DE102010042914B4

DE102010042914B4 - Measuring device and method for detecting combustion air constituents

Info

Publication number: DE102010042914B4
Application number: DE201010042914
Authority: DE
Inventors: Josef Nassenstein; Jürgen Matzantke
Original assignee: Wachtel & Co Backereimaschinen-Backofen GmbH; Wachtel & Co Baeckereimaschinen Backoefen GmbH
Current assignee: WACHTEL GMBH & CO. KG BACKOEFEN_KAELTETECHNIK, DE
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: DE102010042914A1

Abstract

Messvorrichtung zum Erfassen von Verbrennungsluftbestandteilen, die einen Messsensor mit einer Messsonde, einen elektrischen Schwingkreis und mindestens eine Spannungsquelle (46) aufweist, wobei eine Messzone (43) zur Erfassung der Verbrennungsluftbestandteile in einem Abluftkanal (80) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor als Messsonde einen kapazitiven Sensor aufweist und die Messvorrichtung (40) eine Vorrichtung zur Frequenzmodulierung (48) und/oder zur Amplitudenmodulierung enthält.Measuring device for detecting combustion air components, which has a measuring sensor with a measuring probe, an electrical resonant circuit and at least one voltage source (46), a measuring zone (43) for detecting the combustion air components being arranged in an exhaust air duct (80), characterized in that the measuring sensor has a capacitive sensor as a measuring probe and the measuring device (40) contains a device for frequency modulation (48) and / or for amplitude modulation.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung von Verbrennungsluftbestandteilen.The present invention relates to a measuring device and a method for detecting combustion air components.

Zur Einhaltung strenger werdender Umweltvorschriften wird eine Reduktion der Feinstaubpartikel in Rauchgasen immer wichtiger.To comply with stricter environmental regulations, a reduction of particulate matter in flue gases is becoming increasingly important.

Große Aufmerksamkeit hat die Feinstaubpartikelemission in den letzten Jahren insbesondere in der KFZ-Industrie gewonnen. Jedoch auch in industriellen Großanlagen bzw. bei prinzipiell jedem Verbrennungsprozess, bei dem Verbrennungsrückstände zurück bleiben, kann eine Feinstaubpartikelemission verursacht werden.The particulate matter emission has gained a lot of attention in recent years, especially in the automotive industry. However, even in large industrial plants or in principle every combustion process in which combustion residues remain, a fine dust particle emission can be caused.

Daher wurden Messverfahren entwickelt, die eine Erfassung der Feinstaubbelastung in Verbrennungsgasen erfassen können. Beispielsweise sind aus dem Stand der Technik Messverfahren bekannt zur Ermittlung der Feinstaubbelastung in Rauchgas, wie z. B. die Messung der Restsauerstoffkonzentration in einem Rauchgas mittels einer so genannten Lambda-Sonde.Therefore, measuring methods have been developed that can detect the detection of particulate matter in combustion gases. For example, measuring methods are known from the prior art for determining the particulate matter pollution in flue gas, such. As the measurement of the residual oxygen concentration in a flue gas by means of a so-called lambda probe.

Die „Lambda-Sonden Regelung” hat aus heutiger Sicht folgende Nachteile: Die Sauerstoffkonzentration sagt nur indirekt bzw. nur bedingt etwas über die Vollständigkeit der Verbrennung aus. Das heißt, bei gleicher Sauerstoffkonzentration kann beispielsweise einmal mehr und einmal weniger Kohlenmonoxid im Rauchgas sein, abhängig von z. B. der Leistung oder dem Wassergehalt des Brennstoffs. Der Sollwert der Sauerstoffregelung muss daher immer so hoch gewählt werden, dass auch bei ungünstigen Randbedingungen ein hinreichend guter Ausbrand gewährleistet ist. Bei günstigen Randbedingungen (trockener Brennstoff, Nennlast) ergeben sich damit unnötige Verluste.The "lambda probes regulation" has the following disadvantages from today's point of view: The oxygen concentration says only indirectly or only partially about the completeness of the combustion. That is, at the same oxygen concentration, for example, once more and once less carbon monoxide in the flue gas, depending on z. As the power or the water content of the fuel. The setpoint of the oxygen control must therefore always be selected so high that a sufficiently good burnout is ensured even under unfavorable boundary conditions. With favorable boundary conditions (dry fuel, rated load), this results in unnecessary losses.

Die Lambda Sonden werden dabei in einem Messbereich betrieben, in dem die Empfindlichkeit sehr klein ist. Das Signal einer Lambda-Sonde muss somit erheblich verstärkt werden, damit es für die Regelung beispielsweise einer Biomassefeuerung eingesetzt werden kann. Dabei werden aber auch die Signalfluktuationen mit verstärkt und der Zusammenhang zwischen dem Signal der Lambda-Sonde und der tatsächlichen Sauerstoffkonzentration ist mit einer großen Streubreite behaftet.The lambda probes are operated in a measuring range in which the sensitivity is very small. The signal of a lambda probe must therefore be significantly increased so that it can be used for the control of, for example, a biomass combustion. In this case, however, the signal fluctuations are also amplified and the relationship between the signal of the lambda probe and the actual oxygen concentration is subject to a wide range.

Zudem ist ein optisches Partikelzählverfahren bekannt. Bei dem Messverfahren mit einem optischen Partikelzähler ist die Messgenauigkeit jedoch stark abhängig von der Sauberkeit der optischen Bauelemente (Linsen). Diese können zum einen durch die Staubpartikel im Messmedium (Rauchgas) verschmutzt werden, zum anderen kann es durch Kondensatbildung auf der Messoptik zu einer Änderung des Brechungsindexes kommen, was in der Auswerteelektronik zu falschen Messwerten und damit verbunden zu einer falschen Regelung der Verbrennung führt.In addition, an optical particle counting method is known. In the measurement method with an optical particle counter, however, the measurement accuracy is highly dependent on the cleanliness of the optical components (lenses). On the one hand, these can be contaminated by the dust particles in the measuring medium (flue gas), on the other hand, condensate formation on the measuring optics can lead to a change in the refractive index, which leads to incorrect measured values in the evaluation electronics and thus to incorrect regulation of the combustion.

Aus der WO 2009/047195 A2 ist eine Sensorvorrichtung zur Bestimmung von in einem Gasstrom enthaltenen elektrisch leitenden und/oder elektrisch geladenen Partikeln, insbesondere Russpartikeln im Abgasstrom eines Dieselmotors, umfassend zumindest zwei in dem Gasstrom anzuordnende Elektroden, bei der zumindest eine der Elektroden in dem im Gasstrom anzuordnenden Bereich vollständig in einen nicht-leitenden Werkstoff eingebettet ist, bekannt.From the WO 2009/047195 A2 is a sensor device for determining electrically conductive and / or electrically charged particles contained in a gas stream, in particular soot particles in the exhaust stream of a diesel engine, comprising at least two electrodes to be arranged in the gas stream, in which at least one of the electrodes in the region to be arranged in the gas stream completely into one embedded non-conductive material is known.

WO 2005/097332 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung einer Vorrichtung für die elektrostatische Partikelabscheidung in Gasströmen. Das Verfahren basiert auf der gemessenen Kapazität zwischen einer Messelektrode, die entweder durch die Sprühelektrode selbst oder einen separaten Rauchgasrohrabschnitt gebildet wird, welcher innerhalb des Rauchgaskanals angeordnet ist und durch welchen Abschnitt das Rauchgas strömt und dem Rauchgaskanal selbst. Diese Kapazität wird gemessen und als Führungsgröße für die Steuerung der Vorrichtung verwendet. WO 2005/097332 A1 describes a method for controlling a device for electrostatic particle separation in gas streams. The method is based on the measured capacitance between a measuring electrode, which is formed either by the spray electrode itself or a separate flue pipe section, which is disposed within the flue gas channel and through which section the flue gas flows and the flue gas channel itself. This capacity is measured and used as a reference variable for used the control of the device.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, den Stand der Technik zu verbessern und eine Messvorrichtung sowie ein Messverfahren zur Verfügung zu stellen, das eine bessere Verbrennung in einer Heizvorrichtung ermöglicht.It is therefore the object of the invention to improve the state of the art and to provide a measuring device and a measuring method which enables a better combustion in a heating device.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie einem Verfahren gemäß Anspruch 10. Vor- teilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved with a device according to claim 1 and a method according to claim 10. Advantageous developments are subject of the dependent claims.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile können insbesondere in den folgenden Aspekten bestehen:
Ein Vorteil kann in der Tatsache liegen, dass ein Messsensor verwendet wird, der Teil eines frequenzmodulierten elektrischen Schwingkreises ist. So kann erreicht werden, dass es im Extremfall nur zu geringen Messfehlern durch Verschmutzung oder elektrische Signalstörungen kommen kann. Zudem kann durch eine Frequenzmodulierung des Messsignals eine höhere Genauigkeit des Sensors erreicht werden.The advantages achieved by the invention may consist in particular in the following aspects:
An advantage may lie in the fact that a measuring sensor is used, which is part of a frequency-modulated electrical oscillating circuit. Thus, it can be achieved that in extreme cases only small measurement errors can occur due to contamination or electrical signal interference. In addition, by a frequency modulation of the measurement signal, a higher accuracy of the sensor can be achieved.

Folglich kann es ein weiterer Vorteil der Erfindung sein, dass eine hohe Messempfindlichkeit für unterschiedliche Feststoffpartikel erreicht wird. Es kann zudem ein Vorteil sein, dass durch die hohe Messempfindlichkeit auch fluid-artige, beispielsweise gasförmige, Bestandteile in der Verbrennungsluft erfasst werden.Consequently, it may be a further advantage of the invention that a high measuring sensitivity for different solid particles is achieved. It may also be an advantage that due to the high measuring sensitivity, fluid-like, for example gaseous, components are detected in the combustion air.

Vorteilhafterweise kann so auch eine repräsentative Messung der Feinstaubkonzentration beispielsweise in Rauchgasen erreicht werden.Advantageously, a representative measurement of the fine dust concentration, for example in flue gases, can thus also be achieved.

Es kann ein weiterer Vorteil der Erfindung sein, dass in der Messvorrichtung eine Abschirmelektrode vorgesehen ist. So kann eine weitere Erhöhung der Genauigkeit der Messvorrichtung erreicht werden, da Störeinflüsse unterdrückt werden können. Dies kann insbesondere das Signal/Rausch-Verhältnis verbessern.It may be a further advantage of the invention that a shielding electrode is provided in the measuring device. Thus, a further increase in the accuracy of the measuring device can be achieved because interference can be suppressed. This can in particular improve the signal-to-noise ratio.

Weiterhin kann es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung sein, dass zusätzlich zu der Frequenzmodulierung eine Amplitudenmodulierung vorgenommen werden kann. Dadurch kann die Genauigkeit der Messvorrichtung weiter erhöht werden.Furthermore, it may be an advantage of the present invention that amplitude modulation can be made in addition to the frequency modulation. Thereby, the accuracy of the measuring device can be further increased.

Vorteilhaft können zudem auch die Langzeitstabilität und die einfache Handhabung der Erfindung sein.Also advantageous may be the long-term stability and ease of use of the invention.

Weiterhin kann es ein Vorteil sein, dass die Messvorrichtung mit einer Steuervorrichtung verbunden ist, welche basierend auf den Messwerten der Messvorrichtung Verbrennungsparameter steuern und/oder regeln kann. Durch entsprechendes Anpassen der Parameter kann so eine möglichst rückstandsfreie Verbrennung ermöglicht werden.Furthermore, it can be an advantage that the measuring device is connected to a control device, which can control and / or regulate combustion parameters based on the measured values of the measuring device. By appropriate adaptation of the parameters, a residue-free combustion can thus be made possible.

Eine Messvorrichtung zum Erfassen von Verbrennungsrückständen weist eine Messsonde, einen elektrischen Schwingkreis, mindestens eine Spannungsquelle, eine Vorrichtung zur Frequenzmodulierung sowie ein Auswertemittel auf. Die Messvorrichtung kann in einem Abluftkanal einer Verbrennungsvorrichtung vorgesehen sein. Mit der Messvorrichtung kann insbesondere ein Feinstaubanteil der Verbrennungsluft erfasst werden. Dazu wird in der Messvorrichtung ein wechselndes elektrisches Feld (Wechselfeld) erzeugt.A measuring device for detecting combustion residues has a measuring probe, an electrical oscillating circuit, at least one voltage source, a device for frequency modulation and an evaluation means. The measuring device may be provided in an exhaust duct of a combustion device. In particular, a fine dust component of the combustion air can be detected with the measuring device. For this purpose, a changing electric field (alternating field) is generated in the measuring device.

Zur Messung wird der Effekt ausgenutzt, dass sich die Dielektrizitätskonstanten von Luft und von Asche-/bzw. Staubpartikeln unterscheiden. Das in der Messsonde erzeugte elektrische Feld ist abhängig von dem (dielektrischen) Medium, das sich in dem Kondensator befindet. Ändert sich das Medium, beispielsweise wenn Asche-/bzw. Staubpartikel durch das Feld treten, so ändert sich auch das elektrische Feld bzw. die Kapazität C des Kondensators. Diese Änderung kann, wenn sie groß genug ist, erfasst werden. Dabei ist es prinzipiell unerheblich, was für ein Material die Änderung der Dielektrizitätskonstante in einem Messbereich verursacht. Dies können somit, wie oben beschrieben, Aschepartikel sein, aber auch ein sonstiger Stoff, der eine andere Dielektrizitätskonstante besitzt als Luft, oder, wie in dem vorliegenden Fall, eine andere Dielektrizitätskonstante als die Verbrennungsluft bei einer idealen Verbrennung.For the measurement, the effect is exploited that the dielectric constants of air and of ash / resp. Distinguish dust particles. The electric field generated in the probe depends on the (dielectric) medium that is in the capacitor. If the medium changes, for example when ash / resp. As dust particles pass through the field, so does the electric field or the capacitance C of the capacitor. This change, if large enough, can be detected. In principle, it does not matter which material causes the change in the dielectric constant in a measuring range. Thus, as described above, these may be ash particles, but also any other material having a dielectric constant other than air or, as in the present case, a dielectric constant other than the combustion air in an ideal combustion.

Ein Kondensator in einem elektrischen Schwingkreis besitzt eine Resonanzfrequenz. Diese Resonanzfrequenz ist wiederum abhängig von der Kapazität des Kondensators. Ändert sich das Medium wie oben beschrieben, so ändert sich folglich auch die Resonanzfrequenz des Kondensators. Diese Änderung kann ebenfalls erfasst werden.A capacitor in an electrical resonant circuit has a resonant frequency. This resonant frequency is in turn dependent on the capacitance of the capacitor. If the medium changes as described above, then the resonant frequency of the capacitor also changes. This change can also be recorded.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Messvorrichtung zur Erfassung einer solchen Änderung des elektrischen Feldes, also zur Erfassung von Bestandteilen der Verbrennungsluft, zwei Elektroden auf, die den Kondensator bilden. Der Kondensator ist Teil eines elektrischen Schwingkreises, der in dieser Ausführungsform durch einen Oszillator mit einer hochfrequenten Wechselspannung (beispielsweise im Bereich von 1–10 MHz) getrieben wird. In anderen Ausführungsformen kann die Wechselspannung auch in anderen Frequenzbereichen angesiedelt sein.In a preferred embodiment of the invention, the measuring device for detecting such a change in the electric field, ie for detecting components of the combustion air, two electrodes which form the capacitor. The capacitor is part of an electrical resonant circuit, which in this embodiment is driven by an oscillator with a high-frequency AC voltage (for example in the range of 1-10 MHz). In other embodiments, the AC voltage may also be located in other frequency ranges.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist eine dritte Elektrode (Abschirmelektrode) vorgesehen, aufgrund derer ein Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden kann. Zudem wird so die effektive Kapazität C_eff des Kondensators unabhängig von der Kapazität C der gesamten Messvorrichtung.In a development of the invention, a third electrode (shielding electrode) is provided, on the basis of which a signal-to-noise ratio can be improved. In addition, the effective capacitance C _{eff of} the capacitor thus becomes independent of the capacitance C of the entire measuring device.

Durch die so erreichte Genauigkeit der Messvorrichtung ist es nicht nur möglich, zu erfassen, ob Verbrennungsrückstände in der Abluft enthalten sind. Vielmehr ist es möglich, die Konzentration beispielsweise von Feinstaubpartikeln zu bestimmen, und damit eine Zählung der Partikel vorzunehmen. Dies kann analog auch für andere Bestandteile der Verbrennungsluft (des Rauchgases) durchgeführt werden.By the thus achieved accuracy of the measuring device, it is not only possible to detect whether combustion residues are contained in the exhaust air. Rather, it is possible to determine the concentration, for example, of particulate matter, and thus make a count of the particles. This can be done analogously for other components of the combustion air (the flue gas).

In einer Ausführungsform der Erfindung wird zudem die zu vermessende Luft nicht oder nicht ausschließlich aus einem Brenner zugeführt.In one embodiment of the invention, moreover, the air to be measured is not or not exclusively supplied from a burner.

Das Auswertemittel ist in der bevorzugten Ausführungsform als ein Frequenz-Digital-Wandler ausgebildet. Es sind jedoch auch andere Ausführungsformen denkbar, in denen das Feldsignal nicht frequenzmoduliert ist. So kann das Signal entweder nur oder zusätzlich auch amplitudenmoduliert sein. Das Auswertemittel müsste dann derart ausgebildet sein, dass es auch die Amplitudenmodulation auswerten kann, beispielsweise in Form eines Amplituden-Digital-Wandlers.The evaluation means is formed in the preferred embodiment as a frequency-to-digital converter. However, other embodiments are conceivable in which the field signal is not frequency-modulated. Thus, the signal can be either amplitude-modulated only or in addition. The evaluation means would then have to be designed such that it can also evaluate the amplitude modulation, for example in the form of an amplitude-to-digital converter.

Auch ragt in der bevorzugten Ausführungsform die Messsonde in den Abluftkanal der Verbrennungsvorrichtung und kommt so in direkten Kontakt mit den Verbrennungsgasen. In alternativen Ausführungsformen kann die Messsonde jedoch auch derart ausgebildet sein, dass sie außerhalb des Abluftkanals angeordnet ist, wobei sich das elektrische Feld trotzdem in den Abluftkanal erstreckt. So könnten beispielsweise die den Kondensator bildenden Elektroden an gegenüberliegenden Seiten des Abluftkanals angeordnet sein. Es muss dabei lediglich sichergestellt sein, dass die Abluft das elektrische Feld durchläuft und die Empfindlichkeit der Vorrichtung hoch genug ist, um eine Störung des elektrischen Feldes zu erfassen. So ist insbesondere denkbar, dass ein Teil der Abluft durch einen schmalen Seitenarm aus dem Abluftkanal abgeführt wird, wo dann die Messung vorgenommen wird.Also protrudes in the preferred embodiment, the probe into the exhaust duct of the combustion device and comes into direct contact with the combustion gases. In alternative embodiments, however, the measuring probe can also be designed such that it is arranged outside the exhaust air duct, wherein the electric field nevertheless extends into the exhaust air duct. For example, the electrodes forming the capacitor could be arranged on opposite sides of the exhaust air duct. It only has to be ensured that the exhaust air passes through the electric field and the sensitivity of the device is high enough to detect a disturbance of the electric field. Thus, it is particularly conceivable that a portion of the exhaust air is discharged through a narrow side arm of the exhaust duct, where then the measurement is made.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Mehrzahl von Sensoren in dem Abluftkanal vorgesehen. So kann durch Messung der Partikelanteile in der Abluft erfasst werden, ob es in einem bestimmten Abschnitt des Abluftkanals zu einer erhöhten Ablagerung von Partikeln kommt.In a further embodiment of the invention, a plurality of sensors are provided in the exhaust duct. Thus, by measuring the proportions of particles in the exhaust air, it can be detected whether there is an increased deposition of particles in a certain section of the exhaust air duct.

Es ist auch denkbar, dass sich in einer Fortbildung der Erfindung zusätzlich ein oder mehrere Drucksensoren in dem Abluftkanal befinden. In Kombination mit der Messung der Partikelbestandteile ist so eine genaue Diagnose der Abluftströmung möglich und gegebenenfalls auftretende Verstopfung, Leckagen oder ähnliche Störungen können unmittelbar lokalisiert werden.It is also conceivable that in a further development of the invention additionally one or more pressure sensors are located in the exhaust air duct. In combination with the measurement of the particle components, an accurate diagnosis of the exhaust air flow is possible and any occlusion, leaks or similar disturbances which may occur can be localized directly.

Auch ist es in einer weiteren Fortbildung der Erfindung denkbar, dass ein derartiger Sensor in einem Wärmetauscher, beispielsweise einem Wärmetauscher für Rauchgas, verwendet wird. Auf diese Weise kann wie beschreiben die Staubemission reduziert werden. Somit kann die Gefahr von Asche-Ablagerungen in den Leitungen eines Wärmetauschers (sog. Fouling-Effekt) vermieden oder zumindest reduziert werden. Dies wiederum hat den Effekt, dass die thermische Leistung des Wärmetauschers und der im Pfad der Rauchgasseite eingebundenen Komponenten (z. B. Öfen) möglichst wenig beeinträchtigt wird.It is also conceivable in a further development of the invention that such a sensor is used in a heat exchanger, for example a heat exchanger for flue gas. In this way, as described, the dust emission can be reduced. Thus, the risk of ash deposits in the pipes of a heat exchanger (so-called fouling effect) can be avoided or at least reduced. This in turn has the effect that the thermal performance of the heat exchanger and the components integrated in the path of the flue gas side (eg furnaces) is impaired as little as possible.

Einzelheiten, Vorteile und zusätzliche Weiterentwicklungen der Erfindung werden anhand des Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.Details, advantages and additional developments of the invention will be explained with reference to the embodiment with reference to the drawings.

Dabei zeigt:Showing:

1 eine schematische Ansicht eines Regelkreises mit einer Messvorrichtung in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; 1 a schematic view of a control loop with a measuring device in the preferred embodiment of the invention;

2 einen schematische Aufbau einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit einem kapazitiven Messsensor. 2 a schematic structure of a measuring device according to the invention with a capacitive measuring sensor.

1 zeigt eine schematische Ansicht eines Regelkreises einer Heizvorrichtung 10, in der eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 40 vorgesehen ist, Die Heizvorrichtung 10 weist einen Brenner 60 auf. Der Brenner 60 ist derart ausgebildet, dass ein Brennstoff darin verbrannt werden kann. Der Brennstoff kann ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff sein, oder aber auch als Pulver oder Festbrennstoff vorliegen. 1 shows a schematic view of a control loop of a heater 10 in which a measuring device according to the invention 40 is provided, The heater 10 has a burner 60 on. The burner 60 is designed such that a fuel can be burned therein. The fuel may be a liquid or gaseous fuel, or else be present as a powder or solid fuel.

Der Brenner 60 wird von einem Gebläse 61 mit Verbrennungsluft versorgt. Das Gebläse 61 ist vorzugsweise in der Luftförderrate variabel, beispielsweise durch Einstellen der Gebläseleistung, des Luftströmungsverlaufs oder der Dauer der Luftversorgung.The burner 60 is from a blower 61 supplied with combustion air. The fan 61 is preferably variable in the air flow rate, for example by adjusting the fan power, the air flow path or the duration of the air supply.

Die in dem Brenner 60 entstehende Abluft (in der bevorzugten Ausführungsform Rauchgas 20) strömt entlang eines Abluftkanals (Rauchgaskanal 80) weg von dem Brenner 60. Abhängig von der Effizienz der Verbrennung in dem Brenner 60 enthält das abströmende Rauchgas 20 einen gewissen Anteil an Verbrennungsreststoffen. Diese Verbrennungsreststoffe können Verbrennungsrückstände wie beispielsweise Asche- oder Feinstaubpartikel 30 sein. Es kann sich dabei jedoch auch um unverbranntes Material handeln, wie beispielsweise aufgewirbelte Feststoffe, unverbranntes Gas, etc.The one in the burner 60 resulting exhaust air (in the preferred embodiment, flue gas 20 ) flows along an exhaust duct (flue gas duct 80 ) away from the burner 60 , Depending on the efficiency of combustion in the burner 60 contains the effluent flue gas 20 a certain amount of combustion residues. These combustion residues can combustion residues such as ash or particulate matter 30 be. However, it may also be unburned material, such as fluidized solids, unburned gas, etc.

In der in 1 gezeigten Ausführungsform werden zur Veranschaulichung Feinstaubpartikel 30 skizziert, um das Prinzip der Erfindung zu erläutern. Dasselbe Prinzip ist jedoch auch auf andere Brennertypen übertragbar und Weiterentwicklungen sind analog auf alternative Ausführungsformen des Brenners anwendbar.In the in 1 In the embodiment shown, for example, fine dust particles are used 30 outlined to illustrate the principle of the invention. However, the same principle can also be applied to other types of burner, and further developments can be applied analogously to alternative embodiments of the burner.

Die Heizvorrichtung weist in der bevorzugten Ausführungsform zudem eine Messvorrichtung 40 auf, die später im Detail beschrieben wird. Die Messvorrichtung 40 ist mit einer Auswertelektronik 50 verbunden. Diese ist wiederum mit einer Brennersteuerung 70 verbunden. Die Brennersteuerung 70 ist dazu vorgesehen, die Verbrennungsparameter, wie beispielsweise Luft- oder Brennstoffzufuhr, zu steuern bzw. zu regeln. Dabei verarbeitet die Brennersteuerung 70 zumindest die Informationen, die von der Auswertelektronik 50 geliefert werden.The heating device also has a measuring device in the preferred embodiment 40 which will be described in detail later. The measuring device 40 is with an electronic evaluation system 50 connected. This is in turn with a burner control 70 connected. The burner control 70 is intended to control the combustion parameters, such as air or fuel supply. The burner control processes 70 at least the information provided by the electronic evaluation system 50 to be delivered.

Die oben erwähnte Messvorrichtung 40 ist in 2 dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform weist die Messvorrichtung 40 eine erste Elektrode 41 (auch als Zentrumselektrode bezeichnet) und eine zweite Elektrode 42 (auch als Erdungselektrode bezeichnet; in 2 ist diese zum Kenntlichmachen der Erdung auch mit dem Zeichen „PE” versehen) auf. Die Zentrumselektrode 41 ist hier stabförmig ausgebildet. Die Erdungselektrode 42 ist vorzugsweise in einer radialen Richtung mantelförmig um die Zentrumselektrode 41 angeordnet. Weiterhin kann die Erdungselektrode 42 insbesondere mit einer geerdeten Schutzhülle 44 verbunden sein, oder integral mit der Schutzhülle 44 ausgebildet sein. Die Schutzhülle kann beispielsweise aus Edelstahl hergestellt sein.The above-mentioned measuring device 40 is in 2 shown. In the illustrated embodiment, the measuring device 40 a first electrode 41 (also referred to as center electrode) and a second electrode 42 (also referred to as earthing electrode; 2 this is also provided with the sign "PE" for the identification of the grounding). The center electrode 41 is here rod-shaped. The ground electrode 42 is preferably jacket-shaped in a radial direction around the center electrode 41 arranged. Furthermore, the ground electrode 42 especially with a grounded protective cover 44 be connected or integral with the protective cover 44 be educated. The protective cover may be made of stainless steel, for example.

In anderen Ausführungsformen können die Elektroden auch andere Formen haben. Insbesondere können die Elektroden auch als Platten ausgebildet sein, oder die Zentrumselektrode wird nur teilweise von der Erdungselektrode umschlossen.In other embodiments, the electrodes may also have other shapes. In particular, the electrodes may also be formed as plates, or the center electrode is only partially enclosed by the ground electrode.

In der bevorzugten, in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Zentrumselektrode 41 länger ausgebildet als die Erdungselektrode 42 und ragt an einem Messungsseitigen Ende 40a der Messvorrichtung 40 um eine definierte Länge über die Erdungselektrode 42 hinaus. Die Zentrumselektrode 41 und die Erdungselektrode 42 werden mit einer ersten Spannungsquelle 46 versorgt. Die erste Spannungsquelle 46 liefert die Betriebsspannung U_B. Die Betriebsspannung U_B ist vorzugsweise eine hochfrequente Wechselspannung.In the preferred, in 2 The embodiment shown is the center electrode 41 longer than the ground electrode 42 and protrudes at a measurement-side end 40a the measuring device 40 by a defined length across the ground electrode 42 out. The center electrode 41 and the ground electrode 42 be with a first voltage source 46 provided. The first voltage source 46 supplies the operating voltage U _B. The operating voltage U _B is preferably a high-frequency AC voltage.

Das elektrische Feld, das dadurch zwischen der Zentrumselektrode 41 und der Erdungselektrode 42 aufgebaut wird, entspricht der eigentlichen Messzone 43 der Vorrichtung. Die Messzone 43 hat in der dargestellten Ausführungsform die Form eines Halbellipsoids. Die Länge des Halbellipsoids entspricht dem Überstand der Zentrumselektrode 41 in einer axialen Richtung über die Erdungselektrode 42 bzw. die Schutzhülle 44 hinaus. Die Breite der Messzone 43 entspricht der radialen Ausdehnung der Erdungselektrode 42 bzw. der Schutzhülle 44.The electric field created between the center electrode 41 and the ground electrode 42 is built, corresponds to the actual measurement zone 43 the device. The measuring zone 43 has the shape of a semi-ellipsoid in the illustrated embodiment. The length of the semi-ellipsoid corresponds to the supernatant of the center electrode 41 in an axial direction across the ground electrode 42 or the protective cover 44 out. The width of the measuring zone 43 corresponds to the radial extent of the ground electrode 42 or the protective cover 44 ,

Zwischen den Elektroden 41, 42 ist vorzugsweise ein Werkstoff vorgesehen, der die Elektroden 41, 42 fixiert und gleichzeitig als Isolationsschicht dient. Dieser Werkstoff kann beispielsweise ein Zweikomponentenkleber sein.Between the electrodes 41 . 42 Preferably, a material is provided which the electrodes 41 . 42 fixed and at the same time serves as an insulating layer. This material may for example be a two-component adhesive.

Die Elektroden 41, 42 sind also im Wesentlichen ein Kondensator und bilden einen kapazitiven Sensor einer Messsonde. Zusätzlich zu den Elektroden 41, 42 ist in dem Sensor eine weitere Elektrode (Abschirmelektrode 45) vorgesehen, die auf ähnliche Weise mittels eines Werkstoffs angeordnet sein kann. Die Abschirmelektrode 45 ist derart angeordnet, dass das elektrische Feld zwischen der Zentrumselektrode 41 und der Erdungselektrode 42, bzw. die effektive Kapazität des Sensors von der Kapazität der restlichen Messvorrichtung 40 unabhängig ist. Die Abschirmelektrode 45 kann dabei entweder um die beiden Elektroden 41, 42 herum oder, wie in der bevorzugten Ausführungsform, zwischen den Elektroden 41, 42 angeordnet sein. Die Abschirmelektrode 45 wird von einer zweiten Spannungsquelle 47 mit einer Abschirmspannung U_A versorgt.The electrodes 41 . 42 They are essentially a capacitor and form a capacitive sensor of a measuring probe. In addition to the electrodes 41 . 42 is in the sensor another electrode (shield electrode 45 ), which can be arranged in a similar manner by means of a material. The shielding electrode 45 is arranged such that the electric field between the center electrode 41 and the ground electrode 42 , or the effective capacity of the sensor of the capacity of the remaining measuring device 40 is independent. The shielding electrode 45 can either be around the two electrodes 41 . 42 around or, as in the preferred embodiment, between the electrodes 41 . 42 be arranged. The shielding electrode 45 is from a second voltage source 47 supplied with a shielding voltage U _A.

Die so gebildete Messsonde ist eine Komponente eines elektrischen Schwingkreises. Der Schwingkreis wird über einen Oszillator (Spannungsquelle 46) mit einer hochfrequenten Wechselspannung versorgt. Die Frequenz der Wechselspannung liegt in der bevorzugten Ausführungsform im Bereich zwischen 1 und 10 MHz. In alternativen Ausführungsformen können auch andere Frequenzen gewählt werden, solange die erfindungsgemäße Wirkung der Messsonde erhalten bleibt.The measuring probe thus formed is a component of an electrical resonant circuit. The resonant circuit is controlled by an oscillator (voltage source 46 ) supplied with a high-frequency AC voltage. The frequency of the AC voltage is in the preferred embodiment in the range between 1 and 10 MHz. In alternative embodiments, other frequencies may be selected as long as the inventive effect of the probe is maintained.

Der Messsensor wird, wie in 2 gezeigt ist, in der dargestellten Ausführungsform mit dem Ende 40a der Messvorrichtung 40 derart angeordnet, dass sich die erzeugte Messzone 43 in den Rauchgaskanal 80 der Heizvorrichtung erstreckt. Insbesondere kann der Messsensor durch ein Loch 81 in den Rauchgaskanal 80 eingebracht sein. Somit durchströmt zumindest ein Teil des Rauchgases einen Teil der Messzone 43, was zu einer Veränderung der Dielektrizität des durch die Elektroden 41, 42 gebildeten Kondensators führt. Dies wiederum verursacht eine Änderung der Resonanzfrequenz des Kondensators.The measuring sensor will, as in 2 is shown, in the illustrated embodiment with the end 40a the measuring device 40 arranged such that the generated measuring zone 43 in the flue gas duct 80 the heater extends. In particular, the measuring sensor can pass through a hole 81 in the flue gas duct 80 be introduced. Thus, at least part of the flue gas flows through part of the measuring zone 43 , resulting in a change in the dielectricity of the through the electrodes 41 . 42 formed capacitor leads. This in turn causes a change in the resonant frequency of the capacitor.

Es ist in anderen Ausführungsformen auch denkbar, dass die Messvorrichtung 40 nicht in direkten Kontakt mit dem Rauchgas 20 kommt, solange eine Änderung der Kapazität des Kondensators wie oben beschrieben verursacht wird.It is also conceivable in other embodiments that the measuring device 40 not in direct contact with the flue gas 20 comes as long as a change in the capacitance of the capacitor is caused as described above.

Die Messvorrichtung 40 weist zudem eine Erfassungselektronik 48 auf. Die Erfassungselektronik 48 enthält in der bevorzugten Ausführungsform einen Begrenzerverstärker und einen Frequenz-Digital-Wandler. Der Begrenzerverstärker wandelt das Signal in einen frequenzabhängigen Rechteckimpuls um. Dieser Rechteckimpuls wird anschließend in dem Frequenz-Digital-Wandler in elektrische Spannungswerte umgesetzt.The measuring device 40 also has a detection electronics 48 on. The detection electronics 48 contains in the preferred embodiment a limiter amplifier and a frequency-to-digital converter. The limiter amplifier converts the signal into a frequency-dependent square pulse. This square pulse is then converted into electrical voltage values in the frequency-to-digital converter.

Im Folgenden wird das Messprinzip der vorliegenden Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsform beschrieben.The measuring principle of the present invention will be described below with reference to the preferred embodiment.

Das Messprinzip der in der gezeigten bevorzugten Ausführungsform der Messvorrichtung beruht auf der Störung des elektrischen Feldes durch Feinstaub-beladenes Rauchgas 20 in der Heizvorrichtung 10. Die elektrische Feldstörung gegenüber Luft (die Dielektrizitätskonstante ε ist für Luft 1) steigt mit dem Anteil der Feinstaubpartikel 30. Das elektrische Feld wird zwischen der Zentrumslektrode 41 im Zentrum des Messfühlers 40 und der Erdungselektrode 42 durch Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung aufgebaut.The measuring principle of the preferred embodiment of the measuring device shown in the invention is based on the disturbance of the electric field by fine dust-laden flue gas 20 in the heater 10 , The electric field disturbance with respect to air (the dielectric constant ε is for air 1 ) increases with the proportion of particulate matter 30 , The electric field is between the center electrode 41 in the center of the probe 40 and the ground electrode 42 built up by applying a high-frequency AC voltage.

Zwischen der Zentrumselektrode 41 und der Edelstahl-Hülle 44 wird die Betriebsspannung U_B 46 angelegt. Mit Hilfe der Abschirmspannung U_A 47, die zwischen der Abschirmelektrode 45 und der Edelstahl-Hülle 44 anliegt, wird ein hohes Signal zu Rausch-Verhältnis erzielt, und zugleich wird die gemessene Kapazität C_eff von der Kapazität der gesamten Messvorrichtung unabhängig. Die Zentrumselektrode 41 und die Erdungselektrode 42 bilden den kapazitiven Sensor, welcher Komponente eines elektrischen Schwingkreises ist.Between the center electrode 41 and the stainless steel case 44 the operating voltage U _B 46 created. With the help of the shielding voltage U _A 47 between the shielding electrode 45 and the stainless steel case 44 is applied, a high signal to noise ratio is achieved, and at the same time the measured capacitance C _eff of the capacity of the entire measuring device is independent. The center electrode 41 and the ground electrode 42 form the capacitive sensor, which is component of an electrical resonant circuit.

Der Schwingkreis wird über einen Oszillator mit einer hochfrequenten Wechselspannung im Bereich von 1 bis 10 MHz gespeist. Sowohl die Amplitude als auch die Resonanzfrequenz des Signals in dem Schwingkreis wird abhängig von der Dielektrizitätsänderung verstimmt. In dem Begrenzerverstärker wird das Spannungssignal in einen ausschließlich frequenzabhängigen Rechteckimpulsverlauf umgewandelt (Frequenzmodulation des Signals) und in einem anschließenden Frequenz-Digital-Wandler in digitale Spannungswerte umgesetzt.The resonant circuit is fed via an oscillator with a high-frequency AC voltage in the range of 1 to 10 MHz. Both the amplitude and the resonant frequency of the signal in the resonant circuit are detuned depending on the dielectric change. In the limiter amplifier, the voltage signal is converted into an exclusively frequency-dependent rectangular pulse course (frequency modulation of the signal) and converted into digital voltage values in a subsequent frequency-to-digital converter.

Durch die Frequenzmodulation wird das eigentliche Messsignal von äußeren Störeinflüssen (Verschmutzung, elektrische äußere Störeinflüsse) unabhängig. Darüber hinaus wird durch die Speisung des Schwingkreises mit einer hochfrequenten Oszillatorspannung eine entsprechend hohe Sensitivität der Messsonde gegenüber nur geringen Dielektrizitätsänderungen (Luft ε1 = 1, Aschepartikel ε2 = 2) erreicht und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis eingestellt.Due to the frequency modulation, the actual measurement signal of external disturbances (pollution, electrical external interference) is independent. In addition, by supplying the oscillating circuit with a high-frequency oscillator voltage, a correspondingly high sensitivity of the measuring probe with respect to only low dielectric changes (air ε1 = 1, ash particle ε2 = 2) is achieved and a high signal-to-noise ratio is set.

Die Messvorrichtung 40 zur Verbrennungsluftregelung über das Erfassen von Verbrennungsluftbestandteilen (hier das Erfassen von Partikeln) wird vorzugsweise in den Rauchgaskanal 80 der Heizvorrichtung 10 eingebaut um damit die Brennersteuerung 70 zu regeln. Die bei dem Betrieb des Brenners 60 entstehenden Rauchgase 20 steigen dann im Rauchgaskanal 80 auf und durchströmen u. a. die Messvorrichtung 40.The measuring device 40 for combustion air control via the detection of combustion air components (here the detection of particles) is preferably in the flue gas duct 80 the heater 10 built around the burner control 70 to regulate. The at the operation of the burner 60 resulting flue gases 20 then climb in the flue gas duct 80 the measuring device flows on and through, inter alia 40 ,

Die in dem Rauchgas 20 befindlichen Feinstaubpartikel 30 werden dabei von der Messvorrichtung 40, insbesondere von der Erfassungselektronik 48, erfasst und entsprechende Messsignale werden an die Auswerteelektronik 50 weitergeleitet. Die Auswerteelektronik 50 verarbeitet die Signale und kann dann entsprechende Steuerinformationen an die Brennersteuerung 70 liefern. Die Brennersteuerung 70 wird somit in der Form geregelt, dass die Verbrennung optimiert und der Anteil an Feinstaubpartikel 30 im Rauchgas reduziert wird.The in the flue gas 20 located particulate matter 30 be doing of the measuring device 40 , in particular of the detection electronics 48 , and corresponding measurement signals are sent to the transmitter 50 forwarded. The evaluation electronics 50 processes the signals and can then send appropriate control information to the burner control 70 deliver. The burner control 70 is thus regulated in the form that optimizes the combustion and the proportion of particulate matter 30 is reduced in the flue gas.

Ein hoher Anteil an Feinstaubpartikeln 30 in dem Rauchgas 20 bewirkt dabei einen hohen Dielektrizitätswert und damit auch eine starke Veränderung der Resonanzfrequenz des Kondensators. Dies kann einhergehen mit einer unvollständigen Verbrennung des Brennstoffes in dem Brenner 60. Um eine bessere Verbrennung zu erhalten, kann dann beispielsweise von der Brennersteuerung 70 die Luftzufuhr durch das Gebläse 61 erhöht werden.A high proportion of fine dust particles 30 in the flue gas 20 causes a high Dielektrizitätswert and thus a strong change in the resonant frequency of the capacitor. This can be accompanied by incomplete combustion of the fuel in the burner 60 , In order to obtain a better combustion, then, for example, by the burner control 70 the air supply through the blower 61 increase.

Es ist dabei auch denkbar, dass ein zeitlicher Verlauf der gemessenen Dielektrizitätswerte zur Regelung herangezogen wird, um die Steuerparameter des Brenners 60 zu regeln. So kann auf plötzlich eintretende Phänomene (z. B. Leckage in dem Rauchgaskanal 80) anders reagiert werden, als auf sich kontinuierlich ändernde Phänomene.It is also conceivable that a time profile of the measured dielectric values is used for the control to the control parameters of the burner 60 to regulate. This allows for sudden phenomena (eg leakage in the flue gas duct 80 ) react differently than to continuously changing phenomena.

Es ist zudem denkbar, dass mit demselben Prinzip wie es oben beschrieben wurde eine unvollständige Verbrennung von nicht-festen Brennstoffen erfasst werden kann. Beispielsweise kann es durch entsprechende Eichung der Messvorrichtung 40 möglich sein, kleine Änderungen der Abluftzusammensetzung zu erfassen, die daraus resultieren können, dass unverbranntes Gas in der Abluft 20 enthalten ist. Insbesondere ist eine derartige Erfassung der Abluftzusammensetzung dann denkbar, wenn zusätzlich zu der Frequenzmodulierung eine Amplitudenmodulierung vorgenommen wird, was zu einer weiteren Erhöhung der Erfassungsgenauigkeit führen kann.It is also conceivable that with the same principle as described above incomplete combustion of non-solid fuels can be detected. For example, it can by appropriate calibration of the measuring device 40 be possible to detect small changes in the exhaust air composition, which may result from unburnt gas in the exhaust air 20 is included. In particular, such a detection of the exhaust air composition is conceivable if, in addition to the frequency modulation, an amplitude modulation is carried out, which can lead to a further increase in the detection accuracy.

Die oben beschriebene Messvorrichtung eignet sich insbesondere für Rauchgasöfen. Die vorherigen Beschreibungen der bevorzugten Ausführungsform sind dabei jedoch nicht auf diesen Verwendungszweck reduziert und haben nur einen beispielhaften Charakter. Auch sind Kombinationen der alternativen Ausführungsformen denkbar, ohne dass sich von dem Erfindungsgedanken entfernt wird.The measuring device described above is particularly suitable for flue gas furnaces. However, the previous descriptions of the preferred embodiment are not reduced to this purpose and have only an exemplary character. Also, combinations of the alternative embodiments are conceivable without departing from the spirit of the invention.

Claims

Measuring device for detecting combustion air constituents, comprising a measuring sensor with a measuring probe, an electrical oscillating circuit and at least one voltage source ( 46 ), wherein a measuring zone ( 43 ) for detecting the components of combustion air in an exhaust duct ( 80 ) is arranged, characterized in that the measuring sensor has a capacitive sensor as a measuring probe and the measuring device ( 40 ) a device for frequency modulation ( 48 ) and / or for amplitude modulation.

Measuring device according to claim 1, wherein the measuring probe consists of at least two electrodes ( 41 . 42 ) consists.

Measuring device according to claim 2, wherein the measuring probe has at least one measuring zone ( 43 ) having.

Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the electrical Oscillating circuit is a high frequency electrical resonant circuit.

Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the measuring device ( 40 ) a plurality of voltage sources ( 46 . 47 ) having.

Measuring device according to one of the preceding claims, wherein a frequency-digital converter as an evaluation means ( 50 ) is available.

Measuring device according to one of claims 3 to 6, wherein at least one measuring zone ( 43 ) the measuring probe has the shape of a semi-ellipsoid.

Measuring device according to one of the preceding claims, wherein in the measuring sensor a shielding electrode ( 45 ) is available.

Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the measuring device ( 40 ) with a control unit ( 70 ) is connected to a heating device.

Method for detecting combustion air components with a measuring device ( 40 ) for detecting combustion air components according to any one of claims 1 to 9, comprising the steps of: arranging a measuring zone of the measuring device ( 40 ) in an exhaust duct ( 80 ) a heating device ( 10 ), Applying an alternating electric field between at least two electrodes ( 41 . 42 ) of a capacitive measuring sensor, detecting disturbances of the electric field, performing frequency modulation of the detected signal and converting the evaluated signal into a frequency dependent square wave signal, wherein a higher value of the content of dielectric components in the combustion air is detected as a stronger disturbance of the electric field.

A method of measuring combustion air constituents according to claim 10, wherein the alternating electric field is a high-frequency alternating field in an electrical resonant circuit.

A method of measuring combustion air constituents according to one of claims 10 or 11, wherein the disturbance of the electric field is detected as a change in the resonant frequency of the electrical resonant circuit.

A method of measuring combustion air constituents according to any one of claims 10-12, wherein in addition the amplitude of the alternating electric field is modulated.

A method of measuring combustion air constituents according to any one of claims 10-13, wherein the value of the content of dielectric components in the combustion air in a control device ( 70 ) and the control device ( 70 ) Controls and / or regulates combustion parameters to minimize the level of dielectric components.

Use of a measuring device for detecting combustion air components according to one of claims 1 to 9 by means of a method according to one of claims 10 to 14 in a combustion device of a flue gas oven or a baking oven system.