DE2550881A1 - Flammendetektor - Google Patents

Description

Dipl.-lng. H. MITSCHERLICH 5 — 8 MÖNCHEN 22

DipL-lng. K. GUNSCHMANN StemsdorfstraSe 10

Dr. rer. not. W. KÖRBER « W»«« Dipl.-lng. J. SCHMIDT-EVERS

PATENTANWÄLTE 12. November 1975

Dr. Kö/Ne

SONY COEPORATION
7-35 Kitashinagawa-6,
Shinagawa-ku,
Tokyo / Japan

Patentanmeldung Flammendetektor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flammendetektor, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.

Mir viele Anwendungsfälle, im Haus, im Gewerbe und in der Industrie, wird als Wärmequelle die mit Flamme erfolgende Verbrennung eines Brennstoffes, insbesondere eines Gases, benutzt. Im Hinblick auf die Sicherheit ist es wichtig, dass zu keiner Zeit eine Ansammlung unverbrannten Gases im Verbrennungsraum auftritt, das zum Beispiel dann eintreten kann, wenn eine Flamme ausbleibt oder ausgeht. Ein so angesammeltes Gas kann plötzlich entzündet werden und eine Explosion hervorrufen. Daher ist es notwendig, einen Detektor vorzusehen, von dem ausgehend eine Anzeige gegeben wird, wenn die Flamme ausfällt. Von einem solchen Detektor oder von dem von ihm ausgehenden Signal wird dann die Brennstoffzufuhr in den Verbrennungsraum unterbunden. Es ist eine grosse Anzahl von Flammendetektoren verfügbar, bei denen das Ausbleiben einer Flamme überwacht werden kann, und mit denen das Entstehen eines wie voranstehend erwähnten gefähr-

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lichen Zustandes verhindert werden kann. Solche Flammendetektoren arbeiten gewöhnlich nach dem Prinzip des thermostatischen Effekts, auf dem Prinzip lichtempfindlicher thermionischer Röhren oder unter Ausnutzung elektrischer Eigenschaften von Flammengasen.

Nach dem Prinzip des thermostatischen Effekts arbeitende Flammendetektoren haben grundsätzliche Nachteile. Thermostaten haben eine langsame Ansprechgeschwindigkeit, die darauf beruht, dass eine beträchtliche Zeit zwischen dem Ausbleiben oder dem ^: Verlöschen der Flamme und der Feststellung der Abkühlung vergeht, nämlich bis eine Anzeige des Ausbleibens oder Wegfall der Flamme erfolgt. l>±cht-empfindliche thermionische Röhren erfordern kostspielige und komplizierte Verstärkereinrichtungen. Diese Einrichtungen benötigen ausserdem noch Anzeigevorrichtungen, mit denen ein Ausfall des Detektors bzw. das ordnungsgemässe Arbeiten desselben überwacht und angezeigt wird.

^; Das an dritter Stelle genannte, für Flammendetektoren verwendete Prinzip nutzt elektrische Eigenschaften aus, die den Flammengasen inhärent sind, z. B. die elektrische Leitfähigkeit I oder eine Richtleitereigenschaft. Bei einem Flammendetektor j nach dem Prinzip elektrischer Leitfähigkeit oder Richtleiter- "| j eigenschaft wird zwischen eine Flammen-Detektorelektrode und j j einem Brenner eine elektrische Spannung von mehreren hundert \ j Volt Wechselspannung angelegt. Ein geringer elektrischer Strom, j der darauf beruhend zwischen der Detektorelektrode und dem '·

ι Brenner durch die Flamme hindurch fliesst, wird mittels eines j Verstärkerkreises, der hohen Eingangswiderstand hat, verstärkt. , Ein solcher Verstärker arbeitet mit einem Feldeffekttransistor oder dgl. Es kann aber auch eine lichtemittierende Einrichtung, wie z. B. eine Neonröhre, vorgesehen sein, die unter Ausnutzung dieses geringen Strones «ur Lichtemission gebracht wird, wobei von diesem ausgesandtren Licht ein Photoleiter aktiviert bzw. beeinflusst wird. Die anzulegende Wechselspannung kann z. B. 250 Volt betragen und der festgestellte fliessende Strom hat nur etwa 4· uAmp-r

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Bei einer anderen Art eines Flammendetektors nach diesem an dritter Stelle genannten Prinzip ist nur die Detektorelektrode in die !"lamme eingeführt. Dort wird der Umstand ausgenutzt, dass einige in der Flamme "befindliche Atome und/oder Moleküle infolge der hohen Temperatur thermisch ionisiert sind. Es sind dort viele positive H,0⁺-Ionen im oberen Bereich der Flamme und viele negative HO~-Ionen im unteren Bereich der Flamme. Im mittleren Bereich der Flamme sind ausserdem zahlreiche Elektronen vorhanden, die durch thermische Ionisation erzeugt sind. Man kann dementsprechend sagen, dass die Flamme ein elektrischer Leiter ist, obwohl ein sehr hoher Widerstand vorliegt. j Wenn in der Flamme eine Elektrode angeordnet ist, werden von dieser die Elektronen einzeln aufgefangen, so dass durch die

■ Flamme ein Strom fliesst. Die Elektrode wird auf negatives Po-

■ tential aufgeladen. Dieses negative Potential wird als Detektorsignal benutzt. Im allgemeinen ist aber die Detektorspan-• nung sehr klein, z. B. nur 0,6 bis 0,8 YoIt hoch, und der Strom ist ebenfalls sehr klein, beträgt z. B. 50 bis 120 nAmp.

Mit diessribekannten Flammendetektoren lässt sich somit keine rasche und/oder zuverlässige Überwachung erreichen, weil die Detektorsignale so schwach sind.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Flammendetektor anzugeben, der gegenüber den voranstehend erwähnten Nachteilen des Standes der Technik verbessert ist. Diese Aufgabe wird mit einem wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Flammendetektor gelöst, wie er im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben ist und weitere Ausgestaltungen sind den TJnteransprüchen entnehmbar.

Bei einem erfindungsgemässen Flammendetektor ist eine Detektorelektrode vorgesehen, die in einer Flamme bzw. an dem Ort, an dem diese Flamme sich befinden soll,anzubringen ist. Weiter ist öine Hilfselektrode vorhanden, die in diese Flamme an einem Ort einzubringen ist, der im Abstand von der Detektorelektrode ist. Es sind Mittel vorgesehen, mit.denen die Detektorelektrode und

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die Hilfselektrode auf verschiedene Gleichspannungspotentiale gelegt werden können. Mit einer entsprechenden Einrichtung wird ein Signal von der Detektorelektrode abgeleitet bzw. abgenommen, das anzeigt, ob eine Flamme wie vorgesehen vorhanden ist.

Die Erfindung erstreckt sich auch auf das Betriebsverfahren zur Feststellung des Vorhandenseins oder des Nicht-Vorhandenseins einer Flamme an der für die Flamme vorgesehenen Stelle. Im Rahmen dieses Verfahrens wird die Detektorelektrode in die Flamme bzw. an den Ort, an der sich diese Flamme befinden soll, gebracht, die Hilfselektrode wird im Abstand von der Detektor-.elektrode in der Flamme angeordnet und es werden die Detektorelektrode und die Hilfselektrode auf verschiedene Gleichspannungspotentiale gelegt und von der Detektorelektrode wird ein Signal abgenommen, das angibt, ob eine Flamme vorliegt oder nicht.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung hervor. j

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine schematische Ansicht einer ersten und einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Die Fig. 3 und 4 zeigen graphische Darstellungen der Detektorspannung und des elektrischen Stromes, aufgetragen über der Gasströmung, und zwar für diese erste und diese zweite Ausführungsform.

Die Fig. 5 und 6 zeigen schematische Ansichten einer dritten und einer vierten erfindungsgemässen Ausführungsform und

Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild einer fünften erfindungsgemässen Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt einen Flammendetektor, bei dem sich eine Detektor- »elektrode 1 in einer Flamme 2 befindet. Der Brenner 3 ist geerdet* In der Flamme 2 ist ausserdem eine Hilfselektrode 4 an-

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geordnet, die sich unterhalb der Detektorelektrode 1 befindet. Das. Gleichspannungspotential der Detektorelektrode 1 ist höher gewählt als dasjenige der Hilfselektrode 4, die mittels der Gleichspannungsquelle 5 auf ein negatives Potential gelegt ist. Ein Voltmeter 6 oder ein Amperemeter ist zwischen die Detektorelektrode 1 und Masse zwischengeschaltet.

Durch die hohe Temperatur sind einige Atome und/oder Moleküle in der Flamme thermisch ionisiert. Dementsprechend sind dort viele positive H,0⁺-Ionen, die in dem oberen bzw. obersten Bereich der Flamme 3 Elektronen abgegeben haben. Viele negative H0~-Ionen befinden sich in dem unteren bzw. untersten Bereich der Flamme 2. Dort sind viele Elektronen e^ vorhanden, die durch thermische Ionisation im mittleren Bereich der Flamme 2 erzeugt worden sind. Diese Elektronen e^f werden durch die Detektorelektrode 1 eingefangen, so dass durch die Flamme 2 hindurch von der Elektrode 1 zu dem Brenner 3 sin elektrischer Strom Z* fliesst. Dies bedeutet, dass die Detektorelektrode 1 auf negatives Potential aufgeladen wird. Da auch die Hilfselektrode 4 durch die Flamme 2 wesentlich aufgeheizt wird, werden viele thermische Elektronen eö von dort entladen bzw. abgegeben und von del? Detektorelektrode 1 aufgefangen. Somit fliesst ein zweiter Strom Ι~ von der Detektorelektrode 1 zu der Hilfselek— trode 4 durch die Flamme 2 hindurch. Damit wird die Detektor- | elektrode 1 noch weiter auf negatives Potential aufgeladen. Es fliesst somit ein grosser Strom durch die Flamme 2 hindurch i und eine grosse Spannung tritt an de>r Detektorelektrode 1 auf. |

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform. Bei dieser sind die Detektorelektrode 11 und die Hilfselektrode 14 wie bei der erstgenannten Ausfuhrungsform in der Flamme 12 angeordnet. Die Detektorelektrode 11 befindet sich jedoch unterhalb der Hilfselektrode 14, die mittels einer Gleichspannungsquelle 15 gegenüber der Detektorelektrode 11 auf ein negatives Potential vorgespannt ist. Mit den Ziffern 13 und 16 sind der Brenner und ein Anzeigegerät bezeichnet.

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Eig. 3 zeigt ein Schaubild der festgestellten bzw. ermittelten •negativen Spannung, aufgetragen über der in Litern pro Minute angegebenen Gasströmung mit konstanter Luftzufuhr . Fig. 3 bezieht sich auf die Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2. Die Kurven (a), (b), (c) zeigen für verschiedene Spannungen (E), nämlich für E « -40, -30 und -20 Volt, der Spannungsquelle 5 (Fig. 1) die Änderungen der festgestellten Spannung. Die Kurven (d), (e), (f), (g) und (h) zeigen für verschiedene Spannungen (E), nämlich E » -50, -40, -30, -20 und -10 Volt, der Spannungsquelle 15 nach Fig. 2, die sich ergebenden Änderungen der fest-■ gestellten Spannung. Zusätzlich zeigt die Kurve (i) die Änderungen der festgestellten Spannung, die von einem Detektor der bekannten Art zu erhalten ist, bei dem nur die Detektorelektrode in eine Flamme eingeführt ist.

Fig. 4 zeigt Schaubilder vom Detektor festgestellter Ströme, aufgetragen über der Gasströmung, und zwar wieder für die beiden Ausführungsformen. Die Kurven (b), (d), (e), (f), (g), (h) und (i) entsprechen den Kurven (b), (d), (e), (f), (g), (h) und ' (i) nach Fig. 3· Aus den Kurven (b) nach Fig. 3 und 4 ist zu ; ersehen, dass dann, wenn eine Spannung von -30 Volt an der ^; Hilfselektrode 4 der ersten Ausführungsform anliegt, -16 Volt : . und 17 JuAmp festzustellen sind. Genauso zeigen die Kurven (d) j j nach Fig. 3 und 4, dass dann, wenn -50 Volt an die Hilfselektro- J de 14 der zweiten Ausführungsform angelegt sind, -15»5 Volt und j 13)8 /üAmp festzustellen sind. Die auftretende Spannung und der auftretende Strom sind sehr gross im Vergleich zu denjenigen Werten, die von der Kurve (i) für einen bekannten Detektor angegeben werden.

Wie dies in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, sind bei der ersten Ausführungsform, bei der die Hilfselektrode 4 sich unterhalb der Detektorelektrode 1 befindet, die festgestellte Spannung und der festgestellte Strom grosser als bei der zweiten Ausführungs— form. Das beruht vermutlich darauf, dass bei der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 zwei Arten von Elektroden e^ und eö zum oberen bzw. obersten Bereich der Flamme 2 fliessen. D. h. beide

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Arten von Elektronen eZ und eZ fliessen leicht zu den positiven Ionen, die sich in dem oberen bzw. obersten Bereich der Flamme 2 befinden. Dieser Strom der Elektronen wird durch die Strömung des Gases von unten nach oben in der Flamme unterstützt.

Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform. Die Detektorelektrode 21 und die Hilfselektrode 24- sind in der Flamme 22 angeordnet. Die Hilfselektrode 24 befindet sich unterhalb der Detektor- : elektrode 21, sie wird jedoch mit einer positiven Spannungs- ; quelle 25 vorgespannt. Die Ziffern 23 und 26 bezeichnen den Brenner und eine Anzeigeeinrichtung. Bei dieser Ausführungsform j ergeben sich bei Anliegen von +30 Volt an der Hilfselektrode 24 +3 Volt und 0,5 AiAmp Strom zur Detektorelektrode 21, bei einer Gasströmung von 13 Litern pro Minute.

Fig. 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel. In diesem Falle befindet sich eine Hilfselektrode 34 oberhalb einer Detektor- . ; elektrode 31· Die Hilfselektrode wird von einer positiven Span- ^; nungsquelle 35 vorgespannt. Mit 36 ist die Anzeigeeinrichtung bezeichnet. Wenn die Hilfselektrode 34 auf eine Spannung +30 Voljb vorgespannt wird, werden +4 Volt festgestellt und es fliesst ein Strom von 0,5/uAmp zur Detektorelektrode 31·

Bei der dritten und der vierten Ausführungsform wird somit eine niedrige Spannung an der jeweiligen Detektorelektrode festgestellt. Dies beruht vermutlich darauf, dass bei der in Fig. 5 gezeigten dritten Ausführungsform die Detektorelektrode 21 wie oben erwähnt, mit negativem Potential aufgeladen wird, andererseits aber ein Strom I2 durch die Flamme 22 von der Hilfselektrojde 24 zur Detektorelektrode 21 fliesst, wie dies angezeigt ist. Dies beruht auf der positiven Spannungsquelle 25· Damit entsteht ein positives Potential an der Detektorelektrode 21. Dieses positive Potential überragt das oben erwähnte negative Potential derart, dass ein kleines positives Potential an der Bßtektorelektrode 21 auftritt.

Ein für die Detektorelektrode bevorzugtes Material enthält 0,1 % Barium 0,2 % Magnesium, 0,1% Kohlenstoff und der Rest 1st

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Nickel. Es empfiehlt sich, mehr als ein Element der Gruppe Ha des Periodischen Systems zu verwenden, das eine Elektronen-Austrittsarbeit von weniger als 3 eY hat. Zum Beispiel sind dies Magnesium, Calcium, Strontrium oder Barium. Die Austrittsarbeit all dieser Elemente ist kleiner als 3 eV, so dass eine Elektrode, die ein oder mehrere dieser Elemente enthält, leicht die Elektronen eZ sammelt, die durch thermische Ionisation erzeugt sind, so dass ein im wesentlichen negatives Potential an der Detektorelektrode erzeugt wird. Andere Beispiele für Materialien für eine Detektorelektrode sind:

1. 12 bis 15 % Chrom, weniger als 0,5 % Silicium, weniger als 0,15 % Kohlenstoff, 0,1 % Strontium, 0,1 % Kupfer und der Rest Nickel.

2. 23 % Chrom, 6 % Aluminium, 2 % Kobalt, weniger als 0,1 % Kohlenstoff, 0,1 % Strontium und der Rest Eisen.

3. 18 % Chrom, 8 % Nickel, weniger als 1 % Silicium, weniger als 2 % Mangan, weniger als 0,0J % Kohlenstoff, 1 % Strontium, 1 % Calcium und der Rest Eisen.

Die oben angegebenen Prozentwerte sind Gewichtsprozente.

Fig. 7 zeigt eine fünfte Ausführungsform. In diesem Falle sind die Detektoreletrode 4-1 und die Hilfselektrode 44 in einer Flamme 42 eines Brenners 43 angeordnet. Die Hilfselektrode 44 ist von der negativen Spannungsquelle 45 auf negatives Potential vorgespannt. Bei dieser Ausführungsform ist eine" zusätzliche Vorspannungsquelle 47 mit der Detektorelektrode 41 verbunden, und zwar derart, dass sie die Detektorelektrode 41 auf positives Gleichspannungspotential vorspannt. Mit dieser fünften Ausführuhgsform wird ein grosses Detektorsignal erhalten, das dem Verstärker 48 zugeführt wird.' Das Ausgangssignal desselben geht an einen Antriebsschaltkreis 49, der eine geeignete Schaltereinrichtung und Relais enthält. Das Ausgangssignal des Schalt·!- kreises 49 steuert ein Ventil 50, das sich in der Gaszuführungs-j leitung 51 befindet. Wenn die Flamme 42 ausgeht, gelangt kein Ausgangssignal an das Ventil 50 und es wird dem Brenner 43 kein Gas'zugeführt. ■

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Die voranstebenden Ausführungsbeispiele sind in Bezug auf eine Gasflamme erläutert. Die Erfindung kann auch auf Flammen anderer Brennstoffe angewendet werden- Im Eahmen der beschriebenen Erfindung können auch weitere Ausgestaltungen und Variationen der Erfindung vorgesehen sein.

ORIGINAL INSPECTED

Ansprüche:

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Claims (7)

1. -Ιο-Ansprüche

   . Flammendetektor mit einer auf ein Potential vorgespannten Detekorelektrode, die am Ort einer Flamme angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hilfselektrode in dieser Flamme in Abstand von der Detektorelektrode vorzusehen ist und eine erste Einrichtung (15) zum Vorspannen der Detektorelektrode (11) und der Hilfselektrode (14) auf verschiedene Gleichspannungspotentiale und eine zweite Einrichtung (16) zum Ableiten bzw. Feststellen eines Signals an der Detektorelektrode (11) vorgesehen sind, wobei dieses Signal anzeigt, ob an dem für die Flamme (2) vorgesehenen Ort eine solche Flamme vorliegt oder nicht.
2. 2. Flammendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einrichtung (5) die Hilfselektrode (4) auf negatives Potential, bezogen auf die Detektorelektrode (1), vorspannt.
3. 3. Flammendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einrichtung die Hilfselektrode auf positives Potential, bezogen auf die Detektorelektrode, vorspannt.
4. 4. Flammendetektor nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Hilfselektrode (4) unterhalb der Detektorelektrode (1) befindet.
5. 5. Flammendetektor nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Hilfs&ektrode (14) oberhalb der Detektorelektrode (11) befindet.

   -11-ORiGIKAL INSPECTED

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6. 6. Flammendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5_r dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelektrode aus einem Material besteht, das wenigstens eines der Elemente der Gruppe Ha des periodischen Systems enthält, wobei die Elektronen-Austrittsarbeit dieses Elementes kleiner als 3 eV ist.
7. 7. Verfahren zum Betrieb eines Flammendetektors nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

   Der Patentanwalt

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