ES2205712T3 - Sistema de control de la temperatura. - Google Patents
Sistema de control de la temperatura.Info
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- F23N2235/12—Fuel valves
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Abstract
SE REVELA UN SISTEMA DE CONTROL DE LA TEMPERATURA PARA UN APARATO ACCIONADO POR GAS, QUE UTILIZA UN DISPOSITIVO TERMOELECTRICO QUE DESARROLLA POTENCIA PARA RECARGAR UNA FUENTE DE ENERGIA PRIMARIA, COMO UNA BATERIA RECARGABLE. LA PRESENTE INVENCION PROPORCIONA UN SISTEMA FIABLE Y EFICIENTE PARA CONTROLAR Y ACTIVAR UN SISTEMA DE CONTROL DE LA TEMPERATURA.
Description
Sistema de control de la temperatura.
La presente invención se refiere de forma general
a un sistema de control de la temperatura.
Los sistemas de control de la temperatura
autoexcitados son, desde hace años, ampliamente conocidos. Los
sistemas según el anterior estado de la técnica utilizan un
termostato mecánico bimetálico en serie con una pila termoeléctrica
y una válvula de gas o un circuito equivalente de los denominados
de estado sólido. Al respecto, las patentes U.S. nº 4.696.639; nº
4.770.629 y nº 4.734.658, de Bohan, Jr. dan a conocer una versión
de un multivibrador de descarga libre autoexcitado de estado sólido
que amplifica la tensión de un dispositivo termoeléctrico de baja
tensión (por ejemplo, una termopila). La energía aportada por el
dispositivo termoeléctrico (TED) es la única fuente de energía del
sistema.
Por consiguiente, en el supuesto que se extinga
la llama del piloto, o el TED falle, se pierde por completo la
energía que alimenta al sistema de control de temperatura. Más aun,
el sistema de control de temperatura de Bohan requiere que el
usuario encienda manualmente un piloto testigo para inicializar el
sistema. El usuario no puede soltar el accionador de la válvula de
gas de accionamiento manual hasta que el TED ha producido la
energía suficiente. Una vez la termopila ha alcanzado el nivel
preestablecido, la válvula de accionamiento del piloto testigo se
abre magnéticamente a través de la corriente que proporciona el
TED.
Un indicador luminoso avisa al usuario cuando
puede soltar el actuador manual de la válvula de gas. El indicador
luminoso se activa cuando el TED tiene energía suficiente para
controlar el sistema de control. Típicamente, el actuador no se debe
soltar hasta transcurridos por lo menos tres minutos después que el
quemador piloto se haya encendido. Si el actuador se suelta
demasiado pronto, la válvula de gas se cierra y la llama del piloto
se apaga. Cuando este ocurre se debe repetir todo el proceso de
puesta en marcha del piloto. Por dicho motivo la lámpara indicadora
constituye una característica útil para el usuario. Un sistema que
apague el quemador principal cuando el TED esté funcionando cumple
con la misma misión.
Las válvulas de gas que se utilizan habitualmente
hoy en día están accionadas directamente por un TED con (2)
bobinas. Una de las bobinas necesita poca energía para mantenerse
enclavada y se utiliza como sistema de seguridad para cortar la
energía cuando el TED deja de funcionar, cuando se libera la bobina
de seguridad se cierra el suministro de gas a los quemadores. La
segunda bobina controla el mecanismo que normalmente abre y cierra
el paso del gas al quemador principal. Una vez el piloto testigo se
ha encendido permanece encendido hasta que se apague manualmente o
hasta que por cualquier motivo el TED deje de suministrar energía.
El TED puede dejar de suministrar energía debido a que se apague la
llama piloto y/o debido a un fallo del TED en si mismo. Si el TED
deja de suministrar energía, la bobina de seguridad se desenclava y
corta el paso de gas al quemador y al piloto. Los dispositivos de
seguridad son primordiales en todos los sistemas que controlan la
combustión de gas. Se produciría una situación peligrosa en el caso
que fluyera el gas y no hubiera combustión. Por consiguiente, es
imperativo cerrar el paso del gas al quemador y al piloto cuando se
apaga la llama del piloto o del quemador.
Las realizaciones según la presente invención,
solucionan estos y otros inconvenientes de los sistemas de control
de temperatura según el anterior estado de la técnica,
proporcionando un sistema de control de la temperatura muy fiable,
seguro y eficiente.
El documento
US-A-4.770.629 da conocer las
características del preámbulo de la reivindicación 1.
El documento
US-A-5.720.608 da a conocer una
batería que se carga con el voltaje generado por un dispositivo
térmico generador de energía.
El documento
JP-09-152.127 da a conocer una
batería que se carga tanto a través de condensadores que almacenan
la energía suministrada por un elemento termoeléctrico y un
circuito amplificador como por un circuito amplificador.
El documento
JP-09-250.741 da a conocer una
batería que se carga a con el voltaje suministrado por un elemento
termoeléctrico a través de un circuito amplificador.
El documento
JP-04-260.717 da a conocer una
batería que se carga con la corriente suministrada por un elemento
termoeléctrico a través de un circuito convertidor de corriente
continua a corriente continua.
El documento
JP-58-026.923 da a conocer una
batería que se carga con la corriente suministrada por un elemento
termoeléctrico que suministra voltaje a un circuito de encendido
que suministra un elevado voltaje en corriente continua CC para
excitar un conmutador de encendido.
Según la presente invención, se proporciona un
sistema de control de la temperatura, que comprende:
medios quemadores que comprenden un quemador
principal asociado a unos medios de válvula de gas para controlar
el suministro de gas a dichos medios quemadores, y unos medios de
encendido para encender el quemador principal;
medios convertidores de voltaje para convertir un
potencial de corriente continua en una salida de voltaje de
corriente continua, en el que dicha salida de voltaje de corriente
continua tiene un potencial superior a dicho potencial de corriente
continua;
medios de conmutación para controlar la apertura
y el cierre de dichos medios de válvula de gas asociados; y
medios de control para controlar el
funcionamiento de los medios quemadores en concordancia con la
temperatura actual detectada y la temperatura de referencia;
caracterizado por:
unos medios generadores termoeléctricos sensibles
a la llama situados en por lo menos uno de dichos quemadores
principales y dichos medios de encendido para generar un potencial
de corriente continua, en el que dicho potencial de corriente
continua se aplica a unos medios convertidores de voltaje que
suministran la energía a los medios de válvula asociados; y
unos medios que constituyen una fuente de energía
recargable para suministrar energía a dichos medios de control,
estando dichos medios de control programados para controlar el
estado de dichos medios generadores termoeléctricos para determinar
cuando dichos medios generadores termoeléctricos pueden entregar
energía sobrante para recargar dichos medios que constituyen la
fuente de energía recargable, en el que dicha salida de voltaje de
corriente continua recarga dichos medios que constituyen la fuente
de energía recargable cuando el voltaje de dichos medios que
constituyen la fuente de energía recargable baja por debajo de
dicha salida de voltaje de corriente continua.
Una ventaja de las realizaciones de la presente
invención es que proporcionan un sistema de control de la
temperatura que tiene un piloto testigo de encendido.
Otra ventaja de las realizaciones de la presente
invención es que proporcionan un sistema de control de la
temperatura que tiene un sistema de encendido por chispas.
Otra ventaja de las realizaciones de la presente
invención es que proporcionan un sistema de control de la
temperatura que comprende una fuente de energía recargable que
proporciona una fuente de energía primaria al sistema de
control.
Otra ventaja de las realizaciones de la presente
invención es que proporcionan un sistema de control de la
temperatura que comprende una fuente de energía termoeléctrica para
recargar la fuente de energía primaria.
Otra ventaja de las realizaciones de la presente
invención es que proporcionan un sistema de control de la
temperatura que detecta cuando la fuente de energía termoeléctrica
está no operativa.
Otra ventaja de las realizaciones de la presente
invención es que proporcionan un sistema de control de la
temperatura que ahorra energía por no mantener excitados
permanentemente los medios detectores de temperatura.
Otra ventaja de las realizaciones de la presente
invención es que proporcionan un sistema de control de la
temperatura que comprende conmutadores de estado sólido para abrir
y cerrar las válvulas de gas.
A continuación se describe la invención a título
de ejemplo haciendo referencia a los dibujos anexos, en los cuales
los elementos equivalentes se han referenciado con las mismas
referencias, en los cuales:
La Figura 1 representa un sistema de control de
temperatura que tiene un piloto testigo, según una primera
realización de la presente invención;
La Figura 2 representa un sistema de control de
temperatura que tiene un piloto testigo, según otra realización de
la presente invención y;
La Figura 3 representa un sistema de control de
temperatura que tiene un sistema de encendido por chispas según
otra realización de la presente invención;
La presente invención tiene dos realizaciones
principales. La primera realización se refiere a un sistema de
control de temperatura para un sistema con un piloto testigo, y la
segundo realización se refiere a un sistema de control de
temperatura para un sistema de encendido por chispas.
A continuación, se hará referencia a los dibujos
en los cuales se ha representado una realización preferida de la
invención que se describe únicamente a título de ejemplo no
limitativo, en la que, el quemador de combustible 20 comprende de
forma general un quemador piloto 22 (piloto testigo) y un quemador
principal 26. El quemador piloto 22 proporciona una llama F1 para
encender el quemador principal 26. Una válvula de gas principal 28
controla de forma convencional el flujo de gas hacia el quemador
principal 26, de forma conocida según estado de la técnica.
El sistema de control de temperatura 10 controla
las condiciones de temperatura, y controla el funcionamiento de la
válvula de gas 28 para regular la cantidad de calor generado por el
quemador principal 26. El sistema de control de temperatura 10
comprende de forma general un sistema de actuación electromagnético
o conmutador magnético SOL1, medios de control 30, medios
generadores termoeléctricos o dispositivo termoeléctrico (TED) 40,
medios de conmutación SW1, SW2 y SW3, un transformador T1, una
fuente de alimentación de corriente continua 14, un termistor 52,
un potenciómetro 54, y una fuente de energía recargable 60.
Preferiblemente, el TED 40 está configurado en
forma de termopila. La termopila comprende dos o más termopares
conectados en serie. Un termopar es un dispositivo compuesto
básicamente por dos alambres o láminas de metales de diferentes
características íntimamente unidos (por ejemplo,
hierro-constantan (tipo J)). Cuando se calienta
dicha unión íntima, se crea en ella una tensión de corriente
continua. El TED 40 tiene una salida de potencial positiva 42 y una
salida de potencial negativa 44. El voltaje de los terminales 42 y
44 se transmite a través de un par de conductores 46 y 48 al sistema
de comparación de temperaturas del sistema de control de
temperatura 10. La salida de potencial típica del TED sin carga es
de alrededor de 750 milivoltios de corriente continua (bajo
voltaje).
El solenoide SOL 1 está relacionado con la
válvula de gas 28 para abrir (ON) y cerrar (OFF) la válvula de gas
28. El funcionamiento del SOL 1 se describirá detalladamente más
adelante.
Los medios de control 30 proporcionan un sistema
de control de temperatura completo 10, preferiblemente configurado
convenientemente en forma de microcontrolador o microprocesador
CMOS, que funciona a baja tensión (es decir, que consume poca
energía). Según una realización preferida de la presente invención,
los medios de control 30 comprenden puertos P_{1}, P_{2},
P_{3}, P_{4}, P_{5}, P_{7} así como patas V_{s}, V_{0}
y de puesta a cero RESET. A través del puerto de salida P_{1} se
controla el funcionamiento de los medios de conmutación SW1, a
través del puerto de salida P_{2} se controla el funcionamiento de
los medios de conmutación SW2, a través del puerto de salida
P_{3} se controla el funcionamiento de los medios de conmutación
SW3. A través del puerto de entrada P_{4} se recibe la tensión
del termistor 52 que indica la temperatura actual (T_{ACTUAL}). A
través del puerto de entrada P_{5} se recibe el voltaje del
potenciómetro 54 que indica la temperatura de referencia
(T_{SET}). El puerto de entrada P_{7} proporciona una entrada
auxiliar, que se describirá mas adelante. Un convertidor
Analógico-Digital (A/D) de los medios de control 30
convierte los valores analógicos de tensión en valores digitales.
Una realización alternativa de la presente invención podría ser
que, los circuitos del convertidor A/D estuviesen situados fuera
del control 30, o que todo el circuito estuviese diseñado
analógicamente. A través de la pata de entrada V_{s} entra el
voltaje de potencia en los medios de control 30. La pata de entrada
V_{0} está conectada a tierra. La entrada de puesta a cero RESET
está conectada al conmutador CS1, que conecta con tierra cuando se
activan los medios de puesta a cero 30. El funcionamiento de los
medios de control 30 se describirán detalladamente más adelante.
El transformador T1 comprende dos bobinas
acopladas magnéticamente, es decir una bobina primaria W_{1} y
una bobina secundaria W_{2}.
Típicamente el termistor 52 está situado en una
posición remota conveniente para detectar la temperatura. Cuando
el termistor 52 se excita convenientemente, proporciona un voltaje
que indica la temperatura actual (T_{ACTUAL}). Este voltaje
constituye una entrada (input) para los medios de control 30 a
través del puerto de entrada P_{4}. Otros dispositivos
alternativos para detectar la temperatura que podrían substituir
convenientemente al termistor podrían ser, detectores de
temperatura resistivos (RTDs) y termopares con sus correspondientes
circuitos de señal.
El potenciómetro 54 se utiliza para fijar la
temperatura de referencia deseada (T_{SET}). A este respecto, el
potenciómetro 54 proporciona un voltaje de referencia (T_{SET}).
Este voltaje constituye una de las entradas que entran en los medios
de control 30 a través del puerto de entrada P_{5}. Otros
dispositivos alternativos que podrían substituir convenientemente
al potenciómetro podrían ser resistencias variables.
También, en el caso que la temperatura de
referencia tuviese un valor fijo se podría utilizar
convenientemente medios resistivos de valor fijo.
El termistor 52, el potenciómetro 54, y las
resistencias R1, R2 y R3 forman en su conjunto los medios de señal
de entrada de temperatura para entrar en los medios de control 30
las señales (T_{SET}) y (T_{ACTUAL}).
Los medios de conmutación SW1, SW2 y SW3
preferiblemente están configurados en forma de transistores de bajo
efecto de resistencia de campo (FETs). Sin embargo, otros
conmutadores de estado sólido también pueden ser igualmente
convenientes. Debe tenerse en cuenta que utilizar conmutadores de
estado sólido (en lugar de los de contacto electromecánico)
proporciona un mayor grado de fiabilidad al sistema de control de
temperatura. Es conocido al respecto, que los contactos
electromecánicos convencionales son poco fiables cuando a través
de ellos pasan señales de baja intensidad o bajo voltaje.
Además, los medios de conmutación de estado
sólido proporcionan un mejor control de temperatura que los
termostatos mecánicos.
Los medios de conmutación SW1 controlan el
funcionamiento de la válvula 28 del quemador de gas conmutando la
salida del TED 40 a través del solenoide SOL1 asociado a la válvula
de gas 28. A este respecto, el bajo voltaje proporcionado por el TED
40 se utiliza para activar SOL1 que abre la válvula de gas 28. Los
medios de conmutación SW1 son controlados a través del puerto de
salida P_{1}. Los medios de conmutación SW2 controlan la
frecuencia de conmutación del circuito convertidor 12 formado por
los medios de conmutación SW2, el transformador T1 y el diodo de
descarga libre D1. El circuito convertidor 12 "amplifica" el
bajo voltaje generado por el TED 40 amplificando el voltaje. El
diodo de descarga libre D1 protege los medios de conmutación SW2 de
los transitorios de alta inducción. La descripción del
funcionamiento del circuito convertidor 12 completo se expondrá
más adelante. Los medios de conmutación SW3 controlan la entrada de
T_{ACTUAL} y T_{SET} en los medios de control 30. Al respecto,
cuando se activa (ON) SW3 la corriente pasa a través del termistor
52, de las resistencias R1, R2 del potenciómetro 54 y de la
resistencia R3. De forma que, el termistor 52 y el potenciómetro 54
se excitan y los voltajes que indican T_{ACTUAL} y T_{SET}
entran en los medios de control 30 a través de los puertos de
entrada P_{4} y P_{5}. De forma que, se evita un consumo
permanente de energía de la fuente de energía recargable 60. Es
importante resaltar que en una realización alternativa, el
termistor 52 y el potenciómetro 54 pueden estar implementados de
forma que den una única señal equivalente a la diferencia de señal
entre ambos a través de solo uno de los puertos de entrada (por
ejemplo, P_{4} o P_{5}).
La fuente de energía recargable 60 está
constituida preferiblemente por una batería recargable, También es
posible utilizar un condensador de gran capacidad. El terminal
positivo 62 de la fuente de energía 60 está conectado al puerto de
entrada de voltaje (V_{s}) de la unidad de control 30, y el
terminal negativo de la fuente de energía 60 está conectado al
suelo.
El solenoide SOL1 de la válvula de gas del
quemador principal 28 está conectado al terminal positivo 42 y al
terminal negativo 44 a través de medios de conmutación SW1. A
través de los medios de conmutación SW1 se transmite la señal que
proviene del puerto de salida P_{1}, los medios de conmutación
SW1 abren la válvula de gas 28 del quemador principal. De forma
que, la válvula de gas 28 envía combustible al quemador principal 26
que es encendido por la llama del quemador piloto F. Por
consiguiente, a través de la conmutación de los medios de
conmutación SW1 se controla eficazmente el estado del quemador
principal 26.
Como ya se ha expuesto, el circuito convertidor
12 "amplifica" la baja tensión generada por el TED 40. En
efecto, a través del puerto de salida P_{2} sale una señal
pulsante, tipo abierto/cerrado ON/OFF, que a su vez hace conmutar
los medios de conmutación SW2 abriéndolos y cerrándolos ON/OFF según
la frecuencia de conmutación deseada. Cuando los medios de
conmutación SW2 están abiertos ON, la baja tensión generada por el
TED 40 pasa a través de la bobina W1. De forma que la corriente en
la bobina W1 aumenta. La corriente se deriva a través de: la bobina
W1 y el TED 40. Cuando a continuación los medios de conmutación SW2
están cerrados (OFF), la corriente de la bobina W1 se deriva a
través del diodo D1 (es decir, por la pequeña resistencia interna
W1). De forma, que la corriente en la bobina W1 cae rápidamente a
cero.
Se sobreentiende que la bobina W1 del
transformador T1 tiene de forma general una gran inductancia
asociada. El efecto neto de la inductancia es almacenar energía y
evitar que circule corriente cuando cambia. Si la corriente es
inicialmente cero y se amplia la tensión, la inductancia crea una
respuesta EMF para intentar evitar que la corriente aumente. En el
transcurso de este proceso, se almacena energía en forma de campo
magnético en la inductancia. Si se corta la tensión bruscamente, se
genera una tensión que hace que circule corriente. Si por ejemplo
la tensión se corta a través de un conmutador mecánico, se crea
una tensión muy grande que cuando se abre el circuito puede que
llegar a producir un "arco". Existen diversas técnicas
ampliamente conocidas para eliminar los arcos. La que se utiliza en
la realización preferida de la presente invención consiste en
proporcionar un circuito en derivación con una pequeña resistencia
de forma que la corriente puede continuar circulando y la energía
almacenada se pueda consumir rápidamente sin que se cree un elevado
voltaje que potencialmente podría llegar a ser destructivo. En
ocasiones se coloca en serie con el diodo D1 una pequeña
resistencia que protege al diodo de corrientes elevadas. Los diodos
que realizan esta función reciben habitualmente la denominación de
diodos "de descarga libre".
También debe tenerse en cuenta que la forma de la
señal cuadrada o pulsante, que se genera en el dispositivo, tiene
una forma típica de señal de Corriente Alterna CA. La salida de
tensión puede aproximarse en mayor o menor medida a la forma de onda
de CA en función del efecto filtro que realice la inductancia de la
bobina secundaria y la propia carga. Cuando la salida del TED 40
está conectada a la bobina primaria del transformador T1 es la
salida de tensión del TED 40 la que controla la corriente. La salida
del TED 40 es de bajo voltaje y relativamente de alta intensidad.
Sin embargo, se necesita un voltaje relativamente alto y tanta
corriente como sea posible para los medios de control 30 y para
recargar la fuente de energía recargable 60. El transformador T1 es
un transformador amplificador con una relación de amplificación que
amplifica conveniente la salida de voltaje manteniendo sin embargo
la corriente necesaria acorde con las necesidades.
La conmutación periódica de los medios de
conmutación SW2 proporciona una corriente pulsante u oscilante a la
bobina primaria W1, que de forma general tiene forma de señal
cuadrada. Esta corriente oscilante se "reduce" cuando se
"incrementa" el bajo voltaje de salida y se convierte en una
salida oscilante de mayor voltaje a través de la bobina secundaria
W2, que es la salida del circuito convertidor 12. Dicha salida
oscilante de potencial incrementado a su vez se utiliza como entrada
de una fuente de alimentación de corriente continua 14 que
comprende un diodo rectificador D2 un diodo Zener D3, un
condensador de almacenamiento CAP1, y un diodo D4. El funcionamiento
de una fuente de alimentación de corriente continua 14 es de sobras
conocido por los expertos en la materia. La salida oscilante es
rectificada por el diodo D2, cortada por el diodo Zener D3 y
almacenada y regulada en voltaje por el condensador filtro CAP1.
Por consiguiente, el nodo 64 se convierte en una fuente de
alimentación de corriente continua estabilizada. En una realización
preferida de la presente invención el nodo 64 proporciona una
tensión estabilizada de Corriente Continua CC de 3 a 5 voltios
(voltaje alto). Debe tenerse en cuenta que se puede obtener un
ahorro de energía si se utiliza un voltaje no estabilizado, ya que
se evitan las perdidas que se producen al utilizar un diodo Zener.
Más aún, la fuente de alimentación de corriente continua 14 puede
comprender un rectificador de onda completo, en lugar de un
rectificador de media onda.
Cuando el terminal positivo (terminal 62) de la
fuente de energía recargable 60 cae por debajo del potencial del
terminal 64, el diodo de bloqueo D4 es sobrepasado parcialmente, y
permite el paso de corriente. Como resultado, la fuente de
alimentación de corriente continua CC 14 recarga la batería 60.
Debe tenerse en cuenta que además la fuente de alimentación de
corriente continua (CC) 14 proporciona energía para la entrada de
voltaje V_{s} de la unidad de control 30.
Debe tenerse en cuenta que la conmutación de la
corriente primaria del transformador T1 no produce descarga. Tal
como ya se ha dicho anteriormente, la frecuencia de conmutación se
controla a través de los medios de control 30. Esto permite fijar
la frecuencia más económica y ventajosa. A este respecto, se elige
la frecuencia de forma que minimice el tamaño de sus componentes, y
optimice la eficiencia del proceso de transformación (es decir, de
amplificación de voltaje), y permita cumplir los últimos y a veces
muy exigentes estándares EMI vigentes o que puedan estar vigentes
en el futuro. En otra realización alternativa de la presente
invención, los medios de control 30 podrían estar controlados por
un programa de control "adaptativo" que variase la frecuencia
de conmutación en función de determinadas condiciones de
funcionamiento.
Los medios de control 30 tienen establecida la
función de control a través de las resistencias R1, R2 y R3, el
termistor 52 y el potenciómetro 54. Al respecto, el potenciómetro
54 se utiliza para fijar la temperatura de referencia (T_{SET})
que es la temperatura a la que tiene que actuar el sistema de
control 10. El termistor 52 actúa como detector de temperatura y
proporciona una señal que corresponde a la temperatura detectada
T_{ACTUAL}. En función de la resistencia del termistor 52, el
valor de las otras resistencias y de la resistencia fijada en el
potenciómetro 54, los medios de control 30 dan una señal de salida
de control a través del puerto de salida P_{1}. Al respecto, los
medios de control 30 evalúan la diferencia entre T_{ACTUAL} y
T_{SET} para Determinar cuando la válvula de gas 28 se debe abrir
o cerrar. Debe tenerse en cuenta que ya que los medios de control
de temperatura 30 pueden estar constituidos por un microcontrolador
programable, los medios de control de temperatura 30 se pueden
programar convenientemente con una temperatura de referencia, por lo
que se elimina la necesidad de disponer del potenciómetro 54.
La salida en el puerto de salida P_{1} cambia
en función de la temperatura del termistor 52, que a su vez
controla los medios de conmutación SW1. Tal como se ha dicho
anteriormente, los medios de conmutación SW1 están conectados en
serie con el circuito del solenoide SOL1 asociado al quemador
principal 28. La conexión con SOL1 se indica con la referencia 24.
La válvula de gas del quemador principal 28 y el solenoide asociado
SOL1 pueden convenientemente ser accionados por el exceso de tensión
de bajo voltaje proporcionado por TED 40, cuando los medios de
conmutación SW1 están abiertos ON (es decir en la posición en que
conducen). Alternativamente, la fuente recargable de energía 60 se
puede utilizar para accionar la válvula de gas que requiere un alto
voltaje y una baja corriente.
Según una realización preferida de la presente
invención, el procedimiento para encender el piloto testigo
consiste en encender el piloto manualmente apretando el botón que
mantiene la válvula del piloto abierta, Se puede utilizar una
cerilla u otro medio conveniente para encender el piloto testigo
del quemador. La válvula se mantiene manualmente abierta hasta que
la salida del TED 40 es suficiente para mantener enclavada la bobina
de seguridad de la válvula de gas del piloto. Sin embargo, debe
tenerse en cuenta que existen otros medios adecuados para encender
el piloto testigo. Por ejemplo, una batería o un dispositivo
piezoeléctrico pueden proporcionar la energía necesaria para
encender un encendedor, mientras se mantiene manualmente abierta la
válvula de gas del piloto.
El funcionamiento del sistema de control de
temperatura 10 se describirá a continuación de forma detallada.
Cuando el piloto está encendido, el TED 40 proporciona directamente
la baja tensión necesaria para mantener abierta la válvula de gas
del piloto. La llama F1 del quemador piloto 22 calienta el TED 40. A
su vez, el TED 40 proporciona una corriente continua de bajo
potencial a los terminales 42 y 44. Este potencial se aplica al
circuito en serie formado por el SOL1 y los medios de conmutación
SW1. Cuando los medios de conmutación SW1 están conduciendo, se
activa el solenoide SOL1, que abre la válvula de gas 28. Con la
apertura de la válvula de gas 28 se produce la llegada de
combustible al quemador principal 26 y permite que el quemador de
combustible 20 aporte calor a una carga, como una caldera, un
calentador de agua caliente, un horno o una freidora.
El potencial de corriente continua de los
conductores 46 y 48 se aplica al circuito convertidor 12. De modo
que cuando los medios de control 30 conmutan los medios de
conmutación SW3 de la posición abierta ON a la posición cerrada
(OFF) a través del puerto de salida P_{3}, un potencial de
corriente pulsante u oscilante se aplica a la bobina primaria W1.
Esta corriente oscilante se "reduce", en tanto que la entrada
de bajo voltaje "aumenta" y se transforma en una salida de
voltaje mucho mayor a través de la bobina secundaria W2. La salida
de potencial se aplica a su vez a la fuente de alimentación 14. La
fuente de alimentación 14 rectifica el voltaje para proporcionar un
potencial de Corriente Continua estabilizada (CC) en el nodo 64. En
una realización preferida, el potencial de CC estabilizado es de 5
voltios. Tal como se ha explicado anteriormente, el potencial de CC
se utiliza para recargar la fuente de energía recargable 60, cuando
se cumplen las condiciones adecuadas, tal como se explicará más
adelante. Adicionalmente, el potencial estabilizado de CC puede
también suministrar el voltaje V_{s} a la unidad de control
30.
Debe tenerse en cuenta que los medios de control
30 se pueden programar para detectar si falla El TED 40 o si se
apaga la llama F1 del piloto, controlando de forma permanente el
nivel del voltaje de salida del TED 40, por ejemplo, a través del
puerto de salida P_{7}. En este caso, los medios de control 30
utilizan el suministro de energía de la fuente recargable de
energía 60, y dichos medios de control 30 disponen de energía
suficiente para ejecutar la acción que sea conveniente para evitar
una acumulación peligrosa de gas, independientemente del estado de
funcionamiento del TED 40.
La fuente de energía recargable 60 proporciona la
fuente de energía primaria para los medios de control 30. El TED 40
conjuntamente con el circuito convertidor 12 se utiliza para
recargar la fuente de energía recargable 60. En una realización
preferida, la fuente recargable de energía 60 suministra la energía
necesaria a los medios de control 30 para que puedan permanecer
siempre operativos. Cuando la válvula de gas está cerrada (es decir
OFF), el solenoide SOL1 no recibe la energía del TED 40.
Consecuentemente el exceso de energía del TED 40 queda disponible
para recargar la fuente de energía recargable 60. La fuente de
energía recargable 60 se puede también recargar mientras la válvula
de gas 28 del quemador principal está abierta (ON), en el caso que
el TED 40 pueda simultáneamente suministrar suficiente energía para
alimentar tanto la fuente de energía recargable 60 como la válvula
de gas 28 del quemador principal.
Ya que los medios de control 30 están
constituidos preferentemente por un dispositivo programable, se
pueden modificar fácilmente aportándoles un cierto grado de
inteligencia. Al respecto, los medios de control 30 pueden estar
programados para detectar cuando el TED 40 no está operativo, en
circunstancias en las que si debería estar operativo. En la
circunstancia en que el TED 40 esté no operativo, los medios de
control 30 pueden ejecutar una o más acciones
pre-programadas. Una de dichas acciones puede
consistir en poner en marcha una alarma para avisar al usuario de
forma visual o auditiva. Otra acción puede consistir en desconectar
los medios de control 30 (es decir, ponerlos en modo "espera")
para proteger la fuente de energía recargable 60.
Tal como se ha dicho anteriormente, los medios de
control 30 abren o cierran la válvula 28 del quemador principal
basándose en la diferencia entre los valores de T_{ACTUAL} y
T_{SET}. Consecuentemente, los medios de control 30 saben cuando
el TED 40 está suministrando energía al solenoide SOL1, y de esta
forma los medios de control 30 saben cuando toda la energía del TED
40 está disponible para recargar. Los medios de control 30 está
programados para controlar el estado del TED 40 y por consiguiente
determinar cuando el TED 40 está o no disponible para suministrar la
energía sobrante a la fuente de energía recargable 60.
Debe considerarse que, en una realización
alternativa de la presente invención, la salida del circuito
convertidor 12 se puede realimentar para controlar mejor es estado
del TED. Si el piloto de la fuente de energía se apaga, por
cuestiones de seguridad es esencial impedir que se pueda utilizar
el quemador principal (es decir, se debe cerrar la válvula del
quemador de gas principal). En la mayoría de los casos existe una
bobina de seguridad en la válvula de gas principal que básicamente
actúa como un bloqueo que impide que el gas llegue al quemador
principal sino hay suficiente señal de potencia en el TED. Sin
embargo no es fácil determinar cuando se dan estas circunstancias.
La detección del estado del TED proporciona dicha información,
aunque puede pasar un cierto tiempo entre el momento en que se
apaga la llama del piloto y el momento en que se consume la energía
almacenada en el TED.
Para ahorrar la energía que se necesita para
excitar los medios detectores de temperatura (es decir, el
termistor 52 y el potenciómetro 54), los medios de control 30 no
mantienen permanentemente excitados a los medios de entrada de
temperatura. Al respecto, el termistor 52 y el potenciómetro 54
están únicamente excitados, a través de los medios conmutadores SW3
en el momento de medir la T_{ACTUAL}, por consiguiente se ahorra
energía de los medios de control 10. Los medios de entrada de
temperatura se excitan únicamente cuando se realizan las lecturas,
y la excitación se mantiene únicamente el tiempo necesario para que
se estabilicen las mediciones y sean adquiridas por los medios de
control 30.
Se puede establecer un "equilibrio" de
energía entre los componentes del sistema de control de temperatura
10, en sus diversas formas de funcionamiento. Un ejemplo de
equilibrio de energía se ilustra a continuación:
(Ecuación 1)E_{BATERIA} +
(eff * E_{TED}) \geq E_{GV} + E_{MPU} +
E_{XTR}
en
donde:
| E_{BATERIA} | = Energía almacenada en la batería | |
| E_{GV} | = Energía necesaria para activar la válvula de gas | |
| E_{MPU} | = Energía consumida en el Microcontrolador o Microprocesador | |
| E_{XTR} | = Energía consumida en los circuitos externos | |
| (eff * E_{TED}) | = Energía neta del TED |
Cuando el sistema está en funcionamiento, siempre
se cumple que el lado izquierdo de la ecuación 1 es igual o mayor
que el lado derecho. Transitoriamente, el lado derecho puede ser
mayor que el izquierdo mientras transcurre el tiempo suficiente para
equilibrar el déficit.
Se puede afirmar según los términos de la
Ecuación 1 que se trata de un típico ciclo de trabajo de
conservación de la energía ya que el TED 40 está dimensionado
basándose en la energía neta necesaria para el funcionamiento más un
excedente necesario para asegurar que se pueda recargar la fuente
de energía recargable 60.
Ya que el circuito convertidor 12 está controlado
por los medios de control 30 y no se descarga libremente ni se
autoexcita, los medios de control 30 podrían, si fuese necesario,
inhibir el procedimiento amplificador durante los intervalos en que
el SOL 1 está activado. Puede darse el caso que en algunas
ocasiones, sea ventajoso activar el SOL1 directamente a partir de
la fuente de energía recargable 60. Durante los intervalos en que la
válvula 28 del quemador principal esta cerrada OFF, la totalidad de
la energía salida del TED 40 queda disponible para proporcionar
energía tanto para compensar las diversas consumos o pérdidas de
energía como para recargar la fuente de energía recargable 60.
La dimensión conveniente de la fuente de energía
recargable 60 se determina fundamentalmente evaluando, en
condiciones normales de trabajo, cual es el intervalo de tiempo más
largo en el que la válvula del quemador principal permanecerá
abierta de forma continua y la energía consumida durante dicho
intervalo. Considerando que esta es la situación más desfavorable
en lo que se refiere a descarga de energía de la fuente 60.
Alternativamente se puede dimensionar el TED 60 de forma que siempre
tenga una carga neta disponible después de restar todos los
consumos representados en el lado derecho de la Ecuación 1. La
esperanza de vida de la fuente de energía recargable 60 debería ser
preferiblemente de dos (2) o más años, en condiciones de trabajo
normales.
Las realizaciones de la presente invención
también se pueden incorporar medios para informar al usuario cuando
los medios de control 30 deberían ponerse en marcha o apagarse. Por
ejemplo, unos medios de conmutación se pueden utilizar para situar
los medios de control 30 en situación de "espera" tal como se
ha descrito anteriormente o para situarlos en una posición en la
que efectivamente abran el circuito a la salida de la fuente de
energía recargable. Si el usuario cierra manualmente el paso del
gas, la llama se apagará rápidamente. Y debido a que desde el punto
de vista de la seguridad, se ha producido una situación de falta de
seguridad, que puede ser problemática según cuales sean las
características del encendido. Una manera de resolver esta
circunstancia es cerrar el sistema después de haber hecho varios
intentos programados de encendido. En el caso del piloto testigo,
si la llama se apaga, el TED 40 se "muere". Los medios de
control 30 detectan esta situación y se dan cuenta que algo no
funciona bien. A su vez, los medios de control 30 se apagaran y si
es conveniente se pondrán en posición de "espera".
Haciendo referencia a continuación a la Figura 2,
en la que se presenta un sistema de control de temperatura
modificado. El sistema de control de la temperatura 10A
esencialmente es el mismo que el sistema de control de la
temperatura 10. Sin embargo en el sistema de control de la
temperatura 10A se incluye una alarma A1, conectada a los medios
de control 30 a través de los medios de conmutación SW4. La alarma
A1 está conectada al terminal 62 a través de la resistencia R4.
Por consiguiente, la fuente de energía recargable 60 alimenta la
alarma A1. Los medios de conmutación SW4 están controlados por los
medios de control 30 a través del puerto de salida P_{6}. Cuando
los medios de control 30 detectan que se ha producido una situación
de alarma (por ejemplo, se ha apagado la llama del piloto F1, y el
TED ha dejado de producir energía, o una sonda detectora de
temperatura está abierta o cortocircuitada), se activan los medios
de conmutación SW4. Esto a su vez, hace que se aplique tensión a la
alarma A1.
Un conmutador de contactos cerrados CS1 (de
puesta a cero) se puede utilizar para desactivar la alarma A1. Por
lo que hace referencia a todo lo demás, los medios de control de la
temperatura 10A son similares a los medios de control de temperatura
10 descritos anteriormente.
El futuro de los sistemas tipo piloto testigo es
cada vez más incierto ya que las nuevas normativas tienden cada vez
mas a prohibir su utilización debido al impacto medioambiental y al
derroche de energía. Los conceptos que constituyen el cuerpo de la
invención son igualmente aplicables a los sistemas de encendido por
chispas, con medios de control de estado sólido para controlar el
quemador principal.
La Figura 3 representa un sistema de control de
temperatura 10B para ser utilizado con un quemador de combustible
20B con un sistema de encendido por chispas. Se proporciona un
generador de chispas 80 para encender directamente el quemador
principal 26. Un módulo de encendido de estado sólido 82 activa el
generador de chispas 80 para generar chispas. El módulo de
encendido 82 está conectado al puerto de salida P_{6} de los
medios de control 30, y recibe energía a través del terminal 62. Por
consiguiente, la fuente de energía recargable suministra energía al
módulo de encendido 82.
Los medios de control 30 activan el encendedor de
chispas 82 enviando una señal de activación al módulo de encendido
82 a través del puerto de salida P_{6}. Si la válvula de gas 28
del quemador principal ha sido activada a través de los medios de
control 30 y está abierta, las chispas generadas por el encendedor
de chispas 80 encenderán el quemador principal 26.
Durante la puesta en marcha, la fuente de energía
recargable 60 proporciona la energía necesaria para abrir
inicialmente la válvula de gas 28 del quemador principal y la
energía necesaria para que el módulo de encendido 82 genere chispas
para encender el quemador principal 26. El TED 40 obtiene energía a
partir del calor de la llama del quemador principal. Por
consiguiente, cuando el quemador principal 26 está en
funcionamiento ON, el TED 40 comienza a suministrar un bajo voltaje
al solenoide SOL1 para mantener abierta la válvula 28. Además,
cuando el quemador principal 26 está ON, el TED 40 proporciona
energía para recargar la fuente de energía renovable 60, utilizando
el alto voltaje de corriente continua "amplificado" de la
fuente de alimentación de corriente continua 14. Cuando el quemador
principal 26 está cerrado OFF, el TED 40 no puede proporcionar
energía para recargar la fuente de energía recargable 60, ya que
necesita el calor de la llama del quemador principal para generar
el voltaje. En el resto de aspectos el sistema de control de la
temperatura 10B es similar al sistema de control de temperatura 10
descrito anteriormente.
Debe tenerse en cuenta que la unidad de control
30 se puede programar con funciones que habitualmente realiza el
módulo de encendido 82.
El la realización de sistema de encendido con
chispas de la presente invención, el TED 40 se sitúa en la llama
del quemador principal y está dimensionado con una dimensión
suficientemente grande para que pueda recargar la fuente de energía
recargable 60 durante cada ciclo de abertura y cierre (ON/OFF)
recuperando el total de energía gastada ciclo a ciclo. A
continuación se expresa la ecuación 1 modificada en la que se tiene
en cuenta la energía consumida por el encendedor que se enciende
cada vez que es necesario poner en marcha el quemador.
(Ecuación 2)E_{BATERIA} +
(eff * E_{TED}) \geq E_{GV} + E_{MPU} + E_{XTR} +
E_{IG}
en
donde:
| E_{BATERIA} | = Energía almacenada en la batería |
| E_{GV} | = Energía necesaria para activar la válvula de gas |
| E_{MPU} | = Energía consumida en el Microcontrolador o Microprocesador |
| E_{XTR} | = Energía consumida en los circuitos externos |
| eff * E_{TED} | = Energía neta del TED |
| E_{IG} | = Energía consumida por el encendedor |
Debe tenerse en cuenta que puede ser ventajoso
tener una señal de entrada independiente de un detector de llama
rápido en los medios de control 30 para detectar rápidamente una
situación de ausencia de llama. El objetivo primordial de cualquier
circuito de seguridad de un sistema de combustión de gas es evitar
peligrosas acumulaciones de gas. Se puede realizar un análisis para
determinar cuan rápidamente el TED 40 puede deteriorase y cuando
los medios de control detectaran que está fallando y apagaran el
gas. Si se considera necesario disponer de un detector de llama
independiente, se podría utilizar un sistema que necesite muy poca
energía para funcionar y que incluso pueda generar algo de
energía.
La invención se ha descrito haciendo referencia a
una realización preferida. Obviamente a terceras personas se les
podrán ocurrir, modificaciones y variaciones a partir de la lectura
y comprensión de esta memoria. Particularmente queremos hacer
constar que la presente invención ha sido descrita haciendo
referencia a unos medios de control específicos, medios
convertidores y fuente de alimentación. Es evidente que
comprendidas dentro del alcance de la presente invención se pueden
realizar numerosas variantes de los conceptos dados a conocer. Por
ejemplo, el circuito oscilante dado a conocer por la patente US nº
4.696.639 se podría implementar como medio convertidor. Es más, a
pesar que las realizaciones de la presente invención se han
descrito en relación con sistemas de encendido con piloto y por
chispas, la presente invención es igualmente aplicable a otros
tipos de sistema de encendido. Por ejemplo, en la presente invención
se prevé la utilización conjunta de encendedores de chispas
"intermitentes" (en los que la chispa generada se utiliza para
encender un piloto de gas, y el piloto de gas se utiliza para
encender el quemador principal) y una superficie de encendido
caliente (en la que se utiliza una corriente para calentar un
conductor, que a su vez enciende el gas). Se pretende que todas
dichas modificaciones y variaciones queden incluidas, en la medida
en que en que estén comprendidas dentro del alcance de las
reivindicaciones anexas o sus equivalentes.
Claims (21)
1. Sistema de control de la temperatura (10, 10A,
10B), que comprende:
medios quemadores (20, 20B) que comprenden un
quemador principal (26) con unos medios de válvula de gas asociados
(28) para controlar el suministro de gas a dichos medios
quemadores, y unos medios de encendido (22, 80, 82) para encender el
quemador principal (26);
medios convertidores de voltaje (12, 14) para
convertir un potencial de corriente continua en una salida de
voltaje de corriente continua CC, en el que dicha salida de voltaje
de CC tiene un potencial superior a dicho potencial de corriente
continua;
medios de conmutación (SW1) para controlar la
apertura y cierre de dichos medios de válvula de gas asociados;
y
medios de control (30) para controlar el
funcionamiento de los medios quemadores en concordancia con la
temperatura actual detectada y la temperatura de referencia;
caracterizado por:
unos medios generadores termoeléctricos (40)
sensibles a la llama de por lo menos en uno de dichos quemadores
principales y dichos medios de encendido para generar un potencial
de corriente continua, en el que dicho potencial de corriente
continua se aplica a medios convertidores de voltaje que
suministran energía a los medios de válvula asociados; y
medios que constituyen una fuente de energía
recargable (60) para suministrar energía a dichos medios de control,
estando dichos medios de control (30) programados para controlar el
estado de dichos medios generadores termoeléctricos (40) para
determinar cuando dichos medios generadores termoeléctricos (40)
pueden entregar un sobrante de energía para recargar dichos medios
que constituyen una fuente de energía recargable (60), en la que
dicha salida de voltaje de corriente continua recarga dichos medios
que constituyen una fuente de energía recargable (60) cuando el
voltaje de dichos medios que constituyen una fuente de energía
recargable (60) bajan por debajo de dicha salida de voltaje de
CC.
2. Sistema de control de la temperatura según la
reivindicación 1, en el que dichos medios de encendido comprenden
por lo menos: (1) un piloto; y (2) un encendedor.
3. Sistema de control de la temperatura según la
reivindicación 1 ó 2, en el que dichos medios de conversión de
voltaje comprenden:
medios convertidores (12) para convertir el
potencial de corriente continua en una salida de corriente de
voltaje oscilante; y
medios (14) que constituyen una fuente de
alimentación de corriente continua para recibir la salida de
voltaje oscilante y proporcionar dicha salida de voltaje de
corriente continua.
4. Sistema de control de la temperatura según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho
sistema comprende además:
medios detectores de temperatura (52) para
proporcionar dicha temperatura actual detectada a dichos medios de
control; y
medios para preestablecer una temperatura (54) y
proporcionar dicha temperatura preestablecida a dichos medios de
control.
5. Sistema de control de la temperatura según la
reivindicación 4, en el que dichos medios detectores de la
temperatura (52) comprenden un termistor.
6. Sistema de control de la temperatura según la
reivindicación 4, en el que dichos medios para preestablecer una
temperatura (54) comprenden medios de resistencia variable.
7. Sistema de control de la temperatura según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos
medios de conversión de voltaje (12, 14) comprenden un condensador
(CAP1) para filtrar dicha salida de voltaje de corriente
directa.
8. Sistema de control de la temperatura según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos
medios generadores termoeléctricos (40) comprenden una
termopila.
\newpage
9. Sistema de control de la temperatura según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos
medios convertidores de voltaje comprenden medios para elevar el
voltaje (T1).
10. Sistema de control de la temperatura según la
reivindicación 9, en el que dichos medios para elevar el voltaje
comprenden un transformador.
11. Sistema de control de la temperatura según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos
conmutadores son transistores con efecto de campo (FET).
12. Sistema de control de la temperatura según la
reivindicación 3, en el que dichos medios que constituyen una
fuente de alimentación CC comprenden medios rectificadores y
condensadores.
13. Sistema de control de la temperatura según la
reivindicación 12, en el que dichos medios rectificadores y
condensadores comprenden un diodo Zener (D3) para estabilizar la
corriente oscilante de la salida de voltaje.
14. Sistema de control de la temperatura según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos
medios de control comprenden un microcontrolador CMOS.
15. Sistema de control de la temperatura según la
reivindicación 14, en el que dicho microcontrolador CMOS tiene un
puerto de salida para controlar dichos medios de conmutación, que
está conectado en serie con dichos medios que constituyen una
válvula de combustible.
16. Sistema de control de la temperatura según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho
sistema comprende además medios de alarma (A1) que reaccionan a
partir de una señal salida de dichos medios de control.
17. Sistema de control de la temperatura según
la reivindicación 16, en el que dichos medios de control activan
dichos medios de alarma cuando dichos medios que constituyen una de
fuente de energía recargable caen por debajo de un potencial
predeterminado.
18. Sistema de control de la temperatura según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos
medios de encendido comprenden un piloto testigo del quemador (22),
reaccionando dichos medios generadores termoeléctricos con la llama
del piloto testigo del quemador.
19. Sistema de control de la temperatura según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos
medios de encendido comprenden medios de encendido por chispa (80)
para encender dicho quemador, reaccionando dichos medios generadores
termoeléctricos a la llama de dicho quemador principal.
20. Sistema de control de la temperatura según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos
medios de encendido comprenden un encendedor con una superficie
caliente para encender dicho quemador principal, reaccionando dichos
medios generadores termoeléctricos a la llama de dicho quemador
principal.
21. Sistema de control de la temperatura según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos
medios de encendido comprenden medios de encendido con chispas
intermitentes para encender un quemador piloto, reaccionando dichos
medios generadores termoeléctricos a la llama de dicho quemador
piloto.
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| US48471 | 1998-03-26 | ||
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| ES2205712T3 true ES2205712T3 (es) | 2004-05-01 |
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