Verfahren und Vorrichtung zur auf Ionisationsstrommessung basierenden Flammenerkennung

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur auf Ionisationsstrommessung basierenden Flammenerkennung mit einem Flammenüberwachungssystem in einem Brenner 22 vorgesehen. Gemäß dem Verfahren wird eine erste Messspannung 12a zum Erzeugen eines ersten lonisationsstroms 16a an einer Ionisationselektrode 16 des Flammenüberwachungssystems in einem ersten Betriebszustand des Brenners 22 erzeugt und eine zweite Messspannung 12b zum Erzeugen eines zweiten Ionisationsstroms 16b an der Ionisationselektrode 16 des Flammenüberwachungssystems in einem zweiten Betriebszustand des Brenners 22 erzeugt, wobei die erste Messspannung 12a und die zweite Messspannung 12b von einer Vorrichtung 12 zum Erzeugen einer Messspannung des Flammenüberwachungssystems erzeugt wird, die dazu geeignet ist, die erzeugte Messspannung zu variieren, und wobei die Vorrichtung 12 zum Erzeugen der Messspannung die erzeugte Messspannung von der ersten Messspannung 12a zu der zweiten Messspannung 12b ändert, wenn der Brenner 22 von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand wechselt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur auf Ionisationsstrommessung basierenden Flammenerkennung mit einem Flammenüberwachungssystem in einem Brenner, sowie eine Vorrichtung zur auf Ionisationsstrommessung basierenden Flammenerkennung mit einem Flammenüberwachungssystem in einem Brenner.

Stand der Technik

[0002] Zur Überwachung von Gasflammen werden häufig Flammenüberwachungssysteme eingesetzt, die die Gleichrichterwirkung der Flamme ausnutzen, die also nach dem sogenannten Ionisationsprinzip arbeiten. Dabei wird zwischen zwei Elektroden eine Wechselspannung angelegt. Die momentane Leistung des Brenners wird durch das Volumen, das die Flamme ausfüllt, bestimmt. Die Höhe des Gleichstromanteils gibt daher ein Maß für die Intensität der Flamme, wobei das Nichtvorhandensein einer Flamme der Intensität Null entspricht, deren Detektion zuverlässig und zeitnah festgestellt werden muss, um ein Ausströmen von unverbranntem Gas in den Brennerraum zu vermeiden.

[0003] Bekannte Flammenüberwachungssysteme weisen in der Regel eine Spannungserzeugungseinheit zum Erzeugen einer Zündspannung zum Betreiben einer Zündvorrichtung eines Brenners und/oder zum Erzeugen einer Messspannung einer Ionisationselektrode zum Überwachen einer Flamme des Brenners und eine Messeinheit zum Messen eines durch die Messspannung erzeugten lonisationsstroms auf. Das Flammenüberwachungssystem kann alternativ auch eine Spannungserzeugungseinheit zum Erzeugen einer Zündspannung zum Betreiben einer Zündvorrichtung eines Brenners und eine separate Spannungserzeugungseinheit zum Erzeugen einer Messspannung einer Ionisationselektrode zum

[0004] Überwachen einer Flamme des Brenners aufweisen. Ferner umfasst das Flammenüberwachungssystem in der Regel eine Steuereinheit zum Steuern der Spannungserzeugungseinheit und zum Auswerten von Messwerten der Messeinheit.

[0005] Beispielsweise wird in der DE 10 2007 018 122 A1 ein Flammenüberwachungssystem beschrieben, bei dem eine Spannungserzeugungseinheit in der Lage ist, sowohl eine Zündspannung als auch eine Messspannung zu erzeugen, wobei die von der Spannungserzeugungseinheit erzeugte Spannung von einer steuernden Überwachungseinrichtung verändert werden kann. Hierbei ist die Spannungserzeugungseinheit so ausgelegt, dass die erzeugte Spannung als Zündspannung dient, wenn die erzeugte Spannung eine Zündschwellspannung überschreitet, und als Messspannung, wenn die erzeugte Spannung die Zündschwellspannung unterschreitet.

[0006] Durch Erfassung einer tatsächlich an einer Zündelektrode oder an einer lonisationselektrode anliegenden Spannung durch eine Messvorrichtung wird es ermöglicht, Fehlfunktionen der Zündelektrode oder der Ionisationselektrode zu detektieren. Das Flammenüberwachungssystem hat zusätzlich die Eigenschaft, dass die von der Spannungserzeugungseinheit erzeugte Spannung über ein von der Überwachungseinrichtung an die Spannungserzeugungseinheit übertragenes pulsweitenmoduliertes Signal variiert werden kann. Dies erlaubt, beispielsweise durch Durchlaufen einer vorgegebenen Zündfolge in einem Testbetrieb, Verschleißerscheinungen, Kurzschlüsse oder ein Verbiegen der Zündelektrode zuverlässig zu erkennen.

[0007] Bei einer auf Ionisationsstrommessung basierenden Flammenerkennung treten bei Messspannungen oberhalb einer Sättigungsspannung Messungenauigkeiten auf, da eine Variation der Messspannung bei Spannungen oberhalb der Sättigungsspannung zu Sättigungseffekten führt. Diese beeinflussen die Messgenauigkeit negativ, da die zu messende Änderung des Flammenwiderstands im Sättigungsbereich keine lineare Änderung des Ionisationsstroms bewirkt (siehe Fig. 1). Typischerweise liegt die Sättigungsspannung hierbei im Bereich zwischen 80 und 120 Volt.

[0008] Aus diesem Grund wird bei verbrennungsgeregelten Systemen, bei denen eine hohe Messgenauigkeit erzielt werden muss, mit Spannungen unterhalb der Sättigungsgrenze gearbeitet, bei denen der Ionisationsstrom im Wesentlichen durch Ladungsträgerrekombination bestimmt wird und somit eine Veränderung des Flammenwiderstands bei gleicher Messspannung eine messbare Änderung des Ionisationsstroms bewirkt.

[0009] Es ist jedoch ebenfalls bekannt, dass beim Brennerstart verschiedene andere nichtlineare Effekte eine Messung des Ionisationsstroms unterhalb der Sättigungsgrenze erschweren. So beeinflussen z.B. die Brennertemperatur, die Elektrodenbeschaffenheit und andere Einflussgrößen eine sichere Flammenerkennung. Aus diesem Grund arbeiten Flammenüberwachungssysteme, die nicht zur Verbrennungsregelung benötigt werden und gegebenenfalls nur binär erfassen müssen, ob eine Flamme existiert oder nicht, in der Regel oberhalb der obengenannten Sättigungsgrenze.

Zusammenfassung der Erfindung

[0010] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei welchen sowohl in einem ersten Betriebszustand, der einer Startphase, als auch in einem zweiten Betriebszustand des Brenners, der einem Modulations- beziehungsweise Regelbetrieb entspricht, eine auf lonisationsstrommessung basierende Flammenerkennung mit einfachen Mitteln realisiert werden kann.

[0011] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 und ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

[0012] Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zur auf Ionisationsstrommessung basierenden Flammenerkennung mit einem Flammenüberwachungssystem in einem Brenner mit einem ersten Betriebszustand, welcher eine Startphase des Brenners darstellt und einem zweiten Betriebszustand, welcher einen Modulationsbetrieb des Brenners darstellt, vorgesehen. Gemäß dem Verfahren wird eine erste Messspannung, welche größer als eine Sättigungsspannung ist, zum Erzeugen eines ersten Ionisationsstroms an einer Ionisationselektrode des Flammenüberwachungssystems in dem ersten Betriebszustand des Brenners erzeugt und eine zweite Messspannung, welche kleiner als die Sättigungsspannung ist, zum Erzeugen eines zweiten lonisationsstroms an der Ionisationselektrode des Flammenüberwachungssystems in dem zweiten Betriebszustand des Brenners erzeugt, wobei die erste Messspannung und die zweite Messspannung von einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Messspannung des Flammenüberwachungssystems erzeugt werden, die dazu geeignet ist, die erzeugte Messspannung in einem Spannungsbereich, welcher aus zumindest einem Spannungswert oberhalb der Sättigungsspannung und zumindest einem Spannungswert unterhalb der Sättigungsspannung besteht, zu variieren, und wobei die Vorrichtung zum Erzeugen der Messspannung die erzeugte Messspannung von der ersten Messspannung zu der zweiten Messspannung ändert, wenn der Brenner von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand wechselt.

[0013] Durch die Fähigkeit der Vorrichtung zum Erzeugen einer Messspannung, die Messspannung in einem Spannungsbereich, welcher aus zumindest einem Spannungswert oberhalb einer Sättigungsspannung und zumindest einem Spannungswert unterhalb der Sättigungsspannung besteht, zu variieren, ist es mittels des vorliegenden Verfahrens in vorteilhafter Weise möglich, in verschiedenen Betriebszuständen des Brenners stets im Bereich der besten Auflösung, d.h. während einer Startphase des Brenners oberhalb der Sättigungsgrenze (Sättigungsspannung) und während eines modulierenden Betriebs des Brenners unterhalb der Sättigungsgrenze zu arbeiten. Somit kann das Flammenüberwachungssystem während der Startphase des Brenners und während des Modulationsbetriebs des Brenners stets eine optimale Auflösung erzielen. Das heißt, dass einerseits die Flamme während der Startphase zuverlässig erkannt werden kann, zugleich aber überraschenderweise im Modulationsbetrieb des Brenners eine exakte Bewertung der Flammeneigenschaften und der Qualität des Verbrennungsvorgangs möglich ist.

[0014] Zugleich können durch die erfindungsgemäße Anordnung der Übergang zwischen dem ersten und zweiten Betriebszustand des Brenners und das Ändern von der ersten zur zweiten von der Vorrichtung zum Erzeugen der Messspannung erzeugten Messspannung in vorteilhafter Weise aufeinander abgestimmt werden. Durch das Überraschende Zusammenwirken zwischen dem Übergang von dem ersten zum zweiten Betriebszustand des Brenners und dem Ändern von der ersten zur zweiten Messspannung kann das Auftreten von Fehlern, wie ein zu spätes Erkennen der Flamme in der Startphase oder eine unzureichende Bewertung der Flammeneigenschaften im Modulationsbetrieb, wie sie aufgrund falscher Wahl der Messspannung auftreten können, wirksam vermieden werden.

[0015] Die Sättigungsspannung ist hierbei vorzugsweise größer als 80 Volt und kleiner als 120 Volt. Vorzugsweise beträgt die Sättigungsspannung 100 Volt.

[0016] Das Flammenerfassungssystem weist vorzugsweise eine mit der lonisationselektrode elektrisch verbundene Messeinheit auf, die den von der Vorrichtung zum Erzeugen der Messspannung erzeugten Ionisationsstrom erfasst. Die Messeinheit erfasst den ersten Ionisationsstrom im ersten Betriebszustand des Brenners und den zweiten Ionisationsstrom im zweiten Betriebszustand des Brenners. Durch das Erfassen der verschiedenen Ionisationsströme kann im ersten Betriebszustand des Brenners die Flamme zuverlässig erkannt werden, während im zweiten Betriebszustand des Brenners eine exakte Bewertung der Flammeneigenschaften durchgeführt werden kann.

[0017] Vorzugsweise wird ein Luft-Brennstoff-Verhältnis des Brenners im Modulationsbetrieb des Brenners in Abhängigkeit des von der Messeinheit erfassten zweiten Ionisationsstroms geregelt. Dadurch wird eine genaue Erfassung der Flammeneigenschaften und entsprechend eine bedarfsorientierte Regelung der Verbrennungsverhältnisse ermöglicht.

[0018] Die Messeinheit wechselt vorzugsweise von einem ersten Messbereich zu einem zweiten Messbereich, wenn die Vorrichtung zum Erzeugen der Messspannung die erzeugte Messspannung von der ersten Messspannung zu der zweiten Messspannung ändert. Aufgrund dieser Eigenschaft kann sowohl der von der ersten Messspannung hervorgerufene erste Ionisationsstrom als auch der von der zweiten Messspannung hervorgerufene zweite Ionisationsstrom, welcher geringer ist als der erste Ionisationsstrom, erfasst und ausgewertet werden.

[0019] Die Flammenerkennung kann ferner einen Schritt Vergleichen zumindest eines Schwellwerts und des von der Messeinheit erfassten Ionisationsstroms aufweisen. Das Vergleichen des von der Messeinheit erfassten Ionisationsstroms mit zumindest einem Schwellwert dient z.B. in der Startphase des Brenners dem zuverlässigen Erkennen einer Flamme. Hierbei wird die Flamme dann erkannt, wenn der Ionisationsstrom beispielsweise über einem vorbestimmten Schwellwert liegt. Darüber hinaus kann das Flammenüberwachungssystem mittels Schwellwerten auf Defekte wie beispielsweise eine fehlerhafte Zündung, eine Unterbrechung der Gaszufuhr oder einen Fehler der Ionisationselektrode überwacht werden. Die Steuereinheit zum Steuern der Spannungserzeugungseinheit ist dazu ausgelegt, einen von der Messeinheit erfassten Ionisationsstrom mit wenigstens einem vorgegebenen oberen und/oder unteren Schwellwert zu vergleichen und ein Fehlersignal zu erzeugen, wenn der Ionisationsstrom den oberen Schwellwert übertrifft oder den unteren Schwellwert unterschreitet. Dadurch kann für einen Bediener in einer einfachen Weise erkennbar gemacht werden, dass die Betriebskenngrößen des Flammenüberwachungssystems einen durch den oberen Schwellwert und/oder den unteren Schwellwert begrenzten Normalbereich verlassen haben. Das Fehlersignal kann als Warnsignal an den Bediener und/oder zum Erzeugen einer Notabschaltung des Brenners benutzt werden. Ferner ist eine Benutzung des Fehlersignals zum Auslösen einer Korrektur, beziehungsweise Nachregelung, der Verbrennungsgüte denkbar. Bei dem Ändern der erzeugten Messspannung durch die Vorrichtung zum Erzeugen der Messspannung von der ersten Messspannung zu der zweiten Messspannung wird vorzugsweise der zumindest eine Schwellwert neu bestimmt, da bei Vorsehen der zweiten Messspannung, welche erfindungsgemäß geringer ist als die erste Messspannung, der erzeugte Ionisationsstrom ebenfalls geringer ist.

[0020] Vorteilhafterweise wird der zumindest eine Schwellwert dadurch neu bestimmt, dass ein aus dem zumindest einen Schwellwert und einem Flammenwiderstand gebildetes Verhältnis konstant gehalten wird. Hierbei kann der Flammenwiderstand aus der jeweils erzeugten Messspannung und dem jeweils erfassten lonisationsstrom bestimmt werden. Alternativ kann der von der Messeinheit erfasste Ionisationsstrom auf den Flammenwiderstand normiert werden und ein Vergleich des normierten Ionisationsstroms mit einem auf dem zumindest einen Schwellwert basierenden konstanten Schwellwert erfolgen.

[0021] Der Brenner wechselt von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand vorzugsweise in Reaktion auf ein Betriebszustandssignal einer Steuereinheit zum Steuern des Flammenüberwachungssystems. Das Betriebszustandssignal der Steuereinheit zum Steuern des Flammenüberwachungssystems kann ein pulsweitenmoduliertes Signal sein. Das Betriebszustandssignal der Steuereinheit zum Steuern des Flammenüberwachungssystems wird vorzugsweise von der Steuereinheit an die Vorrichtung zum Erzeugen der Messspannung und die Messeinheit übertragen. Das Betriebszustandssignal der Steuereinheit zum Steuern des Flammenüberwachungssystems wird mit einem Steuersignal an die Vorrichtung zum Erzeugen der Messspannung übertragen und die Messspannung wird derart moduliert, dass diese eine Information über den Betriebszustand des Brenners aufweist. Somit kann eine Umschaltung von dem ersten Betriebszustand des Brenners in den zweiten Betriebszustand des Brenners erfolgen, sobald das Vorhandensein einer Flamme von der Steuereinheit zum Steuern des Flammenüberwachungssystems erkannt wird.

[0022] Vorzugsweise ändert die Vorrichtung zum Erzeugen der Messspannung die Messspannung von der ersten Messspannung zur zweiten Messspannung in Reaktion auf das Betriebszustandssignal der Steuereinheit. Durch das gemeinsam - beziehungsweise synchron - gesteuerte Umschalten des Betriebszustandes und der erzeugten Messspannung wird eine überraschende Verzahnung zwischen dem Übergang des Brenners vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand und dem Ändern der Messspannung von der ersten Messspannung zur zweiten Messspannung erzielt. Hierdurch können in vorteilhafter Weise Fehler bei der Flammenerkennung beim Übergang vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand vermieden werden.

[0023] Vorzugsweise ist ferner eine Sicherheitszeit zwischen einem Start des Brenners und dem Umschalten in den zweiten Betriebszustand einstellbar. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der Übergang in den zweiten Betriebszustand erst dann erfolgt, wenn sich die Flamme stabilisiert hat.

[0024] Entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird des Weiteren eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Messspannung zur auf lonisationsstrommessung basierenden Flammenerkennung mit einem Flammenüberwachungssystem in einem Brenner mit einem ersten Betriebszustand, welcher eine Startphase des Brenners darstellt und einem zweiten Betriebszustand, welcher einen Modulationsbetrieb darstellt, vorgesehen. Die Vorrichtung zum Erzeugen einer Messspannung enthält Mittel zum Erzeugen einer ersten Messspannung, welche größer als eine Sättigungsspannung ist, zum Erzeugen eines ersten Ionisationsstroms an einer Ionisationselektrode des Flammenüberwachungssystems in dem ersten Betriebszustand des Brenners und zum Erzeugen einer zweiten Messspannung, welche kleiner als die Sättigungsspannung ist, zum Erzeugen eines zweiten Ionisationsstroms an der Ionisationselektrode des Flammenüberwachungssystems in dem zweiten Betriebszustand des Brenners, wobei die Vorrichtung zum Erzeugen der Messspannung dazu geeignet ist, die erzeugte Messspannung in einem Spannungsbereich, welcher aus zumindest einen Spannungswert oberhalb der Sättigungsspannung und zumindest einen Spannungswert unterhalb der Sättigungsspannung besteht, zu variieren, und wobei die Vorrichtung zum Erzeugen der Messspannung die erzeugte Messspannung von der ersten Messspannung zu der zweiten Messspannung ändert, wenn der Brenner von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand wechselt. Die Vorrichtung zum Erzeugen einer Messspannung weist vorzugsweise Mittel zum Bestimmen eines Betriebszustands des Brenners auf. Durch die Mittel zum Bestimmen des Betriebszustands des Brenners ist vorzugsweise der Betriebszustand des Brenners in Reaktion auf ein Betriebszustandssignal einer Steuereinheit zum Steuern des Flammenüberwachungssystems des Brenners bestimmbar. Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung zum Erzeugen der Messspannung ferner Mittel zum Erkennen einer Änderung des Betriebszustandes des Brenners auf, und ändert die erzeugte Messspannung in Reaktion auf eine erkannte Änderung des Betriebszustandes des Brenners.

[0025] Entsprechend der bevorzugten Ausführungsform wird des Weiteren ein Flammenüberwachungssystem eines Brenners mit einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Messspannung, einer Messeinheit und einer Steuereinheit zum Steuern des Flammenüberwachungssystems vorgesehen, wobei das Flammenüberwachungssystem die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen einer Messspannung aufweist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0026] Ausführungsbeispiele, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung aber in ihrem Umfang nicht beschränkt ist, sind in den Zeichnungen dargelegt. Es zeigt schematisch:

Fig. 1 ein Diagramm eines Ionisationsstroms in Funktion einer Messspannung entsprechend dem Stand der Technik;

Fig. 2 ein Flammenüberwachungssystem mit einer Spannungserzeugungs- und Messanordnung entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur auf Ionisationsstrommessung basierenden Flammenerkennung mit einem Flammenüberwachungssystem in einem Brenner entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines alternativen Schritts des Verfahrens zur auf Ionisationsstrommessung basierenden Flammenerkennung mit einem Flammenüberwachungssystem in einem Brenner entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

[0027] Fig. 2 zeigt schematisch ein Flammenüberwachungssystem zum Überwachen eines Brenners 22 mit einer Spannungserzeugungs- und Messanordnung 10 entsprechend der bevorzugten Ausführungsform. Die Spannungserzeugungs-und Messanordnung 10 umfasst eine Vorrichtung 12 zum Erzeugen einer Messspannung (Spannungserzeugungseinheit). Diese Spannungserzeugungseinheit 12 ist geeignet, die von ihr erzeugte Spannung (Messspannung) in einem Spannungsbereich, welcher sich von einem Spannungswert unterhalb einer Sättigungsspannung bis zu einem Spannungswert oberhalb der Sättigungsspannung erstreckt, zu variieren. Die von der Spannungserzeugungseinheit 12 erzeugte Messspannung liegt als eine Ionisationsspannung an einer Ionisationselektrode an. Die Sättigungsspannung ist vorzugsweise größer als 80 Volt und kleiner als 120 Volt. Vorzugsweise beträgt die Sättigungsspannung 100 Volt. Eine Steuereinheit 24 dient zum Überwachen einer Flamme 18 des Brenners 22. Des Weiteren umfasst die Spannungserzeugungs- und Messanordnung 10 eine Messeinheit 20 zum Messen eines durch die Messspannung erzeugten lonisationsstroms. Die Messspannung ist eine Wechselspannung, die über der Flamme 18 des Brenners 22 abfällt.

[0028] Die Flamme 18 ist vorzugsweise eine Gasflamme und hat eine Gleichrichtereigenschaft, da in der Flamme 18 Ladungsträger unterschiedlicher Polaritäten vorliegen, deren Mobilität sich stark unterscheidet. Dadurch fließt vorwiegend während einer Halbperiode der Messspannung, während welcher letztere ein bestimmtes Vorzeichen hat, der Ionisationsstrom von oder zu der Ionisationselektrode 16. Wenn die Flamme 18 erlischt, kommt auch der Ionisationsstrom zum Erliegen, was durch die Messeinheit 20 messbar ist. Falls dies geschieht, können geeignete Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden, beispielsweise kann die Gaszufuhr abgeschaltet werden.

[0029] Die Auswertung der Signale der Messeinheit und die Steuerung der Spannungserzeugungseinheit 12 erfolgt in der Steuereinheit 24 der Flammenüberwachungsvorrichtung. Die Steuereinheit 24 steuert die Spannungserzeugungseinheit 12 mittels eines ersten, vorzugsweise pulsweitenmodulierten Steuersignals 26a, das über eine erste Signalleitung 28a von der Steuereinheit 24 an die Spannungserzeugungseinheit 12 übertragen wird. Über eine zweite Signalleitung 28b überträgt die Steuereinheit 24 ein zweites, vorzugsweise pulsweitenmoduliertes Steuersignal 26b an die Messeinheit 20. Das erste und zweite Steuersignal können jedoch gegebenenfalls eine andere Modulationsart aufweisen. Das zweite Steuersignal 26b dient vorwiegend zur Vorgabe einer Messfrequenz, kann jedoch auch zum Steuern von Betriebsparametern der Messeinheit 20 genutzt werden. Über eine dritte Signalleitung 28c empfängt die Steuereinheit 24 eine erste dynamische Rückmeldung 30a von der Spannungserzeugungseinheit 12 der Spannungserzeugungs- und Messanordnung 10. Über eine vierte Signalleitung 28d empfängt die Steuereinheit 24 eine zweite dynamische Rückmeldung 30b von der Messeinheit 20. Die erste dynamische Rückmeldung 30a und die zweite dynamische Rückmeldung 30b sind jeweils vorzugsweise pulsweitenmodulierte Signale, wobei ein Tastverhältnis der ersten dynamischen Rückmeldung 30a und der zweiten dynamischen Rückmeldung 30b einen kontinuierlichen Wertebereich hat und zeitabhängig ist. Der Wert des Tastverhältnisses kodiert eine tatsächlich erzeugte Spannung in der Spannungserzeugungseinheit 12 bzw. einen von der Messeinheit 20 gemessenen lonisationsstrom.

[0030] In einer Startphase bzw. einem ersten Betriebszustand des Brenners 22 wird von der Vorrichtung 12 zum Erzeugen einer Messspannung eine erste Messspannung 12a erzeugt, welche größer als die Sättigungsspannung ist und an der Ionisationselektrode 16 einen ersten Gleichstromanteil bzw. ersten Ionisationsstrom 16a hervorruft. Die erste Messspannung 12a und der erste Ionisationsstrom 16a werden sodann durch die Messeinheit 20 erfasst. Falls der erste lonisationsstrom 16a größer als ein vorbestimmter Schwellwert ist, wird die Flamme 18 durch die Steuereinheit 24 zum Steuern des Flammenüberwachungssystems erkannt. Daraufhin wird nach Ablauf einer einstellbaren Sicherheitszeit, während derer der erste Ionisationsstrom 16a größer als der vorbestimmte Schwellwert sein muss, ein Betriebszustandssignal durch die Steuereinheit 24 an die Vorrichtung 12 zum Erzeugen der Messspannung zum Ändern der erzeugten Messspannung von der ersten Messspannung 12a zu einer zweiten Messspannung 12b vorgesehen und es erfolgt zugleich eine Umschaltung von dem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand bzw. einen modulierenden Betrieb des Brenners 22 in Reaktion auf das Betriebszustandssignal. Hierbei ist die zweite Messspannung 12b kleiner als die Sättigungsspannung. Weiterhin ist vorgesehen, dass das Betriebszustandssignal der Steuereinheit 24 zum Steuern des Flammenüberwachungssystems mit dem Steuersignal an die Spannungserzeugungseinheit 12 zum Erzeugen der Ionisationsspannung übertragen wird, wobei das Steuersignal derart moduliert wird, dass dieses eine Information über den Betriebszustand des Brenners aufweist.

[0031] Bei Umschaltung von dem ersten Betriebszustand des Brenners 22 in den zweiten Betriebszustand wird von der Vorrichtung 12 zum Erzeugen einer Messspannung die zweite Messspannung 12b erzeugt, welche an der Ionisationselektrode 16 einen zweiten Gleichstromanteil bzw. zweiten Ionisationsstrom 16b hervorruft. Die zweite Messspannung 12b und der zweite Ionisationsstrom 16b werden durch die Messeinheit 20 erfasst.

[0032] Die Steuereinheit 24 ist dazu ausgelegt, den von der Messeinheit 20 erfassten zweiten Ionisationsstrom 16b mit wenigstens einem vorgegebenen oberen und/oder unteren Schwellenwert zu vergleichen und ein Fehlersignal zu erzeugen, wenn der Messwert den oberen Schwellwert übertrifft oder den unteren Schwellwert unterschreitet. Die Steuereinheit 24 kann außerdem basierend auf dem Vergleich des Ionisationsstroms 16b mit dem oberen Schwellwert und/oder dem unteren Schwellwert eine Korrektur bzw. Nachregelung der Verbrennungsgüte vornehmen. Weiterhin ist die Steuereinheit 24 dazu ausgelegt, den zweiten Ionisationsstrom 16b in ein Flammenzustandssignal umzuwandeln, auf Basis dessen eine Bewertung der Flammeneigenschaften und der Flammenqualität erfolgen kann.

[0033] Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Variieren der Messspannung der Vorrichtung zum Erzeugen der Messspannung zur auf lonisationsstrommessung basierenden Flammenerkennung des Brenners 22 mit den nachfolgenden Schritten.

[0034] In Schritt S10 wird die erste Messspannung 12a zum Erzeugen des ersten lonisationsstroms 16a an der Ionisationselektrode 16 des Flammenüberwachungssystems in dem ersten Betriebszustand des Brenners 22 durch die Vorrichtung 12 zum Erzeugen der Messspannung erzeugt, wobei der erste Betriebszustand des Brenners 22 die Startphase des Brenners 22 ist.

[0035] In Schritt S 20 erfolgt ein Erfassen der ersten, durch die Spannungserzeugungseinheit zum Erzeugen der Messspannung vorgesehene Messspannung 12a und des ersten Ionisationsstroms 16a durch die Messeinheit 20.

[0036] Sofern der Ionisationsstrom 16a größer als der vorbestimmte Schwellwert ist, fährt das Verfahren mit Schritt S30 fort. Falls der Ionisationsstrom 16a kleiner als der vorbestimmte Schwellwert ist, kehrt das Verfahren zu Schritt S10 zurück.

[0037] In Schritt S30 wird aufgrund der Tatsache, dass der Ionisationsstrom größer als der vorbestimmte Schwellwert ist, die Flamme 18 durch die Steuereinheit 24 zum Steuern des Flammenüberwachungssystems erkannt. Daraufhin wird ein Betriebszustandssignal durch die Steuereinheit 24 an die Vorrichtung 12 zum Erzeugen der Messspannung vorgesehen, das einen Befehlscode zum Ändern der Messspannung von der ersten Messspannung 12a zur zweiten Messspannung 12b enthält. Zugleich erfolgt in Reaktion auf das Betriebszustandssignal der Übergang des Brenners vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand.

[0038] In Schritt S40 wird in Reaktion auf das Betriebszustandssignal der Steuereinheit 24 die zweite Messspannung 12b zum Erzeugen des zweiten Ionisationsstroms 16b an der Ionisationselektrode 16 des Flammenüberwachungssystems in dem zweiten Betriebszustand des Brenners 22 durch die Vorrichtung 12 zum Erzeugen der Messspannung erzeugt.

[0039] In Schritt S 50 erfolgt ein Erfassen der zweiten, durch die Spannungserzeugungseinheit 12 zum Erzeugen der Messspannung vorgesehenen Messspannung 12b und des zweiten Ionisationsstroms 16b durch die Messeinheit 20.

[0040] Zusätzlich kann die Vorrichtung 12 zum Erzeugen der Messspannung Mittel zur Bestimmung des Betriebszustands des Brenners aufweisen, durch welche der Betriebszustand des Brenners durch Auswerten eines Signals der Steuereinheit 24 bestimmbar ist, und ferner Mittel zum Erkennen einer Änderung des Betriebszustandes des Brenners, beispielsweise vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand.

[0041] Der in diesem Fall alternativ zu Schritt S30 in Fig. 3 mögliche Übergang vom ersten Betriebszustand des Brenners in den zweiten Betriebszustand ist in Fig. 4 gezeigt. Dabei erschließt es sich für den Fachmann, dass einige der im Folgenden beschriebenen Teilschritte mit im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebenen Schritten ohne Weiteres kombinierbar sind.

[0042] In Schritt S31 erfolgt eine Bestimmung des Betriebszustands des Brenners durch die Mittel zur Bestimmung des Betriebszustands. Diese Bestimmung kann dabei durch Auswerten eines Betriebszustandssignals der Steuereinheit 24 erfolgen.

[0043] Nach der Bestimmung des Betriebszustands des Brenners prüfen in Schritt S32 die in der Vorrichtung 12 zum Erzeugen der Messspannung angelegten Mittel zum Erkennen einer Änderung des Betriebszustandes des Brenners, ob sich der Betriebszustand des Brenners auf ein Steuersignal der Steuereinheit 24 hin vom ersten Betriebszustand zum zweiten Betriebszustand geändert hat.

[0044] Zusätzlich zu oder anstelle einer Sicherheitszeit zwischen dem Start des Brenners und dem Übergang in den zweiten Betriebszustand des Brenners ist auch eine zweite Sicherheitszeit zwischen dem Übergang des Brenners vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand und dem Ändern der Messspannung von der ersten Messspannung 12a zur zweiten Messspannung 12b vorstellbar. Ist eine solche zweite Sicherheitszeit vorgesehen, erfolgt in Schritt S33 eine Überprüfung, ob die zweite Sicherheitszeit abgelaufen ist, andernfalls wird direkt mit Schritt S34 fortgefahren. Ist die zweite Sicherheitszeit vorgesehen und abgelaufen, wird mit Schritt S34 fortgefahren, andernfalls wird zu Schritt S33 zurückgekehrt. Durch vorsehen der zweiten Sicherheitszeit kann sichergestellt werden, dass sich der Betrieb des Brenners im zweiten Betriebszustand stabilisiert hat bevor eine Änderung der Messspannung von der ersten Messspannung 12a zur zweiten Messspannung 12b erfolgt.

[0045] In Schritt S34 wird die von der Vorrichtung 12 zum Erzeugen der Messspannung erzeugte Spannung von der ersten Messspannung 12a zur zweiten Messspannung 12b geändert. Gleichzeitig wird der Messbereich der Messeinheit 20 von einem ersten Messbereich zu einem zweiten Messbereich geändert, und gegebenenfalls werden vorhandene Schwellwerte neu bestimmt.

[0046] Die Erfindung wurde anhand konkreter Ausgestaltungen näher erläutert, ohne auf die konkreten Ausführungsformen begrenzt zu sein. Insbesondere ist es möglich, Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsformen zu kombinieren und auch in den anderen Ausführungsformen einzusetzen.

Bezugszeichenliste

[0047] 

10

Spannungserzeugungs- und Messanordnung

12

Vorrichtung zum Erzeugen einer Messspannung

12a

erste Messspannung

12b

zweite Messspannung

16

Ionisationselektrode

16a

erster Ionisationsstrom

16b

zweiter Ionisationsstrom

18

Flamme

20

Messeinheit

22

Brenner

24

Steuereinheit

26a

erstes pulsweitenmoduliertes Steuersignal

26b

zweites pulsweitenmoduliertes Steuersignal

28a

erste Signalleitung

28b

zweite Signalleitung

28c

dritte Signalleitung

28d

vierte Signalleitung

30a

erste dynamische Rückmeldung

30b

zweite dynamische Rückmeldung

Ansprüche

1. Verfahren zur auf Ionisationsstrommessung basierenden Flammenerkennung mit einem Flammenüberwachungssystem in einem Brenner (22) mit einem ersten Betriebszustand, welcher eine Startphase des Brenners (22) darstellt und einem zweiten Betriebszustand, welcher einen Modulationsbetrieb des Brenners (22) darstellt, gekennzeichnet durch die Schritte:

Erzeugen einer ersten Messspannung (12a), welche größer als eine Sättigungsspannung ist, zum Erzeugen eines ersten Ionisationsstroms (16a) an einer Ionisationselektrode (16) des Flammenüberwachungssystems in dem ersten Betriebszustand des Brenners (22) mittels einer Vorrichtung (12) zum Erzeugen einer Messspannung, die dazu geeignet ist, die erzeugte Messspannung in einem Spannungsbereich, welcher aus zumindest einem Spannungswert oberhalb der Sättigungsspannung und zumindest einem Spannungswert unterhalb der Sättigungsspannung besteht, zu variieren, und

Erzeugen einer zweiten Messspannung (12b), welche kleiner als die Sättigungsspannung ist, zum Erzeugen eines zweiten lonisationsstroms (16b) an der Ionisationselektrode (16) des Flammenüberwachungssystems in dem zweiten Betriebszustand des Brenners (22) mittels der Vorrichtung (12) zum Erzeugen einer Messspannung,

wobei die Vorrichtung (12) zum Erzeugen der Messspannung die erzeugte Messspannung von der ersten Messspannung (12a) zu der zweiten Messspannung (12b) ändert, wenn der Brenner (22) von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand wechselt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammenerfassungssystem eine mit der Ionisationselektrode (16) elektrisch verbundene Messeinheit (20) aufweist, die den von der Vorrichtung (12) zum Erzeugen der Messspannung erzeugten Ionisationsstrom erfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit den ersten Ionisationsstrom (16a) im ersten Betriebszustand des Brenners (22) und den zweiten Ionisationsstrom (16b) im zweiten Betriebszustand des Brenners (22) erfasst.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luft-Brennstoff-Verhältnis des Brenners (22), insbesondere ein Luft-Gas-Verhältnis des Brenners (22), im Modulationsbetrieb des Brenners (22) in Abhängigkeit des von der Messeinheit (20) erfassten zweiten Ionisationsstroms (16b) geregelt wird.

5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (20) von einem ersten Messbereich zu einem zweiten Messbereich wechselt, wenn die Vorrichtung zum Erzeugen der Messspannung die erzeugte Messspannung von der ersten Messspannung (12a) zu der zweiten Messspannung (12b) ändert.

6. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flammenerkennung einen Schritt Vergleichen zumindest eines Schwellwerts und des von der Messeinheit (20) erfassten Ionisationsstroms aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Ändern der erzeugten Messspannung durch die Vorrichtung (12) zum Erzeugen der Messspannung von der ersten Messspannung (12a) zu der zweiten Messspannung (12b) der zumindest eine Schwellwert neu bestimmt wird.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (22) von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand in Reaktion auf ein Betriebszustandssignal einer Steuereinheit (24) zum Steuern des Flammenüberwachungssystems wechselt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebszustandssignal der Steuereinheit (24) zum Steuern des Flammenüberwachungssystems ein pulsweitenmoduliertes Signal ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebszustandssignal der Steuereinheit (24) zum Steuern des Flammenüberwachungssystems von der Steuereinheit (24) an die Vorrichtung (12) zum Erzeugen der Messspannung und die Messeinheit (20) übertragen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebszustandssignal der Steuereinheit (24) zum Steuern des Flammenüberwachungssystems mit einem Steuersignal an die Vorrichtung (12) zum Erzeugen der Messspannung zum Erzeugen einer lonisationsspannung übertragen wird und die Messspannung derart moduliert wird, dass diese eine Information über den Betriebszustand des Brenners (22) aufweist.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sicherheitszeit zwischen einem Start des Brenners (22) und dem Umschalten in den zweiten Betriebszustand einstellbar ist.

13. Vorrichtung zum Erzeugen einer Messspannung zur auf Ionisationsstrommessung basierenden Flammenerkennung mit einem Flammenüberwachungssystem in einem Brenner (22) mit einem ersten Betriebszustand, welcher eine Startphase des Brenners (22) darstellt und einem zweiten Betriebszustand, welcher einen Modulationsbetrieb des Brenners (22) darstellt, gekennzeichnet durch:

Mittel zum Erzeugen einer ersten Messspannung (12a), welche größer als eine Sättigungsspannung ist, zum Erzeugen eines ersten lonisationsstroms (16a) an einer Ionisationselektrode (16) des Flammenüberwachungssystems in dem ersten Betriebszustand des Brenners (22) und zum Erzeugen einer zweiten Messspannung (12b), welche kleiner als die Sättigungsspannung ist, zum Erzeugen eines zweiten lonisationsstroms (16b) an der Ionisationselektrode (16) des Flammenüberwachungssystems in dem zweiten Betriebszustand des Brenners (22), wobei

die Vorrichtung (12) zum Erzeugen der Messspannung dazu geeignet ist, die erzeugte Messspannung in einem Spannungsbereich, welcher aus zumindest einem Spannungswert oberhalb der Sättigungsspannung und zumindest einem Spannungswert unterhalb der Sättigungsspannung besteht, zu variieren, und wobei die Vorrichtung (12) zum Erzeugen der Messspannung die erzeugte Messspannung von der ersten Messspannung (12a) zu der zweiten Messspannung (12b) ändert, wenn der Brenner (22) von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand wechselt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel zum Bestimmen eines Betriebszustands des Brenners (22) aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Mittel zum Bestimmen des Betriebszustands des Brenners (22) in Reaktion auf ein Betriebszustandssignal einer Steuereinheit (24) zum Steuern des Flammenüberwachungssystems des Brenners (22) der Betriebszustand des Brenners (22) bestimmbar ist.

16. Flammenüberwachungssystem eines Brenners (22) mit einer Vorrichtung (12) zum Erzeugen einer Messspannung, einer Messeinheit (20) und einer Steuereinheit (24) zum Steuern des Flammenüberwachungssystems, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammenüberwachungssystem eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15 aufweist.

Zeichnung