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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Durchflussmenge, ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, ein Computerprogramm, ein Regel- und Steuergerät und ein Heizgerät.
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Es sind eine Vielzahl von Heizgeräten bekannt, die ein von einer Fördereinrichtung gefördertes Verbrennungsgemisch aus einem Brennstoff, insbesondere einem Brenngas wie Erdgas oder Wasserstoff, einem Brenner zuführen und verbrennen und die entstehende Wärme zur Versorgung eines Gebäudes nutzen.
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Diese Heizgeräte haben zumeist eine Regelung der Zusammensetzung des Verbrennungsgemisches und damit des Verbrennungsluftverhältnisses (auch als Lambda oder Luftzahl bezeichnet). In eine derartige Regelung eines Heizgerätes fließt in der Regel eine erfasste bzw. gemessene Durchflussmenge, also ein Masse- oder Volumenstrom Verbrennungsgemisch, Verbrennungsluft und/oder Brenngas ein. Hierfür können Heizgeräte einen Volumenstromsensor oder Massestromsensor aufweisen, wobei ein Volumenstrom aus einem ermittelten Massestrom überführt werden kann, näherungsweise durch Multiplikation mit einer Konstanten oder auch exakt unter Einbeziehung von gemessenen oder erfassten Zustandsparametern des strömenden Fluides. Ein Ausfall oder insbesondere eine Drift eines Volumenstrom- oder Massestromsensors kann zu einer Fehleinstellung des Verbrennungsluftverhältnisses und damit zu kritischen Betriebszuständen des Heizgerätes führen. Ein kritischer Betriebszustand kann beispielsweise ein Flammenrückschlag sein, der insbesondere bei mit Wasserstoff betriebenen Heizgeräten aufgrund der hohen Flammengeschwindigkeit einer Wasserstoffflamme auftreten kann.
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Häufig wird auch ein Volumenstrom anhand einer Leistung der Fördereinrichtung bestimmt, insbesondere anhand einer Drehzahl einer als Gebläse ausgebildeten Fördereinrichtung. Eine Bestimmung des Volumenstromes anhand der Drehzahl ist jedoch häufig nicht ausreichend exakt, da der Zusammenhang zwischen Volumenstrom und Drehzahl beispielsweise bei einem erhöhten Strömungswiderstand in einem Abgasrohr oder einer Abgasanlage des Heizgerätes deutlich variieren kann.
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Ein Verfahren zum Bestimmen eines Durchflusses ist aus der
DE 10 2007 037 394 A1 bekannt. Es wird vorgeschlagen, dass zwei Temperatursensoren an einer Verengung des Querschnitts einer Rohrleitung angeordnet sind, wobei einer der Temperatursensoren beheizbar ausgeführt ist. Anhand der Signale der Temperatursensoren und einer gegebenen Heizleistung des beheizten Temperatursensors kann eine Regel-/Auswerteeinheit den Durchfluss des Messmediums bestimmen. Diese Lösung erfordert neben der Anordnung an einer Querschnittsverengung zudem zwei dort angeordnete Temperatursensoren und ist damit aufwendig in der Umsetzung.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen einer Durchflussmenge, ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, ein Computerprogramm, ein Regel- und Steuergerät sowie ein Heizgerät vorzuschlagen, die die geschilderten Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden. Dabei soll die Erfindung ein einfaches Bestimmen einer Durchflussmenge ermöglichen.
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Zudem soll das Verfahren dazu geeignet sein, zumindest teilweise, automatisiert durchgeführt zu werden und möglichst geringe für eine Umsetzung notwendige bauliche Veränderungen an einem Heizgerät erfordern.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Hierzu trägt ein Verfahren zum Bestimmen einer Durchflussmenge eines gasförmigen Fluides in einem Strömungsweg eines Heizgerätes bei, wobei mindestens ein Aktor zur Einstellung einer Strömung des gasförmigen Fluids vorgesehen ist, und das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:
- a) Ansteuern mindestens eines, die Durchflussmenge beeinflussenden, Aktors mit einem Testsignal,
- b) Erfassen mindestens einer Antwort auf das Testsignal durch mindestens einen Sensor,
- c) Bestimmen einer Laufzeit des Testsignals von dem mindestens einen Aktor zu mindestens einem Sensor oder von einem ersten Sensor zu einem zweiten Sensor; und
- d) Bestimmen einer Durchflussmenge anhand der bestimmten Laufzeit.
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Die Schritte a), b), c) und d) können dabei mindesten einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Insbesondere kann der Schritt b) mehrmals wiederholt werden, wobei Antworten auf das Testsignal von mehreren im Strömungsweg nacheinander angeordneten Sensoren erfasst werden. Das Verfahren dient einem Bestimmen einer Durchflussmenge eines gasförmigen Fluides in einem Strömungsweg. Das Verfahren kann auch genutzt werden, eine erste ermittelte Durchflussmenge zu validieren oder zu überprüfen.
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Ein Strömungsweg kann eine Leitung sein, die von einer Strömung des gasförmigen Fluides durchströmt wird. Beispielsweise kann der Strömungsweg ein Strömungsweg der gasförmigen Edukte und/oder Produkte eines Heizgerätes sein, insbesondere ausgewählt aus der folgenden Gruppe: eine Zuführung Verbrennungsluft, eine Zuführung Brenngas, einen Gemischkanal, einen Brenner und eine Brennkammer und ein Abgasrohr bzw. eine Abgasanlage.
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Das Verfahren ist insbesondere zum Bestimmen einer Durchflussmenge eines gasförmigen Fluides in einem Strömungsweg eines Heizgerätes geeignet. Dabei kann das Heizgerät zumindest einen Wärmeerzeuger, insbesondere einen Gas-Brennwertkessel, umfassen, der durch Verbrennung eines Brennstoffes, insbesondere eines Brenngases (Wasserstoff, Erdgas) Wärmeenergie freisetzt und über mindestens einen Wärmetauscher auf einen Heizkreis übertragen kann, wobei Verbraucher des Heizkreises über einen Vorlauf und einen Rücklauf an das Heizgerät anschließbar sind. Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase können über einem Abgaskanal des Heizgerätes einer Abgasanlage zugeführt werden. Im Heizgerät kann im Heizkreislauf eine Umwälzpumpe dazu eingerichtet sein, ein Wärmeträgermedium (Heizungswasser) umzuwälzen, wobei über einen Heizungsvorlauf erwärmtes Wärmeträgermedium Verbrauchern, wie Konvektoren oder Flächenheizungen, zugeführt und über einen Heizungsrücklauf zum Wärmeerzeuger bzw. dem mindestens einen Wärmetauscher rückgeführt werden kann.
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Hierzu kann das Heizgerät eine Fördereinrichtung, insbesondere ein Gebläse, aufweisen, das Verbrennungsluft bzw. ein Verbrennungsgemisch aus Verbrennungsluft und Brenngas (z.B. Wasserstoff) einem Brenner des Heizgerätes zuführen kann. Eine Strömungsrichtung des Heizgerätes im Strömungsweg führt von einer Zuführung Verbrennungsluft bzw. einer Gaszuführung zu einem Brenner und weiter zur einem Abgasrohr bzw. der Abgasanlage des Heizgerätes. Die Fördereinrichtung kann dabei eine Leistungsregelung umfassen, insbesondere einen Drehzahlregler. Das Heizgerät kann dabei einen pneumatischen Gas-Luftverbund bilden, bei dem einem Massestrom Verbrennungsluft entsprechend einem Unterdruck (Steuerdruck) einer Drosselstelle, wie einer Venturidüse, ein über eine Gaszuführung bereitgestellter Massestrom Brenngas zugesetzt wird, so dass sich ein vordefiniertes (vorgegebenes) Verbrennungsluftverhältnis (Luftzahl, Lambda) einstellen kann. Das Heizgerät kann alternativ einen elektronischen Gas-Luftverbund aufweisen, bei dem anhand eines Signals einer Flammenüberwachung ein Rückschluss auf die Flammen und das Verbrennungsluftverhältnis erfolgen kann, so dass eine Regelung desselben ermöglicht wird. Das Heizgerät kann insbesondere zur Verbrennung von Wasserstoff als Brennstoff oder einem Gemisch enthaltend Wasserstoff eingerichtet sein. Das Gemisch kann dabei einen Gehalt von mindestens 80% oder mindestens 90% Wasserstoff aufweisen.
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Zudem kann das Heizgerät eine Flammenüberwachung aufweisen. Häufig kommt hierzu als Sensor eine lonisationselektrode zum Einsatz, die einen lonisationsstrom der Flamme zum Feststellen derselben nutzen kann. Dieses Prinzip ist jedoch bei einer Wasserstoffflamme nicht robust einsetzbar, da bei der Verbrennung von Wasserstoff erheblich weniger freie Ladungsträger entstehen. Häufig kommen daher bei mit Wasserstoff betriebenen Heizgeräten andere Verfahren, wie beispielsweise ein Erfassen der von der Flamme emittierten elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Infrarot- (IR-) und/ oder UV- (Ultraviolett-) Strahlung oder ein Erfassen der Flammentemperatur zum Einsatz. Ein Signal einer Flammenüberwachung kann dabei das Vorhandensein einer Flamme anzeigen, sowie ein Rückschluss auf ein Verbrennungsluftverhältnis der Flamme ermöglichen.
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Grundsätzlich kann zum Erfassen der Flammentemperatur des Heizgerätes ein beliebiger Temperatursensor eingesetzt werden. Insbesondere kann ein widerstandsbasierter Temperatursensor, beispielsweise ein Heißleiter (NTC) oder Kaltleiter (PTC), ein Platin- oder Silizium-Messwiderstand, oder auch ein Halbleiter-Temperatursensor genutzt werden. Auch kann zum Erfassen einer Flammentemperatur ein Hot-Surface-Igniter (HSI) (auch als Glühzünder bezeichnet) des Heizgerätes genutzt werden, der zudem als Zündeinrichtung des Heizgerätes eingesetzt werden kann.
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Auch kann das Heizgerät eine Einrichtung zur Analyse eines Verbrennungsgemisches aufweisen. Diese kann mindestens einen Sensor umfassen, der beispielsweise einen Brenngasanteil im Verbrennungsgemisch messen kann. Alternativ oder kumulativ könnte auch der Luftanteil im Verbrennungsgemisch gemessen werden, beispielsweise mittels Messung eines Sauerstoffanteils durch eine Lambdasonde.
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Gemäß Schritt a) kann ein Ansteuern mindestens eines, die Durchflussmenge beeinflussenden, Aktors mit einem Testsignal erfolgen.
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Ein die Durchflussmenge beeinflussender Aktor ist dazu geeignet, aktiv (durch Ansteuerung) die Durchflussmenge des Strömungsweges zu beeinflussen bzw. einzustellen. Dies kann insbesondere eine Fördereinrichtung oder ein Gasventil eines Heizgerätes sein, wobei diese entsprechend regelbare Stellmotoren, Stellglieder, etc. aufweisen. Das Ansteuern mit einem Testsignal kann sich insbesondere auf eine Leistung bzw. ein Steuersignal der Fördereinrichtung und/oder auf eine Öffnungsweite des Gasventils beziehen.
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Das Testsignal kann ein beliebiges Signal sein, dass durch einen dem Aktor nachgeordneten Sensor erfasst werden kann. Insbesondere ist das Testsignal derart ausgebildet, dass ein laufender Betrieb einer Vorrichtung, beispielsweise eines Heizgerätes, durch das Testsignal nicht oder nur unwesentlich beeinflusst wird. Das Testsignal kann dabei insbesondere additiv mit einem betriebsbedingten bereits vorhandenen Signal (einer aktuellen Leistung der Fördereinrichtung, einer aktuellen Öffnungsposition des Gasventils) verbunden werden. Das Testsignal hat insbesondere eine signifikante Veränderung oder Ausbildung mindestens eines Strömungsparameters zur Folge, der mittels des mindestens einen Sensors identifizierbar ist. Insoweit besteht ein eindeutiger bzw. bekannter Zusammenhang von Testsignal und damit erzeugtem Strömungsparameter.
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Gemäß Schritt b) kann ein Erfassen mindestens einer Antwort auf das Testsignal durch mindestens einen Sensor erfolgen. Der Sensor kann dabei bezogen auf die Strömungsrichtung des Fluides, insbesondere stromabwärts des mindestens einen Aktors angeordnet sein kann. Eine Antwort auf das Testsignal kann dabei durch unterschiedliche Sensorik erfasst werden, insbesondere mit Blick auf den beeinflussten bzw. erzeugten Strömungsparameter. Beispielhaft können bei einem Heizgerät folgende Sensoren zum Erfassen einer Antwort auf das Testsignal genutzt werden:
- - ein Sensor zur Analyse des Verbrennungsgemisches,
- - ein Sensor einer Flammenüberwachung,
- - ein Sensor zur Abgasanalyse.
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Nachfolgend werden beispielhaft, jedoch nicht abschließend einige Möglichkeiten eines Testsignals und einer zu erfassenden Antwort desselben genannt. Bei einem Testsignal, mit dem in Schritt a) das Gasventil angesteuert und eine Veränderung der Öffnungsstellung des Gasventils bewirkt wird, können folgende Antworten erfasste werden: eine Änderung der Zusammensetzung des Verbrennungsgemisches erfasst durch einen Sensor zur Analyse des Verbrennungsgemisches; eine Änderung einer Flammentemperatur erfasst durch einen Flammentemperatursensor; eine Änderung der von der Flamme emittierten UV-Strahlung (Ultraviolett-Strahlung) erfasst durch einen UV-Sensor einer Flammenüberwachung; eine Änderung eines lonisationsstromes der Flamme erfasst durch einen lonisationselektrode der Flammenüberwachung; eine Änderung der Abgaszusammensetzung / Abgastemperatur erfasst durch einen Sensor zur Abgasanalyse.
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Gemäß einer Ausgestaltung können mehrere Antworten mehrerer (beabstandet im Strömungsweg angeordneter) Sensoren erfasst werden. Vorteilhaft ergibt sich so die Möglichkeit, durch eine einmalige Durchführung des Schrittes a) mehrere Werte für die Durchflussmenge zu bestimmen und gegebenenfalls zusammenzuführen, beispielsweise durch eine Mittelwertbildung.
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Gemäß Schritt c) kann ein Bestimmen mindestens einer Laufzeit des Testsignals von (i) einem Aktor zu einem Sensor oder (ii) von einem ersten Sensor zu einem zweiten Sensor erfolgen. Dabei versteht sich, dass die Laufzeit immer spezifisch einer konkreten Teststrecke von (i) einem konkreten Aktor zu einem konkreten Sensor oder von (ii) einem ersten Sensor zu einem zweiten Sensor zuzuordnen ist.
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Eine Laufzeit kennzeichnet dabei die Zeitdauer, die von einem Aussenden des Testsignals durch ein Ansteuern des Aktors oder von einem Erfassen einer Antwort auf das Testsignal durch einen ersten Sensor bis zu einem Erfassen einer Antwort durch einen zweiten Sensor vergeht. Die Laufzeit als Zeitdauer für das Durchströmen einer bestimmten Wegstrecke (von Aktor zu Sensor oder von Sensor zu Sensor) durch das gasförmige Fluid ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides und somit für die Durchflussmenge.
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Das Testsignal kann dabei eine Impulsform, beispielsweise ein Rechteckimpuls, ein Wechselimpuls oder ein Schwingungsimpuls sein, dass dem Stellmotor, etc. des Aktors aufgegeben wird. Alternativ oder kumulativ kann das Testsignal auch ein periodisches Testsignal, beispielsweise eine Rechteck-, Sinus-, Dreieck- oder Sägezahnschwingung sein. Eine Laufzeit einer periodischen Schwingung kann als Phasenverschiebung zwischen dem periodischen Testsignal und einer erfassten periodischen Antwort auf das Testsignal erfasst werden.
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Gemäß Schritt d) kann ein Bestimmen einer Durchflussmenge anhand der bestimmten Laufzeit erfolgen. Wie bereits erwähnt, kann eine Durchflussmenge ein Masse- oder Volumenstrom sein, wobei ein Massestrom rechnerisch in einen Volumenstrom überführt werden kann und umgekehrt. Näherungsweise kann hierfür mit einem Skalierungsfaktor multipliziert werden oder in Kenntnis von benötigten Zustandsparametern des gasförmigen Fluides (Dichte, Temperatur, Druck) auch eine exakte Umrechnung erfolgen.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann Schritt d) das Bestimmen einer Durchflussmenge anhand der in Schritt c) bestimmten, mindestens einen, Laufzeit mit mindestens einem Referenzzusammenhang umfassen. Ein Referenzzusammenhang kann dabei im Vorfeld an einem Referenzheizgerät durch (Labor-)Versuche ermittelt worden sein. Der Referenzzusammenhang kann dabei einer Laufzeit von einem Aktor oder Sensor zu einem weiteren Sensor und einer Durchflussmenge, also einem Masse- oder Volumenstrom, zuordnen. Dabei können mehrere Referenzzusammenhänge für unterschiedliche Teststrecken gegeben sein.
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Alternativ oder kumulativ kann anhand einer ermittelten Laufzeit unter Einbeziehung einer bekannten Länge der konkreten Teststrecke und eines bekannten Strömungsquerschnittes der Teststrecke, anders formuliert das durchströmte Volumen der Teststrecke, eine Durchflussmenge bestimmt werden.
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In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass insbesondere auch ein Bestimmen einer Durchflussmenge gemäß einem hier vorgeschlagenen Verfahren für mehrere Teststrecken eines Strömungsweges erfolgen kann und zusammengeführt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann ein hier vorgeschlagenes Verfahren dazu genutzt werden, eine anderweitig bestimmte (durch einen Masse- oder Volumenstromsensor, durch eine Drehzahl einer Fördereinrichtung etc.) Durchflussmenge zu verifizieren. Bei einer kritischen Abweichung der mit einem hier vorgeschlagenen Verfahren ermittelten Durchflussmenge von einer anderweitig bestimmten Durchflussmenge kann das Heizgerät gegebenenfalls eine Fehlernachricht anzeigen oder über ein Netzwerk, wie dem Internet, übermitteln bzw. zum Abruf bereitstellen. Alternativ oder kumulativ kann das Heizgerät in einen Sicherheitsmodus verbracht werden, in dem nur noch sichere Betriebspunkte vom Heizgerät angefahren werden, um das Risiko kritischer Zustände aufgrund einer fehlerhaften Durchflussmenge zu minimieren.
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Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes vorgeschlagen, das ein hier vorgestelltes Verfahren zum Bestimmen einer Durchflussmenge einbezieht. Das Heizgerät kann eine Fördereinrichtung zum Fördern eines Verbrennungsgemisches aus Brennstoff und Verbrennungsluft zu einem Brenner und mindestens einen Sensor für eine Analyse des Verbrennungsgemisches für eine Flammenüberwachung und/ oder für eine Abgasanalyse haben. Das Verfahren zum Bestimmen einer Durchflussmenge kann insbesondre in eine Regelung der Zusammensetzung des Verbrennungsgemisches, also einer Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses, einbezogen werden.
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Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches zur (zumindest teilweisen) Durchführung eines hier vorgestellten Verfahrens eingerichtet ist. Dies betrifft mit anderen Worten insbesondere ein Computerprogramm (-produkt), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer, diesen veranlassen, ein hier vorgeschlagenes Verfahren auszuführen. Das Computerprogramm kann insbesondere auf einem Regel- und Steuergerät des Heizgerätes durchgeführt werden.
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Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein maschinenlesbares Speichermedium vorgeschlagen, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
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Regelmäßig handelt es sich bei dem maschinenlesbaren Speichermedium um einen computerlesbaren Datenträger.
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Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Regel- und Steuergerät für ein Heizgerät vorgeschlagen, eingerichtet zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Das Regel- und Steuergerät kann hierzu beispielsweise einen Prozessor aufweisen, und/ oder über diesen verfügen. In diesem Zusammenhang kann der Prozessor beispielsweise das auf einem Speicher (des Regel- und Steuergeräts) hinterlegte Verfahren ausführen. Das Regel- und Steuergerät kann hierfür insbesondere mit einer Fördereinrichtung, einem Gasventil, und mindestens einem Sensor im Strömungsweg des Heizgerätes elektrisch verbunden sein. Zudem können auf einem Speicher des Regel- und Steuergerätes im Rahmen der Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens erfasste oder benötigte Daten hinterlegt werden, beispielsweise eine in Schritt c) bestimmte Laufzeit und/ oder einen Referenzzusammenhang für die Durchführung des Schrittes d).
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Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Heizgerät vorgeschlagen, aufweisend ein hier vorgeschlagenes Regel- und Steuergerät. Bei dem Heizgerät kann es sich um ein Gasheizgerät, insbesondere um ein wasserstoffbetriebenes Gasheizgerät, handeln. Das Gasheizgerät kann einen Brenner und eine Fördereinrichtung aufweisen, mit der ein Gemisch aus Brennstoff (z.B. Wasserstoff) und Verbrennungsluft der Brenner zugeführt werden kann. Zudem kann das Heizgerät mindestens einen Sensor umfassen, insbesondere einer Einrichtung zur Analyse des Verbrennungsgemisches, einer Flammenüberwachung und/ oder einer Einrichtung zur Abgasanalyse.
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Nach einem weiteren Aspekt wird auch eine Verwendung einer erfassten Laufzeit eines Testsignals in einem Strömungsweg eines Heizgerätes zum Bestimmen einer Durchflussmenge in dem Strömungsweg vorgeschlagen. Die bestimmte Durchflussmenge wird zudem in der Regelung des Heizgerätes verwendet, insbesondere zur Prüfung und/oder Kalibrierung der Regelung. Der Strömungsweg kann dabei insbesondere ein Strömungsweg eines Heizgerätes sein, beispielsweise umfassend einen Gemischkanal und ein Abgasrohr.
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Die im Zusammenhang mit den Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Computerprogramm, dem Regel- und Steuergerät, dem Heizgerät und der Verwendung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
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Hier werden somit ein Verfahren zum Bestimmen einer Durchflussmenge, ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes, ein Computerprogramm, ein Regel- und Steuergerät, ein Heizgerät und eine Verwendung angegeben, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere tragen die Verfahren, das Computerprogramm, das Regel- und Steuergerät, das Heizgerät sowie die Verwendung zumindest dazu bei, ein einfaches Bestimmen einer Durchflussmenge in einem Strömungsweg zu ermöglichen. Besonders vorteilhaft kann die Erfindung vollständig automatisiert, beispielsweise von einem Regel- und Steuergerät eines Heizgerätes durchgeführt werden und benötig zudem in der Regel keine baulichen Veränderungen an einem Heizgerät nach dem Stand der Technik.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: einen Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens zum Bestimmen einer Durchflussmenge,
- 2: ein hier vorgeschlagenes Heizgerät,
- 3: einen Strömungsweg eines Heizgerätes, und
- 4 - 6: Parameterverläufe, die sich bei der Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens einstellen können.
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1 zeigt beispielhaft und schematisch einen Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Die mit Blöcken 110, 120, 130 und 140 dargestellte Durchführung der Schritte a), b), c) und d) kann bei einem regulären Verfahrensablauf mindestens einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Das Verfahren dient einem Bestimmen einer Durchflussmenge in einem Strömungsweg 19, hier beispielhaft eines Heizgerätes 1. Das Verfahren kann dabei insbesondere an einem in Betrieb befindlichen Heizgerät 1 durchgeführt werden.
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2 zeigt beispielhaft und schematisch ein hier vorgeschlagenes Heizgerät 1. Dieses kann einen in einer Brennkammer 8 angeordneten Brenner 3 umfassen. Über eine Zuführung Verbrennungsluft 4, in der ein Massenstromsensor angeordnet sein kann, kann Verbrennungsluft durch eine Fördereinrichtung 2, insbesondere als Gebläse ausgebildet, angesaugt werden. Die Fördereinrichtung 2 kann mit einem Drehzahlregler 6 verbunden sein, der mittels eines pulsweitenmodulierten (PWM-) Signals eine Drehzahl n der Fördereinrichtung 2 regeln kann. Ein Gasventil 5 kann dem angesaugten Luftmassenstrom Verbrennungsluft Brenngas aus einer Gaszuführung 14 zusetzen und ein Sicherheitsventil sowie ein Gasregelventil zur Steuerung des zuzusetzenden Massestromes Brenngas umfassen. Das erzeugte Gemisch aus Brenngas und Verbrennungsluft kann über einen Gemischkanal 11 zum Brenner 3 strömen und dort bei einem Startvorgang des Heizgerätes 1 von einer Zündeinrichtung 12 entzündet werden. Im Gemischkanal kann zudem ein Sensor 17 zur Analyse des Verbrennungsgemisches angeordnet sein. Der Brenner 3 kann eine Zylinderform aufweisen, die mit einer Grundfläche an einer Brennertür 15 derart befestigt sein kann, dass Verbrennungsgemisch aus dem Gemischkanal 11 in den Brenner 3 strömen kann. Die Verbrennungsprodukte können nach der Verbrennung über ein Abgasrohr 9 des Heizgerätes und eine Abgasanlage 10 nach Außen abgeleitet werden. Im Abgasrohr 9 kann zudem ein Sensor zur Abgasanalyse 18 angeordnet sein. Dabei bilden die Zuführung Verbrennungsluft 4, die Gaszuführung 14, der Gemischkanal 11, der Brenner 3 und die Brennkammer 8, sowie das Abgasrohr 9 und die Abgasanlage 10 einen Strömungsweg 19 des Heizgerätes 1. Das Heizgerät 1 kann einen Wärmetauscher 16 aufweisen, der bei der Verbrennung entstehende Wärme beispielsweise auf einen, in einem Heizkreis zirkulierenden, Wärmeträger übertragen kann.
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Das hier vorgeschlagenen Heizgerät 1 kann insbesondere zur Verbrennung von Wasserstoff eingerichtet sein. Zudem kann das Heizgerät 1 in einer Brennertür 15 einen Sensor 13 einer Flammenüberwachung aufweisen. Der Sensor 13 der Flammenüberwachung kann insbesondere ein Sensor zum Erfassen von der Flamme emittierter UV- (Ultraviolett-) Strahlung oder ein Flammentemperatursensor sein.
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Ein Regel- und Steuergerät 7 kann zur Regelung des Heizgerätes 1 eingerichtet sein. Hierfür kann dieses beispielsweise mit dem Drehzahlregler 6, der Fördereinrichtung 2, dem Gasventil 5, dem Sensor 13 der Flammenüberwachung dem Sensor 17 zur Analyse des Verbrennungsgemisches, dem Sensor 18 zur Abgasanalyse und/ oder der Zündeinrichtung 12 elektrisch verbunden sein. Das Regel- und Steuergerät 7 kann zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens eingerichtet sein.
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3 zeigt beispielhaft und schematisch einen Strömungsweg 19 eines Heizgerätes 1 umfassend den Gemischkanal 11 mit der Fördereinrichtung 2 und dem Gasventil 5 sowie einem im Gemischkanal 11 nageordneten Sensor 17 zur Analyse des Verbrennungsgemisches. An den Gemischkanal 11 schließt sich in Strömungsrichtung des Strömungsweges 19 die Brennkammer 8 mit einem Sensor 13 einer Flammenüberwachung und nachfolgend das Abgasrohr 9 mit einem Sensor 18 zur Abgasanalyse.
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Nur beispielhaft sind drei Teststrecken 20, 21, 22 in der 3 markiert, nämlich eine erste Teststrecke 20 von der Fördereinrichtung 2 zum Sensor 17 zur Analyse des Verbrennungsgemisches im Gemischkanal 11. Eine zweite Teststrecke 21 kann vom Sensor 17 zur Analyse des Verbrennungsgemisches im Gemischkanal 11 zum Sensor 13 der Flammenüberwachung in der Brennkammer 8 und eine dritte Teststrecke 22 vom Sensor 13 der Flammenüberwachung in der Brennkammer 8 zum Sensor 18 zur Abgasanalyse im Abgasrohr 9 führen.
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Die 4 bis 6 zeigen Parameterverläufe, die sich bei Durchführung eins hier vorgeschlagenen Verfahrens einstellen können, nämlich ein Diagramm eines Testsignals 23 und einer Antwort auf das Testsignal 24. Das Testsignal 23 ist vorliegend eine Sinusschwingung. Als Laufzeit kann eine Phasenverschiebung zwischen Testsignal 23 und Antwort 24 ermittelt werden. Im Beispiel der 4 wird die Fördereinrichtung 2 mit einer Drehzahl von 8000 U/min [Umdrehungen pro Minute] betrieben, in der 5 mit 4000 U/min und in der 6 mit einer Drehzahl von 2500 U/min. Erkennbar ist eine deutlich geringere Laufzeit bzw. Phasenverschiebung mit steigender Drehzahl der Fördereinrichtung 2, die einer Steigerung der Durchflussmenge entspricht.
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In diesem Zusammenhang wird nochmals darauf hingewiesen, dass in den 4 bis 6 auch eine Laufzeit 25 von einer ersten Antwort 24 (anstelle des Testsignals 23) bis zu einer zweiten Antwort 24 bestimmt werden kann. Die erste Antwort könnte hierbei von einem Sensor 17, 13 erfasst werden und eine zweite Antwort von einem nachgeordneten Sensor 13, 18.
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In Block 110 kann gemäß Schritt a) eines hier vorgeschlagenen Verfahrens ein Ansteuern mindestens eines, die Durchflussmenge beeinflussenden, Aktors mit einem Testsignal 23 erfolgen. Der Aktor kann insbesondere die Fördereinrichtung 2 und/ oder das Gasventil 5 sein.
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In Block 120 kann gemäß Schritt b) eine Antwort 24 auf das Testsignal 23 an einem Sensor 17, 13, 18 im Strömungsweg 19 des Heizgerätes 1 erfasst werden. Insbesondere können auch mehrere Antworten mehrerer Sensoren 17, 13, 18 erfasst werden.
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In Block 130 kann gemäß Schritt c) ein Bestimmen mindestens einer Laufzeit 25 des Testsignals 23 von einem Aktor zu einem Sensor 13, 17, 18 oder von einem ersten Sensor 13, 17, 18 zu einem zweiten Sensor 13, 17, 18 erfolgen. Die Laufzeit 25 kann bestimmt werden durch Messen der Zeitdauer vom Aussenden (Ansteuern des Aktors) des Testsignals 23 in Block 110 (Schritt a)) bis zu einem Erfassen einer Antwort 24 in Block 120 (Schritt b)). Alternativ oder kumulativ kann eine Laufzeit 25 auch bestimmt werden von einem Zeitpunkt eines Erfassens einer Antwort 24 in Block 120 auf das Testsignal 23 bis zu einem erneuten Erfassen einer Antwort 24 in Block 120 (eines im Strömungsweg 19 nachgeordneten Sensors 18, 19).
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In Block 140 kann gemäß Schritt d) nunmehr eine Durchflussmenge anhand der in Block 130 bestimmten Laufzeit 25 bestimmt werden.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizgerät
- 2
- Fördereinrichtung
- 3
- Brenner
- 4
- Zuführung Verbrennungsluft
- 5
- Gasventil
- 6
- Drehzahlregler
- 7
- Regel- und Steuergerät
- 8
- Brennkammer
- 9
- Abgasrohr
- 10
- Abgasanlage
- 11
- Gemischkanal
- 12
- Zündeinrichtung
- 13
- Sensor Flammenüberwachung
- 14
- Gaszuführung
- 15
- Brennertür
- 16
- Wärmetauscher
- 17
- Sensor Analyse Verbrennungsgemisch
- 18
- Sensor Abgasanalyse
- 19
- Strömungsweg
- 20
- erste Teststrecke
- 21
- zweite Teststrecke
- 22
- dritte Teststrecke
- 23
- Testsignal
- 24
- Antwort Testsignal
- 25
- Laufzeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007037394 A1 [0005]
