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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Luft in der Wasserströmung eines elektronischen Durchlauferhitzers, insbesondere Blankdraht-Durchlauferhitzers, wobei der Verlauf eines Durchflusssignals eines Durchflussmessers von einer Steuerelektronik überwacht wird und bei erkannter Luft der Durchlauferhitzer abgeschaltet wird.
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Elektronisch gesteuerte Durchlauferhitzer arbeiten gewöhnlich mit blanken Heizwendeln, da diese im Vergleich zu Rohrheizkörpern kleine Wärmekapazitäten haben, wodurch sich eine hohe Regeldynamik erreichen lässt. Befinden sich Lufteinschlüsse in der Wasserströmung, dann hat dies zur Folge, dass sich die Heizwendel sehr stark schnell erhitzt. Dabei besteht die Gefahr, dass die Heizwendel nach wenigen Sekunden durchbrennt. Bekannte Durchlauferhitzer weisen einen Durchflussmesser auf. Dessen Durchflusssignal wertet die Steuerelektronik zur Steuerung der jeweils erforderlichen Heizleistung aus.
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Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist in der
DE 197 25 977 C2 beschrieben. Die Steuerelektronik überwacht die Frequenzcharakteristik eines dem Durchfluss entsprechenden Rechtecksignals. Ein Abschaltsignal wird erzeugt, wenn der Effektivwert des Signals im Verhältnis zur Amplitude des Signalanteils bei der Grundfrequenz einen vorgegebenen Wert übersteigt, oder wenn die Grundfrequenz einen Maximalwert überschreitet. Diese Auswertung ist mit einem erheblichen Rechenaufwand verbunden, der einen Mikroprozessor der Steuerelektronik entsprechend stark belastet.
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In der
DE 36 29 662 A1 ist ein Durchlauferhitzer beschrieben, bei dem der Heizkörper verzögert einschaltet, um Luftblasen vor dem Einschalten durchzulassen. Dieses verzögerte Einschalten ist auf vermutete Gefahrenfälle beschränkt. Bei unerwartet auftretenden Luftblasen besteht die Gefahr einer Schädigung der Heizwendeln. Ein ähnliches Verfahren ist in der
DE 38 18 048 C2 beschrieben.
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Bei der
DE 43 03 325 A1 sind zwei Durchflussmesser vorgesehen, wobei sich aus der Differenz zwischen den Signalen der Durchflussmesser auf Luftblasen schließen lässt. Diese Einrichtung ist aufwändig, weil zwei Durchflussmesser erforderlich sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei dem Luft in der Wasserströmung mit geringem Aufwand, insbesondere Rechenaufwand, erkannt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe dadurch gelöst, dass das Durchflusssignal innerhalb einer oder mehreren bestimmten Zeitspannen auf seine Höhe und auf die Vorzeichen seiner Steigungen überwacht wird.
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Die Erfindung beruht auf folgender Erkenntnis:
Befindet sich Luft in Form einer großen Luftblase im Wasserzulauf des Durchlauferhitzers, wird diese beim Zapfen in den Durchlauferhitzer gedrückt, wodurch sich die Drehzahl eines Laufrads des Durchlauferhitzers verglichen mit der dem reinen Wasserdurchfluss entsprechenden Drehzahl verlangsamt, wobei das Laufrad bei einer besonders großen Luftmenge sogar stehen bleiben kann. Danach läuft es wieder an und nach einem mehrere Sekunden dauernden Übergangsvorgang, der sowohl ein starkes Überschwingen, als auch schnelle Drehzahländerungen beinhaltet, stellt sich die dem Wasserdurchfluss entsprechende Drehzahl ein. Es wurde beobachtet, dass die Luftblase nicht als Luftblase in den Durchlauferhitzer eintritt, sondern schon vor Erreichen des Laufrades, das sich direkt am Eingang des Durchlauferhitzers befindet, vom Wasser zerteilt wird. Der gesamte Vorgang vom Beginn der Verlangsamung des Laufrads bis zum Wiedererreichen einer stationären Drehzahl dauert beispielsweise 20 s.
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Ein Stillstand des Laufrades wird von der Steuerelektronik als Ende eines Zapfvorgangs interpretiert. Dementsprechend wird die Heizleistung abgeschaltet. Nach dem Abschalten besteht nicht die Gefahr einer Schädigung der Heizwendeln. Sobald das Laufrad jedoch wieder anläuft, wird Heizleistung zugeschaltet. Denn die Durchflussmessung kann nicht unterscheiden, ob das Laufrad von Wasser, Luft oder einem Wasser-Luft-Gemisch angetrieben wird. In den dem Wiederanlauf folgenden Sekunden sind die Heizwendeln gefährdet.
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Bei dem beschriebenen Verfahren wird beim Beginn der Zapfung die Heizleistung entsprechend dem gemessenen Durchfluss in jedem Fall zunächst eingeschaltet. Dadurch ist vermieden, dass der Benutzer lange auf Warmwasser warten muss und unnötig Kaltwasser ausläuft. in der Zeitspanne nach dem Zapfbeginn analysiert die Steuerelektronik das Durchflusssignal auf bestimmte Merkmale, die nur beim Vorhandensein von Luft auftreten. Nur wenn diese Merkmale auftreten, wird die Heizleistung wieder ausgeschaltet. Es wurde gefunden, dass charakteristisch für das Vorhandensein von Luft große Steigungen des Durchflusssignals und häufige Vorzeichenwechsel dieser Steigungen sind. Diese Größen sind von einem Mikroprozessor der Steuerelektronik ohne großen Rechenaufwand auswertbar, so dass ein ohnehin in der Steuerelektronik vorgesehener Mikroprozessor das Verfahren miterledigen kann.
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Vorzugsweise wird in sich innerhalb der genannten Zeitspanne periodisch wiederholenden Zeitintervallen der im Zeitintervall jeweils auftretende Maximalwert und der im Zeitintervall jeweils auftretende Minimalwert des Durchflusssignals erfasst (Trackingverfahren). Am Ende des Zeitintervalls wird die Differenz des Maximalwerts und des Minimalwerts gebildet. Wenn der Differenzwert einen vorgegebenen Wert übersteigt, wird zusätzlich ermittelt, ob die Steigung zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert positives Vorzeichen oder negatives Vorzeichen hat.
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Übersteigt die Differenz beispielsweise 1 l/min, dann wird zusätzlich ausgewertet, ob das Minimum vor dem Maximum aufgetreten ist oder umgekehrt. Im erstgenannten Fall wird darauf geschlossen, dass die Steigung übermäßig groß ist und ein positives Vorzeichen hat. Im letztgenannten Fall wird darauf geschlossen, dass die Steigung übermäßig groß ist und ein negatives Vorzeichen hat. In beiden Fällen wird nun das Ergebnis des vorangegangenen 60 ms für eine weitere Auswertung herangezogen. Wenn diese Steigung und die Steigung des vorherigen Zeitintervalls ungleiche Vorzeichen haben, wird ein Zähler inkrementiert. Wenn innerhalb der Zeitspanne ein vorgeschriebener Zählerstand überschritten wird, wird der Durchlauferhitzer abgeschaltet. Dieses Verfahren ist mit geringem Rechenaufwand durchzuführen, weil eine für die Ermittlung der Steigung sonst notwendige Division, die für den Mikroprozessor aufwändig wäre, wegfällt, Anstatt die Steigung bzw. den Differenzenquotienten zu berechnen, wird ein Trackingverfahren verwendet.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:
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1 ein typisches Durchflusssignal bei Luft in der Wasserströmung eines Durchlauferhitzers, strichliert den Einschaltzustand der Heizung des Durchlauferhitzers und gestuft die Zählerfortschaltung,
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2 ein 1 entsprechendes Durchflusssignal, gegenüber 1 zeitlich gespreizt,
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3 ein Durchflusssignal, das sich bei schneller manueller Betätigung eines an den Durchlauferhitzer angeschlossenen Einhebelmischers ergibt.
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Bei jedem Zapfbeginn wird die Heizleistung bei einem bestimmten Wert D9 des Durchflusssignals D eingeschaltet (vgl. Zeitpunkt t0 in 1, 3) – auch wenn Luft in der Wasserströmung ist, was zu diesem Zeitpunkt noch nicht erkannt ist.
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Wenn Luft mit der Wasserströmung durch den Durchflussmesser des Durchlauferhitzers fließt, ergeben sich schnelle Drehzahländerungen des Laufrades des Durchflussmessers, die zu einem Durchflusssignal D führen, das steile Anstiege und Abfälle, also große Amplitudenschwankungen mit Steigungen positiven und negativen Vorzeichens hat. Die 1 und 2 zeigen ein solches Durchflusssignal D.
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Nach dem Zapfbeginn t0 analysiert die Steuerelektronik des Durchlauferhitzers, die üblicherweise mit einem Mikroprozessor arbeitet, während einer vorbestimmten Zeitspanne Ts das Durchflusssignal D. Die Zeitspanne Ts ist so bemessen, dass sie endet, bevor die Heizwendeln des Durchlauferhitzers durch etwaige Luft in der Wasserströmung gefährdet sein können. Die Zeitspanne Ts beträgt einige s, beispielsweise 4 s (vgl. 1 und 3).
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In die Zeitspanne Ts fallen mehrere, beispielsweise 50 bis 100 vorgegebene Zeitintervalle Ti. Ein Zeitintervall Ti dauert beispielsweise 60 ms (vgl. 2).
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In jedem Zeitintervall Ti wird sowohl der in ihm auftretende Maximalwert als auch der in ihm auftretende Minimalwert des Durchflusssignals D erfasst und gespeichert. Zusätzlich kann auch der jeweilige Zeitpunkt des Auftretens dieser Extrema gespeichert werden. Die Zeitintervalle Ti sind hinreichend groß, um in jedem Zeitintervall Ti eine der jeweiligen Steigung entsprechende Information abzuleiten.
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Am Ende jedes Zeitintervalls Ti bildet die Steuerelektronik die Differenz zwischen dem größten und dem kleinsten gemessenen Durchfluss. Diese Differenz wird als Information über die Steigung des Durchflusssignals D interpretiert. Bleibt die Steigung unterhalb eines gewissen, vorgegebenen Schwellwerts, beispielsweise unterhalb von 1 l/min, dann wird die Steigung als nicht von beachtlicher Größe eingestuft. Die Auswertung dieses Zeitintervalls Ti ist damit beendet und das Verfahren, ein sogenanntes Trackingverfahren, wird fortgesetzt.
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Übersteigt die Differenz jedoch den Grenzwert, beispielsweise 1 l/min, dann wird zusätzlich ausgewertet, ob der Minimalwert vor dem Maximalwert aufgetreten ist oder umgekehrt. Im erstgenannten Fall wird daraus abgeleitet, dass die Steigung eine beachtliche Größe und ein positives Vorzeichen hat. Im letztgenannten Fall wird daraus abgeleitet, dass die Steigung eine beachtliche Größe und ein negatives Vorzeichen hat. Dieses Ergebnis wird in beiden Fällen für eine weitere Auswertung im nächstfolgenden Zeitintervall Ti bereitgehalten.
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Im nächsten Zeitintervall Ti erfolgt wiederum die genannte Auswertung. Ist die Steigung wieder von beachtlicher Größe, dann wird verglichen, ob die Steigung im vorangegangenen Zeitintervall Ti ebenfalls von beachtlicher Größe war und ein entgegengesetztes Vorzeichen hatte. Ist dies der Fall, dann wird ein Zähler inkrementiert. Denn die Ursache für zwei aufeinanderfolgende Zeitintervalle Ti mit großen Steigungen und entgegengesetzten Vorzeichen könnte durch Luft in der Wasserströmung verursacht sein. In allen anderen Fällen behält der Zähler seinen Wert, er wird nicht weitergeschaltet. Die Auswertung dieser beiden Zeitintervalle Ti ist damit beendet und das Verfahren wird fortgesetzt.
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In der Steuerelektronik ist ein maximaler Zählerstand vorgegeben, der im Beispielsfall ”5” ist. Aus diesem Zählerstand wird noch nicht abgeleitet, dass sich Luft in der Wasserströmung befindet. Ist jedoch der Zählerstand ”6” ermittelt, was darauf beruht, dass sechs Mal in zwei aufeinanderfolgenden Zeitintervallen Ti große entgegengesetzte Steigungen des Durchflusssignals D erfasst wurden, dann schaltet die Steuerelektronik die Heizleistung ab, was in den 1 und 2 zum Zeitpunkt t6 der Fall ist. Die 1 und 2 zeigen die Weiterschaltung des Zählers. Zum Zeitpunkt t1 wird der Zähler auf ”1” gesetzt, weil die oben genannten Bedingungen dafür erreicht. Zum Zeitpunkt t2 wird der Zähler auf ”2” gesetzt, weil im Beispiel zu diesem Zeitpunkt die genannten Bedingungen erfüllt sind. Entsprechendes gilt für die weiteren Zeitpunkte t3, t4, t5 und t6, wobei im Zeitpunkt t6 der vorgegebene Zählerstand überschritten ist, was darauf hinweist, dass sich Luft in der Wasserströmung befindet. Dementsprechend wird zum Zeitpunkt t6, lange bevor die Zeitspanne Ts verstrichen ist, die Heizleistung abgeschaltet, so dass die Heizwendeln mit Sicherheit nicht zerstört werden.
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Sind zum Zeitpunkt t6, beim Erreichen des Zählerstands ”6”, die Heizwendeln abgeschaltet, dann kann die Steuerelektronik diesen Abschaltzustand für eine gewisse Pausenzeit, beispielsweise 6 s, halten und danach den Zähler zurücksetzen. Die Pausenzeit ist so bemessen, dass sie normalerweise genügt, üblich Lufteinschlüsse mit der Wasserströmung durch den Durchlauferhitzer zu transportieren. Danach wird dann die Heizleistung von der Steuerelektronik erneut eingeschaltet, wobei wiederum die beschriebene Überprüfung auf Luft stattfindet.
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Hat nach Ablauf der Zeitspanne Ts, die eine Überprüfungszeit darstellt, der Zählerstand den bestimmten Wert, im Beispielsfalle ”5” nicht überschritten, dann ist die Überprüfung auf Luft beendet und die Steuerelektronik setzt den Zähler auf ”0” zurück. Die Heizleistung bleibt weiter eingeschaltet.
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Zum Vergleich zeigt 3 ein Durchflusssignal D, das sich einstellt, wenn mittels eines als Zapfstelle an den Durchlauferhitzer angeschlossenen Einhebelmischers der Durchfluss sehr schnell nacheinander gesteigert und vermindert wird. 2 zeigt beispielhaft, dass dabei innerhalb der Zeitspanne Ts zwar der Zählerstand ”5” erreicht, jedoch nicht überschritten wird, so dass die Heizleistung zum Zeitpunkt t7 nicht abgeschaltet wird, sondern eingeschaltet bleibt. Bei einer Wasserströmung ohne Luft und bei gebrauchsüblicher Betätigung des Einhebelmischers erfolgt vor dem Ende des Zapfvorganges umso weniger ein Abschalten der Heizleistung.
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Zur Verdeutlichung des Verfahrens ist in der folgenden Tabelle der Algorithmus des Verfahrens in einem von den 1 und 3 abweichenden Beispiel erläutert:
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Initialisierung:
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Zähler = 0; Rücksetzen des Zählers für große entgegengesetzte Steigungen
vmin = 25,0 l/min; Rücksetzen der Trackingvariablen
vmax = 0,0 l/min; Rücksetzen der Trackingvariablen Algorithmus:
| 1. Zeitintervall Ti | 0 ms bis 60 ms |
vmin = 3,0 l/min; kleinster im Intervall gemessener Durchfluss bei t = 40 ms
vmax = 4,0 l/min; größter im intervall gemessener Durchfluss bei t = 55 ms
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Die Differenz vmax–vmin ist größer als 1 l/min, und das Vorzeichen der Steigung ist positiv.
Zähler = 0; Zähler wird nicht inkrementiert, denn es gibt kein vorangehendes Intervall
vmin = 25,0 l/min; Rücksetzen der Trackingvariablen
vmax = 0,0 l/min; Rücksetzen der Trackingvariablen
| 2. Zeitintervall Ti | 60 ms bis 120 ms: |
vmin = 4,0 l/min; kleinster im Intervall gemessener Durchfluss bei t = 65 ms
vmax = 5,2 l/min; größter im Intervall gemessener Durchfluss bei t = 118 ms
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Die Differenz vmax – vmin ist größer als 1 l/min, und das Vorzeichen der Steigung ist positiv.
Zähler = 0; Zähler wird nicht inkrementiert, denn das Vorzeichen der Steigung ist wie im vorangehenden Intervall positiv
vmin = 25,0 l/min; Rücksetzen der Trackingvariablen
vmax = 0,0 l/min; Rücksetzen der Trackingvariablen
| 3. Zeitintervall Ti | 120 ms bis 180 ms |
vmin = 5,5 l/min; kleinster im Intervall gemessener Durchfluss bei t = 137 ms
vmax = 6,2 l/min; größter im Intervall gemessener Durchfluss bei t = 175 ms
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Die Differenz vmax–vmin ist kleiner als 1 l/min.
Zähler = 0; Zähler wird nicht inkrementiert, denn die Differenz vmax–vmin dieses Intervalls ist kleiner als 1 l/min
vmin = 25,0 l/min; Rücksetzen der Trackingvariablen
vmax = 0,0 l/min; Rücksetzen der Trackingvariablen
| 4. Zeitintervall Ti | 180 ms bis 240 ms: |
vmin = 6,8 l/min; kleinster im Intervall gemessener Durchfluss bei t = 230 ms
vmax = 8,2 l/min; größter im Intervall gemessener Durchfluss bei t = 198 ms
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Die Differenz vmax – vmin ist größer als 1 l/min, und das Vorzeichen der Steigung ist negativ.
Zähler = 0; Zähler wird nicht inkrementiert: denn die Differenz vmax–vmin des vorangehenden Intervalls ist kleiner als 1 l/min
vmin 25,0 l/min; Rücksetzen der Trackingvariablen
vmax = 0,0 l/min; Rücksetzen der Trackingvariablen
| 5. Zeitintervall Ti | 240 ms bis 300 ms: |
vmin = 7,5 l/min kleinster im Intervall gemessener Durchfluss bei t = 250 ms
vmax = 8,9 l/min; größter im Intervall gemessener Durchfluss bei t = 296 ms
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Die Differenz vmax–vmin ist größer als 1 l/min, und das Vorzeichen der Steigung ist positiv.
Zähler = 1; Zähler wird inkrementiert, denn die Differenz v-max–vmin des vorangehenden Intervalls und dieses Intervalls sind größer als 1 l/min, und die Vorzeichen der Steigungen sind unterschiedlich.
vmin = 25,9 l/min; Rücksetzen der Trackingvariablen
vmax = 0,0 l/min; Rücksetzen der Trackingvariablen.
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Diese Vorgänge wiederholen sich in den folgenden Zeitintervallen Ti, bis der Zählerstand ”5” überschritten ist oder die Zeitspanne Ts abgelaufen ist.
