Brevet FR2027229A1 — publié le 19700925

-1- 2027229 La présente invention concerne un circuit dét.e.c'fceur d'allumage d'un dispositif de réglage de la combustion d'un brûleur à combustible gazeux, dans lequel le combustible est allumé par une décharge électrique et la combustion est réglée par dé-5 tection continue de la flamme. Dans les fours industriels, en général, la combustion est provoquée en allumant automatiquement plusieurs brûleurs installés dans, la paroi du four et ces brûleurs sont alors surveillés de l'extérieur pour déterminer si le combustible s'est correctement 10 enflammé. Jusqu'ici, divers systèmes ont été utilisés dans ce but. Par exemple, le système d'allumage par étincelles, utilisant une électrode d'allumage, est un exemple particulier pour l'allumage, tandis que le système utilisant l'énergie optique dè la flamme ou utilisant la conductivité électrique-de la flamme est un exemple 15 particulier pour la détection. En pratique, on utilise en général une combinaison de l'électrode d'allumage, de l'électrode de détection et du circuit de détection électrique, ainsi que la combinaison de l'électrode d'allumage, du dispositif optique de détection et du circuit de détection électrique, ainsi qué d'autres com-20 binaisons. Selon ces systèmes antérieurs, le four doit comporter une électrode de détection ou un regard auquel un dispositif détecteur optique ou analogue est fixé en plus dii brûleur. En outre, il est nécessaire de prévoir un circuit électrique en plus du circuit de 1*électrode d'allumage.' En d'autres termes, -il faut pré-25 voir autant de dispositifs détecteurs qu'il y a de brûleurs. Selon ces systèmes détecteurs d'allumage, la paroi du four doit comporter de nombreux dispositifs en plus des brûleurs et,, "en conséquence, la construction des brûleurs et de la paroi du four autour de ces derniers devient inévitablement compliquée.'Il en résulte na-30 turellement de grands frais d'installation et d'entretien. Par exemple,, si ces systèmes classiques sont destinés à un brûleur à tubes radiants ou analogues, la construction du four devient très compliquée et peut être trop compliquée pour réaliser le four. 35 Du point de vue de la construction, il est difficile d'adap ter cette technique antérieure à certains types de brûleurs très puissants qui ont été récemment mis au point pour satisfaire aux 69 45085 _2_ 2027229 besoins de l'industrie moderne. Diverses propositions ont été faites pour perfectionner la technique antérieure : par exemple, un circuit spécial,-conçu pour être utilisé en commun pour l'allumage, et la détection et l'utilisation d'une seule électrode à 5 la fois pour l'allumage et. pour la détection de la flamme. Cependant, les principes de ces systèmes diffèrent de ceux utilisés par la présente invention, en ce qui concerne la' détection de la flamme et le réglage de la combustion. Ils sont encore loin d'être au point et peuvent être difficilement utilisés en pratique. 10 En raison de ce qui précède, la présente invention a notam ment pour objet un dispositif détecteur d'allumage, dans lequel l'allumage et la détection de la flamme sont effectués en utilisant une seule électrode, de façon que la sécurité du réglage de la combustion soit assurée, que la construction du brûleur propre-15 ment dit et de la paroi du four autour des brûleurs soit simplifiée et qu'ainsi l'entretien soit simplifié et que les frais d'investissement soient réduits. la présente invention a également pour objet un système de réglage de la combustion utilisant un circuit électronique spécial 20' à l'état solide, capable d'effectuer-l'allumage et la détection de .la flamme, en utilisant une seule- électrode introduite dans le brûleur (ou située à 1.'extérieur du brûleur, si nécessaire). Ainsi, l'invention permet d'éviter les -ihconvéniènts ci-dessus qui sont inhérents à la,technique antérieure et fournit un système de ré-25 glage de la .combustion, parfaitement adapté aux brûleurs modernes très puissants. • D'autres avantages et caractéristiques de l'invention res-sort.iront d,e la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, et donnant à titre explicatif, mais nullement 30 limitatif, deux formes de réalisation de l'invention. , , Sur ces dessins : . .. la. figure -1 représente la première forme de réalisation de l'invention ; et . - 1 • la figure 2 représente la secbnde forme de réa'li s a t i on, en 35 se référant en particulier au circuit détecteur transistorisé. • le numéro de référence 1 désigne un brûleur et le numéro de référence 2 désigne une tige formant élecitrode, introduite dans 69 45085 -3- 2027229 le brûleur 1 à travers un isolateur 6. Une matière isolante 3 recouvre l'électrode 2 dans la région située près de sa pointe, à savoir"la région indiquée par le pointillé 5. Cette matière isolante peut couvrir toute la surface de l'électrode 2. Cette 5 matière isolante 3 joue un rôle important dans le système de l'invention, dans lequel l'allumage et la détection de la flamme sont effectués par une seule électrode. La matière isolante 3 est appliquée dans cette région, à cause du fait que l'ionisation du combustible,au début de la combustion dans l'intervalle du 10 brûleur dans cette région voisine de la zone indiquée par le pointillé 5, dans/laquelle le mélange de gaz et d'air commence à brûler, présente un état extrêmement complexe et elle sert à obtenir une distribution de la charge électrique, qui a une influence très instable sur l'électrode 2 et le brûleur 1. La matière isolante 15 3 évite une influence défavorable -sur la fonction de redressement de la flamme. Grâce à la présence de cette matière isolante 3, la fonction de redressement de la flamme stable permet de n'utiliser qu'une faible quantité de courant à l'endroit où l'électrode 2 se prolonge à travers le gaz combustible depuis l'intérieur de la 20 flamme, à savoir depuis l'intérieur du brûleur, sans qu'il soit indispensable de recourir à la disposition dans laquelle l'électrode 2 est appliquée de l'extérieur de la flamme, à savoir de l'extérieur du brûleur, Ainsi, il est possible de détecter la flamme. Si l'électrode est utilisée sans revêtement, le courant circulant 25 dans le circuit détecteur est très instable et on ne peut pas atteindre le but de l'invention. Le numéro de référence 9 désigne un contact de commutateur d'un transformateur d'allumage 7. Ce eontact de commutation permet de passer d'une source de courant normal 8 pour l'allumage à une source à basse tension dè 30 détection, et inversement, en utilisant une minuterie (non représentée) . Le numéro de référence tO désigne un circuit détecteur d'allumage comportant un circuit détecteur transistorisé 11 et un circuit 12 de shuntage du courant de décharge. Les numéros de référence 13 et 14 désignent, respectivement, une diode de Zener 35 et un condensateur incorporé dans le circuit de shuntage 12, et le numéro de référence 15 désigne une source de courant continu pour le circuit détecteur 1t. 69 45085 -4- 2027229 Dans le montage décrit ci-dessus, l'enroulement primaire du transformateur 7 est connecté à la source 8 de tension alternative normale (100 volts ou 200 volts) utilisée pour 1'allumage-de façon qu'une haute tension soit induite dans l'enroulement se-5 côndaire pour effectuer la décharge disruptive. Cette décharge disruptive est engendrée dans l'intervalle 4 entre le brûleur 1 et l'électrode 2. En même temps, le mélange combustible de gaz et d'air est introduit depuis une entrée 17 pour qu'il soit allumé o Au cours de ce fonctionnement, le courant de décharge 10 est un courant alternatif et est d'une amplitude très supérieure au faible courant continu (courant puisé) produit pour la détection. Si ce courant alternatif circule directement dans le circuit détecteur transistorisé 11 du circuit détecteur d'allumage 10, les éléments du circuit peuvent être endommagés. Pour l'éviter, il est 15 prévu un circuit de shunt âge 12, comprenant une diode de Zener 13 et un condensateur 14, et un fort courant alternatif circule dans ce circuit de shuntage 12. En pratique, la plus grande partie du courant alternatif passe à travers le condensateur 14. Si, pour une raison quelconque, une tension excessivement élevée 20 est appliquée au circuit détecteur 11, le cirGuit est protégé de cette haute tension par la diode de Zener 13. le courant de décharge circule dans le circuit de shuntage 12 pour effectuer l'allumage, sans influencer le circuit détecteur transistorisé 11. la détection sera expliquée plus en détail ci-après» le con-25 tact du commutateur de l'enroulement primaire du transformateur d'allumage 7 passe de la source de courant normale 8 à la source à basse tension 8* réservée à la détection. Après la commutation, la tension aux bornes de l'enroulement secondaire est réduite à une valeur comprise entre 1/30 et t/50 de la tension produite au début 30 de la décharge. En présence d'une flamme, un faible courant continu circule depuis l'électrode 2 jusqurau brûleur 1 à travers l'intervalle 4, grâce à la conductivité électrique de la flamme (à savoir la fonetion.de redressement de la flamme). Ce faible courant conti-à peine nu circule/dans le circuit de shuntage. 12 comprenant le conden-35 sateur 14 et la diode de Zener 13, mais circule dans le circuit détecteur transistorisé 11. Ce faible courant est ensuite amplifié pour actionner le contact de détection incorporé (non représenté). 69 45085 -5- 2027229 Si la flamme est éteinte pour une raison quelconque, le contact de détection est ouvert pour actionner un dispositif de sécurité ou d'avertissement qui est connecté électriquement avec le contact de détection. Selon la présente invention, l'allumage est 5 effectué au moyen d'une seule électrode introduite dans le brûleur et, en même temps, le faible courant continu est détecté par la même électrode. Par conséquent, ce système détecteur d'allumage est très différent du système dans lequel on utilise une impédance et une décharge disruptive est toujours produite. En d'autres ter-10 mes, lorsque le système de la présente invention est.adapté à des fours industriels, il ne présente aucun danger. Egalement, conformément à la présente invention, la construction du brûleur et de la paroi du four autour des brûleurs est simplifiée et, par suite, l'entretien est également simplifié. En outre, le système détecteur 15 d'allumage peut être incorporé dans une construction très ramassée. Ceci permet de faciliter le réglage de la combustion et de garantir la sécurité et une diminution du coût du système de combustion dans son ensemble. Selon la figure 2, le numéro de référence 1 désigne un trans-20 formateur d'allumage, dont la borne haute tension R de l'enroulement secondaire 1a est connectée à une électrode 3 située à l'intérieur d'un brûleur 2. Le numéro de référence 4 désigne un contact pare-étincelle disposé dans le brûleur 2 et en regard de l'électrode 3. Ce contact pare-étincelle est mis à la masse par 25 le corps du brûleur et est connecté ensuite à une varistance 5 et une à l'une des extrémités de condensateurs 6 et 8 par/jonction B. Le contact pare-étincelle est connecté en outre à une extrémité de résistances 12, 14, 19 et d'une diode de Zener 17, et de là, au côté négatif d'une source de courant continu. Le côté mis à la mas-30 se du transformateur d'allumage 1 est connecté aux autres extrémités de la varistance 5 et du condensateur 6 et à une extrémité d'une résistance 7* L'autre extrémité de la résistance 7 est connectée au condensateur 8, à une résistance 8 et à la grille d'un transistor 11 à effet de champ. L'autre extrémité de la résistance 9 est con-35 nectée à l'autre extrémité de la résistance 12 et à la source du transistor à effet de champ. Le drain du transistor à effet de de la base champ est connecté à la borneE/lu transistor 13 de l'étage inter 69 45085 -6- 2027229 médiaire, puis au côté positif de la source de courant, par l'intermédiaire d'une résistance 10. Le collecteur du transistor 13 est connecté au côté positif de la source de courant par l'intermédiaire du collecteur du transistor 16 du dernier étage et par 5 l'intermédiaire d'une bobine 15a d'un petit relais électromagnétique 15, qui joue le rôle d'une chargé. L'émetteur du transistor 13 est connecté à l'autre extrémité-de la résistance 14 et à la base du transistor 16 du dernier étage. L'émetteur du transistor 16 est connecté à l'autre extrémité de la diode de Zener 17. Les 10 transistors de l'étage intermédiaire et du dernier étage constituent un montage de Darlington pour augmenter le gain du courant. La borne a d'une armature 18 du relais électromagnétique 15 est connectée au côté positif de la source de courant. La borne b de l'armature 18 est connectée à la résistance 19, ainsi qu'à l'une 15 des bornes d'entrée d'un circuit logique 20 de détection d'un fonctionnement défectueux. L'autre borne d'entrée du circuit logique 20 est connectée à la borne E. Ce circuit détecteur d'allumage se compose principalement de trois parties : un circuit de shuntage et de filtrage, un circuit amplificateur constitué par trois tran-20' sistors et un circuit logique de détection d'un fonctionnement défectueux. Les parties principales du circuit de la présente invention seront expliquées plus en détail ci-après. La varistance 5 est un limiteur de tension (courant) pour maintenir la tension aux bornes d'entrée A et B au-dessous d'une valeur déterminée. Ainsi, 25 le circuit principal est protégé d'une surtension. Les condensateurs 6 et 8 et la résistance 7 exécutent deux fonctions : premièrement, celle d'un circuit de shuntage en courant alternatif, dans lequel- il ne se produit pas de détection, du fait que le courant alternatif circule en cas de décharge disruptive pour l'allumage 30 et en cas de court-circuit anormal aux bornes de l'électrode 3 et du contact pare-étincelle 4, et deuxièmement, celle de filtrer le courant continu pulsatoire circulant entre les bornes A et B, lorsque la flamme normale est détectée. La résistance 9 présente une grande valeur dans le circuit de la grille du transistor à effet 35 de champ 11, dans le but de détecter l'allumage. La diode de Zener 17 fonctionne comme un compensateur de température pour maintenir le circuit détecteur d'allumage à l'état normal, même lorsque ce 69 45085 -7- 2027229 circuit est exposé à une atmosphère très chaude. Le. numéro de référence 18 désigne l'armature du relais électromagnétique 15. La résistance 19 a pour "but d'appliquer un potentiel à la jonction E, lorsque l'armature 18 est à l'état de détection, à savoir 5 lorsque l'armature 18 se déplace de la "borne c à la "borne b. Le circuit logique 20 reçoit les potentiels aux jonctions f et e, ce qui permet de détecter un fonctionnement défectueux du circuit détecteur . On va décrire le-fonctionnement du circuit détecteur d'allu-10 mage de la présente invention. Pour l'allumage, la tension nominale destinée à engendrer une décharge est appliquée à l'enroulement primaire 1b du transformateur 1, pour produire une haute tension dans l'enroulement secondaire 1a. Cette haute tension est appliquée à l'intervalle entre l'électrode 3 et le contact pare-étincelle 4 15 par la "borne haute tension B. et la "borne B mise à la masse par l'intermédiaire de la borne S et des êLéments du circuit de shuntage. Ainsi, il se produit une étincelle à travers l'intervalle. L'énergie de la décharge résultante sert à allumer le combustible gazeux. Le courant circulant lors de la déchargqfest un courant al-20 ternatif. La résistance 9 du circuit détecteur d'allumage a une valeur très supérieure à celle de la résistance 7 et présente une plus grande impédance que les condensateurs 6 et 8, par rapport à la composante continue. En conséquence, le courant alternatif susmentionné ne circule pas dans le circuit détectéur, mais est shunté 25 vers le circuit en série comprenant le condensateur 6 et la résistance 7 du circuit de shuntage et vers le circuit en parallèle comprenant le condensateur 6 et la varistance 5» Par suite, le circuit détecteur ne fonctionne pas dans le mode de détection et la tension aux bornes A et B est maintenue par la varistance 5 au-dessous 30 d'une valeur déterminée. La décharge ci-dessus poursuit l'allumage pendant plusieurs secondes. Ensuite, la tension appliquée à l'enroulement primaire 1b du transformateur 1 est remplacée par une faible tension de quelques volts. Alors, la détection commence. Dans cette phase de fonctionnement,, le transformateur 1 sert de 35 transformateur de puissance pour la détection. La tension de l'enroulement secondaire du transformateur est réduite à une valeur comprise entre 1/30 et 1/50 de la tension produite lors de l'allu- 69 45085 -8- 2027229 mage. Dans ces conditions, lorsque le combustiblgfest correctement allumé et qu'une flamme normale est formée, la flamme a pour effet de redresser la tension alternative de détection appliquée entre l'électrode 3 et le contact paie-étincelle 4, de sorte qu'il 5 ne circule qu'un faible courant du côté électrode au côté brûleur pendant l'alternance pendant laquelle l'électrode 3 reçoit une tension supérieure à celle du contact paie-étincelle 4 et, ainsi il se forme un courant continu pulsatoire. La tension continue pulsatoire engendrée aux bornes A et B par le courant continu pul-10 satoire est stabilisée par le circuit de filtrage constitué par les condensateurs 6 et 8, et est ensuite appliquée aux bornes C et B du circuit de détection. Le courant continu ne circule pas à travers les condensateurs, mais à travers les résistances 12 et 9 du circuit détecteur. Lorsque la tension aux bornes A et B dépasse 15 une valeur déterminée, le courant en excès circule dans le circuit limiteur de tension. Grâce au filtrage ci-dessus, la détection est stabilisée. En cas de fonctionnement anormal, s'il devait se produire un court-circuit entre l'électrode 3 et le contact pare-étincelle 4, aucune décharge disruptive n'est engendrée dans le proces-20- sus d'allumage et un courant de court-circuit (alternatif) d'environ 20 milliampères circule à cause de l'allumage. Au cours de la détection, un faible courant alternatif (environ 1 milliampère) circule, indépendamment de la présence ou de l'absence de la flamme. Ces courants alternatifs, comme le courant de décharge normal 25 ci-dessus, sont shuntés vers le circuit comprenant les condensateurs 6 et 8 et la résistance 7 et vers le circuit limiteur compre nant la varistance 5. Par suite, aucune détection n'est réalisée. En d'autres termes, lorsque l'électrode est à l'état anormal, aucune détection n'est effectuée et le circuit fonctionne en toute 30 sécurité. En bref, le principe de la présente invention réside dans le fait que seule la composante continue (composante pulsatoire) obtenue grâce à la fonction de redressement de la flamme est détectée et qu'aucune autre composante alternative n'est détec-35 tée et que le circuit fonctionne toujours en toute sécurité. Plus précisément, quatre types de courant peuvent circuler dans le circuit détecteur d'allumage, à savoir le courant de décharge appa 69 45085 -9- 2027229 raissant lors de l'allumage, le courant continu pulsatoire apparaissant lors de la détection, le courant de court-circuit lors de l'allumage et le courant de court-circuit lors, de la détection, comme décrit ci-dessus. La valeur de ces courants est comprise en-5 tre 1 micro-ampère au cours de la détection et plus de 20 milli-ampères par suite d'un court-circuit pendant l'allumage. La caractéristique essentielle de la présente invention réside dans le fait que le circuit détecteur fonctionne avec une faible partie seulement de la composante continue produite par la flamme normale 10 dans une large gamme de composantes de courant. Cette fonction remarquable de l'invention est exécutée, par la varistance 5 agU» comme un limiteur, ainsi que par le circuit à plusieurs fonctions comportant les condensateurs 6 et 8 et la résistance 7 et les bornes B et C. Ce circuit filtre le courant continu pulsatoire et 15 shunte la composante altèrnative. La résistance 7 a une fonction particulièrement importante pour l'efficacité de la présente invention. Une certaine tension, déterminée par la valeur nominale de la varistance 5, est produite entre les bornes d'entrée A et B, soit dans le cas de la détection normale, soit en cas de court-cir-20 cuit anormal à l'électrode. Cette tension prend la forme d'une composante continue pulsatoire au cours de la détection normale ou d'une composante alternative au cours de la décharge disruptive ou d'un court-circuit de l'électrode. En l'absence de la varistance 5, le courant alternatif circule à travers le circuit en parallèle 25 comprenant le condensateur 6, la résistance 7 et le condensateur 8 montés en série, et le courant continu circule à travers le circuit en série comprenant les résistances 12, 9 et 7. Lorsqu'une tension alternative apparaît aux bornes A et B, elle est divisée et appliquée à la résistance 7 et au condensateur 8. Si l'impédan-30 ce de la résistance 7 est plus grande que celle du condensateur 8, la plus grande partie de la tension est appliquée aux bornes de la résistance 7 et seule une partie très limitée est appliquée entre les bornes C et B du circuit détecteur. Par suite, il n'y a pas de différence de potentiel suffisante entre les bornes C. et B, même 35 pendant l'alternance pendant laquelle le transistor à effet de champ 11 est conducteur. En fait, le transistor à effet de champ est bloqué et le circuit ne fonctionne pas pour la détection. Ce 69 45085 -10- 2027229 pendant, lorsqu'un courant continu circule, une tension est appliquée aux bornes de la résistance 9 du circuit détecteur et une différence de potentiel suffisante est engendrée pour rendre le transistor à effet de champ 11 conducteur. Ainsi, le circuit 5 est prêt à effectuer une détection, la résistance 7, en combinaison avec les condensateurs 6 et 8, a pour fonction de filtrer la composante continue pulsatoire, ainsi que de shunter la composante alternative, comme précédemment décrit, la résistance 7 joue encore un rôle plus important au cours du fonctionnement de 10 la présente invention, c'est-à-dire qu'elle fait la sélection entre les composantes continue et alternative, de manière à empêcher le circuit de détecter tout le courant alternatif, à l'exception de la composante continue pulsatoire produite par la flamme normale. 15 Outre les caractéristiques ci-dessus, le circuit de l'inven tion comporte un système de sécurité, de sorte que le système de réglage de combustion peut fonctionner toujours en toute sécurité, quelle que soit la partie du système qui puisse être la cause d'une défaillance, le circuit selon la présente invention est 20 parfait sous tous les rapports. Aucune partie du circuit de l'invention ne peut tomber en panne. Cependant, dans le sens strict du mot, les éléments du circuit, comme la varistance 5, les transistors 11, 13 et 16 et la diode de Zener 17 sont les seuls à pouvoir subir une défaillence, ce qui est cependant très rare. En gé-25 néral, on considère que la sécurité du circuit du type décrit ci-dessus est quelque peu réduite par le fait que les éléments semiconducteurs deviennent tous conducteurs en cas de défaillance, contrairement aux tubes électroniques, le circuit de la présente invention, grâce à son principe de fonctionnement, fonctionne tou-30 jours en toute sécurité, même si la varistance 5 et/ou le transistor à effet de champ 11 subissent une défaillance. Par exemple, on va supposer une défaillance de la varistance 5, qui la rend conductrice. Dans ce cas, le potentiel à la borne A devient égal à celui régnant à la borne D et, par suite, aucune tension d'entrée 35 n'est appliquée aux bornes détectrices C et D, et le transistor à effet de champ 11 est maintenu bloqué. 69 45085 -11- 2027229 En bref, la présente invention permet à un seul circuit d'effectuer toujours un allumage et une détection de la flamme d'une façon précise et sûre. naturellement, l'invention n'est pas limitée aux formes 5 de réalisation décrites et représentées et est susceptible de recevoir diverses variantes entrant dans le cadre et l'esprit de l'invention. 69 45085 -12- 2027229 " - REVENDICATIONS - 1 - Système d'allumage et de détection utilisant une seule électrode, caractérisé en ce qu'il comporte un montage comprenant une électrode, dont une partie située près de sa pointe 5 ou la totalité de l'électrode, à l'exception de la pointe, est recouverte d'une matière isolante, un transformateur d'allumage qui peut être relié par un commutateur aussi bien à la source de courant engendrant la décharge disruptive qu'à la source de courant destinée à la détection, et un circuit détecteur d'allumage 10 comportant un circuit de shuntage du courant de décharge et un circuit détecteur transistorisé. 2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant de décharge disruptive circule dans le circuit de shuntage . 15 3 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faible courant continu de détection est appliqué au circuit détecteur transistorisé, de sorte que l'allumage et la détection de la flamme sont exécutés tous deux en utilisant une seule et même électrode. 20 4 - Circuit détecteur d'allumage pour un brûleur, caractéri sé en ce qu'une extrémité d'une varistance et plusieurs condensateurs sont connectés à la borne haute tension d'un transformateur d'allumage par l'intermédiaire du brûleur, la varistance étant connectée à la borne mise à la masse et une résistance étant eon-25 nectée à plusieurs condensateurs pour former un circuit de shuntage et un circuit de filtrage comprenant la varistance et les condensateurs montés en parallèle, et en ce qu'un circuit amplificateur comprenant plusieurs transistors et un circuit détecteur d'allumage connecté au circuit amplificateur sont reliés au circuit de 30 shuntage et au circuit de filtrage.