EP1188988A1 - Vorrichtung zum Überwachen von Flammen mit einem Flammenfühler - Google Patents

Vorrichtung zum Überwachen von Flammen mit einem Flammenfühler Download PDF

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EP1188988A1
EP1188988A1 EP00119895A EP00119895A EP1188988A1 EP 1188988 A1 EP1188988 A1 EP 1188988A1 EP 00119895 A EP00119895 A EP 00119895A EP 00119895 A EP00119895 A EP 00119895A EP 1188988 A1 EP1188988 A1 EP 1188988A1
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EP
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flame
flame detector
semiconductor
evaluation circuit
detector
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Hans-Peter Bauer
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Siemens Building Technologies AG
Original Assignee
Siemens Building Technologies AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/08—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
    • F23N5/082—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2229/00—Flame sensors
    • F23N2229/08—Flame sensors detecting flame flicker
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2229/00—Flame sensors
    • F23N2229/20—Camera viewing

Definitions

  • the invention relates to a device for monitoring flames with a Flame sensor or flame detector of the type mentioned in the preamble of claim 1 and on the use of such devices called "flame guard".
  • Flame monitors are used to monitor burners in heating systems monitor the presence of a burner flame on your flame detector.
  • a flame detector ionization electrodes or ultraviolet photocells are preferably used; the latter have the advantage of being able to monitor both oil and gas flames can be used equally and, in contrast to other photo detectors, not for Radiations in the visible or infrared range are sensitive.
  • the flame sensor gives in the presence of a flame, a flame signal is sent to an evaluation circuit, the latter Flame signal amplified and often contains a flame relay. If there is no flame signal this happens during burner operation, for example when the burner flame goes out Flame relay, so that prescribed safety measures are triggered and, for example the fuel supply to the burner can be interrupted.
  • the invention has for its object the device of the type mentioned in terms higher reliability and sensitivity with little effort and as little as possible To improve space requirements.
  • not only a single sensor or sensor element is used in the flame detector used that emits the flame signal when the flame exists.
  • row-like or column-like arrangement can also be a row-like as well columnar arrangement can be applied in the manner of a matrix or an array.
  • the evaluation circuit expediently has Data processing device such as computers and computers, which by suitable Software programs and algorithms an evaluation with regard to image, type, location and makes the same characteristics of the flame. Due to the redundancies in the receiver this combines high security with high reliability. Due to the redundancy of the in individual sensors allocated to the special semiconductor components Flame detectors can be operated continuously without darkening the sensor, which results in mechanical parts can be saved and even a smaller flame detector can be used. The individual photo semiconductor components can be monitored, for example, in that Adjacent pixels can be compared with one another and checked for plausibility Failure of a pixel can be determined.
  • the use of the flame detector according to the invention is recommended as a flicker sensor.
  • flicker sensors there is the problem that the flicker signal compared to the static signal is very small and therefore the evaluation can only be carried out correctly with great difficulty.
  • the edge of the flame, which flickers more than the center of the flame, specifically searched with software algorithms in the image and used to observe the flickering become.
  • the extraneous light can be selective be monitored as the system remembers where the extraneous light comes from and this area later flame monitoring can hide.
  • the invention offers a particular advantage when evaluating the flame quality or Flame quality also through the use of software algorithms. Usually it is desired that the flame burns large enough so that not only the existence of a flame, but above all the quality of the same can also be included in the monitoring.
  • the invention is also suitable for use with Incinerators.
  • the flame picture is sometimes on several small flames spatially distributed and spectrally very different. This changes, especially when adding rubbish Flame pattern very significant. With an image-based acquisition, it is more clearly recognized whether in the combustion chamber a flame exists and operation is maintained.
  • a problem existing with atmospheric burners can also be easily solved. often does such a burner ignite from one burner lance to the next Burner lance or along a burner lance in the event of a fault (e.g. if the nozzle is blocked or mechanically broken lance) not reliable. Unburnt fuel then gets through the chimney into the Environment. In the device according to the invention, this problem can be solved, which also better energy efficiency.
  • MOS semiconductor technology has changed the way the flame detector is designed and shaped proven to be particularly cheap.
  • the simplest training is the CCD (Charge-Coupled Devices) technology from Charge-coupled semiconductor components, which are arranged in rows or columns.
  • the Evaluation circuit then ensures that the individual photo-semiconductor elements in a row clocked electric fields can be queried in sequence by electrons from the concerned Crystals detached and pushed along the associated row of crystals until they on Edge to a clocked shift register.
  • several such Rows are arranged in columns, so that there is a matrix in which the on the edge of the rows occurring individual signals are transferred to a shift register.
  • CMOS technology i. H. the Complementary Metal Oxide Semiconductor technology, which offers the advantage that the individual photo semiconductor elements as an array or matrix are arranged on a single semiconductor chip, which additionally also at least parts of the Has evaluation circuit.
  • This integrated CMOS chip technology offers the advantage over the CCD technology a lower power consumption, a reduction in system costs Integration of further system components of the evaluation circuit as well as a freer and more random one Access to all pixels or picture elements.
  • the flame 1 is generated by a burner 2, which is connected via a line 3 with a fuel, for example oil.
  • a fuel for example oil.
  • the fuel supply can be controlled by a valve 4.
  • the middle of these semiconductor elements 8 detects radiation, a signal from each of them via the relevant connecting line 10 to the evaluation circuit 9 passed on, which after evaluation, for example by comparison with a predetermined Program, the evaluation result via the connecting line 12 to a display - and if necessary - control unit 11 conducts, which in turn can be fed a control variable 13, so that in The valve 4 is dependent on the evaluation signal 12 and the control variable 13 via the control line 14 can be controlled.
  • the evaluation circuit 9 determines at which point the flame with what intensity burns; this creates a kind of "two-dimensional" flame image determination carried out.
  • the photodetector 7 arranged to the right of the flame 1 consists of an array or a matrix 7b of photodiode semiconductor elements 8 arranged in rows and rows Type of CMOS technology. While in the drawing a schematic top view of this photo detector 7 is shown, the front side in practical use turns towards the flame 1, from there to take a "three-dimensional" radiation image, which in turn is shown in the drawing is symbolized by different blackening or grayscale.
  • the photodetector 7 is with a Evaluation circuit integrated as a chip, so that the result of the evaluation as an evaluation signal or signal chain is removable.

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Abstract

Bei einem einen Flammendetektor (7) und eine Auswerteschaltung (9) aufweisenden Flammenwächter weist der Flammendetektor (7) mindestens eine Reihe von nebeneinander (zeilenförmig) und/oder (spaltenförmig) angeordnete und mit der Auswerte-schaltung (9) elektrisch verbundene Halbleiter-Fotosensoren (8) auf, wodurch bei geringem Raumbedarf und verhältnismäßig einfachem Aufbau der Flammenwächter höhere Zuverlässigkeit und Empfindlichkeit gegenüber üblichen als Fotozellen ausgebildeten Flammendetektoren bietet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Überwachen von Flammen mit einem Flammenfühler bzw. Flammendetektor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung sowie auf eine Verwendung solcher "Flammenwächter" genannter Vorrichtungen.
Zur Überwachung von Brennern in Heizungsanlagen werden Flammenwächter verwendet, die mittels ihres Flammendetektors das Vorhandensein einer Brennerflamme überwachen. Als Flammen-detektor werden vorzugsweise Ionisationselektroden oder Ultraviolett-Fotozellen verwendet; die letztgenannten haben den Vorteil, daß sie für Überwachung sowohl von Ölflammen als auch von Gasflammen gleichwertig eingesetzt werden können und im Gegensatz zu anderen Fotodetektoren nicht für Strahlungen des sichtbaren Bereichs oder des Infrarotbereichs empfindlich sind. Der Flammenfühler gibt bei der Existenz einer Flamme ein Flammensignal an eine Auswerteschaltung ab, die dieses Flammensignal verstärkt und häufig ein Flammenrelais enthält. Bei einem ausbleibenden Flammensignal während des Brennerbetriebs, beispielsweise beim Erlöschen der Brennerflamme, fällt das Flammenrelais ab, so daß dann vorgeschriebene Sicherheitsmaß-nahmen ausgelöst und beispielsweise die Brennstoffzufuhr zum Brenner unterbrochen werden kann.
Im Zuge der fortschreitenden Optimierung von Brennern mit dem Ziel einer besseren Energieausnutzung und geringeren Schad-stoffausstoß ist die Verbesserung der Empfindlichkeit des Flammendetektors wichtig. Zu diesem Zweck ist es bereits bekannt (DE 196 45 555 A1), eine Kompensationsschaltung vorzu-sehen, wodurch periodisch abgedunkelt wird und durch Vergleich der bewußten Abdunkelung mit dem tatsächlichen Flammensignal eine höhere Zuverlässigkeit und größere Empfindlichkeit erzielt werden kann. Der technische Aufwand für diese Kompen-sationsschaltung ist jedoch unerwünscht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs genannten Gattung hinsichtlich höherer Zuverlässigkeit und Empfindlichkeit mit geringem Aufwand und möglichst geringem Raumbedarf zu verbessern.
Die Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet und in Unteran-sprüchen sind bevorzugte Ausbildungen und Verwendungen derselben beansprucht.
Gemäß der Erfindung wird im Flammendetektor nicht nur ein einziges Fühler- oder Sensorelement verwendet, das bei Existenz der Flamme das Flammensignal abgibt. Statt dessen werden mehrere und zwar mindestens eine Reihe von nebeneinander und/ oder übereinander angeordnete Fotosensoren aus Halbleitermaterial verwendet, die mit der Auswerteschaltung elektrisch verbunden sind. Anstelle der zeilenförmigen oder spaltenförmigen Anordnung kann auch eine sowohl zeilenförmige als auch spaltenförmige Anordnung nach Art einer Matrix oder eines Array angewendet werden.
Hierdurch ist es möglich, das Flammenbild auch räumlich aufzulösen, wodurch nicht nur die Existenz oder Nichtexistenz einer Flamme, sondern auch das Abbild und die Art der Flamme und gegebenenfalls auch der Ort der Flamme erfasst werden kann. Die Auswerteschaltung weist dabei zweckmäßigerweise Datenverarbeitungseinrichtung wie Rechner und Computer auf, welche durch geeignete Softwareprogramme und Algorithmen eine Auswertung hinsichtlich Abbild, Art, Standort und dergleichen Charakteristika der Flamme vornimmt. Aufgrund der Redundanzen im Empfänger kann hierdurch hohe Sicherheit mit hoher Zuverlässigkeit verknüpft werden. Aufgrund der Redundanz der in einzelne den speziellen Halbleiter-Bauelementen zuge-ordnete Sensoren aufgeteilten Flammendetektoren kann ein Dauerbetrieb ohne Abdunkeln des Sensors erfolgen, wodurch sich mechanische Teile einsparen lassen und sogar ein kleinerer Flammendetektor verwendbar ist. Die einzelnen Foto-Halbleiter-Bauelemente können beispielsweise dadurch überwacht werden, daß benachbarte Bildpunkte (Pixel) miteinander verglichen werden und durch eine Plausibilitätskontrolle der Ausfall eines Bildpunkts feststellbar ist.
Dabei empfiehlt sich die Verwendung des erfindungsgemässen Flammenwächters als Flackersensor. Bei bekannten Fackersensoren besteht das Problem, daß das Flackersignal gegenüber dem statischen Signal sehr klein ist und daher die Auswertung nur mit großer Schwierigkeit richtig ausführbar ist. Aufgrund der vielen einzelnen Foto-Halbleiter-Bauelemente bei einer Foto-Zeile und - noch besser - bei einer Foto-Matrix oder einem Foto-Array kann der Flammenrand, der stärker flackert als die Flammenmitte, gezielt mit Software-Algorithmen im Abbild gesucht und zur Beobachtung des Flackerns verwendet werden.
Eine weitere bevorzugte Verwendung ist für die Fremdlichtüberwachung. Das Fremdlicht kann selektiv überwacht werden, da sich das System merkt, woher das Fremdlicht kommt, und diesen Bereich bei späterer Flammenüberwachung ausblenden kann.
Einen besonderen Vorteil bietet die Erfindung bei der Bewertung der Flammenqualität bzw. Flammengüte gleichfalls durch Anwendung von Software-Algorithmen. Üblicherweise wird gewünscht, daß die Flamme genügend groß brennt, so daß nicht nur die Existenz einer Flamme, sondern vor allem auch die Qualität derselben in die Überwachung eingehen kann.
Unter diesen Verwendungen eignet sich die Erfindung auch zur Anwendung bei Müllverbrennungsanlagen. Dort ist nämlich das Flammenbild manchmal auf mehrere kleine Flammen räumlich verteilt und spektral sehr unterschiedlich. Vor allem beim Zuführen von Müll ändert sich das Flammenbild sehr erheblich. Bei einer bildmäßigen Erfassung wird deutlicher erkannt, ob im Brennraum eine Flamme existiert und der Betrieb aufrecht- erhalten bleibt.
Auch bei Brenneranlagen, bei denen mehrere Brenner gleichzeitig überwacht werden müssen, wird das Problem vermieden, daß ein Brenner das Fühlerelement eines benach-barten Brenners mit beleuchtet und somit der Flammenausfall des benachbarten Brenners evtl. nicht zuverlässig detektiert werden kann. Durch die von der Erfindung gewährleistete "räumliche Auflösung" wird besser erkannt, an welcher Stelle welche Flamme brennt, so daß dann auch bei einem Flammenaus-fall der betreffende Brenner neu gezündet werden kann, ohne daß auch andere Brenner neu zu zünden sind. Die räumliche Selektion und Bewertung von Fremdlicht ist durch die Erfindung sehr leicht möglich.
Auch ein bei atmosphärischen Brennern existierendes Problem kann einfach gelöst werden. Oftmals funktioniert bei solchen Brennern ein Überzünden von einer Brennerlanze zur benachbarten Brennerlanze oder entlang einer Brennerlanze im Fehlerfall (z.B. bei verstopfter Düse oder mechanisch gebro-chener Lanze) nicht zuverlässig. Unverbrannter Brennstoff gelangt dann durch den Kamin in die Umwelt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dieses Problem gelöst werden, was auch der besseren Energieeffizienz zugute kommt.
Bei der Art der Ausbildung und Ausformung des Flammendetektors hat sich die MOS-Halbleitertechnik als besonders günstig erwiesen.
Dabei ist die einfachste Ausbildung die CCD (Charge-Coupled Devices) Technik von ladungsgekoppelten Halbleiter-Bauelementen, die in Reihen bzw. Spalten angeordnet sind. Die Auswerteschaltung sorgt dann dafür, daß die einzelnen Foto-Halbleiter-Elemente einer Reihe durch getaktete elektrische Felder der Reihe nach abgefragt werden, indem Elektronen aus den betreffenden Kristallen herausgelöst und entlang der zugehörigen Kristallreihe weitergeschoben werden, bis sie am Rand an ein ebenfalls getaktetes Schieberegister übergeben werden. Hierbei können mehrere solcher Reihen in Spalten angeordnet werden, so daß sich eine Matrix ergibt, bei der die am Rand der Reihen auftretenden Einzelsignale in ein Schiebe-register übergeben werden.
Noch einfacher ist die Verwendung der CMOS-Technik, d. h. der Complementary Metal Oxide Semiconductor-Technik, die den Vorteil bietet, daß die einzelnen Foto-Halbleiter-Elemente als Array bzw. Matrix auf einen einzigen Halbleiter-Chip angeordnet sind, der zusätzlich auch zumindest Teile der Aus-werteschaltung aufweist. Diese integrierte CMOS-Chip-Technik bietet den Vorteil gegenüber der CCD-Technik einer geringeren Leistungsaufnahme, einer Verringerung der Systemkosten durch Integration weiterer Systemkomponenten der Auswerteschaltung sowie eines freieren und zufälligeren Zugriffs auf alle Pixel bzw. Bildelemente.
In der einzigen Figur sind zwei alternative Ausbildungsformen der Erfindung schematisch dargestellt.
Die Flamme 1 wird von einem Brenner 2 erzeugt, welcher über eine Leitung 3 mit einem Brennmittel, beispielsweise Öl, versorgt wird. Die Brennmittelzufuhr kann durch ein Ventil 4 gesteuert werden.
Um nicht nur die Existenz der Flamme 1, sondern auch deren Größe und Art aufgrund der von ihr abgegebenen Strahlung 5 zu ermitteln, sind im Abstand von der Flamme 1 Lichtstrahlensamm-ler in Form der schematisch dargestellten Linsen 6 angeordnet, welche die Lichtstrahlen auf zwei Flammendetektoren 7 werfen, von denen der obere Flammendetektor 7 aus einem CCD-Halb-leiter-Element 7a besteht, bei dem eine Reihe von einzelnen, als Fotodioden dienenden Halbleiter-Elementen 8 aufgebaut ist. Stellen beispielsweise die mittleren dieser Halbleiter-Elemente 8 eine Strahlung fest, wird von diesen jeweils ein Signal über die betreffende Verbindungsleitung 10 zur Aus-werteschaltung 9 weitergegeben, welche nach Auswertung, bei-spielsweise durch Vergleich mit einem vorgegebenen Programm, das Auswerteergebnis über die Verbindungsleitung 12 zu einem Anzeige- - und gegebenenfalls - Steuergerät 11 leitet, dem wiederum eine Steuergröße 13 zuführbar ist, so daß in Abhängigkeit von dem Auswertesignal 12 und der Steuergröße 13 über die Steuerleitung 14 das Ventil 4 gesteuert werden kann.
Da in der Mitte des CCD-Elements 4a die stärkste Strahlung auftritt, was in der Zeichnung durch tiefere Schwärzung symbolisiert ist, wird in der Auswerteschaltung 9 ermittelt, an welcher Stelle die Flamme mit welcher Intensität brennt; hierdurch wird eine Art "zweidimensionale" Flammenbildermitt-lung durchgeführt.
Im Unterschied dazu besteht der rechts neben der Flamme 1 angeordnete Fotodetektor 7 aus einem Array bzw. einer Matrix 7b von in Zeilen und Reihen angeordneten Fotodioden-Halbleiter-Elementen 8 nach Art der CMOS-Technologie. Während in der Zeichnung eine schematische Aufsicht auf diesen Fotodetektor 7 dargestellt ist, wendet sich die Frontseite im praktischen Einsatz in Richtung der Flamme 1, um von dort ein "dreidimensionales" Strahlungsbild aufzunehmen, das in der Zeichnung wiederum symbolisiert ist durch unterschiedliche Schwärzungen bzw. Graustufen. Der Fotodetektor 7 ist mit einer Auswerteschaltung als Chip integriert, so daß das Ergebnis der Auswertung als Auswertesignal oder - signalkette abführbar ist.

Claims (12)

  1. Vorrichtung zum Überwachen von Flammen mit einem Flammen-fühler bzw. Flammendetektor zum Erzeugen eines Flammensignals beim Feststellen der Existenz einer Flamme und mit einer Aus-werteschaltung, z. B. Verstärker, zum Verarbeiten des Flammen-signals,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Flammendetektor (7) mindestens eine Reihe von nebeneinander (zeilenförmig) und/oder übereinander (spalten-förmig) angeordnete und mit der Auswerteschaltung (9) elektrisch verbundene Halbleiter-Fotosensoren (8) aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet, daß eine Matrix (7b) von in Zeilen und Spalten angeordneten Halbleiter-Fotosensoren (8) als Flammendetektor (7) verwendet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2
    dadurch gekennzeichnet, daß der Flammendetektor (7) mindestens ein Halbleiter-Bauelement in MOS-Technik aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3
    dadurch gekennzeichnet, daß der Flammendetektor (7) mindestens ein CCD-Halbleiter-element (7a) aufweist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4
    dadurch gekennzeichnet, daß der Flammendetektor (7) ein CMOS-Halbleiterelement aufweist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5
    dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Auswerteschaltung als Prozessor auf demselben Halbleiter-Chip integriert ist, der die Foto-sensoren (8) als Matrix beherbergt.
  7. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für einen Flackersensor.
  8. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6
    zur Überwachung von Fremdlicht.
  9. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6
    zum Feststellen der Flammenqualität.
  10. Verwendung zu dem in Anspruch 9 genannten Zweck in Müllverbrennungsanlagen.
  11. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in Mehrbrenner-Anlagen.
  12. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für atmosphärische Brenner.
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