DE102014219347B4 - Method for monitoring a heating device and heating device - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Überwachen einer Heizvorrichtung (10), – wobei die Heizvorrichtung (10) zumindest zwei unterschiedliche Heizleiter (40) zum Beheizen eines Mediums (30) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: – Ermitteln einer elektrischen Momentanleistung der Heizleiter (40), – Ermitteln einer Temperaturdifferenz zwischen den Heizleitern (40) und dem Medium (30), – Berechnen eines Wärmewiderstand mittels Division der Temperaturdifferenz durch die Momentanleistung, und – Ermitteln einer Eigenschaft aus dem Wärmewiderstand, wobei das Verfahren nacheinander mittels der zumindest zwei unterschiedlichen Heizleiter (40) durchgeführt wird, und eine Anzahl von Eigenschaften der Heizleiter (40) anhand der jeweils ermittelten Wärmewiderstände verglichen werdenMethod for monitoring a heating device (10), - wherein the heating device (10) has at least two different heating conductors (40) for heating a medium (30), the method comprising the steps of: determining an electrical instantaneous power of the heating conductors (40), Determining a temperature difference between the heating conductors (40) and the medium (30), calculating a thermal resistance by dividing the temperature difference by the instantaneous power, and determining a property from the thermal resistance, the method being successively determined by means of the at least two different heating conductors (40 ), and a number of properties of the heating conductors (40) are compared on the basis of the respectively determined thermal resistances
Description
ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIKAREA OF APPLICATION AND PRIOR ART
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Heizvorrichtung sowie eine Heizvorrichtung, wobei die Heizvorrichtung zumindest zwei unterschiedliche Heizleiter zum Beheizen eines Mediums aufweist.The invention relates to a method for monitoring a heating device and a heating device, wherein the heating device has at least two different heating conductors for heating a medium.
Beim Betrieb von Heizvorrichtungen kann es zu diversen Fehlerzuständen kommen. Beispielsweise kann eine Heizvorrichtung, die im Heizbetrieb mit Wasser in Berührung kommt, sukzessive verkalken, was ihre Heizleistung deutlich verringern kann. Es kann auch sein, dass das durch die Heizvorrichtung beheizte Medium bzw. das Wasser nicht mehr vorhanden ist, beispielsweise weil ein Zuführventil geschlossen ist. In diesem Fall kann es zu einer Überhitzung und damit zu einer Beschädigung des Heizleiters kommen.When operating heaters, various fault conditions can occur. For example, a heating device that comes into contact with water during heating, gradually calcify, which can significantly reduce their heating power. It may also be that the medium heated by the heater or the water is no longer present, for example because a feed valve is closed. In this case, it can lead to overheating and thus damage to the heating element.
Es ist bekannt, Temperaturen des Heizleiters bzw. der Heizvorrichtung oder des Mediums beim Heizbetrieb zu messen und Änderungsgeschwindigkeiten dieser Temperaturen zu betrachten sowie mit gespeicherten Erfahrungswerten für den normalen oder abnormalen Betrieb zu vergleichen. Übliche Toleranzen hinsichtlich der Versorgungsspannung und des Nennleistungsbereichs werden dabei jedoch typischerweise in gespeicherten Arbeitspunkten oder Kennlinienfeldern abgedeckt. Größere Änderungen oder Abweichungen von Temperaturen werden aufgrund entsprechend weiten erlaubten Streubreiten im normalen Heizbetrieb häufig erst deutlich später als einsetzende Fehlerzustände wie Anlagerungen, Verkalkung oder gefährliche Überhitzung erkannt. Dementsprechend kann auch eine Reaktion erst zu einem relativ späten Zeitpunkt erfolgen, was die Gefahr einer Beschädigung des Heizleiters mit sich bringt.It is known to measure temperatures of the heat conductor or the heating medium or the medium in the heating operation and to consider rates of change of these temperatures and to compare them with stored empirical values for normal or abnormal operation. However, customary tolerances with regard to the supply voltage and the nominal power range are typically covered in stored operating points or characteristic fields. Larger changes or deviations from temperatures are often only detected much later than incipient fault conditions such as deposits, calcification or dangerous overheating due to correspondingly wide permitted spreads during normal heating operation. Accordingly, a reaction can take place only at a relatively late time, which brings with it the risk of damage to the heating element.
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Aus der Veröffentlichung von Bedö, Gerlinde; Kraus, Werner; Müller, Rudolf: „Comparison of different micromechanical vacuum sensors” in Elsevier: Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 85, 2000, No. 1, S. 181–188, doi: 10. 1016/S0924-4247(00)00383-6 geht ein Verfahren zum Überwachen einer Heizvorrichtung mit einem Heizleiter hervor. Eine Momentanleistung und eine Temperaturdifferenz zwischen Heizleiter und zu erhitzendem Medium werden ermittelt.From the publication of Bedö, Gerlinde; Kraus, Werner; Müller, Rudolf: "Comparison of different micromechanical vacuum sensors" in Elsevier: Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 85, 2000, no. 1, pp. 181-188, doi: 10.1016 / S0924-4247 (00) 00383-6, a method for monitoring a heating device with a heating conductor emerges. An instantaneous power and a temperature difference between the heating conductor and the medium to be heated are determined.
AUFGABE UND LÖSUNGTASK AND SOLUTION
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überwachen einer Heizvorrichtung und eine dafür ausgebildete Heizvorrichtung zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik vermieden werden können und es insbesondere möglich ist, ein Verkalken oder sonstige Beeinträchtigungen der Funktion der Heizvorrichtung zu erkennen bzw. zu verhindern.The invention has for its object to provide a method for monitoring a heater and a heating device designed for this, with which problems of the prior art can be avoided and it is in particular possible to recognize a calcification or other adverse effects on the function of the heater or to prevent.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine zu dessen Durchführung ausgebildete Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11.This object is achieved by a method having the features of claim 1 and a heating device designed for carrying it out with the features of claim 11.
Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Manche der Merkmale werden dabei im Zusammenhang nur mit dem Verfahren oder nur mit der Heizvorrichtung genannt bzw. erläutert. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für das Verfahren als auch für die Heizvorrichtung selbstständig gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht. Advantageous and preferred embodiments of the invention are the subject of the other claims and are explained in more detail below. Some of the features are called or explained in connection only with the method or only with the heater. However, they should be able to apply independently for both the process and for the heater independently. The wording of the claims is incorporated herein by express reference.
Das Verfahren dient zum Überwachen einer Heizvorrichtung, wobei die Heizvorrichtung mindestens zwei Heizleiter zum Beheizen eines Mediums bzw. Wasser aufweist.The method serves to monitor a heating device, wherein the heating device has at least two heating conductors for heating a medium or water.
Erfindungsgemäß weist das Verfahren folgende Schritte auf:
- – Ermitteln einer elektrischen Momentanleistung der Heizleiter,
- – Ermitteln einer Temperaturdifferenz zwischen den Heizleitern und dem Medium,
- – Berechnen eines Wärmewiderstands mittels Division der Temperaturdifferenz durch die Momentanleistung und
- – Ermitteln einer Eigenschaft aus dem Wärmewiderstand.
- Determining an electrical instantaneous power of the heating conductors,
- Determining a temperature difference between the heating conductors and the medium,
- Calculate a thermal resistance by dividing the temperature difference by the instantaneous power and
- - Determining a property of the thermal resistance.
Durch die erfindungsgemäße Berechnung des Wärmewiderstands ist es möglich, Eigenschaften wie beispielsweise Fehlerzustände oder andere Probleme der Heizvorrichtung und insbesondere der darin enthaltenen Heizleiter in Echtzeit zu erkennen. Dabei kann weitgehend auf Daten zurückgegriffen werden, welche in einer üblichen Heizvorrichtung ohnehin vorhanden sind. Der Wärmewiderstand gibt insbesondere ein Maß dafür an, wie effizient eine Übertragung von Wärmeenergie von den Heizleitern zum Medium bzw. Wasser erfolgt. Erhöht sich der Wärmewiderstand im Zeitverlauf, so kann dies beispielsweise darauf hindeuten, dass die Heizvorrichtung, evtl. auch die Heizleiter, durch Beheizen von Wasser verkalkt ist oder sich andere Ablagerungen auf einer Oberfläche der Heizvorrichtung, evtl. auch der Heizleiter, oder eines Trägers bzw. Substrats der Heizleiter abgesetzt haben.By calculating the thermal resistance according to the invention, it is possible to detect properties such as fault conditions or other problems of the heating device and in particular of the heating conductors contained therein in real time. In this case, it is possible to resort extensively to data which are present anyway in a conventional heating device. The thermal resistance in particular provides a measure of how efficiently a transfer of heat energy from the heating conductors to the medium or water takes place. If the thermal resistance increases over time, this may indicate, for example, that the heating device, possibly also the heating conductors, has calcified by heating water or other deposits on a surface of the heating device, possibly also the heating conductor, or a carrier or a carrier Substrate of the heating conductors have settled.
Vorteilhaft gilt folgende Begriffsbestimmung:
- – Heizleiter = Heiz-Widerstands(leiter)bahn auf einem Substrat/Träger = Schichtheizleiter = Dickschichtheizleiter,
- – Substrat + Kontaktschicht + Widerstandsbahn + Abdeckschicht(en) = Schichtheizelement,
- – Metall-Substrat + Kontakt + Widerstandsbahn + Abdeckung = Metallkernheizelement,
- – die Heizleiter sind Teil eines Heizelementes/Teil einer Heizvorrichtung.
- Heating conductor = heating resistor (conductor) track on a substrate / carrier = Schichtheizleiter = Dickschichtheizleiter,
- Substrate + contact layer + resistance path + cover layer (s) = layer heating element,
- Metal substrate + contact + resistor track + cover = metal core heater,
- - The heating conductors are part of a heating element / part of a heater.
Der Heizleiter kommt vorteilhaft nicht direkt mit dem Medium in Berührung wegen der erforderlichen Abdeckung und elektrischen Isolation des Heizleiters gegenüber dem elektrisch leitfähigen Medium, beispielsweise Wasser.Advantageously, the heating conductor does not come into direct contact with the medium because of the required coverage and electrical insulation of the heating conductor relative to the electrically conductive medium, for example water.
Die Temperaturdifferenz wird bevorzugt dadurch berechnet, dass von einer Temperatur der Heizleiter eine Temperatur des Mediums subtrahiert wird. Die Temperatur des Mediums wird dabei besonders bevorzugt durch einen eigens dafür vorgesehenen Temperaturfühler ermittelt. Dies ermöglicht eine zuverlässige Bestimmung.The temperature difference is preferably calculated by subtracting a temperature of the medium from a temperature of the heating conductor. The temperature of the medium is particularly preferably determined by a dedicated temperature sensor. This allows a reliable determination.
Für die Erfassung der Temperatur der Heizleiter stehen mehrere Ausführungen zur Verfügung, von welchen nachfolgend vier mögliche und vorteilhafte beschrieben werden.For the detection of the temperature of the heating conductors are several versions available, of which four possible and advantageous are described below.
Gemäß einer Ausführung wird die Temperatur der Heizleiter mittels eines auf einer Oberfläche des Heizleiters angebrachten Temperatursensors ermittelt, wobei Heizleiter und Temperatursensor elektrisch voneinander isoliert sein sollten, beispielsweise durch eine Abdeck- und Isolationsschicht. Dies ermöglicht eine direkte und besonders zuverlässige Bestimmung der Temperatur des Heizleiters.According to one embodiment, the temperature of the heating element is determined by means of a mounted on a surface of the heating element temperature sensor, wherein heating element and temperature sensor should be electrically isolated from each other, for example by a cover and insulation layer. This allows a direct and very reliable determination of the temperature of the heating element.
Gemäß einer alternativen Ausführung wird die Temperatur der Heizleiter thermografisch ermittelt. Dies erlaubt die Verwendung einer Vorrichtung zur thermografischen Temperaturermittlung, welche mit Abstand vom Heizleiter angebracht werden kann. Damit kann eine elektrische Kontaktierung eines auf dem Heizleiter aufgebrachten Elements vermieden werden, beispielsweise des vorgenannten Temperatursensors samt vorgenannter Abdeckschicht. So kann beispielsweise in einem Versuch eine Referenzmessung erfolgen, welche dann später anhand bestimmter sonstiger Faktoren oder Messwerte, die bei bestimmten gemessenen Temperaturen vorliegen, zur Bestimmung der Temperatur verwendet werden kann.According to an alternative embodiment, the temperature of the heating element is determined thermographically. This allows the use of a device for thermographic temperature determination, which can be mounted at a distance from the heat conductor. Thus, an electrical contacting of an applied on the heating element element can be avoided, for example, the aforementioned temperature sensor, including the aforementioned cover layer. Thus, for example, in one experiment, a reference measurement can be carried out, which can then later be used to determine the temperature based on certain other factors or measured values which are present at certain measured temperatures.
Gemäß einer nochmals alternativen Ausführung wird die Temperatur der Heizleiter durch Messung eines Momentanwiderstands des Heizleiters unter Verwendung einer bekannten Abhängigkeit zwischen Momentanwiderstand und Temperatur ermittelt. Dies vermeidet, dass zusätzliche Komponenten vorgesehen werden müssen, da der Momentanwiderstand aus den im Regelfall ohnehin ermittelten und somit bekannten Größen Spannung und Strom berechnet werden kann. Die Abhängigkeit zwischen Momentanwiderstand und Temperatur ist bei typischen Heizleitern in Form von Widerstandskennlinien bekannt.According to yet another alternative embodiment, the temperature of the heating conductors is determined by measuring a momentary resistance of the heating conductor using a known relationship between torque resistance and temperature. This avoids that additional components must be provided, since the torque resistance can be calculated from the normally determined and thus known quantities voltage and current. The dependence between torque resistance and temperature is known in the form of resistance characteristic curves in typical heat conductors.
Gemäß einer nochmals alternativen Ausführung wird die Temperatur der Heizleiter aus anliegender Spannung, Stromaufnahme und Temperaturkoeffizient des Widerstands des Heizleiters sowie dem Nennwiderstand des Heizleiters ermittelt. Diese Ausführung kann insbesondere dann angewendet werden, wenn der Heizleiter eine lineare Widerstands-Temperatur-Kennlinie aufweist. Auf die Verwendung komplett abgespeicherter Kennlinien kann dabei verzichtet werden.According to yet another alternative embodiment, the temperature of the heating conductor of applied voltage, current consumption and temperature coefficient of the resistance of the heating element and the Nominal resistance of the heating conductor determined. This embodiment can be used in particular when the heating conductor has a linear resistance-temperature characteristic. The use of completely stored characteristics can be dispensed with.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist das Medium eben Wasser. Gemäß einer anderen Ausführung ist das Medium ein Gemisch aus Wasser und anderen Flüssigkeiten. Gemäß noch einer weiteren Ausführung ist in dem Wasser oder dem Gemisch aus Wasser und anderen Flüssigkeiten auch Luft enthalten.According to an advantageous embodiment, the medium is just water. According to another embodiment, the medium is a mixture of water and other liquids. According to yet another embodiment, air is also contained in the water or mixture of water and other liquids.
Prinzipiell ist das Verfahren auch für gasförmige Medien, beispielsweise bei der Beheizung von Luft, anwendbar, wo Heizelemente verstauben/verschmutzen können oder wo der erforderliche Abtransport der Wärme durch einen Lüfter/Ventilator nicht ordnungsgemäß funktionieren kann.In principle, the method is also applicable to gaseous media, for example in the heating of air, where heating elements can dust / pollute or where the required removal of heat by a fan / fan can not work properly.
Gemäß einer Ausführung wird eine Art oder eine Zusammensetzung des Mediums als Eigenschaft ermittelt. Diese Ausführung basiert auf der Erkenntnis des Erfinders, dass der Wärmewiderstand typischerweise von Art oder Zusammensetzung des Mediums abhängt. Dies erlaubt beispielsweise eine zügige Erkennung einer sich verändernden Zusammensetzung des Mediums, was insbesondere dann problematisch sein kann, wenn die Veränderung ungewollt erfolgt, also beispielsweise aufgrund einer Fehlfunktion vorgeschalteter Anlagen. Beispielsweise kann auf diese Weise erkannt werden, wenn statt des gewünschten Wassers ein Gemisch aus Wasser und zusätzlich anderen Flüssigkeiten durch die Heizvorrichtung fließt.According to one embodiment, a type or a composition of the medium is determined as a property. This embodiment is based on the inventor's finding that the thermal resistance typically depends on the type or composition of the medium. This allows, for example, a rapid detection of a changing composition of the medium, which can be particularly problematic if the change takes place unintentionally, so for example due to a malfunction of upstream equipment. For example, can be detected in this way, when instead of the desired water, a mixture of water and additionally other liquids flows through the heater.
Gemäß einer Ausführung wird das Vorhandensein oder Fehlen des Mediums als Eigenschaft ermittelt. Wie der Erfinder der vorliegenden Anmeldung erkannt hat, wirkt sich auch ein Fehlen des Mediums umgehend und sofort auf den Wärmewiderstand aus, wodurch es schnell und zuverlässig erkannt werden kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird die Heizvorrichtung bzw. der Heizleiter abgeschaltet, wenn ein Fehlen des Mediums ermittelt wird. Damit kann eine Beschädigung vermieden werden.According to one embodiment, the presence or absence of the medium is determined as a property. As the inventor of the present application has recognized, even a lack of the medium immediately and immediately affects the thermal resistance, whereby it can be detected quickly and reliably. According to a preferred embodiment, the heating device or the heating conductor is switched off when a lack of the medium is determined. This can be avoided damage.
Gemäß einer Ausführung wird das erfindungsgemäße Verfahren mehrfach wiederholt zeitlich hintereinander ausgeführt, wobei eine Verkalkung der Heizvorrichtung oder des Trägers der Heizleiter als Eigenschaft anhand eines zeitlichen Verlaufs des Wärmewiderstands ermittelt wird. Eine solche Verkalkung kann insbesondere durch einen kontinuierlichen Anstieg des Wärmewiderstands ermittelt werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine Verkalkung erkannt werden kann, wenn der Anstieg eine zeitliche Änderung innerhalb eines bestimmten Bereichs aufweist. Beispielsweise kann eine Ermittlung einer Verkalkung an einen Benutzer angezeigt werden, um ihn zum Austauschen oder Entkalken der Heizvorrichtung aufzufordern.According to one embodiment, the method according to the invention is repeated several times in succession, wherein a calcification of the heating device or of the carrier of the heating conductors is determined as a property on the basis of a time characteristic of the thermal resistance. Such a calcification can be determined in particular by a continuous increase in the thermal resistance. In particular, it can be provided that a calcification can be detected if the increase has a temporal change within a certain range. For example, a determination of calcification may be displayed to a user to prompt him to replace or descal the heater.
Gemäß der Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren nacheinander mittels zumindest zwei unterschiedlichen Heizleitern durchgeführt, wobei eine Anzahl von Eigenschaften der Heizleiter anhand der jeweils ermittelten Wärmewiderstände verglichen wird. Beispielsweise können dabei unterschiedliche Aufheizraten von verschiedenen Heizleitern ermittelt und verglichen werden. Eine Aufheizrate kann beispielsweise mittels Messungen zu einem ersten Zeitpunkt t1 und einem zweiten Zeitpunkt t2 folgendermaßen berechnet werden:
Dabei bedeuten:
- TM2:
- Temperatur des Mediums zum Zeitpunkt t2,
- TM1:
- Temperatur des Mediums zum Zeitpunkt t1,
- P:
- Leistungsaufnahme (siehe die Formel weiter unten).
- T M2 :
- Temperature of the medium at time t 2 ,
- T M1 :
- Temperature of the medium at time t 1 ,
- P:
- Power consumption (see the formula below).
Es sei jedoch verstanden, dass auch andere Eigenschaften auf diese Weise verglichen werden können.It should be understood, however, that other properties may be compared in this manner.
Insbesondere kann die eben beschriebene Ausführung, mittels welcher zwei unterschiedliche Heizleiter verglichen werden, mit Heizleitern unterschiedlicher Nennleistung durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine Beurteilung des Einflusses unterschiedlicher Nennleistungen.In particular, the embodiment just described, by means of which two different heating conductors are compared, be performed with heating conductors of different rated power. This allows an assessment of the influence of different power ratings.
Gemäß jeweiligen Ausführungen sind die Heizleiter Schichtheizleiter, insbesondere Dickschichtheizleiter, und Bestandteil eines Schichtheizelements oder eines Metallkernheizelements. Derartige Ausführungen haben sich für zahlreiche Heizvorrichtungen als vorteilhaft erwiesen.According to respective embodiments, the heating conductors are Schichtheizleiter, in particular Dickschichtheizleiter, and part of a Schichtheizelements or a Metallkernheizelements. Such designs have proven to be advantageous for many heaters.
Die Heizvorrichtung ist gemäß jeweiligen Ausführungen in eine Motorheizpumpe integriert oder in einen Dampfgenerator integriert. In solchen Motorheizpumpen oder Dampfgeneratoren werden häufig Heizvorrichtungen verwendet, mit welchen das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft ausgeführt werden kann. Besonders vorteilhaft befindet sich dabei das Heizelement außen an einem rohrartigen Gehäuse, das den wesentlichen Teil einer Pumpenkammer bilden kann, vor allem deren Mantelwand.The heater is integrated according to respective versions in a Motorheizpumpe or integrated into a steam generator. In such engine heat pumps or steam generators heaters are often used with which the inventive method can be carried out advantageously. The heating element is particularly advantageously located on the outside of a tubular housing, which can form the essential part of a pump chamber, especially its jacket wall.
Das Verfahren wird bevorzugt in einer elektronischen Steuerungseinrichtung der Heizvorrichtung ausgeführt. Insbesondere wird es typischerweise automatisiert ausgeführt. Die elektronische Steuerungsvorrichtung kann beispielsweise Prozessormittel und Speichermittel aufweisen, wobei in den Speichermitteln Programmcode gespeichert ist, bei dessen Ausführung die Prozessormittel das erfindungsgemäße Verfahren ausführen. Bei einer solchen elektronischen Steuerungseinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Microcontroller, einen Microcomputer, einen frei programmierbaren Computer, eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPSS) oder einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) handeln.The method is preferably carried out in an electronic control device of the heating device. In particular it will typically automated. The electronic control device may comprise, for example, processor means and memory means, wherein program code is stored in the memory means, in the execution of which the processor means carry out the method according to the invention. Such an electronic control device may be, for example, a microcontroller, a microcomputer, a freely programmable computer, a programmable logic controller (SPSS) or an application-specific integrated circuit (ASIC).
Die Erfindung erlaubt beispielsweise eine quantitative Bewertung des Wärmetransfers von einem Heizleiter zum zu beheizenden Medium, wobei es sich bei dem Heizleiter beispielsweise um einen Bestandteil eines Dickschichtheizsystems in einer Motorheizpumpe handeln kann. Sie kann insbesondere in Sicherheitskonzepte für den Betrieb von Schichtheizelementen verwendet werden, beispielsweise in Haushaltsgeräten wie in Motorheizpumpen von Geschirrspülern.The invention allows, for example, a quantitative assessment of the heat transfer from a heating element to the medium to be heated, wherein it may be, for example, a part of a thick-film heating system in a Motorheizpumpe in the heating element. It can be used in particular in safety concepts for the operation of Schichtheizelementen, for example in household appliances such as in Motorheizpumpen of dishwashers.
Die Erfindung erlaubt auch eine Auswertung und Verknüpfung der Mediumtemperatur und der Heizleitertemperatur sowie der Leistungsaufnahme von Schichtheizelementen und daraus abgeleiteter physikalischer Größen. Die Heizleitertemperatur und die Leistungsaufnahme von Schichtheizelementen können beispielsweise in Bezug auf die Mediumtemperatur betrachtet werden. Es können auch Aufheizraten oder thermische Größen wie Temperaturdifferenzen zwischen Heizleiter und Medium betrachtet werden oder ein Wärmewiderstand, insbesondere ein Gesamt-Wärmewiderstand zwischen Heizleiter und Medium.The invention also allows an evaluation and linkage of the medium temperature and the Heizleitertemperatur and the power consumption of Schichtheizelementen and derived physical quantities. The Heizleiterertemperatur and the power consumption of Schichtheizelementen can be considered, for example, in relation to the medium temperature. It is also possible to consider heating rates or thermal parameters such as temperature differences between the heating conductor and the medium or a thermal resistance, in particular an overall thermal resistance between the heating conductor and the medium.
Die Erfindung ermöglicht insbesondere einen Betrieb in Echtzeit. Die Leistungsaufnahme der Heizleiter, weiter oben beispielsweise auch als Momentanleistung bezeichnet, liegt typischerweise ohne zeitliche Verzögerung vor. Dies ermöglicht ein wesentlich schnelleres Ansprechen auf kritische Zustände als bei diversen Ausführungen gemäß dem Stand der Technik.In particular, the invention enables real-time operation. The power consumption of the heating conductors, referred to above, for example, as instantaneous power, is typically present without a time delay. This allows a much faster response to critical conditions than in various embodiments according to the prior art.
Es sei erwähnt, dass die Temperaturdifferenz zwischen Heizleiter und Medium auch als Übertemperatur des Heizleiters über das Medium bezeichnet werden kann. Sie kann beispielsweise ein Maß für den Wärmetransfer vom Heizleiter durch ein Substratmaterial hin zum zu beheizenden Medium sein.It should be noted that the temperature difference between the heating conductor and the medium can also be referred to as the excess temperature of the heating conductor via the medium. For example, it may be a measure of the heat transfer from the heating conductor through a substrate material to the medium to be heated.
Die Temperaturdifferenz zwischen Heizleiter und Medium kann beispielsweise durch Anlagerungen aus dem Medium bzw. Wasser, insbesondere Verkalken, an die Mediumkontaktfläche eines Schichtheizelements wie zum Beispiel an einem Metallkernheizelement beeinflusst werden. Eine steigende Temperaturdifferenz bei ansonsten gleichen Betriebsbedingungen kann somit ein Maß für wachsende Anlagerungen über die Betriebsdauer eines Metallkernheizelements sein.The temperature difference between the heating conductor and the medium can be influenced, for example, by deposits from the medium or water, in particular calcare, on the medium contact surface of a layer heating element, for example on a metal core heating element. An increasing temperature difference under otherwise identical operating conditions can thus be a measure of increasing deposits over the service life of a metal core heating element.
Die Temperaturdifferenz zwischen Heizleiter und Medium kann für Keramikheizelemente, die das Medium indirekt beheizen, ein Maß für den Wärmetransfer vom Heizleiter durch ein Substratmaterial und einen Wärmeübertragungsaufbau, zum Beispiel Wärmeleitkleber und metallischer Träger oder Kühlkörper, bis hin zum zu beheizenden Medium sein.The temperature difference between the heating conductor and the medium can be a measure of the heat transfer from the heating conductor through a substrate material and a heat transfer structure, for example thermal adhesive and metallic support or heat sink, up to the medium to be heated for ceramic heating elements that indirectly heat the medium.
Die physikalische Größe des thermischen Widerstands, auch als Wärmewiderstand bezeichnet, kann zur gesamtheitlichen Beschreibung von Wärmetransport- und -übertragungsvorgängen betrachtet werden, um auch in Echtzeit den Einfluss veränderlicher Leistungsaufnahmen des Schichtheizelements, zum Beispiel durch schwankende Netzspannungen, auf die Temperaturdifferenz zwischen Heizleiter und Medium zu berücksichtigen. Sie kann auch verwendet werden, um Schichtheizelemente verschiedener Nennleistungen in einer Anwendung miteinander zu vergleichen. Außerdem kann sie verwendet werden, um Schichtheizelemente und Beheizungsanordnungen in unterschiedlichen Anwendungen, zum Beispiel bei der Beheizung unterschiedlicher Medien, zu vergleichen.The physical magnitude of the thermal resistance, also referred to as thermal resistance, can be considered as an overall description of heat transport and transmission processes to also in real time the influence of variable power consumption of the Schichtheizelements, for example by fluctuating mains voltages, on the temperature difference between the heating conductor and medium consider. It can also be used to compare layer heaters of different ratings in one application. In addition, it can be used to compare layer heating elements and heating arrangements in different applications, for example in the heating of different media.
In Analogie zum elektrischen Widerstand kann der Wärmewiderstand bestimmt werden als Quotient aus der entstehenden Temperaturdifferenz zwischen Heizleiter und Medium beim Durchgang eines Wärmestroms Φth durch eine Beheizungsanordnung und den Wärmestrom Φth. Bei Vernachlässigung von Wärmeverlusten entspricht der Wärmestrom Φth, welcher auch als thermische Leistung bezeichnet werden kann, in Watt der elektrischen Leistungsaufnahme eines Schichtheizelements P in Watt. Formelmäßig kann der Wärmewiderstand Rth folgendermaßen angegeben werden:
Dabei bedeuten:
- Rth:
- Wärmewiderstand,
- ΔT:
- Temperaturdifferenz,
- THL:
- Temperatur des Heizleiters,
- TM:
- Temperatur des Mediums,
- Φth:
- Wärmestrom,
- P:
- Leistungsaufnahme.
- R th :
- Thermal Resistance
- .DELTA.T:
- Temperature difference,
- T HL :
- Temperature of the heating conductor,
- T M :
- Temperature of the medium,
- Φ th:
- Heat flow,
- P:
- Power consumption.
Die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Temperatur des Heizleiters und der Temperatur des Mediums sowie der thermische Widerstand Rth lassen bei ansonsten gleichen Betriebsbedingungen auch in Echtzeit Rückschlüsse auf wichtige Mediumcharakteristika wie zum Beispiel Mediumart, Mischungsverhältnisse oder Ähnliches zu. Beispielsweise kann ein solches Mischungsverhältnis das Verhältnis von Wasser zu anderen Materialien oder anderen Medien als Wasser angeben. Dies gilt insbesondere dann, wenn diese Mediumcharakteristika die thermischen Eigenschaften des Mediums Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität oder andere beeinflussen. Gleichzeitig werden die Temperaturdifferenz ΔT zwischen Heizleiter und Medium und der thermische Widerstand Rth vom Wärmeübergang von einer mediumseitigen Oberfläche der Heizvorrichtung oder des Heizelements zum Medium bzw. Fluid beeinflusst, wobei Wärmeübergangskoeffizienten, Strömungsverhältnisse und Wärmetransport durch freie oder erzwungene Konvektion eine Rolle spielen können.The temperature difference .DELTA.T between the temperature of the heating conductor and the temperature of the medium and the thermal resistance R th can be used under otherwise identical operating conditions in real time conclusions on important medium characteristics such as type of medium, Mixing ratios or the like. For example, such a mixing ratio may indicate the ratio of water to other materials or media other than water. This is especially true when these medium characteristics affect the thermal properties of the medium heat conductivity, heat capacity or others. At the same time, the temperature difference ΔT between the heating conductor and the medium and the thermal resistance R th are influenced by the heat transfer from a medium-side surface of the heating device or the heating element to the medium or fluid, wherein heat transfer coefficients, flow conditions and heat transport by free or forced convection can play a role.
Auch das Vorhandensein des zu beheizenden Mediums bzw. im Fehlerfall fehlenden Mediums lassen sich in Echtzeit erkennen, wodurch kritische Betriebszustände wie Trockengehen oder Trockenlaufen eines Schichtheizelements erkannt werden können.The presence of the medium to be heated or missing medium in the event of a fault can be detected in real time, whereby critical operating conditions such as dry running or dry running of a Schichtheizelements can be detected.
Aus weiter oben bereits erwähnten, häufig bereits vorhandenen Messwerten von Sensoren wie Temperaturfühlern, Stromfühlern oder Spannungsmessern können mit vorhandenen Recheneinheiten wie zum Beispiel Microcontrollern zur Programmsteuerung und -überwachung und mit Speichereinheiten in Geräten in Echtzeit weitergehende, quasinormierte Informationen zum Betriebszustand des Heizelements gewonnen werden, wenn Heizleitertemperaturen auf die jeweilige Mediumtemperatur bezogen werden oder wenn Temperaturdifferenzen zwischen Heizleitertemperatur und Mediumtemperatur auf die jeweilige Leistungsaufnahme bezogen werden. Die in Echtzeit ermittelten normierten Kennwerte des Betriebszustands können für Gerätesteuerungen, besonders auch für die Sicherheitsfunktionen, benutzt werden. Sich verändernde Bedingungen des Wärmetransfers vom Schichtheizelement zum Medium, zum Beispiel infolge von Anlagerungen, können in Echtzeit erkannt und quantitativ bewertet werden.From previously mentioned, often already existing measured values of sensors such as temperature sensors, current sensors or voltage meters can be obtained with existing processing units such as microcontrollers for program control and monitoring and storage units in devices in real-time, quasi-standardized information on the operating state of the heating element, if Heizleiterertemperaturen be related to the respective medium temperature or if temperature differences between Heizleiterertemperatur and medium temperature based on the respective power consumption. The normalized characteristic values of the operating state determined in real time can be used for device control, especially for the safety functions. Changing conditions of heat transfer from the layer heater to the medium, for example as a result of deposits, can be detected and quantified in real time.
Schichtheizelemente zeichnen sich typischerweise durch geringe thermische Massen, geringe thermische Trägheit und eine hohe Dynamik im Betriebsverhalten aus. Eine dauerhafte Überwachung in Echtzeit ist für einen bestimmungsgemäßen sicheren Betrieb in vielen Fällen erforderlich, um Überhitzungen, Ausfälle oder gar Folgeschäden zu verhindern. Dies kann mit der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise erfolgen.Layer heating elements are typically characterized by low thermal mass, low thermal inertia and high dynamics in the operating behavior. Permanent monitoring in real time is often required for proper safe operation in order to prevent overheating, failure or even consequential damage. This can be done with the present invention in an advantageous manner.
Des Weiteren erlaubt die Erfindung, Beheizungsbedingungen für Medien mit temperaturabhängigen Eigenschaften, zum Beispiel Gemische von Wasser mit anderen Materialien, besser zu bewerten.Furthermore, the invention allows to better evaluate heating conditions for media having temperature dependent properties, for example mixtures of water with other materials.
Die Erfindung kann beispielsweise derart ausgeführt werden, dass Sollparameter in normalen Betriebszuständen bei einer Erstinbetriebnahme in einer Applikation aufgezeichnet werden. Beispielsweise kann dabei ein Heizleiterwiderstand im nicht beheizten Zustand gemeinsam mit der gemessenen Medientemperatur aufgezeichnet werden. Anschließend kann beispielsweise eine zunehmende Behinderung des Wärmetransfers durch eine Erhöhung des Wärmewiderstands infolge von Anlagerungen oder Verkalkung erkannt werden. Dies gilt insbesondere bei unveränderter Durchflussrate des Fluids.The invention can be carried out, for example, in such a way that setpoint parameters are recorded in normal operating states during an initial startup in an application. For example, a Heizleiterwiderstand can be recorded in the unheated state together with the measured media temperature. Subsequently, for example, an increasing hindrance of the heat transfer can be detected by an increase in the thermal resistance due to deposits or calcification. This is especially true with unchanged flow rate of the fluid.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.These and other features will become apparent from the claims but also from the description and drawings, wherein the individual features each alone or more in the form of sub-combinations in an embodiment of the invention and in other fields be realized and advantageous and protectable Represent embodiments for which protection is claimed here. The subdivision of the application into individual sections as well as intermediate headings does not restrict the general validity of the statements made thereunder.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Weitere Vorteile und Merkmale wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmen. Dabei zeigt die
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS
Zum Erwärmen des Mediums
Die Heizvorrichtung
Die elektronische Steuerungseinrichtung
Die elektronische Steuerungseinrichtung
Anschließend ermittelt die elektronische Steuerungseinrichtung
Der Wärmewiderstand ist grundsätzlich abhängig von der Zusammensetzung des Mediums
Sollte sich der Wärmewiderstand innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums erheblich ändern, beispielsweise innerhalb 10 sec oder 20 sec, deutet dies auf ein Fehlen des Mediums
Sollte sich der Wärmewiderstand im zeitlichen Verlauf kontinuierlich langsam erhöhen, beispielsweise im Bereich von 10 oder 20 bis 30 Betriebsstunden, so deutet dies auf eine Verkalkung oder eine Anlagerung anderer Substanzen an die Heizvorrichtung
Es sei erwähnt, dass die beschriebene Heizvorrichtung
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