DE102013110266A1

DE102013110266A1 - Apparatus and method for monitoring a plasma torch

Info

Publication number: DE102013110266A1
Application number: DE201310110266
Authority: DE
Inventors: Mathias Kaiser; Steffen Thumm; Boris Reimer
Original assignee: Hegwein GmbH
Current assignee: Hegwein GmbH
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2015-04-16

Abstract

Vorrichtung zur Überwachung eines Plasmabrenners (10) mit einer Plasmaerzeugungseinheit (20), umfassend eine Strom- und Spannungsversorgung (22) und wenigstens ein Plasmaversorgungselement (25), mit dem Energie einem Plasma (14) zugeführt werden kann und in dessen Wirkungsbereich das Plasma (14) erzeugbar und aufrechthaltbar ist, wobei die Plasmaerzeugungseinheit (20) dazu ausgebildet ist, im akustischen Frequenzbereich die Spannungs- und/oder Stromversorgung (22) für das Plasma (14) zu modulieren und wobei ein Schallerfassungselement (26) vorgesehen ist, mit dem durch das Plasma (14) erzeugter Schall, erfassbar ist und wobei ein dem erfassten Schall entsprechendes Signal des Schallerfassungselements (26) als Maß für den Zustand des Plasmas (14) dient.Apparatus for monitoring a plasma torch (10) with a plasma generation unit (20), comprising a power supply (22) and at least one plasma supply element (25), with which energy can be supplied to a plasma (14) and in whose area of action the plasma ( 14) can be generated and maintained, wherein the plasma generating unit (20) is adapted to modulate in the acoustic frequency range, the voltage and / or power supply (22) for the plasma (14) and wherein a sound detection element (26) is provided with the Sound generated by the plasma (14) can be detected and wherein a signal corresponding to the detected sound of the sound detection element (26) serves as a measure of the state of the plasma (14).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Plasmabrenners gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren.The invention relates to a device for monitoring a plasma torch according to the preamble of claim 1 and a method.

Brenner, Zündbrenner, Stützbrenner oder dergleichen sind seit langem bekannt und werden zum Zünden von Brennern in Industrieöfen oder je nach Leistung in Großfeuerungsanlagen eingesetzt, die zur Wärmeerzeugung z. B. in der Prozess- und Kraftwerkstechnik eingesetzt werden. Diese Brenner haben häufig eine lanzenartige Form und ragen in den Hauptbrenner hinein, um am Ort der Verbrennung eine Zündflamme bereitzustellen. Der Zündbrenner weist eine Versorgungseinheit auf, die in einer Kompakteinheit einen Zündtrafo und Flammenwächter oder Feuerungsautomat mit Brennstoffzuführungen und elektrischen Zuführungen zum Zünden und Aufrechterhalten der Zündflamme an der Lanzenspitze umfasst. Solche Brenner arbeiten in der Regel mit einer Flamme, deren Zustand, insbesondere ob sie brennt oder nicht brennt oder auch wie stark sie brennt, erfasst werden muss, um den Brennvorgang korrekt zu steuern.Burner, pilot burner, support burner or the like have long been known and are used for igniting burners in industrial ovens or depending on the performance in large combustion plants, which for heat generation z. B. be used in process and power plant technology. These burners often have a lance-like shape and protrude into the main burner to provide a pilot flame at the point of combustion. The pilot burner has a supply unit which comprises in a compact unit an ignition transformer and flame monitor or automatic burner with fuel feeds and electrical leads for igniting and maintaining the ignition flame at the lance tip. Such burners usually work with a flame whose condition, in particular whether it burns or does not burn or even how strong it burns, must be recorded in order to control the burning process correctly.

Die Erfindung betrifft jetzt Zündbrenner, bei denen anstelle der Flamme ein Plasma „brennt”. Solche Brenner werden auch Plasmabrenner genannt. Im Gegensatz zu konventionellen Brennern, die auf der Basis einer Verbrennungsreaktion arbeiten, bilden elektrisch betriebene Plasmen erheblich heisere Flammen oder Lichtbögen, die Temperaturen von 2000 bis über 10000°C erreichen. Im Gegensatz zur Flamme einer Verbrennung ist die räumliche und thermische Ausdehnung eines Plasmas oder Lichtbogens sehr klein. Der große Energieinhalt des Plasmas auf relativ kleinem Volumen verschiebt die Emission des Lichts in den blauen Spektralbereich und macht die Erkennung mit konventionellen optischen Flammenwächtern schwierig und teuer. Die Erfassung der rein elektrischen Größen zur Plasmageneration könnte zwar sicherstellen, dass elektrische Leistung verbraucht wird, nicht jedoch, ob sie zur Erzeugung eines Plasmas bzw. zur Erzeugung eines Plasmas an der richtigen Stelle verbraucht worden ist. Weiterhin scheiden die Methoden zur Erfassung des Plasmazustands über eine Leitfähigkeit (Ionisation) oder der Plasmatemperatur über Messfühler aufgrund der hohen Temperaturen aus. Aus diesem Grunde sind Plasma basierte Brenner nur schwer und aufwändig zu überwachen.The invention now relates to pilot burners in which a plasma "burns" instead of the flame. Such burners are also called plasma torches. In contrast to conventional burners that operate on the basis of a combustion reaction, electrically operated plasmas form significantly hoarse flames or arcs that reach temperatures of 2000 to over 10000 ° C. In contrast to the flame of a combustion, the spatial and thermal expansion of a plasma or arc is very small. The large volume of energy of the plasma at a relatively small volume shifts the emission of light into the blue spectral region and makes detection with conventional optical flame arresters difficult and expensive. Although the detection of the purely electrical quantities for plasma generation could ensure that electrical power is consumed, but not whether it has been consumed to generate a plasma or to generate a plasma in the right place. Furthermore, the methods for detecting the plasma state via a conductivity (ionization) or the plasma temperature over sensors due to the high temperatures. For this reason, plasma based burners are difficult and expensive to monitor.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Überwachung eines Plasma basierten Brenners zu ermöglichen.On this basis, it is an object of the invention to enable improved monitoring of a plasma-based burner.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Überwachung eines Plasmabrenners mit einer Plasmaerzeugungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11.This object is achieved by a device for monitoring a plasma torch with a plasma generation unit having the features of claim 1 and a method having the features of claim 11.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Plasmaversorgungseinheit mit einer Strom- und Spannungsversorgung und wenigstens einem Plasmaversorgungselement, mit dem Energie einem Plasma zugeführt werden kann und in dessen Wirkungsbereich das Plasma erzeugbar und aufrechthaltbar ist. Die Plasmaerzeugungseinheit ist erfindungsgemäß dazu ausgebildet, neben der Energieversorgung für das Plasma, auch die Spannungs- und/oder Stromversorgung im akustischen Frequenzbereich zu modulieren. Weiter ist ein Schallerfassungselement vorgesehen, mit dem durch das Plasma erzeugter Schall, erfassbar ist und wobei ein dem erfassten Schall entsprechendes Signal des Schallerfassungselements als Maß für den Zustand des Plasmas dient.A device according to the invention comprises a plasma supply unit with a current and voltage supply and at least one plasma supply element, with which energy can be supplied to a plasma and in whose area of effect the plasma can be generated and maintained. According to the invention, the plasma generation unit is designed to modulate not only the power supply for the plasma, but also the voltage and / or power supply in the acoustic frequency range. Furthermore, a sound detection element is provided, with which sound generated by the plasma can be detected and wherein a signal of the sound detection element corresponding to the detected sound serves as a measure of the state of the plasma.

Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass aufgrund der Expansion des im Plasma aufgeheizten Gases Schall erzeugt wird. Dies wird nun erfindungsgemäß genutzt und im Plasma gezielt ein Schall im akustischen Frequenzbereich erzeugt, wobei nach der Erfindung der Schall durch einfache Modulation der Energieversorgung, also der Strom- und/oder Spannungsversorgung, im akustischen Frequenzbereich die Schallerzeugung erfolgt. Denn dadurch wird das Plasma im akustischen Frequenzbereich moduliert, und ist dann als Schall mit einem Schallerfassungselement detektierbar. Die Erfassung des Schalls ist im einfachsten Fall mit einer Vielzahl von herkömmlichen Mikrofonen als Luft- oder Körperschall sehr einfach zu detektieren. Insbesondere die sehr preiswerten und gut integrierbaren Mikrofone aus der mobilen Kommunikation erfüllen diese Aufgabe sehr gut.This is based on the finding that sound is generated due to the expansion of the gas heated in the plasma. This is now used according to the invention and generates a targeted sound in the acoustic frequency range in the plasma, according to the invention, the sound by simple modulation of the power supply, ie the power and / or power supply, in the acoustic frequency range, the sound is generated. Because this is the plasma is modulated in the acoustic frequency range, and is then detected as sound with a sound detection element. The detection of sound is very easy to detect in the simplest case with a variety of conventional microphones as airborne or structure-borne noise. In particular, the very inexpensive and easy to integrate microphones from mobile communication perform this task very well.

In der einfachsten Ausbildung ist damit ein einfacher Plasmadetektor geschaffen, denn wenn das Mikrofon den gewünschten Schall (also den aufmodulierten Ton) empfängt, existiert ein Plasma, im anderen Fall nicht. Dies kann auch dazu genutzt werden, den Zustand eines Plasmas zu erfassen. Da die Schallemission an das Plasma selbst gebunden ist kann sie erfindungsgemäß zum Nachweis des Plasmazustands genutzt werden. Weiterhin ist die Schallemission auch an die Form des Plasmas gekoppelt und kann deshalb auch zur Unterscheidung von gewünschten und unerwünschten Plasmaformen genutzt werden.In the simplest form a simple plasma detector is thus created, because if the microphone receives the desired sound (ie the modulated sound), a plasma exists, in the other case not. This can also be used to detect the state of a plasma. Since the sound emission is bound to the plasma itself, it can be used according to the invention for the detection of the plasma state. Furthermore, the sound emission is also coupled to the shape of the plasma and can therefore also be used to distinguish desired and unwanted plasma forms.

Die dafür notwendige Modulation der Strom- und/oder Spannungsversorgung ist technisch grundsätzlich bekannt und mit einfachen und bekannten Mitteln zu realisieren, auf die weiter unten noch eingegangen wird.The necessary modulation of the power and / or voltage supply is technically known in principle and to be realized by simple and known means, which will be discussed below.

In einer Ausführungsform sind zwei Plasmaversorgungselemente vorgesehen und als Elektroden ausgebildet. An den freien Enden der Elektroden ist das Plasma erzeugbar und aufrechthaltbar. Die Elektroden sind über elektrische Versorgungsleitungen mit der Spannungs- und/oder Stromversorgung verbunden. In one embodiment, two plasma supply elements are provided and formed as electrodes. At the free ends of the electrodes, the plasma can be generated and maintained. The electrodes are connected via electrical supply lines to the voltage and / or power supply.

Dann kann zum Beispiel der im Plasma erzeugte Schall in die Elektroden einkoppeln und das Mikrofon den Schall als Körperschall über wenigstens eine der Elektroden erfassen. Die Erfassung von Körperschall hat den Vorteil, dass dieser gut übertragen wird und damit eine verlustarme Übertragung des im Plasma erzeugten Schalls an das Schallerfassungselement möglich ist.Then, for example, the sound generated in the plasma can be coupled into the electrodes, and the microphone can record the sound as structure-borne noise via at least one of the electrodes. The detection of structure-borne noise has the advantage that it is well transmitted and thus a low-loss transmission of the sound generated in the plasma to the sound detection element is possible.

Das Plasma selbst kann kapazitiv oder induktiv durch Hochfrequenz oder Mikrowellen angeregt werden und damit auch ohne Verwendung von Elektroden. Zum Beispiel kann das Plasmaversorgungselement als Resonator oder als Spule oder die Kapazität von flächigen Elementen ausgebildet sein.The plasma itself can be excited capacitively or inductively by high frequency or microwaves and thus also without the use of electrodes. For example, the plasma supply element may be formed as a resonator or as a coil or the capacitance of planar elements.

Das Plasma kann als DC-(Gleichstrom), NF-(Niederfrequenz) MF-(mittlere Frequenzen), HF-(Hochfrequenzen) oder RF-(Radiofrequenzen) Plasma ausgebildet sein. Die Erfindung ist bei jeder Plasmaart anwendbar.The plasma may be in the form of DC (direct current), NF (low frequency) MF (middle frequencies), HF (radio frequencies) or RF (radio frequencies) plasma. The invention is applicable to any type of plasma.

Der erzeugte Schall kann auch über das Gas, in bzw. mit dem das Plasma betrieben wird, an das Schallerfassungselement übertragen werden.The generated sound can also be transmitted to the sound detection element via the gas in or with which the plasma is operated.

Vorteilhafterweise liegt der akustische Frequenzbereich zwischen 1 und 300 kHz und somit nicht nur im hörbaren Bereich sondern auch im Ultra- und Infraschallbereich.Advantageously, the acoustic frequency range is between 1 and 300 kHz and thus not only in the audible range but also in the ultra and infrasound range.

Bei geringen Intensitäten des Schalls ist es sinnvoll und vorteilhaft, das Signal des Schallerfassungselements an das Modulationssignal zu koppeln und phasenempfindlich zu verstärken, wie dies zum Beispiel mit einem Lock-In Verfahren üblich ist.At low intensities of sound, it is useful and advantageous to couple the signal of the sound detection element to the modulation signal and amplify phase sensitive, as is common, for example, with a lock-in method.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Signal des Schallerfassungselements hinsichtlich seiner Intensität auswertbar.In a development of the invention, the signal of the sound detection element can be evaluated with regard to its intensity.

Wenn der Brenner mit einem Brennerrohr ausgebildet ist, was z. B. bei Zündbrennern regelmäßig der Fall ist und Elektroden zur Energiezuführung vorgesehen sind, ist es vorteilhaft, eine Elektrode als Innenleiter in dem Brennerrohr und die andere Elektrode als Außenleiter, der gleichzeitig das Brennerrohr bildet, vorzusehen. Das Schallerfassungselement kann dann den Körperschall auf dem Innenleiter und/oder Außenleiter erfassen.If the burner is formed with a burner tube, which z. B. is the case regularly with pilot burners and electrodes are provided for supplying energy, it is advantageous to provide one electrode as an inner conductor in the burner tube and the other electrode as an outer conductor, which also forms the burner tube. The sound detection element can then detect the structure-borne noise on the inner conductor and / or outer conductor.

Verfahrensmäßig wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Überwachung eines Plasmabrenners mit den Schritten:

– Erzeugen eines Plasmas mit einer Plasmaerzeugungseinheit,
– Aufrechterhalten des Plasmas durch Zuführen von Energie über ein Plasmaversorgungselement,
– Modulieren der Energiezufuhr zum Plasma mit einer Modulationseinrichtung im akustischen Frequenzbereich,
– Erfassen eines durch das Plasma erzeugten Schalls mit einem Schallerfassungselement,
– Auswerten eines dem erfassten Schall entsprechenden Signals des Schallerfassungselements in einer Auswerteeinheit als Maß für den Zustand des Plasmas.

In terms of method, the object is achieved by a method for monitoring a plasma torch with the following steps:

Generating a plasma with a plasma generating unit,
Maintaining the plasma by supplying energy via a plasma supply element,
Modulating the energy supply to the plasma with a modulation device in the acoustic frequency range,
Detecting a sound generated by the plasma with a sound detection element,
- Evaluating a sound corresponding to the detected signal of the sound detection element in an evaluation unit as a measure of the state of the plasma.

Die Auswertung kann insbesondere dazu dienen, eine Regelung der Energiezufuhr für das Plasma über die Schallerfassung und Auswertung des Signals aufzubauen. Dann kann das Plasma in einer Regelschleife Energieversorgung – Schallerzeugung – Schallerfassung – Auswertung des Schallsignals – Energieversorgung in einen gewünschten Zustand geregelt werden.The evaluation can in particular serve to establish a regulation of the energy supply for the plasma via the sound detection and evaluation of the signal. Then the plasma can be regulated in a control loop power supply - sound generation - sound detection - evaluation of the sound signal - power supply in a desired state.

Mit Vorteil kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahrens zur Regelung der Brennstoffzufuhr zu einer übergeordneten Verbrennungseinheit (z. B. Brenner oder Dampferzeuger) eingesetzt werden. Hintergrund ist das Vorgehen von z. B. Leitwarten in Kraftwerken, die eine Brennstoffzufuhr in den Brenner/Dampferzeuger nur zulassen, wenn ein Zündplasma existiert. Dazu ist ein sicheres, an das Plasma gekoppelte Signal (z. B. aus der Auswerteeinheit) nötig, das mit der Erfindung bereitgestellt werden kann.Advantageously, the device according to the invention or the method according to the invention for regulating the fuel supply to a superordinate combustion unit (eg burner or steam generator) can be used. Background is the approach of z. B. Control rooms in power plants, which allow a fuel supply to the burner / steam generator only if a Zündplasma exists. For this purpose a secure signal coupled to the plasma (eg from the evaluation unit) is necessary, which can be provided by the invention.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:In the following the invention will be explained in detail by means of embodiments with reference to the drawing. In the drawing show:

1 eine schematische Darstellung eines Zündbrenners mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 a schematic representation of a pilot burner with a device according to the invention;

2 bis 4 Ausführungsformen von Plasmaversorgungselementen; 2 to 4 Embodiments of Plasma Supply Elements;

5 Darstellung einer erfindungsgemäßen Regelung des Plasmas. 5 Representation of an inventive control of the plasma.

Ein in 1 dargestellter Zündbrenner 10 ist als Plasmabrenner ausgebildet und erzeugt in einer Brennkammer 12 ein Plasma 14. Dieses Plasma 14 wird über eine Energiezufuhr aufrechterhalten und mit Gaszufuhr in die Brennkammer 12 ausgeblasen. Die Energie- und Gaszufuhr erfolgen über einen lanzenartigen Abschnitt 16, der mit einer Energieversorgungseinheit 18 verbunden ist. Die Energieversorgungseinheit 18 umfasst eine Plasmaerzeugungseinheit 20, die eine Strom- und Spannungsversorgung 22 für das Plasma aufweist.An in 1 illustrated pilot burner 10 is designed as a plasma torch and generated in a combustion chamber 12 a plasma 14 , This plasma 14 is maintained via an energy supply and with gas supply into the combustion chamber 12 blown out. The energy and gas supply via a lance-like section 16 that with a power supply unit 18 connected is. The power supply unit 18 includes a plasma generation unit 20 that have a power and voltage supply 22 for the plasma.

Das Plasma 14 kann eine beliebige Art von Plasma sein, z. B. DC-, NF-, MF-, HF- oder RF-Plasma. Je nach Art des Plasmas ist oder sind entsprechende Plasmaversorgungselemente 25 vorgesehen, in deren Wirkungsbereich das Plasma erzeugt wird. Wenn das Plasma kapazitiv angeregt wird, sind die Plasmaversorgungselemente 25 als mit der Strom- und Spannungsversorgung 22 verbundene Elektroden 28, 30 ausgebildet (2). Wenn das Plasma induktiv angeregt wird ist das Plasmaversorgungselement 25 als Spule 32 (3) und bei Anregung mittels Mikrowellen ist das Plasmaversorgungselement 25 als Resonator, Koaxialleiter oder Hohlleiter 34 ausgebildet (4).The plasma 14 may be any type of plasma, e.g. As DC, NF, MF, RF or RF plasma. Depending on the type of plasma is or are corresponding plasma supply elements 25 provided in the sphere of action, the plasma is generated. When the plasma is capacitively excited, the plasma supply elements are 25 than with the power and voltage supply 22 connected electrodes 28 . 30 educated ( 2 ). When the plasma is inductively excited, the plasma supply element is 25 as a coil 32 ( 3 ) and when excited by microwaves is the plasma supply element 25 as resonator, coaxial conductor or waveguide 34 educated ( 4 ).

In einem ersten Ausführungsbeispiel Beispiel (1) sind Elektroden vorgesehen, wobei ein Außenrohr 28 des lanzenartigen Abschnitts 16 einen Außenleiter und einen Innenleiter 30 aufweist.In a first embodiment example ( 1 ) electrodes are provided, wherein an outer tube 28 of the lance-like section 16 an outer conductor and an inner conductor 30 having.

Die Strom- und Spannungsversorgung 22 erzeugt eine entsprechende Hochspannung zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Plasmas 14. Zusätzlich weist die Plasmaerzeugungseinheit 20 eine Modulationseinrichtung 24 auf, die dem Strom oder der Spannung für die Energiezufuhr zum Plasma 14 eine Modulation aufprägt, die im akustischen Frequenzbereich, z. B. zwischen 1 und 300 kHz, liegt.The power and voltage supply 22 generates a corresponding high voltage for generating and maintaining the plasma 14 , In addition, the plasma generating unit points 20 a modulation device 24 on that the current or the voltage for the energy supply to the plasma 14 imposes a modulation in the acoustic frequency range, z. B. between 1 and 300 kHz.

Die Modulation geschieht am einfachsten durch Modulation entsprechender Treiberspannungen. Dies ist in den meisten Fällen über die Reglerschaltung eines Schaltnetzteils oder die Basis eines Leistungstransistors möglich, kann aber im Prinzip über jede elektrische oder elektromagnetische Leistungseinkopplung in das Plasma erfolgen. Dies kann zum Beispiel die Hochspannung für einen Lichtbogen oder ein Magnetron sein, aber auch die Filamentspannung eines Elektronenstrahlerzeugers oder HF-Generatorröhre, bis zur Modulation eines Magnetfelds über einen Elektromagneten.The modulation is most easily done by modulating appropriate driver voltages. This is possible in most cases via the regulator circuit of a switching power supply or the base of a power transistor, but can be done in principle via any electrical or electromagnetic power input into the plasma. This can be, for example, the high voltage for an arc or a magnetron, but also the filament voltage of an electron gun or RF generator tube, until the modulation of a magnetic field via an electromagnet.

Des Weiteren ist ein Schallerfassungselement 26 vorgesehen, mit dem von dem Plasma 14 erzeugter Schall erfasst werden kann. Dieser Schall kann an geeigneten Stellen erfasst werden. So kann der Schall beispielsweise als Körperschall auf dem Aussenleiter 28 oder als Körperschall auf dem Innenleiter 30 (in 1 gestrichelt dargestellt) abgegriffen werden. Auch ist es denkbar den Schall direkt mit einem Mikrofon in einer Brennerwand (ebenfalls gestrichelt in 1 dargestellt) zu erfassen. Weitere mögliche Erfassungarten sind denkbar, z. B. mit einem Ultraschallwandler, die häufig auf Piezobasis arbeiten. Auch sind weitere Orte der Erfassung denkbar, solange diese vom Plasma erzeugten Schall erreicht werden. Die Signale des Schallerfasungselements 26 werden in einer Auswerteeinheit 27 ausgewertet und in geeigneter Weise dargestellt und/oder als Regelsignal der Energieversorgungseinheit 18, bzw. der Strom- und Spannungsversorgung 22 zugeführt, denn aus diesen Signalen wird der Zustand des Plasma abgeleitet. Damit kann beispielsweise eine Regelung aufgebaut werden, um das Plasma in einem gewünschten Zustand zu halten und Fehlfunktionen erkennen zu können.Furthermore, a sound detection element 26 provided with that of the plasma 14 generated sound can be detected. This sound can be detected at appropriate places. So the sound, for example, as structure-borne noise on the outer conductor 28 or as structure-borne noise on the inner conductor 30 (in 1 dashed lines shown). It is also conceivable the sound directly with a microphone in a burner wall (also dashed in 1 shown). Other possible types of detection are conceivable, for. B. with an ultrasonic transducer, which often operate on a piezo basis. Also, other detection locations are conceivable as long as these sounds generated by the plasma are achieved. The signals of the Schallerfasungselements 26 be in an evaluation unit 27 evaluated and displayed in a suitable manner and / or as a control signal of the power supply unit 18 , or the power and voltage supply 22 supplied, because from these signals, the state of the plasma is derived. Thus, for example, a control can be set up to keep the plasma in a desired state and to be able to detect malfunctions.

In einem Ausführungsbeispiel werden Mikrowellen für ein Mikrowellenplasma (4) über eine Wanderfeldröhre (Magnetron) erzeugt. Dazu wird das Magnetron mit einer Gleichspannung von einigen Tausend Volt betrieben. Zur Erzeugung dieser Hochspannung wird die Netzspannung erst gleichgerichtet und dann über schnelle Leistungsschalter zerhackt (Schaltnetzteil/Inverter). Anschließend wird die so erzeugte Wechselspannung oder pulsierende Gleichspannung auf die gewünschte Spannung hochtransformiert. Eine anschließende Hochspannungs-Gleichrichterstufe erzeugt dann die gewünschte HV-Gleichspannung für den Betrieb des Magnetrons. Die Restwelligkeit wird von der Schaltfrequenz bestimmt und kann im einfachsten Fall als akustisches Signal aus dem Plasma detektiert werden.In one embodiment, microwaves for a microwave plasma ( 4 ) via a traveling wave tube (magnetron) generated. For this purpose, the magnetron is operated with a DC voltage of a few thousand volts. To generate this high voltage, the mains voltage is first rectified and then chopped over fast circuit breakers (switching power supply / inverter). Subsequently, the AC voltage or pulsating DC voltage thus generated is transformed up to the desired voltage. A subsequent high voltage rectifier stage then generates the desired HV DC voltage for operation of the magnetron. The residual ripple is determined by the switching frequency and can be detected in the simplest case as an acoustic signal from the plasma.

Darüber hinaus wird üblicherweise die Schaltfrequenz als Größe für die Leistungsregelung verwendet und kann deshalb auch zusätzlich periodisch mit der akustischen Frequenz, die viel kleiner ist als die Schaltfrequenz moduliert werden. Bei Beispielsweise 50 kHz Schaltfrequenz kann bequem die akustische Frequenz von einigen Kiloherz aufmoduliert werden, die den HV-Gleichrichter ohne große Veränderung durchlaufen kann und mittels des Plasmas entsprechende akustische Signale erzeugt. Die Detektion des akustischen Signals bei Schaltfrequenz oder aufmodulierter Frequenz dient als eindeutiger Nachweis für die Existenz des Plasmas. Weiterhin kann der Elektronenerzeuger in der Wanderfeldröhre (Filament) sowohl über den Strom wie über die Spannung in der Leistung bzw. Temperatur und damit der Elektronenemission moduliert werden, was ebenfalls zur Mikrowellenmodulation und Schallerzeugung im Plasma bei akustischen Frequenzen führt.In addition, the switching frequency is usually used as the size of the power control and therefore can also be additionally periodically modulated with the acoustic frequency, which is much smaller than the switching frequency. For example, 50 kHz switching frequency can be easily aufmoduliert the acoustic frequency of a few kilohertz, which can pass through the HV rectifier without much change and generated by means of the plasma corresponding acoustic signals. The detection of the acoustic signal at switching frequency or modulated frequency serves as clear evidence of the existence of the plasma. Furthermore, the electron generator in the traveling filament can be modulated by both the current and the voltage in the power and thus the electron emission, which also leads to the microwave modulation and sound generation in the plasma at acoustic frequencies.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Lichtbogen, wie er zum Beispiel für ein typisches Lichtbogen-Plasma verwendet werden kann, erfindungsgemäß moduliert. Auch hier hat sich über sogenannte Inverter die Schaltnetzteiltechnik durchgesetzt, wobei im Prinzip die gleiche Vorgehensweise wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel angewendet wird. Allerdings wird die mit der Schaltfrequenz getacktete Wechselspannung bzw. pulsierende Gleichspannung auf vergleichsweise kleine Spannungen und hohe Ströme transformiert. Eine nachfolgende Gleichrichtung kann, aber muss nicht erfolgen. Die Restwelligkeit oder eine gezielte Modulation der Schaltstufe kann zur Modulation mit einer charakteristischen akustischen Frequenz genutzt werden, welche über die Schallemission durch das Plasma als Nachweis für das generierte Plasma ausgewertet werden kann.In another embodiment, an arc, such as may be used for a typical arc plasma, is modulated according to the invention. Again, the so-called inverter has the switching power supply technology prevailed, in principle, the same procedure as in the previous embodiment is applied. However, the AC voltage or pulsating DC voltage that is stacked with the switching frequency is transformed to comparatively small voltages and high currents. A subsequent rectification can, but does not have to be done. The residual ripple or a targeted modulation of the switching stage can be used for modulation with a characteristic acoustic frequency, which can be evaluated via the sound emission by the plasma as evidence for the generated plasma.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird wieder ein Mikrowellenplasma herangezogen, bei dem anhand der Lautstärke im Körperschall zwischen einem Lichtbogen und einer Plasmaflamme unterschieden werden kann. Dabei ist das Plasma als Hochfrequenzlichtbogen ausgebildet, der zwischen Innenleiter 30 und Aussenleiter 28 brennt und mit dem Dielektrikum Luft ausgeblasen wird und somit als flammenartiges Plasma den Innenleiter in den freien Raum verlängert, wie in 1 und 2 dargestellt. Das akustische Signal wird über das Plasma 14 als Körperschall nur auf den elektrisch isoliert geführten koaxialen Innenleiter 30 gebracht und kann nur entsprechend schwach detektiert werden. Brennt das Plasma 14 aber z. B. wegen Ausfalls der Ausblasluft als direkter Lichtbogen zwischen Innen- und Außenleiter des koaxialen lanzenartigen Abschnitts 16, so wird das akustische Signal auch über den nicht isolierten Außenleiter 28 als recht deutlicher Körperschall erfassbar. Somit kann bereits über den Unterschied in der Lautstärke des erfassten Schalls ein Maß für den Plasmazustand erhalten werden.In a further embodiment, a microwave plasma is again used, in which a distinction can be made based on the volume in structure-borne noise between an arc and a plasma flame. The plasma is designed as a high-frequency arc, between the inner conductor 30 and outer conductor 28 burns and is blown out with the dielectric air and thus extended as a flame-like plasma, the inner conductor in the free space, as in 1 and 2 shown. The acoustic signal is transmitted through the plasma 14 As a structure-borne noise only on the electrically insulated guided coaxial inner conductor 30 brought and can only be correspondingly weak detected. Burns the plasma 14 but z. B. due to failure of the exhaust air as a direct arc between the inner and outer conductor of the coaxial lance-like portion 16 , so the acoustic signal is also on the non-insulated outer conductor 28 detectable as quite clear structure-borne sound. Thus, a measure of the plasma state can already be obtained on the difference in the volume of the detected sound.

In 5 ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwachen und Regeln des Plasmas 14 aufgezeigt. In einem ersten Schritt wird das Plasma 14 mit der Plasmaerzeugungseinheit 20 erzeugt. Im zweiten Schritt wird das Plasma durch Zuführen von Energie über ein Plasmaversorgungselement, also z. B. durch Zuführen von elektrischer Leistung über Elektroden, aufrechterhalten. Im dritten Schritt erfolgt die erfindungsgemäße Modulation der Energiezufuhr zum Plasma mit der Modulationseinrichtung 24 im akustischen Frequenzbereich. Im vierten Schritt wird der durch die Modulation im Plasma erzeugte Schall mit einem Schallerfassungselement 26 erfasst und im fünften Schritt der erfasste Schall in der Auswerteeinheit 27 ausgewertet. Das Auswertungsergebnis kann in einfachster Ausführung angezeigt werden, beispielsweise durch eine einfache Anzeige, ob das Plasma brennt oder nicht oder auch als Regelgröße zurück an die Energieversorgungseinheit, also die Strom- und Spannungsversorgung 22 geführt werden, so dass eine Regelung aufgebaut ist, um das Plasma 14 in einem gewünschten Zustand einregeln zu können.In 5 is the inventive method for monitoring and controlling the plasma 14 demonstrated. In a first step, the plasma 14 with the plasma generating unit 20 generated. In the second step, the plasma by supplying energy via a plasma supply element, ie z. B. by supplying electrical power via electrodes maintained. In the third step, the inventive modulation of the energy supply to the plasma with the modulation device 24 in the acoustic frequency range. In the fourth step, the sound generated by the modulation in the plasma with a sound detection element 26 recorded and in the fifth step of the detected sound in the evaluation unit 27 evaluated. The evaluation result can be displayed in the simplest version, for example by a simple indication of whether the plasma is burning or not, or as a controlled variable back to the power supply unit, ie the power and voltage supply 22 be guided so that a scheme is established to the plasma 14 to be able to adjust in a desired state.

Claims

Vorrichtung zur Überwachung eines Plasmabrenners (10) mit einer Plasmaerzeugungseinheit (20), umfassend eine Strom- und Spannungsversorgung (22) und wenigstens ein Plasmaversorgungselement (25), mit dem Energie einem Plasma (14) zugeführt werden kann und in dessen Wirkungsbereich das Plasma (14) erzeugbar und aufrechthaltbar ist, wobei die Plasmaerzeugungseinheit (20) dazu ausgebildet ist, im akustischen Frequenzbereich die Spannungs- und/oder Stromversorgung (22) für das Plasma (14) zu modulieren und wobei ein Schallerfassungselement (26) vorgesehen ist, mit dem durch das Plasma (14) erzeugter Schall, erfassbar ist und wobei ein dem erfassten Schall entsprechendes Signal des Schallerfassungselements (26) als Maß für den Zustand des Plasmas (14) dient.Device for monitoring a plasma torch ( 10 ) with a plasma generating unit ( 20 ), comprising a power and voltage supply ( 22 ) and at least one plasma supply element ( 25 ), with the energy of a plasma ( 14 ) and in the area of its action the plasma ( 14 ) can be generated and maintained, wherein the plasma generating unit ( 20 ) is designed, in the acoustic frequency range, the voltage and / or power supply ( 22 ) for the plasma ( 14 ) and wherein a sound detection element ( 26 ) is provided, through which the plasma ( 14 ) is detectable and wherein a sound corresponding to the detected sound of the sound detection element ( 26 ) as a measure of the state of the plasma ( 14 ) serves.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Plasmaversorgungselemente als Elektroden ausgebildet sind, an deren freien Enden das Plasma erzeugbar und aufrechthaltbar ist und die über elektrische Versorgungsleitungen mit der Spannungs- und/oder Stromversorgung verbunden sind.Apparatus according to claim 1, characterized in that two plasma supply elements are formed as electrodes, at the free ends of which the plasma can be generated and maintained and which are connected via electrical supply lines to the voltage and / or power supply.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmaversorgungselement als Resonator, Antenne oder als Spulenelemente oder kapazitive Elemente ausgebildet ist, so dass die Energie elektrodenlos in das Plasma einkoppelbar ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the plasma supply element is designed as a resonator, antenna or coil elements or capacitive elements, so that the energy is electrodeless coupled into the plasma.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Frequenzbereich zwischen 1 und 300 kHz liegt.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the acoustic frequency range is between 1 and 300 kHz.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des Schallerfassungselements in einem Lock-In Verfahren ausgewertet wird.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the signal of the sound detection element is evaluated in a lock-in method.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des Schallerfassungselements hinsichtlich seiner Intensität auswertbar ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the signal of the sound detection element can be evaluated in terms of its intensity.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schallerfassungselement den in wenigstens eine der Elektroden einkoppelnden Körperschall erfasst.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sound detection element detects the coupling into at least one of the electrodes structure-borne sound.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schallerfassungselement den Schall erfasst, der durch ein das Plasma umgebende Gas übertragen wird. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sound detection element detects the sound which is transmitted by a gas surrounding the plasma.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode gebildet ist durch einen Innenleiter in einem Brennerrohr und die andere Elektrode durch das Brennerrohr als Außenleiter und dass das Schallerfassungselement den Körperschall auf dem Innenleiter und/oder Aussenleiter erfasst.Device according to one of the preceding claims, characterized in that an electrode is formed by an inner conductor in a burner tube and the other electrode through the burner tube as an outer conductor and that the sound detection element detects the structure-borne noise on the inner conductor and / or outer conductor.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma kapazitiv, induktiv oder durch Mikrowellen angeregt wird und als DC-, NF-, MF-, HF- oder RF-Plasma ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the plasma is capacitive, inductive or excited by microwaves and is designed as a DC, NF, MF, RF or RF plasma.

Verfahren zur Überwachung eines Plasmabrenners (10) mit den Schritten: – Erzeugen eines Plasmas (14) mit einer Plasmaerzeugungseinheit (20), – Aufrechterhalten des Plasmas (14) durch Zuführen von Energie über ein Plasmaversorgungselement (25), – Modulieren der Energiezufuhr zum Plasma mit einer Modulationseinrichtung (24) im akustischen Frequenzbereich, – Erfassen eines durch das Plasma erzeugten Schalls mit einem Schallerfassungselement (26), – Auswerten eines dem erfassten Schall entsprechenden Signals des Schallerfassungselements (26) in einer Auswerteeinheit (27) als Maß für den Zustand des Plasmas (14).Method for monitoring a plasma torch ( 10 ) comprising the steps of: - generating a plasma ( 14 ) with a plasma generating unit ( 20 ), - maintenance of the plasma ( 14 ) by supplying energy via a plasma supply element ( 25 ), - modulating the energy supply to the plasma with a modulation device ( 24 ) in the acoustic frequency range, - detecting a sound generated by the plasma with a sound detection element ( 26 ), - evaluating a signal corresponding to the detected sound of the sound detection element ( 26 ) in an evaluation unit ( 27 ) as a measure of the state of the plasma ( 14 ).

Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung der Energiezufuhr für das Plasma über die Schallerfassung und Auswertung des Signals erfolgt.A method according to claim 11, characterized in that a regulation of the energy supply for the plasma on the sound detection and evaluation of the signal takes place.

Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10 oder eines Verfahrens nach Anspruch 11 oder 12 zur Regelung der Brennstoffzufuhr zu einer übergeordneten Verbrennungseinheit.Use of a device according to one of the preceding claims 1 to 10 or a method according to claim 11 or 12 for regulating the fuel supply to a superordinate combustion unit.