EP4023941B1 - Anordnungen und verfahren zum messen einer ionisation in einem verbrennungsraum eines vormisch-brenners - Google Patents
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- EP4023941B1 EP4023941B1 EP21206462.0A EP21206462A EP4023941B1 EP 4023941 B1 EP4023941 B1 EP 4023941B1 EP 21206462 A EP21206462 A EP 21206462A EP 4023941 B1 EP4023941 B1 EP 4023941B1
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Definitions
- the invention is in the field of controlling a fuel 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 a building.
- a heating device in particular a combustion chamber in a heating device for hot water preparation or heating a building.
- an ionization measurement is carried out in a flame area, particularly in many heating devices. Such measurements are intended to enable stable control over long periods of time, which is why it may be necessary to detect slow changes in the measuring system and to carry out recalibration.
- the respective actual value of the ionization in the flame area is determined by means of an ionization electrode, which is proportional to the lambda value currently present, so that this can be derived from the ionization measurement.
- an alternating voltage is applied to the ionization electrode, whereby the flame area ionized in the presence of flames has a rectifying effect, so that an ionization signal mainly only flows during one half-wave of the alternating current.
- This current or a proportional voltage signal derived from it hereinafter referred to as the ionization signal, is measured and, if necessary, processed as an ionization signal after digitization in an analog/digital converter.
- the lambda value can be measured via calibration and regulated to a setpoint value using a control loop.
- the The supply of air and/or fuel gas is changed by suitable actuators until the desired setpoint value for lambda is reached.
- lambda must remain small enough to ensure stable combustion.
- the control can be carried out in particular via a valve for the supply of fuel gas and/or a fan for the supply of ambient air.
- an ignition electrode can be used temporarily as an ionization electrode, whereby 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 does not extend the service life of the actual ionization electrode.
- the ignition electrode cannot be adapted to the needs of an ionization measurement due to its ignition function.
- the EP 2 821 705 A1 relates to a method and a device for determining a calorific value for the calorific value of a gaseous fuel, wherein the device is intended to make do with simple means and to enable a quick and reliable calorific value determination.
- a determination unit is provided with which at least one sensor signal of the calorific value sensor arrangement and thus the ionization signal is transmitted.
- a calorific value is determined that indicates the calorific value of the gaseous fuel.
- the ionization signal or the ionization current is determined for this purpose in particular at at least one or at several predetermined air ratio values.
- the ionization in the test combustion chamber at a predetermined air ratio is characteristic of the calorific value.
- the calorific value can be derived from this in the determination unit.
- JP 2011 133116 A discloses a combustion device that can prevent erroneous detection during cold start and can accurately detect a combustion state, such as a flame lift, based on an oxygen deficiency state.
- a flame outlet and a plurality of detection devices for detecting the combustion state of the flame are provided.
- a first detection means is provided which is provided at a position at a first distance from the flame outlet, and at least one second detection means at a position with a second distance which is smaller than the first distance.
- the detection means can detect a flame flow.
- the object of the present invention is to at least partially overcome the problems described with reference to the prior art.
- the focus is in particular on creating a redundant and/or insensitive to measurement errors and failures concept for measuring ionization in a flame region in a combustion chamber of a premix burner.
- a fuel gas-air mixture can be fed and in which this mixture can be burned.
- an ignition electrode if a glow plug is not used
- a ground electrode at least two Ionization electrodes are present for measuring the ionization, wherein the two ionization electrodes (15, 16) are each individually connected or connectable to (at least) one evaluation electronics (12) so that their ionization signals can be evaluated separately.
- the arrangement therefore comprises at least one ignition electrode or a ground electrode and at least two ionization electrodes for measuring the ionization.
- the two ionization electrodes have no function in igniting a combustion process, but are only there for ionization measurement, regardless of whether other electrodes are present and how the ignition process takes place.
- This makes it possible to implement almost all of the possibilities known in principle from the state of the 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 fuel gas-air combination, depending on the respective requirements.
- the two ionization electrodes are each individually connected to (preferably separate) evaluation electronics, or can be connected, their ionization signals can be evaluated separately. This increases the redundancy of the entire system, since if any component (ionization electrode, cables, evaluation electronics) fails, the heater does not fail.
- the measurements of the systems can be linked to each other. compared and used for corrections or recalibration. It is also possible to connect the ionization electrodes alternately to a single evaluation electronics, which reduces the effort, although the described advantages are largely retained.
- the two ionization electrodes are made of different materials. This means that requirements regarding measurement accuracy and durability that cannot be met simultaneously with a single ionization electrode can still be met, which in turn increases the availability of the heater.
- One of the ionization electrodes is made of a scale-resistant material and the other of a non-scale-resistant material. Examples of both materials and their advantages and disadvantages are known in the prior art, but the invention means that no compromise or decision for one of the materials has to be made.
- two different ionization electrodes are present. This allows two completely or partially differently designed measuring systems to be used instead of a compromise in material, position, shape and/or wiring, with the service life of the heater between two maintenance sessions being determined by the more durable of the two (although it is not always possible to predict which system this is).
- 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 predefined times. e.g. to test the functions or to carry out a recalibration. The measuring signal becomes stronger and less susceptible to errors when connected.
- the two ionization electrodes are arranged at different positions in relation to a flame region in the combustion chamber. This allows simple shapes of the ionization electrodes 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 allows both ionization electrodes to be designed as a unit and replaced in one go, which means that no additional working time is required 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.
- one of the ionization electrodes be made of a material containing aluminum, e.g. a high-temperature corrosion-resistant steel, and the other ionization electrode contain no or less aluminum, e.g. be made of a nickel-chromium alloy.
- the service life is by no means shortened compared to arrangements with only one ionization electrode of either type, but is often extended.
- the ionization is measured using two ionization electrodes arranged in the combustion chamber for this purpose, the measurement signals of which are processed separately and alternately by one or in parallel by two evaluation electronics and then compared with one another and/or combined.
- This method is redundant and therefore very reliably available and also offers the possibility of occasional recalibration.
- Another embodiment relates to a method for measuring ionization in a combustion chamber of a heater with the arrangements described above, to which a fuel gas-air mixture can be fed and in which this mixture can be burned, wherein the ionization is measured by means of two ionization electrodes arranged in the combustion chamber for this purpose, the measurement signals of which are fed to a common evaluation electronics in periodic or episodic alternation, compared with one another after an alternation and used, if necessary, to recalibrate one or both measurement signals.
- a preferred embodiment relates to a method in which, if a fault is detected in one of the ionization electrodes, only the other one is used to measure the ionization
- the failure of one of the systems can also trigger a warning message, for example, so that maintenance can be carried out before the second system fails too.
- the explanations of the methods can be used to characterize the arrangements in more detail and vice versa.
- the arrangements can also be set up in such a way that one of the methods is carried out.
- the invention also relates to a computer program product comprising instructions that cause one of the described arrangements to carry out the described method steps.
- the evaluation electronics and calibration methods mentioned require data and programs for their execution, which can be provided or updated, for example, by means of a computer program product according to the invention.
- Fig.1 shows a schematic of a set-up heating device 1 with a combustion chamber 2 in which a burner 3 is arranged.
- a fuel gas-air mixture 20 is fed to this burner 3 by means of a fan 7 via an air supply 6 and via a fuel gas supply 8 and a fuel gas valve 9. Air and fuel gas are brought together in a mixer 10, e.g. a Venturi nozzle.
- a mixer 10 e.g. a Venturi nozzle.
- an ignition electrode 13 is present, sometimes also a ground electrode 14. Instead of an ignition electrode 13, a glow plug igniter (not shown) can also be present.
- the fuel gas-air mixture 20 enters the combustion chamber 2 from burner openings 5 (nozzles) and burns there after ignition in a flame region 4.
- This flame region 4 is partially ionized, which can be measured in a known manner using at least a first ionization electrode 15 and a second ionization electrode 16. All ionization electrodes 15, 16 have an electrically insulating bushing 17, which also serves as a holder. When replacing, an ionization electrode 15, 16 is replaced with bushing 17.
- the signals of the ionization electrodes 15, 16 are fed to an evaluation electronics 12, which alternately derives at least one ionization signal from them in one of the various ways known per se. It is essential for the present invention that two ionization electrodes 15, 16 are present, which are used for ionization measurements.
- the ionization signal or signals are fed to an electronic unit 11, which controls the heater and in particular regulates the fuel-air mixture and the output of the burner 3 based on the measured ionization. To do this, the electronic unit 11 can adjust the fan 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 fuel gas-air combination.
- the evaluation electronics 12 and the electronic 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 possibilities for improving the measurement quality and/or the availability and service life of the ionization measuring system.
- all the same components are given the same reference numerals as in Fig.1 and only those necessary for understanding are shown.
- Fig. 2 shows schematically a first embodiment of the invention, in which the first ionization electrode 15 and the second ionization electrode 16 are optionally connected to a common evaluation electronics 12 via a switch 18.
- the switch 18 is operated periodically or when required. In addition to comparing the signals measured with the individual ionization electrodes 15, 16 and determining any errors, mutual recalibration is also possible and if one of the two fails, switching to the other is possible.
- Fig.3 shows a second embodiment of the invention, in which each ionization electrode 15, 16 has its own evaluation electronics 12, the signals of which are combined, e.g. in the electronics unit 11.
- This variant has the additional advantage that even a failure in one of the lines or part of an evaluation electronics 12 does not lead to a complete failure of the heating device 1.
- the two ionization electrodes 15, 16 are made of different materials or can also be different in other ways (shape, dimensions, composition of different sections, etc.), so that advantageous embodiments known from the prior art can be applied to one or both ionization electrodes.
- it is intended to manufacture one of the ionization electrodes 15, 16 from a scale-resistant material, e.g. aluminum-containing steel, while the other is made from a non-scale-resistant material, e.g. a nickel-chromium alloy.
- a scale-resistant material e.g. aluminum-containing steel
- a non-scale-resistant material e.g. a nickel-chromium alloy.
- FIG.4 A fourth embodiment of the invention is shown schematically.
- the first 15 and the second 16 ionization electrodes are connected to form a type of structural unit by having a common leadthrough/holder 17 and/or at least one connecting bridge 19.
- they can be replaced together with the same effort as with a single ionization electrode.
- 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.5 schematically illustrates a further embodiment of the invention, in which the first 15 and the second 16 ionization electrodes are arranged at different positions in the combustion chamber 2.
- This can have advantages, for example, with different outputs of the burner 3 or with regard to susceptibility to faults.
- 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 regulate a fuel gas-air combination in a heater, to achieve a high level of security against disturbances in the ionization measurement and a long service life without maintenance, whereby continued operation is still possible even if individual components fail.
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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 Ionisationsmessung 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 lonisation im Flammenbereich ermittelt, der proportional dem gerade vorliegenden Lambda-Wert ist, so dass dieser aus der Ionisationsmessung 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 Ionisationsmessung und zu deren Benutzung zur Regelung sind beispielsweise aus der
EP 0 770 824 B1 und derEP 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 lonisationselektroden 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 lonisationselektroden sind beispielsweise in derDE 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 Ionisationsmessung 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 Ionisationsmessung angepasst werden. - Die
EP 2 821 705 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Brennwertgröße für den Brennwert eines gasförmigen Brennstoffs, wobei die Vorrichtung mit einfachen Mitteln auskommen und eine schnelle und sichere Brennwertermittlung ermöglichen soll. Hierfür ist eine Ermittlungseinheit vorgesehen, mit der das wenigstens ein Sensorsignal der Brennwertsensoranordnung und mithin das lonisationssignal übermittelt wird. Abhängig vom lonisationssignal, welches ggf. auch mittels mehrere lonisationssensoren gewonnen werden kann, wird eine Brennwertgröße ermittelt, die den Brennwert des gasförmigen Brennstoffes angibt. Das lonisationssignal bzw. der lonisationsstrom wird hierfür insbesondere bei wenigstens einem oder bei mehreren vorgegebenen Luftzahlwerten ermittelt. Die Ionisation in der Testbrennkammer bei einer vorgegebenen Luftzahl ist charakteristisch für den Heizwert. Daraus kann in der Ermittlungseinheit die Brennwertgröße abgeleitet werden. -
JP 2011 133116 A - 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 lonisation 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 lonisation 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 lonisationselektroden zur Messung der Ionisation vorhanden, wobei die beiden lonisationselektroden (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 lonisationselektroden zur Messung der lonisation. Das bedeutet, dass die beiden lonisationselektroden keine Funktion bei der Zündung eines Verbrennungsprozesses haben, sondern nur für die Ionisationsmessung 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 lonisationselektroden bietet.
- Sind die beiden lonisationselektroden jeweils einzeln mit einer (bevorzugt eigenen) Auswerteelektronik verbunden oder verbindbar, so können ihre lonisationssignale 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 lonisationselektroden abwechselnd mit einer einzigen Auswerteelektronik zu verbinden, wodurch der Aufwand geringer wird, obwohl die beschriebenen Vorteile großenteils erhalten bleiben.
- Die beiden lonisationselektroden bestehen 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. Dabei besteht eine der lonisationselektroden 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.
- In einer anderen Ausführungsform sind zwei unterschiedliche lonisationselektroden 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 lonisationselektroden 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 lonisationselektroden 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 lonisationselektroden an unterschiedlichen Positionen in Bezug auf einen Flammenbereich in dem Verbrennungsraum angeordnet. Dies erlaubt einfache Formen der lonisationselektroden und gut zugängliche Einbauorte, wobei trotzdem ein repräsentatives Messsignal erreicht werden kann.
- In einer besonderen Ausführungsform sind die beiden lonisationselektroden mechanisch miteinander verbunden durch einen gemeinsamen Halter und/oder durch mindestens eine Verbindungsbrücke. Dies erlaubt sogar, beide lonisationselektroden 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 lonisationselektroden haben eine erhöhte mechanische Stabilität, was bei Wartung und Betrieb von Vorteil ist.
- Insbesondere wird vorgeschlagen, dass eine der lonisationselektroden 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 lonisation 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 lonisationselektroden 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 lonisation in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes mit der oben beschriebenen Anordnungen, 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 lonisationselektroden 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 lonisationselektroden.
- Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft ein Verfahren, bei dem bei Erkennen eines Fehlers bei einer der lonisationselektroden nur noch die andere für die Messung der lonisation 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 lonisationselektroden, und
- Fig. 5:
- eine vierte Ausführungsform mit in unterschiedlichen Positionen angeordneten lonisationselektroden.
-
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 lonisationselektroden 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 lonisationselektroden 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 lonisationselektroden 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 lonisation 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 lonisationselektroden 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 lonisationselektroden 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 lonisationselektroden 15, 16 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 lonisationselektroden angewandt werden können. Insbesondere ist vorgesehen, eine der lonisationselektroden 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 lonisationselektroden 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 Ionisationsmessung und eine lange Standzeit ohne Wartung zu erreichen, wobei selbst bei einem Ausfall einzelner Komponenten ein Weiterbetrieb noch möglich ist.
-
- 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 (9)
- 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 lonisationselektroden (15, 16) zur Messung der lonisation vorhanden sind und wobei die beiden lonisationselektroden (15, 16) jeweils einzeln mit einer Auswerteelektronik (12) verbunden oder verbindbar sind, so dass ihre lonisationssignale getrennt ausgewertet werden können, dadurch gekennzeichnet, dass eine (15) der lonisationselektroden aus einem zunderbeständigen Material ist und die andere (16) aus einem nicht zunderbeständigen Material.
- Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden lonisationselektroden (15, 16) elektrisch miteinander verbindbar sind, so dass von ihnen ein gemeinsames lonisationssignal ableitbar ist.
- Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden lonisationselektroden (15, 16) an unterschiedlichen Positionen in Bezug auf einen Flammenbereich (4) in dem Verbrennungsraum (2) angeordnet sind.
- Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden lonisationselektroden (15, 16) mechanisch miteinander verbunden sind durch einen gemeinsamen Halter (17) und/oder durch mindestens eine Verbindungsbrücke (19).
- Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine lonisationselektrode (15) aus einem aluminiumhaltigen Material besteht und die andere lonisationselektrode (16) kein oder weniger Aluminium enthält.
- Verfahren zum Messen einer lonisation in einem Verbrennungsraum (2) eines Heizgerätes (1) mit einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, 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 lonisationselektroden (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.
- Verfahren zum Messen einer lonisation in einem Verbrennungsraum (2) eines Heizgerätes (1) mit einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, 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 lonisationselektroden (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.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei bei Erkennen eines Fehlers bei einer der lonisationselektroden (15, 16) nur noch die andere (16, bzw. 15) für die Messung der lonisation herangezogen wird.
- Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass bei Ausführung durch eine oder zwei Auswerteelektroniken (12) eines Heizgerätes (1) mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das Heizgerät (1) die Verfahrensschritte gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8 ausführt.
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