DE19631821C2 - Verfahren und Einrichtung zur Sicherheits-Flammenüberwachung bei einem Gasbrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sicherheits- Flammenüberwachung bei einem Gasbrenner mit einer Ionisationselektrode im Flammenbereich, von der während des Brennerbetriebs ein Ionisationssignal abgeleitet wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In der DE 44 33 425 A1 ist eine Regeleinrichtung zum Einstellen eines Gas-Verbrennungsluft-Gemisches bei einem Gasbrenner beschrieben. Einer vom verbrennungsabhängigen Ionisationsstrom der Ionisationselektrode abhängigen Spannung wird für eine sichere Auswertbarkeit des Ionisationsstroms eine Wechselspannung überlagert, die bei der weiteren Verarbeitung des Ionisationssignals ausgefiltert wird. Zur Sicherheits-Flammenüberwachung ist ein Schmitt- Trigger vorgesehen, der die Gaszufuhr sperrt, wenn die Flamme erlischt, d. h. ein Ionisationssignal nicht vorliegt.

Aus der DE 195 02 901 C1 ist eine weitere Regeleinrichtung für einen Gasbrenner bekannt. Dort ist von der Tatsache ausgegangen, daß die Intensität der Flammen immer schwankt, also ein flackerndes Flammenbild besteht. Es ist erkannt, daß die Amplituden dieser Schwankungen von dem Gas-Luftverhältnis (Lambdawert) des Verbrennungsgases abhängen. Eine Sicherheits-Flammenüberwachung zur Gasabschaltung beim Flammenausfall ist nicht erwähnt.

Gasgeräte müssen bekanntermaßen hohen Sicherheitsanforderungen genügen. Nach Sicherheitsvorschriften (EN 298) durchläuft der Flammenwächter bei Gasgeräten für Dauerbetrieb während des Betriebs in regelmäßigen Abständen, mindestens einmal pro Stunde, eine Selbstprüfung. Bei Gasgeräten für intermittierenden Betrieb muß der Gasbrenner innerhalb von 24 Stunden mindestens einmal abschalten, um die Funktion des Flammenwächters überprüfen zu können. Dabei ist nicht ausgeschlossen, daß es während des Brennerbetriebs zu einem Defekt des Flammenwächters kommt und zusätzlich die Flamme erlischt. Der Feuerungsautomat kann dies zunächst nicht erkennen und kein Gasabschaltsignal auslösen, was zur Folge hat, daß unverbranntes Gas bis zur nächsten Selbstüberprüfung des Flammenwächters bzw. Abschaltung des Brenners ausströmt.

Aus der DE 43 09 454 A1 ist ein Ionisationsflammenwächter bekannt, bei dem ein auf eine Betriebsspannung geladener Kondensator durch den Ionisationsstrom entladen wird. Während des Betriebs kann der Ionisationsflammenwächter mittels eines Testsignals auf seine Funktion geprüft werden. Die Ionisationselektrode selbst und deren Anschlußkabel sowie in bestimmten Störungsfällen der Kondensator können nicht mitüberprüft werden. Die Überwachung der Flammen erfolgt nur indirekt. Außerdem wird der Flammenwächter durch das Testsignal nur in periodisch wiederkehrenden Zeitabschnitten überprüft.

In der DD 41 519 ist eine Überwachungseinrichtung für einen Ölbrenner beschrieben. Dabei wird das Flackern der Brennerflamme zur Signalgewinnung ausgenutzt. Es ist auf eine Flammensonde eine Gleichstromquelle aufgeschaltet, wobei der mit der Flammenfrequenz pulsierende Gleichstrom eine Wechselspannung in einer Sekundärwicklung eines Trafos induziert. Diese Art der Auswertung ist in der Praxis problematisch und hinsichtlich der Aufschaltung einer Gleichspannung auf die Flammensonde sicherheitstechnisch bedenklich.

Die DE 36 30 177 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben von Vormischbrennern. Dabei ist es Aufgabe, den Vormischbrenner zur Minimierung der NO-Emissionen bei vollständigem Ausbrand möglichst dicht an der Grenze der Flammenstabilität zu betreiben und dabei ein Überschreiten der Flammenstabilitätsgrenze zuverlässig zu verhindern. Eine Sicherheits-Flammenüberwachung ist hier nicht vorgesehen. Neben anderen Möglichkeiten ist angegeben, daß die Amplitude der Ionisationsstrom-Schwankungen überwacht werden kann, wobei bei Annäherung an die Flammenstabilitätsgrenze der Ionisationsstrom zunehmend um den abnehmenden Mittelwert schwankt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, durch das erreicht wird, daß ein Gasabschaltsignal sowohl dann auftritt, wenn die Flamme nicht besteht, und auch dann auftritt, wenn ein Defekt besteht, der ein dem Ionisationssignal täuschend ähnliches Signal hervorruft, wobei ein solcher Defekt auf der gesamten Funktionsstrecke von der Ionisationselektrode bis zu einer Überwachungsschaltung vorliegen kann.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei diesem Verfahren wird ein charakteristisches Flammenbild, das das Ionisationssignal beeinflußt, zur Überwachung herangezogen. Es werden die Schwankungen der Flammenintensität ausgenutzt, wobei nach einer Ausführung die aufgrund des verbrennungsbedingt zwangsläufigen Flackerns des Flammenbildes auftretenden Schwankungen, und bei der anderen Ausführung der Flamme gezielt aufmodulierte Schwankungen ausgewertet werden. Vorzugsweise werden Amplitudenschwankungen ausgewertet. Es können jedoch auch, speziell bei der gezielten Modulation statt dessen oder zusätzlich, die Phase oder Frequenz ausgewertet werden.

Das Gasabschaltsignal, durch das die Gaszufuhr gesperrt wird, tritt nicht nur dann auf, wenn die Flamme erlischt. Es tritt auch dann auf, wenn infolge irgendeines technischen Defekts ein dem echten Ionisationssignal täuschend ähnliches Signal vorliegt.

Das Gasabschaltsignal tritt nur dann auf, wenn die charakteristischen Schwankungen des Flammenbildes und also das daraus abgeleitete Ionisationssignal nicht vorliegen. Ein technischer Defekt der Einrichtung, der die charakteristischen Schwankungen des Flammenbildes vortäuscht, ist in der Praxis ausgeschlossen.

Durch das Verfahren ist die gesamte Funktionsstrecke von der Ionisationselektrode bis zur Auswerteschaltung überwacht. Das Gasabschaltsignal tritt also unabhängig davon auf, ob der das Ionisationssignal vortäuschende Defekt in der Ionisationselektrode selbst oder deren Anschlußleitung oder der Überwachungsschaltung oder sonst wo im System liegt. Dadurch ist eine sehr hohe Systemsicherheit erreicht, die sogar über die bisherigen Sicherheitsvorschriften hinausgeht.

Die Sicherheits-Flammenüberwachung erfolgt auch bezüglich der Überwachung auf technische Defekte ständig während des Brennerbetriebs, also bei brennender Flamme. Es kann also nicht vorkommen, daß nach einem Defekt eine längere Zeit besteht, in der unverbranntes Gas ausströmt. Im Falle der der Flamme gezielt aufgeprägten Modulation kann es genügen, wenn das Modulationssignal periodisch erzeugt wird, wobei die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Modulationssignalen so kurz bemessen wird, daß bei einem Defekt in dieser Zeit keine gefährliche Gasmenge unverbrannt ausströmt.

Das Ionisationssignal muß nicht allein bzw. gesondert für die Sicherheits-Flammenüberwachung erzeugt sein. Es kann gleichzeitig der Verbrennungsregelung dienen, die in der DE 44 33 425 A1 oder der DE 195 02 901 C1 beschrieben ist.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die das verbrennungsbedingte Flackern der Flamme auswertet, ist im Anspruch 6 gekennzeichnet.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit der eine gezielte Modulation der Flamme vorgenommen wird, ist im Anspruch 7 gekennzeichnet.

Die Einrichtungen können in einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller mit wenig Aufwand verwirklicht sein, der zugleich auch die Verbrennungsregelung übernimmt.

Aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen ergeben sich weitere Ausgestaltungen der Erfindung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 beispielhaft einen Verlauf der Ionisationsspannung mit verbrennungsbedingten Schwankungen (Flackern),

Fig. 3 den Verlauf der Ionisationsspannung ohne die Schwankungen und

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels.

An einen Gasbrenner (1) für ein Gasheizgerät ist eine Gasleitung (2) angeschlossen, in der ein abschaltbares und regelbares Gasventil (3), beispielsweise Magnetventil, liegt. Am Gasbrenner (1) sind ein Luftanschluß (4) und gegebenenfalls ein luftförderndes, drehzahlsteuerbares Gebläse (5) angeordnet. Das Gebläse (5) ist nicht in jedem Fall notwendig; es kann sich auch um einen atmosphärischen Gasbrenner handeln.

In den Flammenbereich des Gasbrenners (1) ragt eine Ionisationselektrode (6). Auf die Ionisationselektrode (6) ist über ein kapazitives Koppelglied (7) eine Wechselspannung, vorzugsweise die Netzwechselspannung (U), aufgeschaltet. Das Koppelglied (7) besteht aus einem Kondensator und einem Widerstand. Das Koppelglied (7) liegt über einen Widerstand (8), wie der Gasbrenner (1), elektrisch an Erde.

An die Ionisationselektrode (6) ist ein Spannungsteiler (9) angeschlossen, der die auftretende Spannung beispielsweise um den Faktor 10 verringert. Mit dem Spannungsteiler (9) ist ein Filter (10) verbunden, das die Frequenz der aufgekoppelten Wechselspannung (50 Hz) aussiebt.

Am Ausgang (11) des Filters (10) liegt bei brennender Flamme ein Ionisationssignal (Ionisationsspannung Uio), wie es beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist. Das Ionisationssignal schwankt entsprechend dem zwangsläufig auftretenden Flackern der Flammen (Schwanken der Flammenintensität) um einen Mittelwert (M). Im Schwankungsverlauf treten schwächere Schwankungen, die durch die Bandbreite (S1) in Fig. 2 angedeutet sind, und stärkere Schwankungen auf, die durch die Bandbreite (S2) in Fig. 2 dargestellt sind. Abgesehen davon ändert sich die Bandbreite in Abhängigkeit vom Lambdawert, was in der DE 195 02 901 C1 beschrieben ist.

In Fig. 2 ist beispielhaft ein abfallender zeitlicher Verlauf des Mittelwerts (M) dargestellt, der sich bei einer Änderung des Luftüberschusses (Lambdawert) des jeweiligen Verbrennungsvorganges ergibt, und der zum jeweiligen Lambdawert proportional ist.

Am Ausgang (11) liegt ein erster Funktionsblock (12), der die durch das Flackern bedingten Schwankungen so gleichrichtet oder ausfiltert, daß am Ausgang (13) des ersten Funktionsblocks (12) der obengenannte Mittelwert (M) zur Verfügung steht.

Dem Ausgang (13) des ersten Funktionsblocks (12) ist ein zweiter Funktionsblock (14) nachgeschaltet, der ein um den Mittelwert (M) liegendes Amplituden-Toleranzband erzeugt, dessen Breite in Fig. 3 mit B bezeichnet ist. Die Toleranzbandbreite (B) ist so bemessen, daß sie kleiner ist als die kleinste Bandbreite (S1) der Schwankungen.

Der Ausgang (15) des Funktionsblocks (14) ist an einen Komparator- Funktionsblock (16) gelegt, an dem auch der Ausgang (11) liegt. Ausgangsseitig liegt der Komparator- Funktionsblock (16) an einem Rücksetzeingang eines Zeitgebers (17), der auf eine Steuervorrichtung (18) für das Gasventil (3) wirkt. Eine solche Steuervorrichtung (18) ist als "Feuerungsautomat" üblich.

Im hier interessierenden Zusammenhang muß die Steuervorrichtung (18) lediglich das Ausgangssignal des Zeitgebers (17) in ein Abschaltsignal für das Gasventil (3) umsetzen.

Der Komparator-Funktionsblock (16) vergleicht ständig, ob im Ionisationssignal (Uio) eine Amplitudenschwankung auftritt, die das Amplituden-Toleranzband (B) über- oder unterschreitet. Tritt eine solche Amplitudenschwankung auf, gibt der Komparator-Funktionsblock (16) ein Rücksetzsignal an den Zeitgeber (17).

Der Zeitgeber (17) wird durch jedes Rücksetzsignal des Komparator- Funktionsblocks (16) auf Null gesetzt und beginnt danach immer wieder erneut zu zählen. Ist die am Zeitgeber (17) voreingestellte Zeitdauer, beispielsweise 5 s, abgelaufen, und ist in dieser Zeitdauer kein Rücksetzsignal aufgetreten, dann gibt der Zeitgeber (17) ein Gasabschaltsignal an die Steuervorrichtung (18), die daraufhin das Gasventil (3) schließt. Die genannte Zeitdauer ist so eingestellt, daß in ihr im regelmäßigen, ungestörten Brennerbetrieb eine Amplitudenschwankung des Ionisationssignals sicher auftritt. Um die Empfindlichkeit nicht zu hoch zu gestalten, kann auch vorgesehen sein, daß das Gasventil erst dann abgeschaltet wird, wenn einige, beispielsweise zwei oder drei Gasabschaltsignale aufeinanderfolgen.

Die beschriebene Einrichtung arbeitet im wesentlichen folgendermaßen:

• a) Im regelmäßigen, ungestörten Brennerbetrieb, wenn also die Flamme vorliegt, erkennt der Komparator-Funktionsblock (16), daß die Amplitudenschwankungen auftreten und daß diese das vorgegebene Toleranzband (B) über- bzw. unterschreiten. Dies geschieht unabhängig von der jeweiligen Höhe des Mittelwertes (M) des Ionisationssignals, was wichtig ist, weil sich das Ionisationssignal, d. h. dessen Mittelwert (M), im normalen Brennerbetrieb ändern kann, wobei eine solche Änderung nicht zu einer Sicherheitsabschaltung führen soll. Der Komparator- Funktionsblock (16) gibt bei jeder Amplitudenschwankung immer wieder ein Rücksetzsignal an den Zeitgeber (17), bevor die an diesem eingestellte Zeitdauer abgelaufen ist. Es tritt also ein Gasabschaltsignal nicht auf.
• b) Erlischt die Flamme, dann liegt kein Ionisationssignal vor, so daß der Komparator-Funktionsblock (16) kein Rücksetzsignal erzeugt. Dementsprechend läuft der Zeitgeber (17) ab und gibt bei Erreichen der eingestellten Zeitdauer ein Gasabschaltsignal an die Steuervorrichtung (18). Das Gasventil(3) wird geschlossen.
• c) Besteht in der Einrichtung bei brennender oder nicht brennender Flamme ein Defekt, beispielsweise in der Ionisationselektrode (6), deren Anschlußleitung oder den sonstigen Einrichtungen (7 bis 16), der zu einem dem Ionisationssignal (Uio) am Ausgang (11) nur ähnlichen Signal oder dem Ausgang (15) ähnlichen Signal führt, dann erkennt der Komparator-Funktionsblock (16), daß die charakteristischen Amplitudenschwankungen fehlen und gibt kein Rücksetzsignal an den Zeitgeber (17), so daß das Gasabschaltsignal auftritt. Ein Gasabschaltsignal tritt also bei unterschiedlichen Störungen oder Defekten immer dann auf, wenn die Amplitudenschwankungen nicht vorliegen bzw. nicht erkannt werden, oder zwar vorliegen, aber nicht das Toleranzband (B) über- bzw. unterschreiten.

Nach Fig. 1 liegt am Ausgang (13) eine Regelschaltung (19), wie sie beispielsweise in der DE 44 33 425 A1 beschrieben ist. Mit dieser wird das Gasventil (3) und/oder das Gebläse (5) so geregelt, daß sich bei unterschiedlichen Gasqualitäten und unterschiedlichen Umgebungsbedingungen eine optimale Verbrennung bei einem gewünschten Lambda-Sollwert ergibt.

Die Regelschaltung (19) und die beschriebenen Komponenten (9 bis 17) lassen sich in einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor verwirklichen. Der Aufwand für die Sicherheits-Flammenüberwachung ist damit gering.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel schematisch. Fig. 1 entsprechende Teile sind mit den dortigen Bezugszeichen versehen. An das Gasventil (3) ist ein Modulator (20) angeschlossen. Dieser moduliert die Gaszufuhr zum Gasbrenner (1) so, daß sich Schwankungen der Flammenintensität ergeben. Solche gezielten Schwankungen der Flammenintensität lassen sich auch dadurch erreichen, daß die Luftzufuhr, beispielsweise mittels des Gebläses (5) (vgl. Fig. 1), gezielt moduliert wird.

Diese dem Flammenbild gezielt aufmodulierten Schwankungen bilden sich im ungestörten Brennerbetrieb im Ionisationssignal (Uio) ab. Ein auf den Modulator (20) abgestimmter Demodulator (21) erfaßt diese charakteristischen Schwankungen. Eine an den Demodulator (21) angeschlossene Flammenüberwachungsschaltung (22) überwacht, ob die vom Modulator (20) erzeugten Schwankungen im Demodulator (21) auftreten und gibt ein Gasabschaltsignal über den Modulator (20) oder direkt an das Gasabschaltventil (3), wenn die Schwankungen vom Demodulator (21) nicht erkannt werden.

Die Funktionsweise ist auch hier im wesentlichen folgende:

• a) Im ungestörten Brennerbetrieb, bei vorhandener Flamme, tritt ein Gasabschaltsignal nicht auf, weil der Demodulator (21) die vom Modulator (20) verursachten Schwankungen erfaßt.
• b) Erlischt die Flamme, dann können die vom Modulator (20) verursachten Schwankungen nicht zum Demodulator (21) gelangen. Dies hat zur Folge, daß die Flammenüberwachungsschaltung (22) ein Gasabschaltsignal erzeugt.
• c) Bei irgendeinem Defekt im Wirkungskreis Modulator-Gasventil- Flamme-Ionisationselektrode-Demodulator- Flammenüberwachungsschaltung des Systems kommt das Modulationssignal nicht richtig zum Demodulator (21). Es wird dann ein Gasabschaltsignal ausgelöst.

Die Modulation kann ständig oder periodisch, beispielsweise alle 5 bis 10 s, während einer demgegenüber kurzen Zeit, beispielsweise 1 bis 3 s, erfolgen. Durch eine periodische Modulation ist gewährleistet, daß über die Brenndauer gesehen, die Modulation nur einen geringen Einfluß auf den Lambdawert des Verbrennungsvorgangs hat.

Die Regelschaltung (19) ist in Fig. 3 nicht dargestellt. Sie kann auch bei diesem Ausführungsbeispiel vorhanden sein. Arbeitet die Regelschaltung mit einem Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller, dann kann auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Funktion der Sicherheits- Flammenüberwachung in diesen einfach integriert sein.

Claims (7)

1. Verfahren zur Sicherheits-Flammenüberwachung bei einem Gasbrenner mit einer Ionisationselektrode im Flammenbereich, von der während des Brennerbetriebs ein Ionisationssignal abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Ionisationselektrode über ein kapazitives Koppelglied eine Wechselspannung aufgeschaltet wird und daß während des Brennerbetriebs die sich aus Schwankungen der Flammenintensität ergebenden Schwankungen des daraus abgeleiteten elektrischen Ionisationssignals überwacht werden, und daß dann, wenn solche Schwankungen des Ionisationssignals nicht auftreten, ein Gasabschaltsignal ausgelöst wird, und daß die überwachten Schwankungen diejenigen Schwankungen des Ionisationssignals sind, die sich aufgrund des verbrennungsbedingten Flackerns der Flamme ergeben.

2. Verfahren zur Sicherheits-Flammenüberwachung bei einem Gasbrenner mit einer Ionisationselektrode im Flammenbereich, von der während des Brennerbetriebs ein Ionisationssignal abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Brennerbetriebs die sich aus Schwankungen der Flammenintensität ergebenden Schwankungen des daraus abgeleiteten elektrischen Ionisationssignals überwacht werden, und daß dann, wenn solche Schwankungen des Ionisationssignals nicht auftreten, ein Gasabschaltsignal ausgelöst wird, und daß die überwachten Schwankungen solche Schwankungen des Ionisationssignals sind, die sich aus einer der Verbrennungsgas- und/oder Verbrennungsluftzufuhr aufgeprägten Modulation ergeben.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ionisationssignal auch zur Regelung der Verbrennung auf einen Lambda-Sollwert ausgewertet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation während des Brennerbetriebs periodisch oder ständig erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen des Ionisationssignals, die auf den jeweiligen Verbrennungsverhältnissen beruhen, derart verarbeitet werden, daß sie die Auswertung der Schwankungen des Ionisationssignals unbeeinflußt lassen.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 3, 5, dadurch gekennzeichnet,
daß ein erster Funktionsblock (12) die Schwankungen des Ionisationssignals (Uio) unterdrückt bzw. gleichrichtet,
daß ein nachgeschalteter zweiter Funktionsblock (14) ein Amplituden- Toleranzband (B) um das Ausgangssignal des ersten Funktionsblocks (12) erzeugt, wobei das Amplituden-Toleranzband (B) so bemessen ist, daß es kleiner ist als die im Ionisationssignal (Uio) immer wiederkehrenden Amplitudenschwankungen,
daß das Ausgangssignal des zweiten Funktionsblocks (14) und das die Schwankungen enthaltende Ionisationssignal (Uio) an einen Komparator- Funktionsblock (16) gelegt sind, der dann ein Rücksetzsignal an einen Zeitgeber (17) gibt, wenn eine Amplitudenschwankung des Ionisationssignals (Uio) über oder unter das Amplituden-Toleranzband (B) hinausgeht,
und daß der Zeitgeber (17), wenn er nicht nach einer voreingestellten Zeitdauer ein Rücksetzsignal erhält, dann das Gasabschaltsignal auslöst.

7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbrennungsgas- und/oder Verbrennungsluftzufuhr des Gasbrenners (1) ein Modulator (20) angeordnet ist, dem ein Demodulator (21) für das Ionisationssignal (Uio) zugeordnet ist, der das Gasabschaltsignal auslöst, wenn er das Modulationssignal nicht erkennt.