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TECHNISCHES
FELD
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Die
Erfindung bezieht sich auf Verbrennungsregelsysteme und konkret
auf Verbrennungsregelsysteme für
Gasbrenner, insbesondere für Kochherde.
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STAND DER
TECHNIK
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GB2249382 A beschreibt
ein Zündungssystem
für Gasbrenner
mit einer Sicherheitsvorrichtung. Diese Sicherheitsvorrichtung umfasst
ein Sicherheitsventil, das den Gasstrom zum Brenner offen hält, wenn
das Thermoelement an diesem Brenner erkennt, dass eine Flamme vorhanden
ist. Die axiale Bewegung der Öffnungsregelung
des Hahns ist erforderlich, um das Sicherheitsventil zu öffnen. Ist
dieses Ventil geöffnet,
wird über
einen Impulsgenerator eine Spannung daran angelegt, die das Ventil
offen hält, während sich
das Thermoelement erwärmt.
Danach ist es das Thermoelement selbst, das die erforderliche Spannung,
um es offen zu halten, direkt an das Sicherheitsventil liefert.
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JP09112912 A offenbart
einen Schaltkreis, der die Spannung des Heißleiters überwacht, der am Kocherbrenner
angebracht ist, und schließt
das Drehmagnetventil für
den Gasstrom, sobald die Öffnungserkennung
des Hahns auf AUF steht und der Wert der Heißleiterspannung unter einem
vorgegebenen Niveau steht.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine anfängliche
Aufgabe der Erfindung, einen Regelkreis für Gasbrenner, insbesondere
für Kochherde,
mit einem fehlersicheren System, wie es in den Patentansprüchen definiert
ist, zu schaffen.
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Der
Regelkreis umfasst einen Microcontroller, der den Funkengeneratorschaltkreis
des Brenners aktiviert und auf die Gasflussventile wirkt, die mit den
Brennern im Zusammenhang stehen, und das gemäß den Signalen, die er von
den Flammenerkennungsschaltkreisen dieser Brenner und den an jedem
Brenner vorhandenen Schaltern der Hahnöffnungserkennung erhält. Daneben überwacht
der Microcontroller auch den Stromfluss zumindest an einem der Punkte
des Regelkreises, um das jeweilige Ventil zu schleißen, wenn
eine Anomalie erkannt wird.
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Der
Schaltkreis der Erfindung ist besonders für die Verwendung mit Gleichstromventilen
im Niedrigspannungsbereich konzipiert, insbesondere, wenn die Ventile
für den
Betrieb mit Erdungsreferenz ausgelegt sind.
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Im
Allgemeinen umfassen die Flammenerkennungsschaltkreise ein Thermoelement.
Im Schaltkreis der Erfindung steuern die Thermoelemente nicht direkt
die Ventile, sondern es ist der Microcontroller, der sie, unter
anderen Signalen, auch auf Grund des Signals steuert, das von den
Thermoelementen abgeleitet wird.
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Der
für jeden
Brenner vorhandene Gasflusshahn besteht aus einer Drehsteuerung,
die vom Benutzer bedient wird und einem Ventil, das direkt vom Regelkreis
gesteuert wird. Eine axiale Bewegung muss weder an der Drehsteuerung
noch an den herkömmlichen
Systemen erfolgen. Wird diese Steuerung gedreht, schließt sie einen
Schalter, der vom Microcontroller des Regelkreises abgelesen wird.
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Damit
der Fluss zu einem Brenner stattfindet, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:
Der Benutzer muss den Hahn für
den jeweiligen Brenner öffnen, und
der elektronische Schaltkreis muss das Ventil des Brenners öffnen. Somit
ist es möglich,
ein einziges Ventil für
alle Brenner zu verwenden.
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Eine
Betriebsspannung wird an den Ventilen angelegt, um diese zu öffnen, und,
sobald diese offen sind, wird an ihnen eine Spannung zur Aufrechterhaltung
angelegt. Die Spannung zur Aufrechterhaltung ist niedriger als die
Betriebsspannung, aber ausreichend, um die Ventile offen zu halten.
So erreicht man ein wirtschaftlicheres und kompakteres Design (das
Volumen der Stromversorgung wird verkleinert). Das in der spanischen
Patentanmeldung Nr. P9900547 beschriebene Ventil ist ein Beispiel
für ein Ventil,
das unter Verwendung einer Spannung zum Öffnen und einer anderen, um
es offen zu halten, gesteuert werden kann. Bei dem Ventil ist die
erforderliche Energie, um die Armatur anzuziehen, höher als die
erforderliche Energie, um sie angezogen zu halten.
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Für jedes
Ventil enthält
der Regelkreis der Erfindung einen Schalter, der, wenn er geschlossen ist,
die Betriebsspannung für
die Ventile liefert, einen Schalter, der, wenn er geschlossen ist,
die Spannung zur Aufrechterhaltung für die Ventile liefert, und
einen Schalter, der, wenn er geschlossen ist, die Ventile kurzschließt, damit
sie spannungsfrei gemacht werden.
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Somit
wird sowohl die Betriebsspannung als auch die Spannung zur Aufrechterhaltung
für jedes Ventil
durch das Schließen
eines Schalters und das Öffnen
eines zweiten Schalters bereitgestellt. Das bedeutet, dass das System
gegen das Versagen eines jeden der Schalter sicher ist. Selbst wenn
einer der Schalter ausfällt,
gibt es somit noch einen weiteren Schalter, den der Microcontroller
ansteuert, wenn ein solcher Ausfall eintritt, so dass keine Spannung an
das Ventil angelegt und jegliche Möglichkeit des Ausströmens des
Gases unterbunden wird. Außerdem
ist das System im Fall des Versagens eines Schalters gegen Fehler
(Kurzschluss, offener Schaltkreis, etc.) aller anderer Komponenten
des Regelkreises sicher.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird ein Anschluss der Ventile an den Rahmen angeschlossen,
auf dem die Brenner im Allgemeinen untergebracht sind, wobei der
Rücklauf
der Ströme
für den
Betrieb und die Aufrechterhaltung über den Rahmen abgeleitet wird.
Der Rahmen wird normalerweise geerdet.
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Im
Allgemeinen wird ein Anschluss der Flammensensoren (für gewöhnlich Thermoelemente)
und ein Anschluss der Hahnschalter ebenso an den Rahmen angeschlossen.
Die Verbindung eines Anschlusses der Ventile, der Flammensensoren
und der Hahnschalter an den Rahmen bietet Vorteile im Sinne der
Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit,
denn:
- – die
Isolierung der Ventile und der Flammensensoren zum Versorgungssystem
hin erfolgt über den
Einspeisungstransformator, sodass die Konstruktion der Ventile und
Flammensensoren vereinfacht wird.
- – die
Signale der Ventile, Flammensensoren und Hahnschalter werden über den
Rahmen zurückgeleitet,
so dass die Anzahl der Kabel und Anschlusskomponenten um die Hälfte reduziert
wird.
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Um
die Erkennung von Fehlern im Regelkreis zu erkennen, überprüft der Microcontroller
den Stromfluss zumindest an einem Punkt im Regelkreis. Angesichts
der Anordnung der Betriebsschalter, der Schalter zur Aufrechterhaltung
und Schalter, die jedes Ventil kurz schließen im Schaltkreis kann der
Microcontroller anhand der Prüfung
des Stromflusses durch jedes Ventil den Zustand der drei Schalter
des jeweiligen Ventils feststellen.
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Um
sicherzustellen, dass die Ventile geschlossen sind, selbst wenn
der Microcontroller selbst ausfällt,
wird mindestens ein Schaltkreis hinzugefügt, der einen oder mehrere
Schalter ansteuert, je nachdem, ob der Schaltkreis vom Microcontroller
Impulse erhält
oder nicht. Die jeweiligen Ventile werden geschlossen, wenn dieser
Schaltkreise keine Impulse mehr erhält. Die Schalter, die die Ventile
kurz schließen,
besitzen einen Schaltkreis mit diesen Merkmalen, wobei die Ventile
kurz geschlossen bleiben, wenn ein Ausfall des Microcontrollers
eintritt.
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Der
Einsatz eines Microcontroller verleiht dem Regelkreis eine Flexibilität, die es
ermöglicht, den
Regelkreis um Funktionen zu erweitern. So kann beispielsweise die
Erweiterung um die folgenden Merkmale erfolgen: erneuter Zündungsversuch über einen
bestimmten Zeitraum hinweg, wenn die Flamme unbeabsichtigt erlischt,
Zustandsanzeige der Brenner und des Kochherds über ein Display, Schlüssel, um
den Kocher zu verriegeln bzw. frei zu geben usw.
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Eine
zweite Aufgabe der Erfindung ist auch, einen doppelt fehlersicheren
Regelkreis, wie in den Patentansprüchen definiert, zu schaffen.
So ist es möglich,
wenn der Schaltkreis mit einigen zusätzlichen Elementen ausgestattet
wird, den Schaltkreis der Erfindung nicht nur gegen jegliches Versagen
der Systembestandteile sicher zu machen, sondern auch gegen zwei
Ausfälle
dieser Komponenten, wenn diese gleichzeitig auftreten.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt
ein allgemeines Schema des Regelkreises für Gasbrenner zusammen mit den
Geräten
dar, mit denen er in Wechselwirkung steht.
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2 stellt
ein Schema des wesentlichen Aufbaus des Regelkreises nach der Erfindung
für jedes
Ventil, das der Regelkreis steuert, dar.
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3 stellt
die wichtigsten Signale dar, die im Regelkreis nach 2 auftreten.
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4 zeigt
ein Schema mit dem Aufbau des Schaltkreises der bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung.
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5 stellt
die wichtigsten Signale dar, die im Regelkreis nach 4 auftreten.
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6 zeigt
eine Detailansicht der bevorzugten Ausführungsform des Regelkreises
der Erfindung.
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7 zeigt
ein Schema des Aufbaus des Schaltkreises der Erfindung mit doppeltem
Fehlerschutz.
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8 stellt
die wichtigsten Signale dar, die im Regelkreis nach 7 auftreten.
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9 zeigt
die bevorzugte Ausführungsform
des Regelkreises der Erfindung mit doppeltem Fehlerschutz.
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10 stellt
die bevorzugte Ausführungsform
des Flammenerkennungsschaltkreises des Regelkreises der Erfindung
dar.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
den Regelkreis 1, der Gegenstand der Erfindung ist, zusammen
mit einem Thermoelement 5, einem Schalter 6, einem
Funkengenerator 3 und einem Ventil 4, das er steuert,
das die Signale 12 und 13 vom Thermoelement 5 bzw.
dem Schalter 6 erhält
und die Signale 10 und 11 an den Funkengeneratorschaltkreis 3 bzw.
das Ventil 4 sendet. In der bevorzugten Ausführungsform
ist ein Thermoelement 5, ein Schalter 6 und ein
Ventil 4 für
jeden Brenner vorhanden, obwohl auch die Möglichkeit besteht, ein einziges
Ventil 4 für
alle Brenner zu verwenden.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
wird ein Anschluss der Ventile 4, der Thermoelemente 5 und der
Schalter 6 mit dem Rahmen verbunden, wobei die Ströme für den Betrieb
und die Aufrechterhaltung, das Signal zum Ablesen der Spannung der
Ventile 4 und das von den Thermoelementen 5 und
den Hahnschaltern 6 abgegebene Signal über den Rahmen zurück geführt wird.
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Sowohl
die 1 als auch die folgenden zeigen nur den Schaltkreis
für ein
Ventil 4. Im üblicheren
Fall, dass der Microcontroller 2 eine Gruppe von Brennern überwacht,
wird der Regelkreis 1 für
jedes der Ventile 4 wiederholt (obwohl es gemeinsame Komponenten
für alle
Ventile 4 geben kann).
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Die 2,
in der der Regelkreis 1 dargestellt ist, zeigt den Microcontroller 2 die
der neben den Signalen 20 und 13 das Signal X
vom Regelkreis 1 selbst erhält. Neben dem Aussenden eines
Signals 10 an den Funkengeneratorschaltkreis 3 eines
jeden Brenners sendet der Microcontroller 2 die Signale 16 und 17 an
die Schalter T1 und T2 eines jeden Ventils 4 und das Signal 18 an
den Schaltkreis 9, der wiederum den Schalter T3 eines jeden
Ventils 4 steuert.
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Sowohl
die Betriebsspannung V1 als auch die Spannung zur Aufrechterhaltung
V2 werden vom Einspeisungstransformator bereit gestellt, der die
erforderliche Isolierung zwischen dem Versorgungsnetz und dem Regelkreis 1 bietet.
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Die
Diode D1 verhindert den Stromfluss vom Arm von T1 zum Arm von T2,
da V1 größer ist
als V2. Die Diode D2 wird auch zwischen den Eingangsanschlüssen des
Ventils 4 eingesetzt, um die Magneteinheiten dieses Ventils 4 stromlos
zu schalten, wenn es sich öffnet.
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Der
Microcontroller 2 erhält
den Zustand der Schalter T1, T2 und T3 mit dem Signal X, über das der
Stromfluss durch das Ventil 4 überwacht wird. Erkennt der
Microcontroller 2, dass einer der Schalter (T1, T2 oder
T3) offen ist, obwohl er eigentlich geschlossen sein müsste bzw.
umgekehrt, regelt er entsprechend, indem er das Ventil 4 zum
Beispiel schließt,
um Gefahrensituationen zu verhindern.
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Die 3 zeigt
die wichtigsten Signale, die an der Zündungsfolge der Brenner beteiligt
sind, diese an halten und abschalten. Betätigt der Benutzer die Steuerung
zum Öffnen
des Hahns, geht der Schalter 6 auf AN, wie im Signal 13 in
dieser 3 gezeigt. In diesem Moment schließt der Microcontroller 2 die
Schalter T1 und T2 und öffnet
den Schalter T3 mit den Signalen 16, 17 bzw. 18.
Nach einer Anfangszeit, während
der die Betriebsspannung V1 an das Ventil 4 angelegt wird,
wird der Zustand des Signals 16 verändert und der Schalter T1 schließt. Danach
wird nur noch die Spannung zur Aufrechterhaltung V2 eingespeist.
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Die 3 zeigt
das am Ventil 4 eingehende Signal 11, so wie das
am Flammenerkennungsschaltkreis 50 vom Thermoelement 5 eingehende
Signal 12. Der Microcontroller 2 verursacht, dass
der Funkengeneratorschaltkreis 3 während der Zündungsabfolge über das
Signal 10 Funken erzeugt.
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Dreht
der Benutzer den Brenner aus, indem er die Steuerung zum Öffnen des
Hahns betätigt, geht
der Schalter 6 in die Stellung AUS und verändert unmittelbar
den Zustand der Signale 17 und 18, so dass T2 öffnet und
T3 schließt.
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Die 4 zeigt
das Schema einer bevorzugten Ausführungsform. In dieser Ausführungsform wird
ein in Serie mit dem Schalter T1 eines jeden Ventils 4 geschalteter
Transistor T4 hinzugefügt.
Ein an die Erdung angeschlossener Kondensator C0 wird zwischen den
Schaltern T4 und T1 angeordnet, wobei T4 und C0 für alle Ventile 4 gemeinsam
sind. Der Strom aus der Einspeisung wird bei dieser Konfiguration
verringert, da die Betriebsenergie für die Ventile 4 nicht
mehr direkt aus der Einspeisung entnommen wird, sondern von der
im Kondensator CO über
eine gewisse Zeit lang gespeicherte Ladung kommt.
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Der
Schalter T4 ist ein Schwachstromtransistor, da durch ihn nur der
Ladungsstrom des Kondensators fließt bzw. unter anormalen Betriebsbedingungen
die Stromversorgung den Strom kurzschließt, die einen sehr geringen
Wert aufweist, da ihre Leistung verringert ist. Die Schalter T1
sind mit Transformator-Gleichrichtern ausgeführt, die sehr einfach vom Microcontroller 2 gesteuert
werden können
und somit billig dem Schaltkreis große Stärke verleihen. Der Schalter
T4 erleichtert ebenso das Abschalten der Transformator-Gleichrichter T1.
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In
diesem Fall ist der Microcontroller 2 durch den Eingang
eines Signals Y vom Microcontroller 2 auch in der Lage,
den Zustand der Schalter T4 und T1 unmittelbar über die Signale X und Y zu
ermitteln.
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Die 5 zeigt
die wichtigsten Signale, die an dieser Ausführungsform beteiligt sind.
Diese Signale umfassen, neben den oben bereits beschriebenen Signalen,
das Signal 19, das der Microcontroller 2 an die
Schalter T4 sendet.
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Die 6 zeigt
eine Detailansicht des Regelkreises 1 in seiner bevorzugten
Ausführungsform. Der
Schaltkreis 9, der die Impulse vom Microcontroller 2 empfängt, ist
ein monostabiler Schaltkreis und besteht aus den Komponenten C6,
D6, R15, T8, R16 und C7. Der Schalter T2 ist ein PNP-Transistor
und der Schalter T3 ist ein N-Kanal-MOSFET-Transistor. Die
Signale X und Y werden über
R6, R7, D5 und R13 erfasst. Jedes dieser Signale wird vom Microcontroller 2 über einen
analogen Eingang abgelesen.
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Die
Aufnahme einiger zusätzlicher
Komponenten bietet für
den Regelkreis 1 einen doppelten Fehlerschutz. Die 7 zeigt
das Schema des Schaltkreises 1 mit diesen zusätzlichen
Elementen, um einen Regelkreis 1 zu erhalten, der Schutz
gegen jedes Doppelversagen bietet, unabhängig davon, ob dieses an den
Schaltern oder anderen Bestandteilen des Regelkreises 1 (inklusive
des Microcontrollers 2) auftritt. Um diesen Schaltkreis
zu erreichen, wird der oben beschriebene Schaltkreis mit den nachstehenden
zusätzlichen
Elementen ausgestattet:
- – Ein Schalter T5, der für alle Ventile 4 gemeinsam ist,
und in Serie mit dem T2 eines jeden Ventils 4 geschaltet
ist.
- – Ein
monostabiler Schaltkreis 8, gesteuert über ein Impulssignal 15,
das ihn vom Microcontroller 2 aus erreicht und das Öffnen und
Schließen
der Schalter T4 regelt.
- – Ein
monostabiler Schaltkreis 7, gesteuert über ein Impulssignal 14,
das ihn vom Microcontroller 2 aus erreicht und das Öffnen und
Schließen
der Schalter T5 regelt.
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Dadurch,
dass der Microcontroller 2 ein Signal Z empfängt, mit
dem der Stromfluss zwischen den Schaltern T5 und T2 überwacht
wird, kann der Microcontroller 2 über die Signale X, Y und Z
erkennen, welcher der Schaltkreisschalter ausgefallen ist, wobei
der Regelkreis 1 bei anormalen Situationen abhängig vom
ausgefallenen Schalter unterschiedlich reagieren kann.
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Die 8 zeigt
die wichtigsten Signale, die im doppelt fehlersicheren Schaltkreis
auftreten, inklusive der Impulssignale 14 und 15,
die im monostabilen Schaltkreis 7 bzw. 8 eingehen.
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Die 9 zeigt
eine Detailansicht des Schaltkreises 1 mit Schutz gegen
doppeltes Versagen in seiner bevorzugten Ausführungsform. Der Schalter T5
ist ein PNP-Transistor und die monostabilen Schaltkreise 7 und 8 sind
analoge zum monostabilen Schaltkreis 9 analoge Schaltkreise.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
umfasst jeder Flammenerkennungsschaltkreis 50 ein Thermoelement 5,
das über
einen Umkehrverstärker mit
einem Funktionsverstärker 100 an
den Microcontroller 2 angeschlossen ist, wobei ein Signal
S vom Microcontroller 2 an den Eingang des Funktionsverstärkers 100 gelegt
wird, um die korrekte Funktion des Umkehrverstärkers zu überprüfen.
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Die 10 zeigt
eine Detailansicht der bevorzugten Ausführungsform dieses Schaltkreises 50. Der
Schaltkreis 50 wird für
jeden Brenner wiederholt, auch wenn das Signal S für alle davon
gemeinsam ist.
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Der
klassische Umkehrverstärker
in der Ausführungsform
mit Funktionsschaltkreis wird mit dem zusätzlichen Merkmal eines Rs-Widerstands
ausgestattet, der ein vom Microcontroller 2 kontrolliertes
Signal S in den Umkehrverstärker
einbringt. Zweck des Signals S ist es, dem Microcontroller 2 zu
ermöglichen,
die korrekte Funktion des Verstärkers
zu überprüfen, da
eine Funktionsstörung
desselben als das Vorhandensein einer Flamme ausgelegt werden kann,
wenn tatsächlich
keine Flamme vorliegt.
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So
prüft der
Microcontroller 2 für
jeden Brenner durch Anlegen eines hohen Niveaus des Signals S, dass
die Ausgangsspannung 20 des Verstärkers 100 abfällt. Überschreitet
der Abfall des Signals 20 nicht einen voreingestellten
Mindestwert für
das Bestehen einer stabilen Flamme, ist die Funktion des Verstärkers 100 nicht
korrekt und der Microcontroller 2 schließt das Ventil 4 des
jeweiligen Brenners.
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Wird
ein maximales Niveau von fast Null erreicht, jedes Mal wenn das
Signal S angelegt wird, wird erkannt, dass der Verstärker 100 an
einer offenen Schleife arbeitet, so dass das Vorhandensein einer
Flamme nicht ordnungsgemäß erkannt
werden kann, und der Microcontroller 2 das jeweilige Ventil 4 schließt.