EP4023941A2 - Anordnungen und verfahren zum messen einer ionisation in einem verbrennungsraum eines vormisch-brenners - Google Patents

Anordnungen und verfahren zum messen einer ionisation in einem verbrennungsraum eines vormisch-brenners Download PDF

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EP4023941A2
EP4023941A2 EP21206462.0A EP21206462A EP4023941A2 EP 4023941 A2 EP4023941 A2 EP 4023941A2 EP 21206462 A EP21206462 A EP 21206462A EP 4023941 A2 EP4023941 A2 EP 4023941A2
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EP
European Patent Office
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ionization
electrodes
combustion chamber
arrangement according
electrode
Prior art date
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EP21206462.0A
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EP4023941B1 (de
EP4023941A3 (de
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Lars Thum
Alexander Graf
Heinz-Jörg Tomczak
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Publication date
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Publication of EP4023941A3 publication Critical patent/EP4023941A3/de
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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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
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    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/002—Regulating fuel supply using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2227/00—Ignition or checking
    • F23N2227/20—Calibrating devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2229/00—Flame sensors
    • F23N2229/16—Flame sensors using two or more of the same types of flame sensor

Definitions

  • the invention is in the field of regulating a combustible gas-air mixture for a combustion process in a heating device, in particular a combustion chamber in a heating device for hot water preparation or heating of a building.
  • a heating device in particular a combustion chamber in a heating device for hot water preparation or heating of a building.
  • an ionization measurement is carried out in a flame area, particularly in the case of many heaters. Such measurements should enable stable control over long periods of time, which is why it may be necessary to recognize slow changes in the measuring system and carry out a recalibration.
  • an ionization electrode is used to determine the respective actual value of the ionization in the flame area, which is proportional to the current lambda value, so that it can be derived from the ionization measurement.
  • an AC voltage is applied in particular to the ionization electrode, with the flame region ionized when flames are present having a rectifying effect, so that an ionization signal mainly flows only during a half-wave of the AC current.
  • This current or a proportional voltage signal derived from it, referred to below as the ionization signal is measured and optionally processed further as an ionization signal after digitization in an analog/digital converter.
  • the lambda value can be calibrated measured and regulated to a target value by means of a control loop.
  • the supply of air and/or fuel gas is changed by suitable actuators until the desired target value for lambda is reached.
  • a lambda value > 1 (1 corresponds to a stoichiometric ratio) is aimed for, e.g. B.
  • Lambda 1.3 to ensure that enough air is supplied for clean combustion with essentially no generation of carbon monoxide.
  • lambda must remain small enough to ensure stable combustion.
  • the regulation can take place in particular via a valve for the supply of fuel gas and/or a blower for the supply of ambient air.
  • a suitable material is important for ionization electrodes and ignition electrodes, which has already been the subject of various studies and proposals for a solution. So be in the DE 29608070U1 Described materials for an ignition electrode and an associated ground electrode. Detailed considerations about suitable materials for ionization electrodes are, for example, in DE 10 2010 004 345 B4 contain.
  • an ignition electrode can be used temporarily as an ionization electrode, as a result of which a second ionization measurement can be used to control and/or recalibrate the ionization signal used for regulation.
  • This dual function of the ignition electrode requires a certain amount of effort to switch over and also does not extend the service life of the actual ionization electrode. Also, due to its ignition function, the ignition electrode cannot be adapted to the needs of an ionization measurement.
  • the object of the present invention is to at least partially overcome the problems described with reference to the prior art.
  • the focus is on the creation of a concept for measuring ionization in a flame area in a combustion chamber of a premix burner that is redundant and/or insensitive to measurement errors and failures.
  • Contributing to this is an arrangement for measuring an ionization in a combustion chamber of a heating device, to which a fuel gas/air mixture can be supplied and in which this mixture can be burned.
  • a fuel gas/air mixture can be supplied and in which this mixture can be burned.
  • an ignition electrode unless a glow igniter is used
  • a ground electrode there are at least two ionization electrodes for measuring the ionization, with the two ionization electrodes (15, 16) each being individually connected or connectable to (at least) one electronic evaluation system (12). are, so that their ionization signals can be evaluated separately.
  • the arrangement thus comprises at least one ignition electrode or one ground electrode and, in addition, at least two ionization electrodes for measuring the ionization.
  • the two ionization electrodes have no function in the ignition of a combustion process, but are only available for the ionization measurement, regardless of whether there are other electrodes and how the ignition process works.
  • This makes it possible to implement almost all of the possibilities known in principle from the prior art for extending the service life (or maintenance intervals) and/or improving the measurement accuracy and reliability when controlling premix burners with so-called ionization-based electronic combustible gas-air compound, depending on the respective requirements.
  • the two ionization electrodes are each individually connected or can be connected to (preferably their own) evaluation electronics, their ionization signals can be evaluated separately. This increases the redundancy of the entire system, since the heater does not fail if any component (ionization electrode, lines, evaluation electronics) fails.
  • the measurements of the systems can be compared with each other and used for corrections or recalibration.
  • ionization electrodes there are two identical ionization electrodes. This means no increased demands on manufacturing and warehousing, and replacing two parts instead of one is not particularly expensive compared to other maintenance measures. Nevertheless, this design increases the availability and reliability of a heater, since the failure of one of the ionization electrodes does not necessarily lead to the failure of the entire control system. Two ionization electrodes together give a stronger and more reliable signal and also individually allow a comparison of the measured values and a better analysis of any errors using known error detection or calibration methods.
  • the two ionization electrodes can also be electrically connected to one another, so that a common ionization signal can be derived from them. This can be useful for normal operation, so that an individual evaluation of the measurement signals from both ionization electrodes only takes place at specified times, e.g. to check the functions or to carry out a recalibration. When interconnected, the measurement signal becomes stronger and less error-prone.
  • the two ionization electrodes are arranged at different positions in relation to a flame area in the combustion chamber. This allows the ionization electrodes to have simple shapes and easily accessible installation locations, while still being able to achieve a representative measurement signal.
  • the two ionization electrodes are mechanically connected to one another by a common holder and/or by at least one connecting bridge. This even makes it possible to form both ionization electrodes as a unit and to exchange them in a joint action, which means that no additional working time is incurred for maintenance.
  • Two ionization electrodes arranged in parallel and provided with at least one connecting bridge have increased mechanical stability, which is advantageous for maintenance and operation.
  • the two ionization electrodes particularly preferably consist of different materials. As a result, requirements relating to measurement accuracy and durability that cannot be met simultaneously with a single ionization electrode can nevertheless be met, which in turn increases the availability of the heating device.
  • one of the ionization electrodes is made of a scale resistant material and the other is made of a non-scale resistant material. Examples of both materials and their advantages and disadvantages are known in the prior art, but no compromise or decision for either material has to be found by the invention.
  • one of the ionization electrodes be made of an aluminum-containing material, e.g. B. a high-temperature corrosion-resistant steel, and the other ionization electrode contains no or less aluminum, z. B. consists of a nickel-chromium alloy. So you have an ionization electrode that forms an (aluminum) oxide layer during operation, while the other does not. This opens e.g. B. Possibilities to recognize times for a necessary regeneration of the oxidizing ionization electrode and to use other advantages of two systems. In any case, the service life is in no way shortened compared to arrangements with only one ionization electrode of one of the two types, but is often increased.
  • a method for operating the arrangements described above to measure ionization in a combustion chamber of a heater, to which a fuel gas-air mixture can be supplied and in which this mixture can be burned, the ionization is measured using two ionization electrodes arranged for this purpose in the combustion chamber , whose measurement signals are separated alternately by one or in parallel by two Processed evaluation electronics and then compared and / or merged.
  • This method is redundant and therefore available very reliably and also offers the possibility of occasional recalibration.
  • Another embodiment relates to a method for measuring ionization in a combustion chamber of a heater, to which a fuel gas-air mixture can be fed and in which this mixture can be burned, the ionization being measured by means of two ionization electrodes arranged for this purpose in the combustion chamber, the Measurement signals are fed to a common evaluation electronics in a periodic or episodic change, compared with one another after a change and, if necessary, used for a recalibration of one or both measurement signals. This means less electronics while retaining most of the benefits of two ionization electrodes.
  • a preferred embodiment relates to a method in which, when a fault is detected in one of the ionization electrodes, only the other is used to measure the ionization.
  • This could describe this as a kind of emergency program, although it still achieves the quality and service life of conventional controls.
  • the longer-lasting of two systems (of which one does not necessarily know in advance which one will last longer) can be used, which means that maintenance intervals can be extended or the reliability of a heater can be improved.
  • the failure of one of the systems can, for example, also trigger a warning message so that maintenance can be carried out before the second system also fails.
  • the invention also relates to a computer program product, comprising instructions which cause one of the arrangements described to carry out the method steps described.
  • the evaluation electronics and calibration methods mentioned require data and programs for their execution, the z. B. can be provided or updated by means of a computer program product according to the invention.
  • FIG. 1 shows schematically a furnished heater 1 with a combustion chamber 2 in which a burner 3 is arranged.
  • This burner 3 is a fuel gas-air mixture 20, namely by means of a blower 7 via an air supply 6 and via a fuel gas supply 8 and a fuel gas valve 9. Air and fuel gas are mixed in a mixer 10, e.g. B. a Venturi nozzle, brought together.
  • a mixer 10 e.g. B. a Venturi nozzle
  • an ignition electrode 13 is present, sometimes also a ground electrode 14.
  • a glow igniter (not shown) can also be present.
  • the combustible gas-air mixture 20 enters the combustion chamber 2 from burner openings 5 (nozzles) and burns there after ignition in a flame area 4.
  • This flame area 4 is partially ionized, which is indicated by at least a first ionization electrode 15 and a second ionization electrode 16 in can be measured in a known manner. All ionization electrodes 15, 16 have an electrically insulating bushing 17, which also serves as a holder. When replacing an ionization electrode 15, 16 with implementation 17 is replaced.
  • the signals from the ionization electrodes 15, 16 are fed to evaluation electronics 12, which alternately derive at least one ionization signal from them in one of various ways known per se. It is essential for the present invention that two ionization electrodes 15, 16 are present, which are available for ionization measurements.
  • the ionization signal or ionization signals are supplied to an electronics unit 11, which controls the heater and in particular regulates the fuel/air mixture and the power of the burner 3 based on the measured ionization.
  • the electronics unit 11 can adjust the blower 7 and/or the fuel gas valve 9 .
  • This type of supply to a burner 3 is also referred to as an ionization-based electronic combustible gas-air combination.
  • the evaluation electronics 12 and the electronics unit 11 are generally integrated in a single module with electronic memories and a microprocessor.
  • the presence of at least two ionization electrodes 15, 16 allows various ways of improving the measurement quality and / or availability and service life of the ionization measuring system.
  • all the same components have the same reference numbers as in 1 provided and only those necessary for understanding are marked.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the invention in which the first ionization electrode 15 and the second ionization electrode 16 are selectively connected via a switch 18 to common evaluation electronics 12.
  • FIG. The switch 18 is operated periodically or when needed. In addition to a comparison of the signals measured with the individual ionization electrodes 15, 16 and the determination of any errors, mutual recalibration is also possible and, if one of the two fails, a switchover to the other.
  • each ionization electrode 15, 16 has its own evaluation electronics 12 whose signals are combined, e.g. B. in the electronics unit 11.
  • This variant has the additional advantage that even a failure in one of the lines or a part of an evaluation electronics 12 does not lead to a complete failure of the heater 1.
  • the two ionization electrodes 15, 16 are made of different materials, regardless of the arrangement options shown here, or can be different in other ways (shape, dimensions, composition of different sections, etc.), so that from the Prior art known advantageous embodiments can be applied to one or both ionization electrodes.
  • a scale-resistant material e.g. B. aluminum-containing steel to produce, but the other from a non-scale resistant material, e.g. B. a nickel-chromium alloy.
  • a scale-resistant material e.g. B. aluminum-containing steel
  • a non-scale resistant material e.g. B. a nickel-chromium alloy.
  • a fourth embodiment of the invention is shown schematically.
  • the first 15 and the second 16 ionization electrode are connected to form a type of structural unit in that they have a common feedthrough/holder 17 and/or at least one connecting bridge 19 . So they can z. B. can be exchanged together with the same effort as with a single ionization electrode. In addition, the stability is increased and the ionization signal is stronger and less susceptible to interference.
  • This design can also contain ionization electrodes 15, 16 made of different materials and/or with different dimensions. However, preferably only one supply line and only one evaluation electronics 12 are required.
  • FIG. 12 schematically illustrates another embodiment of the invention, in which the first 15 and second 16 ionization electrodes are arranged at different positions in the combustion chamber 2.
  • FIG. This can e.g. B. have advantages with different performances of the burner 3 or with respect to the susceptibility to failure.
  • the material of the ionization electrodes 15, 16 can be adapted to the respective installation position in order to achieve the longest possible service life.
  • the present invention makes it possible to precisely control a combustible gas-air compound in a heater, to achieve a high level of security against faults in the ionization measurement and a long service life without maintenance, with continued operation being possible even if individual components fail.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen einer Ionisation in einem Verbrennungsraum (2) eines Heizgerätes (1), dem ein Brenngas-Luftgemisch zuführbar ist und in dem dieses Gemisch verbrannt werden kann, wobei außer einer Zündelektrode (13) und/oder einer Masseelektrode (14) mindestens zwei Ionisationselektroden (15, 16) zur Messung der Ionisation vorhanden sind und wobei die beiden Ionisationselektroden (15, 16) jeweils einzeln mit einer Auswerteelektronik (12) verbunden oder verbindbar sind, so dass ihre lonisationssignale getrennt ausgewertet werden können. Die Ionisationselektroden (15, 16) können gleich oder unterschiedlich sein und mit derselben oder unterschiedlichen Auswerteelektroniken (12) verbunden sein. Insbesondere können Ionisationselektroden (15, 16) aus unterschiedlichen Materialien eingesetzt werden, z.B. eine zunderbeständige und eine nicht zunderbeständige. Die Erfindung erlaubt es, einen Brenngas-Luft-Verbund bei einem Heizgerät genau elektronisch zu regeln, eine hohe Sicherheit gegen Störungen bei der Ionisationsmessung und eine lange Standzeit ohne Wartung zu erreichen, wobei selbst bei einem Ausfall einzelner Komponenten ein Weiterbetrieb des Heizgerätes (1) noch möglich ist.

Description

  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Regelung eines Brenngas-Luft-Gemisches für einen Verbrennungsprozess in einem Heizgerät, insbesondere einem Brennraum in einem Heizgerät zur Warmwasserbereitung oder Beheizung eines Gebäudes. Zur Messung einer Qualität der Verbrennung, die hauptsächlich von dem während der Verbrennung vorliegenden Verhältnis von Luft zu Brenngas (Lambda-Wert, auch Luftzahl genannt) abhängt, wird insbesondere bei vielen Heizgeräten eine lonisationsmessung in einem Flammenbereich durchgeführt. Solche Messungen sollen eine stabile Regelung über lange Zeiträume ermöglichen, weshalb es erforderlich sein kann, langsame Veränderungen am Messsystem zu erkennen und eine Nachkalibrierung vorzunehmen.
  • Nach dem Stand der Technik wird mittels einer lonisationselektrode der jeweilige IstWert der Ionisation im Flammenbereich ermittelt, der proportional dem gerade vorliegenden Lambda-Wert ist, so dass dieser aus der lonisationsmessung abgeleitet werden kann. Dabei wird insbesondere an die lonisationselektrode eine Wechselspannung angelegt, wobei der bei Vorhandensein von Flammen ionisierte Flammenbereich eine gleichrichtende Wirkung hat, so dass ein lonisationssignal hauptsächlich jeweils nur während einer Halbwelle des Wechselstromes fließt. Dieser Strom oder ein daraus abgeleitetes proportionales Spannungssignal, im Folgenden lonisationssignal genannt, werden gemessen und gegebenenfalls nach einer Digitalisierung in einem Analog/Digital-Wandler als lonisationssignal weiterverarbeitet. Über eine Kalibrierung kann so der Lambda-Wert gemessen und mittels eines Regelkreises auf einen Sollwert geregelt werden. Dabei wird die Zufuhr von Luft und/oder Brenngas durch geeignete Stellglieder verändert, bis der gewünschte Sollwert für Lambda erreicht ist. Im Allgemeinen wird ein Lambda-Wert > 1 (1 entspricht einem stöchiometrischen Verhältnis) angestrebt, z. B. Lambda = 1,3, um sicherzustellen, dass genug Luft für eine saubere Verbrennung im Wesentlichen ohne Erzeugung von Kohlenmonoxid zugeführt wird. Dabei muss Lambda aber so klein bleiben, dass eine stabile Verbrennung gewährleistet ist. Die Regelung kann insbesondere über ein Ventil für die Zufuhr von Brenngas und/oder ein Gebläse für die Zufuhr von Umgebungsluft erfolgen.
  • Der grundsätzliche Aufbau solcher Heizgeräte, von Messystemen zur lonisationsmessung und zu deren Benutzung zur Regelung sind beispielsweise aus der EP 0 770 824 B1 und der EP 2 466 204 B1 bekannt. Dort ist auch beschrieben, dass sich die Regelgenauigkeit im Laufe der Zeit durch verschiedene Einflüsse verändern kann, insbesondere durch Einflüsse auf den Zustand oder die Form der lonisationselektrode. Verschiedene Verfahren zu einer Nachkalibrierung bei Bedarf sind angegeben, die aber alle einen relativ hohen Aufwand erfordern und/oder vor allem den Nachteil haben können, dass bei der Nachkalibrierung das Heizgerät zeitweise bei Lambda-Werten von 1 oder sogar darunter betrieben werden muss, was zu einer vorübergehenden Erzeugung von unerwünschtem Kohlenmonoxid führen kann. Außerdem treten in diesem Bereich sehr hohe Flammtemperaturen auf, was die lonisationselektrode beim Kalibrieren zusätzlich schädigen kann.
  • Aus der EP 2 014 985 B1 ist auch schon eine Regelung bekannt, die betrieben und kalibriert werden kann, ohne die Verbrennung in einen Bereich nahe Lambda = 1 zu verlegen, so dass auch bei einer Kalibrierung wenig Kohlenmonoxid entsteht. Allerdings ist es damit nicht immer möglich, einen optimalen Lambda-Wert einzuhalten.
  • Für Ionisationselektroden und Zündelektroden ist die Auswahl eines geeigneten Materials von Bedeutung, was auch schon Gegenstand verschiedener Untersuchungen und von Vorschlägen zur Lösung war. So werden in der DE 29608070U1 Materialien für eine Zündelektrode und eine zugehörige Masseelektrode beschrieben. Ausführliche Betrachtungen über geeignete Materialien für Ionisationselektroden sind beispielsweise in der DE 10 2010 004 345 B4 enthalten.
  • Aus der DE 10 2011 079 325 B4 ist auch schon bekannt, dass eine Zündelektrode zeitweise als lonisationselektrode verwendet werden kann, wodurch eine zweite lonisationsmessung zur Kontrolle und/oder Nachkalibrierung des zur Regelung benutzten lonisationssignals verwendet werden kann. Diese Doppelfunktion der Zündelektrode erfordert einen gewissen Aufwand zur Umschaltung und verlängert auch nicht die Lebensdauer der eigentlichen lonisationselektrode. Auch kann die Zündelektrode aufgrund ihrer Funktion zum Zünden nicht auf die Bedürfnisse einer lonisationsmessung angepasst werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu überwinden. Im Fokus steht insbesondere die Schaffung eines redundanten und/oder gegen Messfehler und Ausfälle unempfindlichen Konzepts zum Messen einer Ionisation in einem Flammenbereich in einem Verbrennungsraum eines Vormischbrenners.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und eine Vorrichtung sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
  • Hierzu trägt eine Anordnung zum Messen einer Ionisation in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes bei, dem ein Brenngas-Luft-Gemisch zuführbar ist und in dem dieses Gemisch verbrannt werden kann. Weiter sind außer einer Zündelektrode (sofern nicht ein Glühzünder verwendet wird) und/oder einer Masseelektrode mindestens zwei Ionisationselektroden zur Messung der Ionisation vorhanden, wobei die beiden Ionisationselektroden (15, 16) jeweils einzeln mit (mindestens) einer Auswerteelektronik (12) verbunden oder verbindbar sind, so dass ihre lonisationssignale getrennt ausgewertet werden können.
  • Die Anordnung umfasst also zumindest eine Zündelektrode oder eine Masseelektrode und zusätzlich mindestens zwei Ionisationselektroden zur Messung der Ionisation. Das bedeutet, dass die beiden Ionisationselektroden keine Funktion bei der Zündung eines Verbrennungsprozesses haben, sondern nur für die lonisationsmessung vorhanden sind, unabhängig davon, ob noch andere Elektroden da sind und wie der Zündvorgang abläuft. Dies erlaubt es, fast alle aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannten Möglichkeiten zur Verlängerung der Lebensdauer (bzw. von Wartungsintervallen) und/oder der Verbesserung der Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit bei der Regelung von Vormischbrennern mit sogenanntem ionisationsbasiertem elektronischem Brenngas-Luft-Verbund zu verwirklichen, je nach den jeweiligen Anforderungen. Da eine lonisationselektrode im Flammenbereich einem Verschleiß und/oder einer Alterung unterliegt und deshalb möglicherweise in Intervallen ausgewechselt werden muss, erscheint es zunächst wenig wünschenswert, zwei solche Verschleißteile einzubauen. Überraschenderweise wiegt dieser Nachteil weniger schwer, wenn man berücksichtigt, welche Möglichkeiten das Vorhandensein von zwei Ionisationselektroden bietet.
  • Sind die beiden Ionisationselektroden jeweils einzeln mit einer (bevorzugt eigenen) Auswerteelektronik verbunden oder verbindbar, so können ihre Ionisationssignale getrennt ausgewertet werden. Dies erhöht die Redundanz des gesamten Systems, da bei Ausfall einer beliebigen Komponente (lonisationselektrode, Leitungen, Auswerteelektronik) nicht das Heizgerät ausfällt. Darüber hinaus können die Messungen der Systeme miteinander verglichen und für Korrekturen oder eine Nachkalibrierung verwendet werden. Es ist aber auch möglich, die Ionisationselektroden abwechselnd mit einer einzigen Auswerteelektronik zu verbinden, wodurch der Aufwand geringer wird, obwohl die beschriebenen Vorteile großenteils erhalten bleiben.
  • In einer ersten Ausgestaltung sind zwei gleiche Ionisationselektroden vorhanden. Dies bedeutet keine erhöhten Anforderungen an Herstellung und Lagerhaltung, und auch das Auswechseln von zwei Teilen statt einem ist im Vergleich zu anderen Wartungsmaßnahmen nicht besonders aufwändig. Trotzdem erhöht diese Ausführung die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit eines Heizgeräts, da der Ausfall einer der Ionisationselektroden nicht zum Ausfall der ganzen Regelung führen muss. Zwei Ionisationselektroden ergeben zusammen ein stärkeres und zuverlässigeres Signal und erlauben auch einzeln einen Vergleich der gemessenen Werte und eine bessere Analyse von eventuellen Fehlern nach bekannten Verfahren zur Fehlererkennung oder Kalibrierung.
  • In einer anderen Ausführungsform sind zwei unterschiedliche Ionisationselektroden vorhanden. Dies erlaubt es, statt eines Kompromisses in Material, Position, Form und/oder Beschaltung zwei ganz oder teilweise unterschiedlich ausgelegte Messsysteme zu verwenden, wobei die Standzeit des Heizgeräts zwischen zwei Wartungen durch das haltbarere der beiden bestimmt wird (wobei nicht immer vorhersagbar ist, welches System das ist).
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Ionisationselektroden auch elektrisch miteinander verbindbar, so dass von ihnen ein gemeinsames lonisationssignal ableitbar ist. Dies kann für einen Normalbetrieb sinnvoll sein, so dass eine einzelne Auswertung der Messsignale beider Ionisationselektroden nur zu vorgebbaren Zeiten erfolgt, z.B. um eine Prüfung der Funktionen oder eine Nachkalibrierung vorzunehmen. Das Messsignal wird bei Zusammenschaltung stärker und weniger fehleranfällig.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind die beiden Ionisationselektroden an unterschiedlichen Positionen in Bezug auf einen Flammenbereich in dem Verbrennungsraum angeordnet. Dies erlaubt einfache Formen der Ionisationselektroden und gut zugängliche Einbauorte, wobei trotzdem ein repräsentatives Messsignal erreicht werden kann.
  • In einer besonderen Ausführungsform sind die beiden Ionisationselektroden mechanisch miteinander verbunden durch einen gemeinsamen Halter und/oder durch mindestens eine Verbindungsbrücke. Dies erlaubt sogar, beide Ionisationselektroden als Einheit auszubilden und in einer gemeinsamen Aktion auszutauschen, wodurch keine zusätzliche Arbeitszeit bei einer Wartung anfällt. Zwei parallel angeordnete mit mindestens einer Verbindungsbrücke versehene Ionisationselektroden haben eine erhöhte mechanische Stabilität, was bei Wartung und Betrieb von Vorteil ist.
  • Besonders bevorzugt bestehen die beiden Ionisationselektroden aus unterschiedlichen Materialien. Dadurch lassen sich Anforderungen bezüglich Messgenauigkeit und Haltbarkeit, die mit einer einzigen lonisationselektrode nicht gleichzeitig erfüllbar sind, dennoch erfüllen, was wiederum die Verfügbarkeit des Heizgeräts erhöht.
  • Bei einer speziellen Ausführungsform besteht eine der Ionisationselektroden aus einem zunderbeständigen Material und die andere aus einem nicht zunderbeständigen Material. Beispiele für beide Materialien und ihre Vor- und Nachteile sind im Stand der Technik bekannt, aber durch die Erfindung muss kein Kompromiss und keine Entscheidung für eines der Materialien gefunden werden.
  • Insbesondere wird vorgeschlagen, dass eine der Ionisationselektroden aus einem aluminiumhaltigen Material, z. B. einem hochtemperatur-korrosionsfesten Stahl, besteht und die andere lonisationselektrode kein oder weniger Aluminium enthält, z. B. aus einer Nickel-Chrom-Legierung besteht. So hat man eine lonisationselektrode, die im Betrieb eine (Aluminium-)Oxidschicht ausbildet, während die andere dies nicht tut. Das eröffnet z. B. Möglichkeiten, Zeitpunkte für eine notwendige Regenerierung der oxidierenden lonisationselektrode zu erkennen und andere Vorteile von zwei Systemen zu nutzen. Jedenfalls aber wird die Standzeit keinesfalls verkürzt gegenüber Anordnungen mit nur einer lonisationselektrode einer der beiden Arten, oft jedoch verlängert.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass viele Kombinationen der beschriebenen Ausführungsformen möglich sind und bestimmte Kombinationen der beschriebenen Ausführungsformen besonders vorteilhaft sein können, auch wenn dies nicht im Einzelnen erwähnt sein sollte.
  • Bei einem Verfahren zum Betrieb der oben beschriebenen Anordnungen wird zum Messen einer Ionisation in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes, dem ein Brenngas-Luft-Gemisch zuführbar ist und in dem dieses Gemisch verbrannt werden kann, die Ionisation mittels zwei zu diesem Zweck im Verbrennungsraum angeordneten Ionisationselektroden gemessen, deren Messignale getrennt abwechselnd von einer oder parallel von zwei Auswerteelektroniken verarbeitet und dann miteinander verglichen und/oder zusammengeführt werden. Dieses Verfahren ist redundant und dadurch sehr zuverlässig verfügbar und bietet auch die Möglichkeit einer gelegentlichen Nachkalibrierung.
  • Eine andere Ausführungsform betrifft ein Verfahren zum Messen einer Ionisation in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes, dem ein Brenngas-Luft-Gemisch zuführbar ist und in dem dieses Gemisch verbrannt werden kann, wobei die Ionisation mittels zwei zu diesem Zweck im Verbrennungsraum angeordneten Ionisationselektroden gemessen wird, deren Messsignale im periodischen oder episodischen Wechsel einer gemeinsamen Auswerteelektronik zugeführt werden, nach einem Wechsel miteinander verglichen und bei Bedarf zu einer Nachkalibrierung eines oder beider Messsignale genutzt werden. Dies bedeutet weniger Aufwand an Elektronik unter Beibehaltung der meisten Vorteile von zwei Ionisationselektroden.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft ein Verfahren, bei dem bei Erkennen eines Fehlers bei einer der Ionisationselektroden nur noch die andere für die Messung der Ionisation herangezogen wird. Man könnte dies als eine Art Notlaufprogramm bezeichnen, obwohl dabei immer noch die Qualität und Lebensdauer herkömmlicher Regelungen erreicht wird. Jedenfalls kann auf diese Weise das länger funktionierende von zwei System (von denen man vorher nicht unbedingt weiß, welches länger hält) benutzt werden, womit sich Wartungsintervalle verlängern bzw. die Zuverlässigkeit eines Heizgeräts verbessern lässt. Der Ausfall eines der Systeme kann beispielsweise auch eine Warnmeldung auslösen, so dass eine Wartung durchgeführt werden kann, bevor auch das zweite System ausfällt.
  • Die Erläuterungen zu den Verfahren können zur näheren Charakterisierung der Anordnungen herangezogen werden und umgekehrt. Die Anordnungen können auch so eingerichtet sein, dass damit eines der Verfahren durchgeführt wird.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass eine der beschriebenen Anordnungen die beschriebenen Verfahrensschritte ausführt. Die erwähnten Auswerteelektroniken und Kalibrierverfahren benötigen Daten und Programme für ihre Ausführung, die z. B. mittels eines erfindungsgemäßen Computerprogrammproduktes bereitgestellt oder aktualisiert werden können.
  • Schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise der Verfahren werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen schematisch dar:
    • Fig. 1:
    ein eingerichtetes Heizgerät,
    Fig. 2:
    eine erste Ausführungsform mit nur einer Auswerteelektronik,
    Fig. 3:
    eine zweite Ausführungsform mit zwei Auswerteelektroniken,
    Fig. 4:
    eine dritte Ausführungsform mit verbundenen Ionisationselektroden, und
    Fig. 5:
    eine vierte Ausführungsform mit in unterschiedlichen Positionen angeordneten Ionisationselektroden.
  • Fig. 1 zeigt schematisch ein eingerichtetes Heizgerät 1 mit einem Verbrennungsraum 2, in dem ein Brenner 3 angeordnet ist. Diesem Brenner 3 wird ein Brenngas-Luft-Gemisch 20 zugeführt, und zwar mittels eines Gebläses 7 über eine Luftzufuhr 6 und über eine Brenngaszufuhr 8 und ein Brenngasventil 9. Luft und Brenngas werden in einem Mischer 10, z. B. einer Venturidüse, zusammengeführt. Um das Brenngas-Luft-Gemisch 20 zünden zu können, ist eine Zündelektrode 13 vorhanden, manchmal auch eine Masseelektrode 14. Statt einer Zündelektrode 13 kann auch ein nicht dargestellter Glühzünder vorhanden sein. Das Brenngas-Luft-Gemisch 20 tritt aus Brenneröffnungen 5 (Düsen) in den Verbrennungsraum 2 ein und verbrennt dort nach Zündung in einem Flammenbereich 4. Dieser Flammenbereich 4 ist teilweise ionisiert, was mit mindestens einer ersten lonisationselektrode 15 und einer zweiten lonisationselektrode 16 in an sich bekannter Weise gemessen werden kann. Alle Ionisationselektroden 15, 16 haben eine elektrisch isolierende Durchführung 17, die gleichzeitig als Halterung dient. Beim Auswechseln wird eine lonisationselektrode 15, 16 mit Durchführung 17 ausgetauscht.
  • Die Signale der Ionisationselektroden 15, 16 werden einer Auswerteelektronik 12 zugeführt, die daraus abwechselnd jeweils mindestens ein lonisationssignal in einer von an sich bekannten verschiedenen Weisen ableitet. Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, dass zwei Ionisationselektroden 15, 16 vorhanden sind, die für lonisationsmessungen zur Verfügung stehen. Das lonisationssignal oder die lonisationssignale werden einer Elektronikeinheit 11 zugeführt, die das Heizgerät steuert und insbesondere das Brennstoff-Luft-Gemisch und die Leistung des Brenners 3 anhand der gemessenen Ionisation regelt. Dazu kann die Elektronikeinheit 11 das Gebläse 7 und/oder das Brenngasventil 9 verstellen. Diese Art der Versorgung eines Brenners 3 wird auch als ionisationsbasierter elektronischer Brenngas-Luft-Verbund bezeichnet. Die Auswerteelektronik 12 und die Elektronikeinheit 11 sind im Allgemeinen in einem einzigen Baustein mit elektronischen Speichern und einem Mikroprozessor integriert. Das Vorhandensein von mindestens zwei Ionisationselektroden 15, 16 lässt verschiedene Möglichkeiten der Verbesserung der Messqualität und/oder der Verfügbarkeit und Standzeit des lonisationsmesssystems zu. In den folgenden Figuren sind alle gleichen Bauteile mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen und nur die jeweils zum Verständnis erforderlichen eingezeichnet.
  • Fig. 2 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der die erste lonisationselektrode 15 und die zweite lonisationselektrode 16 über einen Umschalter 18 wahlweise mit einer gemeinsamen Auswerteelektronik 12 verbunden sind. Der Umschalter 18 wird periodisch oder bei Bedarf betätigt. Neben einem Vergleich der mit den einzelnen Ionisationselektroden 15, 16 gemessenen Signale und Feststellung eventueller Fehler ist auch eine gegenseitige Nachkalibrierung möglich und bei Ausfall einer der beiden eine Umschaltung auf die andere.
  • Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der jede lonisationselektrode 15, 16 eine eigene Auswerteelektronik 12 hat, deren Signale zusammengeführt werden, z. B. in der Elektronikeinheit 11. Diese Variante hat den zusätzlichen Vorteil, dass auch ein Ausfall in einer der Leitungen oder einem Teil einer Auswerteelektronik 12 nicht zu einem vollständigen Ausfall des Heizgerätes 1 führt.
  • An dieser Stelle sei erwähnt, dass die beiden Ionisationselektroden 15, 16 unabhängig von den hier dargestellten Möglichkeiten zur Anordnung auch aus unterschiedlichem Material bestehen oder auch in anderer Weise unterschiedlich sein können (Form, Dimensionierung, Zusammensetzung unterschiedlicher Abschnitte etc.), so dass aus dem Stand der Technik bekannte vorteilhafte Ausführungsformen auf eine oder beide Ionisationselektroden angewandt werden können. Insbesondere ist es möglich, eine der Ionisationselektroden 15, 16 aus einem zunderbeständigen Material, z. B. aluminiumhaltigem Stahl, herzustellen, die andere aber aus einem nicht zunderbeständigen Material, z. B. einer Nickel-Chrom-Legierung. So können die Vorteile verschiedener Bauarten durch die Erfindung miteinander kombiniert werden.
  • In Fig. 4 ist eine vierte Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Dabei sind die erste 15 und die zweite 16 lonisationselektrode zu einer Art Baueinheit verbunden, indem sie eine gemeinsame Durchführung/Halterung 17 und/oder mindestens eine Verbindungsbrücke 19 aufweisen. So lassen sie sich z. B. gemeinsam austauschen mit dem gleichen Aufwand wie bei einer einzelnen lonisationselektrode. Außerdem wird die Stabilität erhöht und das lonisationssignal stärker und weniger störanfällig. Auch diese Bauform kann Ionisationselektroden 15, 16 aus unterschiedlichen Materialien und/oder mit unterschiedlichen Dimensionierungen enthalten. Es wird aber bevorzugt nur eine Zuleitung und nur eine Auswerteelektronik 12 benötigt.
  • Fig. 5 veranschaulicht schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die erste 15 und die zweite 16 lonisationselektrode an unterschiedlichen Positionen im Verbrennungsraum 2 angeordnet sind. Dies kann z. B. Vorteile bei unterschiedlichen Leistungen des Brenners 3 haben oder auch bezüglich der Störanfälligkeit. Zusätzlich kann das Material der Ionisationselektroden 15, 16 an die jeweilige Einbauposition angepasst werden, um möglichst lange Standzeiten zu erreichen.
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt es, einen Brenngas-Luft-Verbund bei einem Heizgerät genau zu regeln, eine hohe Sicherheit gegen Störungen bei der lonisationsmessung und eine lange Standzeit ohne Wartung zu erreichen, wobei selbst bei einem Ausfall einzelner Komponenten ein Weiterbetrieb noch möglich ist.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizgerät
    2
    Verbrennungsraum
    3
    Brenner
    4
    Flammbereich
    5
    Brenneröffnungen (Düsen)
    6
    Luftzufuhr
    7
    Gebläse
    8
    Brenngaszufuhr
    9
    Brenngasventil
    10
    Mischer
    11
    Elektronikeinheit
    12
    Auswerteelektronik
    13
    Zündelektrode
    14
    Masseelektrode
    15
    Erste lonisationselektrode
    16
    Zweite lonisationselektrode
    17
    Durchführung (Halterung)
    18
    Umschalter
    19
    Verbindungsbrücke
    20
    Brenngas-Luft-Gemisch (Verbund)

Claims (13)

  1. Anordnung zum Messen einer Ionisation in einem Verbrennungsraum (2) eines Heizgerätes (1), dem ein Brenngas-Luftgemisch zuführbar ist und in dem dieses Gemisch verbrannt werden kann, wobei außer einer Zündelektrode (13) und/oder einer Masseelektrode (14) mindestens zwei Ionisationselektroden (15, 16) zur Messung der Ionisation vorhanden sind und wobei die beiden Ionisationselektroden (15, 16) jeweils einzeln mit einer Auswerteelektronik (12) verbunden oder verbindbar sind, so dass ihre Ionisationssignale getrennt ausgewertet werden können.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei zwei gleiche Ionisationselektroden (15, 16) vorhanden sind.
  3. Anordnung nach Anspruch 1, wobei zwei unterschiedliche Ionisationselektroden (15, 16) vorhanden sind.
  4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Ionisationselektroden (15, 16) elektrisch miteinander verbindbar sind, so dass von ihnen ein gemeinsames lonisationssignal ableitbar ist.
  5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Ionisationselektroden (15, 16) an unterschiedlichen Positionen in Bezug auf einen Flammenbereich (4) in dem Verbrennungsraum (2) angeordnet sind.
  6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die beiden Ionisationselektroden (15, 16) mechanisch miteinander verbunden sind durch einen gemeinsamen Halter (17) und/oder durch mindestens eine Verbindungsbrücke (19).
  7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Ionisationselektroden (15, 16) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
  8. Anordnung nach Anspruch 7, wobei eine lonisationselektrode (15) aus einem zunderbeständigen Material ist und die andere (16) aus einem nicht zunderbeständigen Material.
  9. Anordnung nach Anspruch 8, wobei eine lonisationselektrode (15) aus einem aluminiumhaltigen Material besteht und die andere lonisationselektrode (16) kein oder weniger Aluminium enthält.
  10. Verfahren zum Messen einer Ionisation in einem Verbrennungsraum (2) eines Heizgerätes (1), dem ein Brenngas-Luft-Gemisch (20) zuführbar ist und in dem dieses Gemisch verbrannt werden kann, wobei die Ionisation mittels zwei zu diesem Zweck im Verbrennungsraum (2) angeordneten Ionisationselektroden (15, 16) gemessen wird, deren Messignale getrennt abwechselnd von einer oder parallel von zwei Auswerteelektroniken (12) verarbeitet und dann miteinander verglichen und/oder zusammengeführt werden.
  11. Verfahren zum Messen einer Ionisation in einem Verbrennungsraum (2) eines Heizgerätes (1), dem ein Brenngas-Luft-Gemisch (20) zuführbar ist und in dem dieses Gemisch verbrannt werden kann, wobei die Ionisation mittels zwei zu diesem Zweck im Verbrennungsraum angeordneten Ionisationselektroden (15, 16) gemessen wird, deren Messsignale im periodischen oder episodischen Wechsel einer gemeinsamen Auswerteelektronik (12) zugeführt werden, nach einem Wechsel miteinander verglichen und bei Bedarf zu einer Nachkalibrierung eines oder beider Messsignale genutzt werden.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei bei Erkennen eines Fehlers bei einer der Ionisationselektroden (15, 16) nur noch die andere (16, bzw. 15) für die Messung der Ionisation herangezogen wird.
  13. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 die Verfahrensschritte gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12 ausführt.
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