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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung 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 Betriebszustand
des Gasbrenners mindestens einen Bereich der Flamme einschließen.
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Aus
der
DE 44 33 425 C2 ist
eine Regeleinrichtung zum Einstellen eines Gas-Verbrennungsluft-Gemisches
für einen
Gasbrenner bekannt. Einer vom verbrennungsabhängigen Ionisationsstrom der Ionisationselektrode
abhängigen
Spannung wird zunächst
eine Wechselspannung überlagert,
die bei der weiteren Verarbeitung des Ionisationssignals ausgefiltert
wird. Durch diese Wechselspannungsüberlagerung und deren Ausfilterung
soll der Ionisationsstrom leichter ausgewertet werden können, damit
bei unterschiedlichen Gasqualitäten
und wechselnden Umgebungsbedingungen eine verbesserte Verbrennung eingestellt
werden kann.
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Bei
einer aus der
DE 40
27 090 C2 bekannten Anordnung zum Überwachen einer Brennerflamme
ist einem über
die Brennerflamme geschlossenen Ionisationsstromkreis ein von der
Brennerflamme abhängig
gesteuerter Oszillator zur Erzeugung eines dynamischen Überwachungssignals
zugeordnet. Die Stromversorgungsanschlüsse des Oszillators sind in Reihe
mit dem von der Brennerflamme gebildeten Gleichrichter im Ionisationsstromkreis
derart angeordnet, daß die
Versorgungsenergie des Oszillators aus dem Ionisationsstromkreis
entnommen wird. Der Oszillator erzeugt ein dynamisches Überwachungssignal.
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Gemäß
DE 196 31 821 C2 wird
der Ionisationselektrode eine Wechselspannung aufgeschaltet. Während des
Brennerbetriebs werden die Schwankungen eines aus Änderungen
der Flammenintensität
abgeleiteten elektrischen Ionisationssignals überwacht. Ein Gasabschaltsignal
wird dann erzeugt, wenn charakteristische Schwankungen des Flammenbildes
und damit des daraus abgeleiteten Ionisationssignals fehlen.
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Die
genaue und zuverlässige
Bestimmung eines für
die aktuelle Luftzahl repräsentativen
Signals ist Grundvoraussetzung für
eine genaue und zuverlässige
Luftzahlregelung von wenigstens teilvormischenden Gasbrennern. Die
Bedeutung derartiger Luftzahlregelungen nimmt in der Praxis immer
stärker
zu. Mit Hilfe einer Luftzahlregelung gelingt es, Gasbrenner im optimalen
Arbeitsbereich zu betreiben, in dem die Schadstoffemissionen, insbesondere die
CO- und NOx-Emissionen, gering sind, die
thermische Belastung des Gasbrenners sehr gleichmäßig ist
und sowohl das Brennverhalten als auch Wirkungsgrad des Gasbrenners
optimal sind. Ferner verringert eine Luftzahlregelung die Störanfälligkeit des
Gasbrenners und gewährleistet
einen sicheren und geräuscharmen
Brennerbetrieb.
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Eine
Luftzahlregelung von Gasbrennern ist erforderlich, da die Zusammensetzung
des von dem Versorgungsnetz gelieferten Brenngases schwanken kann.
Dementsprechend kann auch der Luftbedarf des Brenngases schwanken. Ändert sich
die Gasbeschaffenheit des Brenngases, so greift die Luftzahlregelung
ein und ändert
entweder die Gaszufuhr mit Hilfe eines Gas-Regelventils oder die Lüfterdrehzahl derart,
daß der
Gasbrenner weiterhin bei der gewünschten
Luftzahl arbeitet.
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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 bestimmen. Derartige Ionisationselektroden stellen einen standfesten, leicht
zu wartenden und gleichzeitig preisgünstigen Luftzahlsensor dar,
der zudem mit äußerst geringem Aufwand
installiert werden kann, sofern er nicht ohnehin zur Flammenüberwachung
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 aktuelle Luftzahl repräsentativen
Signals und einer für
die jeweilige Lüfterdrehzahl
charakteristischen Kennlinie dann die aktuelle Luftzahl geregelt
werden.
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1 zeigt einen typischen
bekannten Aufbau zur Messung des Ionisationsstromes. Zwei Elektroden 1 sind
parallel zueinander derart angeordnet, daß sie eine Flamme 2 einschließen. An
die Elektroden 1 wird eine sinusförmige Wechselspannung Uo angelegt. Aufgrund der Feldkräfte werden
die in der Flamme vorhandenen Ladungsträger, freie Elektronen und Ionen,
während
der Halbwelle, in der die untere Elektrode 1 als Kathode
geschaltet ist, in Richtung der zugehörigen gegenpoligen Elektrode
beschleunigt. Es fließt
ein Ionisationsstrom Iion. Ein Widerstand 3 ist
zu den Elektroden 1 in Reihe geschaltet. Der Spannungsabfall
an diesem Widerstand ist proportional zum fließenden Ionisationsstrom, so
daß bei
Messung des Spannungsabfalls der Ionisationsstrom erfaßt werden
kann.
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Es
hat sich jedoch gezeigt, daß die
Signalform des so erfaßten
Ionisationssignals nicht ohne weiteres den theoretischen Überlegungen
entspricht.
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In 2 ist das gemäß dem Stand
der Technik in 1 erfaßte Ionisationssignal
gegen die Zeit aufgetragen. Die Signalform des Ionisationssignals entspricht,
anders als erwartet, nicht derjenigen einer Sinushalbwelle. Die
Null durchgänge
des Signals sind verfrüht
und auch die Signalmaxima. lassen sich nicht eindeutig zeitlich
zuordnen. Theoretisch 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.
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Aufgrund
der unregelmäßigen Signalform des
Ionisationssignals muß dieses über zumindest eine
Periodendauer der Versorgungsspannung integriert werden, um ein
für die
aktuelle Luftzahl repräsentatives
Signal zu gewinnen, welches das erforderliche Mindestmaß an Genauigkeit
aufweist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für die aktuelle Luftzahl repräsentatives
Signal zu bestimmen, das eine verbesserte Luftzahlregelung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zur Bestimmung eines für die aktuelle Luftzahl repräsentativen
Signals nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei eine rechteckförmige Wechselspannung
als Versorgungsspannung an die Elektroden angelegt wird, der Momentanwert eines
für den
Ionisationsstrom charakteristischen Ionisationssignals erfaßt wird,
der Momentanwert des Ionisationssignals mit einem Schwellwert verglichen wird
und der Momentanwert bei Überschreitung
des Schwellwerts als für
die aktuelle Luftzahl repräsentatives
Signal verwendet wird.
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Überraschenderweise
hat sich gezeigt, daß die
Reproduzierbarkeit und Genauigkeit des für die aktuelle Luftzahl repräsentativen
Signals beträchtlich dadurch
erhöht
werden kann, daß statt
einer sinusförmigen
Wechselspannung eine rechteckförmige Wechselspannung
als Versorgungsspannung gewählt
wird. Eine rechteckförmige
Wechselspannung zeichnet sich dadurch aus, daß die Polung der Spannung zwischen
+Umax und –Umax sprunghaft
wechselt. Der Grund hierfür
ist, daß das
Ionisationssignal bei Verwendung einer rechteckigen Wechselspannung anders
als im Stand der Technik im wesentlichen den Erwartungen entspricht:
Das Ionisationssignal steigt zwischen 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
erfindungsgemäßen Verfahren
bereits der Momentanwert des Ionisationssignals, um die aktuelle
Luftzahl zuverlässig
zu bestimmen.
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Besonders
vorteilhaft ist, daß die
Momentanwerte des Ionisationssignals und somit die für die aktuelle
Luftzahl repräsentativen
Signale mit einer Frequenz deutlich oberhalb der Frequenz der Versorgungsspannung
abgefragt werden können.
Somit kann eine Änderung
der Luftzahl wesentlich schneller als im Stand der Technik erfaßt werden
und die Luftzahlregelung deutlich verbessert werden. Schadstoffemissionen
können
weiter verringert werden und sowohl das Brennverhalten als auch
der Wirkungsgrad des Gasbrenners optimiert werden.
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Ein
besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß im Vergleich
zum Stand der Technik zur Realisierung des Verfahrens keine zusätzlichen
Kosten anfallen. Bestehende Ionisationsstrommeßeinrichtungen können ohne
besonderen Aufwand umgerüstet
werden. Dazu muß die
Spannungsquelle ausgetauscht oder im Idealfall lediglich umgeschaltet
werden. Ferner muß aus
der Auswerteschaltung das Integrierglied entfernt und stattdessen
ein Schwellwertgeber und ein Subtrahierglied entweder hardware-
oder softwaremäßig vorgesehen werden.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
ist dadurch gekennzeichnet, daß als
Ionisationssignal der Ionisationsstrom erfaßt wird.
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Vorteilhafterweise
wird ein Widerstand zu den Elektroden in Reihe geschaltet und als
Ionisationssignal der Spannungsabfall an dem Widerstand erfaßt.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die die
Kathode darstellende Elektrode von einer 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 minimal.
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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.
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Es
hat sich bewährt,
als Versorgungsspannung eine Wechselspannung mit einer Frequenz
von 1 bis 100 Hz, vorzugsweise von 50 Hz zu verwenden. Dadurch können Überschwingungen
zu Phasenbeginn vermieden werden, die bei höheren Frequenzen und bei Messung
des Spannungsabfalls an einem in Reihe zu den Elektroden geschalteten
Widerstand auftreten.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Versorgungsspannung von einer anderen Einheit des Gasbrenners, z. B.
von einem drehzahlgeregelten Gebläse, abgegriffen wird.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine bekannte Anordnung
zur Messung des Ionisationssignals gemäß dem Stand der Technik;
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2 den Verlauf des Ionisationssignals aufgetragen
gegen die Zeit bei Verwendung der bekannten Meßanordnung gemäß 1;
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3 eine Anordnung zur erfindungsgemäßen Messung
des Ionisationssignals;
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4 einen beispielhaften Verlauf
der rechteckförmigen
Versorgungsspannung zur Erfassung des Ionisationssignals; und
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5 den Verlauf des Ionisationssignals aufgetragen
gegen die Zeit bei Verwendung der rechteckförmigen Wechselspannung gemäß 4.
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3 zeigt eine Anordnung zur
erfindungsgemäßen Messung
des Ionisationssignals. Eine rechteckförmige Versorgungsspannung 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 eingeschlossenen Flamme. Die Versorgungsspannung
ist in 4 gegen die Zeit
aufgetragen. Wie zu sehen ist, nähert
die Versorgungsspannung die ideale rechteckförmige Signalform sehr gut an.
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Es
wird wieder auf 3 Bezug
genommen. Der Widerstand 3 ist zu den Elektroden in Reihe
geschaltet. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand wird als Ionisationssignal
erfaßt.
Dieses ist in 5 gegen
die Zeit aufgetragen. Wie dieser Figur zu entnehmen ist, nähert auch
das Ionisationssignal die rechteckförmige Signalform sehr gut an.
Die Flanken des Ionisationssignals verlaufen sogar exakt senkrecht.
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 Versorgungsspannung, 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 reduziert und Brennverhalten
und Wirkungsgrad des Gasbrenners ebenfalls verbessert werden.
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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.