DE19632983C2 - Regeleinrichtung für einen Gasbrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für einen Gasbrenner, insbesondere Gasgebläsebrenner, mit einer im Flammenbereich des Brenners angeordneten Ionisationselektrode als Meßelektrode, auf die eine Wechselspannung aufgeschaltet ist, der sich in Abhängigkeit vom Ionisationsstrom ein Gleichspannungsanteil überlagert, und daß der Meßelektrode eine Regelschaltung nachgeschaltet ist.

Eine solche Regeleinrichtung für einen Gasbrenner ist in der DE 44 33 425 A1 beschrieben. Hier ist die Meßelektrode unter Zwischenschaltung eines Impedanzwandlers sowie Spannungsteilers auf einen Tiefpaß gelegt, der ausgangsseitig an die Regelschaltung angeschlossen ist. Im Tiefpaß erfolgt eine Ausfilterung des Wechselspannungsanteils, so daß am Ausgang desselben ein Gleichspannungssignal ansteht, das zur Bestimmung eines gewünschten Lambda-Wertes in einer analogen Regelschaltung weiterverarbeitet wird.

Mit dem Lambda-Wert wird das Verhältnis von Luft zu Verbrennungsgas angegeben, und er sollte bei einer schadstoffarmen Verbrennung in einem leicht überstöchiometrischen Bereich, vorzugsweise zwischen 1,15 und 1,3 liegen.

Hierzu ist in Fig. 2 der o. g. DE-OS eine Digitalschaltung mit Mikroprozessor vorgesehen, dem jedoch ein Analog/Digitalwandler vor- bzw. ein Digital/Analogwandler nachgeschaltet ist. Am Ausgang der Regelschaltung steht ein Leistungstreiber, der in Abhängigkeit des gemessenen Ionisationssignals bzw. des Vergleichs zwischen Lambda- Soll- und Lambda-Istwert die Drehzahl des die Luftzufuhr fördernden Gebläses oder die Gaszufuhr regelt.

Bei dieser an sich sehr gut arbeitenden Schaltung ist aber eine Kompensationsschaltung der auf die Ionisationssonde geschalteten Wechselspannung erforderlich, d. h. diese muß immer auf einer konstanten Größe gehalten, oder gemessen und rechnerisch kompensiert werden. Dies ist schaltungstechnisch aufwendig, darüber hinaus ist selbst bei Verwendung der Regelschaltung als eine mit Mikroprozessor arbeitende Digitalschaltung die Notwendigkeit vorhanden, zunächst das analog erzeugte Signal zur Weiterverarbeitung zu digitalisieren.

Die EP 0 525 345 A1 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung einer Flamme eines brennstoffbeheizten Gerätes. Ein die Flamme erfassender Sensor gibt ein Signal an eine signalverarbeitende Anordnung, beispielsweise Mikrocomputer. Das Meßsignal, das ein Gleichspannungssignal ist, wird an einen Eingang eines Komparators gelegt, wobei davon ausgegangen ist, daß das Meßsignal bei brennender Flamme immer positiv ist. An den anderen Eingang des Komparators ist von einem Dreieckgenerator eine Dreieckspannung gelegt, die fest vorgegeben ist. Wenn die Flamme nicht brennt, ergibt sich am betreffenden Eingang des Komparators kein Eingangssignal. Am Ausgang des Komparators tritt dann auch keine Pulsweitenmodulation auf. Nur wenn die Flamme so brennt, daß am betreffenden Eingang des Komparators eine Spannung entsteht, die größer ist als eine festgelegte Minimalspannung, ergibt sich am Ausgang des Komparators ein pulsweitenmoduliertes Signal. Dieses ist um so größer, je höher die vom Meßsignal bei brennender Flamme herrührende Spannung ist. Sie kann bei entsprechender Höhe 100% betragen.

In dem Patent Abstract of Japan, Vol. 12, No. 134 (M 689) (2981), 23.04.1988 = JP-A-62-255729, ist bei einer Schaltung zur Erkennung von Verbrennungszuständen ein Komparator vorgesehen. Hier wird die Entladezeit eines Kondensators mit einem Standardwert verglichen, wobei der Kondensator in Abhängigkeit von der Flamme geladen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den schaltungstechnischen Mehraufwand zur Kompensation der auf die Elektrode zu schaltenden Wechselspannung gänzlich in Fortfall kommen zu lassen, und auch im Wege des Weiterverarbeitens des Ionisationssignals eine schaltungstechnische Vereinfachung herbeizuführen. Dies ist mit den Maßnahmen erreicht, wie sie im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgezeigt sind. Mit den Maßnahmen der Unteransprüche sind weitere Vorteile erreicht, nämlich das galvanische Trennen des Ionisationssignals vom Eingang des Mikroprozessors. Da am Ausgang des Komparators Digitalsignale im Rhythmus der Wechselspannung erzeugt werden, steht ein Ionisationssignal zur Weiterverarbeitung an, das ein sehr schnelles Weiterverarbeiten möglich macht.

Aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen ergeben sich weitere Ausgestaltungen der Erfindung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 den Spannungsverlauf einer mit zwei Wechselspannungen unterschiedlicher Größe überlagerten Meßspannung bei noch nicht gezündeter Flamme mit sich dabei ergebendem Digitalsignal (Fig. 2a), und

Fig. 3 den Spannungsverlauf einer Meßspannung bei brennender Flamme, d. h. bei sich ergebendem Ionisationsstrom, ebenfalls mit überlagerter Wechselspannung unterschiedlicher Größe und einem daraus resultierenden digitalen Ausgangssignal (Fig. 3a).

An einem Gasbrenner (1) für ein Gasheizgerät ist eine Gasleitung (2) angeschlossen, in der ein abschaltbares und regelbares Gasventil (3), beispielsweise Magnetventil, liegt. Am Gasbrenner (1) sind ein Luftanschluß (4) und gegebenenfalls ein luftförderndes, drehzahlgesteuertes Gebläse (5) angeordnet. Das Gebläse (5) ist nicht in jedem Fall notwendig, es kann sich auch um einen atmosphärischen Gasbrenner handeln. In den Flammenbereich des Gasbrenners (1) ragt eine Ionisationselektrode (6). Auf die Ionisationselektrode (6) ist über ein kapazitives Koppelglied (7) eine Wechselspannung, vorzugsweise die Netzwechselspannung (U, 50 Hz) aufgeschaltet. Das Koppelglied (7) besteht aus einem Kondensator und einem Widerstand. Es liegt über einen Widerstand (8) wie auch der Gasbrenner (1) und der Brennraum elektrisch an Erde (PE), also dem Gegenpol der Netzwechselspannung (U). An die Ionisationselektrode (6) ist ein Spannungsteiler (9) angeschlossen, der die auftretende Spannung beispielsweise um den Faktor 100 verringert.

Am Ausgang des Spannungsteilers (9) ist - gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Filters(gestrichelt angedeutet) - ein Komparator (10) geschaltet, der die Eingänge (11, 12) aufweist. Mit dem Filter sollen Meßsignal-Schwankungen, die durch das beim Verbrennen von Gas/Luft-Gemischen typische Flackern erzeugt werden, und/oder Netzoberwellen herausgefiltert werden. Der Eingang (11) wie auch der Widerstand (8) sowie der Gasbrenner (1) liegen elektrisch an Erde (PE). An den Eingang (12) ist der Ausgang des Spannungsteilers (9) bzw. des Filters gelegt.

Am Ausgang des Komparators (10) steht immer dann eine Gleichspannung nahe der Größe der Versorgungsspannung des Komparators (10) an, sobald die Spannung des Eingangs (12) geringfügig größer geworden ist als das Erdspannungspotential am Eingang (11).

Der Ausgang des Komparators (10) liegt am Eingang eines nachgeschalteten Optokopplers (13), dessen Ausgang (14) am Eingang eines digital arbeitenden Mikroprozessors liegt, der hier die Regelschaltung (15) verwirklicht. Mit dem Optokoppler (13) ist eine galvanische Trennung zwischen Meßkreis und Regelungseingang erreicht.

Innerhalb der als Mikroprozessor arbeitenden Regelschaltung (15) sind digitale Lambda-Sollwertsignale abgespeichert, die mit den digitalen Eingangssignalen aus dem Optokoppler (13), die den Lambda-Istwert repräsentieren, auf Abweichung hin überprüft werden.

Am Ausgang der Regelschaltung (15) steht unter Zwischenschaltung eines Digital/Analogwandlers (16) ein Steuersignal (17), das in Abhängigkeit des Lambda-Soll/Istwert-Vergleichs das Magnetventil (3) ansteuert, und zwar entweder im öffnenden oder im schließenden Sinne. Statt der Veränderung des Magnetventils (3) oder zusätzlich kann auch die Drehzahl des Gebläses (5) und damit die Menge der Verbrennungsluft verändert werden.

In Fig. 2 ist das Wechselspannungssignal (U1 bzw. U2) gezeigt, wobei die Größe des Wechselspannungssignals (U1) etwa bei 250 V und die des Wechselspannungssignals (U2) bei etwa 150 V liegt. Während die Größe der Wechselspannung unterschiedlich ist, liegen die beiden Spannungen bezüglich ihres Nulldurchgangs synchron. Bei nicht brennender Flamme ist der Spannungsverlauf so, wie hier in Fig. 2 abgebildet. Die Frequenz der Wechselspannung beträgt 50 Hz.

In Fig. 2a ist das bei diesem Zustand sich ergebende digitale Ausgangssignal gezeigt, das am Ausgang des Komparators (10) bzw. am Ausgang des Optokopplers (13) nach Fig. 1 ansteht. Es ist leicht zu erkennen, daß der Ausgang dieses Signals exakt der Hälfte des zeitlichen Verlaufs des gesamten Wechselspannungssignals entspricht, was bedeutet, daß ein Signal von 50% des zeitlichen Verlaufs einer Wechselspannungs-Periode für den als Mikroprozessor arbeitenden Regler (15) als nichtbrennende Flamme ausgewertet wird.

Anders verhält sich die Spannung an der Meßelektrode (6), wenn es zu einem Zünden und Brennen der Flamme und damit zu einem Ionisationsstrom gekommen ist. Infolge der Gleichrichterwirkung der jetzt als Diodenstrecke wirkenden Ionisationsstrecke verschiebt sich die Netzwechselspannung (U1 bzw. U2) um einen Gleichspannungsanteil (UG1 bzw. UG2) zur Spannung (UB1 bzw. UB2), die über den Spannungsteiler (9) auf den Eingang (12) des Komparators (10) gelegt ist.

Es hat sich gezeigt, daß bei absolut gleich großer Flammenbildung der Gleichspannungsanteil (UG1) bei der Wechselspannung (UB1) 100 V beträgt, während der Gleichspannungsanteil (UG2) der Wechselspannung (UB2) zu einer Gleichspannung von 166 V führt.

Zwischen aufgeschalteter Wechselspannung und daraus resultierender Gleichspannung bei gleich großer Ionisation der Flamme besteht also ein linearer Zusammenhang. Es ist eine sehr deutliche Abhängigkeit der resultierenden Gleichspannung zu erkennen bei unterschiedlich hohen Wechselspannungen. Trotz dieser erheblichen Unterschiede zeigt sich aber, daß die in ihrer Phasenlage gleichliegenden Wechselspannungen mit unterschiedlichen Höhen und unterschiedlichen Gleichspannungsanteilen dennoch zur gleichen Zeit den Nullpunkt (PE) über- (01) bzw. unterschreiten (02), wie dies die Fig. 3 bzw. 3a unschwer erkennen lassen. Fig. 3a zeigt das sich dabei ergebende Digitalsignal am Ausgang des Komparators (10) bzw. Optokopplers (13).

Aus diesem Zusammenhang läßt sich der Schluß ziehen, daß ein am Komparator (10) anstehendes Ausgangssignal, das < 50% der Gesamt- Periodenlänge des Wechselspannungssignals ist, ein Indiz dafür ist, daß die Flamme brennt, und je kleiner der zeitliche Verlauf des digitalen Ausgangssignals ist, um so größer ist die Ionisation der Flamme.

Innerhalb der Regelschaltung (15), die als digitaler Mikroprozessor aufgebaut ist, braucht jetzt nur noch ein Einlesen des zeitlichen Verlaufs des digitalen Eingangssignals erfolgen, um ein Maß für die tatsächliche Ionisation bzw. den Lambda-Istwert zu erhalten. In an sich bekannter Weise kann dieser Wert mit dem des abgelegten Lambda- Sollwert-Signals verglichen werden und damit ein Ausregeln der Einflußgrößen Gas bzw. Luft erfolgen.

In überraschender Weise hat sich durch diese Art der Auswertung gezeigt, daß selbst bei krassen Veränderungen der Größe der angelegten Wechselspannung dennoch ein davon völlig unbeeinflußtes Ausgangssignal in digitaler Form erzeugbar ist, das allein von der Größe der Ionisation abhängt. Neben dieser geradezu idealen Methode der Netzspannungskompensation ist durch das Zwischenschalten des Optokopplers auch eine galvanische Trennung zwischen Meß- und Regelstrecke möglich. Außerdem kann als Regelschaltung ein Mikroprozessor Verwendung finden, der nur über einen digitalen Prozeßeingang verfügt. Ein solcher Prozessor ist preisgünstig.

Bei Anlegen der Netzwechselspannung erfolgt alle 20 ms das Bereitstellen eines digitalen Meßsignals, so daß die Schaltung selbst außerordentlich schnell wird.

Die Eingänge am Komparator (10) können auch vertauscht, d. h. invertiert werden. In diesem Fall wird ein digitales Ausgangssignal erzeugt, das bei brennender Flamme < 50% der Gesamt-Periodenlänge des Wechselspannungs-Signals ist.

Claims (5)

1. Regeleinrichtung für einen Gasbrenner, insbesondere Gasgebläsebrenner, mit einer im Flammenbereich des Brenners angeordneten Ionisationselektrode als Meßelektrode, auf die in Verbindung mit einem Widerstand eine Wechselspannung aufgeschaltet ist, der sich in Abhängigkeit vom Ionisationsstrom ein Gleichspannungsanteil überlagert, und der Meßelektrode eine Regelschaltung nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen die Meßelektrode (6) und die Regelschaltung (15) ein Komparator (10) geschaltet ist, an dessen einen Eingang (11) Erd- (PE) oder ein Referenzpotential, auf dem der Widerstand (8), der Brenner (1) und der Brennraum liegen, und an dessen anderen Eingang (12) das von der Wechselspannung (U) überlagerte Meßsignal der Meßelektrode (6) geschaltet ist, und daß der Ausgang des Komparators (10) auf den Eingang der Regelschaltung (15) gelegt ist,
wobei die Breite des Ausgangssignals bei nichtbrennender Flamme der halben Periodendauer der Wechselspannung (U) entspricht und bei brennender Flamme von der halben Periodendauer abweicht.

2. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang der Meßelektrode (6) und den Eingang (12) des Komparators (10), an den die Meßelektrode (6) angelegt ist, ein Spannungsteiler (9) geschaltet ist.

3. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zuleitung zum Eingang (12) des Komparators (10) ein Filter geschaltet ist.

4. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (15) eine Digitalschaltung mit Mikroprozessor ist.

5. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Komparators (10) auf den Eingang eines Optokopplers (13), und der Ausgang des Optokopplers (13) auf die Regelschaltung (15) gelegt ist.