DE4309454C2 - Ionisationsflammenwächter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ionisationsflammenwächter ins­ besondere für Gasfeuerungsautomaten. Ein solcher Ionisati­ onsflammenwächter soll nicht nur sicher das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Flamme in einem Gasfeuerungs­ automaten erkennen können, sondern auch die Möglichkeit bie­ ten, auf ein z. B. von einer übergeordneten automatischen Steuerung erzeugtes Prüfsignal hin auf seine Funktionstüch­ tigkeit geprüft zu werden und außerdem eine Aussage über den fließenden Ionisationsstrom ermöglichen.

Aus der DE 28 41 270 C2 ist eine Flammenüberwachungs­ schaltung bekannt, mit der gleichzeitig ein Brennstoffventil eines Brenners gesteuert werden soll. In der Druckschrift geht es in erster Linie darum, die Flammenmeldung und die Flammenabmeldung zu verzögern. Dadurch soll beim Start des Brenners eine Nachzündzeit zur Flammenstabilisierung und im Betrieb eine Überbrückung eines "wackligen" Flammensignals erreicht werden. Die Überwachungseinrichtung soll also ver­ zögert auf die Flammenüberwachung reagieren, um die Flamme zu stabilisieren. Außerdem wird in der DE 28 41 270 C2 eine Rückkopplungsschaltung beschrieben, die definierte Schalt­ zustände des Überwachungsgerätes garantiert.

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, einen einfachen und sicheren Ionisationsflammenwächter so zu ermöglichen, daß seine Funktion während des Betriebs prüfbar und daß er gleichzeitig ein Signal erzeugt, das eine Aussage über die Größe des fließenden Ionisationsstroms zuläßt.

Eine Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale angegeben. Wesent­ liches Merkmal der Erfindung ist, daß ein mit dem Sekundär­ kreis eines Zündübertragers verbundener Kondensator vorgesehen ist, der, wenn kein Ionisationsstrom fließt, auf einen bestimmten Spannungswert aufgeladen ist und bei Fließen eines Ionisationsstroms so entladen wird, daß seine Entladegeschwindigkeit ein Maß für die Höhe des Ionisations­ stroms ergibt, wobei ein Eingang einer Überwachungsschaltung mit dem Kondensator verbunden ist, um, wenn die Spannung über dem Kondensator einen vorbestimmten Spannungswert unterschreitet, ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches das Vorhandensein einer Flamme angibt.

Im Gegensatz zur Flammenüberwachungsschaltung nach der DE 28 41 270 C2 wird mit dem Ionisationsflammenwächter gemäß der vorliegenden Erfindung eine quantitative Erfassung des Ionisationsstromes, insbesondere der Entladegeschwindigkeit als Maß für die Höhe des Ionisationsstromes erreicht. Außer­ dem besteht mit dem erfindungsgemäßen Ionisationsflammen­ wächter eine Testmöglichkeit des sicheren Funktionierens der Überwachungsschaltung.

Die Schaltung nach der DE 28 41 270 C2 weist insbesondere keinen Zündübertrager und damit auch keinen Sekundärkreis des Zündübertragers sowie einen damit verbundenen Konden­ sator auf. Vielmehr ist gemäß der DE 28 41 270 C2 entweder ein Anzünden der Flamme durch ein Zündholz oder beispiels­ weise durch eine Zündeinrichtung mit einem heißen Draht vor­ gesehen, wobei aber kein elektrischer Zündübertrager wie beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung offenbart ist. Die in der DE 28 41 270 C2 beschriebenen Kondensatoren 77 und 82 dienen nicht der Messung der Entladegeschwindigkeit eines durch eine Flamme hervorgerufenen Ionisationsstromes in einem heißen Plasma, sondern lediglich der Verzögerung des Flammensignals der Flammenüberwachung, um kurze Flammen­ unterbrechungen zu überbrücken.

Die Verbindung des Kondensators mit dem Sekundärkreis des Zündübertragers erfolgt bei Ausführungsformen der Erfindung bevorzugt durch eine Koppelschaltung, die im einfachsten Fall wenigstens ein Widerstandsglied enthält. Um den Flammenwächter in Aktion zu setzen, kann bei einer Alter­ native die Koppelschaltung durch ein von außen zugeführtes Signal aktiviert oder desaktiviert werden.

Die Überwachungsschaltung ist bevorzugt als Schwellwert­ schalter mit Hysterese ausgeführt. Zur Prüfung des Ionisa­ tionsflammenwächters ist eine Testschaltung vorgesehen, die mit dem Entladekreis des Kondensators verbunden ist, um wäh­ rend des Betriebs bei vorhandenem Ausgangssignal der Über­ wachungsschaltung ein Nichtvorhandensein der Flamme zu simu­ lieren. Dadurch ist es bei der Prüfung des Ionisationsflam­ menwächters in keinem Fall möglich, eine Flamme zu simulie­ ren.

Bevorzugt weist die Testschaltung eine mit einem Prüfsignal beaufschlagte Transistorschaltung auf, um abhängig vom Prüf­ signal dem Eingang der Überwachungsschaltung eine Spannung anzulegen, welche das Nichtvorhandensein der Flamme simu­ liert. In einer bevorzugten Weiterbildung ist in der Transi­ storschaltung ein Optokoppler vorgesehen, um das Prüfsignal galvanisch von der sonstigen Ionisationsflammenwächterschal­ tung zu isolieren.

Die Geschwindigkeit der Entladung läßt über die Zeitkonstan­ te des Kondensators auf die Größe des Ionisationsstroms schlie­ ßen. Aus diesem Grund ist bevorzugt eine mit dem Ausgangssi­ gnal der Überwachungsschaltung beaufschlagte Auswerteschal­ tung vorgesehen, die unmittelbar auf die Beendigung des Prüfsignals die Zeitdauer mißt, bis die Spannung an dem Kondensator den vorbestimmten Spannungswert unterschritten hat.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Auswerte­ schaltung einen Mikroprozessor auf, der auch gleichzeitig das Prüfsignal erzeugen kann. Die Auswerteschaltung kann das Prüfsignal in vorgegebenen periodischen Zeitabschnitten er­ zeugen oder alternativ abhängig von Betriebsbedingungen des Gasfeuerungsautomaten.

Die vorgeschlagene Schaltung läßt sich leicht so miniaturi­ sieren, daß sie in einem Stecker eines Kabels unterbringbar ist, welcher einen elektrischen Anschluß der Zündelektrode bildet.

Nachfolgend wird die Erfindung in mehreren Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Von den Zeichnungsfigu­ ren zeigen:

Fig. 1 Ein prinzipielles Blockschaltbild des erfindungs­ gemäßen Ionisationsflammenwächters;

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsart des Ionisations­ flammenwächters zusammen mit einer Betriebsspan­ nungs-Generatorschaltung;

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel der Testschaltung;

Fig. 4 eine zweite Ausführungsart der Testschaltung;

Fig. 5 eine Ausführungsart einer Schnittstellenschaltung zwischen dem Ausgang der Überwachungsschaltung und dem Eingang der Auswerteschaltung; und

Fig. 6 ein Funktions-Zeitdiagramm des erfindungsgemäßen Ionisationsflammenwächters gemäß Fig. 2.

Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Prinzip-Blockschaltbild des Ionisationsflammenwächters ist mit der Sekundärseite b eines Zündübertragers Ü, an der ein Zündfunke erzeugt wird, über eine Koppelschaltung K ein Kondensator C₃ verbunden. So­ lange zwischen der Zündelektrode Z und der schematisch ange­ deuten Masseleitung keine Flamme vorhanden ist, wird der Kondensator C₃ über den Widerstand R₃ auf die Betriebsspan­ nung U_B aufgeladen. Sobald infolge der Flammenentwicklung ein Ionisationsstrom I_F fließt, wird der Kondensator C₃ ent­ laden. An das mit E bezeichnete Ende des Kondensators C₃ ist ein Eingang S_e einer Überwachungsschaltung S angeschlossen, die erkennt, wenn der Kondensator C₃ entladen ist, d. h., wenn die Spannung U_c3 über dem Kondensator C₃ unter einen vorgegebenen Spannungswert abgefallen ist. Der Ausgang der Überwachungsschaltung S gibt dann ein entsprechendes Aus­ gangssignal S_a ab, das von einer Auswerteschaltung A ausge­ wertet werden kann. Mit dem Schaltungspunkt E ist über eine gestrichelt gezeichnete Leitung eine Testschaltung T verbun­ den, welche auf ein Prüfsignal "Test" hin den Eingang S_e der Überwachungsschaltung S auf die Betriebsspannung U_B zieht. Der Test des Ionisationsflammenwächters wird nur im Betrieb, d. h. bei vorhandener Flamme, durchgeführt. Dadurch und durch die geschilderte Entladung des Kondensators C₃ durch den Ioni­ sationsstrom kann es nicht vorkommen, daß beim Testvorgang eine Flamme simuliert wird, was aus sicherheitstechnischen Gesichtspunkten sehr wichtig ist.

Nachfolgend werden anhand der Fig. 2 bis 6 eine bevorzugte Gesamtschaltung des Ionisationsflammenwächters, alternative Schaltungsvarianten der Testschaltung T und eine Schnitt­ stellenschaltung zwischen dem Ausgang S_a der Überwachungs­ schaltung S und einer Auswerteschaltung A sowie deren Funk­ tion näher beschrieben.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung weist außer der eigentli­ chen Ionisationsflammenwächter-Schaltung eine die Betriebs­ spannung U_B erzeugende Spannungsgeneratorschaltung auf. Ein üblicher aus einem Widerstand R₁, einem Kondensator C₁, ei­ ner Zweiweg-Gleichrichterschaltung V₁ und einer Zenerdiode V₂ bestehender Spannungsgenerator, wobei die Gleichrichter­ schaltung zwischen einer Phase L₁ und einem Nulleiter N an­ geschlossen ist, erzeugt die zur Aufladung des Kondensators C₃ über den Widerstand R₃ dienende Betriebsspannung U_B. Fer­ ner ist in Fig. 2 noch ein Überspannungsableiter F₁ mit der den Ionisationsstrom I_F führenden Leitung gekoppelt, welcher an seinem anderen Ende zu einer Schutzleiterklemme P_E ge­ führt ist. Die Koppelschaltung K weist, wie bereits erwähnt, ein Widerstandsglied R₂ auf, welches auch als Sicherungswi­ derstand bei Kurzschluß des Ionisationseingangs fungiert. Die Überwachungsschaltung besteht aus der Serienschaltung von R₃ mit C₃ und einem mit dem Schaltungspunkt E verbunde­ nen Schwellwertschalter V₅ mit Hysterese. Steigt die Span­ nung am Schaltungspunkt E über 2/3 U_B, schaltet das Aus­ gangssignal des integrierten Schwellwertschalter V₅ in den Zustand "0". Solange keine Flamme vorhanden ist, ist der Kondensator C₃ demnach auf die Betriebsspannung U_B aufgela­ den, und der Ausgang des Schwellwertschalter V₅ ist "0". Fließt jedoch aufgrund einer Flammenentwicklung ein Ionisa­ tionsstrom, wird der Kondensator C₃ über die Koppelschaltung K entladen und die Spannung am Eingang von V₅ sinkt unter den vorgegebenen Spannungswert, d. h., im Ausführungsbeispiel unter 1/3 U_B. Dann geht das Ausgangssignal S_a des Schwell­ wertschalters V₅ auf "1". Das Funktions-Zeitdiagramm in Fig. 6 zeigt das Zeitverhalten des Ionisationsstroms, der Konden­ satorspannung U_c3 bei vorhandenem und nichtvorhandenem Ioni­ sationsstrom I_F und im Fall des Testsignals bei vorhandener Flamme sowie das Zeitverhalten des Ausgangssignal S_a am Aus­ gang der Überwachungsschaltung S. Die Testschaltung T zieht das Eingangssignal S_e der Überwachungsschaltung S bei Anlie­ gen des Testsignals "Test" auf die Betriebsspannung U_B. Das Ausgangssignal S_a der Überwachungsschaltung S, d. h. des Schwellwertschalters V₅, gibt in diesem Moment an: "keine Flamme". Der Test wird also während des Betriebs, bei vor­ handener Flamme, durchgeführt. Dies ist aus sicherheitstech­ nischen Gesichtspunkten wichtig, und es ist bei der Durch­ führung des Tests in keinem Falle möglich, eine Flamme zu simulieren. Die Auswerteschaltung A, die mit dem Ausgang S_a der Überwachungsschaltung S zusammengekoppelt werden kann, ermöglichst es, die Zeitdauer dt zu messen, die der Konden­ sator C₃ benötigt, sich bei vorhandener Flamme auf 1/3 U_B zu entladen. Diese Zeitdauer dt oder Entladegeschwindigkeit ist ein Maß für die Stärke des fließenden Ionisationsstroms. Der Ionisationsstrom ist umgekehrt proportional zur Zeitdauer dt. Selbstverständlich ist die Zeitdauer dt auch von der Ka­ pazität des Kondensators C₃, dem Widerstand R₂ und dem Flam­ menwiderstand abhängig.

Die in Fig. 3 gezeigte erste Variante T₁ der Testschaltung enthält eine aus zwei Transistoren V₇ und V₈ bestehende Transistorschaltung, die beim Anlegen des Signals "Test" die Betriebsspannung U_B an den Schaltungspunkt E legt. Die zwei­ te Variante T₂ der Testschaltung enthält gemäß Fig. 4 einen Optokoppler V₉, der eine galvanische Trennung des Testsi­ gnals "Test" von der übrigen Schaltung des Ionisationsflam­ menwächters bewirkt.

Die Schaltung gemäß Fig. 5 zeigt einen Optokoppler V₁₀, der eine galvanische Entkopplung der Auswerteschaltung A vom Ausgang der Überwachungsschaltung S ermöglicht.

Die Auswerteschaltung A selbst ist nicht dargestellt, es ist jedoch deutlich geworden, daß diese Schaltung bevorzugt eine Auswerteschaltung für die Zeitdauer dt aufweisen sollte. Insbesondere bevorzugt weist die Auswerteschaltung A einen Mikroprozessor auf, der auch das Testsignal "Test" erzeugen kann.

In Fig. 1 ist noch die Möglichkeit dargestellt, die Koppel­ schaltung K mittels eines Koppeleinschaltsignals K_E zu akti­ vieren bzw. zu desaktivieren. Das Signal K_E kann ebenfalls von dem Mikroprozessor der Auswerteschaltung erzeugt werden.

Claims (10)

1. Ionisationsflammenwächter insbesondere für Gasfeue­ rungsautomaten, gekennzeichnet durch einen mit dem Sekundärkreis (b) ei­ nes Zündübertragers (Ü) verbundenen Kondensator (C₃), der bei nicht vorhandener Flamme auf einen bestimmten Span­ nungswert (U_B) aufgeladen ist und von einem bei Vorhan­ densein einer Flamme fließenden Ionisationsstrom (I_F) so entladen wird, daß seine Entladegeschwindigkeit ein Maß für die Höhe des Ioni­ sationsstroms ergibt, wobei ein Eingang (S_e) einer Überwachungsschaltung (S) mit dem Kondensator (C₃) verbunden ist um, wenn die Span­ nung (U_c3) über dem Kondensator (C₃) einen vorbestimmten Spannungswert unterschreitet, ein Ausgangssignal (S_a) zu erzeugen, welches das Vorhandensein einer Flamme an­ gibt.

2. Ionisationsflammenwächter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine mindestens ein Widerstandsglied (R₂) enthaltende Koppelschaltung (K) zwischen den Kondensator (C₃) und den Sekundärkreis (b) des Zündübertra­ gers (Ü) geschaltet ist.

3. Ionisationsflammenwächter nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß als Überwachungsschaltung (S) ein Schwellwertschalter mit Hysterese vorgesehen ist.

4. Ionisationsflammenwächter nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Testschaltung (T) vorgesehen ist, die mit dem Ent­ ladekreis des Kondensators (C₃) verbunden ist, um während des Betriebs bei vorhandenem Ausgangssignal (S_a) zu der Überwachungsschaltung (S) ein Nichtvorhandensein der Flamme zu simulieren.

5. Ionisationsflammenwächter nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Testschaltung (T) eine mit einem Prüfsignal (Test) beaufschlagte Transistorschaltung ist, um abhängig vom Prüfsignal (Test) an den Eingang (S_e) der Überwachungsschaltung (S) eine Spannung (U_B) zulegen, welche das Nichtvorhandensein der Flamme simu­ liert.

6. Ionisationsflammenwächter nach Anspruch 4 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Auswerteschaltung (A) vorgesehen ist, der das Ausgangssignal (S_a) der Überwa­ chungsschaltung (S) zugeführt wird.

7. Ionisationsflammenwächter nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (A) abhängig vom Zeitpunkt der Beendigung des Prüfsignals (Test) die Entladedauer (dt) des Kondensators (C₃) mißt, bis zum Zeitpunkt, wo der vorbestimmte Spannungswert an dem Kondensator (C₃) unterschritten ist.

8. Ionisationsflammenwächter nach Anspruch 6 oder 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (A) ei­ nen Mikroprozessor aufweist, welcher auch das Prüfsi­ gnal (Test) erzeugt.

9. Ionisationsflammenwächter nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ werteschaltung (A) das Prüfsignal (Test) in vorgegebe­ nen periodischen Zeitabschnitten erzeugt.

10. Ionisationsflammenwächter nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ werteschaltung (A) das Prüfsignal (Test) abhängig von Betriebsbedingungen des Gasfeuerungsautomaten erzeugt.