DE4344243A1

DE4344243A1 - Elektrischer Durchlauferhitzer und Verfahren für einen elektrischen Durchlauferhitzer

Info

Publication number: DE4344243A1
Application number: DE4344243A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 1993-12-23
Filing date: 1993-12-23
Publication date: 1995-06-29

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur fort laufenden Korrektur einer das Beheizen von in einem elektri schen Durchlauferhitzer strömenden Wasser beschreibenden Funktion, welches sich ständig wiederholende Verfahrens schritte umfaßt, und einen elektrischen Durchlauferhitzer zur Durchführung des Verfahrens.

In der DE 34 15 542.C2 ist eine Steuerung eines elektrischen Durchlauferhitzers offenbart, bei der in einem ersten Schritt der verwendete Mikroprozessor die Sollwerteingabe einrichtung und die vorhandenen Wandler nach der Einlauftem peratur und der Auslauftemperatur des Wassers des Durchlauf erhitzers, indirekt nach der Durchflußmenge und nach der ge wünschten Solltemperatur abfragt. Anschließend errechnet der Mikroprozessor über eine bekannte Funktion diejenige Soll heizleistung, die nötig ist, um das Wasser von der Einlauf temperatur auf die Solltemperatur zu erwärmen. Die ermittel te Sollheizleistung wird dann auf mehrere schaltbare Heiz leistungsstufen geschaltet und somit das Wasser erwärmt.

Weiterhin ist offenbart, daß der Mikroprozessor zur Verkal kungsmeldung bzw. zur Verkalkungskorrektur und zur Korrektur der evtl. auftretenden Temperaturfühlerverstimmung herange zogen werden kann. Bei der Verkalkungsmeldung wird die Tat sache erfaßt, daß bei zunehmender Verkalkung solche Heizkör per zum Erreichen der Solltemperatur nicht mehr ausreichen, die vorher in weniger verkalktem Zustand zum Erreichen der Solltemperatur in vorgegebener Zeit ausreichten. Die Funkti on selbst wird nicht korrigiert, die Leistungsermittlung bleibt also fehlerhaft. Leistungstoleranzen der Heizkörper, Netzspannungsschwankungen und Wassernetzdruckschwankungen müssen durch einen regelbaren Heizkörper immer wieder aufs Neue ausgeglichen werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für einen elektrischen Durchlauferhitzer und einen elektrischen Durchlauferhitzer bereitzustellen, wobei kurzfristig auftre tende Störungen wie beispielsweise Netzspannungsschwankun gen, längerfristigere Änderungen, wie beispielsweise die Ver kalkung oder ein Driften des Durchflußmengenaufnehmers, und im wesentlichen unveränderliche, von Anfang an vorhandene Abweichungen des Durchlauferhitzers von seinen Nenn-Lei stungsmerkmalen, wie beispielsweise Fertigungstoleranzen bei den Heizelementwiderständen, kompensierbar sind.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Vorrichtung nach Anspruch 5 gelöst.

Auf ein mögliches Tabellenverfahren als Alternative zur Ver wendung der Funktion wird verzichtet, da ohne fehlerträchti ge Interpolation der Zugriff auf beliebige Funktionswerte möglich sein soll. Das fortlaufende Aktualisieren der Funk tion über die Lebensdauer des Durchlauferhitzers ermöglicht es, die folgenden Leistungsmerkmale des Durchlauferhitzers ständig fehlerfrei zu gewährleisten:

- Berechnung der Sollheizleistung über die Funktion und
- Berechnung der Zweittemperatur am Auslauf über die Funk tion.

Dies gilt insbesondere beim Auftreten von Netzspannungs schwankungen, von Leistungsabweichungen infolge veränderter Lastimpedanzen, Fehlern bei der Durchflußmessung, Ferti gungstoleranzen bei den Heizelementwiderständen und Verkal kung der Heizelemente. All diese Fehler würden beispielswei se zu einer fehlerbehafteten Bestimmung der Zweittemperatur und damit gegebenenfalls zu einer Verschlechterung des Steuerungs- bzw. Regelungsverhaltens des elektrischen Durch lauferhitzers führen.

In einem anderen Ausführungsbeispiel sind in der Steuervor richtung zwei Rechenschaltungen in einer Rückkopplungsanord nung realisiert. Dies ist besonders schnell, einfach und durch die Berücksichtigung der Einlauftemperatur genau.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird als die Zweittem peratur die Auslauftemperatur des Durchlauferhitzers verwen det, um bei der Regelung der Temperatur des auslaufenden Wassers auf die Solltemperatur direkt einen Soll-Ist-Ver gleich durchführen zu können.

Um ein fehlerfreies Aktualisieren des Korrekturwertes garan tieren zu können, wird in einer weiteren Weiterbildung über prüft, ob sich die Wassereinlauf- und die Wasserzweittempe ratur in einem eingeschwungenen Zustand befinden.

Vorteilhafterweise werden die gemessenen und ermittelten Temperaturwerte zur Eliminierung kurzfristiger Störungen zu sätzlich über vorzugsweise mindestens 3 s gemittelt.

In weiteren Ausführungsformen wird der Korrekturwert vor teilhafterweise als Korrekturfaktor ermittelt. Die Ermitt lung eines Korrekturgliedes ist zwar prinzipiell problemlos entsprechend der Ermittlung des Korrekturfaktors möglich, sie ist aber durch die dabei notwendige multiplikative Ver knüpfung gemessener Größen fehleranfälliger und damit unge nauer.

Überschreitet der Korrekturfaktor in einer Weiterbildung vorzugsweise 1, 2 oder unterschreitet er vorzugsweise 0,8, wird von der Ermittlung eines weiteren Korrekturfaktors ab gesehen und ein Alarmsignal gegeben, da ein fehlerhaftes Funktionieren des elektrischen Durchlauferhitzers wahr scheinlich ist.

Nachfolgend sind anhand der Figuren der erfindungsgemäße elektrische Durchlauferhitzer und das erfindungsgemäße Ver fahren und verschiedene Ausgestaltungen und Weiterbildungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsge mäßen elektrischen Durchlauferhitzers und

Fig. 2 einen Teil eines zweiten Ausführungsbeispiels.

Die Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm der wesentlichen Kompo nenten eines erfindungsgemäßen elektrischen Durchlauferhit zers. Eine Steuervorrichtung 1 steht mit vier Heizelementen 2, 3, 4, 5 in Verbindung und schaltet auf diese eine be stimmte Heizleistung P, um an den Heizelementen im Wasser kanal bzw. Strömungsweg 12 des Durchlauferhitzers vorbei fließendes Wasser zu beheizen. Zur Ermittlung dieser zu schaltenden Heizleistung P bzw. einer Sollheizleistung Ps steht die Steuervorrichtung 1 weiterhin mit einem ersten Temperaturaufnehmer 6 am Einlauf und einem zweiten Tempera turaufnehmer 7 am Auslauf des Durchlauferhitzers und einem Durchflußmengenaufnehmer 8 am Einlauf des Durchlauferhit zers in Verbindung. Diese Aufnehmer 6, 7, 8 liefern ihre Meßsignale ebenso wie eine Vorgabeeinrichtung 9 an die Steuervorrichtung 1. Über die Vorgabeeinrichtung 9 ist eine Solltemperatur Ts des aus dem Durchlauferhitzer auslaufen den Wassers von einem Benutzer vorgebbar. Mit Hilfe dieser Werte ermittelt die Steuervorrichtung 1 über eine folgende bekannte Funktion f (Gleichung 1) die zur Beheizung des Wassers erforderliche Sollheizleistung Ps.

Ps = mf·Cp·(T_s-T_e) mit (1)
mf: Durchflußmenge,
Cp: spezifische Wärmekapazität des Wassers,
Te: Einlauftemperatur.

Ein Eingang und der Ausgang einer Vergleichseinrichtung 10 sind mit der Steuervorrichtung 1 verbunden. Der andere Ein gang der zur Überprüfung des eingeschwungenen Zustandes an geordneten Vergleichseinrichtung 10 steht mit einer Spei chereinrichtung 11 in Verbindung, die ebenfalls an die Steuervorrichtung 1 angeschlossen ist. In der Speicherein richtung 11 sind die Funktion f, die spezifische Wärmekapa zität Cp und beispielsweise Grenzwerte zur Alarmauslösung gespeichert. Dazu steht eine Alarmvorrichtung 13 mit der Steuervorrichtung 1 in Verbindung.

Der in der Fig. 1 gezeigte Durchlauferhitzer arbeitet wie folgt: Unabhängig von dem eigentlichen Korrekturverfahren wird im ersten Schritt zunächst eine Durchflußmenge mf und die Wassereinlauftemperatur Te gemessen und die eingegebene Solltemperatur Ts abgelesen. Daraus wird über die Funktion f nach Gleichung 1 die zur Aufheizung des durch den Wasser kanal 12 des Durchlauferhitzers fließenden Wassers auf die Solltemperatur Ts erforderliche Sollheizleistung Ps im zweiten Schritt ermittelt. Anschließend wird im dritten Schritt die Heizleistung P entsprechend der ermittelten Sollheizleistung Ps auf die Heizelemente 2, 3, 4, 5 ge schaltet, um das Wasser zu beheizen.

Im nun folgenden Verfahrensschritt a zur Korrektur der Funktion f werden die Zweittemperatur oder Auslauftempera tur Tw, die Durchflußmenge mf und die Wassereinlauftempera tur Te gemessen. Über die Funktion f wird unter bestimmten Bedingungen mit Hilfe der im dritten Schritt verwendeten Heizleistung P gemäß der Formel

ein Schätzwert Twb für die Auslauftemperatur Tw ermittelt. Die erste Bedingung ist, daß die Einlauftemperatur Te und die Auslauftemperatur Tw über 5 s nicht mehr als 1 K schwanken. Dadurch werden durch das dynamische Meßverhalten des zweiten Temperaturaufnehmers 7 mögliche Fehler vermie den, und ein eingeschwungener Zustand bezüglich der Wasser temperaturverteilung entlang des beheizten Wasserkanales 12 ist gewährleistet. Die zweite Bedingung ist, daß die tat sächlich geschaltete Heizleistung P mehr als 5 kW beträgt.

Denn die zwischen dem Einlauf und dem Auslauf auftretende Temperaturdifferenz soll nicht zu klein sein, damit Tempe ratur-Meßfehler am Einlauf und/oder am Auslauf vernachläs sigbar sind.

Zur Vermeidung zufälliger Fehler werden die gemessene Ein lauftemperatur Te, die gemessene Auslauftemperatur Tw und der Schätzwert Twb der Auslauftemperatur Tw über 5 s ge mittelt. Mit den gemittelten Werten für die Einlauftempera tur Te, die Auslauftemperatur Tw und den Schätzwert Twb der Auslauftemperatur Tw wird der Korrekturwert als Korrektur faktor kf gemäß der folgenden Gleichung ermittelt:

Dabei ist i der Zeitindex der ermittelten Korrekturwerte und m zur Kennzeichnung der Mittelung der Temperaturwerte. Der Alt-Korrekturfaktor kf_i-1 wird jeweils durch den aktu elleren Korrekturfaktor kf_i ersetzt.

Die Gleichung 3 ergibt sich aus der Division der folgenden Gleichungen

Durch die Aktualisierung des Korrekturfaktors, also das Er mitteln des aktuellen Korrekturfaktors kf_i aus dem zeitlich zuvor ermittelten Alt-Korrekturfaktor kf_i-1 ergibt sich zwingend die exakte Korrektheit der Funktion f. Denn wäh rend die Funktion f nach Gleichung 5 mit dem Alt-Korrektur faktor kf_i-1 den evtl. fehlerhaften Schätzwert Twb ermit telt, ermittelt die Funktion f nach Gleichung 4 mit dem ak tualisierten Korrekturfaktor kf_i als Schätzwert exakt die gemessene Zweittemperatur Tw. Der Unterschied zwischen der tatsächlichen Heizleistung kf·P und der theoretischen Heizleistung P ist damit kompensiert.

Der so erhaltene Korrekturfaktor kf wird dann entsprechend der folgenden Gleichung der Funktion f entsprechend Glei chung 1 zugefügt und somit diese aktualisiert:

Der Korrekturfaktor kf besitzt bei Inbetriebnahme zunächst den Wert 1,0 und wird dann ständig aktualisiert. Über schreitet der Korrekturfaktor kf den Wert 1,2 oder unter schreitet er 0,8, wird davon ausgegangen, daß der Durchlau ferhitzer nicht mehr einwandfrei funktioniert. Eine Korrek tur über diese Grenzen hinaus ist nicht zulässig, und des halb löst die Steuervorrichtung 1 die Alarmvorrichtung 13 aus, was zur Überprüfung des Durchlauferhitzers auffordert.

Gemäß der zweiten Figur sind in der Steuervorrichtung 1 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel zur Berechnung und Ak tualisierung des Korrekturwertes k eine erste und eine zweite Rechenschaltung 14, 15 vorgesehen. Die Anordnung entspricht ansonsten der in Fig. 1. Dem Eingang der ersten Rechenschaltung 14 sind die Werte der Einlauftemperatur Te, der verwendeten Heizleistung P, der Durchflußmenge mf und des Korrekturfaktors kf zugeführt. Am Ausgang der ersten Rechenschaltung 14 stellt diese den Schätzwert Twb und den zur Berechnung dieses verwendeten Korrekturfaktor kf be reit. Dem Eingang der zweiten Rechenschaltung 15 ist dieser Korrekturfaktor kf zugeführt und zusätzlich sind ihm der aktuell ermittelte Schätzwert Twb, die Einlauftemperatur Te und die Zweittemperatur Tw zugeführt. Der Ausgang der zwei ten Rechenschaltung 15 ist auf den Eingang der ersten Re chenschaltung 14 zurückgekoppelt und liefert, wie oben be schrieben ist, den Wert des aktuellen, korrigierten Korrek turfaktors kf_i an die erste Rechenschaltung 14 zurück. Auf jeden durch die erste Rechenschaltung 14 mit dem Alt-Kor rekturfaktor kf_i-1 ermittelten Schätzwert Twb (Gleichung 5), ermittelt die zweite Rechenschaltung 15 einen neuen Korrekturfaktor kf_i (Gleichung 3) und liefert diesen an die erste Rechenschaltung 14, wo der Korrekturfaktor kf_i den unmittelbar zuvor ermittelten Alt-Korrekturfaktor kf_i-1 er setzt.

Alle oben angegebenen Zahlenwerte sind auf die Geometrie und besondere Komfortwünsche, die an den mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren betriebenen Durchlauferhitzer ge stellt sind, bezogen. Außerdem realisieren sie ein ganz be stimmtes Maß an Sicherheit. Es steht dem Entwickler frei, diese Zahlenwerte entsprechend der jeweiligen Anwendung zu modifizieren. Weiterhin sind unter Verwendung des Korrek turwertes k auch Fehler anderer, das Beheizen von strömen dem Wasser beschreibende Funktionen, kompensierbar.

Claims

1. Verfahren zur fortlaufenden Korrektur einer das Behei zen von in einem elektrischen Durchlauferhitzer strö menden Wasser beschreibenden Funktion f in einer Steu ervorrichtung (1), welches die folgenden, sich ständig wiederholenden Verfahrensschritte umfaßt:

a) Ein Messen einer Einlauftemperatur (Te), einer Durchflußmenge (mf) und einer Zweittemperatur (Tw) stromabwärts der Einlauftemperatur (Te),
b) ein Ermitteln eines Schätzwertes (Twb) der Zweit temperatur (Tw) über die Funktion (f) mit Hilfe der gemessenen Einlauftemperatur (Te), der Durch flußmenge (mf) und einer auf Heizelemente des Durchlauferhitzers geschalteten Heizleistung (P),
c) ein Ermitteln eines Korrekturwertes (k) durch die Steuervorrichtung (1) derart, daß die Zweittempe ratur (Tw) und der Schätzwert (Twb) übereinstim men,
d) ein Hinzufügen des aktuellen Korrekturwertes (k) zu der Funktion (f).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (1) den Korrekturwert (k) ermit telt, wenn die Einlauftemperatur (Te) und die Zweittem peratur (Tw) jeweils vorzugsweise mindestens 3 s lang vorzugsweise weniger als 1 K schwanken.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß sich der Korrekturwert (k) entsprechend der Gleichung k_i = k_i-1·(Tw-Te)/(Twb-Te)ergibt, wobei
i: Zeitindex der ermittelten Korrekturwerte k.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Korrekturwert (k) entsprechend der Gleichung k_i = k_i-1·(Twm-Tem)/(Twbm-Tem)durch die Mittelung der Temperaturwerte (Tw, Te, Twb) über vorzugsweise mindestens 3 s ergibt, wobei m: Index für die Mittelung.

5. Elektrischer Durchlauferhitzer zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Steuervorrichtung, damit verbunden Aufnehmer zum Messen einer Einlauftemperatur, einer Zweittemperatur stromab wärts des Einlaufs sowie einer Durchflußmenge, eine Speichervorrichtung, in der eine das Beheizen des Was sers beschreibende Funktion gespeichert ist, und minde stens ein von der Steuervorrichtung bezüglich einer Heizleistung gesteuertes Heizelement, dadurch gekenn zeichnet, daß durch die Steuervorrichtung (1) aus jeder ermittelten Abweichung der gemessenen Zweittemperatur (Tw) von einem mit Hilfe der Funktion (f) ermittelten Schätzwert (Twb) für die Zweittemperatur (Tw) fortlau fend jeweils ein die Abweichung (Twb-Tw) kompensieren der Korrekturwert (k) ermittelbar ist und durch Hinzu fügung dieses zur Funktion (f) diese aktualisiert ist.

6. Elektrischer Durchlauferhitzer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuervorrichtung (1) eine über eine zweite Rechenschaltung (15) rückgekoppelte erste Rechenschaltung (14) vorgesehen ist, und daß der ersten Rechenschaltung (14) ein von der zweiten Rechen schaltung (15) aus der Einlauftemperatur (Te), der Zweittemperatur (Tw), dem Schätzwert (Twb) und einem von der ersten Rechenschaltung (14) ermittelten Alt- Korrekturwert (k_i-1) ermittelter Korrekturwert (k_i) die Durchflußmenge (mf), die Einlauftemperatur (Te) und die verwendete Heizleistung (P) zugeführt sind.

7. Durchlauferhitzer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge kennzeichnet, daß ein zweiter Temperaturaufnehmer (7) zum Messen der Zweittemperatur (Tw) am Auslauf des Durchlauferhitzers angeordnet ist.

8. Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 5 bis 7 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 oder 4, da durch gekennzeichnet, daß beim Überschreiten der Abwei chung des Korrekturwertes (k) vom Wert 1,0 und vorzugs weise mehr als 0,2 die Steuervorrichtung (1) eine Alarmvorrichtung (13) auslöst.