EP4075063A1 - Verfahren und anordnung zur akustischen beobachtung von flammen in einem verbrennungsraum eines heizgerätes - Google Patents

Verfahren und anordnung zur akustischen beobachtung von flammen in einem verbrennungsraum eines heizgerätes Download PDF

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EP4075063A1
EP4075063A1 EP22168154.7A EP22168154A EP4075063A1 EP 4075063 A1 EP4075063 A1 EP 4075063A1 EP 22168154 A EP22168154 A EP 22168154A EP 4075063 A1 EP4075063 A1 EP 4075063A1
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EP
European Patent Office
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microphone
combustion chamber
flames
starting point
sound
Prior art date
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EP22168154.7A
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English (en)
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EP4075063B1 (de
Inventor
Klaus Richter
Andreas Reinert
Arnold Wohlfeil
Sven Hanfland
Bodo Oerder
Jörg Tomczak
Frank Altendorf
Frank Salg
Jochen Grabe
Michael Paul
Carolin Feldmann
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/16—Systems for controlling combustion using noise-sensitive detectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2229/00—Flame sensors

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for observing flames in a heating device, in particular one that can be operated with hydrogen and/or a fuel gas containing hydrogen.
  • Hydrogen as a fuel gas or as an admixture to fuel gases is becoming more and more important, and great efforts are being made to upgrade new or existing heating devices for operation with it. It is not only a question of large systems, but also of wall-mounted units for heating water and, in general, heaters for heating buildings and/or providing hot water.
  • the combustion of hydrogen differs from previously used fuel gases in several respects, in particular a hydrogen flame is almost invisible to the human eye, radiates less heat than flames produced with carbonaceous fuels and requires different measuring systems than hydrocarbon fuel heaters.
  • the present invention is therefore particularly, but not only, suitable for heating devices that are operated with pure hydrogen or with fuel gas that consists of more than 50%, in particular more than 97%, hydrogen.
  • the object of the present invention is to at least partially solve the problems described with reference to the prior art.
  • methods and arrangements for the acoustic observation of flames or combustion processes in a combustion chamber of a heater are to be created, which are suitable for use as a flame monitor and/or for controlling combustion, with the arrangement being simple and suitable for everyday operation of a heater.
  • the type of sound signal analysis can include a propagation time and/or noise pattern recognition, as detailed below.
  • a method for observing or monitoring flames in a combustion chamber of a heater contributes in particular to this, in which the transit time of a sound signal from a starting point to at least one microphone is determined and the sound signal on its way from the starting point to the microphone is at least partially passed through one of the Flame heatable hot area runs.
  • the principle of the method uses the dependence of the speed of sound in a gas on its temperature. The higher the temperature, the greater the speed of sound. Changes in the chemical composition can be ignored or compensated for in the present case.
  • a sound signal needs less time from a given starting point to the microphone if combustion takes place in an area (hot area) on its way, which (significantly) increases the temperature there, than if no combustion takes place, i.e. no flames are present are. This effect can be used to reliably detect the presence of flames (in the manner of a flame monitor). Many types of sound can be used for this method.
  • Periodic sound waves are the easiest to process because they show a phase shift when a flame is ignited or extinguished, which is a very simple and quick form of time-of-flight measurement.
  • Such periodic noises can also z. B. caused by a fan or other components of the heater and used for the measurement.
  • the sound signal is preferably generated by at least one (separate) sound generator (e.g. a loudspeaker).
  • a sound generator e.g. a loudspeaker. This enables the sound signal to be emitted with a predetermined signal form, signal strength and/or frequency, which can easily be compared with the signals measured by the microphone, as a result of which the propagation time and/or a phase shift can be measured or determined.
  • the sound signal is generated upstream of the combustion chamber in a cold area through which air and/or fuel gas can flow.
  • the sound signal can therefore be emitted from the cold area to the hot area.
  • non-heat-resistant materials can also be used for the sound generator and any maintenance of this sound generator is easier than in the hot area.
  • the at least one microphone is preferably arranged in and/or downstream of the combustion chamber so that at least part of the path of the sound signal runs through a hot region. In particular, therefore, the sound signal is detected or received in an area in and/or downstream of the combustion chamber.
  • a value for the runtime is determined during the procedure.
  • This value can be compared with at least one reference value, for example a stored or (previously) determined reference value.
  • the comparison can (currently) be used to assess whether there has been a (significant) reduction and/or (significant) extension of the term.
  • conclusions can be drawn about ignition from a shortening of the running time and/or from a lengthening of the running time to the extinction of flames.
  • the (determined) running time of a sound signal can even be used to deduce a temperature in the hot area, which not only enables a qualitative statement to be made about the presence of flames, but also a quantitative statement about the temperature and thus about the performance of the heater and/or the ratio of air to fuel gas.
  • the measurement can therefore also be used to control a combustion process, at least when the temperature or the ratio of air to fuel gas is known from other measurements.
  • the microphone can be used to record noises and/or noise patterns, which are compared to known noises or noise patterns, thereby providing information about the ignition and/or extinguishing of flames and/or the condition of the heater and /or properties of a combustion process in the combustion chamber can be obtained.
  • Method for observing or monitoring flames in a combustion chamber of a heater, with sound signals (noises and/or noise patterns) from the combustion chamber being recorded with at least one microphone and with these noises and/or noise patterns being used for an (automatic) assessment of the Flame state, the operating state of the heater and / or the combustion process are used.
  • Heaters produce very typical noises when they are ignited and when they are operated in different operating states, so that a lot of information can be obtained from the sound signals picked up by the microphone using advanced pattern recognition processes (similar to those of speech recognition). If other sensors or sources of information are available for detecting operating conditions, such a system can be designed to be self-learning, so that recorded patterns can be assigned more and more precisely to specific events or operating conditions and z. B. can be used for a plausibility check. A runtime measurement then takes a back seat or can even (at least temporarily) be omitted entirely. This makes it possible, for example, to recognize very specific noise patterns that occur in the heater during an ignition sequence that leads to correct ignition, and to infer the presence of flames from this. The same can be done with other events and states. Ambient noise and other external interference can be filtered out.
  • An arrangement for observing or monitoring flames in a combustion chamber of a heater also contributes to solving the problem, with at least one microphone being arranged in or downstream of the combustion chamber, which microphone can receive sound signals from a starting point and is connected to an evaluation unit that is set up is to determine and further process the transit time of the sound signals between the starting point and the microphone, and between the starting point and the microphone there is a hot area which can be heated by the flames and which the sound signals must pass through.
  • Sound signals from other sources can also be used, but the point in time at which the sound signal passes the starting point should then be determined (e.g. by another microphone).
  • At least one (separate, possibly set up for this method) sound generator is preferably present at the starting point as a sound source. This is controlled by an evaluation unit, so that the evaluation unit already contains information about the time at which a sound signal was emitted and/or about the frequency and phase of a periodic signal.
  • the starting point is arranged upstream of the combustion chamber in or on a cold area through which air and/or fuel gas can flow.
  • a sound signal fed in there propagates in the air and/or the fuel gas, reaches the burner and from there into the combustion chamber and through the hot area to the microphone.
  • the evaluation unit is preferably set up to deduce that flames have been ignited from a shortening of the running time and/or that flames have been extinguished from a lengthening of the running time.
  • the evaluation unit is set up to process noises or noise patterns picked up by the microphone and to compare them with stored noises or noise patterns and process them further.
  • the stored data can be predetermined or created through a learning process.
  • a further aspect also relates to a computer program product comprising instructions which cause the arrangement described to carry out the method described.
  • the evaluation of the measured data and their further use in the heater require a program and data for controlling the heater, both of which have to be updated from time to time.
  • the explanations for the method can be used for a more detailed characterization of the arrangement, and vice versa.
  • the arrangement can also be set up in such a way that the method is carried out with it.
  • Another aspect relates to the use of sound signals generated in the heater to provide information about the condition of the heater and/or properties of a combustion process in the combustion chamber.
  • the use of the sound signals as a flame monitor can be provided.
  • FIG. 1 shows schematically a heater 1 with an air supply 2 equipped with a fan 4 and conveying air to a burner 6.
  • FIG. Combustion gas is added to the air L via a combustion gas supply 3 with a combustion gas valve 5 .
  • the combustible gas/air mixture produced is ignited and burned in a combustion chamber 7 by means of an ignition device 10 .
  • the resulting exhaust gases give off most of their heat to you Heat exchanger 9 and are then discharged through an exhaust system 8 into the environment.
  • a control and regulation unit 11 controls each start of the heater 1 and the actual ignition process that takes place.
  • the control and regulation unit 11 controls the fan 4 and the fuel gas valve 5 via data lines 13.
  • An ignition line 14 connects the control and regulation unit 11 to the ignition device 10, in most cases an ignition electrode for generating ignition sparks.
  • a microphone 16 is arranged in or downstream of the combustion chamber 7, which is connected to an evaluation unit 12 via a measuring line 15.
  • the evaluation unit 12 also controls a sound generator 17 via a signal line 18, e.g. B. a speaker that generates a sound signal, preferably a periodic one.
  • a sound generator 17 e.g. B. a speaker that generates a sound signal, preferably a periodic one.
  • This is fed into a cold area 20 at a feed 19 and generates sound waves there, which propagate at a first speed of sound in the air and/or fuel gas that is present in this cold area 20 . They reach the burner 6 and from there into the combustion chamber 7. If no combustion is taking place, this speed of sound does not change and the sound waves reach the microphone 16 after a basic transit time.
  • the basic transit time is determined in the evaluation unit.
  • the phase of the waves can also be determined for periodic sound waves. If flames 22 now ignite in the combustion chamber 7, a hot area 21 is created by the heat released. In this hot area 21 there is a second, higher speed of sound since the speed of sound in a gas increases with temperature. As a result, the runtime of the signal is shorter than the base runtime, which can be measured and allows a reliable conclusion to be drawn as to the presence of flames 22 . If the phases of a periodic signal are observed, a phase shift results when the flames 22 are ignited, which is also (or alternatively) measured can. When the flames 22 are extinguished, the process is reversed, which also allows a reliable conclusion to be drawn about the extinguishing. It is therefore possible to implement an acoustic flame monitor. A quantitative determination of the temperature in the hot area 21 can also be carried out in this way.
  • the sound generator 17 can be dispensed with if there are other (periodic) sound waves (e.g. caused by the blower 4 and/or the burner 6) whose transit time or phase can be measured.
  • a microphone 16 is sufficient as instrumentation, in particular for observing the phase of such sound waves.
  • the microphone 16 to generally record noises that the heating device 1 generates in different operating situations.
  • characteristic noises or noise patterns arise, which can be recognized and assigned by the evaluation unit 12.
  • the ignition of flames 22 or their extinguishing produce characteristic patterns that can be recognized.
  • a flame monitor can also be implemented in this way. If, as is usual with modern heaters, extensive sensor technology is available (at least during commissioning), noise pattern recognition can also be designed to be self-learning (similar to speech recognition), so that noise patterns can be better and better matched to specific states or events (a individual heater at its location). until the noise detection can be used as a flame monitor and/or for regulation or at least for a plausibility check of other measured data.
  • an ignition process can be acoustically monitored particularly well, since it generates many characteristic noises. From the start-up of the blower 4 to the opening of the fuel gas valve 5 to the cracking of ignition sparks, the ignition process can be monitored very precisely acoustically. Ignition should then take place in a specific time interval after detection of ignition sparks, so that attention must be paid to a characteristic noise (pattern) for the ignition of flames 22 in this time interval. If the evaluation unit 12 does not recognize this noise within the time interval, the ignition process is aborted. This can be accomplished with modern electronics within the short time required for (safety-relevant) flame monitors.
  • the present invention makes it possible to implement an acoustic flame monitor and the measurement of other variables that are important for regulation with simple and robust instrumentation on a heating device, in particular one operated with hydrogen or a fuel gas containing hydrogen.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Beobachten oder Überwachen von Flammen (22) in einem Verbrennungsraum (7) eines Heizgerätes (1), wobei eine Laufzeit eines Schallsignals von einem Ausgangspunkt zu mindestens einem Mikrofon (16) bestimmt wird und wobei das Schallsignal auf seinem Weg von dem Ausgangspunkt zum Mikrofon (16) zumindest teilweise durch einen von den Flammen (22) erhitzbaren Heiß-Bereich (21) verläuft. Insbesondere wird das Mikrofon (16) zur Aufnahme von Geräuschen oder Geräuschmustern genutzt, die mit bekannten Geräuschen oder Geräuschmustern verglichen werden, wodurch Informationen über den Zustand des Heizgerätes (1) und/oder Eigenschaften eines Verbrennungsprozesses im Verbrennungsraum (7) gewonnen werden. Die Erfindung erlaubt es, mit einer einfachen und robusten Instrumentierung an einem Heizgerät, insbesondere einem mit Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Brenngas betriebenen, einen akustischen Flammenwächter und die Messung anderer für eine Regelung wichtiger Größen zu verwirklichen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Beobachtung von Flammen in einem Heizgerät, insbesondere einem das mit Wasserstoff und/oder einem wasserstoffhaltigen Brenngas betreibbar ist. Wasserstoff als Brenngas oder als Beimischung zu Brenngasen wird immer wichtiger, und es werden große Anstrengungen unternommen, neue oder auch existierende Heizgeräte für einen Betrieb damit zu ertüchtigen. Dabei geht es nicht nur um große Anlagen, sondern auch um Wandgeräte zur Erwärmung von Wasser und generell um Heizgeräte für die Beheizung von Gebäuden und/oder die Bereitstellung von warmem Wasser.
  • Wasserstoff unterscheidet sich bei seiner Verbrennung in mehreren Punkten von bisher verwendeten Brenngasen, insbesondere ist eine Wasserstofflamme für das menschliche Auge fast unsichtbar, strahlt weniger Wärme ab als mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen erzeugte Flammen, und es werden andere Messsysteme benötigt als bei Heizgeräten für Brennstoffe aus Kohlenwasserstoffen. Die vorliegende Erfindung ist daher besonders, aber nicht nur geeignet für Heizgeräte, die mit reinem Wasserstoff oder mit Brenngas, das zu mehr als 50%, insbesondere mehr als 97% aus Wasserstoff besteht, betrieben werden.
  • In Heizgeräten werden bisher im Allgemeinen einfache und robuste Sensoren eingesetzt, um die Heizgeräte zu regeln und deren sicheren Betrieb zu gewährleisten. Mit bisher üblicher Sensorik lassen sich jedoch bei Verwendung von Wasserstoff als Brenngas manche Messungen nicht zuverlässig durchführen. Eine wichtige Aufgabe ist das Feststellen des Vorhandenseins einer stabilen Flamme (ein sogenannter Flammenwächter), eine andere die Einstellung eines für eine stabile und umweltschonende Verbrennung geeigneten Verhältnisses von Verbrennungsluft zu Brenngas (Lambda-Wert). Bisher werden für diese Aufgaben bei herkömmlichen Brenngasen meist lonisationsmesssysteme eingesetzt, die die Ionisation im Verbrennungsraum, insbesondere im Bereich von Flammen, messen und deren Messwerte für eine Beobachtung der Verbrennung (als Flammenwächter und zur Regelung der Verbrennung) verwendet werden können. Auch optische Systeme finden Anwendung. Diese Anwendungen finden aber aus den oben genannten Gründen ihre Grenzen bei Verbrennung von reinem Wasserstoff und auch schon bei Brennstoffen mit hohen Anteilen an Wasserstoff, so dass Alternativen gefunden werden müssen. Zwar ist es auch bekannt, Maschinen akustisch auf Fehler (z. B. Geräusche beim Zünden oder auf mechanisch verursachte Geräusche von beweglichen Teilen) zu überwachen, jedoch wurde keine für den Betrieb (Sicherheit oder Regelung) relevante akustische Beobachtung von Flammen vorgenommen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen. Insbesondere sollen Verfahren und Anordnungen zur akustischen Beobachtung von Flammen oder Verbrennungsprozessen in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes geschaffen werden, die sich zum Einsatz als Flammenwächter und/oder zur Regelung der Verbrennung eignen, wobei die Anordnung einfach und geeignet für einen Alltagsbetrieb eines Heizgerätes sein soll.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und eine Anordnung 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 der Zeichnung, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
  • Hierzu tragen Verfahren bei zum Beobachten oder Überwachen von Flammen in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes, wobei Schallsignale, welche ausgehend von einem Ausgangspunkt hin zu mindestens einem Mikrofon gesendet werden, bestimmt bzw. analysiert werden, wobei das Schallsignal auf seinem Weg von dem Ausgangspunkt zum Mikrofon zumindest teilweise durch einen von den Flammen erhitzbaren Heiß-Bereich verlaufen. Die Art der Schallsignalanalyse kann dabei eine Laufzeit- und/oder Geräuschmustererkennung umfassen, wie nachfolgend im Einzelnen ausgeführt.
  • Hierzu trägt insbesondere ein Verfahren bei zum Beobachten oder Überwachen von Flammen in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes, wobei eine Laufzeit eines Schallsignals von einem Ausgangspunkt zu mindestens einem Mikrofon bestimmt wird und wobei das Schallsignal auf seinem Weg von dem Ausgangspunkt zum Mikrofon zumindest teilweise durch einen von den Flammen erhitzbaren Heiß-Bereich verläuft.
  • Das Prinzip des Verfahrens nutzt die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in einem Gas von dessen Temperatur aus. Je höher die Temperatur ist, desto größer ist die Schallgeschwindigkeit. Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung können im vorliegenden Fall vernachlässigt oder kompensiert werden. Vereinfacht ausgedrückt braucht ein Schallsignal von einem vorgegebenen Ausgangspunkt bis zum Mikrofon weniger Zeit, wenn in einem Bereich (Heiß-Bereich) auf seinem Weg eine Verbrennung stattfindet, die die Temperatur dort (deutlich) erhöht, als wenn keine Verbrennung stattfindet, also keine Flammen vorhanden sind. Dieser Effekt kann zur zuverlässigen Erkennung des Vorhandenseins von Flammen (nach Art eines Flammenwächter) genutzt werden. Es lassen sich viele Arten von Schall für dieses Verfahren nutzen. Am einfachsten zu verarbeiten sind periodische Schallwellen, weil man bei diesen beim Zünden oder Erlöschen von Flammen eine Phasenverschiebung feststellen kann, was eine sehr einfache und schnelle Form der Laufzeitmessung ist. Solche periodischen Geräusche können auch z. B. durch ein Gebläse oder andere Komponenten des Heizgerätes entstehen und für die Messung verwendet werden.
  • Bevorzugt wird das Schallsignal von mindestens einem (separaten) Schallgenerator (z. B. einem Lautsprecher) erzeugt. Dies ermöglicht die Abgabe des Schallsignals mit einer vorgebbaren Signalform, Signalstärke und/oder Frequenz, die sich leicht mit den vom Mikrofon gemessenen Signalen vergleichen lässt, wodurch die Laufzeit und/oder eine Phasenverschiebung gemessen bzw. bestimmt werden können.
  • Insbesondere wird das Schallsignal stromaufwärts von dem Verbrennungsraum in einem von Luft und/oder Brenngas durchströmbaren Kalt-Bereich erzeugt. Insbesondere kann also das Schallsignal aus dem Kalt-Bereich hin zu dem Heiß-Bereich abgegeben werden. So können für den Schallgenerator auch nicht hitzebeständige Materialien verwendet werden und eine eventuelle Wartung dieses Schallgenerators ist leichter möglich als in dem Heiß-Bereich.
  • Das mindestens eine Mikrofon ist bevorzugt in und/oder stromabwärts von dem Verbrennungsraum angeordnet, damit zumindest ein Teil des Weges des Schallsignals durch einen Heiß-Bereich verläuft. Insbesondere wird also das Schallsignal in einem Bereich in und/oder stromabwärts von dem Verbrennungsraum erfasst bzw. empfangen.
  • Es ist möglich, dass während des Verfahrens ein Wert für die Laufzeit ermittelt wird. Dieser Wert kann mit mindestens einem Referenzwert, beispielsweise einem gespeicherten oder (vorher) ermittelten Referenzwert, verglichen werden. Aus dem Vergleich kann der (aktuell) eine Bewertung erfolgen, ob sich eine (wesentliche) Verkürzung und/oder (wesentliche) Verlängerung der Laufzeit ergeben hat. Dadurch kann aus einer Verkürzung der Laufzeit auf das Zünden und/oder aus einer Verlängerung der Laufzeit auf das Erlöschen von Flammen geschlossen werden.
  • Insbesondere kann aus der (ermittelten) Laufzeit eines Schallsignals sogar auf eine Temperatur in dem Heiß-Bereich geschlossen werden, was nicht nur eine qualitative Aussage über das Vorhandensein von Flammen ermöglicht, sondern auch eine quantitative Aussage über die Temperatur und damit über die Leistung des Heizgerätes und/oder das Verhältnis von Luft zu Brenngas. Die Messung kann daher auch zur Regelung eines Verbrennungsprozesses herangezogen werden, jedenfalls dann, wenn die Temperatur oder das Verhältnis von Luft zu Brenngas aus anderen Messungen bekannt sind.
  • Zusätzlich oder alternativ zu den bisher beschriebenen Messungen kann das Mikrofon zur Aufnahme von Geräuschen und/oder Geräuschmustern genutzt werden, die mit bekannten Geräuschen oder Geräuschmustern verglichen werden, wodurch Informationen über das Zünden und/oder Erlöschen von Flammen und/oder den Zustand des Heizgerätes und/oder Eigenschaften eines Verbrennungsprozesses im Verbrennungsraum gewonnen werden. Verfahren zum Beobachten oder Überwachen von Flammen in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes, wobei Schallsignale (Geräusche und/oder Geräuschmuster) aus dem Verbrennungsraum mit mindestens einem Mikrofon erfasst werden und wobei diese Geräusche und/oder Geräuschmuster für eine (automatischen) Bewertung des Flammenzustands, des Betriebszustandes des Heizgerätes und/oder des Verbrennungsvorgangs genutzt werden.
  • Heizgeräte erzeugen ganz typische Geräusche beim Zünden und beim Betrieb in unterschiedlichen Betriebszuständen, so dass mit fortgeschrittenen Mustererkennungsverfahren (ähnlich denen einer Spracherkennung) aus den vom Mikrofon aufgenommenen Schallsignalen viele Informationen gewonnen werden können. Wenn andere Sensoren oder Informationsquellen zur Erkennung von Betriebszuständen vorhanden sind, kann ein solches System selbstlernend ausgelegt werden, so dass aufgenommene Muster immer genauer bestimmten Ereignissen oder Betriebszuständen zugeordnet und z. B. zu einer Plausibilitätsprüfung herangezogen werden können. Eine Laufzeitmessung tritt dann in den Hintergrund oder kann sogar (zumindest zeitweise) ganz entfallen. So wird es beispielsweise möglich, ganz bestimmte Geräuschmuster, die beim Ablauf einer Zündsequenz, die zu einer korrekten Zündung führt, im Heizgerät entstehen, zu erkennen und daraus auf das Vorhandensein von Flammen zu schließen. Ähnliches kann mit anderen Ereignissen und Zuständen erfolgen. Umgebungsgeräusche und andere externe Störungen können dabei ausgefiltert werden.
  • Zur Lösung der Aufgabe trägt auch eine Anordnung bei zum Beobachten oder Überwachen von Flammen in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes, wobei in oder stromabwärts von dem Verbrennungsraum mindestens ein Mikrofon angeordnet ist, welches Schallsignale von einem Ausgangspunkt empfangen kann und mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, die eingerichtet ist, die Laufzeit der Schallsignale zwischen Ausgangspunkt und Mikrofon zu bestimmen und weiter zu verarbeiten und wobei zwischen Ausgangspunkt und Mikrofon ein von den Flammen erhitzbarer Heiß-Bereich liegt, der von den Schallsignalen durchlaufen werden muss.
  • Dazu ist es nicht unbedingt erforderlich, dass ein Schallsignal am Ausgangspunkt selbst erzeugt wird. Es können auch Schallsignale aus anderen Quellen (z. B. Gebläse) genutzt werden, allerdings sollte dann (z. B. durch ein weiteres Mikrofon) der Zeitpunkt festgestellt werden, zu dem das Schallsignal den Ausgangspunkt passiert.
  • Bevorzugt ist mindestens ein (separater, ggf. für dieses Verfahren eingerichteter) Schallgenerator am Ausgangspunkt als Schallquelle vorhanden. Dieser wird von einer Auswerteeinheit angesteuert, so dass in der Auswerteeinheit schon die Information über den Zeitpunkt der Aussendung eines Schallsignals und/oder über Frequenz und Phase eines periodischen Signals vorliegt.
  • Insbesondere ist der Ausgangspunkt stromaufwärts von dem Verbrennungsraum in oder an einem von Luft und/oder Brenngas durchströmbaren Kalt-Bereich angeordnet. Ein dort eingespeistes Schallsignal pflanzt sich in der Luft und/oder dem Brenngas fort, gelangt zum Brenner und von dort in den Verbrennungsraum und durch den Heiß-Bereich zum Mikrofon.
  • Dabei ist die Auswerteeinheit bevorzugt eingerichtet, aus einer Verkürzung der Laufzeit auf das Zünden und/oder aus einer Verlängerung der Laufzeit auf das Erlöschen von Flammen zu schließen.
  • Additiv oder alternativ ist die Auswerteeinheit eingerichtet, vom Mikrofon aufgenommene Geräusche oder Geräuschmuster zu verarbeiten und mit gespeicherten Geräuschen oder Geräuschmustern zu vergleichen und weiter zu verarbeiten. Die gespeicherten Daten können vorgegeben oder durch einen Lernprozess entstanden sein.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft auch ein Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Anordnung das beschriebene Verfahren ausführt. Die Auswertung der gemessenen Daten und deren weitere Verwendung im Heizgerät benötigen ein Programm und Daten für die Steuerung des Heizgerätes, wobei beides gelegentlich aktualisiert werden muss.
  • Die Erläuterungen zum Verfahren können zur näheren Charakterisierung der Anordnung herangezogen werden, und umgekehrt. Die Anordnung kann auch so eingerichtet sein, dass damit das Verfahren durchgeführt wird.
  • Ein anderer Aspekt betrifft die Verwendung von im Heizgerät erzeugten Schallsignalen zur Bereitstellung von Informationen über den Zustand des Heizgerätes, und/oder Eigenschaften eines Verbrennungsprozesses im Verbrennungsraum. Insbesondere kann die Verwendung der Schallsignale als Flammenwächter vorgesehen sein.
  • Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des Verfahrens werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar:
    • Fig. 1:
    ein Heizgerät mit Mikrofon zur akustischen Überwachung.
  • Fig. 1 zeigt schematisch ein Heizgerät 1 mit einer Luftzufuhr 2, die mit einem Gebläse 4 ausgestattet ist und Luft zu einem Brenner 6 befördert. Über eine Brenngaszufuhr 3 mit einem Brenngasventil 5 wird Brenngas der Luft L beigemischt. Das entstehende Brenngas-Luft-Gemisch wird mittels einer Zündeinrichtung 10 in einem Verbrennungsraum 7 gezündet und verbrannt. Entstehende Abgase geben den größten Teil ihrer Wärme an einen Wärmetauscher 9 ab und werden dann durch eine Abgasanlage 8 in die Umgebung abgeführt. Eine Steuer- und Regeleinheit 11, steuert jeden Start des Heizgerätes 1 und den dabei ablaufenden eigentlichen Zündvorgang. Die Steuer- und Regeleinheit 11 steuert über Datenleitungen 13 das Gebläse 4 und das Brenngasventil 5. Eine Zündleitung 14 verbindet die Steuer- und Regeleinheit 11 mit der Zündeinrichtung 10, in den meisten Fällen eine Zündelektrode zur Erzeugung von Zündfunken.
  • Zur akustischen Überwachung des Verbrennungsprozesses, insbesondere zur Erkennung von Flammen 22, ist ein Mikrofon 16 in oder stromabwärts von dem Verbrennungsraum 7 angeordnet, welches über eine Messleitung 15 mit einer Auswerteeinheit 12 verbunden ist. Die Auswerteeinheit 12 steuert auch über eine Signalleitung 18 einen Schallgenerator 17 an, z. B. einen Lautsprecher, der ein Schallsignal erzeugt, und zwar vorzugsweise ein periodisches. Dieses wird an einer Einspeisung 19 in einen Kaltbereich 20 eingespeist und erzeugt dort Schallwellen, die sich in Luft und/oder Brenngas, die in diesem Kaltbereich 20 vorhanden sind, mit einer ersten Schallgeschwindigkeit ausbreiten. So gelangen sie zum Brenner 6 und von dort in den Verbrennungsraum 7. Findet gerade keine Verbrennung statt, so ändert sich diese Schallgeschwindigkeit nicht und die Schallwellen erreichen nach einer Basislaufzeit das Mikrofon 16. Die Basislaufzeit wird in der Auswerteeinheit bestimmt. Es kann auch bei periodischen Schallwellen die Phase der Wellen bestimmt werden. Zünden nun Flammen 22 im Verbrennungsraum 7, so entsteht ein Heißbereich 21 durch die freiwerdende Wärme. In diesem Heißbereich 21 herrscht eine zweite größere Schallgeschwindigkeit, da die Schallgeschwindigkeit in einem Gas mit der Temperatur zunimmt. Die Laufzeit des Signals wird dadurch kürzer als die Basislaufzeit, was gemessen werden kann und einen sicheren Schluss auf das Vorhandensein von Flammen 22 zulässt. Werden die Phasen eines periodischen Signals beobachtet, so ergibt sich beim Zünden der Flammen 22 eine Phasenverschiebung, die ebenfalls (oder alternativ) gemessen werden kann. Beim Erlöschen der Flammen 22 ist der Ablauf umgekehrt, was ebenfalls einen sicheren Rückschluss auf das Erlöschen zulässt. Eine Realisierung eines akustischen Flammenwächters ist daher möglich. Auch eine quantitative Bestimmung der Temperatur im Heißbereich 21 ist auf diese Weise durchführbar.
  • Grundsätzlich kann auf den Schallgenerator 17 verzichtet werden, wenn es andere (periodische) Schallwellen gibt (z. b. vom Gebläse 4 und/oder vom Brenner 6 verursacht), deren Laufzeit oder Phase gemessen werden kann. Insbesondere zur Beobachtung der Phase solcher Schallwellen reicht ein Mikrofon 16 als Instrumentierung aus. Es kann aber auch beispielsweise ein (nicht dargestelltes) zusätzliches Mikrofon statt des Schallgenerators 17 eingesetzt werden, so dass die Laufzeit von besonders unterscheidbaren Schallsignalen zwischen zwei Mikrofonen bestimmt wird.
  • Schließlich ist es additiv oder alternativ auch möglich, mit dem Mikrofon 16 generell Geräusche aufzunehmen, die das Heizgerät 1 in unterschiedlichen Betriebssituationen erzeugt. Beim Zünden, Wechseln zwischen Lastzuständen, unterschiedlichen Drehzahlen des Gebläses 4 und/oder unterschiedlichen Einstellungen des Brenngasventils 5 entstehen charakteristische Geräusche bzw. Geräuschmuster, die von der Auswerteeinheit 12 erkannt und zugeordnet werden können. Insbesondere das Zünden von Flammen 22 oder deren Erlöschen erzeugen charakteristische Muster, die erkannt werden können. Auch so kann ein Flammenwächter realisiert werden. Wenn, wie bei modernen Heizgeräten üblich, eine umfangreiche Sensorik (zumindest während einer Inbetriebnahme) vorhanden ist, kann eine Geräuschmustererkennung auch selbstlernend (ähnlich wie bei einer Spracherkennung) ausgelegt werden, so dass im Laufe des Betriebes Geräuschmuster immer besser bestimmten Zuständen oder Ereignissen (eines individuellen Heizgerätes an seinem Standort) zugeordnet werden, bis die Geräuscherkennung als Flammenwächter und/oder zur Regelung oder zumindest zur Plausibilitätsprüfung anderer Messdaten eingesetzt werden kann.
  • So kann insbesondere ein Zündvorgang besonders gut akustisch überwacht werden, da er viele charakteristische Geräusche erzeugt. Vom Anlaufen des Gebläses 4 über das Öffnen des Brenngasventils 5 bis zum Knacken von Zündfunken kann der Zündvorgang genauestens akustisch überwacht werden. In einem bestimmten Zeitintervall nach Erkennen von Zündfunken sollte dann die Zündung erfolgen, so dass in diesem Zeitintervall auf ein charakteristisches Geräusch(muster) für das Zünden von Flammen 22 geachtet werden muss. Erkennt die Auswerteeinheit 12 dieses Geräusch nicht innerhalb des Zeitintervalls, wird der Zündvorgang abgebrochen. Dies lässt sich mit moderner Elektronik innerhalb der für (sicherheitsrelevante) Flammenwächter erforderlichen kurzen Zeit bewerkstelligen.
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt es, mit einer einfachen und robusten Instrumentierung an einem Heizgerät, insbesondere einem mit Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Brenngas betriebenen, einen akustischen Flammenwächter und die Messung anderer für eine Regelung wichtiger Größen zu verwirklichen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizgerät
    2
    Luftzufuhr
    3
    Brenngaszufuhr
    4
    Gebläse
    5
    Brenngasventil
    6
    (Vormisch-)Brenner
    7
    Verbrennungsraum
    8
    Abgasanlage
    9
    Wärmetauscher
    10
    Zündeinrichtung
    11
    Steuer- und Regeleinheit
    12
    Auswerteeinheit
    13
    Steuerleitungen
    14
    Zündleitung
    15
    Messleitung
    16
    Mikrofon
    17
    Schallgenerator (Lautsprecher)
    18
    Signalleitung
    19
    Einspeisung
    20
    Kalt-Bereich
    21
    Heiß-Bereich
    22
    Flammen

Claims (11)

  1. Verfahren zum Beobachten oder Überwachen von Flammen (22) in einem Verbrennungsraum (7) eines Heizgerätes (1), wobei eine Laufzeit eines Schallsignals von einem Ausgangspunkt zu mindestens einem Mikrofon (16) bestimmt wird und wobei das Schallsignal auf seinem Weg von dem Ausgangspunkt zum Mikrofon (16) zumindest teilweise durch einen von den Flammen (22) erhitzbaren Heiß-Bereich (21) verläuft.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schallsignal von mindestens einem Schallgenerator (17) erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Schallsignal stromaufwärts von dem Verbrennungsraum (7) in einem von Luft und/oder Brenngas gefüllten Kalt-Bereich (21) erzeugt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das mindestens eine Mikrofon (16) in und/oder stromabwärts von dem Verbrennungsraum (7) angeordnet ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus einer Verkürzung der Laufzeit auf das Zünden und/oder aus einer Verlängerung der Laufzeit auf das Erlöschen von Flammen (22) geschlossen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus der Laufzeit auf eine Temperatur in dem Heiß-Bereich (21) geschlossen wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mikrofon (16) zur Aufnahme von Geräuschen oder Geräuschmustern genutzt wird, die mit bekannten Geräuschen oder Geräuschmustern verglichen werden, wodurch Informationen über den Zustand des Heizgerätes (1) und/oder Eigenschaften eines Verbrennungsprozesses im Verbrennungsraum (7) gewonnen werden.
  8. Anordnung zum Beobachten oder Überwachen von Flammen (1) in einem Verbrennungsraum (7) eines Heizgerätes (1), wobei in oder stromabwärts von dem Verbrennungsraum (7) mindestens ein Mikrofon (16) angeordnet ist, welches Schallsignale von einem Ausgangspunkt empfangen kann und mit einer Auswerteeinheit (12) verbunden ist, die eingerichtet ist, die Laufzeit der Schallsignale zwischen Ausgangspunkt und Mikrofon (16) zu bestimmen und weiter zu verarbeiten und wobei zwischen Ausgangspunkt und Mikrofon (16) ein von den Flammen (22) erhitzbarer Heiß-Bereich (21) liegt, der von den Schallsignalen durchlaufen werden muss.
  9. Anordnung nach Anspruch 8, wobei mindestens ein Schallgenerator (17) am Ausgangspunkt als Schallquelle vorhanden ist.
  10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Ausgangspunkt stromaufwärts von dem Verbrennungsraum (7) in oder an einem von Luft und/oder Brenngas durchströmbaren Kalt-Bereich (20) angeordnet ist.
  11. Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10 das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt.
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