ES2785904T3 - Método y dispositivo para determinar si se ha producido ignición - Google Patents

Método y dispositivo para determinar si se ha producido ignición Download PDF

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Abstract

Método para determinar en un aparato de calentamiento si ha tenido lugar la ignición de la mezcla de combustible fluido y aire, que comprende los pasos de: - aplicar una señal de ignición eléctrica a un circuito de medida; - filtrar una señal de combustión de la señal de ignición; - comparar la señal de combustión detectada con un patrón predeterminado; y - establecer que la señal de combustión esperada tuvo lugar durante un período de tiempo predeterminado.

Description

DESCRIPCIÓN
Método y dispositivo para determinar si se ha producido ignición
El solicitante comercializa con mucho éxito aparatos de calentamiento que se pueden fabricar de manera eficiente debido a la integración de uno o más intercambiadores de calor en una pieza de fundición. Este aparato de calentamiento conocido está dotado de un pasador de ignición para encender una mezcla de gas-aire.
El documento US 4,622,005 describe un dispositivo de ignición y monitorización de llama donde se aplica una tensión baja a un circuito de detección de llama y un circuito de confirmación de llama analiza la señal resultante para detectar la presencia de una llama.
La presente invención se refiere a un método para determinar en el aparato de calentamiento si ha tenido lugar la ignición de una mezcla de combustible fluido y aire, que comprende los siguientes pasos de:
- aplicar una señal de ignición eléctrica a un circuito de medida;
- filtrar una señal de combustión de la señal de ignición;
- comparar la señal de combustión detectada con un patrón predeterminado; y
- establecer que la señal de combustión prevista tuvo lugar durante un período de tiempo predeterminado.
Como resultado del presente método, es posible detectar de manera fiable si han tenido lugar igniciones o si se puede evitar la repetición de la ignición y/o la ignición no tiene lugar o tiene lugar demasiado tarde, de modo que una cantidad peligrosa de mezcla de gas-aire se hace presente en o fuera del aparato de calentamiento. Como la mayoría de aparatos CH modernos intercambian información con el mantenimiento o fabricante, es posible determinar muy pronto que la combustión no tiene lugar siempre en la primera ignición.
La presente invención proporciona además un dispositivo para determinar en el aparato de calentamiento si la combustión de las mezclas de combustible fluido y aire ha tenido lugar, que comprende:
- medios de medida a los que puede aplicarse una señal de ignición eléctrica;
- medios de filtro para filtrar una señal de combustión a partir de la señal de ignición;
- medios de comparación para comparar la señal de combustión filtrada con un patrón predeterminado; y - medios de determinación para establecer si la señal de combustión se produjo durante un período de tiempo predeterminado.
El dispositivo comprende preferiblemente una sección de filtro para eliminar mediante filtrado la frecuencia relativamente baja de la señal de ignición a una tensión relativamente alta.
Para reconocer dos picos de la señal de combustión, preferiblemente tiene lugar aquí de manera sucesiva una amplificación y rectificación en una sección de amplificador.
Para establecer de manera precisa el comienza de una señal de combustión, preferiblemente se conecta una sección detonante en paralelo a la sección de filtro y la sección de amplificador.
Una primera sección lógica se conecta preferiblemente a la salida de la sección de amplificador y una segunda sección lógica a las salidas de la primera sección lógica y la sección detonante, de modo que es posible detectar a partir de una simple señal cuadrada que se ha producido ignición.
Otras ventajas, características y detalles de la presente invención se determinarán basándose en la siguiente descripción de una realización preferida de la misma, donde se hace referencia a los siguientes dibujos, en los que: La Figura 1 muestra una vista lateral tridimensional oblicua de una sección transversal de una realización preferida del aparato de calentamiento de acuerdo con la presente invención.
La Figura 2 muestra una sección transversal a lo largo de la línea II-II de la Figura 1.
La Figura 3 muestra una vista lateral oblicua de detalles III de la Figura 2.
La Figura 4 muestra una vista frontal del detalle IV de la Figura 3.
La Figura 5 muestra un diagrama de circuito de una realización preferida de un circuito a la que se conecta una señal que se aplica al pasador de ignición para determinar si ha tenido lugar la ignición.
La Figura 6 muestra un diagrama de circuito de una segunda realización del circuito .
Las Figuras 7A-7F muestran vistas esquemáticas de señales respectivas cuando se producen en la realización preferida de las señales eléctricas de acuerdo con los diagramas de circuito de las Figuras 5 y 6.
La realización preferida que se describe a continuación del aparato de calentamiento con el circuito dispuesto en el mismo tiene varias ventajas significativas:
La calidad de la ignición puede comprobarse de manera precisa y sencilla antes de que un aparato de calentamiento abandone la fábrica, lo que significa que los errores de fabricación por la disposición de los pasadores de ignición u otras imprecisiones con mucha probabilidad serán cosa del pasado.
Se puede monitorizar un buen funcionamiento de la ignición durante toda la vida útil del aparato. Si se producen problemas, estará disponible fácilmente información relativa a su causa, tal como por ejemplo una fuga del material de aislamiento cerámico del pin de ignición por el cual se producen irregularidades en la señal de ignición. Si la distancia entre el pasador de ignición y una parte del aparato (electrodo contrario) es incorrecta, la señal mostrará que la ignición tiene lugar tarde o no tiene lugar. La aparición de un posible cortocircuito (parcial) en el cable de alta tensión similarmente dará como resultado fenómenos que pueden ser detectados de acuerdo con la descripción de la presente solicitud de patente.
En la práctica, la emisión de chispas tiene lugar cada 20 milisegundos (ms). Basándose en el resultado de la presente invención, es posible detener las chispas inmediatamente tan pronto como no se detecte la ignición.
Una desventaja que se observa con relación a dicho aparato es que la ignición tiene lugar solo después de que se hayan emitido repetidas chispas, de modo que tiene lugar una ignición similar a una explosión, lo que es indeseable. Esto se puede evitar si la causa de una ignición problemática se detecta de manera temprana, de modo que la emisión repetida de chispas y/o la ignición tardía, es decir, una vez presente una gran cantidad de gas, serán cosa del pasado.
Se sospecha que en el futuro se obtendrá información relativa a la calidad de la combustión a partir del procesado de la señal, mientras que no tendrá lugar una emisión repetida de chispas en el futuro, lo que permite ahorrar energía y extender la vida útil de diversas partes.
Un aparato 2 de calentamiento comprende un quemador 4, un intercambiador 10 de calor, un ventilador 8, y un denominado bloque 9 de control de válvula de gas para el suministro de gas y aire en el espacio entre el quemador 4 y el intercambiador 10 de calor. Se alimenta aire al ventilador 8 a través de la entrada 7 de aire, mientras que los gases de combustión se guían hacia el exterior del aparato y hacia el conducto de gas de combustión a través de la tubería 5 que se muestra aquí esquemáticamente. Se dispone un pasador 17 de ignición en la carcasa en el espacio entre el quemador 4 y el intercambiador 10 de calor.
El intercambiador 10 de calor (Figuras 2, 3, 4) comprende una pieza fundida 11 y aletas 12 que mejoran el intercambio de calor, de modo que hay dos intercambiadores de calor dispuestos en la pieza fundida. En el presente ejemplo de realización, un primer intercambiador de calor comprende tubos 13 relativamente gruesos para el calentamiento del espacio, mientras que unos tubos 14 más delgados están embebidos en la pieza fundida 11 para agua caliente de grifo.
Montado en un reborde 16 superior del intercambiador de calor hay una unidad 17 de ignición que comprende un pasador 20 de ignición, por ejemplo de material FeCrAl, así como una cubierta 18 de aislamiento y una conexión 19 eléctrica. En el presente ejemplo de realización, se dota a la pieza fundida 16 de un saliente 21. El pasador 20 de ignición se extiende oblicuamente hacia abajo según un ángulo pequeño hasta una posición cercana al quemador 4, del que fluye una mezcla de gas-aire de una manera que no se muestra tan pronto como el aparato reacciona a la demanda de calentamiento del espacio y/o agua caliente del grifo. En la presente realización, se trata de un pasador recto, es decir, que no tiene un extremo exterior curvado, de modo que el intercambiador de calor está achaflanado y proporciona espacio para el pasador de ignición encima del saliente 21.
Se puede producir cierta imprecisión durante la fijación de la unidad 17 de ignición, de modo que una distancia deseada entre el extremo exterior del pasador de ignición y el saliente 21 en la práctica no siempre se asegura, mientras que pueden superarse determinadas tolerancias a lo largo del tiempo debido al desgaste. Es indeseable que una mezcla de gas-aire no se encienda de manera inmediata, al mismo tiempo que también es indeseable que la ignición continúe cuando la mezcla de gas-aire ya se ha encendido.
En muchos hervidores CH existentes, se fuerza un arco eléctrico entre el pasador de ignición y (más o menos) una parte a tierra, por ejemplo durante cuatro segundos y a una frecuencia de 20Hz (o 50Hz, u otra frecuencia), mediante la aplicación de una tensión de alrededor de 10 a 50 kV al pasador de ignición, de modo que hay una chispa a alrededor de 6 a 8 kV en el caso de una distancia de 6 a 8 mm y aire seco. La alta tensión se genera de una manera conocida utilizando un arrollamiento principal, un arrollamiento secundario, y un condensador.
Una vez ha tenido lugar el arco eléctrico durante cuatro segundos, se lleva a cabo una comprobación durante, por ejemplo, un segundo acerca de si se ha producido la combustión de la mezcla de gas-aire. Si no es el caso, es necesario expulsar primero la mezcla de gas-aire utilizando un ventilador, después de lo cual puede volver a empezar el ciclo. Si no se ha detectado todavía la ignición después de varios ciclos, en los aparatos existentes se genera una señal de error que no aclara si el problema está en el suministro de gas, la ignición, u otro lugar.
En algunos casos, es posible que el pasador de ignición no se haya ajustado correctamente durante el montaje, de modo que la ignición no puede tener lugar. También se puede producir una irregularidad en el patrón de las chispas de ignición debido a un cortocircuito o una mala puesta a tierra, mientras que también es posible que los interruptores del bloque de control de la válvula de gas o el mecanismo de ignición funcionen mal o no funcionen.
La realización preferida de la presente invención está basada en el conocimiento de que es posible establecer a partir de un patrón de una señal de combustión detectada que la no combustión de la mezcla de aire-gas es debida, por ejemplo, a una ignición defectuosa, o que este patrón muestra que las chispas de ignición forman un patrón regula, estando entonces la causa más probablemente en un error en el suministro de gas.
Esta información es particularmente útil cuando dicha información se puede obtener de manera remota por un ingeniero de mantenimiento y por tanto puede establecerse una causa probable de los problemas. Será muy probablemente posible reducir la duración de las chispas desde, por ejemplo, 4 segundos a 2 segundos una vez se ha conseguido una operación fiable del conjunto durante un período de tiempo más largo, de modo que la probabilidad de un escape prolongado de mezcla de aire-gas se reduce y se mejora así la seguridad.
Una realización preferida de un circuito 30 (Figura 5) comprende un filtro 31 paso-banda, una etapa 32 de amplificador, una porción 33 detonante y dos porciones 34 y 35 lógicas respectivas. El filtro 31 paso-banda comprende varias resistencias 41, 42, 43 y condensadores 44, 45, 46, cuyos valores se eligen de modo que solo se pasan señales de relativamente baja frecuencia, por ejemplo no mayores de 3 kHz, a la señal aplicada a la entrada A.
La porción 32 de amplificación comprende resistencias 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, y 58, dos transistores 61, 62 conectados en serie, condensadores 66, 67, 68, 69 y un diodo 71.
La sección 33 detonante comprende un comparador 81 y resistencias 82, 83, 84, 85, donde esta sección está conectada en un lado a tierra (GND) y en el otro a la tensión de alimentación Vcc de, por ejemplo, 5 V (o 10 V).
Una sección 34 lógica comprende resistencias 90, 91, ICs 92, 93, otra resistencia 94 y condensadores 95, 96. La sección 35 de salida lógica comprende dos puertos 101 y 102 lógicos respectivos.
En una segunda realización preferida de un circuito 130 (Figura 6), la adquisición de los componentes es más ventajosa.
La segunda realización preferida del circuito 130 comprende una porción de filtro 131, una porción de amplificador 132, una porción detonante 133 y dos respectivas porciones lógicas 134 y 135.
La porción 132 de amplificador comprende condensadores 141, 142, 143, 144 y resistencias 145, 146 y 147. La porción 132 de amplificador comprende transistores 151, 152, 153, diodos Zener 154, 155, condensadores 156, 157, resistencias 158, 159, 160, 161, 162, 163, 164, 165, 166 y 167 y un condensador 169.
La porción 143 detonante comprende condensadores 170, 171, 172, un amplificador operacional 173 y resistencias 174, 175, 176, 177 y 178.
La primera porción 134 lógica comprende un IC 180, condensadores 181, 182 y resistencias 183, 184. La segunda sección 135 lógica comprende un IC 190, un condensador 191, y una resistencia 192.
Se genera una tensión alta de por ejemplo 15 kV, necesaria para el pasador de ignición, a través de un transformador 101 con un arrollamiento 102 principal y un arrollamiento 103 secundario por medio de una tensión alternativa de por ejemplo 230 V aplicados entre tierra y la tensión de red (Vg), de modo que una corriente 105 de por ejemplo 1,5 Amperios (A) comienza a pasar a través de la resistencia 104 con un valor óhmico relativamente bajo, alrededor de 10 O, y un diodo TVS (Supresión de Tensión Transitoria, Transient Voltage Suppression), ver la Figura 7A. Con tal valor de 1,5 A, tiene lugar un arco eléctrico, que se caracteriza por uno o dos picos antes de alcanzar el pico principal, que muestra que ha tenido lugar el arco eléctrico.
En un momento en el tiempo t i (Figura 7A), una señal de combustión algo desestructurada da como resultado una señal de corriente alterna aplicada al pasador de ignición, superpuesta a esta corriente alternativa en la entrada A de los circuitos de las Figuras 5 y 6.
La duración hasta el momento en el tiempo t1 es una medida de la distancia de ignición y el aislamiento (ver también la Figura 7G).
La señal S1 de ignición se elimina mediante filtrado a través de un filtro 31 paso banda, de modo que una señal S2 que se muestra esquemáticamente (Figura 7B) se hace presente en el punto B en el diagrama de circuito de las Figuras 5 y 6. Después de la amplificación mediante la etapa de amplificación, la señal S3 de la Figura 7C resulta en el punto C en los circuitos de las Figuras 5 y 6.
Después de una sección lógica 34, la señal S4 de la Figura 7E está disponible en el punto D, donde su longitud depende del número de picos actuales que se han producido (Figura 7C). Estos picos de corriente pueden dar como resultado un máximo de 100 ns unos después de otro. El flanco ascendente resulta durante el primer pico de corriente, y el flanco descendente tendrá lugar si no se detectan más picos después de 150 ns (ót Figura 7D).
Como se muestra en la Figura 7C, la característica es que, después de un primer pico, también está disponible un segundo pico dentro de alrededor de 100 nanosegundos. El flanco descendente de la señal en la Figura 7D se produce 150 ns después del pico de combustión.
Como la sección 33 (Figura 5) y 133 (Figura 6) genera una onda cuadrada que está relacionada con el lado positivo de la corriente alterna que se suministra en el punto A, la señal S5 en la Figura 7D resultará en el punto E en la Figura 6. Como esta señal indica un punto de inicio, solo es relevante el flanco ascendente. El resto de la señal de corriente alternativa amortiguada está enmascarado. Este enmascarado se activa cuando todos los picos de corriente han tenido lugar señal S6 (Figura 7F) punto F en la Figura 6. El puerto 35 lógico (Figura 5) o 136 (Figura 6) realiza una combinación de las señales S6 y S5 de modo que permanece una señal que es igual que el período de tiempo hasta t1 (ver la Figura 7G).
El período de tiempo entre un flanco descendente de la señal S4 y un nuevo flanco ascendente de la señal S1 es de, por ejemplo, 5 ms. La señal detonante genera cada vez una señal cuadrada con un período de por ejemplo 1,25 ms mediante la amplificación hasta la tensión de alimentación Vcc.
La combinación lógica de la señal de la Figura 7E con la señal de la Figura 7F da como resultado una señal en la salida F (Figura 7G) que muestra que el tiempo t1 de señal de ignición ha tenido lugar, después de lo cual se descubre tras 1-1,5 ms que no ha tenido lugar de nuevo la ignición.
Por motivos de claridad; el estudio de la formación de arco muestra que frecuentemente se producen predescargas, seguidas de la descarga principal real y el arco. El objeto del circuito es determinar el intervalo de tiempo entre el comienza de la acumulación de tensión y la descarga principal. Esto se consigue esperando una descarga subsiguiente durante un período de ót después de la detección de una descarga (ver también 7E). El intervalo de tiempo hasta el arco (Figura 7G) es por tanto el tiempo hasta la descarga principal más ót.
Debido a la realización preferida anteriormente descrita tiene lugar una muy pequeña repetición innecesaria de la ignición, mientras que es posible reconocer pronto que se están produciendo problemas con relación a la ignición, ya que los aparatos de calentamiento modernos pueden leerse de manera remota por el fabricante y/o el servicio de mantenimiento, permitiendo un seguimiento del hecho de que, pasado un tiempo, tienen que tener lugar igniciones repetidas, de modo que puede llevarse a cabo el mantenimiento pronto y/o pueden evitarse situaciones peligrosas.
Debido al dispositivo y método descritos anteriormente, el tiempo se mide desde el comienzo de la acumulación de carga en la bobina hasta el momento del arco. Si dicho tiempo de chispa llega a 20 milisegundos, hay 50 momentos de chispa medidos por segundo.
Antes de arrancar el hervidor, es decir, antes de introducir una mezcla de gas-aire, puede medirse el tiempo de chispa de modo que pueda determinarse la tensión de pérdida a través del material cerámico aislante o una distancia de ignición demasiado grande.
Aproximadamente un segundo después del arranque del hervidor la mezcla ha fluido completamente hasta el quemador, después de lo cual el tiempo de chispa disminuirá bastante alrededor del 20%.
Como se ha esbozado anteriormente, la ignición se monitoriza así de acuerdo con la presente solicitud de patente, de modo que tiene lugar la detección de una posible causa de error, se establece el momento de la combustión durante el arranque del aparato, y se puede obtener información relativa a la calidad de la combustión, preferiblemente de manera remota, a largo plazo.
La presente invención está limitada únicamente por las siguientes reivindicaciones, dentro del alcance de las cuales pueden realizarse muchas modificaciones.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Método para determinar en un aparato de calentamiento si ha tenido lugar la ignición de la mezcla de combustible fluido y aire, que comprende los pasos de:
- aplicar una señal de ignición eléctrica a un circuito de medida;
- filtrar una señal de combustión de la señal de ignición;
- comparar la señal de combustión detectada con un patrón predeterminado; y
- establecer que la señal de combustión esperada tuvo lugar durante un período de tiempo predeterminado.
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, donde la señal de combustión filtrada es amplificada.
3. Método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, donde el período de tiempo predeterminado comienza en un momento detonante que se obtiene de la señal de combustión.
4. Dispositivo para determinar en un aparato de calentamiento si ha tenido lugar la ignición de la mezcla de combustible fluido y aire, que comprende:
- medios de medida a los que se puede aplicar una señal de ignición eléctrica;
- medios de filtro para filtrar una señal de combustión de la señal de ignición;
- medios de comparación para comparar la señal de combustión filtrada con un patrón predeterminado; y - medios de determinación para establecer si se ha producido la señal de combustión durante un período de tiempo predeterminado.
5. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 4, que comprende una entrada y una sección de filtro (31, 131) conectada a la entrada.
6. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 5, dotado de una sección de amplificador (32, 132) conectada a la sección de filtro.
7. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 4, 5 o 6, dotado de una sección detonante (33, 133) conectada en paralelo a la sección de filtro y la sección de amplificación.
8. Dispositivo de acuerdo con una o más de las reivindicaciones 4-7, dotado de una primera sección lógica (34, 134) que etá conectada a la salida de la sección de amplificación.
9. Dispositivo de acuerdo con una o más de las reivindicaciones 4-8, donde una segunda sección lógica (35, 135) está conectada a la salida de la sección de disparo y la primera sección lógica.
10. Dispositivo de acuerdo con una o más de las reivindicaciones 4-9, que además comprende:
- una unidad (9) de bloque de control de válvula de gas para suministrar gas;
- un ventilador (8) conectado a la u nidad de bloque de control de válvula de gas para absorber aire;
- un intercambiador (10) de calor;
- un quemador (4) dispuesto cerca del intercambiador de calor; y
- medios (5) de descarga para descargar la mezcla quemada, donde un pasador (20) de ignición está dispuesto cerca del intercambiador de calor.
11. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 10, donde el extremo exterior del pasador (20) de ignición se extiende sustancialmente recto hasta una posición cercana al intercambiador de calor y el intercambiador de calor está dotado de un contra-electrodo (21) sobresaliente.
12. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, donde el intercambiador (10) de calor comprende una pieza fundida.
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