DE60106509T2

DE60106509T2 - Regelverfahren eines Brenners

Info

Publication number: DE60106509T2
Application number: DE2001606509
Authority: DE
Inventors: Jean-Bernard Michel; Olivier Chetelat
Original assignee: Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Current assignee: Cuenod Sas Ville-La-Grand Fr
Priority date: 2000-04-21
Filing date: 2001-04-19
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2021-04-20
Also published as: DE60106509D1; EP1148298B1; FR2808076A1; FR2808076B1; EP1148298A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelverfahren für einen Brenner, der einen Brennstoff verwendet, welcher durch Kontakt mit einem Brenngas eine thermische Energie erzeugende Flamme aufrecht zu erhalten erlaubt, entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein solches Verfahren ist von US-A-579 888 946 bekannt.
Die Erfindung betrifft Brenner dieses Typs, sowohl industriell eingesetzte (Heizkraftwerke, Industrieanlagen usw.) als auch privat genutzte (z.B. Zentralheizung).
Eine künftig wesentliche Sorge der Entwickler solcher Brenner besteht darin, die Verbrennung zu optimieren, insbesondere um den Verbrauch zu senken und die Emission von umweltschädlichen Substanzen in die Atmosphäre so weit wie möglich zu begrenzen. Daher versucht man, den Brenner mit einem geringen Sauerstoffüberschuss zu betreiben, um den CO-Gehalt in den Rauchgasen zu verringern. Außerdem will man die NOx-Emissionen und die Emissionen unverbrannter Kohlenwasserstoffe verringern.
Um diese Aufgaben zu erreichen, werden gewöhnlich die Rauchgase analysiert und das Ergebnis dieser Analyse wird verwendet, um auf die Betriebseigenschaften des Brenners so einzuwirken, dass der Gehalt an Komponenten im Rauchgas, die für die Umweltverschmutzung oder einen geringeren Wirkungsgrad verantwortlich sind, korrigiert wird. Doch dieses Verfahren hat seine Grenzen, die bei einem geschlossenen Regelkreislauf ein Hindernis darstellen, wobei es sich bei diesen Grenzen insbesondere um folgende handelt:

1. Die Analyse kann nicht die exakten Betriebsbedingungen des Brenners wiedergeben, da die Rauchgasentnahmen in der Regel fern des Brenners erfolgen;
2. Wenn die thermische Installation aus verschiedenen Brennern besteht, ist es durch dieses Verfahren nicht möglich, eine individuelle Regelung eines jeden Brenners zu gewährleisten, denn die Analyse des Rauchgases wird zusammengefasst für alle Brenner durchgeführt;
3. Diese Methode erlaubt keine Echtzeit-Regelung des Brenners, da eine relativ lange Reaktionszeit der Regelung berücksichtigt werden muss, wodurch man sowohl im Hinblick auf den Wirkungsgrad als auch auf die schädlichen Emissionen keine optimalen Betriebsbedingungen erreichen kann.
4. Die Realisierungskosten eines solchen Verfahrens sind so hoch, dass man sie kaum für kleine thermischen Anlagen vorsehen kann, insbesondere nicht für Zentralheizungen in Wohnhäusern.

US- 5 332 386 beschreibt ein Regelverfahren der Verbrennungsbedingungen eines Brenners, das darin besteht, dass die Flamme mithilfe eines Strahlungssensors überwacht wird, einerseits um das Vorhandensein der Flamme festzustellen, andererseits, um ihre Stabilität zu untersuchen. Dieses Verfahren beruht insbesondere auf der Feststellung, dass es die Untersuchung der Fluktuationsfrequenz der Strahlung, die von der Flamme erzeugt wird, ermöglicht, Informationen in Bezug auf die Stabilität der Flamme und die Emission der Schadstoffe zu erhalten.
Das Signal des optischen Sensors wird digitalisiert und aus dem erhaltenen Ergebnis wird die Fourier-Transformierte errechnet. Es wird also ein Frequenzband der Fourier-Transformierten untersucht, indem seine Leistung berechnet wird, deren Wert anschließend für die Regelung eines Funktionsparameters des Brenners verwendet wird, normalerweise die Regelung der zugeführten Luft. Die Berechnung der Fourier-Transformierten ist im Hinblick auf die Frequenz auf einen Höchstwert von 500 Hz beschränkt.
Der Hauptnachteil dieses bekannten Verfahrens liegt in der Tatsache, dass es sein kann, dass das ausgehend von der Fourier-Transformierten untersuchte Frequenzband nicht für alle Brennertypen gleich ist. Dieses Verfahren ist daher nicht in allen Fällen direkt anwendbar.
Das Dokument US A 5 798 946 beschreibt ein Analyseverfahren für eine Brennerflamme. Hier wird eine Extremwert-Funktion der Amplitude vorgegeben, um den Frequenzbereich, in dem die Analyse erfolgt, festzulegen, wobei diese Funktion über die Parameter (k, m, n) definiert wird, die vor der Analysephase in Abhängigkeit von der Brennstoffart, vom Brennertyp und von den Betriebsbedingungen bestimmt werden. Um diese Parameter an die Vorrichtung, die die Analyse durchführen wird, liefern zu können, ist es daher für die Bedienperson erforderlich, den Brennertyp, die Art des Brennstoffs und die Betriebsbedingungen zu kennen. Daher kann das Verfahren bei einer Reihe von unterschiedlichen Brennern ohne vorherige Kenntnis des jeweils betreffenden Brennertyps nicht direkt verwendet werden.
Das Ziel der Erfindung ist es, ein Regelverfahren für einen Brenner bereitzustellen, das gleichermaßen für viele verschiedene Brennertypen anwendbar ist, insbesondere für sehr unterschiedliche Wärmeleistungen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Regelverfahren für einen Brenner mit den Merkmalen nach Anspruch 1 zur Verfügung zu stellen.
Aufgrund der Tatsache, dass das Verfahren der Erfindung das gesamte Frequenzspektrum berücksichtigt, in dem die Strahlungsfluktuationen der Flamme auftreten, wird es möglich, es auf praktisch alle Brennertypen anzupassen, ohne dass es erforderlich ist, eine Auswahl des zu analysierenden Frequenzbands zu treffen, um ein verwendbares Signal zu erhalten, mit dem auf die Funktion des Brenners eingewirkt werden kann.
Entsprechend weiterer vorteilhafter Merkmale der Erfindung:

– wird das Verfahren ein erstes Mal unter Standardmessbedingungen an mindestens einem Brenner eines bestimmten Typs durchgeführt, um eine Standardfrequenzverteilung zu erhalten, die für diesen Brennertyp charakteristisch ist, dann wird im Verlauf des Gebrauchs dieses Brenners oder eines anderen Brenners des gleichen Typs ein Vergleich zwischen der Standardverteilung und der online erhaltenen Verteilung durchgeführt und das Ergebnis dieses Vergleichs wird verwendet, um auf den Betrieb des Brenners einzuwirken;
– wird das gleitende Fenster in Zeitabschnitte gleicher Dauer unterteilt und die statistische Untersuchung der Verteilung nacheinander über jeden der Zeitabschnitte durchgeführt;
– ist der Maßstab der Frequenzbereiche logarithmisch, vorzugsweise mit dyadischer Progression;
– besteht die statistische Untersuchung darin, den allgemeinen Mittelwert der Mittelwerte, die ausgehend von den Frequenzbändern des Zeitfensters gebildet wurden, zu berechnen und die Standardabweichung sämtlicher Mittelwerte über dem Zeitfenster zu bestimmen;
– wird das Frequenzspektrum gebildet, indem die Fourier-Transformierte des Strahlungssignals berechnet wird;
– wird als Variante das Frequenzspektrum gebildet, indem die Wellentransformierte des Strahlungssignals berechnet wird;
– werden die allgemeinen Mittelwerte und die Standardabweichungen, die für jedes der Frequenzbänder der Standardverteilung ermittelt wurden, und die allgemeinen Mittelwerte und Standardabweichungen, die online berechnet wurden, für jedes der Frequenzbänder getrennt verglichen und wird ein Warnsignal erzeugt, wenn mindestens einer der Vergleiche eine Abweichung zwischen den verglichenen Werten ergibt;
– wird ein Plausibilisierungsintervall beidseitig zu den allgemeinen Mittelwerten der Standardverteilung gebildet und das Warnsignal nur erzeugt, wenn das Ergebnis mindestens eines der Vergleiche aus dem Plausibilisierungsintervall herausfällt;
– ist das Plausibilisierungsintervall gleich dem 1- bis 4fachen der Standardabweichung beidseitig zu den allgemeinen Mittelwerten;
– werden mehrere Werte des Plausibilisierungsintervalls gebildet und die Vergleiche für jeden dieser Werte durchgeführt, um Plausibilisierungssignale zu erzeugen, die mit einem Maß für die Betriebsqualität des Brenners verknüpft sind;
– besteht das Verfahren darin, dass ausgehend von der Standardverteilung Korrelationskoeffizienten einer Korrelation zwischen den berechneten allgemeinen Mittelwerten und dem Anteil einer in den Verbrennungsprodukten des Brenners vorhandenen vorgegebenen Gaskomponente bestimmt werden und diese Korrelationskoeffizienten mit den berechneten allgemeinen Mittelwerten der online gebildeten Verteilung verknüpft werden und ein die Gaskomponente darstellendes Signal erzeugt wird, um diese Gaskomponente in den Verbrennungsprodukten des betreffenden Brenners einzustellen.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung aufgeführt, die nur beispielhaft ist und sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht, in denen:
1 eine schematische Darstellung einer Regeleinrichtung eines Brenners darstellt, in der die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
2 einen Graphen der Wärmeleistung als Funktion der Zeit zeigt und ein Beispiel für ein Strahlungssignal darstellt, das von einem Brenner erhalten werden kann;
3 eine digitale Darstellung des Signals zeigt, das im Graphen von 2 abgebildet ist;
4 eine schematische Darstellung eines Kalkulators zeigt, der für die Durchführung des Regelverfahrens der Erfindung eingesetzt werden kann; und
6 und 7 Graphen als Funktion der Frequenz sind, die die Entwicklung von zwei Arten von Mittelwerten darstellen, die von dem Kalkulator in 4 bestimmt wurden.
In der schematischen Darstellung in 1 ist eine erfindungsgemäße Regeleinrichtung zu sehen, die auf den Betrieb des Brenners B einwirkt, der eine Flamme F erzeugt. Bei dem Brenner B kann es sich um einen beliebigen bekannten Brennertyp handeln, der einen beliebigen Brennstoff verbraucht. Er ist mit einer Regelvorrichtung R verbunden, die es erlaubt, eine bestimmte Anzahl von Parametern zu regeln, wie z.B. die Brennstoffzufuhrmenge, die Brenngaszufuhrmenge, die Größe der Flamme usw. Zu diesem Zweck ist die Regelvorrichtung mit den Stellgliedern A1 bis An ausgerüstet, die auf jeweils einen dieser Parameter durch ein Regelsignal einwirken können, das dank der Durchführung des Verfahrens der Erfindung bei dem jeweiligen Aktor eingeht. Regelvorrichtungen dieses Typs sind als solche bekannt und bedürfen keiner besonderen Beschreibung.
Ein Messfühler S wird ebenfalls an den Brenner B angeschlossen. Es handelt sich hierbei um einen Strahlungssensor, dessen Empfindlichkeitsbereich in Abhängigkeit von der Art der Flamme F gewählt wird. Beispielsweise ist es erwiesen, dass für eine Erdgas- oder Heizölflamme (blaue Flamme) ein UV-Strahlungssensor am besten geeignet ist. GaAS- oder GaP-Fotodioden können also eingesetzt werden. Für gelbe Flammen (verschiedene Flüssigbrennstoffe oder Festbrennstoffe) wird vorzugsweise ein Infrarotstrahlungssensor, wie z.B. eine Silizium-Fotodiode, verwendet.
Der Messfühler S wird vorzugsweise hinter dem Brenner im Brenngasstrom platziert, der so seine Temperatur auf einen akzeptablen Wert hält. Er wird an einen Verstärker 1 angeschlossen. Der Ausgang des Verstärkers wird an einen Bandpass 2 mit Grenzfrequenzen angeschlossen, die beispielsweise zwischen 3 Hz und 5 kHz liegen können.
Der Ausgang Va des Filters 2 wird in 2 in Form eines Graphen als Funktion der Zeit t für einen bestimmten Brenner B dargestellt. Dieses Signal beinhaltet eine alternative Komponente mit einer beidseitigen Exkursion f (von beispielsweise +/- 5 V) von einer durchgehenden Komponente, die beispielsweise die 0-Ebene sein kann. Das Signal spiegelt die Strahlungsfluktuationen der Flamme F wider.
Der Ausgang des Filters 2 ist an einen A/D-Wandler 3 angeschlossen. Letzterer ist ausgeführt, um das Signal, das vom Filter 2 ausgegeben wird, in einer vorgegebenen Abtastfrequenz abzutasten, die vorzugsweise doppelt so hoch ist, wie die obere Grenzfrequenz des Filters 2 (hier beispielsweise etwas höher als 10 kHz), und um so jeden Abtastwert in einen kodierten digitalen Wert mit einer Länge von beispielsweise 8 Bit umzuwandeln.
Die digitalen Abtastwerte werden an eine Pufferschaltung 4 weitergegeben, deren Speicherkapazität so bemessen ist, dass ein gleitendes Abtastfenster gespeichert wird, das sich auf ein vorgegebenes Intervall von beispielsweise 5 Sekunden erstreckt. Der Inhalt der Pufferschaltung 4 kann zu einem vorgegebenen Zeitpunkt der in 3 dargestellte sein, in der der Graph die digitalen Werte Vn der Abtastungen, die in dem gleitenden Fenster erscheinen, als Funktion der Zeit darstellt.
Das in der Pufferschaltung 4 gespeicherte Signal wird anschließend in einem Kalkulator 5 verarbeitet. Dieser extrahiert die Abtastwerte der Pufferschaltung 4 in Gruppen, die jeweils aus einer vorgegebenen Anzahl n von Abtastwerten bestehen, wobei jedes gleitende Fenster k Gruppen von n Abtastwerten enthält. Im beschriebenen Bespiel enthält jede Gruppe k 2048 Abtastwerte, die über eine Gesamtdauer von 0,2 Sekunden entnommen wurden.
Der Kalkulator 5 ist in 4 ausführlicher dargestellt. Er führt die statistische Analyse jeder Gruppe von Abtastwerten durch, um eine spektrale Dichte als Funktion der Frequenz zu bilden. Wie im Folgenden deutlich wird, ist diese spektrale Dichte repräsentativ für die Strahlungsfluktuationen der Flamme und erlaubt es, durch den Vergleich mit den Standardsignalen der spektralen Dichte als Funktion der Frequenz zwei Signaltypen zu erzeugen. Einer dieser Signaltypen ist ein 0- oder 1-Signal, das am Ausgang 6 (1) des Kalkulators 5 erscheint und an eine Warnschaltung 7 weitergegeben wird. Das Signal am Ausgang 6 stellt qualitativ den Betriebszustand des Brenners B dar. Beispielsweise kann einer seiner Pegel eine korrekte Funktionsweise und ein anderer eine beeinträchtigte Funktionsweise des Brenners anzeigen, die einen Eingriff durch einen Wartungstechniker erforderlich macht.
Der Kalkulator 5 ist ebenfalls in der Lage, an einem Ausgang 8 mindestens ein Parameterkorrektursignal zu erzeugen, das es erlaubt, über eine Einheit 9 zur Verstärkung und Anpassung mindestens einen der Aktoren A1 bis An anzusteuern, um mindestens einen der oben genannten Betriebsparameter des Brenners B quantitativ neu einstellen zu können.
In der 1 ist ebenfalls zu sehen, dass der Kalkulator 5 an zwei Tabellen 10 und 11 angeschlossen ist, in denen, als Funktion eines Werts, der die Last des Brenners B darstellt, im Folgenden zu beschreibende Wertesätze gespeichert sind, mithilfe derer der Kalkulator 5 die Berechnungen durchführen kann, die für die Erzeugung der Signale an Ausgang 6 und 8 erforderlich sind.
Der Kalkulator 5 (4) beinhaltet einen Wandler 12, der es erlaubt, jede Gruppe k von n Abtastwerten, die als Funktion der Zeit (x_k(t)) ausgedrückt werden, in eine Gruppe von n Abtastwerten umzuwandeln, die als Funktion der Frequenz (x_k(f)) ausgedrückt werden. Diese Umwandlung kann mithilfe verschiedener bekannter Verfahren erfolgen, wobei das bevorzugte Verfahren die Berechnung der Fourier-Transformierten jeder Gruppe von Abtastwerten ist. Alternativ kann man die Gruppe der Abtastwerte auch einer Berechnung der Wellentransformierten unterziehen.
Der Ausgang der Pufferschaltung 4 ist an eine Gruppe von n Eingängen 12a des Wandlers 12 angeschlossen, der an eine Gruppe von n Ausgängen 12b komplexe Koordinaten der Fourier-Transformierten mit einer Frequenzverteilung liefert. Die grafische Darstellung des Betrags der Fourier-Transformierten wird „Periodogramm" oder „spektrale Dichte der Leistung" genannt, und sie stellt eine eindeutige Repräsentation der Strahlungscharakteristika der Flamme des Brenners B dar.
Der Betrag wird in einer Quadrierungsschaltung 13 erhalten, die die Quadrate der rellen und imaginären Anteile der Funktion X_k(f) aufsummiert. Diese Operation wird n-mal durchgeführt, wobei n im betrachteten Fall 2048 lautet.
Die Signale, die aus der Quadrierungsschaltung 13 ausgegeben werden, werden an eine Schaltungsanordnung 14 zur Mittelwertberechnung weitergegeben. Diese Schaltungsanordnung 14 ist zur Berechnung des statistischen Mittelwerts der Frequenzen vorgesehen, die in einer bestimmten Anzahl m der Signalbereiche vorkommen, die vom Block 13 ausgegeben werden.
Der Maßstab dieser Frequenzbereiche ist vorzugsweise logarithmisch, um in der statistischen Berechnung, die anschließend durchgeführt wird, über die gleiche Präzision für die hohen und niedrigen Frequenzen verfügen zu können. Vorzugsweise stellt dieser Maßstab eine dyadische Progression dar.
In einem Ausführungsbeispiel, in dem ein Frequenzbereich berücksichtigt wurde, dessen maximale Frequenz 1.250 Hz beträgt, werden die Frequenzbereiche als Funktion von m gemäß der folgenden Tabelle bestimmt:
In diesem Fall ist eine Abtastfrequenz von mindestens 2.500 Hz erforderlich. Um das Signal-/Rauschverhältnis zu erhöhen, ist vorzugsweise eine höhere Abtastfrequenz zu verwenden, wobei ein Wert von 10 kHz angemessen ist. Bei einer solchen Abtastfrequenz wäre die Mindestfrequenz der Fourier-Transformierten 10.000/2(N·1)= 2,44 Hz.
Um für jeden der m Frequenzbereiche den Mittelwert bilden zu können, besteht die Anordnung aus sieben Schaltungen zur Berechnung des Mittelwerts 14a bis 14g, deren Eingänge gemäß der oben aufgeführten Tabelle aufgeteilt sind. Es hat sich erwiesen, dass diese Anzahl der bearbeiteten Frequenzbereiche eine ausreichende Auflösung bietet, um eine zuverlässige Signatur des Brenners B zu erstellen.
5 stellt für das praktische Beispiel in der oben aufgeführten Tabelle als Funktion der Frequenz die Signale dar, die an den Ein- und Ausgängen der Schaltungen zur Berechnung 14a bis 14g vorliegen können, wobei die Kurve [X_k]² die Umhüllende der Abtastfrequenzen am Eingang ist und die als Strichlinie dargestellte Kurve Y_m die Stufen der Mittelwerte der sieben Frequenzbereiche der Schaltungen 14a bis 14g darstellt. Die Kurve Y_m wird „Online-Signatur" des betreffenden Brenners B genannt.
Man sieht, dass jede Schaltung zur Berechnung des Mittelwerts 14a bis 14g auf diese Weise einen Mittelwert für die betrachteten Frequenzbereiche erzeugt. Die sieben Werte (aus denen die Online-Signatur besteht) werden in den nachgeschalteten Einheiten des Kalkulators 5 parallel verarbeitetet und zirkulieren gleichzeitig durch mehrere Leitungen, wobei die schematische Darstellung in 4 die sieben Leitungen jeweils durch eine einzelne Linie symbolisiert, die im Folgenden als „Kanal" bezeichnet wird.
Die Mittelwerte Y_m können durch ihren Logarithmus oder durch jede andere monotone Funktion in einer Schaltung für logarithmische Konvertierung 15 transformiert werden, die im Anschluss auf die Schaltungen zur Mittelwertberechnung 14 folgt. Wenn man ihren Logarithmus berechnet, kann man die Empfindlichkeit der Messung im Bereich der hohen Frequenzen im Vergleich zu den niedrigen Frequenzen steigern. Die von der Schaltung 15 durchgeführte Operation ist nicht erforderlich, wenn man die Wellentransformierte verwendet, die bereits einen Maßstab logarithmischer Frequenzen bietet.
Der Kalkulator 5 beinhaltet ebenfalls Mittel, um, ausgehend von den Mittelwerten, die Einzelwerte für jeden Abschnitt des untersuchten Zeitfensters sind, nacheinander den allgemeinen Mittelwert für alle N Abschnitte des untersuchten Zeitfensters zu bilden und dies für jeden Kanal. Diese Bildung des allgemeinen Mittelwerts erfolgt durch eine Filterschaltung 16, die folgenden Ausdruck umsetzt:
in dem μ_m der allgemeine Mittelwert des betrachteten Kanals, N die Anzahl der Abschnitte, m die Nummer des Frequenzbereichs und i der fortlaufende Index ist.
Der Kalkulator 5 enthält ebenfalls Mittel, um für jeden Kanal die Standardabweichung der einzelnen Mittelwerte zu berechnen, die nacheinander von den Schaltungen 14a bis 14g oder von der Schaltung 15 gemäß dem folgenden Ausdruck ausgegeben werden:
in dem σ 2 / m die Abweichung ist.
Zu diesem Zweck ist der Kalkulator mit einer Quadrierungsschaltung 17 zur Berechnung des Wertes Z 2 / m ausgerüstet, wobei das Ergebnis in einem Tiefpass 18 verarbeitet wird. Der Ausgang des Letzteren wird Kanal für Kanal an Addierwerke 19 (eines für jeden Kanal) weitergegeben, deren anderer Eingang den quadrierten Wert der allgemeinen Mittelwerte μ_m erhält, die von der Quadrierungsschaltung 20 ausgegeben werden.
Wie bereits oben kurz erwähnt wurde, gehört zu dem Verfahren der Erfindung auch das Korrelieren der Ergebnisse der statistischen Berechnungen über die Online-Signatur des Brenners B mit den Ergebnissen der statistischen Berechnungen, die über mehrere Signaturen des Brenners B, die unter Standardversuchsbedingungen erhalten wurden, durchgeführt wurden. Diese Signatur/en wird/werden im Folgenden „Standard-Signaturen" genannt. Sie werden für verschiedene Wärmelasten des Brenners gebildet.
Die Standardsignaturen können auf verschiedene Weisen gemessen werden, je nachdem, ob es sich bei dem Brenner B um ein Serienprodukt (beispielsweise einen Brenner für eine Zentralheizung) mit einer Leistung unter etwa 300 kW oder um einen Brenner einer großen thermischen Anlage (beispielsweise eines Wärmkraftwerks) mit einer größeren Leistung als diesem Wert handelt. Im ersten Fall können die Signaturen im Werk an einem Exemplar der Serie abgenommen und auf alle anderen Brenner der gleichen Serie angewandt werden. Im Allgemeinen ist es bei dieser Art von Brennern nicht erforderlich, über eine Reihe von Signaturen in Abhängigkeit von der Wärmelast zu verfügen, eine Ablesung bei einer Last von 100 % und von 50 % hat sich in der Regel als ausreichend erwiesen.
Im zweiten Fall können die Signaturen vor Ort während der Inbetriebnahmearbeiten der thermischen Anlage abgenommen werden. Es kann daher vorteilhaft sein, über eine größere Zahl von Standardsignaturen in Abhängigkeit der Last, beispielsweise für eine Reihe von Leistungen von 10 % bis 100 % in Abständen von 10 % oder sogar weniger, zu verfügen.
Während dieser Ablesungen und in beiden Fällen kann ebenfalls eine Korrelation der Standardsignaturen mit den Konzentrationen der verschiedenen Gaskomponenten der Verbrennungsprodukte wie z.B. O2, CO und NOx durch eine Änderung der Regelungen des Brenners erfolgen, die auf die Menge der Primär- oder Sekundärluft, die Menge des zugeführten Brennstoffs usw. einwirkt.
Die Standardsignaturen, die auf die gleiche Weise wie oben für die Online-Signaturen beschrieben erhalten werden, werden den gleichen statistischen Berechnungen unterzogen und führen somit zur Erstellung einer Charakteristika-Tabelle, die im Speicher 11 gespeichert wird und einerseits in Abhängigkeit von verschiedenen Lasten aus den sieben allgemeinen Referenzmittelwerten μ_ref und andererseits aus den sieben Werten der Referenzabweichung σ 2 / ref besteht. In 4 werden die beiden Abschnitte der Charakteristika-Tabelle 11 jeweils durch die Schaltungen 11a und 11b angegeben.
Die relevanten Werte des Abschnitts der Tabelle 11a, die mit einem Minuszeichen versehen sind, werden Kanal für Kanal in den Addierwerken 21 zu den allgemeinen Mittelwerten μ_m der online abgenommenen Signatur addiert, um Vergleichsmittelwerte μ zu bilden, wobei μ = μ_m· μ_ref.
Auf vergleichbare Weise werden die Werte der Abweichung σ 2 / m Kanal für Kanal in den Addierwerken 22 zu den Referenzabweichungen σ 2 / ref addiert, um eine Vergleichsabweichung σ² zu bilden, wobei σ²= σ 2 / ref+ σ 2 / m.
Die Vergleichsabweichungssignale σ² der sieben Kanäle werden an zwei Schaltungen zum Wurzelziehen 23 und 24 weitergegeben, die die Standardabweichungen σ parallel für jeden Kanal berechnen. Die entsprechenden Werte werden anschließend in den jeweiligen Multiplikatoren 25 und 26 mit einem Plausibilisierungsfaktor + α bzw. –α der beispielsweise gleich 3 ist, multipliziert, um ein beidseitiges „Plausibilisierungsintervall" für jeden Vergleichsmittelwert zu bilden. Der Plausibilisierungsfaktor wird vorzugsweise zwischen 1 und 4 gewählt. Wenn er gleich drei ist, beträgt der Plausibilisierungsgrad 99,7 %.
Um den Begriff „Plausibilisierungsintervall" darzustellen, zeigt 6 ein Beispiel einer Kurve (hier als durchgehende Linie), die den allgemeinen Mittelwert μ_m als Funktion der Frequenz (Linie A) darstellt, wobei oberhalb und unterhalb dieser Kurve die Entwicklung der beiden Grenzkurven B und C des Wertes μ_m =± α.σ auch als Funktion der Frequenz dargestellt wurde. Für einen bestimmten Frequenzbereich fx beispielsweise ist das Plausibilisierungsintervall hier gleich 2.α.σ, wobei σ die Standardabweichung des betreffenden Frequenzbereichs fx ist. Wohlgemerkt dürften die Kurven A, B und C in diesem Beispiel jeweils nicht mehr als sieben Werte enthalten. Außerdem werden in dem so beschriebenen Kalkulator 5 die Werte, die das Plausibilisierungsintervall definieren, nicht mit den allgemeinen Mittelwerten verknüpft, sondern mit den Vergleichsmittelwerten.
Tatsächlich werden, wie man in 4 sieht, die Ausgänge der Multiplikatoren 25 und 26 Kanal für Kanal in den Addierwerken 27 und 28 zu den Vergleichsmittelwerten μ dieser Kanäle addiert.
In 7 wird mithilfe einer durchgehenden Linie der Vergleichsmittelwert sowie das damit verbundene Plausibilisierungsintervall für den gesamten Frequenzbereich dargestellt.
Die Summenwerte, die von den Addierwerken 27 und 28 ausgegeben werden, werden jeweils an die Komparatoren 29 und 30 weitergegeben, wobei der Komparator 29 einen wahren Ausgang auf dem betreffenden Kanal bereitstellt, wenn der Summenwert, der an ihm anliegt für diesen Kanal größer als 0 ist. Der Komparator 30 liefert für jeden Kanal einen wahren Ausgang, wenn der Summenwert, der vom Addierwerk 28 kommt, kleiner als 0 ist.
Die Ausgänge der Komparatoren 29 und 30 werden in einer logischen Schaltung 31 logisch verknüpft, die Kanal für Kanal eine logische UND-Operation für diese Ausgänge durchführt. Die Ausgänge dieser logischen Schaltung 31 werden jeweils für einen Kanal an eine zweite logische Schaltung 32 angelegt, die eine UND-Funktion für diese Ausgänge durchführt und ihrerseits das Ausgangssignal 6 des Kalkulators 5 liefert. Letzterer ist also wahr, wenn der Vergleichsmittelwert für alle Kanäle des Kalkulators 5 gleichzeitig innerhalb der Grenzen des Plausibilisierungsintervalls bleibt, oder anders gesagt, wenn die Abweichung zwischen der Online-Signatur und der Referenzsignatur innerhalb der Grenzen bleibt, die durch das Plausibilisierungsintervall definiert sind. Im umgekehrten Fall, wenn mindestens einer der Kanäle eine Abweichung aufweist, die über das Plausibilisierungsintervall hinausgeht, wird der Ausgang 6 eine Funktionsstörung des Brenners B anzeigen, die dann beispielsweise durch eine Wartungsmaßnahme korrigiert werden sollte. Die Störung kann durch die Warneinheit 7 angezeigt werden.
Gemäß einer alternativen Analyse des Signals, das von den Addierwerken 27 und 28 ausgegeben wird, eine Abwandlung, die in der Zeichnung nicht dargestellt wird, kann man zwischen verschiedenen Zuständen des Brenners unterscheiden, die einem Zuverlässigkeitsgrad für den Betrieb des Brenners entsprechen.
Zu diesem Zweck kann man verschiedene Werte des Faktors a verwenden, die es erlauben, zu berechnen, ob die Differenz Δ, die das Addierwerk 21 ausgibt, z.B. einem der folgenden Zuverlässigkeitskriterien für den Betrieb entspricht, mittels derer ein entsprechendes Signal an die Bedienperson gegeben werden kann:

|Δ_m| < 2 σ Betrieb „OK"

2 σ < Δ_m < 3 σ Vorwarnung

|Δ_m|>3σ Alarm
In der Tabelle 10 sind verschiedene Korrelationskoeffizienten λ gespeichert, die für jeden Kanal des Kalkulators 5 den Mittelwert der spektralen Leistung P dieses Kanals, der während der Bestimmung der Standardsignatur erhalten wurde, mit der Art der Gaskomponente verknüpft, die in den Verbrennungsgasen gemessen wird. Die Tabelle enthält ebenfalls einen Wert γ, der den Ausgangskoeffizienten der Korrelationskurve der betreffenden Gaskomponente darstellt.
Mithilfe der Werte, die in der Tabelle 10 gespeichert sind, und der allgemeinen Mittelwerte, die für jeden Kanal online berechnet werden, ist es so möglich, den Anteil T der Gaskomponente im Verbrennungsgas mithilfe des folgenden Ausdrucks zu bestimmen, wobei in Bezug auf die Frequenzbereiche der Kanäle angenommen wird, dass sie denen der oben stehenden Tabelle entsprechen: T = λ 1P1 + λ 2 λ P2 + λ 3P3 + λ 4P4 + λ 5P5 + λ 6P6 + λ 7P7 + γDieser Ausdruck wird im Kalkulator 5 mithilfe je eines Multiplikators 33 pro Kanal und mit einem einzelnen Addierwerk 34 umgesetzt, wobei an den Multiplikatoren 33 die jeweiligen Ausgänge des Tiefpasses 16 und die jeweiligen Werte von λ, die sich im Speicher 10 befinden, anliegen. Das Addierwerk 34 ist mit dem Ausgang aller Multiplikatoren 33 und dem Ausgang, der dem Wert γ der Tabelle 10 entspricht, verbunden. Der Ausgang des Addierwerks 34 ist der Ausgang 8 des Kalkulators 5.
Ähnliche Korrelationsmittel können für jede Komponente des Verbrennungsgases, die geregelt werden soll, vorgesehen werden, wobei die allgemeinen Mittelwerte für jede entsprechende Anordnung von Korrelationsmitteln gleichzeitig übertragen werden können.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Funktionen, die vom Kalkulator 5 übernommen werden, auch von einer Software, die sich in einem Mikroprozessor befindet, durchgeführt werden können.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Brenners (B), der einen Brennstoff verwendet, welcher durch Kontakt mit einem Brenngas eine thermische Energie erzeugende Flamme (F) aufrecht zu erhalten erlaubt, wobei dieses Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) man erzeugt ein Strahlungssignal (V_a), das die Leistung der von der Flamme abgegebenen Strahlung darstellt; b) man wandelt das Strahlungssignal in der Weise um, dass hieraus das Frequenzspektrum (X_k(f)) gebildet wird; c) man bildet eine Korrelation zwischen mindestens einem Betriebsparameter des Brenners und mindestens einem für das Frequenzspektrum (X_k(f)) charakteristischen Parameter; d) man wirkt auf den Betrieb des Brenners (B) in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Korrelation ein, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass e) das Frequenzsspektrum (X_k(f)) für ein in Abhängigkeit von der Zeit (t) gleitendes Fenster gebildet wird; f) man eine Anzahl von Frequenzbereichen ausgehend von einem vorgegebenen Maßstab von m Frequenzen bestimmt, die niedriger als die maximale Frequenz des Frequenzspektrums sind; g) man einzeln für jeden Frequenzbereich das Frequenzspektrum (X_k(f)) einer statistischen Untersuchung der Frequenzverteilung (Y_m) unterzieht, und h) man auf den Betrieb des Brenners (B) in Abhängigkeit von der statistischen Verteilung (Y_m), die für die Anzahl der Frequenzbereiche erhalten wurde, einwirkt.
Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ein erstes Mal unter Standardmessbedingungen an mindestens einem Brenner (B) eines bestimmten Typs durchgeführt wird, um eine Standardfrequenzverteilung zu erhalten, die für diesen Brennertyp charakteristisch ist, dass man dann im Verlauf des Gebrauchs dieses Brenners oder eines anderen Brenners des gleichen Typs einen Vergleich zwischen der Standardverteilung und der on-line erhaltenen Verteilung durchführt, und dass man das Ergebnis dieses Vergleichs verwendet, um auf den Betrieb des benutzten Brenners (B) einzuwirken.
Regelverfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gleitende Fenster in Zeitabschnitte (k) gleicher Dauer unterteilt wird und die statistische Untersuchung der Verteilung nacheinander über jedem der Zeitabschnitte (k) durchgeführt wird.
Regelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Maßstab der Frequenzbereiche (m) logarithmisch, vorzugsweise mit dyadischer Progression, ist.
Regelverfahren nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die statistische Untersuchung darin besteht, den allgemeinen Mittelwert (μ) der Mittelwerte (μm), die ausgehend von den Frequenzbändern des besagten Zeitfensters gebildet wurden, zu berechnen und die Standardabweichung (σ) sämtlicher Mittelwerte über dem Zeitfenster zu bestimmen.
Regelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzspektrum (X_k(f)) gebildet wird, indem die Fourier-Transformation des Strahlungssignals (V_a) berechnet wird.
Regelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzspektrum gebildet wird, indem die Wellentransformierte des Strahlungssignals berechnet wird.
Regelverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7 in Abhängigkeit von Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die allgemeinen Mittelwerte (μ) und die Standardabweichungen (σ), die für jedes der Frequenzbänder (m) der Standardverteilung berechnet wurden, und die allgemeinen Mittelwerte (μ) und die Standardabweichungen (σ), die on-line berechnet wurden, für jedes der Frequenzbänder getrennt verglichen werden, und dass ein Warnsignal (6) erzeugt wird, wenn mindestens einer der Vergleiche eine Abweichung zwischen den verglichenen Werten ergibt.
Regelverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vertrauensintervall beidseitig zu den allgemeinen Mittelwerten (μ) der Standardverteilung gebildet wird und das Warnsignal (6) nur erzeugt wird, wenn das Ergebnis mindestens eines der Vergleiche aus dem Vertrauensintervall herausfällt.
Regelverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Vertrauensintervall gleich dem 1- bis 4-fachen der Standardabweichung beidseitig zu den allgemeinen Mittelwerten (μ) ist.
Regelverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Werte des Vertrauensintervalls gebildet werden und die Vergleiche für jeden dieser Werte durchgeführt werden, um Warnsignale zu erzeugen, die mit einem Vertrauenskriterium für den Betrieb des Brenners (B) verknüpft sind.
Regelverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, ausgehend von der Standardverteilung Korrelationskoeffizienten (λ_i) einer Korrelation zwischen den berechneten allgemeinen Mittelwerten und dem Anteil einer in den Verbrennungsprodukten des Brenners (B) vorhandenen vorgegebenen Gaskomponente zu bestimmen und diese Korrelationskoeffizienten mit den berechneten allgemeinen Mittelwerten der on-line gebildeten Verteilung zu verknüpfen und ein die Gaskomponente darstellendes Signal (8) zu erzeugen, um diese Gaskomponente in den Verbrennungsprodukten des betreffenden Brenners einzustellen.