FLAMMENÜBERWACHUNGSVORRICHTUNG

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flammenüberwachungsvorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

[0002] Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind für unterschiedliche Zwecke und Anwendungen bereits bekannt. So ist beispielsweise aus der DE-OS 1 815 968 eine Flammenüberwachungsvorrichtung bekannt, bei der eine Wechselspannung einem Transformator und nachfolgend einem Spitzenspannungsbegrenzer zugeführt wird. Durch den Spitzenspannungsbegrenzer wird die übertragung von Spannungsspitzen aus dem Netz zum Arbeitsschaltkreis verhindert. Als Spannungsbegrenzer werden dazu z.B. spannungsabhängige Widerstände (VDR = Voltage-Dependent-Resistor) verwendet, welche bipolar, also in beide Spannungsrichtungen begrenzen.
Ein Problem solcher Flammenüberwachungsvorrichtungen sind jedoch nichtflammenbedingte Gleichrichteffekte am Brenner, z.B. bei Ionisationselektroden durch chemische Einwirkungen zwischen Überwachungselektrode und der Bezugsmasse. Durch diese Gleichrichteffekte kann jedoch im Grenzfall bei nicht vorhandener Flamme ein Flammensignal nachgebildet werden. Dies kann zu Explosionen in der Brennanlage führen, weshalb man versucht die nichtflammenbedingten Gleichrichteffekte durch eine ausreichende Unempfindlichkeit der Flammensignalverstärker zu vermeiden.

[0003] Das Dokument US-A-5 899 683 offenbart eine Flammenüberwachungsvorrichtung bei der eine Eingangswechselspannung von einem Spannungsbegrenzer auf eine symmetrische Wechselspannung begrenzt wird, wobei die Wechselspannung einen Flammenfühler beaufschlagt, welcher mit dem Gleichrichteffekt einer Flamme arbeitet und durch den bei vorhandener Flamme ein Strom fliesst.

[0004] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Flammenüberwachungsvorrichtungen der eingangs genannten Art durch entsprechende Massnahmen gegen nichtflammenbedingte Gleichrichteffekte unempfindlich zu machen.

[0005] Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

[0006] Kern der Erfindung ist es somit, dass der Spannungsbegrenzer eine asymmetrische Grenzspannung erzeugt, welche den Fühler beaufschlagt.

[0007] Durch die Erzeugung einer asymmetrischen Spannung können die negativen Auswirkungen von nicht flammenbedingter Gleichrichteffekte mit hohem Wechselstromanteil, wie sie z.B. durch Ablagerungen von Reinigungsmitteln oder Testsprays zwischen der Ionisationselektrode und der Bezugsmasse und z.B. Netzspannungen mit einem unerwünschten Gleichspannungsoffset entstehen können, besser unterdrückt werden. Dadurch können ungewollte Flammensignale bei nicht vorhandener Flamme vermieden werden.

[0008] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

[0009] Werden zur Erzeugung einer asymmetrischen Spannung Halbleiterbauelemente wie Zenerdioden verwendet, können durch die höhere Anzahl von Zenerdioden in eine Richtung auch Bauteilfehler der Zenerdiode beherrscht werden. Wenn eine Zenerdiode ausfällt, sind noch genügende Dioden für einen sicheren Betrieb des Spannungsbegrenzers vorhanden. Je mehr zusätzliche Zenerdioden zur Erzeugung der Asymmetrie angeordnet werden, desto höhere Fehler können ausgeglichen werden.
Die Lösung mit Zenerdioden zeigt im Vergleich zu Varistoren (bei kleinen Serienwiderständen) keine Spannungsabhängigkeit und es kann durch Einsatz von Zenerdioden mit unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten auch temperaturkompensiert werden.

[0010] Soll die (ungewollte) Eigenschaft der Spannungsabhängigkeit von Varistoren nachgebildet werden, kann dies durch hochohmigere Serienwiderstände in der Zenerdiodenreihe nachgebildet werden.

[0011] Die Lösung mit Zenerdioden ermöglicht die Wechselspannungsstabilisierung mit Standardbauelementen, welche über mehrere Hersteller beziehbar sind.
Die Realisierung der Wechselspannungsbegrenzung mittels von Dioden, z.B. in Form einer Diodenstrecke hat auch den Vorteil, dass eine Spannungsumschaltung, beispielsweise kann es erforderlich sein, dass die begrenzte Wechselspannung eines Feuerungsautomaten innerhalb einer Schaltfolge zwischen zwei Spannungswerten umgeschaltet werden muss, in einfacher Weise durch eine Überbrückung von einigen Dioden der Diodenstrecke erfolgen kann. Der gewünschte Spannungshub ist dabei über die Auswahl der Dioden frei wählbar.
Bei herkömmlichen spannungsabhängigen Widerständen (VDR) zur Spannungsbegrenzung wären zur Spannungsumschaltung beispielsweise zwei Varistoren und ein Schalter oder ein Varistor, eine Spannungsquelle und ein Schalter dafür erforderlich.

[0012] Weitere Vorteile ergeben sich aus den bevorzugten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemässen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemässen Verfahrens, die anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert werden.

[0013] Dabei zeigen:

Fig. 1 zeigt schematisch eine Flammenüberwachungsvorrichtung;

Fig. 2A zeigt eine Ersatzschaltung für eine ideale Flamme;

Fig. 2B zeigt eine Ersatzschaltung für eine reale Flamme;

Fig. 2C zeigt eine Ersatzschaltung für eine verunreinigte Elektrode;

Fig. 3 zeigt einen asymmetrischen Wechselspannungsbegrenzer;

Fig. 4A zeigt die Wechselspannung bei U1;

Fig. 4B zeigt die asymmetrische Wechselspannung bei U2;

Fig. 4C zeigt eine symmetrische Wechselspannung U2* aus dem Stand der Technik;

Fig. 5A zeigt den Verlauf des Stroms i bei idealer Flamme;

Fig. 5B zeigt den Verlauf des Stroms i bei einer verunreinigten Elektrode und asymmetrischer Wechselspannung;

Fig. 5C zeigt den Verlauf des Stroms i bei einer verunreinigten Elektrode und symmetrischer Wechselspannung.

[0014] In der Fig. 1 ist schematisch eine Flammenüberwachungsvorrichtung dargestellt, welche z.B. über die Netzwechselspannung 1 und über einen Transformator 2 mit einer Eingangsspannung U1 gespiesen wird. Das Verhalten der Eingangsspannung U1 ist in Fig. 4A schematisch dargestellt. Über einen Widerstand 3 und einen Spannungsbegrenzer 4 wird die Eingangsspannung U1 auf die Grenzspannung U2 begrenzt, siehe Fig. 4B.

[0015] Durch einen Brenner 5 ist eine Flamme 6 erzeugbar. In den Flammenbereich der Flamme 6 ragt eine Ionisationselektrode 7. Die Wechselspannung U2 wird auf die als Elektroden wirkenden Brenner 5 und die Ionisationselektrode 7 aufgebracht. Durch die Flamme 6 und die aufgebrachte Wechselspannung U2 entsteht ein gleichgerichteter lonisationsstrom.

[0016] Mittels eines Tiefpasses bestehend aus einem Widerstand 8 und einem Kondensator 9 wird die Wechselspannung ausgefiltert und nur der gleichförmige Anteil welcher als Flammensignal verwendet wird an einen Verstärker 10 weitergeleitet, in dem das Flammensignal verstärkt und an eine nicht dargestellte Regelvorrichtung zur Weiterverarbeitung weitergeleitet wird.

[0017] Anstatt der Ionisationselektrode kann auch ein UV-Sensor oder jeglicher Fühler der auf dem Gleichrichteffekt des Flammenverstärkersignals arbeitet, verwendet werden. Auch diese Fühler zeigen unter bestimmten Bedingungen unerwünschte Gleichrichteffekte, z.B. bei Netzspannungen mit Gleichspannungsoffset oder gewissen Defekten der Fühler. Solche Fühler, wie auch die in Fig. 1 dargestellte Ionisationselektrode, können durch die Ersatzschaltungen der Figuren 2A und 2B beschrieben werden um das Verhalten zu erklären.

[0018] Figur 2A zeigt den in der Figur 1 zwischen den Punkten A und B dargestellten Brenner mit Flamme und Ionisationselektrode als Ersatzschaltung für ideales Verhalten mit einer Diode 21 und einem Widerstands 20 in Serie. Durch die Diode wird der gleiche Gleichrichteffekt wie durch die Flamme erzeugt.

[0019] Figur 2B zeigt den in der Figur 1 zwischen den Punkten A und B dargestellten Brenner mit Flamme und Ionisationselektrode als Ersatzschaltung für das reale Verhalten mit einer Diode 21 und einem Widerstands 20 in Serie, denen ein Widerstand 22 parallel geschaltet ist. Dadurch fliesst Strom nicht nur in der Durchlassrichtung der Diode 21, sondern auch in der Sperrichtung der Diode.

[0020] Figur 2C zeigt den in der Figur 1 zwischen den Punkten A und B dargestellten Brenner mit Flamme und Ionisationselektrode als Ersatzschaltung für das reale Verhalten bei verunreinigter Elektrode mit einer Diode 21 und einem Widerstands 20 in Serie, denen ein Widerstand 22 parallel geschaltet und eine Diode 23 und ein Widerstand 24 in Serie parallel geschaltet ist.

[0021] Figur 3 zeigt einen erfindungsgemässen Spannungsbegrenzer zur Erzeugung einer asymmetrischen Spannung bestehend aus Dioden 31, welche von einer gewissen Spannung an auch in Sperrichtung leiten, z.B. sogenannte Zenerdioden, wobei in eine Richtung zusätzliche Zenerdioden 32 so angeordnet sind, dass die Spannung in Durchlassrichtung der Diode 21 gegenüber der Spannung in Sperrichtung erhöht ist. Dies bedeutet, dass bei vorhandener Flamme ein höher Strom fliesst. Die Einbaurichtung des Spannungsbegrenzers ergibt sich aus den Punkten C und D, welche den Punkten C und D in der Fig. 1 entsprechen. Die Anzahl der verwendeten Zenerdioden ist jeweils vom Anwendungsfall abhängig und muss für jeden Fall spezifisch ausgelegt werden. Vorteilhaft ist jedoch, dass die Asymmetrie über zwei Dioden erfolgt, um auch bei einem anzunehmenden Zweitfehler keine Flammennachbildung zu erhalten.
Z.B. kann eine Diodenstrecke zur asymmetrischen Spannungsbegrenzung auf 342V mittels 15 gleicher Zenerdioden mit je 22V erfolgen (Uz = (15 * 22V) + (17 * 0.7V) = 341.9V) und in der anderen Halbwelle zur Spannungsbegrenzung auf 385V mittels 17 gleicher Zenerdioden mit je 22V erfolgen (Uz = (17 * 22V) + (15 * 0.7V) = 384.5V). Durch die Wahl von 32 Zenerdioden lässt sich die Asymmetrie auf nur 43 V begrenzen. Die dargestellten Serienwiderstände 33 sind optional und dienen zur Stossstrombegrenzung bei transienten Überspannungen.
Die Diodenstrecke sollte vorzugsweise nur über Dioden des gleichen Typs und des gleichen Wertes, d.h. der gleichen Durchbruchspannung, aufgebaut werden, um die Fehlerbetrachtung bei einem eventuellen Kurzschluss einer (oder mehrerer) Diode zu vereinfachen. Vorteilhaft ist es auch, nur Dioden des gleichen Herstellers zu verwenden, um die unregelmässige Fehlerwahrscheinlichkeit weiter zu verringern.

[0022] Über dem Widerstand 8 in Fig. 1 wird ein Strom i gemessen. Wird in die Schaltung gemäss Fig. 1 die Schaltung für das ideale Verhalten gemäss Fig. 2A eingebaut, ergibt sich für i das Verhalten gemäss Figur 5A, mit einem maximalen Strom i5. Dies lässt sich durch die Diode 21 erklären, durch welche die negative Halbwelle in Sperrichtung abgeschnitten wird.

[0023] Wird in die Schaltung gemäss Fig. 1 die Schaltung für das reale Verhalten gemäss Fig. 2B eingebaut, ergibt sich das Verhalten gemäss Figur 5B, mit einem maximalen Strom in positiver Richtung von i1 und in negativer Richtung von i2. Durch die Ersatzschaltung nach Fig. 2B folgt aber auch, dass i1 grösser ist als i5 (i1 > i5), da zusätzlich der Widerstand 22 parallelgeschaltet ist. Durch diesen Widerstand 22 kann nun jedoch auch bei der negativen Halbwelle ein Strom fliessen, der sein Maximum bei i2 hat, jedoch im Betrag kleiner ist als i.

[0024] Durch den Spannungsbegrenzer 30 entsteht jedoch ein asymmetrisches Verhalten der Grenzspannung U2, wie dies aus Fig. 4B ersichtlich ist. In Figur 4C ist eine symmetrische Spannung U2* dargestellt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist und die an den gleichen Messpunkten C und D gemessen wird wie die Spannung U2. Wird wie oben schon dargelegt in die Schaltung gemäss Fig. 1 die Schaltung für das reale Verhalten gemäss Fig. 2B eingebaut, ergibt sich bei einem aus dem Stand der Technik bekannten symmetrischen Verhalten der Spannung U2* das Verhalten gemäss Figur 5C, mit einem maximalen Strom in positiver Richtung von i3 und in negativer Richtung von i4.

[0025] Entscheidend für die Erfindung ist nun jedoch, dass bei annähernd gleichen i2 und i4 (i2 = i4), i3 kleiner ist als i1 (i3 < i1), d.h. das Verhältnis von i1 zu i2 ist grösser als das Verhältnis von i3 zu i4 ([i1/i2) > [i3/i4]).
Dieses bessere Verhältnis für eine asymmetrische Spannung erlaubt nun die Verwendung empfindlicher Flammensignalverstärker, auch wenn nicht flammenbedingte Gleichrichteffekte unterdrückt werden müssen was eine bessere Auswertung des eigentlichen Flammensignals erlaubt.

[0026] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern lediglich durch den beigefügten Ansprüche.

Ansprüche

1. Flammenüberwachungsvorrichtung, bei der eine Eingangswechselspannung (U1) mit einem Spannungsbegrenzer (4) auf eine Grenzspannung (U2) begrenzt wird, wobei die Grenzspannung (U2) einen Flammenfühler (7) beaufschlagt, welcher mit dem Gleichrichteffekt einer Flamme arbeitet, und durch den insbesondere bei vorhandener Flamme (6) ein Strom (i) fliesst,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Spannungsbegrenzer (4) eine asymmetrische Grenzspannung (U2) erzeugt, welche den Fühler (7) beaufschlagt.

2. Flammenüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Spannungsbegrenzer (4) aus mehreren Begrenzerelementen (31, 32) besteht, welche die Spannung symmetrisch begrenzen,
und dass zusätzlich zur Erzeugung der Asymmetrie mindesten ein Begrenzerelement (32) mehr angeordnet ist, so dass in Durchlassrichtung des Flammenfühlers (7) bei vorhandener Flamme (6) ein höherer Strom (i1) als ohne Asymmetrie (i3) erzielbar ist.

3. Flammenüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Spannungsbegrenzer (4) aus in Reihe geschalteten Dioden (31, 32) besteht, welche von einer gewissen Spannung an auch in Sperrichtung leiten, dass jeweils die eine Hälfte einer geraden Anzahl Dioden (31) in Durchlassrichtung und die andere Hälfte in Sperrichtung geschaltet sind,
und dass zusätzlich zur Erzeugung der Asymmetrie in eine Richtung mindestens eine Diode (32) mehr angeordnet ist, so dass in Durchlassrichtung des Flammenfühlers (7) bei vorhandener Flamme (6) ein höherer Strom (i1) als ohne Asymmetrie (i3) erzielbar ist.

4. Flammenüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dioden (31, 32) den gleichen Typ aufweisen.

5. Flammenüberwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Fühler (7) welcher auf dem Gleichrichteffekt der Flamme arbeitet eine Ionisationselektrode oder ein UV-Sensor ist.

Claims

1. Flame monitoring device, with which an input alternating voltage (U1) is limited to a critical voltage (U2) with a voltage limiter (4), with the critical voltage (U2) being applied to a flame probe (7), which operates with the rectifying effect of a flame, and through which a current (i) flows, particularly when a flame is present(6),
characterised in that
the voltage limiter (4) produces an asymmetrical critical voltage (U2), which is applied to the probe (7).

2. Flame monitoring device according to claim 1,
characterised in that
the voltage limiter (4) consists of several limiter elements (31, 32), which symmetrically limit the voltage and that in addition to producing the asymmetry, at least one more limiter element (32) is arranged so that a higher current (i1) can be achieved in the conducting direction of the flame probe (7), when a flame is present, than without asymmetry (i3).

3. Flame monitoring device according to claim 1 or 2,
characterised in that
the voltage limiter (4) consists of diodes (31, 32) connected in series, which also conduct in a reverse direction from a certain voltage, that the one half of an even number of diodes (31) is connected in each instance in the conducting direction and the other half in the reverse direction and that in addition to producing the asymmetry in one direction, at least one more diode (32) is arranged, so that a higher current (1) can be achieved in the conducting direction of the flame probe (7), when a flame is present, than without asymmetry (i3).

4. Flame monitoring device according to claim 3,
characterised in that
the diodes (31, 32) comprise the same type.

5. Flame monitoring device according to one of the preceding claims,
characterised in that
the probe (7) which operates on the rectifying effect of the flame is an ionisation electrode or a UV sensor.

Revendications

1. Dispositif de surveillance de flamme, dans lequel une tension alternative d'entrée (U1) est limitée à une tension limite (U2) au moyen d'un limiteur de tension (4), la tension limite (U2) étant appliquée à un détecteur de flamme (7) lequel fonctionne avec l'effet redresseur d'une flamme et qui, notamment en présence d'une flamme (6), est parcouru par un courant (i),
caractérisé en ce que
le limiteur de tension (4) génère une tension limite asymétrique (U2) laquelle est appliquée au détecteur (7).

2. Dispositif de surveillance de flamme selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
le limiteur de tension (4) est constitué de plusieurs éléments limiteurs (31, 32) lesquels limitent la tension symétriquement,
et en ce qu'en outre, afin de générer l'asymétrie, au moins un élément limiteur (32) en plus est disposé de manière à pouvoir obtenir dans le sens de conduction du détecteur de flamme (7), en présence d'une flamme (6), un courant plus élevé (i1) que sans asymétrie (i3).

3. Dispositif de surveillance de flamme selon la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce que
le limiteur de tension (4) est constitué de diodes (31, 32) montées en série, qui à partir d'une certaine tension conduisent aussi dans le sens de non-conduction,
en ce que chaque fois une moitié d'un nombre pair de diodes (31) est montée dans le sens de conduction et l'autre moitié dans le sens de non-conduction,
et en ce qu'en outre, afin de générer l'asymétrie, au moins une diode (32) en plus est disposée dans un sens de manière à pouvoir obtenir dans le sens de conduction du détecteur de flamme (7), en présence d'une flamme (6), un courant plus élevé (i1) que sans asymétrie (i3).

4. Dispositif de surveillance de flamme selon la revendication 3,
caractérisé en ce que
les diodes (31, 32) sont du même type.

5. Dispositif de surveillance de flamme selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
le détecteur (7), lequel fonctionne selon l'effet redresseur de la flamme, est une électrode d'ionisation ou un capteur UV.

Zeichnung