DE1751197A1 - Schaltungsanordnung zur UEberwachung einer Flamme - Google Patents

Description

EGA Case 527. 1751

US Ser. No. 634.580
Filed April 28, 1967

Elect ronics Corporateon of Ameri ea Cambridgej Mass., V.St»A.

Schaltungsanordnung zur Üoerwachung einer Flamme

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur | Überwachung einer Flamme, insoesondere in einer Heizanlage, mit einem Flammendetektor und einer auf den Betrieoszustand ansprechende Einrichtung insoesondere einem Flammenrelais,

In-einer Brennerüberwachungseinrichtung, die als Strahlungsdetektor eine Gasentladungsröhre enthält, liefert dieser normalerweise Impulse in unregelmässiger Folge, wobei der Mittelwert der Impulse proportional der einfallenden UV-Strahlung ist. Häufig werden diese Impulse einem Speicherkondensator zugeführt, wodurch am Kondensator eine der einfallenden UV-Strahlung proportionale Spannung entsteht, mit welcher ein Flammenrelais beaufschlagt wird. Wenn beim Erlöschen der Flamme in der Brennvorrichtuhg das Detektorsignal verschwindet, wird das Flammenrelais nach einem Zeitintervall, dessen Größe von der Zeitkonstanten des den Kondensator enthaltenden Integrationskreises abhängt, stromlos. Aus Sicherheitsgründen darf dieses Zeitinter-

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vall einen bestimmten Wert nicht überschreiten. Häufig jedoch, zum Beispiel bei Brennanlagen mit vielen Brennern, kann selbst nach Erlöschen der zu überwachenden Flamme eine Reststrahlung vorhanden sein. Durch das Ansprechen des- Detektors auf diese Reststrahlung werden dem Kondensator zusätzliche Impulse zugeführt und dadurch die Abfallzeit des Flammenrelais verlängert, wodurch der Sicherheitswert überschritten werden kann.

Aufgaoe der Erfindung ist die Schaffung einer zur Uoerwachung einer Flamme dienenden Schaltungsanordnung, bei der die Aohängigkeit der Aofallzeit des Flammenrelais von störender Reststrahlung auf ein Minimum reduziert ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Integrationskreis vorgesehen ist, der bewirkt, daß die Einrichtung erregt wird, wenn ein vom Flammendetektor gelieferter Impulszug einen Mittelwert hat, der einen bestimmten Schwellen- f wert übersteigt, und ferner einen an den Integrationskreis angeschlossenen Abschaltkreis zum Abschalten der Einrichtung, wenn der genannte Mittelwert während einer bestimmten Dauer unter dem Schwellenwert oleibt.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält diese Schaltungsanordnung zwei Integrationsschaltungen, deren jede ein Steuerelement enthält. An den Eingangskreis des ersten Steuerelementes

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ist dabei ein Speicherelement mit zugehörigem Kreis angeschlossen, der auf Signale aus dem Strahlungsdetektor anspricht und bei Aufladung auf eine bestimmte Spannung eine Umschaltung des ersten Steuerelementes aus einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand bewirkt, z.B. aus einem nichtleitenden in einen leitenden Zustand. Der Ausgangskreis des ersten Steuerelementes ist mit dem Eingangskreis des zweiten Steuerelementes durch einen Kopplungskreis verbunden, in welchem ein zweites Speicherelement mit zugehörigem Kreis angeordnet ist, welcher g eine zweite, vorzugsweise andere Zeitkonstante hat als die erste Integrationsschaltung.

Der Ausgangskreis des zweiten Steuerelementes dient zur Erregung der auf den Betriebszustand ansprechenden Einrichtung z.B. des Flammenrelais, der Brennanlage, Die Schaltungsanordnung enthält ferner vorzugsweise einen Begrenzer, durch den · die Aufladung des ersten Speicherelementes auf eine bestimmte Höhe begrenzt wird, die davon abhängt, welche Energie das erste Steuerelement zum Umschalten aus seinem ersten in den " zweiten Zustand oenötigt.

Wenn im Betrieb das erste Steuerelement aus dem ersten in den zweiten Zustand umgeschaltet wird, sooald im ersten Speicherelement die Aufladung infolge aus dem Strahlungsdetektor stammender Signale einen bestimmten Schwellenwert erreicht hat, wird im zweiten Speicherelement Energie gespeichert; und das zweite

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Steuereiemt umgeschaltet und dadurch das Flammenrelais beaufschlagt. Die Aufladung des ersten Spei eher el emeni>es wird durch den zweiten Schwellenwert begrenzt, der vom ersten Schwellenwert abhängig ist. Falls der Mittelwert des Signals aus dem Strahlungsdetektor unter der Größe bleibt, die zur Aufrechterhai tung der Ladung des ersten Speicherelementes auf dem ersten Schwellenwert erforderiien ist,· dann wird das erste Steuerelement in seinem ersten Zustand umgeschaltet. Durch diese Umschaltung wird unabhängig von der Höhe der Füllung des ersten Speichereiementes unterhalb des ersten Schwellenwertes ein Zeitintervall in Lauf gesetzt, dessen Länge durch die Zeitkonstante der zweiten Integrationsschaltung bestimmt ist. Am Ende dieses Zeitintervalles fällt das Flammenreiais ab, wenn nicht vorher bereits das erste Steuerelement in seinen zweiten Zustand zurückgeschaltet worden ist.

Es ist also eine doppelte Integrationsschaltung vorgesehen, durch welche zunächst eine Integration der einzelnen Impulse erfolgt, wobei ein Ausgangssignal entsteht, wenn die über ein Zeitintervall gemitteite Impulsfolgefrequenz einen voreingesteilten Schwe lenwert üoersteigt, und wobei eine zweite Integrationsschaltung vorgesehen ist, die eine Mittelung der Aoweichungen des Ausgangsignals der ersten Integrationsschaltung nach oben und unten vom Schwellenwert der ersten Integrationsschaltung während eines vorbestimmten Zeitintervalls ausführt und die ein Steuersignal liefert, wenn die mittlere Impulsfolgefrequenz über dem Schwellenwert bleibt, und die Aowesenheit des Steuer-'

signals um ,ein festes Zeitintervall verzögert wenn die mittlere "'■'' 009838 /057 A

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Impulsroigerrequenz fällt und unter dem Schwellenwert bleibt.

Ein zweiter.Schwellenwert wird.benutzt, um die Aufladung der ersten.Integrationsschaltung so zu begrenzen, daß die zum Auslösen der Zeitverzögerung der zweiten Integrationsschaltung erforderliche Zeit klein .ist. Die Schaltungsanordnung weist eine erhebliche Flexibilität auf; beispielsweise kann die Zeitkonstante der ersten Integrationsschaitung groß sein, wodurch die Integrationseigenschaften der Schaltung verbessert werden, während M die Zeitkonstante der zweiten Integrationsschaltung verhältnismäßig klein sein kann. Die Schaltunganordnung kann an verschiedene" Arten der Brennüberwachung angepaßt werden, da eine Auswahlmöglichkeit bezüglich der Werte der Komponenten der Integrationsschaltung besteht.

Im folgenden werden Ausführungsoeispiele der Schaltungsanordnung nach der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels und Fig. 2 ein Schaltbild einer gegenüber Fig. 1 modifizierten Ausführungsform-.

Bei der in Fig. 1 schematisch dargestellten Heizungsanlage ist eine Gasentladungsröhre z.B. ein Zählrohr als Ultraviolett-Detektor 10 in einer Brennkammer 12 zwecks Überwachung der Flammen l4--eines .Hauptbrenners. 16 angeordnet. Die Brennstoffzufuhr durch eine Leitung 18 zum Brenner 1.6. wird durch ein relaisge-

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steuertes Ventil 20 geregelt, welches über einen Kontakt 22 eines Flammenrelais 24 beitätigt wird.

Der UV-Strahlungsdetektor 10 liefert im Betrieb an einen Transformator J>Q ku?ze Impulse, deren Dauer oeispielsweise zwei MikroSekunden betragen kann. Diese Impulse, die positive und negative Polarität haben, werden vom Transformator in Impulse ^ geringerer Spannung und höherer Stromstärke transformiert, die dann durch Dioden 32,24 gleichgerichtet und einem Impulsdehner zugeführt werden, der aus einem Kondensator ^6, Widerständen ~jiQ und 40 und einem Transistor 42 besteht. Für jeden vom Detektor 10 gelieferten Impuls liefert der Transistor 42 einen Ausgangsimpuls wesentlich längerer Dauer dessen Energie gegenüber dem Eing^ gangsimpuls erhöht ist.

Der Ausgangsimpuls dient zur Aufladung eines Integrationskondensators 50 einer ersten Integrationsschaltung, zu der außerdem ein Widerstand 52, eine Diode ^h und ein veränderberer Widerstand 56 gehören. Der Entladungskreis des Kondensators erhält durch die Widerstände 58 und 59 eine relativ große Impedanz.

Gemäß einer nicht dargestellten Modifikation kann ein zusätzlicher veränderbarer Widerstand vorgesehen sein, der alter- * nativ in den Kreis eingeschaltet werden kann, um eine schnelle Anpassung der Schaltungsanordnung an verschiedene in der Brennanlage verwendete .1 Brennstoffe zu ermöglichen.

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An dem Integrationskondensator 50 ist über einen Widerstand 60 ein Schwellwerttransistor 62 angeschlossen, dessen Emitter 64 über einen Widerstand 66 an eine erste Schwellwertspannung eines Spannungsteilers angeschlossen, zu dem ferner die Widerstände 68 und 70 gehören. Der Collector 72 des Transistors 62 ist über einen Widerstand 74 mit einer zweiten Integrationsschaltuhg verounden, zu welcher ein Kondensator 76 gehört, der seinerseits über einen Widerstand 78 mit der Basis eines Transistors 82 verbunden ist. Dieser bildet zusammen mit einem Transistor 84 einen bistabilen Kreis, der zur Steuerung des Flammenrelais 24 dient. Die Wicklung des Flammenrelais 24 liegt im Collectorkreis des Transistors 84; sein Anker wird angezogen und schließt den Kontakt 22, wenn der Transistor leitend wird.

Wenn der Detektor 10 im Betrieo Impulse mit ausreichender Fre-' quenz erzeugt, wird der Kondensator 50 auf eine Spannung aufgeladen, welche unter dem durch den Widerstand 66 Destimmten Schwell wert liegt, und der Transistor 62 geht in den leitenden Zustand über. Durch den Strom, der durch den Transistor fließt, wird der Kondensator 76 mit einer durch den Widerstand 74 Destimmten Schnelligkeit aufgeladen, bis die Spannung des Kondensators 76 so"groß ist, daß der Transistor 82 in seinen leitenden Zustand umgeschaltet wird. Wenn der Transistor 82 und danach der Transistor 84 1eitent, wird das Flammenrelais 24 erregt und es liefert eine Anzeige der Flamme in der Brennkammer 12, wodurch oeispielsweise das Brennstoffventil 20 geöffnet wird.

Sobald der Transistor 62 leitend wird, wird eine zweite

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Schwellwertspannung durch den Emitter-Basisübergang dieses Transistors erzeugt, und die Spannung, auf welche der Konden-

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sator 50 aufgeladen werden kann, wird durch die-se Schwellwertspannung begrenzt, und weitere zum Kondensator fliessende Energie wird über den Widerstand 60 und den Transistor 62 abgeleitet, so daß am Kondensator eine feste Spannung etwas oberhalb des ersten Schwellwertes aufrechterhalten wird. Falls die Folgefrequenz der Impulse des Detektors 10 unter den zur Aufrecht erhaltung der ersten Schwel 1 v/ertspannung erforderlichen Wert fallen sollte, wird der Transistor 62 nichtleitend und die zweite Integrationsschaltung mit dem Kondensator 76 tritt in Funktion. Ein Entladungskreis für den Kondensator J6 wird ge-Dildet über den Widerstand 78 und wenn die Spannung am Kondensator 50 der ersten Integrationsschaltung den zur Bestät igung des Relais 24 erforderlichen Schwellenwert nicht wieder erreicht, fällt das Relais nach einer durch die Zeitkonstante der Schaltung bestimmten Zeit ab, die im wesentlichen durch den Kondensator 76 und den Widerstand 78 oestimmt ist; die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer wird nach einem Zeitintervall unterbrochen, welches durch die zweite Integratipnsschaltung unaohängig von Strahlung geringer Intensität, die ggf. aus der Brennkammer aufgenommen wird, "oestimmt wird. .

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Schaltungsanordnung wird die Tatsache ausgenutzt, daß der durch den Widerstand 60 fliessGnde Strom die Größe des vom Detektor 10 gelie-

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ferten Signale - und damit der in der Brennkammer vorhandenen Flamme - wiedergibt. Zum Bestimmen dieses, Stromes ist eine Schaltungsanordnung vorgegeben, die einen Transistor 100 enthält, dessen Basis 102 über einen Widerstand 104 mit dem Kondensator 50 und dessen Emitter 106 über einen Widerstand 10δ mit dem Emitter 64 des Transistors 62 verounden ist. An einem Anschluß 124 eines an den Collector 110 angeschlossenen Ausgangskreises der Widerstände 112,114, einen Kondensator 116 und Dioden 118,120,122 enthält, steht eine logarithmische Anzeige des durch den Widerstand o0 fliessenden Stromes als Mass des überschüssigen Flammensignals zur Verfügung.

In Fig. 2 ist eine abgewandelte Schaltung dargestellt, die eine schärfere Unterscheidung zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellenwert ergibt. Entsprechende Komponenten sind mit denselben Bezugszahlen wie in Fig. 1, jedoch mit einem zusätzlichen Indexstrich, gekennzeichnet. So bildet z.B. der Kondensator 50' einen Teil der ersten Integrationsschaltung und der Kondensator 76* einen Teil der zweiten Integrationsschaltung. Eine zusätzliche Vorspannung wird an einem Ende eines Widerstandes 130 des Spannungsteilers abgenommen, der außerdem die Widerstände 66',68' und 70¹ enthält. Ein Abgriff 1^2 liefert die zweite Schwellenspannung über eine Diode 1^4, um die Aufladung des Kondensators 50^! nach oben zu begrenzen.. Vorzugsweise wird hier ein Widerstand 60^f höheren Wertes und ein Schalttransistor 62 höherer Verstärkung als in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 verwendet. Durch entsprechende Wahl des Wertes des Wi-

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derstandes 130 kann der Abstand zwischen den Schwellenspannungen nach Wunsch eingestellt werden.

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Claims (10)

1. Patentansprüche

   Schaltungsanordnung zur Üoerwachung einer Flamme, insbesondere in einer Heizanlage, mit einem Flamrnendetektor und einer auf dem Betriebszustand ansprechenden Einrichtung , gekennzeichnet durch eine einen Integrationskreis enthaltende Schaltungsanordnung zur Erregung der Einrichtung 24, wenn ein vom Flammendetektor 10 gelieferter Impulszug einen Mittelwert hat, der einen bestimmten Schwellwert übersteigt, und einen durch den Integrationskreis gesteuertenAbschaltkreis zur Entregung der Einrichtung, wenn der Mittelwert während einer bestimmten Zeitspanne unter dem Schwellwert bleiot.
2. 2) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Flammendetektor 10 eine auf Ultraviolett-Strahlung ansprechende Gasentladungsröhre vorgesehen ist.
3. j5) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, da3 eine Begrenzergchaltung zum Begrenzen des vom Integrationskreis gelieferten Ausgangssignals unaohängig von der Energie der dem Integrationskreis zugeführten Impulse vorgesehen ist.
4. 4) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,2 oder 3 gekennzeichnet durch eine erste Integrationsschaltung mit einem

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   ersten Steuerelement, und einem ersten, mit dem Eingang des ersten Steuerelementes verbundenem Speicherelement, eine zweite Integrationsschaltung mit einem zweiten Steuerelement und einem zweiten, mit dem Eingang des zweiten Steuerelementes verbundenen Speicherelement, welche zweite Integrationsschaltung das zweite Steuerelement aus einem ersten leitenden Zustand in einen zweiten leitenden Zustand unter Erzeugung eines Ausgangssignals umschältet, wenn die vom Flammendetektor gelieferten Impulse einen ersten Schwellenwert überschreiten, einen Begrenzer zum Begrenzen der im zweiten Speicherelement gespeicherten Energie auf einen bestimmten zwiten Schwellenwert, und einen Kopplungskreis, der den Ausgang des zweiten Steuerelemtentes mit dem Eingagn des ersten Steuerelementes verbindet, so daß dieses umgeschaltet wird, wenn das zweite Steuerelement in seinen zweiten leitenden Zustand umgeschaltet wird, wodurch der Indikator beaufschalgt wird.
5. 5) Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Steuerelement ein Transistor ist, und daß ferner ein an diesem Transistor angeschlossener Begrenz kreis zum Begrenzen der Höhe der Aufladung des Speichers des zweiten Integrationskreises vorgesehen ist.
6. 6) Schaltungsanordnung, nach Anspruch 5, dadruch gekennzeichnet, daß zwischen die Basis des Transistors und den zweiten

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   Speicher ein Widerstand geschaltet ist, und daß ferner ein Strommeßkreis für die Bestimmung der Stromstärke des durch diesen Widerstand fliessenden Stromes als Maß für den Zustand der Flamme in der Brennkammer vorgesehen ist.
7. 7) Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromeßkreis so ausgelegt ist, daß er eine logarithmische Anzeige der Stromstärke liefert und daßer einen Transistor enthält, dessen Eingang über den genannten ^ Widerstand und Dioden mit seinem Ausgang verbunden ist.
8. ö) Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis J₃ dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzerkreis einen Spannungsteiler und einen zwischen diesen und den zweiten Speicher geschalteten Umgehungskreis zum zweiten Steuerelement enthält.
9. 9) Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Energieverstärkerkreis zur I Verstärkung der aus dem Strahlungsdetektor stammenden Impulse vor ihrer Zuführung zur zweiten Integrationsschaltung vorgesehen ist.
10. 10) Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9* dadurch gekennzeichnet, daß die erste IntegrationsschaLtung Mittel enthält, um das erste Steuerelement während eines

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    Destimmten Zeitintervalls in einem zweiten leitenden Zustand zu halten, nach Beendigung eines Eingangssignals, durch weiches das zv/eite Steuerelement aus dem genannten ersten leitenden Zustand in den zweiten leitenden Zustand umgeschaltet worden ist.

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