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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung. Die Heizvorrichtung ist vorzugweise als Luftheizung und/oder als Erhitzer zum Erhitzen einer Flüssigkeit, z. B. Brauchwasser ausgestaltet.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, Pumpen für die Förderung von Brennstoffen in Heizvorrichtungen zu verwenden und die jeweiligen Stromsignale auszuwerten (siehe z. B. die
DE 10 2016 103 249 A1 ). So ist es beispielsweise bekannt, einen typischen S-förmigen Signalverlauf zu erwarten, der mit der Bewegung eines Ankers als Teil der Pumpenvorrichtung verbunden ist (siehe z. B. die
DE 197 30 594 C2 ). Ähnlich ist auch die Auswertung in Bezug darauf, ob eine Flüssigkeit oder Luft gefördert wird, siehe z. B. die
DE 10 2017 204 077 A1 . Somit ist es möglich, anhand des Stromsignals der Pumpenvorrichtung eine Aussage über das Funktionieren und insbesondere über Fehlerzustände der Pumpenvorrichtung zu ermitteln.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Heizvorrichtung vorzuschlagen, bei der Fehlerzustände der Pumpenvorrichtung möglichst sicher erkannt werden.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Heizvorrichtung zum Erwärmen von Luft und/oder zum Erhitzen einer Flüssigkeit, mit einer Brennervorrichtung, die durch Verbrennung eines Brennstoffluftgemischs thermische Energie erzeugt, mit einem Wärmetauscher, der die von der Brennervorrichtung erzeugte thermische Energie auf Luft und/oder die Flüssigkeit überträgt, und mit einer Überwachungsvorrichtung, wobei die Brennervorrichtung eine Pumpenvorrichtung zum Fördern eines Brennstoffs aufweist, wobei die Überwachungsvorrichtung die Pumpenvorrichtung überwacht, wobei die Pumpenvorrichtung einen Kolben und eine Magnetspule aufweist, wobei die Magnetspule den Kolben bewegt, wobei die Überwachungsvorrichtung ein von der Magnetspule abgreifbares Stromsignal auswertet, wobei die Überwachungsvorrichtung eine zeitliche Ableitung des Stromsignals oder eines vom Stromsignal abhängigen Signals bildet, wobei die Überwachungsvorrichtung ausgehend von der zeitlichen Ableitung oder mindestens einem einem Zeitfenster zugeordneten Abschnitt der zeitlichen Ableitung und ausgehend von mindestens einem Referenzwert ein Vergleichsergebnis erzeugt, und wobei die Überwachungsvorrichtung in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis einen Fehlerzustand der Pumpenvorrichtung signalisiert.
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Bei der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung wird das Stromsignal der Magnetspule ausgewertet, um eine Aussage über das Pumpenvorrichtung und insbesondere über das Vorliegen eines Fehlerzustands zu erhalten. Dafür wird von dem Stromsignal oder einem davon abhängigen Signal eine zeitliche Ableitung gebildet. Ausgehend von der zeitlichen Ableitung oder einem Abschnitt der Ableitung, der einem Zeitfenster zugeordnet ist, und ausgehend von mindestens einem Referenzwert wird ein Vergleichsergebnis generiert. Der Referenzwert ist dabei einem Fehlerbild bzw. einem fehlerfreien Verhalten zugeordnet. Der Vergleich zwischen der zeitlichen Ableitung (bzw. einem Abschnitt davon) und dem Referenzwert erlaubt es somit festzustellen, ob ein Fehler vorliegt oder nicht. Daher kann in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis ein Fehlerzustand der Pumpenvorrichtung signalisiert werden. Das Stromsignal ist dabei das Signal, das sich während der Beaufschlagung der Magnetspule mit einer elektrischen Spannung, also bei der Ansteuerung der Pumpenvorrichtung abgreifen lässt. Die Auswertung des Stromsignals erlaubt eine eindeutige Detektion von Fehlerzuständen und eine eindeutige Zuordnung zu den betroffenen Komponenten. Die Signalisierung erfolgt beispielsweise über zugeordnete Fehlercodes.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Überwachungsvorrichtung das Stromsignal mit einer vorgegebenen Abtastrate abtastet und ein Abtastsignal erzeugt und dass die Überwachungsvorrichtung die zeitliche Ableitung des Abtastsignals bildet. Das Abtastsignal ist somit ein Beispiel für ein vom Stromsignal abhängiges Signal. In einer Ausgestaltung wird das Stromsignal z. B. mit einer Frequenz größer als 1 kHz abgetastet und in einem Vektor gespeichert. Vorzugsweise erfolgt vor der Berechnung der numerischen Ableitung eine Signalfilterung.
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In einer Ausgestaltung erzeugt die Überwachungsvorrichtung das Vergleichsergebnis in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Toleranzbereich. In dieser Ausgestaltung wird somit festgestellt, ob eine Abweichung zwischen der zeitlichen Abweichung und dem Referenzwert außerhalb eines Toleranzbereichs liegt.
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Gemäß einer Ausgestaltung erzeugt die Überwachungsvorrichtung ausgehend von zwei Referenzwerten jeweils ein zugeordneten Vergleichsergebnis. In dieser Ausgestaltung werden zwei Referenzwerte herangezogen, um zwei unterschiedliche Fehlerzustände zu identifizieren.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Vergleichsergebnis davon abhängt, ob die Magnetspule den Kolben bewegt. Es wird somit der Fehlerzustand eines blockierten Kolbens erkannt. In einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung hängt das Vergleichsergebnis davon ab, ob die Pumpenvorrichtung den Brennstoff und/oder Luft fördert. Es wird somit ein Trockenlauf der Pumpenvorrichtung erkannt.
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In Abhängigkeit vom jeweiligen Referenzwert können also unterschiedliche Fehler erkannt werden.
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Im Folgenden wird geschildert, wie ein blockierter Kolben einer Dosierpumpe für flüssigkraftstoffbetriebene Heizungen mittels Analyse des elektrischen Pumpenstromes erkannt wird. Sitzt der Kolben fest, so findet keine Verbrennung statt. Und auch sich daran anschließende Versuche, die Brennervorrichtung zu starten, bleiben erfolglos.
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In einer Dosierpumpe - als einem Beispiel für die Pumpenvorrichtung - ist ein federrückgestellter Kolben mit dem Anker eines Elektromagneten verbunden. Durch Beaufschlagen der Spule des Elektromagneten mit einer elektrischen Spannung entsteht ein Magnetfeld, welches die Kombination aus Anker und Pumpenkolben aus seiner Ruhelage an einen vorderen Anschlag zieht. Der dabei überstrichene Weg ergibt zusammen mit der Kolbenquerschnittfläche das geförderte Volumen. Nach Abschalten der Spannung baut sich das Magnetfeld ab und der Anker/Kolben kehrt durch die Vorspannkraft der Rückstellfelder in seine Ausgangslage zurück.
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Eine elektrische Spule kann durch ihren ohmschen Widerstand R und ihre Induktivität L beschrieben werden, sodass für einen einfachen Stromkreis mit einer von außen aufgeprägten Spannung U und dem Strom i gilt:
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Bei einem Elektromagnet mit einem beweglichen Anker ist die Induktivität L nicht konstant und lässt sich über die Änderung des verketteten magnetischen Flusses Ψ(i,x), welcher vom Strom i durch die Spule und der Ankerposition x abhängt, beschreiben:
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Um einen Arbeitspunkt herum kann man folgende Näherungen vornehmen: δΨ/δi ≈ const. = I sowie δΨ/δx ≈ const. = b.
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Damit vereinfacht sich die vorgenannte Gleichung zu:
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Wird der Fall eines blockierten Kolbens (dx/dt = 0) betrachtet, so zeigt sich während der kompletten Ansteuerdauer der Magnetspule das Verhalten einer reinen Induktivität (siehe 3a), Signalverlauf mit durchgezogener Linie).
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Liegt der Normalzustand vor und ist somit der Kolben nicht blockiert, so wird beim Einschalten der Spannung solange ein Magnetfeld und damit eine Reluktanzkraft aufgebaut, bis sich der Anker gegen die Kraft der Rückstellfeder in Bewegung setzen kann. Da sich anschließend in der Pumpenvorrichtung die Geschwindigkeit dx/dt des Kolbens erhöht, verzögert sich der weitere Aufbau des Stromes di/dt und es kommt zu einem charakteristischen S-förmigen Stromverlauf (siehe 3 a), Signalverlauf mit gepunkteter Linie). Daher ist ein Fehlen des S-förmigen Verlaufes im Stromanstieg ein eindeutiges Zeichen für einen blockierten Anker bzw. einen blockierten Pumpenkolben. Ob der S-förmige Verlauf gegeben ist, wird durch die zeitliche Ableitung und durch den für den Fehlerzustand „Blockade des Kolbens bzw. des Ankers“ zugehörigen Referenzwert ermittelt.
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Dabei wird in einer Ausgestaltung in einem frei konfigurierbaren Bereich des Ableitungssignals (also innerhalb von einem Abschnitt) danach gesucht, ob ein vorgegebener Referenzwert als einem Schwellenwert überschritten wird. Ist dies der Fall, so kann davon ausgegangen werden, dass sich der Anker der Pumpe während dieser Ansteuerung der Pumpenvorrichtung nicht bewegt hat.
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Im Folgenden wird das Erkennen eines Trockenlaufs einer Dosierpumpe für flüssigkraftstoffbetriebene Heizungen mittels Analyse des elektrischen Pumpenstromes beschrieben.
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Dies ist relevant für zwei Anwendungsfälle:
- Während des Erststarts (der Erstbefüllung) der Heizvorrichtung ist es vorteilhaft zu wissen, ob und wann Kraftstoff in der Pumpe angekommen ist. Würde der Zeitpunkt detektiert werden, so könnte ausgehend von der Leitungslänge von der Pumpenvorrichtung zu der Brennervorrichtung und ausgehend von dem Leitungsquerschnitt die Restdauer bis zur vollständigen Befüllung abgeschätzt und die Brenneransteuerung optimiert werden. Daher erlaubt die Erfindung eine komfortable und bedarfsgerechte (Erst-)Befüllung der Heizvorrichtung.
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Ist während des laufenden Betriebs kein Brennstoff vorhanden, so zieht die Pumpenvorrichtung während dem regulären Brennerbetrieb Luft. Dies führt dazu, dass das Kraftstoffsystem des Brenners belüftet wird und die Flamme im Brenner undefiniert abreißt. Würde erkannt werden, dass die Pumpe von einem nassen in einen trockenen Betrieb übergeht, so könnte die Brennervorrichtung definiert abgeschaltet werden. Zusätzlich könnte eine Fehlermeldung ausgegeben werden, die auf eine leere Brennstoffversorgung hinweist.
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Für die Betrachtung des Trockenlaufs wird von der obigen Formel ausgegangen:
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Weiterhin wird auf den S-förmigen Verlauf im Stromsignal Bezug genommen, wenn sich der Anker in Bewegung setzt.
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Der Verlauf der Kolbengeschwindigkeit dx/dt und damit auch der Verlauf des Stromsignals ist abhängig von der Masse des Ankers bzw. des Kolbens, von der Vorspannung der Rückstellfeder und von dem von der Pumpe geförderten Medium. Wird wenig Medium oder sogar nur Luft gefördert, so kann der Pumpenkolben deutlich schneller Geschwindigkeit aufnehmen als im Normalzustand, wodurch der Strom tiefer einbricht (siehe 5 a), Signalverlauf mit gepunkteter Linie). Dieser Effekt wird verwendet, um einen Trockenlauf zu erkennen.
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Daher wird in einem frei konfigurierbaren Bereich des Ableitungsvektors eine Unterschreitung eines frei konfigurierbaren Referenzwertes gesucht. Wird dieser Schwellwert unterschritten, kann davon ausgegangen werden, dass die Pumpe in diesem Ansteuerpuls trocken gelaufen ist.
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Vorzugsweise wird in einem ersten Schritt identifiziert, dass sich der Kolben bewegt hat. In einem zweiten Schritt wird ermittelt, was von der Pumpenvorrichtung gefördert wird, ob eine Flüssigkeit oder Luft oder eine Mischung aus Flüssigkeit und Luft.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Überwachungsvorrichtung dann einen Fehlerzustand signalisiert, wenn innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums ein identisches Vergleichsergebnis mit einer vorgegebenen Häufigkeit aufgetreten ist. Diese Ausgestaltung führt zu einer robusten Detektion eines Fehlerzustands, indem z. B. mehrfach hintereinander die Pumpenvorrichtung angesteuert und das sich jeweils ergebende Stromsignal ausgewertet wird. Tritt der gleiche Fehler öfters auf, so führt dies erst zu einer Signalisierung des Fehlerzustands.
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Gemäß einer weiteren Lehre bezieht sich die Erfindung generell auf ein Verfahren zur Überwachung einer Pumpenvorrichtung, wobei die Pumpenvorrichtung einen Kolben und eine Magnetspule zum Bewegen des Kolbens aufweist, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist: dass von der Magnetspule ein Stromsignal abgegriffen wird, dass eine zeitliche Ableitung des Stromsignals oder eines vom Stromsignal abhängigen Signals gebildet wird, dass die zeitliche Ableitung oder mindestens ein Abschnitt der zeitlichen Ableitung mit mindestens einem Referenzwert verglichen und ein Vergleichsergebnis erzeugt wird, und dass in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis ein Fehlerzustand der Pumpenvorrichtung signalisiert wird. Die Pumpenvorrichtung ist dabei beispielsweise Teil einer Brennervorrichtung einer Heizvorrichtung. Die vorgenannten und folgenden Ausgestaltungen und Ausführungen betreffend der Heizvorrichtung beziehen sich entsprechend auch auf das Verfahren zur Überwachung. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird daher auf die restliche Beschreibung verwiesen.
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Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Heizvorrichtung und das Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der Heizvorrichtung,
- 2 eine schematische Darstellung der Pumpenvorrichtung,
- 3 a) und 3 b) Stromsignale und zugehörige zeitliche Ableitungen mit blockiertem oder beweglichem Kolben,
- 4 a), b) und c) ein schematisches Stromsignal, das abgetastete Stromsignal und die zeitliche Ableitung,
- 5 a) und 5 b) Stromsignale und zugehörige zeitliche Ableitungen mit Pumpe beim Fördern einer Flüssigkeit oder von Luft und
- 6 a), b) und c) ein schematisches Stromsignal, das abgetastete Stromsignal und die zeitliche Ableitung.
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In der 1 ist sehr schematisch eine Heizvorrichtung dargestellt. In einer Brennervorrichtung 1 wird ein Brennstoffluftgemisch verbrannt und die dabei freiwerdende thermische Energie wird in einem Wärmetauscher 2 auf Luft oder ein Medium, z. B. Brauchwasser übertragen. Die Brennervorrichtung 1 verfügt über eine Pumpenvorrichtung 10 zum Fördern des Brennstoffs, bei dem es sich beispielsweise um Diesel handelt. Die Überwachungsvorrichtung 3 überwacht das Arbeiten der Pumpenvorrichtung 10 und identifiziert insbesondere Fehlerzustände.
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Die Pumpenvorrichtung 10 ist in der 2 detaillierter dargestellt. Eine Magnetspule 13 umgibt einen Hohlraum 14, in welchen ein beweglicher Kolben bzw. ein Anker 11 einbringbar ist. Der Hohlraum 14 ist dabei mit einem Förderkanal 15 für den Brennstoff verbunden. Wird die Magnetspule 13 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, so übt sie auf den Kolben 11 gegen die Rückstellfeder 12 eine magnetische Anziehungskraft aus. Ist die Kraft groß genug, so bewegt sich der Kolben 11 in den Hohlraum 14 hinein und fördert damit den Brennstoff. Während der Ansteuerung der Magnetspule 13 lässt sich ein elektrisches Stromsignal abgreifen, das Auskunft über das Funktionieren bzw. über das Vorliegen eines Fehlers geben kann. Dieses Stromsignal und seine Abhängigkeit von den Anwendungsbedingungen wird in den folgenden Abbildungen beispielhaft gezeigt.
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Die 3 a) zeigt das Stromsignal in dem Fall, dass sich der Kolben bewegt (gestrichelte Linie), und in dem Fall, dass der Kolben blockiert und sich nicht bewegt (durchgezogene Linie). Für den Normalfall, dass der Kolben sich bewegt, ist der typische S-förmige Signalverlauf auf der linken Flanke des Stromsignals zu erkennen. Fehlt dieser Einbruch der Stromstärke, so konnte der Kolben nicht bewegt werden. Daher ist das Vorliegen der S-Form ein Zeichen dafür, dass kein Fehlerfall vorliegt.
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In der 3 b) ist die zeitliche Ableitung dl/dt der beiden Stromsignale dargestellt. Deutlich zu erkennen ist bei der gestrichelten Linie zu Beginn der Signalanstieg, dem ein scharfer Einbruch folgt. Ein solcher Einbruch ist im Gegensatz dazu bei der durchgezogenen Linie nicht zu erkennen. Da sich der Einbruch zu Beginn der Ansteuerung der Magnetspule einstellt, wird ein entsprechender Abschnitt zu Anfang der zeitlichen Ableitung im Sinne der Erfindung ausgewertet. Dies ist der Zeitabschnitt, in welchem - erwartungsgemäß - der Kolben beginnt, sich zu bewegen. Innerhalb des Abschnitts wird ausgewertet, ob die zeitliche Ableitung des Stromsignals einen Referenzwert über- oder unterschreitet. Wird in dem Abschnitt der Referenzwert nicht unterschritten, so liegt kein Stromeinbruch und damit kein S-förmiger Signalverlauf vor. Ohne diesen kann sich jedoch der Kolben nicht bewegt haben, sodass der Fehler eines blockierenden Kolbens vorliegt.
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In der 4 a) bis 4 c) ist eine Umsetzung des Identifizierens des Fehlers des blockierenden Kolbens dargestellt. In der 4 a) ist das Stromsignal dargestellt, welches einen glatten Anstieg zu einem Plateau zeigt. In der 4 b) ist das abgetastete Stromsignal mit einer beispielhaften Abtastrate von 1000 Hz dargestellt. In der 4 c) ist die numerische Ableitung des abgetasteten Stromsignals dargestellt. In der 4 c) ist weiterhin durch die gestrichpunkteten Linien der zeitliche Abschnitt dargestellt, welcher mit dem ebenfalls eingezeichneten Referenzwert verglichen wird. Der Abschnitt ist dabei der Zeitbereich, innerhalb dessen mit der Bewegung des Kolbens zu rechnen ist. Da der Fall eines blockierten Kolbens dargestellt ist, liegt die zeitliche Ableitung innerhalb des Abschnitts nur oberhalb des Referenzwerts. Aus dem Nichtvorliegen eines Unterschreitens des Referenzwerts als dem erzeugten Vergleichsergebnis kann somit gefolgt werden, dass keine Bewegung des Kolbens stattgefunden hat und dass vielmehr der Fehlerzustand eines blockierten Kolbens vorliegt. In einer Ausgestaltung wird die Magnetspule mehrfach hintereinander mit einem Spannungssignal beaufschlagt. Tritt jedes Mal das gleiche Vergleichsergebnis auf, so wird der Fehlerzustand signalisiert.
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In der 5 a) sind zwei Stromverläufe dargestellt, wobei sich jeweils der Kolben bewegt. Daher weisen beide Kurven den S-förmigen Verlauf auf. In dem einen Fall wird Medium (durchgezogene Linie) und in dem anderen Fall Luft gefördert (gestrichelte Linie). Im letzteren Fall liegt somit ein Trockenlauf der Pumpenvorrichtung vor. Das Medium stellt einen Widerstand für den Kolben dar, sodass er mit Medium langsam und mit Luft schneller beschleunigt werden kann. Dies zeigt sich ebenfalls in den Signalverläufen: Im Fall des Trockenlaufens gibt es einen deutlich tieferen Signaleinbruch, da der Kolben früher seine Bewegungsgeschwindigkeit erreicht hat. Dies ist besonders gut in den abgeleiteten Signalen der 5 b) zu erkennen.
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Die 6 a) bis 6 c) verdeutlichen eine Auswertung der Stromsignale im Hinblick darauf, ob Medium oder Luft gefördert wird. Das Stromsignal der 6 a) wird als abgetastetes Signal (6 b)) der zeitlichen Ableitung unterzogen (6 c)). In der 6 c) ist durch die senkrechten Linien der Zeitbereich gekennzeichnet, der für die Erzeugung des Vergleichsergebnisses verwendet wird. Dies ist hier der gleiche Abschnitt, wie er bei dem Beispiel der 4 ausgewertet wird. Hier ist ein unterer Referenzwert eingezeichnet, dessen Unterschreiten dahingehend interpretiert wird, dass Luft und nicht Medium gefördert worden ist.
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Werden die Auswertemethoden, die durch die 4 und 6 repräsentiert sind, kombiniert, so wird in einer Ausgestaltung das gleiche Zeitfenster der zeitlichen Ableitung ausgewertet. Dabei kommen zwei Referenzwerte zum Einsatz. Wird ein erster Referenzwert (4 c)) nicht unterschritten, so liegt eine Blockade des Kolbens vor. Wird der erste - oder obere - Referenzwert unterschritten, so bewegt sich der Kolben. Wird auch ein zweiter - oder unterer - Referenzwert (6 c)) unterschritten, so wurde Luft von der Pumpenvorrichtung gefördert. Wird der erste Referenzwert, aber nicht der zweite Referenzwert unterschritten, so liegt der Normalzustand vor, bei welchem die Pumpenvorrichtung das Medium fördert. Der zeitliche Abschnitt und die Referenzwerte werden beispielsweise durch Kalibrierungsmessungen ermittelt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennervorrichtung
- 2
- Wärmetauscher
- 3
- Überwachungsvorrichtung
- 10
- Pumpenvorrichtung
- 11
- Kolben
- 12
- Rückstellfeder
- 13
- Magnetspule
- 14
- Hohlraum
- 15
- Förderkanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016103249 A1 [0002]
- DE 19730594 C2 [0002]
- DE 102017204077 A1 [0002]
