NL2015155B1 - Werkwijze en inrichting voor het bepalen of ontsteking heeft plaatsgevonden. - Google Patents

Abstract

De uitvinding betreft een werkwijze en een inrichting voor het in een verwarmingstoestel bepalen of het ontsteken van de mengsels van brandstoffluïdum en lucht heeft plaatsgevonden, omvattende de volgende stappen: - het aanleggen van een elektrisch ontstekingssignaal aan een meetcircuit; - het filteren van een ontbrandingssignaal uit het ontstekingssignaal; - het vergelijken van het gedetecteerde ontbrandingssignaal met een vooraf bepaald patroon; en - het vaststellen dat het verwachte ontbrandingssignaal gedurende een voorafbepaalde tijdsperiode heeft plaatsgevonden.

Description

Werkwijze en inrichting voor het bepalen of ontsteking heeft p1aatsgevonden

Aanvraagster brengt met veel succes verwarmingstoestellen op de markt die efficiënt kunnen worden geproduceerd dankzij het inbedden van één of meer warmtewisselaars in een gietstuk. Dit bekende verwarmingstoestel is voorzien van een ontsteekpen voor het ontsteken van een gas-luchtmengsel.

De onderhavige uitvinding verschaft een werkwijze voor het in het verwarmingstoestel bepalen of het ontsteken van een mengsel van brandstoffluïdum en lucht heeft plaatsgevonden, omvattende de volgende stappen: het aanleggen van een elektrisch ontstekingssignaal aan een meetcircuit; het filteren van een ontbrandingssignaal uit het ontstekingssignaal; het vergelijken van het gedetecteerde ontbrandingssignaal met een vooraf bepaald patroon; en het vaststellen dat het verwachte ontbrandingssignaal gedurende een voorafbepaalde tijdsperiode heeft plaatsgevonden.

Dankzij de onderhavige werkwijze kan betrouwbaar worden gedetecteerd of ontstekingen hebben plaatsgevonden of dat herhaalde ontsteking achterwege kan blijven en/of ontsteking niet of te laat plaatsvindt waardoor een gevaarlijke hoeveelheid gas-luchtmengsel in of buiten het verwarmingstoestel aanwezig komt. Daar de meeste moderne CV-toestellen informatie uitwisselen met service c.q, fabrikant, kan in een vroegtijdig stadium worden geconstateerd dat ontsteking niet altijd de eerste keer plaatsvindt.

Voorts verschaft de onderhavige uitvinding een inrichting voor het in het verwarmingstoestel bepalen of het ontsteken van de mengsels van brandstoffluïdum en lucht heeft plaatsgevonden, omvattende: meetmiddelen waaraan een elektrisch ontstekingssignaal is aangelegd; filtermiddelen voor het uit het ontstekingssignaal filteren van een ontbrandingssignaal; vergelijkingstniddelen voor het met een voorafbepaald patroon \fergelijken van het gefilterde ontbrandingssignaal; en bepalingsmiddelen voor het vaststellen of het ontbrandingssignaal gedurende een voorafbepaalde tijdsperiode is opgetreden.

Bij voorkeur omvat de inrichting een filtersectie teneinde de relatieve lage frequentie van het ontstekingssignaal bij relatief hoge spanning uit te filteren.

Teneinde twee pieken uit het ontbrandingssignaal te herkennen vindt daarbij opvolgend bij voorkeur versterking en gelijkrichting plaats in een versterkingssectie.

Teneinde nauwkeurig het begin van een ontbrandingssignaal vast te stellen is bij voorkeur parallel aan de filtersectie en de versterkingssectie een triggersectie geschakeld.

Bij voorkeur zijn op de uitgangen, van. de versterkingssectie een eerste logische sectie en op de uitgangen van de eerste logische sectie en de triggersectie een tweede logische sectie aangesloten opdat uit een eenvoudig bloksignaal kan worden gedetecteerd dat ontsteking heeft plaatsge\Aonden.

Voorts verschaft de onderhavige uitvinding een verwarmingstoestel die is voorzien van een ontsteekpen waarbij de beveiliging meer robuust is en de afstand tussen de bij voorkeur rechte ontsteekpen en uitsteeksel aan de warmtewisselaar die bij voorkeur als gietstuk is uitgevoerd, is gewaarborgd..

Verdere voordelen, kenmerken en details van de onderhavige uitvinding suilen worden verduidelijkt aan de hand van de navolgende beschrijving van een voorkeursuitvoeringsvorm daarvan waarbij wordt verwezen naar de navolgende tekening, waarin tonen:

Fig. 1 een schuin, driedimensionaal zijaanzicht, gedeeltelijk in doorsnede van een voorkeursuitvoeringsvorm van het verwarmingstoestel volgens de onderhavige uitvinding;

Fig. 2 een doorsnede over de lijn II-II uit fig. 1;

Fig. 3 een schuin zijaanzicht van details III uit fig. 2;

Fig. 4 een vooraanzicht detail IV uit fig. 3;

Figuur 5 een schakelschema van een voorkeursuitvoeringsvorm van een circuit waaraan een signaal dat wordt aangelegd aan de ontstekingspen, wordt aangesloten teneinde te bepalen of ontsteking heeft plaatsgevonden;

Figuur 6 een schakelschema van een tweede uitvoeringsvorm van het circuit;

Figuur 7A-7G resp. schematische weergaven van signalen zoals die optreden in de voorkeursuitvoeringsvorm van de elektrische signalen volgens de schakelschema's uit fig. 5 en 6 .

De hieronder te beschrijven voorkeursuitvoeringsvorm van het verwarmingstoestel met de daarin opgenomen schakeling heeft een aantal, belangrijke voordelen:

De kwaliteit van de ontsteking kan nauwkeurig en gemakkelijk worden getest alvorens een verwarmingstoestel de fabriek verlaat, dat wil zeggen dat productiefouten door het aanbrengen van ontstekingspennen of andere onnauwkeurigheden vrijwel zeker tot het verleden zullen behoren.

Gedurende de gehele levensduur van het toestel kan een goede werking van de ontsteking goed worden gecontroleerd. Indien er problemen optreden zal informatie omtrent de oorzaak ervan gemakkelijk kunnen worden verkregen zoals bijv. het lekken van het keramisch isolatiemateriaal van de ontsteekpen waarbij onregelmatigheden in het ontstekingssignaal plaatsvinden. Bij een foutieve afstand van de ontstekingspen tot een onderdeel van het toestel (contra-electrode) blijkt uit het signaal dat ontsteking laat of niet plaatsvindt. Een evt. voorkomende (gedeeltelijke) kortsluiting van de hoogspanningskabel leidt eveneens tot verschijnselen die volgens de beschrijving van de onderhavige octrooiaanvrage kunnen worden waargenomen.

In de praktijk vindt het trekken van vonken iedere 20 milliseconde (ms) plaats. Met behulp van het resultaat van de onderhavige uitvinding kan onmiddellijk worden gestopt met het vonken zodra de ontsteking niet is waargenomen.

Een voorkomende klacht van een dergelijk toestel is dat de ontsteking pas na het herhaaldelijk trekken van vonken plaatsvindt waardoor een explosiefachtige ontsteking plaatsvindt hetgeen ongewenst is. Dit kan worden voorkomen wanneer in een vroeg stadium de oorzaak van een moeizame ontsteking wordt opgespoord opdat het veelvuldig vonken en/of laattijdig ontsteken, dat wil zeggen zodra er een grote hoeveelheid gas aanwezig is, tot het verleden zal behoren.

Het is het vermoeden dat in de toekomst ook informatie over de kwaliteit van de verbranding uit de signaalverwerking zal worden verkregen, terwijl er in de toekomst niet meer herhaaldelijk zal worden gevonkt hetgeen energiebesparend is en de levensduur van diverse onderdelen zal verlengen.

Een verwarmingstoestel 2 omvat een brander 4, een warmtewisselaar 10, een ventilator 8 en een zogenoemd gasblok. 9 voor aanvoer van gas en lucht in de ruimte tussen de brander 4 en de warmtewisselaar 6. Ventilator 8 krijgt lucht via de luchtinlaat 7, terwijl de verbrande gassen hier schematisch aangeduide pijp 5 uit het toestel in het rookgaskanaal wordt geleid. In de ruimte tussen de brander 4 en de warmtewisselaar 10 is een ontstekingspen 17 aan het huis aangebracht.

De warmtewisselaar 10 (fig. 2,3,4) omvat een gietstuk 11 alsmede warmte-uitwisseling verbeterende vinnen 12 waarbij in het gietstuk twee warmtewisselaars zijn aangebracht. In het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld omvat een eerste warmtewisselaar relatief dikke buizen 13 voor een ruimteverwarming terwijl dunnere buizen 14 in het gietstuk 11 zijn ingebed voor warm tapwater.

Aan een bovenflens 16 van de warmtewisselaar is een ontsteekeenheid 17 bevestigd die een ontsteekpen 20 bijv. van FeCrAl materiaal omvat, alsmede een isolerende mantel 18 en een elektrische aansluiting 19. In het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld is het gietstuk 16 voorzien van een uitsteeksel 21. De ontsteekpen 20 steekt schuin neerwaarts onder een kleine hoek uit tot nabij de brander 4 waaruit op niet getoonde wijze een gasluchtmengsel stroomt, zodra het toestel reageert, op de vraag aan ruimteverwarming en/of warm tapwater. In het onderhavige voorbeeld gaat het om een rechte pen, d.w.z. zonder gebogen uiteinde, terwijl de warmtewisselaar is afgeschuind en ruimte verschaft voor de ontstekingspen boven het uitsteeksel 21.

Bij montage van de ontsteekeenheid 17 kan enige onnauwkeurigheid optreden waardoor een gewenste afstand tussen het uiteinde van de ontsteekpen en het uitsteeksel 21 in de praktijk niet altijd gewaarborgd blijkt, terwijl in de loop der tijd door slijtage bepaalde toleranties kunnen worden, overschreden. Het is ongewenst indien een gasluchtmengsel niet onmiddellijk ontsteekt terwijl het tevens ongewenst is wanneer ontsteking doorgaat terwijl het gasluchtmengsel reeds is ontstoken.

In veel bestaande CV ketels wordt bijvoorbeeld gedurende vier seconden bij een frequentie van 20 Hz (of 50 Hz of een andere frequentie) een doorslag geforceerd tussen de ontsteekpen en een (min of meer) geaard onderdeel door aan de ontsteekpen een spanning van ca. 10 a 50 kV aan te leggen, waarbij de vonk overslaat bij ca. 6 a 8 kV indien sprake is van een afstand van 6 a 8 mm en droge lucht. De hoge spanning wordt op bekende wijze opgewekt met behulp van een primaire wikkeling, een secundaire wikkeling en een condensator.

Nadat gedurende vier seconden vonken zijn doorgeslagen wordt bijvoorbeeld gedurende 1 seconde gecontroleerd of het gasluchtmengsel tot ontbranding is gekomen. Indien. dit niet het geval is dient allereerst het gasluchtmengsel te worden uitgestoten met behulp van een ventilator waarna de cyclus opnieuw kan beginnen. Indien na een aantal cycli nog steeds geen ontsteking is waargenomen, wordt in de bestaande toestellen een foutsignaal afgegeven waarbij niet duidelijk is of er al dan niet iets fout is met de gastoevoer, de ontsteking of anderszins.

In een enkel geval kan het voorkomen dat de assemblage de ontsteekpen niet geheel juist is afgesteld waardoor ontsteking minder goed kan verlopen. Ook kan door kortsluiting of slechte aarding een onregelmatigheid optreden in het patroon van de ontstekingsvonken terwijl ook schakelaars in het gasblok of ontstekingsmechanisme slecht of niet kunnen functioneren.

De voorkeursuitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding is gebaseerd op het inzicht dat uit een patroon van een gedetecteerd ontbrandingssignaal kan worden vastgesteld dat het niet ontsteken van gas-luchtmengsel· bijvoorbeeld aan een gebrekkige ontsteking ligt, of dat uit dat patroon blijkt dat ontstekingsvonken een regelmatig patroon vormen waardoor het veeleer aan een fout in gastoevoer zou kunnen liggen.

Deze informatie is in het bijzonder waardevol wanneer op afstand dergelijke informatie door een servicemonteur kan worden verkregen en derhalve een waarschijnlijke oorzaak van de problemen kan worden vastgesteld. Voorts zal het naar alle waarschijnlijkheid mogelijk zijn, nadat gedurende een langere tijd is vastgesteld dat een en ander betrouwbaar werkt, de lengte van de tijdsduur, de tijdsduur waarop gevonkt wordt terug te brengen van bijvoorbeeld 4 sec. naar 2 sec. zodat de kans op een langdurig uitstromend lucht-gasmengsel wordt verkleind en de veiligheid verder wordt vergroot.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van een schakeling 30 (figuur 5) omvat een bandfilter 31, een versterkertap 32, een triggergedeelte 33 alsmede twee logische gedeelten 34 resp. 35. Het bandfilter 31 omvat een aantal weerstanden 41, 42, 43 alsmede condensatoren 44, 45, 46, waarvan de waarden zodanig zijn gekozen dat alleen relatief laag frequente signalen, bijv. niet boven 3 kHz het aan de ingang A aangelegde signaal worden doorgegeven.

Het versterkgedeelte 32 omvat weerstanden 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57 en 58 alsmede twee in serie geschakelde transistoren 61, 62 en condensatoren 66, 67, 68, 69 alsmede een diode 71.

De triggersectie 33 omvat een comparator 81 alsmede weerstanden 82, 83, 84, 85 waarbij deze sectie enerzijds aan aarde (GND) is aangesloten en anderzijds aan de voedingsspanning VCC van bijvoorbeeld 5 V (of 10 V).

Een logische sectie 34 omvat weerstanden 90, 91, IC's 92,93 alsmede een verdere weerstand 94 en condensatoren 95, 96. De logische uitgangssectie 35 omvat twee logische poorten 101, resp. 102.

In een tweede voorkeursuitvoeringsvorm van een schakeling 130 (fig. 6) is de aanschaf van de componenten voordeliger.

De tweede voorkeursuitvoeringsvorm van de schakeling 130 omvat een filtergedeelte 131, een versterkergedeelte 132, een triggergedeelte 133 en twee logische gedeelten 134 resp. 135.

Het versterkergedeelte 132 omvat condensatoren 141, 142, 143, 144 alsmede weerstanden 145, 146 en 147. Het versterkgedeelte 132 omvat transistors 151, 152, 153, Zener dioden 154, 155, condensatoren 156, 157 en weerstanden 158, 159, 160, 161, 162, 163, 164, 165, 166 en 167 alsmede een condensator 169.

Het triggergedeelte 143 omvat condensatoren 170, 171, 172, een operationele versterker 173 alsmede weerstanden 174, 175 , 176, 177 en 178.

Het eerste logische gedeelte 134 omvat een IC 180, condensatoren 181, 182 alsmede weerstanden 183, 184. Het tweede logische sectie 135 omvat een IC 190 alsmede een condensator 191 en. een. weerstand 192.

Via een tussen aarde en netspanning (Vg) aangelegde wisselspanning van bijv, 230 volt wordt via een transformator 101 met een primaire wikkeling 102 en secundaire wikkeling 103 een hoogspanning van bijv. 15 kV zoals die benodigd is voor de ontstekingspen, opgewekt opdat via een weerstand 104 relatief lage ohmische waarde, ca 10Ω en een TVS (Transient Voltage Suppression) diode een stroom 105 van bijv. 1,5 Ampère (A) gaat lopen, zie fig. 7A. Bij een dergelijke waarde van 1,5 A vindt dan doorslag plaats die is gekarakteriseerd door een of twee pieken alvorens de hoofdpiek wordt bereikt waaruit blijkt dat doorslag heeft plaatsgevonden.

Op een tijdstip tj. (fig. 7A) ontstaat op het, aan de ontsteekpen aangelegde wisselstroomsignaal een enigszins ongestructureerd ontbrandingssignaal daarop gesuperpositioneerd aan de ingang A van de schakelingen uit figuur 5 en 6.

De tijdsduur tot aan tijdstip ti is maatgevend voor de ontsteekafstand en de isolatie (zie ook fig. 7G).

Het ontstekingssignaal Si wordt door het bandfiiter 31 uitgefilterd zodat een schematisch weergegeven signaal S2 (figuur 7B) op punt B in het schakelschema van figuur 5 en 6 aanwezig komt. Na versterking door de versterkertrap ontstaat op punt C in de schakelingen van figuur 5 en 6 het signaal S3 van figuur 7C.

Na een logische sectie 34 is op punt D signaal S4 uit figuur 7E beschikbaar, waarvan de lengte afhankelijk is van net aantal stroompieken die er geweest zijn (fig 7C). Deze stroompieken kunnen maximaal 100ns na elkaar ontstaan. De opgaande flank ontstaat bij de eerste stroompiek en wanneer er na 150ns (5t fig. 7D) geen piek meer gedetecteerd wordt zal de neergaande flank plaatsvinden.

De karakteristiek is, zoals uit figuur 7C blijkt, dat na een eerste piek ook een tweede piek binnen circa 100 nano sec, beschikbaar is. De neergaande flank van het signaal in fig. 7D treedt 150 nano sec. op na de ontbrandingspiek.

Doordat sectie 33 fig. 5 en 133 fig. 6 een blokgolf genereert die gerelateerd is aan de positieve zijde van de wisselstroom die op Punt A wordt aangeboden. Daardoor zal op punt E in fig 6. het signaal S5 in figuur 7D ontstaan. Omdat dit signaal een beginmoment aangeeft is alleen de eerste opgaande flank relevant. De rest van het uitdempende wisselstroom signaal wordt gemaskeerd. Deze maskering wordt actief wanneer alle stroompieken zijn geweest (Signaal S6 figuur 7F) , punt F in fig. 6. Door een logisch poort 35 (fig. 5) of 136 fig. 6) wordt er een combinatie gemaakt van de signalen S6 en S5 opdat er een signaal overblijft dat gelijk staat aan de tijdsduur tot aan tl; zie fig. 7G.

De tijdsduur tussen een neergaande flank, van het signaal S4 en een nieuw opgaande flank van het signaal Si bedraagt bijvoorbeeld ca 5 ms, Door de triggersectie wordt door versterking tot aan de voedingsspanning Vcc telkens een bloksignaal met een periode van bijvoorbeeld 1,25 ms gemaakt.

Door logische combinatie van het signaal uit figuur 7Ξ met het signaal uit figuur 7F ontstaat een signaal aan de uitgang F (fig. 7G) waaruit blijkt dat het ontstekingssignaaltijdstip ti is opgetreden waarna binnen 1-1,5 ms blijkt dat ontsteking niet opnieuw heeft plaatsgevonden.

Nog voor de duidelijkheid. Uit bestudering van de vonkoverslag is gebleken dat er vaak pre-ont1adingen zijn gevolgd door de echte hoofdontlading en vonkoverslag. Het circuit heeft tot doel de tijdsafstand tussen het begin van de spanningsopbouw en de overslag te bepalen. Dit is gerealisserd door na de detectie van een ontlading nog een periode delta__t (öt) te wachten op een vervolgontlading (zie ook 7E). De tijdspanne tot de vonkoverslag (figuur 7G) is dus de tijd tot aan de hoofdonelading plus delta t (5t).

Dankzij de boven beschreven voorkeursuitvoeringsvorm vindt weinig onnodig herhaalde ontsteking plaats terwijl in een vroeg stadium kan worden onderkend dat zich problemen met ontsteking voordoen daar moderne verwarmingtoestellen door de fabrikant en/of onderhoudsdienst op afstand kunnen worden uitgelezen en er derhalve kan worden bijgehouden dat ontsteking na enige tijd herhaaldelijk moet plaatsvinden waardoor vroegtijdig onderhoud kan worden gepleegd en/of gevaarlijke situaties kunnen worden vermeden.

Dankzij de bovenbeschreven inrichting en werkwijze wordt de tijd gemeten vanaf het begin van de ladingsopbouw bij de spoel tot aan het tijdstip van vonkoverslag. In geval een dergelijke vonkt!jd 20 milliseconde bedraagt zijn er 50 gemeten vonktijden per seconde.

Alvorens de ketel te starten, dat wil zeggen, alvorens een gas-luchtmengsel wordt ingebracht, kan de vonktijd worden gemeten opdat lekspanning via keramisch isolatiemateriaal of te grote ontsteekafstand kan worden bepaald.

Na ongeveer een seconde na het starten van de ketel stroomt het mengsel na ongeveer 1 seconde tot aan de brander, waarna deze vonkt.!jd flink zal afnemen met ca. 20%.

Zoals hierboven geschetst wordt zodoende volgens de onderhavige octrooiaanvrage de ontsteking gecontroleerd, waarbij detectie plaatsvindt van een eventuele oorzaak van een fout, wordt het moment van ontbranding bij de start van het toestel vastgesteld en kan tevens, bij voorkeur eveneens op afstand, op lange termijn ook informatie over de verbrandingskwaliteit worden verkregen.

De onderhavige bescherming is niet beperkt tot de navolgende conclusies binnen de strekking waarvan veel modificaties mogelijk denkbaar zijn.

Claims (11)

1. Werkwijze voor het in een verwarmingstoestel bepalen of het ontsteken van de mengsels van brandstoffluïdum en lucht heeft plaatsgevonden, omvattende de volgende stappen: het aanleggen van een elektrisch ontstekingssignaal aan een meetcircuit; het filteren van een ontbrandingssignaal uit het ontstekingssignaal; het vergelijken van het gedetecteerde ontbrandingssignaal met een vooraf bepaald patroon,· en het. vaststellen dat het. verwachte ontbrandingssignaal gedurende een voorafbepaalde tijdsperiode heeft plaatsgevonden,

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het gefilterde ontbrandingssignaal wordt versterkt.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij de voorafbepaalde tijdsperiode start op een triggertijdstip dat wordt ontleend aan het ontbrandingssignaal.

4. Inrichting voor het in een verwarmingstoestel bepalen of het ontsteken van het mengsel van brandstoffluïdum en lucht heeft plaatsgevonden, omvattende: meetmiddelen waaraan een elektrisch ontstekingssignaal is aangelegd; filtermiddelen voor het uit het ontstekingssignaal filteren van een ontbrandingssignaal; vergeiijkingsmiddelen voor het met een voorafbepaald patroon vergelijken van het gefilterde ontbrandingssignaal; en bepalingsmiddelen voor het. vaststellen of het ontbrandingssignaal gedurende een voorafbepaalde tijdsperiode is opgetreden.

5. Inrichting volgens conclusie 4, omvattende een ingang en een op de ingang aangesloten filtersectie.

6. Inrichting volgens conclusie 5, voorzien van een op de filtersectie aangesloten versterkingssectie.

7. Inrichting volgens conclusie 4, 5 of 6, voorzien van een parallel aan de filtersectie en de versterkingssectie aangesloten triggersectie.

8. Inrichting volgens een of meer van de conclusies 4-·7, voorzien van een eerste logische sectie dat op de uitgang van de versterkingssectie is aangesloten.

9. Inrichting volgens een of meer van de conclusies 4-8, waarbij een tweede logische sectie op de uitgang van de triggersectie en de eerste logische sectie is aangesloten.

10. Inrichting voor het verbranden van een mengsel van brandstoffluïdum en lucht omvattende: een gasblokeenheid voor het aanvoeren van gas ? een op het gasblokeenheid aangesloten ventilator voor het aanzuigen van lucht; een nabij een warmtewisselaar opgestelde verbrander; en afvoermiddelen voor het afvoeren van het verbrande mengsel, waarbij een ontstekingspen is aangebracht nabij de warmtewisselaar en waarbij een werkwijze volgens één of meer van de conclusies 1-3 wordt toegepast.

11, Inrichting volgens conclusie 10, waarbij het uiteinde van de ontstekingspen tot nabij de warmtewisselaar in hoofdzaak recht uitstrekt en de warmtewisselaar voorzien is van een uitstekende contra-elektrode.