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Einrichtung zur Bestimmung der Abgasverluste
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Die Erfindung botrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Abgasverluste
eines Brenners einer Heizungsanlage, wobei die Abgasverluste einer brennerabhängigen
Konstanten und der Differenz zwischen der Abgastemperatur und der Lufttemperatur
proportional und dem CO2-Gehalt des Abgases umgekehrt proportional sind.
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Jer Wirkungsgrad von Brenners, beispielsweise Gasbrennern, nimmt im
Laufe der Zeit bei ungenügender wartung durch Verschmutzung oder Korrosion ab. Eine
solche Wirkungsgradverschlechterung ist äußerlich praktisch nicht zi erkennen. .rn
der Praxis wird deshalb eine Wirkungsgradbestimmung durch Messung der Abgasverluste
@urchgeführt. Hierzu wird die "Siegertsche Formel" verwendet. Nach dieser Formel
ist der Abgasverlust in prozent proportional einer vom Brenngas abhängigen Konstante,
der Differenz der Abgastemperatur und der
Lufttemperatur, sowie
dem CO2-Gehalt des trockenen Abgases in Volumenprozent. Zur Wirkungsgradbestimmrng
müssen also die bufttemperatur, die Abgastemperatur sowie der CO2-Gehalt des Abgases
gemessen werden.
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Insbesondere die Messung des CO2-Gehaltes erforder ein hochwertiges
Meßgerät, das nur von einem Fachmann bedient werden kann. Außerdem ist die Messung
der Einzelwerte umständlich, da sie zur Bestimmung der Abgasverluste nach der Messung
in die genannte Formel eingesetzt werden müssen.
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Geräte zur Messung der Feuchtigkeit von Gasen sind beispielsweise
in der DE-OS 23 51 263 und der DE-OS 25 21 354 beschrieben.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten
Art vorzuschlagen, dl e in einem einzigen Meßvorgang die zur Verfassung des prozentualem
Abgasverlustes wichtigen Werte mißt und mi einander verrechnet und den prozentualen
Abgasver3us1; anzeigt.
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Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe dadurch gelost, laß je ein elektrischer
Meßfühler für die Abgastemperatur und die Lufttemperatur und Stellglieder für die
Einstellung der Konstanten vorgesehen sind, daß ein Meßfühler für die Taupunkttemperatur
des Abgases vorgesehen ist, die als Maß für den CO2-Gehalt des Abgases ausgewertet
ist, daß elektrische Anpassungsglieder die nichtlineare Abhangigkeit der Taupunkttemperatur
von dem CO2-Gehalt nachbildet und daß eine elektronische
Schaltung
vorgesehen ist, die die jeweiligen elektrischen Werte der Meßfühler und Stellglieder
zu einer Anzeigegröße verarbeitet, tlie den prozentualen Abgasverlusten entspricht.
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E@n wesentlicher Vorteil dieser Einrichtung besteht drain, rlaß der
CO2-Gehalt des Abgases durch die Messung der Taupunkttemperatur des Abgases ermittelt
wird, wobei die physikalischen Zusammenhänge zwischen diesen beiden Worten durch
Anpassungsglieder berücksichtigt ist. Es ist t damit möglich, mit nur drei temperaturabhängigen
Widerständen dcn jeweiligen prozentualen Abgasverlust zu ermitteln und anzuzeigen.
Ein derartiges Meßgerät ist relativ einfach im Aufbau und leicht zu handhaben.
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Konstante des jeweiligen Brenngases, dessen Verbrennungs-Abgasverluste
gemessen werden sollen, lassen sich an dem Gerät einstellen.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist zur Mossung der Taupunkttemperatur
ein in ein feuchtigkeitshl tende 5 Material eingeben: teter temperaturabhängiger
W@derstand vorgesehen.
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Da eine Ablesung des Meßergebnisses nur dann sinnvoll i:its wenn sich
die zu messenden Kenngrößen, insbesondere die Abgastemperatur und der CO2-Gehalt
im jeweiligen Abgas auf einen konstanten Wert eingestellt haben, ist in Weiterbildung
der Erfindung dem Meßfühler für die Abgastemperatur und dem Meßfühler für die Taupunkttemperatur
je eine I)ifferellzierstufe nachgeschaltet,
deren Ausgänge an einem
Fensterdiskriminator lieger, welcher ein Signal abgibt, wenn sich die Meßwerte Cer
Meßfühler auf einen konstanten Betrag eingependelt haben.
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Weitere Erläuterungen der Erfindung und die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
ergeben sich aus der fogenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen: Figur 1 eine
Ansicht eines Geräts zur Messung der Abgas verluste, Figur 2 eine Meßlanze des Geräts
nach Figur 1 vertrößert, Figur 3 einen Querschnitt der Meßlanze nach Figur 2 vergrößert,
Figur 4 die elektronische Schaltung des Geräts nach Figur 1, Figur 5 ein Diagramm
der Abhängigkeit des Luftverhältnisses # von der Taupunkttemperatur, Figur 6 ein
Diagramm der Abhängigkeit des Luftverhältnisses # vom Meßwiderstand R# der Taupunkttemperatur
und
Abgasverluste qa in % werden nach der "Sigertschen Formel":
berechnet, wobei 6 eine brennerspezifische Konstante, tA die Abgastemperatur, tL
die Lufttemperatur und CO2 der CO2-Gehalt in Vol.% des trockenen Abgases ist.
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Das Luftverhältnis # ist definiert als VL VL min (2) wo bei VL min
die Mindestluftmenge für die Verbrennung und VL die dem Brenngas tatsächlich beigemischte
Luftmonge ist. Für das Luftverhältnis # gilt weiter:
wobei CO2 max der maximale CO2-Gehalt des Verbrennungsgases ist und also eine gasspezifische
Konstante darslellt C()2 + CO sind der CO2- bzw. CO-Gehalt im Vol.% dcs trockenen
Abgases.
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Ureter Vernachlässigung des CO-Gehaltes ergibt die Verk@üpfung obiger
Gleichungen (1) und (3):
Andererseits ist auch der Wassergehalt des Abgases VH O eine Funktion
des Luftverhältnisses # . Das Abgas- 2 volumen VA ist VA = VL + VB (5), wobei VB
das Brenngasvolumen ist. Unter Berücksichtigung der Gleichung (2) ergibt sich VA
- A VLmin + VB (6).
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Für den Sättigungsdampfdruck p gilt
wobei PL der Luftdruck ist. Hieraus ergibt sich unter Berücksichtigung der Gleichung
(6) und der Abhängigkeit des Wassergehalts des Abgases vom Luftvorhältnis A daß
der Sättigungsdampfdruck eine Funktion des Luftverhältnisses # ist. Daraus folgt
zugleich, daß das Luftverhältnis # eine Funktion f(t@) der Taupunkttemperatur ist.
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Die Gleichung(4)läßt sich damit formulieren:
In Figur 5 ist für Erdgas der Zusammenhang zwischen der Taupunkttemperatur tT und
dem Luftverhältnis # dargestellt, wobei Kurven für den Luftdruck 943 mbar bei 40%
relativer Feuchtigkeit, 1013 mbar bei 50% relativer Feuchtigkeit
und@1043
mabr bei 60% relativer Feuchtigkeit dargestellt sind. Bei allen Kurven ist von einer
Lufttemperatur von 15@C ausgegangen. Beispiel weise ergibt sich aus Figur 5 bei
einer Taupunkttemperatur von 51 0C an der mittleren Kurve ein Luftverhältnis # von
1,5.
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Wie Gleichung (8) zu entnehmen, ist es durch Messung der jeweiligen
Taupunkttemperatur im Abgas, der Abgastemperatur und der Lufttemperatur möglich,
die Abgasverluste qa eines Brenners in seinem jeweiligen Zustand zu ermitteln.
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Das Gerät nach Figur 1 weist eine an einem Gerätegehäuse 1 befestigte
Meßlanze 2 auf. Am Gehäuse 1 ist ein Anzeigeinstrument 3, eine Leuchtdiode 4, ein
Meßfühler 5 für die Lufttemperatur tL, , ein Umschalter 6 und Stellglieder 7 und
8 für die honstan-te 6 des zu messenden Brenners bzw.
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den maximalen CO2-Gehalt des verwendeten Brenngases angeordnet.
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Die Meßlanze 2 besteht aus einem Rohrstück mit Durchbrechungen 9.
Ein Abschnitt der Meßlanze 2 ist mit Watte 10 ausgefüllt. In dieser ist ein Meßwiderstand
11 für die Taupunkt temperatur t angeordnet. In einem durch eine Trennwand 12 von
der Watte 10 getrennten Abschnitt ist ein Meßwiderstand 13 für die Abgastemperatur
tA angeordnet (vgl. Figur 3).
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Die SChaltung nach Figur 4 des Geräts arbeitet mit einer Batterie
B. Dieser ist ein Spannungsteiler bestehend aus
Widerständen R1,
R2 und R3 nachgeschatet:. Durch das Einstellglied 7, welches einen Umschalter darstellt,
ist der Spannungsteiler auf zwei verschiedene Werte umstellbar, deren einer des
6 -Konstanten eines atmosphärischen Brenners und deren anderer der 6 -Konstanten
eines Gebläsebrenners entspricht. In Reihe zum Widerstand R1 liegt eine Zenerdiode
Z1.
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Am Widerstand R3 stellt sich damit eine Spannung U3 ein, die bei einer
Batteriespannung von beispielslseise 20 V U3 = 6 # 20 V ist.
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Der Wert 6 ist dabei durch die jeweilige Stellung des Einstellgliedes
7 und die Werte der Widerstand R1 bis R3 festlegbar.
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Dem Widerstand R3 ist ein als Trennstufe geschalteter Operationsverstärker
01 nachgeschaltet. Seine Ausgangsspannung ist gleich der Eingangsspannung U3. Dem
Operationsverstärker 01 ist ein mittels des EinsteAlgliedes 8 einstellbarer Widerstand
P nachgeschaltet.
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Dieser wird entsprechend des maximalen CO2-Gehaltes des eingesetzten
Brenngases eingestellt. Sein Widerstandswert beträgt beispielsweise 50Q Q/1 Vol.%
CO2max. Daraus folgt die Beziehung P = 500 # # CO2max
Unter Voraussetzung,
daß ein dem Widerstand P nachgeschalteter Widerstand R4 sehr viel kleiner als der
Widerstand P ist, ergibt sich für den, den Widerstand R4 durchfließenden Strom
Damit ist der Strom 14 ein Abbild des ersten Gliedes der obigen Gleichung (4).
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Der Widerstand R4 liegt an den positiven Eingängen von Operationsverstärkern
02 und 03. An dem Ausgang des Operationsverstärkers 02 liegt ein Anpassungswiderstand
R5 in cihe mit einem Widerstand R6. Am Ausgang des Operationsvorstärkers 03 liegt
der Meßwiderstand 11 in Reihe mit einem Widerstand R7. Die Widerstandswerte der
Widerstände R6 und R7 sind gleich dem Widerstandswert des Widerstands Rk. Durch
die Widerstände R5 und 11 fließt der obengenannte Strom 14. Die Operationsverstärker
c)2 und 03 gewährleisten die Gleichheit der beiden Ströme.
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er Widerstand 11 ist ein NTC-Widerstand, der so ausgewählt ist, da
sein temperaturabhängiger Widerstandswert R11 folgender Beziehung folgt:
wobei B 3750, RTo gleich 12 k# und To 298,15 K ist. Der Widerstand R5 weist einen
Widerstandswert von 1750 # auf.
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Mit dieser Auslegung des Widerstands 11 ergibt sich unter Berücksichtigung
des physikalischen Verlaufes der Taupunkttemperatur tT in Abhängigkeit des Luftverhältnisses
# nach Figur 5 die in Figur 6 dargestellte im wesentlichen lineare Beziehung zwischen
dem Widerstand 11 und dem LuftverhäLtnis . Aus dem Diagramm nach Figur 6 ist abzuleiten,
daß die, dort dargestellte Funktion im wesentlichen eine Gerade ist und der Beziehung
R11 = # # 1750# + 1750 # folgt. Dementsprechend ist der Anpassungswiderstand R5
auf 1750# ausgelegt.
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Da der Widerstand R5 vom Strom 1 durchflossen ist, 4 fällt an ihm
die Spannung
ab. Am Widerstand 11, der ebenfalls vom Strom T1 durch flossen ist, fällt die Spannung
ab.
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Zwischen die Ausgänge der Operationsverstärker 02 und 03 sind in Reihe
Widerstände R8 und R9 geschaltet. An diesen steht als Spannung U4 die Differenz
der beiden Spaltungen U5 und U11 mit
also
an.
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Damit bildet U4 das erste und das zweite Glied obiger Glcichung (4)
nach.
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Die Meßwiderstände 5 und 13, die die Lufttemperatur bzw.
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die Abgastemperatur erfassen, sind temperaturabhängige Widerstände
I-tI bzw. RA des Typs PT 100, deren Widerstandsfunictionen den Beziehungen
folgen. Dem Widerstand 5 ist ein Widerstand R10 in Reihe geschaltet. Dem Widerstand
13 ist ein Widerstand R12 in Reihe geschaltet. Die Widerstände R10 und R12 liegen
am Ausgang des Operationsverstärkers 02. Weitere Operationsverstärker 04 und 05,
deren positive Eingänge zwischen den Widerständen RS und Ag liegen, gewährleisten,
daß die die Widerstände l und RA durchfließenden Ströme 1 5 gleich groß sind. Das
als Spannungsmesser ausgebildete Anzeigeinstrument 3 liegt zwischen den Ausgängen
der Operationsverstärker 04 und 05, Dtr die Widerstände RL und RA durchfließende
Strom ist:
sind gleich dem Widerstandswert von R9 und
Die vom Anzeigeinstrument
3 gezeigte Spaxmung U folgt damit der Beziehung
oder
Mit der obengenannten Beziehung für U4 und einem Widerstandswert von R8 # 2400#
und R9 # 100 # ergibt sich hieraus:
Der Vergleich mit der obengenannten Gleichung (4) zeigt, daß die vom Anzeigeinstrument
3 angezeigte Spannung damit proportional dem Abgasverlust ist.
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Die oben angegebenen konkreten Werte dienen der Verdeutlichung. Sie
können variiert werden, ohne daß dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird. Sicherzustellen
ist, daß über die Temperaturabhängigkeit des Meßwiderstands 11 und den Anpassungswiderstand
R5 der physikalische Zusammenhang zwischen der Taupunkttemperatur tT und dem Luftverhältnis
# nachgebildet wird. Für diese Nachbildung ist es günstig, wenn der Neßwiderstand
11 soausgewählt wird, daß er den physikalisch an sich nicht linearen Zusammenhang
zwischen der Taupunkttemperatur tT und dem Luftverhältnis # möglichst linearisiert.
Denn dadurch
wird die Auswahl des Anpassungswiderstandes R5 einfach
und iiber einen Iiinreichenden Bereich ausreichend genau.
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Die Schaltung nach Figur 4 und die Gleichung (4) sind mi t gewissen
Fehlern behaftet, Diese Fehler sind jedoch ir der Praxis vernachlässigbar.
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I)cr in Watte 10 eingebettete Meßwiderstand 11 soll die Taupunkttemperatur
t des Abgases erfassen. Beim Einsatz des Geräts wird hierfür die Meßlanze 2 bis
zu einer Markierung 11 l.n entmineralisiertes oder destilliertes sser getaucht,
so daß die Watte 10 vollständig durchtränkt wird. r)anach wird die Meßlanze 2 in
den zu messenden Abgasstrom gebracht. Nach einer gewissen Anlaufzeit stellt sich
am Meßwiderstand 11 eine Feuchtigkoit ein, die auf dem Abgas beruht. Bis dahin von
dem Anzeigeinstrument 3 angezeigte Werte stellen keine verwartbaren Meßergebnisse
dar. Um dem Benutzer kenntlich zu machen, ab wann das Anzeigeinstrument 3 verlässliche
Meßwerte anzeigt, ist eine Kontrollschaltung 15 vorgesehen. I)iese weist eine mit
dem Meßwiderstand 11 für die Taupunkttemperatur tT gekoppelte Differenzierstufe
auf, welche aus einem Kondensator C1 und einem Operationsverstärker Ob besteht.
Außerdem ist eine mit dem Meßwiderstand 13 für die Abgastemperatur gekoppelte D
fferenzierstufe vorgesehen, die einen Kondensator C2 und einen Operationsverstärker
07 aufweist. Die Kontrollschaltung 15 weist außerdem einen Fensterdiskriminator
16 auf, der einerseits mit den Operationsverstäfrkern 06 und 07 gekoppelt ist und
andererseits an einer festen
Spannung liegt. Der Fensterdiskriminator
16 arbeitet mit Operationsverstärkern O8 und 09, deren Ausgänge über Dioden D1 und
D2 sowie eine Zenerdiode Z2 an der Leuchtdiode 4 liegen. Die Leuchtdiode 4 leuchtet
auf, wenn sich an den Meßwiderständen 11 und 13 konstante Werte eingestellt haben.
Dies ist für den Benutzer ias Zeichen, daß anschließend die Anzeige des Anzeigeinstruments
3 die Abgasveriuste darstellt.
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Für die Ermittlung der Abgas verluste eines bestimmten Brenners geht
der Benutzer etwa folgendermaßen vor: Zunächst wird am Einstellglied 7 die 6 -Konstante
ces Brenners eingestellt Anschließend wird am Einstellglied 8 der - bekannte - maximale
CO2-Gehalt des Brenngases eingestellt. Danach wird die Meßlanze 2 bis zur Markierung
14 befeuchtet. Anschließend wird die Meßlanze 14 in den Abgasstrom gehalten. Nach
einer gewissen Zeit leuchtet die Leuchtdiode 4 auf. Danach wird am Anzeigeinstrument
3 der Abgasverlust qa a abgelesen.
Es ist damit auf einfache und
schnelle Weise ermittelt, ob der gemessene Brenner noch im Rahmen des gewünschten
Wirknngsgrades arbeitet, od.er ob er grewartet werden muß.
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Wird der cinstellbare Widerstand Ja über das Einstellglied 8 bei zu
seinom Endanschlag betätigt und/oder wird der Umschalter 6 bedient, dann schaltet
ein Schaltkontakt 17 (vgl. Figur 4) in der Weise um, daß der Meßwiderstand 11 von
einem festen Widerstand R13 ersetzt wird. Bei Entsprechender Kalibrierung zeigt
dns Anzeigeinstrument 3 dann die Temperaturdifferenz zuischen der Abgas temperatur
und der Lufttemperatur an.
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At s Obigem ergibt sich, daß das Gerät vorwiegend bei solchen Brennern
eingesetzt werden kann, in denen überwiegend Kohlenwasserstoffe verbrannt werden.
Beim Einsatz des beschriebenen Geräts ist zu beachten, daß die Temperatur des zu
messenden Abgases oberhalb der Taupunkttemperatur liegt. Um diese Betriebsbedingung
sicherzustellen, kann in der Meßlanze der Meßfühler 14 eines temperatu abhängigen
Schalters vorgesehen sein, der die Batterie B erst dann an die Schaltung anschaltet,
wenn die minimal zulässige Abgas temperatur erreicht ist
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r s e i t e