TOCON_F310-A2

Dr. Tilman Weiss, sglux GmbH, Berlin, Germany
Yuyu Kimura, IR System Co., Ltd., Tokyo, Japan

This article was first published in the Japanese Journal of Industrial Heating 2025, vol. 62, no. 3, Edition May

Flame monitoring in industrial burners with semiconductor-based UV sensors focusing on hydrogen-flame

Zusammenfassung
Using semiconductor based sensors for flame detection, such as presented with this article can be regarded as a fascinating approach not just with regards on costs and safety. Additionally, looking at environmental and sustainability aspects using semiconductor sensors instead of discharge tubes is a useful tool towards durability and longevity. The possibility of working with two different sensor chips for two different kind of irradiadion (UV and IR) in one small size sensor housing opens up a multitude of new and interesting application possibilities.

Weiterführende Informationen finden Sie in unserer Veröffentlichung:
TOCONs für die Brennerflammen- und Feuererkennung

Michael Schraml¹, Alexander May¹, Dr. Tobias Erlbacher¹, Dr. Niklas Papathanasiou², Dr. Tilman Weiss²,
¹Fraunhofer IISB, Erlangen, Germany
²sglux GmbH, Berlin, Germany

Towards SiC-Based VUV Pin-Photodiodes – Investigations on 4H-SiC Photodiodes with Shallow Implanted Al Emitters

Zusammenfassung
4H silicon carbide (SiC) based pin photodiodes with a sensitivity in the vacuum ultraviolet spectrum (VUV) demand newly developed emitter doping profiles. This work features the first ever reported 4H-SiC pin photodiodes with an implanted p-emitter and a noticeable sensitivity at a wavelength of 200 nm. As a first step, Aluminum doping profiles produced by low energy ion implantation in 4H-SiC were characterized by secondary-ion mass spectrometry (SIMS). Photodiodes using these shallow emitters are compared to one with a deep p-emitter doping profile employing IV characteristics and the spectral response. SIMS results demonstrate the possibility of shallow Alimplantation profiles using low implantation energies with all emitter profiles featuring characteristic I-V results. For some shallow doping profiles, a meassurable signal at the upper limit of the VUV spectrum could be demonstrated, paving the way towards 4H-SiC pin photodiodes with sensitivities for wavelengths below 200 nm.

Dr. Tilman Weiss, sglux GmbH, Berlin, Germany

How to determine the right UV sensor for flame detection?

Zusammenfassung The present article informs about different approaches using UV photodetectors for the detection of a combustion flame (natural gas, hydrogen or oil).

Bielefeld, S.E., TU Delft Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science

Master Thesis

Zusammenfassung
As a contribution to the decarbonisation of domestic heating, the graduation project investigates the feasibility of the application of UV sensor technology for flame detection and flame monitoring in hydrogen-powered domestic gas boilers. The research includes empirical studies and an analytical approach to describe influences on the sensor signal strength.

Dr. Tilman Weiss, sglux GmbH, Berlin, Germany

TOCONs für die Brennerflammen- und Feuererkennung

Zusammenfassung
Unsere Standard-TOCONs haben eine relativ hohe Zeitkontante. Diese erstreckt sich von 30 ms für TOCONs mit geringer Empfindlichkeit bis zu 80 ms bei TOCONs mit hoher Empfindlichkeit. Diese Reaktionszeit ist für die meisten Messanwendungen eine gute Voraussetzung zur präzisen Erfassung des Mess-Signals. Normalerweise geht es darum, langsam veränderliche Signale zuverlässig zu messen. Die o.g. Zeitkonstanten bewirken, dass kurzfristige Signaländerungen oder hochfrequente Signal-Anteile gemittelt in das Mess-Signal eingehen. So kann die von der zu messenden Quelle ausgehende Strahlung im Hinblick auf ihre Wirkung (z.B. Entkeimung oder Lackhärtung) gut ermittelt werden. Bei der Flammenüberwachung in Heizbrennern und bei der Feuererkennung ist die für die Standard-Anwendungen vorteilhafte hohe Zeitkonstante von Nachteil. Dieser Bericht zeigt Möglichkeiten der Reduktion der Reaktionszeiten.

Dr. Tilman Weiss, sglux GmbH, Berlin, Germany

UV sensors for hydrogen flame detection

Zusammenfassung
Bei der Arbeit am gesellschaftlichen Ziel der Dekarbonisierung des Energieverbrauchs u.a. auch durch die Substitution von Erdgas durch regenerativ erzeugte Brennstoffe, ist Wasserstoff ein besonders aussichtsreicher Kandidat. Bei der erforderlichen Umrüstung von Erdgas-Thermen stellt die durch die Norm EN298 definierte Überwachung der Brennerflamme eine besondere Herausforderung dar. Stand der Technik ist die Flammenüberwachung mittels Ionisationsfühlern. Dieses Verfahren ist preiswert und zuverlässig. Wird dem Erdgas allerdings Wasserstoff beigemischt oder besteht das Gas ausschließlich aus Wasserstoff, ergibt sich eine andere Reaktionskinetik, welche die Zuverlässigkeit der bisherigen Fühler deutlich reduziert bzw. ihren Einsatz unmöglich macht.

Dieser Herausforderung kann mit UV-Sensoren begegnet werden, die alle Arten von Flammen anhand ihres charakteristischen Emissionsspektrums im UV-Bereich zuverlässig erkennen können. UV-Sensoren sind in der Anschaffung teurer als Ionisationsfühler und werden daher aktuell nur in hochpreisigen Industriebrennern, nicht aber in Haushaltsbrennern eingesetzt. Nach aktuellem Wissensstand gibt es aber bei der Erkennung einer Wasserstoff-Flamme keine Alternative zum UV-Sensor.

Unsere UV-Sensoren TOCON_ABC1 und TOCON_ABC2 produzieren wir seit 2006 für den Einsatz in EN298-konformen Erdgas-Feuerungsautomaten. Für die Wasserstoff-Flamme haben wir diese Produkte nun zum neuen TOCON_F weiterentwickelt. Der Unterschied zu TOCONs ABC1 und ABC2 besteht in einer verringerten Off-Totzeit im Fall einer Übersteuerung des Sensors, welche von mehreren 100 Millisekunden auf unter 70 Millisekunden reduziert werden konnte – und zwar unabhängig davon, wie weit der Sensor zum Zeitpunkt des Erlöschens der Flamme ausgesteuert war. Entsprechend konnte die Reaktionsgeschwindigkeit auf das Ausfallen einer Flamme deutlich erhöht werden. Auch wenn TOCONs TOCON_ABC1 und TOCON_ABC2 als Basis EN298-konformer Flammenwächter verwendet werden können (dort wird gefordert, dass der Ausfall einer Flamme spätestens nach 1000 ms eine Unterbrechung der Brennstoffzufuhr bewirken muss), könnte die Normanforderung in Zukunft verschärft werden. Grund hierfür könnte die bei Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas um Faktor 8 höhere Flammengeschwindigkeit und der deutlich größere Zündbereich sein. Mit dem TOCON_F können also kürzere Abschaltzeiten als gegenwärtig gefordert realisiert werden. Dadurch ist der Einsatz dieser Bauteile auch bei eventueller Verschärfung der Norm zukunftssicher.