EP1256763A2 - Langzeitsicheres Flammenüberwachungsverfahren und Überwachungsvorrichtung - Google Patents

Langzeitsicheres Flammenüberwachungsverfahren und Überwachungsvorrichtung Download PDF

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EP1256763A2
EP1256763A2 EP02003787A EP02003787A EP1256763A2 EP 1256763 A2 EP1256763 A2 EP 1256763A2 EP 02003787 A EP02003787 A EP 02003787A EP 02003787 A EP02003787 A EP 02003787A EP 1256763 A2 EP1256763 A2 EP 1256763A2
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EP
European Patent Office
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signal
flame
channel
monitoring
detection device
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EP02003787A
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English (en)
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EP1256763B1 (de
EP1256763A3 (de
Inventor
Marco Techt
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Karl Dungs GmbH and Co KG
Original Assignee
Karl Dungs GmbH and Co KG
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Publication of EP1256763A3 publication Critical patent/EP1256763A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/08—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
    • F23N5/082—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2229/00—Flame sensors
    • F23N2229/08—Flame sensors detecting flame flicker

Definitions

  • the invention relates to a method for flame monitoring on one or more burners, especially fan burners, and a monitoring device for flame monitoring on such burners.
  • Fuels must be operated during operation of the burner are monitored for safety reasons whether the fuel actually burns. To do this different monitoring devices in use.
  • Burners with a blue flame often become so-called ionization sensors used.
  • ionization sensors used.
  • flame sensors in use the invisible or the visible radiation of the flame.
  • the security of the flame detection depends on whether the corresponding sensor element for the one to be detected Radiation works correctly.
  • the sensor element generates a electrical signal representing the strength or power of the recorded Radiation.
  • long-term (gradual) changes in continuous burner operation the properties of the sensor element dangerous. If the sensor is formed, for example, by a semiconductor can be by temperature, combustion gases or others deteriorating influences are shifted possibly the switching thresholds and detection thresholds for the radiation intensity, which is a characteristic of the Burning a flame or extinguishing it apply should.
  • the object of the invention is a method and a monitoring device for flame monitoring to create the malfunction due to wear of the sensor element avoids.
  • radiation-sensitive detection device supplied electrical signal in parallel through two filter devices headed with different characteristics. Both filter output signals are checked to see if they are in a Expected range. Only if this is for both Filter output signals the case is the presence a flame with a corresponding output signal.
  • the filters can be analog filters or arithmetic blocks of a microcomputer program.
  • the filtering of the electrical signal of the detection device with two different filters creeping changes in electrical properties to determine the detection device. This is because that the radiation emitted by the flame is temporal is not constant. Rather, there is usually a certain Flickering of the flame. This is especially true for fan burners, especially oil fan burners. The Flickering of the flame creates a radiation component that fluctuates sporadically. The fluctuations are in one Frequency range between 10 and 60 Hertz - depending on the burner. On the other hand, with a constantly burning flame, even if this flickers a little, a fixed mean radiation level available.
  • the two-channel according to the invention Evaluation of the radiation signal now allows various Frequency components of the radiation signal separately capture and investigate.
  • a temporally in the first channel weighted average of the radiation signal is evaluated become. This is e.g. through low pass filtering or obtained by numerical averaging.
  • the so filtered Signal forms when the detection device is working properly works, the received radiation power.
  • the signal Becomes an optical sensor for visible light as a detection device used, the signal corresponds to the detected medium flame brightness.
  • the alternating components can be in the other channel of the radiation signal are filtered out, the flickering mark the flame.
  • This can be done with a High pass or with a band pass.
  • the band pass can also serve to influence the influence of stray light sources, that can also produce alternating light, drastically to reduce. This is especially true if the band pass is sufficient detuned from the usual network frequencies (50 Hertz) is so that light fluctuations, as in the 50 or 100 Hertz rhythm occur on fluorescent lamps, irrelevant are.
  • the bandpass is preferably at a frequency below the network frequency.
  • a calculation block can also be used, the Sum of the amounts of differences of a number of consecutive Samples of the brightness signal determined. falls below the sum a limit, is the sporadic Brightness fluctuation (flickering) too low. So either the sensor is defective or the flame has gone out; it will an error is displayed.
  • the radiation sensitive detection device e.g. a photo resistor
  • the radiation sensitive detection device due to temperature, exposure of combustion gases or other wear influences slowly destroyed, it starts from a resistance value, that of the actual exposure to radiation (Illuminance) corresponds, gradually in the high-resistance or low impedance condition.
  • the current resistance value of the photo resistor or other detection element moves from its desired Value towards another value, taking the influence the illuminance with increasing destruction of the Detection element (e.g. a semiconductor) gradually decreases.
  • Is the resistance value due to destruction of the detection device even if there is a flame failure in one area valid for the flame detection can only by Evaluation of the mean value of the radiation signal no flame failure can be detected.
  • the mean of the radiation signal which is the resistance of the sensor component then examines whether the current Resistance value of the sensor component a minimum value below.
  • This minimum value serving as a limit is preferably set to a value that one corresponds to over-bright lighting (radiation intensity), that cannot be applied by the flame.
  • This Measure brings both security against short circuits on the Sensor element or in the supply lines, as well as against one creeping resistance shift.
  • Another security measure can be as a sign of the Failure of a detection device to be assessed if that electrical signal before igniting a flame in an area in which it is expected in the presence of a flame becomes.
  • the monitoring device has two channels parallel to each other with different signal evaluation devices one, for example the signal mean and the other the alternating component of the signal evaluates.
  • the evaluation can be done via filter devices done in hardware or software. Following that can by means of threshold switches or window discriminator circuits be examined whether the signals in the desired and expected range.
  • the threshold switches, Window discriminators, possibly necessary rectifiers for signal rectification and the like, can both by Hardware or software.
  • the monitoring device according to the invention is suitable focus in particular on flame monitoring by recording the visible light with a photo resistor as a sensor element. It can be simple, inexpensive and at the same time Safe monitoring devices even when the burner is in continuous operation realize.
  • Fig. 1 is a monitoring device 1 for the Flame 2 of a forced draft burner 3 schematically illustrated.
  • the fan burner 3 is connected to a fan 4 and one Fuel supply line 5 connected.
  • the fuel is, for example, heating oil.
  • the flame 2 has a turbulent flame pattern on. Their brightness changes by an average. Temporal fluctuations of the brightness L around the mean M correspond to the flickering of the flame, as shown in FIG. 3 illustrated.
  • the fluctuations are stochastic in nature. They are often in the range of 10 - 60 Hertz.
  • the monitoring device 1 monitors the Flame 2 emitted visible light using a radiation sensitive Detection means. This is through a photo resistor 6 is formed, which is connected to a monitoring circuit 7 is connected.
  • This is part of one, for example superordinate control device and thus serves, as in Fig. 1 indicated schematically, for controlling the fan burner 3 and in particular for direct and indirect shutdowns the blower 4, and the shutoff of the fuel supply by means of a corresponding controlled valve 8.
  • the photo resistor 6 is arranged in such a way that it collects part of the visible light emitted by the flame 2. It thus generates a signal at its output terminals, which reproduces the brightness curve illustrated in FIG. 3.
  • the internal resistance of the photo resistor 6 depends on the illuminance. This relationship is illustrated in FIG. 2. With increasing illuminance L, the resistance R decreases more and more. In the dark or when the illuminance is low, the resistance assumes its rest resistance R 0 . At very high illuminance levels, which are higher than any illumination that can be generated by the flame 2, the resistance R approaches its minimum value R M. 2 shows as curve I the dependence of the resistance R on the illuminance L for an intact photoresistor 6.
  • the characteristic curve of the photoresistor 6 can change over time as a result of temperature influences, aging and the action of combustion gases. Any damage is usually associated with the fact that the steepness of the characteristic curve decreases in the range between the resistance to rest R o and the minimum value R M. Curve II, shown in broken lines in FIG. 2, illustrates such a case. The rest resistance R 0 has decreased; the minimum value has increased and the slope of the characteristic curve has decreased.
  • the monitoring circuit 7 is separate in FIG. 4 illustrated.
  • the monitoring circuit 7 has one first channel 11 for evaluating the DC component of the photo resistor 6 generated signal and a second Channel 12 for evaluating the alternating signal component. Both Channels 11, 12 receive the same input signal that from an R / U converter 14 is output, the one of the resistor R delivers the corresponding voltage.
  • the R / U converter is connected on the input side to the photoresistor 6 and is in the simplest case by a voltage divider (one with the photoresistor 6 ohmic resistor connected in series) educated.
  • the first channel 11 contains for signal evaluation (as Signal evaluation device) a low pass 15, which is used, the mean value output by the R / U converter to determine.
  • the low pass 15 forms the time weighted average. Its corner frequency is, for example, 20 Hertz. This dimensioning ensures that a Loss of flame, i.e. a change in the mean of the Signals, detected very quickly and the burner 3 very much can be shut down quickly.
  • An analog / digital converter is at the output of the low pass 15 16 connected (A / D converter) that the Filter output signal digitized to a microcontroller 17 passes.
  • the low pass 15 can be dispensed with become.
  • the A / D converter then passes to the microcontroller 17 samples of the current time signal.
  • the microcontroller can compute the mean of the time signal form by making a set number of the last Measured values added up. The sum thus obtained corresponds the mean.
  • the channel contains 12 as a signal evaluation device a band pass filter 18 (or alternatively a high pass filter).
  • the center frequency of the bandpass 18 is, for example. at 30 Hertz, the bandwidth being relatively large can be.
  • the 3dB corner frequencies are included 10 and 40 Hertz.
  • Network correlated alternating light components from External light sources can thus be excluded, whereby the flickering of the signal (see Fig. 3) detected broadband becomes.
  • the filter output signal can be sent directly to the microcontroller 17 are transmitted. This keys the input signal (if necessary via an A / D converter 19) periodically ab, there will be a flickering signal as long as is to get stochastic values. So the individual lie Samples in a specified range of fluctuation.
  • the alternating share is below a set limit.
  • the microcontroller 17th can check this by constantly making differences between consecutive signal values forms and only then a flickering signal detects when the individual differences exceed a minimum value. Kick several times consecutively smaller differences, it can be assumed that the alternating component of the signal according to FIG. 3 below a predetermined limit. Alternatively, the sum on the amounts of several successive differences formed and compared with the limit.
  • the microcontroller 17 is programmed so that it a valid flame signal (indicating a burning flame) only releases if that recorded via channel 11 DC signal is in a predetermined range and at the same time the flicker signal detected in channel 12 is one Exceeds the minimum value.
  • the default range for the DC signal corresponds to a resistance range B for the current resistance value of the photo resistor 6 (Fig. 1).
  • the flicker signal provided by channel 12 must be lie above a limit value G. This is illustrated in Fig. 3.
  • the monitoring device 1 described so far works as follows:
  • the photo resistance is recorded 6 the light emitted by the flame 2.
  • the brightness fluctuates according to the diagram of FIG. 3 Time course of the electrical signal at the output of the Converter 14.
  • Channel 11 determines the short-term average this signal by low pass filtering.
  • Has the Flame 2 such a brightness that the resistance value of the photo resistor 6 around that illustrated in FIG. 2
  • the value P fluctuates, which is in the area B, recognizes this the microcontroller 17.
  • the bandpass 18 in the channel 12 the flicker portion of the channel is filtered out.
  • the microcontroller 17 checks whether the flicker content is greater is given by the limit G (Fig. 3). If yes the microcontroller registers this. If both conditions (Channel 11, mean value in area B; channel 12 flicker percentage greater than limit G) are met, the microcontroller outputs a flame signal that indicates the presence identifies a flame or generates a corresponding one internally Signal for further processing.
  • the microcontroller based on the finding that the signal of the channel 11 is in the validity range B, the flickering signal of the Channel 12 has failed, however, generates a signal that indicates the failure of the photo resistor 6.
  • the monitoring circuit 7 takes over functions that are used in the 4 by the microcontroller 17 have been taken over.
  • the photoresistor 6 is connected with one connection to an operating voltage U b and with its other connection to the R / U converter 14, which generates a voltage output signal which corresponds to the current flowing through the photoresistor 6. As the resistance of the photoresistor 6 decreases, the output voltage of the converter 14 increases. The output voltage is transmitted to the low-pass filter 15, which determines the time average of the converter output signal. The output signal of the low-pass filter 15 is sent to a window discriminator 21, which checks whether the low-pass filter output signal is in a predetermined switching range, which corresponds to range B in FIG. 2. The limits of the switching range are monitored by two trigger circuits 22, 23, which have control inputs 24, 25 for determining the trigger thresholds. The trigger outputs are connected to an exclusive OR gate 26, which only delivers a valid output signal at its output if only one of the two trigger circuits 22, 23 detects limit violations.
  • the actuating inputs 24, 25 serve the switching thresholds the trigger circuits 22, 23 to be adjusted as required and the respective operating mode of the burner 3 adapt. For example, in particular for the lower switching threshold responsible for low incidence of light Ignition operation to be set differently (lower) than after ignition during burner operation (this becomes negative Switching difference).
  • the channel 12 can follow the bandpass 18 Signal rectifier 27 included the flicker signal converts into a DC signal.
  • a connected trigger circuit 28 serves to check whether the alternating signal (Flicker signal) exceeds a predetermined limit G.
  • the two channels 11, 12 are on the output side via a Logic circuit 29, which is designed, for example, as an AND circuit is linked together to generate a flickering signal.
  • a continuously reliable monitoring device 1 especially for flame monitoring on oil-powered Fan burners is provided, has a photo resistor 6, which is connected to a monitoring circuit 7 is. This evaluates the output from the photo resistor 6
  • Two-channel signal off A first channel 11 is used for detection the average brightness.
  • a second channel 12 is used to record changing parts caused by flickering come from the flame. The flame will only be considered proper recognized burning when at both channel outputs of channels 11, 12 a signal is present, or that Signal is in a predetermined range. On this way you can make gradual changes in particular the characteristic of the photo resistor, as in Detect continuous burner operation and are dangerous. It ensures that the flame monitoring not made with a broken photo resistor or is tried.

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Abstract

Eine Überwachungseinrichtung (1), die insbesondere zur Flammenüberwachung an ölbetriebenen Gebläsebrennern vorgesehen ist, weist einen Fotowiderstand (6) auf, der an einer Überwachungsschaltung (7) angeschlossen ist. Diese wertet das von dem Fotowiderstand (6) abgegebene Signal zweikanalig aus. Ein erster Kanal (11) dient zur Erfassung der mittleren Helligkeit. Ein zweiter Kanal (12) dient zur Erfassung von Wechselanteilen, die von Flackern der Flamme herrühren. Die Flamme wird nur dann als ordnungsgemäß brennend anerkannt, wenn an beiden Kanalausgängen der Kanäle (11, 12) ein Signal vorhanden ist, bzw. das Signal jeweils in einem vorgegebenen Bereich liegt. Auf diese Weise lassen sich insbesondere schleichende Änderungen der Charakteristik des Fotowiderstands, wie sie bei Brennerdauerbetrieb auftreten und gefährlich sind, erkennen. Es wird sichergestellt, dass die Flammenüberwachung nicht mit einem defekten Fotowiderstand vorgenommen oder versucht wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Flammenüberwachung an einem oder mehreren Brennern, insbesondere Gebläsebrennern, sowie eine Überwachungseinrichtung zur Flammenüberwachung an solchen Brennern.
Bei Brennern, die mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen betrieben werden, muss während des Betriebs des Brenners aus Sicherheitsgründen überwacht werden, ob der eingesetzte Brennstoff tatsächlich verbrennt. Dazu sind unterschiedliche Überwachungseinrichtungen in Gebrauch. Für Brenner mit blauer Flamme werden häufig sogenannte Ionisationsfühler eingesetzt. Darüber hinaus sind Flammenfühler in Gebrauch, die die unsichtbare oder die sichtbare Strahlung der Flamme erfassen.
Die Sicherheit der Flammenerfassung hängt davon ab, ob das entsprechende Sensorelement für die zu erfassende Strahlung korrekt arbeitet. Das Sensorelement erzeugt ein elektrisches Signal, das die Stärke oder Leistung der aufgenommenen Strahlung kennzeichnet. Hier sind insbesondere bei Brennerdauerbetrieb langfristige (schleichende) Veränderungen der Eigenschaften des Sensorelements gefährlich. Wird der Sensor, der bspw. durch einen Halbleiter gebildet sein kann, durch Temperatur, Verbrennungsgase oder andere verschleißende Einflüsse beeinträchtigt, verschieben sich unter Umständen die Schaltschwellen und Erfassungsschwellen für die Strahlungsintensität, die als Kennzeichen für das Brennen einer Flamme oder ein Verlöschen derselben gelten soll.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Überwachungseinrichtung zur Flammenüberwachung zu schaffen, die Fehlfunktionen infolge von Verschleiß des Sensorelements vermeidet.
Diese Aufgabe wird mit dem Überwachungsverfahren, gemäß Anspruch 1 sowie der Überwachungseinrichtung nach Anspruch 6 gelöst.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das von der strahlungsempfindlichen Erfassungseinrichtung gelieferte elektrische Signal parallel durch zwei Filtereinrichtungen mit unterschiedlicher Charakteristik geleitet. Beide Filterausgangssignale werden darauf überprüft, ob sie in einem Erwartungsbereich liegen. Nur dann, wenn dies für beide Filterausgangssignale der Fall ist, wird das Vorhandensein einer Flamme mit einem entsprechenden Ausgangssignal angezeigt. Die Filter können Analogfilter oder Rechenblöcke eines Mikrorechnerprogramms sein.
Die Filterung des elektrischen Signals der Erfassungseinrichtung mit zwei unterschiedlichen Filtern ermöglicht, schleichende Veränderungen der elektrischen Eigenschaften der Erfassungseinrichtung zu bestimmen. Dies beruht darauf, dass die von der Flamme ausgesendete Strahlung zeitlich nicht konstant ist. Vielmehr ist in der Regel ein gewisses Flackern der Flamme zu verzeichnen. Dies gilt insbesondere für Gebläsebrenner, insbesondere Öl-Gebläsebrenner. Das Flackern der Flamme erzeugt einen Strahlungsanteil, der sporadisch schwankt. Die Schwankungen liegen dabei in einem Frequenzbereich zwischen 10 und 60 Hertz - je nach Brenner. Andererseits ist bei ständig brennender Flamme, auch wenn diese etwas flackert, ein festgelegter mittlerer Strahlungspegel vorhanden. Die erfindungsgemäße zweikanalige Auswertung des Strahlungssignals gestattet es nun, verschiedene Frequenzanteile des Strahlungssignals separat zu erfassen und zu untersuchen.
Beispielsweise kann in dem ersten Kanal ein zeitlich gewichteter Mittelwert des Strahlungssignals ausgewertet werden. Dieser wird, z.B. durch Tiefpassfilterung oder durch numerische Mittelwertbildung erhalten. Das so gefilterte Signal bildet, wenn die Erfassungseinrichtung ordnungsgemäß arbeitet, die empfangene Strahlungsleistung ab. Wird ein optischer Sensor für sichtbares Licht als Erfassungseinrichtung verwendet, entspricht das Signal der erfassten mittleren Flammenhelligkeit.
In dem anderen Kanal können bspw. die Wechselanteile des Strahlungssignals herausgefiltert werden, die das Flackern der Flamme kennzeichnen. Dies kann bspw. mit einem Hochpass oder mit einem Bandpass erfolgen. Der Bandpass kann zugleich dazu dienen, den Einfluss von Störlichtquellen, die ebenfalls Wechsellicht erzeugen können, drastisch zu reduzieren. Dies insbesondere, wenn der Bandpass ausreichend gegen übliche Netzfrequenzen (50 Hertz) verstimmt ist, so dass Lichtschwankungen, wie sie im 50 oder 100 Hertz-Rhythmus an Leuchtstofflampen auftreten, ohne Belang sind. Der Bandpass ist vorzugsweise auf eine Frequenz unterhalb der Netzfrequenz abgestimmt. Anstelle des Bandpasses kann auch ein Rechenblock Anwendung finden, der die Summe der Beträge von Differenzen einer Anzahl aufeinanderfolgender Abtastwerte des Helligkeitssignals bestimmt. Unterschreitet die Summe einen Grenzwert, ist die sporadische Helligkeitsschwankung (Flackern) zu gering. Somit ist entweder der Sensor defekt oder die Flamme erloschen; es wird ein Fehler angezeigt.
Wird die strahlungsempfindliche Erfassungseinrichtung (z.B. ein Fotowiderstand) durch Temperatureinwirkung, Einwirkung von Verbrennungsgasen oder sonstige Verschleißeinflüsse langsam zerstört, geht sie ausgehend von einem Widerstandswert, der der tatsächlichen Strahlungseinwirkung (Beleuchtungsstärke) entspricht, allmählich in den hochohmigen oder niederohmigen Zustand über. Mit anderen Worten, der aktuelle Widerstandswert des Fotowiderstands oder sonstigen Erfassungselements, bewegt sich von seinem gewünschten Wert zu einem anderen Wert hin, wobei der Einfluss der Beleuchtungsstärke mit zunehmender Zerstörung des Erfassungselements (z.B. eines Halbleiters) allmählich abnimmt. Liegt der Widerstandswert durch Zerstörung der Erfassungseinrichtung auch noch bei Flammenausfall in einem für die Flammenmeldung gültigen Bereich, kann allein durch Auswertung des Mittelwerts des Strahlungssignals kein Flammenausfall detektiert werden. Jedoch ging, wie erläutert, mit der Zerstörung der Erfassungseinrichtung auch eine Verringerung von deren Empfindlichkeit einher, so dass der Flackeranteil in dem Strahlungssignal auch bei noch brennender Flamme immer weiter zurückging. Dies wird in dem zur Erfassung des stochastischen Wechselanteils vorgesehenen Kanal registriert. Unterschreitet das erfasste Flackern einen Minimalwert, liegt das Ausgangssignal dieses Kanals nicht mehr in dem Erwartungsbereich. Entsprechend wird kein Ausgangssignal zur Anzeige des Vorhandenseins einer Flamme mehr erzeugt, und es erfolgt somit eine Störungsmeldung.
Mit dem vorgestellten Konzept reagiert eine entsprechende Auswerteeinrichtung oder Überwachungseinrichtung auf die schleichende Zerstörung des Sensorelements der Erfassungseinrichtung noch bevor ein wirklicher Fehler eintritt durch eine entsprechende Ausfallmeldung. Im praktischen Betrieb würde dies zum Stillsetzen des Brenners führen, d.h. die Anlage fällt zur sicheren Seite hin aus. Gefahren für Mensch und Material werden dadurch ausgeschlossen - die Sicherheit ist erhöht.
Das vorgestellte Konzept ist insbesondere für Dauerlauffähige Ölbrenner von Bedeutung. Eine Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Erfassungseinrichtung der Überwachungseinrichtung findet nicht nur zu Betriebsbeginn beim Zünden der Flamme, sondern durch die unterschiedliche Signalverarbeitung in beiden zueinander parallelen Kanälen, während des Betriebs des Brenners ständig statt.
Die schleichende Zerstörung eines Sensorbauelements (Erfassungseinrichtung) kann außerdem dazu führen, dass ein elektrischer Widerstand zu besonders niedrigen oder zu besonders hohen Werten hin verschoben wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wird der Mittelwert des Strahlungssignals, das den Widerstand des Sensorbauelements kennzeichnet daraufhin untersucht, ob der aktuelle Widerstandswert des Sensorbauelements einen Minimalwert unterschreitet. Dieser als Grenzwert dienende Minimalwert ist dabei vorzugsweise auf einen Wert festgelegt, der einer überhellen Beleuchtung (Strahlungsintensität) entspricht, die von der Flamme nicht aufgebracht werden kann. Diese Maßnahme bringt sowohl Sicherheit gegen Kurzschlüsse an dem Sensorelement oder in den Zuleitungen, als auch gegen eine schleichende Widerstandsverschiebung. Eine weitere Sicherheitsmaßnahme kann darin liegen, als Kennzeichen für den Ausfall einer Erfassungseinrichtung zu werten, wenn das elektrische Signal vor Zündung einer Flamme in einem Bereich liegt, in dem es bei Vorhandensein einer Flamme erwartet wird.
Tritt bei einer Flammenüberwachung nach dem vorgestellten Verfahren ein Zerstören des Sensorelements (Fotowiderstands) auf, das dazu führt, dass der Widerstand auf einen Wert hin driftet der noch im gültigen Bereich für eine Flammenmeldung liegt, wobei der Widerstand aber nur noch ungenügend oder überhaupt nicht mehr von dem Flammenbild, d.h. dem Flackern der Flamme beeinflusst wird, wird dies über die Wechselsignalerfassung erkannt (zweiter Kanal). Die Erfassungseinrichtung kann aufgrund der Zerstörung ihres Halbleiters kein oder ein nur ungenügendes Flackersignal aus der Flamme erfassen. Durch dieses Verfahren ist es demnach möglich, Übergangszustände des Sensorelements (Fotowiderstands), die aus einer langsamen und stetigen Zerstörung des Sensorelements entstehen, zu erkennen und unschädlich zu machen.
Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung weist zwei zueinander parallele Kanäle mit unterschiedlichen Signalauswerteinrichtungen auf, deren eine bspw. den Signalmittelwert und deren andere den Wechselanteil des Signals auswertet. Die Auswertung kann über Filtereinrichtungen hard- oder softwaremäßig erfolgen. Im Anschluss daran kann mittels Schwellwertschalter oder Fensterdiskriminatorschaltungen untersucht werden, ob die Signale in dem gewünschten und erwarteten Bereich liegen. Die Schwellwertschalter, Fensterdiskriminatoren, evtl. erforderliche Gleichrichter zur Signalgleichrichtung und ähnliches, können sowohl durch Hardware oder auch durch Software realisiert sein.
Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung eignet sich insbesondere zu Flammenüberwachung durch Erfassung des sichtbaren Lichts mit einem Fotowiderstand als Sensorelement. Damit lassen sich einfache, kostengünstige und dabei auch bei Dauerbetrieb des Brenners sichere Überwachungseinrichtungen realisieren.
Vorteilhafte Einzelheiten von Ausführungsformen der Erfindung gehen aus der Zeichnung, der nachfolgenden Beschreibung oder Unteransprüchen hervor.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
Fig. 1
einen Gebläsebrenner mit optischer Flammenüberwachung in schematischer Darstellung,
Fig. 2
die Helligkeit-Widerstands-Kennlinie eines Fotowiderstands, in intaktem Zustand und in verschiedenen Verschleißzuständen,
Fig. 3
einen beispielhaften Zeitverlauf für ein von dem Fotowiderstand erzeugtes Signal,
Fig. 4
ein Ausführungsbeispiel einer Überwachungseinrichtung für einen Gebläsebrenner, als Blockschaltbild, und
Fig. 5
eine alternative Ausführungsform einer Überwachungseinrichtung als schematisiertes Schaltbild.
In Fig. 1 ist eine Überwachungseinrichtung 1 für die Flamme 2 eines Gebläsebrenners 3 schematisch veranschaulicht. Der Gebläsebrenner 3 ist an ein Gebläse 4 und eine Brennstoffzuführungsleitung 5 angeschlossen. Der Brennstoff ist bspw. Heizöl. Die Flamme 2 weist ein turbulentes Flammenbild auf. Ihre Helligkeit ändert sich um einen Mittelwert. Zeitliche Schwankungen der Helligkeit L um den Mittelwert M entsprechen dem Flackern der Flamme, wie Fig. 3 veranschaulicht. Die Schwankungen sind stochastischer Natur. Sie liegen häufig im Bereich von 10 - 60 Hertz.
Die Überwachungseinrichtung 1 überwacht das von der Flamme 2 ausgesandte sichtbare Licht mittels einer strahlungsempfindlichen Erfassungseinrichtung. Diese wird durch einen Fotowiderstand 6 gebildet, der an eine Überwachungsschaltung 7 angeschlossen ist. Diese ist bspw. Teil einer übergeordneten Steuereinrichtung und dient somit, wie in Fig. 1 schematisch angedeutet, zum Steuern des Gebläsebrenners 3 und insbesondere zum direkten und indirekten Stillsetzen des Gebläses 4, sowie der Absperrung der Brennstoffzufuhr mittels eines entsprechenden gesteuerten Ventils 8.
Der Fotowiderstand 6 ist so angeordnet, dass er einen Teil des von der Flamme 2 ausgesendeten sichtbaren Lichts auffängt. An seinen Ausgangsklemmen erzeugt er somit ein Signal, das den in Fig. 3 veranschaulichten Helligkeitsverlauf wiedergibt. Der Innenwiderstand des Fotowiderstands 6 ist von der Beleuchtungsstärke abhängig. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 2 veranschaulicht. Mit zunehmender Beleuchtungsstärke L nimmt der Widerstand R mehr und mehr ab. Bei Dunkelheit oder geringen Beleuchtungsstärken nimmt der Widerstand seinen Ruhewiderstand R0 ein. Bei sehr hohen Beleuchtungsstärken, die höher sind als jede von der Flamme 2 erzeugbare Beleuchtung, nähert sich der Widerstand R seinem Minimalwert RM an. In Fig. 2 ist als Kurve I die Abhängigkeit des Widerstands R von der Beleuchtungsstärke L für einen intakten Fotowiderstands 6 veranschaulicht. Durch Temperatureinflüsse, Alterung und Einwirkung von Verbrennungsgasen, kann sich die Kennlinie des Fotowiderstands 6 mit der Zeit ändern. Jede Schädigung geht in der Regel damit einher, dass die Steilheit der Kennlinie in dem Bereich zwischen dem Ruhewiderstand Ro und dem Minimalwert RM abnimmt. Die in Fig. 2 gestrichelt veranschaulichte Kurve II veranschaulicht einen solchen Fall. Der Ruhewiderstand R0 hat abgenommen; der Minimalwert hat zugenommen und die Steigung der Kennlinie ist vermindert.
In noch stärkerem Maße ist dies für einen noch weiter geschädigten Fotowiderstand 6 der Fall, wie in Fig. 2 durch eine dritte Kurve III veranschaulicht ist. Diese kann dabei auch insgesamt zu höheren Widerstandswerten oder zu niedrigeren Widerstandswerten hin verschoben sein. Wie die Kurven jedoch auch immer verschoben sind - ihnen ist gemeinsam, dass die Fotoempfindlichkeit des Fotowiderstands 6 abnimmt.
Die Überwachungsschaltung 7 ist in Fig. 4 gesondert veranschaulicht. Die Überwachungsschaltung 7 weist einen ersten Kanal 11 zur Auswertung des Gleichanteils des von dem Fotowiderstand 6 erzeugten Signals und einen zweiten Kanal 12 zur Auswertung des Wechselsignalanteils auf. Beide Kanäle 11, 12, erhalten das gleiche Eingangssignal, das von einem R/U-Wandler 14 abgegeben wird, der eine dem Widerstand R entsprechende Spannung abgibt. Der R/U-Wandler ist eingangsseitig mit dem Fotowiderstand 6 verbunden und wird im einfachsten Fall durch einen Spannungsteiler (einen mit dem Fotowiderstand 6 in Reihe geschalteten ohmschen Widerstand) gebildet.
Der erste Kanal 11 enthält zur Signalauswertung (als Signalauswerteeinrichtung) einen Tiefpass 15, der dazu dient, den Mittelwert von dem R/U-Wandler abgegebenen Signals zu bestimmen. Dazu bildet der Tiefpass 15 das zeitlich gewichtete Mittel. Seine Eckfrequenz liegt bspw. bei 20 Hertz. Durch diese Dimensionierung wird erreicht, dass ein Wegfall der Flamme, d.h. eine Änderung des Mittelwerts des Signals, sehr schnell erfasst und der Brenner 3 somit sehr schnell stillgesetzt werden kann.
An den Ausgang des Tiefpasses 15 ist ein Analog/Digital-Wandler 16 angeschlossen (A/D-Wandler), der das Filterausgangssignal digitalisiert an einen Mikrocontroller 17 übergibt. Alternativ kann auf den Tiefpass 15 verzichtet werden. Der A/D-Wandler übergibt dann an den Mikrocontroller 17 Abtastwerte des aktuellen Zeitsignals. Der Mikrocontroller kann den Mittelwert des Zeitsignals rechnerisch bilden, indem er jeweils eine festgelegte Anzahl der letzten Messwerte aufaddiert. Die so erhaltene Summe entspricht dem Mittelwert.
Der Kanal enthält als Signalauswerteeinrichtung 12 einen Bandpassfilter 18 (oder alternativ einen Hochpassfilter). Die Mittelfrequenz des Bandpasses 18 liegt bspw. bei 30 Hertz, wobei die Bandbreite relativ groß bemessen sein kann. Beispielsweise liegen die 3dB-Eckfrequenzen bei 10 und 40 Hertz. Netzkorrelierte Wechsellichtanteile von Fremdlichtquellen können somit ausgeschlossen werden, wobei das Flackern des Signals (siehe Fig. 3) breitbandig erfasst wird. Das Filterausgangssignal kann direkt an den Mikrocontroller 17 übertragen werden. Tastet dieser das Eingangssignal (gegebenenfalls über einen A/D-Wandler 19) periodisch ab, werden hier, so lang ein Flackersignal vorhanden ist, stochastische Werte erhalten. Somit liegen die einzelnen Abtastwerte in einem festgelegten Schwankungsbereich. Wird dieser unterschritten, ist der Wechselanteil unterhalb einer festgelegten Grenze. Der Mikrocontroller 17 kann diese überprüfen, indem er ständig Differenzen zwischen aufeinander folgenden Signalwerten bildet und nur dann ein Flackersignal erkennt, wenn die einzelnen Differenzen einen Mindestwert überschreiten. Treten mehrmals hintereinander geringere Differenzen auf, ist davon auszugehen, dass der Wechselanteil des Signals nach Fig. 3 unter einer vorgegebenen Grenze liegt. Alternativ kann die Summe über die Beträge mehrerer aufeinander folgender Differenzen gebildet und mit der Grenze verglichen werden.
Der Mikrocontroller 17 ist so programmiert, dass er ein gültiges Flammensignal (das eine brennende Flamme anzeigt) nur dann abgibt, wenn das über den Kanal 11 erfasste Gleichsignal in einem vorgegebenen Bereich liegt und zugleich das in dem Kanal 12 erfasste Flackersignal einen Mindestwert übersteigt. Der vorgegebene Bereich für das Gleichsignal entspricht einem Widerstandsbereich B für den aktuellen Widerstandswert des Fotowiderstands 6 (Fig. 1). Das von dem Kanal 12 bereitgestellte Flackersignal muss über einem Grenzwert G liegen. Dieser ist in Fig. 3 veranschaulicht.
Die insoweit beschriebene Überwachungseinrichtung 1 arbeitet wie folgt:
Bei ordnungsgemäßem Betrieb erfasst der Fotowidertand 6 das von der Flamme 2 ausgesandte Licht. Die Helligkeit schwankt gemäß Diagramm nach Fig. 3. Entsprechend ist der Zeitverlauf des elektrischen Signals an dem Ausgang des Wandlers 14. Der Kanal 11 bestimmt den kurzfristigen Mittelwert dieses Signals durch Tiefpassfilterung. Hat die Flamme 2 eine solche Helligkeit, dass der Widerstandswert des Fotowiderstands 6 um den in Fig. 2 veranschaulichten Wert P schwankt, der in dem Bereich B liegt, erkennt dies der Mikrocontroller 17. Zugleich wird mit dem Bandpass 18 in dem Kanal 12 der Flackeranteil des Kanals ausgefiltert. Der Mikrocontroller 17 überprüft ob der Flackeranteil größer ist als durch die Grenze G (Fig. 3) vorgegeben. Falls ja registriert der Mikrocontroller dies. Falls beide Bedingungen (Kanal 11, Mittelwert im Bereich B; Kanal 12 Flackeranteil größer als Grenze G) erfüllt sind, gibt der Mikrocontroller ein Flammensignal aus, das das Vorhandensein einer Flamme kennzeichnet oder er erzeugt intern ein entsprechendes Signal zur weiteren Verarbeitung.
Altert der Fotowiderstand 6 oder ändern sich die elektrischen Eigenschaften mit der Zeit derart, dass er z.B. eine Kennlinie gemäß Kurve II oder III erhält, driftet sein Widerstandswert nicht aus dem Bereich heraus. Jedoch nimmt die Höhe des von dem Bandpass 18 des ausgesiebten Flackersignals mit abnehmender Kennliniensteilheit (Kurve II oder Kurve III) ab. Deshalb fällt das Flackersignal alsbald unter seine Grenze G, womit der Mikrocontroller 17 nicht mehr beide Signale als gültig anerkennt. Somit meldet er Flammenausfall und ermöglicht somit ein Abschalten des Brenners 3.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Mikrocontroller anhand der Feststellung, dass das Signal des Kanals 11 in dem Gültigkeitsbereich B liegt, das Flackersignal des Kanals 12 jedoch ausgefallen ist, ein Signal erzeugt, das den Ausfall des Fotowiderstands 6 kennzeichnet.
In Fig. 5 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Überwachungseinrichtung 1 veranschaulicht. Die Überwachungsschaltung 7 übernimmt hier Funktionen, die bei der Überwachungsschaltung 1 nach Fig. 4 von dem Mikrocontroller 17 übernommen worden sind.
Soweit Funktionsgleichheit besteht, wird bei der nachfolgenden Beschreibung auf gleiche Bezugszeichen zurückgegriffen, wie im Zusammenhang mit der vorstehenden Beschreibung, und generell auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
Der Fotowiderstand 6 ist mit einem Anschluss an einen Betriebsspannung Ub und mit seinem anderen Anschluss an den R/U-Wandler 14 angeschlossen, der ein Spannungsausgangssignal erzeugt, das dem durch den Fotowiderstand 6 fließenden Strom entspricht. Mit abnehmendem Widerstandswert des Fotowiderstands 6 nimmt die Ausgangsspannung des Wandlers 14 zu. Die Ausgangsspannung wird an dem Tiefpass 15 übertragen, der den zeitlichen Mittelwert des Wandlerausgangssignals bestimmt. Das Ausgangssignal des Tiefpasses 15 ist zu einem Fensterdiskriminator 21 geleitet, der prüft, ob das Tiefpassausgangssignal in einem vorgegebenen Schaltbereich liegt, der dem Bereich B gemäß Fig. 2 entspricht. Die Grenzen des Schaltbereichs werden von zwei Triggerschaltungen 22, 23 überwacht, die Stelleingänge 24, 25 zur Festlegung der Triggerschwellen aufweisen. Die Triggerausgänge sind an ein Exklusiv-ODER-Gatter 26 angeschlossen, das an seinem Ausgang nur dann ein gültiges Ausgangssignal liefert, wenn nur eine der beiden Triggerschaltungen 22, 23 Grenzüberschreitungen feststellt.
Die Stelleingänge 24, 25 dienen dazu, die Schaltschwellen der Triggerschaltungen 22, 23 bedarfsgerecht einzustellen und an die jeweilige Betriebsart des Brenners 3 anzupassen. Beispielsweise kann insbesondere die für den geringen Lichteinfall zuständige untere Schaltschwelle bei Zündbetrieb anders (niedriger) festgelegt werden als nach erfolgter Zündung bei Brennerbetrieb (dies wird negative Schaltdifferenz genannt).
Der Kanal 12 kann im Anschluss an den Bandpass 18 einen Signalgleichrichter 27 enthalten, der das Flackersignal in ein Gleichsignal wandelt. Eine angeschlossene Triggerschaltung 28 dient dazu, zu überprüfen, ob das Wechselsignal (Flackersignal) eine vorgegebene Grenze G überschreitet. Die beiden Kanäle 11, 12 sind ausgangsseitig über eine Logikschaltung 29, die bspw. als UND-Schaltung ausgebildet ist, miteinander verknüpft, um ein Flackersignal zu erzeugen.
Eine dauerbetriebsichere Überwachungseinrichtung 1, die insbesondere zur Flammenüberwachung an ölbetriebenen Gebläsebrennern vorgesehen ist, weist einen Fotowiderstand 6 auf, der an einer Überwachungsschaltung 7 angeschlossen ist. Diese wertet das von dem Fotowiderstand 6 abgegebene Signal zweikanalig aus. Ein erster Kanal 11 dient zur Erfassung der mittleren Helligkeit. Ein zweiter Kanal 12 dient zur Erfassung von Wechselanteilen, die vom Flackern der Flamme herrühren. Die Flamme wird nur dann als ordnungsgemäß brennend anerkannt, wenn an beiden Kanalausgängen der Kanäle 11, 12 ein Signal vorhanden ist, bzw. das Signal jeweils in einem vorgegebenen Bereich liegt. Auf diese Weise lassen sich insbesondere schleichende Änderungen der Charakteristik des Fotowiderstands, wie sie bei Brennerdauerbetrieb auftreten und gefährlich sind, erkennen. Es wird sichergestellt, dass die Flammenüberwachung nicht mit einem defekten Fotowiderstand vorgenommen oder versucht wird.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Flammenüberwachung an einem oder mehreren Brennern, insbesondere Gebläsebrennern,
    mittels einer strahlungsempfindlichen Erfassungseinrichtung (6), die ein die Strahlungsleistung kennzeichnendes elektrisches Signal abgibt,
    wobei bei dem Verfahren das elektrische Signal parallel durch wenigstens zwei Filtereinrichtungen (15, 18) mit unterschiedlicher Charakteristik geleitet wird und
    beide Filterausgangssignale darauf überprüft werden, ob sie in einem Erwartungsbereich (B, G) liegen,
    wobei nur dann ein das Vorhandensein einer Flamme kennzeichnendes Ausgangssignal erzeugt wird, wenn beide Filterausgangssignale in ihrem jeweiligen Erwartungsbereich (B, G) liegen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer der Filtereinrichtung Signalschwankungen des elektrischen Signals und mit der anderen Filtereinrichtung ein Signalmittelwert erfasst werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalschwankungen des elektrischen Signal als Kennzeichen für die Betriebsfähigkeit der strahlungsempfindlichen Erfassungseinrichtung (6) herangezogen werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es als Kennzeichen für einen Ausfall der Erfassungseinrichtung (6) gewertet wird, wenn deren Signalwert unter einer vorbestimmten Grenze (Rk) liegt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kennzeichen für den Ausfall der Erfassungseinrichtung (6) gewertet wird, wenn das elektrische Signal vor Zündung einer Flamme in dem Bereich liegt, in dem es bei Vorhandensein einer Flamme erwartet wird.
  6. Überwachungseinrichtung (1) zur Flammenüberwachung an einem oder mehreren Brennern (3), insbesondere Gebläsebrennern,
    mit einer strahlungsempfindlichen Erfassungseinrichtung (6), die ein die aufgenommene Strahlungsleistung kennzeichnendes elektrisches Signal abgibt,
    mit einem ersten Kanal (11), der mit der Erfassungseinrichtung (6) verbunden ist und eine Signalauswerteeinrichtung (15) enthält, der das elektrische Signal der Erfassungseinrichtung (6) zugeleitet ist, und die an ihrem Ausgang ein Flammensignal ausgibt, wenn das elektrische Signal einem ersten Kriterium entspricht,
    mit einem zweiten Kanal (12), der mit der Erfassungseinrichtung (6) verbunden ist und eine Signalauswerteeinrichtung (18) enthält, der das elektrische Signal der Erfassungseinrichtung (6) zugeleitet ist, und die an ihrem Ausgang ein Flammensignal abgibt, wenn das elektrische Signal einem zweiten Kriterium entspricht,
    wobei die Signalauswerteeinrichtungen (15, 18) der beiden Kanäle (11, 12) auf die Überprüfung unterschiedlicher Kriterien eingerichtet sind, und
    mit einer logischen Auswerteeinrichtung (17, 21, 29), die zwei Eingänge aufweist, die an die Kanäle (11, 12) angeschlossen sind und die nur dann ein Flammenerkennungssignal abgibt, wenn beide Kanäle (11, 12) jeweils ein Flammensignal abgeben.
  7. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswerteeinrichtungen (15, 18) Filtereinrichtungen sind.
  8. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kanal (11) als Signalauswerteeinrichtung (15) eine Einrichtung (15) zur Bildung eines zeitlichen Mittelwerts und der andere Kanal (12) als Signalverarbeitungseinrichtung (18) eine Einrichtung zur Erfassung von Signaländerungen ist.
  9. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kanal (11) als Signalauswerteeinrichtung (15) zur Erfassung der Strahlungsleistung einen Tiefpass (15) enthält.
  10. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (11) im Anschluss an den Tiefpass (15) einen Fensterdiskriminator (21) aufweist.
  11. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fensterdiskriminator (21) wenigstens einen Steuereingang (25) zur Festlegung seiner Schaltgrenzen aufweist.
  12. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Signalauswerteeinrichtungen (15, 18) zur Selektion von Flackersignalen eingerichtet ist.
  13. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswerteeinrichtung (18) eine Filtereinrichtung mit Hochpassverhalten ist.
  14. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswerteeinrichtung (18) eine Filtereinrichtung (18) mit Bandpassverhalten ist.
  15. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (6) ein Fotowiderstand ist.
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