EP1983264B1 - Flammenüberwachungsvorrichtung mit einer Spannungserzeugungs- und Messanordnung; Betriebsverfahren zur Vorrichtung - Google Patents

Flammenüberwachungsvorrichtung mit einer Spannungserzeugungs- und Messanordnung; Betriebsverfahren zur Vorrichtung Download PDF

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EP1983264B1
EP1983264B1 EP08002271.8A EP08002271A EP1983264B1 EP 1983264 B1 EP1983264 B1 EP 1983264B1 EP 08002271 A EP08002271 A EP 08002271A EP 1983264 B1 EP1983264 B1 EP 1983264B1
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EP
European Patent Office
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voltage
ionization
flame
flame monitoring
ignition
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EP1983264A2 (de
EP1983264A3 (de
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Martin Ries
Werner John
Fred Inacker
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Viessmann Werke GmbH and Co KG
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Viessmann Werke GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • F23N5/242—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2229/00—Flame sensors
    • F23N2229/12—Flame sensors with flame rectification current detecting means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2231/00—Fail safe
    • F23N2231/10—Fail safe for component failures

Definitions

  • the invention relates to a flame monitoring device with a voltage generating and measuring arrangement according to the preamble of claim 1 and a method for monitoring a burner by means of a flame monitoring device according to the preamble of claim 9.
  • a flame monitoring device is known with a voltage generating and measuring arrangement in which an air-gas ratio of a burner flame is controlled via an ionization electrode.
  • Ionization electrodes are often used to monitor a gas flame and use the rectifying property of the gas flame. For this purpose, an alternating voltage is applied to the ionization electrode and an ionization current is measured at the ionization electrode. If there is no flame or the flame is extinguished, the ionization current stops, so that the gas flow can be shut off to prevent a risk of unburned, outgoing gas.
  • a flame correction sensor with a pulsating excitation is shown.
  • a generator injects periodic pulses of alternating voltage into a flame region and the voltage across the flame region is processed through a filter / amplifier producing an output that is non-zero when a flame is present and the voltage is supplied by the generator.
  • It is an object to provide a circuit diagram with a redundant components fail-safe operation is possible.
  • the invention is in particular the object of a generic flame monitoring device or a method for operating such a flame monitoring device to provide, in which or which not only the flame but also the flame monitoring device itself can be monitored.
  • the invention relates to a flame monitoring device with a voltage generating and measuring arrangement, which comprises a voltage generating unit for generating an ignition voltage for operating an igniter of a burner and / or generating an ionization voltage of an ionization electrode for monitoring a flame of the burner and a measuring unit for measuring a through the Ionisationsweakened generated ionization. Furthermore, the flame monitoring device comprises a control unit for controlling the voltage generating unit and for evaluating the measured values of the measuring unit.
  • control unit is designed to detect at least one dynamic feedback of the voltage generating and measuring arrangement and to evaluate it for detecting a malfunction of an element of the voltage generating and measuring arrangement.
  • Safety-relevant components or assemblies of the voltage generating and measuring arrangement should be referred to as elements of the voltage generating and measuring arrangement.
  • the voltage generating unit, the ionization electrode, the ignition device and the measuring unit come into consideration as elements to be monitored.
  • the dynamic feedback of the voltage generating and measuring arrangement is used for monitoring the same, so that a reliability of a burner with a generic flame monitoring device can be significantly increased.
  • dynamic feedback is to be understood as meaning, in particular, a time-dependent signal having a continuous or quasi-continuous value range which is a parameter for a voltage or a current in the voltage generation and power supply Measuring arrangement forms.
  • the control unit which forms from the dynamic feedback a parameter for an actual applied ignition voltage, or that the dynamic feedback is such a characteristic.
  • the dynamic feedback may be directly proportional to the actual applied ignition voltage or may be a digital signal that encodes a measured ignition voltage.
  • a technically simple evaluation of the dynamic feedback can be made possible if the dynamic feedback is a pulse-width-modulated signal in which a duty cycle codes the actually applied ignition voltage.
  • the actual applied ignition voltage can be tapped by means of a voltage measuring arrangement on an ignition coil of the ignition device.
  • the dynamic feedback forms a parameter for an actually applied ionization voltage.
  • the ionization voltage can be monitored and measuring errors of the measuring unit, which are caused by an incorrectly determined ionization voltage, can be avoided.
  • the voltage generating unit comprises a variable voltage source for generating both the ignition voltage and the ionization voltage
  • the voltage generating unit comprises a variable voltage source for generating both the ignition voltage and the ionization voltage
  • both the monitoring of the ionization voltage and the monitoring of the ignition voltage can be carried out by a single voltage measuring arrangement.
  • control unit is designed to compare a measured value detected by the measuring unit with at least one predetermined upper or lower threshold value and to generate an error signal, if the reading exceeds the upper threshold or is less than the lower threshold.
  • the error signal can be used as a warning signal to a user and / or to generate an emergency shutdown of the burner.
  • control unit is designed to generate and measure an ignition voltage when the fuel supply is switched off in a test mode, the ignition voltage can be measured separately in reproducible conditions without disturbing influences of a burner flame.
  • control unit determines a firing rate when the fuel supply is switched off in a test mode.
  • control unit is designed to receive and process the dynamic feedback in the form of a pulse-width-modulated signal, the evaluation can be carried out by means of a simple low-pass filter and information loss during transmission can be largely avoided.
  • Quiet continuous operation can be achieved by a current regulator for generating a stable ionization voltage can be achieved.
  • control unit is designed to detect at least a first dynamic feedback of the voltage generating unit and a second dynamic feedback of the measuring unit and to use for detecting a malfunction of the voltage generating unit or the measuring unit.
  • the invention relates to a method for monitoring a burner by means of the described flame monitoring device, wherein the flame is monitored by means of an ionization current generated by an ionization electrode.
  • a dynamic response of the flame monitoring device is detected and a malfunction of at least one element of the flame monitoring device is detected as a function of the dynamic feedback.
  • FIG. 1 schematically shows a flame monitoring device for monitoring a burner 22 with a voltage generating and measuring arrangement 10.
  • the voltage generating and measuring arrangement 10 comprises a voltage generating unit 12 for generating an ignition voltage, which can be used to operate an ignition device 14 with a firing mass.
  • the voltage generating unit 12 serves to generate a Ionization voltage of an ionization electrode 16 for monitoring a flame 18 of the burner 22.
  • the voltage generating and measuring arrangement 10 comprises a measuring unit 20 for measuring an ionization current generated by the ionization voltage.
  • the ionization voltage is an AC voltage that drops across the flame 18 of the burner 22.
  • the flame 18 is a gas flame and has a rectifying property, since there are 18 carriers of different polarities in the flame, the mobility of which differs greatly.
  • the ionization current from or to the ionization electrode 16 flows predominantly during a half period of the ionization voltage, while the latter has a certain sign.
  • the ionization current also comes to a standstill, which can be measured by the measuring unit 20. If this happens, appropriate safety measures can be taken, for example, the gas supply can be switched off.
  • the evaluation of the signals of the measuring unit 20 and the control of the voltage generating unit 12 takes place in a control unit 24 of the flame monitoring device.
  • the control unit 24 controls the voltage generation unit 12 by means of a first, pulse-width-modulated control signal 26a, which is transmitted via a first signal line 28a from the control unit 24 to the voltage generation unit 12.
  • the control unit 24 transmits a second, pulse-width-modulated control signal 26b to the measuring unit 20 via a second signal line 28b.
  • the second control signal 26b is primarily used to specify a measuring frequency, but can also be used to control operating parameters of the measuring unit 20.
  • the control unit 24 receives a first dynamic feedback 30a from the voltage generating unit 12 of the voltage generating and measuring arrangement 10.
  • the control unit 24 receives a second dynamic feedback 30b from the measuring unit 20.
  • the first dynamic feedback 30a and the second dynamic feedback 30b are each pulse width modulated signals, wherein a duty cycle of the first dynamic feedback 30a and the second dynamic feedback 30b has a continuous range of values and is time-dependent.
  • the value of the duty cycle encodes a voltage actually generated in the voltage generating unit 12 or a voltage measured by the measuring unit 20 or an ionization current measured by the measuring unit 20.
  • the control unit 24 is designed to recognize a malfunction of an element or component of the voltage generating and measuring arrangement 10 from the first dynamic feedback 30a and the second dynamic feedback 30b and to evaluate the first dynamic feedback 30a and the second dynamic feedback 30b.
  • the duty cycle of the first dynamic feedback 30a is a parameter for an actual applied ignition voltage and the duty cycle of the second dynamic response 30b or of the second pulse width modulated signal is a parameter for an actual ionization voltage or for an actually flowing ionization current.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of the voltage generating unit 12 from FIG. 1 in a more detailed presentation.
  • the first pulse width modulated control signal 26a of the control unit 24 is applied, which has a carrier frequency of 22 kHz in a preferred embodiment.
  • a second terminal 32b is connected to the third signal line 28a so that the control unit 24 receives the first dynamic feedback 30a via the second terminal 32b.
  • the height of an output voltage at a transformer 34 can be set via the first pulse-width-modulated control signal 26a.
  • the controller 24 may increase the positive duty cycle of the first pulse width modulated control signal 26a to increase the output voltage and power at the transmitter 34. Increasing the duty cycle, the voltage at the transformer 34 increases.
  • the voltage generating unit 12 includes a current regulator 36, which ensures a stable output voltage at the operating point.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of the measuring unit 20 of the voltage generating and measuring arrangement 10 from FIG. 1 in a more detailed view.
  • a first contact point 38a is connected to the ionization electrode 16 such that an ionization current at the contact point 38a generates a pulse width modulated signal forming the second dynamic feedback 30b at two outputs.
  • the size of the duty cycle of the pulse-width-modulated signal generated at the two outputs is a parameter for the ionization current.
  • the voltage generated at the transformer 34 then leads to ignition of the ignition device 14 when it exceeds an ignition voltage.
  • the voltage at the transformer 34 becomes lower, it generates an ionization voltage at the ionization electrode 16 and therefore causes a measurable ionization current to flow in the burner 22 as a matrix burner when the flame 18 is present.
  • the value of the voltage applied to the transformer 34 therefore decides whether the voltage is used as the ignition voltage or as the ionization voltage. Therefore, the transformer 34 of the voltage generating unit 12 forms a variable voltage source for generating both Ignition voltage and the ionization voltage.
  • the variable voltage source is, as discussed above, adjustable by the choice of frequency and / or by the selection of a duty cycle of the first control signal 26a, 26b.
  • control unit 24 compares the measured value encoded in the second dynamic feedback 30b detected by the measuring unit 20 and the value encoded in the first dynamic feedback 30a in different operating modes having different upper thresholds and lower thresholds. If the measurement or value exceeds the respective upper threshold value or is smaller than the lower threshold value, the control unit 24 generates an error signal and optionally initiates an emergency shutdown of the burner 22.
  • the control unit 24 is a programmable arithmetic unit equipped with software that controls a test operation of the flame monitoring device outside normal operation of the burner 22. In the test mode, the control unit 24 generates and measures an ignition voltage or ionization voltage via the first control signal 26.
  • FIG. 4 shows the time course of the first dynamic feedback 30a of the voltage generating and measuring arrangement 10 in test mode, ie when the fuel supply is switched off, in the case of a short circuit of an ignition electrode. If the ignition electrode is short-circuited, no voltage can build up on the transformer 34 despite the controlled AC voltage, so that the dynamic feedback 30a, 30b assumes a constant value.
  • FIG. 5 shows the output voltage at the transformer 34 and the first dynamic feedback 30a, 30b at normal ignition. It can be seen that the amplitude of the voltage applied to the transformer 34 AC voltage periodically increases to discharge in the ignition when it reaches an ignition threshold.
  • the first dynamic feedback 30a is permanently at about 3 volts, varies during normal ignition the ignition voltage encoded in the first dynamic feedback 30a by about 1.5 volts.
  • the control unit 24 detects in the test mode when the fuel supply is switched off a firing repetition or firing sequence period, in order to draw conclusions about a state of wear of the ignition electrode.
  • FIG. 6 shows an example of a firing order in which a firing sequence period is 145 ms.
  • FIG. 7 shows a firing order in which a firing frequency is 156 ms.
  • the connection to the ignition electrode is interrupted or the distance of the ignition electrode to the ignition mass has exceeded a permissible value, this can be detected by an evaluation of the first dynamic feedback signal.
  • the ignition sequence is shortened if there is an interruption or an impermissible distance.
  • FIG. 8 shows a recorded in a test operation of the control unit 24 course of the measurement signals in the event of failure of a defective voltage generating unit 12 and a defective ignition device 14. Although the output voltage at the transformer 34 reaches the required ignition threshold, a firing order is not recognizable.
  • FIG. 9 finally shows a dynamic feedback 30a, 30b of the voltage generating and measuring arrangement 10 in the event of a short circuit of Ionization electrode 16.
  • the output voltage at the transformer 34 does not reach its normal value, which can also be recognized by the first dynamic feedback 30a, 30b.
  • the measurement or the verification of the short circuit of the ionization electrode 16 can be carried out in particular even when the burner 22 is switched on.
  • the control unit 24 compares a value of the ionization voltage detected via the first dynamic feedback 30a, 30b during normal operation with a predetermined, stored value which corresponds to an ionization voltage immediately after the production of the ionization electrode 16 or the flame monitoring device.
  • a gradual deterioration or wear of the ionization electrode 16 can be recognized by a slow drop in the ionization voltage detected via the first dynamic feedback 30a, 30b.
  • a warning signal is generated by the control unit 24 when the ionization voltage detected via the first dynamic feedback 30a, 30b falls below a critical value. The user is prompted by the warning signal to replace the ionization electrode 16. Alternatively, when the same or a second threshold is reached, an emergency shutdown of the burner 22 may occur.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Flammenüberwachungsvorrichtung mit einer Spannungserzeugungs- und Messanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Überwachen eines' Brenners mittels einer Flammenüberwachungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
  • Aus der DE 100 25 769 A1 ist eine Flammenüberwachungsvorrichtung mit einer Spannungserzeugungs- und Messanordnung bekannt, in welcher ein Luft-Gasverhältnis einer Brennerflamme über eine Ionisationselektrode geregelt wird. Ionisationselektroden werden häufig zur Überwachung einer Gasflamme verwendet und nutzen die Gleichrichtereigenschaft der Gasflamme. Dazu wird an der Ionisationselektrode eine Wechselspannung angelegt und ein Ionisationsstrom wird an der Ionisationselektrode gemessen. Wenn keine Flamme vorhanden ist oder die Flamme erloschen ist, kommt der Ionisationsstrom zum Erliegen, so dass der Gasstrom abgestellt werden kann, um einer Gefahr durch unverbranntes, ausströmender Gas vorzubeugen. Während eine solche Sicherheitsüberwachung nur ein binärwertiges Ausgangssignal erfordert, wird in der DE 100 25 769 A1 vorgeschlagen, eine dynamische Rückmeldung der Ionisationselektrode zum Regeln der Flammeneigenschaften, insbesondere zum Regeln des Luft-/Brennstoffverhältnisses zu nutzen. In der EP 1 719 947 A1 , ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Flammenüberwachung gezeigt. Während einer Ladephase wird ein Kondensator auf einen Spannungswert aufgeladen und während der Entladungsphase wird der Kondensator über ein mit dem Flammensensor verbundenes Koppelglied entladen. Zur Flammenüberwachung wird das Laden und Entladen des Kondensators zyklisch wiederholt. Es ist dabei eine Aufgabe eine Flammenüberwachung bereitzustellen die vielseitig einsetzbar ist und eine einfache Signalauswertung ermöglicht
  • In der WO 94/28354 A1 , ist ein Flammenberichtigungssensor mit einer pulsierenden Anregung gezeigt. Dabei injiziert ein Generator periodische Pulse mit wechselnder Spannung in eine Flammenregion und die Spannung über der Flammenregion wird über einen Filter/Verstärker verarbeitet wobei ein Ausgangssignal produziert wird das ungleich Null Ist wenn eine Flamme vorliegt und die Spannung vom Generator zugeführt wird. Es ist dabei eine Aufgabe ein Schaltplan bereitzustellen mit dem ohne redundante Bauteile eine ausfallsichere Operation möglich ist. Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Flammenüberwachungsvorrichtung bzw. ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Flammenüberwachungsvorrichtung bereit zu stellen, in welcher bzw. welchem nicht nur die Flamme sondern auch die Flammenüberwachungsvorrichtung selbst überwacht werden kann. Die Erfindung geht aus von einer Flammenüberwachungsvorrichtung mit einer Spannungserzeugungs- und Messanordnung, welche eine Spannungserzeugungseinheit zum Erzeugen einer Zündspannung zum Betreiben einer Zündvorrichtung eines Brenners und/oder zum Erzeugen einer Ionisationsspannung einer Ionisationselektrode zum Überwachen einer Flamme des Brenners und eine Messeinheit zum Messen eines durch die Ionisationsspannung erzeugten Ionisationsstroms umfasst. Ferner umfasst die Flammenüberwachungsvorrichtung eine Steuereinheit zum Steuern der Spannungserzeugungseinheit und zum Auswerten der Messwerte der Messeinheit.
  • Es wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, wenigstens eine dynamische Rückmeldung der Spannungserzeugungs- und Messanordnung zu erfassen und zum Erkennen einer Fehlfunktion eines Elements der Spannungserzeugungs- und Messanordnung auszuwerten. Als Elemente der Spannungserzeugungs- und Messanordnung sollen insbesondere sicherheitsrelevante Bauteile oder Baugruppen der Spannungserzeugungs- und Messanordnung bezeichnet werden. Als zu überwachende Elemente in Betracht kommen insbesondere die Spannungserzeugungseinheit, die Ionisationselektrode, die Zündvorrichtung und die Messeinheit. Erfindungsgemäß wird die dynamische Rückmeldung der Spannungserzeugungs- und Messanordnung zur Überwachung derselben genutzt, so dass eine Betriebssicherheit eines Brenners mit einer gattungsgemäßen Flammenüberwachungsvorrichtung deutlich gesteigert werden kann.
  • Als "dynamische Rückmeldung" soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein zeitabhängiges Signal mit einem kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen Wertebereich bezeichnet werden, das eine Kenngröße für eine Spannung oder einen Strom in der Spannungserzeugungs- und Messanordnung bildet.
  • In der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit, die aus der dynamischen Rückmeldung eine Kenngröße für eine tatsächlich angelegte Zündspannung bildet, bzw. dass die dynamische Rückmeldung eine solche Kenngröße ist. Die dynamische Rückmeldung kann direkt proportional zur tatsächlich angelegten Zündspannung sein oder ein digitales Signal sein, das eine gemessene Zündspannung kodiert. Eine technisch einfache Auswertung der dynamischen Rückmeldung kann ermöglicht werden, wenn die dynamische Rückmeldung ein pulsweitenmoduliertes Signal ist, in welchem ein Tastverhältnis die tatsächlich angelegte Zündspannung kodiert. Die tatsächlich angelegte Zündspannung kann mittels einer Spannungsmessanordnung an einer Zündspule der Zündvorrichtung abgegriffen werden.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass die dynamische Rückmeldung eine Kenngröße für eine tatsächlich angelegte Ionisationsspannung bildet. Dadurch kann die Ionisationsspannung überwacht werden und Messfehler der Messeinheit, die durch eine fehlerhaft bestimmte Ionisationsspannung bedingt sind, können vermieden werden.
  • Wenn die Spannungserzeugungseinheit eine variable Spannungsquelle zum Erzeugen von sowohl der Zündspannung als auch der Ionisationsspannung umfasst, kann einerseits auf eine separate Spannungsquelle verzichtet werden und andererseits kann sowohl die Überwachung der Ionisationsspannung als auch die Überwachung der Zündspannung durch eine einzige Spannungsmessanordnung erfolgen.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, einen von der Messeinheit erfassten Messwert mit wenigstens einem vorgegebenen oberen oder unteren Schwellenwert zu vergleichen und ein Fehlersignal zu erzeugen, wenn der Messwert den oberen Schwellenwert übertrifft oder kleiner ist als der untere Schwellenwert. Dadurch kann für einen Bediener in einer einfachen Weise erkennbar gemacht werden, dass die Betriebskenngrößen der Flammenüberwachungseinrichtung einen durch den oberen Schwellenwert und den unteren Schwellenwert begrenzten Normalbereich verlassen haben. Das Fehlersignal kann als Warnsignal an einen Benutzer und/oder zum Erzeugen einer Notabschaltung des Brenner benutzt werden.
  • Wenn die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, bei abgeschalteter Brennstoffzufuhr in einem Testbetrieb eine Zündspannung zu erzeugen und zu messen, kann die Zündspannung in reproduzierbaren Bedingungen ohne störende Einflüsse einer Brennerflamme separat gemessen werden.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit bei abgeschalteter Brennstoffzufuhr in einem Testbetrieb eine Zündfolgefrequenz zu bestimmt.
  • Aus der Zündfolgefrequenz können vorteilhaft Rückschlüsse auf den Zustand von Zündelektroden bzw. auf deren Abstand gezogen werden. Wenn der Abstand der Zündelektroden beispielsweise zu groß ist, zündet die Zündvorrichtung erst bei erhöhten Zündspannungen, so dass eine Zeit, die die Zündvorrichtung zum Aufladen der Zündspule benötigt, im Vergleich zu Normal- oder Regelbedingungen verlängert ist. Dies führt zu einer verlängerten Periode der Zündfolge und daher zu einer verringerten Zündfolgefrequenz.
  • Wenn die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die dynamische Rückmeldung in Form eines pulsweiten modulierten Signals zu empfangen und zu verarbeiten, kann die Auswertung mittels eines einfachen Tiefpassfilters erfolgen und ein Informationsverlust während einer Übertragung kann weitestgehend vermieden werden.
  • Ein ruhiger Dauerbetrieb kann durch einen Stromregler zum Erzeugen einer stabilen Ionisationsspannung erreicht werden.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, wenigstens eine erste dynamische Rückmeldung der Spannungserzeugungseinheit und eine zweite dynamische Rückmeldung der Messeinheit zu erfassen und zum Erkennen einer Fehlfunktion der Spannungserzeugungseinheit bzw. der Messeinheit zu nutzen.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines Brenners mittels der beschriebenen Flammenüberwachungsvorrichtung, wobei die Flamme mittels eines von einer Ionisationselektrode erzeugten Ionisationsstroms überwacht wird.
  • Es wird vorgeschlagen, dass eine dynamische Rückmeldung der Flammenüberwachungsvorrichtung erfasst wird und eine Fehlfunktion wenigstens eines Elements der Flammenüberwachungsvorrichtung abhängig von der dynamischen Rückmeldung erkannt wird. Dadurch kann die Betriebssicherheit eines Brenners mit einer solchen Flammenüberwachungsvorrichtung weiter erhöht werden und ein Wartungsaufwand kann durch die teilweise Automatisierung der Wartung verringert werden.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Die Figuren zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches eine Vielzahl von Merkmalen in Kombination enthält, die der Fachmann sinnvollerweise auch einzeln betrachten und zur weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
  • Dabei zeigen:
    • Figur 1
    eine Flammenüberwachungseinrichtung mit einer Spannungserzeugungs- und Messanordnung,
    Figur 2
    eine Spannungserzeugungseinheit der Spannungserzeugungsund Messanordnung aus Figur 1,
    Figur 3
    eine Messeinheit der Spannungserzeugungs- und Messanordnung aus Figur 2,
    Figur 4
    eine erste dynamische Rückmeldung der Spannungserzeugungsund Messanordnung nach den Figuren 1 bis 3 bei Kurzschluss einer Zündelektrode,
    Figur 5
    eine dynamische Rückmeldung der Spannungserzeugungs- und Messanordnung aus den Figuren 1 bis 3 bei normaler Zündung,
    Figur 6
    eine dynamische Rückmeldung der Spannungserzeugungs- und Messanordnung bei Überschlag im Zündgerät und Unterbrechung der Zündelektrode,
    Figur 7
    eine dynamische Rückmeldung der Spannungserzeugungs- und Messanordnung aus den Figuren 1 bis 3 mit einer verkürzten Zündfolge,
    Figur 8
    eine dynamische Rückmeldung der Spannungserzeugungs- und Messanordnung aus den Figuren 1 bis 3 bei defekter Zündvorrichtung und
    Figur 9
    eine dynamische Rückmeldung der Spannungserzeugungs- und Messanordnung aus den Figuren 1 bis 3 bei einem Kurzschluss der Ionisationselektrode.
  • Figur 1 zeigt schematisch eine Flammenüberwachungsvorrichtung zum Überwachen eines Brenners 22 mit einer Spannungserzeugungs- und Messanordnung 10. Die Spannungserzeugungs- und Messanordnung 10 umfasst eine Spannungserzeugungseinheit 12 zum Erzeugen einer Zündspannung, die zum Betreiben einer Zündvorrichtung 14 mit einer Zündmasse genutzt werden kann.
  • Ferner dient die Spannungserzeugungseinheit 12 zum Erzeugen einer Ionisationsspannung einer Ionisationselektrode 16 zum Überwachen einer Flamme 18 des Brenners 22. Außerdem umfasst die Spannungserzeugungs- und Messanordnung 10 eine Messeinheit 20 zum Messen eines durch die Ionisationsspannung erzeugten Ionisationsstroms. Die Ionisationsspannung ist eine Wechselspannung, die über der Flamme 18 des Brenners 22 abfällt.
  • Die Flamme 18 ist eine Gasflamme und hat eine Gleichrichtereigenschaft, da in der Flamme 18 Ladungsträger unterschiedlicher Polaritäten vorliegen, deren Mobilität sich stark unterscheidet. Dadurch fließt vorwiegend während einer Halbperiode der Ionisationsspannung, während welcher letztere ein bestimmtes Vorzeichen hat, der Ionisationsstrom von oder zu der Ionisationselektrode 16. Wenn die Flamme 18 erlischt, kommt auch der Ionisationsstrom zum Erliegen, was durch die Messeinheit 20 messbar ist. Falls dies geschieht, können geeignete Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden, beispielsweise kann die Gaszufuhr abgeschaltet werden.
  • Die Auswertung der Signale der Messeinheit 20 und die Steuerung der Spannungserzeugungseinheit 12 erfolgt in einer Steuereinheit 24 der Flammenüberwachungsvorrichtung. Die Steuereinheit 24 steuert die Spannungserzeugungseinheit 12 mittels eines ersten, pulsweitenmodulierten Steuersignals 26a, das über eine erste Signalleitung 28a von der Steuereinheit 24 an die Spannungserzeugungseinheit 12 übertragen wird. Über eine zweite Signalleitung 28b überträgt die Steuereinheit 24 ein zweites, pulsweitenmoduliertes Steuersignal 26b an die Messeinheit 20. Das zweite Steuersignal 26b dient vorwiegend zur Vorgabe einer Messfrequenz, kann jedoch auch zum Steuern von Betriebsparametern der Messeinheit 20 genutzt werden. Über eine dritte Signalleitung 28c empfängt die Steuereinheit 24 eine erste dynamische Rückmeldung 30a von der Spannungserzeugungseinheit 12 der Spannungserzeugungs- und Messanordnung 10. Über eine vierte Signalleitung 28d empfängt die Steuereinheit 24 eine zweite dynamische Rückmeldung 30b von der Messeinheit 20. Die erste dynamische Rückmeldung 30a und die zweite dynamische Rückmeldung 30b sind jeweils pulsweitenmodulierte Signale, wobei ein Tastverhältnis der ersten dynamischen Rückmeldung 30a und der zweiten dynamischen Rückmeldung 30b einen kontinuierlichen Wertebereich hat und zeitabhängig ist. Der Wert des Tastverhältnisses kodiert, wie weiter unten detaillierter beschrieben, eine tatsächlich erzeugte Spannung in der Spannungserzeugungseinheit 12 bzw. eine von der Messeinheit 20 gemessene Spannung oder einen von der Messeinheit 20 gemessenen Ionisationsstrom.
  • Die Steuereinheit 24 ist dazu ausgelegt, aus der ersten dynamischen Rückmeldung 30a und der zweiten dynamischen Rückmeldung 30b eine Fehlfunktion eines Elements bzw. Bauteils der Spannungserzeugungs- und Messanordnung 10 zu erkennen und dazu die erste dynamische Rückmeldung 30a und die zweite dynamische Rückmeldung 30b auszuwerten. Das Tastverhältnis der ersten dynamischen Rückmeldung 30a ist eine Kenngröße für eine tatsächlich angelegte Zündspannung und das Tastverhältnis der zweiten dynamischen Rückmeldung 30b bzw. des zweiten pulsweitenmodulierten Signals ist eine Kenngröße für eine tatsächlich angelegte Ionisationsspannung oder für einen tatsächlich fließenden Ionisationsstrom.
  • Figur 2 zeigt einen Schaltplan der Spannungserzeugungseinheit 12 aus Figur 1 in einer detaillierteren Darstellung. An einem ersten Anschluss 32a liegt das erste pulsweitenmodulierte Steuersignal 26a der Steuereinheit 24 an, das in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Trägerfrequenz von 22 kHz hat. Ein zweiter Anschluss 32b ist mit der dritten Signalleitung 28a verbunden, so dass die Steuereinheit 24 über den zweiten Anschluss 32b die erste dynamische Rückmeldung 30a empfängt. Über das erste pulsweitenmodulierte Steuersignal 26a kann die Höhe einer Ausgangsspannung an einem Übertrager 34 eingestellt werden. Dabei wird durch eine Verringerung der Frequenz des pulsweitenmodulierten Steuersignals 26a, 26b die Ausgangsspannung und Leistung am Übertrager 34 vergrößert und umgekehrt wird durch eine Vergrößerung der Frequenz des pulsweitenmodulierten Steuersignals 26a, 26b die Ausgangsspannung und Leistung am Übertrager 34 verringert. Alternativ dazu kann die Steuereinheit 24 zum Erhöhen der Ausgangsspannung und Leistung am Übertrager 34 das positive Tastverhältnis des ersten, pulsweitenmodulierten Steuersignals 26a verändern. Erhöht man das Tastverhältnis, so steigt die Spannung am Übertrager 34. Ferner umfasst die Spannungserzeugungseinheit 12 einen Stromregler 36, der für eine stabile Ausgangsspannung im Arbeitspunkt sorgt.
  • Figur 3 zeigt einen Schaltplan der Messeinheit 20 der Spannungserzeugungs- und Messanordnung 10 aus Figur 1 in einer detaillierteren Ansicht. Ein erster Kontaktpunkt 38a ist mit der Ionisationselektrode 16 verbunden, so dass ein Ionisationsstrom an dem Kontaktpunkt 38a ein pulsweitenmoduliertes Signal, das die zweite dynamische Rückmeldung 30b bildet, an zwei Ausgängen erzeugt. Die Größe des Tastverhältnisses des an den beiden Ausgängen erzeugten, pulsweitenmodulierten Signals ist eine Kenngröße für den Ionisationsstrom.
  • Die an dem Übertrager 34 erzeugte Spannung führt dann zu einer Zündung der Zündvorrichtung 14, wenn diese eine Zündspannung übertrifft. Wenn die Spannung am Übertrager 34 einen geringeren Wert annimmt, erzeugt sie eine Ionisationsspannung an der Ionisationselektrode 16 und bewirkt daher, dass bei vorhandener Flamme 18 in dem als Matrixbrenner ausgebildeten Brenner 22 ein messbarer Ionisationsstrom fließt.
  • Der Wert der an dem Übertrager 34 anliegenden Spannung entscheidet daher darüber, ob die Spannung als Zündspannung oder als Ionisationsspannung genutzt wird. Daher bildet der Übertrager 34 der Spannungserzeugungseinheit 12 eine variable Spannungsquelle zum Erzeugen von sowohl einer Zündspannung als auch der Ionisationsspannung. Die variable Spannungsquelle ist, wie oben erörtert, durch die Wahl der Frequenz und/oder durch die Wahl eines Tastverhältnisses des ersten Steuersignals 26a, 26b verstellbar.
  • Im Betrieb vergleicht die Steuereinheit 24 den in der zweiten dynamischen Rückmeldung 30b kodierten, von der Messeinheit 20 erfassten Messwert und den in der ersten dynamischen Rückmeldung 30a, kodierten Wert in verschiedenen Betriebsmodi mit verschiedenen oberen Schwellenwerten und unteren Schwellenwerten. Wenn der Messwert bzw. Wert den jeweiligen oberen Schwellenwert übertrifft oder kleiner ist als der untere Schwellenwert, erzeugt die Steuereinheit 24 ein Fehlersignal und veranlasst gegebenenfalls eine Notabschaltung des Brenners 22.
  • Die Steuereinheit 24 ist eine programmierbare Recheneinheit, die mit einer Software ausgestattet ist, die außerhalb eines Normalbetriebs des Brenners 22 einen Testbetrieb der Flammenüberwachungsvorrichtung steuert. In dem Testbetrieb erzeugt die Steuereinheit 24 über das erste Steuersignal 26 eine Zündspannung bzw. Ionisationsspannung und misst diese.
  • Figur 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der ersten dynamischen Rückmeldung 30a der Spannungserzeugung- und Messanordnung 10 im Testbetrieb, d.h. bei abgeschalteter Brennstoffzufuhr, und zwar im Fall eines Kurzschlusses einer Zündelektrode. Wenn die Zündelektrode kurzgeschlossen ist, kann sich trotz der angesteuerten Wechselspannung am Übertrager 34 keine Spannung aufbauen, so dass die dynamische Rückmeldung 30a, 30b einen konstanten Wert annimmt.
  • Figur 5 zeigt die Ausgangsspannung am Übertrager 34 und die erste dynamische Rückmeldung 30a, 30b bei normaler Zündung. Es ist erkennbar, dass die Amplitude der am Übertrager 34 anliegenden Wechselspannung periodisch anwächst, um sich, wenn sie eine Zündschwelle erreicht, in der Zündung zu entladen.
  • Im Gegensatz zu dem in Figur 4 dargestellten Fehlerfall, in welchem die erste dynamische Rückmeldung 30a permanent auf ca. 3 Volt liegt, variiert bei normaler Zündung die in der ersten dynamischen Rückmeldung 30a kodierte Zündspannung um ca. 1,5 Volt.
  • Die Steuereinheit 24 erfasst im Testbetrieb bei abgeschalteter Brennstoffzufuhr eine Zündfolgefrequenz bzw. Zündfolgeperiode, um daraus Rückschlüsse auf einen Verschleißzustand der Zündelektrode zu ziehen.
  • Figur 6 zeigt ein Beispiel einer Zündfolge, in welcher eine Zündfolgenperiode 145 ms beträgt.
  • Figur 7 zeigt eine Zündfolge, in welche eine Zündfolgefrequenz 156 ms beträgt.
  • Ist in der Zündvorrichtung 14 die Verbindung zur Zündelektrode unterbrochen oder hat der Abstand der Zündelektrode zur Zündmasse einen zulässigen Wert überschritten, kann dies durch eine Auswertung des ersten dynamischen Rückmeldesignals erfasst werden. Dabei verkürzt sich die Zündfolge, wenn eine Unterbrechung oder ein unzulässiger Abstand vorliegt.
  • Figur 8 zeigt einen in einem Testbetrieb von der Steuereinheit 24 erfassten Verlauf der Messsignale in dem Fehlerfall einer defekten Spannungserzeugungseinheit 12 bzw. einer defekten Zündvorrichtung 14. Die Ausgangsspannung an dem Übertrager 34 erreicht zwar die erforderliche Zündschwelle, eine Zündfolge ist jedoch nicht erkennbar.
  • Figur 9 zeigt schließlich eine dynamische Rückmeldung 30a, 30b der Spannungserzeugungs- und Messanordnung 10 bei einem Kurzschluss der Ionisationselektrode 16. Die Ausgangsspannung am Übertrager 34 erreicht nicht ihren Normalwert, was auch an der ersten dynamischen Rückmeldung 30a, 30b erkennbar ist. Die Messung bzw. die Überprüfung des Kurzschlusses der Ionisationselektrode 16 kann insbesondere auch bei eingeschaltetem Brenner 22 erfolgen. Die Steuereinheit 24 vergleicht einen über die erste dynamische Rückmeldung 30a, 30b erfassten Wert der Ionisationsspannung im Normalbetrieb mit einem vorgegebenen, gespeicherten Wert, der einer Ionisationsspannung unmittelbar nach der Herstellung der Ionisationselektrode 16 bzw. der Flammenüberwachungsvorrichtung entspricht. Eine graduelle Verschlechterung bzw. ein Verschleiß der Ionisationselektrode 16 ist durch einen langsamen Abfall der über die erste dynamische Rückmeldung 30a, 30b erfassten Ionisationsspannung erkennbar. Ein Warnsignal wird von der Steuereinheit 24 erzeugt, wenn die über die erste dynamische Rückmeldung 30a, 30b erfasste Ionisationsspannung einen kritischen Wert unterschreitet. Der Benutzer wird durch das Warnsignal zum Austausch der Ionisationselektrode 16 aufgefordert. Alternativ dazu kann beim Erreichen des gleichen oder eines zweiten Schwellenwerts eine Notabschaltung des Brenners 22 erfolgen.

Claims (9)

  1. Flammenüberwachungsvorrichtung mit einer Spanriungserzeugungs- und Messanordnung (10), welche
    - eine Spannungserzeugungseinheit (12) zum Erzeugen einer Zündspannung zum Betreiben einer Zündvorrichtung (14) eines Brenners (22) und zum Erzeugen einer Ionisationsspannung einer Ionisationselektrode (16) zum Überwachen einer Flamme (28) des Brenners (22) und
    - eine Messeinheit (20) zum Messen eines durch die Ionisationasspannung erzeugten Ionisationsstroms umfasst,
    sowie mit einer Steuereinheit (24) zum Steuern der Spannungserzeugungseinheit (12) und zum Auswerten der Messwerte der Messeinheit (20), und
    die Steuereinheit (24) dazu ausgelegt ist, wenigstens eine dynamische Rückmeldung (30a, 30b) der Spannungserzeugungs- und Messanordnung (10) zu erfassen zum Erkennen einer Fehlfunktion eines Elements der Spannungserzeugungs- und Messanordnung (10) auszuwerten, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine dynamische Rückmeldung (30a) eine Kenngröße für eine tatsächlich angelegte Zündspannung umfasst.
  2. Flammenüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine dynamische Rückmeldung (30a, 30b) auch eine Kenngröße für einen Ionisationsstrom der Ionisationselektrode (16) umfasst.
  3. Flammenüberwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungserzeugungseinheit (12) eine variable Spannungsquelle (34) zum Erzeugen von sowohl der Zündspannung als auch der Ionisationsspannung umfasst.
  4. Flammenüberwachungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (24) dazu ausgelegt ist, einen von der Messeinheit (20) erfassten Messwerte mit wenigstens einem vorgegebenen oberen oder unteren Schwellenwert zu vergleichen und ein Fehlersignal zu erzeugen, wenn der Messwert den oberen Schwellenwert übertrifft oder kleiner ist als der untere Schwellenwert.
  5. Flammenüberwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (24) dazu ausgelegt ist, bei abgeschalteter Brennstoffzufuhr in einem Testbetrieb eine Zündspannung zu erzeugen und zu messen.
  6. Flammenüberwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Absprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (24) dazu ausgelegt ist, bei abgeschalteter Brennstoffzufuhr in einem Testbetrieb eine Zündfolgefrequenz zu bestimmen.
  7. Flammenüberwachungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (24) dazu ausgelegt ist, die wenigstens eine dynamische Rückmeldung (30a, 30b) in Form eines pulsweitenmodulierten Signals zu empfangen und zu verarbeiten.
  8. Flammenüberwachungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einem Stromregler (36) zum Erzeugen einer stabilen Ionisationsspannung.
  9. Verfahren zum Überwachen eines Brenners (22) mittels einer Flammenüberwachungsvorrichtung, gemäß Anspruch 1 wobei die Flamme (28) mittels eines von einer Ionisationselektrode (16) erzeugten Ionisationsstroms überwacht wird, wobei die wenigstens eine dynamische Rückmeldung (30a, 30b) der Flammenüberwachungsvorrichtung erfasst wird und eine Fehlfunktion wenigstens eines Elements der Flammenüberwachungsvorrichtung abhängig von der wenigstens einen dynamischen Rückmeldung (30a, 30b) erkannt wird.
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