[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zum
Regeln des Brenngas-Luft-Verhältnisses eines brenngasbetriebenen Brenners.
[0002] Derartige Einrichtung zum Regeln des Brenngas-Luft-Verhältnisses sind zum Beispiel
aus
EP 1 179 159 B1,
EP 1 084 369 B1 und
EP 1 082 575 B1 bekannt. All diesen Systemen ist gemein, dass eine Brenngasleitung in eine Verbrennungsluftleitung
über eine Drossel mündet. Zwischen der Brenngasleitung und der Verbrennungsluftleitung
oder einem Referenzpunkt im Gerätegehäuse ist ein Differenzdrucksensor in Form eines
Massenstromsensors angeordnet. Das System ist derart ausgelegt, dass in dem Fall,
in dem der Sensor durchströmt wird, der Brenngas- oder Verbrennungsluftmassenstrom
solange verändert wird, bis der Sensor nicht mehr durchströmt wird.
[0003] Diese Systeme regeln bei bekannter, konstanter Brenngasqualität zuverlässig das Brenngas-Luft-Verhältnis.
Bei der Installation eines Gerätes mit einer derartigen Regelung ist jedoch eine Erstkalibrierung
auf das Brenngas notwendig. Verändert sich die Brenngaszusammensetzung, zum Beispiel
durch Schwankungen der Erdgasqualität oder Flüssiggas-Luft-Zumischung, so verändert
sich auch das Brenngas-Luft-Verhältnis, was die bekannten Einrichtungen weder feststellen,
noch ausgleichen können. Daher wird gemäß dem Stand der Technik bei der Inbetriebnahme
das Brenngas-Luft-Verhältnis durch Messung des Sauerstoff- oder Kohlendioxidanteils
im Abgas gemessen und durch Änderung des Drosselquerschnitts kalibriert.
[0004] Aus
EP 770 824 B1 ist bekannt, dass das Brenngas-Luft-Verhältnis eines brenngasbetriebenen Brenners
mittels Messung der Ionisationsspannung oder des lonisationsstrom an einer Überwachungselektrode
eingestellt werden kann. Ausgehend von einem überstöchiometrischen Brennerbetrieb
wird der Luftüberschuss so lange reduziert, bis eine geringfügig unterstöchiometrische
Verbrennung vorliegt. Hierbei wird die Ionisationsspannung zwischen einer Ionisationselektrode
und dem Brenner gemessen. Bei stöchiometrischer Verbrennung (λ = 1,0) ist die Ionisationsspannung
maximal. Demzufolge steigt die Ionisationsspannung, ausgehend von überstöchiometrischer
Verbrennung, bei der Reduzierung des Luftüberschusses zunächst an, um bei stöchiometrischer
Verbrennung ein Maximum zu erreichen. Fällt die Ionisationsspannung bei Weiterreduzierung
des Luftanteils ab, so ist dies ein Indikator dafür, dass die Verbrennung unterstöchiometrisch
ist. Das aus der
EP 770 824 B1 bekannte Verfahren sieht nun vor, dass, ausgehend von der Luftmenge, welche bei maximaler
Ionisationsspannung vorliegt, der Luftanteil um einen definierten Betrag erhöht wird,
so dass die Soll-Luftzahl erreicht wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen,
dass die Drehzahl eines Verbrennungsluftgebläses, ausgehend von der stöchiometrischen
Verbrennung, um 25% erhöht wird. Ausgestaltungen eines derartigen Regelverfahrens
sind aus der
DE 40 27 090 C2,
DE 196 18 573 C1 und
US 5 971 745 A bekannt.
[0005] Aus der Patentanmeldung
AT 505 442 A1 ist ein Kalibrierungsverfahren bekannt, bei dem während des Betriebs des Brenners
beispielsweise durch Erhöhen der Drehzahl eines Verbrennungsluftgebläses das Brenngas-Luft-Gemisch
abgemagert und dabei das Signal der Ionisationselektrode kontinuierlich gemessen und
hierbei der Gradient des Signals der Ionisationselektrode gebildet wird. Bei Überschreitung
eines bestimmten Gradienten oder beim überproportionalen Anstieg des Gradienten wird
die Abmagerung des Brenngas-Luft-Gemischs beendet und das Brenngas-Luft-Gemisch definiert
angefettet. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Drehzahl eines Verbrennungsluftgebläses,
ausgehend von der Drehzahl bei Beendigung der Abmagerung um 25% verringert wird.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung
zum Regeln des Brenngas-Luft-Verhältnisses eines brenngasbetriebenen Brenners mit
Differenzdrucksensor zwischen Brenngas- und Verbrennungsluftleitung ohne Sauerstoff-
oder Kohlendioxidmessung des Abgases zu schaffen.
[0007] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem brenngasbetriebenen
Brenner mit Differenzdruck-, Massen- oder Volumenstromsensor zwischen Brenngas- und
Verbrennungsluftleitung während des Betriebs des Brenners das Brenngas-Luft-Gemisch
abgemagert wird und hierbei das Ionisationssignal kontinuierlich gemessen wird. Aus
dem Ionisationssignal wird bei der Veränderung ein Gradient gebildet. Überschreitet
der Gradient einen bestimmten Wert, bzw. steigt der Gradient im Vergleich zum bisherigen
Verlauf überproportional an, so wird die Abmagerung beendet und das Brenngas-Luft-Gemisch
definiert angefettet. In diesem Zustand wird das Signal des Differenzdruck-, Massen-
oder Volumenstromsensors gemessen. In dem Fall, in dem der Sensor durchströmt oder
mit einem Differenzdruck beaufschlagt wird, muss die Regeleinrichtung nachjustiert
werden. Hierzu wird der Brenngasstrom durch Veränderung des Durchmessers oder einer
sonstigen Veränderung des Widerstandes der Drossel verändert.
[0008] Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
[0009] Die Durchmesserveränderung oder sonstige Veränderung des Widerstandes der Drossel
kann schrittweise erfolgt, wobei nach jedem Schritt wieder eine lonisationskalibrierung
erfolgt. Das Verfahren wird beendet, sobald nach einer lonisationskalibrierung das
Messsignal des Differenzdrucksensors, Volumenstromsensors oder Massenstromsensors
einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Alternativ wird das Verfahren erst dann
beendet, wenn nach einer lonisationskalibrierung das Messsignal des Differenzdrucksensors,
Volumenstromsensors oder Massenstromsensors einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet
und dann eine Durchmesserveränderung oder sonstige Veränderung des Widerstandes der
Drossel kontinuierlich erfolgt, bis das Messsignal des Differenzdrucksensors, Volumenstromsensors
oder Massenstromsensors einen ausgeglichen Druck, beziehungsweise keinen Volumen-
oder Massenstrom, anzeigt.
[0010] Gemäß einer anderen Option erfolgt die Durchmesserveränderung oder sonstige Veränderung
des Widerstandes der Drossel, bis das Messsignal des Differenzdrucksensors, Volumenstromsensors
oder Massenstromsensors einen ausgeglichen Druck beziehungsweise keinen Volumen- oder
Massenstrom anzeigt.
[0011] Das Messsignal der Ionisationssignalmessung ist stark von Ablagerungen an der Elektrode
sowie der Position der Elektrode abhängig. Daher ist es nicht zielführend, das Über-
oder Unterschreiten eines bestimmten Absolutwertes als relevantes Ereignis zu verwenden.
Der starke Anstieg des Gradienten hingegen ist ein sicheres Indiz für das baldige
Abheben der Flamme bei weiterem Anstieg des Luftanteils.
[0012] Der Gradient kann durch die Division des Differenzsignals der Ionisationselektrode
mit der Differenzdrehzahl des Gebläsemotors ermittelt werden. Alternativ hierzu kann
eine Division des Differenzsignals der Ionisationselektrode mit der Differenzstellposition
des Stellantriebs eines Gasventils oder einer Differenzzeiteinheit erfolgen.
[0013] Das Signal der Ionisationselektrode kann dadurch ermittelt werden, dass eine Konstantspannungsquelle
mit der Flamme des Brenners und einem Widerstand seriell verschaltet ist und der Spannungsabfall
am Widerstand gemessen wird.
[0014] Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert. Hierbei zeigen
Figur 1 einen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Figur 2 den Verlauf des Ionisationssignals als Funktion des Luftüberschusses beziehungsweise
der Gebläsedrehzahl.
[0015] Figur 1 zeigt einen Brenner 1 mit Gebläse 8 mit Gebläsemotor 9 in einem Lufteintritt
12. In den Lufteintritt 12 mündet eine Gasleitung 13, in der sich ein Gasventil 10
mit Stellantrieb 11 sowie eine Drossel 15 mit Stellantrieb 16 befindet. Der Gebläsemotor
9 und der Stellantrieb 11 des Gasventils 10 sowie der Stellantrieb 16 der Drossel
15 sind mit einer Regelung 7 verbunden. Zwischen der Gasleitung 13 und dem Lufteintritt
12 befindet sich ein Differenzdrucksensor 14, der ebenfalls mit der Regelung 7 verbunden
ist. Am Brenner 1 befindet sich eine Flamme 2, in welche eine Ionisationselektrode
3 hineinragt. Die Ionisationselektrode 3 ist mit einer Spannungsquelle 4 verbunden.
Diese ist mit ihrer zweiten Elektrode mit einem Widerstand 5 verbunden, der wiederum
an den Brenner 1 angeschlossen ist. Parallel zum Widerstand 5 ist ein Spannungsmesser
6 angeschlossen, welcher mit der Regelung 7 verbunden ist.
[0016] Beim Betrieb des Brenners saugt das Gebläse 8 über den Lufteintritt 12 Verbrennungsluft
an. Die Drehzahl n des Gebläses 8 kann hierbei kontinuierlich verstellt werden. Der
Stellantrieb 16 der Drossel 15, vorzugsweise ein Schrittmotor, verharrt in einer konstanten
Position, so dass die Drossel einen konstanten Querschnitt aufweist. Über das Gasventil
10 kann die zugeführte Brenngasmenge, welche über die Gasleitung 13 einströmt, kontinuierlich
verändert werden; hierbei wird die Schrittzahl n
s des Stellantriebs 11 erfasst. Im Gebläse 8 werden Brenngas und Luft miteinander vermischt
und am Austritt des Brenners 1 gezündet, so dass sich eine Flamme 2 bildet.
[0017] Während des normalen Brennerbetriebs soll auf beiden Seiten des Differenzdrucksensors
14 gleiche Drücke anliegen. Je nach Leistungsanforderung steuert die Regelung 7 den
Gebläsemotor 9 an. Die Regelung 7 stellt den Stellantrieb 11 des Gasventils 10 derartig
ein, dass an beiden Seiten des Differenzdrucksensors 14 gleiche Drücke anliegen.
[0018] Da die Ionen der Flamme 2 elektrisch leitend sind, kann zwischen der Ionisationselektrode
3 und dem Brenner 1 ein Strom fließen. Hieraus folgt, dass eine elektrische Spannung
U
Flamme anliegt. Der Ionenfluss durch die Flamme 2 sorgt dafür, dass der elektrische Kreislauf
(Brenner 1, Ionisationselektrode 3, Spannungsquelle 4, Widerstand 5) geschlossen ist.
[0019] Figur 2 zeigt den Verlauf der am Widerstand 5 gemessenen Spannung U über die Luftzahl
λ und die Gebläsedrehzahl n. U
0 ist die Spannung der Spannungsquelle 4. Es gilt:

[0020] Es ist zu erkennen, dass die am Widerstand 5 gemessene Spannung U bei stöchiometrischer
Verbrennung (λ = 1,0) minimal ist. Mit Erhöhen des Luftüberschusses steigt die Spannung
U kontinuierlich an. Bei einer Luftzahl von etwa 1,6 steigt die Spannung U deutlich
stärker als bisher an. Bei einem Luftüberschuss von etwa λ = 1,7 hebt die Flamme ab.
Es kann kein Ionisationssignal mehr gemessen werden; über eine Sicherheitseinrichtung,
z.B. das Gasventil 10 wird die Brenngaszufuhr verriegelt.
[0021] Beim erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren läuft zunächst der Brenner 1 mit einem
bisher nicht bekannten Luftüberschuss. Bei konstant geöffnetem Gasventil 10 wird die
Drehzahl n des Gebläses 8 erhöht. Hierdurch steigt die Luftzahl λ an. Der Spannungsabfall
U am Widerstand 5 wird kontinuierlich über der Zeit t gemessen und an die Regelung
7 weitergegeben. In der Regelung 7 wird der Gradient ΔU/Δn berechnet. Steigt der Gradient
ΔU/Δn ab einem bestimmten Punkt übermäßig an, so ist dies ein Indiz dafür, dass demnächst
die Flamme abhebt und somit abreißt. Die Luftzahl λ beträgt dann etwa 1,6. Ausgehend
von diesem Punkt wird nun die Drehzahl n des Gebläses gezielt derartig reduziert,
dass sich eine Luftzahl λ ≈ 1,25 einstellt. Die Luftzahl wird hierbei nicht gemessen,
sondern vielmehr wird die Drehzahl gemäß Gebläsekennlinie definiert reduziert, so
dass eine entsprechende Reduzierung des Luftmassenstroms zu erwarten ist. Dieser Vorgang
wird als lonisationskalibrierung bezeichnet. Bei der so reduzierten Luftmenge wird
nun das Signal des Differenzdrucksensors 14 in der Regelung 7 ausgewertet. Zeigt das
Sensorsignal, dass der Differenzdrucksensor 14 auf beiden Seiten einen gleichen Druck
vorfindet, so ist die Drossel 15 optimal eingestellt. Zeigt sich jedoch, dass der
Druck auf der Brenngasseite höher ist als auf der Verbrennungsluftseite, so bedeutet
dies, dass dem Brenner zur Einstellung der gewünschten Soll-Luftzahl von λ=1,25 mehr
Gas zugeführt werden muss, als dies bei Aktivierung der Gleichdruckregelung über den
Differenzdrucksensor der Fall ist. Daher wird der Querschnitt der Drossel 15 durch
Verstellen des Stellantriebs 16 vergrößert, so dass bei Aktivierung der Gleichdruckregelung
mehr Brenngas strömt. Ist der Druck auf der Brenngasseite niedriger ist als auf der
Verbrennungsluftseite, so wird der Querschnitt der Drossel 15 durch Verstellen des
Stellantriebs 16 reduziert, so dass bei Aktivierung der Gleichdruckregelung weniger
Brenngas strömt.
[0022] Nach einer definierten Querschnittsveränderung (z.B. 10 Schritte des Schrittmotors
des Stellantriebs 16 oder Anzahl der Schritte als Funktion der Druckdifferenz) wird
wieder eine lonisationskalibrierung durchgeführt. Nach dieser lonisationskalibrierung
erfolgt gegebenenfalls wieder eine Anpassung des Querschnitts der Drossel 15. lonisationskalibrierung
und Anpassung des Querschnitts der Drossel 15 werden solange wiederholt, bis das Signal
des Differenzdrucksensors 14 einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Hierbei
kann optional die Querschnittsveränderung (z.B. Anzahl der Schritte des Schrittmotors
des Stellantriebs 16) immer kleiner werden, damit die Anpassung erst grob und dann
immer exakter erfolgt. Ebenfalls optional kann in dem Fall, in dem das Signal des
Differenzdrucksensors 14 einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, der Drosselquerschnitt
solange verändert werden, bis auf beiden Seiten des Differenzdrucksensors gleiche
Drücke anliegen.
[0023] Alternativ kann nach der ersten lonisationskalibrierung gleich der Drosselquerschnitt
solange verändert werden, bis auf beiden Seiten des Differenzdrucksensors gleiche
Drücke anliegen.
[0024] Bei der lonisationskalibrierung kann alternativ zur Gradientenermittlung mittels
Quotienten aus Differenzsignal zur Differenzdrehzahl ΔU/Δn auch ein Gradient aus Differenzspannung
ΔU zu Differenzstellposition des Stellantriebs Δn
s gebildet werden, wenn anstelle einer Erhöhung der Gebläsedrehzahl eine Reduzierung
der Brenngasmenge vorgenommen wird. Als weitere Variante kann bei konstanter Abmagerung
auch ein Gradient aus der Zeit gebildet werden (Δ
U̇).
[0025] Der Betriebszustand, bei dem ein Abheben bevorsteht, kann dadurch bestimmt werden,
dass der aktuelle Gradient mit mindestens einem früheren Gradienten verglichen wird
und in dem Fall, dass der aktuelle Gradient den oder die Vergleichswerte um einen
bestimmten Prozentsatz überschreitet, der erwartete Zustand vorliegt. Als Vergleichswert
kann zum Beispiel der geringste gemessene Gradient verwendet werden. Alternativ kann
ein Absolutwert vorgegeben werden.
[0026] Um den Einfluss von Signalrauschen (Schwanken des Messsignals um eine Trendlinie)
zu eliminieren, darf die Zeitdifferenz beziehungsweise Drehzahldifferenz nicht zu
klein gewählt werden.
[0027] Anstelle des Spannungsabfalls U am Widerstand 5 kann auch direkt die Spannung der
Flamme U
Flamme gemessen werden. In diesem Fall ist jedoch die Ionisationsspannung bei stöchiometrischer
Verbrennung maximal und das Ionisationsspannungssignal fällt bei Erhöhung der Luftzahl
ab.
[0028] Anstelle einer konstanten Spannung U
0 kann auch eine Konstantstromquelle mit einem konstanten Strom I
o an die Serienschaltung des Widerstandes 5 mit der Flamme 2 geschaltet werden. In
Abhängigkeit des Flammenwiderstandes stellt sich eine bestimmte Spannung ein.
Brenner (1)
[0029]
Flamme (2)
Ionisationselektrode (3)
Spannungsquelle (4)
Widerstand (5)
Spannungsmesser (6)
Regelung (7)
Gebläse (8)
Gebläsemotor (9)
Gasventil (10)
Stellantrieb (11)
Lufteintritt (12)
Gasleitung (13)
Differenzdrucksensor (14)
Drossel (15)
Stellantrieb (16)
1. Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zum Regeln des Brenngas-Luft-Verhältnisses
eines brenngasbetriebenen Brenners mit einer Verbrennungsluftleitung und einer Brenngasleitung,
welche über eine Drossel in der Verbrennungsluftleitung endet,
sowie einem Differenzdrucksensor (14), Volumenstromsensor oder Massenstromsensor zwischen
der Brenngasleitung und der Verbrennungsluftleitung oder einem Referenzpunkt, an dem
ein vom Verbrennungsluftstrom abhängiger Druck herrscht,
und einer lonisationselektrode (3), mittels derer ein Ionisationsstrom oder eine Ionisationsspannung
zwischen der Flamme und einer Referenz, vorzugsweise Masse, gemessen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand oder Innenquerschnitt der Drossel (15) veränderbar ist,
während des Betriebs des Brenners (1) eine lonisationskalibrierung erfolgt, bei der
das Brenngas-Luft-Gemisch abgemagert und dabei das Signal der Ionisationselektrode
(3) kontinuierlich gemessen wird, hierbei der Gradient des Signals der Ionisationselektrode
(3) gebildet wird, bei Überschreitung eines bestimmten Gradienten oder beim überproportionalen
Anstieg des Gradienten die Abmagerung des Brenngas-Luft-Gemischs beendet wird und
das Brenngas-Luft-Gemisch definiert angefettet wird,
dann das Signal des Differenzdrucksensors, Volumenstromsensors oder Massenstromsensors
gemessen wird,
in dem Fall, in dem der Sensor in Richtung Verbrennungsluftleitung durchströmt oder
beaufschlagt wird, der Brenngasstrom durch Vergrößern des Durchmessers oder einer
sonstigen Reduzierung des Widerstandes der Drossel vergrößert beziehungsweise in dem
Fall, in dem der Sensor in Richtung Brenngasleitung durchströmt oder beaufschlagt
wird, der Brenngasstrom durch Verkleinern des Durchmessers oder einer sonstigen Erhöhung
des Widerstandes der Drossel verringert wird.
2. Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zum Regeln des Brenngas-Luft-Verhältnisses
eines brenngasbetriebenen Brenners nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesserveränderung oder sonstige Veränderung des Widerstandes der Drossel
schrittweise erfolgt,
nach jedem Schritt wieder eine lonisationskalibrierung erfolgt und das Verfahren beendet
wird, sobald nach einer lonisationskalibrierung das Messsignal des Differenzdrucksensors,
Volumenstromsensors oder Massenstromsensors einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet
oder sobald nach einer lonisationskalibrierung das Messsignal des Differenzdrucksensors,
Volumenstromsensors oder Massenstromsensors einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet,
eine Durchmesserveränderung oder sonstige Veränderung des Widerstandes der Drossel
kontinuierlich erfolgt, bis das Messsignal des Differenzdrucksensors, Volumenstromsensors
oder Massenstromsensors einen ausgeglichen Druck beziehungsweise keinen Volumen- oder
Massenstrom anzeigt.
3. Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zum Regeln des Brenngas-Luft-Verhältnisses
eines brenngasbetriebenen Brenners nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesserveränderung oder sonstige Veränderung des Widerstandes der Drossel
erfolgt, bis das Messsignal des Differenzdrucksensors, Volumenstromsensors oder Massenstromsensors
einen ausgeglichen Druck beziehungsweise keinen Volumen- oder Massenstrom anzeigt.
4. Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zum Regeln des Brenngas-Luft-Verhältnisses
eines brenngasbetriebenen Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft über ein Gebläse (8) mit Gebläsemotor (9) gefördert wird und der Gradient
des Signals der Ionisationselektrode (3) aus der Division des Differenzsignals der
Ionisationselektrode (3) mit der Differenzdrehzahl des Gebläsemotors (9) ermittelt
wird.
5. Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zum Regeln des Brenngas-Luft-Verhältnisses
eines brenngasbetriebenen Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas über ein Gasventil (10) mit Stellantrieb (11) geleitet wird und der
Gradient des Signals der Ionisationselektrode (3) aus der Division des Differenzsignals
der Ionisationselektrode (3) mit der Differenzstellposition des Stellantriebs (11)
ermittelt wird.
6. Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zum Regeln des Brenngas-Luft-Verhältnisses
eines brenngasbetriebenen Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradient des Signals der Ionisationselektrode (3) aus der Division des Differenzsignals
der Ionisationselektrode (3) mit der Differenzzeit ermittelt wird.
7. Verfahren zur Kalibrierung einer Einrichtung zum Regeln des Brenngas-Luft-Verhältnisses
eines brenngasbetriebenen Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konstantspannungsquelle (4) oder Konstantstromquelle mit der Flamme (2) des
Brenners (1) und einem Widerstand (5) seriell verschaltet wird und als Signal der
Ionisationselektrode (3) der Spannungsabfall am Widerstand (5) gemessen wird.