DE2451449A1

DE2451449A1 - Dynamischer infrarot-flammendetektor

Info

Publication number: DE2451449A1
Application number: DE19742451449
Authority: DE
Inventors: Robert Horn
Original assignee: Forney International Inc
Current assignee: Forney International Inc
Priority date: 1973-12-14
Filing date: 1974-10-30
Publication date: 1975-06-19
Also published as: EG11816A; JPS5093491A; IT1025259B; FR2254756A1; JPS5652148U; US3903418A; CA1043445A; GB1496666A; DE2451449C2; BR7409888A; NL7414566A; ES431404A1; AU7437474A; ZA746673B; FR2254756B1

Description

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Pcaküiraße 13

8025

FORNEY INTERNATIONAL, INC., Carrollton, Texas, VStA

Dynamischer Infrarot-Flammendetektor

Die Erfindung bezieht sich auf einen dynamischen Infrarot-Flammendetektor zum überwachen von mit Fossilienbrennstoff gefeuerten Feuerungsanlagen und zum Ansteuern von Anzeigeeinrichtungen sowie Steuern des Zuflusses von Brennstoff zu ausgewählten Brennern in Übereinstimmung mit dem Flammenzustand. Bei einem Flammenausfall 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.

Die Erfindung ist sowohl auf kohle- als auch ölgefeuerte Feuerungsanlagen anwendbar 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

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ist darauf zurückzuführen, daß ein Infrarotdetektor zwischen einer ölgefeuerten Zündflamme und einer gasgefeuerten Verbrennungsflämme unterscheiden kann· Bei kohlegefeuerten Brennern ist der Infrarotdetektor in der Lage, durch den die Verbrennungszone umgebenden Kohlestaub und Rauch zu sehen· Ültraviolett-Flammendetektoren sind dazu nicht in der Lage und sind demzufolge mit der Forderung verbunden, daB die Flammenbeobachtung möglichst dicht bei der Flamme vorgenommen wird.

Nach der Erfindung wird für brennstoffgefeuerte Feuerungsanlagen ein dynamischer Infrarot-Detektor geschaffen, bei dem das abgetastete Signal mit einer kleinen transistorisierten Vorverstärkerschaltung verstärkt und dann zur weiteren Verarbeitung zu einer entfernt angeordneten Festkörper-Hauptverstärkerschaltung übertragen wird. Die Hauptverstärkerschaltung ist in einer Signalempfängeranschlußeinheit untergebracht, die von der in einer Signalgebereinheit oder einem Detektorkopf untergebrachten Vorverstärkerschaltung entfernt angeordnet ist· Die Schaltungen der beiden Einheiten sind über ein zweiadriges abgeschirmtes Kabel miteinander verbunden, das eine beträchtliche Längenausdehnung haben kann· Die Signalgebereinheit ist verhältnismäßig kompakt und mit einem kleinen optischen Ansatzstück oder Nippel ausgerüstet, der in eine Öffnung in der ¥and der Feuerungsanlage eingepaßt und mit der zu beobachtenden Flamme ausgerichtet ist·

Die kleine Festkörper-Vorverstärkerschaltung zur Verstärkung des abgetasteten Infrarotsignals enthält eine Infrarotfühlerzelle, die auf die Verbrennungszone der zu überwachenden Flamme gerichtet ist. Dabei ist die gesamte Anordnung derart getroffen, daß sich der Nippel des Detektorkopfes bzw· der Signalgebereinheit nicht in den Innenraim der Feuerungsanlage erstreckt· Infolgedessen be-

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steht keine Gefahr, daß die Zelle durch Hitzeeinwirkung und Funken beschädigt wird. Trotz des Abstandes der Zelle von der Verbrennungszone ist die gegenüber Infrarotstrahlung sensitive Zelle in der Lage, den Flammenzustand festzustellen, da sie durch die 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 lange abgeschirmte Kabel zu der Hauptverstärkerschaltung in der Fernsignalempfängeranschlußeinheit von der Transistorschaltung in der Signalgebereinheit vorverstärkt wird.

Die Hauptverstärkerschaltung empfängt die Signalschwankungen von der Infrarotfühlerschaltung und nimmt eine weitere Verstärkung der Schwankungen vor. Die Hauptverstärkerschaltung enthält ein Filterteil, das auf einen optimalen Frequenzbereich von 40 bis 60 Hz in der Lichtquellenfrequenz anspricht. 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 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 Hertz-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 dem überwachten Brenner zu steuern. Dazu kann man eine Flammensicherheits- und Alarmeinrichtung verwenden, die beispielsweise einen Alarmgeber betätigt und den Brennstoffzufluß zum Brenner

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automatisch abschaltet, wenn die Flamme nach einer geeigneten Verzögerungszeit erlischt.

Im folgenden wird kurz die Arbeitsweise der nach der Erfindung ausgebildeten Flammendetektoranordnung beschrieben. Venn die variable Infrarotstrahlung von der Verbrennungs- oder Zündzone auf die fotosensitive Zelle fällt, ändert sich der Widerstand der Zelle in Abhängigkeit von der Intensität der Infrarotstrahlungsquelle. Dieser 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 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 einer integrierten Filterschaltunga Das gefilterte Signal wird einem Halbweggleichrichter und ©inen Integrator zugeführt. Das sich ergebende Gleichsignal \fird mit einem von Hand eingestellten Integratorgl@±ch@ignal des Hintergrunds verglichen und dann mit Hilfe von Zeitverzögerungs- und Digitalschaltungen verarbeitet, und zwar in einer Weise, wie es zur Steuerung des Brenners erforderlich ist.

Die Anschlußeinheit empfängt die vom Detektorkopf stammenden und über das lange abgeschirmte Kabel übertragenen, vorverstärkten Signale, die den von der fotoserisitiven Zelle abgetasteten Infrarotschwankungen in der Verbrennungszone der Feuerungsanlage entsprechen» Die Anschlußeinheit enthält vier Hauptteile, und zwar 1) ein Verstärker- und Filterteil, 2) ein Gleichrichterteil, 3) ein Signalpegeldetektorteil und 4) ein Verzögerungsteil. Das erste Teil enthält Schaltungsmittel zur weiteren

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Verstärkung und zur Filterung desjenigen Anteils des Signals, der zwischen 45 und 60 Hz liegt. Alle anderen Frequenzen werden bis zu einem gewissen Maß zurückgewiesen. Das zweite Teil enthält Schaltungsmittel zum Umformen des Ausgangswechselsignals des ersten Teils in einen proportionalen Gleichsignalpegel. Das dritte Teil weist eine Schaltung auf, die das Ausgangssignal des zweiten Teils mit einem voreingestellten Grenzwert vergleicht, um zu bestimmen, ob eine Flamme vorhanden ist oder nicht. Das vierte Teil weist eine einstellbare Zeitverzögerungsschaltung bei Flammenabriß auf, bevor ein Ausgangssignal F (Flamme) und ein Ausgangssignal P (keine Flamme) auf den Flammenabriß ansprechen. Bei der anfänglichen Feststellung der Flamme ist keine Verzögerung vorgesehen.

Die Erfindung sieht eine Frequenzcharakteristik« kurve im Lichtquellenfrequenzbereich von 45 bis 60 Hz vor, bei dem ein Minimum an unerwünschten Rauschsignalen auftritt, d.h. zwischen -1 und +1 dB (50 Hz entspricht 0 dB) der verstärkten Signalschwankungen. Da die Signalgebereinheit oder der Detektorkopf in einer kleinen öffnung in der Wandung der. Feuerungsanlage befestigt ist, werden hier Probleme vermieden, wie sie bei herkömmlichen Fühlern vorkommen, bei denen ein langgestrecktes Sichtrohr mit einer ultraviolettempfindlichen Zelle in den Feuerungsraum ragt, um die Flamme zu überwachen. Infolge der starken Hitze kommt es oft zu einer Zerstörung dieser Rohre, und die auftretenden großen Wärmespannungen vermindern die Genauigkeit des Fühlers. Der Erfindungsgegenstand weist daher bei Verwendung in kohlegefeuerten Anlagen besondere Vorteile auf.

Bei gasgefeuerten Anlagen mit ölgefeuerten Zündeinrichtungen kann der nach der Erfindung ausgebildete Infrarotdetektor zwischen der Gasflamme und der ölflamme unterscheiden und daher anzeigen, ob die Zündeinrichtung in Betrieb ist. Herkömmliche Ultraviolettdetektoren können

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eine solche Funktion nicht übernehmen. Ferner ist der Erfindungsgegenstand derart ausgebildet, daß er auch an
seinem Einsatzort schnell und einfach gewartet bzw. repariert werden kann und daß zum schnellen Austausch die inzelnen Einheiten leicht lösbar miteinander verbunden sind·

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer dynamischen Infrarot-Flammendetektoranordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines kohlegefeuerten
Kessels mit einem nach der Erfindung ausgebildeten Flammende tektorkopf, der in einer öffnung in der Kesselwand untergebracht ist,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Flammendetektoran-Ordnung,

Fig. 4 ein Schaltbild der gesamten Anordnung,

Fig. 5 eine Frequenzcharakteristikkurve des Hauptverstärkers mit dem Ausgangssignal is Abhängigkeit von
der Lichtquellenfrequenz und

Fig. 6 einen Teilschnitt durch einen gasgefeuerten Brenner mit einer ölgefeuerten Zündeinrichtung sowie einem Flammendetektorkopf nach der Erfindung·

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In der Fig· 1 ist eine auf Infrarotstrahlung ansprechende, dynamische Flammendetektoranordnung dargestellt, die einen als kompakte Einheit ausgebildeten Detektorkopf 10, ein langgestrecktes, abgeschirmtes Kabel 12 und eine Fernanschlußeinheit 14 enthält, die vom Detektorkopf 10 um eine beträchtliche Strecke entfernt sein kann· Der Detektorkopf 10 weist ein kurzes rohrförmiges Ansatzstück auf, das einen optischen Nippel 16 bildet, der 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. Der Detektorkopf 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 Nippel 16 parallel zum Brenner 22, aber innerhalb des iAiftregisters 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 der Detektorkopf 10 einen Kasten auf, der eine infrarotempfindliche Zelle 36 und eine kleine Fe stkörper-Vorverstärker schaltung 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

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das Kabel 12 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 vom Detektorkopf 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, F und F₁ 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 Wechselstroraausgangssignal des Verstärker- und Filterteils 40 in einen proportionalen Gleichstrompegel um. Die Schaltung des Teils 44 vergleicht das Ausgangssignal des gleichrichtenden Teils 42 mit ©inera voreingestellten Grenzwert, um festzustellen^ ob eine 'Flame vorhanden ist oder nicht. Das Ausgangssignal des Pegeldetektorteils 44 wird dem Zeitverzögerungsteil 46 zugeführt, dessen Schaltung eine einstellbare Verzögerung der Flammenausgangssignale F (Flamme) und F (Keine Flamme) vornimmt. Das Flammenausgangssignal Fj 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 Fre-

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quenzbereich 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 angeschlossen. Die Vorverstärkerschaltung 38 weist eine positive Speisespannungsleitung 52, eine negative Leitung 54 und eine Masseleitung 56 auf. Diese Leitungen sind an entsprechende 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, den gesamten Detektorkopf 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 R5» ein Kondensator C2 und eine Diode D2 sind derart miteinander verbunden, daß sie für zwei Konstantstromquellen eine Konstantspannungsquelle bilden. Der Kondensator C2 dient als Filter für die Konstantspannungsquelle. Ein Widerstand R6 und ein Transistor Q4 stellen zusammen mit der Konstantspannungsquelle eine Konstantstromquelle für die Zelle 36 dar. Ein Widerstand R4, ein Transistor Q5 und ein Widerstand R2 bilden eine an die Leitungen 52 und 54 angeschlossene Reihenschaltung, um zum Vorspannen einer Darlington-Schaltung aus Transistoren Q1 und Q2, die ebenfalls zwischen den Leitungen 52 und 54 liegen, eine Konstantstromquelle zu bilden«, Ein Transistor Q3 und ein Widerstand R3 dienen zur Widerstandsanpassung zwischen der Zellenschaltung (hoher Widerstand) und

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den Ausgangstransistorea. (niedriger Widerstand). Ein Kondensator C1 koppelt lediglich die Wechselstromkomponente des Flammensignals zu den Ausgangstransistoren Q1, Q2·

Beim Betrieb trifft eine veränderliche Infrarotstrahlung auf die Zelle 36. Der Widerstand der Zelle 36 ändert sich in Abhängigkeit von der Intensität der Infrarotquelle. Der veränderbare Zellwiderstand erzeugt in Verbindung mit dem Konstantstrom an der Klemme A der Zelle 36 eine Spannung· Diese variable Spannung wird über die Schaltung mit dem Transistor Q3, dem Widerstand R3 und dem Kondensator C1 den Ausgangstransistoren Q1, Q2 zugeführt· Die Transistoren Q1 und Q2 formen die variable Spannung in ein variables Stromsignal um, das über das abgeschirmte Kabel 12 einem Hauptverstärkerwiderstand R27 zugeführt wird.

Die Anschlußeinheit 14 empfängt das Ausgangssignal des Kabels 12 über schnell trennbare Stiftbuchsenverbindungen oder Anschlüsse G und I₉ 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 ¥ angeschlossen ist· Ein Widerstand RI5 und eine Diode D22 sind in Reihe zwischen die positive. Spannungsleitung 58 und eine Masseleitung 62 geschaltet. In der Masseleitung 62 liegt der Widerstand R27, um für den Operationsverstärker eine Bezugsspannung vorzusehen, da der Verstärker an der einseitigen Speisespannung (+12 V) arbeitet.

Ein Kondensator C10 bildet für eine erste Verstärkerstufe 64 des empfangenen Signals ein© Wechselstrorakopplung. Unerwünscht hohe Frequenzen werden über einen Kon- ■ densator C9, der- d©m Widerstand R27 parallelgesclialtet ist, zur Masse abgeleitete Die erste Stufe 64 der Signalverstärkerschaltung enthält einen Widerstand. R19, eine in-

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tegrierte Schaltung IC2, einen Widerstand R28, einen Kondensator C13, einen Widerstand R22, einen einstellbaren Widerstand R11 und einen Kondensator C12. Der Spannungsgewinn der ersten Verstärkungsstufe 64 kann durch Einstellen des Widerstands R11 verändert werden. Eine Hauptfrequenzfilterschaltung 66 enthält einen Kondensator C5, einen Widerstand R17, einen Widerstand R16, einen Widerstand R14, einen Kondensator C3, einen Kondensator C6, eine integrierte Schaltung IC3» einen Kondensator C7, einen Widerstand R18, einen Widerstand R33 und einen Kondensator C44. 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 IC4, eine Diode D33» eine Diode D4, einen Widerstand R21_f einen Kondensator C8, eine Diode D5, einen Widerstand R222, einen Kondensator C111 und einen Widerstand R13 enthält. Die Schaltung 68 dient zur Gleichrichtung des gefilterten Flammensignals und liefert an die Basis eines Transistors Q22 eine Gleichspannung.

Der Transistor 022 und ein Widerstand R22 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 R8, einem einstellbaren Widerstand R10 und einem Widerstand R9 vorgesehen. Die gewünschte Hintergrundeinstellung wird durch Einstellen des Widerstands R10 erreicht.

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Die Vergleicherschaltung 71 enthält eine integrierte Schaltung IC5, einen Widerstand R25 und einen Widerstand R12. 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 IC1, die für die folgenden Schaltungen einschließlich einer Zeitverzögerungs schaltung 80 als Treiberstufe dient. Die Schaltung 80 umfaßt zusätzlich zu der integrierten Schaltung 79 eine Diode D11, einen Widerstand R7, einen einstellbaren Widerstand R66, einen Widerstand R55, einen Kondensator C11, einen Transistor Q11 und einen Widerstand R44. Schaltungen 82, 84 und 86 sind als integrierte Schaltungen IC1 ausgebildet und weisen drei Flammensignalausgarigsschaltungen 88, 90 und 92 für das Signal F und das Signal f mit Verzögerung und für das Signal F-j. ohne Verzögerung auf·

Der durch den Widerstand R27 v@a der Vorverstärkerschaltung 38 getriebene variable Strom erzeugt am Widerstand R27 eine entsprechende variable Spannung, die über den Kondensator C10 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 mit dem Hintergrundsignal verglichen und dann von der Digitalschaltung 79» der Zeitverzögerungs schaltung 80 und den Digitalschaltungen 82_g 84 und 86 automatisch verarbeitet·

Wie es aus der Fig_s 5 hervorgeht^ dient das Hauptfilterteil 66 nach der Fig. 4 zum Dämpfen der hohen und

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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 der nach der Erfindung ausgebildete Detektorkopf 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. Der optische Nippel 16 des Detektorkopfes 10 ist ebenfalls in einer 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 Ültraviolett-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

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in den Ofen erstreckte® Dieses Rohr führte bis dicht zu der Flamme und war dah^r thermischen Einflüssen ausgesetzt, die sehr schnell zu einer Ungenauigkeit des optischen Systems führten, Darüberhinaus 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 einem kompakten Signalgeberkopf zu sehen, der in einer kleinen öffnung in der Wandung eines Feuerungsraumes angeordnet ist, der mit Fossilienbrennstoff gefeuert wird. Der Signalgeberkopf 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 Gleichriehterschaltung übertragen werden. Die Signalempfängeranschlußeinheit ist in der Lage, die Flammenschwankungen von der Hintergrundstrahlung zu unterscheiden. Der Hauptverstärkerfilter- und Gleichrichterschaltung werden 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.

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Claims

Patentansprüche

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M.' Dynamischer Infrarot-Flammendetektor zur Verwendung mit Fossilienbrennstoff betriebenen Brennern.in einer Feuerungsanlage, in deren Wandung Durchgangsöffnungen zur Aufnahme der Brenner vorgesehen sind, gekennzeichnet durch eine in einer Durchgangsöffnung der Wandung der Feuerungsanlage befestigte Signalgebereinheit (10) zur Umformung von Flammenschwankungen in entsprechende vorverstärkte Signalschwankungen mit einer Vorverstärkerschaltung (38) und mit einem Infrarotfühler, der einen auf die Flammenbrennzone gerichteten optischen Nippel (16) aufweist, und durch eine über ein abgeschirmtes Kabel (12) an die Signalgebereinheit angeschlossene Fernsignalempfängereinheit (14) mit einer Hauptsignalverstärkerschaltung (40), die über das Kabel von der Vorverstärkerschaltung die Signalschwankungen empfängt, und mit einer der Hauptverstärker schaltung zugeordneten integrierten Steuerschaltung (42, 44, 46), die die verstärkten Signalschwankungen digital verarbeitet,

2· Flammendetektor nach Anspruch 1, zur Verwendung in einer kohlegefeuerten Anlage, bei der in der Verbrennungszone Rauch und Kohlenstaub auftreten,
dadurch gekennzeichnet, daß der optische Nippel (16) des Infrarotfühlers außerhalb der Verbrennungszone angeordnet ist, um die Signalgebereinheit gegenüber Schäden durch die Intensität der Flamme des Brenners wirksam zu schützen, und daß die klein ausgebildete Vorverstärkerschaltung (38) transistorisiert ist und zur Umformung der von der Verbrennungszone ausgehendem Infrarotstrahlung eine fotosensitive Zelle (36),die einen den Infrarotschwankungen entsprechenden variablen Widerstand aufweist, eine Konstantspannungsquelle (R5, C2, D2) und eine mit der Zelle (36) verbundene Konstantstromquelle (R6, Q4) enthält, wobei sich der Widerstand der Zelle bei auftreffender va-

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riabler Infrarotstrahlung in Abhängigkeit von der Infrarotstrahlungsintensität ändert und die Zelle eine entsprechende variable Spannung abgibt, die in einen variablen Signalstrom umgewandelt wird, der die vorverstärkten Signalschwankungen darstellt und über das abgeschirmte Kabel (12) der Hauptsignalverstärkerschaltung (40) zugeführt wird.

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 eine fotosensitive Zelle (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 naeh ©inern der vorstehenden Ansprüche, dadurch g@k@aas©I©hnet₉ daß der Frequenzbereich, der iron dem Infrarotfühler über-. wachten Lichtschtmnkimgsn ά<§τ· Flaaaenvarbreiiaungszone einen Bereich von 45 bis 60 Hz umfaßt und daß Schaltungsmittel vorgesehen sind, die die oberhalb und unterhalb dieses Bereiches auftretenden Lichtschwankungen wegschneiden, um Infrarothintergrundschwankungen und Rauscherscheinungen so gering wie möglich zu halten.

5. Flammendetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß sich die Hauptsignalve^stärkersehaltung auszeichnet durch eine Widerstandsschaltung (R27) zum Erzeugen einer variablen Spannung, die einem von der Vorverstärkerschaltung (38) der Signalgebereinheit (10) gelieferten Strom entspricht, durch eine Kondensatorschaltung (C10)_f durch

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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 durch 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, Dynamischer Infrarot-Flammendetektorkopf, gekennzeichnet durch eine Signalgebereinheit (10) mit einem Infrarotfühler, einem optischen Nippel (16) und einer auf Infrarotstrahlung ansprechenden Zelle (36) und durch eine kleine Festkörperschaltung (38) zum Vorverstärken von InfrarotSignalen, die die Zelle (36) über den Nippel (16) empfängt, und zum Treiben der vorverstärkten Signale durch ein Leiterkabel (12) zu einer Fernempfängeranschlußeinheit (14).

7. Flammendetektorkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Festkörperschaltung (38) auszeichnet durch eine positive und eine negative Gleichspannungszuleitung (52 und 54) zum Erzeugen einer Konstantspannung, durch einen Widerstand (R5) und eine Diode (D2), die in Reihe an die Leitungen angeschlossen sind, durch einen dem Widerstand (&5) parallelgeschalteten Kondensator (C2) zum Filtern der Konstantspannung, durch einen Widerstand (R6) und einen Transistor (Q4), die in Reihe zwischen der positiven und der negativen Leitung liegen, durch Mittel, die die Basis des Transistors (04) mit der negativen Seite des Kondensators (C2) verbinden, so daß für die Zelle (36) zum Umformen

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variabler Infrarotstrahlung in einen variablen Widerstand eine Konstantstromquelle vorgesehen ist, durch einen Widerstand (R2) und einen Transistor (Q5)_g die zum Erzeugen einer Konstant stromquelle in Reihe zwischen den Leitungen liegen, durch zwei in Darlingtonschaltung miteinander verbundene Ausgangstransistoren (Q1, Q2), die an die beiden Leitungen und zum Vorspannen mit einem Konstantstrom an den zuletztgenannten Transistor (Q5) angeschlossen sind, durch einen Transistor (Q3) und einen Widerstand (R3), die miteinander in Reihe geschaltet sind und zur Widerstandsanpassung zwischen der Zellenschaltung (36) und den Ausgangstransistoren (Q1, Ö2) liegen, und durch einen Kondensator (Cl), der lediglich die Wechselstromkomponente des Flammensignals den Ausgangstransistoren (Q1, 02) zuführt.

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

9. Flammendetektorkopf nach Anspruch 7 oder 8, da du roh gekennzeichnet, daß bei Verbindung der Leitungen mit einer konstanten 5pannungsquelle und bei Bestrahlung der Zelle mit einer Infrarotstrahlung veränderlicher Intensität der Zellwiderstand von der Strahlungsintensität abhängige Änderungen ausführt, daß der variable Zellwiderstand zusammen mit dem Konstantstrom. an dem positives AasehluB der Zeil© (36) eine νamiable Spannung erzeugt und daß diese variable Spamumg zu den Ausgangstransistoren (Q1, 02) gekoppelt wirdg die diese Spannung in einen entsprechend irariafelen Strom umwandeln« der das vorver-

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stärkte Ausgangssignal darstellt, das dann übertragen wird,

10. Flammendetektorkopf nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörperschaltung (38) und die Infrarotfühlerzelle (36) in einem kompakten Gehäuse untergebracht sind, das tragbar und mit dem optischen Nippel (16) in eine kleine Durchgangsöffnung in der Wandung einer Feuerungsanlage einpaßbar ist, um die Verbrennungszone zu beobachten,

11. Dynamischer Infrarot-Flammendetektor, gekennzeichnet durch einen Infrarotverbrennungsdetektorkopf (10) mit einer infrarotempfindlichen Zelle (36) und einer Festkörper-Vorverstärkerschaltung (38) zum Verstärken eines von der Zelle erzeugten Signals mit einem niedrigen Pegel zwecks übertragung des Signals zu einem entfernt angeordneten Empfänger (14), durch ein abgeschirmtes Signalleiterkabel (12), das an die Vorverstärkerschaltung in dem Detektorkopf angeschlossen ist, um das vorverstärkte Signal zu dem entfernt angeordneten Empfänger zu übertragen, und durch eine Hauptverstärker-Steuerschaltung-Anschlußeinheit mit kleinen integrierten Festkörperschaltungen (40, 42, 44, 46) zum weiteren Verstärken, Verarbeiten und Anzeigen der von der Zelle festgestellten Infrarotstrahlung.

12. Flammendetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorkopf schaltungen und die zugehörigen Schaltungen des abgeschirmten Kabels über schnelltrennbare Stift-Sockel-Verbindungen miteinander verbunden sind, so daß der Kopf vom Kabel leicht getrennt und ohne weiteres austauschbar ist.

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13. Flammendetektor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kabelschaltungen und zugehörigen Schaltungen der Hauptverstärker-Steuerschaltung-Anschlußeinheit über schnell lösbare Stift-Buchsen-Stecker miteinander verbunden sind, so daß die Anschlußeinheit einfach und ohne weiteres vom Kabel getrennt werden kann·

14. Flammendetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel sowohl mit dem Detektorkopf als auch der Anschlußeinheit über schnell lösbare Stecker verbunden ist·

15· Flammendetektor nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektorkopf (10) mit einem optischen Nippel (16) ausgerüstet ist, der ausgerichtet auf die Flamme einer zu tiberwachenden Verbrennungszone in eine kleine öffnung in der Wandung einer Feuerungsanlage derart einpaßbar ist, daß die Zelle die Verbrennungszone sowohl durch den Lufthals (30) als auch den die Verbrennungszone umgebenden Dunst (32) sehen kann«,

16. Dynamischer Infrarot-Flammendetektor zum Empfangen von vorverstärkten, durch Infrarotstrahlung erzeugten Signalen über ein abgeschirmtes Kabel von einem entfernt angeordneten Infrarotdetektorkopf mit einem optischen Nippel, der in einer kleinen öffnung in der Wandung des Feuerungsraums eines Kessels befestigt ist,
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 und 60 Hz fällt, und die

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die übrigen Frequenzanteile im wesentlichen verwerfen, 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 F (Flamme) und das Signal F" (Keine Flamme) von dem dritten Teil auf einen verzögerten Flammenfehler ansprechen, und die keine Verzögerungszeit vorsehen, wenn die Flamme zuerst festgestellt wird.

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