[0001] Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Regelung eines Brenngas-Luftgemisches für
einen Verbrennungsprozess in einem Heizgerät, insbesondere einem Brennraum in einem
Heizgerät zur Warmwasserbereitung oder Beheizung eines Gebäudes. Zur Messung einer
Qualität der Verbrennung, die hauptsächlich von dem während der Verbrennung vorliegenden
Verhältnis von Luft zu Brenngas (Lambda-Wert, auch Luftzahl genannt) abhängt, wird
insbesondere bei vielen Heizgeräten eine lonisationsmessung in einem Flammenbereich
durchgeführt. Solche Messungen sollen eine stabile Regelung über lange Zeiträume ermöglichen,
weshalb es erforderlich sein kann, langsame Veränderungen am Messsystem zu erkennen
und eine Nachkalibrierung vorzunehmen.
[0002] Nach dem Stand der Technik wird mittels einer lonisationselektrode der jeweilige
Ist-Wert der Ionisation im Flammenbereich ermittelt, der proportional dem gerade vorliegenden
Lambda-Wert ist, so dass dieser aus der lonisationsmessung abgeleitet werden kann.
Dabei wird an die lonisationselektrode eine Wechselspannung angelegt, wobei der bei
Vorhandensein von Flammen ionisierte Flammenbereich eine gleichrichtende Wirkung hat,
so dass ein lonisationssignal hauptsächlich jeweils nur während einer Halbwelle des
Wechselstromes fließt. Dieser Strom oder ein daraus abgeleitetes proportionales Spannungssignal,
im Folgenden lonisationssignal genannt, werden gemessen und gegebenenfalls nach einer
Digitalisierung in einem Analog/Digital-Wandler als lonisationssignal weiterverarbeitet.
Über eine Kalibrierung kann so der Lambda-Wert gemessen und mittels eines Regelkreises
auf einen Sollwert geregelt werden. Dabei wird die Zufuhr von Luft und/oder Brenngas
durch geeignete Stellglieder verändert, bis der gewünschte Sollwert für Lambda erreicht
ist. Im Allgemeinen wird ein Lambda-Wert > 1 (1 entspricht einem stöchiometrischen
Verhältnis) angestrebt, z. B. Lambda = 1,3, um sicherzustellen, dass genug Luft für
eine saubere Verbrennung im Wesentlichen ohne Erzeugung von Kohlenmonoxid zugeführt
wird. Dabei muss Lambda aber so klein bleiben, dass eine stabile Verbrennung gewährleistet
ist. Die Regelung kann insbesondere über ein Ventil für die Zufuhr von Brenngas und/oder
ein Gebläse für die Zufuhr von Umgebungsluft erfolgen.
[0003] Der grundsätzliche Aufbau solcher Heizgeräte, von Messystemen zur lonisationsmessung
und zu deren Benutzung zur Regelung sind beispielsweise aus der
EP 0 770 824 B1 und der
EP 2 466 204 B1 bekannt. Dort ist auch beschrieben, dass sich die Regelgenauigkeit im Laufe der Zeit
durch verschiedene Einflüsse verändern kann, insbesondere durch Einflüsse auf den
Zustand oder die Form der lonisationselektrode. Verschiedene Verfahren zu einer Nachkalibrierung
bei Bedarf sind angegeben, die aber alle einen relativ hohen Aufwand erfordern und/oder
vor allem den Nachteil haben können, dass bei der Nachkalibrierung das Heizgerät zeitweise
bei Lambda-Werten von 1 oder sogar darunter betrieben werden muss, was zu einer vorübergehenden
Erzeugung von unerwünschtem Kohlenmonoxid führen kann. Außerdem treten in diesem Bereich
sehr hohe Flammtemperaturen auf, was die lonisationselektrode beim Kalibrieren zusätzlich
schädigen kann.
[0004] Aus der
EP 2 014 985 B1 ist auch schon eine Regelung bekannt, die betrieben und kalibriert werden kann, ohne
die Verbrennung in einen Bereich nahe Lambda = 1 zu verlegen, so dass auch bei einer
Kalibrierung wenig Kohlenmonoxid entsteht. Allerdings ist es damit nicht immer möglich,
einen optimalen Lambda-Wert einzuhalten.
[0005] Hier will die vorliegende Erfindung Abhilfe schaffen, um eine schnelle mit geringem
zusätzlichem apparativem Aufwand durchführbare Methode zur Nachkalibrierung einer
vorhandenen Regelung bzw. eine Korrektur einer dieser Regelung zu Grunde liegenden
Kalibrierkurve zu ermöglichen.
[0006] Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren, eine Vorrichtung sowie ein Computerprogrammprodukt
gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung,
insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, veranschaulicht die Erfindung und gibt
weitere Ausführungsbeispiele an.
[0007] Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Nachkalibrierung von Kalibrierdaten eines
ersten Messsystems zur Messung eines ersten lonisationssignales in einem Flammenbereich
eines mit Verbrennungsluft und Brenngas betriebenen Heizgerätes, wobei das erste Messsystem
ein lonisationssignal misst, welches aus einem von einer lonisationselektrode zu einer
Gegenelektrode durch den Flammenbereich fließenden ersten lonenstrom abgeleitet wird,
und daraus das Verhältnis von Verbrennungsluft zu Brenngas (Lambda) bei einer Verbrennung
in dem Heizgerät anhand von Kalibrierdaten bestimmt und regelt, wobei das erste Messsystem
zumindest nach vorgebbaren Kriterien oder in vorgebbaren Zeitabständen nachkalibriert
wird, und wobei die Nachkalibrierung mittels einer in dem Heizgerät zur Zündung der
Verbrennung vorhandenen Zündelektrode erfolgt, die zur Erzeugung eines zweiten lonisationssignales
betrieben wird. Bei manchen Heizgeräten wird ein zweites lonisationssignal ohnehin
gemessen, um das Vorhandensein einer Flamme festzustellen und zu überwachen.
[0008] Unabhängig von dieser an sich bekannten Funktion als Flammenwächter kann ein solches
zweites lonisationssignal im Betrieb auch für andere Aufgaben eingesetzt werden, insbesondere
zur Nachkalibrierung von Kalibrierdaten der eigentlichen Regelung. Dies erlaubt es,
von Zeit zu Zeit eine Korrektur des ersten Ionisationssignales anhand eines Vergleiches
mit dem zweiten lonisationssignal durchzuführen, ggf. unter Hinzunahme von (gespeicherten)
Erfahrungswerten für beide Ionisationssignale und deren zeitlichen Veränderungen.
[0009] In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Zündelektrode in einem zweiten Messsystem
zur Messung des zweiten Ionisationssignals betrieben. Auf diese Weise können nicht
nur Veränderungen der lonisationselektrode selbst, sondern auch Änderungen in deren
Elektronik, insbesondere eine Langzeitdrift erkannt und korrigiert werden. Das zweite
Messsystem, welches auch typischerweise für eine Flammenüberwachung eingesetzt wird,
arbeitet nach folgendem Prinzip:
[0010] Zwischen der Zündelektrode und Masse wird eine Wechselspannung ohne Gleichspannungsanteil
aus einer Spannungsquelle mit hoher Ausgangsimpedanz angelegt. Durch einen gleichrichtenden
Effekt eines Flammenplasmas bei brennender Flamme fließt ein Ionisationsstrom während
jeder positiven Halbwelle der Wechselspannung gegen Masse ab. Die Spannungsamplitude
jeder positiven Halbwelle wird wegen der hohen Ausgangsimpedanz der Spannungsquelle
reduziert, während die negative Halbwelle unverändert erhalten bleibt. Hierdurch wird
der Wechselspannung ein negativer Gleichspannungsanteil aufgeprägt. Die Amplitude
dieses negativen Gleichspannungsanteils wird als Mittelwert mittels einer Verstärkerschaltung
in ein Spannungssignal umgewandelt, das aufgrund seines charakteristischen Verlaufs
bei gleichbleibender Gaszufuhr und steigender Luftzufuhr für die hier beschriebenen
Zwecke als zweites Ionisationssignal verwendet werden kann. Typischerweise wird dieses
Signal mittels eines Analog/Digitalwandlers (z.B. in Werte zwischen 0 und 1023) digitalisiert,
so dass es in einem Mikroprozessor weiterverarbeitet werden kann.
[0011] Der charakteristische Verlauf des Signals ergibt sich aus einer Kombination verschiedener
Effekte. Einerseits ist die Ionisation im Flammenbereich am stärksten, wenn die Verbrennung
in einem stöchiometrischen Verhältnis von Verbrennungsgas und Verbrennungsluft betrieben
wird, andererseits entfernen sich die Flammen bei steigender Gasgeschwindigkeit (größerer
Gasmenge pro Zeiteinheit) von den Austrittsöffnungen des Gases, die elektronisch die
Masse in dem System bilden, was den lonenstrom verringert. Unter Umständen spielt
auch die Temperatur der Flammen und der Zündelektrode eine Rolle für den oben erwähnten
gleichrichtenden Effekt. Im Ergebnis ergibt sich ein Verlauf mit einem gut reproduzierbaren
Minimum, welches in der Nähe eines für einen Dauerbetrieb typischen Lambda-Wertes
liegt.
[0012] Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Verbrennung in dem Heizgerät in mindestens
einen vom ersten Messsystem vorgebbaren konstanten Zustand der Verbrennung gebracht
wird und dann unter Beibehaltung oder gezielter Veränderung dieses Zustandes das zweite
lonisationssignal des zweiten Messsystems gemessen. So erhält man für den gleichen
Zustand zwei Messwerte, die miteinander verglichen werden können. Wenn das zweite
Ionisationssignal als zuverlässiger angesehen wird, kann der aus dem ersten Ionisationssignal
errechnete Messwert für zukünftige Messungen mit einer entsprechenden Korrektur versehen
werden. Zumindest aber können Abweichungen der beiden Messungen festgestellt und daraus
Maßnahmen abgeleitet werden.
[0013] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verbrennung nacheinander vom ersten Messsystem
in mehrere unterschiedliche konstante Zustände gebracht und in jedem dieser Zustände
das zweite Messsystem eingeschaltet, der zweite lonisationssignal in diesem Zustand
und/oder bei einer Veränderung dieses Zustandes gemessen und eine eventuelle Abweichung
vom ersten lonisationssignal festgestellt wird. So lässt sich mit einer geeigneten
Genauigkeit, die von der Zahl und den Abständen der Zustände (den sogenannten Stützstellen)
abhängt, die Kurve für die Abhängigkeit der Luftzahl vom ersten Ionisationssignal,
also die Kalibrierkurve des ersten Messsystems überprüfen und bei Bedarf komplett
korrigieren.
[0014] In einer bevorzugten Ausbildung sind die unterschiedlichen konstanten Zustände verschiedene
Laststufen des Heizgeräts, die durch unterschiedliche konstante Drehzahlen eines Gebläses
und/oder unterschiedliche konstante Mengen an zugeführtem Brenngas pro Zeiteinheit
durch unterschiedliche konstante Einstellungen eines Brenngasventils bestimmt sind.
[0015] In Kombination mit unterschiedlichen Laststufen kann ein ganzes Kennfeld des ersten
Messsystems auf diese Weise nachkalibriert werden, wobei in dem ersten und in dem
zweiten Messsystem Kalibrierdaten für die Relation von Ionisationssignal zu dem Verhältnis
von Verbrennungsluft zu Brenngas bei verschiedenen Lastzuständen gespeichert werden
und bei jeder Nachkalibrierung ein Vergleich zwischen von beiden Messsystemen ermittelten
Messwerten erfolgt, wobei das erste Messsystem bei Abweichungen mit den Daten des
zweiten Messsystems nachkalibriert wird.
[0016] Weiter wird eine Vorrichtung, insbesondere eingerichtet zur Durchführung des hier
beschriebenen Verfahrens, vorgeschlagen, welche einem Brennraum hat, mit einer Luftzufuhr
und einer Brenngaszufuhr, die von einer Regeleinheit geregelt werden, und mit einem
ersten Messsystem, umfassend eine Ionisationselektrode, eine Gegenelektrode, eine
erste Wechselspannungsquelle und eine erste Auswertelektronik zur Ermittlung eines
ersten Ionisationssignales, das der Regeleinheit zuführbar ist, wobei ein zweites
Messsystem zur Messung eines zweiten Ionisationssignales vorhanden ist, welches zwischen
einer zur Zündung einer Verbrennung vorhandenen Zündelektrode und der Gegenelektrode
vom zweiten Messsystem erzeugbar ist und wobei das erste und das zweite System jeweils
zur Bestimmung eines Lambda-Wertes eingerichtet sind.
[0017] Bevorzugt ist das zweite Messsystem unabhängig zu dem ersten Messsystem aufgebaut,
nämlich indem es keine gemeinsamen Teile außer der Gegenelektrode mit diesem aufweist.
Das erlaubt es zumindest in gewissen Grenzen, Fehler auch in der Elektronik des ersten
Messsystems zu erkennen und zu korrigieren.
[0018] Besonders bevorzugt ist jedoch das zweite Messsystem diversitär zu dem ersten Messsystem
aufgebaut, nämlich indem es möglichst wenig oder keine gleichen Bauteile mit diesem
aufweist. Durch Verwendung anderer elektronischer Bauteile und/oder eines anderen
Aufbaus und/oder eines anderen Messprinzips, können sogar systematische Fehle wie
langsame Drift von Verstärkung, von Widerständen oder anderen Komponenten erkannt
und ausgeglichen werden.
[0019] In einer bevorzugten Ausbildung ist ein Vergleicher vorhanden, dem Messwerte des
ersten und des zweiten Messsystems zuführbar sind, und eine Korrektureinheit dient
zur Nachkalibrierung von Kalibrierdaten des ersten Messsystems bei Feststellung von
Abweichungen der beiden Messwerte.
[0020] Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken,
dass die beschriebene Vorrichtung das hier vorgeschlagene Verfahren ausführt. Moderne
Heizgeräte enthalten typischerweise eine elektronische Steuerung, die mindestens einen
programmierbaren Mikroprozessor enthält, der durch ein solches Computerprogrammprodukt
gesteuert werden kann.
[0021] Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt
ist, und die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nun anhand der
Zeichnung detailliert erläutert. Es stellen dar:
- Fig. 1:
- schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
- Fig. 2:
- ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs des ersten Ionisationssignales bei
einer bestimmten Luftzahl (Lambda) in Abhängigkeit von der Gebläsedrehzahl (normal
und gedriftet),
- Fig. 3:
- eine schematische Schaltung zur Erzeugung eines Ionisationssignals im zweiten Messsystem
S2,
- Fig. 4:
- ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Messvorganges mit dem zweiten Messsystem
S2, und
- Fig. 5:
- ein Diagramm zur Veranschaulichung einer korrigierten Kalibrierkurve für das erste
Messsystem S1.
[0022] Figur 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer hier vorgeschlagenen Vorrichtung.
In einem Heizgerät 1 zur Verbrennung eines Brenngases mit Luft bildet sich beim Betrieb
ein Flammenbereich 2 aus. Luft gelangt über eine Luftzufuhr 3 und ein Gebläse 5 in
den Brennraum 1. Brenngas wird der Luft über eine Brenngaszufuhr 4 und ein Brenngasventil
6 beigemischt. Eine Zündelektrode 7 zündet beim Start des Verbrennungsprozesses das
Gemisch und wird danach z. B. als Teil eines Flammenwächters verwendet. Mittels einer
Ionisationselektrode 8 wird ein erstes Ionisationssignal im Flammenbereich 2 gemessen.
Dazu dient ein erstes Messsystem S1, von dem die lonisationselektrode 8 mit einer
Wechselspannung aus einer ersten Wechselspannungsquelle beaufschlagt wird, wobei eine
erste Auswerteelektronik 13 das entstehenden Ionisationssignal misst und nach gespeicherten
Kalibrierdaten (Regelkurve) in einen Lambda-Wert, also ein Mischungsverhältnis von
Luft zu Brennstoff umrechnet. Mit diesem Wert als Ist-Wert kann eine Regeleinheit
17 das Gebläse 5 und/oder das Brenngasventil 6 so regeln, dass sich ein gewünschter
Sollwert für Lambda einstellt. Die Regelkurve muss, um einen sicheren Langzeitbetrieb
zu erreichen, in gewissen Abständen korrigiert werden, wobei die Abstände z. B. nach
der Betriebsdauer des Heizgerätes 1 und/oder anderen Parametern gewählt werden können.
Dies liegt einerseits daran, dass sich die Ionisationselektrode 8 im Betrieb verändern
kann, beispielsweise durch thermische Verbiegungen und/oder eine zunehmende Oxidschicht
an der Oberfläche. Auch die Elektronik kann sich verändern, Leider ist es nur schwer
möglich, eine absolute Kalibrierung nachträglich und automatisch mit vorhandenen Geräten
durchzuführen, weshalb die vorliegende Erfindung als neuen Ansatz zur Nachkalibrierung
die Verwendung der Zündelektrode 7 zur Erzeugung eines zweiten lonisationssignals
nutzt. Dazu wird mittels einer Umschalteinheit 10 ein zweites Messsystem S2 in Betrieb
gesetzt, welches eine zweite Wechselspannungsquelle 12 statt einer Zündelektronik
auf die Zündelektrode 7 aufgeschaltet (sofern dies nicht zur Flammenüberwachung bereits
erfolgt ist), wobei in einer zweiten Auswerteelektronik 13 ein zweites Ionisationssignal
gemessen und ausgewertet wird, das ebenfalls einen Ist-Wert für Lambda liefert. Im
Idealfall sind beide von den Messsystemen S1 und S2 gelieferten Ist-Werte gleich bzw.
sind in einem Verhältnis, welches sich seit der letzten Kalibrierung nicht geändert
hat, so dass die Regelkurve im ersten Messystem S1 unverändert bleiben kann. Falls
jedoch in einem Vergleicher 15 Abweichungen zwischen den beiden Messwerten bzw. deren
Verhältnis festgestellt werden, wird mittels einer Korrektureinheit 16 ein Korrekturfaktor
bestimmt, mit dem die Regelkurve korrigiert wird, so dass die Regeleinheit 17 die
weitere Regelung anhand der korrigierten Regelkurve mit dem ersten Messsystem durchführen
kann. Es wird davon ausgegangen, dass das zweite Messsystem S2 zuverlässiger misst
als das erste Messsystem S1, weshalb S1 auf den Ist-Wert von S2 hin korrigiert wird.
Mittels Erfahrungswerten und/oder aus theoretischen Betrachtungen kann man diese Korrektur
aber durch einen Dämpfungswert abschwächen, wenn nicht oder nicht sofort die gesamte
errechnete Korrektur angewendet werden soll.
[0023] Fig. 2 zeigt in einem Diagramm wie das erste lonisationssignal (und in ähnlicher
Form auch das zweite Ionisationssignal) von der Drehzahl des Gebläses 5 abhängt. Die
Drehzahl liegt typischerweise im Bereich zwischen 1000 und 10 000 Umdrehungen pro
Minute [rpm] und man kann bestimmte Drehzahlen als Stützpunkte i1, i2, ... i10 für
eine Überprüfung und Nachkalibrierung nutzen. Dabei zeigt die obere Kurve A die Abhängigkeit
bei einer neuen Ionisationselektrode 8, während die untere Kurve B die Abhängigkeit
für eine gebrauchte und schon etwas gealterte (z. B. oxidierte oder verbogene) Ionisationselektrode
8 veranschaulicht. Bei einer Umrechnung des Ionisationssignals I1 in einen Lambda-Wert
aus der Kalibrierkurve A, würde sich also bei einer gealterten Ionisationselektrode
8 ein falscher Ist-Wert ergeben, der zu einer suboptimalen Regelung führen würde.
[0024] Ein typisches Vorgehen gemäß der Erfindung zur Nachkalibrierung der Regelkurve im
ersten Messsystem sei im Folgenden beispielhaft beschrieben, allerdings ist die Erfindung
nicht auf dieses spezielle Vorgehen beschränkt, da es viele Möglichkeiten gibt, die
Zündelektrode 7 zur Nachkalibrierung einzusetzen. In dem hier gewählten Ausführungsbeispiel
arbeitet das Heizgerät zunächst im Normalbetrieb bei einer bestimmten Zufuhr von Brenngas
und einer zugehörigen Drehzahl des Gebläses 5, wobei mittels des ersten Messsystems
S1 das Ionisationssignal I1 auf einen für diesen Zustand als Soll-Wert vorgegebenen
Wert von z. B. 100 µA [mikroAmpere] geregelt wird, indem die Drehzahl des Gebläses
und/oder die Brennstoffzufuhr verstellt werden. Diese Art der Regelung bewirkt bei
gültigen Kalibrierdaten (Kennfeld, Regelkurve), dass über einen großen Lastbereich
ein gewünschter Lambda-Wert eingehalten wird. Ist jedoch eine bestimmte Zahl von Betriebsstunden
des Heizgerätes überschritten oder hat ein Neustart stattgefunden oder liegen sonstige
Gründe vor, so kann eine Nachkalibrierung ausgelöst werden. Im hier beschriebenen
Ausführungsbeispiel wird eine einfache Regelkurve anhand von sogenannten Stützstellen
i1, i2, ... i10 auf der x-Achse (Gebläsedrehzahl) korrigiert, so dass die Werte zwischen
den Stützstellen i1, i2, ... i10 bei Bedarf durch Interpolation gewonnen werden können.
Für einen Drehzahlbereich zwischen 1000 und 10000 rpm [Umdrehungen/Minute] reichen
z. B. maximal 10 Stützstellen in geeigneten Abständen für eine hinreichend genaue
Nachkalibrierung, es können aber natürlich mehr oder weniger verwendet werden. Für
jede Stützstelle, hier als Beispiel bei 3000 rpm, wird zu einem geeigneten Zeitpunkt,
beispielsweise wenn gerade eine Last in der entsprechenden Größenordnung gebraucht
wird oder jedenfalls abgenommen werden kann, eine Nachkalibrierung durchgeführt. Dazu
wird vom Normalbetrieb, in dem das Messsystem S1 zur Regelung eines konstanten Lambda-Wertes,
z. B. Lambda = 1,3, benutzt wird und diesen für die betreffende Drehzahl auch gemäß
der gültigen Kalibrierkurve exakt als Ist-Wert einregelt, auf das Verfahren zur Nachkalibrierung
geschaltet, wenn eine Bedingung zur Nachkalibrierung erfüllt ist. In diesem Fall wird
die Gaszufuhr für den ganzen Zeitraum der Nachkalibrierung konstant gehalten und zunächst
auch die Gebläsedrehzahl. Dann wird vom ersten Messsystem S1 auf das zweite Messsystem
S2 umgeschaltet. Dieses ermittelt zu Beginn der Nachkalibrierung ein mittels der Zündelektrode
7 ermitteltes zweites Ionisationssignal I2. Geht man davon aus, dass durch Veränderungen
im Messsystem S1 nicht mehr der gewünschte Lambda-Wert genau erreicht wird, so kann
man dies nun mit Hilfe des Messsystems S2 feststellen und korrigieren. Dazu wird die
Gaszufuhr unverändert gelassen, während die Gebläsedrehzahl definiert abgesenkt wird,
bis sicher ein Wert unterhalb des gewünschten Lambda-Wertes erreicht ist, der aber
immer noch deutlich oberhalb eines stöchiometrischen Verhältnisses von Luft zu Brenngas
liegt, so dass kaum Kohlenmonoxid bei diesem Vorgang erzeugt wird und auch keine übermäßig
erhöhte Flammtemperatur herrscht (siehe Punkt "1" in Fig. 4). Von diesem Lambda-Wert
ausgehend wird die Drehzahl des Gebläses 5 erhöht, bis das zweite lonisationssignal
durch einen starken Anstieg ein Abheben der Flamme vom Brenner 9 detektiert (siehe
Punkt "2" in Fig. 4). Von diesem Punkt aus wird nun die Drehzahl des Gebläses 5 wieder
abgesenkt, wobei das lonisationssignal beobachtet wird, um die genaue Lage des (absoluten)
Minimums des lonisationssignals zu bestimmen und den Sollwert auf dem Minimum oder
dessen Nähe einzuregeln (siehe Punkt "3" in Fig. 4). In diesem Punkt wird nun überprüft,
ob die tatsächlich vorliegende Drehzahl des Gebläses 5 mit einer erwarteten übereinstimmt,
beispielsweise ungefähr 6.000 rpm.
[0025] Regelungstechnisch ist es einfacher einen Wert in einer Flanke nahe eines Minimums
als Sollwert zu nutzen (hier insbesondere in der Flanke hin zum fetteren Gemisch,
also zwischen Punkt "1" und "3" in Fig. 4), weil dann bei einer (positiven oder negativen)
Änderung des Istwertes klar ist, in welcher Richtung eine Korrektur erfolgen muss.
In jedem Fall lässt sich so ein gewünschter Lambda-Wert nahe 1,4 einregeln, ohne dass
bei dem Vorgang Kohlenmonoxid erzeugt wird.
[0026] Mit der so gefundenen Drehzahl kann jetzt die ursprüngliche Drehzahl, die aus der
Regelung resultiert, verglichen und deren Kalibrierung jedenfalls in diesem Punkt
(Stützstelle) der Kalibrierkurve korrigiert werden. Dies kann in anderen Lastzuständen
(Stützstellen) zu geeigneten Zeiten ebenfalls durchgeführt werden, so dass auch dort
die Kalibrierung entsprechend korrigiert werden kann.
[0027] Zur Festlegung der erforderlichen Korrektur betrachtet man z. B. das Verhältnis von
I2/I1. Man erhöht beispielsweise die Gebläsedrehzahl (bei einer Erhöhung steigt die
Luftzahl und reduziert das Risiko einer unbeabsichtigten Emission von Kohlenmonoxid)
bis das Verhältnis von l2/l1 sich um 5 Prozentpunkte erhöht hat und stellt fest, bei
welcher Gebläsedrehzahl diese Erhöhung erreicht wird, wobei Anfangsdrehzahl (hier
3000 rpm) und Enddrehzahl (hier z. B. 4000 rpm) ins Verhältnis gesetzt (Ergebnis 0,75)
und mit einem früher gespeicherten Referenzwert (z. B. 0,7) verglichen werden kann.
Der Referenzwert im Verhältnis zum neu gemessenen Verhältnis liefert einen Korrekturfaktor
(hier 0,7/0,75 = 0,93), mit dem der ursprüngliche Wert der Kalibrierkurve (100 µA)
an dieser Stützstelle korrigiert werden muss, woraus sich der neue nachkalibrierte
Wert der Kalibrierkurve ergibt (93,3 µA). Falls man eine einzige Nachkalibrierung
nicht sofort vollständig auf eine Kalibrierkurve anwenden will, kann noch ein sogenannter
Dämpfungsfaktor zwischen 0 und 1 vorgesehen werden. Jede Nachkalibrierung wirkt sich
dann nur entsprechend geringer auf die Kalibrierkurve aus, wodurch nachteilige Auswirkungen
von eventuellen Fehlern beim Nachkalibrieren eben auch gedämpft werden und sich erst
im Laufe von mehreren Nachkalibrierungen eine richtige neue Kalibrierkurve ergibt.
[0028] Fig. 3 zeigt schematisch eine Schaltung, wie sie für das Messsystem S2 eingesetzt
werden kann. Eine zweite Wechselspannungsquelle 12 mit einem hohen Ausgangswiderstand
18 liefert zunächst eine Wechselspannung ohne Gleichspannungsanteil an die Zündelektrode
7 und die Gegenelektrode 9 (Masse). Beim Auftreten einer Flamme zwischen den beiden
(hier als Ersatzschaltbild 19 dargestellt) fällt die Spannung wegen der Gleichrichterwirkung
der Flamme (im Ersatzschaltbild als Diode dargestellt) nur in einer Halbwelle ab,
so dass am Eingang der zweiten Auswerteelektronik 14 (Verstärker und Umwandler) eine
Wechselspannung mit einem negativen Gleichspannungsanteil anliegt, die in der Auswerteelektronik
14 zu dem zweiten lonisationssignal wird und in einem Analog/Digitalwandler 20 umgewandelt
und dann weiter verarbeitet werden kann.
[0029] Fig. 4 veranschaulicht qualitativ, was bei dem Vorgang der Nachkalibrierung mittels
des zweiten Messsystems S2 geschieht. In dem gezeigten Diagramm ist das zweite Ionisationssignal
I2 auf der Y-Achse (in digitalisierter Form z. B. als Zahl zwischen 0 und 1023) gegen
die Gebläsedrehzahl auf der X-Achse bei konstanter Gaszufuhr aufgetragen. Das entstehende
charakteristische Diagramm zeigt einen fast konstanten Anfangsbereich, einen Abfall
zu einem Minimum (Punkt "3") und darauf folgend einen Anstieg. Erfahrungswerte haben
gezeigt, dass das Minimum in etwa bei einem üblicherweise gewünschten Lambda-Wert
von 1,3 bis 1,4 liegt, der konstante Bereich links davon, z. B. bei Punkt "1" aber
noch weit von Lambda =1 entfernt ist. In dem Anstieg etwa bei Punkt "2" beginnt die
Ablösung der Flamme, die dann mit steigender Luftzufuhr instabil werden kann. Zwischen
den Punkten "1" und "2" kann jedoch die Luftzufuhr ohne Erzeugung von Kohlenmonoxid
oder Instabilitäten variiert werden, um das Minimum bei Punkt "3" zu finden und zur
Nachkalibrierung zu nutzen. Statt der Gebläsedrehzahl könnte als Einheit auf der X-Achse
wegen des beschriebenen Zusammenhanges auch der Lambda-Wert benutzt werden.
[0030] Fig. 5 zeigt das Ergebnis der Nachkalibrierung für eine Stützstelle bei einer Gebläsedrehzahl
von 3000 rpm. Durch die Nachkalibrierung an dieser Stützstelle wird der gewünschte
konstante Lambda-Wert von 1,3 nicht mehr bei einem lonisationssignal von 100 µA erreicht,
sondern schon bei einem lonisationssignal von 93,3 µA. Dieser Wert ist nach der Nachkalibrierung
daher der neue Sollwert an dieser Stelle mit entsprechender Anpassung der Werte in
der Umgebung dieser Gebläsedrehzahl. Bei einer Nachkalibrierung an mehreren Stützstellen
ergibt sich eine neue Kalibrierkurve für den gewünschten Lambda-Wert, der der in Fig.
2 dargestellten Drift des Messsystems S1 Rechnung trägt.
[0031] Die vorliegende Erfindung erlaubt es, ohne Veränderungen an einem Heizgerät selbst
nur durch zusätzliche Elektronik eine zuverlässige Nachkalibrierung eines existierenden
üblichen Regelsystems einzurichten, indem die Zündelektrode auch zur Erzeugung eines
zweiten lonisationssignales im Flammenbereich eingesetzt wird, mit dem eine eventuelle
Langzeitdrift des existierenden Regelsystems in vorgebbaren Abständen korrigiert werden
kann. Ein zweites lonisationssignal wird ohnehin in vielen Anwendungsfällen zur Flammenüberwachung
eingesetzt, so dass nur wenige elektronische Zusatzkomponenten erforderlich sind,
dieses auch zur Nachkalibrierung des üblichen Regelsystems einzusetzen, insbesondere
zur Korrektur einer Langzeitdrift.
Bezugszeichenliste
[0032]
- 1
- Heizgerät
- 2
- Flammenbereich
- 3
- Luftzufuhr
- 4
- Brenngaszufuhr
- 5
- Gebläse
- 6
- Brenngasventil
- 7
- Zündelektrode
- 8
- lonisationselektrode
- 9
- Brenner / Gegenelektrode
- 10
- Umschalteinheit
- 11
- erste Wechselspannungsquelle
- 12
- zweite Wechselspannungsquelle
- 13
- erste Auswerteelektronik
- 14
- zweite Auswerteelektronik
- 15
- Vergleicher
- 16
- Korrektureinheit
- 17
- Regeleinheit
- 18
- Ausgangswiderstand
- 19
- Ersatzschaltbild einer Flamme
- 20
- Analog/Digitalwandler
- S1
- erstes Messsystem
- S2
- zweites Messsystem
- I1
- erstes Ionisationssignal
- I2
- zweites Ionisationssignal
- A
- Kalibrierkurve neue Ionisationselektrode
- B
- Kalibrierkurve gebrauchte Ionisationselektrode
1. Verfahren zur Nachkalibrierung von Kalibrierdaten eines ersten Messsystems (S1) zur
Messung eines ersten Ionisationssignales in einem Flammenbereich (2) eines mit Verbrennungsluft
und Brenngas betriebenen Heizgerätes (1), wobei das erste Messsystem (S1) ein Ionisationssignal
(I1) misst, welches aus einem von einer lonisationselektrode (8) zu einer Gegenelektrode
(9) durch den Flammenbereich (2) fließenden ersten lonenstrom abgeleitet wird, und
daraus das Verhältnis von Verbrennungsluft zu Brenngas (Lambda) bei einer Verbrennung
in dem Heizgerät (1) anhand von Kalibrierdaten bestimmt und regelt, wobei das erste
Messsystem (S1) zumindest nach vorgebbaren Kriterien oder in vorgebbaren Zeitabständen
nachkalibriert wird, und wobei die Nachkalibrierung mittels einer in dem Heizgerät
(1) zur Zündung der Verbrennung vorhandenen Zündelektrode (7) erfolgt, die zur Erzeugung
eines zweiten lonisationssignales (l2) betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zündelektrode (7) in einem zweiten Messsystem
(S2) betrieben wird zur Messung des zweiten Ionisationssignals (I2).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verbrennung in dem Heizgerät (1) in mindestens
einen vom ersten Messsystem (S1) vorgebbaren konstanten Zustand der Verbrennung gebracht
wird und dann unter Beibehaltung oder gezielter Veränderung dieses Zustandes das zweite
Ionisationssignal (I2) des zweiten Messsystems (S2) gemessen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbrennung nacheinander
mittels des ersten Messsystems (S1) in mehrere unterschiedliche konstante Zustände
gebracht und in jedem dieser Zustände das zweite lonisationssignal (l2) zumindest
in diesem Zustand oder bei einer Veränderung dieses Zustandes gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei unterschiedliche konstante
Zustände verschiedene Laststufen des Heizgerätes (1) sind, die zumindest durch unterschiedliche
konstante Drehzahlen eines Gebläses (5) oder durch unterschiedliche konstante Mengen
an zugeführtem Brenngas pro Zeiteinheit durch unterschiedliche konstante Einstellungen
eines Brenngasventils (6) bestimmt sind.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach Herstellung eines konstanten
Zustandes das Verhältnis von Verbrennungsluft zu Brenngas (Lambda) zunächst um einen
vorgebbaren Wert reduziert und dann kontinuierlich oder schrittweise erhöht wird,
um den Verlauf des zweiten Ionisationssignals (I2) in Abhängigkeit vom Lambda-Wert
aufzuzeichnen und vorgebbare charakteristische Punkte dieses Verlaufes aufzufinden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem ersten (S1) und in
dem zweiten (S2) Messsystem Kalibrierdaten für die Relation von Ionisationssignal
(I1 bzw. I2) zu dem Verhältnis von Verbrennungsluft zu Brenngas bei verschiedenen
Lastzuständen gespeichert werden und bei jeder Nachkalibrierung ein Vergleich zwischen
von beiden Messsystemen (S1, S2) ermittelten Messwerten erfolgt, wobei das erste Messsystem
(S1) bei Abweichungen mit den Daten des zweiten Messsystems (S2) nachkalibriert wird.
8. Vorrichtung mit einem Brennraum (1), aufweisend eine Luftzufuhr (3) und eine Brenngaszufuhr
(4), die von einer Regeleinheit (17) geregelt werden, und mit einem ersten Messsystem
(S1), umfassend eine Ionisationselektrode (8), eine Gegenelektrode (9), eine erste
Wechselstromquelle (11) und eine erste Auswertelektronik (13) zur Ermittlung eines
ersten Ionisationssignales (I1), das der Regeleinheit (17) zuführbar ist, wobei ein
zweites Messsystem (S2) zur Messung eines zweiten lonisationssignales (l2) vorhanden
ist, welches zwischen einer zur Zündung einer Verbrennung vorhandenen Zündelektrode
(7) und der Gegenelektrode (9) vom zweiten Messsystem (S2) erzeugbar ist und wobei
das erste (S1) und das zweite (S2) System jeweils zur Bestimmung eines Lambda-Wertes
eingerichtet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das zweite Messsystem (S2) unabhängig zu dem ersten
Messsystem (S1) aufgebaut ist, nämlich keine gemeinsamen Teile außer der Gegenelektrode
(9) mit diesem aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das zweite Messsystem (S2) diversitär
zu dem ersten Messsystem (S1) aufgebaut ist, nämlich möglichst wenig oder keine gleichen
Bauteile mit diesem aufweist und/oder nach einem anderen Prinzip arbeitet.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei ein Vergleicher (15) vorhanden
ist, dem auf einen vorgebbaren Lambda-Wert bezogene Messwerte des ersten (S1) und
des zweiten (S2) Messsystems zuführbar sind, und eine Korrektureinheit (16) zur Nachkalibrierung
von Kalibrierdaten des ersten Messsystems (S1) bei Feststellung von Abweichungen der
beiden Messwerte.
12. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Vorrichtung nach
einem der Ansprüche 8 bis 11 das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt.