DE2451449C2 - Flammendetektor - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Flammendetektor für mit Fossilienbrennstoff betriebene Brenner in einer Feuerungsanlage, in deren Wandung Durchgangsöffnungen zur Aufnahme der Brenner und einer Signalgebereinheit mit einem Infrarotfühler und einer Vorverstärkerschaltung zur Umformung von Flammenschwankungen in entsprechend vorverstärkte Signalschwankungen vorgesehen sind, mit einer an die Signalgebereinheit angeschlossenen Signalempfangseinheit mit einer Hauptverstärkerschaltung, die die Signalschwankungen der Vorverstärkerschaltung empfängt, und mit einer der Hauptverstärkerschaltung zugeordneten integrierten Steuerschaltung, die die verstärkten Signalschwankungen verarbeitet.
• Bei einem Flammenausfall in einem Brenner ist es beispielsweise erwünscht, diesen Ausfall anzuzeigen, einen Alarm auszulösen und die Brennstoffzufuhr so schnell wie möglich zu unterbinden, um ein Überfluten und eine mögliche Explosion in der Feuerungsanlage zu vermeiden.
• Es ist bereits ein eingangs erwähnter Flammendetektor bekannt (US-PS 37 42 474), der eine gute Abschirmung des Brennraums der Feuerungsanlage erfordert, da die Bauelemente zur Auswertung der Signalschwankungen ein temperaturabhängiges Wegdriften der Arbeitspunkte zeigen. Eine solche Abschirmung ist jedoch aufwendig und schwierig. Darüber hinaus wird jedoch in der Regel der Infrarotfühler der Signalgebereinheit möglichst dicht an die Flamme herangeführt, um eine einwandfreie Überwachung der Flamme zu gewährleisten. Das dazu erforderliche Rohr wird jedoch dabei häufig leicht beschädigt, da es sich unmittelbar in der Verbrennungs- oder Zündzone des Brennraums befindet. Dieser bekannte Flammendetektor arbeitet in einem Frequenzbereich von 2 Hz bis 50 Hz.
• Es ist andererseits ein Flammendetektor bekannt (GB-PS 7 81 740), bei dem eine Brennerflamme dadurch überwacht wird, daß ihre Intensitätsänderungen im infraroten Spektralbereich und im sichtbaren Spektralbereich überwacht werden. Dieser bekannte Flammendetektor arbeitet in einem Bereich von 5 Hz bis 30 Hz und es wird die Frequenzmodulation des Flammenflackerns überprüft, wodurch eine komplexe Auswerteschaltung erforderlich ist. Ferner kann der sichtbare Anteil des Lichtes der Flamme nicht zuverlässig in allen Fällen zur Überwachung herangezogen werden und zwar immer dann nicht, wenn sich der Ofenraum der Feuerungsanlage mit Rauch füllt oder wenn Brennstoffstaub in dem Ofenraum aufgewirbelt ist, so daß der sichtbare Anteil des Flammenlichtes nicht mehr festgestellt werden kann.
• Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, den Flammendetektor der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß er bei einfachem Aufbau ohne besondere Abschirmung des Brennraums eine einfache Überwachung der Flammen in diesem Brennraum gestattet.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
• Bei dem erfindungsgemäßen Flammendetektor befindet sich die Signalgebereinheit mit Infrarotfühler und Vorverstärkerschaltung in einem Ansatzstück, das in einfacher Weise in eine Durchgangsöffnung in die Wandung des Brennraums eingesetzt werden kann. Das Ansatzstück ist dabei so ausgebildet, daß der Infrarotfühler mit der Wandung des Brennraums abschließt. Der durch den Infrarotfühler und den Bandfilter in der Hauptverstärkerschaltung ausgewählte Frequenzbereich von 40 Hz bis 60 Hz gewährleistet eine Überwachung der Flammen im gesamten Brennraum, da in diesem Frequenzbereich durch den die Verbrennungszone umgebenden Kohlenstaub und Rauch gesehen werden kann. Die Verbindung der Hauptverstärkerschaltung und der nachfolgenden Auswerteeinrichtung über ein elektrisch abgeschirmtes Kabel macht es möglich, diese Schaltungsteile mit einfachen Bauelementen auszuführen, ohne daß besondere Vorkehrungen gegen Temperaturwegdriften der Arbeitspunkte getroffen werden müssen.
• Der erfindungsgemäße Flammendetektor ist sowohl für kohle- als auch ölgefeuerte Feuerungsanlagen einsetzbar und führt in Verbindung mit Brennern, die mit gepulverter Kohle gefeuert werden, zu besonderen Vorteilen. Gasgefeuerte Feuerungsanlagen mit ölgefeuerten Zündeinrichtungen stellen ebenfalls ein besonders vorteilhaftes Anwendungsgebiet der Erfindung dar. Dies ist darauf zurückzuführen, daß ein Infrarotfühler zwischen einer ölgefeuerten Zündflamme und einer gasgefeuerten Verbrennungsflamme unterscheiden kann. Bei kohlegefeuerten Brennern ist der Infrarotfühler in der Lage, durch den die Verbrennungszone umgebenden Kohlestaub und Rauch zu sehen. Demgegenüber sind Ultraviolett-Flammendetektoren dazu nicht in der Lage und sind demzufolge mit der Forderung verbunden, daß die Flammenbeobachtung möglichst dicht bei der Flamme vorgenommen wird.
• Nach der Erfindung wird also für Feuerungsanlagen ein dynamischer Infrarot-Flammendetektor geschaffen, bei dem das abgetastete Signal in einer Vorverstärkerschaltung verstärkt und dann zur weiteren Verarbeitung zu einer entfernt angeordneten Verstärkerschaltung übertragen wird. Die Vorverstärkerschaltung und die Hauptverstärkerschaltung sind beispielsweise über ein zweiadriges abgeschirmtes Kabel miteinander verbunden, das eine beträchtliche Längenausdehnung haben kann. Da sich der Infrarotfühler und die Vorverstärkerschaltung der Signalgebereinheit in dem Ansatzstück befinden, lassen sich beide zusammen in einfacher Weise in einer Durchgangsöffnung in die Wandung des Brennraums einsetzen. Die gesamte Anordnung ist so getroffen, daß sich das Ansatzstück nicht in den Innenraum der Feuerungsanlage erstreckt. Infolgedessen besteht keine Gefahr, daß der Infrarotfühler durch Hitzeeinwirkung oder Funken beschädigt wird. Trotz des Abstandes des Infrarotfühlers von der Verbrennungszone ist der gegenüber Infrarotstrahlung sensitive Infrarotfühler in der Lage, den Flammenzustand festzustellen, da sie durch die Verbrennungszone umgebende Rauch- und Staubatmosphäre blicken kann. Der Infrarotfühler formt die in der beobachteten Verbrennungszone auftretenden Flammenschwankungen in ein den Schwankungen entsprechendes elektrisches Signal um, das zur Übertragung durch das elektrisch abgeschirmte Kabel zu der Hauptverstärkerschaltung von der Vorverstärkerschaltung vorverstärkt wird.
• Die Hauptverstärkerschaltung empfängt die Signalschwankungen des Infrarotfühlers und nimmt eine weitere Verstärkung der Schwankungen vor. Die Hauptverstärkerschaltung weist ein Bandfilter mit einem Durchlaßbereich von 40 Hz bis 60 Hz auf. Dazu ist zu bemerken, daß die Primärverbrennungszone an diesen Frequenzen sehr reich ist. Die Hintergrundfrequenzen fallen außerhalb dieses Bereiches. Die Frequenzcharakteristik in dB des Ausgangssignals und in Hz der Lichtquellenfrequenz steigt zwischen 9 Hz und 75 Hz allmählich bis auf ein Maximum von +2 dB bei 75 Hz an, wobei der Pegel des Ausgangssignals bei 50 Hz gleich 0 dB gewählt ist, und fällt dann mit wachsenden Herz-Werten der Lichtquellenfrequenz langsam ab. Auf diese Weise werden unerwünschte Rauschkomponenten vermieden. Die Hauptverstärkerschaltung nimmt in Verbindung mit einer integrierten Steuerschaltung eine Verstärkung und digitale Verarbeitung der verstärkten Signalschwankungen vor, um den Brennstoffzufluß zu den überwachten Brennern zu steuern. Dazu kann man beispielsweise eine Flammensicherheits- und -alarmeinrichtung verwenden, die beispielsweise einen Alarmgeber betätigt und den Brennstoffzufluß zum Brenner automatisch abschaltet, wenn die Flamme nach einer geeigneten Verzögerungszeit erlischt.
• Im folgenden wird kurz die Arbeitsweise des nach der Erfindung ausgebildeten Flammendetektors beschrieben. Wenn die variable Infrarotstrahlung von der Verbrennungs- oder Zündzone auf den Infrarotfühler fällt, ändert sich sein Widerstand in Abhängigkeit von der Intensität der Infrarotstrahlungsquelle. Der variable Widerstand erzeugt in Verbindung mit einem Konstantstrom eine variable Spannung, die verstärkt wird. Die verstärkte variable Spannung wird wiederum in einen variablen Strom umgewandelt, der über das elektrisch abgeschirmte Kabel dem Hauptverstärker zugeführt wird. Im Hauptverstärker fließt der variable Strom durch einen Widerstand, an dem dann eine variable Spannung abfällt, die über einen Kondensator einer ersten integrierten Verstärkerstufe zugeführt wird. Nach dieser Verstärkung gelangt das die Flammenschwankungen darstellende Wechselsignal zu dem Bandfilter. Das gefilterte Signal wird beispielsweise einem Halbweggleichrichter und einem Integrator zugeführt. Das sich ergebende Gleichsignal kann mit einem von Hand eingestellten Integratorgleichsignal des Hintergrunds verglichen und dann mit Hilfe von Zeitverzögerungs- und Digitalschaltungen verarbeitet werden, und zwar in einer Weise, wie es zur Steuerung des Brenners erforderlich ist.
• Der erfindungsgemäße Flammendetektor ist so ausgebildet, daß er an seinem Einsatzort schnell und einfach gewartet bzw. repariert werden kann, und daß zum schnellen Austausch die einzelnen Einheiten leicht lösbar miteinander verbunden sind.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
• Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Es zeigt
• Fig. 1 eine schematische Ansicht eines dynamischen Flammendetektors nach der Erfindung,
• Fig. 2 eine Seitenansicht eines kohlegefeuerten Kessels mit einer nach der Erfindung ausgebildeten Signalgebereinheit, die in einer Öffnung in der Kesselwand untergebracht ist,
• Fig. 3 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Flammendetektors,
• Fig. 4 ein Schaltbild der im Flammendetektor verwendeten Schaltung,
• Fig. 5 eine Frequenzcharakteristikkurve des Hauptverstärkers mit dem Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Lichtquellenfrequenz und
• Fig. 6 einen Teilschnitt durch einen gasgefeuerten Brenner mit einer ölgefeuerten Zündeinrichtung sowie einer Signalgebereinheit nach der Erfindung.
• In der Fig. 1 ist ein auf Infrarotstrahlung ansprechender, dynamischer Flammendetektor dargestellt, der einen als kompakte Einheit ausgebildeten Detektorkopf 10, ein langgestrecktes, abgeschirmtes Kabel 12 und eine Anschlußeinheit 14 enthält, die von einer Signalgebereinheit 10 um eine beträchtliche Strecke entfernt sein kann. Die Signalgebereinheit 10 weist ein kurzes rohrförmiges Ansatzstück 16 auf, das in eine kleine, seinen Abmessungen entsprechende Öffnung in einer Wandung 18 eines Feuerungsraumes von beispielsweise einem Kessel 20 eingepaßt ist. Der Feuerungsraum enthält ferner einen Brenner 22, der eine Flamme 24 erzeugen kann. Die Signalgebereinheit 10 liefert vorverstärkte, den Flammenschwankungen entsprechende Signale, die über das Kabel 12 zur Anschlußeinheit 14 übertragen werden, wo die vorverstärkten Signale nochmals verstärkt und zur Steuerung und bzw. oder Anzeige des Ein/Aus-Zustands der Flamme 24 digital verarbeitet werden.
• Wie es aus der Fig. 2 hervorgeht, verläuft die Sichtlinie 26 des optischen Systems in dem kurzen rohrförmigen Ansatzstück 16 parallel zum Brenner 22, aber innerhalb des Luftregisters 28, und durch den Hals 30 des Kessels 20. Die Flamme 24 ist in Blickrichtung der Sichtlinie 26 in einer Verbrennungszone 34 von einer konischen Glocke 32 aus Rauch und Kohlestaub umgeben, wenn der Brenner 22 arbeitet.
• Wie man der Fig. 3 entnehmen kann, weist die Signalgebereinheit 10 einen Kasten auf, der eine infrarotempfindliche Zelle 36 und eine kleine Festkörper-Vorverstärkerschaltung 38 enthält. Die Zelle 36 ist zusammen mit dem optischen System derart angeordnet, daß sie der Strahlung ausgesetzt ist, die die zu beobachtende Flamme abgibt. Die Zelle 36 und die Vorverstärkerschaltung 38 formen die Flammenschwankungen, die in der Brennzone auftreten, in ein entsprechendes elektrisches Signal um, das zur Übertragung durch das Kabel zur Anschlußeinheit 14 vorverstärkt ist. Das Kabel 12 ist abgeschirmt und enthält zwei isolierte Leiter. Wie man weiter der Fig. 3 entnehmen kann, enthält die um eine Strecke von der Signalgebereinheit 10 entfernte Anschlußeinheit 14 eine Hauptverstärkerschaltung 40.
• Die Anschlußeinheit 14 macht von integrierten Schaltungen Gebrauch und weist die folgenden vier Hauptteile auf: (1) ein Hauptverstärker- und Filterteil 40, (2) ein Gleichrichterteil 42, (3) ein Signalpegeldetektorteil 44 und (4) ein Zeitverzögerungsteil 46 mit Ausgangssignalschaltungen, deren Ausgangssignale F, ≙ und F _I die Bedeutung "Flamme", "Keine Flamme" bzw. "Momentane Flamme" haben. Die Schaltung des Teils 40 verstärkt denjenigen Anteil des Signals, der zwischen 45 und 60 Hz liegt und verwirft bis zu einem gewissen Maß alle anderen Frequenzen. Die Schaltung des Teils 42 wandelt das Wechselstromausgangssignal des Verstärker- und Filterteils 40 in einen proportionalen Gleichstrompegel um. Die Schaltung des Teils 44 vergleicht das Ausgangssignal des gleichrichtenden Teils 42 mit einem voreingestellten Grenzwert, um festzustellen, ob eine Flamme vorhanden ist oder nicht. Das Ausgangssignal des Pegeldetektorteils 44 wird dem Zeitverzögerungsteil 46 zugeführt, dessen Schaltung eine einstellbare Verzögerung der Flammenausgangssignale F (Flamme) und ≙ (Keine Flamme) vornimmt. Das Flammenausgangssignal F _I ist keiner Verzögerung unterworfen.
• Die in der Fig. 5 dargestellte Frequenzcharakteristik 50 des Hauptverstärker- und Filterteils 40 steigt bei einer Lichtquellenfrequenz von etwa 75 Hz auf ein maximales, Ausgangssignal von +2 dB an und fällt dann allmählich ab, wie es gezeigt ist. Das Ausgangssignal ist in dB eingezeichnet, wobei 50 Hz einem Standard von 0 dB zugeordnet sind. Die Hauptbrennzone ist an solchen Frequenzen sehr reich. Die Schwanz- oder Hintergrundflammenfrequenzen liegen demgegenüber außerhalb der Kurve 50. Der optimale Frequenzbereich wird zwischen 45 und 60 Hz gewählt. Frequenzen, die beträchtlich über oder unter diesem Bereich liegen, werden weggeschnitten. Dadurch wird der brauchbare Bereich in den Vorderteil der Kurve 50 gelegt, wodurch unerwünschtes Rauschen wirksam vermieden wird.
• Aus der Fig. 4 geht hervor, daß die fotosensitive Zelle 36 stiftartige Anschlüsse A, B und C aufweist, die eine schnelle Steckverbindung mit entsprechenden Buchsen zulassen. Die Buchsen sind an die Vorverstärkerschaltung 38 angeschlossen. Die Vorverstärkerschaltung 38 weist eine positive Speisespannungsleitung 52, eine negative Leitung 54 und eine Masseleitung 56 auf. Diese Leitungen sind an entsprechenden Leitungen des Kabels 12 über steckbare Stiftbuchsenverbindungen E, J bzw. H angeschlossen, so daß auch an dieser Stelle die Verbindung leicht und schnell vorgenommen oder unterbrochen werden kann. Demzufolge ist es möglich, die gesamte Signalgebereinheit 10 zum Auswechseln und bzw. oder zur Reparatur am Einsatzort einfach und schnell zu entfernen. Die Zelle 36 formt eine veränderbare Strahlung in einen veränderbaren Widerstand um.
• Ein Widerstand R 5, ein Kondensator C 2 und eine Diode D 2 sind derart miteinander verbunden, daß sie für zwei Konstantstromquellen eine Konstantspannungsquelle bilden. Der Kondensator C 2 dient als Filter für die Konstantspannungsquelle. Ein Widerstand R 6 und ein Transistor Q 4 stellen zusammen mit der Konstantspannungsquelle eine Konstantstromquelle für die Zelle 36 dar. Ein Widerstand R 4, ein Transistor Q 5 und ein Widerstand R 2 bilden eine an die Leitungen 52 und 54 angeschlossene Reihenschaltung, um zum Vorspannen einer Darlington-Schaltung aus Transistoren Q 1 und Q 2, die ebenfalls zwischen den Leitungen 52 und 54 liegen, eine Konstantstromquelle zu bilden. Ein Transistor Q 3 und ein Widerstand R 3 dienen zur Widerstandsanpassung zwischen der Zellenschaltung (hoher Widerstand) und den Ausgangstransistoren (niedriger Widerstand). Ein Kondensator C 1 koppelt lediglich die Wechselstromkomponente des Flammensignals zu den Ausgangstransistoren Q 1, Q 2.
• Beim Betrieb trifft eine veränderliche Infrarotstrahlung auf den Infrarotfühler 36. Der Widerstand des Infrarotfühlers 36 ändert sich in Abhängigkeit von der Intensität der Infrarotquelle. Der veränderbare Infrarotfühlerwiderstand erzeugt in Verbindung mit dem Konstantstrom an der Klemme A des Infrarotfühlers 36 eine Spannung. Diese variable Spannung wird über die Schaltung mit dem Transistor Q 3, dem Widerstand R 3 und dem Kondensator C 1 den Ausgangstransistoren Q 1, Q2 zugeführt. Die Transistoren Q 1 und Q 2 formen die variable Spannung in ein variables Stromsignal um, das über das abgeschirmte Kabel 12 einem Hauptverstärkerwiderstand R 27 zugeführt wird.
• Die Anschlußeinheit 14 empfängt das Ausgangssignal des Kabels 12 über schnell trennbare Stiftbuchsenverbindungen oder Anschlüsse G und I, die am Einsatzort ein leichtes Auswechseln der Einheit 14 zulassen. Die Hauptverstärkerschaltung weist eine positive Spannungsleitung 58 auf, die an die positive Anschlußklemme 60 einer einseitigen Gleichstromquelle von 12 V angeschlossen ist. Ein Widerstand R 15 und eine Diode D 22 sind in Reihe zwischen die positive Spannungsleitung 58 und eine Masseleitung 62 geschaltet. In der Masseleitung 62 liegt der Widerstand R 27, um für den Operationsverstärker eine Bezugsspannung vorzusehen, da der Verstärker an der einseitigen Speisespannung (+12 V) arbeitet.
• Ein Kondensator C 10 bildet für eine erste Verstärkerstufe 64 des empfangenen Signals eine Wechselstromkopplung. Unerwünscht hohe Frequenzen werden über einen Kondensator C 9, der dem Widerstand R 27 parallelgeschaltet ist, zur Masse abgeleitet. Die erste Stufe 64 der Signalverstärkerschaltung enthält einen Widerstand R 19, eine integrierte Schaltung IC 2, einen Widerstand R 28, einen Kondensator C 13, einen Widerstand R 22, einen einstellbaren Widerstand R 11 und einen Kondensator C 12. Der Spannungsgewinn der ersten Verstärkungsstufe 64 kann durch Einstellen des Widerstands R 11 verändert werden. Eine Hauptfrequenzfilterschaltung 66 enthält einen Kondensator C 5, einen Widerstand R 17, einen Widerstand R 16, einen Widerstand R 14, einen Kondensator C 3, einen Kondensator C 6, eine integrierte Schaltung IC 3, einen Kondensator C 7, einen Widerstand R 18, einen Widerstand R 33 und einen Kondensator C 44. Die Frequenzfilterschaltung 66 dämpft die hohen und niedrigen Frequenzen des Flammensignals, vorzugsweise über und unter einem ausgewählten Bereich von 45 bis 60 Hz.
• Weiterhin ist in der Einheit 14 eine Halbweggleichrichter-Integrator- und Filterschaltung 68 vorgesehen, die eine integrierte Schaltung IC 4, eine Diode D 33, eine Diode D 4, einen Widerstand R 21, einen Kondensator C 8, eine Diode D 5, einen Widerstand R 222, einen Kondensator C 111 und einen Widerstand R 13 enthält. Die Schaltung 68 dient zur Gleichrichtung des gefilterten Flammensignals und liefert an die Basis eines Transistors Q 22 eine Gleichspannung.
• Der Transistor Q 22 und ein Widerstand R 22 sind als Emitterfolgerschaltung 70 geschaltet, die zwischen der Gleichrichterintegratorschaltung 68 und einer integrierten Vergleicherschaltung 71 sowie Anschlüssen zu einem Meßgerät M eine Entkopplung vornimmt.
• Zur Hintergrundspannungserzeugung ist eine Spannungsteilerschaltung 72 mit einem Widerstand R 8, einem einstellbaren Widerstand R 10 und einem Widerstand R 9 vorgesehen. Die gewünschte Hintergrundeinstellung wird durch Einstellen des Widerstands R 10 erreicht.
• Die Vergleicherschaltung 71 enthält eine integrierte Schaltung IC 5, einen Widerstand R 25 und einen Widerstand R 12. Die Vergleicherschaltung 71 dient zum Vergleich des Gleichstromflammensignals mit dem Hintergrundsignal und erzeugt für eine Schaltung 79 ein geeignetes Ausgangssignal. Steckstifte 76 und 78 dienen zum schnellen Trennen des Meßgeräts M von der Einheit 14, um ein schnelles Auswechseln zum Eichen und bzw. oder Reparieren zu ermöglichen.
• Bei der Schaltung 79 handelt es sich um eine integrierte Schaltung IC 1, die für die folgenden Schaltungen einschließlich einer Zeitverzögerungsschaltung 80 als Treiberstufe dient. Die Schaltung 80 umfaßt zusätzlich zu der integrierten Schaltung 79 eine Diode D 11, einen Widerstand R 7, einen einstellbaren Widerstand R 66, einen Widerstand R 55, einen Kondensator C 11, einen Transistor Q 11 und einen Widerstand R 44. Schaltungen 82, 84 und 86 sind als integrierte Schaltungen IC 1 ausgebildet und weisen drei Flammensignalausgangsschaltungen 88, 90 und 92 für das Signal F und das Signal ≙ mit Verzögerung und für das Signal F _I ohne Verzögerung auf.
• Der durch den Widerstand R 27 von der Vorverstärkerschaltung 38 getriebene variable Strom erzeugt am Widerstand R 27 eine entsprechende variable Spannung, die über den Kondensator C 10 der ersten Verstärkungsstufe 64 zugeführt wird. Das verstärkte Wechselstromsignal gelangt dann zu dem Filterteil 66. Das gefilterte Signal wird dem Halbweggleichrichter- und Integratorteil 68 zugeführt. Das sich ergebende Wechselstromsignal wird in der Vergleicherstufe 71 mit dem Hintergrundsignal verglichen und dann von der Digitalschaltung 79, der Zeitverzögerungsschaltung 80 und den Digitalschaltungen 82, 84 und 86 automatisch verarbeitet.
• Wie es aus der Fig. 5 hervorgeht, dient das Hauptfilterteil 66 nach der Fig. 4 zum Dämpfen der hohen und niedrigen Frequenzen oberhalb von 60 Hz und unterhalb von 45 Hz der Frequenzcharakteristik 50 der Infrarotzelle 36, und der Vorverstärker 38 sowie der Hauptverstärker 64 dienen zum Erzielen von optimalen Ergebnissen. Da der beste Frequenzbereich zwischen 45 und 60 Hz liegt, wird der Vorderabschnitt der Frequenzcharakteristik 50 verwendet. Die beträchtlich über 60 Hz liegenden Frequenzen werden weggeschnitten, um Rauschstörungen zu vermeiden.
• Nach der Fig. 6 wird die nach der Erfindung ausgebildete Signalgebereinheit 10 in einem gasgefeuerten Ofen 21 benutzt, der einen mit Gas beschickten Hauptbrenner 23 und eine mit Öl gespeiste Flammenzündeinrichtung 25 aufweist. Der Brenner 23 und die Zündeinrichtung 25 erstrecken sich durch Öffnungen in einer Ofenwand 19. Das Ansatzstück 16 des Detektorkopfes 10 ist ebenfalls in eine Öffnung der Ofenwand eingesetzt. Die Sichtlinie 17 des Fühlers blickt in diesem Fall sowohl auf die Zone einer Gasflamme 29 als auch auf die Zone einer Ölflamme 27 der Zündeinrichtung. Der Infrarotdetektor ist in der Lage, die ölgefeuerte Zündflamme von der gasgefeuerten Flamme zu unterscheiden. Man kann daher feststellen, ob die ölgefeuerte Zündeinrichtung in Betrieb ist. Dies ist mit üblichen Ultraviolett-Flammendetektoren nicht möglich.
• Die Erfindung ist auch auf kohlen- und ölgefeuerte Kessel anwendbar. Sie wird insbesondere mit großem Vorteil bei kohlegefeuerten Kesseln eingesetzt, da die Verwendung von Infrarotstrahlung eine von den allein erfolgreichen Möglichkeiten ist, eine Flammenerkennung in einem kohlegefeuerten Kessel vorzunehmen. In einem kohlegefeuerten Ofen treten nämlich Rauch und Staub auf, so daß es sehr schwierig, wenn nicht gar unmöglich ist, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der Flamme mit anderen Erkennungsmethoden festzustellen. Bisher war es zur Flammenfeststellung üblich, einen Ultraviolettfühler zu verwenden, für den man ein verhältnismäßig langes Rohr brauchte, das sich in den Ofen erstreckte. Dieses Rohr führte bis dicht zu der Flamme und war daher thermischen Einflüssen ausgesetzt, die sehr schnell zu einer Ungenauigkeit des optischen Systems führten. Darüber hinaus wurde das zum geeigneten Betrieb eines Ultraviolettdetektors notwendige Ultraviolettlicht durch den im Ofen vorhandenen Rauch und Kohlenstaub abgedeckt. Beim Erfindungsgegenstand treten diese Probleme nicht auf, da zum einen Infrarotstrahlung verwendet wird und zum anderen der Detektorkopf bündig mit der Ofenwand abschließt.
• Die Erfindung ist somit in einer dynamischen Infrarot-Flammendetektoranordnung mit einer kompakten Signalgebereinheit zu sehen, die in einer kleinen Öffnung in der Wandung eines Feuerungsraumes angeordnet ist, der mit Fossilienbrennstoff gefeuert wird. Die Signalgebereinheit enthält eine Festkörper-Vorverstärkerschaltung und einen Infrarotfühler, der auf die Brennzone fokussiert ist, um Flammenschwankungen abzutasten und in entsprechend vorverstärkte Signalstromschwankungen umzuformen, die dann über ein abgeschirmtes Kabel zu einer entfernt angeordneten Signalempfängeranschlußeinheit mit einer transistorisierten Hauptverstärkerfilter- und Gleichrichterschaltung übertragen werden. Die Signalempfängeranschlußeinheit ist in der Lage, die Flammenschwankungen von der Hintergrundstrahlung zu unterscheiden. Der Hauptverstärkerfilter- und Gleichrichterschaltung wird eine integrierte Steuerschaltung zugeordnet, die die Signalschwankungen digital verarbeitet und automatisch Flammenindikatoren und bzw. oder Alarmeinrichtungen ansteuert, und zwar in Abhängigkeit von dem Zustand in der Flammenverbrennungszone.

Claims (10)

1. Flammendetektor für mit Fossilienbrennstoff betriebene Brenner in einer Feuerungsanlage, in deren Wandung Durchgangsöffnungen zur Aufnahme der Brenner und einer Signalgebereinheit mit einem Infrarotfühler und einer Vorverstärkerschaltung zur Umformung von Flammenschwankungen in entsprechend vorverstärkte Signalschwankungen vorgesehen sind, mit einer an die Signalgebereinheit angeschlossenen Signalempfangseinheit mit einer Hauptverstärkerschaltung, die die Signalschwankungen der Vorverstärkerschaltung empfängt, und mit einer der Hauptverstärkerschaltung zugeordneten integrierten Steuerschaltung, die die verstärkten Signalschwankungen verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Infrarotfühler (36) und die Vorverstärkerschaltung (38) der Signalgebereinheit (10) in einem Ansatzstück (16) befinden, das in eine der Durchgangsöffnungen in der Wandung des Brennraums eingesetzt ist, wobei der Infrarotfühler (36) mit der Wandung abschließt, daß die Vorverstärkerschaltung (38) einen Festkörper- Verstärker aufweist und mit der Hauptverstärkerschaltung (40) über ein elektrisch abgeschirmtes Kabel (12) verbunden ist und daß sich in der Hauptverstärkerschaltung (40) ein Bandfilter mit einem Durchlaßbereich von 40 Hz bis 60 Hz befindet.

2. Flammendetektor nach Anspruch 1 für eine kohlegefeuerte Anlage, bei der in der Verbrennungszone Rauch und Kohlenstaub auftreten, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansatzstück (16) des Infrarotfühlers (36) außerhalb der Verbrennungszone angeordnet ist, um die Signalgebereinheit (10) gegenüber Schäden durch die Intensität der Flamme des Brenners wirksam zu schützen und daß der Infrarotfühler (36) einen den Infrarotschwankungen entsprechenden variablen Widerstand aufweist.

3. Flammendetektor nach Anspruch 1 für eine gasgefeuerte Anlage, deren Gasbrenner eine ölgefeuerte Zündeinrichtung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverstärkerschaltung (38) zur Umformung der Infrarotstrahlung der ölgefeuerten Zündeinrichtung in die Signalschwankungen den Infrarotfühler (36) enthält und daß die Steuerschaltung in der Lage ist, zwischen der ölgespeisten Zündflamme und der gasgespeisten Verbrennungsflamme zu unterscheiden, um anzugeben, ob die ölgefeuerte Zündeinrichtung tatsächlich in Betrieb ist.

4. Flammendetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltungsmittel vorgesehen sind, die die oberhalb und unterhalb des Bereiches von 40 Hz bis 60 Hz auftretenden Lichtschwankungen wegschneiden, um Infrarothintergrundschwankungen und Rauscherscheinungen so gering wie möglich zu halten.

5. Flammendetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptverstärkerschaltung aufweist: eine Widerstandsschaltung (R 27) zum Erzeugen einer variablen Spannung, die einem von der Vorverstärkerschaltung (38) der Signalgebereinheit (10) gelieferten Strom entspricht, eine Kondensatorschaltung (C 10), eine integrierte erste Verstärkerschaltung (64), deren Eingang zum Zuführen der variablen Spannung über die Kondensatorschaltung mit dem Ausgang der Widerstandsschaltung gekoppelt ist und an deren Ausgang ein verstärktes Wechselstromsignal auftritt, dessen Frequenz den Flammenschwankungen entspricht, und eine an den Wechselstromsignalausgang der ersten Verstärkerschaltung angeschlossene integrierte Filterschaltung (66), deren Frequenzübertragungscharakteristik reich an Primärverbrennungszonenfrequenzen ist, während die Hintergrundfrequenzen außerhalb dieser Übertragungskurve fallen und durch die Filterschaltung gedämpft werden.

6. Flammendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverstärkerschaltung (38 ) aufweist: jeweils eine Gleichspannungszuleitung (52 und 54) für positive und negative Gleichspannungen zum Erzeugen einer Konstantspannung, einen Widerstand (R 5) und eine Diode (D 2), die in Reihe an die Leitungen angeschlossen sind, einen dem Widerstand (R 5) parallelgeschalteten Kondensator (C 2) zum Filtern der Konstantspannung, einen Widerstand (R 6) und einen Transistor (Q 4), die in Reihe zwischen der positiven und der negativen Leitung liegen, Mittel, die die Basis des Transistors (Q 4) mit der negativen Seite des Kondensators (C 2) verbinden, so daß für den Infrarotfühler (36) zum Umformen variabler Infrarotstrahlung in einen variablen Widerstand eine Konstantstromquelle vorgesehen ist, einen Widerstand (R 2) und einen Transistor (Q 5), die zum Erzeugen einer Konstantstromquelle in Reihe zwischen den Leitungen liegen, zwei in Darlingtonschaltung miteinander verbundene Ausgangstransistoren (Q 1, Q 2), die an die beiden Leitungen und zum Vorspannen mit einem Konstantstrom an den zuletztgenannten Transistor (Q 5) angeschlossen sind, einen Transistor (Q 3) und einen Widerstand (R 3), die miteinander in Reihe geschaltet sind und zur Widerstandsanpassung zwischen dem Infrarotfühler (36) und den Ausgangstransistoren (Q 1, Q 2) liegen, und einen Kondensator (C 1), der lediglich die Wechselstromkomponente des Flammensignals den Ausgangstransistoren (Q 1, Q 2) zuführt.

7. Flammendetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarotfühler (36) mit einer Masseleitung (56) verbunden ist, daß die Leitungen für die positive und für die negative Gleichspannung und die Masseleitung (52, 54 und 56) mit schnell trennbaren Anschlußstiften (E, J, H) versehen sind, die in zugehörige äußere Buchsen passen, und daß der Infrarotfühler (36) ebenfalls mit schnell trennbaren Stiften (A, B, C) ausgerüstet ist, die in zugehörige Schaltungsbuchsen passen, so daß der Infrarotfühler schnell und leicht entfernbar oder austauschbar ist.

8. Flammendetektor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verbindung der Leitungen mit einer konstanten Spannungsquelle und bei Bestrahlung des Infrarotfühlers mit einer Infrarotstrahlung veränderlicher Intensität der Infrarotfühlerwiderstand von der Strahlungsintensität abhängige Änderungen ausführt, daß der variable Infrarotfühlerwiderstand zusammen mit dem Konstantstrom an dem positiven Anschluß des Infrarotfühlers (36) eine variable Spannung erzeugt und daß diese variable Spannung zu den Ausgangstransistoren (Q 1, Q 2) gekoppelt wird, die diese Spannung in einen entsprechend variablen Strom umwandeln, der das vorverstärkte Ausgangssignal darstellt, das dann übertragen wird.

9. Flammendetektor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverstärkerschaltung (38) und der Infrarotfühler (36) in einem kompakten Gehäuse untergebracht sind.

10. Flammendetektor nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß vier Hauptteile aus einem Verstärker und Filter (40), aus einem Gleichrichter (42), aus einem Signalpegeldetektor (44) und aus einer Zeitverzögerung (46) vorgesehen sind, daß das erste Teil Schaltungsmittel enthält, die lediglich denjenigen Frequenzanteil des vorverstärkten Signals verstärken, der zwischen 45 Hz und 60 Hz fällt, und die die übrigen Frequenzanteile weitgehend unterdrücken, daß das zweite Teil Schaltungsmittel enthält, die das Wechselstromausgangssignal des ersten Teils in einen proportionalen Gleichstrompegel umwandeln, daß das dritte Teil Schaltungsmittel enthält, die das Gleichstromausgangssignal des zweiten Teils mit einem voreingestellten Grenzwert vergleichen, um zu bestimmen, ob eine Flamme vorhanden ist oder nicht, und daß das vierte Teil Schaltungsmittel enthält, die bei der Flammenerlöschung eine einstellbare Verzögerungszeit vorsehen, bevor das Signal bei Vorhandensein einer Flamme (F) und das Signal bei fehlender Flamme ( ≙) von dem dritten Teil auf einen verzögerten Flammenfehler ansprechen, und die keine Verzögerungszeit vorsehen, wenn die Flamme zuerst festgestellt wird.