EP3916693A1 - Verfahren zum betrieb einer ausfallsicherungsvorrichtung eines flammensensors - Google Patents

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EP3916693A1
EP3916693A1 EP21174882.7A EP21174882A EP3916693A1 EP 3916693 A1 EP3916693 A1 EP 3916693A1 EP 21174882 A EP21174882 A EP 21174882A EP 3916693 A1 EP3916693 A1 EP 3916693A1
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EP
European Patent Office
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sensor
signal
flame
control signal
flame sensor
Prior art date
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Pending
Application number
EP21174882.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Dodson
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bosch Thermotechnology Ltd
Original Assignee
Bosch Thermotechnology Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Bosch Thermotechnology Ltd filed Critical Bosch Thermotechnology Ltd
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Pending legal-status Critical Current

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    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
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    • G08B17/12—Actuation by presence of radiation or particles, e.g. of infrared radiation or of ions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
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    • F23D14/16—Radiant burners using permeable blocks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
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    • G—PHYSICS
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    • G08B29/18—Prevention or correction of operating errors
    • G08B29/185—Signal analysis techniques for reducing or preventing false alarms or for enhancing the reliability of the system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel
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    • F23N2229/04—Flame sensors sensitive to the colour of flames
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23N2229/20—Camera viewing
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    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2231/00—Fail safe
    • F23N2231/10—Fail safe for component failures

Definitions

  • the invention is based on a method for operating a fail-safe device of a flame sensor, in particular a hydrogen flame sensor, which comprises at least one optical sensor element, wherein in at least one method step a control signal is sent in the direction of the optical sensor element and wherein in at least one method step depending on a technical signal correlation between the control signal and one of the optical sensor element tapped sensor signal is concluded that the flame sensor is functional.
  • the control signal be sent out during regular operation of the flame sensor for monitoring a flame.
  • the flame sensor is provided in particular to detect the presence and optionally the absence of a flame within a sensor area of the flame sensor.
  • the fail-safe device is provided in particular to check the functionality of the flame sensor, in particular in accordance with EN 298. In particular, the fail-safe device is provided to prevent a false-negative or a false-positive evaluation of the sensor signal.
  • “Provided” is to be understood to mean in particular specially set up, specially programmed, specially designed and / or specially equipped.
  • the fact that an object is provided for a specific function is to be understood in particular to mean that the object fulfills and / or executes this specific function in at least one application and / or operating state.
  • the optical element of the flame sensor is preferably provided to detect electromagnetic radiation which is emitted by a flame.
  • the optical element preferably has the greatest sensitivity in the ultraviolet region of the electromagnetic spectrum.
  • the optical element is provided to detect electromagnetic radiation in the visible or infrared range of the electromagnetic spectrum.
  • at least some of the electromagnetic radiation emitted by a hydrogen flame can be detected by the optical sensor element.
  • a "hydrogen flame” is to be understood in particular as a flame that is fed from a fuel, which consists at least to a substantial extent or entirely of hydrogen.
  • a “substantial portion” should be understood to mean in particular at least 10%, preferably at least 50%, particularly preferably at least 90%, based on the total volume of the fuel.
  • the flame sensor preferably determines the presence of a flame as a function of the electromagnetic radiation detected by the optical sensor element.
  • the flame sensor concludes that there is no flame.
  • the optical sensor element generates the sensor signal as a function of the detected electromagnetic radiation.
  • the flame sensor evaluates the sensor signal preferably with regard to the presence or optionally the absence of a flame.
  • the fail-safe device preferably comprises a transmission element for generating the control signal.
  • the transmission element sends out electromagnetic radiation as a control signal, which can in particular be detected by the optical element.
  • the electromagnetic radiation emitted by the transmission element can in particular be coherent or incoherent.
  • the transmission element particularly preferably transmits radiation in the ultraviolet range of the electromagnetic spectrum as a control signal.
  • the transmission element sends out electromagnetic radiation in the visible or infrared range of the electromagnetic spectrum as a control signal.
  • a control unit of the fail-safe device preferably controls the transmission element.
  • the transmission element converts a control signal, in particular a wired, control signal from the control unit into a time profile of a signal parameter of the control signal.
  • the control signal defines an amplitude of the control signal.
  • control signal defines a frequency of the control signal.
  • a main transmission direction of the transmission element is preferably directed in the direction of the optical sensor element.
  • a beam path of the control signal from the transmission element to the optical element can in particular be designed as a straight line or, via deflecting optical elements, such as mirrors, as a line of lines.
  • the transmission element is provided for indirect lighting of the sensor area of the flame sensor by means of scattering.
  • the optical sensor element detects the control signal in at least one method step and converts it into the sensor signal.
  • the control unit preferably evaluates the sensor signal as a function of the control signal.
  • the control unit compares the sensor signal with the control signal for the control signal in order to assess the functionality of the flame sensor, in particular of the optical sensor element and / or the transmission element.
  • a specific evaluation method for detecting the control signal in the sensor signal can be, for example, by evaluating a correlation integral via the sensor signal and control signal, in particular in the case of a pulsed control signal, by counting edges, extremes, zero crossings or the like, in particular in the case of an alternating control signal, by frequency analysis or filtering take place.
  • the regular operation of the flame sensor is in particular an active operating state of the flame sensor.
  • the flame sensor monitors the sensor area of the flame sensor in regular operation and, when a flame is detected, preferably generates an output signal to a higher-level device, for example a burner system or a fire protection system, and / or to a user.
  • the transmission of the control signal in the regular operation is independent of an actual presence or an actual absence of a flame in the sensor area of the flame sensor.
  • an actual presence or an actual absence of a flame is independent of the transmission of the control signal during regular operation.
  • the optical sensor element detects a superposition of the electromagnetic radiation from the flame and from the transmitting element during the regular operating phase.
  • the optical sensor element generates the sensor signal with a flame signal component, which is caused by a flame, and with a control signal component, which is caused by the control signal.
  • the flame signal component and the control signal component in particular apart from putting the flame sensor into operation and taking it out of operation, are uncorrelated and in particular have at most a coincidental similarity.
  • the fail-safe device additionally sends the control signal in a calibration mode different from regular operation, a diagnostic mode and / or other active operating states of the flame sensor, in which flame formation and emission of the control signal are designed to be dependent on one another.
  • the embodiment of the method according to the invention makes it possible to achieve an advantageously high operational reliability of a flame sensor with an optical sensor element.
  • an advantageously high level of operational reliability can be achieved with a controlled combustion of carbon-free fuels, especially hydrogen, can be achieved.
  • the optical sensor element can be monitored without interrupting regular operation.
  • a separate control phase with an interruption in operation to check the optical sensor element can be dispensed with.
  • control signal be transmitted during regular operation of the flame sensor for a substantial time segment of an operating period of the flame sensor, in particular transmitted continuously.
  • the fail-safe device is preferably automatically activated or deactivated together with the optical sensor element.
  • the transmitting element sends the control signal in an activated state permanently or at regular or irregular time intervals, in particular as long as the optical sensor element is active.
  • the control signal preferably has an amplitude other than zero or a background noise during the essential time segment.
  • the essential period of time can be continuous or composed of a large number of individual intervals.
  • the essential time segment comprises at least 10%, preferably at least 25%, particularly preferably at least 33% of the operating time.
  • the control signal is preferably transmitted continuously, the control signal in particular having a repetition rate and a degree of utilization of the control signal corresponding at least to the numerical values mentioned above.
  • a failure of the flame sensor can advantageously be detected for a short time.
  • the functionality of the flame sensor can advantageously be digitally logged in a close-meshed manner and, in particular, be provided for a fault diagnosis.
  • a switch-off signal for interrupting a flame monitored by the flame sensor is generated.
  • the control unit analyzes the sensor signal with regard to the control signal component. If the control unit cannot isolate the control signal from the sensor signal and / or detect it in the sensor signal, the control unit generates the switch-off signal.
  • the control unit counts the number of attempts to detect the control signal and only generates the switch-off signal after a threshold value for failed attempts has been exceeded.
  • the experiments can in particular be carried out at intervals, in particular synchronized with a repetition rate of the control signal, or they can be carried out directly one after the other.
  • control unit measures a time span in which the control signal could not be detected, and only generates the switch-off signal after a threshold value has expired for the time span without control signal detection.
  • the switch-off signal carries at least or exclusively the information that the flame sensor is not functional.
  • the shutdown signal is preferably provided to trigger an emergency shutdown in a flame-generating device.
  • the functionality is implemented directly in the shutdown signal as a logic level (functional - not functional).
  • the control unit outputs the switch-off signal to a data interface of the switch-off device, which is provided in particular for a data connection with the flame-generating device, for example a burner system.
  • the switch-off signal carries additional information, for example a time of the last successful attempt, an accumulated number of failed attempts in a certain period of time, for example the last two weeks, since the last maintenance date or the like.
  • the control unit outputs the switch-off signal via the data interface or another data interface of the fail-safe device, in particular additionally, to a user or maintenance service, in particular in order to have the flame sensor serviced and / or replaced.
  • the data interface and / or the further data interface can / can in particular be wired and / or wireless, in particular radio wave-bound.
  • control signal be generated alternately between at least two signal levels in at least one method step.
  • the signal levels are designed differently.
  • the signal parameter, in particular the intensity or the frequency of the electromagnetic radiation, of the control signal has at least one maximum and at least one minimum during a repetition cycle of the control signal. All maxima of the control signal within a repetition cycle preferably have the same amount. All minima of the control signal within a repetition cycle preferably have the same amount.
  • the control signal is particularly preferably in the form of a square-wave signal, a trapezoidal signal, a sinusoidal signal, a triangular signal, a half-wave, a sawtooth signal, a combination of the above-mentioned signals, or the like.
  • the repetition rate of the control signal is preferably faster, in particular at least 10 times faster, preferably more than 50 times faster, than an average rate of change of the flame signal component.
  • a modulation depth of the sensor signal is kept smaller than an average amplitude of the sensor signal in the case of successful detection of flames.
  • the mean amplitude of the sensor signal upon successful detection of flames is preferably determined and / or updated in a calibration step of the method and / or during regular operation.
  • the “modulation depth of the sensor signal” is to be understood in particular as the difference between the maximum and minimum of the control signal component of the sensor signal caused by the different signal levels of a repetition rate of the control signal.
  • At least one time average, preferably the maximum of a repetition rate, of the control signal component is preferably smaller than a detection threshold value for the flame signal component.
  • a maximum signal level of the control signal is adapted as a function of a detection of the control signal.
  • the control unit increases the maximum signal level of the control signal if the control signal could not be detected in the sensor signal.
  • the control unit preferably increases the maximum signal level until the control signal can be detected or an upper threshold value for the maximum signal level is reached. If the maximum signal level is reached and the control signal cannot be detected, the control unit evaluates the attempt as a failure.
  • the control unit preferably lowers the maximum signal level of the control signal if that Control signal could be detected in the sensor signal. In particular, the control unit lowers the maximum signal level until the control signal can no longer be detected or a lower threshold value for the maximum signal level has been reached.
  • the control unit optionally outputs the switch-off signal when the maximum signal level is set to the upper threshold value for at least one or more attempts and / or a certain period of time, regardless of whether the control signal can be detected or not.
  • control signal be determined from the sensor signal by means of a phase locked loop.
  • control unit comprises the phase locked loop.
  • control unit uses the phase locked loop as a tracking filter.
  • the control unit preferably uses the control signal as a reference for regenerating the control signal from the sensor signal, in particular for isolating the control signal component from the sensor signal.
  • a fail-safe device for a flame sensor in particular a hydrogen flame sensor, with at least one control unit, in particular the control unit already mentioned, is proposed for carrying out a method according to the invention.
  • Control unit should be understood to mean, in particular, a unit with at least one control electronics.
  • Control electronics should be understood to mean, in particular, a unit with a processor unit and with a memory unit and with an operating program stored in the memory unit.
  • the fail-safe device includes, in particular, the transmission element.
  • the transmitting element is designed as a light-emitting diode circuit.
  • the light-emitting diode circuit comprises at least one light-emitting diode (LED), in particular an ultraviolet light-emitting diode (UV-LED) and in particular at least one series resistor for this light-emitting diode.
  • the light-emitting diode circuit is optionally designed as a light-emitting diode cluster.
  • the light-emitting diode or at least one of the light-emitting diodes is preferably based on aluminum nitride, aluminum gallium nitride, aluminum gallium indium nitride, diamond, hexagonal boron nitride or the like.
  • the fail-safe device preferably comprises a directional element, for example a concave mirror or a free-form reflector, for defining a main transmission direction of the transmission element, in particular in the direction of the optical sensor element.
  • the fail-safe device comprises at least one redundant further transmission element, in particular for a non-assembly change of the transmission element, if no control signal can be detected.
  • the control unit comprises a signal generator for controlling the transmission element or the transmission elements.
  • the control unit optionally includes a frequency filter and / or a frequency analysis module, in particular for performing a fast Fourier transformation (FFT), in analog or digital implementation, for analyzing the sensor signal.
  • FFT fast Fourier transformation
  • the fail-safe device comprises at least one sensor interface for interrogating the sensor signal from the optical sensor element.
  • the failover device preferably comprises the Data interface for outputting the shutdown signal.
  • a flame sensor in particular a hydrogen flame sensor, with an optical sensor element and with a fail-safe device according to the invention and / or a control unit, in particular the one already mentioned, is proposed for carrying out a method according to the invention.
  • the optical sensor element can in particular be designed as an individual sensor or as a sensor array, in particular spatially resolving or accumulating.
  • the optical sensor element can be designed, for example, as a photodiode, as an active pixel sensor (CMOS sensor), charge-coupled device (CCD) sensor or as another measuring element that appears useful to a person skilled in the art for detecting, in particular ultraviolet, electromagnetic radiation.
  • CMOS sensor active pixel sensor
  • CCD charge-coupled device
  • the flame sensor comprises at least one redundant further optical sensor element, in particular for an assembly-free change of the optical sensor element, if no control signal can be detected.
  • the flame sensor preferably comprises a scanning element with which the transmission element or a main transmission direction of the transmission element can be varied in order to scan the pixels.
  • the flame sensor comprises expansion optics or an LED cluster with a size tailored to a maximum extent of the optical sensor element.
  • the flame sensor preferably comprises a common structural element, for example a common housing or a common mounting base plate, on or in which the fail-safe device and the optical sensor element are arranged.
  • the Control unit of the fail-safe device formed separately from the transmission element and the optical transmission element, for example for an arrangement outside a flame formation area.
  • the flame sensor in particular the housing of the flame sensor, comprises a protective screen which is transparent to the electromagnetic radiation to be detected and which is provided to be arranged between the flame and the optical sensor element.
  • the flame sensor preferably comprises an electrical power connection.
  • the flame sensor preferably comprises, in particular in addition to the electrical power connection, an internal emergency power supply, in particular a battery or an accumulator.
  • a burner system in particular a hydrogen burner system, with at least one burner element for generating a flame, in particular a hydrogen flame, with a flame sensor according to the invention, with a fail-safe device according to the invention and / or with a control unit, in particular the control unit already mentioned, is implemented proposed a method according to the invention.
  • the burner system is designed as a boiler, instantaneous water heater, hot water storage tank, combi boiler, fan heater or the like.
  • the burner element is designed in particular to be permeable to fuel and / or oxygen.
  • the burner element is designed as a porous layer, in particular as a perforated plate, fabric, wire mesh or the like, or as a jet pump.
  • the burner system comprises at least one fuel supply, in particular a hydrogen supply, to the burner element.
  • the burner system preferably includes at least one Oxygen supply.
  • the oxygen supply is provided to supply a predetermined oxygen flow upstream or downstream of the burner element to a fuel flow predetermined by the fuel supply.
  • the burner system comprises a premixing chamber for mixing the fuel flow and the oxygen flow before passing them on to the burner element.
  • the burner system optionally comprises a plenum for distributing the fuel to different openings in the burner element.
  • the burner system preferably comprises an igniter for igniting a fuel-oxygen mixture.
  • the burner system comprises a heat exchanger which is arranged in particular in an exhaust gas extraction area of the burner element.
  • the burner system is designed as a direct heater. Due to the configuration according to the invention, an advantageously operationally reliable burner system can also be provided for carbon-free fuels.
  • the method according to the invention, the fail-safe device according to the invention, the flame sensor according to the invention and / or the burner system according to the invention should / should not be restricted to the application and embodiment described above.
  • the method according to the invention, the fail-safe device according to the invention, the flame sensor according to the invention and / or the burner system according to the invention can have a number that differs from a number of individual elements, components and units as well as method steps mentioned herein in order to fulfill a mode of operation described herein.
  • values lying within the stated limits should also be deemed disclosed and can be used in any way.
  • FIG. 1 shows a burner system 29.
  • the burner system 29 comprises at least one burner element 30.
  • the burner element 30 is provided for generating a flame 22, in particular a hydrogen flame.
  • the burner element 30 is preferably designed as a porous layer, in particular made of metal or ceramic.
  • the burner element 30 has a semicircular profile.
  • the burner element 30 is flat.
  • the burner element 30 has a multiplicity of openings.
  • the burner element 30 forms exactly one opening.
  • the burner system 29 preferably comprises at least one plenum 34 on which the burner element 30 is arranged.
  • the burner system 29 includes, in particular, a fuel supply 32.
  • the fuel supply 32 is preferably provided to supply a fuel to the burner element 30, in particular indirectly via the plenum 34.
  • the burner element 30 is preferably used for this purpose intended to burn hydrogen or a fuel mixture with a substantial proportion of hydrogen as fuel in a controlled manner.
  • the burner system 29 preferably comprises at least one oxygen supply, in particular a suction opening for ambient air (not shown here).
  • the burner system 29 preferably comprises at least one igniter 36 for igniting the fuel.
  • the burner system 29 preferably comprises at least one heat exchanger 38.
  • the heat exchanger 38 is provided to transfer heat from an exhaust gas of a combustion of the fuel to a heat carrier and / or a target fluid, in particular industrial water, drinking water and / or room air.
  • the burner system 29 comprises at least one flame sensor 14, in particular a hydrogen flame sensor.
  • the flame sensor 14 is provided in particular to detect the presence of the flame 22.
  • the flame sensor 14 is optionally provided to detect the absence of flames.
  • the flame sensor 14 comprises an optical sensor element 16, in particular for detecting the flame 22.
  • the optical sensor element 16 is provided to detect electromagnetic radiation, in particular in the ultraviolet range, from the flame 22.
  • the flame sensor 14 is provided during regular operation to monitor ignition attempts of the burner system 29 and a combustion of the fuel.
  • the flame sensor 14 comprises at least one fail-safe device 12.
  • the fail-safe device 12 is provided in particular to monitor the functionality of the flame sensor 14.
  • the fail-safe device 12 comprises in particular at least one transmission element 40 for transmitting a control signal 18 (cf. Fig. 2 ).
  • the transmission element 40 preferably comprises at least one light-emitting diode.
  • the fail-safe device 12 comprises at least one control unit 28.
  • the control unit 28 is closed an implementation of a method 10 is provided, which in Figure 2 is explained in more detail. In particular, the control unit 28 is provided for controlling the transmission element 40.
  • Figure 2 shows the method 10 for operating the fail-safe device 12 of the flame sensor 14. In at least one method step of the method 10, depending on a signal-related correlation between the control signal 18 and a sensor signal 20 picked up by the optical sensor element 16, it is concluded that the flame sensor 14 is functional.
  • control unit 28 tries to detect the control signal 18 in the sensor signal 20. If the control unit 28 can detect the control signal 18 in the sensor signal 20, it concludes that the flame sensor 14 is functional. If the control unit 28 cannot detect the control signal 18 in the sensor signal 20, it concludes that the flame sensor 14 is not functional, in particular regardless of whether the optical sensor element 16 or the transmitting element 40 is not functional.
  • control signal 18 is sent in the direction of optical sensor element 16.
  • the control signal 18 is sent out during regular operation of the flame sensor 14 for monitoring the flame 22.
  • the control signal 18 is sent out during the regular operation of the flame sensor 14 for a substantial time segment of an operating period of the flame sensor 14.
  • the control signal 18 is transmitted continuously during the regular operation of the flame sensor 14.
  • the control signal 18 is generated in particular by the transmission element 40.
  • the control unit 28 generates a control signal 50 for controlling the transmission element 40.
  • the transmission element 40 preferably converts the control signal 50 into the control signal 18.
  • the control signal 18 is generated alternately between at least two signal levels 24, 26.
  • the transmission element 40 generates electromagnetic radiation with alternating intensity as a control signal 18.
  • the control signal 18 is particularly preferably a square-wave signal.
  • the optical sensor element 16 converts electromagnetic radiation arriving at it into a sensor signal 20.
  • the electromagnetic radiation arriving at the sensor element 16 can in particular be the control signal 18, flame radiation 42 from the flame 22, or a combination of these.
  • the optical sensor element 16 or the control unit 28 applies a correction factor to the sensor signal 20 in order to compensate for electromagnetic radiation in an environment.
  • the sensor signal 20 comprises at least one flame signal component when the flame radiation 42 hits the optical sensor element 16.
  • the sensor signal 20 includes a control signal component 18 ′ when the control signal 18 hits the optical sensor element 16.
  • the sensor signal 20 is preferably processed in a signal processing step 44 of the method 10 by the control unit 28 in an analog or digital manner, for example amplified, attenuated, equalized, filtered, smoothed, averaged or the like.
  • the method 10 preferably includes an analysis step 46.
  • the sensor signal 20 is analyzed in the analysis step 46 by the control unit 28, in particular broken down into the flame signal component and the control signal component 18 ′.
  • the control signal 18, in particular the control signal component 18 ' is obtained from the control unit 28 by means of a phase-locked loop Sensor signal 20 determined.
  • the control unit 28 determines parameters for the flame signal component and the control signal component 18 ′, for example by means of a Fourier analysis.
  • the control unit 28 preferably transmits the flame signal component or the corresponding parameter for evaluation to a system control unit of the burner system 29, in particular for an evaluation of an ignition attempt or a combustion process.
  • the method 10 preferably includes an evaluation step 48 for evaluating the control signal component 18 ′ or the corresponding parameter. For example, the control unit 28 compares a control signal variable with a threshold value in the evaluation step 48.
  • a maximum signal level 24 of the control signal component 18 ′, a Fourier amplitude determined in the analysis step 46 or a correlation integral of the control signal component 18 ′ or of the entire sensor signal 20 with the control signal 50 can be used as the control signal variable.
  • a switch-off signal for interrupting the flame 22 monitored by the flame sensor 14 is generated.
  • the control unit 28 transmits the switch-off signal to the system control unit of the burner system 29.
  • the system control unit of the burner system 29 closes the fuel supply 32 and optionally the oxygen supply when the switch-off signal is received.
  • a maximum signal level 24 of the control signal 18 is adapted as a function of a detection of the control signal 18.
  • the control unit 28 adapts the control signal 50 as a function of a detection of the control signal component 18 ′.
  • a modulation depth of the sensor signal 20, in particular a peak-valley value of the control signal component 18 ' is kept smaller than a mean amplitude of the Sensor signal 20, in particular as the flame signal component, upon successful detection of flames 22.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Ausfallsicherungsvorrichtung eines Flammensensors, insbesondere eines Wasserstoff-Flammensensors, welcher zumindest ein optisches Sensorelement (16) umfasst, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt ein Kontrollsignal (18) in Richtung des optischen Sensorelements (16) ausgesandt wird, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt in Abhängigkeit einer signaltechnischen Korrelation zwischen dem Kontrollsignal (18) und einem von dem optischen Sensorelement (16) abgegriffenen Sensorsignal (20) auf eine Funktionstüchtigkeit des Flammensensors geschlossen wird.Es wird vorgeschlagen, dass das Kontrollsignal (18) während eines regulären Betriebs des Flammensensors zur Überwachung einer Flamme (22) ausgesandt wird.

Description

    Stand der Technik
  • In US 9,746,181 B2 ist bereits ein Verfahren zum Betrieb einer Ausfallsicherungsvorrichtung eines Flammensensors vorgeschlagen worden, welcher zumindest ein optisches Sensorelement umfasst, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt ein Kontrollsignal in Richtung des optischen Sensorelements ausgesandt wird und wobei in zumindest einem Verfahrensschritt in Abhängigkeit einer signaltechnischen Korrelation zwischen dem Kontrollsignal und einem von dem optischen Sensorelement abgegriffenen Sensorsignal auf eine Funktionstüchtigkeit des Flammensensors geschlossen wird.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Ausfallsicherungsvorrichtung eines Flammensensors, insbesondere eines Wasserstoff-Flammensensors, welcher zumindest ein optisches Sensorelement umfasst, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt ein Kontrollsignal in Richtung des optischen Sensorelements ausgesandt wird und wobei in zumindest einem Verfahrensschritt in Abhängigkeit einer signaltechnischen Korrelation zwischen dem Kontrollsignal und einem von dem optischen Sensorelement abgegriffenen Sensorsignal auf eine Funktionstüchtigkeit des Flammensensors geschlossen wird.
  • Es wird vorgeschlagen, dass das Kontrollsignal während eines regulären Betriebs des Flammensensors zur Überwachung einer Flamme ausgesandt wird. Der Flammensensor ist insbesondere dazu vorgesehen, ein Vorhandensein und optional eine Abwesenheit einer Flamme innerhalb eines Sensorbereichs des Flammensensors zu detektieren. Die Ausfallsicherungsvorrichtung ist insbesondere zu einer Kontrolle der Funktionstüchtigkeit des Flammensensors, insbesondere gemäß EN 298, vorgesehen. Insbesondere ist die Ausfallsicherungsvorrichtung dazu vorgesehen, einer falschnegativen oder einer falsch-positiven Auswertung des Sensorsignals vorzubeugen. Unter "vorgesehen" soll insbesondere speziell eingerichtet, speziell programmiert, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
  • Vorzugsweise ist das optische Element des Flammensensors dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlung, welche von einer Flamme ausgesandt wird, zu erfassen. Vorzugsweise weist das optische Element die größte Sensitivität im ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums auf. Alternativ oder zusätzlich ist das optische Element dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu erfassen. Insbesondere ist zumindest ein Teil einer von einer Wasserstoff-Flamme ausgesandten elektromagnetischen Strahlung von dem optischen Sensorelement erfassbar. Unter einer "Wasserstoff-Flamme" soll insbesondere eine Flamme verstanden werden, die aus einem Brennstoff gespeist wird, welcher zumindest zu einem wesentlichen Anteil oder vollständig aus Wasserstoff besteht. Unter einem "wesentlichen Anteil" soll insbesondere zumindest 10 %, bevorzugt zumindest 50 %, besonders bevorzugt zumindest 90 %, bezogen auf das Gesamtvolumen des Brennstoffs verstanden werden. Bevorzugt schließt der Flammensensor abhängig von der mit dem optischen Sensorelement erfassten elektromagnetischen Strahlung auf das Vorhandensein einer Flamme. Optional schließt der Flammensensor abhängig von der mit dem optischen Sensorelement erfassten elektromagnetischen Strahlung auf die Abwesenheit einer Flamme. Insbesondere erzeugt das optische Sensorelement das Sensorsignal in Abhängigkeit von der erfassten elektromagnetischen Strahlung. Der Flammensensor wertet das Sensorsignal vorzugsweise bezüglich eines Vorhandenseins oder optional einer Abwesenheit einer Flamme aus.
  • Vorzugsweise umfasst die Ausfallsicherungsvorrichtung ein Sendeelement zur Erzeugung des Kontrollsignals. Insbesondere sendet das Sendeelement in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens als Kontrollsignal elektromagnetische Strahlung aus, welche insbesondere von dem optischen Element erfassbar ist. Die von dem Sendeelement ausgesandte elektromagnetische Strahlung kann insbesondere kohärent oder inkohärent sein. Besonders bevorzugt sendet das Sendeelement als Kontrollsignal Strahlung im ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums aus. Alternativ oder zusätzlich sendet das Sendeelement als Kontrollsignal elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums aus. Vorzugsweise steuert eine Steuereinheit der Ausfallsicherungsvorrichtung das Sendelement. Insbesondere setzt das Sendeelement ein, insbesondere leitungsgebundenes, Steuersignal der Steuereinheit in einen zeitlichen Verlauf eines Signalparameters des Kontrollsignals um. Insbesondere legt das Steuersignal eine Amplitude des Kontrollsignals fest.
  • Alternativ oder zusätzliche legt das Steuersignal eine Frequenz des Kontrollsignals fest. Vorzugsweise ist eine Hauptaussenderichtung des Sendeelements in Richtung des optischen Sensorelements gerichtet. Ein Strahlengang des Kontrollsignals von dem Sendeelement zu dem optischen Element kann insbesondere als gerade Linie oder über ablenkende optische Elemente, wie z.B. Spiegel, als Linienzug ausgebildet sein. Alternativ ist das Sendeelement mittels Streuung zu einer indirekten Beleuchtung des Sensorbereichs des Flammensensors vorgesehen.
  • Insbesondere erfasst das optische Sensorelement in zumindest einem Verfahrensschritt das Kontrollsignal und setzt es in das Sensorsignal um. Vorzugsweise wertet die Steuereinheit das Sensorsignal in Abhängigkeit von dem Kontrollsignal aus. Insbesondere vergleicht die Steuereinheit das Sensorsignal mit dem Steuersignal für das Kontrollsignal, um eine Funktionstüchtigkeit des Flammensensors, insbesondere des optischen Sensorelements und/oder des Sendelements, zu bewerten. Eine konkrete Auswertemethode zum Nachweis des Kontrollsignals in dem Sensorsignal kann beispielsweise durch Auswertung eines Korrelationsintegrals über Sensorsignal und Steuersignal, insbesondere bei einem gepulsten Kontrollsignal, durch Zählen von Flanken, Extrema, Nulldurchgängen oder dergleichen, insbesondere bei einem alternierenden Kontrollsignal, durch eine Frequenzanalyse oder eine Filterung erfolgen.
  • Der reguläre Betrieb des Flammensensors ist insbesondere ein aktiver Betriebszustand des Flammensensors. Insbesondere überwacht der Flammensensor in dem regulären Betrieb den Sensorbereich des Flammensensors und erzeugt bei Detektion einer Flamme vorzugsweise ein Ausgabesignal an eine übergeordnete Vorrichtung, beispielsweise eines Brennersystems oder eines Feuerschutzsystems, und/oder an einen Benutzer. Insbesondere ist das Aussenden des Kontrollsignals in dem regulären Betrieb unabhängig von einem tatsächlichen Vorhandensein oder einer tatsächlichen Abwesenheit einer Flamme in dem Sensorbereich des Flammensensors. Insbesondere ist während des regulären Betriebs ein tatsächliches Vorhandensein oder eine tatsächliche Abwesenheit einer Flamme unabhängig von dem Aussenden des Kontrollsignals. Insbesondere erfasst das optische Sensorelement während der regulären Betriebsphase eine Überlagerung der elektromagnetischen Strahlung von der Flamme und von dem Sendeelement. Insbesondere erzeugt das optische Sensorelement während der regulären Betriebsphase das Sensorsignal mit einem Flammensignalanteil, welcher von einer Flamme verursacht wird, und mit einem Kontrollsignalanteil, welcher von dem Kontrollsignal verursacht wird. Insbesondere sind der Flammensignalanteil und der Kontrollsignalanteil, insbesondere von einer Inbetriebnahme und einer Außerbetriebnahme des Flammensensors abgesehen, unkorreliert und weisen insbesondere höchstens eine zufällige Ähnlichkeit auf. Insbesondere ist in dem regulären Betriebszustand ein zeitgleiches Auftreten, ein zeitlicher Überlapp, ein zeitlicher Abstand und/oder eine Reihenfolge des Flammensignalanteils und des Kontrollsignalanteils mit je einer von Null verschiedenen Amplitude in dem Sensorsignal zufällig. Optional sendet die Ausfallsicherungsvorrichtung das Kontrollsignal zusätzlich in einem von dem regulären Betrieb unterschiedlichen Kalibrierungsbetrieb, einem Diagnosebetrieb und/oder weiteren aktiven Betriebszuständen des Flammensensors aus, in welchen eine Flammenbildung und ein Aussenden des Kontrollsignals abhängig voneinander gestaltet werden.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens kann eine vorteilhaft hohe Betriebssicherheit eines Flammensensors mit einem optischen Sensorelement erreicht werden. Insbesondere kann eine vorteilhaft hohe Betriebssicherheit bei einer kontrollierten Verbrennung von kohlenstofffreien Brennstoffen, insbesondere Wasserstoff, erreicht werden. Insbesondere kann das optische Sensorelement ohne Unterbrechung des regulären Betriebs überwacht werden. Insbesondere kann auf eine gesonderte Kontrollphase mit einer Betriebsunterbrechung zur Überprüfung des optischen Sensorelements verzichtet werden.
  • Weiter wird vorgeschlagen, dass das Kontrollsignal während des regulären Betriebs des Flammensensors für einen wesentlichen Zeitabschnitt einer Betriebsdauer des Flammensensors ausgesandt wird, insbesondere kontinuierlich ausgesandt wird. Vorzugsweise wird die Ausfallssicherungsvorrichtung automatisch zusammen mit dem optischen Sensorelement aktiviert oder deaktiviert. Insbesondere sendet das Sendelement in einem aktivierten Zustand dauerhaft oder in regelmäßigen oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen das Kontrollsignal aus, insbesondere solange das optische Sensorelement aktiv ist. Vorzugsweise weist das Kontrollsignal während des wesentlichen Zeitabschnitts eine von Null oder einem Grundrauschen verschiedene Amplitude auf. Der wesentliche Zeitabschnitt kann zusammenhängend sein oder aus einer Vielzahl an Einzelintervallen zusammengesetzt sein. Insbesondere umfasst der wesentliche Zeitabschnitt zumindest 10 %, bevorzugt zumindest 25 %, besonders bevorzugt zumindest 33 % der Betriebsdauer. Vorzugsweise wird das Kontrollsignal kontinuierlich ausgesandt, wobei das Kontrollsignal insbesondere eine Repetitionsrate aufweist und ein Auslastungsgrad des Kontrollsignals zumindest den oben genannten Zahlenwerten entspricht. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Ausfall des Flammensensors vorteilhaft kurzfristig detektiert werden. Insbesondere kann eine Funktionstüchtigkeit des Flammensensors vorteilhaft engmaschig digital protokolliert werden und insbesondere zu einer Fehlerdiagnose bereitgestellt werden.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt bei einer erfolglosen Detektion des Kontrollsignals in dem Sensorsignal ein Abschaltsignal zur Unterbrechung einer mit dem Flammensensor überwachten Flamme erstellt wird. Insbesondere analysiert die Steuereinheit das Sensorsignal bezüglich des Kontrollsignalanteils. Kann die Steuereinheit das Kontrollsignal nicht aus dem Sensorsignal isolieren und/oder in dem Sensorsignal nachweisen, erstellt die Steuereinheit das Abschaltsignal. Optional zählt die Steuereinheit die Anzahl an Versuchen, das Kontrollsignal nachzuweisen und erstellt das Abschaltsignal erst nach Überschreiten eines Schwellwerts für fehlgeschlagene Versuche. Anwendungsabhängig können die Versuche insbesondere zeitlich beabstandet, insbesondere mit einer Repetitionsrate des Kontrollsignals synchronisiert, oder direkt hintereinander ausgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich misst die Steuereinheit eine Zeitspanne, in welcher das Kontrollsignal nicht nachgewiesen werden konnte, und erstellt das Abschaltsignal erst nach Ablauf eines Schwellwerts für die Zeitspanne ohne Kontrollsignalnachweis. Das Abschaltsignal trägt zumindest oder ausschließlich die Information, dass der Flammensensor nicht funktionstüchtig ist. Das Abschaltsignal ist bevorzugt dazu vorgesehen, eine Notabschaltung in einer flammenerzeugenden Vorrichtung auszulösen. Beispielsweise ist die Funktionstüchtigkeit in dem Abschaltsignal direkt als Logikpegel (funktionstüchtig - nicht funktionstüchtig) implementiert. Die Steuereinheit gibt das Abschaltsignal an einer Datenschnittstelle der Abschaltvorrichtung aus, welche insbesondere zu einer Datenverbindung mit der flammenerzeugenden Vorrichtung, beispielsweise einem Brennersystem, vorgesehen ist. Optional trägt das Abschaltsignal zusätzliche Informationen, beispielsweise einen Zeitpunkt des letzten erfolgreichen Versuchs, eine akkumulierte Anzahl an Fehlversuchen in einem bestimmten Zeitraum, beispielsweise den letzten zwei Wochen, seit dem letzten Wartungstermin oder dergleichen. Optional gibt die Steuereinheit das Abschaltsignal über die Datenschnittstelle oder eine weitere Datenschnittstelle der Ausfallsicherungsvorrichtung, insbesondere zusätzlich, an einen Benutzer oder Wartungsdienst aus, insbesondere um den Flammensensor warten und/oder austauschen zu lassen. Die Datenschnittstelle und/oder die weitere Datenschnittstelle können/kann insbesondere leitungsgebunden und/oder drahtlos, insbesondere funkwellengebunden, ausgebildet sein. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine mit dem Flammensensor ausgebildete flammenerzeugende Vorrichtung vorteilhaft sicher betrieben werden.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt das Kontrollsignal zwischen zumindest zwei Signalleveln alternierend erzeugt wird. Insbesondere sind die Signallevel unterschiedlich ausgebildet. Insbesondere weist der Signalparameter, insbesondere die Intensität oder die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung, des Kontrollsignals während eines Repetitionszyklus des Kontrollsignals zumindest ein Maximum und zumindest ein Minimum auf. Vorzugsweise haben alle Maxima des Kontrollsignals innerhalb eines Repetitionszyklus den gleichen Betrag. Vorzugsweise haben alle Minima des Kontrollsignals innerhalb eines Repetitionszyklus den gleichen Betrag. Besonders bevorzugt ist das Kontrollsignal als Rechtecksignal, als Trapezsignal, als Sinussignal, als Dreieckssignal, als Halbschwingung, als Sägezahnsignal, einer Kombination der genannten Signale oder dergleichen ausgebildet. Vorzugsweise ist die Repetitionsrate des Kontrollsignals schneller, insbesondere zumindest 10mal schneller, bevorzugt mehr als 50mal schneller, als eine mittlere Änderungsrate des Flammensignalanteils. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der Flammensignalanteil und der Kontrollsignalanteil des Sensorsignals vorteilhaft einfach und/oder vorteilhaft zuverlässig voneinander unterschieden und voneinander getrennt werden.
  • Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass eine Modulationstiefe des Sensorsignals kleiner gehalten wird als eine mittlere Amplitude des Sensorsignals bei erfolgreicher Detektion von Flammen. Die mittlere Amplitude des Sensorsignals bei erfolgreicher Detektion von Flammen wird vorzugsweise in einem Kalibrierungsschritt des Verfahrens und/oder während des regulären Betriebs ermittelt und/oder aktualisiert. Unter der "Modulationstiefe des Sensorsignals" soll insbesondere die durch die unterschiedlichen Signallevel einer Repetitionsrate des Kontrollsignals verursachte Differenz aus Maximum und Minimum des Kontrollsignalanteils des Sensorsignals verstanden werden. Vorzugsweise ist zumindest ein zeitlicher Mittelwert, bevorzugt das Maximum einer Repetitionsrate, des Kontrollsignalanteils kleiner als ein Detektionsschwellwert für den Flammensignalanteil. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Ausfallsicherungsvorrichtung vorteilhaft energiesparend betrieben werden.
  • Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein maximales Signallevel des Kontrollsignals abhängig von einer Detektion des Kontrollsignals angepasst wird. Insbesondere erhöht die Steuereinheit das maximale Signallevel des Kontrollsignals, wenn das Kontrollsignal in dem Sensorsignal nicht nachgewiesen werden konnte. Vorzugsweise erhöht die Steuereinheit das maximale Signallevel, bis das Kontrollsignal nachgewiesen werden kann oder ein oberer Schwellwert für das maximale Signallevel erreicht ist. Ist das maximale Signallevel erreicht und das Steuersignal kann nicht nachgewiesen werden, wertet die Steuereinheit den Versuch als Fehlschlag. Vorzugsweise senkt die Steuereinheit das maximale Signallevel des Kontrollsignals, wenn das Kontrollsignal in dem Sensorsignal nachgewiesen werden konnte. Insbesondere senkt die Steuereinheit das maximale Signallevel, bis das Kontrollsignal nicht mehr nachgewiesen werden kann oder ein unterer Schwellwert für das maximale Signallevel erreicht ist. Optional gibt die Steuereinheit das Abschaltsignal aus, wenn das maximale Signallevel für zumindest eine oder mehrere Versuche und/oder eine bestimmte Zeitdauer auf dem oberen Schwellwert eingestellt ist, unabhängig davon ob das Kontrollsignal nachgewiesen werden kann oder nicht. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine vorteilhaft zuverlässige Bewertung einer Funktionstüchtigkeit des Flammensensors erfolgen. Insbesondere kann ein Rauschen des Sensorsignals vorteilhaft kompensiert werden. Insbesondere kann ein, beispielsweise alterungsbedingtes, Nachlassen einer Leuchtkraft des Sendeelements vorteilhaft kompensiert werden.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Kontrollsignal mittels einer Phasenregelschleife aus dem Sensorsignal ermittelt wird. Insbesondere umfasst die Steuereinheit die Phasenregelschleife. Insbesondere verwendet die Steuereinheit die Phasenregelschleife als Nachlauffilter. Vorzugsweise verwendet die Steuereinheit das Steuersignal als Referenz zu einer Regeneration des Kontrollsignals aus dem Sensorsignal, insbesondere zu einer Isolierung des Kontrollsignalanteils aus dem Sensorsignal. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann das Kontrollsignal, insbesondere der Kontrollsignalanteil, vorteilhaft zuverlässig auch aus einem stark rauschenden Sensorsignal ermittelt werden.
  • Darüber hinaus wird eine Ausfallsicherungsvorrichtung eines Flammensensors, insbesondere eines Wasserstoff-Flammensensors, mit zumindest einer, insbesondere der bereits genannten, Steuereinheit zu einer Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen. Unter einer "Steuereinheit" soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer "Steuerelektronik" soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Die Ausfallsicherungsvorrichtung umfasst insbesondere das Sendeelement. Beispielsweise ist das Sendeelement als Leuchtdiodenschaltung ausgebildet. Insbesondere umfasst die Leuchtdiodenschaltung zumindest eine Leuchtdiode (LED), insbesondere eine Ultraviolett-Leuchtdiode (UV-LED) und insbesondere zumindest einen Vorwiderstand für diese Leuchtdiode. Optional ist die Leuchtdiodenschaltung als Leuchtdioden-Cluster ausgebildet. Vorzugsweise basiert die Leuchtdiode oder zumindest eine der Leuchtdioden auf Aluminiumnitrid, Aluminiumgalliumnitrid, Aluminiumgalliumindiumnitrid, Diamant, hexagonalem Bornitrid oder dergleichen. Die Ausfallsicherungsvorrichtung umfasst bevorzugt ein Richtungselement, beispielsweise einen Hohlspiegel oder einen Freiformreflektor, zu einer Festlegung einer Hauptaussenderichtung des Sendeelements, insbesondere in Richtung des optischen Sensorelements. Optional umfasst die Ausfallsicherungsvorrichtung zumindest ein redundantes weiteres Sendeelement, insbesondere zu einem montagelosen Wechsel des Sendeelements, wenn kein Kontrollsignal nachgewiesen werden kann. Insbesondere umfasst die Steuereinheit einen Signalgenerator zu einer Ansteuerung des Sendeelements oder der Sendeelemente. Optional umfasst die Steuereinheit einen Frequenzfilter und/oder ein Frequenzanalysemodul, insbesondere zur Durchführung einer schnellen Fouriertransformation (FFT), in analoger oder digitaler Implementierung, zu einer Analyse des Sensorsignals. Insbesondere umfasst die Ausfallsicherungsvorrichtung zumindest eine Sensorschnittstelle zu einer Abfrage des Sensorsignals von dem optischen Sensorelement. Die Ausfallsicherungsvorrichtung umfasst vorzugsweise die Datenschnittstelle zu einer Ausgabe des Abstellsignals. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Ausfallsicherungsvorrichtung für Flammensensoren für kohlenstofffreie Brennstoffe, insbesondere Wasserstoff, bereitgestellt werden.
  • Ferner wird ein Flammensensor, insbesondere ein Wasserstoff-Flammensensor, mit einem optischen Sensorelement und mit einer erfindungsgemäßen Ausfallsicherungsvorrichtung nach und/oder einer, insbesondere der bereits genannten, Steuereinheit zu einer Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen. Das optische Sensorelement kann insbesondere als Einzelsensor oder als, insbesondere ortsauflösendes oder akkumulierendes, Sensor-Array ausgebildet sein. Das optische Sensorelement kann beispielsweise als Photodiode, als Active Pixel Sensor (CMOS-Sensor), charge-coupled device (CCD)-Sensor oder als ein anderes, dem Fachmann als sinnvoll erscheinendes Messelement zur Erfassung von, insbesondere ultravioletter, elektromagnetischer Strahlung ausgebildet sein. Optional umfasst der Flammensensor zumindest ein redundantes weiteres optisches Sensorelement, insbesondere zu einem montagelosen Wechsel des optischen Sensorelements, falls kein Kontrollsignal nachgewiesen werden kann. Bei einer Ausgestaltung des optischen Sensorelements mit mehreren Pixeln, umfasst der Flammensensor vorzugsweise ein Scanelement, mit welchem das Sendeelement oder eine Hauptaussenderichtung des Sendeelements variierbar ist, um die Pixel abzuscannen. Alternativ umfasst der Flammensensor eine Aufweitungsoptik oder ein LED-Cluster mit einer auf eine maximale Erstreckung des optischen Sensorelements abgestimmten Größe. Vorzugsweise umfasst der Flammensensor ein gemeinsames Strukturelement, beispielsweise ein gemeinsames Gehäuse oder eine gemeinsame Montagegrundplatte, auf oder in welchem die Ausfallsicherungsvorrichtung und das optische Sensorelement angeordnet sind. Optional ist die Steuereinheit der Ausfallsicherungsvorrichtung getrennt von dem Sendeelement und dem optischen Sendeelement ausgebildet, beispielsweise zu einer Anordnung außerhalb eines Flammenbildungsbereichs. Optional umfasst der Flammensensor, insbesondere das Gehäuse des Flammensensors, einen für die zu erfassende elektromagnetische Strahlung transparenten Schutzschirm, der dazu vorgesehen ist, zwischen der Flamme und dem optischen Sensorelement angeordnet zu werden. Vorzugsweise umfasst der Flammensensor einen elektrischen Stromanschluss. Vorzugsweise umfasst der Flammensensor, insbesondere zusätzlich zu dem elektrischen Stromanschluss, eine interne Notfall-Stromversorgung, insbesondere eine Batterie oder einen Akkumulator. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein vorteilhaft betriebssicherer Flammensensor für, insbesondere kohlenstofffreie, Brennstoffe, bereitgestellt werden.
  • Des Weiteren wird ein Brennersystem, insbesondere ein Wasserstoffbrennersystem, mit zumindest einem Brennerelement zu einer Erzeugung einer Flamme, insbesondere einer Wasserstoff-Flamme, mit einem erfindungsgemäßen Flammensensor, mit einer erfindungsgemäßen Ausfallsicherungsvorrichtung und/oder mit einer, insbesondere der bereits genannten, Steuereinheit zu einer Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen. Beispielsweise ist das Brennersystem als Heizkessel, Durchlauferhitzer, Warmwasserspeicher, Kombitherme, Heizgebläse oder dergleichen ausgebildet. Das Brennerelement ist insbesondere brennstoff- und/oder sauerstoffdurchlässig ausgebildet. Beispielsweise ist das Brennerelement als poröse Schicht, insbesondere als Lochplatte, Gewebe, Drahtnetz oder dergleichen, oder als Strahlpumpe ausgebildet. Insbesondere umfasst das Brennersystem zumindest eine Brennstoffzufuhr, insbesondere eine Wasserstoffzufuhr, zu dem Brennerelement. Das Brennersystem umfasst vorzugsweise zumindest eine Sauerstoffzufuhr. Die Sauerstoffzufuhr ist dazu vorgesehen, einen durch sie vorgegebenen Sauerstoffstrom vor oder nach dem Brennerelement einem durch die Brennstoffzufuhr vorgegebenen Brennstoffstrom zuzuführen. Optional umfasst das Brennersystem eine Vormischkammer zu einer Vermischung des Brennstoffstroms und des Sauerstoffstroms vor einem Weiterleiten an das Brennerelement. Optional umfasst das Brennersystem ein Plenum zu einer Verteilung des Brennstoffs auf unterschiedliche Öffnungen des Brennerelements. Das Brennersystem umfasst bevorzugt einen Zünder zu einer Entzündung eines Brennstoff-Sauerstoff-Gemischs. Anwendungsabhängig umfasst das Brennersystem einen Wärmeübertrager, welcher insbesondere in einem Abgasabzugsbereich des Brennerelements angeordnet ist. Alternativ ist das Brennersystem als Direktheizer ausgebildet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein vorteilhaft betriebssicheres Brennersystem auch für kohlenstofffreie Brennstoffe bereitgestellt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Ausfallsicherungsvorrichtung, der erfindungsgemäße Flammensensor und/oder das erfindungsgemäße Brennersystem sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können/kann das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Ausfallsicherungsvorrichtung, der erfindungsgemäße Flammensensor und/oder das erfindungsgemäße Brennersystem zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
    • Zeichnungen
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennersystems und
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
    Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Figur 1 zeigt ein Brennersystem 29. Das Brennersystem 29 umfasst zumindest ein Brennerelement 30. Das Brennerelement 30 ist zu einer Erzeugung einer Flamme 22, insbesondere einer Wasserstoff-Flamme, vorgesehen. Vorzugsweise ist das Brennerelement 30 als poröse Schicht, insbesondere aus Metall oder Keramik, ausgebildet. Beispielhaft weist das Brennerelement 30 ein halbkreisförmiges Profil auf. Alternativ ist das Brennerelement 30 eben ausgebildet. Beispielhaft weist das Brennerelement 30 eine Vielzahl an Öffnung auf. Alternativ bildet das Brennerelement 30 genau eine Öffnung. Vorzugsweise umfasst das Brennersystem 29 zumindest ein Plenum 34, an welchem das Brennerelement 30 angeordnet ist. Das Brennersystem 29 umfasst insbesondere eine Brennstoffzufuhr 32. Vorzugsweise ist die Brennstoffzufuhr 32 dazu vorgesehen, dem Brennerelement 30, insbesondere mittelbar über das Plenum 34, einen Brennstoff zuzuführen. Vorzugsweise ist das Brennerelement 30 dazu vorgesehen, als Brennstoff Wasserstoff oder ein Brennstoffgemisch mit einem wesentlichen Wasserstoffanteil kontrolliert zu verbrennen. Vorzugsweise umfasst das Brennersystem 29 zumindest eine Sauerstoffzufuhr, insbesondere eine Ansaugöffnung für Umgebungsluft (hier nicht dargestellt). Vorzugsweise umfasst das Brennersystem 29 zumindest einen Zünder 36 zu einer Entzündung des Brennstoffs. Vorzugsweise umfasst das Brennersystem 29 zumindest einen Wärmeübertrager 38. Insbesondere ist der Wärmeübertrager 38 dazu vorgesehen, Wärme von einem Abgas einer Verbrennung des Brennstoffs auf einen Wärmeträger und/oder ein Zielfluid, insbesondere Nutzwasser, Trinkwasser und/oder Raumluft, zu übertragen.
  • Das Brennersystem 29 umfasst zumindest einem Flammensensor 14, insbesondere einen Wasserstoff-Flammensensor. Der Flammensensor 14 ist insbesondere dazu vorgesehen, ein Vorhandensein der Flamme 22 zu detektieren. Optional ist der Flammensensor 14 dazu vorgesehen, eine Abwesenheit von Flammen zu erkennen. Der Flammensensor 14 umfasst ein optisches Sensorelement 16, insbesondere zu einer Detektion der Flamme 22. Insbesondere ist das optische Sensorelement 16 dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlung, insbesondere im Ultraviolettbereich, von der Flamme 22 zu erfassen. Insbesondere ist der Flammensensor 14 während eines regulären Betriebs dazu vorgesehen, Zündversuche des Brennersystems 29 und eine Verbrennung des Brennstoffs zu überwachen. Der Flammensensor 14 umfasst zumindest eine Ausfallsicherungsvorrichtung 12. Die Ausfallsicherungsvorrichtung 12 ist insbesondere dazu vorgesehen, eine Funktionstüchtigkeit des Flammensensors 14 zu überwachen. Die Ausfallsicherungsvorrichtung 12 umfasst insbesondere zumindest ein Sendeelement 40 zu einem Aussenden eines Kontrollsignals 18 (vgl. Fig. 2). Das Sendeelement 40 umfasst bevorzugt zumindest eine Leuchtdiode. Die Ausfallsicherungsvorrichtung 12 umfasst zumindest eine Steuereinheit 28. Die Steuereinheit 28 ist zu einer Durchführung eines Verfahrens 10 vorgesehen, welches in Figur 2 näher erläutert wird. Insbesondere ist die Steuereinheit 28 zu einer Steuerung des Sendeelements 40 vorgesehen.
  • Figur 2 zeigt das Verfahren 10 zum Betrieb der Ausfallsicherungsvorrichtung 12 des Flammensensors 14. In zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens 10 wird in Abhängigkeit einer signaltechnischen Korrelation zwischen dem Kontrollsignal 18 und einem von dem optischen Sensorelement 16 abgegriffenen Sensorsignal 20 auf eine Funktionstüchtigkeit des Flammensensors 14 geschlossen.
  • Insbesondere versucht die Steuereinheit 28 das Kontrollsignal 18 in dem Sensorsignal 20 nachzuweisen. Kann die Steuereinheit 28 das Kontrollsignal 18 in dem Sensorsignal 20 nachweisen, schließt sie darauf, dass der Flammensensor 14 funktionstüchtig ist. Kann die Steuereinheit 28 das Kontrollsignal 18 in dem Sensorsignal 20 nicht nachweisen, schließt sie darauf, dass der Flammensensor 14 nicht funktionstüchtig ist, insbesondere unabhängig davon, ob das optische Sensorelement 16 oder das Sendeelement 40 funktionsuntüchtig ist.
  • In zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens 10 wird das Kontrollsignal 18 in Richtung des optischen Sensorelements 16 ausgesandt. Das Kontrollsignal 18 wird während des regulären Betriebs des Flammensensors 14 zur Überwachung der Flamme 22 ausgesandt. Das Kontrollsignal 18 wird während des regulären Betriebs des Flammensensors 14 für einen wesentlichen Zeitabschnitt einer Betriebsdauer des Flammensensors 14 ausgesandt. Insbesondere wird das Kontrollsignal 18 während des regulären Betriebs des Flammensensors 14 kontinuierlich ausgesandt. Das Kontrollsignal 18 wird insbesondere von dem Sendeelement 40 erzeugt. Insbesondere erzeugt die Steuereinheit 28 ein Steuersignal 50 zu einer Steuerung des Sendeelements 40.
  • Vorzugsweise setzt das Sendeelement 40 das Steuersignal 50 in das Kontrollsignal 18 um. Das Kontrollsignal 18 wird zwischen zumindest zwei Signalleveln 24, 26 alternierend erzeugt. Insbesondere erzeugt das Sendeelement 40 eine elektromagnetische Strahlung mit alternierender Intensität als Kontrollsignal 18. Besonders bevorzugt ist das Kontrollsignal 18 ein Rechtecksignal.
  • Das optische Sensorelement 16 setzt insbesondere bei ihm eintreffende elektromagnetische Strahlung in ein Sensorsignal 20 um. Die bei dem Sensorelement 16 eintreffende elektromagnetische Strahlung kann insbesondere das Kontrollsignal 18, eine Flammenstrahlung 42 von der Flamme 22 oder eine Kombination dieser sein. Optional beaufschlagt das optische Sensorelement 16 oder die Steuereinheit 28 das Sensorsignal 20 mit einem Korrekturfaktor, um eine elektromagnetische Strahlung einer Umgebung zu kompensieren. Insbesondere umfasst das Sensorsignal 20 zumindest einen Flammensignalanteil, wenn die Flammenstrahlung 42 auf das optische Sensorelement 16 trifft. Insbesondere umfasst das Sensorsignal 20 einen Kontrollsignalanteil 18', wenn das Kontrollsignal 18 auf das optische Sensorelement 16 trifft.
  • Vorzugsweise wird das Sensorsignal 20 in einem Signalverarbeitungsschritt 44 des Verfahrens 10 von der Steuereinheit 28 analog oder digital aufbereitet, beispielsweise verstärkt, gedämpft, entzerrt, gefiltert, geglättet, gemittelt oder dergleichen. Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10 einen Analyseschritt 46. Insbesondere wird das Sensorsignal 20 in dem Analyseschritt 46 von der Steuereinheit 28 analysiert, insbesondere in den Flammensignalanteil und den Kontrollsignalanteil 18' zerlegt. Das Kontrollsignal 18, insbesondere der Kontrollsignalanteil 18', wird mittels einer Phasenregelschleife der Steuereinheit 28 aus dem Sensorsignal 20 ermittelt. Alternativ ermittelt die Steuereinheit 28 in dem Analyseschritt 46 Kenngrößen für den Flammensignalanteil und den Kontrollsignalanteil 18', beispielsweise mittels einer Fourieranalyse. Vorzugsweise übermittelt die Steuereinheit 28 den Flammensignalanteil oder die entsprechende Kenngröße zu einer Auswertung an eine Systemsteuereinheit des Brennersystems 29, insbesondere zu einer Bewertung eines Zündversuchs oder eines Verbrennungsvorgangs. Vorzugsweise umfasst das Verfahren 10 einen Auswerteschritt 48 zu einer Auswertung des Kontrollsignalanteils 18' oder der entsprechenden Kenngröße. Beispielsweise vergleicht die Steuereinheit 28 in dem Auswerteschritt 48 eine Kontrollsignalgröße mit einem Schwellwert. Als Kontrollsignalgröße kann beispielsweise ein maximales Signallevel 24 des Kontrollsignalanteils 18', eine in dem Analyseschritt 46 ermittelte Fourieramplitude oder ein Korrelationsintegral des Kontrollsignalanteils 18' oder des gesamten Sensorsignals 20 mit dem Steuersignal 50 verwendet werden.
  • In dem Auswerteschritt 48 wird bei einer erfolglosen Detektion des Kontrollsignals 18 in dem Sensorsignal 20 ein Abschaltsignal zur Unterbrechung der mit dem Flammensensor 14 überwachten Flamme 22 erstellt. Insbesondere übermittelt die Steuereinheit 28 das Abschaltsignal an die Systemsteuereinheit des Brennersystems 29. Insbesondere schließt die Systemsteuereinheit des Brennersystems 29 die Brennstoffzufuhr 32 und optional die Sauerstoffzufuhr bei Erhalt des Abschaltsignals. In dem Auswerteschritt 48 wird ein maximales Signallevel 24 des Kontrollsignals 18 abhängig von einer Detektion des Kontrollsignals 18 angepasst. Insbesondere passt die Steuereinheit 28 das Steuersignal 50 abhängig von einer Detektion des Kontrollsignalanteils 18' an. Eine Modulationstiefe des Sensorsignals 20, insbesondere ein Spitze-Tal-Wert des Kontrollsignalanteils 18', wird kleiner gehalten als eine mittlere Amplitude des Sensorsignals 20, insbesondere als der Flammensignalanteil, bei erfolgreicher Detektion von Flammen 22.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Ausfallsicherungsvorrichtung eines Flammensensors, insbesondere eines Wasserstoff-Flammensensors, welcher zumindest ein optisches Sensorelement (16) umfasst, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt ein Kontrollsignal (18) in Richtung des Sensorelements (16) ausgesandt wird und wobei in zumindest einem Verfahrensschritt in Abhängigkeit einer signaltechnischen Korrelation zwischen dem Kontrollsignal (18) und einem von dem Sensorelement (16) abgegriffenen Sensorsignal (20) auf eine Funktionstüchtigkeit des Flammensensors geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollsignal (18) während eines regulären Betriebs des Flammensensors zur Überwachung einer Flamme (22) ausgesandt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollsignal (18) während des regulären Betriebs des Flammensensors (14) für einen wesentlichen Zeitabschnitt einer Betriebsdauer des Flammensensors (14) ausgesandt wird, insbesondere kontinuierlich ausgesandt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt bei einer erfolglosen Detektion des Kontrollsignals (18) in dem Sensorsignal (20) ein Abschaltsignal zur Unterbrechung einer mit dem Flammensensor (14) überwachten Flamme (22) erstellt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt das Kontrollsignal (18) zwischen zumindest zwei Signalleveln (24, 26) alternierend erzeugt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Modulationstiefe des Sensorsignals (20) kleiner gehalten wird als eine mittlere Amplitude des Sensorsignals (20) bei erfolgreicher Detektion von Flammen (22).
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein maximales Signallevel (24) des Kontrollsignals (18) abhängig von einer Detektion des Kontrollsignals (18) angepasst wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollsignal (18) mittels einer Phasenregelschleife aus dem Sensorsignal (20) ermittelt wird.
  8. Ausfallsicherungsvorrichtung eines Flammensensors, insbesondere eines Wasserstoff-Flammensensors, mit zumindest einer Steuereinheit (28) zu einer Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  9. Flammensensor, insbesondere Wasserstoff-Flammensensor, mit einem optischen Sensorelement (16) und mit einer Ausfallsicherungsvorrichtung nach Anspruch 8 und/oder einer Steuereinheit (28) zu einer Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  10. Brennersystem mit zumindest einem Brennerelement (30) zu einer Erzeugung einer Flamme (22), insbesondere einer Wasserstoff-Flamme, mit einem Flammensensor nach Anspruch 9, mit einer Ausfallsicherungsvorrichtung nach Anspruch 8 und/oder mit einer Steuereinheit (28) zu einer Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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