EP4102136A1 - Verfahren zur flammenüberwachung eines heizgerätes, computerprogramm, speicherme-dium, regel- und steuergerät, heizgerät und verwendung eines verhältnisses - Google Patents

Verfahren zur flammenüberwachung eines heizgerätes, computerprogramm, speicherme-dium, regel- und steuergerät, heizgerät und verwendung eines verhältnisses Download PDF

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EP4102136A1
EP4102136A1 EP22175400.5A EP22175400A EP4102136A1 EP 4102136 A1 EP4102136 A1 EP 4102136A1 EP 22175400 A EP22175400 A EP 22175400A EP 4102136 A1 EP4102136 A1 EP 4102136A1
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EP
European Patent Office
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flame
heater
heating device
signal
ratio
Prior art date
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EP22175400.5A
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Jochen Grabe
Bodo Oerder
Matthias Hopf
Arnold Wohlfeil
Fabian Staab
Michael Schumacher
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Vaillant GmbH
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    • F23N2241/00—Applications
    • F23N2241/06—Space-heating and heating water

Definitions

  • the invention relates to a method for flame monitoring of a heating device, a computer program, a regulation and control device, a storage medium, a heating device and a use.
  • Flame monitoring of a heater makes sense to prevent unburned fuel from escaping. It is also known to use a signal from a flame monitoring system in order to suitably adjust the mixture of fuel and combustion air.
  • a system for monitoring a flame of a heating device in which a first ionization signal and a second ionization signal of a flame as well as a first radiation signal and a second radiation signal are used to monitor the flame.
  • the US 2014/0212824 A1 discloses a method, in particular computer-aided, for flame detection of a burner. Information about a used Burner and a fuel are used to ensure safe flame monitoring.
  • the object of the invention to propose a method for flame monitoring of a heating device which at least partially overcomes the problems of the prior art described.
  • the method should enable detection of the influence of extraneous light for safe operation of the heating device.
  • Steps a) to d) are carried out at least once in the specified order in a regular process sequence.
  • steps a) and b) can also be carried out simultaneously.
  • the proposed method for verifying a flame monitor as part of an ignition process and/or during the operation of a heater can be carried out continuously or at (short) time intervals in order to ensure that the flame monitor of the heater is verified as continuously or seamlessly as possible, in particular a check for an extraneous light influence of the flame monitoring.
  • the solution described here serves in particular to verify a flame monitor of a heating device, in particular to check whether the signal from a sensor for ultraviolet radiation in the flame monitor is influenced by extraneous light.
  • the heating device can in particular be a hydrogen-operated heating device, but a method proposed here is fundamentally possible and useful for any flame monitoring that includes a signal from ultraviolet radiation.
  • the flame monitor monitors a flame in a heater that is at least partially produced by the combustion of hydrogen.
  • Influencing a sensor for ultraviolet radiation of a heater by extraneous light could cause the regulation and control of a heater to regulate or control in a critical area, and thus lead to a failure of the heater, up to and including a risk of explosion and danger a leak of unburned fuel.
  • the method proposed here advantageously offers a simple and reliable way of excluding or at least minimizing such risks.
  • the heater is in particular a gas heater that is set up to burn a fuel gas, in particular hydrogen, with the supply of ambient air and to generate heat energy, for example to heat a heat transfer medium of a heating circuit or to provide a hot water supply.
  • the heater can be a condensing boiler.
  • the heater generally has a combustion chamber and a delivery device that can deliver a mixture of fuel gas and combustion air into a combustion chamber. The combustion products can then be discharged through an exhaust system.
  • the heater has a flame monitoring device.
  • Flame monitoring of a heater can be used to detect and prevent the escape of (unburned) fuel gas. Escaping combustible gas poses, among other things, a high health risk and a risk of explosion, which is why flame monitoring devices are required by law in most countries.
  • Flame monitoring of a heating device can be integrated, for example, in what is known as a gas burner control unit, which can often also be used to regulate and control the heating device.
  • a flame monitoring device can detect at least two (different) flame signals, a first flame signal for or relating to (visible) light and/or in particular ultraviolet radiation and a second flame signal for or relating to infrared radiation.
  • the flame signals can be detected or determined by means of sensors of a flame monitoring device that are suitable for the respective radiation.
  • a flame signal of an ultraviolet (UV) radiation can be detected.
  • the ultraviolet (UV) radiation can be detected using a suitable sensor.
  • an ultraviolet radiation sensor can convert photons in the ultraviolet spectrum into an electrical current via a photoelectric effect.
  • suitable sensors are often very sensitive or sensitive. This results in a high susceptibility to the influence of extraneous light.
  • an attempt is made to rule out the influence of extraneous light by arranging the sensor, for example by arranging it in the air intake line with direct alignment to a flame.
  • a constructive solution to the problem is not always possible, and the influence of extraneous light due to damage to the heater cannot be completely ruled out either.
  • UV radiation from the flame is often detected anyway.
  • the method proposed here can be used to verify the detected ultraviolet (UV) radiation, in particular to check whether it is influenced or falsified by the influence of extraneous light.
  • UV radiation can occur in particular in a wavelength range of 300 nm to 325 nm [nanometer], which is significant for a hydrogen flame.
  • a second flame signal of an infrared (IR) radiation can be detected.
  • the infrared radiation can be detected by an infrared sensor of the flame monitoring device, in particular in a wavelength range from 700 nm [nanometer] to 3.5 ⁇ m [micrometer].
  • Steps a) and b) can be carried out (alternately) one after the other and/or partly simultaneously.
  • a ratio of the ultraviolet radiation detected in step a) and the infrared radiation detected in step b) can be detected or determined.
  • the ratio can be a parameter that includes the flame signals together or in relation to one another.
  • the ratio can include a (mathematical) division of the flame signals, the result of the division being such a ratio parameter. It has been shown that, in particular when hydrogen is burned, radiation is emitted that has both ultraviolet and infrared components. During combustion, the ultraviolet and infrared components can only be emitted from (intermediate) products of the chemical reaction of the combustion. With a largely constant composition of the mixture of fuel and air to be burned, there is a (fixed or specified/known) dependency of the ratio of ultraviolet and infrared radiation solely on the output of the heating device.
  • a step d) it can be determined on the basis of the ratio of the flame signals of ultraviolet and infrared radiation determined in step c) whether there is a fault in the flame monitoring. For example, an error can be detected if either only the ultraviolet signal or only the infrared signal returns a value. In particular, an error can be determined, which can be based on the influence of extraneous light, if a (significant) change or deviation in the ratio determined in step c) can be detected. In particular, an error can be detected if a (significant) change in the ratio determined in step c) can be detected independently of the output of the heater.
  • a reference value of the ratio of the first flame signal to the second flame signal determined in step c) can be included as part of the determination of a fault in the flame monitoring according to step d).
  • the reference value should be determined in relation to the properties of a heater, in particular with regard to the fuel, the sensors used to record the first flame signal and second flame signal, the arrangement of the sensors, etc.
  • a reference value can be determined, for example, by comparing the ratio of a (proven ) error-free operation of the heater is determined.
  • Including the reference value in determining a fault in the flame monitoring can consist in a comparison of the reference value with the ratio determined in step c), in which case a tolerance can also be included in the comparison to compensate for system-related inaccuracies.
  • the reference value can be selected depending on the output of the heater.
  • the reference value can be provided in particular as a (discrete) function or characteristic diagram.
  • the reference value can be selected depending on a lambda value of the composition of the mixture of fuel and air.
  • a (current) lambda value of the composition of the mixture of fuel and air in the heater can also be recorded.
  • the reference value can be provided in particular as a (discrete) function or characteristic diagram.
  • step d the heater can be switched off in step e) because safe operation is no longer guaranteed.
  • step e it is also possible to block starting up the heater after an error has been detected, which can only be reversed by a service company, for example.
  • a message about the detected error can also be sent to a service company or the owner, for example by means of an acoustic or optical display or also via a network such as the Internet.
  • the above actions can be provided or initiated individually or cumulatively.
  • the first flame signal and/or the second flame signal can be determined by a number of sensors. By comparing the determined signals, a sensor failure can be detected, for example, while the heater can be left in operation. Equally possible is an averaging of the recorded values for the first and second flame signal.
  • a regulation and control unit for a heating device is also proposed, set up to carry out a method presented here.
  • the regulating and control unit can have a processor, for example, or have it at its disposal.
  • the processor can, for example, execute the method stored in a memory (of the regulation and control device).
  • a reference value of a ratio of the first radiation signal to the second radiation signal can also be stored in a memory of the regulation and control device, for example in the form of a characteristic map including a power of the heater and/or a lambda value of the heater.
  • a heater with a closed-loop and open-loop control unit presented here is also proposed.
  • the regulation and control device is often part of a heater of the heating system.
  • the heater is in particular a gas heater with a gas burner and a conveyor capable of conveying a mixture of gas and combustion air (combustible mixture) to a gas burner.
  • a heating device that includes flame monitoring (or a flame monitoring device) and means that are suitable for carrying out the steps of the method described here.
  • the “means” can in particular be sensors for detecting the first and/or second flame signal, a computing, comparison or analysis unit for sensor data (e.g. also the regulation and control unit), a data memory, data connections, electrical connections, a detector for detecting the Lambda value of the composition of the mixture of fuel and air, circuits of the heater and / or a message sending unit or more.
  • a computer program is also proposed which is set up to (at least partially) carry out a method presented here.
  • this relates in particular to a computer program (product), comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the latter to execute a method described here.
  • a machine-readable storage medium is also proposed, on which the computer program is stored.
  • the machine-readable storage medium is usually a computer-readable data carrier.
  • a ratio of a first and a second flame signal is used to verify a flame monitor of a heating device.
  • the first flame signal can in particular be ultraviolet radiation from a flame of the heating device.
  • the second flame signal can in particular be infrared radiation from a flame of the heating device.
  • a method for flame monitoring of a heating device in particular for verifying flame monitoring of a heating device, a computer program, a regulating and control device and a heating device for carrying out the method and the use of a ratio are thus specified here, which are described with reference to the prior art at least partially solve problems.
  • the method, the computer program, the regulation and control device and the heater as well as the use each contribute at least to ensuring safe and trouble-free flame monitoring of a heater.
  • the method can be implemented without significant changes to a flame monitoring system of a heating device and is therefore inexpensive and simple.
  • first primarily (only) serve to distinguish between several similar objects, sizes or processes, i.e. in particular no dependency and/or sequence of these objects, sizes or make processes mandatory for each other. Should a dependency and/or order be necessary, this is explicitly stated here or it is obvious to the person skilled in the art when studying the specifically described embodiment. If a component can occur more than once (“at least one"), the description of one of these components can apply equally to all or part of the majority of these components, but this is not mandatory.
  • the heater 1 shows an example and diagrammatically of a heating system 0 with a heater 1 proposed here.
  • the heater 1 can have a burner 3 to which a gas mixture (mixture of fuel gas, in particular hydrogen and air) can be supplied via a mixture channel 11 .
  • a gas mixture mixture of fuel gas, in particular hydrogen and air
  • Ambient air can be sucked in via an air intake pipe 4, to which combustible gas can be added via a gas supply pipe 8.
  • the fuel gas can be introduced and dosed via a gas valve 5, which can be electrically connected to a regulating and control unit 7.
  • a delivery device 2 can be arranged in the mixture channel 11 and can deliver a mixture of fuel gas and air to the burner 3 .
  • the conveying device 2 can, for example, be designed as a blower and alternatively also be arranged in the direction of flow after the burner 3, in the exhaust gas duct of an exhaust system 9.
  • the burner 3 can be arranged in a combustion chamber 12 which has an ignition device 6 and a flame monitoring device 10 .
  • the flame monitor 10 may include a sensor for detecting ultraviolet radiation and a sensor for detecting infrared radiation.
  • the flame monitoring device 10 can be arranged outside the combustion chamber 12 in order not to be exposed to the wear-promoting conditions in the combustion chamber 12 (influence of high temperatures and combustion products).
  • the flame monitor may be located behind a burner door and directed toward the flame through a translucent portion thereof.
  • the method is used for flame monitoring of a heating device 1, in particular for verification of flame monitoring of a heating device 1. Signals from sensors of the flame monitoring device 10 can be used to carry out the method. The method can be carried out in particular by the regulation and control unit 7 .
  • a first flame signal of an ultraviolet radiation of a flame of the heating device 1 is detected.
  • step b which is to be carried out in particular at the same time as or in parallel with step a), a second flame signal of infrared radiation from the heater 1 is detected.
  • the first flame signal can be detected by a sensor for detecting ultraviolet radiation and the second flame signal can be detected by a sensor for detecting infrared radiation, both of which sensors can be part of the flame monitoring device 10 .
  • a ratio of the first flame signal (ultraviolet radiation of the flame) detected in step a) and the second flame signal (infrared radiation of the flame) detected in step b) can now be formed.
  • the ratio can be formed by dividing the first flame signal and the second flame signal.
  • a fault in the flame monitoring can now be detected.
  • the ratio determined in step c) can be compared with a reference value of the ratio.
  • the reference value of the ratio should have the same dimension as the ratio determined in step c). If, for example, the ultraviolet radiation signal was divided by the infrared radiation signal to determine the ratio in step c), the reference value should be given using the same arithmetic operation in order to ensure comparability.
  • a tolerance can also be included in a comparison of a ratio of the first and second flame signal determined in step c), for example that a deviation of 10% is considered permissible and no error is detected. Such small deviations can be due to fluctuations in the fuel quality, signs of aging in the sensors or other components.
  • the method can advantageously be carried out permanently or at short time intervals, for example every minute.
  • the incoming signals namely signals of the flame monitoring device 10
  • the incoming signals are already available to a process-carrying regulation and control device 7, so that a permanent process performance appears possible without any problems and without additional use.

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Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Flammenüberwachung eines Heizgerätes (1) kann zumindest die folgenden Schritte umfassen:a) Erfassen eines ersten Flammensignals einer Ultraviolett-Strahlung einer Flamme des Heizgerätes (1),b) Erfassen eines zweiten Flammensignals einer Infrarot-Strahlung einer Flamme des Heizgerätes (1),c) Ermitteln eines Verhältnisses vom ersten und zweiten Flammensignal,d) Erkennen eines Fehlers der Flammenüberwachung des Heizgerätes.Grundsätzlich kann das vorgeschlagene Verfahren im Rahmen eines Zündvorganges und/oder während des Betriebes eines Heizgerätes (1) durchgeführt werden, um eine Verifikation der Flammenüberwachung des Heizgerätes (1) zu gewährleisten, insbesondere einer Überprüfung auf einen Fremdlichteinfluss der Flammenüberwachung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Flammenüberwachung eines Heizgerätes, ein Computerprogramm, ein Regel- und Steuergerät, ein Speichermedium, ein Heizgerät und eine Verwendung.
  • Eine Flammenüberwachung eines Heizgerätes ist sinnvoll, um ein Austreten unverbrannten Brennstoffes zu verhindern. Ferner ist bekannt, ein Signal einer Flammenüberwachung zu nutzen, um Gemisch aus Brennstoff und Verbrennungsluft geeignet einzustellen.
  • Es sind verschiedene Möglichkeiten zur Flammenüberwachung eines Heizgerätes bekannt, beispielsweise eine Messung eines lonisationsstromes der Flamme oder eine Erfassung der Flamme anhand von UV (Ultraviolett-) oder IR (Wärme-) Strahlung. Bei Heizgeräten, die für eine Verbrennung von Wasserstoff eingerichtet sind, kann eine Flammenüberwachung mittels lonisationsstrom häufig nicht ausreichend sicher bzw. zuverlässig erfolgen, weil bei der Verbrennung von Wasserstoff nicht ausreichend Ionen für eine messbaren lonisationsstrom entstehen.
  • Beispielsweise in der EP 3 663 646 A1 wird ein System zu Überwachung einer Flamme eines Heizgerätes vorgeschlagen, bei dem ein erstes lonisationssignal und ein zweites lonisationssignal einer Flamme sowie ein erstes Strahlungssignal und ein zweites Strahlungssignal zur Überwachung der Flamme herangezogen werden.
  • Die US 2014/0212824 A1 offenbart ein, insbesondere computergestütztes, Verfahren zur Flammendetektion eines Brenners. Dabei können Informationen zu einem verwendeten Brenner und einem Brennstoff herangezogen werden, um eine sichere Flammenüberwachung zu gewährleisten.
  • Es hat sich jedoch gezeigt, dass es beispielsweise durch einen Einfluss von Fremdlichtquellen, insbesondere durch Eindringen von Licht von außerhalb des Heizgerätes, zu einer Fehlfunktion der Flammenüberwachung kommen kann. Dem Einfluss von Fremdlichtquellen kann kaum oder nicht durch einen redundanten Einsatz mehrerer Sensoren begegnet werden, sofern alle eingesetzten Sensoren diesem Fremdlichteinfluss unterliegen.
  • Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Flammenüberwachung eines Heizgerätes vorzuschlagen, das die geschilderten Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet. Insbesondere soll das Verfahren eine Detektion eines Fremdlichteinflusses für einen sicheren Betrieb des Heizgerätes ermöglichen.
  • Zudem soll eine Einrichtung eines Heizgerätes zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens dessen Komplexität nicht oder nur unwesentlich erhöhen und das Verfahren mit einfachen Mitteln durchführbar sein.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
  • Das Verfahren zur Flammenüberwachung eines Heizgerätes kann zumindest die folgenden Schritte umfassen:
    1. a) Erfassen eines ersten Flammensignals einer Ultraviolett-Strahlung einer Flamme des Heizgerätes,
    2. b) Erfassen eines zweiten Flammensignals einer Infrarot-Strahlung einer Flamme des Heizgerätes,
    3. c) Ermitteln eines Verhältnisses vom ersten Flammensignal und zweiten Flammensignal,
    4. d) Erkennen eines Fehlers der Flammenüberwachung des Heizgerätes.
  • Die Schritte a) bis d) werden bei einem regulären Verfahrensablauf zumindest einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt. Insbesondere können die Schritte a) und b) auch gleichzeitig durchgeführt werden.
  • Grundsätzlich kann das vorgeschlagene Verfahren für eine Verifikation einer Flammenüberwachung im Rahmen eines Zündvorganges und/oder während des Betriebes eines Heizgerätes permanent oder in (kurzen) zeitlichen Abständen durchgeführt werden, um eine möglichst kontinuierliche bzw. lückenlose Verifikation der Flammenüberwachung des Heizgerätes, insbesondere einer Überprüfung auf einen Fremdlichteinfluss der Flammenüberwachung, zu gewährleisten.
  • Die hier beschriebene Lösung dient insbesondere einer Verifikation einer Flammenüberwachung eines Heizgerätes, insbesondere einer Überprüfung, ob das Signal eines Sensors für Ultraviolett-Strahlung der Flammenüberwachung durch Fremdlicht beeinflusst ist. Das Heizgerät kann insbesondere ein mit Wasserstoff betriebenes Heizgerät sein, jedoch ist ein hier vorgeschlagenes Verfahren grundsätzlich bei jeder Flammenüberwachung, die ein Signal einer Ultraviolett-Strahlung einbezieht, möglich und sinnvoll. Insbesondere wird mit der Flammenüberwachung eine Flamme in einem Heizgerät überwacht, die zumindest teilweise aus der Verbrennung von Wasserstoff entsteht.
  • Eine Beeinflussung eines Sensors für Ultraviolett-Strahlung eines Heizgerätes durch Fremdlicht könnte die Regelung und Steuerung eines Heizgerätes dazu veranlassen, in einen kritischen Bereich zu regeln bzw. zu steuern, und damit zu einem Ausfall des Heizgerätes führen, bis hin zu einer Explosionsgefahr und der Gefahr eines Austretens von unverbranntem Brennstoff. Das hier vorgeschlagene Verfahren bietet in vorteilhafter Weise eine einfache und sichere Möglichkeit, derartige Risiken auszuschließen oder zumindest zu minimieren.
  • Bei dem Heizgerät handelt es sich insbesondere um ein Gasheizgerät, das dazu eingerichtet ist, ein Brenngas, insbesondere Wasserstoff, unter Zufuhr von Umgebungsluft zu verbrennen und Wärmeenergie, beispielsweis zur Erwärmung eines Wärmeträgers eines Heizkreislaufes oder auch zur Bereitstellung einer Warmwasserversorgung zu erzeugen. Insbesondere kann es sich bei dem Heizgerät um ein Brennwertgerät handeln. Das Heizgerät weist in der Regel eine Brennkammer und eine Fördereinrichtung auf, die ein Gemisch von Brenngas und Verbrennungsluft in eine Brennkammer fördern kann. Die Verbrennungsprodukte können anschließend durch eine Abgasanlage abgeführt werden.
  • Das Heizgerät weist insbesondere eine Flammenüberwachungseinrichtung auf. Eine Flammenüberwachung eines Heizgerätes kann dazu dienen, ein Austreten von (unverbranntem) Brenngas zu detektieren und zu verhindern. Von austretendem Brenngas gehen unter anderem eine hohes Gesundheitsrisiko und eine Explosionsgefahr aus, aufgrund dessen Flammenüberwachungseinrichtungen in dem meisten Ländern gesetzlich vorgeschrieben sind. Eine Flammenüberwachung eines Heizgerätes kann beispielsweise in einen sogenannten Gasfeuerungsautomaten integriert sein, der in häufig auch zur Regelung und Steuerung des Heizgerätes genutzt werden kann.
  • Für die Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens kann eine Flammenüberwachungseinrichtung mindestens zwei (verschiedene) Flammensignale erfassen, ein erstes Flammensignal für bzw. betreffend (sichtbares) Licht und/oder insbesondere für Ultraviolett-Strahlung und ein zweites Flammensignal für bzw. betreffend Infrarot-Strahlung. Insbesondere können die Flammensignale mittels für die jeweilige Strahlung geeignete Sensoren einer Flammenüberwachungseinrichtung erfasst bzw. ermittelt werden.
  • Gemäß einem Schritt a) des hier vorgeschlagenen Verfahrens kann ein Flammensignal einer Ultraviolett(UV)-Strahlung erfasst werden. Die Ultraviolett(UV)-Strahlung kann mittels eines geeigneten Sensors erfasst werden. In der Regel kann ein Sensor für Ultraviolett-Strahlung Photonen im Ultraviolett-Spektrum über einen photoelektrischen Effekt in einen elektrischen Strom umwandeln. Häufig wird jedoch bei der Verbrennung von Gasen oder Erdöl nur in geringem Maße Ultraviolett-Strahlung emittiert. Aus diesem Grund sind geeignete Sensoren häufig sehr empfindlich bzw. sensitiv. Dies hat eine hohe Anfälligkeit gegenüber einem Fremdlichteinfluss zur Folge. Bei bekannten Lösungen wird versucht, einen Einfluss von Fremdlicht konstruktiv durch die Anordnung des Sensors auszuschließen, beispielsweise durch eine Anordnung im Luftansaugstrang mit direkter Ausrichtung auf eine Flamme. Eine derartige konstruktive Lösung der Problemstellung ist jedoch nicht immer möglich, zudem kann ein Fremdlichteinfluss durch eine Beschädigung des Heizgerätes gleichfalls nicht vollständig ausgeschlossen werden.
  • Häufig erfolgt im Rahmen einer Flammenüberwachung ohnehin eine Erfassung einer Ultraviolett-Strahlung der Flamme. Das hier vorgeschlagene Verfahren kann einer Verifikation der erfassten Ultraviolett(UV)-Strahlung dienen, insbesondere einer Prüfung, ob diese einem Einfluss bzw. einer Verfälschung durch einen Fremdlichteinfluss unterliegt.
  • Die Ultraviolett(UV)-Strahlung kann insbesondere in einem Bereich der Wellenlänge von 300nm bis 325nm [Nanometer] erfolgen, der für eine Wasserstoffflamme signifikant ist.
  • Gemäß einem Schritt b) kann ein zweites Flammensignal einer Infrarot(IR)-Strahlung erfasst werden. Die Infrarot-Strahlung kann durch einen Infrarot-Sensor der Flammenüberwachungseinrichtung, insbesondere in einem Bereich der Wellenlänge von 700nm [Nanometer] bis 3,5µm [Mikrometer] erfasst werden.
  • In vorteilhafter Weise werden im Rahmen einer Flammenüberwachung eines mit Wasserstoff betriebenen Heizgerätes häufig ohnehin eine Ultraviolett- und eine Infrarot-Strahlung erfasst, so dass keine zusätzlichen Einrichtungen für eine Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens notwendig sind. Die Schritte a) und b) können (abwechselnd) nacheinander und/oder teilweise gleichzeitig durchgeführt werden.
  • Gemäß einem Schritt c) kann ein Verhältnis der in Schritt a) erfassten Ultraviolett-Strahlung und der in Schritt b) erfassten Infrarot-Strahlung erfasst bzw. ermittelt werden. Das Verhältnis kann insbesondere ein Parameter sein, der die Flammensignale gemeinsam bzw. in Relation zueinander umfasst. Das Verhältnis kann insbesondere eine (mathematische) Division der Flammensignale umfassen, wobei das Ergebnis der Division ein solcher Verhältnis-Parameter ist. So hat sich gezeigt, dass insbesondere bei einer Verbrennung von Wasserstoff eine Strahlung emittiert wird, die sowohl Ultraviolett- als auch Infrarot-Anteile hat. Dabei können die Ultraviolett- und Infrarot-Anteile bei der Verbrennung ausschließlich von (Zwischen)-Produkten der chemischen Reaktion der Verbrennung emittiert werden. Bei einer weitestgehend konstanten Zusammensetzung des zu verbrennenden Gemisches aus Brennstoff und Luft ergibt sich eine (feste bzw. vorgegebene/bekannte) Abhängigkeit des Verhältnisses von Ultraviolett- und Infrarot-Strahlung lediglich von der Leistung des Heizgerätes.
  • Gemäß einem Schritt d) kann anhand des in Schritt c) ermittelten Verhältnisses der Flammensignale von Ultraviolett- und Infrarot-Strahlung festgestellt werden, ob ein Fehler der Flammenüberwachung vorliegt. Beispielsweise kann ein Fehler erkannt werden, wenn entweder nur das Ultraviolett-Signal oder nur das Infrarot-Signal einen Wert zurückgibt. Insbesondere kann ein Fehler festgestellt werden, der auf einem Fremdlichteinfluss basieren kann, wenn eine (signifikante) Änderung bzw. Abweichung des in Schritt c) ermittelten Verhältnisses erkannt werden kann. Insbesondere kann ein Fehler festgestellt werden, wenn eine (signifikante) Änderung des in Schritt c) ermittelten Verhältnisses unabhängig von einer Leistung des Heizgerätes erkannt werden kann.
  • Im Rahmen der Feststellung eines Fehlers der Flammenüberwachung gemäß Schritt d) kann ein Referenzwert des in Schritt c) ermittelten Verhältnisses von dem ersten Flammensignal zu dem zweiten Flammensignal einbezogen werden. Der Referenzwert sollte bezogen auf die Eigenschaften eines Heizgerätes ermittelt werden, insbesondere hinsichtlich des Brennstoffes, der verwendeten Sensorik zum Erfassen von erstem Flammensignal und zweitem Flammensignal, der Anordnung der Sensorik, etc. Ein Referenzwert kann beispielsweise ermittelt werden, indem das Verhältnis bei einem (nachgewiesenen) fehlerfreien Betrieb des Heizgerätes ermittelt wird. Ein Einbeziehen des Referenzwertes in ein Feststellen eines Fehlers der Flammenüberwachung kann in einem Vergleich des Referenzwertes mit dem in Schritt c) ermittelten Verhältnisses bestehen, wobei auch eine Toleranz in den Vergleich zum Ausgleich von systembedingten Ungenauigkeiten, einbezogen werden kann.
  • Der Referenzwert kann in Abhängigkeit einer Leistung des Heizgerätes ausgewählt werden. Der Referenzwert kann hierfür insbesondere als (diskrete) Funktion oder Kennfeld bereitgestellt sein.
  • Der Referenzwert kann in Abhängigkeit eines Lambda-Wertes der Zusammensetzung des Gemisches aus Brennstoff und Luft ausgewählt werden. Hierfür kann zusätzlich ein (aktueller) Lambda-Wert der Zusammensetzung des Gemisches aus Brennstoff und Luft beim Heizgerät erfasst werden. Der Referenzwert kann hierfür insbesondere als (diskrete) Funktion oder Kennfeld bereitgestellt sein.
  • Für den Fall, dass im Rahmen des Schrittes d) ein Fehler erkannt wird, kann in einem Schritt e) eine Abschaltung des Heizgerätes erfolgen, weil ein sicherer Betrieb nicht weiter gewährleistet ist. Insbesondere kann zudem auch eine Inbetriebnahme des Heizgerätes nach Erkennen eines Fehlers blockiert werden, die beispielsweise nur durch einen Service-Betrieb aufgehoben werden kann. Auch kann eine Nachricht zu dem erkannten Fehler, beispielsweise durch eine akustische oder optische Anzeige oder auch über ein Netzwerk, wie dem Internet, an einen Service-Betrieb oder den Eigentümer gesendet werden. Die vorstehenden Aktionen können einzeln oder kumulativ vorgesehen sein bzw. veranlasst werden.
  • Das erste Flammensignal und/oder das zweite Flammensignal kann durch mehrere Sensoren ermittelt werden. Durch einen Vergleich der ermittelten Signale kann beispielsweise ein Sensorausfall detektiert werden, wobei das Heizgerät in Betrieb belassen werden kann. Gleichfalls möglich erscheint eine Mittelwertbildung der erfassten Werte für das erste und zweite Flammensignal.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Regel- und Steuergerät für ein Heizgerät vorgeschlagen, eingerichtet zur Durchführung eines hier vorgestellten Verfahrens. Das Regel- und Steuergerät kann hierzu beispielsweise einen Prozessor aufweisen bzw. über diesen verfügen. In diesem Zusammenhang kann der Prozessor beispielsweise das auf einem Speicher (des Regel- und Steuergeräts) hinterlegte Verfahren ausführen. Insbesondere kann auf einem Speicher des Regel- und Steuergerätes auch ein Referenzwert eines Verhältnisses von dem ersten Strahlensignal zu dem zweiten Strahlensignal gespeichert sein, beispielsweise in Form eines Kennfeldes unter Einbeziehung einer Leistung des Heizgerätes und/ oder eines Lambdawertes des Heizgerätes.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Heizgerät mit einem hier vorgestellten Regel- und Steuergerät vorgeschlagen. Das Regel- und Steuergerät ist häufig Bestandteil eines Heizgerätes der Heizungsanlage. Das Heizgerät ist insbesondere ein Gasheizgerät mit einem Gasbrenner und einer Fördereinrichtung, die ein Gemisch aus Gas und Verbrennungsluft (brennfähiges Gemisch) zu einem Gasbrenner fördern kann.
  • Es wird zudem ein Heizgerät vorgeschlagen, das eine Flammenüberwachung (bzw. eine Flammenüberwachungseinrichtung) umfasst sowie Mittel, die geeignet sind, die Schritte des hier beschriebenen Verfahrens auszuführen. Die "Mittel" können insbesondere Sensoren zum Erfassen des ersten und/oder zweiten Flammensignals, eine Rechen-, Vergleichs- oder Analyseeinheit für Sensordaten (z.B. auch die Regel- und Steuereinheit), einen Datenspeicher, Datenverbindungen, elektrische Verbindungen, einen Detektor zum Erfassen des Lambda-Wert der Zusammensetzung des Gemisches aus Brennstoff und Luft, Schaltkreise des Heizgerätes und/oder eine Nachrichtenversendeeinheit oder weiteres umfassen.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches zur (zumindest teilweisen) Durchführung eines hier vorgestellten Verfahrens eingerichtet ist. Dies betrifft mit anderen Worten insbesondere ein Computerprogramm(-produkt), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein hier beschriebenes Verfahren auszuführen. Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein maschinenlesbares Speichermedium vorgeschlagen, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist. Regelmäßig handelt es sich bei dem maschinenlesbaren Speichermedium um einen computerlesbaren Datenträger.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung eines Verhältnisses eines ersten und eines zweiten Flammensignals zur Verifikation einer Flammenüberwachung eines Heizgerätes. Das erste Flammensignal kann insbesondere eine Ultraviolett-Strahlung einer Flamme des Heizgerätes sein. Das zweite Flammensignal kann insbesondere eine Infrarot-Strahlung einer Flamme des Heizgerätes sein.
  • Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgeschlagenen Computerprogramm, dem Speichermedium, dem Regel- und Steuergerät, dem Heizgerät und/ oder der Verwendung auftreten oder umgekehrt. Insofern wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
  • Hier werden somit ein Verfahren zur Flammenüberwachung eines Heizgerätes, insbesondere zur Verifikation einer Flammenüberwachung eines Heizgerätes, ein Computerprogramm, ein Regel- und Steuergerät und ein Heizgerät zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Verwendung eines Verhältnisses angegeben, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere tragen das Verfahren, das Computerprogramm, das Regel- und Steuergerät und das Heizgerät sowie die Verwendung jeweils zumindest dazu bei, eine sichere und störungsfreie Flammenüberwachung eines Heizgerätes zu gewährleisten. Zudem ist eine Umsetzung des Verfahrens ohne wesentliche Veränderungen an einer Flammenüberwachung eines Heizgerätes und damit kostengünstig und einfach möglich.
  • Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter ("erste", "zweite", ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann ("mindestens ein"), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
  • Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
    • Fig. 1:
    ein hier vorgeschlagenes Heizgerät, und
    Fig. 2:
    einen Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens.
  • Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch eine Heizungsanlage 0 mit einem hier vorgeschlagenen Heizgerät 1. Das Heizgerät 1 kann einen Brenner 3 aufweisen, dem ein Gasgemisch (Gemisch aus Brenngas, insbesondere Wasserstoff und Luft) über einen Gemischkanal 11 zugeführt werden kann. Über ein Luftansaugrohr 4 kann Umgebungsluft angesaugt werden, dem über ein Gaszuführungsrohr 8 Brenngas zugesetzt werden kann. Das Brenngas kann über ein Gasventil 5, welches elektrisch mit einem Regel- und Steuergerät 7 verbunden sein kann, eingeleitet und dosiert werden. Im Gemischkanal 11 kann eine Fördereinrichtung 2 angeordnet sein, die ein Gemisch aus Brenngas und Luft zu dem Brenner 3 fördern kann. Die Fördereinrichtung 2 kann beispielsweise als Gebläse ausgeführt sein und alternativ auch in Strömungsrichtung nach dem Brenner 3, im Abgaskanal einer Abgasanlage 9, angeordnet sein. Der Brenner 3 kann in einer Brennkammer 12 angeordnet sein, die eine Zündeinrichtung 6 und eine Flammenüberwachungseinrichtung 10 aufweisen. kann. Die Flammenüberwachungseinrichtung 10 kann einen Sensor zur Erfassung von Ultraviolett-Strahlung und einen Sensor zur Erfassung von Infrarot-Strahlung umfassen. In vorteilhafter Weise kann die Flammenüberwachungseinrichtung 10 außerhalb der Brennkammer 12 angeordnet sein, um den verschleißfördernden Bedingungen in der Brennkammer 12 (Einfluss von hohen Temperaturen und Verbrennungsprodukten) nicht ausgesetzt zu sein. Beispielsweise kann die Flammenüberwachungseinrichtung hinter einer Brennertür angeordnet und durch einen lichtdurchlässigen Bereich derselben in Richtung der Flamme ausgerichtet sein.
  • Fig. 2 zeigt beispielhaft und schematisch einen Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Das Verfahren dient einer Flammenüberwachung eines Heizgerätes 1, insbesondere einer Verifikation einer Flammenüberwachung eines Heizgerätes 1. Für eine Durchführung des Verfahrens können Signale von Sensoren der Flammenüberwachungseinrichtung 10 herangezogen werden. Eine Durchführung des Verfahrens kann insbesondere durch das Regel- und Steuergerät 7 erfolgen.
  • Gemäß einem Schritt a) eines hier vorgeschlagenen Verfahrens wird ein erstes Flammensignal einer Ultraviolett-Strahlung einer Flamme des Heizgerätes 1 erfasst.
  • Gemäß einem, insbesondere zeitgleich oder parallel zu Schritt a), durchzuführenden Schritt b) wird ein zweites Flammensignal einer Infrarotstrahlung des Heizgerätes 1 erfasst.
  • Insbesondere kann das erste Flammensignal durch einen Sensor zur Erfassung von Ultraviolett-Strahlung und das zweite Flammensignal durch einen Sensor zur Erfassung von Infrarot-Strahlung erfasst werden, wobei beide Sensoren Teil der Flammenüberwachungseinrichtung 10 sein können.
  • Gemäß einem Schritt c) kann nun ein Verhältnis des in Schritt a) erfassten ersten Flammensignals (Ultraviolett-Strahlung der Flamme) und des in Schritt b) erfassten zweiten Flammensignals (Infrarot-Strahlung der Flamme) gebildet werden. Das Verhältnis kann insbesondere gebildet werden, indem eine Division vom ersten Flammensignal und zweiten Flammensignal durchgeführt wird.
  • Gemäß einem Schritt d) kann nunmehr ein Erkennen eines Fehlers der Flammenüberwachung erfolgen. Beispielsweise kann hierfür ein Vergleich des in Schritt c) ermittelten Verhältnisses mit einem Referenzwert des Verhältnisses erfolgen. Dabei versteht sich, dass der Referenzwertes des Verhältnisses in der gleichen Dimension wie das in Schritt c) ermittelte Verhältnis haben sollte. Wenn beispielsweise zur Ermittlung des Verhältnisses in Schritt c) eine Division von Signal Ultraviolett-Strahlung geteilt durch Signal Infrarot-Strahlung erfolgt ist, sollte der Referenzwert mit der gleichen Rechenoperation gegeben sein, um eine Vergleichbarkeit zu gewährleisten.
  • In einen Vergleich eines in Schritt c) ermittelten Verhältnisses von erstem und zweitem Flammensignal kann auch eine Toleranz einfließen, beispielsweise, dass eine Abweichung von 10 % als zulässig erachtet wird und kein Fehler erkannt wird. Derartige geringe Abweichungen können in Schwankungen der Brennstoffqualität, Alterungserscheinungen der Sensorik oder anderen Bauteilen begründet sein.
  • Das Verfahren kann vorteilhaft permanent oder in kurzen zeitlichen Abständen, beispielsweise jede Minute, ausgeführt werden. So liegen besonders vorteilhaft einem verfahrensdurchführenden Regel- und Steuergerät 7 die einfließenden Signale, nämlich Signale der Flammenüberwachungseinrichtung 10 ohnehin vor, so dass eine permanente Verfahrensdurchführung problemlos und ohne zusätzlichen Einsatz möglich erscheint.
    • Bezugszeichenliste
    • 0
    Heizungsanlage
    1
    Heizgerät
    2
    Fördereinrichtung
    3
    Brenner
    4
    Luftansaugrohr
    5
    Gasventil
    6
    Zündeinrichtung
    7
    Regel- und Steuergerät
    8
    Gaszuführrohr
    9
    Abgasanlage
    10
    Flammenüberwachungseinrichtung
    11
    Gemischkanal
    12
    Brennkammer

Claims (10)

  1. Verfahren zur Flammenüberwachung eines Heizgerätes (1) umfassend zumindest die folgenden Schritte:
    a) Erfassen eines ersten Flammensignals einer Ultraviolett-Strahlung einer Flamme des Heizgerätes (1),
    b) Erfassen eines zweiten Flammensignals einer Infrarot-Strahlung einer Flamme des Heizgerätes (1),
    c) Ermitteln eines Verhältnisses vom ersten Flammensignal und zweiten Flammensignal,
    d) Erkennen eines Fehlers der Flammenüberwachung des Heizgerätes (1).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Heizgerät zur Nutzung von Wasserstoff als Brennstoff eingerichtet ist.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Rahmen des Erkennens eines Fehlers in Schritt d) das in Schritt c) ermittelte Verhältnis vom ersten Flammensignal und zweiten Flammensignal mit einem Referenzwert verglichen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Referenzwert in Abhängigkeit der Leistung des Heizgerätes (1) ausgewählt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Referenzwert in Abhängigkeit eines Lambda-Wertes der Zusammensetzung des Gemisches aus Brennstoff und Luft ausgewählt wird und zusätzlich ein Lambda-Wert der Zusammensetzung des Gemisches aus Brennstoff und Luft erfasst wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei einem Erkennen eines Fehlers in einem Schritt e) eine Abschaltung des Heizgerätes (1) erfolgen, eine erneute Inbetriebnahme des Heizgerätes (1) und/oder eine Nachricht über ein Netzwerk ausgegeben wird.
  7. Heizgerät (1), umfassend eine Flammenüberwachung und Mittel die geeignet sind, die Schritte des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
  8. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass das Heizgerät des Anspruchs 7 die Verfahrensschritte nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführt.
  9. Maschinenlesbares Speichermedium auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
  10. Verwendung eines Verhältnisses eines ersten Flammensignals und eines zweiten Flammensignals zur Verifikation einer Flammenüberwachung eines Heizgerätes (1).
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