DE4433425A1 - Control appts. for adjusting gas to air mixture in gas burner esp. gas torch burner - Google Patents

Control appts. for adjusting gas to air mixture in gas burner esp. gas torch burner

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Abstract

The control appts. has an ionisation electrode (4) as a measuring electrode in the flame region. An ionisation current flows through this electrode in dependence on the burning. A control circuit (9) is connected to the electrode (4). This adjusts the gas to air ratio according to a target value. An alternating voltage is connected to the measuring electrode (4). A constant voltage component is superimposed onto the alternating voltage in dependence on the ionisation current. A low pass filter (8) is connected between the electrode (4) and the control circuit (9). This filters out the alternating voltage component. The constant voltage component is then applied to the control circuit (9).

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für einen Gasbrenner insbesondere Gasgebläsebrenner mit einer Ionisations-Elektrode als Meßelektrode im Flammenbereich, durch die in Abhängigkeit von der Verbrennung ein Ionisationsstrom fließt und an die eine Regelschaltung angeschlossen ist, welche das Gas-Luftverhältnis nach einem Sollwert einstellt.The invention relates to a control device for a Gas burner, in particular gas fan burner with a Ionization electrode as measuring electrode in the flame area, through the depending on the combustion Ionization current flows and to a control circuit which is connected to the gas-air ratio a setpoint.

Eine derartige Regeleinrichtung ist in der DE 39 37 290 A1 beschrieben. Dort liegt die Ionisations- Elektrode in einem Gleichstromkreis. Die Auswertung des Ionisationsstromes ist in der Praxis problematisch, wenn ein proportionaler Zusammenhang zwischen dem Ionisationsstrom und der Luftzahl lambda ermittelt werden soll.Such a control device is in the DE 39 37 290 A1 described. There is the ionization Electrode in a DC circuit. The evaluation of the Ionization current is problematic in practice, though a proportional relationship between the Ionization current and the air ratio lambda can be determined should.

In der DE 36 07 386 C2 ist ebenfalls eine Vorrichtung zur Regelung der Zusammensetzung des einem Gasgebläsebrenner zuzuführenden Gemisches aus Verbrennungsgas und Luft gezeigt, die ebenfalls mit einem Ionisationsfühler arbeitet. Es sind hier besondere gastechnische Regelelemente vorgeschlagen.DE 36 07 386 C2 also has a device for Regulation of the composition of a gas forced draft burner mixture of combustion gas and air to be supplied shown, also with an ionization sensor is working. There are special gas engineering here  Control elements suggested.

Ein Gasfeuerungsautomat mit einem Ionisationsfühler ist auch aus der DE 42 30 390 A1 bekannt. Der Ionisationsfühler dient hier nur der Flammenüberwachung.There is a gas burner control with an ionization sensor also known from DE 42 30 390 A1. Of the Ionization sensors are only used for flame monitoring.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei in einem Wobbezahlbereich unterschiedlichen Gasqualitäten und unterschiedlichen Umgebungsbedingungen, in der Praxis eine optimale Verbrennung hinsichtlich der Emissionen und des feuerungstechnischen Wirkungsgrades zu erreichen.The object of the invention is in one Wobbezahlbereich different gas qualities and different environmental conditions, in practice optimal combustion in terms of emissions and to achieve the firing efficiency.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe dadurch gelöst, daß auf die Meßelektrode eine Wechselspannung aufgeschaltet ist, wobei sich der Wechselspannung in Abhängigkeit vom Ionisationsstrom ein Gleichspannungsanteil überlagert, daß zwischen die Meßelektrode und die Regelschaltung ein Tiefpaß geschaltet ist, dem den Wechselspannungsanteil ausfiltert, und daß der Gleichspannungsanteil an die Steuerschaltung gelegt ist.According to the invention the above object is achieved in that an AC voltage is applied to the measuring electrode, the alternating voltage depending on Ionization current superimposed on a DC voltage component, that between the measuring electrode and the control circuit Is switched low pass, the AC voltage component filters out, and that the DC voltage component to the Control circuit is laid.

Durch die Wechselspannungsüberlagerung und deren Ausfilterung läßt sich der Ionisationsstrom sicher auswerten. Es ist dadurch erreicht, daß bei unterschiedlichen Gasqualitäten, beispielsweise bei Erdgas und Flüssiggas, sowie bei wechselnden Umgebungsbedingungen eine hinsichtlich der Emissionen und des feuerungstechnischen Wirkungsgrades optimale Verbrennung ergibt. Es hat sich gezeigt, daß ein sicherer, emissionsarmer und störungsfreier Betrieb auch im EEH-Fall, d. h. bei zu niedrige Wobbezahlen erreicht wird.Through the AC voltage superposition and their The ionization current can be filtered out safely evaluate. It is achieved in that at different gas qualities, for example at Natural gas and LPG, as well as changing Environmental conditions one in terms of emissions and of the firing efficiency Combustion results. It has been shown that a safe, low-emission and trouble-free operation even in the case of EEH, d. H. at too low Wobbe paying is achieved.

Der jeweilige Luftüberschuß (Lambda-Wert) des jeweiligen Verbrennungszustandes wird über die Ionisations-Elektrode erfaßt, in der Regelschaltung mit einem eingestellten Lambda-Sollwert verglichen und die Zusammensetzung des Gas-Verbrennungsluft-Gemisches wird entsprechend nachgeregelt, so daß im Endergebnis immer mit einem gewünschten Lambda-Sollwert gearbeitet wird. Gewünscht ist ein überstöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Gas. Der Lambda-Sollwert liegt vorzugsweise zwischen 1,15 und 1,3.The respective excess air (lambda value) of the respective The state of combustion is determined by the ionization electrode detected in the control circuit with a set Lambda setpoint compared and the composition of the Gas-combustion air mixture is made accordingly adjusted so that the end result is always with a  desired lambda setpoint is worked. Desired is an over-stoichiometric ratio of air to gas. The lambda setpoint is preferably between 1.15 and 1.3.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden beispielhaften Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:Advantageous refinements of the invention result from the subclaims and the following exemplary description. The drawing shows:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Regeleinrichtung mit analoger Steuerschaltung und Fig. 1 is a block diagram of a control device with an analog control circuit and

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Regeleinrichtung mit digitaler Steuerschaltung. Fig. 2 is a block diagram of a control device with a digital control circuit.

Ein Gasbrenner (1) weist ein drehzahlregelbares Gebläse (2) auf, das Verbrennungsluft fördert. Er ist mit einer Gaszuführung (3) versehen. Im Flammenbereich des Gasbrenners (1) ist eine Ionisations-Elektrode (4) als Meßelektrode angeordnet. Diese Meßelektrode (4) ist bei Gasbrennern üblich. Gewöhnlich dient sie jedoch nur der Flammenüberwachung. Die Meßelektrode (4) erfaßt den sich beim jeweiligen Verbrennungszustand einstellenden Ionisationsstrom. Dieser hängt nach der Richardson′schen Gleichung von der Elektrodentemperatur und damit auch vom jeweiligen Lambdawert des jeweiligen Gas-Luft-Gemisches ab.A gas burner ( 1 ) has a speed-adjustable fan ( 2 ) which conveys combustion air. It is equipped with a gas supply ( 3 ). An ionization electrode ( 4 ) is arranged as the measuring electrode in the flame area of the gas burner ( 1 ). This measuring electrode ( 4 ) is common in gas burners. However, it is usually only used for flame monitoring. The measuring electrode ( 4 ) detects the ionization current which occurs in the respective combustion state. According to Richardson's equation, this depends on the electrode temperature and thus also on the respective lambda value of the respective gas-air mixture.

Auf die Meßelektrode (4) ist über ein kapazitives Koppelglied (5) eine Wechselspannung, im Beispielsfalle einfach die Netzwechselspannung, aufgeschaltet. Das Koppelglied (5) ist über einen Widerstand (6) an Erde gelegt, so daß die Ionisationsstrecke (Flammenbereich) elektrisch parallel zum Widerstand (6) geschaltet ist.An AC voltage, in this case simply the AC mains voltage, is applied to the measuring electrode ( 4 ) via a capacitive coupling element ( 5 ). The coupling element ( 5 ) is connected to earth via a resistor ( 6 ), so that the ionization path (flame area) is electrically connected in parallel to the resistor ( 6 ).

An der Meßelektrode (4) liegt über einen Spannungs-, Impedanzwandler (7) ein Tiefpaß (8), der ausgangsseitig an eine Regelschaltung (9) angeschlossen ist. A low-pass filter ( 8 ) is connected to the measuring electrode ( 4 ) via a voltage / impedance converter ( 7 ) and is connected on the output side to a control circuit ( 9 ).

Die Regelschaltung (9) nach Fig. 1 weist einen Vergleicher (10) auf, an den ein Sollwertgeber (11) gelegt ist. Am Sollwertgeber (11) ist der gewünschte Lambdawert, beispielsweise 1,15 bis 1,3, einstellbar. An den Vergleicher (10) ist die Ausgangs-Gleichspannung des Tiefpasses (B) gelegt, die dem jeweiligen Lambdawert proportional ist. Ausgangsseitig liegt am Vergleicher (10) ein Spannungs/Stromwandler (12), welcher über einen Umschalter (13) an einen Leistungstreiber (14) angeschlossen ist, der die Drehzahl des Gebläses (2) steuert.The control circuit ( 9 ) according to FIG. 1 has a comparator ( 10 ) to which a setpoint generator ( 11 ) is placed. The desired lambda value, for example 1.15 to 1.3, can be set on the setpoint generator ( 11 ). The output direct voltage of the low-pass filter (B), which is proportional to the respective lambda value, is applied to the comparator ( 10 ). On the output side there is a voltage / current converter ( 12 ) on the comparator ( 10 ), which is connected via a changeover switch ( 13 ) to a power driver ( 14 ) which controls the speed of the fan ( 2 ).

In die Regelschaltung (9) ist eine Startautomatik (15) integriert, welche den Umschalter (13) steuert. Am Umschalter (13) liegt ein Sollwertgeber (16) für eine Startdrehzahl. Außerdem ist ein Speicher (17) für den momentanen Drehzahlwert vorgesehen.In the control circuit ( 9 ) an automatic start ( 15 ) is integrated, which controls the changeover switch ( 13 ). A setpoint generator ( 16 ) for a starting speed is located on the changeover switch ( 13 ). A memory ( 17 ) for the current speed value is also provided.

An den Ausgang des Tiefpasses (8) ist weiterhin ein Schmitt-Trigger (18) geschaltet, der der Flammenüberwachung dient.A Schmitt trigger ( 18 ) is also connected to the output of the low pass ( 8 ) and is used for flame monitoring.

Die Funktionsweise der beschriebenen Regeleinrichtung ist etwa folgende:
Beim Start des Gasbrenners (1) schaltet die Startautomatik (15) auf den Sollwertgeber (16). Über den Leistungstreiber (14) läuft das Gebläse (2) dadurch mit einer Startdrehzahl, die ein sicher zündfähiges Gemisch ergibt.The control device described works as follows:
When the gas burner ( 1 ) starts, the automatic start ( 15 ) switches to the setpoint device ( 16 ). The fan ( 2 ) thus runs via the power driver ( 14 ) at a starting speed which results in a mixture which can be ignited safely.

Nach dem Zünden und erfolgreicher Flammenbildung schaltet die Startautomatik (15) den Umschalter (13) auf den Spannungs/Stromwandler (12). Der von der Ionisations- Elektrode (4) erfaßte Ionisationsstrom führt dazu, daß sich der Wechselspannung eine Gleichspannung überlagert. Diese ist proportional von der Ionisation im Flammenbereich. Sie ist proportional dem jeweiligen Luftüberschuß (lambda). In der Praxis liegt sie zwischen 0 V und 200 V. Zur Weiterverarbeitung wird die Spannung herabgesetzt und am Ausgang des Tiefpasses (8) tritt im Beispielsfalle eine Gleichspannung zwischen 0 V und 10 V auf.After ignition and successful flame formation, the automatic start ( 15 ) switches the changeover switch ( 13 ) to the voltage / current converter ( 12 ). The ionization current detected by the ionization electrode ( 4 ) leads to a direct voltage being superimposed on the alternating voltage. This is proportional to the ionization in the flame area. It is proportional to the respective excess air (lambda). In practice, it is between 0 V and 200 V. For further processing, the voltage is reduced and at the output of the low-pass filter ( 8 ) a DC voltage between 0 V and 10 V occurs in the example.

Die den Luftüberschuß des jeweiligen Gas-Luft-Gemisches verkörpernde Spannung wird im Vergleicher (10) mit einem Sollwert verglichen. Die Differenz zwischen den beiden Werten wird in einen Strom gewandelt, der den Ladezustand des Speicherkondensators (17), welcher dem Drehzahl- Momentanwert entspricht, solange ändert und damit die Drehzahl des Gebläses (2) entsprechend steuert, bis der jeweilige Luftüberschuß (Lambdaistwert) dem Lambdasollwert gleich ist.The voltage embodying the excess air of the respective gas-air mixture is compared in the comparator ( 10 ) with a desired value. The difference between the two values is converted into a current that changes the state of charge of the storage capacitor ( 17 ), which corresponds to the instantaneous speed value, and thus controls the speed of the fan ( 2 ) accordingly until the respective excess air (actual lambda value) Lambda setpoint is the same.

Erfolgt danach eine Veränderung der Verbrennungsbedingungen, beispielsweise Änderung der Gasart, Änderung des Gasdrucks, Änderung der Umgebungstemperaturen o.a., und weicht dadurch der Lambdaistwert vom Lambdasollwert ab, dann werden diese Störungen in der beschriebenen Weise ausgeregelt.If there is a change after that Combustion conditions, for example changing the Gas type, change in gas pressure, change in Ambient temperatures or the like, giving way to Lambda actual value from the Lambda setpoint, then these Faults corrected in the manner described.

Wenn die Flamme erlischt, wird über den Schmitt-Trigger (18) die Gaszufuhr (3) gesperrt.When the flame goes out, the gas supply ( 3 ) is blocked via the Schmitt trigger ( 18 ).

Bei der Ausführung nach Fig. 2 ist die Regelschaltung (9) von einer digitalen Schaltung mit Mikroprozessor gebildet. Die Sollwerte für Lambda und die Startdrehzahl sind in einen Speicher der Schaltung eingelesen. Der Tiefpaß (8) ist über einen Analog/Digitalwandler (19) an die Schaltung angeschlossen. Ausgangsseitig ist die Schaltung über einen Digital/Analogwandler (20) mit dem Leistungstreiber (14) verbunden. Im übrigen gleicht die Funktionsweise der oben beschriebenen.In the embodiment of Fig. 2, the control circuit (9) is formed by a digital circuit with a microprocessor. The target values for lambda and the starting speed are read into a memory of the circuit. The low-pass filter ( 8 ) is connected to the circuit via an analog / digital converter ( 19 ). On the output side, the circuit is connected to the power driver ( 14 ) via a digital / analog converter ( 20 ). Otherwise, the mode of operation is the same as that described above.

Im Ausführungsbeispiel ist zur Einstellung des Luftüberschusses die Drehzahl des Gebläses (2) geregelt. In the exemplary embodiment, the speed of the fan ( 2 ) is regulated to adjust the excess air.

Statt dessen oder zusätzlich kann auch die Gaszufuhr (3) geregelt sein.Instead or in addition, the gas supply ( 3 ) can also be regulated.

Claims (9)

1. Regeleinrichtung für einen Gasbrenner, insbesondere Gasgebläsebrenner, mit einer ionisations-Elektrode als durch Meßelektrode im Flammenbereich, durch die in Abhängigkeit von der Verbrennung ein Ionisationsstrom fließt und an die eine Regelschaltung angeschlossen ist, welche das Gas- Luftverhältnis nach einem Sollwert einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Meßelektrode (4) eine Wechselspannung aufgeschaltet ist, wobei sich der Wechselspannung in Abhängigkeit vom Ionisationsstrom ein Gleichspannungsanteil überlagert, daß zwischen die Meßelektrode (4) und die Regelschaltung (9) ein Tiefpaß (8) geschaltet ist, der den Wechselspannungsanteil ausfiltert, und daß der Gleichspannungsanteil an die Regelschaltung (9) gelegt ist.1. Control device for a gas burner, in particular gas forced draft burner, with an ionization electrode as a measuring electrode in the flame area, through which an ionization current flows depending on the combustion and to which a control circuit is connected, which adjusts the gas-air ratio according to a setpoint, thereby characterized in that an alternating voltage is applied to the measuring electrode ( 4 ), a direct voltage component being superimposed on the alternating voltage as a function of the ionization current, that a low-pass filter ( 8 ) is connected between the measuring electrode ( 4 ) and the control circuit ( 9 ), which is the alternating voltage component filters out, and that the DC voltage component is applied to the control circuit ( 9 ). 2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung die Netzwechselspannung ist.2. Control device according to claim 1, characterized, that the alternating voltage is the mains alternating voltage. 3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung über ein kapazitives Koppelglied (5) an die Meßelektrode (4) gelegt ist.3. Control device according to claim 1 or 2, characterized in that the AC voltage is applied to the measuring electrode ( 4 ) via a capacitive coupling element ( 5 ). 4. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (6) parallel zur Ionisationsstrecke geschaltet ist.4. Control device according to one of the preceding claims, characterized in that a resistor ( 6 ) is connected in parallel to the ionization path. 5. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (9) ein Verbrennungsluft-Gebläse (2) und/oder die Gaszufuhr steuert.5. Control device according to one of the preceding claims, characterized in that the control circuit ( 9 ) controls a combustion air blower ( 2 ) and / or the gas supply. 6. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Tiefpaß (8) eine Auswerteschaltung (18) zur Flammenüberwachung angeschlossen ist.6. Control device according to one of the preceding claims, characterized in that an evaluation circuit ( 18 ) for flame monitoring is connected to the low-pass filter ( 8 ). 7. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (9) einen Sollwert für Startbedingungen, insbesondere die Start-Gebläsedrehzahl erhält.7. Control device according to one of the preceding claims, characterized in that the control circuit ( 9 ) receives a setpoint for starting conditions, in particular the starting fan speed. 8. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (9) eine Analogschaltung mit einem Soll-Istwert-Vergleicher (10) ist.8. Control device according to one of the preceding claims, characterized in that the control circuit ( 9 ) is an analog circuit with a setpoint-actual value comparator ( 10 ). 9. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (9) eine Digitalschaltung mit Mikroprozessor ist.9. Control device according to one of the preceding claims 1 to 7, characterized in that the control circuit ( 9 ) is a digital circuit with a microprocessor.
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