CN111486473A - 加热器、控制加热器中燃烧的方法、和执行该方法的计算机程序产品 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种加热器，其具有由第一控制单元调节的空气供给源和燃气供应源，并具有第一测量系统和第二测量系统；第一测量系统包括电离电极、反电极、第一交流电压源、以及用于确定可提供给控制单元的第一电离信号的第一评估电子装置；第二测量系统用于测量第二电离信号，该信号由第二测量系统在用于点燃燃烧的点火电极和反电极之间产生；其中第一测量系统和第二测量系统均被布置用于确定λ值。通过上述方式，使加热器安全可靠地运行、稳定控制、或者在必要时在主控制系统出现故障的情况下进行紧急运行控制来补救这种情况。

Description

加热器、控制加热器中燃烧的方法、和执行该方法的计算机程 序产品

技术领域

本发明涉及用于加热设备中燃烧过程的燃气与空气混合物的调节，尤其涉及用于热水制备或建筑物加热领域。

背景技术

为了测量燃烧质量，该质量主要取决于燃烧过程中空气与燃气的比率(λ值，也称为空气数)，在火焰的范围内进行电离测量，尤其适用于许多个加热器。这样的测量应该可以长期稳定地进行控制。如果控制失败，在大多数情况下必须关闭加热器，这当然应该尽可能少地发生。

另外，火焰监测通常在加热器中进行，其主要任务是确保如果不存在火焰，则在加热器启动后不提供燃气。这样可以防止任何爆炸性混合物的形成以及未燃烧的燃气逸出。这可以通过许多不同的方式来实现。有光学的、热学的以及电子系统。经常使用的电子火焰检测器使用现有的点火电极，用于在火焰生成后产生电离信号，在现有技术中，该电离信号不用于控制火焰而是用于监测火焰。专门准备的电离信号不仅可以可靠地检测到火焰的存在或熄灭，而且还可以，例如，测量在早期由于燃烧空气供应过多而导致出现离焰的情形。如果火焰不稳定，则可以在早期关闭火焰。

根据现有技术，到目前为止，通常在操作中借助于单独的电离电极来进行控制。不管电极的类型如何，都确定了火焰区域内电离的实际值，该值与当前的λ值成正比，因此可以从电离测量中得出该值。向电离电极施加交流电压，由此在火焰存在下被电离的火焰区域具有整流作用，因此电离电流主要仅在交流电的半波期间流动。测量该电流或从中导出的比例电压信号，以下称为电离信号，并且如果需要，在模数转换器中将其数字化之后作为电离信号进一步处理。这样，可以通过控制回路将λ值测量并控制为设定值。空气和/或燃气的供应通过合适的执行器进行更改，直到达到所需的λ设定值。通常，将λ值>1(1对应于化学计量比)作为目标，例如λ＝1.3，以确保提供足够的空气以进行清洁燃烧，基本上不会产生一氧化碳。但是，λ必须保持足够小以确保稳定燃烧。特别地，可以通过用于提供燃气体和/或用于提供环境空气的风机来进行控制。

如德国专利DE 196 18 573 C1和DE 195 02 901 C1所披露的已知燃烧控制系统，其通过存储的电离电流控制曲线来调节期望的燃烧质量(λ值)。然而，所使用的电极表面上会逐渐生长氧化层而使得测量值会随时间产生漂移，从而令电极对测量信号产生负面影响。为了补偿该漂移造成的干扰影响，校准程序被周期性地触发(例如，在预定的工作小时数之后)。

如德国专利DE 195 39 568 C1所披露的一种校准程序，其中，有时在λ＝1的范围内进行燃烧，但是这可能会产生一定量的一氧化碳。λ值在1的范围内还会产生很高的火焰温度，这又会损坏电离电极，因此校准过程可能会缩短电离电极的使用寿命。

如欧洲专利EP 0 770 824 B1和EP 2 466 204 B1所披露的，用于电离测量及用于控制的测量系统的基本结构，由于各种影响，尤其是对电离电极的状态或形状的影响，控制精度会随时间变化。专利还给出了必要时进行各种重新校准的程序，但是所有这些程序都需要相对较高的工作量和/或可能具有以下缺点：在重新校准期间，加热器必须暂时以1或更低的λ值运行，这可能导致临时产生一氧化碳。

欧洲专利EP 2 014 985 B1中披露了一种控制，该控制可以在不将燃烧移动到λ＝1附近区域的情况下进行操作和校准，从而即使进行校准也几乎不会产生一氧化碳。但是，控制并非总是能够保持最佳的λ值。

发明内容

本发明旨在通过使加热器安全可靠地运行、稳定控制、或者在必要时在主控制系统出现故障的情况下进行紧急运行控制来补救这种情况。

为实现上述发明目的，本发明提供一种用于通过在加热器的火焰区域中测量的电离信号来控制加热器中燃烧的方法，该电离信号是从电离电极向反电极流动穿过火焰区域的离子电流中获得的。根据电离信号的校准数据确定加热设备的燃烧过程中燃烧空气与燃气的比例(λ值)，并通过设置燃气的供给和/或燃烧空气的供应进行控制，其至少具有以下步骤：

1.1将用于控制燃烧空气供给源的风机调至预定转速，

1.2通过预定的特性将燃气阀调节至分配给风机转速的位置，

1.3燃气阀保持在该位置，

1.4将风机转速降低一个预定量，

1.5然后连续或逐步提高风机转速，并测量相应的电离信号，

1.6确定最小的电离信号并与相应的风机转速一起存储，

1.7进一步提高风机转速，直到相对于最小值的电离信号预设阈值达到为止，

1.8然后将风机转速降低到属于最小值的速度，并将该速度保持预设的时间段t，或将该速度用于使电离信号控制在当前的恒定值，

1.9在所述时间段t过去之后，重复从1.4开始的步骤。

通过这些处理步骤，可以可靠地控制加热器，由此与其他处理步骤的持续时间相比，时间段t可以非常长，例如几个小时甚至更长。另一方面，重复步骤1.4和后续的步骤产生的一氧化碳几乎可以忽略不计，因此，时间间隔的长度在这方面并不重要，并且在重复方面没有其他主要缺点。这意味着控制将保持在λ值的期望的控制范围内，即使重复所有处理步骤，也不会出现过高的火焰温度。

优选地，如果在步骤1.6中存储的风机转速与在步骤1.1中设置的风机转速的偏差大于在步骤1.1中设定的一预定偏差值，则对燃气阀的设置进行相应的校正，并重复步骤1.3到1.7，直到所述偏差小于预定偏差值为止，这对应于实现加热器的期望输出。这意味着不仅可以保持期望的λ值，而且还可以调节某些可预设的输出。通常，风机转速是要在加热器中测量的最准确的值，这就是为什么最好设置期望的输出。

优选地，将步骤1.4中的预定量选择得很小，以使得λ值与可以产生不允许的一氧化碳浓度或一氧化碳量的范围保持一定距离。这种设计可确保在过程中几乎不会产生一氧化碳，而与时间间隔t的持续时间无关，即使反复检查系统的校准也是如此。

在本发明的一实施方式中，对应于不同的输出以及燃气阀的相关设置，以相同的方式执行该方法以控制风机转速，由此得到控制系统的校准，该校准以时间跨度t的长度为时间间隔被一次又一次地更新，同时考虑了系统中的所有变化。以这种方式，产生针对不同加热器输出的反复校正的校准曲线，从而所述的控制尤其可以用作主要控制。

然而，该方法的特别优选的形式是其用作所谓的紧急运行控制。对于具有控制器的加热设备，该控制器通过第一测量系统进行第一电离测量、并通过监测电子装置采用第二电离测量的方式执行单独火焰监测；在第一电离测量或基于第一电离测量的控制失败的情况下，尤其是使用现有的监控电子装置，切换至使用现有的监测电子装置执行上述方法。该选项显著提高了加热器的可用性，因为在主控制系统发生故障的情况下，无法关闭系统，而只能切换到紧急运行系统。

特别适用于从主控制系统切换到紧急运行系统的本发明加热器，该加热器具有由第一控制单元调节的空气供给源和燃气供应源，并具有第一测量系统和第二测量系统。其中，第一测量系统包括电离电极、反电极、第一交流电压源、以及用于确定可提供给控制单元的第一电离信号的第一评估电子装置。第二测量系统用于测量第二电离信号，该信号由第二测量系统在用于点燃燃烧的点火电极和反电极之间产生。其中第一测量系统和第二测量系统均被布置用于确定λ值。除了已知的控制和火焰监测功能外，这还可以在主控制系统出现故障时将运行切换到可以接管控制的应急系统。

为此目的，加热器优选具有转换单元，该转换单元在第一测量系统的至少一个部件发生故障的情况下切换到第二测量系统的控制。

可以以这种方式用于火焰监测和控制的基于本发明的电离测量根据以下原理进行工作。

在电离电极和反电极(地)之间，从具有高输出阻抗的电压源施加没有直流分量的交流电压。在交流电压的每个正半波期间，燃烧火焰等离子体的整流作用会导致电离电流流到地。每个正半波的电压幅度由于电压源的高输出阻抗而减小，而负半波保持不变。结果，负的直流分量被施加到交流电压。该负直流电压分量的幅度通过放大器电路作为平均值转换为电压信号，该电压信号由于其具有恒定气体供应和增加空气供应的特性曲线而可用于此处所述的目的。通常，该信号借助于模/数转换器被数字化(例如，在0和1023之间的值)，从而可以在微处理器中进一步处理。

信号的特征曲线由不同效果的组合产生。一方面，当燃气和燃烧空气以化学计量比运行燃烧时，火焰区域内的电离作用最强；另一方面，随着气体混合物速度的增加(每单位时间内更多的燃烧空气量)，火焰(离焰)脱离燃烧器的出口，以电子方式形成系统中的质量，从而降低离子电流。电离电极或火焰的温度也可能在整流效果中起作用。结果是，曲线具有极好的可重复的最小值，该最小值接近于连续操作的典型λ值。

本发明还涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括使所述的设备执行上述提出的方法的指令。现代加热器通常包含电子控制器，该电子控制器包含至少一个可编程微处理器，该可编程微处理器可以由这种计算机程序产品控制。特别地，可以通过用于本发明方法的这种计算机程序产品来对现有设备进行电离测量和火焰监控。

换言之，本发明还涉及一种用于燃气加热器的紧急运行系统，特别是用于基于电离电流的燃烧控制的紧急运行系统。根据德国专利DE 196 18 573C1和DE 195 02 901C1，现有的燃烧控制通过沉积的电离电流控制曲线来调节期望的燃烧质量(空气数λ)。通常用施加电压的电离电极来测量电离电流。这些电极的测量会随时间而产生漂移，这主要是由于电极表面上生长的氧化层对测量信号产生负面影响所致。为了补偿该漂移的干扰影响，校准程序被周期性地触发(例如，在x个燃烧器工作小时之后)。德国专利DE 195 39 568C1包含在最大电离电流的工作点或接近该点处进行的校准。最大电离电流大约在λ＝1时测量。根据欧洲专利EP 2 014 985B1，与λ＝1相反，在火焰开始离开燃烧器的位置处也可以使用校准点。基于对电离电流的测量和评估的常规控制系统使用λ＝1或接近λ＝1的校准点。因此，该系统在化学计量范围内循环运行，或在亚化学计量范围内短暂运行，具有非常高的一氧化碳排放量和非常高的火焰温度。必须避免高的一氧化碳值，因为一氧化碳是危险的呼吸道毒物。特别是在接近化学计量的燃烧中发生的高温对所用电离电极的使用寿命有很大影响，因此必须相对频繁地更换它们。

根据本发明，通过使用合适的电子硬件电路来使用接近加热器的期望工作点的校准点来解决上述问题，该校准点被周期性地启动。该点在λ约1-1.5的范围内，并提供了相对较低的火焰温度和非常低的一氧化碳排放量。在下文中，说明了如何实施本发明的示例并描述了其功能。图1示出了用于执行本发明的方法的设备。在通过燃气阀和风机设定了期望的燃气-空气比之后，从燃烧器出来的混合物通过施加在点火电极上的点火电压被点燃，并在那里形成火焰。一旦检测到稳定的火焰，本发明就以如下方式工作：风机以固定转速运行，例如n＝6000rpm(revolutions per minute，每分钟转速)，燃气阀在理想的特性曲线上跟随风机速度(气阀步进位置对风机转速的曲线)。现在，燃气阀步进电机的位置被“冻住”(保持不变)，而风机的转速以定义的方式降低(图3中的点“1”)。随后，风机转速不断提高，从点1(图3)处遵循特性曲线测得的电离信号。分别存储信号的最小值，并且增加通过风机的空气流量，直到达到电离电流相对于最小值(点3)增加到达一阈值(点2)为止。最后，接近于最小值(点3)，它也代表设备的工作点。在这一点上，该设备通过控制风机运行，直到经过了时间段t。在经过时间段t之后，系统再次从点1开始运行。燃气加热器中燃烧的控制方法的特征在于以下步骤：风机以固定转速运行；燃气阀在理想的特性曲线上跟随风机速度(气阀步进位置对风机转速的曲线)；燃气阀步进电机的位置被“冻住”，而风机的转速以定义的方式降低；风机转速随后不断提高，遵循特性曲线测得的电离信号；分别存储信号的最小值，并通过风机增加空气流量，直到达到电离电流相对于最小值增加到达一阈值为止；最后接近同时代表设备工作点的最小值；在这一点上，设备通过风机的控制运行直到时间段t过去；在时间段t过去后，系统从点1开始再次运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性地示出了根据本发明的加热设备；

图2示出了根据本发明的用于产生电离信号的示意性电路；以及

图3显示了使用根据本发明的方法的测量和控制过程的图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

图1显示了本发明加热设备的示意性示例。使用燃气与空气混合燃烧的加热器1中，在运行期间形成火焰区域2。空气通过空气供给源3和风机5进入加热器1。燃气通过燃料供应源4和燃气阀6添加到空气中。点火电极7在燃烧过程开始时点燃混合物，然后其将被用作火焰监测单元的一部分。电离电极8用于测量火焰区域2内的第一电离信号。为此目的，使用第一测量系统S1，从第一测量系统S1向电离电极8提供来自第一交流电压源11的交流电压，其中第一评估电子装置13测量所得的电离信号，并将存储在校准数据存储器15中校准数据(控制曲线)转换为λ值，即空气与燃气的混合比。以该值作为实际值，控制单元17可以控制风机5和/或燃气阀6以实现λ的期望设定值。该设备还提有火焰监测单元16。

在此控制中发生任何性质的故障的情况下，第二测量系统S2借助于转换单元10投入运行，该转换单元将第二交流电压源12代替点火电子装置连接到点火电极7(如果尚未进行火焰监测)，则在第二评估电子装置14中测量和评估第二电离信号，该信号还提供λ的实际值，并使通过本发明的方法控制λ值成为可能。原则上，这种类型的控制也可以用作主要控制，与通过火焰电极作为唯一的电离电极或仅通过单独的电离电极作为控制的火焰监测并行。在这种情况下，仅存在第二测量系统S2，并且可以通过其自身的校准数据将其用作主要控制系统。

在此处选择的示例中，加热器首先在正常运行中以特定的燃气供应和相关的风机5转速工作，通过第一测量系统S1将电离信号I1控制在一个值，例如100微安培，该值被预设为此状态的设定置，可通过调节风机转速和/或燃气供应实现。通过有效的校准数据(特性图，控制曲线)，这种类型的控制可确保在较宽的负载范围内保持所需的λ值。如果该系统出现故障，则可以触发向紧急运行系统的切换而不是关闭。在这种情况下，从第一测量系统S1切换到第二测量系统S2。通过风机5开始时确定的速度，并且通过存储的特性曲线来设定相应的燃气量。第二测量系统S2在紧急运行开始时确定第二个电离信号I2，该信号由点火电极7确定。然后，燃气供应保持不变，同时以一定的方式降低风机转速，直到低于期望的λ值的一个值被安全地达到，但此时仍高于空气与燃气的化学计量比，从而在此过程中几乎不会产生任何一氧化碳，也不会出现过高的火焰温度(请参见图3中的点“1”)。从该λ值开始，增加风机5的转速，直到第二电离信号通过急剧的增加(参见图3中的点“2”)检测到来自燃烧器9的火焰升高。从这一点起，风机5的转速再次降低，从而观察到电离信号以确定电离信号的(绝对)最小值的精确位置，并将设定值调整为该最小值或接近最小值处(参见图3中的点“3”)。

从控制的角度来看，更容易在接近最小值的边缘中使用一个值作为设定值(此处特别是在朝向较浓混合物的边缘中，即在图3中的点“1”和“3”之间)，因为在实际值发生(正或负)变化的情况下可以清楚地看出，必须朝哪个方向进行校正。在任何情况下，都可以以此方式调节和维持期望的λ值接近1.4，而不会在该过程中产生一氧化碳至不可接受的程度。

然而，在设置了期望的λ值之后，可能(还是)没有精确地达到期望的功率(期望的风机转速)。变化例如对于燃气的适配、其伺服电机、环境状况或加热器中的气体流动条件可能会导致风机转速与在设置期望的λ值后施加的所需输出(系统中最精确的可定义的变量)的风机转速不同。在这种情况下，气阀的开度沿所需方向改变，并且如果需要的话，重复整个过程，直到达到λ值和功率所期望的设定值。通常，这将需要最多三遍所述的过程。

以这种方式找到的设置，现在可以在预定的时间段t内进行进一步的控制，此后重复所述过程以校准或检查该控制。基本上，只有通过这种类型的控制，加热器才能作为主要控制(继续)运行。如果仅用作紧急运行控制，则可以在重新启动加热器时检查主要控制是否再次起作用，如果不是这种情况，则只能切换到紧急运行控制。

图2示意性地示出了可以用于第二测量系统S2的电路。具有高输出电阻18的第二交流电压源12首先将不具有直流分量的交流电压提供给点火电极7和反电极9(接地)。当两者之间产生火焰时(此处如等效电路19所示)，由于火焰的整流效应(等效电路中的二极管)，电压仅在半波中下降。在第二评估电子装置14(放大器和转换器)的输入处存在具有负直流分量的交流电压，该电压在第二评估电子装置14中成为第二电离信号，可以在模拟/数字转换器20中进行转换，然后进行进一步处理。

图3定性地示出了在通过第二测量系统S2进行本发明的控制过程中发生的情况。在所示的图中，在恒定燃气供应的情况下，第二电离信号I2绘制在Y轴上(以数字形式表示为0到1023之间的数字)，风机速度(rpm)绘制于X轴上。所得到的特性图显示了几乎恒定的初始阶段，然后下降到最小值(点“3”)，随后又上升。经验表明，最小值大约为通常所期望的1.3至1.4的λ值，但在其左侧的恒定范围内，例如在点“1”处，离λ＝1仍然很远。例如，在点“2”处的上升中，火焰被释放，随着空气供应的增加，火焰可能变得不稳定。然而，在点“1”和“2”之间，可以改变空气的供应但不会产生不允许的一氧化碳量或不稳定性，以便在点“3”处找到最小值并将其用于控制。由于所述的风机转速和λ值之间的关系，X轴也可以以λ值作为标度。

本发明允许建立可靠的紧急运行控制而无需显著改变加热器本身，仅通过附加的电子装置，或者甚至即使在校准期间使用不会产生任何不允许的一氧化碳量的过程作为主要控制。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

参考标号列表

1加热器

2火焰区域

3空气供给源

4燃气供应源

5风机

6燃气阀

7点火电极

8电离电极

9燃烧器/反电极

10转换单元

11第一交流电压源

12第二交流电压源

13第一评估电子装置

14第二评估电子装置

15校准数据存储器

16火焰监测单元

17控制单元

18输出电阻

19火焰的等效电路

20模拟/数字转换器

S1第一测量系统

S2第二测量系统

I1第一电离信号

I2第二电离信号

Claims (8)

1.一种通过电离信号(I2)控制加热器(1)中燃烧的方法，该电离信号在由燃烧空气和燃气混合燃烧的加热器(1)的火焰区域(2)中测量，并源自于从电离电极(7、8)穿过火焰区域(2)流向反电极(9)的离子电流，在加热器(1)内燃烧期间燃烧空气与燃气的比(λ值)基于来自于电离信号(I2)的校准数据而确定，并通过设置燃气的供应和/或燃烧空气的供给进行控制，其特征在于包括如下步骤：

1.1将用于控制燃烧空气供给源的风机(5)调至预定转速，

1.2通过预定的特性将燃气阀(6)调节至对应于所述风机转速的位置，

1.3燃气阀(6)保持在该位置，

1.4将所述风机转速降低一个预定量，

1.5然后连续或逐步提高风机转速，并测量相应的电离信号(I2)，

1.6确定最小的电离信号(I2)并与相应的风机转速一起存储，

1.7进一步提高风机转速，直到相对于最小值的电离信号预设阈值达到为止，

1.8然后将风机转速降低到属于最小值的速度，并将该速度保持预设的时间段(t)，或将该速度用于使电离信号(I2)控制在当前的恒定值，

1.9在所述时间段(t)过去之后，重复从1.4开始的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：如果在步骤1.6中存储的风机转速与在步骤1.1中设置的风机转速的偏差大于在步骤1.1中设定的一预定偏差值，则对燃气阀的设置进行相应的校正，并重复步骤1.3到1.7，直到所述偏差小于预定偏差值为止，这对应于实现加热器(1)的期望输出。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：将步骤1.4中的预定量选择得很小，以使得λ值与可以产生不允许的一氧化碳浓度或一氧化碳量的范围保持一定距离。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：对应于不同的输出以及燃气阀(6)的相关设置，以相同的方式执行该方法以控制风机转速，由此得到控制系统的校准，该校准以时间段(t)的长度为时间间隔被一次又一次地更新，同时考虑了系统中的所有变化。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：对于具有控制器的加热设备，该控制器通过第一测量系统(S1)进行第一电离测量、并通过监测电子装置采用第二电离测量的方式执行单独火焰监测；在第一电离测量或基于第一电离测量的控制失败的情况下，切换至使用现有的监测电子装置执行上述权利要求1至4中任一项所述的方法。

6.一种加热器(1)，其特征在于：该加热器具有由第一控制单元(17)调节的空气供给源(3)和燃气供应源(4)，并具有第一测量系统(S1)和第二测量系统(S2)；第一测量系统(S1)包括电离电极(8)、反电极(9)、第一交流电压源(11)、以及用于确定可提供给控制单元(17)的第一电离信号(I1)的第一评估电子装置(13)；第二测量系统(S2)用于测量第二电离信号(I2)，该信号由第二测量系统(S2)在用于点燃燃烧的点火电极(7)和反电极(9)之间产生；其中第一测量系统(S1)和第二测量系统(S2)均被布置用于确定λ值。

7.根据权利要求6所述的加热器(1)，其特征在于：存在转换单元(10)，所述转换单元在第一测量系统(S1)的至少一个部件发生故障的情况下切换到使用第二测量系统(S2)进行控制。

8.一种计算机程序产品，其特征在于：该产品包括使根据权利要求6或7所述的加热器执行根据权利要求1至5中任一项所述的程序的指令。

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