EP1300632B1 - Gasbrenner mit einer Flammenüberwachung - Google Patents

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EP1300632B1
EP1300632B1 EP20020022403 EP02022403A EP1300632B1 EP 1300632 B1 EP1300632 B1 EP 1300632B1 EP 20020022403 EP20020022403 EP 20020022403 EP 02022403 A EP02022403 A EP 02022403A EP 1300632 B1 EP1300632 B1 EP 1300632B1
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EP
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gas burner
microcontroller
gas
flame
amplification factor
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Herbert Rehfuss
Reinhold Pfotzer
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Robert Bosch GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/725—Protection against flame failure by using flame detection devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/12—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods
    • F23N5/123—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods using electronic means

Definitions

  • the invention relates to a gas burner with a flame monitoring of a series connection of ionization electrode, flame and supply voltage, wherein the ionization protrudes into the flame, the flame monitoring emits a lonisationsstrom for characterizing the operation of the gas burner and the gas supply via a gas fitting is adjustable.
  • a gas burner is off DE 195 39 568 C1 known.
  • ionization electrodes are used for flame monitoring, which are usually rod-shaped and are fixed in the combustion chamber, that they protrude with its tip in the flame area. During operation of the burner, the flame completes the monitoring series circuit so that an ionization current flows.
  • the ionization current is selected in the control electronics of the device and fed without processing as an input signal to the control logic.
  • the control logic only determines if a current is flowing or not flowing.
  • the ionization electrode Since the ionization electrode is constantly in the flame area during operation, it shows severe signs of wear. On the one hand, a transverse density is formed on the surface, which acts as an electrical insulator and greatly reduces the ionization current. On the other hand, the erosion of the electrode material leads to a reduction in the area lying in the flame area and thus also to reduce the ionisationsstromes. If the wear reaches a certain stage, the ionization current can no longer be reliably evaluated. The control electronics no longer receives any indication of the presence of the flame and puts the device out of operation.
  • the ionization current can be supplied as a measurement signal to a signal conditioning unit with adjustable amplification factor and can be forwarded to a microcontroller such that the microcontactor in dependence on the time reduction of the ionization current during the operating time the amplification factor of the signal processing unit to reliably respond to the flame monitoring increased accordingly and that at a predetermined maximum gain of the microcontroller triggers a display error signal.
  • the signal conditioning unit with the adjustable amplification factor is changed with the aid of the microcontroller so that the attenuating ionization current can be reliably evaluated and forwarded as a control signal to the control logic.
  • the operating time is also increased, but it is ensured that, given a given maximum wear of the ionization electrode, a display error signal is derived indicating the necessary maintenance of the ionization electrode.
  • the display error signal is to be understood as customer service request for the customer.
  • Such flame monitoring has several advantages. Not only is the reliability of flame monitoring increased, the probable failure time of the ionization electrode is determinable. Due to the timely customer service request, a failure of the burner and the system operated therewith can be prevented. The availability of the system is increased and the maintenance intervals for the ionization electrode are based on the actual state of wear of the ionization electrode.
  • the microcontroller has a predetermined maximum amplification factor for the signal conditioning device the gas valve supplies a control signal for an emergency operation with increased gas supply.
  • the signal conditioning unit has a measuring direction and an amplifier which can be set in the amplification factor.
  • a control logic of the device operated by the gas burner which can be supplied via the signal conditioning unit and the microcontroller changed measurement signal, then the control of the device operated by the gas burner without influence of the closure state of the ionization remains.
  • a gas burner 10 encloses a combustion chamber with a housing, to which a gas volume flow 15 can be supplied via a gas fitting 13.
  • the gas volume flow 15 is treated with an air flow 14 to a gas-air mixture, which is supplied to the burner 10 as combustion gas.
  • Flames 11 are formed in the combustion chamber during combustion.
  • An ionization electrode 12 mounted in the combustion chamber projects into the flame region with the tip and into the flame 11 during operation of the burner 10.
  • the ionisation electrode 12 forms a monitoring series connection with the flame 11 and a supply voltage in which a ionisationsstrom flows.
  • the flame 11 can be considered in this series circuit as a diode with resistance. Due to the signs of wear the ionization electrode 12 also changes its resistance during the operating time of the gas burner 10. The consequence of this is that as the operating time increases, the ionization current in the monitoring series circuit decreases more and more.
  • the ionization current is supplied as a measurement signal to a signal conditioning unit 21, which has a measuring device and an amplifier which can be set in the amplification factor.
  • the signal conditioning unit 21 cooperates with a microcontroller 22 in such a way that the amplification factor of the amplifier in the signal conditioning unit 21 is correspondingly increased as a function of the time reduction of the ionization current in such a way that a reliable evaluation of the flame monitoring is achieved, ie, that from the microcontroller 22 to approximately indicates the same control signal 23 for the gas valve 13, which is no longer affected by the decreasing ionisationsstrom and a safe evaluation - operation or non-operation of the gas burner 10 - guaranteed.
  • a maximum allowable gain factor is given. If this is achieved, then this is a characteristic that the state of wear of the ionization electrode 12 has reached a critical value.
  • the microcontroller 22 derives therefrom a display error signal 24 which indicates to the customer that maintenance of the ionization electrode 12 is appropriate. For further unimpeded emergency operation of the gas burner 10, however, the gas supply 15 via the gas fitting 13 is increased via increased control signal 23.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Gasbrenner mit einer Flammenüberwachung aus einer Reihenschaltung von lonisationselektrode, Flamme und Versorgungsspannung, wobei die lonisationselektrode in die Flamme ragt, die Flammenüberwachung einen lonisationsstrom zur Kennzeichnung des Betriebes des Gasbrenners abgibt und die Gaszufuhr über eine Gasarmatur einstellbar ist. Ein derartiger Gasbrenner ist aus DE 195 39 568 C1 bekannt.
  • Bei Gasbrennern werden lonisationselektroden zur Flammenüberwachung eingesetzt, die meist stabförmig ausgebildet sind und so im Brennraum befestigt sind, dass sie mit ihrer Spitze in den Flammenbereich ragen. Beim Betrieb des Brenners vervollständigt die Flamme die Überwachungs-Reihenschaltung so, dass ein lonisationsstrom fließt. Der lonisationsstrom wird in der Steuerelektronik des Gerätes selektiert und ohne Aufbereitung als Eingangssignal der Steuerlogik zugeführt. Die Steuerlogik stellt nur fest, ob ein Strom fließt oder nicht fließt.
  • Da sich die lonisationselektrode während des Betriebs dauernd in den Flammenbereich befindet, zeigt sie starke Verschleißerscheinungen. Zum einen bildet sich auf der Oberfläche eine Querdichte aus, die als elektrischer Isolator wirkt und den lonisationsstrom stark verringert. Zum anderen führt der Abbrand des Elektrodenmaterials zu einer Verkleinerung der im Flammenbereich liegenden Oberfläche und damit ebenfalls zur Verringerung des lonisationsstromes. Erreicht der Verschleiß ein bestimmtes Stadium, dann kann der lonisationsstrom nicht mehr sicher ausgewertet werden. Die Steuerelektronik erhält kein Kennzeichen des Vorhandenseins der Flamme mehr und setzt das Gerät außer Betrieb.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei einem Gasbrenner der eingangs erwähnten Art die verschleißbedingte Abschwächung des lonisationssignals so auszugleichen, dass zeitlich länger eine sichere Auswertung des lonisationsstromes gewährleistet ist.
  • Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass der lonisationsstrom als Mess-Signal einer Signalaufbereitungseinheit mit einstellbarem Verstärkungsfaktor zuführbar und an einen Mikrocontroller weiterleitbar ist, dass der Mikrocontroiier in Abhängigkeit von der zeitlichen Abnahme des lonisationsstromes während der Betriebsdauer den Verstärkungsfaktor der Signalverarbeitungseinheit zum sicheren Ansprechen der Flammenüberwachung entsprechend erhöht und dass bei einem vorgegebenen, maximalen Verstärkungsfaktor der Mikrocontroller ein Anzeige-Fehlersignal auslöst.
  • Die Signalaufbereitungseinheit mit dem verstellbaren Verstärkungsfaktor wird mit Hilfe des Mikrocontrollers so verändert, dass der sich abschwächende lonisationsstrom sicher ausgewertet und als Steuersignal an die Steuerlogik weitergeleitet werden kann. Gibt man einen maximalen Verstärkungsfaktor für den Mikrocontroller vor, dann wird die Betriebsdauer auch verlängert, aber sichergestellt, dass bei einem vorgegebenen, maximalen Verschleiß der lonisationselektrode ein Anzeige-Fehlersignal abgeleitet, das auf die notwendige Wartung der lonisationselektrode hinweist. Das Anzeige-Fehlersignal ist als Kundendienst-Anforderung für den Kunden zu verstehen.
  • Eine derartige Flammenüberwachung hat verschiedene Vorteile. Es wird nicht nur die Zuverlässigkeit der Flammenüberwachung erhöht, der wahrscheinliche Ausfallzeitpunkt der lonisationselektrode ist bestimmbar. Durch die rechtzeitige Kundendienst-Anforderung kann ein Ausfall des Brenners und der damit betriebenen Anlage verhindert werden. Die Verfügbarkeit der Anlage wird erhöht und die Wartungsintervalle für die lonisationselektrode orientieren sich am tatsächlichen Verschleißzustand der lonisationselektrode.
  • Aus Sicherheitsgründen kann zur Verhinderung der endgültigen Abschaltung der Anlage beim Auftreten des Anzeige-Fehiersignais vorgesehen sein, dass der Mikrocontroller bei vorgegebenem, maximalem Verstärkungsfaktor für die Signalaufbereitungseinrichtung der Gasarmatur ein Stellsignal für einen Notbetrieb mit erhöhter Gaszufuhr zuführt.
  • Die Signalaufbereitungseinheit weist eine Messrichtung und einen im Verstärkungsfaktor einstellbaren Verstärker auf.
  • Ist nach einer Ausgestaltung weiterhin vorgesehen, dass einer Steuerlogik des vom Gasbrenner bedienten Gerätes, das über die Signalaufbereitungseinheit und den Mikrocontroller veränderte Mess-Signal zuführbar ist, dann bleibt die Steuerung des vom Gasbrenner bedienten Gerätes ohne Einfluss von dem Verschlusszustand der lonisationselektrode.
  • Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung als Blockschaltbild dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Ein Gasbrenner 10 umschließt mit einem Gehäuse eine Brennkammer, der über eine Gasarmatur 13 ein Gas-Volumenstrom 15 zuführbar ist. Der Gas-Volumenstrom 15 wird mit einem Luftstrom 14 zu einem Gas-Luftgemisch aufbereitet, das dem Brenner 10 als Verbrennungsgas zugeführt wird. Bei der Verbrennung bilden sich im Brennraum Flammen 11. Eine in der Brennkammer befestigte lonisationselektrode 12 ragt mit der Spitze in den Flammenbereich und beim Betrieb des Brenners 10 in die Flamme 11. Die lonisationselektrode 12 bildet mit der Flamme 11 und einer Versorgungsspannung eine Überwachungs-Reihenschaltung, in der ein ionisationsstrom fließt. Die Flamme 11 kann in dieser Reihenschaltung als Diode mit Widerstand betrachtet werden. Aufgrund der Verschleißerscheinungen der lonisationselektrode 12 ändert sich während der Betriebsdauer des Gasbrenners 10 auch deren Widerstand. Die Folge davon ist, dass mit zunehmender Betriebsdauer der lonisationsstrom in der Überwachungs-Reihenschaltung mehr und mehr abnimmt.
  • Der lonisationsstrom wird als Mess-Signal einer Signalaufbereitungseinheit 21 zugeführt, die eine Messeinrichtung und einen im Verstärkungsfaktor einstellbaren Verstärker aufweist. Die Signalaufbereitungseinheit 21 arbeitet mit einem Mikrocontroller 22 so zusammen, dass der Verstärkungsfaktor des Verstärkers in der Signalaufbereitungseinheit 21 in Abhängigkeit der zeitlichen Abnahme des lonisationsstromes entsprechend so erhöht wird, dass eine sichere Auswertung der Flammenüberwachung erreicht ist, d.h., die vom Mikrocontroller 22 an ein annähernd gleiches Stellsignal 23 für die Gasarmatur 13 angibt, das vom abnehmenden lonisationsstrom nicht mehr beeinflusst wird und eine sichere Auswertung - Betrieb oder Nichtbetrieb des Gasbrenners 10 - garantiert.
  • In dem Mikrocontroller 22 ist ein maximal zulässiger Verstärkungsfaktor vorgegeben. Wird dieser erreicht, dann ist dies ein Kennzeichen dafür, dass der Verschleißzustand der lonisationselektrode 12 einen kritischen Wert erreicht hat. Der Mikrocontroller 22 leitet daraus ein Anzeige-Fehlersignal 24 ab, das dem Kunden anzeigt, das eine Wartung der lonisationselektrode 12 angebracht ist. Zum weiteren ungehinderten Notbetrieb des Gasbrenners 10 wird jedoch über erhöhtes Stellsignal 23 auch die Gaszufuhr 15 über die Gasarmatur 13 erhöht.

Claims (4)

  1. Gasbrenner mit einer Flammenüberwachung aus einer Reihenschaltung von lonisationselektrode (12), Flamme und Versorgungsspannung, wobei die lonisationselektrode in die Flamme ragt, die Flammenüberwachung einen lonisationsstrom zur Kennzeichnung des Betriebes des Gasbrenners abgibt und die Gaszufuhr über eine Gasarmatur (13) einstellbar ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der lonisationsstrom als Mess-Signal einer Signalaufbereitungseinheit (21) mit einstellbarem Verstärkungsfaktor zuführbar und an einen Mikrocontroller (22) weiterleitbar ist,
    dass der Mikrocontroller (22) in Abhängigkeit von der zeitlichen Abnahme des lonisationsstromes während der Betriebsdauer den Verstärkungsfaktor der Signalverarbeitungseinheit (21) zum sicheren Ansprechen der Flammenüberwachung entsprechend erhöht und
    dass bei einem vorgegebenen, maximalen Verstärkungsfaktor der Mikrocontroller (22) ein Anzeige-Fehlersignal (24) auslöst.
  2. Gasbrenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Mikrocontroller (22) bei vorgegebenem, maximalem Verstärkungsfaktor für die Signalaufbereitungseinrichtung (21) der Gasarmatur (13) ein Stellsignal (23) für einen Notbetrieb mit erhöhter Gaszufuhr (15) zuführt.
  3. Gasbrenner nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Signalaufbereitungseinheit (21) eine Messeinrichtung für den lonisationsstrom und einen im Verstärkungsfaktor einstellbaren Verstärker aufweist.
  4. Gasbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass einer Steuerlogik des vom Gasbrenner bedienten Gerätes das über die Signalaufbereitungseinheit (21) und den Mikrocontroller (22) veränderte Mess-Signal zuführbar ist.
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