DE102021212802A1

DE102021212802A1 - Sicherheitsvorrichtung für einen elektrischen Wasserheizer, elektrischer Wasserheizer und Verfahren zum Betrieb einer Sicherheitsvorrichtung

Info

Publication number: DE102021212802A1
Application number: DE102021212802.5A
Authority: DE
Inventors: Jose Antonio Pinto Oliveira; Romulo Antao
Original assignee: Bosch Termotechnologia SA
Current assignee: Bosch Termotechnologia SA
Priority date: 2021-11-15
Filing date: 2021-11-15
Publication date: 2023-05-17

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Sicherheitsvorrichtung für einen elektrischen Wasserheizer, welcher zumindest ein elektrisches Heizelement (14, 16, 18) und zumindest eine mehrphasige Wechselstromversorgung (20) zu einem Betrieb des Heizelements (14, 16, 18) aufweist, mit zumindest einer Stromunterbrechungseinheit (22) zu einem Unterbrechen der Wechselstromversorgung (20), mit zumindest einer Hauptsteuereinheit (24), mit zumindest einer von der Hauptsteuereinheit (24) separat ausgebildeten und zur Hauptsteuereinheit (24) parallel verschalteten Sicherheitssteuereinheit (26) und mit zumindest einer Sensoreinheit (28) zu einer Erfassung von sicherheitsrelevanten Betriebsparametern des Wasserheizers.Es wird vorgeschlagen, dass die Hauptsteuereinheit (24) und die Sicherheitssteuereinheit (26) jeweils als zentrale Mikroprozessoren, insbesondere Mikrocontroller, ausgebildet sind, welche jeweils datentechnisch zwischen der Sensoreinheit (28) und der Stromunterbrechungseinheit (22) angeordnet sind.

Description

Stand der Technik
In der DE 197 02 904 C2 ist bereits eine Sicherheitsvorrichtung für einen elektrischen Wasserheizer, welcher zumindest ein elektrisches Heizelement und zumindest eine mehrphasige Wechselstromversorgung zu einem Betrieb des Heizelements aufweist, mit zumindest einer Stromunterbrechungseinheit zu einem Unterbrechen der Wechselstromversorgung, mit zumindest einer Hauptsteuereinheit, mit zumindest einer von der Hauptsteuereinheit separat ausgebildeten und zur Steuereinheit parallel verschalteten Sicherheitssteuereinheit und mit zumindest einer Sensoreinheit zu einer Erfassung von sicherheitsrelevanten Betriebsparametern des Wasserheizers, vorgeschlagen worden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Sicherheitsvorrichtung für einen elektrischen Wasserheizer, welcher zumindest ein elektrisches Heizelement und zumindest eine mehrphasige Wechselstromversorgung zu einem Betrieb des Heizelements aufweist, mit zumindest einer Stromunterbrechungseinheit zu einem Unterbrechen der Wechselstromversorgung, mit zumindest einer Hauptsteuereinheit, mit zumindest einer von der Hauptsteuereinheit separat ausgebildeten und zur Steuereinheit parallel verschalteten Sicherheitssteuereinheit und mit zumindest einer Sensoreinheit zu einer Erfassung von sicherheitsrelevanten Betriebsparametern des Wasserheizers.
Es wird vorgeschlagen, dass die Hauptsteuereinheit und die Sicherheitssteuereinheit jeweils als zentrale Mikroprozessoren, insbesondere Mikrocontroller, ausgebildet sind, welche jeweils datentechnisch zwischen der Sensoreinheit und der Stromunterbrechungseinheit angeordnet sind. Der elektrische Wasserheizer ist insbesondere dazu vorgesehen, Wasser mittels des elektrischen Heizelements zu erhitzen. Besonders bevorzugt ist das Heizelement als Widerstandsheizer ausgebildet. Vorzugsweise ist das Heizelement während eines Betriebs des Wasserheizers in direktem Kontakt mit dem zu erhitzenden Wasser. Alternativ ist das Heizelement als Heizstrahler, Wärmepumpe, Mikrowellenemitter o. dgl. ausgebildet. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell eingerichtet, speziell programmiert, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
Die Sicherheitsvorrichtung ist insbesondere zu einem sicheren Betrieb des elektrischen Wasserheizers vorgesehen, besonders bevorzugt gemäß der Norm IEC/EN60335-1, 22.2. Insbesondere umfasst die Stromunterbrechungseinheit Schaltelemente zu einer Unterbrechung von zumindest einer Phase, insbesondere von jeder Phase, der Wechselstromversorgung, insbesondere zu einer allpoligen Trennung der Wechselstromversorgung von dem Heizelement. Bevorzugt umfasst die Stromunterbrechungseinheit zumindest ein, bevorzugt genau ein, Schaltelement je Phase, insbesondere drei Schaltelemente oder ein ganzzahliges Vielfaches von drei Schaltelementen. Die Schaltelemente können separat voneinander ausgebildet sein und insbesondere als „single pole, single-throw“ (SPST) Schaltelemente ausgebildet sein oder einen gemeinsamen Schaltmechanismus aufweisen und insbesondere zu einer „multiple-pole single-throw“ (nPST) Einzelschalterkomponente kombiniert ausgebildet sein.
Die Hauptsteuereinheit und die Sicherheitssteuereinheit sind vorzugsweise jeweils als elektronischer Einzelbaustein ausgebildet. Vorzugsweise umfassen die Hauptsteuereinheit und die Sicherheitssteuereinheit jeweils mehrere, insbesondere digitale und/oder jeweils mit einem Analog-Digital-Konverter versehene analoge, Signaleingänge und Signalausgänge. Die Hauptsteuereinheit und die Sicherheitssteuereinheit sind an zumindest einem Steuereingang der Stromunterbrechungseinheit angeschlossen. Insbesondere sind die Hauptsteuereinheit und die Sicherheitssteuereinheit dazu vorgesehen, die Stromunterbrechungseinheit zu steuern, insbesondere einen Stromfluss zwischen der Wechselstromversorgung und dem Heizelement zu erlauben oder zuzulassen. Die Stromunterbrechungseinheit ist vorzugsweise dazu ausgebildet, eine Unterbrechung der Wechselstromversorgung selbsttätig auszuführen und aufrechtzuerhalten, falls keine Steuerung durch die Hauptsteuereinheit oder die Sicherheitssteuereinheit vorliegt. Insbesondere sind die Hauptsteuereinheit und die Sicherheitssteuereinheit dazu vorgesehen, einen stromführenden Zustand der Stromunterbrechungseinheit aktiv aufrechtzuerhalten. Insbesondere sind die Hauptsteuereinheit und die Sicherheitssteuereinheit dazu vorgesehen, die Stromunterbrechungseinheit, insbesondere nur, zu schließen, d.h. einen Stromfluss zwischen der Wechselstromversorgung und dem Heizelement zu erlauben, falls ein Betrieb des Heizelements von der Hauptsteuereinheit und der Sicherheitssteuereinheit als sicher bewertet wird. Vorzugsweise umfasst die Sicherheitsvorrichtung eine Interprozessorschnittstelle, an welcher die Hauptsteuereinheit und die Sicherheitssteuereinheit zu einem gegenseitigen Datenaustausch angeschlossen sind. Die Sicherheitsvorrichtung umfasst insbesondere einen Speicher, in welchem Vorschriften und/oder Referenzwerte zu einer Bewertung der sicherheitsrelevanten Betriebsparameter hinterlegt sind. Insbesondere ist der Speicher mittels der Interprozessorschnittstelle parallel an der Hauptsteuereinheit und der Sicherheitssteuereinheit angeschlossen. Insbesondere implementieren die Hauptsteuereinheit und die Sicherheitssteuereinheit gemeinsam den Klasse C Standard gemäß IEC/EN 60730-1. Unter „angeschlossen an“ einem Bauteil soll insbesondere signaltechnisch verbunden mit dem Bauteil, im Speziellen elektrisch leitend verbunden mit dem Bauteil, wie beispielsweise mittels einer elektrischen Leiterbahn, einem elektrischen Kabel oder dergleichen, und/oder elektromagnetisch gekoppelt mit dem Bauteil, wie beispielsweise via eines Optokopplers, via eines Transformators oder dergleichen, verstanden werden.
Die Hauptsteuereinheit und die Sicherheitssteuereinheit umfassen vorzugsweise je zumindest einen Signaleingang zu einem Empfang der sicherheitsrelevanten Betriebsparameter. Vorzugsweise umfasst die Sensoreinheit einen Flusssensor zu einer Erfassung einer Durchflussrate des Wassers an dem Heizelement als sicherheitsrelevanten Betriebsparameter. Vorzugsweise ist der Flusssensor parallel an der Hauptsteuereinheit und der Sicherheitssteuereinheit angeschlossen. Vorzugsweise umfasst die Sensoreinheit zumindest einen Temperatursensor zu einer Erfassung einer Temperatur des Wassers stromaufwärts des Heizelements als sicherheitsrelevanten Betriebsparameter. Vorzugsweise umfasst die Sensoreinheit zumindest einen weiteren Temperatursensor zu einer Erfassung einer Temperatur des Wassers stromabwärts des Heizelements als sicherheitsrelevanten Betriebsparameter. Insbesondere sind der Temperatursensor und/oder der weitere Temperatursensor an der Hauptsteuereinheit und der Sicherheitssteuereinheit parallel angeschlossen. Vorzugsweise umfasst die Sensoreinheit einen Stromdetektor zu einer Detektion eines elektrischen Stromflusses durch das Heizelement als sicherheitsrelevanten Betriebsparameter. Insbesondere ist der Stromdetektor an der Hauptsteuereinheit und der Sicherheitssteuereinheit parallel angeschlossen. Vorzugsweise sind alle in einem Regelbetrieb der Sicherheitsvorrichtung genutzten Steuereingänge der Stromunterbrechungseinheit, insbesondere von einer Stromversorgung der Stromunterbrechungseinheit abgesehen, an der Hauptsteuereinheit und/oder der Sicherheitssteuereinheit angeschlossen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine vorteilhaft zuverlässige Sicherheitsvorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere kann eine gegenseitige Kontrolle der Steuereinheiten erreicht werden. Weiter kann die Sicherheitsvorrichtung vorteilhaft platzsparend implementiert werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die von der Hauptsteuereinheit und der Sicherheitssteuereinheit gesteuerte Stromunterbrechungseinheit zu einer Unterbrechung von Phasen der Wechselstromversorgung Niederspannungsrelais umfasst. Insbesondere ist das Schaltelement/sind die Schaltelemente als Niederspannungsrelais ausgebildet. Das/die Niederspannungsrelais weist vorzugsweise eine Aktivierungsspannung von mehr als 5V, insbesondere mehr als 10 V, besonders bevorzugt mehr als 11 V, auf. Das/die Niederspannungsrelais weist vorzugweise eine Aktivierungsspannung von weniger als 25V, insbesondere weniger als 15 V, besonders bevorzugt weniger als 13 V, auf. Besonders bevorzugt ist das/sind die Niederspannungsrelais als 12 V-Relais ausgebildet. Das/die Niederspannungsrelais ist/sind vorzugsweise leitend und verbindet die Wechselstromversorgung mit dem Heizelement, wenn die Aktivierungsspannung oder eine Haltespannung an einem Steuereingang des/der Niederspannungsrelais anliegt. Das/die Niederspannungsrelais ist/sind vorzugsweise nicht-leitend und unterbricht eine Verbindung der Wechselstromversorgung mit dem Heizelement, wenn ein Spannungsbetrag an dem Steuereingang unterhalb eines Minimalwerts liegt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine vorteilhaft kostengünstige Sicherheitsvorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus kann eine vorteilhaft platzsparende Sicherheitsvorrichtung zur Verfügung gestellt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Sicherheitsvorrichtung einen an der Hauptsteuereinheit angeschlossenen Nulldurchgangsschalter umfasst. Vorzugsweise ist der Nulldurchgangsschalter an zwei Phasen der Wechselstromversorgung angeschlossen. Vorzugsweise ist ein Signalausgang des Nulldurchgangsschalters galvanisch getrennt von der Wechselstromversorgung ausgebildet, insbesondere mittels eines Optokopplers. Der Nulldurchgangsschalter ist insbesondere dazu vorgesehen, eine Funktionalität derjenigen Phasen der Wechselstromversorgung zu überwachen, an denen er angeschlossen ist. Vorzugsweise ist der Nulldurchgangsschalter an einem digitalen Signaleingang der Hauptsteuereinheit angeschlossen. Vorzugsweise löst der Nulldurchgangsschalter bei einem Nulldurchgang eine Steuerung oder Regelung einer Leistungsanpassungseinheit durch die Hauptsteuereinheit aus. Die Leistungsanpassungseinheit ist insbesondere zu einer Einstellung einer an dem Heizelement umgesetzten elektrischen Leistung vorgesehen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können vorteilhaft zumindest zwei Phasen der Wechselstromversorgung überwacht werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Sicherheitsvorrichtung ein Netzteil umfasst, wobei das Netzteil und der Nulldurchgangsschalter jeweils zumindest einen Anschluss an unterschiedlichen Phasen der Wechselstromversorgung aufweisen. Das Netzteil ist insbesondere zu einer Gleichspannungsversorgung der Hauptsteuereinheit, der Sicherheitssteuereinheit, der Sensoreinheit und der Stromunterbrechungseinheit vorgesehen. Insbesondere ist das Netzteil parallel zu der Stromunterbrechungseinheit und dem Heizelement an der Wechselstromversorgung angeschlossen. Insbesondere ist das Netzteil dazu vorgesehen, die Aktivierungsspannung des Niederspanungsrelais auszugeben. Vorzugsweise ist das Netzteil an zwei Phasen der Wechselstromversorgung angeschlossen. Insbesondere umfasst das Netzteil eine Zwei-Phasen-Diodenbrücke zu einem Anschluss an die Wechselstromversorgung. Vorzugsweise ist zumindest ein Anschluss des Netzteils an einer Phase der Wechselstromversorgung angeschlossen, an welcher der Nulldurchgangsschalter nicht angeschlossen ist. Vorzugsweise ist zumindest ein Anschluss des Nulldurchgangsschalters an einer Phase der Wechselstromversorgung angeschlossen, an welcher das Netzteil nicht angeschlossen ist. Insbesondere umfassen das Netzteil und der Nulldurchgangsschalter maximal je einen Anschluss, der an der gleichen Phase der Wechselstromversorgung angeschlossen ist. Vorzugsweise umfasst das Netzteil zumindest einen Signalausgang, welcher vorzugsweise an der Hauptsteuereinheit angeschlossen ist, und insbesondere einen Wert einer Strom- und/oder Spannungsausgabe des Netzteils digital ausgibt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine intrinsische Vorsicherung des Wasserheizers in Abhängigkeit von einer Funktionalität dreier Phasen der Wechselstromversorgung erzielt werden, insbesondere unabhängig von einer konkreten Auswertung der sicherheitsrelevanten Betriebsparameter. Insbesondere kann die Stromunterbrechungseinheit nicht geschaltet werden, wenn eine Phase, an welcher das Netzteil angeschlossen ist, nicht funktioniert. Insbesondere kann die Leistungsanpassungseinheit nicht gesteuert werden, wenn eine Phase, an welcher der Nulldurchgangsschalter angeschlossen ist, nicht funktioniert.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Sicherheitsvorrichtung eine, insbesondere die bereits genannte, Leistungsanpassungseinheit umfasst, wobei der Nulldurchgangsschalter zwischen der Leistungsanpassungseinheit und der Stromunterbrechungseinheit an der Wechselstromversorgung angeschlossen ist. Vorzugsweise umfasst die Leistungsanpassungseinheit zumindest einen Triac zu einer Anpassung der elektrischen Leistung. Vorzugsweise umfasst der elektrische Wasserheizer zumindest drei Heizelemente, insbesondere in einer Dreiecksschaltung. Vorzugsweise weist die Leistungsanpassungseinheit zumindest einen Triac pro zu den Heizelementen hinführenden Leitungsast des elektrischen Wasserheizers, insbesondere zumindest vier Triacs, auf. Die Leistungsanpassungseinheit ist signaltechnisch vorzugsweise zwischen dem Heizelement und der Stromunterbrechungseinheit angeordnet. Die Stromunterbrechungseinheit ist signaltechnisch insbesondere zwischen der Wechselstromversorgung und der Leistungsanpassungseinheit angeordnet. Der Nulldurchgangsschalter ist vorzugsweise zwischen der Stromunterbrechungseinheit und der Leistungsanpassungseinheit parallel zu dem Heizelement an der Wechselstromversorgung angeschlossen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein zweistufiges Freischalten eines Stromflusses von der Wechselstromversorgung zu dem Heizelement erzielt werden. Insbesondere kann eine Funktionalität der Wechselstromversorgung vorteilhaft effizient geprüft werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Stromunterbrechungseinheit eine Relaissteuerung umfasst, welche zumindest einen Steuereingang umfasst, der an der Hauptsteuereinheit angeschlossen ist und zumindest einen weiteren Steuereingang umfasst, der an der Sicherheitssteuereinheit angeschlossen ist. Die Relaissteuerung ist insbesondere zu einer Ausgabe einer Steuerspannung an das/die Niederspannungsrelais vorgesehen. Insbesondere umfasst die Relaissteuerung zumindest einen Schalter zu einem Schalten der von dem Netzteil bereitgestellten Aktivierungsspannung in Abhängigkeit von den Steuereingängen. Vorzugsweise umfasst die Relaissteuerung zumindest zwei Schalter, wobei einer der Schalter an dem Steuereingang und einer der Schalter an dem weiteren Steuereingang angeschlossen ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Risiko einer Fehlsteuerung der Stromunterbrechungseinheit durch eine der Steuereinheiten vorteilhaft gering gehalten werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Stromunterbrechungseinheit eine, insbesondere die bereits genannte, Relaissteuerung umfasst, welche einen von der Hauptsteuereinheit und der Sicherheitssteuereinheit nur gemeinsam steuerbaren Gleichspannungswandler umfasst. Insbesondere sind der Schalter, der weitere Schalter und der Gleichspannungswandler in Reihe geschaltet. Das/die Niederspannungsrelais ist/sind signaltechnisch vorzugsweise zwischen dem Schalter und dem weiteren Schalter angeordnet. Alternativ sind der Schalter und der weitere Schalter zwischen dem/den Niederspannungsrelais und dem Gleichspannungswandler verschaltet. Insbesondere ist ein Stromfluss von dem Gleichspannungswandler zu dem/den Niederspannungsrelais nur möglich, wenn der Schalter und der weitere Schalter geschlossen sind. Vorzugsweise ist eine Ausgabe des Gleichspannungswandlers über einen Leistung-Steuereingang der Relaissteuerung auf zumindest zwei von Null verschiedene Werte einstellbar, optional kontinuierlich einstellbar. Der Leistung-Steuereingang ist vorzugsweise an der Sicherheitssteuereinheit angeschlossen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann vorteilhaft ein Risiko einer Aktivierung der Niederspannungsrelais unter unsicheren Betriebsparametern des Wasserheizers vorteilhaft gering gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Stromunterbrechungseinheit eine, insbesondere die bereits genannte, Relaissteuerung umfasst, welche zumindest einen Signalausgang umfasst, der an der Hauptsteuereinheit und an der Sicherheitssteuereinheit angeschlossen ist. Insbesondere ist der Signalausgang der Relaissteuerung dazu vorgesehen, einen Wert einer Strom- und/oder Spannungsausgabe der Relaissteuerung an das/die Niederspannungsrelais, vorzugsweise analog, auszugeben. Insbesondere ist der Signalausgang an einer Spannungsausgabe des Gleichspanungswandlers angeschlossen, insbesondere um eine von dem Gleichspannungswandler ausgegebene Spannung abzugreifen oder alternativ abzutasten. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Spannungsausgabe vorteilhaft als sicherheitsrelevanter Betriebsparameter von der Hauptsteuereinheit oder der Sicherheitssteuereinheit überwacht werden und insbesondere mit Steuersignalen der Hauptsteuereinheit oder der Sicherheitssteuereinheit an die Relaissteuerung auf Konsistenz geprüft werden.
Weiterhin wird ein elektrischer Wasserheizer, insbesondere ein Durchlauferhitzer, mit zumindest einem elektrischen Heizelement, mit einer mehrphasigen Wechselstromversorgung zu einem Betrieb des Heizelements und mit einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung vorgeschlagen. Der Wasserheizer umfasst insbesondere eine Wasserführung zu einer Führung des Wassers. Vorzugsweise ist das Heizelement, insbesondere die Heizelemente, in der Wasserführung angeordnet. Vorzugsweise umfasst der Wasserheizer zumindest eine Pumpe zu einer Förderung des Wassers durch die Wasserführung hindurch. Vorzugsweise sind der Temperatursensor und der weitere Temperatursensor in der Wasserführung angeordnet. Vorzugsweise umfasst der Flusssensor einen Rotationskörper, der in der Wasserführung drehbar gelagert ist. Vorzugsweise umfasst der Wasserheizer ein Gehäuse, in welchem die Wasserführung, das Heizelement und die Sicherheitsvorrichtung gemeinsam angeordnet sind. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein vorteilhaft kompakter und vorteilhaft kostengünstiger Wasserheizer zur Verfügung gestellt werden, der einen vorteilhaft hohen Sicherheitsstandard erfüllt.
Des Weiteren wird ein Verfahren zu einem Betrieb einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung vorgeschlagen. Insbesondere ermittelt die Sensoreinheit in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens die sicherheitsrelevanten Betriebsparameter. Vorzugsweise verarbeitet in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens die Hauptsteuereinheit und/oder die Sicherheitssteuereinheit die sicherheitsrelevanten Betriebsparameter. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens zumindest einer, vorzugsweise mehrere, der sicherheitsrelevanten Betriebsparameter von der Hauptsteuereinheit und der Sicherheitssteuereinheit parallel ausgewertet. Insbesondere vergleicht die Hauptsteuereinheit und die Sicherheitssteuereinheit die von ihnen empfangenen sicherheitsrelevanten Betriebsparameter und/oder deren jeweilige Auswertung miteinander. Insbesondere sendet die Sicherheitssteuereinheit und die Hauptsteuereinheit in zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens jeweils ein Steuersignal an die Stromunterbrechungseinheit, insbesondere in Abhängigkeit von der individuellen Auswertung und/oder in Abhängigkeit von dem Vergleich mit der jeweils anderen Steuereinheit. Insbesondere verhindert die Stromunterbrechungseinheit einen Stromfluss zwischen der Wechselstromversorgung und dem Heizelement, wenn die Relaissteuerung nur das Steuersignal entweder der Hauptsteuereinheit oder der Sicherheitssteuereinheit empfängt. Insbesondere verhindert die Stromunterbrechungseinheit einen Stromfluss zwischen der Wechselstromversorgung und dem Heizelement, wenn, insbesondere aufgrund eines Fehlers in der Wechselstromversorgung, das Netzteil eine Spannung liefert, die kleiner ist als die Aktivierungsspannung. Insbesondere verhindert die Leistungsanpassungseinheit einen Stromfluss zwischen der Wechselstromversorgung und dem Heizelement, wenn, insbesondere aufgrund eines Fehlers in der Wechselstromversorgung, der Nulldurchgangsschalter unaktiviert bleibt. Vorzugsweise gehen die Hauptsteuereinheit und/oder die Sicherheitssteuereinheit in einen Sperrmodus über, wenn zumindest einer der sicherheitsrelevanten Betriebsparameter als unsicher bewertet wird. Vorzugsweise gehen die Hauptsteuereinheit und/oder die Sicherheitssteuereinheit in einen Sperrmodus über, wenn der Vergleich der Betriebsparameter oder der Auswertung der Betriebsparameter durch die Hauptsteuereinheit und die Sicherheitssteuereinheit inkonsistent ist.
Insbesondere geben die Sicherheitssteuereinheit und/oder die Hauptsteuereinheit in dem Sperrmodus keine Steuersignale an die Stromunterbrechungseinheit aus. Der Sperrmodus ist vorzugsweise nur manuell aufhebbar. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein vorteilhaft sicheres Verfahren durchgeführt werden, bei welchem vorteilhaft viele Daten und Bewertungen von Daten gegengeprüft werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Stromunterbrechungseinheit in zumindest einem Verfahrensschritt in einem in Bezug auf die Wechselstromversorgung stromführenden Zustand unterhalb einer Aktivierungsspannung der Stromunterbrechungseinheit betrieben wird. Vorzugsweise aktiviert die Relaissteuerung das/die Niederspannungsrelais mit der Aktivierungsspannung, wenn die Sicherheitssteuereinheit ein Enable-Steuersignal an den Enable-Steuereingang sendet. Insbesondere versetzt die Relaissteuerung das/die Niederspannungsrelais mit Aktivierungsspannung in den stromführenden, d.h. geschlossenen, Zustand. Vorzugsweise sendet die Sicherheitssteuereinheit zeitversetzt zu dem Enable-Steuersignal ein Leistungssteuersignal an den Leistung-Steuereingang. Insbesondere gibt der Gleichspannungswandler bei Empfang des Leistungssteuersignals eine reduzierte Spannung aus. Die reduzierte Spannung ist insbesondere um zumindest 25 %, bevorzugt um mehr als 35 %, bevorzugt um mehr als 45 %, kleiner als die Aktivierungsspannung. Insbesondere ist die reduzierte Spannung ausreichend, um das/die Niederspannungsrelais in dem stromführenden Zustand zu halten. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine elektrische Leistung, die durch die Stromunterbrechungseinheit umgesetzt wird, insbesondere um das/die Niederspannungsrelais in einem geschlossenen Zustand zu halten, vorteilhaft gering gehalten werden. Insbesondere können laufende Betriebskosten der Sicherheitsvorrichtung vorteilhaft gering gehalten werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere regelmäßig, Steuereingänge einer Relaissteuerung der Stromunterbrechungseinheit überwacht werden. Vorzugsweise wird eine Schalterspannung zwischen dem Schalter und dem/den Niederspanungsrelais abgegriffen, insbesondere abgetastet, insbesondere zu einer Überwachung des Steuereingangs. Vorzugsweise wird eine weitere Schalterspannung zwischen dem/den Niederspannungsrelais und dem weiteren Schalter abgegriffen, insbesondere abgetastet, insbesondere zu einer Überwachung des weiteren Steuereingangs. Insbesondere vergleicht die Hauptsteuereinheit und/oder die Sicherheitssteuereinheit die Schalterspannung, die weitere Schalterspannung und Steuersignale zu den Steuereingängen der Relaissteuerung. Vorzugsweise überwachen die Hauptsteuereinheit und die Sicherheitssteuereinheit die Steuereingänge reziprok. Insbesondere überwacht die Hauptsteuereinheit die weitere Schalterspannung an dem weiteren Schalter, welcher insbesondere durch die Sicherheitssteuereinheit betätigt wird. Vorzugsweise überwacht die Sicherheitssteuereinheit die Schalterspannung an dem Schalter, welcher insbesondere von der Hauptsteuereinheit betätigt wird. Insbesondere vergleicht die Hauptsteuereinheit bzw. die Sicherheitssteuereinheit die weitere Schalterspannung bzw. die Schalterspannung mit dem jeweils eigenen Steuersignal an den Steuereingang bzw. den weiteren Steuereingang der Relaissteuerung. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Schalterstellung der Relaissteuerung durch die Sicherheitssteuereinheit und/oder die Hauptsteuereinheit überwacht werden und insbesondere auf Konsistenz mit Steuersignalen an die Relaissteuerung geprüft werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt Rohdaten der Sensoreinheit mit modifizierten Daten verglichen werden, die zumindest mittels eines Comparators der Sicherheitsvorrichtung aus den Rohdaten gewonnen worden sind. Insbesondere umfasst der Flusssensor den Comparator. Bevorzugt erfasst der Flusssensor die Rohdaten induktiv mittels einer Induktionsspule und dem Rotationskörper. Vorzugsweise erfasst der Flusssensor ein von dem Rotationskörper verursachtes periodisches Messsignal als Rohdaten, insbesondere wenn dieser von dem Wasser angetrieben wird. Insbesondere wandelt der Comparator das Messsignal in ein Rechtecksignal um. Vorzugsweise ermitteln die Sicherheitssteuereinheit und die Hauptsteuereinheit, insbesondere jeweils durch Zählen an Pulsen in den modifizierten Daten eine Flussrate oder einen Volumenstrom des Wassers. Vorzugsweise weist der Flusssensor eine Sensorsteuerung auf, welche insbesondere den Comparator umfasst. Vorzugsweise kommuniziert die Sensorsteuerung des Flusssensors mit der Sicherheitssteuereinheit und/oder der Hauptsteuereinheit, insbesondere zusätzlich zu einem Comparatorausgang der Sensorsteuerung, mittels einer bidirektionalen Datenschnittstelle. Vorzugsweise übermittelt die Sensoreinheit die, insbesondere digitalisierten, Rohdaten mittels der bidirektionalen Datenschnittstelle an die Sicherheitssteuereinheit und/oder die Hauptsteuereinheit. Vorzugsweise sendet die Sensoreinheit die modifizierten Daten, insbesondere in zu einem Rechtecksignal umgewandelten Rohdaten, mittels des Comparatorausgangs der Sensorsteuerung an einen Timer-Signaleingang der Hauptsteuereinheit oder der Sicherheitssteuereinheit. Insbesondere analysiert die Sicherheitssteuereinheit und/oder die Hauptsteuereinheit die Rohdaten zu einer Einstellung des Flusssensors und/oder zu einer stichprobenartig und/oder regelmäßigen Kontrolle der modifizierten Daten. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Durchfluss des Wassers durch die Wasserführung vorteilhaft zuverlässig erfasst werden. Insbesondere kann eine Entstehung eines Überdrucks in der Wasserführung, durch erhitztes, aber nicht genügend abgeführtes Wasser vorteilhaft gering gehalten werden.
Die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung, der erfindungsgemäße Wasserheizer und/oder das erfindungsgemäße Verfahren sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können/kann die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung, der erfindungsgemäße Wasserheizer und/oder das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 einen schematischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen elektrischen Wasserheizers mit einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung,
2 ein schematisches Funktionsdiagramm einer Relaissteuerung der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung,
3 ein schematisches Funktionsdiagramm einer Sensorauswertung der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung und
4 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt einen elektrischen Wasserheizer 12, insbesondere einen Durchlauferhitzer. Der elektrische Wasserheizer 12 ist insbesondere zu einer Ausgabe von Wasser vorgesehen, welches während der Ausgabe erhitzt wird. Der elektrische Wasserheizer 12 umfasst zumindest ein elektrisches Heizelement 14, 16, 18. Der Wasserheizer 12 umfasst insbesondere zumindest eine Wasserführung 94. Das zumindest eine elektrische Heizelement 14, 16, 18 ist vorzugsweise innerhalb der Wasserführung 94 angeordnet, insbesondere sodass das elektrische Heizelement 14, 16, 18 während eines Betriebs des elektrischen Wasserheizers 12 von dem Wasser umströmt wird. Der Wasserheizer 12 kann insbesondere eine oder mehrere Wasserausgabestellen für das Wasser aufweisen, wie beispielsweise mehrere Wasserhähne und/oder Duschen. Der Wasserheizer 12 umfasst eine mehrphasige Wechselstromversorgung 20, insbesondere eine Dreiphasenwechselstromversorgung, zu einem Betrieb des Heizelements 14, 16, 18. Die Wechselstromversorgung 20 umfasst insbesondere drei Phasen 40, 42, 44. Der Wasserheizer 12 umfasst eine Sicherheitsvorrichtung 10. Die Sicherheitsvorrichtung 10 ist insbesondere für bis zu 27 kW-Wasserheizer ausgelegt.
Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst zumindest eine Stromunterbrechungseinheit 22 zu einem Unterbrechen der Wechselstromversorgung 20. Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst eine Hauptsteuereinheit 24. Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst eine Sicherheitssteuereinheit 26. Die Sicherheitssteuereinheit 26 ist von der Hauptsteuereinheit 24 separat ausgebildet. Die Sicherheitssteuereinheit 26 und die Hauptsteuereinheit 24 sind parallel zueinander verschaltet. Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst zumindest eine Sensoreinheit 28 zu einer Erfassung von sicherheitsrelevanten Betriebsparametern des Wasserheizers 12. Die Hauptsteuereinheit 24 und die Sicherheitssteuereinheit 26 sind jeweils als zentrale Mikroprozessoren, insbesondere Mikrocontroller, ausgebildet. Die Hauptsteuereinheit 24 und die Sicherheitssteuereinheit 26 sind jeweils datentechnisch zwischen der Sensoreinheit 28 und der Stromunterbrechungseinheit 22 angeordnet. Die Hauptsteuereinheit 24 und die Sicherheitssteuereinheit 26 umfassen vorzugsweise eine Interprozessorschnittstelle 84. Vorzugsweise ist die Interprozessorschnittstelle 84 als inter-integrated-circuit-Bus (I²C-Bus) ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die Sicherheitsvorrichtung 10 zumindest einen Speicher 82. Vorzugsweise ist der Speicher 82 als electrical erasable programmable read-only memory (EEPROM) ausgebildet. Der Speicher 82 ist vorzugsweise, insbesondere mittels der Interprozessorschnittstelle 84, an der Hauptsteuereinheit 24 und an der Sicherheitssteuereinheit 26 angeschlossen.
Vorzugsweise umfasst die Sensoreinheit 28 zumindest einen Temperatursensor 74, insbesondere zu einer Erfassung einer Wassertemperatur in der Wasserführung 94 als sicherheitsrelevanter Betriebsparameter. Der Temperatursensor 74 ist vorzugsweise in der Wasserführung 94 angeordnet, insbesondere stromabwärts des Heizelements 14, 16, 18. Vorzugsweise umfasst die Sensoreinheit 28 zumindest einen weiteren Temperatursensor 76, insbesondere zu einer Erfassung einer weiteren Wassertemperatur in der Wasserführung 94 als sicherheitsrelevanter Betriebsparameter. Der weitere Temperatursensor 76 ist vorzugsweise in der Wasserführung 94 angeordnet, insbesondere stromaufwärts des Heizelements 14, 16, 18. Der Temperatursensor 74 und/oder der weitere Temperatursensor 76 sind vorzugsweise als Heißleitersensor (NTC-Sensor) ausgebildet. Der Temperatursensor 74 und der weitere Temperatursensor 76 sind vorzugsweise separat voneinander ausgebildet und unabhängig voneinander verschaltet. Insbesondere sind der Temperatursensor 74 und der weitere Temperatursensor 76 jeweils an einem eigenen, insbesondere analogen, Signaleingang der Hauptsteuereinheit 24 und der Sicherheitssteuereinheit 26 angeschlossen. Insbesondere ist die Sensoreinheit 28 bezüglich einer Temperaturmessung mit dem Temperatursensoren 74, 76 gemäß dem Standard IEC/EN 60730-1, Anhang J ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die Sensoreinheit 28 zumindest einen Flusssensor 78, insbesondere zu einer Erfassung eines Wasservolumenstroms oder einer äquivalenten Größe in der Wasserführung 94 als sicherheitsrelevanten Betriebsparameter.
Die von der Hauptsteuereinheit 24 und der Sicherheitssteuereinheit 26 gesteuerte Stromunterbrechungseinheit 22 umfasst zu einer Unterbrechung der Phasen 40, 42, 44 der Wechselstromversorgung 20 Niederspannungsrelais 68. Vorzugsweise umfasst die Stromunterbrechungseinheit 22 für jede Phase 40, 42, 44 zumindest jeweils ein Niederspannungsrelais 68. Besonders bevorzugt umfasst die Stromunterbrechungseinheit 22 drei, insbesondere baugleiche, Niederspannungsrelais 68. Alternativ umfasst die Stromunterbrechungseinheit 22 ein, insbesondere einzelnes, mehrpoliges, insbesondere dreipoliges, Niederspannungsrelais 68. Die Sicherheitssteuereinheit 26 umfasst eine Relaissteuerung 48. Vorzugsweise umfasst die Sicherheitssteuereinheit 26 eine einzelne Relaissteuerung 48 für alle Niederspannungsrelais 68.
Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst ein Netzteil 32. Das Netzteil 32 ist vorzugsweise an zwei Phasen 42, 44 der Wechselstromversorgung 20 angeschlossen, insbesondere mittels einer zwei-Phasen-Diodenbrücke. Das Netzteil 32 ist vorzugsweise dazu ausgelegt, eine Gleichspannung zwischen 5V und 25V, besonders bevorzugt zwischen 10V und 15V, besonders bevorzugt zwischen 11.5V 12.5V auszugeben. Vorzugsweise weist das Netzteil 32 einen Spannungsüberwachungsausgang auf, der an einem, insbesondere digitalen, Signaleingang der Hauptsteuereinheit 24 angeschlossen ist. Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst einen an, insbesondere einem digitalen Signaleingang, der Hauptsteuereinheit 24 angeschlossenen Nulldurchgangsschalter 30. Der Nulldurchgangsschalter 30 ist vorzugsweise, insbesondere mittels eines Optokopplers, an zwei Phasen 40, 44 der Wechselstromversorgung 20 angeschlossen. Das Netzteil 32 und der Nulldurchgangsschalter 30 umfassen jeweils zumindest je einen Anschluss 34, 36 an unterschiedlichen Phasen 40, 42 der Wechselstromversorgung 20. Die Sicherheitsvorrichtung 10 umfasst eine Leistungsanpassungseinheit 46. Die Leistungsanpassungseinheit 46 ist insbesondere zwischen der Wechselstromversorgung 20 und dem Heizelement 14, 16, 18 geschaltet, insbesondere zu einer Anpassung der an den Heizelementen 14, 16, 18 umgesetzten elektrischen Leistung. Die Leistungsanpassungseinheit 46 umfasst vorzugsweise zumindest einen, insbesondere mehrere Triacs 70. Insbesondere umfasst die Leistungsanpassungseinheit 46 in jeder der Phasen 40, 42, 44 zumindest einen oder mehrere Triacs 70. Die Leistungsanpassungseinheit 46 umfasst insbesondere eine Triacsteuerung 72. Die Triacsteuerung 72 ist vorzugsweise an, insbesondere einem digitalen Signalausgang, der Hauptsteuereinheit 24 angeschlossen. Der Nulldurchgangsschalter 30 ist zwischen der Leistungsanpassungseinheit 46 und der Stromunterbrechungseinheit 22 an der Wechselstromversorgung 20 angeschlossen. Insbesondere ist der Nulldurchgangsschalter 30 und das Netzteil 32 auf unterschiedlichen Seiten dem Niederspannungsrelais 68 an der Wechselstromversorgung 20 angeschlossen.
2 zeigt die Relaissteuerung 48. Die Relaissteuerung 48 umfasst einen von der Hauptsteuereinheit 24 und der Sicherheitssteuereinheit 26 nur gemeinsam steuerbaren Gleichspannungswandler 60. Die Relaissteuerung 48 umfasst zumindest einen Steuereingang 50, der an, insbesondere einem Pulsweitenmodulationsausgang, der Hauptsteuereinheit 24 angeschlossen ist. Die Relaissteuerung 48 umfasst insbesondere einen Schalter 96, der zwischen dem Gleichspannungswandler 60 und dem Niederspannungsrelais 68 geschaltet ist. Insbesondere ist der Steuereingang 50 zu einem Schalten des Schalters 96 vorgesehen. Die Relaissteuerung 48 umfasst zumindest einen weiteren Steuereingang 56, der an, insbesondere einem Pulsweitenmodulationsausgang, der Sicherheitssteuereinheit 26 angeschlossen ist. Die Relaissteuerung 48 umfasst insbesondere einen weiteren Schalter 98, der zwischen dem Gleichspannungswandler 60, insbesondere dem Netzteil 32, und dem Niederspannungsrelais 68 geschaltet ist. Insbesondere ist der weitere Steuereingang 56 zu einem Schalten des weiteren Schalters 98 vorgesehen. Der Schalter 96 und der weitere Schalter 98 sind vorzugsweise in Serie geschaltet. Vorzugsweise sind der Schalter 96 und der weitere Schalter 98 an verschiedenen Anschlussseiten des Niederspannungsrelais 68 angeschlossen. Insbesondere ist das Niederspannungsrelais 68 nur schaltbar, wenn der Schalter 96 und der weitere Schalter 98 gleichzeitig geschlossen sind. Vorzugsweise umfasst die Relaissteuerung 48 zumindest eine Schalterkontrolle 100, welche insbesondere eine Spannung an einer Stelle zwischen dem Schalter 96 und dem Niederspannungsrelais 68 abgreift. Die Schalterkontrolle 100 ist insbesondere an der Sicherheitssteuereinheit 26 angeschlossen, alternativ oder zusätzlich an der Hauptsteuereinheit 24. Vorzugsweise umfasst die Relaissteuerung 48 zumindest eine weitere Schalterkontrolle 102, welche insbesondere eine Spannung an einer Stelle zwischen dem weiteren Schalter 98 und dem Niederspannungsrelais 68 abgreift. Die weitere Schalterkontrolle 102 ist insbesondere an der Hauptsteuereinheit 24 angeschlossen, alternativ oder zusätzlich an der Sicherheitssteuereinheit 26
Die Relaissteuerung 48 umfasst vorzugsweise einen Enable-Steuereingang 52, der an, insbesondere einem digitalen Signalausgang, der Sicherheitssteuereinheit 26 angeschlossen ist. Der Enable-Steuereingang 52 ist insbesondere dazu vorgesehen, eine Aktivierungsdauer der Stromunterbrechungseinheit 22 festzulegen. Das Niederspannungsrelais 68 ist vorzugsweise ohne anliegende Aktivierungsspannung offen, d.h. bezüglich der Wechselstromversorgung 20 nicht-leitend. Das Niederspannungsrelais 68 ist vorzugsweise bei anliegender Aktivierungsspannung geschlossen, d.h. bezüglich der Wechselstromversorgung 20 stromführend. Die Relaissteuerung 48 umfasst vorzugsweise einen Leistung-Steuereingang 54, der an, insbesondere einem digitalen Signalausgang, der Sicherheitssteuereinheit 26 angeschlossen ist. Der Leistung-Steuereingang 54 ist insbesondere dazu vorgesehen, die Relaissteuerung 48 während einer Aktivierung des Niederspannungsrelais 68 in einen Energiesparmodus zu versetzen.
Die Relaissteuerung 48 umfasst zumindest einen Signalausgang 58, der an der Hauptsteuereinheit 24 und an der Sicherheitssteuereinheit 26 angeschlossen ist. Insbesondere ist der Signalausgang 58 dazu vorgesehen, einen Wert der von der Relaissteuerung 48 an das Niederspannungsrelais 68 ausgegebenen Spannung, insbesondere der Aktivierungsspannung, auszugeben. Vorzugsweise übermittelt der Signalausgang 58 den Wert der von der Relaissteuerung 48 an das Niederspannungsrelais 68 ausgegebenen Spannung analog an die Sicherheitssteuereinheit 26 und die Hauptsteuereinheit 24.
3 zeigt ein Funktionsschema des Flusssensors 78. Der Flusssensor 78 umfasst vorzugsweise einen Rotationskörper, bevorzugt ein Flügelrad 90, aus Metall, mit Metallelementen und/oder einer metallenen Beschichtung. Der Rotationskörper ist insbesondere innerhalb der Wasserführung 94 drehbar gelagert, insbesondere stromaufwärts des Heizelements 14, 16, 18. Der Flusssensor 78 umfasst vorzugsweise eine Induktionsspule 92. Die Induktionsspule 92 ist vorzugweise als Printspule ausgebildet. Die Induktionsspule 92 ist insbesondere an einer Außenwand eines Abschnitts der Wasserführung 94 angeordnet, in welchem der Rotationskörper angeordnet ist. Der Flusssensor 78 umfasst vorzugsweise eine Sensorsteuerung 86. Die Sensorsteuerung 86 ist insbesondere dazu vorgesehen, mittels der Induktionsspule 92 eine Bewegung des Rotationskörpers induktiv zu erfassen und ein Messsignal zu erzeugen. Die Sensorsteuerung 86 ist vorzugsweise als Induktion-zu-Digital-Converter ausgebildet. Beispielhaft ist die Sensorsteuerung 86 als LDC1001-Baustein von Texas Instruments Incorporated implementiert. Vorzugsweise umfasst die Sensorsteuerung 86 einen Comparator, insbesondere zu einer Verarbeitung des Messsignals zu modifizierten Daten 66, insbesondere zu einer Umwandlung des Messsignals in ein Rechtecksignal. Die Sensorsteuerung 86 ist vorzugsweise an, insbesondere einem Timer-Signaleingang, der Hauptsteuereinheit 24 und an, insbesondere einem Timer-Signaleingang, der Sicherheitssteuereinheit 26 angeschlossen. Vorzugsweise umfasst die Sensorsteuerung 86 eine bidirektionale Datenschnittstelle 88 mit der Sicherheitssteuereinheit 26. Vorzugsweise ist die bidirektionale Datenschnittstelle 88 als Serial-Peripheral-Interface (SPI) ausgebildet. Vorzugsweise ist die bidirektionale Datenschnittstelle 88 zu einer Übertragung von Rohdaten 64 des Messsignals vorgesehen.
4 zeigt ein Verfahren 62 zum Betrieb der Sicherheitsvorrichtung 10. Die Stromunterbrechungseinheit 22 wird in zumindest einem Verfahrensschritt in einem in Bezug auf die Wechselstromversorgung 20 stromführenden Zustand, d.h. geschlossenen Zustand, unterhalb der Aktivierungsspannung der Stromunterbrechungseinheit 22 betrieben. In zumindest einem Verfahrensschritt wird, insbesondere regelmäßig, ein Betriebszustand der Relaissteuerung 48 der Stromunterbrechungseinheit 22 überwacht. In zumindest einem Verfahrensschritt werden die Rohdaten 64 der Sensoreinheit 28, insbesondere des Flusssensors 78, mit den modifizierten Daten 66 verglichen. Die Rohdaten 64 werden zumindest mittels des Comparators der Sicherheitsvorrichtung 10, insbesondere der Sensorsteuerung 86, aus den Rohdaten 64 gewonnen.
Das Verfahren 62 umfasst insbesondere einen Stromversorgungstest 104. In dem Stromversorgungstest 104 versorgt das Netzteil 32 insbesondere die Stromunterbrechungseinheit 22, die Sicherheitssteuereinheit 26, die Hauptsteuereinheit 24 und/oder die Sensoreinheit 28 mit elektrischer Spannung. Ist eine der Phasen 42, 44, an welcher das Netzteil 32 angeschlossen ist, fehlerhaft, kann die Stromunterbrechungseinheit 22, die Sicherheitssteuereinheit 26, die Hauptsteuereinheit 24 und/oder die Sensoreinheit 28 nicht aktiviert werden und es kommt insbesondere zu einem Ende 106 des Verfahrens 62. Das Verfahren 62 umfasst insbesondere einen Nulldurchgangstest 108. In dem Nulldurchgangstest 108 löst der Nulldurchgangsschalter 30 bei Detektion eines Nulldurchgangs einer der Phasen 40, 44 der Wechselstromversorgung 20, an welcher er angeschlossen ist, eine Signalausgabe der Hauptsteuereinheit 24, insbesondere an die Triacsteuerung 72, aus. Wird kein Nulldurchgang detektiert, wird die Leistungsanpassungseinheit 46 nicht geschaltet und es kommt insbesondere zu einem Ende 106 des Verfahrens 62.
Das Verfahren 62 umfasst insbesondere eine Hauptauswertung 110, die insbesondere von der Hauptsteuereinheit 24 ausgeführt wird. Das Verfahren 62 umfasst insbesondere eine Sicherheitsauswertung 112, die insbesondere von der Sicherheitssteuereinheit 26 ausgeführt wird. Vorzugsweise umfasst die Hauptauswertung 110 und Sicherheitsauswertung 112 jeweils eine Temperaturauswertung 114. Insbesondere wird in der Temperaturauswertung 114 eine Temperatur des Wassers vor und/oder nach dem Heizelement 14, 16, 18 von den Temperatursensoren 74, 76 erfasst. Vorzugsweise wird in der Temperaturauswertung 114 die Temperatur von der Hauptsteuereinheit 24 und der Sicherheitssteuereinheit 26 ausgewertet, insbesondere mit einem zulässigen Maximalwert verglichen. Vorzugsweise umfasst die Hauptauswertung 110 und Sicherheitsauswertung 112 eine Flussauswertung 116. Insbesondere werden in der Flussauswertung 116 die von dem Flusssensor 78 erfassten Rohdaten 64 und/oder die modifizierten Daten 66 von der Hauptsteuereinheit 24 und der Sicherheitssteuereinheit 26 ausgewertet, insbesondere mit einem zulässigen Minimalwert verglichen. Vorzugsweise umfasst die Hauptauswertung 110 und Sicherheitsauswertung 112 eine Heizerauswertung 118. Insbesondere umfasst die Sicherheitsvorrichtung 10 eine Diodenmatrix 80 zu einem Abgriff einer an dem Heizelement 14, 16, 18 anliegenden Spannung. Insbesondere sind Abgriffpunkte der Diodenmatrix 80 signaltechnisch zwischen dem Heizelement 14, 16, 18 und der Leistungsanpassungseinheit 46 angeordnet. Vorzugsweise ist eine Ausgabe der Diodenmatrix 80, insbesondere über einen Optokoppler galvanisch getrennt, an die Sicherheitssteuereinheit 26 und die Hauptsteuereinheit 24 angeschlossen. Insbesondere wird in der Heizerauswertung 118 anhand eines Ausgabesignals der Diodenmatrix 80 geprüft, ob das Heizelement 14, 16, 18 aktiv ist oder nicht aktiv ist. Insbesondere wird eine Aktivität des Heizelements 14, 16, 18 von der Hauptsteuereinheit 24 und/oder der Sicherheitssteuereinheit 26 auf Konsistenz mit einem Ausgabesignal der Hauptsteuereinheit 24 and die Leistungsanpassungseinheit 46 überprüft. Vorzugsweise umfasst zumindest die Hauptauswertung 110 eine Stromstabilitätsauswertung 120. Insbesondere bewertet die Hauptsteuereinheit 24 in der Stromstabilitätsauswertung 120 eine Spannungsausgabe des Netzteils 32, insbesondere durch Vergleich mit einem Sollwert für die Spannungsausgabe.
Vorzugsweise umfasst die Hauptauswertung 110 und Sicherheitsauswertung 112 eine Relaisrücklaufauswertung 122. Insbesondere bewertet die Hauptsteuereinheit 24 und die Sicherheitssteuereinheit 26 in der Relaisrücklaufauswertung 122 eine Spannungsausgabe des Gleichspannungswandlers 60, insbesondere durch Vergleich mit einem Sollwert. Insbesondere bewertet die Hauptsteuereinheit 24 und/oder die Sicherheitssteuereinheit 26 in der Relaisrücklaufauswertung 122 eine Schalterspannung, welche zwischen dem Schalter 96 und den Niederspannungsrelais 68 abgegriffen wird, insbesondere durch Vergleich mit einem Sollwert. Insbesondere bewertet die Hauptsteuereinheit 24 und/oder die Sicherheitssteuereinheit 26 in der Relaisrücklaufauswertung 122 eine Schalterspannung, welche zwischen dem weiteren Schalter 96 und den Niederspannungsrelais 68 abgegriffen wird, insbesondere durch Vergleich mit einem Sollwert. Insbesondere überprüft die Sicherheitssteuereinheit 26 und/oder die Hauptsteuereinheit 24 in der Relaisrücklaufauswertung 122 eine Konsistenz der abgegriffenen Spannung mit einem an die Relaissteuerung 48 gesendeten Steuersignal der Sicherheitssteuereinheit 26 und/oder der Hauptsteuereinheit 24.
Das Verfahren 62 umfasst insbesondere einen Auswertungsabgleich 124. In dem Auswertungsabgleich 124 vergleicht die Hauptsteuereinheit 24 und die Sicherheitssteuereinheit 26 ihre jeweilige Bewertung des sicherheitsrelevanten Betriebsparameters. Ist der Auswertungsabgleich 124 inkonsistent, löst die Hauptsteuereinheit 24 und/oder die Sicherheitssteuereinheit 26 einen Sperrmodus 126 aus. Insbesondere kann das Heizelement 14, 16, 18 bis zu einer manuellen Aufhebung des Sperrmodus 126 nicht betrieben werden. Ist der Auswertungsabgleich 124 konsistent, nimmt die Hauptsteuereinheit 24 und/oder die Sicherheitssteuereinheit 26 einen Regelbetrieb 128 der Sicherheitsvorrichtung 10 auf oder setzt diesen fort. Eine Periodizität, mit welcher Einzelschritte der Hauptauswertung 110 oder der Sicherheitsauswertung 112 ausgeführt wird, kann für verschiedene der sicherheitsrelevanten Betriebsparameter unterschiedlich oder gleich sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19702904 C2 [0001]

Claims

Sicherheitsvorrichtung für einen elektrischen Wasserheizer, welcher zumindest ein elektrisches Heizelement (14, 16, 18) und zumindest eine mehrphasige Wechselstromversorgung (20) zu einem Betrieb des Heizelements (14, 16, 18) aufweist, mit zumindest einer Stromunterbrechungseinheit (22) zu einem Unterbrechen der Wechselstromversorgung (20), mit zumindest einer Hauptsteuereinheit (24), mit zumindest einer von der Hauptsteuereinheit (24) separat ausgebildeten und zur Hauptsteuereinheit (24) parallel verschalteten Sicherheitssteuereinheit (26) und mit zumindest einer Sensoreinheit (28) zu einer Erfassung von sicherheitsrelevanten Betriebsparametern des Wasserheizers, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptsteuereinheit (24) und die Sicherheitssteuereinheit (26) jeweils als zentrale Mikroprozessoren, insbesondere Mikrocontroller, ausgebildet sind, welche jeweils datentechnisch zwischen der Sensoreinheit (28) und der Stromunterbrechungseinheit (22) angeordnet sind.
Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Hauptsteuereinheit (24) und der Sicherheitssteuereinheit (26) gesteuerte Stromunterbrechungseinheit (22) zu einer Unterbrechung von Phasen (40, 42, 44) der Wechselstromversorgung (20) Niederspannungsrelais (68) umfasst.
Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen an der Hauptsteuereinheit (24) angeschlossenen Nulldurchgangsschalter (30).
Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Netzteil (32), wobei das Netzteil (32) und der Nulldurchgangsschalter (30) jeweils zumindest je einen Anschluss (34, 36) an unterschiedlichen Phasen (40, 42) der Wechselstromversorgung (20) aufweisen.
Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine Leistungsanpassungseinheit (46), wobei der Nulldurchgangsschalter (30) zwischen der Leistungsanpassungseinheit (46) und der Stromunterbrechungseinheit (22) an der Wechselstromversorgung (20) angeschlossen ist.
Sicherheitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromunterbrechungseinheit (22) eine Relaissteuerung (48) umfasst, welche zumindest einen Steuereingang (50) umfasst, der an der Hauptsteuereinheit (24) angeschlossen ist und zumindest einen weiteren Steuereingang (52, 54, 56) umfasst, der an der Sicherheitssteuereinheit (26) angeschlossen ist.
Sicherheitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromunterbrechungseinheit (22) eine Relaissteuerung (48) umfasst, welche zumindest einen Signalausgang (58) umfasst, der an der Hauptsteuereinheit (24) und an der Sicherheitssteuereinheit (26) angeschlossen ist.
Sicherheitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromunterbrechungseinheit (22) eine Relaissteuerung (48) umfasst, welche einen von der Hauptsteuereinheit (24) und der Sicherheitssteuereinheit (26) nur gemeinsam steuerbaren Gleichspannungswandler (60) umfasst.
Elektrischer Wasserheizer, insbesondere Durchlauferhitzer, mit zumindest einem elektrischen Heizelement (14, 16, 18), einer mehrphasigen Wechselstromversorgung (20) zu einem Betrieb des Heizelements (14, 16, 18) und mit einer Sicherheitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren zum Betrieb einer Sicherheitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromunterbrechungseinheit (22) in zumindest einem Verfahrensschritt in einem in Bezug auf die Wechselstromversorgung (20) stromführenden Zustand unterhalb einer Aktivierungsspannung der Stromunterbrechungseinheit (22) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere regelmäßig, ein Betriebszustand einer Relaissteuerung (48) der Stromunterbrechungseinheit (22) überwacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt Rohdaten (64) der Sensoreinheit (28) mit modifizierten Daten (66) verglichen werden, die zumindest mittels eines Comparators der Sicherheitsvorrichtung aus den Rohdaten (64) gewonnen worden sind.