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Elektrische Steuer- und Sicherheitsvorrichtung für Gas- oder Ölfeuerung
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Steuer- und Sicherheitsvorrichtung
für eine Gas- oder Ölfeuerung mit einem Gebläusemotor und einem Magnetventil für
den Brennstoff, wobei der Gebläsemotor derart gesteuert wird, daß eine Vorspülung
bewirkt wird, und bei der nach der Vorspülung durch ein Programmsignal das Magnetventil
geöffnet und eine Zündvorrichtung eingeschaltet wird und bei der ein Flammenüberwachungssignale
abgebender Flammenwächter vorgesehen ist, der bei Nichtvorhandensein der Flamme
ein Flammenstörsignal gibt, das entsprechende Vorrichtungsteile abschaltet.
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Bei derartigen Vorrichtungen an Feuerungen muß bei der automatischen
Einschaltung durch einen Thermostaten Vorsorge dafür getroffen werden, daß zunächst
die Verbrennungsluftzufuhr eingeschaltet wird und eine Vorspülung des Verbrennungsraumes
erfolgt. Erst nach Beendigung der Vorspülung dürfen Zündung und Brennmittelzufuhr
eingeschaltet werden. Die Brennmittelzufuhr darf weiterhin über die Dauer des Zündvorganges
hinaus nur aufrechterhalten bleiben, wenn eine Flammenbildung erfolgt ist. Während
des Normalbetriebes muß die Feuerung laufend überwacht werden, und bei Verlöschen
der Flamme oder Aussetzen der Verbrennungsluftzufuhr maß die Brennmittelzufuhr abgeschaltet
werden. Erst bei Einhaltung aller dieser Bedingungen ist die Betriebssicherheit
solcher Feuerungen gewährleistet.
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Bei den bekannten Steuerungsgeräten für Feuerungen werden bei Ölbrennern
vornehmlich zur Flammenüberwachung Fotozellen und Bimetallfühler verwendet. Der
Ablauf der Funktionen, wie Spülung, Zündung, Brennmittelzufuhr u. dgl., wird durch
Bimetallkontakte oder Synchronmotore, die wiederum Kontakte auslösen, bewerkstelligt.
Bei den bekannten Gasfeuerungen erfolgt die Überwachung der Gasflamme durch Zündflammen
mit thermoelektrischer Absicherung durch Bimetallzündsicherungen u. dgl., wobei
insbesondere bei Gebläsebrennern Gasmangelsicherungen notwendig sind. Außerdem sind
bei Gasbrennern ohne Gebläse, sei es bei reinem Primär-Luft-Betrieb oder bei Primär-Sekundär-Luft-Betrieb,
Strömungssicherungen notwendig. Gas- und ölbefeuerte Aggregate haben zudem verschiedene
Steuerungsbedingungen, welche mit den bisher bekannten Steuerungs- und Regelgeräten
nur unter sehr großem Aufwand eingehalten werden konnten.
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Es ist eine Steuerungsanlage bekannt, bei der ein Programmotor vorgesehen
ist, der verschiedene Schaltkontakte betätigt. Der Gebläsemotor wird zunächst beim
Anlauf der Anlage über einen Kontakt in Tätigkeit gesetzt, während er nach Ablauf
eines Teiles des Programms von einem anderen Kontaktglied gehalten wird. Nach Ablauf
einiger Sekunden werden gleichzeitig der Zündtransformator und das Ventil für die
Brennstoffzufuhr zum Zündbrenner in Tätigkeit gesetzt. Nach weiterem Ablauf einer
bestimmten Zeitspanne wird der Zündfunke abgeschaltet und dann beim Nichtvorhandensein
einer Zündflamme die Stromzufuhr zu Zündtransformator, Zündventil und Hauptventil
unterbrochen. Ist jedoch die Zündflamme vorhanden, so wird in Abhängigkeit vom Programm
das Hauptventil eingeschaltet. Nach Ablauf eines weiteren Zeitintervalls wird die
Zündflamme ausgeschaltet und nach weiterem Zeitablauf der Programmotor stillgesetzt.
Erlischt die Flamme, so wird die Stromzufuhr zum Hauptventil unterbrochen. Diese
bekannte Schaltung weist eine Vielzahl von Kontakten auf, die sich gegenseitig absichern,
weil durch das feststehende Programm der Stromfluß zu den Ventilen nicht nur über
den vom Flammenfühler gesteuerten Kontakt erfolgen kann. Die Schaltung ist sehr
aufwendig und erfordert viele Kontakte, die zu mancherlei Störungen Anlaß geben
können. Bei der bekannten Anordnung wird nicht erfaßt, ob zur Verbrennung eine ausreichende
Luftmenge oder überhaupt Luft zur Verfügung steht.
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Die Aufgabe, bei einer Feuerung das Vorhandensein von Verbrennungsluft
festzustellen, ist an einer anderen Schaltung für einen Winderhitzer mit einer für
diesen möglicherweise geeigneten Lösung bekannt. Dabei ist in dem Winderhitzer ein
die Wandtemperatur messendes Gerät, z. B. ein Pyrometer, vorgesehen. Außerdem ist
im Verbrennungsluftkanal ein reiner Druckmesser angeordnet und an der Drosselklappe
ein Schalter angebracht. Die Kontakte dieser Elemente wirken mit einer Vielzahl
weiterer Kontakte an anderen Ventilen derart zusammen, daß sie
nur
bei einem Vorhandensein von einer Mindest-Wandtemperatur und beim Vorhandensein
eines bestimmten Luftdruckes zwischen dem Gebläse und der Drosselklappe und bei
offener Stellung der Drosselklappe ein Einschalten einer Kupplung ermöglichen. Über
diese Kupplung wird ein Drosselventil in der Gaszufuhrleitung betätigt. Bei Lösen
dieser Kupplung wird das durch ein Gewicht vorbelastete Gasventil automatisch geschlossen.
Dieses ist also der Fall, wenn die Wandtemperatur unter einen bestimmten Betrag
absinkt, der Luftdruck in dem Teil zwischen Gebäse und Luftdrosselklappe unter den
vorgeschriebenen Wert fällt oder die Drosselklappe ganz geschlossen ist oder mehrere
dieser Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind. Diese Einrichtung läßt Brenngas in
den Brennraum strömen, wenn überhaupt keine Flamme oder kein Funke vorhanden ist,
denn sie setzt eine ausreichende Wandtemperatur zur Entzündung des Gases voraus,
was bei Feuerungsanlagen für Heizzwecke od. dgl. nicht der Fall ist. Wenn außerdem
die Drosselklappe in der Luftzuleitung geöffnet sein sollte und gleichzeitig auf
der Feuerungsanlage vom Schornstein her ein Gegendruck lastet, so stellt das Manometer
einen Luftdruck und damit ein scheinbares Vorhandensein von Verbrennungsluft fest
und schaltet die Gaszufuhr nicht ab. Das kann jedoch bei Feuerungsanlagen anderer
Art zu schwerwiegenden Explosionen führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen elektronischen
Mitteln eine betriebssichere Steuerung, Überwachung und Sicherung zu schaffen, die
zudem sowohl für gas- als auch für ölbefeuerte Aggregate Verwendung finden kann.
Sie soll auf Grund der verwendeten Bauelemente Gewähr dafür geben, daß bei Ausfall
einer Sollbedingung die Brennmittelzufuhr vollkommen abgeschaltet wird. Auch soll
eine gegenseitige Absicherung irgendwelcher Programmabläufe auf Grund der Eigenschaften
der verwendeten Bauelemente und der Schaltung, aber nicht mit Hilfe weiterer zusätzlicher
Schaltelemente erfolgen. Andererseits soll die Sicherheit gegen mangelhafte Verbrennung
oder Ausströmen unverbrannten Brennstoffes dadurch erhöht werden, daß die Verbrennungsluftmenge
erfaßt und zur Steuerung ausgenutzt wird, so daß die Nachteile der reinen Druckmessung
vermieden sind und die Erfassung der Verbrennungsluftmenge in die Überwachung von
Feuerungen, die mit einer Überwachung der Flamme arbeiten, eingeführt wird. Die
Sicherheitszeiten sollen möglichst kurz gehalten werden können.
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In Lösung dieser Aufgaben besteht die Erfindung im wesentlichen darin,
daß ein die Verbrennungsluftmenge messendes und Luftüberwachungssignale abgebendes
Meßglied vorgesehen ist, welches bei Vorhandensein einer bestimmten Luftmenge ein
Luftmengensignal abgibt, und daß ein als »UND«-Gatter ausgebildetes Flammengatter
vorgesehen ist, welches ein das Magnetventil öffnendes Flammengattersignal nur abgibt,
wenn das Luftmengensignal und das Flammensignal vorliegen.
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Die Erfassung der Verbrennungsluftmenge sichert, daß nur bei tatsächlichem
Zuströmen von Verbrennungsluft Brennstoff in den Brennraum gelangen kann, und vermeidet
die Nachteile der einen Luftdruckmessung und der zusätzlichen Schaltkontakte an
der Drosselklappe. Durch die Anwendung von Gatterschaltungen wird in die Technik
der überwachung von Feuerungen ein einfaches Schaltelement eingeführt, welches bei
Abweichen nur eines Signals von der vorgeschriebenen Form, Art oder Größe, Fehlfunktionen
der Anlage ausschließt. Es werden zusätzliche Schalt- und/oder Unterbrecherkontakte
od. dgl. vermieden, welche erforderlich sind, wenn Schaltvorgänge des Programms
mit denen der überwachungsorgane abwechseln.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann außerdem ein als
»UlNTD«-Gatter ausgebildetes Zündgatter vorgesehen sein, welches ein die Zündvorrichtung
einschaltendes Zündgattersignal nur bei Vorhandensein eines entsprechenden Programmsignals
und des Luftmengensignals abgibt. Das Zündgattersignal und das Flammengattersignal
können einem weiteren als »ODER«-Gatter ausgebildeten Ventilgatter zugeführt werden,
welches nur bei Vorliegen wenigstens eines der beiden Signale ein das Magnetventil
einschaltendes Ventilgattersignal abgibt. Die verschiedenen »UND«- bzw. »ODER«-Auswahlgatter
gewährleisten, daß bei Abweichen von nur einer Sollbedingung Fehler und Gefahren
vermieden werden.
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Es kann .ein die Programmsignale abgebender Programmkreis vorgesehen
sein, der aus einer Transistorschaltung besteht, deren Ausgang nach Einschalten
der Stromversorgung nacheinander drei verschiedene, der Vorspülzeit, der Zünddauer
und dem Normalbetrieb zugeordnete Programmsignale liefert, wobei die Dauer der beiden
ersten Signale durch die Aufladezeit von Kondensatoren bestimmt sind, wie es für
andere Programmabläufe bekannt ist. In dem Emitterkreis der Transistorschaltung
kann eine Zenerdiode angeordnet sein. Sie bewirkt in bekannter Weise eine Verlängerung
der Ladezeit des Kondensators und vor allem eine sprunghafte Änderung des zweiten
Programmsignals bei Erreichen ihrer Durchbruchspannung. Auch kann ein an der Versorgungsspannung
des Programmkreises liegendes Relais vorgesehen werden, welches den das erste Programmsignal
bestimmenden Kondensator über einen Ruhekontakt bei Abschalten der Versorgungsspannung
entlädt, so daß bei Wiedereinschalten die Dauer der beiden ersten, die Vorspülzeit
und die Zündzeit bestimmenden Signale vom vorherigen Schaltzustand unabhängig ist.
Es wird dadurch vermieden, daß bei einer Störabschaltung vor einem Wiederanlauf
zunächst das ganze Programm ablaufen muß, wie es bei den bekannten Programmotoren
der Fall ist. Durch Zuschalten weiterer Kondensatoren kann insbesondere die Zünddauer
einstellbar gemacht werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann das Meßglied für
die Verbrennungsluft in einem als Thermistorschaltung aufgebauten Luftüberwachungskreis
liegen, der je nach Luftmenge das der ordnungsgemäßen Luftzufuhr zugehörige Luftmengensignal
oder das dem Ausfall der Luftzufuhr entsprechende Luftmengenstörsignal abgibt.
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Außer den obenerwähnten, heute überwiegend üblichen Fotodioden und
Fotowiderständen ist ein Flammenwächter bekannt, der einen auf ultraviolette Strahlung
ansprechenden Fühler hat. Dieser Fühler kann ein Fotomultiplier, eine Gasentladungsröhre
vom Geiger-Müller-Typ oder ein anderer Fühler sein, der eine Ansprechempfindlichkeit
im ultravioletten Spektrum zwischen 2200 und 3400 A hat. Derartige auf ultraviolette
Strahlung ansprechende Fühler sind äußerst teuer und erfordern wegen ihrer Bauart
und physikalischen Wirkungsweise außerordentlich hohe
Gleichspannungen.
Ihrer spektralen Empfindlichkeit im kurzwelligen UV-Bereich sind Grenzen gesetzt.
Demgegenüber sieht die Erfindung vor, daß das Fühlelement eine auf ultraviolette
Strahlung reagierende Diode ist, die abhängig vom Vorliegen oder Fehlen der Flamme
ein Flammensignal oder ein Flammenstörsignal liefert. Eine derartige UV-Diode, deren
spektrale Empfindlichkeit im Bereich von 2000 bis 3000 A liegen sollte und heute
noch niedriger liegen kann, reagiert mit größerer Zuverlässigkeit auf die in Feuerungen
auftretenden UV-Strahlungen, kann mit Wechselspannungen von 220 V betrieben werden,
ist außerordentlich preiswert und hat auch wegen der Verwendung von Wechselspannung
eine sehr hohe Lebensdauer, da der Elektrodenabbrand sich selbst regeneriert. Die
Verwendung der auf ultraviolette Strahlung ansprechenden Diode hat gegenüber den
auf sichtbare Strahlung oder Wärmestrahlung ansprechenden Fühlern den Vorteil, daß
grundsätzlich keinerlei glühende Vorgänge, ganz gleich welcher Temperatur, die UV-Diode
anregen, da bei glühenden Vorgängen keine molekularen Verbrennungsvorgänge vorliegen,
welche UV-Strahlung erzeugen.
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Einem weiteren Merkmal der Erfindung zufolge können die Gattersignale
über Steuertransistoren auf die Zündvorrichtung bzw. das Magnetventil wirken. In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung können die Luft- und Flammenüberwachungssignale
sowie die Programmsignale über ein Auswahlgatter und gegebenenfalls ein Negationselement
auf einen Störmelder geschaltet sein, wobei dieses Gatter den Störmelder schon beim
Vorliegen nur eines Störsignals ansprechen läßt. Auch hier ermöglicht die Anwendung
eines Auswahlgatters eine Vereinfachung der Schaltung.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen an einem Schaltungsbeispiel
erläutert. Es zeigt F i g. 1 den Steuerkreis für die Zündung und die Brennstoffzufuhr,
F i g. 2 den Programmkreis, F i g. 3 den Luftüberwachungskreis, F i g. 4 den Flammenüberwachungskreis
und F i g. 5 ein Schaltbild für einen Störmelder.
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Der in F i g. 1 dargestellte Steuerkreis ist über einen von Hand betätigten
Schalter 1 und einen vom Thermostaten betätigten Schalter 2 an die Netzspannung
angeschlossen und speist einen Gebläsemotor 3 für die Verbrennungsluft und einen
Transformator 4, an dessen Sekundärwicklungen die Versorgungsspannungen für die
einzelnen Steuer-, Programm- und Überwachungskreis teilweise über Gleichrichteranordnungen
abgegriffen werden. Der Thermostatschalter 2 liefert das in den Figuren mehrfach
eingetragene Einschaltsignal E.
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über den Transistor 6 wird die das Zündelement 5 und den Hochspannungstransformator
7 enthaltende Zündvorrichtung mit der erforderlichen Zündspannung versorgt. Der
Transistor 6 ist hierbei so ausgelegt, daß er erst bei einem bestimmten von dem
als »UND«-Auswahlgatter ausgebildeten Zündgatter 8 als Zündgattersignal ZG gelieferten
Basispotential die Zündspannung durchschaltet. In den Versorgungsstromkreis des
Magnetventils 9 ist ebenfalls ein Steuertransistor 10 eingeschaltet, dessen Basispotential
von dem Ventilgattersignal VG bestimmt wird. Das Ventilgattersignal VG wird
von dem als »ODER«-Gatter ausgebildeten Ventilgatter 11 geliefert, das seinerseits
an die Ausgänge des Zündgatters 8 und eines weiteren als »Und«-Gatter ausgebildeten
Flammengatters 12 angeschlossen ist.
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Der Programmkreis (F i g. 2) ist an die Gleichstromversorgung des
Transformators 4 angeschlossen und enthält im wesentlichen zwei Kondensatoren
13, 14, von denen zunächst der eine, 13, und dann der andere, 14,
aufgeladen werden. Am Ausgang A des Programmkreises werden die Programmsignale abgegeben.
Während der Ladezeit des Kondensators 13 wird das erste Programmsignal A1, während
der Ladezeit des Kondensators 14 das zweite Programmsignal A2 und nach Anschluß
der Ladezeit dzs Kondensators 14 das dritte Programmsignal A3 abgegeben. Das Signale
Al wirkt während der Vorspül= zeit des Gebläsemotors 3 und das Signal A2 während
der Zünddauer der Zündvorrichtung. Das Signal A3 ist dem Normalbetrieb zugeordnet.
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Der Kondensator 15 kann über einen Schalter 16 zusätzlich zugeschaltet
werden, wenn der Brennstoff, z. B. Öl, eine längere Zünddauer erfordert.
Das Relais 17 schließt bei Ausfall der Versorgungsspannung den Kondensator 13 über
den Widerstand 18 kurz, so daß die Zeitverhältnisse für die Programmsignale Al und
A2 bei jedem erneuten Einschalten immer gleich sind. In den Emitterkreis des dem
Kondensator 13 zugeordneten Transistors ist eine Zenerdiode 30 geschaltet, die eine
Verlängerung der Ladezeit des Kondensators und eine sprunghafte Änderung des Programmsignals
A2 bei Erreichen der Durchbruchspannung der Zenerdiode bewirkt.
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Der Luftüberwachungskreis (F i g. 3) enthält einen beheizten und vom
Luftstrom gekühlten Thermistor 19 und liefert über den Transistor 20 das Luftmengenstörsignal
T1, wenn die Verbrennungsluftzufuhr ausgefallen ist, und das Luftmengensignal T2
bei ordnungsgemäßem Betrieb, wobei der Thermistor 19
in Abhängigkeit von der
zuströmenden Verbrennungsluftmenge einen bestimmten Widerstandswert annimmt.
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Der Flammenüberwachungskreis (F i g. 4) enthält eine das Flammenbild
erfassende, bei ultravioletter Einstrahlung leitend werdende Diode 21. über den
Transistor 22 werden die FlammenüberwachungssignaleF abgegeben, wobei das FlammenstörsignalFl
bei fehlender Flamme und das Flammensignal F2 bei vorhandener Brennerflamme geliefert
werden.
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Durch die Anwendung einer auf ultraviolette Strahlen reagierenden
Diode ist es möglich, aus jedem Flammenbild Wellenlängen von 2000 bis 3000 A zwecks
Sicherheitsüberwachung zu benutzen. Durch Überwachung dieses Wellenbereiches, für
den die Empfindlichkeit der UV-Diode besonders hoch ist, wird erreicht, daß nur
die effektiven Flammenbilder für die Steuerung herangezogen werden, ohne daß Rückstrahlungen
durch heiße Kesselwände, glühende Schamotte usw. registriert werden, da bei diesen
keine molekularen Verbrennungsvorgänge vorliegen und keine ultravioletten Strahlen
entstehen.
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Die Diode wird aus steuerungstechnischen Gründen mit Netzspannung
(50 Hz, 220 V) beaufschlagt, so daß bei Unterbrechung der Flamme jeweils im periodischen
Ablauf der Netzfrequenz die in der Diode stattfindende Leitung unterbrochen wird.
Die Unterbrechung geschieht jeweils, wenn der Phasendurchgang der Wechselspannung
durch Null geht. Es kann also eine Störung innerhalb einer hundertstel Sekunde erfaßt
werden.
F i g. 5 zeigt einen Stromkreis für eine bei Störung aufleuchtende
Lampe 23. Dieser Kreis weist ein Auswahlgatter 24 mit nachgeschaltetem Negationselement
25 auf, das die Programmsignale A und Luftüberwachungssignale F in die Größen
Ä und F umkehrt. Der Transistor 26 schaltet in Abhängigkeit von den Programmsignalen
bzw. Flammenüberwachungssignalen bei Vorliegen nur eines Störsignals die Lampe 23
od. dgl. ein.
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In der Zeichnung und der Beschreibung sind die bereits erläuterten,
im folgenden nochmals tabellarisch zusammengefaßten Signale und Bezugszeichen dafür
verwendet:
| A |
| A2 A Programmsignale |
| A3 |
| T, Luftmengenstörsignal T Luftüberwachungs- |
| T2 Luftmengensignal Signale |
| F, Flammenstörsignai F Flammenüber- |
| F2 Flammensignal j wachungssignale |
| ZG Zündgattersignal 1 |
| FG Fiammengattersignal Gattersignale |
| VG Ventilgattersignal |
| E Einschaltsignal |
Die Wirkungsweise der Anordnung ist wie folgt: Nach Einschalten des Thermostaten
2, der das Einschaltsignal E bewirkt, fördert der Gebläsemotor 3 sofort Verbrennungsluft
und spült den Brennraum vor, während der Luftüberwachungskreis (F i g. 3) bei Vorbeiströmen
einer ausreichenden Verbrennungsluftmenge am Thermistor
19 das Luftmengensignai
T2 liefert. Dieses wird dem Zündgatter 8 zugeführt, an das auch der die Programmsignale
A abgebende Ausgang des Programmkreises (F i g. 2) angeschlossen ist. Sobald der
Programmkreis das Signal A1 liefert, ist die Auswahlbedingung des als »UND«-Gatter
ausgebildeten Zündgatters 8 erfolgt, und das Zündgatter gibt das Zündgattersignal
ZG ab, welches dem Transistor 6 das notwendige Basispotential zuführt, so daß die
Zündvorrichtung eingeschaltet und am Zündelement 5 Zündfunken abgegeben werden.
Das Zündgattersignal ZG wird außerdem dem Ventilgatter 11 zugeführt, welches, da
es als »ODER«-Gatter ausgebildet ist, das Ventilgattersignal VG abgibt und dadurch
die Einschaltung des Magnetventils für die Brennstoffzufuhr bewirkt. Wenn durch
das Einschalten der Brennstoffzufuhr und die Abgabe der Zündfunken die Flammenbildung
erfolgt ist, wird vom Flammenüberwachungskreis (F i g. 4) das Flammensignal F2 geliefert,
welches zusammen mit dem schon vorliegenden Luftmengensignal T., und dem Einschaltsignal
E dem Flamengatter 12 zugeführt wird, wobei nun dessen Auswahlbedingungen erfüllt
sind und das Flammengattersignal FG abgegeben wird, welches auf das Ventilgatter
11 wirkt und dessen Ventilgat tersignal VG aufrechterhält, auch wenn nach
Ablauf der Dauer des der Zündzeit zugeordneten Programmsignals A., vom Zündgatter
kein Zündgattersignal ZG mehr abgegeben wird und die Zündung abschaltet. Auf Grund
der Eigenschaften der verwendeten »UND«- bzw. »ODER«-Gatter bleibt das Magnetventil
nur bei Einhaltung der der jeweiligen Programmzeit zugeordneten Signale und damit
der für eine Verbrennung erforderlichen Bedingungen geöffnet, während es bei Vorliegen
auch nur eines Störsignals oder Ausfall eines Signals geschlossen wird. Das Magnetventil
wird also während des Zündvorganges nur bei Vorliegen des Einschaltsignals E, des
Luftmengensignals T2 und des Programmsignals Az sowie während des Dauerbetriebes
nur bei vorliegenden Einschaltsignalen E, des Luftmengensignals T2 und des Flammensignals
F2 offenge%alten, was durch das »ODER«-Symbol y in der am Magnetventükreis angeordneten
Klammerbezeichnung verdeutlicht wird.