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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Einstellung der Flammenparameter
eines Gasbrenners, insbesondere für die thermische Glasbearbeitung,
wobei die Flammenparameter ermittelt, mit Referenzparametern verglichen
und in Abhängigkeit des Vergleichs eine Flammeneinstellung
erfolgt. Des Weiteren bezieht sie sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Ein
Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der
DE 10 2005 036 146 A1 bekannt.
Dort ist eine Anordnung zur optischen Flammenprüfung beschrieben,
mit einer Kamera, mit einem Spektralsensor und einem Spektrometer,
wobei Bilder und Spektren der Flamme eines Gasbrenners aufgenommen,
eine Flammenprüfung durchgeführt und online eine
Optimierung der Brennereigenschaften ermöglicht werden
soll. Für die Beurteilung der Qualität der Flammeneinstellung
wird ein Vergleich der gemessenen optischen Parameter mit Referenzwerten
durchgeführt. Mithilfe von Bewertungskriterien, wie Helligkeit in
verschiedenen Flammenbereichen, Größenverhältnis
von Vormisch- zu Diffusionsflamme, Intensität der Emissionslinien
in Vormisch- und Diffusionsflamme und der spektralen Lage und Verteilung
der Glühemmission wird eine Einschätzung der Effizienz der
Brennerflamme erreicht. Die Datenauswertung über ein Computerprogramm
unter Nutzung von Referenzflammen-Parametern soll eine Steuerung
der Brennerflamme ermöglichen.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Optimierung
des Verfahrens auf seine Effizienz, insbesondere eine Einsparung von
Heizgas, zu erreichen und gleichzeitig die Flammenqualität
im Heizprozess zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird verfahrensmäßig gelöst durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1.
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Vorrichtungsmäßig
wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruches
9. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich jeweils in den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß werden
die verfügbaren Flammen- und Brenngasparameter, insbesondere Gasdruck
und/oder Durchflussmengen und/oder Werkstücktemperatur
im Diagnosesystem ausgewertet und fließen in die Beurteilung
der Flammenqualität ein. Durch die Messung der Durchflussrate
und/oder des Druckes des Brenngases und über eine spektroskopische
Auswertung von Wellenlänge sowie Flammenintensität
kann dann auf die Zusammensetzung der einzelnen Gaskomponenten rückgeschlossen werden
und mit zuvor empirisch ermittelten Referenzkennfeldern des Brenners
für Druck und/oder Durchflussrate bei unterschiedlichern
Temperaturen abgeglichen werden. Danach wird die optimale Brennereinstellung
ermittelt und die Ausgangsgrößen für Durchflussrate
und/oder Druck einer Stelleinrichtung für die Erstellung
der Brennerparameter zugeführt. Hierdurch ergibt sich eine
optimale Brennereinstellung, welche weitestgehend automatisch erfolgt. Hierdurch
wird eine signifikante Reduzierung des Gasverbrauches erreicht.
Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße
Verfahren eine erhöhte Prozessstabilität und Optimierung
der Brennerleistung. Zudem besteht die Möglichkeit, die
Brennereinstellung bzw. die Flammencharakteristik mithilfe eines
Prüfprotokolls zu dokumentieren, wodurch ein qualitätskonformes
Monitoring von Produktionsparametern ermöglicht wird.
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Die
Verwendung der Durchflussrate als Brenngasparameter empfiehlt sich
insbesondere bei kleineren Brennern mit kleineren Durchflussquerschnitten
für das Brennergas, bestehend aus Brennstoff und Sauerstoff
und ggf. auch Luft. Als Brennstoff kommen beispielsweise Erdgas
oder Propangas in Betracht. Bei größeren Brennern
mit entsprechend groß ausgelegten Leitungsquerschnitten
für das Gas lässt sich die Durchflussrate häufig
nur schwer bestimmen, weshalb der Gasdruck als Brenngasparameter
herausgezogen werden sollte. Selbstverständlich ist auch
eine Kombination beider Brennergasparameter, nämlich Durchflussrate
und Druck, möglich.
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Zusätzlich
kann auch eine Ermittlung und Berücksichtigung von optischen
Flammenparametern bzw. der Flammencharakteristik erfolgen über die spektroskopische
Auswertung von Wellenlänge sowie Flammenintensität,
wie dies aus der
DE
10 2005 036 146 A1 bekannt ist.
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Bei
einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen,
dass die gewünschte Flammentemperatur und/oder die Entfernung
des Brenners vom Werkstück als weitere Eingangsgrößen
in die Steuerung eingehen. Durch diese Maßnahme lässt
sich der Brenngasverbrauch nochmals erheblich reduzieren, indem
der Brenner derart an das Werkstück herangefahren wird,
dass der heißeste Bereich der Flamme das Werkstück
optimal bestrahlen kann.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass
für Bildaufnahmen der Brennerflamme eine digitale Kamera,
vorzugsweise eine VGA-Kamera, verwendet wird. Hierdurch ist die Möglichkeit
einer Online-Auswertung und damit eine unmittelbare Reaktion der
Steuerung auf unterschiedliche Flammenparameter ermöglicht.
Dadurch, dass die digitale Kamera digitale Impulse abgibt, kann
eine direkte Signalverarbeitung und Speicherung erfolgen.
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Nach
einem wiederum anderen Gedanken der Erfindung ist es vorgesehen,
dass die Messung und ggf. Einstellung der Durchflussrate des Brenngases
bzw. seine Komponenten mittels wenigstens eines Mass-Flow-Controlers
erfolgt. Der Einsatz eines Mass-Flow-Controlers erlaubt es sowohl
die Durchflussrate als auch den Druck des Brenngases bzw. seiner
Komponenten digital zu erfassen und zu regeln, so dass der Steuerungs-
und Regelungsaufwand erheblich reduziert ist.
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Die
Messung des Drucks des Brenngases kann alternativ oder zusätzlich
auch über separate Drucksensoren erfolgen, um ggf. ein
Redundanzsystem aufzubauen. Der Einsatz von Drucksensoren empfiehlt
sich insbesondere auch bei größeren Anlagen mit
entsprechend groß ausgelegten Leitungsquerschnitten für
das Brenngas.
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Die
Messung der Werkstücktemperatur erfolgt erfindungsgemäß mittels
eines Pyrometers oder einer Wärmebildkamera. Der Einsatz
eines Pyrometers erweist sich als kostengünstig. Mithilfe
einer Wärmebildkamera kann im Gegensatz zu einem Pyrometer
der gesamte erhitzte Bereich des Werkstückes abgebildet
werden.
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Zur
Ermittlung des Kennfeldes des Gasbrenners in Abhängigkeit
der Durchflussrate und/oder des Druckes des Brenngases bei unterschiedlichen Werkstücktemperaturen
kann erfindungsgemäß ein Probekörper
mit definierten Materialeigenschaften mit einer Brennerflamme bei
unterschiedlichen Durchflussraten und/oder Drücken des
Brenngases beaufschlagt und die daraus resultierende Temperatur
am Probekörper gemessen. Alternativ oder zusätzlich
kann auch die aus den unterschiedlichen Durchflussraten und/oder
Drücken des Brennergases resultierende Temperaturverteilung
in der Brennerflamme gemessen werden. Überraschenderweise hat
sich gezeigt, dass allein ein solches Referenzkennfeld bzw. Temperaturkennfeld
mit Durchflussraten der Bestandteile des Brenngases, nämlich Brennstoff
und Sauerstoff aufgetragen, auf den X- und Y-Achsen der Temperatur
des Werkstückes bzw. Probekörpers aufgetragen
auf der Z-Achse ausreichen, um eine exakte Brennereinstellung zu
erreichen. In gleicher Weise gestaltet sich auch ein Referenzkennfeld
in Abhängigkeit des Druckes, wobei dann der Druck des Sauerstoffes
und des Brennstoffes, wie beispielsweise Erdgas oder Propan, auf
der X- und Y-Achse aufgetragen werden, während die aus
diesen Wertepaaren sich ergebende Temperatur des Probekörpers
auf der Z-Achse dargestellt ist. Möglich ist es natürlich
auch, dass die als im Brenngas enthaltene Luft ermittelt und mathematisch
als Referenzkennfeldgröße erfasst wird.
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Durch
die Erfindung ist erreicht, dass der Benutzer bei der gewünschten
Temperatur die jeweiligen Durchflussraten von Brennstoff und Sauerstoff bzw.
Drücke von Brennstoff und Sauerstoff einstellen kann. Hierdurch
ergibt sich eine automatische Ermittlung der optimalen Brennereinstellung
bei reduziertem Gasverbrauch und erhöhter Prozessstabilität
sowie einer Optimierung einer Brennerleistung.
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Nach
einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen,
dass die Referenzkennfelder für unterschiedliche Abstände
des Brenners zum Probekörper ermittelt werden. Hierdurch
wird eine nochmalige Reduzierung des Gasverbrauches erreicht, um den
heißesten Bereich der Brennerflamme optimal bezüglich
des zu bearbeitenden Werkstücks einstellen zu können.
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Vorrichtungsmäßig
wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Aufnahme für
das zu bearbeitende Werkstück bzw. für den Probekörper
vorgesehen ist, mit einem Gasbrenner, mit einer Steuerung bzw. Regelung
für die Einstellung der Brenngasparameter, wobei ein Speicher
für die Hinterlegung von Referenzkennfeldern vorgesehen
ist, und mit Messeinrichtungen zur Messung der Werkstücktemperatur und/oder
der Flammentemperatur, der Durchflussrate und/oder des Druckes des
Brenngases sowie einer Stelleinrichtung zur Einstellung der Brenngasparameter
Durchflussrate und/oder Druck.
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Hierdurch
wird eine deutliche Einsparung von Heizgas erreicht und die Flammenqualität
im Heizprozess verbessert. Die Vorrichtung weist auch den Vorteil
auf, dass sie als mobile Prüf- und Regeleinrichtung ausgebildet
werden kann. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit
zur Erstellung eines Prüfprotokolles zur Dokumentation
der eingestellten Brennerparameter sowie der zugehörigen
Flammencharakteristik oder der Verlinkung der Prüfdaten
mit einem zentralen MES/ERP-System. Dabei steht MES als Abkürzung
für Manufacturing Execution System und stellt ein Prozessleitsystem
dar, welches durch direkte Anbindung an das Automatisierungssystem
eine Kontrolle der Produktion erlaubt. Das sogenannte ERP-System
als Abkürzung für Enterprise Resource Planning
dient dazu, die in einem Unternehmen vorhandenen Ressourcen, in
Form von Kapital, Betriebsmittel oder Personaleinsatz möglichst effizient
auf den betrieblichen Ablauf abzustimmen.
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Konstruktiv
besonders günstig ist es, wenn die Einrichtung der Messung
und Einstellung von Durchflussrate des Brenners bzw. seiner Komponenten
wenigstens einen Mass-Flow-Controler aufweist. Alternativ oder zusätzlich
ist es aber auch möglich, dass Drucksensoren vorgesehen
werden, insbesondere bei Brenneranlagen mit entsprechend groß dimensionierten
Leitungsquerschnitten für das Brenngas.
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Nach
der Erfindung ist es auch möglich, eine Messeinrichtung,
insbesondere eine Spektralanalysekamera zur Messung der Flammencharakteristik vorzusehen,
und bei der Steuerung bzw. Regelung des Gasbrenners durch Vergleich
mit zuvor abgelegten Referenzparametern zu berücksichtigen.
Durch die Spektralanalyse können optisch die Bestandteile des
Gasgemisches, insbesondere Brenngas, Sauerstoff, Luft und ggf. Verunreinigungen,
bzw. das Verhältnis der einzelnen Bestandteile ermittelt
werden. Die hierdurch gewonnenen Erkenntnisse über eventuelle
Verunreinigungen im Gasgemisch bzw. über das Verhältnis
der einzelnen Bestandteile können im Einstellprozess zusätzlich
berücksichtigt werden und machen diesen noch effektiver.
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Die
Messung der Werkstücktemperatur lässt sich über
ein Pyrometer durchführen, selbstverständlich
kann aber auch eine Wärmebildkamera vorgesehen werden.
Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen,
dass der Gasbrenner relativ zum Werkstückhalter bzw. Probekörperhalter
verfahrbar ausgebildet ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass das
zu bearbeitende Werkstück mit der heißesten Zone
der Flamme beaufschlagt werden kann.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass
das Pyrometer bzw. die Wärmebildkamera verfahrbar relativ
zum Werkstückhalter ausgebildet sind. Hierdurch ist ermöglicht, dass
die Temperatur über das gesamte Werkstück bzw.
den gesamten Probekörper ermittelt werden kann. Die Flammentemperatur
wird bevorzugt mittels einer Wärmebildkamera ermittelt.
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Selbstverständlich
ist es nach der Erfindung auch möglich, dass die Steuerung
als Regelung ausgebildet ist, um eine automatische Brennereinstellung
zu erzielen.
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Weitere
Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Dabei bilden
alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für
sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der
vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung
in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es
zeigen:
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1 eine
mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Regelung zur optimalen Einstellung der Flammenparameter eines Gasbrenners
zur thermischen Glasbearbeitung,
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2 das
Flussdiagramm einer möglichen Steuerung der Flammenparameter
des Gasbrenners,
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3 eine
mögliche Ausführungsform eines Referenzkennfeldes
des Brenners, insbesondere eines Temperaturkennfeldes in Abhängigkeit
der Komponenten des Brenngases und
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4 das
Referenzkennfeld bzw. Temperaturkennfeld in Abhängigkeit
des Druckes der Komponenten des Brenngases.
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Die
Anordnung zur optischen Flammenprüfung und Einstellung,
wie sie beispielhaft in 1 dargestellt ist, weist einen
Gasbrenner 2 mit Flamme auf, welcher zur thermischen Glasbearbeitung,
wie beispielsweise zur Bearbeitung von Quarzglas dient. Das Werkstück 1 ist
ein einer nicht dargestellten Aufnahme aufgenommen, beispielsweise
eingespannt. Das Werkstück 1 kann beispielsweise
rotierend bearbeitet werden, aber auch feststehend bezüglich
des Brenners 2 angeordnet sein.
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Mit
Bezugszeichen 6 ist ein Pyrometer dargestellt, welcher
zur Messung der Werkstücktemperatur dient. Weiterhin ist
bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Wärmebildkamera 15 vorgesehen,
welche die flächenmäßige Wärmeverteilung
auf dem Werkstück 1 detektiert. Mit der Wärmebildkamera 15 ist
es auch möglich, die Temperaturverteilung in der Flamme
des Brenners 2 zu ermitteln.
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Mit
Bezugszeichen 5 ist bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel
eine Spektralanalysenkamera dargestellt, welche die spektrale Flammcharakteristik
der Brennerflamme ermittelt, um auch über die optische
Flammenprüfung mit einem Vergleich der gemessenen Referenzparameter
eine noch bessere Einstellung des Brenners zu erhalten. Wie weiterhin
aus 1 zu entnehmen, ist eine Steuerung bzw. Regelung 3 vorgesehen,
welche zum einen die Brennerflamme analysiert und unter Berücksichtigung
von zuvor empirisch aufgenommenen Referenzkennfeldern des Brenners,
wie diese in den 3 und 4 dargestellt
ist, die Brenngasparameter des Brenners optimal einzustellen.
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Im
Einzelnen gehen, wie auch aus dem Flussdiagramm gemäß 3 ersichtlich,
die optischen Flammenparameter, die mittels der Spektralkamera 5 ermittelt
wurden, sowie die mittels des Pyrometers 6 ermittelte Werkstücktemperatur
und ggf. die mittels der Wärmbildkamera 15 aufgenommene Temperaturverteilung
des Werkstückes 1 als Eingangsgrößen
in die Regelung 3 für den Brenner ein. Anhand
der mittels der Spektralkamera 5 vorgenommenen Spektralanalysen
wird das Verhältnis der Brenngaskomponenten sowie ggf.
des Anteils von Fremdstoffen ermittelt und als Eingangsgrößen
der Regelung 3 zugeführt.
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Neben
den ermittelten optischen Flammenparametern gehen die Durchflussraten
und/oder der Druck des Brenngases als Eingangsgrößen
in die Auswerteeinrichtung ein. Für die einzelnen Gaskomponenten,
nämlich Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas oder Propan
und Sauerstoff, werden über die Durchflussrate über
die Durchflussmessgeräte 7, 8 der beiden
Mass-Flow-Controler 13, 14 ermittelt. Sofern zusätzlich
auch der Luftanteil bei der Steuerung bzw. Regelung berücksichtigt
werden soll, ist ein dritter Mass-Flow-Controler mit Mess- und Stelleinrichtung
vorgesehen.
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Zusätzlich
wird auch die jeweils gewünschte Flammentemperatur als
Eingangsgröße in die Regelung 3 eingeben,
ebenso wie die Entfernung des Brenners 2 zum Werkstück 1,
um auch insoweit eine optimale Beflammung des Werkstückes 1 zu
erzielen.
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In
der Steuerung bzw. Regelung 3 werden dann die reinen Anteile
der Brenngaskomponenten ohne ggf. vorhandene Verunreinigungen ermittelt.
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Sodann
folgt in der Steuer- bzw. Regelungseinrichtung 3 ein Vergleich
der Anteile der Brenngaskomponenten mit zuvor empirisch ermittelten
Referenzkennfeldern des Brenners in Abhängigkeit der Durchflussrate
und/oder des Druckes des Brenngases bei unterschiedlichen Werkstücktemperaturen, wie
diese aus 3 und 4 hervorgehen.
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Optional,
wie bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel
vorgesehen, erfolgt auch ein Vergleich der tatsächlichen
Temperatur des Werkstückes 1 mit der gewünschten
Temperatur und des tatsächlichen Abstandes von Brenner 2 zu
Werkstück 1 mit dem für den Brenngasverbrauch
optimalen Abstand.
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Aus
den ermittelten Flammenparametern und den Referenzparametern, welche
in einer Speichereinrichtung 4 abgelegt sind, werden dann
die Ausgangsgrößen bestimmt und die Stelleinrichtungen 11, 12 der
Mass-Flow-Controlers 13, 14 zur Einstellung der
Durchflussrate und/oder die (nicht dargestellte) Stelleinrichtung
zur Einstellung des Druckes und/oder der Entfernung des Brenners 2 zum
Werkstück 1 betätigt.
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Die
Referenzkennfelder für einen Brenner in Abhängigkeit
der Durchflussrate der Brenngaskomponenten bzw. des Druckes der
Brenngaskomponenten, wie diese in der Speichereinrichtung 4 abgelegt sind,
sind in den 3 und 4 dargestellt.
Diese Referenzkennfelder werden dadurch ermittelt, dass das Werkstück 1 oder
ggf. auch nur ein Probekörper mit der Brennerflamme bei
unterschiedlichen Durchflussraten oder Drücken des Brenngases
beaufschlagt und die daraus resultierende Temperatur am Werkstück
bzw. Probekörper gemessen wird. Zur Ermittlung des Druck-Referenzkennfeldes
wird beispielsweise der Druck des Sauerstoffs auf einen bestimmten
Wert festgehalten und der Druck des Brennstoffes schrittweise erhöht,
wobei bei jeder Erhöhung die Temperatur am Brenner oder
Werkstück gemessen wird. Sodann wird der Druck des Sauerstoffs
um einen vorgegebenen Wert heraufgesetzt und wiederum die Temperatur
am Brenner bzw. Werkstück in Abhängigkeit unterschiedlicher
Drücke des Brennstoffes ermittelt.
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Das
gleiche Vorgehen erfolgt für die Ermittlung des Referenzkennfeldes
in Abhängigkeit der Durchflussrate der Brenngaskomponenten.
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Wenn
beispielsweise die Temperatur des Brenners oder des Werkstückes
einen Wert von 1200°C bis 1400°C aufweisen soll,
so ergibt sich aus dem Referenzkennfeld der dazugehörige
Wert der Durchflussrate des Brennstoffes mit 30 l/min und derjenige
des Sauerstoffes mit 40 l/min. Diese Werte sind in der Speichereinrichtung 4 der
Regelung hinterlegt, so dass mit der Stelleinrichtung 11, 12 stets die
optimale Ausgangs- bzw. Stellgröße für
den Brenner unter den jeweils gewünschten Vorgaben eingestellt
werden können.
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- 1
- Werkstück
- 2
- Gasbrenner
- 3
- Steuerung,
Regelung
- 4
- Speichereinrichtung
- 5
- Messeinrichtung
für Flammencharakteristik, Spektralanalysekamera
- 6
- Messeinrichtung,
Pyrometer
- 7
- Messeinrichtung
für Durchflussrate
- 8
- Messeinrichtung
für Durchflussrate
- 9
- Messeinrichtung
für Brenngasdruck
- 10
- Messeinrichtung
für Brenngasdruck
- 11
- Stelleinrichtung
- 12
- Stelleinrichtung
- 13
- Mass-Flow-Controler
- 14
- Mass-Flow-Controler
- 15
- Wärmebildkamera
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005036146
A1 [0002, 0008]