DE3042670C3 - Vorrichtung zum Messen des Wirkungsgrades einer Feuerung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung des Wirkungsgrades einer Feuerung, beispielsweise eines Heizkessels oder eines Ofens, umfaßt die Messung der Sauerstoff- oder CO₂-Konzentration und der Temperatur der Rauchgase, wobei die Meßwerte mit Hilfe einer Eichtabelle ausgewertet werden, in welcher die Werte für den "Kaminverlust" (Anteil des Wärmeverlustes) und/oder des Wirkungsgrades für unterschiedliche Temperaturen und Sauerstoff- oder CO₂-Konzentrationen angegeben sind. Für unterschiedliche Brennstofftypen, z. B. fester Brennstoff, Heizöl und Erdgas, müssen unterschiedliche Tabellen verwendet werden. Auch abgesehen von den Genauigkeitsbeschränkungen, die mit der Verwendung solcher Tabellen einhergehen, ist die Möglichkeit gegeben, daß die Bedienungsperson die falsche Tabelle verwendet, d. i. eine sich auf einen falschen Brennstoff beziehende Tabelle, oder in der falschen Zeile oder Spalte der Tabelle abliest, oder auch eines oder beide der Meßinstrumente falsch abliest.

Es wurden unterschiedliche Vorrichtungen mit dem Ziel vorgeschlagen, diese Nachteile durch Verwendung von Einrichtungen zur selbsttätigen Bestimmung des Wirkungsgrades aus Messungen der Temperatur und der O₂- oder CO₂-Konzentration der Rauchgase auszuschalten.

Beispielsweise ist in der GB-Patentanmeldung 20 16 707 eine Vorrichtung zur Durchführung eines vorbestimmten Algorithmus beschrieben, durch welchen der Betriebswirkungsgrad (η) von den Ausgangssignalen von Fühlern für die Temperatur und die Sauerstoffkonzentration der Rauchgase abgeleitet und Korrekturen für die Nichtlinearität der verwendeten O₂- und Temperaturfühler berücksichtigt werden. Dies hat jedoch den Nachteil, daß die aktuelle O₂-Konzentration und Rauchgastemperatur nicht gesondert angezeigt werden können, weil die Korrekturfaktoren für die Nichtlinearität der Fühler in diesen einzigen Algorithmus integral einbezogen sind.

Eine andere Vorrichtung ist aus der GB-PS 15 62 536 bekannt, wonach eine elektronische Recheneinrichtung Ausgangssignale eines O₂- oder CO₂-Konzentrationsfühlers und eines Temperaturfühlers erhält und den Wirkungsgrad η in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten Formel berechnet, durch welche diese Größe mit der O₂- oder CO₂-Konzentration und Temperatur der Rauchgase verknüpft ist. Bei einer derartigen Vorrichtung wird jedoch eine Linearität der Änderung der erhaltenen Fühlersignale mit den Meßgrößen vorausgesetzt. Dies kann jedoch kaum erreicht werden, insbesondere nicht für Gaskonzentrationsfühler.

Das Problem der Eichung eines O₂-Konzentrationsfühlers ist in der Abhandlung "Improving the measurement of O₂ in flue gases" von Alan M. Crossley in "Power & Works Engineering", Oktober 1979, diskutiert.

Die vorgeschlagene Lösung bedeutet jedoch, daß eine Anzahl von Vergleichsmessungen mit Vergleichsgasen durchgeführt werden müssen, die über den interessierenden Bereich hin unterschiedliche bekannte O₂-Konzentrationen aufweisen, so daß dieses Verfahren schwerfällig und zeitaufwendig ist.

Erfindung

Durch die Erfindung nach dem Anspruch 1 wird die Aufgabe gelöst, eine zum Messen des Wirkungsgrades einer Feuerung dienende, genau und zuverlässig arbeitende Vorrichtung zu schaffen.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind aus den Unteransprüchen ersichtlich.

Da die Recheneinrichtung derart beschaffen ist, daß sie automatisch einzelne Betriebsstufen, angefangen von den Vergleichsmessungen für die Kalibrierung und die Ableitung der Meßwerte der Konzentration des Gasbestandteils und der Temperatur aus Messungen in den Rauchgasen bis hin zu der endgültigen Berechnung des Kaminverlustes und/oder des Betriebswirkungsgrades aufgrund durch die Bedienungsperson mit Hilfe von Schaltern oder dergleichen Vorrichtungen eingegebener Befehle durchläuft, wobei mit Anzeigeeinrichtungen optisch oder akustisch angezeigt werden kann, wenn eine oder jede dieser einzelnen Betriebsstufen erfolgreich abgeschlossen ist, so daß dann die entsprechende Schalteinrichtung betätigt werden kann, um die nächste Betriebsstufe zu erhalten, ist die Betriebsweise der Vorrichtung vereinfacht und sind Fehlermöglichkeiten reduziert.

Erläuterung der Erfindung

Die Erfindung wird anhand einer beispielgebenden Ausführungsform und der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Überwachungsvorrichtung gemäß der Erfindung für den Verbrennungswirkungsgrad,

Fig. 2 den Innenaufbau eines Mikroprozessors, der einen Teil der Überwachungsvorrichtung aus Fig. 1 bildet,

Fig. 3(a) und 3(b) Schaltbilder zweier Verstärkerausführungsformen, die für die Überwachungsvorrichtung aus Fig. 1 geeignet sind, und

Fig. 4 und 5 Fließdiagramme unterschiedlicher Teile eines Programms, von welchem die Vorrichtung aus Fig. 1 gesteuert wird.

Entsprechend Fig. 1 enthält die Vorrichtung einen Analogmodul 1 mit einem ersten Eingangsanschluß 2 für den Ausgang eines Sauerstoff-Fühlers 3 und einem zweiten Eingangsanschluß 4 für den Ausgang eines Temperaturfühlers 5. Der Analogmodul 1 enthält entsprechende Verstärker zur linearen Verstärkung der Eingangsspannungen an seinen beiden Eingangsanschlüssen, so daß an entsprechenden Ausgangsanschlüssen 7, 8 Vollausschlag-Ausgangsspannungen erzeugt werden, die jeweils der Größe einer Bezugsspannung, typisch 3 Volt, gleichen, die an einem dritten Ausgangsanschluß 9 erzeugt ist.

Die Ausgangsanschlüsse 7, 8, 9 des Analogmoduls 1 sind an entsprechende Eingangsanschlüsse A/D1, A/D2 und A/D REF eines 8-Bit Mikroprozessorschips 10 angeschlossen, der einen inneren 8-Bit Analogdigitalumsetzer mit zwei Eingangskanälen enthält. Die Anschlüsse A/D1, A/D2 bilden die Eingangsanschlüsse für die beiden Kanäle des Analogdigitalwandlers, wohingegen die an den Eingangsanschluß A/D REF von dem Analogmodul 1 gegebene Spannung den oberen Endwert des Umsetzungsbereichs bestimmt. Der in dem vorliegenden Beispiel verwendete Mikroprozessorchip 10 ist eine handelsüblich erhältliche Komponente. Sie ist besonders geeignet für den vorliegenden Verwendungsfall, weil sie den erforderlichen Zwei-Kanal-Analogdigitalwandler eingebaut enthält, so daß eine externe Analogdigitalumwandlung des Ausgangssignals des Sauerstoff-Fühlers 3 und des Temperaturfühlers 5 nicht erforderlich ist.

Der Mikroprozessorchip 10 weist außerdem drei Eingangs/Ausgangsbereiche 12, 13, 14 für jeweils acht Leitungen auf. Drei der Eingangs/Ausgangsleitungen des ersten Bereichs 12 sind an einen Dreiweg-Brennstoffwählschalter 16 angeschlossen, wohingegen drei weitere Leitungen an entsprechende Schalter 17, 18, 19 zum Wählen eines von drei unterschiedlichen Arbeitsprogrammen angeschlossen sind, die in einem Lesespeicher mit einer Kapazität von 2 K (8-Bit)-Worten in dem Mikroprozessorchip 10 gespeichert sind.

Der zweite Bereich 13 ist mit einer seiner Eingangs/Ausgangsleitungen an einen Oszillator 20 angeschlossen, der einen Lautsprecher 21 zum Ausstrahlen eines akustischen Warntons speist, wenn eine Sauerstoffkonzentrationsmessung durchgeführt ist. Eine andere Leitung dient als Anschluß für den Motor 22 einer Luftsaugpumpe zum Einsaugen von Luft in den Sauerstoff-Fühler 3, bevor eine Sauerstoffkonzentrationsmessung durchgeführt werden soll. Zwei andere Eingangs/Ausgangsleitungen des zweiten Bereichs 13 und die acht Eingangs/Ausgangsleitungen des dritten Bereichs 14 sind an entsprechende Eingänge eines Anzeigemoduls 24 angeschlossen.

Der Anzeigemodul 24 enthält drei alpha-numerische Sieben-Segment-Anzeigefelder 25 a, 25 b, 25 c, die von sieben der Eingangs/Ausgangsleitungen des dritten Eingangs/Ausgangsbereichs 14 des Mikroprozessors 10 getrieben sind, eine Gruppe von drei Anzeigelampen 26 a, 26 b, 26 c, die von der achten Eingangs/Ausgangsleitung des Bereichs 14 gesteuert sind, um anzuzeigen, welche der drei Größen aus Temperatur, Sauerstoffprozentzahl oder Wirkungsgrad auf den alpha-numerischen Anzeigefeldern 25 a, 25 b, 25 c angezeigt wird, und zwei weitere Anzeigelampen 27, 28, die von den beiden an den Anzeigemodul 24 angeschlossenen Eingangs/Ausgangsleitungen des Bereichs 13 gesteuert sind und von denen die eine Anzeigelampe 27 anzeigt, wenn der Sauerstoff-Fühler erfolgreich kalibriert ist und die andere Anzeigelampe 28 anzeigt, wenn eine Sauerstoffkonzentrationsmessung erfolgreich abgeschlossen ist.

Andere Anschlüsse des Mikroprozessorchips umfassen Stromanschlüsse 30, 31, an welche eine stabilisierte Stromquelle 32 von +5 V angeschlossen ist, und ein Paar Quarzsteueranschlüsse 34, 35, über welche ein Zeitelement 36 zur Steuerung des Taktes eines inneren quarzgesteuerten Schwingzeitkreises angeschlossen ist, der in den Mikroprozessorchip 10 eingebaut ist. Im vorliegenden Beispiel besteht das Zeitelement 36 aus einem 15 k Widerstand, durch welchen die Taktperiode des Prozessors auf 5 µs gesetzt wird, was eine Instruktionszykluszeit von 150 µs (30 Taktperioden) ergibt.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm des Innenaufbaus des Mikroprozessorchips 10, der einen Zeitgeber 40 aufweist, dessen Zeitperiode von dem Zeitelement 36 (Fig. 1) bestimmt ist und welcher die Zeitdauer der Instruktionsphase des Mikroprozessors über einen 8-Bit-Zentralrechner (CPU) 41 steuert. Der Zentralrechner 41 führt verschiedene arithmetische Operationen durch und steuert die verbleibenden Bereiche des Mikroprozessors in Übereinstimmung mit Programminstruktionen, die in einem Lesespeicher (ROM) 42 gespeichert sind, der bereits erwähnt wurde. Der Mikroprozessor enthält auch einen Datenspeicher 43 mit einer Kapazität von 64 8-Bit-Worten, welcher während des Betriebs sowohl zum Einlesen von Daten als auch zum Auslesen von Daten zugänglich ist, einen 8-Bit-Zeitschalter/Meßwertzähler 44 und einen Zwei-Kanal-Analogdigitalwandler 45 mit 8-Bit, der oben im Zusammenhang mit dem Analogmodul 1 (Fig. 1) bereits erläutert ist. Der Zentralrechner 41, der Programmspeicher 42, der Datenspeicher 43, der Zeitschalter/Meßwertzähler 44 und der Zwei-Kanal-Analogdigitalwandler 45 sind sämtlich miteinander und mit den drei Eingangs/Ausgangsbereichen 12, 13, 14 mittels eines inneren Verteilernetzes 47 zusammengeschaltet.

Der erforderliche Verstärkungsfaktor der entsprechenden Verstärker in dem Analogmodul 1 aus Fig. 1 zur Einstellung der Ausgangssignale des Sauerstoff-Fühlers 3 und des Temperaturfühlers 5 auf einem Skalenendwert von etwa 3 Volt ist abhängig von dem Meßbereich, der von diesen beiden Ausgangssignalen abgedeckt wird. Der erforderliche maximale Bereich der Sauerstoffkonzentrationen, die von dem Sauerstoff-Fühler 3 gemessen werden sollen, beträgt im vorliegenden Beispiel von 0 bis 22% (20,9% ist die nominale Sauerstoffkonzentration der Umgebungsluft).

Wenn der Sauerstoff-Fühler mit einem Widerstand von 47 Ohm belastet ist, gibt er eine Skalenendwert-Ausgangsspannung von 47 mV für die Sauerstoffkonzentration der Umgebungsluft (20,9%). Diese Ausführungsform eines Sauerstoff-Fühlers arbeitet nach einem elektrolytischen Prinzip. Der Fühler weist einen eigenen Netzteil und eine Diffusionsbegrenzung auf und besteht vom Grundaufbau her aus einer Metallanode, dem Elektrolyten und einer Luftkathode. Die Diffusion des Sauerstoffs zu der Luftkathode wird von einer kapillaren Diffusionswand gesteuert.

Der dem Sauerstoff-Fühler zugeordnete Verstärker in dem Analogmodul 1 kann daher einen Verstärkungsgrad von etwa 60 für die Verstärkung auf eine Skalenendwert-Ausgangsspannung von 3 Volt für ein Eingangssignal von 50 mV haben, durch welches eine maximale Sauerstoffkonzentration von etwa 22% angegeben wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Temperaturfühlers ist ein Thermoelement mit einer "Typ-K"-Zweistoffpaarung, wie es in British Standard B. S. Nr. 4937, Teil 4; 1973 definiert ist, wobei der Ausgang des Thermoelementes mit der Temperatur um etwa 4,1 mV pro 100°C variiert, was ein Skalenendwertsignal von etwa 41 mV bei 1000°C, der oberen Grenze des interessierenden Temperaturbereichs, ergibt. Wiederum ist ein Verstärkungsfaktor von 60 für das Ausgangssignal dieses Thermoelementes geeignet, so daß eine Skalenendwert-Ausgangsspannung von etwa 2,6 Volt für eine Fühlerausgangsspannung von 45 mV erhalten wird.

Damit eine Gesamt-Instrumentengenauigkeit innerhalb von ±1% erhalten wird, halten die Verstärker in dem Analogmodul, der eine handelsübliche Ausführungsform sein kann, eine Genauigkeit von besser als ±1% über einen Arbeitstemperaturbereich von 20°C hin, wobei jegliche temperaturbedingte Abweichung selbsttätig kompensiert ist, damit eine Neukalibrierung während des Betriebs nicht erforderlich ist.

Aus den Fig. 3(a) und 3(b) sind nur als Beispiel zwei alternative geeignete Ausführungsformen der mit Gleichstrom betreibbaren Verstärkerschaltung zur Verstärkung der Ausgangssignale der Fühler 3, 5 ersichtlich. In der Schaltung aus Fig. 3a wird ein Doppeltransistor-Vorverstärker T1, T2 (beide sind vorzugsweise von demselben Chip) verwendet, wohingegen die Schaltung aus Fig. 3b eine Ausgangsdiode D1 verwendet, wobei der Eingang auf Massepotential bezogen ist.

Die von dem Analogmodul 1 linear verstärkten Fühlerausgangssignale werden dann an entsprechende Kanäle des 8-Bit-Analogdigitalwandlers 45 des Mikroprozessors 10 über die Eingangsanschlüsse A/D1, A/D2 gegeben. Beide Kanäle des Analogdigitalwandlers 45 sind derartig ausgelegt, daß ein digitaler oberer Grenzwert von 256 bei einer maximalen Eingangsspannung von 3 Volt erzeugt wird, die von der Bezugsspannung bestimmt ist, welche auf den Anschluß A/D REF gegeben wird. Jedes Inkrement des Digitalbereichs entspricht daher etwa 12 mV. Das Ergebnis der Analogdigitalumwandlung kann für beide Kanäle über das innere Verteilungsnetz 47 während des Programmlaufs aus dem Analogdigitalwandler 45 ausgelesen werden.

Bevor diese Werte jedoch für eine genaue Messung verwendet werden können, müssen der Temperaturfühler 5 und der Sauerstoff-Fühler 3 kalibriert werden, weil keiner von ihnen eine Ausgangsspannung hat, die linear mit den von ihnen gemessenen Meßgrößen verknüpft ist. In beiden Fällen wird der Digitalwert des Fühlersignals korrigiert.

Der Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung des Sauerstoff-Fühlers und des aufgenommenen aktuellen Sauerstoffanteils ist expotentional:

worin C die Sauerstoffkonzentration, ausgedrückt als gebrochene Zahl (z. B. 0,209 in Umgebungsluft), S das Ausgangssignal des Fühlers und k eine Konstante bedeuten.

Das Entwickeln des Exponentialgliedes ergibt:

so daß C=S/k als erste Näherung, und

als zweite Näherungslösung angesehen werden kann.

Bevor jedoch der Wert von C, der Sauerstoffkonzentration, aus der einen oder anderen dieser Näherungsgleichungen berechnet werden kann, muß zunächst der Wert von k, der Kalibrierkonstanten, hergeleitet werden. Dies erfolgt dadurch, daß eine anfängliche Kalibriermessung der Sauerstoffkonzentration eines Vergleichsgases, z. B. Umgebungsluft, durchgeführt wird und unter Bezeichnung des sich ergebenden, analogdigital umgewandelten Digitalwertes mit S′, die nominale, als gebrochene Zahl ausgedrückte Sauerstoffkonzentration der Umgebungsluft C′-0,209 k entsprechend der folgenden Gleichung berechnet wird, die aus Gleichung I abgeleitet ist:

= 4,2651 × S′ (für Umgebungsluft als Vergleichsgas).

Wenn aus dem anfänglichen Kalibriermeßwert S′ ein Wert für k bestimmt ist, wird dieser Wert gespeichert und als Kalibrierkonstante bei der Bestimmung der aktuellen Sauerstoffkonzentration mit Gleichung I oder eher mit einer der vereinfachten Näherungsgleichungen (II) oder (III) (in diesem Beispiel Gleichung (III), aus einer nachfolgenden Messung verwendet.

Das Thermoelement 5 mit einer Zweistoffpaarung vom "Typ K" erzeugt eine Ausgangsspannung, die im wesentlichen linear über den größten Teil des interessierenden Bereichs, d. i. 50 bis 1000°C, ist.

Die Kalibrierung des Thermoelementes ist jedoch erforderlich, und dies wird am einfachsten durch eine geeignete Einstellung der Kompensationsspannung des zugeordneten Verstärkers in dem Analogmodul, bevor eine Rauchgasmessung durchgeführt wird, und zwar aufgrund einer Messung in der Umgebungsluft erreicht, bei welcher die Ausgangsspannung des Thermoelementes null sein muß, weil beide Lötstellen auf derselben (Umgebungs-)Temperatur sind.

Wenn eine Rauchgasmessung durchgeführt wird, wird von dem Thermoelement selbsttätig die Temperaturdifferenz zwischen dem Rauchgas und der Umgebung angegeben.

Alternativ kann der Mikroprozessor 10 zur Speicherung eines dem Ausgangssignal des Thermoelementes bei der Vergleichsmessung in Umgebungstemperatur entsprechenden Wertes und zur Subtraktion dieses Bezugswertes von dem entsprechenden Meßwert ausgelegt sein, der von dem Thermoelement bei der Messung im Rauchgas gegeben wird.

Die Meßlötstelle des Thermoelementes 5 und der Sauerstoff-Fühler 3 sind beide im Innenraum eines gemeinsamen hohlen Meßkopfes untergebracht. Eine kleine, motorgetriebene Pumpe 22 wird von dem Mikroprozessor 10 zum Einsaugen von Luft in den Meßkopfinnenraum betätigt, wenn eine Sauerstoffmessung durchgeführt werden soll.

Es kann gezeigt werden (British Standard BS. No. 845:1972), daß der Wärmeverlust in trockenen Rauchgasen, bezogen auf den Netto-Wärmewert (Kaminverlust) gegeben ist durch:

worin K₁ eine Konstante in Abhängigkeit von der Bennstoffart, T₁ die Rauchgastemperatur und T₂ die Umgebungstemperatur sind. Der Ausdruck %CO₂ ist durch die Formel gegeben:

worin K₂ der maximale theoretische %CO₂-Wert ist. Durch Einsetzen der Gleichung VI in Gleichung V und durch die Definition von

wird erhalten:

Die Differenz zwischen der Rauchgastemperatur und der Umgebungstemperatur (T₁-T₂) ist selbsttätig durch den Thermoelementmeßwert gegeben, weil seine kalte oder Bezugslötstelle auf Umgebungstemperatur ist, und der Wert %O₂ ist durch den Sauerstoff-Fühler-Meßwert gegeben. Durch Einsetzen dieser Werte in die Gleichung (VII) wird die Kaminverlustmessung erhalten, wobei die folgenden Werte von K₁, K₂ und K₃ für festen Brennstoff, Brennöl und Erdgas verwendet werden:

Die oben angegebenen Korrekturen der Analogdigitalwandlersignale für die Ausgangsgrößen des Thermoelementes und des Sauerstoff-Fühlers werden automatisch in den Mikroprozessor 10 eingegeben. Für das Thermoelementsignal bedeutet dies einfach, das Analogdigitalwandlersignal mit einem konstanten Faktor von 4,835 zu multiplizieren, wohingegen im Falle des Sauerstoff-Fühlers eine anfängliche Kalibriermessung (S′) in der Umgebungsluft durchgeführt wird, damit dadurch der Wert der Kalibrierkonstanten k aus Gleichung (IV) (k=4,2651 × S′) bestimmt wird, und dann wird dieser Konstantenwert zur Berechnung der Sauerstoffkonzentration der Rauchgase aus dem Meßwert S einer sich anschließenden Messung unter Verwendung von Gleichung (III) berechnet, wie dies oben erläutert ist. Unter Verwendung dieser Werte wird dann der Kaminverlust aus Gleichung (VII), oder der aus dem Kaminverlust abgeleitete Wirkungsgrad berechnet, wobei ein geeigneter Wert für die Konstante K₃ in Abhängigkeit von der Brennstoffart gewählt wird. Die drei unterschiedlichen K-Werte sind in dem Lesespeicher 42 des Mikroprozessors 10 gespeichert.

Es wird nun der Kalibrier- und Meßvorgang der Überwachungseinrichtung des Verbrennungswirkungsgrades beschrieben. Das Hauptprogramm ist durch das Flußdiagramm in Fig. 4 gegeben und besteht aus einem "Kalibrierprogramm", einem "Betriebsprogramm" und einer Berechnung des Kaminverlustes (Wirkungsgrades). Zusätzlich ist ein Unterbrechungsprogramm vorgesehen, das aus Fig. 5 ersichtlich ist und welches kontinuierlich mit einer Zykluszeit von 2 ms läuft und dazu dient, die Anzeigereinrichtung auf den neuesten Stand zu bringen, die Zeitspur zu halten und den Inhalt der Anzeigeeinrichtung auf einen erforderlichen Wert, z. B. die O₂-Konzentration oder der Kaminverlust, zu ändern, wenn immer der Wählschalter 19 der Anzeigereinrichtung betätigt wird.

Entsprechend Fig. 4 bleiben beim Einschalten der Überwachungsvorrichtung die alphanumerische Anzeigevorrichtung 25 und die Anzeigelampen 27, 28 ausgeschaltet. Die Bedienungsperson bringt dann den Meßkopf, der die "heiße" Lötstelle des Thermoelementes 5 und den Sauerstoff-Fühler 3 enthält, in die Umgebungsatmosphäre und betätigt den Kalibrierschalter 17. Hierdurch wird das gestrichelt eingerahmte "Kalibrierprogramm" des Hauptprogrammes eingeleitet, so daß der Pumpenmotor 22 eingeschaltet wird, eine Zeitspanne von 5 Sekunden abgewartet wird und das Wandlerergebnis am Kanal A/D1 des Analogdigitalwandlers 45 gelesen wird. Wenn dieser Ablesewert zwischen 220 und 250 entsprechend einer Sauerstoffkonzentration von 20 bis 22% liegt, wird der Motor 22 ausgeschaltet. Falls nicht, werden weitere Ablesungen durchgeführt, bis eine Ablesung zwischen 220 und 250 erhalten ist, wodurch der Motor 22 ausgeschaltet wird.

Dieser abgelesene Wert (S′) wird dann als korrespondierend zu 20,9% der nominalen O₂-Konzentration in der Umgebungsluft, gesetzt und zur Berechnung der Kalibrierkonstanten k aus Gleichung (IV) verwendet, d. i. durch ihre Multiplikation mit 4,265. Die in dieser Weise berechnete Kalibrierkonstante wird dann im Datenspeicher 43 zwischenzeitlich gespeichert und die Kalibrieranzeigelampe 27 wird eingeschaltet. Hierdurch wird der Bedienungsperson angezeigt, daß die Kalibrierung des O₂-Fühlers abgeschlossen ist und daß der Fühlermeßkopf in das Rauchgas einzusetzen ist, und daß der Betätigungsschalter 18 zu betätigen ist. Hierdurch wird das "Betriebsprogramm" des Hauptprogramms eingeleitet, was mit einer Pause von 15 Sekunden geschieht, nach welcher das Wandlerergebnis am Kanal A/D2 des Wandlers 45 gelesen wird. Eine zweite Ablesung des Wandlerkanals A/D2 wird 5 Sekunden später durchgeführt und mit der ersten Ablesung verglichen. Falls die beiden Werte um zwei oder weniger entsprechend einer Temperaturdifferenz von etwa 10°C oder weniger differieren, wird dieser Temperaturwert erfaßt und der Pumpenmotor 22 wird zur Vorbereitung der Sauerstoffkonzentrationsmessung in den Rauchgasen eingeschaltet. Falls die oben angegebene Differenz überschritten ist, wird der Vorgang alle 5 Sekunden wiederholt, bis die Differenz zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Ablesungen kleiner oder gleich 2 ist.

Nachdem der Pumpenmotor 22 des Meßkopfes eingeschaltet ist, verstreicht eine Pause von 5 Sekunden und dann wird die Ablesung (S) am Kanal A/D1 durchgeführt. Dann wird die "Ablesung-erfolgt"-Anzeigelampe 28 eingeschaltet und nach einer weiteren Pause von 10 Sekunden wird ein akustisches Warnsignal durch Betätigung des Oszillators 20 eingeschaltet, der den Lautsprecher 21 treibt, um anzuzeigen, daß der Meßkopf aus dem Rauchgas herausgenommen werden kann. Der Pumpenmotor 22 wird dann ausgeschaltet.

Die von den Kanälen des Analogdigitalwandlers während des oben beschriebenen Abschnittes des Programms abgenommenen Werte stellen lediglich eine digitale Form der Werte der Ausgangssignale der zugehörigen Fühler 3, 5 dar. Wie weiter oben bereits beschrieben, erfordern diese Werte eine Korrektur, um sie in den aktuellen Sauerstoffkonzentrationswert und den aktuellen Temperaturwert umzuwandeln. Damit dies geschieht, wird der unkorrigierte Sauerstoffkonzentrationswert aus dem Kanal A/D1 des Analogdigitalwandlers 45 durch die Sauerstoff-Fühler-Kalibrierkonstante k, die vorher bestimmt wurde, dividiert, so daß der Wert =S/k abgeleitet wird (worin S das Analogdigitalumwandlungsergebnis aus der Rauchgas-Sauerstoffkonzentrationsmessung wie in den Gleichungen (I), (II) und (III) ist). Dieser Wert wird dann für die Gleichung (III) zur Berechnung des korrigierten Sauerstoffkonzentrationswertes C in folgender Weise verwendet:

C = (1 - /2), worin = S/k.

Dieser Wert von C ist daher die Bruchzahlen-Konzentration des Sauerstoffs in den Rauchgasen und wird zwischenzeitlich gespeichert, während der unkorrigierte Temperaturwert aus dem Kanal A/D2 des Wandlers 45 korrigiert wird, indem er mit einem festen Korrekturfaktor von 4,835 multipliziert wird, so daß der Digitalwert entsprechend der Differenz der Temperaturen der Rauchgase und der Umgebungsluft erhalten wird. Nach einer Pause von 10 Sekunden wird das von dem Lautsprecher 21 abgegebene akustische Warnsignal abgeschaltet, wodurch angezeigt wird, daß der Brennstoffwählschalter 16 auf die entsprechende Brennstoffart einzustellen ist, um die Berechnung des Wirkungsgrades oder des Kaminverlustes einzuleiten. Hierdurch wird bestimmt, welcher der drei unterschiedlichen Werte für die Konstante K₃ (sie beträgt 0,738 für festen Brennstoff, 0,759 für Brennöl und 0,676 für Erdgas) zusammen mit der korrigierten Temperaturdifferenz (T₁-T₂) und dem korrigierten O₂-Konzentrationswert (C) bei der Berechnung der Gleichung (VII) verwendet wird. Die Warnlampe 27 wird dann eingeschaltet und die "Ablesung-durchgeführt"-Lampe 28 wird ausgeschaltet. Weitere Rauchgasmeßwerte können abgerufen werden, beispielsweise aus unterschiedlichen Bereichen des Rauchgases, indem der "Betriebsschalter" 18 wiederholt betätigt wird.

Wenn einmal die korrigierten Werte für die Temperatur, die Sauerstoffkonzentration und den Kaminverlust bestimmt sind, werden diese Werte in entsprechenden Pufferspeichern B1, B2 und B3 (nicht gezeigt) gespeichert und dort zur Verfügung gehalten für ihren Abruf in die drei alphanumerischen, 7-Segment-Anzeigefelder 25a, 25b, 25c des Anzeigemoduls 24. Dies wird durch das "Unterbrechungsprogramm" durchgeführt, dessen Flußdiagramm aus Fig. 5 ersichtlich ist und welches von dem "Anzeigewählschalter" 19 gesteuert ist.

Dieses Unterprogramm wird zyklisch in regelmäßigen Intervallen, 2 ms im vorliegenden Beispiel, wiederholt und zu Beginn jedes Zyklus wird ein innerer 8-Bit-Zähler um einen Zählwert von 1 fortgeschaltet. Ein vollständiger Zählzyklus dauert daher 256 × 2 ms=0,512 Sekunden und dies wird als Taktzeit zur Zeitsteuerung der verschiedenen Pausen verwendet, die beim Ablauf des Hauptprogramms auftreten.

Die Vorrichtung, soweit sie bisher beschrieben ist, ist geeignet zur automatischen Berechnung des Wärmeverlustes oder Kaminverlustes der Rauchgase der Feuerung. Wie jedoch bereits weiter oben angegeben, kann sie leicht modifiziert werden, um alternativ oder zusätzlich eine Angabe des Prozentwirkungsgrades (η) der Feuerung aufgrund der abgeleiteten Meßwerte der Sauerstoffkonzentration und der Temperaturdifferenz entsprechend der obigen Beschreibung anzuzeigen.

Die Berechnung von η, basierend auf dem Bruttoheizwert des Brennstoffs, kann dadurch erreicht werden, daß der Mikroprozessor 10 für die Durchführung der folgenden Rechnung programmiert wird:

worin R eine Konstante ist, die sich auf die Strahlungsverluste der Feuerung bezieht (typisch zwischen 3 und 10%), K₄ eine Konstante ist, die sich auf die Art des verwendeten Brennstoffs bezieht, P eine Konstante ist, die sich auf den Wasserstoff- und Feuchtigkeitsanteil der der Feuerung zugeführten Luft bezieht (in diesem Beispiel nominal gesetzt zu 1121,4) und K₃, T₁ und T₂ die weiter oben bereits gegebene Bedeutung haben.

Der zweite Ausdruck in der eckigen Klammer ist der Kaminverlust aus Gleichung (VII), so daß dieser Wert einfach in die Gleichung (VIII) eingesetzt werden kann, falls er vorher berechnet ist. Wie weiter oben für die Konstante K₃ beschrieben, können auch unterschiedliche Werte für die Konstante K₄ zusätzlich gespeichert und aufgrund der Betätigung des Brennstoffwählschalters 16 abgerufen werden, was auch für einen Bereich von P-Werten gilt, die entsprechend der Art der Feuerung ausgewählt werden. Typische Werte für K₄ sind wie folgt:

fester Brennstoff
0,00409
Brennöl	0,00512
Erdgas	0,00828

Wenn es erforderlich ist, den Kaminverlust aus der prozentualen CO₂-Konzentration in den Rauchgasen zu messen und daher ein CO₂-Fühler anstelle des beschriebenen O₂-Fühlers verwendet wird, kann die Gleichung (V) anstelle der Gleichung (VII) verwendet werden. Unterschiedliche Werte der Konstanten K₁, die weiter oben für unterschiedliche Brennstoffarten aufgelistet sind, können dann gespeichert und durch Betätigung des Brennstoffwählschalters 16 selektiv abgerufen werden. Die Kalibrierung und die Linearisierung sind dabei in modifizierter Form durchzuführen, damit die andere Abhängigkeit der Änderung des CO₂-Fühlerausgangssignals mit der Meßgröße berücksichtigt wird; hier können jedoch ähnliche Prinzipien angewendet werden, wie weiter oben für die Kalibrierung des O₂-Fühlers erläutert.

Wenn einmal der Kaminverlust berechnet ist, kann dieser Wert als zweiter Ausdruck in der eckigen Klammer der Gleichung (VIII) zur Bestimmung des prozentualen Wirkungsgrades (η) verwendet werden.

Zusätzlich zu den weiter oben gegebenen Schritten wird durch das "Unterbrechungsprogramm" die Eingangsleitung des Zugriffsbereichs 12 des Mikroprozessors 10 überwacht, an welche der Anzeigewählschalter 19 angeschlossen ist, um festzustellen, ob dieser während des vorausgegangenen Zyklus betätigt wurde. Falls dies der Fall war, wird durch das "Unterbrechungsprogramm" die Information auf der Anzeigeeinrichtung gegen die Information aus einem anderen der drei Pufferspeicher B0, B1, B2 ersetzt, was durch Auswahl unterschiedlicher Werte von x=0, 1 oder 2 erfolgt. Wenn beispielsweise die Anzeigeeinrichtung den im Pufferspeicher B0 enthaltenen Temperaturwert anzeigt, dann wird durch die Betätigung des Anzeigewählschalters 19 x=0 auf x=1 geändert, so daß die angezeigte Information gegen die aus dem Pufferspeicher B1 ausgetauscht wird, d. i. den korrigierten Sauerstoffkonzentrationswert. Wenn der Anzeigewählschalter erneut niedergedrückt wird, ändert sich x von x=1 auf x=2, so daß nun in der Anzeigeeinrichtung 25 die Information aus dem Pufferspeicher B2 angezeigt wird, d. i. der Kaminverlustwert. Durch erneute Betätigung des Anzeigewählschalters wird x von x=2 auf x=0 geändert, so daß der ursprünglich angezeigte Temperaturwert aus dem Pufferspeicher B0 zurückgerufen wird.

Gleichzeitig mit der angezeigten Information leuchtet eine der drei Anzeigelampen 26a, 26b, 26c auf, um anzuzeigen, welche Information gegenwärtig angezeigt wird.

Der Zweck des Vergleichens aufeinanderfolgender Ablesungen der Temperaturfühler-Ausgangssignale am Kanal A/D2 des Analogdigitalwandlers 45 im Abstand von 5 Sekunden, bis aufeinanderfolgende Ablesungen um weniger als einen vorbestimmten Betrag differieren, ist es, zu gewährleisten, daß die Temperatur des Temperaturfühlers angestiegen ist und sich auf die aktuelle Temperatur der Rauchgase stabilisiert hat.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Messen des Wirkungsgrades einer Feuerung, mit
einem Sauerstoffühler zum Erzeugen eines Ausgangssignals, welches mit der Konzentration des Sauerstoffbestandteils des Rauchgases der Feuerung variiert,
einem Temperaturfühler zum Erzeugen eines Ausgangssignals, welches mit der Temperatur des Rauchgases variiert, und
einer mit einem Meßprogramm betreibbaren Recheneinrichtung, von welcher von den erhaltenen Ausgangssignalen Meßwerte ableitbar sind, durch welche die Konzentration des Sauerstoffbestandleits und die Temperatur des Rauchgases angegeben werden und die zur Berechnung des Verbrennungswirkungsgrades entsprechend einer vorbestimmten Formel dienen,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Sauerstofffühler (3) als elektrochemischer Fühler ausgebildet ist;
ein Kalibrierprogramm vorgesehen ist, mit dem zum Kalibrieren der Vorrichtung hinsichtlich des Sauerstoffühlermeßwertes der Recheneinrichtung (10) ein Meßwert aus einer Vergleichsmessung in der Umgebungsluft oder einem anderen Vergleichsgas bekannter Konzentration des Sauerstoffbestandteils zugeführt ist, wobei die Recheneinrichtung für die selbsttätige Erfassung des Wertes des Ausgangssignals des Sauerstoffühlers (3) und das Vergleichen desselben mit dem Wert einer gespeicherten Größe ausgelegt ist, die den geschätzten Wert des Ausgangssignals des Fühlers für die nominelle und bekannte Konzentration des Sauerstoffbestandteils in dem Vergleichsgas darstellt, und - bei Feststellung einer Differenz der verglichenen Werte, die außerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt - für die Wiederholung des Vergleichs nach einer vorbestimmten Zeitspanne betreibbar ist, bis die Differenz der verglichenen Werte in den vorbestimmten Bereich fällt, und die Recheneinrichtung (10) zum Berechnen eines aufgrund der Kalibriermessung korrigierten Koeffizienten, welcher den Zusammenhang zwischen der Sauerstoffkonzentration und dem Ausgangssignal des Sauerstoffühlers beschreibt, und zum Verwenden des korrigierten Koeffizienten beim Ableiten der Konzentration des Sauerstoffbestandteils betreibbar ist;
wobei manuell betätigbare Schalter (17, 18), mit welchen zuerst das Kalibrierprogramm und danach das Meßprogramm auslösbar sind, und eine den Abschluß der Kalibriermessung anzeigende Anzeigeeinrichtung (27) vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (5) ein Thermoelement ist und das Thermoelement ein solches mit einer Zweistoffpaarung vom Typ K mit einer im wesentlichen linearen Änderung seines Ausgangssignals mit dem Meßwert über den interessierenden Bereich hin ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (10) beim Ableiten eines Meßwertes aus dem Ausgangssignal des Temperaturfühlers (5) zum automatischen Erfassen des Wertes des Temperaturfühler-Ausgangssignals, zum Speichern des erfaßten Wertes für eine vorbestimmte Zeitspanne, und dann zum erneuten Erfassen des Wertes des Temperaturfühler- Ausgangssignals, zum Vergleichen der beiden erfaßten Werte, und zur Wiederholung dieses Vorganges betreibbar ist, bis die Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgend erfaßten Werte unterhalb einer vorbestimmten Grenze liegt, um dann den einen dieser beiden Werte als den Meßwert festzuhalten.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (21, 24, 28) zum Erzeugen eines visuellen und/oder hörbaren Signals vorgesehen ist, wenn die Meßwerte der Temperatur und der Sauerstoffkonzentration des Sauerstoffbestandteils des Rauchgases abgeleitet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Kalibrieren der Vorrichtung hinsichtlich des Temperaturfühlermeßwertes der Recheneinrichtung (10) ein Meßwert aus einer Vergleichsmessung der Bezugstemperatur zugeführt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für den Verbrennungswirkungsgrad eine Angabe des Wärmeverlustes oder Kaminverlustes der Heizfeuerung anzeigbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für den Verbrennungswirkungsgrad eine Angabe des Betriebswirkungsgrades (n) anzeigbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Recheneinrichtung (10) unterschiedliche Konstanten-Werte für unterschiedliche Brennstofftypen gespeichert sind und eine Einrichtung (16) zum selektiven Abrufen der unterschiedlichen Werte für ihre Verwendung in der Berechnung der vorbestimmten Formel vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigeeinrichtung (24) zum Anzeigen von Meßwerten vorgesehen ist, die von der Recheneinrichtung für die Konzentration des Sauerstoffbestandteils und die Temperatur der Rauchgase sowie das Ergebnis der Berechnung der vorbestimmten Formel unter Verwendung dieser Meßwerte abgeleitet werden.