen sich in einem Bereich niedriger Temperatur außerhalb des Brennkessels an. Für die in Fig. 1 dargestellten drei Kanäle ist nur ein Fotosensor 1 und damit ein Halbleiter vorgesehen, was einen wesentlichen wirtschaftlichen Nutzen im Hinblick auf die Einsparung von Bauelementen der Schaltung bedeutet.
Der in Fig. 1 dargestellte oberste Kanal (erster Kanal) dient zur Erfassung der Strahlungsstärke als Quotient des einfallenden Lichtstromes auf den Fotosensor pro Empfängerfläche des Fotosensors, also zur Erfassung der Strahlungsleistung bzw. des mittleren Strahlungsdrucks. Der in Fig. 1 mittlere Kanal (zweiter Kanal) dient zur Erfassung der Flackerfrequenzen, welches die periodischen Änderungen der Flammenintensitäten sind, die in Abhängigkeit der Zeit beim Oxidationsvorgang Brennstoff-Luft entstehen. Der in Fig. 1 dargestellte unterste Kanal (dritter Kanal) dient der Amplitudenmessung der Flamme.
Die über den ersten Kanal ermittelte Strahlung kann mit der Basiseinheit Candela (Cd) prozentual angegeben werden über einen Ausgang der Auswerteschaltung 2.
Die über den zweiten Kanal ermittelten Flackerfrequenzen können, sofern sich die Amplitude periodisch über die Zeit ändert, als ein sich periodisch veränderndes um einen Mittelwert schwankendes Bewertungssignal angenommen werden. Die modulierte Schwingung der Helligkeit bestimmt die Frequenz und Intensität der Flamme. Die Frequenz gibt Auskunft über die Schnelligkeit, die Amplitude gibt Auskunft über die Größe der Strahlungsänderung, was in Fig. 2 dargestellt ist.
Eine exakte Auswertung der Frequenz, d.h. eine Erfassung über die Nulldurchgänge des Signals, kann beispielsweise wie in EP 1 207 346 B1 erfolgen. Hierdurch ist eine sehr genaue Erfassung der Flammenfrequenz möglich, die sich für jede Verbrennungseinrichtung und Brennstoff je nach Betriebsweise typisch verändert.
Die als Pulsation (Hz) bezeichneten Nulldurchgänge eines Signals des zweiten Kanals, das üblicherweise gegenüber Lambda aufgetragen ist, entsprechen pro Zeiteinheit im wesentlichen der Flackerfrequenz der Flammenstrahlung. Die Nulldurchgänge werden von der Auswerteschaltung erzeugt, indem der Gleichstromanteil des Signals des Fotosensors abgeschnitten und die Schalthysterese um die Nulllinie 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, dass sich infolge Abschneidens der oberen und unteren Abschnitte im wesentlichen Rechteckimpulse mit variierenden Pulsbreiten ergeben. Man zählt dann entsprechend auf- und 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 darüber, geht man davon aus, dass eine akzeptable Flamme vorhanden ist, darunter wird die Brennstoffzufuhr dementsprechend unterbrochen.
Für eine Dauerbetriebszulassung ist die Erweiterung auf die redundante Erfassung beider Flanken der Schwingungen mit den positiven und negativen Nulldurchgängen einschließlich Kontrolle der entstandenen Impulsbreiten wichtig. Über die Umrechnung im Mikroprozessor kann auch leicht messtechnisch ein Frequenzhistogramm galvanisch getrennt über die Anzeige einer LED angeboten werden. Eine aufwändige Fourier-Analyse ist nicht erforderlich. Im Telegramm befinden sich ferner Aussagen über die CO-, CO₂- und NOX-Verhältnisse.
In Fig. 3 ist der erste Kanal noch einmal einzeln dargestellt. Zwischen dem Fotosensor 1 und der Auswerteschaltung 2, die als Mikroprozessor ausgestaltet ist, sind ein Transimpedanzverstärker 3, ein Tiefpass 4, und ein Logarithmierer 5 vorgesehen. Der erste Kanal zur Erfassung der Strahlungsleistung ist auf einen Analogdigital-Wandler der Auswerteschaltung 2 gelegt. Im ersten Kanal geschieht eine starke Unterdrückung der Wechselspannungen bis hin zu einer sehr niedrigen Frequenz.
Die starke Unterdrückung ist zum Teil durch einen an den Fotosensor 1 angeschlossenen Widerstand 6 ermöglicht. Im Kanal 1 wird die physikalische Größe "Strom" des Fotosensors 1 benötigt. Die Aufspaltung über den Widerstand 6, der hinter den Fotosensor 1 geschaltet ist, erfolgt dadurch, dass für den zweiten und dritten, die zur Erfassung der Frequenz und Amplitude der Flamme vorgesehen sind, die "Spannung" über dem Widerstand 6 abgegriffen wird.
Der Widerstand 6 dient als Stern-Widerstand zur Erzeugung eines in Abhängigkeit von der Größe des Widerstands 6 und des Signals des Fotosensors 1 abhängigen Spannungswertes, der direkt mit dem Stromwert für den ersten Kanal korreliert ist.
In dem zweiten Kanal sind ein Bandpass 7 und ein Operationsverstärker 8 angeordnet. Der Kanal 2 wird auf einen Analogkomparator der Auswerteschaltung 2 gelegt. Der Widerstand 6 wird im Gegensatz zum Signal für den ersten Kanal, wo die Gleichanteile verwendet werden, dazu verwendet, dem zweiten Kanal den Spannungsabfall über dem Widerstand 6 zuzuführen. Der Bandpass 7 ist ein abstimmbarer Bandpassfilter von ca. beispielsweise 150 bis 200 Hz und einer Güte von 0,5, um eine Erregung durch elektrische Wechselfelder auszuschließen. Die geringe Bandbreite dämpft auch die im Flammensignal dominierenden tiefen Frequenzen. Dabei ist der Bandpass 7 so dimensioniert, dass selbst bei großen Amplituden nicht die Sättigung erreicht wird, um eine bei der nachfolgenden kapazitiv gekoppelten Stufe eine Frequenzverdopplung zu vermeiden. Auch aus diesem Grund werden die nachfolgenden Stufen galvanisch gekoppelt.
In dem dritten Kanal ist ein Operationsverstärker 9, ein Logarithmierer 10, ein Präzisionsgleichrichter 11 und ein Tiefpass 12 angeordnet. Die Aufbereitung der Amplitudensignale im dritten Kanal erfolgt logarithmiert. Die negativen und positiven Halbwellen gelangen über den Tiefpass 12 zum Eingang der Auswerteschaltung 2, der durch einen Analog-Digital-Wandler gebildet wird. Über eine Vorspannung der Ansteuerung der beiden Operationsverstärker im Präzisionsgleichrichter kann man leicht den gewünschten Betriebsspannungsbereich definieren.
Über die drei Kanäle, die unterschiedliche Filter, wie beispielsweise Tief-, Band-und Hochpassfilter aufweisen, ist sichergestellt, dass die empfangenen Signale, die der Auswertung des Strahlungsdruckes der Flackerfrequenz und Amplitude dienen, redundant und mit hoher Genauigkeit der Auswerteschaltung 2 vorliegen. Jeder Kanal weist einen für das jeweilige Signal bestmöglich ausgebildeten Signalweg auf. Die in den Fig. 1, 3 und 4 gezeigten Blockschaltbilder sind für die Signalführung in den drei Kanälen optimiert. So erfolgt beispielsweise die Amplitudenmessung durch die im dritten Kanal angeordneten elektronischen Bauteile ausschließlich im relevanten Messbereich, d.h. die Signalanteile, die die Messung stören würden, werden im dritten Kanal herausgefiltert (bspw. werden Rauschen und ein Offset herausgefiltert).
Der in dem Ausführungsbeispiel vorgesehene Widerstand 6 trennt unmittelbar nach dem Fotosensor 1 das Signal für den Strahlungsdruck (erster Kanal) und das Wechselsignal für die Flammenfrequenz und die Amplitude (zweiter und dritter Kanal), und die Signal werden getrennt verarbeitet, wodurch ein sehr frühe Redundanz im Signalpfad erreicht wird.
Durch die drei Kanäle ist eine redundante Bestimmung der Größen Strahlungsdruck, Frequenz und Amplitude der Flamme möglich, wobei die Auswerteschaltung 2 ein Kompositionssignal erzeugt, das unter Berücksichtigung vorbestimmter Kriterien eine Bewertung des Brennverhaltens der Flamme erlaubt. Die Ergebnisse aus den einzelnen Kanälen können zur Erzeugung des Kompositionssignals gewichtet addiert, subtrahiert oder anderweitig miteinander verknüpft werden.
Über den ersten Kanal und die Auswertung des über die Auswerteschaltung 2 bestimmbaren Strahlungsdruckes ist eine Verifikation der über die beiden anderen Kanäle ermittelten Größen, d.h. Flackerfrequenz der Strahlung und Amplitude, möglich. Zudem kann über den Strahlungsdruck auch eine annähernde qualitative Aussage über die Temperatur erfolgen. Bei einer Abweichung von dem Sollwert des gemessenen Strahlungsdruckes ist zumindest eine Aussage über die Tendenz des Temperaturverlaufs und eine aussagefähige Bewertung möglich.
Mit Bewertung der Flamme ist hier gemeint, dass nicht nur eine sicherheitsgerichtete Abschaltung bei einer Erkennung, dass die Flamme aus ist, vorgenommen wird, sondern, dass das Brennverhalten positiv beeinflusst werden kann. Über die dreikanalige Auswertung von Strahlungsdruck, Flackerfrequenz und Amplitude ist eine sehr gute und verifizierte Bewertung möglich.
Unter Verifizierung versteht man, dass einer der Kanäle dazu verwendet wird, die über die beiden anderen Kanäle ermittelten Ergebnisse zu überprüfen. Wie erwähnt eignet sich beispielsweise der erste Kanal, d.h. das Signal des Strahlungsdruckes, für eine solche Verifikation und Bewertung. Beispielsweise wandert die beobachtete Verbrennung bei ansteigendem Strahlungsdruck zu einer vermehrten Produktion von CO und bei abnehmendem Strahlungsdruck zu einer vermehrten Produktion von CO₂. Der erste Kanal für den Strahlungsdruck kann daher dazu verwendet werden, das Luft/Brennstoffgemisch optimal so einzustellen, dass es weder zu einer vermehrten CO-Produktion noch zu einer vermehrten CO₂-Produktion kommt, indem der Druck möglichst konstant gehalten wird. Die Einstellung kann dadurch erfolgen, dass eine Steuerung z.B. mit der Luftzuführungsklappe oder Gebläse erfolgt. Natürlich kann auch die Brennstoffmenge eingestellt werden. Prinzipiell führt die Zufuhr von weniger Luft zu einer tieferen Frequenz und größeren Amplitude, während die Zufuhr von mehr Luft zu einer höheren Frequenz mit kleinerer Amplitude führt. Die gewünschten Histogramme der optimalen Verbrennung, z.B. CO-, CO₂- und NO_X-Werte werden für die Arbeitspunkte der Verbrennungseinrichtungen festgelegt. Es handelt sich dabei um gewichtete Frequenzen, die immer einer typischen Schwankungsbreite unterliegen.
Das Signal über das Flammenbrennverhalten kann über eine mit der Auswerteschaltung verbundene und angesteuerte LED kontaktlos übertragen werden, indem die Auswerteschaltung 2 Informationen über die entsprechend angesteuerte LED optisch überträgt. Diese Informationen können dann auch zur Lambda-Regelung verwendet werden, wobei die kontaktlose optische Übertragung mittels LED bevorzugt ist, um Störungen aufgrund von Anschlüssen oder EMV-Phänomenen so gering wie möglich zu halten. Mit der LED, die Teil der Flammenüberwachungseinrichtung sein kann, ist eine optische DFÜ-Schnittstelle zum Datenaustausch der Flammenüberwachungseinrichtung mit externen Vorrichtungen vorgesehen.
Das über den ersten Kanal ermittelte Signal für den Strahlungsdruck kann auch verwendet werden, um dem Fotosensor 1 vorgeschaltete Blenden oder optische Filter anzusteuern bzw. zu regeln. Die Ansteuerung kann dann derart erfolgen, dass bei hohem Strahlungsdruck die Blendenöffnungen verkleinert, und bei niedrigem Strahlungsdruck vergrößert, oder die Filter verändert werden.
Ebenso wie das Signal des ersten Kanals, d.h. das für den Strahlungsdruck repräsentative Signal, kann eines der beiden anderen Signale der beiden anderen Kanäle für eine Verifikation der gemessenen Signale dienen. Es ist zum Beispiel auch möglich, dass das Signal für die Amplitude, d.h. das Signal des dritten Kanals, zur Verifikation der Messung über den ersten Kanal (Strahlungsdruck) und den zweiten Kanal (Frequenz) verwendet wird.
Zudem ist durch die erfindungsgemäße dreikanalige Ausführung beispielsweise eine Kennliniennachbildung einer verhältnismäßig teuren GaP-Diode als Fotosensor unter Verwendung einer wesentlich kostengünstigeren Silicium-Diode möglich. Durch die logarithmische Erfassung des Signals des ersten Kanals, d.h. des für den Strahlungsdruck repräsentativen Signals, ist die Nachbildung einer linearen Kennlinie in logarithmischer Darstellung möglich.
Die Nachbildung des Verhaltens einer GaP-Diode als Fotosensor erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel darüber, dass die über den ersten Kanal ermittelte Strahlungsleistung bzw. der Strahlungsdruck eine Empfindlichkeitsregelung über eine Empfindlichkeitsregelstufe für den zweiten Kanal zur Erfassung der Amplitude vornimmt. Dazu ist in dem ersten Kanal der Logarithmierer 10 vorgesehen; es handelt sich somit um eine hardwaremäßige Lösung. Zur Realisierung als softwaremäßige Lösung kann in der Auswerteschaltung 2 für den ersten Kanal eine logarithmische Betrachtung der Signaleingangsgröße erfolgen. Die Messung des Strahlungsdrucks kann so über einen sehr großen Messbereich erfolgen. Auch im ersten Kanal sind die elektronischen Bauteile so gewählt, dass das Signal zur Auswertung des Strahlungsdrucks optimiert ist.
In Abhängigkeit vom gemessenen Strahlungsdruck über den ersten Kanal ist damit die Empfindlichkeitseinstellung in Bezug auf das Signal im dritten Kanal möglich. Im "blauen" Strahlungsbereich einer Verbrennungseinrichtung kann eine höhere Empfindlichkeit und damit Verstärkung eingestellt werden. Mit steigendem Druck, d.h. der Strahlungsbereich der Verbrennungseinrichtung geht in die Bereiche "gelb" und "infrarot", kann die Empfindlichkeit in Abhängigkeit vom steigenden Druck wieder heruntergeregelt oder geschaltet werden. Mit steigendem Druck wird also eine niedrigere Verstärkung bzw. Empfindlichkeit bezüglich des dritten Kanals der Amplitude eingestellt. Statt der Empfindlichkeit kann auch ein Analogkomparator (Schmidttrigger) verstellt werden, so dass gleichsam eine Hysterese Beachtung findet.
In Fig. 5 ist ein Verlauf einer über den ersten Kanal gemessenen repräsentativen Größe für den Strahlungsdruck dargestellt. Im Ausführungsbeispiel mit einem Fotosensor als Sensor der Strahlung sind dem ausgewerteten Signal (Strom des Fotosensors bzw, der Fotodiode) äquivalente Temperaturen am schwarzen Strahler zugeordnet, die auf der oberen x-Achse abzulesen sind.. Der Strahlungsdruck ist als Funktion des über den ersten Kanal gemessenen Stroms des Fotosensors bzw. der Fotodiode (untere x-Achse) gezeigt. Das Signal für den Strahlungsdruck steigt mit zunehmendem Strom des Fotosensors an. Die Werte des Strahlungsdruckes sind an der linken y-Achse abzulesen.
Ebenfalls in Fig. 5 ist auch die relative Empfindlichkeit aufgetragen, wobei die entsprechenden Werte an der rechten y-Achse abzulesen sind. Die Empfindlichkeit beträgt bis zu einem Diodenstrom von etwa 10 µA 100 % und sinkt dann für größere Ströme des Fotosensors.
In den Fig. 6 und 7 ist jeweils ein Verlauf einer über den dritten Kanal gemessenen repräsentativen Größe für die Amplitude der Flamme dargestellt. In Fig. 6 ist eine lineare Darstellung und in Fig. 7 eine logarithmische Darstellung gewählt. Für das Ausführungsbeispiel mit einem Fotosensor als Sensor ist eine Spannung des Fotosensors bzw. der Fotodiode gezeigt, für den Fall, dass die Empfindlichkeit für den Signaleingang des dritten Kanals in Abhängigkeit vom gemessenen Strahlungsdruck eingestellt wird. Es ergibt sich in der logarithmischen Darstellung eine lineare Kennlinie für das Signal über den dritten Kanal, d.h. die Amplitude.
Durch den ersten Kanal, mit dem der Strahlungsdruck ermittelt wird, ist eine Regelung für die Messung der Amplitude über den dritten Kanal möglich und das Verhalten einer GaP-Diode kann auch mit einer kostengünstigen Silicium-Diode nachgebildet werden. Damit werden die störenden Einflüsse rotstrahlender Ausmauerungen, glühender Kesselwände und Flammenrohre verhindert.
Ein Beispiel für den Betrieb einer erfindungsgemäßen Flammenüberwachungseinrichtung ist wie folgt: Beim Einschalten der Verbrennungseinrichtung wird eine Quantisierung vorgenommen, bei dem jedes Signal der drei Kanäle überwacht wird und erst dann die Flamme als brennend klassifiziert, wenn jede Messgröße eines Kanals über einer bestimmten Schwelle bzw. in einem vorbestimmten Bereich sich befindet. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass im Kanal für die Frequenz bei der Einschaltung innerhalb von fünf Zeiteinheiten von beispielsweise 140 ms jeweils eine bestimmte Zahl von Nulldurchgängen detektiert werden muss, um die Flamme als "brennend" zu bewerten. Für die Frequenz heißt das, dass umgerechnet insbesondere bei einer Frequenz größer als 50 Hz die Flamme als brennend bewertet wird, da sehr häufig die Flamme mit Zündtransformatoren gezündet wird, die mit 50 Hz arbeiten und dieses die Flammenbewertung stören könnte. Ferner müssen gleichzeitig beispielsweise auch Störungen durch Kunstlichtquellen berücksichtigt werden ,die durch die Beachtung von Frequenzen von 50 Hz und deren Vielfachen ausgeblendet, und auf Wunsch zu Sicherheitsabschaltungen führen sollten.
Beim Einschalten wird für den Kanal der Amplitude ein Mindestwert gefordert. Für den Strahlungsdruck gilt analoges, und nur wenn die Parameter über einen vorbestimmten Zeitraum als über der Schwelle bzw. in einem vorbestimmten Bereich liegend gemessen werden, gilt die Flamme als sicher brennend.
Für die Frequenz kann vorgesehen sein, dass sowohl eine Frequenzüberschreitungs- als auch eine Frequenzunterschreitungs-Erkennung, sowie eine Gleichfrequenz-Erkennung in Bezug auf eine vorgegebene Schwelle vorliegen.
Wenn die Flamme brennt, können anwendungsabhängige Einstellungsvorgaben in der Auswerteschaltung 2 berücksichtigt werden, mit denen ein Kompositionssignal erzeugbar ist, das eine Beurteilung des Flammenverhaltens ermöglicht. Je nach Brennstoff können andere Einstellungsvorgaben in der Auswerteschaltung 2 voreingestellt sein, die für eine Flammenbewertung berücksichtigt werden. Die Gewichtung der einzelnen Signale der drei Kanäle kann je nach Brennstoff in der Auswerteschaltung 2 eingestellt, automatisch eingelemt, bzw. in der Auswerteschaltung vorprogrammiert werden.
Eine anwendungsabhängige Einstellung wäre schon allein auch im Frequenzkanal deswegen erforderlich, weil die verschiedenen Brennstoffe unterschiedliche Flackerfrequenzen bei der Verbrennung erzeugen können. Beispielsweise weisen Öl, Leichtöl, verschiedene Gase, unterschiedliche Kohlesorten und weitere Verbrennungsprodukte Frequenzen in der Regel zwischen 10 bis 250 Hz auf.
Es kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass die Dosierung des Einflusses der drei Signale auf den drei Kanälen über Drehschalter an der Auswerteschaltung 2 verstellt werden kann. Um dies zu ermöglichen, können beispielsweise die Informationen über die einzelnen Kanäle grafisch visualisiert und hierbei eine mehrdimensionale Darstellung gewählt werden. Über vorgesehene Drehschalter ist dann direkt der Einfluss auf die entsprechende Größe ablesbar.
Bei Unstimmigkeiten der ausgewerteten Signale der drei Kanäle wird von der Auswerteschaltung 2 automatisch ein Abschaltsignal für die Brennstoffzufuhr erzeugt.
Die Verarbeitung der gewichteten Ausgangssignale der drei Kanäle kann analog, digital, oder gemischt erfolgen und/oder gespeichert werden. Die ausgewerteten Messungen können von der Auswerteschaltung 2 mehrdimensional visualisiert ausgegeben werden und können im Falle einer Abschaltung einem Service-Techniker wertvolle Informationen über die Gründe geben, warum es zu einer Abschaltung gekommen ist.
In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung dargestellt, bei dem als Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel zur weiteren Erhöhung der Redundanz der Kanal für den Strahlungsdruck und der Kanal für die Amplitude unabhängig von der Auswerteschaltung 2 überwacht werden. Dies geschieht über zwei zusätzliche mikrocontrollerfreie Zweige, die mit einfachen Fenster- bzw. Schwellwertdiskriminatoren 13, 14 verbunden sind. Die Schaltschwellen liegen dann an den Rändern des Flammenerkennungsbereiches. Die beiden Abzweige der Kanäle "Strahlungsdruck" und "Amplitude" führen somit auf Abschaltglieder 15, 16 für die Verbrennungseinrichtung ohne Zwischenschaltung der Auswerteschaltung 2. Über die beiden zusätzlichen Zweige für den Strahlungsdruck und die Amplitude ist keine ausreichende Bewertung des Flammenverhaltens möglich, sondern ausschließlich das Erfassen, ob die Flamme brennt oder nicht.
Schematisch dargestellt ist auch ein Drehschalter 17 für die Einstellung der Einflüsse der drei Kanäle jeweils auf das Kompositionssignal. Mit dem Bezugszeichens 18 ist eine mit der Auswerteschaltung 2 verbundene und angesteuerte LED versehen, mit der wie oben beschrieben Daten kontaktlos optisch übertragen werden können.

Claims

Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung für eine Verbrennungseinrichtung, mit einem die optische Flammenstrahlung und deren Pulsation erfassenden Sensor (1) und einer diesem nachgeschalteten Auswerteschaltung (2), die feststellt, ob die vom Sensor (1) empfangene Strahlung der einer brennenden Flamme entspricht, und bei negativem Ergebnis ein Abschaltsignal für die Brennstoffzufuhr erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) über drei Kanäle als Eingabekanäle für die Auswerteschaltung (2) mit der Auswerteschaltung (2) verbunden ist, und die Auswerteschaltung (2) zur gleichzeitigen Auswertung der Flammenfrequenz, der Amplitude des Flammensignals und des mittleren Strahlungsdrucks ausgestaltet ist, wobei ein Kompositionssignal durch die Auswerteschaltung (2) unter Berücksichtigung der drei Kanäle zur Flammenüberwachung erzeugbar ist und eine Bewertung der Flamme auf Grundlage der Signale der drei Kanäle durchführbar ist.
Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) ein fotoelektrischer Sensor ist.
Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der fotoelektrische Sensor eine lineare Empfindlichkeit in Bezug auf die Wellenlänge aufweist.
Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) eine Ionisationselektrode ist.
Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) ein Mikrofon oder Drucksensor ist.
Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstand (6) an den Sensor (1) angeschlossen ist, über den eine direkte Korrelation der den Kanälen zugeführten Größen vorhanden ist.
Flammenüberwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kanal zur Auswertung des Strahlungsdrucks ein Strom vom Widerstand (6) zuführbar ist, und den anderen Kanälen zur Auswertung der Flammenfrequenz und der Amplitude des Flammensignals eine Spannung, die über dem Widerstand (6) abfällt, zuführbar ist.
Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Auswerteschaltung (2) erzeugte Kompositionssignal einer Einrichtung zur Einstellung einer optimalen Luftregelung und/oder Brennstoffeinstellung zuführbar ist.
Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der Flammenfrequenz eine doppelte Nullpunkt-Durchgangskontrolle durchführbar ist.
Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (2) mit einer Empfindlichkeitsregelstufe für den Kanal der Frequenz und/oder den Kanal der Amplitude verbunden ist, und in Abhängigkeit vom ausgewerteten Signal des Kanals des Strahlungsdrucks die Empfindlichkeit durch die Auswerteschaltung (2) regel- oder umschaltbar ist.
Flammenüberwachung- und Bewertungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kanal für den Strahlungsdruck und der Amplitude Abzweige vorgesehen sind, die auf Abschaltglieder für die Brennstoffzufuhr geführt sind.
Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (2) einen Speicher aufweist, in dem Parameter hinsichtlich Abschaltungen und/oder Frequenzhistogrammen hinterlegbar und auslesbar sind.
Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 3 und 6 bis 12 sofern sie nicht von den Ansprüchen 4 und 5 abhängig sind, dadurch gekennzeichnet, das durch das Signal des Kanals für den Strahlungsdruck mit den beiden anderen Kanälen die Wellenlängenempfindlichkeit des fotoelektrischen Sensors der einer GAP-Fotodiode so angepasst werden kann, dass die jeweiligen Ausgangsspannungen einander ähneln.