DE202019100264U1

DE202019100264U1 - Heater with control of a gas mixture using a gas sensor and a gas mixture sensor

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Publication number: DE202019100264U1
Application number: DE202019100264.6U
Authority: DE
Original assignee: Ebm Papst Landshut GmbH
Current assignee: Ebm Papst Landshut GmbH
Priority date: 2019-01-17
Filing date: 2019-01-17
Publication date: 2019-02-04
Anticipated expiration: 2029-01-18

Abstract

Heizgerät mit einem Brenner, einer Gaszufuhr, einer Brenngaszufuhr, einer Mischvorrichtung für das Gas und das Brenngas, einem mikrothermischen Gassensor (7, 105), einem mikrothermischen Gasgemischsensor (9, 106, 109) und einem Steuergerät, wobei das Heizgerät eine Regelung eines Gasgemisches (8, 107) gebildet aus einem Gas (2, 104) und einem Brenngas (1, 103) umfasst, wobei das Gasgemisch erzeugt wird, indemüber ein erstes Stellglied (4, 108) eine Gasmenge undüber ein zweites Stellglied (3, 102) eine Brenngasmenge bereitgestellt und gemischt werden, wobeiein mikrothermischer Gassensor (7, 105), der mindestens eine stoffliche Eigenschaft des Gases (2, 104) erfasst, mit dem Gas beaufschlagt wird und ein von dem jeweiligen Gas abhängiges Sensorsignal an ein Steuergerät (10, 112) übermittelt,wobei ein mikrothermischer Gasgemischsensor (9, 106, 109), der mindestens eine stoffliche Eigenschaft des Gasgemisches (8, 107) erfasst, mit dem Gasgemisch beaufschlagt wird und kontinuierlich ein von dem jeweiligen Gasgemisch abhängiges Sensorsignal an ein Steuergerät (10, 112) übermittelt,wobei bei einer Änderung des erfassten Sensorsignals des Gassensors das neu erfasste Sensorsignal des Gassensors mit labortechnisch gemessenen und in einer Wertetabelle im Steuergerät (10, 112) hinterlegten Vergleichswerten verglichen und daraus ein Sollwert des Sensorsignal des Gasgemischsensors (9, 106, 109) bestimmt wird, ohne dass ein Mischungsverhältnis des Gasgemisches (9, 108) aus Brenngas und Gas verändert wird.A heater with a burner, a gas supply, a fuel gas supply, a mixing device for the gas and the fuel gas, a microthermal gas sensor (7, 105), a microthermal gas mixture sensor (9, 106, 109) and a control device, wherein the heater is a control of a gas mixture (8, 107) formed from a gas (2, 104) and a fuel gas (1, 103), wherein the gas mixture is generated by applying a quantity of gas via a first actuator (4, 108) and via a second actuator (3, 102) a fuel gas amount is provided and mixed, wherein a micro-thermal gas sensor (7, 105), which detects at least one material property of the gas (2, 104), is supplied with the gas and a sensor signal dependent on the respective gas to a control unit (10, 112 ), wherein a mikrothermischer gas mixture sensor (9, 106, 109), which detects at least one material property of the gas mixture (8, 107) is applied to the gas mixture and continuously h is a dependent of the respective gas mixture sensor signal to a control unit (10, 112) transmitted, wherein when a change of the detected sensor signal of the gas sensor, the newly detected sensor signal of the gas sensor with laboratory measured and compared in a table of values in the control unit (10, 112) comparison values compared and from this, a target value of the sensor signal of the gas mixture sensor (9, 106, 109) is determined without changing a mixing ratio of the gas mixture (9, 108) of fuel gas and gas.

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizgerät mit Regelung eines Gasgemisches.The invention relates to a heater with regulation of a gas mixture.

Stand der Technik ist beispielsweise aus der Offenbarung gemäß der Druckschrift WO2006/000366A1 bekannt.The prior art is, for example, from the disclosure according to the document WO2006 / 000366A1 known.

Stand der Technik ist zudem eine Verbrennungsregelung nach dem sog. SCOT-Verfahren, bei dem die Steuerung der dem Brenner des Heizgerätes zugeführte Luftmenge entsprechend der Brennerleistung erfolgt. Dabei wird eine Flammensignalmessung mittels eines Ionisationssensors durchgeführt und das Gas-Luftgemisch auf einen in einer Kennlinie hinterlegten Soll-Ionisationsmesswert geregelt. Beim SCOT-Verfahren ist jedoch nachteilig, dass bei kleinen Brennerleistungen das Flammensignal stark absinkt und die Regelung damit unzuverlässig wird. Zudem ist der Adaptionsaufwand, insbesondere zur Anpassung der Brennergeometrie hoch und die Brennerleistung kann nur ungenau über die Gebläsedrehzahl eines den Luftvolumenstrom für das Gas-Luft-Gemisch liefernden Gebläses bestimmt werden.The prior art is also a combustion control according to the so-called. SCOT method, in which the control of the amount of air supplied to the burner of the heater according to the burner performance. In this case, a flame signal measurement is carried out by means of an ionization sensor and the gas-air mixture is controlled to a stored in a characteristic setpoint Ionisationsmesswert. However, in the case of the SCOT method, it is disadvantageous that the flame signal drops sharply at low burner outputs and the control therefore becomes unreliable. In addition, the adaptation effort, in particular for adjusting the burner geometry is high and the burner power can only be determined inaccurately on the fan speed of the air flow for the gas-air mixture supplying blower.

Ferner ist im Stand der Technik eine auf die Anmelderin zurückgehende elektronische Gemischregelung durch einen thermischen Gasmassenstromsensor bekannt, mit dem die Brenngaseigenschaften erfasst werden können. Dabei misst der Gasmassenstromsensor im Brenngas den Brenngas-Volumenstrom und über ein Steuergerät wird über die thermische Leitfähigkeit aus einer Referenztabelle die Brenngasart ermittelt. Anschließend wird die erforderliche Luftmenge entsprechend dem ermittelten Luftbedarf errechnet und eingeregelt. Dabei ist jedoch aufwendig, dass alle Eingangsgrößen, d.h. der Gasvolumenstrom, der Luftvolumenstrom und die Brenngaseigenschaften gemessen und mithin überwacht werden müssen.Further, in the prior art, an electronic mixture control due to the applicant by a thermal gas mass flow sensor is known, with which the fuel gas properties can be detected. In this case, the gas mass flow sensor in the fuel gas measures the fuel gas volume flow and via a control unit, the fuel gas is determined by the thermal conductivity from a reference table. Subsequently, the required amount of air is calculated and adjusted according to the calculated air requirement. However, it is complicated that all input quantities, i. the gas volume flow, the air volume flow and the combustion gas properties must be measured and thus monitored.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizgerät mit Regelung eines Gasgemisches bereitzustellen, das Änderungen der Eigenschaften des dem Brenngas zugeführten Gases erkennt und Regelparameter gezielt anpasst.The invention has for its object to provide a heater with control of a gas mixture that detects changes in the properties of the gas supplied to the fuel gas and specifically adapts control parameters.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by the feature combination according to claim 1.

Erfindungsgemäß wird ein brenngasbetriebenes Heizgerät mit Regelung eines Gasgemisches gebildet aus einem Gas und einem Brenngas vorgeschlagen, bei dem das Gasgemisch erzeugt wird, indem über ein erstes Stellglied eine Gasmenge und über ein zweites Stellglied eine Brenngasmenge bereitgestellt und gemischt werden. Ein mikrothermischer Gassensor, der mindestens eine stoffliche Eigenschaft des Gases erfasst, wird mit dem Gas beaufschlagt und übermittelt ein von dem jeweiligen Gas abhängiges Sensorsignal an ein Steuergerät. Zudem wird ein mikrothermischer Gasgemischsensor, der mindestens eine stoffliche Eigenschaft des Gasgemisches erfasst, mit dem Gasgemisch beaufschlagt und übermittelt kontinuierlich ein von dem jeweiligen Gasgemisch abhängiges Sensorsignal an das Steuergerät. Bei einer Änderung des erfassten Sensorsignals des Gassensors wird das neu erfasste Sensorsignal des Gassensors mit labortechnisch gemessenen und in einer Wertetabelle im Steuergerät hinterlegten Vergleichswerten verglichen und daraus ein Sollwert des Sensorsignal des Gasgemischsensors bestimmt, ohne dass ein Mischungsverhältnis des Gasgemisches aus Brenngas und Gas verändert wird.According to the invention, a gas-fired heater with regulation of a gas mixture formed from a gas and a fuel gas is proposed, in which the gas mixture is generated by providing a quantity of gas via a first actuator and a fuel quantity via a second actuator and mixed. A micro-thermal gas sensor, which detects at least one material property of the gas, is charged with the gas and transmits a sensor signal dependent on the respective gas to a control unit. In addition, a micro-thermal gas mixture sensor, which detects at least one material property of the gas mixture, is supplied with the gas mixture and continuously transmits a sensor signal dependent on the respective gas mixture to the control unit. Upon a change in the detected sensor signal of the gas sensor, the newly detected sensor signal of the gas sensor is compared with laboratory-measured and stored in a table of values in the control unit comparison values and determines a target value of the sensor signal of the gas mixture sensor without a mixing ratio of the gas mixture of fuel gas and gas is changed.

In der Praxis gibt es bei Heizgeräten regelmäßig den Fall, dass sich lediglich die Eigenschaft des Gases ändert, beispielsweise die relative Luftfeuchtigkeit, ohne dass sich daraus für eine weiterhin saubere Verbrennung ein neues Mischungsverhältnis für Gas und Brenngas ergeben würde. Dennoch verändert sich das Sensorsignal des Gasgemischsensors durch diese Änderung der stofflichen Eigenschaft des Gases. Zur Vermeidung einer unnötigen Anpassung des Mischungsverhältnisses wird über den Gassensor die Änderung der stofflichen Eigenschaft des Gases erfasst und lediglich der Sollwert des Sensorsignals des Gasgemischsensors angepasst. Das Mischungsverhältnis von Brenngas und Gas bleibt hierzu unverändert. Die Regelung des Gasgemisches (Verhältnis aus Brenngas und Gas) über den Modulationsbereich des Heizgeräts wird anschließend mit dem neuen Sollwert des Sensorsignals des Gasgemischsensors weitergeführt.In practice, there are regularly in the case of heaters the case that only changes the property of the gas, for example, the relative humidity, without resulting in a further clean combustion, a new mixing ratio for gas and fuel gas. Nevertheless, the sensor signal of the gas mixture sensor changes due to this change in the material property of the gas. To avoid unnecessary adaptation of the mixing ratio, the change in the material property of the gas is detected via the gas sensor and only the desired value of the sensor signal of the gas mixture sensor is adjusted. The mixing ratio of fuel gas and gas remains unchanged. The control of the gas mixture (ratio of fuel gas and gas) over the modulation range of the heater is then continued with the new setpoint of the sensor signal of the gas mixture sensor.

Diese Gasgemischregelung basiert auf einer Überwachung des Signalwerts des Gasgemischsensors. Das Steuergerät vergleicht hierzu das kontinuierlich erfasste Sensorsignal des Gasgemischsensor mit einem Sollwert des Sensorsignals des Gasgemischsensor und steuert bei einer Abweichung des erfassten Sensorsignals des Gasgemischsensor mit dem Sollwert des Sensorsignals mindestens eines der ersten und zweiten Stellglieder an, um dadurch das Gasgemisch durch Erhöhung oder Verringerung der Gasmenge und/oder Erhöhung oder Verringerung der Brenngasmenge anzupassen, bis der Sollwert des Sensorsignals des Gasgemischsensor erreicht ist.This gas mixture control is based on monitoring the signal value of the gas mixture sensor. The control unit compares the continuously detected sensor signal of the gas mixture sensor with a desired value of the sensor signal of the gas mixture sensor and controls at a deviation of the detected sensor signal of the gas mixture sensor with the setpoint of the sensor signal at least one of the first and second actuators, thereby the gas mixture by increasing or decreasing the Adjust gas quantity and / or increase or decrease in the amount of fuel gas until the desired value of the sensor signal of the gas mixture sensor is reached.

Ein wesentlicher Punkt ist die Messung der mindestens einen stofflichen Eigenschaft des Gasgemisches sowie der mindestens einen stofflichen Eigenschaft des Gases. Eine Veränderung der Gasmenge oder der Brenngasmenge würde sofort durch eine Veränderung der stofflichen Eigenschaften am Gasgemischsensor erkannt werden. Eine Veränderung der stofflichen Eigenschaften des Gasgemisches am Gasgemischsensor kann über das Steuergerät unmittelbar ausgeregelt werden. Eine Veränderung der stofflichen Eigenschaften des Gases wird unmittelbar befasst, um den Sollwert des Sensorsignals des Gasgemischsensors anzupassen.An essential point is the measurement of the at least one material property of the gas mixture and of the at least one material property of the gas. A change in the amount of gas or the amount of fuel gas would be detected immediately by a change in the material properties of the gas mixture sensor. A change in the material properties of the Gas mixture on the gas mixture sensor can be corrected directly via the control unit. A change in the material properties of the gas is dealt with directly in order to adjust the desired value of the sensor signal of the gas mixture sensor.

Die von dem mikrothermischen Gasgemischsensor erfasste stoffliche Eigenschaft des Gasgemisches ist vorzugsweise die Wärmeleitfähigkeit oder die Temperaturleitfähigkeit des Gasgemisches. Es können jedoch auch mehrere dieser stofflichen Eigenschaften erfasst werden, so dass eine genauere Zuordnung der Mehrzahl der Eigenschaften auf das Gasgemisch möglich ist. Die von dem mikrothermischen Gassensor erfasste stoffliche Eigenschaft des Gases entspricht denen des Gasgemischsensors.The material property of the gas mixture detected by the microthermal gas mixture sensor is preferably the thermal conductivity or the thermal conductivity of the gas mixture. However, it is also possible to detect a plurality of these material properties, so that a more precise assignment of the majority of the properties to the gas mixture is possible. The material property of the gas detected by the microthermal gas sensor corresponds to that of the gas mixture sensor.

Eine andere Möglichkeit besteht auf dem Funktionsprinzip der Ultraschallmessung zur Ermittlung der jeweils gasgemischabhängig vorliegenden spezifischen Schallgeschwindigkeit. Als Gassensor wird ebenfalls ein entsprechender Sensor verwendet.Another possibility is based on the principle of ultrasound measurement to determine the specific gas velocity depending on the gas mixture. As a gas sensor, a corresponding sensor is also used.

Das Heizgerät ist in einer Weiterbildung dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert des Sensorsignals in Abhängigkeit einer Zusammensetzung des Gases oder des Brenngases durch das Steuergerät angepasst wird. Ändert sich die Zusammensetzung des Brenngases (z.B. von Propan auf Butan), verändern sich die gemessenen Eigenschaften des Gasgemisches. Zusätzlich benötigen andere Zusammensetzungen an Brenngas für eine optimale Verbrennung auch andere Luftmengen. Es ist somit auch ein neues Mischungsverhältnis zwischen Gas und Brenngas erforderlich.In a further development, the heating device is characterized in that the desired value of the sensor signal is adjusted by the control unit as a function of a composition of the gas or of the fuel gas. As the composition of the fuel gas (e.g., from propane to butane) changes, the measured properties of the gas mixture change. In addition, other compositions of fuel gas also require other amounts of air for optimal combustion. It is therefore also a new mixing ratio between gas and fuel gas required.

Eine derartige Anpassung des Sollwerts des Sensorsignals erfolgt durch einen Kalibrierprozess. Hierfür werden vom Steuergerät das erste Stellglied der Gasmenge oder das zweite Stellglied der Brenngasmenge soweit verändert, bis das gewünschte Ergebnis erreicht wird. Der ursprüngliche Sollwert wird für die weitere Gemischregelung durch das neue gemessene Sensorsignal ersetzt. Such an adjustment of the setpoint value of the sensor signal is effected by a calibration process. For this purpose, the controller of the first actuator of the amount of gas or the second actuator of the fuel gas amount changed so far until the desired result is achieved. The original setpoint is replaced by the new measured sensor signal for further mixture control.

Insbesondere erfolgt der Kalibrierprozess durch eine Ionisationsstromregelung eines Flammensignals eines Brenners des Heizgerätes, bis ein Ionisationssollwert erreicht ist. Hierfür wird zunächst eine stöchiometrische Verbrennung des Brenners des Heizgerätes eingestellt. Über eine lonisationssonde werden das Flammensignal des Brenners des Heizgerätes und dadurch ein entsprechender lonisationsstrom erfasst. Bei der stöchiometrischen Verbrennung ist der lonisationsstrom maximal. Aus diesem Wert des lonisationsstroms wird mit einer labortechnisch ermittelten Prozentzahl ein lonisationssollwert berechnet und als künftiger lonisationsstromsollwert abgespeichert, der bei der gewünschten Verbrennung erreicht werden muss. Anschließend wird ausschließlich die Gasmenge um einen vorbestimmten Faktor reduziert, um den Brenner mit dem gewünschten Gasgemisch bei dem vorbestimmten lonisationssollwert zu betreiben.In particular, the calibration process is carried out by an ionization current control of a flame signal of a burner of the heater until an ionization setpoint is reached. For this purpose, a stoichiometric combustion of the burner of the heater is initially set. About an ionisation probe the flame signal of the burner of the heater and thereby a corresponding ionisationsstrom be detected. In stoichiometric combustion, the ionization current is maximum. From this value of the ionization current, an ionization desired value is calculated with a percentage determined by laboratory technology and stored as a future ionization current desired value, which must be reached in the desired combustion. Subsequently, only the amount of gas is reduced by a predetermined factor in order to operate the burner with the desired gas mixture at the predetermined ionisation setpoint.

Das Heizgerät ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass beim Erreichen des Ionisationssollwerts die mindestens eine stoffliche Eigenschaft des Gasgemisches mittels des Gasgemischsensors gemessen und als neuer Sollwert des Sensorsignals im Steuergerät hinterlegt wird. Der neue Sollwert wird für die weitere Regelung verwendet und ersetzt den bisherigen Sollwert.The heater is further characterized in that when reaching the Ionisationssollwerts the at least one material property of the gas mixture is measured by means of the gas mixture sensor and stored as a new setpoint of the sensor signal in the control unit. The new setpoint is used for further control and replaces the previous setpoint.

Der Kalibrierprozess erfolgt vorzugsweise bei Unplausibilitäten des Sensorsignals des Gasgemischsensors oder in zyklischen vorbestimmten Abständen. Die Feststellung von Unplausibilitäten des Sensorsignals geschieht in einer Ausführung bei einem Start des Heizgerätes, indem zunächst ausschließlich das bekannte Gas zugeführt und der Gasgemischsensor damit beaufschlagt wird. Eine Unplausibilität liegt dann vor, wenn das von dem Gasgemischsensor gemessene Sensorsignal der stofflichen Eigenschaft, z.B. die Wärmeleitfähigkeit oder die Temperaturleitfähigkeit, nicht einem Sensorsignal für das bekannte Gas entspricht. Bei Heizgeräten dient als Gas üblicherweise die Umgebungsluft, deren stoffliche Eigenschaften bekannt sind.The calibration process is preferably carried out at implausibilities of the sensor signal of the gas mixture sensor or in cyclic predetermined intervals. The determination of implausibilities of the sensor signal is done in an embodiment at a start of the heater, by initially only supplied to the known gas and the gas mixture sensor is thus applied. Implausibility exists when the sensor signal, measured by the gas mixture sensor, of the material property, e.g. the thermal conductivity or the thermal conductivity does not correspond to a sensor signal for the known gas. In the case of heaters, the ambient gas whose material properties are known usually serves as the gas.

Verschiedene Brenngasarten bzw. Brenngasfamilien (Erdgas, Flüssiggas) beeinflussen die stofflichen Eigenschaften des Gasgemisches auf unterschiedliche Weise. Beispielsweise nimmt bei einer Zudosierung von Flüssiggas zu Luft die Wärmeleitfähigkeit ab, bei einer Zudosierung von Erdgas zu Luft nimmt die Wärmeleitfähigkeit zu. In einer Weiterbildung des Heizgeräts ist deshalb vorgesehen, dass bei einem Start des Heizgerätes zunächst ausschließlich das bekannte Gas, vorzugsweise Luft, zugeführt und der Gasgemischsensor damit beaufschlagt wird. Anschließend wird das Brenngas zugeführt, das Gasgemisch erzeugt und der Gasgemischsensor mit dem Gasgemisch beaufschlagt. Aus der Änderung des Sensorsignals bei der Zuführung des Brenngases wird die Gasart des Brenngases festgestellt. Anschließend passt das Steuergerät das Gasgemisch in Abhängigkeit von der festgestellten Gasart des Brenngases an, bis der Sollwert des Sensorsignals erreicht ist. Vorteilhafterweise kann damit die Startleistung sofort nach Erkennen der Gasfamilie vom Steuergerät über die Stellung des Stellglieds des Brenngases auf einen günstigen Startpunkt gesteuert werden und das Zündgemisch zum Brennerstart wird schneller und präziser erreicht.Different types of fuel gas or fuel gas families (natural gas, liquefied petroleum gas) influence the material properties of the gas mixture in different ways. For example, when adding liquid gas to air, the thermal conductivity decreases, and when natural gas is added to air, the thermal conductivity increases. In a further development of the heater is therefore provided that at a start of the heater initially only the known gas, preferably air, fed and the gas mixture sensor is applied to it. Subsequently, the fuel gas is supplied, generates the gas mixture and the gas mixture sensor is supplied with the gas mixture. From the change the sensor signal in the supply of the fuel gas, the gas species of the fuel gas is detected. Subsequently, the control unit adjusts the gas mixture in dependence on the detected gas type of the fuel gas until the desired value of the sensor signal is reached. Advantageously, so that the starting power can be controlled immediately after detection of the gas family from the control unit on the position of the actuator of the fuel gas to a favorable starting point and the ignition mixture for burner start is achieved faster and more precise.

Das Heizgerät macht sich ferner den vorstehend beschriebenen Effekt zu Zunahme bzw. Abnahme des Sensorsignals bei verschiedenen Brenngasen zunutze und sieht vor, dass aus der Änderung des Sensorsignals bei der Zuführung des Brenngases die Wirkungsrichtung der Regelung erfasst und daraus festgelegt wird, ob zur Erreichung des Sollwert des Sensorsignals die zugeführte Brenngasmenge erhöht oder erniedrigt wird. Ziel ist stets eine saubere Verbrennung mit dem dafür nötigen Gasgemisch.The heater also makes use of the above-described effect to increase or decrease of the sensor signal at different fuel gases and provides that from the change of the sensor signal in the supply of fuel gas, the direction of action of the control is detected and determined from whether to achieve the target value the sensor signal, the supplied fuel gas amount is increased or decreased. The goal is always a clean combustion with the necessary gas mixture.

Das Gas ist vorzugsweise Luft, das Brenngas vorzugsweise Flüssiggas oder Erdgas oder ein beliebiges Brenngasgesmisch.The gas is preferably air, the fuel gas preferably LPG or natural gas or any fuel gas mixture.

Eine Weiterbildung des Heizgeräts umfasst ferner eine Ausführung für den Fall, dass die thermischen Eigenschaften des Brenngases zu dicht an den thermischen Eigenschaften der Luft liegen und keine zuverlässige Gemischregelung möglich ist, da jede Veränderung sowohl der Luftmenge als auch der Gasmenge keine Signalveränderung am Gasgemischsensor bewirkt. Dieser Fall kann vorliegen, wenn beispielhaft Mischbrenngase zur Verbrennung eingesetzt werden, die zufällig die gleichen physikalischen stofflichen Eigenschaften wie Luft haben. Dieser Zustand wird von dem Steuergerät sowohl beim Start des Heizgerätes wie auch bei einer Kalibration durch eine Plausibilitätskontrolle dadurch erkannt, dass bei beliebiger Änderung der Luft oder der Gasmenge keine wesentliche Änderung am Sensorsignal gemessen wird. In diesem Fall kann das Steuergerät die Gemischregelung über den Gasgemischsensor vorübergehend ausschalten und mit reduziertem Modulationsbereich ausschließlich über die für die Kalibration beschriebene Ionisationsstromregelung steuern. Sobald die Brenngasbeschaffenheit wieder eine Regelung über den im Gasgemisch positionierten Gasgemischsensor ermöglicht, wird die Gemischregelung über den Gasgemischsensor fortgesetzt.A development of the heater further includes an embodiment in the event that the thermal properties of the fuel gas are too close to the thermal properties of the air and no reliable mixture control is possible, since any change in both the amount of air and the amount of gas causes no signal change in the gas mixture sensor. This case may be present when, for example, mixed combustion gases are used for combustion, which happen to have the same physical material properties as air. This state is recognized by the control unit both at the start of the heater as well as a calibration by a plausibility check that no significant change in the sensor signal is measured at any change in the air or the amount of gas. In this case, the control unit can temporarily switch off the mixture control via the gas mixture sensor and control it with a reduced modulation range exclusively via the ionization flow control described for the calibration. As soon as the fuel gas quality allows regulation via the gas mixture sensor positioned in the gas mixture, the mixture control is continued via the gas mixture sensor.

In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die von dem Gassensor erfassten stofflichen Eigenschaften des Gases kontinuierlich auf Änderungen geprüft werden und das Steuergerät den Sollwert des Sensorsignals des Gasgemischsensors kontinuierlich anpasst.In an embodiment variant, it is provided that the material properties of the gas detected by the gas sensor are continuously checked for changes and the control unit continuously adapts the desired value of the sensor signal of the gas mixture sensor.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

1 ein prinzipieller Aufbau zur Durchführung des Regelverfahrens,
2 einen Aufbau eines Heizgerätes zur Durchführung des Verfahrens,
3 eine Regelungskennlinie des Sensorsignals des Gasgemischsensors,
4 eine Regelungskennlinie des Sensorsignals des Gasgemischsensors,
5 Reglungskennlinien vor und nach einer Veränderung der Gaseigenschaften,
6 Reglungskennlinien vor und nach einer Veränderung der Brenngaseigenschaften,
7 eine Kennlinie der lonisationsstromregelung.

Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are shown in more detail below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to FIGS. Show it:

1 a basic structure for carrying out the regulatory procedure,
2 a structure of a heater for performing the method,
3 a control characteristic of the sensor signal of the gas mixture sensor,
4 a control characteristic of the sensor signal of the gas mixture sensor,
5 Control characteristics before and after a change in the gas properties,
6 Control characteristics before and after a change in the combustion gas properties,
7 a characteristic of ionisationsstromregelung.

In 1 ist ein prinzipieller Aufbau zur Durchführung des Verfahrens aufgezeigt. In der nachfolgenden Figurenbeschreibung wird als Gas stets Luft angenommen, auch wenn theoretisch auch andere Gase verwendet werden können.In 1 a basic structure for carrying out the method is shown. In the following description of the figures, air is always assumed to be gas, although theoretically other gases can also be used.

Über das Steuergerät 10 werden das Stellglied 4 zur Zuführung einer steuerbaren Menge an Luft 2 und das Stellglied 3 zur Zuführung einer steuerbaren Menge an Brenngas 1 in ihren jeweiligen Öffnungsstellungen geregelt, um das Gasgemisch 8 in einem bestimmten Brenngas-Luftgemisch-Verhältnis zu erzeugen. Im Bereich des Gasgemisches 8 ist der Gasgemischsensor 9 positioniert und wird mit dem Gasgemisch 8 beaufschlagt. Im Bereich des geregelten Luft 6 ist der Gassensor 7 positioniert, der ausschließlich mit Luft beaufschlagt wird. Die bezüglich der Menge geregelte Luft und das bezüglich der Menge geregelte Brenngas 5 sind im Bereich des Gasgemischsensors 9 homogen gemischt. Jeder der beiden Sensoren 7, 9 ist ausgebildet, die physikalischen stofflichen Eigenschaften z.B. der Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit und/ mit anderen Sensoren der Schallgeschwindigkeit zu messen. Über eine Prozessüberwachungseinheit 11 werden das Steuergerät 10 und die Regelung überwacht. Zudem sind über Pfeile die Signalleitungen zu dem und von dem Steuergerät 10 gezeigt, welches die Regelung des Gasgemisches 8 verarbeitet.About the control unit 10 become the actuator 4 for supplying a controllable amount of air 2 and the actuator 3 for supplying a controllable amount of fuel gas 1 regulated in their respective open positions to the gas mixture 8th to produce in a certain fuel gas-air mixture ratio. In the area of the gas mixture 8th is the gas mixture sensor 9 positioned and becomes with the gas mixture 8th applied. In the field of regulated air 6 is the gas sensor 7 positioned, which is exposed only to air. Regarding the amount of regulated air and the amount of regulated fuel gas 5 are in the range of the gas mixture sensor 9 homogeneously mixed. Each of the two sensors 7 . 9 is designed to measure the physical material properties such as thermal conductivity, thermal diffusivity and / or with other sensors of the speed of sound. About a process monitoring unit 11 become the controller 10 and the scheme is monitored. In addition, via arrows, the signal lines to and from the controller 10 shown the regulation of the gas mixture 8th processed.

2 zeigt eine konkrete Ausführungsform eines brenngasbetriebenen Heizgerätes 200 mit einem Gassicherheitsventil 101, einem Gasregelventil 102 als Stellglied der Menge an Brenngas 103, einem Mischgebläse 108 zur Ansaugung von Luft 104 und Mischung mit dem Brenngas 103 zur Erzeugung des Gasgemisches 107. Über die Drehzahl des Mischgebläses 108 ist die Luftmenge anpassbar; es stellt mithin das Stellglied für die Luftzufuhr. Das Heizgerät 200 umfasst den mikrothermischen Gasgemischsensor 106, wobei ein zweiter Gasgemischsensor 109 als alternative Einbauposition im Ausblasbereich des Mischgebläses 108 dargestellt ist. Grundsätzlich wird jedoch kein zweiter Gasgemischsensor benötigt. Das Heizgerät 200 umfasst ferner den mikrothermischen Gassensor 105 im Bereich der Luftzufuhr. Das Mischgebläse 108 fördert das Gasgemisch 107 zum Brenner 110, an dem die Ionisationselektrode 111 verbaut ist, um die Brennerflamme zu überwachen. Zudem sind über Pfeile die Signalleitungen zu dem und von dem Steuergerät 112 gezeigt, welches die Regelung des Gasgemisches 107 verarbeitet. 2 shows a concrete embodiment of a gas-fired heater 200 with a gas safety valve 101 , a gas control valve 102 as an actuator of the amount of fuel gas 103 , a mixing fan 108 for the intake of air 104 and mixing with the fuel gas 103 for generating the gas mixture 107 , About the speed of the mixing fan 108 is the amount of air customizable; it thus provides the actuator for the air supply. The heater 200 includes the microthermal gas mixture sensor 106 , wherein a second gas mixture sensor 109 as an alternative installation position in the discharge area of the mixing fan 108 is shown. Basically, however, no second gas mixture sensor is needed. The heater 200 further comprises the microthermal gas sensor 105 in the area of air supply. The mixing fan 108 promotes the gas mixture 107 to the burner 110 at which the ionization electrode 111 is installed to monitor the burner flame. In addition, via arrows, the signal lines to and from the control unit 112 shown the regulation of the gas mixture 107 processed.

Im Folgenden wird auf die Bauteile des prinzipiellen Aufbaus gemäß 1 Bezug genommen, die jedoch unmittelbar auf das Heizgerät 200 gemäß 2 übertragbar sind.The following is based on the components of the basic structure according to 1 Reference is made, however, directly to the heater 200 according to 2 are transferable.

In 3 ist in einem Diagramm 30 ein für die Regelung verwendeter vereinfachter linearer Zusammenhang zwischen dem von dem Gasgemischsensor 9 erfassten Sensorsignal 31 bei reiner Luft 2 (Bezugszeichen 34 entspricht 100% Luft) und dem Sensorsignal 32 bei reinem Brenngas 1 (Bezugszeichen 36 entspricht 100% Brenngas) dargestellt. Für das Gasgemisch 8 (Bezugszeichen 35 entspricht 60% Luft und 40% Brenngas) liegt das Sensorsignal 33 dazwischen. Die Mengen an Luft 2 und Brenngas 1 werden über die jeweiligen Stellglieder 3 und/oder 4 solange angepasst, bis die vom Prozess erforderlichen Gemischeigenschaften des gewünschten Mischungsverhältnisses vom Gasgemischsensor 8 detektiert werden. 3 zeigt einen linearen Verlauf der Kennlinie des Sensorsignals, es sind jedoch auch nicht-lineare Kennlinien möglich, die beispielsweise über Wertetabellen eine Regelung zu den entsprechenden Positionen der Stellglieder 3, 4 ermöglichen.In 3 is in a diagram 30 a simplified linear relationship between that used by the gas mixture sensor for the control 9 detected sensor signal 31 in clean air 2 (Reference 34 corresponds to 100% air) and the sensor signal 32 with pure fuel gas 1 (Reference 36 corresponds to 100% fuel gas). For the gas mixture 8th (Reference 35 corresponds to 60% air and 40% fuel gas) is the sensor signal 33 between. The amounts of air 2 and fuel gas 1 be about the respective actuators 3 and or 4 adjusted until required by the process mixture properties of the desired mixing ratio of the gas mixture sensor 8th be detected. 3 shows a linear course of the characteristic of the sensor signal, but there are also non-linear characteristics possible, for example, via tables of values a regulation to the corresponding positions of the actuators 3 . 4 enable.

Gemäß 3 sinkt das Sensorsignal, je mehr Brenngas 1 zugeführt wird. Das Sensorsignal wird beispielhaft als abhängig von der Wärmeleitfähigkeit als stoffliche Eigenschaft des Gasgemisches 8 dargestellt, wobei das Brenngas beispielsweise Flüssiggas ist und die Wärmeleitfähigkeit von Flüssiggas niedriger ist als diejenige von Luft. Es gibt jedoch auch Gasarten, bei denen die Wirkrichtung der Regelung umgekehrt ist, wie in 4 gezeigt. Hier ist das Brenngas 1 Erdgas, dessen Wärmeleitfähigkeit höher ist als diejenige von Luft. Im Diagramm 40 gemäß 4 ein für die Regelung verwendeter vereinfachter linearer Zusammenhang zwischen dem von dem Gasgemischsensor 9 erfassten Sensorsignal 41 bei reiner Luft 2 (Bezugszeichen 44 entspricht 100% Luft) und dem Sensorsignal 42 bei reinem Brenngasas 1 (Bezugszeichen 46 entspricht 100% Brenngas/Erdgas) dargestellt. Für das Gasgemisch 8 (Bezugszeichen 45 entspricht 75% Luft und 25% Brenngas/Erdgas) liegt das Sensorsignal 43 dazwischen, jedoch nahe dem Sensorsignal 41 reinen Brenngases 1. Für eine Regelung mit Erdgas wird vom Steuergerät 10 aus der Signaländerung des Gasgemischsensors 9 bei der Erhöhung der Brenngasmenge die Wirkungsrichtung der Regelung bestimmt und für die weitere Gemischregelung zu Grunde gelegt.According to 3 the sensor signal decreases, the more fuel gas 1 is supplied. The sensor signal is exemplified as dependent on the thermal conductivity as a material property of the gas mixture 8th For example, the fuel gas is LPG and the thermal conductivity of LPG is lower than that of air. However, there are also gas types in which the effective direction of the control is reversed, as in 4 shown. Here is the fuel gas 1 Natural gas whose thermal conductivity is higher than that of air. In the diagram 40 according to 4 a simplified linear relationship between that used by the gas mixture sensor for the control 9 detected sensor signal 41 in clean air 2 (Reference 44 corresponds to 100% air) and the sensor signal 42 with pure fuel gas 1 (Reference 46 corresponds to 100% fuel gas / natural gas). For the gas mixture 8th (Reference 45 corresponds to 75% air and 25% fuel gas / natural gas) is the sensor signal 43 in between, but close to the sensor signal 41 pure fuel gas 1 , For a control with natural gas is from the control unit 10 from the signal change of the gas mixture sensor 9 when increasing the amount of fuel gas determines the direction of action of the scheme and based on the further mixture control.

Die Ermittlung des Sollwerts des Sensorsignals des Gasgemischsensors 10 ist im Diagramm 50 gemäß 5 schematisch dargestellt. Aus der durch den Gassensor 7 gemessenen stofflichen Eigenschaft, z.B. bei Veränderung der relativen Luftfeuchtigkeit, wird ein neuer Sensorsignal-Sollwert ermittelt. Das Mischungsverhältnis 57 aus Brenngas 2 und Luft 1 bleibt jedoch unverändert. Wenn beispielhaft bei reiner Luft 1 (Bezugszeichen 56 entspricht 100% Luft; Bezugszeichen 58 reinem Brenngas) sich aufgrund einer Veränderung der Beschaffenheit das Sensorsignal, z.B. bei einer Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit, von dem ursprünglichen Wert (Bezugszeichen 51) auf einen neuen Wert (Bezugszeichen 54) ändert, wird vom Steuergerät 11 der Gemischsensor-Sollwert von dem alten Wert (Bezugszeichen 53) auf den neuen Wert (Bezugszeichen 55) unter Nutzung des Signalwerts des Gassensors 7 hochgerechnet oder mit Werten aus einer im Steuergerät 11 hinterlegten Wertetabellen korrigiert. Die Bezugszeichen 52 und 54 bezeichnen die Sensorsignale bei reiner Luft bzw. bei reinem Brenngas.The determination of the desired value of the sensor signal of the gas mixture sensor 10 is in the diagram 50 according to 5 shown schematically. Out of the gas sensor 7 measured material property, eg when changing the relative humidity, a new sensor signal setpoint is determined. The mixing ratio 57 from fuel gas 2 and air 1 remains unchanged. When using pure air as an example 1 (Reference 56 corresponds to 100% air; reference numeral 58 pure fuel gas) due to a change in the condition of the sensor signal, for example, in a change in the relative humidity, from the original value (reference numeral 51 ) to a new value (reference numeral 54 ) is changed by the control unit 11 the mixture sensor setpoint from the old value (reference numeral 53 ) to the new value (reference numeral 55 ) using the signal value of the gas sensor 7 extrapolated or with values from one in the control unit 11 corrected value tables corrected. The reference numerals 52 and 54 denote the sensor signals in clean air or pure fuel gas.

6 zeigt ein Diagramm 60 zur Darstellung der Kalibration, wenn sich beispielsweise die Beschaffenheit des Brenngases 1 so ändert, dass eine neue Gasgemischzusammensetzung erforderlich ist, um eine optimale Verbrennung zu gewährleisten. In 6 verändert sich das Brenngas als Beispiel von Propan auf Butan. Die Bezugszeichen 66 und 68 bestimmen den Bereich zwischen 100% Luft und 100% Brenngas, wobei der Signalwert 61 bei 100% Luft vorliegt. Bei der Kalibrierung wird das Gasgemisch 8 von dem ursprünglichen Mischungsverhältnis 67 mit dem zugehörigen Signalwert 63 auf das neue Mischungsverhältnis 69 mit dem zugehörigen Signalwert 64 verändert. Durch die Erfassung der stofflichen Eigenschaften sowohl der Luft 2 als auch des Brenngases 1 über jeweils einen eigenen Sensor kann die Wirkungsrichtung der Regelung vorbestimmt werden und das Gasgemisch 8 für die nachfolgende Regelung der Brenngasmenge und/oder Luftmenge voreingestellt werden. In den 5 und 6 ist die Situation der ursprünglichen Beschaffenheit des Brenngases gestrichelt, die neue Situation mit durchgezogenen Linien und Pfeilen dargestellt. 6 shows a diagram 60 to illustrate the calibration, for example, if the nature of the fuel gas 1 so changes that a new gas mixture composition is required to ensure optimal combustion. In 6 The fuel gas changes as an example of propane to butane. The reference numerals 66 and 68 determine the range between 100% air and 100% fuel gas, with the signal value 61 at 100% air. During calibration, the gas mixture 8th from the original mixing ratio 67 with the associated signal value 63 to the new mixing ratio 69 with the associated signal value 64 changed. By capturing the material properties of both the air 2 as well as the fuel gas 1 In each case a separate sensor, the direction of action of the control can be predetermined and the gas mixture 8th be preset for the subsequent control of the fuel gas quantity and / or air quantity. In the 5 and 6 is the situation of the original nature of the fuel gas dashed, the new situation represented by solid lines and arrows.

7 zeigt ein Diagramm 20 zur Kalibrierung mittels lonisationsstromregelung mit einer Kennlinie des von der lonisationselektrode in der Brennerflamme erfassten lonisationssignals (lo-Signal) gegenüber dem Brenngas-Luftverhältnis λ. Da der prinzipielle Aufbau gemäß 1 keine lonisationselektrode zeigt, wird nachfolgend auf das Heizgerät 200 gemäß 2 verwiesen. Vom Steuergerät 112 wird während des Brennerbetriebes die Menge an Luft 105 auf einen vorgegebenen Wert gesteuert, das lonisationssignal an der Ionisationselektrode 111 des Brenners 110 gemessen und die Menge an Brenngas 103 soweit erhöht, bis das lonisationssignal von dem ursprünglich vorhandenen Ionisationswert 21 bei einem Brenngas-Luftverhältnis 24 auf das Maximum 22 angestiegen ist. Aus diesem Wert wird mit einer labortechnisch ermittelten Prozentzahl der Ionisationssollwert 23 berechnet und als künftiger lonisationsstrom-Sollwert abgespeichert, der das gewünschte Brenngas-Luftverhältnis 25 mit höherem Luftüberschuss erreicht werden muss. 7 shows a diagram 20 for calibration by means of ionization current control with a characteristic curve of the ionization signal (lo signal) detected by the ionization electrode in the burner flame with respect to the fuel gas air ratio λ. Since the basic structure according to 1 no ionization electrode shows, is subsequent to the heater 200 according to 2 directed. From the control unit 112 During the burner operation, the amount of air 105 controlled to a predetermined value, the Ionisationssignal on the ionization electrode 111 of the burner 110 measured and the amount of fuel gas 103 so far increased until the lonisationssignal of the originally existing ionization 21 at a fuel gas-air ratio 24 to the maximum 22 has risen. This value is determined with a laboratory-determined percentage of the ionization setpoint 23 calculated and as future ionisationsstrom setpoint stored, the desired fuel gas air ratio 25 must be achieved with higher air surplus.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2006/000366 A1 [0002]

Claims

A heater with a burner, a gas supply, a fuel gas supply, a mixing device for the gas and the fuel gas, a microthermal gas sensor (7, 105), a microthermal gas mixture sensor (9, 106, 109) and a control device, wherein the heater is a control of a gas mixture (8, 107) formed of a gas (2, 104) and a fuel gas (1, 103), wherein the gas mixture is generated by via a first actuator (4, 108) a gas amount and via a second actuator (3, 102), a fuel gas amount is provided and mixed, wherein a microthermal gas sensor (7, 105) which detects at least one material property of the gas (2, 104), is acted upon by the gas and transmits a sensor signal dependent on the respective gas to a control unit (10, 112), wherein a micro-thermal gas mixture sensor (9, 106, 109), which detects at least one material property of the gas mixture (8, 107), is supplied with the gas mixture and continuously transmits a sensor signal dependent on the respective gas mixture to a control device (10, 112), wherein when a change in the detected sensor signal of the gas sensor, the newly detected sensor signal of the gas sensor with laboratory measured and stored in a table of values in the control unit (10, 112) compared comparison values and from a setpoint of the sensor signal of the gas mixture sensor (9, 106, 109) is determined, without changing a mixing ratio of the gas mixture (9, 108) of fuel gas and gas.

Heater after Claim 1 , characterized in that the control unit (10, 112) compares the continuously detected sensor signal of the gas mixture sensor (9, 106, 109) with a desired value of the sensor signal of the gas mixture sensor (9, 106, 109) and at a deviation of the detected sensor signal of the gas mixture sensor ( 9, 106, 109) with the set value of the sensor signal at least one of the first and second actuators and thereby adjusts the gas mixture (8, 105) by increasing or decreasing the amount of gas and / or increasing or decreasing the fuel gas until the setpoint of the sensor signal of Gas mixture sensor (9, 106, 109) is reached.

Heater after Claim 1 or 2 , characterized in that the material property of the gas mixture detected by the microthermal gas mixture sensor (9, 106, 109) is / are the thermal conductivity and / or the thermal diffusivity of the gas mixture.

Heater after one of the previous ones Claims 1 - 3 , characterized in that the material property of the gas detected by the microthermal gas sensor (7, 105) is the thermal conductivity and / or the thermal diffusivity of the gas mixture is / are of the gas.

Heater after one of the previous ones Claims 1 - 4 , characterized in that the desired value of the sensor signal of the gas mixture sensor (9, 106, 109) in dependence of a composition of the gas or the fuel gas by the control unit (10, 112) is adjusted.

Heater according to the preceding claim, characterized in that the adjustment of the desired value of the sensor signal of the gas mixture sensor (9, 106, 109) takes place by means of a calibration process.

Heater according to the preceding claim, characterized in that the calibration process is carried out by a Ionisationsstromregelung a flame signal of a burner (109) of the heater (200) until a Ionisationssollwert is reached.

Heater according to the preceding claim, characterized in that, when the desired ionization value is reached, the at least one material property of the gas mixture (8, 105) is measured by means of the gas mixture sensor (9, 106, 109) and determined as a new desired value of the sensor signal in the control unit (10, 112). is deposited.

Heater according to one of the Claims 6 - 8th , characterized in that the calibration process in implausibilities of the sensor signal of the gas mixture sensor (9, 106, 109) or cyclically.

Heater according to the preceding claim, characterized in that a determination of the implausibilities of the sensor signal at a start of the heater takes place by first exclusively the known gas (2, 104) supplied and the gas mixture sensor (9, 106, 109) is applied to it, wherein an implausibility exists when the sensor signal measured by the gas mixture sensor (9, 106, 109) does not correspond to a sensor signal for the known gas (2, 104).

Heater according to one of the preceding claims, characterized in that at a start of the heater initially only the known gas (2, 104) supplied and the gas mixture sensor (9, 106, 109) is applied to it, wherein subsequently the fuel gas (1, 103) fed to the gas mixture (8, 105) and the gas mixture sensor (9, 106, 109) is supplied with the gas mixture (8, 105), wherein from a change of the sensor signal in the supply of the fuel gas, the gas type of the fuel gas (1, 103 ) and the control unit (10, 112) determines the gas mixture (8, 105) as a function of the determined gas type of the gas Fuel gas (1, 103) adapts until the setpoint of the sensor signal is reached.

Heater according to the preceding claim, characterized in that from the change of the sensor signal in the supply of the fuel gas (1, 103) detects the direction of action of the control and it is determined whether to increase the setpoint of the sensor signal, the supplied fuel gas amount is increased or decreased.

Heater after Claim 11 or 12 , characterized in that the material properties of the gas detected by the gas sensor are continuously checked for changes and the control unit (10, 112) continuously adapts the desired value of the sensor signal of the gas mixture sensor (9, 106, 109).

Heater according to one of the preceding claims, characterized in that the gas (2, 104) air and the fuel gas (1, 103) is arbitrary selectable.