EP4495483A1 - Flammenerkennungseinrichtung und verfahren zum betrieb einer flammenerkennungseinrichtung - Google Patents

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EP4495483A1
EP4495483A1 EP24188099.6A EP24188099A EP4495483A1 EP 4495483 A1 EP4495483 A1 EP 4495483A1 EP 24188099 A EP24188099 A EP 24188099A EP 4495483 A1 EP4495483 A1 EP 4495483A1
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EP
European Patent Office
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unit
flame detection
signal
carrier signal
detection device
Prior art date
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EP24188099.6A
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Said Lotfi
Sven Stutzmann
Lars Dr. Paesler
Martin Ries
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Viessmann Holding International GmbH
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Viessmann Climate Solutions SE
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    • F23N2231/00—Fail safe
    • F23N2231/10—Fail safe for component failures

Definitions

  • the invention relates to a flame detection device according to the preamble of patent claim 1 and a method for operating a flame detection device according to the preamble of patent claim 8.
  • This flame detection device consists - initially viewed objectively - of a sensor unit (there sensor element 16) that converts electromagnetic radiation (here flame radiation 42 in combination with a control signal 18 of a transmitting unit 40) into a sensor signal (here sensor signal 20) and a signal processing unit (here signal processing step 44), whereby - in procedural terms - the processed sensor signal is broken down into a flame signal component and a control signal component (here analysis step 46 for separating the control signal component 18') and the control signal component is evaluated (here evaluation step 48 for evaluating the control signal component 18').
  • the invention is based on the object of improving a flame detection device and a method for operating a flame detection device of the type mentioned at the beginning.
  • a flame detection device that can be tested with little effort and a method are to be created with which the functionality test of the flame detection device can be carried out particularly easily, whereby no additional transmitting element is required to emit an optical or electromagnetic control signal within the flame chamber.
  • the sensor unit of the present flame detection device is preferably designed as a photodiode, which generates a photocurrent from the incident electromagnetic radiation energy without an external operating voltage.
  • the sensor unit is therefore intrinsically safe in the sense that if the photodiode fails, the photocurrent may fail despite the flame being present, but the opposite error case, that a photocurrent is generated despite the absence of a flame, is physically impossible due to the conservation of energy.
  • a first aspect of the invention relates to a flame detection device comprising an optoelectronic sensor unit suitable for flame detection and a modulator unit having a first and a second input, wherein the sensor unit is connected to the first input of the modulator unit, and a carrier signal unit is connected to the second input of the modulator unit and an output signal of the modulator unit is a modulation product of a flame detection signal of the sensor unit and a carrier signal of the carrier signal unit.
  • the teaching according to the invention achieves the advantage that the amplifier and evaluation circuit of the flame detection device can be tested for false positive flame detection signals and that the flame detection device is overall intrinsically safe with regard to positive flame detection when using an intrinsically safe sensor unit.
  • the sensor unit is designed as an intrinsically safe sensor unit, preferably as a photodiode.
  • the sensor unit is designed to detect electromagnetic radiation in a wavelength range of 250-550 nm, preferably one or more wavelengths of the flame radicals occurring in a combustion process, particularly preferably one or more of the wavelengths 308 nm of an OH radical, 430 nm of a CH radical, or 519 nm of a C2 radical.
  • This design has the advantage that flame detection is focused on characteristic wavelengths and reliability is improved.
  • the inverting input of the modulator unit is connected to the flame detection signal of the sensor unit and the non-inverting input of the modulator unit is connected to a negative carrier signal of a carrier signal unit, and the modulator unit is designed to modulate the carrier signal with the flame detection signal.
  • This design has the advantage that the flame detection signal of the sensor unit is amplified and at the same time modulated onto the carrier signal.
  • the modulation product is a carrier signal modulated with the flame detection signal.
  • other modulation methods such as frequency modulation or pulse width modulation (PWM) can also be provided.
  • PWM pulse width modulation
  • Amplitude modulation however, has the advantage that it can be implemented in terms of circuitry with comparatively little effort.
  • a switching converter is connected between the output of the carrier signal unit and the non-inverting input of the modulator unit. arranged, comprising an electronic switch, preferably a field effect transistor, and a switched capacitor, wherein the switching converter is designed to convert a carrier signal clocked positively with respect to ground into a carrier signal clocked negatively with respect to ground.
  • This design has the advantage that a carrier signal that is clocked negatively relative to ground and required for the modulator unit can be provided with a single positive supply voltage. With symmetrical supply voltages, the negatively clocked carrier signal can also be generated by means of a suitably designed carrier signal unit, whereby the switching converter can be omitted.
  • the output of the modulator unit is connected to the input of an intermediate amplifier unit, wherein the intermediate amplifier unit is preferably designed as an active bandpass filter.
  • This design has the advantage that the output of the modulator unit is decoupled from subsequent stages.
  • a design as an active bandpass filter has the further advantage that only the desired carrier frequency band is further processed.
  • the entire amplifier and evaluation circuit or a part thereof is arranged together with the optoelectronic sensor unit on a common circuit board, in a common assembly, or as a system-on-chip (SOC) on a common substrate and is protected against damaging influences by means of sealing.
  • SOC system-on-chip
  • This design has the advantage that the optoelectronic sensor unit and the amplifier and evaluation circuit are protected against corrosion and contamination and the sensor unit can be arranged near the modulator unit, so that no long connecting cables are required and distortion of the sensor signal due to electromagnetic interference and line impedances can be largely avoided.
  • the system-on-chip (SOC) design also allows for a cost-effective and integrated design that is compact, mechanically insensitive and can be sealed.
  • a second aspect of the invention relates to a method for operating a flame detection device, in which electromagnetic radiation is converted into a flame detection signal by means of an optoelectronic sensor unit and the flame detection signal is fed to a modulator unit, wherein the flame detection signal of the sensor unit is modulated onto a carrier signal of a carrier signal unit by means of the modulator unit and a modulation product of the flame detection signal of the sensor unit and the carrier signal of the carrier signal unit is provided as the output signal of the modulator unit.
  • the method according to the invention has the advantage that a false positive flame detection is recognized as faulty and discarded.
  • the output signal of the modulator unit is frequency-selectively filtered by means of an active bandpass filter, whereby signal components of the output signal of the modulator unit, whose frequency lies within a predetermined frequency band of modulation products of the flame detection signal of the sensor unit and the carrier signal of the carrier signal unit, are separated from other signal components and provided as the output signal of the active bandpass filter.
  • This embodiment of the method has the advantage that signals with frequencies outside the specified carrier frequency band are filtered out. This also filters out faulty flame detection signals that have no carrier frequency or do not have the specified carrier frequency.
  • a demodulated flame detection signal is provided from the output signal of the active bandpass filter by means of a demodulator unit and a flame discrimination signal is provided from the demodulated flame detection signal of the demodulator unit by means of a discriminator unit.
  • the solution according to the invention is characterized in that not only the signal from the sensor unit is fed to the amplifier and evaluation circuit, but this is first modulated onto a carrier signal, and that the presence of the carrier signal can be used to check whether the amplifier unit is functioning properly when evaluating the amplified and processed signal. If the carrier signal is not present, a positive flame detection signal is rejected as possibly faulty and the flame detection is classified as negative for safety reasons. Thanks to the approach according to the invention, a positively intrinsically safe flame detection device is thus created, by means of which a false positive flame detection due to a fault in the amplifier and evaluation circuit can be prevented.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a flame detection device according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the flame detection device comprises a sensor unit 1, a modulator unit 2 with an inverting input 2.1 and a non-inverting input 2.2, a negative feedback branch with an ohmic resistor 7 and a carrier signal unit 3 with a switch to ground 4.
  • the circuit arrangement acts as a transimpedance amplifier with the operational amplifier 2 and the negative feedback resistor 7.
  • the operational amplifier 2 typically has a very high input resistance at both differential inputs and a very low output resistance with a very high differential gain.
  • the operational amplifier 2, which is negatively fed by means of the resistor 7, thus sets the output voltage within the specified limits, in particular the supply voltage limits, so that the difference between the input voltages is close to zero. If the non-inverting input 2.2 is at ground, a zero potential is also set for the inverting input 2.1.
  • the photodiode 1 is thus operated in a virtual short circuit, with no external operating voltage applied.
  • the incident photons generate a photocurrent in the reverse direction that is almost linearly dependent on the illuminance.
  • the circuit node at the non-inverting input 2.1 it is a negative current that flows out of the circuit node. According to Kirchhoff's node rule, the sum of the incoming and outgoing currents for this circuit node must be zero.
  • the inverting input 2.1 does not contribute any significant inflow or outflow due to its high input resistance.
  • the transimpedance amplifier thus takes on the function of a modulator unit, which modulates the low-frequency flame detection signal of the photodiode onto a higher-frequency carrier signal.
  • amplitude modulation with a modulation level of 100% is carried out.
  • the carrier signal can be rectangular, but also trapezoidal or sinusoidal, which each affects the waveform and the frequency spectrum of the modulation product.
  • the frequency of the carrier signal must be higher than the highest relevant frequency in the frequency spectrum of the flame detection signal and sufficient to achieve the required reaction speed of the flame detection device.
  • An amplitude modulation as described here represents the simplest design of the method according to the invention in terms of circuitry and functionality.
  • other modulation methods such as frequency modulation and pulse width modulation (PWM) can also be provided.
  • PWM pulse width modulation
  • An essential feature of the invention is that the flame detection signal is modulated onto a carrier signal and the presence of the carrier signal proves the functionality of the amplifier and evaluation circuit. This proof can be carried out by means of an active bandpass filter 8, which is in Figure 2 is shown schematically.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a flame detection device according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • the active bandpass filter 8 typically comprises an operational amplifier which is designed with a high-pass filter at the input and a low-pass filter at the output, so that frequencies of modulation products of the carrier signal and the flame detection signal pass through the active bandpass filter 8, while external frequencies and non-modulated signals without a carrier signal are filtered out. This ensures that erroneously positive flame detection signals without a carrier signal are blocked, and only valid flame detection signals can be present at the output of the active bandpass filter 8.
  • the present invention provides a positively intrinsically safe flame detection device and a method for operating such a flame detection device is available, which is based on a positively intrinsically safe sensor and monitors the positively error-free function of the amplifier and evaluation circuit during operation, whereby a possibly faulty flame detection is rejected.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a flame detection device according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • the amplifier and evaluation circuit works with a positive supply voltage.
  • a carrier signal that is negative with respect to the circuit ground is required. This is generated by means of a switching converter comprising a switch, preferably a field effect transistor 5, and a capacitor 6 as well as a carrier signal unit 3, which generates a positive carrier signal and both controls the gate connection 5.2 of the field effect transistor 5 and charges the capacitor 6 to a positive voltage against ground as long as the field effect transistor 5 is conductive against ground.
  • the field effect transistor 5 With the falling edge of the positive carrier signal of the carrier signal unit 3, the field effect transistor 5 is blocked and the potential of the positively charged side of the capacitor 6 is shifted to zero by the amount of the falling edge, whereby at the same time the potential of the negatively charged side of the capacitor 6 is shifted from zero to the negative range by the same amount.
  • the capacitance 6 then discharges via the source-drain blocking resistor of the field effect transistor 5.
  • the Figure 3 The switching converter shown uses a positive supply voltage and the positive carrier signal oscillation of the carrier signal unit 3 to provide a negative control the non-inverting input 2.2 of the modulator unit 2.
  • Figure 4 shows a diagram with a schematic representation of an example of a time profile of a flame detection signal B of the sensor unit 1, a carrier signal C of the carrier signal unit 3, and a modulation product D of the modulator unit 2.
  • the negative carrier signal C' (not shown) is created by mirroring the carrier signal C on the time axis.
  • it can also take on a different signal shape, for example a sawtooth-shaped profile, whereby the output signal of the modulator unit also deviates accordingly.
  • the flame detection signal B includes the flame intensity
  • signal A represents a logical flame detection signal.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flammenerkennungseinrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer Flammenerkennungseinrichtung, umfassend eine zur Flammenerkennung geeignete optoelektronische Sensoreinheit (1) und eine Modulatoreinheit (2) aufweisend einen ersten und einen zweiten Eingang (2.1, 2.2), wobei die Sensoreinheit (1) mit dem ersten Eingang (2.1) der Modulatoreinheit (2) verbunden ausgebildet ist und eine Trägersignaleinheit (3) mit dem zweiten Eingang (2.2) der Modulatoreinheit (2) verbunden ausgebildet ist und ein Ausgangssignal der Modulatoreinheit (2) ein Modulationsprodukt eines Flammenerkennungssignals der Sensoreinheit (1) und eines Trägersignals der Trägersignaleinheit (3) ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Flammenerkennungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer Flammenerkennungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
  • Eine Flammenerkennungseinrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Flammenerkennungseinrichtung der eingangs genannten Art ist aus dem Dokument EP 3 916 693 A1 bekannt. Diese Flammenerkennungseinrichtung besteht - zunächst gegenständlich betrachtet - aus einer elektromagnetische Strahlung (dort Flammenstrahlung 42 in Kombination mit einem Kontrollsignal 18 einer Sendeeinheit 40) in ein Sensorsignal (dort Sensorsignal 20) umwandelnden Sensoreinheit (dort Sensorelement 16) und einer Signalaufbereitungseinheit (dort Signalverarbeitungsschritt 44), wobei - verfahrensmäßig ausgedrückt - das aufbereitete Sensorsignal in einen Flammensignalanteil und einen Kontrollsignalanteil zerlegt (dort Analyseschritt 46 zur Trennung des Kontrollsignalanteils 18') und der Kontrollsignalanteil ausgewertet wird (dort Auswerteschritt 48 zu einer Auswertung des Kontrollsignalanteils 18').
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flammenerkennungseinrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer Flammenerkennungseinrichtung der eingangs genannten Art zu verbessern. Insbesondere soll eine mit geringem Aufwand prüfbare Flammenerkennungseinrichtung und ein Verfahren geschaffen werden, mit dem die Funktionstüchtigkeitsprüfung der Flammenerkennungseinrichtung besonders einfach durchführbar ist, wobei kein zusätzliches Sendeelement zur Aussendung eines optischen oder elektromagnetischen Kontrollsignals innerhalb des Flammenraums benötigt werden soll.
  • Dabei ist zu berücksichtigen, dass nur eine falsch positive Flammenerkennung einen gefährlichen Fehlerzustand einer Brennvorrichtung darstellt, während eine falsch negative Flammenerkennung zwar zu einer nicht erforderlichen Abschaltung der Flamme führen kann, aber keinen gefährlichen Fehlerzustand durch das weitere Einströmen nicht entzündenden Brennmittels in einen Brennraum darstellt.
  • Ferner ist zu berücksichtigen, dass die Sensoreinheit der vorliegenden Flammenerkennungseinrichtung vorzugsweise als Photodiode ausgebildet ist, welche ohne äußere Betriebsspannung aus der auftreffenden elektromagnetischen Strahlungsenergie einen Photostrom erzeugt. Die Sensoreinheit ist somit eigensicher, in dem Sinne, dass bei einem Ausfall der Photodiode zwar trotz vorhandener Flamme der Photostrom ausfallen kann, der umgekehrte Fehlerfall, dass trotz fehlender Flamme ein Photostrom erzeugt wird, aber aufgrund der Energieerhaltung physikalisch ausgeschlossen ist.
  • Somit ist lediglich eine Prüfung der elektrischen Verstärker- und Auswerteschaltung der Flammenerkennungseinrichtung auf falsch positive Fehlerzustände erforderlich.
  • Diese Aufgabe ist mit einer Flammenerkennungseinrichtung der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Verfahrensmäßig ist diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 8 aufgeführten Merkmale gelöst.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Flammenerkennungseinrichtung umfassend eine zur Flammenerkennung geeignete optoelektronische Sensoreinheit und eine Modulatoreinheit aufweisend einen ersten und einen zweiten Eingang, wobei die Sensoreinheit mit dem ersten Eingang der Modulatoreinheit verbunden ausgebildet ist, und eine Trägersignaleinheit mit dem zweiten Eingang der Modulatoreinheit verbunden ausgebildet ist und ein Ausgangssignal der Modulatoreinheit ein Modulationsprodukt eines Flammenerkennungssignals der Sensoreinheit und eines Trägersignals der Trägersignaleinheit ist.
  • Die Modulatoreinheit könnte man auch Schaltungseinheit zur Verstärkung und die Trägersignaleinheit auch Schaltungseinheit zur Modulation nennen.
  • Durch die erfindungsgemäße Lehre wird der Vorteil erreicht, dass die Verstärker- und Auswerteschaltung der Flammenerkennungseinrichtung auf falsch positive Flammenerkennungssignale prüfbar ist und die Flammenerkennungseinrichtung bei Verwendung einer eigensicheren Sensoreinheit hinsichtlich einer positiven Flammenerkennung insgesamt eigensicher ist.
  • Entsprechend einer ersten exemplarischen Ausgestaltung ist die Sensoreinheit als eigensichere Sensoreinheit, bevorzugt als Photodiode, ausgebildet.
  • Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass ein falsch positives Flammenerkennungssignal als Ausgangssignal der Sensoreinheit ausgeschlossen werden kann. In der bevorzugten Ausgestaltung als Photodiode wird ohne äußere Betriebsspannung aus der Strahlungsenergie unmittelbar ein Photostrom erzeugt. Entsprechend einer weiteren exemplarischen Ausgestaltung ist die Sensoreinheit ausgebildet, elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 250-550 nm, bevorzugt eine oder mehrere Wellenlängen der bei einem Verbrennungsprozess auftretenden Flammenradikale, besonders bevorzugt eine oder mehrere der Wellenlängen 308 nm eines OH Radikals, 430 nm eines CH Radikals, oder 519 nm eines C2 Radikals zu detektieren.
  • Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die Flammenerkennung auf charakteristische Wellenlängen fokussiert und die Zuverlässigkeit verbessert wird.
  • Entsprechend einer weiteren exemplarischen Ausgestaltung ist der invertierende Eingang der Modulatoreinheit mit dem Flammenerkennungssignal der Sensoreinheit verbunden ausgebildet und der nicht invertierende Eingang der Modulatoreinheit mit einem negativen Trägersignal einer Trägersignaleinheit verbunden ausgebildet, und die Modulatoreinheit ausgebildet, das Trägersignal mit dem Flammenerkennungssignal zu modulieren.
  • Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass das Flammenerkennungssignal der Sensoreinheit verstärkt und zugleich auf das Trägersignal aufmoduliert wird. Das Modulationsprodukt ist ein mit dem Flammenerkennungssignal moduliertes Trägersignal. Neben der Amplitudenmodulation können auch andere Modulationsverfahren wie beispielsweise Frequenzmodulation oder Pulsweitenmodulation (PWM) vorgesehen werden. Die Amplitudenmodulation weist allerdings den Vorteil auf, dass sie schaltungstechnisch mit vergleichsweise geringem Aufwand zu realisieren ist.
  • Entsprechend einer weiteren exemplarischen Ausgestaltung ist zwischen dem Ausgang der Trägersignaleinheit und dem nicht invertierenden Eingang der Modulatoreinheit ein Schaltwandler angeordnet, umfassend einen elektronischen Schalter, bevorzugt einen Feldeffekttransistor, und eine geschaltete Kapazität, wobei der Schaltwandler zur Umformung eines gegenüber Masse positiv getakteten Trägersignals in ein gegenüber Masse negativ getaktetes Trägersignal ausgebildet ist.
  • Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass mit einer einzigen positiven Versorgungsspannung ein für die Modulatoreinheit erforderliches gegenüber Masse negativ getaktetes Trägersignal zur Verfügung gestellt werden kann. Mit symmetrischen Versorgungsspannungen kann das negativ getaktete Trägersignal auch mittels einer entsprechend ausgebildeten Trägersignaleinheit erzeugt werden, wobei der Schaltwandler entfallen kann.
  • Entsprechend einer weiteren exemplarischen Ausgestaltung ist der Ausgang der Modulatoreinheit mit dem Eingang einer Zwischenverstärkereinheit verbunden ausgebildet, wobei die Zwischenverstärkereinheit bevorzugt als aktives Bandpassfilter ausgebildet ist.
  • Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass der Ausgang der Modulatoreinheit von nachfolgenden Stufen entkoppelt wird. Eine Ausgestaltung als aktives Bandpassfilter weist den weiteren Vorteil auf, dass nur das gewünschte Trägerfrequenzband weiterverarbeitet wird.
  • Entsprechend einer weiteren exemplarischen Ausgestaltung ist die gesamte Verstärker- und Auswerteschaltung oder ein Teil davon zusammen mit der optoelektronischen Sensoreinheit auf einer gemeinsamen Leiterplatte, in einer gemeinsamen Baugruppe, oder als System-on-Chip (SOC) auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet und mittels Versiegelung gegen Schadeinflüsse geschützt.
  • Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die optoelektronische Sensoreinheit und die Verstärker- und Auswerteschaltung gegen Korrosion und Verschmutzung geschützt sind und die Sensoreinheit in der Nähe der Modulatoreinheit angeordnet werden kann, so dass keine langen Anschlussleitungen erforderlich sind und Verfälschungen des Sensorsignals durch elektromagnetische Einstreuung und Leitungsimpedanzen weitgehend vermieden werden können. Die Ausgestaltung als System-on-Chip (SOC) erlaubt zudem eine kostengünstige und integrierte Ausführung, die kompakt und mechanisch unempfindlich ist und versiegelt werden kann.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Flammenerkennungseinrichtung, bei dem mittels einer optoelektronischen Sensoreinheit elektromagnetische Strahlung in ein Flammenerkennungssignal umgewandelt wird und das Flammenerkennungssignal einer Modulatoreinheit zugeführt wird, wobei einem Trägersignal einer Trägersignaleinheit mittels der Modulatoreinheit das Flammenerkennungssignal der Sensoreinheit aufmoduliert wird und ein Modulationsprodukt des Flammenerkennungssignals der Sensoreinheit und des Trägersignals der Trägersignaleinheit als Ausgangssignal der Modulatoreinheit bereitgestellt wird.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Vorteil erreicht, dass eine falsch positive Flammenerkennung als fehlerhaft erkannt und verworfen wird.
  • Entsprechend einer ersten exemplarischen Ausgestaltung des Verfahrens wird das Ausgangssignal der Modulatoreinheit mittels eines aktiven Bandpassfilters frequenzselektiv gefiltert, wobei Signalanteile des Ausgangssignals der Modulatoreinheit, deren Frequenz innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbandes von Modulationsprodukten des Flammenerkennungssignals der Sensoreinheit und des Trägersignals der Trägersignaleinheit liegen, von anderen Signalanteilen getrennt und als Ausgangssignal des aktiven Bandpassfilters bereitgestellt werden.
  • Diese Ausgestaltung des Verfahrens weist den Vorteil auf, dass Signale mit Frequenzen außerhalb des vorgegebenen Trägerfrequenzbandes ausgefiltert werden. Hierbei werden auch fehlerhafte Flammenerkennungssignale ausgefiltert, die keine oder nicht die vorgegebene Trägerfrequenz aufweisen.
  • Entsprechend einer weiteren exemplarischen Ausgestaltung des Verfahrens wird aus dem Ausgangssignal des aktiven Bandpassfilters mittels einer Demodulatoreinheit ein demoduliertes Flammenerkennungssignal bereitgestellt und aus dem demodulierten Flammenerkennungssignal der Demodulatoreinheit mittels einer Diskriminatoreinheit ein Flammendiskriminierungssignal bereitgestellt.
  • Mit anderen Worten zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung dadurch aus, dass der Verstärker- und Auswerteschaltung nicht nur das Signal der Sensoreinheit zugeführt wird, sondern dieses zunächst auf ein Trägersignal aufmoduliert wird, und dass mittels des Vorhandenseins des Trägersignals bei der Auswertung des verstärkten und aufbereiteten Signals überprüft werden kann, ob die Verstärkereinheit ordnungsgemäß funktioniert. Sollte das Trägersignal nicht vorhanden sein, wird ein positives Flammenerkennungssignal als möglicherweise fehlerhaft verworfen und die Flammenerkennung sicherheitshalber als negativ eingestuft. Dank des erfindungsgemäßen Ansatzes ist somit eine positiv eigensichere Flammenerkennungseinrichtung geschaffen, mittels derer eine falsch positive Flammenerkennung aufgrund eines Fehlers der Verstärker- und Auswerteschaltung verhindert werden kann.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Lösung einschließlich ihrer vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Es zeigt
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung einer vorgeschlagenen Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassend eine Sensoreinheit und eine Modulatoreinheit;
    Figur 2
    eine schematische Darstellung einer vorgeschlagenen Vorrichtung gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassend einen Zwischenverstärker oder ein aktives Bandpassfilter;
    Figur 3
    eine schematische Darstellung einer vorgeschlagenen Vorrichtung gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassend einen Schaltwandler; und
    Figur 4
    ein Diagramm mit einer schematischen Darstellung eines beispielhaften zeitlichen Verlaufs eines Flammenerkennungssignals, eines Trägersignals und eines Modulationsproduktes nach Modulierung des Trägersignals mit dem Flammenerkennungssignal.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Flammenerkennungseinrichtung gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung. Die Flammenerkennungseinrichtung umfasst eine Sensoreinheit 1, eine Modulatoreinheit 2 mit einem invertierenden Eingang 2.1 und einem nicht invertierenden Eingang 2.2, einen Gegenkopplungszweig mit einem ohmschen Widerstand 7 und eine Trägersignaleinheit 3 mit einem Schalter gegen Masse 4.
  • Wenn der nicht invertierende Eingang 2.2 der Modulatoreinheit 2 konstant auf Massepotential liegt, wirkt die Schaltungsanordnung als Transimpedanzverstärker mit dem Operationsverstärker 2 und dem Gegenkopplungswiderstand 7. Der Operationsverstärker 2 weist typischerweise einen sehr hohen Eingangswiderstand an beiden Differenzeingängen und einen sehr geringen Ausgangswiderstand bei sehr großer Differenzverstärkung auf. Der mittels des Widerstandes 7 gegengekoppelte Operationsverstärker 2 stellt somit im Rahmen der vorgegebenen Grenzen, insbesondere der Versorgungsspannungsgrenzen, die Ausgangsspannung so ein, dass die Differenz der Eingangsspannungen nahe null beträgt. Liegt der nicht invertierende Eingang 2.2 hierbei auf Masse, wird auch für den invertierenden Eingang 2.1 ein Nullpotential eingestellt. Somit wird die Photodiode 1 in einem virtuellen Kurzschluss betrieben, wobei keine äußere Betriebsspannung anliegt. Hierbei erzeugen die auftreffenden Photonen einen nahezu linear von der Beleuchtungsstärke abhängenden Photostrom in Sperrichtung. Bezüglich des Schaltungsknotens an dem nicht invertierenden Eingang 2.1 handelt es sich um einen negativen Strom, der aus dem Schaltungsknoten abfließt. Gemäß der Kirchhoffschen Knotenregel muss die Summe der zu- und abfließenden Ströme für diesen Schaltungsknoten null sein. Der invertierende Eingang 2.1 trägt aufgrund seines hohen Eingangswiderstandes keinen nennenswerten Zu- oder Abfluss bei. Somit muss der Photostrom Iphoto über den Widerstand R7 zufließen, wobei nach dem Ohmschen Gesetz ein Spannungsabfall Uaus = R7 * Iphoto auftritt, der zugleich die Ausgangsspannung des Transimpedanzverstärkers gegen Masse ist.
  • Der nicht invertierende Eingang 2.2 des Operationsverstärkers 2 liegt in der vorliegenden Schaltung nicht konstant auf Massepotential, sondern wird mittels eines Trägersignals einer Trägersignaleinheit 3 und eines in den Figuren 1 und 2 nur schematisch dargestellten Schalters periodisch zwischen Massepotential und einem negativen Versorgungsspannungspotential geschaltet. Während Massepotential anliegt, wird die dem Photostrom Iphoto entsprechende Ausgangsspannung Uaus am Ausgang wirksam, während negatives Versorgungsspannungspotential anliegt, wird eine beliebige Eingangsspannung am invertierenden Eingang 2.1 vollständig kompensiert und die Ausgangsspannung Uaus = 0, da der Operationsverstärker ausschließlich mit einer positiven Betriebsspannung betrieben wird und 0 somit die untere Grenze des einstellbaren Ausgangsspannungsbereiches ist. Somit übernimmt der Transimpedanzverstärker die Funktion einer Modulatoreinheit, welche das niederfrequente Flammenerkennungssignal der Photodiode einem höherfrequenten Trägersignal aufmoduliert. In der hier beschriebenen Schaltungsanordnung wird eine Amplitudenmodulation mit einem Modulationsgrad von 100% ausgeführt.
  • Das Trägersignal kann rechteckförmig, aber auch trapezförmig oder sinusförmig sein, was sich jeweils auf die Kurvenform und das Frequenzspektrum des Modulationsproduktes auswirkt. Die Frequenz des Trägersignals muss höher sein als die höchste relevante Frequenz im Frequenzspektrum des Flammenerkennungssignals und ausreichend, um die erforderliche Reaktionsgeschwindigkeit der Flammenerkennungseinrichtung zu erreichen.
  • Eine Amplitudenmodulation wie hier beschrieben, stellt die schaltungstechnisch und funktional einfachste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Darüber hinaus können aber auch andere Modulationsverfahren wie zum Beispiel Frequenzmodulation und Pulsweitenmodulation (PWM) vorgesehen werden. Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass das Flammenerkennungssignal auf ein Trägersignal aufmoduliert wird und das Vorhandensein des Trägersignals die Funktionstüchtigkeit der Verstärker- und Auswerteschaltung nachweist. Dieser Nachweis kann mittels eines aktiven Bandpassfilters 8 erfolgen, welches in Figur 2 schematisch dargestellt ist.
  • Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Flammenerkennungseinrichtung gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung. Das aktive Bandpassfilter 8 umfasst typischerweise einen Operationsverstärker, der mit einem Hochpassfilter am Eingang und einem Tiefpassfilter am Ausgang ausgebildet ist, so dass Frequenzen von Modulationsprodukten des Trägersignals und des Flammenerkennungssignals das aktive Bandpassfilter 8 passieren, während Fremdfrequenzen und nicht modulierte Signale ohne Trägersignal ausgefiltert werden. Somit wird erreicht, dass fehlerhaft positive Flammenerkennungssignale ohne Trägersignal blockiert werden, und am Ausgang des aktiven Bandpassfilters 8 ausschließlich gültige Flammenerkennungssignale vorliegen können.
  • Diese gültigen Flammenerkennungssignale können mittels einer in Figur 2 nicht dargestellten Demodulatoreinheit demoduliert und mittels einer ebenfalls nicht dargestellten Diskriminatoreinheit mit einem Schwellenwert verglichen werden.
  • Somit stellt die vorliegende Erfindung eine positiv eigensichere Flammenerkennungseinrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Flammenerkennungseinrichtung zur Verfügung, welches auf einem positiv eigensicheren Sensor beruht und die positiv fehlerfreie Funktion der Verstärker- und Auswerteschaltung im laufenden Betrieb überwacht, wobei eine möglicherweise fehlerhafte Flammenerkennung verworfen wird.
  • Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Flammenerkennungseinrichtung gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung. Die Verstärker- und Auswerteschaltung arbeitet mit einer positiven Versorgungsspannung. Zur Ansteuerung des nicht invertierenden Eingangs 2.2 der Modulatoreinheit 2 wird ein gegenüber der Schaltungsmasse negatives Trägersignal benötigt. Dieses wird mittels eines Schaltwandlers umfassend einen Schalter, vorzugsweise einen Feldeffekttransistor 5, und eine Kapazität 6 sowie eine Trägersignaleinheit 3, welche ein positives Trägersignal erzeugt und sowohl den Gate-Anschluss 5.2 des Feldeffekttransistors 5 ansteuert als auch die Kapazität 6 gegen Masse auf eine positive Spannung auflädt, solange der Feldeffekttransistor 5 gegen Masse leitend ist. Mit der fallenden Flanke des positiven Trägersignals der Trägersignaleinheit 3 wird der Feldeffekttransistor 5 gesperrt und das Potential der positiv geladenen Seite der Kapazität 6 um den Betrag der fallenden Flanke nach null verschoben, womit zugleich das Potential der negativ geladenen Seite der Kapazität 6 um denselben Betrag von null in den negativen Bereich verschoben wird. Die Kapazität 6 entlädt sich anschließend über den Source-Drain-Sperrwiderstand des Feldeffekttransistors 5.
  • Somit stellt der in Figur 3 dargestellte Schaltwandler mittels einer positiven Versorgungsspannung und der positiven Trägersignalschwingung der Trägersignaleinheit 3 eine negative Ansteuerung des nicht invertierenden Eingangs 2.2 der Modulatoreinheit 2 bereit.
  • Figur 4 zeigt ein Diagramm mit einer schematischen Darstellung eines beispielhaften zeitlichen Verlaufs eines Flammenerkennungssignals B der Sensoreinheit 1, eines Trägersignals C der Trägersignaleinheit 3, und eines Modulationsproduktes D der Modulatoreinheit 2. Das nicht abgebildete negative Trägersignal C' entsteht durch Spiegelung des Trägersignals C an der Zeitachse, es kann in Abhängigkeit von der Dimensionierung der Kapazität 6 und des Source-Drain-Sperrwiderstandes des Feldeffekttransistors 5 auch eine andere Signalform, beispielsweise einen sägezahnförmigen Verlauf annehmen, womit auch das Ausganssignal der Modulatoreinheit entsprechend abweicht. Während das Flammenerkennungssignal B die Flammenintensität umfasst, stellt Signal A ein logisches Flammenerkennungssignal dar.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Sensoreinheit
    2
    Modulatoreinheit bzw. Schaltungseinheit zur Verstärkung
    2.1
    invertierender Eingang
    2.2
    nicht invertierender Eingang
    3
    Trägersignaleinheit bzw. Schaltungseinheit zur Modulation
    4
    Masse
    5
    Feldeffekttransistor
    5.1
    Source
    5.2
    Gate
    5.3
    Drain
    6
    Kapazität
    7
    Widerstand
    8
    Zwischenverstärkereinheit bzw. aktives Bandpassfilter

Claims (10)

  1. Flammenerkennungseinrichtung, umfassend eine zur Flammenerkennung geeignete optoelektronische Sensoreinheit (1) und eine Modulatoreinheit (2) aufweisend einen ersten und einen zweiten Eingang (2.1, 2.2), wobei die Sensoreinheit (1) mit dem ersten Eingang (2.1) der Modulatoreinheit (2) verbunden ausgebildet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Trägersignaleinheit (3) mit dem zweiten Eingang (2.2) der Modulatoreinheit (2) verbunden ausgebildet ist und ein Ausgangssignal (D) der Modulatoreinheit (2) ein Modulationsprodukt eines Flammenerkennungssignals (B) der Sensoreinheit (1) und eines Trägersignals (C) der Trägersignaleinheit (3) ist.
  2. Flammenerkennungseinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Sensoreinheit (1) als eigensichere Sensoreinheit, bevorzugt als Photodiode, ausgebildet ist.
  3. Flammenerkennungseinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Sensoreinheit (1) ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 250-550 nm, bevorzugt eine oder mehrere Wellenlängen der bei einem Verbrennungsprozess auftretenden Flammenradikale, besonders bevorzugt eine oder mehrere der Wellenlängen 308 nm eines OH Radikals, 430 nm eines CH Radikals, oder 519 nm eines C2 Radikals, zu detektieren.
  4. Flammenerkennungseinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der invertierende Eingang (2.1) der Modulatoreinheit (2) mit dem Flammenerkennungssignal (B) der Sensoreinheit (1) verbunden ausgebildet ist und der nicht invertierende Eingang (2.2) der Modulatoreinheit (2) mit einem negativen Trägersignal (C') einer Trägersignaleinheit (3) verbunden ausgebildet ist, und die Modulatoreinheit (2) ausgebildet ist, das Trägersignal (C') mit dem Flammenerkennungssignal (B) zu modulieren.
  5. Flammenerkennungseinrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zwischen dem Ausgang der der Trägersignaleinheit (3) und dem nicht invertierenden Eingang (2.2) der Modulatoreinheit (2) ein Schaltwandler (4,5,6) angeordnet ist, umfassend einen elektronischen Schalter, bevorzugt einen Feldeffekttransistor (5), und eine geschaltete Kapazität (6), wobei der Schaltwandler zur Umformung eines gegenüber Masse (4) positiv getakteten Trägersignals (C) in ein gegenüber Masse (4) negativ getaktetes Trägersignal (C') ausgebildet ist.
  6. Flammenerkennungseinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Ausgang der Modulatoreinheit (2) mit dem Eingang einer Zwischenverstärkereinheit (8) verbunden ausgebildet ist, wobei die Zwischenverstärkereinheit (8) bevorzugt als aktives Bandpassfilter ausgebildet ist.
  7. Flammenerkennungseinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die gesamte Verstärker- und Auswerteschaltung oder ein Teil davon zusammen mit der optoelektronischen Sensoreinheit (1) auf einer gemeinsamen Leiterplatte, in einer gemeinsamen Baugruppe, oder als System-on-Chip auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet ist und mittels Versiegelung gegen Schadeinflüsse geschützt ist.
  8. Verfahren zum Betrieb einer Flammenerkennungseinrichtung, bei dem mittels einer optoelektronischen Sensoreinheit (1) elektromagnetische Strahlung in ein Flammenerkennungssignal (B) umgewandelt wird und das Flammenerkennungssignal (B) einer Modulatoreinheit (2) zugeführt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    einem Trägersignal (C) einer Trägersignaleinheit (3) mittels der Modulatoreinheit (2) das Flammenerkennungssignal (B) der Sensoreinheit (1) aufmoduliert wird; und
    ein Modulationsprodukt des Flammenerkennungssignals (B) der Sensoreinheit (1) und des Trägersignals (C) der Trägersignaleinheit (3) als Ausgangssignal (D) der Modulatoreinheit (2) bereitgestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Ausgangssignal (D) der Modulatoreinheit (2) mittels eines aktiven Bandpassfilters (8) frequenzselektiv gefiltert wird, wobei Signalanteile des Ausgangssignals (D) der Modulatoreinheit (2), deren Frequenz innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbandes von Modulationsprodukten des Flammenerkennungssignals (B) der Sensoreinheit (1) und des Trägersignals (C) der Trägersignaleinheit (3) liegen, von anderen Signalanteilen getrennt und als Ausgangssignal des aktiven Bandpassfilters (8) bereitgestellt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    aus dem Ausgangssignal des aktiven Bandpassfilters (8) mittels einer Demodulatoreinheit ein demoduliertes Flammenerkennungssignal (B') bereitgestellt wird; und aus dem demodulierten Flammenerkennungssignal (B') der Demodulatoreinheit mittels einer Diskriminatoreinheit ein Flammendiskriminierungssignal (A) bereitgestellt wird.
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