一种监测和确保无烟囱炉，特别是煤油加热器安全操作的方法以及实施该方法的装置

摘要

本发明涉及到一种监测和确保室内的无烟囱炉、特别是煤油加热器在正常加热状态之内和之外的安全操作的方法和装置。在正常加热状态之外，就会出现不完全燃烧的危险并伴随室内O

说明书

本发明涉及一种监测和确保无烟囱炉，特别是煤油加热器安全操作的方法，这种加热器有一个围起的空间，加热器在正常加热情况下，燃烧器在该空间内产生的火焰高度保持在预定范围内，在加热器上装有辐射响应设备用以监控所述范围之外的火焰，若在非正常加热情况下，火焰高度将比预定的火焰高度范围要高或要低，并由此产生一个要被输入到控制电路使其恢复到正常工作状态的控制信号，这样，一方面，会产生一个报警信号，另一方面，在相应的延时之后关闭燃烧器，以免燃烧器在预定期限内以在正常火焰高度范围之外操作。

此外，本发明还涉及到实施上述方法的装置。

目前，欧洲各国制定更加严格的安全法规，以限制因无烟囱炉，特别是煤油加热器所引起的室内空气污染;它们要求对这种无烟囱炉-如带一级或二级燃烧器的煤油加热器进行严格的监测，使其安全地工作（见US-4390003号专利）。

目前已有几种炉用的，特别是煤油加热器（PCT-NL86/00010）用的安全系统，其中，一旦这种炉或加热器处于正常工作状态，那么燃烧器所产生的火焰高度可以超过预定的范围和/或加热设备以及燃烧器头部和与之相联的管路可以加热到炉子处于不希望的工作状态的程度。现有的安全装置包括监测高于预定的最大高度的火焰并提供一个与之相应的调节和/或控制信号的传感装置，所述的控制信号被输到响应该信号的工作设备来使煤油加热器回到所希望的工作状态或关掉煤油加热器。对于带一级燃烧器的煤油加热器来说，在现有安全装置中敏感装置包括两个感光器或两个热辐射测量元件，而每一个与正常工作下的煤油加热器的所述火焰预定高度范围的上限和下限相对应。当火焰高度超过了预定的火焰高度范围时，用手来调节燃烧器的灯芯或根据感光器产生的测试信号来调;此外，在预定的时间期限内，当火焰连续地超过预定火焰高度，就用一种落杆快速地关掉燃烧器。

这种现有的安全装置唯一地根据被测火焰高度的辐射。然而，当有许多固有的不确定因素时，就难以满足最近的安全法规要求。例如，若燃烧器一开始以尽可能低的火焰高度工作，这种情况就不会被与预定火焰高度范围的低限相关的感光器监测到。一旦燃烧器以尽可能低的火焰高度燃烧，并因为用户忘关加热器而延长了工作时间，例如，就会存在很大的危险，使室内空气中含有过高的不可接受的CO₂量，这是由于缺少响应光的最低火焰高度监测特性，使加热器不能被自动地关掉。

由于灯芯纤维总有不规则性，加热器在正常工作时，燃烧器火焰短暂地超过预定火焰高度范围是可能的，这样的话，尽管室内空气中CO₂含量还没有达到最高可接受量，但现有的安全装置就会过早地自动关掉燃烧器。在一台装有现有设备的炉上或加热器上，这种初级的燃烧器的关闭会导致产生恶臭气和煤烟，另外由于热的燃烧器管没有足够的时间充分地冷却来防止还留在灯芯纤维中的煤油，因燃烧器辐射的热量加热而燃烧，因此就会产生极恶臭的气体。

在室内，一台无烟囱煤油加热器正在工作的话，若通风不足，CO₂将增加而O₂浓度下降（CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O）。缺少氧气就会导致不完全燃烧，然后，又引起CO和CO₂量的增加。因此，一方面在O₂和CO₂或CO浓度之间存在直接的关系，另一方面在CO₂和CO浓度之间也存在着直接关系。当CO₂量增加时，CO量同样地增加。

与微机联用的那种气体感应器本身已经公知，由于与微机联用，因此，在检测后信号经电阻输出并用以自动地控制空气清洁装置或风扇，从而改变如厨房蒸汽、烟雾或汽车废气这种气份环境中的CO，H₂和许多其它有机成份的量。（气体感应器型号TGS800，费伽路工程公司）。

在医学上，已经知道使用O₂传感器来探测人工呼吸装置（US-4495051）中的氧气含量。这种氧气传感器，例如，可是加伐尼电池，包括一根铅正极，一根由金制的氧阴极和弱酸性电解质。用于温度补偿的一个电阻和一个热敏电阻接在阴极和阳极之间，使得铅氧电池型的伽伐尼电池连续地放电。

本发明主要目的是提供一种具有上述特性的方法以及实施避免了上述缺陷并响应目前迫切的安全需要的方法的装置。特别地，对煤油炉或加热器进行监测和以某种方式使其安全地运行，这种控制方式无需依靠检测火焰高度的辐射。

对本发明来说，其主要目的是这样完成的，先是极灵敏地探测煤油加热器内燃烧废气中的O₂含量，并利用所测出的含量作为监测燃烧废气中CO含量的衡量标准，然后把它转换成为形成所述控制信号的电压信号;若燃烧器是在预定火焰高度范围之外工作，为了恢复正常加热状态，以及检测最低火焰高度状态下的工作状况，在程序控制下对O₂进行极敏感的监测，测出的废气中的O₂量在预定的第一和第二O₂含量时，随后就产生报警信号，并延时地自动关闭燃烧器，预定的第一和第二O₂含量与室内空气中预定的CO₂量相对应，所述的第二含量低第一含量。

权利要求2到11涉及有关本方法的一些更有利的措施。

本发明的一个较好的实施例中，CO的百分比另外地作为监控室内CO₂量的衡量标准，当燃烧器废气中的O₂或CO含量达到了相应与室内空气中可接受的最高0.8%CO₂量级时，产生报警信号并自动地关闭燃烧器。

较好地，在指示出O₂含量太低或CO-CO₂含量太高的报警信号后90秒，才自动地关闭燃烧器。

在无烟囱炉，特别是煤油加热器上实施本发明方法的本发明安全装置上包括感应元件，感应元件由安装在煤油加热器空腔内的感光器组成，该感光器与确定加热器正常加热状态的预定的火焰高度的上限有关;电池;与电池相接且适合于根据来自感应器并指示火焰高度处于其预定范围之外的测量信号来重调灯芯调节装置（该装置也适合于手调）的电控电路;报警装置以及一个当燃烧器在预定的时间内超过所述预定火焰高度情况下运行时自动地关闭燃烧器的装置，该装置与控制电路上的计时器相联并在延时后可起动。根据本发明的设计，前述的安全装置是独特的，其中传感器附加还包括一个与安装在煤油加热器内底部位置的微处理机相联的O₂传感器，该O₂传感器通过控制电路报警装置和燃烧器的自动关闭装置与灯芯调节装置相联，而报警装置和燃烧器的自动关闭装置分别地响应废气中预定的第一和第二O₂含量而起动工作，所述的第二O₂含量低于第一O₂含量。

较有利的方式是可把CO传感器附加地装在电路极上，该电路极安在反射燃烧器辐射的热量并带有一孔口的反射屏后的煤油加热器空腔的上部角的架子上，这样，一小部分流过反射屏上孔口的废气流可以与CO传感器接触。

使用本发明方法及实施本发明方法的装置，就可能使无烟炉特别是用于室内的煤油加热器正常地和连续地在满足安全参数，甚至于满足比目前官方强制的安全法规更严的情况下运行。特别地，对CO进行精确探测无需依靠对燃烧器的火焰高度的探测。

例如，如果室内空气中氧气浓度下降，那么，火焰的高度也将如此，也就意味着二级燃烧器的煤油加热器，其第二级燃烧器将不再工作，就会产生大量CO，从而室内空气中CO₂浓度增加。本发明的安全装置直接和精确地探测煤油加热器的空腔内氧气浓度的减少，从而将能精确地探测室内空气中CO₂的增加。同时，本发明安全装置是能够精确地和直接地探测已经在煤油加热器空腔内部增加CO浓度，从而保证能精确监测煤油加热器的燃烧器的最小火焰高度。

本发明的安全装置测出煤油加热器的空腔内的废气中O₂浓度从而间接地测出了室内空气中的CO₂浓度，并把O₂浓度转换成电压信号。设定值是与室内空气中可接受的最高CO₂浓度相对应的电压，对于本发明的安全装置来说，这个CO₂最高可接受浓度被确定为0.8%。当室内空气中CO₂浓度超过0.8%（根据TUV所建立的标准值，TUV（Technical>

用伽伐尼电池形的O₂传感器来测出室内空气中CO₂量，传感器安在由煤油加热器的空腔支承的线路板上。

下面的过程用来检查CO₂浓度：

1、在煤油加热器起动后如4分钟测一次CO₂，以便设定传感器电压。

2、任何报警都要延时如30秒，以免瞬变现象引起报警。

3、产生一个间歇的烽音信号，可以由三种音调并持续90秒，指示室内CO-CO₂浓度超过标准。在该时间内，可以改善室内通风（如开门或囟）以便减少CO-CO₂量。

4、假如在90秒内通风状况未能加以改善，就由螺线管关掉煤油加热器。

O₂传感器因其在较低的温度下工作或接近于它的使用寿命而失灵的话，结果传感器的输出电压U_传感器就会低于30mv;这种情况会由如7次嘟嘟声组成的间歇烽音来通告，这种声音在停止煤油加热器后持续90秒。

本发明安全装置中的O₂传感器具有如下优点：

1、工作寿命极长（5至10年）。

2、对CO₂和其它的含硫成份不敏感。

3、因为由于在通风不良的空间内进行燃烧O₂减少和CO/CO₂增加之间存在的关系，所以可靠性和精确度增强了。

4、存在了设定一个O₂传感器的报警电压U_O的可能性。

5、伽信尼电池式的O₂传感器自供电能，因此煤油加热器内控制电路可以保持3V_DC。

唯一要记住的方面是工作电压U_O和与室内空气中0.8%CO₂量相对应的电压之间的差可以是很小的。如在下面的表1所表示的测试结果中看到，氧气传感器的报警电压Ua是2mV。为此原因，稳定的，高的信号-声响比以及对温度波动的低灵敏度要求一个U_O放大率（K）为100的高质量工作放大器。精确的CO₂控制作用主要地取决于O₂传感器的电压漂移和煤油加热器内的控制电路的硬件。本发明安全装置的O₂传感器可允许按每年2%的平均电压漂移。

假如O₂传感器的输出为50mV，那么每年所允许的漂移为1mV。在Ua＝2mV，且在工厂用一台电位计固定工作电压Uo时，CO₂控制作用可期待在整个一年内具有很高的可靠性。

在试验期内，工作电压将因每天的基本情况而稍有波动。当装有O₂传感器的煤油加热器在通风良好的室内起动时，温度影响将在90分钟的期限内使电压U_传感器升到大约2mV。

本发明的安全装置的控制系统中使用了微处理机就能够解决上述问题。借助于微处理机，就可能在煤油加热器内的每个燃烧器起动后确定工作电压Uo作为在通风不良的室内使传感器电压下降以前的最大电压。每4分钟检查一次传感器电压并与在前的值比较。下面是确定工作电压Uo、传感器报警电压Ua形成的关系。

Ua＝Uo-U′a

表  1

（对用KE-50型氧气传感器获得的试验结果的分析，传感器联到本发明安全装置上的电控电路的微处理机上）。

试验 Uo U0.8% △U0.8% Ua △Ua CO₂T传感器

N° （mV）  （mV）  （mV）  （mV）  （mV）  %  ℃

1  45.70  43.83  1.87  43.71  1.99  0.875  17-37

2  45.52  -  -  43.39  2.13  0.77  29-45

3  45.58  44.52  2.06  44.52  2.06  0.8  9-24

4  46.85  -  -  44.95  1.90  0.725  8-21

5  46.67  -  -  44.70  1.97  0.75  13-25

6  47.55  45.1  2.45  44.16  3.39  1.18  3-25

7  45.39  44.0  1.39  43.83  1.56  1.09  -

8  47.23  45.2  2.03  44.85  2.38  0.93  3-21

9  45.80  44.6  1.2  44.28  1.52  1.13

10  45.52  44.1  1.42  43.90  1.62  0.84  -

11  45.76  44.17  1.59  44.12  1.64  0.845  -

  平均1.75  2.01  0.903

试验  Uo  Uo.8%  Uo8%

No  -  -  -

7a  45.36  42.84  2.52

9a  44.97  42.70  2.27

10a  45.41  43.40  2.01

在这个燃烧器起动之后，确定工作电压Uo是有利的，因为，这样可以消除任何电压漂移在对CO₂监测时的影响。然而，如果在过量CO₂含量使得燃烧器关闭之后，室内通风没有得到改善，并且尽管室内空气中CO₂量仍是太高而煤油加热器被失误地重新起动，这就出现了新的问题。在那种情况下，相应的传感器电压，该电压不同于室内通风良好的情况下所产生的电压，将会以不利的方式用作为工作电压Uo。结果，在加热器每次起动后由于过量CO₂而影响停炉会进一步增加CO₂量。

解决上述问题的措施是把工作电压在45分钟之内设置在固定的值上，以免室内过量CO₂使燃烧器关闭。如果燃烧器在该时间内重新起动，那就将根据固定的工作电压Uo来控制CO₂。假定在45分钟之后CO₂浓度将又回到其正常状态，从而工作电压Uo以上描述的方法重新确定。

当燃烧器火焰超过它的预定高度范围，会产生烟灰或烟雾，且会增加火灾危险。本发明的安全装置包括与最大可接受的火焰高度有关的光传感器，并被放置在煤油加热器燃烧室附近的相应的地方。这个传感器与本发明的安全装置中的控制电路一起作用提供所需的控制功能，如：

1、大约3秒钟的延时以越过瞬变现象;

2、如果燃烧器的火焰高度超过预定火焰高度范围的上限，就产生间歇的声音报警信号（如5音调）;

3、如果在如60秒的期限内火焰高度未回到预定的火焰高度范围，接着触发出一个报警信号并自动地关闭燃烧器。

在通风较差的室内，煤油加热器在燃烧器火焰太高的情况下运行就会使得室内O₂不足，引起不完全燃烧并从而增加室内CO-CO₂量。在这种情况下，本发明的安全装置中的O₂传感器提供一种监控作用，该作用同时又受光感器的影响。

当燃烧器自动关闭时，防止装有传统安全设备的加热器产生烟雾和伴随的臭气是很重要的。

本发明的方法和本发明的安全装置保证了以产生最少所述臭气的方式自动地关闭燃烧器。

本发明的安全装置通过下面连续步骤确保了防臭气的燃烧器的自动关闭，该步骤是;转动燃烧器的灯芯调节装置将火焰调节到很低的高度;由色标及持续3秒的声音信号指明其正确的调节位置。对于灯芯被调之后的燃烧器来说，燃烧器还将继续工作如又一个4分钟，以便防止形成臭气的成份产生。在这期间允许加热管和燃烧器头部足够的冷却。之后，给关闭装置中的螺线管输入能量来关闭燃烧器，从而就产生最小的臭气。冷却时间在任何时候都可通过旋转燃烧器的灯芯调节设备的控制纽把灯芯升起而停止。

本发明的安全装置包括一组向煤油加热器内消耗电能的元器件提供能量并可替换的电池，需要电能的如点火线圈、包括微处理机的电控制电路，和带CO传感器的加热器元件。

顺时针方向转动灯芯调节装置使主开关起动接通电控制电路。开头，是试验电池，如果电池电压Ub低于2.3V，将不能点火，并会发出一个连续的声音信号持续约30秒表示要更换电池。30秒后，报警信号中断，并通过螺线管的作用中断对煤油加热器的加温或加热的过程并重调灯芯。

若电池电压处于正常范围，将可以点火，在如15秒中必然点着。如果点不着，就会发出一个间歇的蜂鸣信号并持续90秒;在此期间，仍然可以给加热器点火。如果90秒后仍没有点着，螺线管就重调加热器到其停炉状态。

在点着火之后，就要定期地开始以上述方法检查电池电压;同样，在煤油加热器开始加热后4分钟检查一次火焰高度和CO₂浓度。

本发明的安全装置中，已经证明选择好微处理机的频率可以减少控制电路的能量消耗。微机的频率在0.5-5MHz之间将能满意地运行。频率f＝0.5MHz时，所选的电流I是2.5mA，而f＝5MHz时，电流I增到30mA。在f＝0.5MHz时，微机的运行速度比f＝5MHz时要慢得多;然而在目前的应用中，这种差别完全是无关紧要的。

还应该注意到本发明的安全装置包括一个安装在煤油加热器空腔内的机构，该机构用来防止万一电池盒内无电池或电池放得不合适时燃烧器点火装置和灯芯调节装置工作。

用一个传统的电路以连续的方法来监控燃料箱底的燃料量。如果太少，就产生一个间歇蜂音信号，同时底部闪光灯闪耀即3分钟。在这种情况下，燃料箱内可用的燃料还是以使燃烧器继续工作大约30分钟。

本发明的方法和实施该方法的安全装置将参考附图详细说明。

图1表示了设置本发明的安全装置的煤油加热器的剖视图;

图2表示了图1的煤油加热器的透视图;

图3表示了测定传感器工作电压Uo的方法的示意图。

图4表示了室内空气中的氧对时间和CO-CO₂浓度的关系;

图5表示监测煤油加热器的运行和确保其安全的方块图;

图6a，6b表示了属于本发明的安全设备的一个机构的两个实施例的透视图，该机构用于在电池未装或在电池盒内放得不合适时防止燃烧器点燃或灯芯调节装置操作。

如图1和图2所示，煤油加热器1有一空间2，在空间2内的中央设置了带一与其相联的灯芯调节装置3的燃烧器4;燃烧器可以是一级或两级结构。此外，加热器有一个打了孔的、顶部为一个开口且限定了一个燃烧室的燃烧器空腔6。在燃烧器空腔6和煤油加热器1的空间2（在图1左侧）的后壁7之间，设有一个垂直向下延伸的反射屏8，该反射屏8在靠近煤油加热器1的空间2的顶壁9有一开孔口10，而在燃烧器4产生的一部分废气可流过此开孔10并由此向上逸出（箭头A）。固定到空间2底部的一个垂直保持器12在该空间的下部区内支撑了一个伽伐尼电池式的O₂传感器13，该传感器与控制电路14上的微处理机相连接。在加热反射屏8的后面，在空间2的左上角（看图1）的一块CO监测电路板15上设有CO传感器，如此，流过热反射屏9上开孔10的废气将与其接触。电路板15导电地与安全装置的电控电路14相连，并依次与报警信号装置（未画）和燃烧器4的自动关闭装置16相连。与燃烧器4产生的火焰18高度的预定值范围的最高值17相关的感光器19装在热反射屏8的后面，并以某种方式来监测火焰高于上述预定火焰高度范围的最高值17。感光器19与控制电路14相联。当感光器19监测到火焰18高于上述火焰高度范围的最高值17时，它就发出一个测量信号并将该信号输到控制电路14并激发出一个具有音响效果的报警信号。煤油加热器的用户在响后的90秒内起动灯芯调节装置装置3使燃烧器4的火焰18回到燃烧器4正常工作状态下的预定火焰高度范围内。假如在上述90秒内未能达到上述目的，就由控制电路14起动关闭装置16并自动地操作燃烧器4。

如果煤油加热器在一个通风良好的室内点燃，那么气温的影响在90分钟内会使安全装置中的O₂传感器13的输出U_传感器增加到大约2mV。而煤油加热器正在工作时，O₂传感器13连续地监测空间2内空气中的O₂浓度并把得到的浓度转换成相应的电压信号。由于O₂减少直接表明CO₂增加，指示O₂浓度的电压信号是室内空气中CO₂瞬时值的衡量标准。如图3所示，控制电路14中的微机在燃烧器4起动后，先确定O₂传感器13的工作电压作为室内不良通风引起传感器电压U_传感器下降以前的最大值。如图3所示，每隔4分钟测一次传感器电压U_传感器并与最初预定的值相比较。图3中，U₄是在室内不良通风使U_传感器电压值下降（见U₅＜U₄）以前的最大值。由于这个理由，U₄-U₀。在工作电压确定以后，O₂传感器13的报警电压Ua遵循的是Ua＝Uo-Ua′。如果由O₂传感器13测到的氧气浓度与报警电压Ua的电压值一致，就产生一个报警信号。如室内通风状况在90秒内未加改善，O₂浓度将会继续下降，而煤油加热器会由自动停炉装置16以一个来自O₂传感器13的低于报警电压Ua的输出值U_传感器。

当煤油加热器1工作时，CO传感器11能连续地测出空间2内燃烧器4（箭头A）产生的废气中的CO浓度，并把测出的CO浓度由CO监控电路连续地转换成相应的电压。与此同时，CO浓度可用作为室内空气中CO₂浓度的衡量标准。图4的方框图表示了煤油加热器1工作时间内CO和CO₂浓度与室内空气中相对氧气百分比的关系。如可见的，在O₂减少和CO₂增加之间的直接的相互关系通过CO₂和CO的增加的关系在O₂减少和CO减少之间建立一个一致关系。

图5的方框图表示了在室内为一台处于正常的和非正常的加热情况下运行的煤油加热器监测和保持该炉的安全运行的各个方法步骤。这些方框指出了各个方法测试间存在的功能性的关系。

图6a和6b表示了安全装置中的机构的两个实施例，该机构用于阻断燃烧器4的点火装置灯芯调节装置3的调节工作-从而就可用火柴来点燃灯芯-如果电池20不在盒内或在电池盒21内放得不合适。

上述机构包括一根起弹簧作用的弹簧22，弹簧22假设当电池适当地放置时，即，当电池接触电池盒21内的传感器板23时，使其处于受压状态，而起动电线24（图6a）的两个端头分别地与安全装置26的起动板25和传感器板23相接，安全装置26相应振动（包括地震颤动）该传感器板23处于松弛状态以使燃烧器4能被点燃。如果电池20从电池盒21内取出或与传感器板23接触不当，压缩的弹簧22在复厚力作用下推动板23，以使起动电线24处于拉紧状态并移动起动板25使得安全装置26工作来防止点火或阻止灯芯调节机构工作或关闭燃烧器4。在图6b的实施例中，安全装置26的起动板25由插销27代替，插销27与起动电线24的一端相连接来起动插销27，当工作弹簧22被移动时，从而触发了安全装置26。

附图标记表

1、煤油加热器

2、空间

3、灯芯调节装置

4、燃烧器

5、燃烧室

6、燃烧空间

7、煤油加热器空间后壁

8、加热反射屏

9、煤油加热器空间顶板

10、开孔

11、CO传感器

12、保持器

13、O₂传感器

14、控制电路

15、线路板

16、关闭装置

17、预定火焰高度的最高限

18、火焰

19、感光器

20、电池

21、电池盒

22、工作弹簧

23、感光器板

24、起动电线

25、起动板

26、保持装置（安全装置）

27、插销。