EP4215813A1 - Verfahren und anordnung zum betrieb eines optischen sensors an einem fenster zu einem verbrennungsraum eines heizgerätes und entsprechendes computerprogrammprodukt - Google Patents

Verfahren und anordnung zum betrieb eines optischen sensors an einem fenster zu einem verbrennungsraum eines heizgerätes und entsprechendes computerprogrammprodukt Download PDF

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EP4215813A1
EP4215813A1 EP23152619.5A EP23152619A EP4215813A1 EP 4215813 A1 EP4215813 A1 EP 4215813A1 EP 23152619 A EP23152619 A EP 23152619A EP 4215813 A1 EP4215813 A1 EP 4215813A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
housing
heater
fan
optical sensor
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23152619.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bodo Oerder
Arnold Wohlfeil
Fabian Staab
Matthias Hopf
Michael Schumacher
Heinz-Jörg Tomczak
Jochen Grabe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Vaillant GmbH filed Critical Vaillant GmbH
Publication of EP4215813A1 publication Critical patent/EP4215813A1/de
Pending legal-status Critical Current

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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
    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • F23N5/242—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L5/00—Blast-producing apparatus before the fire
    • F23L5/02—Arrangements of fans or blowers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/08—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
    • F23N5/082—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements using electronic means

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for operating an optical sensor on a window (sight glass) to a combustion chamber of a heating device, in particular for the combustion of fuel gas containing hydrogen, preferably with a hydrogen content greater than 10%, in particular greater than 50%, very preferably greater than 97%, and a corresponding computer program product.
  • 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 systems and heating devices for operation with it.
  • optical sensors for the visible, but especially for the ultraviolet range of light
  • flame monitoring and combustion control using optical filters is already known, for example, from DE 10 2019 101 329 A1 known.
  • EP 2 223 016 B1 , the U.S. 5,829,962 A and the DE19 509 704 A1 deal in detail with optical measuring systems for flame monitoring.
  • the constructive connection of the optical sensors can be designed in different ways.
  • the optical sensors are aligned with the flame in the combustion chamber using a bracket so that the sensors can measure this flame.
  • the bracket has to meet certain design requirements.
  • the light must be able to escape from the combustion chamber in order to be optically recorded.
  • a window is incorporated in one of the walls of the combustion chamber, in particular in a burner door next to a burner. This allows the optical sensor to capture the light from the combustion.
  • extraneous light is understood to mean any type of light in a spectral range to which the optical sensor is sensitive, which was not generated directly or indirectly by the flame in the combustion chamber. It is therefore about light reaching the sensor from the environment, for example from lighting or windows in the room where a heater is installed, or also light from indicator lights or displays of a heating system itself or from other devices in its vicinity.
  • Such extraneous light falsifies the measurement of light from the flame and can disrupt reliable flame monitoring and/or control of the flame or even make it impossible, so that the safety of a plant can even be impaired.
  • the optical sensor In a correctly installed and commissioned system, the optical sensor is located in a practically completely closed area from the environment, in particular in a housing, for example in a so-called vacuum housing around the system, which is opaque and also against the entry of air (except through designated paths) is substantially sealed.
  • a housing can be opened for maintenance work (for example by means of a removable or hinged cover), which also involves the risk that during installation or maintenance it will only be closed incompletely or not at all, so that extraneous light can enter. While in conventional systems without optical sensors no safety problem could arise as a result of such errors, this is different when optical sensors are used as flame monitors and/or for regulation. Incidence of extraneous light should therefore be detected as reliably as possible and prevented by appropriate measures.
  • the object of the present invention is to at least partially solve the problems mentioned with reference to the prior art.
  • a way to prevent the entry of extraneous light is to be created, which can also be taken before the actual entry of extraneous light. Since extraneous light can occur differently depending on the time of day and the lighting of the environment, measuring the extraneous light itself is not reliably effective, so that an alternative method and a corresponding device are to be created, as well as a computer program product that is used to carry out the method.
  • a method for operating or preventing the incidence of extraneous light on an optical sensor outside of a window in a combustion chamber of a heater, in which the sensor is set up to monitor a flame in the combustion chamber during operation of the heater, contributes to solving the problem.
  • the optical sensor is arranged in an interior space of a housing that is essentially impermeable to the environment for light and air, which interior space is under negative pressure compared to the environment during operation of the heater. Leakage, damage and/or incomplete closing of the housing can be detected here based on measured values when starting the heater, further operation being prevented until the housing is in a correct state or (only) enabled as emergency operation.
  • the tightness of the (opaque) housing is a sure indication that no air and thus no extraneous light (if any is present) can enter. Since the negative pressure in the housing is generated by a fan (this is typically the fan that blows ambient air mixed with fuel gas into the combustion chamber during operation), a leak in the housing can be detected when the fan is started from suitable measured values and/or their behavior over time. The performance of a fan (depending on its torque and speed) depends on the conditions of use. These change when the case is not fully closed. As a result, the conveyed gas (ambient air and/or fuel gas) can take paths other than those intended, which changes the operating behavior of the fan (depending on its design and control). Such changes can be detected by measurement, which the present invention makes use of.
  • At least one behavior that is typical when the heater is started when the housing is in the correct state and/or a typical course of at least one measured value is observed and compared with stored data for a start when the housing is in the correct state, with a fault in the housing being reported if there are deviations above a safety threshold.
  • the safety threshold should be so low that safe operation of the heater is still possible with minor deviations.
  • the safety threshold can therefore be, for example, 1 to 10% of the observed value or parameter.
  • more complex patterns over the course of a measured parameter can be compared to reference patterns, allowing for a very sensitive observation of package integrity. In this way, it can be determined whether the housing has a leak (e.g. due to a damaged or incorrectly installed seal) or whether its cover has not been closed properly, which always involves the risk of extraneous light penetrating.
  • the behavior of a fan when starting the heater is observed. This is the case anyway for various reasons with a fan for the supply of combustion air and fuel gas.
  • the speed, the torque, the power consumption, a pressure build-up or a differential pressure, a volume flow and/or a flow rate or their behavior over time are measured. Such measured values and/or their profile can also (and additionally) be evaluated to determine whether there are deviations from a typical profile when the housing is in the correct state.
  • At least one of the following parameters of the fan should preferably be observed and compared with stored data for a start with the correct condition of the housing: speed, torque, power consumption, current and Voltage, volumetric flow and/or pressure increase.
  • Information about the condition of the housing can be obtained from just one, but with greater reliability from several of these parameters. If the deviation from the stored reference values is too great, the heater can and should be switched off in conjunction with a warning message. Regular operation would be possible as long as no extraneous light actually entered, but switching on a light or increasing daylight in the room in which the heater is set up, for example, could pose safety risks, which is why the device should not be put into operation or remain in operation if the housing is not properly closed. However, if operation has to take place, this should (if this is possible) take place in a safe mode in which the function of the optical sensor is not relevant to safety.
  • an arrangement which has an optical sensor on the outside in front of a window to a combustion chamber of a heater for monitoring a flame in the combustion chamber during operation of the heater, the optical sensor being arranged in an interior of a housing which is essentially impermeable to the environment for light and air, which interior is kept under negative pressure compared to the environment during operation by a fan, and at least one fan sensor for monitoring the behavior of the fan when starting the heater is present, which is connected to evaluation electronics. which is set up to detect a leak, damage and/or incomplete closing of the housing based on measured values from the fan sensor when the heater is started and to prevent further operation until the housing is in a correct state or to only enable it as an emergency operation.
  • the fan sensor is a sensor for speed, torque, power consumption, current and voltage, volume flow and/or pressure increase (or differential pressure).
  • the fan sensor is particularly preferably connected to evaluation electronics that are set up to compare stored measured values and/or measured value curves of the fan sensor when the heater is started when the housing is in the correct state with current measured values and/or measured value curves and to report a fault on the housing if there are deviations above a safety threshold. This message is then typically converted by a control and regulation unit of the heater into a shutdown or emergency operation.
  • 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 electronics requires z. B. a program and data to perform the desired function and data comparison, both of which must be updated occasionally.
  • 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.
  • FIG. 1 Schematic of a combustion chamber of a heater with an external optical sensor in a housing whose integrity is monitored.
  • FIG. 1 shows schematically a combustion chamber 2 of a heater 1, which is surrounded by combustion chamber walls 3.
  • a burner door 4 or flap
  • This burner 5 is supplied with a mixture of air and hydrogen or fuel gas containing hydrogen via a mixture supply line 6 .
  • a flame 7 is produced which is almost invisible to the human eye, at least when the fuel gas is pure hydrogen. Nevertheless, this flame emits 7 optical radiation, especially z. B. in the ultraviolet (or infrared) spectral range, which can be observed by means of an optical sensor 9, wherein measured values are passed via a sensor line 10 to a control and regulation unit of the heater 1, not shown.
  • the optical sensor 9 is usually arranged outside in front of a window 8 (sight glass), which is permeable to the optical radiation to be observed. Since the window 8 and its surroundings can also be at a very high temperature, the optical sensor 9 is often at a certain distance, e.g. 2 cm to 20 cm [centimeters], preferably 5 to 15 cm, from the window 8. The further away the optical sensor 9 is from the flame 7, the more sensitive it must be in order to function z. B. to be able to meet as a flame monitor or to regulate the combustion, since the incident on the optical sensor 9 optical radiation decreases with distance. Since the sensitivity cannot be increased at will, small distances of a few centimeters from the window 8 are usually required.
  • the burner 5 is supplied with a mixture of fuel gas and air through the mixture supply line 6, for which purpose a fan 20 sucks in air from the environment 30 through an air intake 21 and transports it to the burner 5 after mixing with the fuel gas.
  • the fuel gas is supplied from a fuel gas supply 23 via a fuel gas valve 22 .
  • the behavior of the fan 20 is observed by means of at least one fan sensor 24, which transmits its measured values to evaluation electronics 12 via a measuring line.
  • a housing 25 with a cover 26 that can be removed or opened encloses the fan 20, the fuel gas valve 22, the burner door 4 with the window 8 and the optical sensor 9, in some versions also the entire combustion chamber walls 3 and other components that are not shown.
  • Housing 25 and lid 26 and any associated gaskets 27 are substantially impervious to light and air. All passages for cables through walls of the housing are also sealed accordingly.
  • An interior 29 of the housing 25 is kept at a certain negative pressure compared to the environment 30 during operation by at least one intake opening 28 of the fan 20, which can only arise if the housing 25 with all seals etc. has been correctly installed and closed. It is practically completely dark in the interior 29 of the housing 25 when no flame 7 is burning, and in any case there is no incidence of extraneous light 18 . However, if the condition of the housing 25 is not correct because For example, a seal 27 is damaged or the cover 26 was not properly closed, there is a risk of extraneous light 18 even if extraneous light is not always present. In this state, air z. B. sucked through the suction port 28 by the fan 20, which affects its behavior.
  • This risk can therefore be detected by observing the behavior of the fan 20 when the heater 1 is started using at least one fan sensor 24 .
  • the fan sensor 24 is connected to evaluation electronics 12 via a measuring line 11 .
  • a decision module 15 decides whether safe operation is possible or not. If this is not the case, a warning/display device 16 can be activated and/or a shutdown can be triggered. Emergency operation can also possibly be set.
  • the measured values of the fan sensor are forwarded 19 to their usual use, e.g. B. in a control and regulation unit of the heater 1 is supplied.
  • the present invention enables the risk of extraneous light incidence 18 on an optical sensor 9 used for flame monitoring and/or control to be determined, even when no extraneous light is incident, namely when starting a heater 1 and can thus prevent operation if this means a safety risk, or switch the heater 1 to a safe operating mode in which the function of the optical sensor 9 is not important. This is how security especially for heaters operated with hydrogen or fuel gas containing hydrogen.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betrieb eines optischen Sensors (9) außen vor einem Fenster (8) zu einem Verbrennungsraum (2) eines Heizgerätes (1), welcher zur Beobachtung einer Flamme (7) in dem Verbrennungsraum (2) während eines Betriebes des Heizgerätes (1) eingerichtet ist, wobei der optische Sensor (9) in einem Innenraum (29) eines gegenüber der Umgebung (30) für Licht und Luft im Wesentlichen undurchlässigen Gehäuse (25) angeordnet ist, welcher Innenraum (29) beim Betrieb von einem Lüfter (20) unter Unterdruck gegenüber der Umgebung (30) gehalten wird, und wobei mindestens ein Lüfter-Sensor (24) zur Überwachung des Verhaltens des Lüfters (20) beim Starten des Heizgerätes (1) vorhanden ist, der mit einer Auswerteelektronik (12) in Verbindung steht, die eingerichtet ist, eine Leckage, eine Beschädigung und/oder ein unvollständiges Schließen des Gehäuses (25) anhand von Messwerten des Lüfter-Sensors (24) beim Starten des Heizgerätes (1) zu erkennen und einen Weiterbetrieb bis zur Herstellung eines korrekten Zustandes des Gehäuses (25) zu verhindern oder nur als Notbetrieb zu ermöglichen. Die Erfindung ermöglicht die Feststellung eines Risikos von Fremdlichteinfall (18) auf einen zur Flammenüberwachung oder Regelung dienenden optischen Sensor (9) beim Start des Heizgerätes (1) und kann so einen Betrieb verhindern, falls dieser ein Sicherheitsrisiko bedeutet, oder das Heizgerät (1) in einen sicheren Betriebsmodus schalten.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betrieb eines optischen Sensors an einem Fenster (Schauglas) zu einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes, insbesondere zur Verbrennung von Wasserstoff enthaltendem Brenngas, bevorzugt mit einem Wasserstoffanteil größer 10%, insbesondere größer 50%, ganz bevorzugt größer 97%, sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt. Wasserstoff als Brenngas oder als Beimischung zu Brenngasen wird immer wichtiger, und es werden große Anstrengungen unternommen, neue oder auch existierende Anlagen und 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 (mit Umgebungsluft) 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 Wasserstoffflammen benötigen zu ihrer Überwachung andere Messsysteme als andere Brennstoffe. Insbesondere liefern lonisationsmessungen nicht immer zuverlässige Signale bei hohen Anteilen von Wasserstoff im Brenngas. Die vorliegende Erfindung ist daher besonders, aber nicht nur anwendbar für Heizgeräte, die mit reinem Wasserstoff oder mit Brenngas, das Anteile an Wasserstoff enthält, betrieben werden.
  • Eine Verwendung von optischen Sensoren (für den sichtbaren, aber insbesondere auch für den Ultraviolett-Bereich des Lichtes) zur Flammenüberwachung und Regelung der Verbrennung unter Benutzung von optischen Filtern ist für Anwendungen bei Heizgeräten, die mit wasserstoffhaltigem Brenngas betrieben werden, schon beispielsweise aus der DE 10 2019 101 329 A1 bekannt. Auch die EP 2 223 016 B1 , die US 5 829 962 A und die DE19 509 704 A1 beschäftigen sich ausführlich mit optischen Messsystemen für die Flammenüberwachung.
  • Die konstruktive Anbindung der optischen Sensorik kann unterschiedlich gestaltet sein. Die optische Sensorik wird durch eine Halterung so zur Flamme im Verbrennungsraum ausgerichtet, dass die Sensorik diese Flamme vermessen kann. Hierbei hat die Halterung gewisse konstruktive Anforderungen zu erfüllen. Zudem muss das Licht aus der Brennkammer austreten können, um optisch erfasst werden zu können. In einer der Wände des Verbrennungsraumes, insbesondere in einer Brennertür neben einem Brenner, ist hierzu ein Fenster eingearbeitet. So kann der optische Sensor das Licht der Verbrennung erfassen.
  • Es wurde erkannt, dass die optische Auswertung einer Wasserstoffverbrennung dabei einem Konflikt unterliegt. Je näher sich die Sensorik an der Flamme und dem Verbrennungsraum befindet, desto deutlicher ist das daraus resultierende Flammensignal. Aber damit ist auch die höhere Einwirkung der Wärme der Verbrennung verbunden. Je nach Sensitivität des Sensors kann die Entfernung zur Flamme vergrößert werden. Falls eine ausreichende Sensitivität für einen zur Temperaturbegrenzung genügenden Abstand nicht verfügbar ist, kann eine zu hohe Wärmeeinwirkung auf die Sensorik durch entsprechende Kühlung des Sensors reduziert werden. In diesem Fall wird die Wärme z. B. durch einen Luftstrom abgeführt, der den Sensor umspült.
  • Allerdings wurde nunmehr erkannt, dass sich bei vielen Anordnungen der beschriebenen Art ein zusätzliches Problem einstellen kann, nämlich das mögliche Auftreffen von Fremdlicht auf den optischen Sensor. Unter Fremdlicht wird im Folgenden jede Art von Licht in einem Spektralbereich, für den der optische Sensor empfindlich ist, verstanden, welches nicht direkt oder indirekt durch die Flamme im Verbrennungsraum erzeugt wurde. Es geht also um aus der Umgebung zum Sensor gelangendes Licht, beispielsweise von einer Beleuchtung oder Fenstern in einem Aufstellraum eines Heizgerätes oder auch Licht von Kontrollleuchten oder Displays einer Heizungsanlage selbst oder von anderen Geräten in deren Nähe. Solches Fremdlicht verfälscht die Messung von Licht aus der Flamme und kann eine zuverlässige Flammenüberwachung und/oder Regelung der Flamme stören oder sogar unmöglich machen, so dass sogar die Sicherheit einer Anlage beeinträchtigt werden kann. Bei einer korrekt installierten und in Betrieb genommenen Anlage befindet sich der optische Sensor in einem praktisch völlig gegenüber der Umgebung geschlossenen Bereich, insbesondere in einem Gehäuse, zum Beispiel in einem sogenannten Unterdruckgehäuse um die Anlage, welches lichtundurchlässig ist und auch gegenüber dem Eintritt von Luft (außer auf dafür vorgesehenen Wegen) im Wesentlichen abgedichtet ist. Ein solches Gehäuse kann für Wartungsarbeiten (zum Beispiel mittels eines abnehmbaren oder aufklappbaren Deckels) geöffnet werden, was auch die Gefahr beinhaltet, dass es bei der Installation oder Wartung nur unvollständig oder gar nicht dicht geschlossen wird, so dass Fremdlicht einfallen kann. Während bei herkömmlichen Anlagen ohne optische Sensoren durch solche Fehler kein Sicherheitsproblem entstehen konnte, ist dies beim Einsatz optischer Sensoren als Flammenwächter und/oder zur Regelung anders. Fremdlichteinfall sollte daher möglichst zuverlässig erkannt und durch entsprechende Maßnahmen verhindert werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik genannten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Weg zur Verhinderung des Eintritts von Fremdlicht geschaffen werden, der auch schon vor dem tatsächlichen Eintritt von Fremdlicht beschritten werden kann. Da Fremdlicht je nach Tageszeit und Beleuchtung der Umgebung unterschiedlich auftreten kann, ist eine Messung des Fremdlichtes selbst nicht zuverlässig zielführend, so dass ein alternatives Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung geschaffen werden sollen sowie ein Computerprogrammprodukt, welches zur Durchführung des Verfahrens dient.
  • 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 jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
  • Zur Lösung der Aufgabe trägt ein Verfahren zum Betrieb bzw. zur Verhinderung von Fremdlichteinfall auf einen optischen Sensor außen vor einem Fenster zu einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes bei, bei dem der Sensor zur Beobachtung einer Flamme in dem Verbrennungsraum während eines Betriebes des Heizgerätes eingerichtet ist. Dabei ist der optische Sensor in einem Innenraum eines gegenüber der Umgebung für Licht und Luft im Wesentlichen undurchlässigen Gehäuses angeordnet, welcher Innenraum beim Betrieb des Heizgerätes unter Unterdruck gegenüber der Umgebung steht. Eine Leckage, eine Beschädigung und/oder ein unvollständiges Schließen des Gehäuses kann hierbei anhand von Messwerten beim Starten des Heizgerätes erkannt werden, wobei ein Weiterbetrieb bis zur Herstellung eines korrekten Zustandes des Gehäuses verhindert oder (nur) als Notbetrieb ermöglicht wird.
  • Auf diese Weise kann insbesondere bei jedem Start des Heizgerätes geprüft werden, ob das Gehäuse korrekt geschlossen ist. Dies bedeutet, dass indirekt geprüft werden kann, ob Fremdlicht eindringen würde, falls in der Umgebung des Gehäuses eine Lichtquelle (Fenster, elektrisches Licht, Kontrollleuchte etc.) auftreten würde, und zwar auch dann, wenn gerade keine Lichtquelle aktiv ist. Dies ist für die Sicherheit eines Heizgerätes sehr wichtig, wenn dieses einen optischen Senor als Flammenwächter und/oder zur Regelung nutzt. Fremdlicht könnte das Vorhandensein einer Flamme vortäuschen, obwohl diese erloschen ist oder das Verhältnis von Brennstoff zu Luft verändern, so dass umweltschädliche, explosive oder gar giftige Abgase entstehen könnten. Ein Heizgerät, bei dem dieses Risiko besteht, sobald eine Lichtquelle in seiner Umgebung eingeschaltet würde, sollte nicht in Betrieb gehen oder bleiben oder wenigstens nur in einem sicheren Modus (Notbetrieb) betrieben werden, bei dem es für die Sicherheit nicht auf den optischen Sensor ankommt.
  • Die Dichtigkeit des (lichtundurchlässigen) Gehäuses ist ein sicherer Hinweis darauf, dass keine Luft und damit auch kein Fremdlicht (wenn welches vorhanden ist) eintreten kann. Da der Unterdruck im Gehäuse durch einen Lüfter erzeugt wird (typischerweise ist dies der Lüfter, der im Betrieb Umgebungsluft gemischt mit Brenngas in den Verbrennungsraum bläst) kann man eine Undichtigkeit des Gehäuses beim Starten des Lüfters aus geeigneten Messwerten und/oder deren zeitlichem Verhalten erkennen. Die Leistung eines Lüfters (in Abhängigkeit von seinem Drehmoment und seiner Drehzahl) ist nämlich abhängig von den Einsatzbedingungen. Diese ändern sich, wenn das Gehäuse nicht vollständig geschlossen ist. Dadurch kann gefördertes Gas (Umgebungsluft und/oder Brenngas) andere als vorgesehene Wege nehmen, wodurch sich das Betriebsverhalten des Lüfters (in Abhängigkeit von seiner Bauart und Regelung) ändert. Solche Änderungen können messtechnisch erfasst werden, was sich die vorliegende Erfindung zu Nutze macht.
  • Bevorzugt wird dazu mindestens ein beim Starten des Heizgerätes für einen korrekten Zustand des Gehäuses typisches Verhalten und/oder ein typischer Verlauf mindestens eines Messwertes beobachtet und mit gespeicherten Daten für einen Start bei korrektem Zustand des Gehäuses verglichen, wobei bei Abweichungen oberhalb einer Sicherheitsschwelle ein Fehler am Gehäuse gemeldet wird. Die Sicherheitsschwelle sollte so niedrig liegen, dass bei geringeren Abweichungen ein sicherer Betrieb des Heizgerätes noch möglich ist. Die Sicherheitsschwelle kann daher beispielsweise 1 bis 10 % des beobachteten Wertes oder Parameters betragen. Es können auch komplexere Muster im Verlauf eines gemessenen Parameters mit Referenzmustern verglichen werden, wodurch eine sehr empfindliche Beobachtung der Integrität des Gehäuses möglich ist. Auf diese Weise lässt sich feststellen, ob das Gehäuse eine Leckage (z. B. durch eine beschädigte oder falsch montierte Dichtung) hat oder sein Deckel nicht richtig geschlossen wurde, was immer auch das Risiko birgt, dass Fremdlicht eindringen kann.
  • Insbesondere wird das Verhalten eines Lüfters beim Starten des Heizgerätes beobachtet. Dies ist bei einem Lüfter für die Zufuhr von Verbrennungsluft und Brenngas ohnehin aus verschiedenen Gründen der Fall. Meist wird die Drehzahl, das Drehmoment, die Leistungsaufnahme, ein Druckaufbau oder ein Differenzdruck, ein Volumenstrom und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit bzw. deren zeitliches Verhalten gemessen. Solche Messwerte und/oder deren Verlauf können dabei auch (und zusätzlich) daraufhin ausgewertet werden, ob Abweichungen von einem typischen Verlauf bei korrektem Zustand des Gehäuses vorliegen.
  • Es sollte bevorzugt mindestens einer der folgenden Parameter des Lüfters beobachtet und mit gespeicherten Daten für einen Start bei korrektem Zustand des Gehäuses verglichen werden: Drehzahl, Drehmoment, Leistungsaufnahme, Strom- und Spannung, Volumenstrom und/oder Druckerhöhung. Schon aus einem, aber mit größerer Zuverlässigkeit aus mehreren dieser Parameter kann eine Information über den Zustand des Gehäuses gewonnen werden. Wird eine zu große Abweichung gegenüber gespeicherten Referenzwerten festgestellt, so kann und sollte eine Abschaltung des Heizgerätes in Verbindung mit einer Warnmeldung erfolgen. Ein regulärer Betrieb wäre zwar möglich, solange tatsächlich kein Fremdlicht einfällt, jedoch würden beispielsweise das Einschalten einer Beleuchtung oder zunehmendes Tageslicht in einem Aufstellraum des Heizgerätes möglicherweise Sicherheitsrisiken bedeuten, weshalb das Gerät mit einem nicht korrekt geschlossenen Gehäuse nicht in Betrieb gehen oder bleiben sollte. Falls dennoch ein Betrieb erfolgen muss, sollte dieser (sofern dies möglich ist) in einem sicheren Modus erfolgen, bei dem die Funktion des optischen Sensors nicht sicherheitsrelevant ist.
  • Zur Lösung der Aufgabe trägt auch eine Anordnung bei, welche einen optischen Sensor außen vor einem Fenster zu einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes zur Beobachtung einer Flamme in dem Verbrennungsraum während eines Betriebes des Heizgerätes aufweist, wobei der optische Sensor in einem Innenraum eines gegenüber der Umgebung für Licht und Luft im Wesentlichen undurchlässigen Gehäuses angeordnet ist, welcher Innenraum beim Betrieb von einem Lüfter unter Unterdruck gegenüber der Umgebung gehalten wird, und wobei mindestens ein Lüfter-Sensor zur Überwachung des Verhaltens des Lüfters beim Starten des Heizgerätes vorhanden ist, der mit einer Auswerteelektronik in Verbindung steht, die eingerichtet ist, eine Leckage, eine Beschädigung und/oder ein unvollständiges Schließen des Gehäuses anhand von Messwerten des Lüfter-Sensors beim Starten des Heizgerätes zu erkennen und einen Weiterbetrieb bis zur Herstellung eines korrekten Zustandes des Gehäuses zu verhindern oder nur als Notbetrieb zu ermöglichen.
  • Insbesondere ist der Lüfter-Sensor ein Sensor für Drehzahl, Drehmoment, Leistungsaufnahme, Strom- und Spannung, Volumenstrom und/oder Druckerhöhung (bzw. Differenzdruck).
  • Besonders bevorzugt ist der Lüfter-Sensor mit einer Auswerteelektronik verbunden, die eingerichtet ist, gespeicherte Messwerte und/oder Messwertverläufe des Lüfter-Sensors beim Start des Heizgerätes bei korrektem Zustand des Gehäuses mit aktuellen Messwerten und/oder Messwertverläufen zu vergleichen und bei Abweichungen über einer Sicherheitsschwelle einen Fehler am Gehäuse zu melden. Diese Meldung wird dann typischerweise von einer Steuer- und Regeleinheit des Heizgerätes in eine Abschaltung oder einen Notbetrieb umgesetzt.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Anordnung das beschriebene Verfahren ausführt. Die Auswerteelektronik benötigt z. B. ein Programm und Daten, um die gewünschte Funktion und einen Datenvergleich durchführen zu können, 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 schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar:
    Fig. 1: schematisch einen Verbrennungsraum eines Heizgerätes mit außen liegendem optischem Sensor in einem Gehäuse, dessen Integrität überwacht wird.
  • Fig. 1 zeigt schematisch einen Verbrennungsraum 2 eines Heizgerätes 1, welcher von Verbrennungsraumwänden 3 umgeben ist. In einer der Verbrennungsraumwände 3 befindet sich eine Brennertür 4 (oder Klappe), an der ein in den Verbrennungsraum 2 ragender Brenner 5 befestigt ist. Dieser Brenner 5 wird über eine Gemisch-Zuleitung 6 mit einem Gemisch aus Luft und Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Brenngas versorgt. Bei der Verbrennung dieses Gemisches, welches beim Betrieb des Heizgerätes 1 aus dem Brenner 5 in den Verbrennungsraum 2 austritt, entsteht eine Flamme 7, die für das menschliche Auge fast unsichtbar ist, jedenfalls bei reinem Wasserstoff als Brenngas. Trotzdem sendet diese Flamme 7 optische Strahlung aus, insbesondere z. B. im ultravioletten (oder infraroten) Spektralbereich, die mittels eines optischen Sensors 9 beobachtet werden kann, wobei Messwerte über eine Sensorleitung 10 an eine nicht dargestellte Steuer- und Regeleinheit des Heizgerätes 1 geleitet werden.
  • Wegen der hohen Temperaturen in einem Verbrennungsraum 2 ist der optische Sensor 9 meist außen vor einem Fenster 8 (Schauglas) angeordnet, welches für die zu beobachtende optische Strahlung durchlässig ist. Da sich auch das Fenster 8 und dessen Umgebung auf sehr hoher Temperatur befinden können, wird der optische Sensor 9 oft in einem gewissen Abstand, z. B. 2 cm bis 20 cm [Zentimeter], bevorzugt 5 bis 15 cm, vom Fenster 8 angeordnet. Je weiter der optische Sensor 9 von der Flamme 7 entfernt ist, desto empfindlicher muss er sein, um seine Funktion z. B. als Flammenwächter oder zur Regelung der Verbrennung erfüllen zu können, da die am optischen Sensor 9 eintreffende optische Strahlung mit dem Abstand abnimmt. Da die Empfindlichkeit nicht beliebig gesteigert werden kann, sind meist kleine Abstände von wenigen Zentimetern zum Fenster 8 erforderlich.
  • Ein Lichtweg 17 zwischen Flamme 7 und optischem Sensor 9, auf dem die zu messende optische Strahlung den optischen Sensor 9 erreichen kann, ist gestrichelt angedeutet. Ebenfalls gestrichelt angedeutet ist ein Fremdlichteinfall 18, der ein Messsignal verfälschen könnte.
  • Der Brenner 5 wird durch die Gemisch-Zuleitung 6 mit einem Gemisch aus Brenngas und Luft versorgt, wozu ein Lüfter 20 durch eine Luftansaugung 21 Luft aus der Umgebung 30 ansaugt und nach Vermischung mit Brenngas zum Brenner 5 befördert. Das Brenngas wird aus einer Brenngasversorgung 23 über ein Brenngasventil 22 zugeleitet. Das Verhalten des Lüfters 20 wird mittels mindestens eines Lüfter-Sensors 24 beobachtet, welcher seine Messwerte über eine Messleitung zu einer Auswerteelektronik 12 leitet.
  • Ein Gehäuse 25 mit einem Deckel 26, der abnehmbar oder aufklappbar ist, umschließt den Lüfter 20, das Brenngasventil 22, die Brennertür 4 mit Fenster 8 und den optischen Sensor 9, in manchen Ausführungen auch die gesamten Verbrennungsräumwände 3 und weitere nicht dargestellte Komponenten. Gehäuse 25 und Deckel 26 und alle zugehörigen Dichtungen 27 sind im Wesentlichen für Licht und Luft undurchlässig. Auch alle Durchführungen von Leitungen durch Wände des Gehäuses sind entsprechend abgedichtet.
  • Ein Innenraum 29 des Gehäuses 25 wird durch mindestens eine Ansaugöffnung 28 vom Lüfter 20 beim Betrieb auf einem gewissen Unterdruck gegenüber der Umgebung 30 gehalten, der nur dann entstehen kann, wenn das Gehäuse 25 mit allen Dichtungen etc. korrekt montiert und geschlossen wurde. In dem Innenraum 29 des Gehäuses 25 ist es dann praktisch vollkommen dunkel, wenn keine Flamme 7 brennt, und es findet jedenfalls kein Fremdlichteinfall 18 statt. Ist der Zustand des Gehäuses 25 jedoch nicht korrekt, weil beispielsweise eine Dichtung 27 beschädigt ist oder der Deckel 26 nicht richtig geschlossen wurde, so besteht das Risiko eines Fremdlichteinfalls 18, auch wenn nicht immer Fremdlicht vorhanden ist. In diesem Zustand wird auch Luft z. B. durch die Ansaugöffnung 28 vom Lüfter 20 angesaugt, was dessen Verhalten beeinflusst.
  • Daher kann dieses Risiko durch eine Beobachtung des Verhaltens des Lüfters 20 beim Start des Heizgerätes 1 mittels mindestens eines Lüfter-Sensors 24 erkannt werden. Dazu ist der Lüfter-Sensor 24 über eine Messleitung 11 mit einer Auswerteelektronik 12 verbunden. Diese enthält einen Vergleicher 13, in dem ein aktueller Messwert oder dessen zeitlicher Verlauf mit einem in einem Referenz-Datenspeicher 14 gespeicherten Messwert bzw. dessen Verlauf bei korrektem Zustand des Gehäuses 25 bei einem Start des Heizgerätes 1 verglichen wird. Ein Entscheidungsmodul 15 entscheidet je nach dem Ergebnis des Vergleiches, ob ein sicherer Betrieb möglich ist oder nicht. Falls dies nicht der Fall ist, kann eine Warn-/Anzeigeeinrichtung 16 angesteuert werden und/oder eine Abschaltung ausgelöst werden. Auch ein Notbetrieb kann möglicherweise eingestellt werden. Ergibt der Vergleich einen korrekten Zustand des Gehäuses 25 (und damit kein Risiko eines Fremdlichteinfalls 18), so werden die Messwerte des Lüfter-Sensors über eine Weiterleitung 19 ihrer üblichen Verwendung z. B. in eine Steuer- und Regeleinheit des Heizgerätes 1 zugeführt.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Feststellung eines Risikos von Fremdlichteinfall 18 auf einen zur Flammenüberwachung und/oder Regelung dienenden optischen Sensor 9, selbst wenn gerade kein Fremdlicht einfällt, und zwar beim Start eines Heizgerätes 1 und kann so einen Betrieb verhindern, falls dieser ein Sicherheitsrisiko bedeutet, oder das Heizgerät 1 in einen sicheren Betriebsmodus schalten, bei dem es auf die Funktion des optischen Sensors 9 nicht ankommt. So lässt sich die Sicherheit, insbesondere bei mit Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Brenngas betriebenen Heizgeräten, erhöhen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizgerät
    2
    Verbrennungsraum
    3
    Verbrennungsraumwände
    4
    Brennertür
    5
    Brenner
    6
    Gemisch-Zuleitung
    7
    Flamme
    8
    Fenster/Schauglas
    9
    optischer Sensor
    10
    Sensorleitung
    11
    Messleitung
    12
    Auswerteelektronik
    13
    Vergleicher
    14
    Referenz-Datenspeicher
    15
    Entscheidungsmodul
    16
    Warn-/Anzeigeeinrichtung
    17
    Lichtweg
    18
    Fremdlichteinfall
    19
    Weiterleitung
    20
    Lüfter
    21
    Luftansaugung
    22
    Brenngasventil
    23
    Brenngasversorgung
    24
    Lüfter-Sensor
    25
    (Unterdruck-)Gehäuse
    26
    Deckel
    27
    Dichtung
    28
    Ansaugöffnung
    29
    Innenraum
    30
    Umgebung

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betrieb eines optischen Sensors (9) außen vor einem Fenster (8) zu einem Verbrennungsraum (2) eines Heizgerätes (1), welcher zur Beobachtung einer Flamme (7) in dem Verbrennungsraum (2) während eines Betriebes des Heizgerätes (1) eingerichtet ist, wobei der optische Sensor (9) in einem Innenraum (29) eines gegenüber der Umgebung (30) für Licht und Luft im Wesentlichen undurchlässigen Gehäuse (25) angeordnet ist, welcher Innenraum (29) beim Betrieb des Heizgerätes (1) unter Unterdruck gegenüber der Umgebung (30) steht, und wobei eine Leckage, eine Beschädigung und/oder ein unvollständiges Schließen des Gehäuses (25) anhand von Messwerten beim Starten des Heizgerätes (1) erkannt und ein Weiterbetrieb bis zur Herstellung eines korrekten Zustandes des Gehäuses (25) verhindert oder nur als Notbetrieb ermöglicht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens ein beim Starten des Heizgerätes (1) für einen korrekten Zustand des Gehäuses (25) typisches Verhalten und/oder ein typischer Verlauf mindestens eines Messwertes beobachtet und mit gespeicherten Daten für einen Start bei korrektem Zustand des Gehäuses (25) verglichen wird und wobei bei Abweichungen oberhalb einer Sicherheitsschwelle ein Fehler am Gehäuse (25) gemeldet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verhalten eines Lüfters (20) beim Starten des Heizgerätes (1) beobachtet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei mindestens einer der folgenden Parameter des Lüfters (20) beobachtet und mit gespeicherten Daten für einen Start bei korrektem Zustand des Gehäuses (25) verglichen wird: Drehzahl, Drehmoment, Leistungsaufnahme, Strom- und Spannung, Volumenstrom und/oder Druckerhöhung.
  5. Anordnung, umfassend einen optischen Sensor (9) außen vor einem Fenster (8) zu einem Verbrennungsraum (2) eines Heizgerätes (1), welcher zur Beobachtung einer Flamme (7) in dem Verbrennungsraum (2) während eines Betriebes des Heizgerätes (1) eingerichtet ist, wobei der optische Sensor (9) in einem Innenraum (29) eines gegenüber der Umgebung (30) für Licht und Luft im Wesentlichen undurchlässigen Gehäuse (25) angeordnet ist, welcher Innenraum (29) beim Betrieb von einem Lüfter (20) unter Unterdruck gegenüber der Umgebung (30) gehalten wird, und wobei mindestens ein Lüfter-Sensor (24) zur Überwachung des Verhaltens des Lüfters (20) beim Starten des Heizgerätes (1) vorhanden ist, der mit einer Auswerteelektronik (12) in Verbindung steht, die eingerichtet ist, eine Leckage, eine Beschädigung und/oder ein unvollständiges Schließen des Gehäuses (25) anhand von Messwerten des Lüfter-Sensors (24) beim Starten des Heizgerätes (1) zu erkennen und einen Weiterbetrieb bis zur Herstellung eines korrekten Zustandes des Gehäuses (25) zu verhindern oder nur als Notbetrieb zu ermöglichen.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, wobei der Lüfter-Sensor (24) ein Sensor für Drehzahl, Drehmoment, Leistungsaufnahme, Strom- und Spannung, Volumenstrom und/oder Druckerhöhung ist.
  7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Auswerteelektronik (12) eingerichtet ist, gespeicherte Messwerte und/oder Messwertverläufe des Lüfter-Sensors (24) beim Start des Heizgerätes bei korrektem Zustand des Gehäuses (25) mit aktuellen Messwerten und/oder Messwertverläufen zu vergleichen und bei Abweichungen über einer Sicherheitsschwelle einen Fehler am Gehäuse (25) zu melden.
  8. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7 das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausführt.
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