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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Regelung eines Brenngas-Luftgemisches für einen Verbrennungsprozess in einem Heizgerät, insbesondere einem Brennraum in einem Heizgerät zur Warmwasserbereitung oder Beheizung eines Gebäudes. Zur Messung einer Qualität der Verbrennung, die hauptsächlich von dem während der Verbrennung vorliegenden Verhältnis von Luft zu Brenngas (Lambda-Wert, auch Luftzahl genannt) abhängt, wird insbesondere bei vielen Heizgeräten eine Ionisationsmessung in einem Flammenbereich durchgeführt. Solche Messungen sollen eine stabile Regelung über lange Zeiträume ermöglichen, weshalb es erforderlich sein kann, langsame Veränderungen am Messsystem zu erkennen und eine Nachkalibrierung vorzunehmen.
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Nach dem Stand der Technik wird mittels einer Ionisationselektrode der jeweilige Ist-Wert der Ionisation im Flammenbereich ermittelt, der proportional dem gerade vorliegenden Lambda-Wert ist, so dass dieser aus der Ionisationsmessung abgeleitet werden kann. Über eine Kalibrierung kann so der Lambda-Wert gemessen und mittels eines Regelkreises auf einen Sollwert geregelt werden. Dabei wird die Zufuhr von Luft und/oder Brenngas durch geeignete Stellglieder verändert, bis der gewünschte Sollwert für Lambda erreicht ist. Im Allgemeinen wird ein Lambda-Wert > 1 (1 entspricht einem stöchiometrischen Verhältnis) angestrebt, z. B. Lambda = 1,3, um sicherzustellen, dass genug Luft für eine saubere Verbrennung im Wesentlichen ohne Erzeugung von Kohlenmonoxid zugeführt wird. Dabei muss Lambda aber so klein bleiben, dass eine stabile Verbrennung gewährleistet ist. Die Regelung kann insbesondere über ein Ventil für die Zufuhr von Brenngas und/oder ein Gebläse für die Zufuhr von Umgebungsluft erfolgen.
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Der grundsätzliche Aufbau solcher Heizgeräte, von Messystemen zur Ionisationsmessung und zu deren Benutzung zur Regelung sind beispielsweise aus der
EP 0 770 824 B1 und der
EP 2 466 204 B1 bekannt. Dort ist auch beschrieben, dass sich die Regelgenauigkeit im Laufe der Zeit verändern durch verschiedene Einflüsse kann, insbesondere auf den Zustand der Ionisationselektrode. Verschiedene Verfahren zu einer Nachkalibrierung bei Bedarf sind angegeben, die aber alle einen relativ hohen Aufwand erfordern und/oder vor allem den Nachteil haben können, dass bei der Nachkalibrierung das Heizgerät zeitweise bei Lambda-Werten von 1 oder sogar darunter betrieben werden muss, was zu einer vorübergehenden Erzeugung von unerwünschtem Kohlenmonoxid führen kann.
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Aus der
EP 2 014 985 B1 ist auch schon eine Regelung bekannt, die betrieben und kalibriert werden kann, ohne die Verbrennung in einen Bereich nahe Lambda = 1 zu verlegen, so dass auch bei einer Kalibrierung wenig Kohlenmonoxid entsteht. Allerdings ist es damit nicht immer möglich, einen optimalen Lambda-Wert einzuhalten.
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Hier will die vorliegende Erfindung Abhilfe schaffen, um eine schnelle mit geringem zusätzlichem apparativem Aufwand durchführbare Methode zur Nachkalibrierung einer vorhandenen Regelung bzw. eine Korrektur einer dieser Regelung zu Grunde liegenden Kalibrierkurve zu ermöglichen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren, eine Vorrichtung sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
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Das Verfahren betrifft eine Nachkalibrierung eines ersten Messsystems zur Messung eines ersten Ionenstromes in einem Flammenbereich eines Heizgeräts, wobei das erste Messsystem eine von einer Ionisationselektrode zu einer Gegenelektrode durch den Flammenbereich fließenden ersten Ionenstrom misst und daraus die Qualität einer Verbrennung in dem Brennraum bestimmt und regelt, wobei das erste Messsystem nach vorgebbaren Kriterien und/oder in vorgebbaren Zeitabständen nachkalibriert wird und wobei die Nachkalibrierung mittels einer in dem Brennraum zur Zündung der Verbrennung vorhandenen Zündelektrode erfolgt, die vorübergehend zur Erzeugung eines zweiten Ionenstromes betrieben wird.
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Die Erfindung macht sich zu Nutze, dass die Zündelektrode bei Heizgeräten nach dem Stand der Technik nur kurzzeitig beim Start der Verbrennung gebraucht wird und daher im späteren Betrieb für andere Aufgaben eingesetzt werden kann. Grundsätzlich eignet sich die Zündelektrode aber auch zur Erzeugung eines zweiten Ionisationsstromes, der zur Nachkalibrierung der Kalibrierkurve der eigentlichen Regelung eingesetzt werden kann. Dies erlaubt es, von Zeit zu Zeit eine Korrektur des ersten Ionenstromes anhand eines Vergleiches mit dem zweiten Ionenstrom durchzuführen, ggf. unter Hinzunahme von (gespeicherten) Erfahrungswerten für beide Ionenströme und deren zeitliche Veränderungen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Zündelektrode in einem zweiten Messsystem zur Messung des zweiten Ionenstroms betrieben. Auf diese Weise können nicht nur Veränderungen der Ionisationselektrode selbst, sondern auch Änderungen in deren Elektronik, insbesondere eine Langzeitdrift erkannt und korrigiert werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Verbrennung in dem Brennraum in mindestens einen vom ersten Messsystem vorgebbaren konstanten Zustand der Verbrennung gebracht und dann unter Beibehaltung dieses Zustandes das zweite Messsystem eingeschaltet und der zweite Ionenstrom in diesem Zustand und/oder bei einer Veränderung dieses Zustandes gemessen. So erhält man für den gleichen Zustand zwei Messwerte, die miteinander verglichen werden können. Wenn der zweite Ionenstrom den zuverlässigeren Messwert liefert, kann der aus dem ersten Ionenstrom errechnete Messwert für zukünftige Messungen mit einer entsprechenden Korrektur versehen werden. Zumindest aber können Abweichungen der beiden Messungen festgestellt und daraus Maßnahmen abgeleitet werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verbrennung nacheinander vom ersten Messsystem in mehrere unterschiedliche konstante Zustände gebracht und in jedem dieser Zustände das zweite Messsystem eingeschaltet, der zweite Ionenstrom in diesem Zustand und/oder bei einer Veränderung dieses Zustandes gemessen und eine eventuelle Abweichung vom ersten Ionenstrom festgestellt wird. So lässt sich mit einer geeigneten Genauigkeit, die von der Zahl und den Abständen der Zustände (den sogenannten Stützstellen) abhängt, die Kurve für die Abhängigkeit der Luftzahl vom ersten Ionenstrom, also die Kalibrierkurve des ersten Messsystems überprüfen und bei Bedarf komplett korrigieren.
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In einer bevorzugten Ausbildung sind die unterschiedlichen konstanten Zustände verschiedene Laststufen des Heizgeräts, die durch unterschiedliche konstante Drehzahlen eines Gebläses und/oder unterschiedliche Mengen an zugeführtem Brenngas pro Zeiteinheit durch unterschiedliche konstante Einstellungen eines Brenngasventils bestimmt sind.
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In Kombination mit unterschiedlichen Laststufen kann ein ganzes Kennfeld des ersten Messsystems auf diese Weise nachkalibriert werden, wobei in dem ersten und in dem zweiten Messsystem Kalibrierdaten für die Relation von Ionenstrom zu dem Verhältnis von Verbrennungsluft zu Brenngas bei verschiedenen Lastzuständen gespeichert werden und bei jeder Nachkalibrierung ein Vergleich zwischen von beiden Messsystemen ermittelten Messwerten erfolgt, wobei das erste Messsystem bei Abweichungen mit den Daten des zweiten Messsystems nachkalibriert wird.
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Weiter wird eine Vorrichtung, insbesondere eingerichtet zur Durchführung des hier vorgeschlagenen Verfahrens, vorgeschlagen, welche einem Brennraum hat, der eine Luftzufuhr und eine Brenngaszufuhr aufweist, die von einer Regeleinheit geregelt werden. Weiter ist ein erstes Messsystem vorgesehen, umfassend eine Ionisationselektrode, eine Gegenelektrode, eine erste Wechselstromquelle und eine erste Auswertelektronik zur Ermittlung eines ersten Ionenstromes, der der Regeleinheit zuführbar ist. Zudem ist ein zweites Messsystem zur Messung eines zweiten Ionenstromes vorhanden, welcher zwischen einer zur Zündung einer Verbrennung vorhandenen Zündelektrode und der Gegenelektrode vom zweiten Messsystem erzeugbar ist.
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Im einfachsten Fall können die Wechselstromquelle und die Auswerteelektronik einfach mittels eines Umschalters von der Ionisationselektrode kurzzeitig auf die Zündelektrode umgeschaltet werden, bis ein Messwert für einen Ionisationsstrom durch die Zündelektrode ermittelt ist. Auf diese Weise lassen sich Zustandsänderungen der Ionisationselektrode, z. B. Veränderungen durch Oxidation, Korrosion oder Formänderung, kompensieren, nicht jedoch Änderungen in der Elektronik.
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Bevorzugt ist das zweite Messsystem unabhängig zu dem ersten Messsystem aufgebaut, nämlich indem es keine gemeinsamen Teile außer der Gegenelektrode mit diesem aufweist. Das erlaubt es zumindest in gewissen Grenzen, Fehler auch in der Elektronik des ersten Messsystems zu erkennen und zu korrigieren.
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Besonders bevorzugt ist jedoch das zweite Messsystem diversitär zu dem ersten Messsystem aufgebaut, nämlich indem es möglichst wenig oder keine gleichen Bauteile mit diesem aufweist. Durch Verwendung anderer elektronischer Bauteile und/oder eines anderen Aufbaus, können sogar systematische Fehle wie langsame Drift von Verstärkung, von Widerständen oder anderen Komponenten erkannt und ausgeglichen werden.
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In einer bevorzugten Ausbildung ist ein Vergleicher vorhanden ist, dem Messwerte des ersten und des zweiten Messsystems zuführbar sind, und eine Korrektureinheit dient zur Nachkalibrierung von Kalibrierdaten des ersten Messsystems bei Feststellung von Abweichungen der beiden Messwerte.
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Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Vorrichtung das hier vorgeschlagene Verfahren ausführt. Moderne Heizgeräte enthalten typischerweise eine elektronische Steuerung, die mindestens einen programmierbaren Mikroprozessor enthält, der durch ein solches Computerprogrammprodukt gesteuert werden kann.
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Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nun anhand der Zeichnung detailliert erläutert. Es stellen dar:
- 1: schematisch eine Vorrichtung,
- 2: ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs des ersten Ionenstromes bei einer bestimmten Luftzahl (Lambda) in Abhängigkeit von der Gebläsedrehzahl (normal und gedriftet),
- 3: ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Messvorganges mit dem zweiten Messsystem S2, und
- 4: ein Diagramm zur Veranschaulichung einer korrigierten Kalibrierkurve für das erste Messsystem S1.
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1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer hier vorgeschlagenen Vorrichtung. In einem Brennraum 1 zur Verbrennung eines Brenngases mit Luft bildet sich beim Betrieb ein Flammenbereich 2 aus. Luft gelangt über eine Luftzufuhr 3 und ein Gebläse 5 in den Brennraum 1. Brenngas wird der Luft über eine Brenngaszufuhr 4 und ein Brenngasventil 6 beigemischt. Eine Zündelektrode 7 zündet beim Start des Verbrennungsprozesses das Gemisch, wird danach aber bisher nicht mehr benötigt. Mittels einer Ionisationselektrode 8 wird ein erster im Flammenbereich 2 gemessen. Dazu dient ein erstes Messsystem S1, von dem die Ionisationselektrode 8 mit einem Wechselstrom aus einer ersten Wechselstromquelle beaufschlagt wird, wobei eine erste Auswerteelektronik 13 den entstehenden Ionenstrom misst und nach gespeicherten Kalibrierdaten (Regelkurve) in einen Lambda-Wert, also ein Mischungsverhältnis von Luft zu Brennstoff umrechnet. Mit diesem Wert als Ist-Wert kann eine Regeleinheit 17 das Gebläse 5 und/oder das Brenngasventil 6 so regeln, dass sich ein gewünschter Sollwert für Lambda einstellt. Die Regelkurve muss, um einen sicheren Langzeitbetrieb zu erreichen, in gewissen Abständen korrigiert werden, wobei die Abstände z. B. nach der Betriebsdauer des Brennraums 1 und anderen Parametern gewählt werden können. Dies liegt einerseits daran, dass sich die Ionisationselektrode 8 im Betrieb verändern kann, beispielsweise durch thermische Verbiegungen und/oder eine zunehmende Oxidschicht an der Oberfläche. Auch die Elektronik kann sich verändern, Leider ist es nur schwer möglich, eine absolute Kalibrierung nachträglich und automatisch mit vorhandenen Geräten durchzuführen, weshalb die vorliegende Erfindung als neuen Ansatz zur Nachkalibrierung die Verwendung der Zündelektrode 7 zur Erzeugung eines zweiten Ionenstroms nutzt. Dazu wird mittels einer Umschalteinheit 10 ein zweites Messsystem S2 in Betrieb gesetzt, welches eine zweite Wechselstromquelle 12 statt einer Zündelektronik auf die Zündelektrode 7 aufgeschaltet, wobei in einer zweiten Auswerteelektronik 13 ein zweiter Ionenstrom gemessen und ausgewertet wird, der ebenfalls einen Ist-Wert für Lambda liefert. Im Idealfall sind beide von den Messsystemen S1 und S2 gelieferten Ist-Werte gleich, so dass die Regelkurve im ersten Messystem S1 unverändert bleiben kann. Falls jedoch in einem Vergleicher 15 Abweichungen zwischen den beiden Messwerten festgestellt werden, wird mittels einer Korrektureinheit 16 ein Korrekturfaktor bestimmt, mit dem die Regelkurve korrigiert wird, so dass die Regeleinheit 17 die weitere Regelung anhand der korrigierten Regelkurve mit dem ersten Messsystem durchführen kann. Es wird davon ausgegangen, dass das zweite Messsystem S2 weniger stark von Alterung betroffen ist als das erste Messsystem S1, weshalb S1 auf den Ist-Wert von S2 hin korrigiert wird. Mittels Erfahrungswerten und/oder aus theoretischen Betrachtungen kann man diese Korrektur aber durch einen Dämpfungswert abschwächen, wenn nicht oder nicht sofort die gesamte errechnete Korrektur angewendet werden soll.
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2 zeigt in einem Diagramm wie der erste Ionisationsstrom (und in ähnlicher Form auch der zweite Ionisationsstrom) von der Drehzahl des Gebläses 5 abhängt. Die Drehzahl liegt typischerweise im Bereich zwischen 1000 und 10 000 Umdrehungen pro Minute [rpm] und man kann bestimmte Drehzahlen als Stützpunkte i1, i2, ... i10 für eine Überprüfung und Nachkalibrierung nutzen. Dabei zeigt die obere Kurve A die Abhängigkeit bei einer neuen Ionisationselektrode 8, während die untere Kurve B die Abhängigkeit für eine gebrauchte und schon etwas gealterte (z. B. oxidierte oder verbogene) Ionisationselektrode 8 veranschaulicht. Bei einer Umrechnung des Ionenstroms 11 in einen Lambda-Wert aus der Kalibrierkurve A, würde sich also bei einer gealterten Ionisationselektrode 8 ein falscher Ist-Wert ergeben, der zu einer suboptimalen Regelung führen würde.
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Ein typisches Vorgehen gemäß der Erfindung zur Nachkalibrierung der Regelkurve im ersten Messsystem sei im Folgenden beispielhaft beschrieben, allerdings ist die Erfindung nicht auf dieses spezielle Vorgehen beschränkt, da es viele Möglichkeiten gibt, die Zündelektrode 7 zur Nachkalibrierung einzusetzen. In dem hier gewählten Ausführungsbeispiel arbeitet das Heizgerät zunächst im Normalbetrieb bei einer bestimmten Zufuhr von Brenngas und einer zugehörigen Drehzahl des Gebläses 5, wobei mittels des ersten Messsystems S1 der Ionenstrom 11 auf einen für diesen Zustand als Soll-Wert vorgegebenen Wert von z. B. 100 µA [mikroAmpere] geregelt wird, indem die Drehzahl des Gebläses und/oder die Brennstoffzufuhr verstellt werden. Diese Art der Regelung bewirkt bei gültigen Kalibrierdaten (Kennfeld, Regelkurve), dass über einen großen Lastbereich ein gewünschter Lambda-Wert eingehalten wird.
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Ist jedoch eine bestimmte Zahl von Brennerbetriebsstunden überschritten oder hat ein neuer Brennerstart stattgefunden oder liegen sonstige Gründe vor, so kann eine Nachkalibrierung ausgelöst werden. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine einfache Regelkurve anhand von sogenannten Stützstellen i1, i2, ... i10 auf der x-Achse (Gebläsedrehzahl) korrigiert, so dass die Werte zwischen den Stützstellen i1, i2, ... i10 bei Bedarf durch Interpolation gewonnen werden können. Für einen Drehzahlbereich zwischen 1000 und 10000 rpm [Umdrehungen/Minute] reichen z. B. maximal 10 Stützstellen in geeigneten Abständen für eine hinreichend genaue Nachkalibrierung, es können aber natürlich mehr oder weniger verwendet werden. Für jede Stützstelle, hier als Beispiel bei 3000 rpm, wird zu einem geeigneten Zeitpunkt, beispielsweise wenn gerade eine Last in der entsprechenden Größenordnung gebraucht wird oder jedenfalls abgenommen werden kann, eine Nachkalibrierung durchgeführt. Dazu wird vom Normalbetrieb, in dem das Messsystem S1 zur Regelung eines konstanten Lambda-Wertes, z. B. Lambda = 1,3, benutzt wird und diesen für die betreffende Drehzahl auch gemäß der gültigen Kalibrierkurve exakt als Ist-Wert einregelt, auf das Verfahren zur Nachkalibrierung geschaltet, wenn eine Bedingung zur Nachkalibrierung erfüllt ist. In diesem Fall wird die Gaszufuhr für den ganzen Zeitraum der Nachkalibrierung konstant gehalten und zunächst auch die Gebläsedrehzahl. Dann wird vom ersten Messsystem S1 auf das zweite Messsystem S2 umgeschaltet. Dieses ermittelt zu Beginn der Nachkalibrierung einen durch die Zündelektrode 7 fließenden zweiten Ionenstrom 12 und dessen Relation zu dem vorher gemessenen ersten Ionenstrom I1, woraus sich das Verhältnis I2/I1 bestimmen lässt. Nun wird die Gebläsedrehzahl erhöht und kontinuierlich der Ionenstrom 12 und das Verhältnis I2/I1 (in %) bestimmt und aufgezeichnet.
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Es ergibt sich ein typischer Verlauf des Verhältnisses von I2/I1, der mit früher aufgezeichneten Verläufen verglichen werden kann. Man erhöht beispielsweise die Gebläsedrehzahl (bei einer Erhöhung besteht nicht das Risiko, unbeabsichtigt mehr Kohlenmonoxid zu erzeugen) bis das Verhältnis von I2/I1 sich um 5 Prozentpunkte erhöht hat und stellt fest, bei welcher Gebläsedrehzahl diese Erhöhung erreicht wird, wobei Anfangsdrehzahl (hier 3000 rpm) und Enddrehzahl (hier z. B. 4000 rpm) ins Verhältnis gesetzt (Ergebnis 0,75) und mit einem früher gespeicherten Referenzwert (z. B. 0,7) verglichen werden kann. Der Referenzwert im Verhältnis zum neu gemessenen Verhältnis liefert einen Korrekturfaktor (hier 0,7/0,75 = 0,93), mit dem der ursprüngliche Wert der Kalibrierkurve (100 µA) an dieser Stützstelle korrigiert werden muss, woraus sich der neue nachkalibrierte Wert der Kalibrierkurve ergibt (93,3 µA). Falls man eine einzige Nachkalibrierung nicht sofort vollständig auf eine Kalibrierkurve anwenden will, kann noch ein sogenannter Dämpfungsfaktor zwischen 0 und 1 vorgesehen werden. Jede Nachkalibrierung wirkt sich dann nur entsprechend geringer auf die Kalibrierkurve aus, wodurch nachteilige Auswirkungen von eventuellen Fehlern beim Nachkalibrieren eben auch gedämpft werden und sich erst im Laufe von mehreren Nachkalibrierungen eine richtige neue Kalibrierkurve ergibt.
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3 veranschaulicht, was bei dem Vorgang der Nachkalibrierung mittels des zweiten Messsystems S2 geschieht. In dem gezeigten Diagramm ist das Verhältnis I2/I1 in Prozent [%] auf der Y-Achse gegen die Gebläsedrehzahl auf der X-Achse aufgetragen.
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4 zeigt das Ergebnis der Nachkalibrierung für eine Stützstelle bei einer Gebläsedrehzahl von 3000 rpm. Durch die Nachkalibrierung an dieser Stützstelle wird der gewünschte konstante Lambda-Wert von 1,3 nicht mehr bei einem Ionenstrom von 100 µA erreicht, sondern schon bei einem Ionenstrom von 93,3 µA. Dieser Wert ist nach der Nachkalibrierung daher der neue Sollwert an dieser Stelle mit entsprechender Anpassung der Werte in der Umgebung dieser Gebläsedrehzahl. Bei einer Nachkalibrierung an mehreren Stützstellen ergibt sich eine neue Kalibrierkurve für den gewünschten Lambda-Wert, der der in 2 dargestellten Drift des Messsystems S1 Rechnung trägt.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt es, ohne Veränderungen an einem Heizgerät nur durch zusätzliche Elektronik eine zuverlässige Nachkalibrierung eines existierenden üblichen Regelsystems einzurichten, indem die Zündelektrode zeitweise auch zur Erzeugung eines Ionenstromes im Flammenbereich eingesetzt wird, mit dem eine eventuelle Langzeitdrift des existierenden Regelsystems in vorgebbaren Abständen korrigiert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizgerät
- 2
- Flammenbereich
- 3
- Luftzufuhr
- 4
- Brenngaszufuhr
- 5
- Gebläse
- 6
- Brenngasventil
- 7
- Zündelektrode
- 8
- Ionisationselektrode
- 9
- Brenner / Gegenelektrode
- 10
- Umschalteinheit
- 11
- erste Wechselstromquelle
- 12
- zweite Wechselstromquelle
- 13
- erste Auswerteelektronik
- 14
- zweite Auswerteelektronik
- 15
- Vergleicher
- 16
- Korrektureinheit
- 17
- Regeleinheit
- S1
- erstes Messsystem
- S2
- zweites Messsystem
- 11
- erster Ionenstrom
- 12
- zweiter Ionenstrom
- A
- Kalibrierkurve neue Ionisationselektrode
- B
- Kalibrierkurve gebrauchte Ionisationselektrode
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0770824 B1 [0003]
- EP 2466204 B1 [0003]
- EP 2014985 B1 [0004]
