-
Bei der Flammenüberwachung ist die sogenannte Eigensicherheit der
Überwachungsvorrichtung von großer Bedeutung, d. h., ein Fehler in der überwachungsvorrichtung
einer Brenneranlage darf nicht das ordnungsgemäße Vorhandensein einer Flamme vortäuschen
können. Man hat auf verschiedene Weise versucht, diese Eigensicherheit zu gewährleisten.
So sind Schaltungen bekannt, welche die Gleichrichterwirkung einesFlammenfühlers
(USA.-Patent 2448 503) oder eines diesem unmittelbar zugeordneten Gleichrichters
(deutsches Patent 1055 690) ausnutzen, so daß auch bei Kurzschlüssen in den Zuleitungen
kein das Vorhandensein der Flamme vortäuschendes Signal abgegeben werden kann, weil
die Gleichrichterwirkung fehlt. Zum anderen sind Schaltungen (deutsche Patente 1057
505, 1169 340, 1238 811) bekannt, welche in periodischen Abständen in den Überwachungskreis
Kontrollsignale einspeisen und diese auswerten.
-
Weiterhin ist eine thermoelektrischeZündsicherungseinrichtung mit
zwei einander entgegengeschalteten Thermoelementen bekannt (USA.-Patent 2 385 530),
von denen das eine der Flamme unmittelbar ausgesetzt ist, während das andere hinter
einer die Flamme fernhaltenden Stauscheibe angeordnet ist. Man erreicht hierdurch,
daß beim Zünden der Flamme die volle Thermospannung des der Flamme unmittelbar ausgesetzten
Thermoelements am Magneten der Zündsicherungseinrichtung liegt und diese zum Ansprechen
bringt, während mit der allmählichen Erwärmung des anderen Thermoelements die von
diesem gelieferte. Thermospannung der des ersten entgegenwirkt und diese auf den
zum Halten des Magneten benötigten Wert reduziert. Die erstrebte Eigensicherheit,
d. h. die Sicherheit gegen Fehler in der Überwachungsvorrichtung selbst, wird auch
mit dieser Anordnung nicht erreicht, weil bei einem Kurzschluß eines der Thermoelemente
die volle Thermospannung des anderen am Magneten der Zündsicherungseinrichtung steht
und selbst dann noch erhalten bleibt, wenn die Flamme erloschen und das betreffende
Thermoelement nur noch der Rückstrahlung der Kammerwände ausgesetzt ist.
-
Ferner ist eine überwachungseinrichtung für Ölbrenner bekannt (USA.-Patent
2 592 086), bei welcher zwei aus je einem Thermoelement bestehende Temperaturfühlerunmittelbargegeneinandergeschaltet
sind und die beiden Verbindungsstellen auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten
werden, entweder dadurch, daß die thermische Ableitung der einen Verbindungsstelle
größer gemacht wird als die der anderen, oder dadurch, daß man die räumliche Zuordnung
der Verbindungsstellen in bezug auf die Flamme entsprechend wählt. Das Problem der
Eigensicherheit wird jedoch durch diese Anordnung nicht gelöst. Ihr haften vielmehr
dieselben Mängel an wie der zuvor erwähnten thermoelektrischen Zündsicherungseinrichtungen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine möglichst einfach aufgebaute
Vorrichtung zur Flammenüberwachung mit größtmöglicher Eigensicherheit zu schaffen.
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung der Flammenüberwachung mit zwei in
Zonen unterschiedlicher Temperatur der Flamme oder Brennkammer eintauchenden, gegeneinandergeschalteten
Temperaturfühlern, deren Ausgangsgrößen einer auf Abweichungen der Differenz der
Ausgangsgrößen vom Sollwert ansprechenden Überwachungsvorrichtung zugeführt werden,
und besteht darin, daß die Temperaturfühler etwa gleiche thermische Ansprechempfindlichkeit
aufweisen und die Überwachungsvorrichtung sowohl beim Unterschreiten als auch beim
überschreiten des Sollwertbereiches anspricht.
-
Nimmt man an, daß die beiden Temperaturfühler, beispielsweise zwei
Thermoelemente in zwei unterschiedliche Temperaturzonen einer Flamme eintauchen,
so wird sich am Ausgang diese Überwachungsschaltung ein Signal einstellen, welches
der Temperaturdifferenz proportional ist. Die angeschlossene Überwachungsvorrichtung
wird auf den Sollwert dieser Temperaturdifferenz, also auf eine bestimmte Ausgangsspannung
der Fühlerschaltung eingestellt. Erlischt die Flamme, so nehmen beide Thermoelemente
dieselbe Temperatur, nämlich die der Brennkammer, an, so daß die Spannungsdifferenz
verschwindet. Auch beim Bruch eines Thermoelementes wird die Ausgangsspannung der
Fühlerschaltung zu Null. Das gleiche gilt für den Fall des Kurzschlusses beider
Thermoelemente. Tritt in nur einem der Thermoelemente ein Kurzschluß auf, so entspricht
die Ausgangsspannung der Fühleranordnung nunmehr der Thermospannung des einen Thermoelements
und nicht mehr der Differenz der beiden Thermospannungen. Auch hier ergibt sich
also eine Abweichung vom Sollwertbereich, welche angezeigt oder zur Auslösung von
Alarm oder Sicherheitsvorrichtungen verwendet werden kann.
-
Ähnlich liegen die Verhältnisse, wenn man den einen Temperaturfühler
in die Flamme eintaucht und den anderen die Brennkammertemperatur und damit die
Rückstrahlung der Kammerwände messen läßt. Ein Mangel bekannter Flammenüberwachungsvorrichtungen
mit Temperaturfühler liegt ja bekanntlich darin, daß der Temperaturfühler nicht
zu unterscheiden vermag, ob die ihm zugeführte Wärmeenergie von einer Flamme oder
durch die Rückstrahlung erhitzter Kammerwände herrührt. Es ist aber zu spät, wenn,
das Erlöschen einer Flamme erst gemeldet wird, wenn sich die Brennkammer abkühlt.
Dieser Nachteil hat der Anwendung von Thermoelementen zur Überwachung von Brennern
bisher Grenzen gesetzt und vielfach den Einsatz komplizierter, auf dem Ionisationsprinzip
beruhender oder mit optischen Mitteln arbeitender überwachungsvorrichtungen erforderlich
gemacht. Gerade die optischen Überwachungseinrichtungen bedürfen besonderer Schaltungen
zur Selbstüberwachung. Außerdem führt das meistens unvermeidliche Absetzen von Verbrennungsrückständen
auf der Optik solcher Flammenfühler zu Fehlmessungen und -anzeigen. Dem lonisationsprinzip
haftet der Nachteil an, daß wegen der geringen zur Verfügung stehenden Spannungen
an die Isolation der Leitungen sehr hohe Anforderungen gestellt werden und demzufolge
Kriechströme und Induktionsspannungen das Meßergebnis leicht verfälschen können.
-
Alle diese Nachteile werden durch die Erfindung mit denkbar einfachen
Mitteln vermieden. Die Verwendung von Thermoelementen zur Flammenüberwachung ist
zwar bekannt. Doch haftet den bisherigen Methoden der Nachteil an, daß zur Erzielung
reproduzierbarer Ergebnisse eine gute Umgebungstemperaturkompensation und die Verwendung
von Ausgleichsleitungen unumgänglich waren. Bei Anwendung der durch die Erfindung
vorgeschlagenen Differenzmethode werden diese Kompensationsmaßnahmen
überflüssig.
Die Thermoelemente können über normale Kupferleitungen an die überwachungsvorrichtung
angeschlossen werden.
-
Bei Meßvorrichtungen mit einem der zu messenden Temperatur ausgesetzten
Thermoelement ist es zwar bekannt, am Ende der Ausgleichsleitungen diesem Thermoelement
ein zweites Thermoelement entgegenzuschalten und mittels eines Thermostaten auf
konstanter Temperatur zu halten und somit Temperaturschwankungen der Vergleichsstelle
zu kompensieren. Die Erfindung unterscheidet sich hiervon dadurch, daß beide Thermoelemente
den zu überwachenden Temperaturen ausgesetzt sind und damit zugleich eine Selbstüberwachung
gegen Thermoelementenbruch oder Kurzschluß erreicht wird. Eine Vergleichsstellenkompensation
wird nicht benötigt.
-
Die Erfindung soll im folgenden an Hand einiger Ausführungsbeispiele
veranschaulicht werden: F i g. 1 zeigt die Überwachung einer Flamme FL
mit
Hilfe zweier in unterschiedliche Temperaturzonen Z 1 und Z 2 der Flamme eintauchender
Thermoelemente TE 1 und TE 2. Wie durch die unterschiedliche Strichstärke
der Thermoelementenschenkel angedeutet ist, sind die beiden Thermoelemente gegeneinander
geschaltet, so daß an den Ausgangsklemmen K 1 und K2 die Differenz d U =
U 1- U 2
der Thermospannungen U1 und U2 erscheint.
-
In F i g. 2 ist die Abhängigkeit der Ausgangsspannungen von der Temperatur
aufgetragen. Im ersten Quadranten des Koordinatensystems erscheint die Ausgangsspannung
U1 des Thermoelements TE1 in Abhängigkeit von der Temperatur T1 in der Flammenzone
Z1. Im dritten Quadranten ist die Ausgangsspannung U2 des Thermoelements
TE2 in Abhängigkeit von der Temperatur T2 in der FlammenzoneZ2 aufgetragen. Außerdem
gibt die durchgehende, im vorliegenden Fall unter 45° gegenüber dem Achsenkreuz
geneigte Kennlinie die Abhängigkeit der Differenzspannung d U = U 1- U 2
von der Temperaturdifferenz,1 T = T 1- T2 wieder. Solange die Differenzspannung
unabhängig vom Absolutwert der Temperaturen im Sollwertbereich SB der überwachungsvorrichtung
liegt, meldet diese das ordnungsgemäße Brennen der Flamme. Wird beispielsweise angenommen,
daß zwischen den beiden Flammenzonen Z1 und Z2 bei ordnungsgemäß brennender Flamme
ein Temperaturunterschied d T = T 1- T2 von 400° C besteht, so erhält man
an den Ausgangsklemmen ein Signal d U', welches entsprechend der Eigenschaft
der verwendeten Thermoelemente diesem Temperaturunterschied d T'
von 400°
C proportional ist.
-
Erlischt die Flamme, so nehmen beide Thermoelemente TE1 und TE2 je
nach Art des Brenners bzw. des Ofens entweder die Brennkammertemperatur, die Umgebungstemperatur
oder die Temperatur des ausströmenden Brennstoff-Luft-Gemisches an. Das Ausgangssignal
d U wird also gleich Null und meldet auf diese Weise das Erlöschen der Flamme. Auch
bei Unterbrechung einer der Thermoelementenleitungen bzw. der Thermoelemente selbst
oder beim gleichzeitigen Kurzschluß beider Thermoelemente wird das Ausgangssignal
d U zu Null und damit ein Alarm ausgelöst.
-
Tritt nur in einem der Thermoelemente ein Kurzschluß auf, so nimmt
die Ausgangsspannung an den Klemmen K1 und K2 den Wert der Thermospannung an dem
unbeschädigten Thermoelement an, welcher größer ist als die Differenz der beiden
Thermospannungen. Auch diese Art der Abweichung vom Sollwert wird angezeigt oder
zur Auslösung eines Alarms oder irgendwelcher Sicherheitsmaßnahmen ausgenutzt. Wird
beispielsweise das Thermoelement T2 kurzgeschlossen, so ist seine Ausgangsspannung
U2 gleich Null, und die Spannungsdifferenz d U entspricht der Ausgangsspannung U1'
des Thermoelements TE1. Dieser Spannungswert liegt außerhalb des Sollwertbereiches,
so daß die überwachungsvorrichtung einen Fehler anzeigt. Wird umgekehrt das Thermoelement
TE1 kurzgeschlossen, so entspricht die Spannungsdifferenz d U der negativen Ausgangsspannung
U2' des Thermoelements TE 2, welche ebenfalls außerhalb des Sollwertbereiches
liegt. Diese Gegenüberstellung zeigt ferner, daß die Überwachungsvorrichtung nur
auf Spannungen einer bestimmten Polarität anzusprechen braucht. Die Wahl der Grenzwerte
A und B des Sollwertbereiches hängt davon ab, wie stark sich die Temperaturen
der beiden Thermoelemente bei ordnungsgemäßem Betrieb voneinander unterscheiden
und welche Abweichungen vom Normal- oder Sollwert im Hinblick auf Schwankungen der
Flammenintensität und -lage zugelassen werden, ohne daß ein Alarm ausgelöst werden
soll.
-
F i g. 3 zeigt die Überwachung eines in einer Brennkammer K angeordneten
Brenners BR mittels zweier Thermoelemente TE11 und TE12. An den Ausgangsklemmen
K11 und K12 erhält man eine Spannung, welche der Differenz zwischen der vom Thermoelement
TE11 gemessenen Flammentemperatur und der vom Thermoelement T12 gemessenen Brennkammertemperatur
entspricht. Erlischt der Brenner BR, so nehmen beide Elemente die Brennkammertemperatur
an, und an den Ausgangsklemmen erscheint das Signal Null. Für den Fall des Thermoelementenbruches
oder eines Kurzschlusses gilt das Obengesagte.
-
Wie man sieht, wird beim Erlöschen der Flamme das Ausgangssignal zu
Null. Geringfügige Änderungen der am Ausgang der Klemmen K1 und K2 stehenden Differenzspannung
brauchen also die überwachungsschaltung noch nicht zum Ansprechen zu bringen. Erst
wenn sich dieser Spannungswert dem Wert Null nähert oder im Falle des einseitigen
Thermoelementenkurzschlusses den Sollwert beträchtlich überschreitet, spricht die
Überwachungsschaltung an. Hierdurch werden Fehlalarme infolge flackernder Flammen
vermieden. Selbstverständlich kann durch eine geeignete Bemessung der Ansprechzeitkonstanten
der Überwachungsschaltung solchen Fehlalärmen ebenfalls entgegengetreten werden.
-
An Stelle von Thermoelementen können auch andere in verschiedene Temperaturzonen
der Flamme bzw. der Brennkammer eintauchbare Temperaturfühler, beispielsweise von
Schutzrohren umgebene temperaturabhängige Widerstände oder mit einem Ausdehnungsmedium
gefüllte Fühler, verwendet werden.
-
In F i g. 4 ist eine Flammenüberwachungsvorrichtung gemäß der Erfindung
mit zwei Kapillarrohr-Temperaturfühlern TF1 und TF2 dargestellt, welche in unterschiedliche
Temperaturzonen Z1 und Z2 der Flamme FL eintauchen: Der Fühler TF1 ist an
eine Bourdon-FederBF1 angeschlossen, welche die temperaturabhängigen Druckänderungen
im Kapillarrohrsystem
in eine Kraft umsetzt, welche über eine FederF1
auf den linken Hebelarm eines Waagebalkens WB übertragen wird. Dementsprechend
wirkt der Temperaturfühler TF2 über eine weitere Bourdon-Feder BF2 und eine Feder
F2 auf den rechten Hebelarm des Waagebalkens WB. Selbstverständlich können an Stelle
der Bourdon-Federn auch andere Übertragungsglieder eingesetzt werden. Am Waagebalken
WB ist ein Schleifer SL befestigt, welcher über zwei voneinander getrennte
Kontaktbahnen KB l und KB 2 verschiebbar ist und diese in einem bestimmten Winkelbereich
des Waagebalkens miteinander verbindet. Die beiden Kontaktbahnen KB l und KB 2 bilden
zusammen mit dem Schleifer SL einen im Überwachungsstromkreis zwischen den beiden
Klemmen K21 und K22 liegenden Schalter.
-
Das System ist so abgeglichen, daß ohne Flamme gleiche Kräfte auf
die beiden Waagebalkenenden einwirken und der Waagebalken die in F i g. 4 dargestellte
Lage einnimmt, der Schleifer SL also nur auf der linken Kontaktbahn KB 1 aufliegt.
Brennt die Flamme FL, so ist der Temperaturfühler TF1 einer höheren Temperatur
ausgesetzt als der Temperaturfühler TF2, wodurch der Waagebalken im Uhrzeigersinn
um einen bestimmten Betrag geschwenkt wird, bis sich das Gleichgewicht der Kräfte
einstellt. Dies hat zur Folge, daß der Schleifer SL die beiden Kontaktbahnen KB
1 und KB 2 überbrückt. Der Stromkreis zwischen den Klemmen K21 und K22 ist geschlossen,
wodurch das ordnungsgemäße Brennen der Flamme angezeigt wird. Ist eines der beiden
Fühlersysteme undicht oder tritt in den übertragungsmitteln. BF 1, F 1 bzw. BF
2, F 2 ein Bruch auf, so verschwindet die Gegenkraft für den Waagebalken,
und dieser wird in der einen oder der anderen Richtung weiter ausgelenkt als normalerweise.
Die überbrückung der beiden Kontaktbahnen kommt deshalb nicht zustande oder wird
unterbrochen, so daß der Überwachungsstromkreis nicht mehr geschlossen ist. Selbstverständlich
läßt sich im Rahmen der Erfindung eine Vielzahl anderer zum Kraft- oder Wegvergleich
dienender Anordnungen in Verbindung mit Kapillarrohr- oder ähnlichen Temperaturfühlern
einsetzen.
-
F i g. S zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Flammenüberwachungsvorrichtungmit
zwei temperaturabhängigen Widerständen TW 1 und
TW2, welche in eine die Überwachungsvorrichtung
steuernde Brückenschaltung eingeschaltet sind. Die beiden temperaturabhängigen Widerstände
TW I und T W 2 bilden zusammen mit zwei Festwiderständen W 1 und W 2 eine
Brückenschaltung, in deren Diagonale die Parallelschaltung zweier Relais R 2 und
R 3 eingeschaltet ist, während zwischen dem einen Eckpunkt E 1 und der einen Speisespannungsklemme
SKI ein weiteres Relais R 1 liegt. Der andere Eckpunkt E2 ist an die andere Stromversorgungsklemme
SK2 angeschlossen. Den beiden Klemmen SKI und SK2 wird eine Betriebsgleichspannung
für die Brükkenschaltung zugeführt. Die beiden temperaturabhängigen Widerstände
TW 1 und TW 2 tauchen wiederum in unterschiedliche Temperaturzonen
einer Flamme ein, und zwar derart, daß im Normalbetrieb der Widerstandswert des
Fühlers TW1 kleiner ist als der des Fühlers TW z. Bei vorschriftsmäßig brennender
Flamme fließt also ein Brückenstrom vom Diagonalpunkt D 1 zum Punkt
D 2 und bringt das Relais R 2 zum Ansprechen. Durch Ausbildung dieses Relais
als polarisiertes Relais oder durch Reihenschaltung mit einem Gleichrichter ist
dafür gesorgt, daß es nur anspricht, wenn der Brückenstrom in der vorgeschriebenen
Richtung vom Diagonalpunkt D 1 zum anderen Diagonalpunkt D 2 fließt. Ist keine Speisespannung
vorhanden oder der Brenner abgeschaltet, so fließt kein Brückenstrom, und der Arbeitskontakt
r2 des Relais R 2 bleibt offen. Die Klemmen K 31 und K32 sind wiederum an die Überwachungsschaltung
angeschlossen. Nur wenn die Flamme ordnungsgemäß brennt, sind alle Kontakte r1 bis
r3 geschlossen. Andernfalls ist der Stromkreis zwischen den beiden Klemmen K 31
und K 32 durch wenigstens einen dieser Kontakte unterbrochen.
-
Tritt im temperaturabhängigen Widerstand TW1 ein Kurzschluß auf, so
fließt ein erhöhter Brückenstrom zwischen den Punkten D 1 und D 2,
welcher das Relais R2 zum Ansprechen bringt. Dieses öffnet mit seinem Kontakt r3
den Überwachungsstromkreis zwischen den Klemmen K31 und K32. Tritt im Brückenzweig
des temperaturabhängigen Widerstandes TW 1 eine Unterbrechung auf, so kann
kein Brückenstrom in der vorgeschriebenen Richtung vom Diagonalpunkt D 1
zum Diagonalpunkt D 2 fließen, so daß das Relais R 2 abfällt bzw. nicht ansprechen
kann und demzufolge mit seinem Arbeitskontakt r 2 den Überwachungsstromkreis unterbricht.
Wird der andere temperaturabhängige Widerstand TW 2 kurzgeschlossen, so fließt
der Brückenstrom ebenfalls in der falschen Richtung, so daß der Kontakt r2 offenbleibt.
Im Falle einer Unterbrechung im Brückenzweig des temperaturabhängigen Widerstandes
TW2 fließt wiederum ein gegenüber dem Normalwert erhöhter Brückenstrom, welcher
das Relais R 3 zum Ansprechen bringt.
-
Sollten zufällig beide temperaturabhängige Widerstände TW
1 und TW 2 kurzgeschlossen werden, so fließt ein erhöhter Strom im
Versorgungsstromkreis für die Brücke und läßt das Relais R 1 ansprechen, welches
mit seinem Ruhekontakt r1 den überwachungsstromkreis unterbricht. Tritt in beiden
temperaturempfindlichen Widerständen TW 1 und TW2 gleichzeitig eine Unterbrechung
auf, so kann kein Brückenstrom fließen und das Relais R 2 nicht ansprechen. Die
Anordnung ist also kurzschluß- und unterbrechungssicher.
-
An Stelle zweier Relais R 2 und R 3 kann auch ein Zweistufenrelais
eingesetzt werden, welches beim Erreichen des Brückenstrom-Sollwertes seinen Arbeitskontakt
r 2 schließt und beim Überschreiten eines oberen Grenzwertes des Brückenstromes
den Ruhekontakt r3 öffnet. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die dargestellte
Schaltung mit mehreren Relais durch entsprechende elektronische Schaltungen, beispielsweise
mit Hilfe logischer Schaltelemente, ersetzt und gegebenenfalls vereinfacht werden
kann.