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Einrichtung zur Steuerung einer Brenneranlage Die Erfindung betrifft
eine Einrichtung zur Steuerung einer Brenneranlage mit einem Flammendetektor, der
eine auf relativ kurzwellige Strahlung ansprechende Entladungsröhre umfaßt, die
zwei Elektroden enthält, welche mit einem Lade- und Löschkreis verbunden sind, welche
im Betrieb zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld erzeugen, das bei Wahrnehmung
der Strahlung periodisch zusammenbricht und wieder aufgebaut wird, mit einem an
den Verstärker angeschlossenen Alarm- oder Steuerkreis.
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Bei der Überwachung von Heizungsanlagen soll möglichst eine für die
Flamme selbst charakteristische Eigenschaft im Gegensatz zu Eigenschaften des Inneren
der Brennkammer oder äußerer Störeinflüsse herangezogen werden, um das Vorhandensein
der Hauptflamme oder der Zündflamme des Brenners zuverlässig festzustellen. Es gibt
bereits die verschiedensten Systeme zur Überwachung von Brennern und Heizungsanlagen,
dabei haben sich Meßfühler, die auf Infrarotstrahlung ansprechen, besonders geeignet
erwiesen. Diese strahlungsempfindlichen Einrichtungen sprechen auf bestimmte Wellenlängen
der Strahlung an, die von der überwachten Flamme emittiert wird. In den überwachten
Heizungseinrichtungen existieren jedoch häufig noch andere Quellen ähnlicher Strahlung,
und es ist natürlich höchst wichtig, die von der Flamme einittierte Strahlung von
der Strahlung anderer Quellen zu unterscheiden. In diesem Zusammenhang ist es bekannt,
daß die Infrarotstrahlung einer Flamme veränderliche Komponenten enthält, die in
einem ganz bestimmten Frequenzbereich liegen, und es gibt überwachungsanlagen, die
mit Bleisulfidzellen arbeiten, denen ein Bandpaß-Verstärker nachgeschaltet ist,
der auf ein enges Frequenzband abgestimmt ist, das der Frequenz der in der Flamme
vorherrschenden Schwankungen entspricht.
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Bei manchen Brenneranlagen, beispielsweise Anlagen, die mit Mehrfachbrenner-Brennkammern
arbeiten und bei denen die einzelnen Flammen aus Sicherheitsgründen unabhängig voneinander
überwacht werden müssen, haben jedoch Überwachungseinrichtungen, die auf Infrarotstrahlung
ansprechen, gewisse Nachteile, da die Infrarotstrahlung von dem ganzen außerhalb
des Flammensaumes liegenden Bereich emittiert wird, so daß die Unterscheidung zwischen
den einzelnen Flammen innerhalb der gleichen Brennkammer schwierig, wenn nicht unmöglich
wird. Die einzelnen Flammen lassen sich leichter mit einer Strahlung überwachen,
deren Quelle enger begrenzt ist, beispielsweise einer Strahlung im Ultraviolettbereich,
die nur vom Flarnmenkern enüttiert wird. Die Überwachung der Ultraviolettstrahlung
ist außerdem zuverlässiger als andere Flammenüberwachungssysteme, da sie nicht so
leicht durch fremde Strahlungsquellen gestört werden kann. Die hochentwickelten
und in der Praxis bewährten Anlagen arbeiten jedoch praktisch alle mit Infrarotdetektoren.
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Einrichtungen zur Flammenüberwachung für Feuerungsanlagen, die mit
auf kurzwellige Strahlung ansprechenden Meßfühlern, z. B. Gasentladungszellen, wie
Geiger-Müller-Zählrohren, arbeiten, sind bekannt. Nicht selbstlöschende Geiger-Müller-Zählrohre
werden bekanntlich mit einem Lade- und Löschkreis betrieben, der meist einen Kondensator
enthält, der über einen relativ großen Ladewiderstand von einer Gleichspannungsquelle
gespeist wird. Diesem Kondensator ist das Zählrohr, gegebenenfalls über einen Strombegrenzungswiderstand,
parallel geschaltet. Wenn das Zählrohr zündet, bricht die Spannung am Kondensator
zusammen, so daß die Entladung wieder erlischt. Wenn die das Zünden des Zählrohres
bewirkende Strahlung andauert, wiederholt sich das Zünden und Löschen des Zählrohres
mit einer Frequenz, die durch die Zeitkonstante der Lade- und Löschschaltung bestimmt
wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Störungsempfindlichkeit
einer Einrichtung
zur Steuerung einer Brenneranlage mit einem FI,gmmendetektor
herabzusetzen, der eine auf relativ kurzwelfige Strahlung ansprechende Entladungsröhre
umfaßt, welche mit einer Lade- und Löschschaltung verbunden sind, welche im Betrieb
zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld erzeugt, das bei Wahrnehmung der Strahlung_periodisch
zusammenbricht und wieder aufgebaut wird, mit einem an die Entladungsröhre -angeschlossenen
Verstärker und einem an den Verstärker angeschlossenen,Alarm-und Steuerkreis. Dies
wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Verstärker in an sich bekannter
Weise als Bandpaßverstärker für Frequenzen, -die wesentlich kleiner als die Netzfrequenz
sind, ausgebildet ist und daß die Zeitkonstante der die ultraviolettempfindliche
Entladungsröhre speisenden Lade-- -und Löschschaltung entsprechend der Durchlaßfrequenz
des Bandpaßverstärkers bemessen ist.
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. Die Zeitkonstante -der Lade- und Löschschaltung ist vorzugsweise
so bemessen, daß sie einer Entladungsfrequenz von höchstens 25 Hz entspricht.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Einrichtung dadurch
- 7gekennzeichnet, daß die Entladungsröhre mit dem Band-pä'ßverstärker über
eine Kopplungsschaltung gekoppelt ist, die einen gedämpften Resonanzkreis solcher
Resonanzfrequenz enthält, daß er ein..Schwingungssignal mit einer Grundfrequenz
vön;'Üöchstens 25Hz aus den einzelnen Signalen erzeugt, die beim Zünden der Entladungsröhre
entstehen.
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Der gedämpfte Resonanzkreis enthält vorzugsweise eine. mit der- Entladungsröhre
in Reihe geschaltete Primärwicläung eines Transformators, der ein mit einem Widerstand
in Reihe geschalteter Kondensator parallel geschaltet ist.
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Die Erfindung soll nun an Hand der Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispieles der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert
werden. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Abtasteinrichtung,
aus der der Hauptbrenner, der Zündbrenner und das Abtastelement, das sowohl den
Hauptbrenner als auch den Zündbrenner zu überwachen gestattet, ersichtlich sind,
und F i g. 2 ein Schaltbild eines auf Ultraviolettstrahlung ansprechenden Detektorkreises
und eines Bandpaßverstärkerkreises gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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F i g. 1 zeigt schematisch eine Brenneranlage mit einer Brennkammer
10, in die eine Brennstoff-Haupt-# leitung 12 mündet, die durch ein nicht
dargestelltes Ventil gesteuert wird. Ein Zündbrenner 14, der mit einer geeigneten
Zündanordnung versehen ist, erzeugt eine Zündflamme 16, die in den
Bereich vor der Mündung der Brennstoff-Hauptleitung 12 reicht. Der aus der Leitung
12 austretende Brennstoff wird in üblicher Weise durch die Zündflamme gezündet und
liefert dann eine Hauptfiamme 18. In der Wand der Brennkammer ist eine Rohranordnung
20 montierte die so eingerichtet sein kann, daß mittels eines Abtastelementes 22
sowohl das Ende der Zündflamme 16 als auch die Hauptflamme 18 überwacht
werden kann.
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Das Abtastelement besteht bei dieser Anordnung aus einer ultraviolettempfindlichen
Röhre, die zwei parallele, im Abstand voneinander verlaufende Wolframelektroden
24, 26 (F i g. 2) enthält, die von einem für Ultraviolettstrahlung
durchlässigen Kolben 28 umschlossen werden, der ein geeignetes Inertgas enthält.
Solche Röhren sind im Handel erhältlich. Die Röhre 22 liegt in Reihe mit einem Strombegrenzungswiderstand
30 von etwa 10 kOhm an einer Lade- und Löschschaltung, durch die zwischen
den Elektroden 24, 26 periodisch ein elektrostatisches Feld ausreichender
Größe aufgebaut wird, um zwischen diesen Elektroden einen Lawinendurchschlag zu
ermöglichen, wenn die Elektroden von lAtraviolettstrahlungs-Photonen getroffen werden.
Die das elektronische Feld liefernde Lade- und Löschschaltung enthält einen Kondensator
32 von 82 nF, einen Widerstand 34 von 0,47 MOhm, eine Gleichrichterdiode-36
und einen Hochspannungstransformator 38,
dessen Primärwicklung 40 vom Wechselstromnetz
gespeist wird, während die Sekundärwicklung 42 zwischen die Diode 36 und
Masse geschaltet ist. Die elektrische Zeitkonstante des Kreises- ist so bemessen,
daß der Kondensator 32 nach einem Durchschlag höchstens mit einer Frequenz
von 25 Hz wieder auf den Betriebswert aufgeladen werden kann. Bei der bevorzugten
Ausführungsform beträgt die Zeite-. konstante des Kreises 38 ins, und für
die Erreichung der Betriebsspannung wird etwa das Eineinviertelfache der Zeitkonstante
(48 ins) entsprechend einer maximalen Frequenz von 21 Hz benötigt. Wenn der Betriebsspannungswert
erreicht ist, kann die Röhre 22 zünden, wenn an der negativen Elektrode ein
Elektron durch ein Strahlungsquant freigesetzt wird und eine Ionisation des Gases
einleitet, die zu einer Lawinenentladung zwischen den Elektroden und einer Entladung
des Kondensators 32 führt, wobei an einer Primärwicklung 44 eines Ausgangstransformators
46 ein Ausgangssignal auftritt. Wenn sich die Ladung des Kondensators genügend verringert
hat, erlischt die Entladung in der Röhre 22, und der Kon-m densator 32 kann
sich wieder aufladen. An die Primärwicklung des Transformators 46 ist eine Reihenschaltung
aus einem Widerstand 48 von 1 kOhm und eines Kondensators 50 von
68 nF, die einen gedämpften Resonanzkreis bilden, angeschlossen. Der Kondensator
50 speichert den mit steiler Vorderflanke eintreffenden Impuls, der durch
die Lawinenentladung in der Röhre 22 erzeugt wurde, und der Schwingkreis setzt diese
Energie in ein sinusförmiges Signal einer niedrigen, unter 25 Ilz liegenden
Frequenz um, das durch die Sekundärwicklung 52 des Transformators 46 Eingangsklemmen
54, 55
einer Schaltungsanordnung zur Betätigung eines Steuerrelais
zugeführt wird.
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Diese Schaltunasanordnun enthält einen Haupt-C - g
transformator
58, der über eine Gleichrichter- und Glättungsschaltung mit Widerständen
64 bis 66, einer Diode 68 und Kondensatoren 70 bis
72 eine Anodenspannung an Verstärkerröhren 60, 62 liefert. Außeidem
wird einer Klemme 54 über einen Widerstand 74 eine Vorspannung zugeführt. Das Eingangssignal
von der Ultraviolettdetektorröhre 22 wird über einen die Gleichspannung sperrenden
Kondensator 78 und eine Widerstandskombination mit den Widerständen
80, 81 auf das Gitter der Röhre 60 der ersten Verstärkerstufe gekoppelt.
Ein Teil des an der Anode der Röhre 60 erzeugten Ausgangssignals wird über
ein Kondensatoren 82, 84 und Widerstände 86, 88
enthaltendes Filternetzwerk
als Tiefpaß-Steuersignal (entsprechend der Frequenz des gedämpften Resonanzkreises
und damit unter 25 Hz) auf das. Gitter der Röhre 60 zurückgekoppelt,
und ein zweiter Teil
wird über einen Kopplungskondensator
90 und Widerstände 92, 93 der zweiten Verstärkerstufe zugeführt. Diese
Stufe ist in-entsprechender Weise mit einem für eine Frequenz unter 25 Hz ausgelegten
Tiefpaßrückkopplungskreis, versehen, der Kondensatoren 94, 96 und Widerstände
98, 100 enthält. Der resultierende, verstärkte Ausgangsimpuls wird über einen
Kondensator 102 auf einen Gleichrichterkreis gekoppelt, der eine Diode 104 enthält,
so daß zu einem eine Widerstandskombination 105, 106 und einen Kondensator
108 enthaltenden RC-Integrationskreis nur negative Impulse gelangen können.
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Das Ausgangssignal des Integrationskreises wird dem Hauptrelais-Steuerkreis
zugeführt, der eine normalerweise leitende Röhre 110 und eine durch den Spannungsabfall
an einem Widerstand 112 normalerweise gesperrte Röhre 114 enthält. Wenn die bei
einer Wahrnehmung einer Ultraviolettstrahlung der überwachten Flammen erzeugten
Impulse am Kondensator 108 eine negative Spannung genügender Größe aufgebaut
haben, wird die Röhre 110 gesperrt, und die hieraus resultierende Änderung
ihrer Anodenspannung wird auf das Gitter der Röhre 114 gekoppelt, so daß diese Röhre
zu leiten beginnt und ein Steuerrelais 120 erregt. Die Erregung des Steuerrelais
120 zeigt also die Gegenwart einer Flamme an.
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Die Sekundärwicklung des Netztransformators 58
hat eine Reihe
von Abgriffen, und sie liefert zusätzlich zur Anodengleichspannung auch Spannungen
für die Heizfäden 122, eine Spannung zum Betrieb des Relais 120 und eine Spannung
für die Relaissteuerschaltung.
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Bei überwachungssystemen, in denen sowohl eine Ultraviolettstrahlung
als auch eine Infrarotstrahlung wahrgenommen werden soll, kann zusätzlich eine infrarotempfindliche
Bleisulfidzelle 124 Verwendung finden. Es gibt beispielsweise Heizungsanlagen, die
mit pulverisierter Kohle betrieben werden, während die Zündflamme mit Gas gespeist
wird. Da pulverisierte Kohle eine Flamme liefert, die nur wenig Ultraviolett abstrahlt,
während Gasflammen eine Ultraviolettstrahlung beträchtlicher Intensität liefern,
kann der Detektor 22 zur ausschließlichen überwachung der Zündflamme 16 und
die Zelle 124 in einer getrennten Anordnung zur überwachung der Hauptflamme
18 verwendet werden. Die Zelle 124 kann beispielsweise mit der Sekundärwicklung
52 des Transformators 46 in Reihe geschaltet sein und von einem Schalter
126 überbrückt werden, der den Infrarotdetektor auszuschalten gestattet.
Der Schalter kann beispielsweise durch eine übliche Programmsteuereinrichtung betätigt
werden.
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Durch die Erfindung wird also eine zuverlässige, einen Bandpaßverstärker
enthaltende Steueranordnung für ein Brennerrelais angegeben, die bei niedrigen Flackerfrequenzen
der Flamme arbeitet, die Filterbandbreite kann beispielsweise etwa 10 Hz
betragen, so daß konstante Störsignale ebenso ausgeschaltet werden wie Signale der
Netzfrequenz und andere unerwünschte Störsignale; die Anordnung enthält in Kombination
außerdem einen auf Ultraviolettstrahlung ansprechenden Detektorkreis, der dem Bandpaßverstärker
angepaßt ist und die Flamme
einer Feuerungsanlage überwacht.
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Zusammenfassend ist also zu sagen, daß die Erfindung eine überwachungseinrichtung
für Feuerungsanlagen betrifft, wie sie beispielsweise in F i g. 2 dargestellt
ist, einen auf eine Flamme ansprechenden Quantendetektor 22 und einen auf Eingangssignale
im Frequenzbereich von etwa 5 bis 25 Hz ansprechenden Verstärker enthält.
Zwischen den Detektorelektroden wird ein elektrostatisches Feld durch einen die
Frequenz herabsetzenden Kreis mit einem Kondensator 32 und einem Widerstand
34 erzeugt, welcher über einen Transformator 38 mit einer Signalquelle der
Netzfrequenz verbunden ist. Der Ausgangsimpuls, der entsteht, wenn das elektrostatische
Feld bei Wahrnehmung der Ultraviolettstrahlung einer Flamme zusammenbricht, wird
so modifiziert, daß er eine Grundfrequenzkomponente von weniger als 25 Hz
erhält, dies erfolgt durch einen gedämpften Schwingungskreis, der die Primärwicklung
44 des Transformators 46 enthält, der in Reihenschaltung des Widerstandes 48 und
des Kondensators 50 parallel geschaltet ist. Mittels der Sekundärwicklung
52 des Transformators 56 wird das resultierende Signal auf den Bandpaßverstärker
gekoppelt, der seinerseits entsprechend dem modifizierten Ausgangsimpuls das den
Betriebszustand anzeigende Relais 120 betätigt.
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Die Erfindung wurde an Hand eines speziellen Ausführungsbeispieles
beschrieben, das jedoch nicht einschränkend auszulegen ist. Dieses Ausführungsbeispiel
kann vielmehr in der verschiedensten Weise abgewandelt werden, ohne den Rahmen der
Erfindung zu überschreiten.