DE19947181A1

DE19947181A1 - Verfahren zur Bestimmung eines für die aktuelle Luftzahl repräsentativen Signals

Info

Publication number: DE19947181A1
Application number: DE19947181A
Authority: DE
Inventors: Guido Dubielzig; Stefan Rusche
Original assignee: GASWAERME INST EV
Current assignee: GASWAERME INST EV
Priority date: 1999-10-01
Filing date: 1999-10-01
Publication date: 2001-12-06
Anticipated expiration: 2019-10-02
Also published as: DE19947181B4

Abstract

Zur Bestimmung für die aktuelle Luftzahl eines wenigstens teilvormischenden Gasbrenners repräsentativen Signals wird eine rechteckförmige Wechselspannung als Versorgungsspannung an zwei im Flammenbereich angeordnete Elektroden angelegt. Der Momentanwert des Ionisationsstroms wird erfaßt und mit einem Schwellwert verglichen. Bei Überschreitung des Schwellwertes wird der Momentanwert des Ionisationsstroms als für die aktuelle Luftzahl repräsentatives Signal verwendet. Die aktuelle Luftzahl kann dabei mit einer Frequenz deutlich oberhalb der Versorgungsspannung und mit einer bisher unerreichten Genauigkeit bestimmt werden. Infolgedessen kann die Luftzahlregelung des Gasbrenners wesentlich verbessert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Be stimmung eines Signals, das für die aktuelle Luftzahl eines wenigstens teilvormischenden Gasbrenners repräsentativ ist, mit Hilfe eines Ionisationsstromes zwischen zwei Elektroden, die elektrisch gegeneinander isoliert sind und im Betriebs zustand des Gasbrenners mindestens einen Bereich der Flamme einschließen.

Die genaue und zuverlässige Bestimmung eines für die ak tuelle Luftzahl repräsentativen Signals ist Grundvorausset zung für eine genaue und zuverlässige Luftzahlregelung von wenigstens teilvormischenden Gasbrennern. Die Bedeutung der artiger Luftzahlregelungen nimmt in der Praxis immer stärker zu. Mit Hilfe einer Luftzahlregelung gelingt es, Gasbrenner im optimalen Arbeitsbereich zu betreiben, in dem die Schad stoffemissionen, insbesondere die CO- und NO_x-Emissionen, gering sind, die thermische Belastung des Gasbrenners sehr gleichmäßig ist und sowohl das Brennverhalten als auch Wir kungsgrad des Gasbrenners optimal sind. Ferner verringert eine Luftzahlregelung die Störanfälligkeit des Gasbrenners und gewährleistet einen sicheren und geräuscharmen Brenner betrieb.

Eine Luftzahlregelung von Gasbrennern ist erforderlich, da die Zusammensetzung des von dem Versorgungsnetz geliefer ten Brenngases schwanken kann. Dementsprechend kann auch der Luftbedarf des Brenngases schwanken. Ändert sich die Gasbe schaffenheit des Brenngases, so greift die Luftzahlregelung ein und ändert entweder die Gaszufuhr mit Hilfe eines Gas- Regelventils oder die Lüfterdrehzahl derart, daß der Gas brenner weiterhin bei der gewünschten Luftzahl arbeitet.

Das zur Luftzahlregelung benötigte, für die aktuelle Luftzahl repräsentative Signal kann mit Hilfe verschiedener Meßgrößen bestimmt werden. Es hat sich jedoch bewährt, das für die aktuelle Luftzahl repräsentative Signal mit Hilfe eines Ionisationsstromes zwischen zwei Elektroden zu bestim men. Derartige Ionisationselektroden stellen einen standfe sten, leicht zu wartenden und gleichzeitig preisgünstigen Luftzahlsensor dar, der zudem mit äußerst geringem Aufwand installiert werden kann, sofern er nicht ohnehin zur Flam menüberwachung bereits vorhanden ist. Außerdem kann das für die aktuelle Luftzahl repräsentative Signal mit Hilfe des Ionisationsstromes mit der erforderlichen Zuverlässigkeit und Genauigkeit bestimmt werden. Da die Lüfterdrehzahl in der Regel bekannt ist, kann mit Hilfe dieses für die aktuel le Luftzahl repräsentativen Signals und einer für die jewei lige Lüfterdrehzahl charakteristischen Kennlinie dann die aktuelle Luftzahl geregelt werden.

Fig. 1 zeigt einen typischen bekannten Aufbau zur Mes sung des Ionisationsstromes. Zwei Elektroden 1 sind parallel zueinander derart angeordnet, daß sie eine Flamme 2 ein schließen. An die Elektroden 1 wird eine sinusförmige Wech selspannung U_o angelegt. Aufgrund der Feldkräfte werden die in der Flamme vorhandenen Ladungsträger, freie Elektronen und Ionen, während der Halbwelle, in der die untere Elek trode 1 als Kathode geschaltet ist, in Richtung der zugehö rigen gegenpoligen Elektrode beschleunigt. Es fließt ein Io nisationsstrom I_ion. Ein Widerstand 3 ist zu den Elektroden 1 in Reihe geschaltet. Der Spannungsabfall an diesem Wider stand ist proportional zum fließenden Ionisationsstrom, so daß bei Messung des Spannungsabfalls der Ionisationsstrom erfaßt werden kann.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Signalform des so erfaßten Ionisationssignals nicht ohne weiteres den theore tischen Überlegungen entspricht.

In Fig. 2 ist das gemäß dem Stand der Technik in Fig. 1 erfaßte Ionisationssignal gegen die Zeit aufgetragen. Die Signalform des Ionisationssignals entspricht, anders als er wartet, nicht derjenigen einer Sinushalbwelle. Die Null durchgänge des Signals sind verfrüht und auch die Signalma xima lassen sich nicht eindeutig zeitlich zuordnen. Theore tisch sollte während einer Halbwelle der Versorgungsspannung kein Ionisationsstrom meßbar sein. Auch dies trifft in der Praxis nicht zu, da die polarisierende Wirkung der Flamme offenbar in dieser Halbwelle nur teilweise unterdrückt wird.

Aufgrund der unregelmäßigen Signalform des Ionisations signals muß dieses über zumindest eine Periodendauer der Versorgungsspannung integriert werden, um ein für die aktu elle Luftzahl repräsentatives Signal zu gewinnen, welches das erforderliche Mindestmaß an Genauigkeit aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für die aktuelle Luftzahl repräsentatives Signal zu bestimmen, das eine verbesserte Luftzahlregelung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Ver fahren zur Bestimmung eines für die aktuelle Luftzahl reprä sentativen Signals nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wo bei eine rechteckförmige Wechselspannung als Versorgungs spannung an die Elektroden angelegt wird, der Momentanwert eines für den Ionisationsstrom charakteristischen Ionisati onssignals erfaßt wird, der Momentanwert des Ionisationssi gnals mit einem Schwellwert verglichen wird und der Momen tanwert bei Überschreitung des Schwellwerts als für die ak tuelle Luftzahl repräsentatives Signal verwendet wird.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die Reprodu zierbarkeit und Genauigkeit des für die aktuelle Luftzahl repräsentativen Signals beträchtlich dadurch erhöht werden kann, daß statt einer sinusförmigen Wechselspannung eine rechteckförmige Wechselspannung als Versorgungsspannung ge wählt wird. Eine rechteckförmige Wechselspannung zeichnet sich dadurch aus, daß die Polung der Spannung zwischen +U_max und -U_max sprunghaft wechselt. Der Grund hierfür ist, daß das Ionisationssignal bei Verwendung einer rechteckigen Wechsel spannung anders als im Stand der Technik im wesentlichen den Erwartungen entspricht: Das Ionisationssignal steigt zwi schen nicht leitender und leitender Halbwelle sprunghaft an und fällt nach der leitenden Halbwelle genauso sprunghaft auf einen Wert von im wesentlichen Null zurück. Aufgrund dieses sprunghaften Anstiegs bzw. Abfalls genügt bei dem er findungsgemäßen Verfahren bereits der Momentanwert des Ioni sationssignals, um die aktuelle Luftzahl zuverlässig zu be stimmen.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Momentanwerte des Io nisationssignals und somit die für die aktuelle Luftzahl re präsentativen Signale mit einer Frequenz deutlich oberhalb der Frequenz der Versorgungsspannung abgefragt werden kön nen. Somit kann eine Änderung der Luftzahl wesentlich schneller als im Stand der Technik erfaßt werden und die Luftzahlregelung deutlich verbessert werden. Schadstoffemis sionen können weiter verringert werden und sowohl das Brenn verhalten als auch der Wirkungsgrad des Gasbrenners opti miert werden.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß im Vergleich zum Stand der Technik zur Realisierung des Verfahrens keine zusätzlichen Kosten anfallen. Beste hende Ionisationsstrommeßeinrichtungen können ohne besonde ren Aufwand umgerüstet werden. Dazu muß die Spannungsquelle ausgetauscht oder im Idealfall lediglich umgeschaltet wer den. Ferner muß aus der Auswerteschaltung das Integrierglied entfernt und stattdessen ein Schwellwertgeber und ein Sub trahierglied entweder hardware- oder softwaremäßig vorgese hen werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekenn zeichnet, daß als Ionisationssignal der Ionisationsstrom er faßt wird.

Vorteilhafterweise wird ein Widerstand zu den Elektroden in Reihe geschaltet und als Ionisationssignal der Spannungs abfall an dem Widerstand erfaßt.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekenn zeichnet, daß die die Kathode darstellende Elektrode von ei ner Fläche des Gasbrenners gebildet wird. Somit muß nur eine einzige Elektrode als separate Einheit im Bereich der Flamme angeordnet werden. Der Platzbedarf und der Kostenaufwand zur Erfassung des Ionisationssignals sind auf diese Weise mini mal.

Die für die aktuelle Luftzahl repräsentativen Signale können besonders zuverlässig dadurch bestimmt werden, daß als Versorgungsspannung eine Niedervoltspannung im Bereich von ±1 V und ±100 V, vorzugsweise von ±10 V und ±15 V verwendet wird.

Es hat sich bewährt, als Versorgungsspannung eine Wech selspannung mit einer Frequenz von 1 bis 100 Hz, vorzugs weise von 50 Hz zu verwenden. Dadurch können Überschwingun gen zu Phasenbeginn vermieden werden, die bei höheren Fre quenzen und bei Messung des Spannungsabfalls an einem in Reihe zu den Elektroden geschalteten Widerstand auftreten. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekenn zeichnet, daß die Versorgungsspannung von einer anderen Ein heit des Gasbrenners, z. B. von einem drehzahlgeregelten Ge bläse, abgegriffen wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläu tert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Anordnung zur Messung des Ionisationssignals gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 den Verlauf des Ionisationssignals aufgetragen gegen die Zeit bei Verwendung der bekannten Meßanordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Anordnung zur erfindungsgemäßen Messung des Ionisationssignals;

Fig. 4 einen beispielhaften Verlauf der rechteckförmigen Versorgungsspannung zur Erfassung des Ionisationssignals; und

Fig. 5 den Verlauf des Ionisationssignals aufgetragen gegen die Zeit bei Verwendung der rechteckförmigen Wechselspannung gemäß Fig. 4.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur erfindungsgemäßen Mes sung des Ionisationssignals. Eine rechteckförmige Versor gungsspannung wird von der Spannungsquelle 4 an die beiden im Flammenbereich angeordneten Elektroden angelegt. Diese sind in der Zeichnung nicht dargestellt, sondern lediglich das Ersatzschaltbild 5 der von den Elektroden eingeschlosse nen Flamme. Die Versorgungsspannung ist in Fig. 4 gegen die Zeit aufgetragen. Wie zu sehen ist, nähert die Versorgungs spannung die ideale rechteckförmige Signalform sehr gut an.

Es wird wieder auf Fig. 3 Bezug genommen. Der Wider stand 3 ist zu den Elektroden in Reihe geschaltet. Der Span nungsabfall an diesem Widerstand wird als Ionisationssignal erfaßt. Dieses ist in Fig. 5 gegen die Zeit aufgetragen. Wie dieser Figur zu entnehmen ist, nähert auch das Ionisati onssignal die rechteckförmige Signalform sehr gut an. Die Flanken des Ionisationssignals verlaufen sogar exakt senk recht. Das Signal selbst rauscht sowohl in der leitenden als auch in der nicht leitenden Halbwelle nur geringfügig. Daher kann das Ionisationssignal in der leitenden Halbwelle mit einer beliebig hohen Frequenz oberhalb der Frequenz der Ver sorgungsspannung, beispielweise mit der zehnfachen Frequenz der Versorgungsspannung, abgetastet werden. Die aktuelle Luftzahl kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit bisher unerreichter Frequenz und Zuverlässigkeit bestimmt werden. Die Luftzahlregelung eines Gasbrenners kann somit deutlich verbessert werden, wodurch Schadstoffemissionen weiter redu ziert und Brennverhalten und Wirkungsgrad des Gasbrenners ebenfalls verbessert werden.

Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen möglich. Die Anordnung der Elektroden sowie die Frequenz und der Betrag der rechteckförmigen Versorgungsspannung können beliebig variiert werden. Ferner kann das für die aktuelle Luftzahl repräsentative Signal statt zur Luftzahlregelung auch zur Flammenüberwachung verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung eines Signals, das für die aktuelle Luftzahl eines wenigstens teilvormischenden Gas brenners repräsentativ ist, mit Hilfe eines Ionisationsstro mes zwischen zwei Elektroden, die elektrisch gegeneinander isoliert sind und im Betriebszustand des Gasbrenners minde stens einen Bereich der Flamme einschließen, dadurch gekennzeichnet,
daß eine rechteckförmige Wechselspannung als Versor gungsspannung an die Elektroden angelegt wird,
daß der Momentanwert eines für den Ionisationsstrom cha rakteristischen Ionisationssignals erfaßt wird,
daß der Momentanwert des Ionisationssignals mit einem Schwellwert verglichen wird, und
daß der Momentanwert bei Überschreitung des Schwellwer tes als für die aktuelle Luftzahl repräsentatives Signal verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Ionisationssignal der Ionisationsstrom erfaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand zu den Elektroden in Reihe geschaltet wird und daß als Ionisationssignal der Spannungsabfall an dem Wi derstand erfaßt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die die Kathode darstellende Elektrode von einer Fläche des Gasbrenners gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß als Versorgungsspannung eine Nieder voltspannung im Bereich von ±1 V und ±100 V, vorzugs weise von ±10 V und ±15 V verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Versorgungsspannung eine Wechsel spannung mit einer Frequenz von 1 bis 100 Hz, vorzugsweise von 50 Hz verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung von einer ande ren Einheit des Gasbrenners, z. B. von einem drehzahlgeregel ten Gebläse, abgegriffen wird.