EP2105669B1

EP2105669B1 - Flame monitoring and evaluation device

Info

Publication number: EP2105669B1
Application number: EP08005613.8A
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: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2028-03-26
Also published as: EP2105669A1; DK2105669T3

Description

Die Erfindung betrifft eine Flammenüberwachungs- und Bewertungseinrichtung für eine Verbrennungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a flame monitoring and evaluation device for a combustion device according to the preamble of claim 1.

Die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sind bekannt aus US 6,356,199 B1 . US 6,356,199 B1 betrifft eine Flammenüberwachungseinrichtung bei der ein Ionisationsstrom eines Flammenstabes mit einer Gleichstrom- und einer Wechselstromkomponente überwacht wird. Das Ausgangssignal des Flammenstabs wird durch einen Verstärker einer Verzweigungsstelle zugeführt, an der drei parallele Pfade zur Signalverarbeitung beginnen. Die drei Pfade dienen der Auswertung der Gleichstromintensität, der Wechselstromintensität und der Flackerfrequenz.The features of the preamble of claim 1 are known from US Pat. No. 6,356,199 B1 , US 6,356,199 B1 relates to a flame monitoring device in which an ionization current of a flame rod with a DC and an AC component is monitored. The output of the flame rod is fed through an amplifier to a branch point where three parallel paths for signal processing begin. The three paths are used to evaluate the DC intensity, the AC intensity and the flicker frequency.

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.The incinerator can be operated with gaseous, liquid and solid fossil fuels or also residues (for example refuse). As a combustion device, for example, burners, surface burners, waste incinerators and the like are possible.

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.In the optical monitoring and evaluation of burns or fires and the resulting flames by the use various radiation sensors in the ultraviolet, visible and infrared range, the resulting rapid chemical compounds of a fuel in the oxidation with oxygen to be detected and electronically stored in evaluable signals on power and voltage. The electromagnetic radiation detected by the radiation sensors provides information about very important combustion states, such as optimal economic combustion, which must be carried out in a complete reaction in the process of the fuel air ratio.

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.One speaks of complete combustion when all oxidizable constituents of the fuel have bound the highest possible amount of oxygen. The flame evaluation allows the indication of the Lambda air ratio as well as an essential adjustment aid and improvement in the control of the desired CO, CO ₂ , NOX values, for which limits or limits are defined for ecological and economic reasons. One of the most effective ways to save energy is to control CO ₂ emissions on-line with flame monitoring and evaluation, and to prevent CO and CO gas formation in the boiler and in flue gas ducts by CO monitoring.

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.Out EP 1 207 346 B1 a flame detector is known for a burner operated with oil or gas, in which an evaluation circuit determines the number of zero crossings of a processed signal of a photosensor within a predetermined time unit and compares it with a predetermined limit. Falls below the predetermined limit value, a shutdown signal for the fuel supply is generated. Accordingly, the evaluation circuit can evaluate the signal of the photosensor with respect to Flackerfrequenz and / or amplitude of the detected flame radiation.

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.Out DE 197 46 786 C2 is a flame detector for bluish flames of an oil or gas burner is known in which a semiconductor detector with a Near-ultraviolet spectral sensitivity is used with a downstream evaluation circuit, which influences a regulator for the fuel combustion air ratio according to the spectral distribution of the flame radiation. However, this can lead to problems when the flame radiation emigrates to larger wavelengths, the "yellow area", such that, despite the increase in the proportion of combustion air, the emigration increases, and then the fuel supply is switched off. An evaluation of the received radiation from the photo sensor in terms of whether the burner is burning or in the event that it does not burn, the fuel supply is as soon as possible shut down, is not provided here.

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.Out DE 198 09 653 C1 For example, there is known a flame monitor for bluish-burning flames of an oil or gas burner which includes a flame-detecting photosensor having ultra-violet-to-infrared sensitivity and a downstream evaluation circuit which shuts off the supply of fuel when the radiation is in the range of 200 to 500 nm fails or the increase of the detected radiation intensity above 500 nm reveals a migration out of the blue region. In this case, the signal of the photo sensor is two-channel, on the one hand concerning ultraviolet radiation to 500 nm and on the other concerning visible and infrared radiation, evaluated. Here, a special photo sensor is required with a special evaluation, with no evaluation of the burning behavior, but only a safety-related shutdown of the fuel supply takes place.

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.Out EP 1 256 763 A2 For example, a monitoring device for flame monitoring on oil-operated blower burners is known which evaluates the signal emitted by a photoresistor in two channels. A first channel is used to capture the average brightness. A second channel is used to detect alternating parts resulting from the flickering of the flame. The flame is only recognized as burning properly if a signal is present at both channel outputs of the channels. In this way, it should be ensured that the flame monitoring is not done with a defective photoresistor. The monitoring device is aimed at the mere detection of the flame and a shutdown of the fuel supply, if the flame is rated as non-combusting.

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.From the data sheet for the Giersch FQD, Flammendetektor, March '99 issue, for example, a flame detector is known, in addition to the determination of the presence of a flame additionally allows a quantitative statement about the quality of combustion by a dependent of the Russzahl signal is available. A signal of a photodiode is supplied to a microprocessor on two channels.

Ausgehend von US 6,356,199 B1 ist es daher Aufgabe der Erfindung, 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.Starting from US 6,356,199 B1 It is therefore an object of the invention to provide a flame monitoring device according to the preamble of claim 1, which allows a high degree of redundancy for a required safety monitoring in continuous operation in a very simple manner together with an assessment of the burning behavior.

Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved according to the features of claim 1.

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.This provides a flame monitoring and evaluation device for a combustion device. The flame monitoring and evaluation device has a sensor detecting the flame radiation and its pulsation and an evaluation circuit connected downstream of this. The evaluation circuit determines whether the radiation received by the sensor corresponds to that of a burning flame. If the result is negative, the evaluation circuit generates a shutdown signal for the fuel supply. The sensor is connected to the evaluation circuit via three channels, which are designed as input channels for the evaluation circuit. The evaluation circuit is designed for the simultaneous evaluation of the flame frequency, the amplitude of the flame signal and the average radiation pressure. This ensures the highest possible dynamics and accuracy in the determination of the Flicker frequencies and amplitudes as well as the equal pressure. This achieves a high degree of redundancy for the required safety monitoring in continuous operation without having to use the otherwise more expensive diaphragm operation. It is a composition signal, ie a signal that takes into account the three signals of the three channels according to predetermined criteria, can be generated by the evaluation circuit and an evaluation of the flame behavior due to the signals of the three channels feasible. The three-channel evaluation of radiation pressure, frequency and amplitude allows further information from the flame signal to be obtained for evaluation and safety-related processing. This gives a clear indication of the combustion behavior, a discrimination of the flames and a clearer identification of interfering signals. A periodic comparison of the variables determined via the three channels allows the early detection of a possible disadvantageous change in the combustion chamber.

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.The sensor is preferably used as a photoelectric sensor, e.g. a photodiode designed to provide a cost-effective opto-electronic flame monitoring and evaluation device. Most photosensors utilize self-emf, reducing self-oscillation or noise in the flame monitoring and evaluation device. As the photosensor, a semiconductor sensor having an optical filter can be preferably used. The working area should start at a wavelength below 300 nm and extend into the infrared range. The maximum of the sensitivity is above 800 nm. Very important is also the detection of the radicals and their modulation frequencies in the aforementioned range.

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.).Preferably, the photosensor used has a broad linear characteristic with respect to the wavelength. Thus, the relationship between the modulated alternating component (flame) and the DC component (background radiation of the combustion chamber) can be relied upon reliably in the combustion chamber Close prevailing conditions (eg IR content, temperature, flame color, etc.).

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.For a simple and inexpensive executable possibility to realize the sensor with which both the flame frequency, the amplitude of the flame signal and the average radiation pressure can be measured, the sensor can also be configured as an ionization, pressure, or sound sensor.

Die erste Trennung der drei Kanäle erfolgt 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 erfolgt besonders einfach über einen Widerstand. 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.The first separation of the three channels takes place immediately behind the sensor via a separate processing of the physical quantities current (DC pressure) and voltage (frequency and amplitude). The separate processing of the physical quantities is particularly easy via a resistor. The signal received by the photosensor is simply divided by the resistor into the physical quantity current and the physical quantity voltage, so that there is a direct correspondence between the quantities to be obtained. For flame monitoring and evaluation, one and the same signal, which is processed differently, is thus used for redundancy.

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.Preferably, the composition signal can be fed to a device for setting an optimal air control during combustion and / or adjustment of the fuel supply. The composition signal is aufschaltbar to the appropriate means for adjusting the air or fuel supply.

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.To further increase the redundancy, a double zero point continuity check can be carried out when evaluating the flame frequency. Due to the double zero-crossing control, the flame frequency can be determined more accurately and can thus lead to a more precise composition signal.

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.Preferably, the evaluation circuit is connected to a sensitivity control stage. The sensitivity control stage, which may be designed in hardware or software, regulates the sensitivity for the channel of the frequency and / or the channel of the amplitude as a function of the evaluated signal of the channel of the radiation pressure.

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.Preferably, in the channel for the radiation pressure and in the channel for the amplitude branches are provided, which are guided on shut-off members for the fuel supply. Thus, there is another redundancy. Regardless of the signal of the evaluation circuit, a shutdown of the fuel supply safety-oriented feasible.

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.For maintenance and service work as well as in case of failure, it makes sense if preferably the evaluation circuit has a memory in which parameters with regard to shutdowns and / or frequency histograms can be stored and read out.

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.Preferably, it can also be provided that the signal from the sensor is led out of the area of the furnace via a high-temperature-resistant optical fiber cable (glass fiber) and then supplied to the evaluation circuit via three channels.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.Further embodiments of the invention are described in the following description and the dependent claims.

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.

The invention is explained below with reference to accompanying drawings.

Fig. 1 shows a schematic block diagram of an embodiment of a flame monitoring and evaluation device according to the invention;
Fig. 2 shows a schematic representation of the amplitude of the flame as a function of time;
Fig. 3 shows a first channel of the block diagram of Fig. 1 ;
Fig. 4 shows a second and third channel of the block diagram of Fig. 1 ;
Fig. 5 Fig. 12 shows a profile of a representative magnitude of the radiation pressure measured over a first channel and a sensitivity set on the basis of the radiation pressure;
Fig. 6 shows a profile of a measured over a third channel representative size for an amplitude in a linear representation;
Fig. 7 shows a profile of a measured over a third channel representative size for an amplitude in logarithmic representation; and
Fig. 8 shows a schematic block diagram of another embodiment of a flame monitoring and evaluation device according to the invention.

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.In Fig. 1 an embodiment of a flame monitoring and evaluation device according to the invention is shown. In the embodiment according to Fig. 1 is between a designed as a photosensor sensor 1 and an evaluation circuit 2 of the flame monitoring and evaluation device before a three-channel connection between the photosensor 1 and the evaluation circuit 2. The evaluation circuit 2 is in accordance with the in Fig. 1 illustrated embodiment designed as a microprocessor.

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.The photosensor 1 may be provided in the combustion chamber of a furnace. A high-temperature fiber optic cable may be connected to the sensor to supply the sensor in order to supply the signal to the photosensor 1 from the high-temperature region.

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.In the Fig. 1 shown channels join in a low temperature range outside of the boiler. For the in Fig. 1 shown three channels is only a photosensor 1 and thus a semiconductor provided, which is a Significant economic benefit in terms of saving of components of the circuit means.

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.The in Fig. 1 represented upper channel (first channel) is used to detect the radiation intensity as a quotient of the incident luminous flux on the photosensor per receiver surface of the photosensor, so for detecting the radiation power and the average radiation pressure. The in Fig. 1 middle channel (second channel) is used to detect the Flackerfrequenzen, which are the periodic changes in the flame intensities, which arise as a function of time during the oxidation process, fuel-air. The in Fig. 1 shown lowest channel (third channel) is used to measure the amplitude of the flame.

Die über den ersten Kanal ermittelte Strahlung kann mit der Basiseinheit Candela (Cd) prozentual angegeben werden über einen Ausgang der Auswerteschaltung 2.The radiation determined via the first channel can be specified as a percentage with the base unit candela (Cd) via an output of the evaluation circuit 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.The flicker frequencies determined via the second channel can, if the amplitude changes periodically over time, be assumed to be a periodically varying evaluation signal varying by an average value. The modulated oscillation of the brightness determines the frequency and intensity of the flame. The frequency gives information about the speed, the amplitude gives information about the size of the radiation change, what in Fig. 2 is shown.

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.An exact evaluation of the frequency, ie a detection over the zero crossings of the signal, for example, as in EP 1 207 346 B1 respectively. As a result, a very accurate detection of the flame frequency is possible, which typically varies for each combustion device and fuel depending on the mode of operation.

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.The zero crossings of a signal of the second channel, which is usually plotted against lambda, which are referred to as pulsation (Hz), essentially correspond to the flickering frequency of the flame radiation per unit of time. The Zero crossings are generated by the evaluation circuit by cutting off the DC component of the photosensor signal and setting the switching hysteresis about the zero line for the AC component so that the noise component of the signal is suppressed, ie the dominant amplitudes remain. The resulting AC signal is amplified such that substantially rectangular pulses of varying pulse widths result as a result of clipping the upper and lower portions. One then counts corresponding rising and falling edges of these square pulses and thus zero crossings. This happens per unit time, for example per second.

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.If the number of zero crossings per unit time is greater than a predetermined limit, for example 25, it is believed that there is a flame. If the number of zero crossings is equal to or above the predetermined limit value, it is considered that an acceptable flame exists, below which the supply of fuel is interrupted accordingly.

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.For continuous operation approval, the extension to the redundant detection of both edges of the oscillations with the positive and negative zero crossings including control of the resulting pulse widths is important. By means of the conversion in the microprocessor, a frequency histogram can also be offered, galvanically separated, via the display of an LED. A complex Fourier analysis is not required. The telegram also contains statements about the CO, CO ₂ and NOX ratios.

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.In Fig. 3 the first channel is again shown individually. Between the photosensor 1 and the evaluation circuit 2, which is designed as a microprocessor, a transimpedance amplifier 3, a low pass 4, and a logarithm 5 are provided. The first channel for detecting the radiation power is applied to an analog-to-digital converter of the evaluation circuit 2. Happens in the first channel a strong suppression of AC voltages up to a very low frequency.

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.The strong suppression is made possible in part by a resistor 6 connected to the photosensor 1. In channel 1, the physical quantity "current" of the photosensor 1 is required. The splitting via the resistor 6, which is connected behind the photosensor 1, takes place in that for the second and third, which are provided for detecting the frequency and amplitude of the flame, the "voltage" across the resistor 6 is tapped.

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.The resistor 6 serves as a star resistor for generating a dependent on the size of the resistor 6 and the signal of the photosensor 1 voltage value, which is directly correlated with the current value for the first channel.

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 the second channel, a bandpass filter 7 and an operational amplifier 8 are arranged. The channel 2 is placed on an analog comparator of the evaluation circuit 2. Resistor 6, in contrast to the signal for the first channel, where the DC components are used, is used to supply the voltage drop across resistor 6 to the second channel. The bandpass filter 7 is a tunable bandpass filter of about 150 to 200 Hz, for example, and a quality of 0.5, in order to exclude excitation by alternating electric fields. The low bandwidth also dampens the dominant low frequencies in the flame signal. In this case, the bandpass filter 7 is dimensioned so that even at high amplitudes saturation is not achieved in order to avoid frequency doubling in the subsequent capacitively coupled stage. Also for this reason, the subsequent stages are galvanically coupled.

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.In the third channel, an operational amplifier 9, a logarithm 10, a precision rectifier 11 and a low-pass filter 12 are arranged. The processing of the amplitude signals in the third channel is logarithmic. The negative and positive half waves pass through the low pass 12 to the input of the Evaluation circuit 2, which is formed by an analog-to-digital converter. By biasing the driving of the two operational amplifiers in the precision rectifier, one can easily define the desired operating voltage range.

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).About the three channels having different filters, such as low, band and high-pass filter, it is ensured that the received signals that are used to evaluate the radiation pressure, the Flackerfrequenz and amplitude, redundant and with high accuracy of the evaluation circuit 2. Each channel has a signal path designed in the best possible manner for the respective signal. The in the Fig. 1 . 3 and 4 The block diagrams shown are optimized for signal routing in the three channels. Thus, for example, the amplitude measurement by the electronic components arranged in the third channel takes place exclusively in the relevant measuring range, ie the signal components which would disturb the measurement are filtered out in the third channel (for example, noise and an offset are filtered out).

Der 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.The resistor 6 immediately after the photosensor 1 separates the signal for the radiation pressure (first channel) and the alternating signal for the flame frequency and the amplitude (second and third channels), and the signals are processed separately, whereby a very early redundancy in the signal path is achieved ,

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 ertaubt. Die Ergebnisse aus den einzelnen Kanälen können zur Erzeugung des Kompositionssignals gewichtet addiert, subtrahiert oder anderweitig miteinander verknüpft werden.Through the three channels, a redundant determination of the magnitudes radiation pressure, frequency and amplitude of the flame is possible, wherein the evaluation circuit 2 generates a composition signal, which dusts an evaluation of the burning behavior of the flame, taking into account predetermined criteria. The results from the individual channels can be added, subtracted or otherwise linked together to generate the composition signal.

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.Via the first channel and the evaluation of the radiation pressure which can be determined via the evaluation circuit 2, a verification of the variables determined via the two other channels is possible. Flicker frequency of radiation and amplitude, possible. In addition, about the radiation pressure and an approximate qualitative statement about the temperature can be made. In the case of a deviation from the desired value of the measured radiation pressure, at least a statement about the tendency of the temperature profile and a meaningful evaluation is possible.

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.By evaluating the flame, it is meant here that not only a safety-related shutdown is performed upon detection that the flame is off, but that the burning behavior can be positively influenced. The three-channel evaluation of radiation pressure, flicker frequency and amplitude makes a very good and verified evaluation possible.

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.Verification means that one of the channels is used to check the results obtained from the other two channels. As mentioned, for example, the first channel, ie the signal of the radiation pressure, is suitable for such a verification and evaluation. For example, the observed combustion increases with increasing radiation pressure to an increased production of CO and with decreasing radiation pressure to an increased production of CO ₂ . The first channel for the radiation pressure can therefore be used to optimally adjust the air / fuel mixture so that there is no increase in CO production or increased CO ₂ production by keeping the pressure as constant as possible. The adjustment can be made by a control, for example, with the air supply flap or blower. Of course, the amount of fuel can be adjusted. In principle, the supply of less air leads to a lower frequency and greater amplitude, while the supply of more air leads to a higher frequency with smaller amplitude. The desired optimum combustion histograms, eg, CO, CO ₂ , and NO _x values are set for the operating points of the combustors. It is about thereby around weighted frequencies, which are always subject to a typical fluctuation range.

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.The signal via the flame-burning behavior can be transmitted contactlessly via a connected to the evaluation circuit and driven LED by the evaluation circuit 2 information about the correspondingly driven LED optically transmits. This information can then also be used for lambda regulation, wherein the contactless optical transmission by means of LED is preferred in order to minimize interference due to connections or EMC phenomena. With the LED, which may be part of the flame monitoring device, an optical data transmission interface is provided for data exchange of the flame monitoring device with external devices.

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.The signal for the radiation pressure determined via the first channel can also be used to control diaphragms or optical filters connected upstream of the photosensor 1. The control can then be such that at high radiation pressure, the apertures are reduced, and increased at low radiation pressure, or the filters are changed.

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.As well as the signal of the first channel, i. the signal representative of the radiation pressure, one of the two other signals of the other two channels can serve for a verification of the measured signals. It is also possible, for example, that the signal for the amplitude, i. the third channel signal is used to verify the measurement over the first channel (radiation pressure) and the second channel (frequency).

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.In addition, by the three-channel design according to the invention, for example, a characteristic simulation of a relatively expensive GaP diode as a photosensor using a much cheaper silicon diode is possible. Due to the logarithmic detection of the signal of the first channel, ie of the signal representative of the radiation pressure, the reproduction of a linear characteristic in logarithmic representation is possible.

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.The simulation of the behavior of a GaP diode as a photosensor takes place in the present exemplary embodiment in that the radiation power determined via the first channel or the radiation pressure carries out a sensitivity control via a sensitivity control stage for the second channel for detecting the amplitude. For this purpose, the logarithm 10 is provided in the first channel; it is therefore a hardware solution. For realization as a software-based solution, a logarithmic consideration of the signal input variable can be carried out in the evaluation circuit 2 for the first channel. The measurement of the radiation pressure can thus take place over a very large measuring range. Also in the first channel, the electronic components are selected so that the signal for the evaluation of the radiation pressure is optimized.

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.Depending on the measured radiation pressure over the first channel, the sensitivity adjustment with respect to the signal in the third channel is possible. In the "blue" radiation range of a combustion device, a higher sensitivity and hence gain can be set. With increasing pressure, i. the radiation range of the combustion device goes into the areas "yellow" and "infrared", the sensitivity can be downshifted or switched in response to the increasing pressure again. With increasing pressure, therefore, a lower gain or sensitivity with respect to the third channel of the amplitude is set. Instead of the sensitivity, an analog comparator (Schmidt trigger) can also be adjusted so that a hysteresis is noticed.

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.In Fig. 5 is shown a profile of a measured over the first channel representative size for the radiation pressure. In the exemplary embodiment with a photosensor as a sensor of the radiation, the evaluated signal (current of the photosensor or of the photodiode) is equivalent to temperatures at the black one Emitters are assigned, which can be read on the upper x-axis. The radiation pressure is shown as a function of the measured current of the photo sensor and the photodiode (lower x-axis) via the first channel. The signal for the radiation pressure increases with increasing current of the photosensor. The values of the radiation pressure can be read on the left y-axis.

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.Also in Fig. 5 the relative sensitivity is also plotted with the corresponding values on the right y-axis. The sensitivity is up to a diode current of about 10 μA 100% and then drops for larger currents of the photo sensor.

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.In the Fig. 6 and 7 In each case a course of a measured over the third channel representative size for the amplitude of the flame is shown. In Fig. 6 is a linear representation and in Fig. 7 a logarithmic representation chosen. For the embodiment with a photosensor as a sensor, a voltage of the photosensor or the photodiode is shown, in the case that the sensitivity for the signal input of the third channel is set in dependence on the measured radiation pressure. This results in the logarithmic representation of a linear characteristic for the signal over the third channel, ie the 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.By the first channel, with which the radiation pressure is determined, a regulation for the measurement of the amplitude over the third channel is possible and the behavior of a GaP diode can also be simulated with a low-cost silicon diode. This prevents the disturbing effects of red-emitting brick walls, glowing boiler walls and flame tubes.

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.An example of the operation of a flame monitoring device according to the invention is as follows: When the combustion device is switched on, a quantization is carried out in which each signal of the three channels is monitored and the flame is classified as burning only if each measured variable of a channel is above a certain threshold or in a predetermined Area is located. For example, it may be provided that in the channel for the frequency when switching on within five time units of, for example, 140 ms each have a certain number of zero crossings must be detected to evaluate the flame as "burning". For the frequency, this means that, especially at a frequency greater than 50 Hz, the flame is rated as burning, since very often the flame is ignited with ignition transformers, which operate at 50 Hz and this could disturb the flame rating. Furthermore, at the same time, for example, disturbances due to artificial light sources must be taken into account, which should be masked by observing frequencies of 50 Hz and their multiples, and should lead to safety shutdowns on request.

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.At power up, a minimum value is required for the amplitude channel. The radiation pressure is analogous, and only if the parameters are measured over a predetermined period of time as above the threshold or in a predetermined range, the flame is considered to be burning safely.

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.For the frequency can be provided that both a Frequenzüberschreitungs- as well as a frequency underrun detection, as well as a DC detection with respect to a predetermined threshold.

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.If the flame burns, application-dependent setting specifications can be taken into account in the evaluation circuit 2, with which a composition signal can be generated which enables an assessment of the flame behavior. Depending on the fuel, other setting specifications may be preset in the evaluation circuit 2, which are taken into account for a flame evaluation. The weighting of the individual signals of the three channels can be set depending on the fuel in the evaluation circuit 2, automatically inserted, or pre-programmed in the evaluation circuit.

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.An application-dependent setting would be necessary even in the frequency channel because the different fuels can produce different flicker frequencies during combustion. For example, oil, light oil, various gases, different types of coal and other combustion products, frequencies typically between 10 to 250 Hz.

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.It can be provided, for example, that the dosage of the influence of the three signals on the three channels can be adjusted via rotary switches on the evaluation circuit 2. In order to make this possible, for example, the information about the individual channels can be visualized graphically and in this case a multidimensional representation can be selected. About intended rotary switch is then directly the influence on the appropriate size readable.

Bei Unstimmigkeiten der ausgewerteten Signale der drei Kanäle wird von der Auswerteschaltung 2 automatisch ein Abschaltsignal für die Brennstoffzufuhr erzeugt.In case of discrepancies of the evaluated signals of the three channels of the evaluation circuit 2 automatically generates a shutdown signal for the fuel supply.

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.The processing of the weighted output signals of the three channels may be analog, digital, or mixed and / or stored. The evaluated measurements can be output multi-dimensionally visualized by the evaluation circuit 2 and, in the event of a shutdown, can give a service technician valuable information about the reasons why a shutdown has occurred.

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.In Fig. 8 a further embodiment of a flame monitoring and evaluation device according to the invention is shown, in which as a difference from the in Fig. 1 illustrated embodiment to further increase the redundancy of the channel for the radiation pressure and the channel for the amplitude independently of the evaluation circuit 2 are monitored. This is done via two additional microcontroller-free branches which are connected to simple window or threshold discriminators 13, 14. The switching thresholds then lie on the edges of the flame detection area. The two branches of the channels "radiation pressure" and "amplitude" thus lead to cut-off elements 15, 16 for the combustion device without the interposition of the evaluation 2. About the two additional branches for the radiation pressure and the amplitude is not sufficient assessment of the flame behavior possible, but only the Detecting whether the flame is burning or not.

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.Schematically illustrated is also a rotary switch 17 for adjusting the influences of the three channels in each case on the composition signal. With the reference numeral 18 is connected to the evaluation circuit 2 and driven LED provided with the data as described above can be optically transmitted contactless.

Claims

Flame monitoring and rating device for a combustion device, having a sensor (1), which senses the optical flame radiation and the pulsation thereof, and an evaluation circuit (2), connected downstream of said sensor, that establishes whether the radiation received by the sensor (1) corresponds to that of a burning flame, and, in the event of a negative result, produces a shut-down signal for the fuel supply, wherein the sensor (1) is connected to the evaluation circuit (2) via three channels as input channels for the evaluation circuit (2), and the evaluation circuit (2) is designed to simultaneously evaluate the flame frequency, the amplitude of the flame signal and the average radiation pressure, wherein a composition signal can be produced by the evaluation circuit (2) by taking account of the three channels for flame monitoring, and the flame can be rated on the basis of the signals from the three channels, characterized in that directly downstream of the sensor (1) a resistor (6) is provided that isolates a first channel for determining the radiation pressure from a second channel for separate determination of the flame frequency that contains a bandpass filter (7) and an operational amplifier (8), and for separate determination of the amplitude a third channel downstream of the operational amplifier (8) is separated from this second channel.
Flame monitoring and rating device according to Claim 1, characterized in that the sensor (1) is a photoelectric sensor.
Flame monitoring and rating device according to Claim 2, characterized in that the photoelectric sensor has a linear sensitivity in relation to the wavelength.
Flame monitoring and rating device according to Claim 1, characterized in that the sensor (1) is an ionization electrode.
Flame monitoring and rating device according to Claim 1, characterized in that the sensor (1) is a microphone or pressure sensor.
Flame monitoring and rating device according to either of Claims 2 and 3, characterized in that the signal from the channel for the radiation pressure with the other two channels can condition the wavelength sensitivity of the photoelectric sensor of a GAP photodiode such that the respective output voltages are similar to one another.
Flame monitoring and rating device according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the resistor (6) provides a direct correlation between the variables supplied to the channels.
Flame monitoring and rating device according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the channel for evaluating the radiation pressure can be supplied with a current from the resistor (6), and the other channels for evaluating the flame frequency and the amplitude of the flame signal can be supplied with a voltage dropping across the resistor (6).
Flame monitoring and rating device according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the composition signal produced by the evaluation circuit (2) can be supplied to a device for setting optimum air regulation and/or fuel adjustment.
Flame monitoring and rating device according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the evaluation of the flame frequency can involve the performance of a dual zero-point continuity check.
Flame monitoring and rating device according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the evaluation circuit (2) is connected to a sensitivity control stage for the channel for the frequency and/or the channel for the amplitude, and the evaluated signal for the channel for the radiation pressure can be taken as a basis for the evaluation circuit (2) to regulate or change over the sensitivity.
Flame monitoring and rating device according to one of Claims 1 to 11, characterized in that the channel for the radiation pressure and the amplitude contains branches that are routed to shut-down elements for the fuel supply.
Flame monitoring and rating device according to one of Claims 1 to 12, characterized in that the evaluation circuit (2) has a memory in which parameters for shut-downs and/or frequency histograms can be stored and read.