Brevet FR2394757A1 — publié le 19790112

La présente invention se rapporte, d'une manière générale, aux détecteurs de flamme et concerne plus particulièrement un dispositif pour conduire les radiations de la zone de combustion d'un brûleur vers un dispositif de détection. Un facteur de sécurité et de contrôle essentiel des chaudières utilisées dans les équipements de- production d'énergie et autres, consiste dans la possibilité de détecter de manière fiable si un brûleur est bien allumé. Un détecteur de cette sorte, qui s'est révélé remarquablement efficace, est décrit dans le brevet américain Horn NO 425 039 du 14 décembre 1973. Ce détecteur est utilisé, comme peuvent l'etre d'autres, conjointement avec la présente invention, dans des applications où l'on ne dispose pas d'une ligne de visée en ligne droite sur une zone de combustion donnée d'un brûleur. Dans a demande precitÉe) la zone de combustion a été choisie à cause de la concentration des radiations infrarouges utiles. Bien qu'on n'entende pas limiter la présente invention à cette partie du spectre, on se propose de l'utiliser dans la description de l'invention qui va suivre pour la commodité de l'exposé Dans certaines chaudières, les brûleurs peuvent être déplacés pendant le chauffage et on a constaté que la région utile de la zone de combustion pouvait de ce fait ne plus être à certains moments dans la ligne de visée du détecteur. L'invention décrite ci-après est paìtículièrerlent utile pour ces applications. Le choix d'un système optique a fibres semble constituer un élément de départ raisonnable pour un tel dispositif. Toutefois, diverses difficultés se sont révélées pour en assurer le développement. Un problème particulièrement gênant a été celui des propriétés de transmission de l'énergie transmise. C'est ainsi par exemple, qu'une énergie située à l'extérieur du spectre visible est nécessaire dans un grand nombre diapplicetions, pour déterminer avec précision l'existence de la flamme d'un brûleur principal; or, on a constaté que beaucoup de matières utilisées pour.la fabrication des fibres optiques atténjent cette énergie au point de rendre les signaux obtenus pratiquement inutilisables. C'est ainsi que les matières traditionnelles pour constituer les fibres optiques se sont révélées non satisfaisantes.Par ailleurs, d'autres matiè- res ayant des propriétés de transmission convenables, apparaissent inadaptées pour la fabrication de fibres optiques. Une autre difficulté majeure à laquelle on s'est heurté consiste dans la température élevée régnant dans la chaudière et qui ferait fondre le faisceau optique et le rendrait inopérant. En plus des difficultés précédentes, les différents faisceaux optiques peuvent etre fléchis et, pour des dimensions données des fibres individuelles, ces considérations s'ajoutent aux difficultés rencontrées dans le développement du dispositif selon la présente invention. La présente invention a été développée de manière à pouvoir etre adaptée au détecteur extrêmement efficace décrit dans la demande Horn précitée. Toutefois, d'autres détecteurs sensibles à l'énergie radiante peuvent être utilisés. C'est ainsi par exemple que, dans la présente invention, du fait que l'atténuation de l'énergie transmise est Extrêmement faible d'une extrémité du faisceau de fibres optiques à l'autre, on peut dire que n'importe quel système de détection capable de voir directement la flamme ou la zone de combustion d'un brûleur peut aussi être utilisé selon la présente invention, notamment dans le cas où il est nécessaire d'installer le détecteur à une certaine distance de la zone de combustion du brûleur. En plus de ce qui précède, on a constaté que les fibres optiques ont tendance à présenter des pertes considérables à moins que chacune des fibres du faisceau ne soit recouverte d'une matière qui réduit les interférences entre les fibres adjacentes de ce faisceau. Toutefois, ce revêtement a tendance a être détérioré dans l'environnement hostile que représente la zone des brûleurs d'une chaudière. De ce fait, on a constaté que certainès fibres optiques ne transmettaient pas les informations optiques de façon satisfaisante, rendant ainsi certaines installations incapables de transmettre une quantité de radiations suffisante de la zone de combustion à un dispositif de réception éloigné. En conséquence, l'un des buts de la présente invention est de produire un dispositif de détection de flamme destiné à être utilisé avec des brûleurs mobiles. Un autre but de la présente invention est de réaliser un dispositif de détection de flamme dans lequel le détecteur peut être installé à une certaine distance de la zone de combustion du brûleur. L'invention a également pour but d'apporter un dispositif de détection dans lequel l'énergie d'une région sélectionnée de la zone de combustion est transmise au détecteur afin d'indiquer, de façon fiable, la présence d'une flamme. Enfin, la présente invention concerne un dispositif de détection de flamme utilisant un système optique perfectionné, capable de transmettre des quantités suffisantes de radiations pour actionner un détecteur approprié. En conséquence, l'invention a pour objet un dispositif de détection de flamme pour chaudière, dans lequel des moyens sensibles aux radiations répondent quand ils sont excités par des radiations incidentes dans une bande d'énergie donnée, en produisant un signal indiquant l'existence d'une flamme. Un conduit de lumière incluant un système optique collecte des radiations incidentes dans une région sélectionnée de le zone de combustion n un brCleur et un coude flexible relie ce système o-ptique à un organe sensible aux radiations. Un faisceau de fibres optiques transporte les radiations incidentes collectées par le système optique au détecteur, ce faisceau de fibres optiques étant constitué par un quartz extrêmement pur extrudé et sans revêtement, capable de transporter les radiations sans -atténuation sensible. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, -en référence au dessin annexé, sur lequel La Fig. 1 est une vue en élévation, partiellement en coupe, de la partie inférieure d'une chaudière, montrant les détecteurs de la présente invention; La Fig. 2 est une représentation plus détaillée au dispositif de détection de la figure 1; La Fig. 3 est une vue éclatée du dispositif de détection et qui montre plus en détail la construction du conduit de lumière du détecteur de la Fig. 2; et, La Fig. 4 est une vue d'un détail du tube flexible. La chaudière représentée en élévation sur la Fig. 1 est l'un des nombreux modèles auquel l'appareil de la présente invention peut être adapté. La chaudière 10 comprend des parois 11 et, au moins un brûleur. Bien que plusieurs brûleurs 15a, 15b aient été représentés, l'appareil del'invention s'applique tout aussi bien à des chaudières ne comportant qu'un seul brûleur qu'à celles comprenant plusieurs groupes de brûleurs. Les brûleurs 15a, 15b injectent un carburant approprié, comme l'indiquent les flèches 17, dans les zones de combustion 12a et 12h correspondantes.Le dispositif de détection désigné en son entier par 16 est orienté vers l'une des zones de combustion 12a, 12b et est conçu pour car certaines fréquences sélectionnées de l'énergie rayonnée par la flamme et qui se sont révélées utiles pour détecter celle-ci. C'est ainsi, par exemple, qu'il existe dans la zone 12a ou 12b un rayonnement infrarouge comprenant des fréquences utiles et c'est la raison pour laquelle ces zones feront l'objet d'une discussion plus détaillée par la suite. Les brûleurs représentés sur la figure 1 pourraient être mobiles de sorte que les zones de combustion 1La eut 12D pourraient se déplacer en même temps que les brûleurs 15a et 15b, le long d'un arc de cercle 13, par exemple, comme représenté sur la figure 1. C'est ainsi par exemple que si l'on désire modifier la température d'une partie donnée de la chaudière, les brûleurs 15a et 15b pourraient être abaissés ou remontés de façon à régler la température générale de celle-ci, d'une manière classique. Dans la présente invention, il est prévu de pouvoir déplacer le dispositif de détection 16 en même temps que les brûleurs 15 de façon que le dispositif 16 voit toujours la même zone de combustion sélectionnée 12a ou 12b que son brûleur 15a et/ou 15b. A cette fin, le détecteur 16 est relié à ses brûleurs 15 et se déplace avec eux. La manière dont le dispositif de détection 16 se déplace et la manière dont il est fixé par rapport aux brûleurs 15a et/ou 15b peut varier d'un type de chaudière à un autre. Sur la figure Z, le dispositif de détection 16 associé au brûleur 15a comporte un embout 20 qui est aligné avec-la zone de combustion 12a à travers une fenêtre 18 percée dans la paroi 11 de la chaudière. L'embout 20 est accouplé à un boîtier 21 qui renferme un système optique représenté en détail sur la figure 3 et qui est décrit plus loin. Au boîtier 21 est raccordé un tube flexible 22 qui fléchit lorsque la position de l'embout 20 et du boîtier 21 change par rapport à la zone de combustion 12a. L'extrémité de gauche du tube flexible 22 est reliée par des moyens de couplage 23a à l'une des extrémités du boîtier 24 qui renferme le détecteur, désigné en son entier par 25, qui est sensible aux radiations incidentes. De même, un coupleur 23b relie l'extré- mité de droite du tube flexible 22 au boîtier. 21 Comme il a été indiqué, il existe un certain nombre de sortes de quartz capables de transmettre la gamme préférée de radiations et, selon la présente invention, on peut citer parmi les matières préférées celles vendues sous les marques "INFRASILL" et "SUPERSILL", fabriquées par la société américaine Amersil, Inc., de Hillside, Etat du New Jersey, qui sont parmi les mieux adaptées. Pour des raisons qui seront expliquées plus en détail par la suite, ces deux matières présententdes proprlétés optiques qui ont permis de les utiliser dans un environnement hostile sans perte sensible dans la transmission des radiations par le faisceau de fibres optiques. quand on déplace le brûleur de la figure 1 afin de changer la direction de sa flamme, la zone de combustion 12a s'en trouve affectée, de sorte que, quand la zone de combustion change, l'embout 20 et le boîtier correspondant 21 suivent la zone de combustion et maintiennent une ligne de visée uniforme sur la zone de combustion et, par conséquent, assurent une détection précise de l'existence de la flamme. La figure 3 est une vue éclatée du conduit de lumière comportant l'embout 20 qui es-t pourvu d'un manchon conique 20a. Le manchon 20a s'engage dans une partie complémentaire 21a du boîtier 21. L'embout 20 comporte aussi des ouvertures 27 qui permettent la circulation de courants de gaze-t d'air qui évitent que celles-ci soient obstruées par des-particules pendant qu'il vise la zone de combustion. Le boîtier 21 a une ouverture cylindrique 19 de diamètre variable qui le traverse axialement de part en part. il comporte une détente ou gorge annulaire 29, adaptée à recevoir une lentille 26. Cette lentille 26 est tenue en place par l'embout 20 quand les deux parties complémentaires 20a, 21a sont assemblées. La lentille 26 concentre les radiations incidentes qui traversent l'embout 20. Ces radiations sont focalisées sur l'extrémité 27a d'un faisceau de fibres optiques 28. Le faisceau 28 transporte les radiations incidentes vers son autre extrémité jusqu'au détecteur 25. Le faisceau de fibres optiques 28 comprend des coupleurs 30 disposés à ses extrémités opposées pour les fixer dans un emballage et qui permettent aussi de relier ses extrémités respectivement au boîtier 21 et au détecteur 25. L'un des coupleurs 30 est relié à une ouverture 31a d'un boîtier 31. Les coupleurs 23a et Z3b s'engageant respectivement dans des ouvertures taraudées 33 et 21b appartenant respectivement aux boîtiers 31 et 21. Ces coupleurs fixent le conduit de lumière comme représenté sur la figure 3. Le faisceau de fibres optiques 28 est fabriqué par un procédé d'extrusion spécial grâce auquel le diamètre de chaque fibre est d'environ 0,5 mm, le faisceau comprenant environ 30 à 40 fibres. Ces dimensions se sont révélées utiles et efficaces pour transmettre une quantité de radiations incidentes suffisante aux fins de la présente invention. Toutefois, d'autres dimensions pourraient être utilisées au besoin dans certaines autres applications. Le faisceau de fibres optiques 28 peut être fabriqué avec un certain nombre de sortes de quartz extrêmement pur, possédant, à des degrés variables, la propriété de transmettre les radiations ultraviolettes et infrarouges sans atténuation sensible. il existe -au moins un autre type de quartz très pur, capable de- transmettre seulement des radiations infrarouges, qui pet être utilisé dans les applications où d'autres énergies spéciales ne sont pas nécessaires. La lentille 26 est fabriquée dans la même matière que les fibres optiques. Toutefois, cette lentille pourrait aussi être faite d'une matière capable d'arrêter toutes les radiations autres que les radiations infrarouges par exemple, ce qui simplifie le processus de fabrication. Dans un tel cas, si un détecteur de radiations infrarouges était nécessaire, le faisceau de fibres optiques pourrait être fabriqué dans un quartz très pur, capable de transmettre n importe laquelle des fréquences désirées. La lentille d'autre part pourrait être faite d'un quartz très pur, arrêtant toutes les radiations, sauf les radiations infrarouges. Ces exemples montrent la souplesse que présente le système pour les diverses applications et les modifications auxquelles il se prête. Dans la présente invention, le tube flexible 22 est spéciale- ment conçu pour limiter la flexion du conduit de lumière à un rayon de courbure d'environ 1,20 m. Ceci est imposé par les caractéris tiques du faisceau de fibres optiques qui, quand il se compose de fibres extrudées ayant le diamètre spécifié, risque de voir dépas ser sa limite de flexibilité si on l'incurve suivant un rayon- de courbure inférieur à 1 ,20 m. Pour s'assurer que le tube flexible 22 respecte bien le rayon de courbure imposé, on a développé un tube flexible spécial.Sur la figure 4, on a représenté une partie de la section du conduit de lumière où l'on voit deux sections ad jacentes 22a et 22b Le tube flexible 22 se compose essentiellement d'une bande de métal enroulé en hélice, de préférence en acier inoxydable et dont les extrémités qui se touchent 32a et 32b ont des sections arquées 33a et 33b s'incurvant à l'opposé. Ces sections 33a et 33b se touchent comme représenté, cependant qu'un élément d'arrêt 34 est interposé entre elles pendant l'enroulement du tube flexible 22. Lu flexibilité du tube 22, quand on le plie est limité par la présence de l'élément d'arrêt 34, -du fait que les extrémités 32a et 32b sont empêchées d'approcher davantage l'une de l'autre par la largeur de l'élément 34.On peut faire varier la largeur de l'élément d'arrêt 34 afin de conférer une plus ou moins grande flexibilité au tube. Toutefois, la configuration particulière est calculée pour que le tube ait un rayon de courbure limité à environ 1,20 m. Dans la présente invention, la longueur du conduit de lu lumière représenté sur la figure 3 peut varier entre environ 1,20 m et environ 2,40 m. Toutefois, on a constaté qu'on pouvait utiliser un conduit plus long lorsque le boîtier 24 du détecteur doit être placé à une plus grande distance des zones de combustion 12a et 12b. Cette possibilité doit être attribuée aux qualités de transmission supérieure du faisceau de fibres optiques qui, comme il a été noté, n'atténue pas sensiblement des radiations transmises de la zone 12a ou 12b au détecteur 25. Comme il a déjà étéfexpliqué, il s'est révélé en général nécessaire d'appliquer un revêtement aux fibres individuelles des faisceaux de fibres optiques pour réduire les interférences et les pertes optiques. Or, ce revêtement modifie l'indice de réfraction des fibres aux limites entre les fibres voisines de sorte que les radiations transmises sont réfractées à l'intérieur du faisceau. Etant donné que la région des brûleurs constitue un envi ronnement extrêmement hostile, le revêtement des fibres optiques se révèle inefficace car il a tendance à peler et à se détériorer, diminuant ainsi l'énergie transmise. La présente invention utilise un faisceau composé de fibres optiques sans revêtement qui, bien que présentant certaines pertes, transmettent-néanmoins une quantité suffisante d'énergie de rayonnement pour fournir une indication fiable de la présence d'une flamme à l'extrémité du faisceau qui est couplée au détecteur de flamme 25. On a constaté que les matières choisies pour la fabrication du faisceau de fibres optiques, notamment l"'INFRASILL" et le "SO?ERSELL" transportent une quantité d'énergie suffisante au détecteur de flamme 25 quand elles ont été extrudées à un diamètre d'environ 0,5 mm, comme il a été indiqué plus haut.Ce dimensionnement préféré des fibres ainsi que la qualité de la matière ellemême, rendent inutile l'application d'un revêtement sur celles-ci, palliant ainsi les difficultés liées à la déterioration du revêtement dans l'environnement hostile que constitue la région des brûleurs. Eri conséquence, la présente invention diminue les coûtes de fabrication, en réduisant en même temps les risques de pannes du système de détection des flammes dus à une interruption du maillon de communication entre l'embout 20 et le détecteur 25. Ainsi donc, l'invention décrit un dispositif pour transmettre des informations, telles que les caractéristiques de combustion d'un brûleur, en utilisant un dispositif de détection de flamme qui est capable de suivre les déplacements de la zone de combustion d'un tel brûleur et qui peut effectivement transmettre les informations au moyen d'un conduit de lumière ayant des qualités de transmission supérieure. Bien entendu, il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'exemple de réalisation représenté et décrit, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif détecteur de flamme pour un brûleur mobile de chaudière, caractérisé en ce qu'il comporte, des moyens sensibles aux radiations situés à l'extérieu-r de la chaudière et qui, en réponse à des radiations incidentes dans une bande d'énergie donnée produisent un signal indiquant l'existence d'une flamme, une lentille en quartz, un boîtier supportant cette lentille, ce boîtier étant relié au brûleur de sorte que la lentille est focalisée sur la zone de combustion du brûleur, un tube flexible dont l'une des extrémités est reliée au boîtier et dont l'autre extrémité est reliée aux moyens sensib2es aux radiations, et un faisceau de fibres optiques s'étendant dans le tube flexible pour transporter les radiations collectées depuis la lentille jusqu'eux moyens sensibles, ce. faisceau comprenant des fibres en quartz extrudées sans revêtement capables de transporter des radiations sans pertes appréciables. 2. Dispositif de détection de flamme selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la. lentille est placée dans une ouverture du boitier et en ce qu'il comprend un embout annulaire allongé, se vissant dans l'extrémité de l'ouverture près de la zone de combustion, cet embout ayant un certain nombre d'ouvertures constituant des passages pour la circulation de gaz dans ltouver- ture, afin d'éviter l'obstruction de l'embout et l'obscurcissement de la lentille par une accumulation de particules présentes au voisinage de la zone de combustion. 3. Dispositif de- détection de flamme selon la revendication 2, caractérisé en ce que le boîtier comporte une détente ou gorge annulaire logée dans l'ouverture pour recevoir la lentille, l'embout annulaire s'appliquant contre la lentille en maintenant cette dernière dans la détente. 4. Dispositif de détection de flamme selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fai-sceau de fibres optiques se compose d'un faisceau d'environ 30 à 40 fibres extrudées, dont chacune a un diamètre extérieur d'environ 0,5 mm. 5. Dispositif de détection de flamme selon la revendication 1, caractérisé en ce que-les fibres optiques sont capables de transmettre des radiations allant de l'infrarouge à l'ultraviolet. 6. Détecteur de flamme selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres optiques sont capables de transmettre des radiations dont la longueur d'ondes est comprise entre environ 2000 angströms et environ 2,5 microns.