CN110088551A - 加热炉的氧浓度控制装置及其控制方法 - Google Patents

加热炉的氧浓度控制装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

根据本发明的一个实施例的加热炉的氧浓度控制装置可以包括：第一氧浓度偏差设定部，接收设定的第一氧浓度偏差；第二氧浓度偏差计算部，当废气中的一氧化碳测量值超出一氧化碳的允许范围时，使用所述一氧化碳测量值和废气的氧浓度测量值来计算第二氧浓度偏差；氧浓度偏差提供部，使用所述第一氧浓度偏差和所述第二氧浓度偏差来提供氧浓度偏差；以及氧浓度设定值校正部，使用所述氧浓度偏差来校正氧浓度设定值。

Description

加热炉的氧浓度控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种加热炉的氧浓度控制装置及其控制方法。
背景技术
一般来说，在加热炉中，需要适当调节作为空气(Air)和燃料(Fuel)的比例的空燃比(Air Fuel Ratio，AFR)，才能改善燃烧稳定性和燃烧效率，因此，需要控制加热炉的燃烧。
图1是现有技术的加热炉的燃烧控制的示意图。
图1是基于科学仪器制造商协会(scientific apparatus makers association，SAMA)的表示法示出的图，参照图1，对于加热炉的燃烧控制，使用燃料流量设定值10和空燃比(AFR)校正值20，并且通过燃料阀(Fuel Valve)控制燃料供应量，另外通过调风门(AirDamper)控制空气供应量。
其中，所述空燃比(AFR)校正值20使用燃料流量设定值10和由用户设定的氧浓度设定值来确定。对于其的详细说明，可以参照韩国公开专利第2009-0069607号。
根据所述韩国专利公开第2009-0069607号中的发明，虽然空气流量可以总是保持在大于理论上所需的空气流量以防止不完全燃烧，从而保持安全的燃烧状态，但是当由用户设定的氧浓度设定值被输入为预定值以上的值时，导致热损失增加的问题。
另外，作为改善加热炉的热效率且在适当的燃烧区间内供应空气流量的方法，提出了如图2所示的空燃比控制技术。
图2是现有技术的加热炉的空燃比控制系统的结构图。
图2是基于科学仪器制造商协会(scientific apparatus makers association，SAMA)的表示法示出的图，参照图2，现有技术的加热炉的空燃比控制系统包括：燃料流量设定部分21，提供使用燃料流量设定值和由用户设定的氧浓度偏差(O2_bias)来设定的氧浓度设定值(O2sv)；氧浓度控制部分22，使用所述氧浓度设定值(O2sv)和氧浓度测量值(O2pv)来提供输出比值(βa)；一氧化碳限制器调节部分23，使用废气的一氧化碳浓度测量值计算输出限制上限值/下限值(βH/βL)；上限值/下限值限制部分24，使用所述输出限制上限值/下限值(βH/βL)限制输出比例值(βa)；输出模式选择部分25，选择从上述过程确定的输出比例值(βa)和手动设定比例值(βm)中的一个；以及空燃比确定部分26，使用被选择的所述输出比例值来计算空燃比(AFR)校正值。
对于其的详细说明，可以参照韩国公开专利第2009-0068810号。
在如上所述的现有技术的加热炉的空燃比控制系统中，为了控制氧浓度，由用户设定的氧浓度偏差(bias)直接用于设定氧浓度，因此可以保持稳定的燃烧，但是无法实现最佳燃烧，例如，一氧化碳超出允许范围等。
现有技术文献
(专利文献1)韩国公开专利第2009-0069607号
(专利文献2)韩国公开专利第2009-0068810号
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的一个实施例提供在加热炉等的燃烧设备的燃烧控制系统中使用一氧化碳(CO)浓度来自动校正氧(O2)浓度设定值的加热炉的氧浓度设定值自动校正方法和燃烧控制系统。
(二)技术方案
根据本发明的一个实施例，提出一种加热炉的氧浓度控制装置，包括：第一氧浓度偏差设定部，接收设定的第一氧浓度偏差；第二氧浓度偏差计算部，当废气中的一氧化碳测量值超出一氧化碳的允许范围时，使用所述一氧化碳测量值和废气的氧浓度测量值来计算第二氧浓度偏差；氧浓度偏差提供部，使用所述第一氧浓度偏差和所述第二氧浓度偏差来提供氧浓度偏差；以及氧浓度设定值校正部，使用所述氧浓度偏差来校正氧浓度设定值。
在本技术方案中，提供在以下具体说明中说明的各种概念中的一种。本技术方案并不用于确定请求内容的核心技术或必要的技术，而仅仅记载了请求内容中的一种，并且请求的内容分别在以下具体说明中进行了详细说明。
(三)有益效果
根据本发明的一个实施例，在加热炉等燃烧设备的燃烧控制系统中，满足一氧化碳的允许范围以能够在无操作人员介入的情况下保持最佳的燃烧，并且自动校正并设定氧浓度设定值，从而可以保持最佳燃烧和最大热效率。
附图说明
图1是现有技术的加热炉的燃烧控制示意图。
图2是现有技术的加热炉的空燃比控制系统的结构图。
图3是根据本发明的一个实施例的氧浓度控制装置的一个示意图。
图4是根据一氧化碳和氧浓度的关系的热损失曲线图。
图5是图3的氧浓度控制装置的内部模块的示意图。
图6是根据本发明的一个实施例的氧浓度控制方法的一个示意图。
图7是示出图6的第二氧浓度偏差(bias)的计算过程的一个示意图。
具体实施方式
下面，本发明并不局限于说明的实施例，并且在不脱离本发明的思想和范围的情况下可以进行各种改变。
另外，在本发明的各实施例中，作为一个实例说明的结构、形状和数值仅是用于帮助理解本发明的技术内容的示例，因此并不局限于此，而可以在不脱离本发明的思想和范围的情况下进行各种改变。本发明的实施例可以通过彼此组合来形成各种新的实施例。
并且，在本发明所参照的图中，根据本发明的整体内容对实际具有相同的结构和功能的组件使用相同的附图标记。
下面，参照附图对本发明的实施例进行详细说明，以使本发明所属技术领域的普通技术人员能够容易实施本发明。
图3是根据本发明的一个实施例的氧浓度控制装置的一个示意图。
图3是基于科学仪器制造商协会(Scientific Apparatus Makers Association，SAMA)的表示法示出的图，参照图3，根据本发明的一个实施例的氧浓度控制装置可以包括氧浓度偏差(O2_bias)校正部100和氧浓度设定值校正部200。
为了使用废气中的一氧化碳测量值(COpv)来校正氧浓度偏差(O2_bias)，所述氧浓度偏差(O2_bias)校正部100可以包括第一氧浓度偏差设定部110、第二氧浓度偏差计算部120和氧浓度偏差提供部130。
另一方面，参照图3对本发明的技术特征进行说明，并且针对与现有技术重复的内容，可以参照韩国公开专利第2009-0069607号和韩国公开专利第2009-0068810号等现有文献，因此可以省略。
所述第一氧浓度偏差设定部110可以接收设定的第一氧浓度偏差(O2_bias1)。例如，可以由用户预先设定第一氧浓度偏差(O2_bias1)以校正氧浓度设定值。
例如，即使仅使用可由用户设定的第一氧浓度偏差(O2_bias1)来校正氧浓度设定值，废气中的一氧化碳也有可能超出允许范围，因此，如下所述，在本公开中进一步使用第二氧浓度偏差(O2_bias2)。
当废气中的一氧化碳测量值(COpv)超出一氧化碳的允许范围(COL～COH)时，所述第二氧浓度偏差计算部120可以使用一氧化碳测量值(COpv)和废气的氧浓度测量值(O2pv)来计算第二氧浓度偏差(O2_bias2)。
其中，所述废气中的一氧化碳测量值(COpv)可以通过一氧化碳传感器来测量，所述氧浓度测量值(O2pv)可以通过氧传感器来测量，并且所述一氧化碳的允许范围可以通过预先设定的一氧化碳下限值(COL)和一氧化碳上限值(COH)来确定。
所述氧浓度偏差提供部130可以使用来自所述第一氧浓度偏差设定部110的所述第一氧浓度偏差(O2_bias1)和来自所述第二氧浓度偏差计算部120的所述第二氧浓度偏差(O2_bias2)来提供氧浓度偏差(O2_bias)。
例如，所述氧浓度偏差提供部130可以通过将所述第一氧浓度偏差(O2_bias1)和所述第二氧浓度偏差(O2_bias2)相加来计算氧浓度偏差(O2_bias)。
所述氧浓度设定值校正部200可以使用所述氧浓度偏差(O2_bias)来校正氧浓度设定值(O2sv)。
例如，所述氧浓度设定值校正部200可以通过将所述氧浓度偏差(O2_bias)加到预先设定的氧浓度设定值(O2sv)来校正氧浓度设定值(O2sv)。
在图3中，氧浓度偏差(O2_bias)校正部100、第一氧浓度偏差设定部110、第二氧浓度偏差计算部120、氧浓度偏差提供部130和氧浓度设定值校正部200分别可以由诸如微处理器(microprocessor)等硬件和安装在该硬件上并被编程以执行预定操作的软件的结合来实现。
所述硬件可以包括至少一个处理单元和存储器。其中，所述处理单元可以包括诸如信号处理器(signal processor)、微处理器(microprocessor)、中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)和现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Arrays，FPGA)中的至少一个。
所述存储器可以包括易失性存储器(例如，随机存取存储器(RAM)等)和非易失性存储器(例如，只读存储器(ROM)、闪存等)中的至少一个。
在本说明书的各附图中，对于具有相同的附图标记和功能的组件尽量省略不必要的重复说明。
图4是根据一氧化碳和氧浓度的关系的热损失的曲线图。
参照图4可知，在燃烧效率方面，在废气中含有适当量的一氧化碳的燃烧状态比在废气中完全不含有一氧化碳的状态更有利。
从图4可知，根据本发明的一个实施例的氧浓度控制装置需要在热损失(heatloss)最低的燃烧区间内控制氧以保持一氧化碳浓度的下限值和上限值(COL、COH)。
图5是图3的氧浓度控制装置的内部模块的示意图。
参照图5，所述第二氧浓度偏差计算部120可以包括一氧化碳判断部121、一氧化碳计算部122、氧变化量计算部123和第二氧浓度偏差计算部124。
所述第二氧浓度偏差计算部120还可以包括信号传输部125。
所述一氧化碳判断部121可以判断所述一氧化碳测量值(COpv)是否超出一氧化碳的允许范围(COL～COH)。
例如，当所述一氧化碳测量值(COpv)没有超出一氧化碳的允许范围(COL～COH)时，所述一氧化碳判断部121可以不计算第二氧浓度偏差(O2_bias2)，并且当所述一氧化碳测量值(COpv)超出一氧化碳的允许范围(COL～COH)时，所述一氧化碳判断部121可以通过如下所述的过程来计算第二氧浓度偏差(O2_bias)。
所述一氧化碳计算部122可以计算所述一氧化碳测量值(COpv)的移动平均值(COpv,avg(t))。
例如，所述一氧化碳计算部122可以使用以下数学式1来计算所述一氧化碳测量值(COpv)的移动平均值(COpv,avg(t))。
[数学式1]
在所述数学式1中，COpv,avg是所述一氧化碳测量值的移动平均值，N是1以上的自然数，t是时间变量。
所述氧变化量计算部123可以使用所述一氧化碳测量值(COpv)的移动平均值(COpv,avg(t))和所述氧浓度测量值(O2pv)来计算氧浓度变化量(ΔO2(t))。
例如，所述氧变化量计算部123可以使用以下数学式2来计算所述氧浓度变化量(ΔO2(t))。
[数学式2]
在所述数学式2中，A是敏感度系数，ΔO2(t)是氧浓度变化量，dO2pv,avg是氧浓度测量值的移动平均的微分值，dCOpv,avg是所述一氧化碳测量值(COpv)的移动平均的微分值，ΔCO(t)是一氧化碳测量值的变化量，并且B是调节用偏移量(例如，B＝1)。
所述第二氧浓度偏差计算部124可以使用所述氧浓度变化量(ΔO2(t))来计算第二氧浓度偏差(O2_bias2)。
例如，所述第二氧浓度偏差计算部124可以使用以下数学式3来计算所述第二氧浓度偏差(O2_bias2)。
[数学式3]
O2_bias2＝O2(t-1)+XO2(t)
在所述数学式3中，O2_bias2是第二氧浓度偏差，ΔO2(t)是在时间点(t)的氧浓度变化量，O2(T-1)是在时间点(t-1)的氧浓度。
并且，所述信号传输部125将来自所述第二氧浓度偏差计算部124的第二氧浓度偏差(O2_bias2)传输至所述氧浓度偏差提供部130。
例如，在图5中，f4(t)是使用所述一氧化碳测量值(COpv)计算所述第二氧浓度偏差(O2_bias2)的函数，如上所述，可以包括所述一氧化碳判断部121、一氧化碳计算部122、氧变化量计算部123和第二氧浓度偏差计算部124。
当所述一氧化碳测量值(COpv)没有超出一氧化碳的允许范围(COL～COH)时，所述第二氧浓度偏差计算部120可以不向所述氧浓度偏差提供部130提供第二氧浓度偏差(O2_bias2)，当所述一氧化碳测量值(COpv)超出一氧化碳的允许范围(COL～COH)时，所述第二氧浓度偏差计算部120可以向所述氧浓度偏差提供部130提供通过如上所述的过程计算的所述第二氧浓度偏差(O2_bias2)。
根据如上所述的本发明的一个实施例，使用一氧化碳的浓度自动校正氧浓度设定值，从而可以控制氧浓度和空燃比，因此，可以将废气中的一氧化碳的浓度调节到能够保持最佳燃烧的水平，因此，可以保持最佳的燃烧和最大热效率。
然后，参照图3至图7，对氧浓度控制方法进行说明。在本说明书中，除非另有说明，否则可以互补地应用对氧浓度控制装置的说明和对氧浓度控制方法的说明。
图6是根据本发明的一个实施例的氧浓度控制方法的一个示意图。
参照图3至图6，在根据本发明的一个实施例的氧浓度控制方法中，在步骤S100中，可以通过第一氧浓度偏差设定部110输入废气中的一氧化碳测量值(COpv)。
在步骤S200中，可以通过第二氧浓度偏差计算部120判断所述一氧化碳测量值(COpv)是否超出一氧化碳的允许范围(COL～COH)。
在步骤S300中，第二氧浓度偏差计算部120可以使用所述一氧化碳测量值(COpv)和废气的氧浓度测量值(O2pv)来计算第二氧浓度偏差(O2_bias2)。
在步骤S400中，当所述一氧化碳测量值(COpv)超出一氧化碳的允许范围(COL～COH)时，氧浓度偏差提供部130可以使用所述第一氧浓度偏差(O2_bias1)和所述第二氧浓度偏差(O2_bias2)来计算氧浓度偏差(O2_bias)。
在步骤S500中，当所述一氧化碳测量值(COpv)没有超出一氧化碳的允许范围(COL～COH)时，可以提供所述第一氧浓度偏差(O2_bias1)作为氧浓度偏差(O2_bias)。
并且，在步骤S600中，氧浓度设定值校正部200可以使用所述氧浓度偏差(O2_bias)来校正氧浓度设定值(O2sv)。
为了保持最佳燃烧，通过如上所述的过程校正的氧浓度设定值(O2sv)可以应用于加热炉的氧控制和空燃比校正。
图7是示出图6的第二氧浓度偏差(bias)的计算过程的一个示意图。
参照图3至图7，对计算所述第二氧浓度偏差(O2_bias2)的步骤S300进行说明。
首先，在S310中，可以根据所述数学式1计算所述一氧化碳测量值(COpv)的移动平均值(COpv,avg(t))。
在S320步骤中，可以使用所述一氧化碳测量值(COpv)的移动平均值(COpv,avg(t))并根据以下数学式4来计算一氧化碳变化量(ΔCO(t))。
[数学式4]
xCO(t)＝COpv，avg(t-1)-COpv，avg(t)
在所述数学式4中，COpv,avg(t-1)是在时间点(t-1)的一氧化碳测量值(COpv)的移动平均值，COpv,avg(t)是在时间点(t)的一氧化碳测量值(COpv)的移动平均值。
在步骤S330中，可以使用所述一氧化碳测量值(COpv)的移动平均值(COpv,avg(t))、所述氧浓度测量值(O2pv)和所述一氧化碳变化量(ΔCO(t))，并且根据所述数学式2来计算氧浓度变化量(ΔO2(t))。
并且，在步骤S340中，可以使用所述氧浓度变化量(ΔO2(t))，并且根据所述数学式3来计算第二氧浓度偏差(O2_bias2)。

Claims (11)

1.一种加热炉的氧浓度控制装置，包括：
第一氧浓度偏差设定部，接收设定的第一氧浓度偏差；
第二氧浓度偏差计算部，当废气中的一氧化碳测量值超出一氧化碳的允许范围时，使用所述一氧化碳测量值和废气的氧浓度测量值来计算第二氧浓度偏差；
氧浓度偏差提供部，使用所述第一氧浓度偏差和所述第二氧浓度偏差来提供氧浓度偏差；以及
氧浓度设定值校正部，使用所述氧浓度偏差来校正氧浓度设定值。
2.根据权利要求1所述的加热炉的氧浓度控制装置，其中，
所述第二氧浓度偏差计算部包括：
一氧化碳判断部，判断所述一氧化碳测量值是否超出一氧化碳的允许范围；
一氧化碳计算部，计算所述一氧化碳测量值的移动平均值；
氧变化量计算部，使用所述一氧化碳测量值的移动平均值和所述氧浓度测量值来计算氧浓度变化量；以及
第二氧浓度偏差计算部，使用所述氧浓度变化量来计算第二氧浓度偏差，
当所述一氧化碳测量值没有超出一氧化碳的允许范围时，不提供第二氧浓度偏差，当所述一氧化碳测量值超出一氧化碳的允许范围时，提供所述第二氧浓度偏差。
3.根据权利要求2所述的加热炉的氧浓度控制装置，其中，
所述一氧化碳计算部使用以下数学式来计算所述一氧化碳测量值的移动平均值，
在所述数学式中，Copv,avg是所述一氧化碳测量值的移动平均值，N是1以上的自然数，t是时间变量。
4.根据权利要求2所述的加热炉的氧浓度控制装置，其中，
所述氧变化量计算部使用以下数学式来计算所述氧浓度变化量，
在所述数学式中，ΔO2(t)是氧浓度变化量，A是敏感度系数，dO2pv,avg是氧浓度测量值的移动平均的微分值，dCOpv,avg是所述一氧化碳测量值的移动平均的微分值，ΔCO(t)是一氧化碳测量值的变化量，并且B是调节用偏移量。
5.根据权利要求2所述的加热炉的氧浓度控制装置，其中，
所述第二氧浓度偏差计算部使用以下数学式计算所述第二氧浓度偏差，
O2_bias2＝O2(t-1)+XO2(t)
在所述数学式中，O2_bias2是第二氧浓度偏差，ΔO2(t)是在时间点(t)的氧浓度变化量，O2(T-1)是在时间点(t-1)的氧浓度。
6.一种加热炉的氧浓度控制方法，包括以下步骤：
接收废气中的一氧化碳测量值；
判断所述一氧化碳测量值是否超出一氧化碳的允许范围；
使用所述一氧化碳测量值和废气的氧浓度测量值来计算第二氧浓度偏差；
当所述一氧化碳测量值超出一氧化碳的允许范围时，使用预先设定的第一氧浓度偏差和所述第二氧浓度偏差来计算并提供氧浓度偏差；
当所述一氧化碳测量值没有超出一氧化碳的允许范围时，提供所述第一氧浓度偏差作为氧浓度偏差；以及
使用所述氧浓度偏差来校正氧浓度设定值。
7.根据权利要求6所述的加热炉的氧浓度控制方法，其中，
所述计算第二氧浓度偏差的步骤包括以下步骤：
计算所述一氧化碳测量值的移动平均值；
使用所述一氧化碳测量值的移动平均值来计算一氧化碳变化量；
使用所述一氧化碳测量值的移动平均值、所述氧浓度测量值和所述一氧化碳变化量来计算氧浓度变化量；以及
使用所述氧浓度变化量来计算第二氧浓度偏差。
8.根据权利要求7所述的加热炉的氧浓度控制方法，其中，
所述计算移动平均值的步骤使用以下数学式来计算所述一氧化碳测量值的移动平均值，
在所述数学式中，N是1以上的自然数，t是时间变量。
9.根据权利要求7所述的加热炉的氧浓度控制方法，其中，
所述计算一氧化碳变化量的步骤使用以下数学式来计算所述一氧化碳变化量，
XCO(t)＝COpv，avg(t-1)-COpv，avg(t)
在所述数学式中，COpv,avg(t-1)是在时间点(t-1)的一氧化碳测量值的移动平均值，COpv,avg(t)是在时间点(t)的一氧化碳测量值的移动平均值。
10.根据权利要求7所述的加热炉的氧浓度控制方法，其中，
所述计算氧浓度变化量的步骤使用以下数学式来计算所述氧浓度变化量，
在所述数学式中，ΔO2(t)是氧浓度变化量，A是敏感度系数，dO2pv,avg是氧浓度测量值的移动平均值的微分值，ΔCO(t)是一氧化碳测量值的变化量，并且B是调节用偏移量。
11.根据权利要求7所述的加热炉的氧浓度控制方法，其中，
所述计算第二氧浓度偏差的步骤使用以下数学式来计算所述第二氧浓度偏差，
O2_bias2＝O2(t-1)+XO2(t)
在所述数学式中，O2_bias2是第二氧浓度偏差，ΔO2(t)是在时间点(t)的氧浓度变化量，O2(T-1)是在时间点(t-1)的氧浓度。
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