Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln eines lonisationsstroms einer Flamme. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Ermitteln eines lonisationsstroms einer Flamme.

Bekannte lonisationsschaltungen für eine Erkennung eines lonisationsstroms, die zu einer Flammenerkennung über eine lonisationselektrode verwendet werden, um eine Höhe des lonisationsstroms einem übergeordneten Feuerungsautomaten zu melden, sind üblicherweise sehr komplexe und aufwendige Schaltungen. Insbesondere existieren Schaltungen, die mit besonders großer Auflösung in geregelten Verbrennungssystemen (CMS, engl. Combustion Management Systems), bei denen ein Lambdawert 1 mit einer Spitze eines CO-Werts über den lonisationsstrom ermittelt wird. Beispielsweise können die genannten Schaltungen als zweistufige Verstärker oder als logarithmische Verstärker ausgebildet sein, die in der Lage sind, einen sehr großen Bereich des lonisationsstroms zu verarbeiten.

DE 10 2010 001 307 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur auf lonisationsstrommessung basierenden Flammenerkennung. Bei dem gezeigten Verfahren wird eine erste Messspannung zum Erzeugen eines ersten Ionisationsstroms an einer lonisationselektrode des Flammenüberwachungssystems in einem ersten Betriebszustand des Brenners erzeugt und eine zweite Messspannung zum Erzeugen eines zweiten lonisationsstroms an der lonisationselektrode des Flammenüberwachungssystems in einem zweiten Betriebszustand des Brenners erzeugt, wobei die erste Messspannung und die zweite Messspannung von einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Messspannung des Flammenüberwachungssystems erzeugt wird, die dazu geeignet ist, die erzeugte Messspannung zu variieren, 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.

EP 1 300 632 A2 offenbart einen Gasbrenner mit einer Flammenüberwachung.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache Vorrichtung zum Ermitteln eines lonisationsstroms einer Flamme bereit zu stellen.

Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1.

Damit wird eine Eingangsempfindlichkeit des Verstärkers unabhängig vom tatsächlichen Wert des lonisationsstroms auf einen maximalen Wert geregelt, so dass eine Empfindlichkeit des Verstärkers in jeder Phase des lonisationsstroms bestmöglich ausgenutzt wird. Der Verstärker ist somit in der Lage, einen sehr großen Bereich des lonisationsstroms zu detektieren.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 6.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mittels der Regelungseinrichtung eine Bypasseinrichtung ansteuerbar ist, wobei der Bypasseinrichtung eine Stellgröße der Regelungseinrichtung zuführbar ist, mittels der ein Bypassstrom zum Ionisationsstrom und eine elektrische Eingangsspannung der Verstärkereinrichtung generierbar sind, wobei die Eingangsspannung mittels der Stellgröße auf einen im Wesentlichen konstanten Wert regelbar ist.

Auf diese Weise kann aus der Stellgröße vorteilhaft ein Abbild des Ionisationsstroms gewonnen werden. Auf diese Weise kann auf eine Weise aus der zugeführten Stellgröße auf eine Flammengröße geschlossen werden, die einen wesentlichen Parameter für Feuerungsautomaten von Gasgeräten darstellt.

Erfindungsgemäß zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, dass die Bypasseinrichtung eine Parallelschaltung mit einem Widerstand und einem Kondensator aufweist, wobei die Stellgröße als eine pulsweitenmodulierte Spannung ausgebildet ist, wobei die Stellgröße auf ein im Wesentlichen konstantes PWM-Verhältnis regelbar ist.

Auf diese Weise kann über eine einfach und kostengünstig zu realisierende Bypassschaltung und ein pulsweitenmoduliertes Signal, welches implizit ein großes Pulsweitenverhältnis abbilden kann, ein großer Wertebereich des Ionisationsstroms abgebildet werden. Im Ergebnis kann dadurch der lonisationsstrom mittels einer hohen Eingangsempfindlichkeit des Verstärkers erfasst werden. Zu diesem Zweck wird danach getrachtet, den Verstärker sehr konstant auf einen empfindlichen Arbeitspunkt zu regeln.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Stellgröße der Bypasseinrichtung mittels eines ersten Optokopplers zuführbar ist. Auf diese Weise wird eine einfache technische Zuführung der Stellgröße in den Bypasskreis der Verstärkereinrichtung bewerkstelligt.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der flussgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkereinrichtung wenigstens einen Transistor aufweist, wobei die über dem Widerstand abfallende elektrische Eingangsspannung einem Eingang des Transistors zuführbar ist, wobei ein Ausgang des Transistors über einen zweiten Optokoppler mit einem Eingang der Regelungseinrichtung verschaltet ist.

Auf diese Weise wird am Ausgang der Verstärkereinrichtung ein Abbild der Messspannung am Messwiderstand bereitgestellt, wobei dieses Abbild der Regelungseinrichtung zum Regeln der Stellgröße zugeführt wird. Eine im Wesentlichen in Echtzeit vorliegende Information über die Höhe des lonisationsstroms ist auf diese Weise vorteilhaft ermöglicht, wodurch eine effiziente Regelung der Eingangsempfindlichkeit der Verstärkereinrichtung durchgeführt wird.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Verstärkereinrichtung einen Feldeffekttransistor oder zwei in einer Darlingtonschaltung verschaltete bipolare Transistoren aufweist. Auf diese Weise werden vorteilhaft zwei verschiedene unterschiedliche technisch einfache Möglichkeiten zur Realisierung einer hochempfindlichen Verstärkereinrichtung bereitgestellt.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mittels der Regelungseinrichtung die Stellgröße als ein lonisationssignal verarbeitbar ist. Dadurch können zum Beispiel von einem übergeordneten Feuerungsautomaten eines Gasgeräts oder eines Ölbrenners entsprechende Aktionen zur Steuerung des Brennvorgangs bzw. der Flamme veranlasst werden.

Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen.

In den Figuren zeigt:

Fig. 1

ein prinzipielles Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln eines Ionisationsstroms einer Flamme;

Fig. 2

ein prinzipielles Detailschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 3

ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ein prinzipielles Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zum Ermitteln eines lonisationsstroms einer Flamme ist in Fig. 1 dargestellt. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Verstärkereinrichtung 10 mit einem Eingang E und einem Ausgang A. Eine Flamme 40 mit einem elektrischen Grundwiderstand im GΩ-Bereich wird elektrisch an den Eingang E der Verstärkereinrichtung 10 geschaltet, wodurch ein elektrischer Spannungsabfall, der einem Flammenionisationsstrom entspricht, generiert wird. Der Ausgang A der Verstärkereinrichtung 10 ist an einen Eingang einer Regelungseinrichtung 20 geführt.

Die Regelungseinrichtung 20 umfasst eine Rechnereinrichtung (nicht dargestellt), beispielweise in Form eines Mikrocontrollers. Mittels der Regelungseinrichtung 20 wird eine Bypasseinrichtung 30 angesteuert, die eine Empfindlichkeit des Eingangs E der Verstärkereinrichtung 10 derart regelt, dass die Empfindlichkeit des Eingangs E im Wesentlichen unabhängig vom lonisationsstrom der Flamme 40 möglichst hoch ist. Auf diese Weise kann vorteilhaft ein Ionisationsstrom der Flamme 40, der systembedingt eine große Schwankungsbreite aufweist, mittels der Verstärkereinrichtung 10 im gesamten Betriebsbereich möglichst genau über den genannten elektrischen Spannungsabfall ermittelt werden. Eine "kalte" Flamme 40 hat in der Regel einen niedrigen lonisationsstrom, wohingegen eine "heisse" Flamme 40 einen sehr großen lonisationsstrom I₁ aufweist, wobei eine Schwankungsbreite des lonisationsstroms I₁ zwischen ca. 100nA und ca. 100µA liegen kann.

Fig. 2 zeigt ein prinzipielles Detailschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. Man erkennt, dass die Verstärkereinrichtung 10 prinzipiell als ein Transistor ausgebildet ist. Der Transistor ist vorzugsweise hochempfindlich und sollte auch noch elektrische Ströme im nA Bereich erfassen können. Zu diesem Zweck kann der Transistor als ein Feldeffekttransistor (FET engl. field-effect transistor) oder als eine Darlingtonschaltung von zwei Bipolartransistoren (nicht dargestellt) ausgebildet sein. Ein in einen Eingangskreis des Transistors geschalteter lonisationsstrom-Messwiderstand R1 in der Größenordnung von ca. 2MΩ ist dazu vorgesehen, eine elektrische Messspannung UM, die eine Größe eines lonisationsstroms I₁ durch die Flamme 40 repräsentiert, zu generieren.

Die Flamme 40 ist über eine feuerfeste Elektrode 50 elektrisch über einen Widerstand R3 in der Größenordnung von ca. 0,5 MΩ in einen Eingangskreis der Verstärkereinrichtung 10 geschaltet. Der Widerstand R3 und die Flamme 40 werden vom lonisationsstrom I₁ durchflossen. Parallel zum Widerstand R1 ist ein in der Größenordnung von ca. 0,22µF ausgebildeter Kondensator C1 geschaltet.

Über die beiden Widerstände R4, die jeweils einen Widerstandswert im Bereich von ca. 40 kΩ aufweisen, wird die gesamte Schaltung mittels einer 230V/50Hz Wechselspannung versorgt, wodurch der Gleichrichtereffekt der Flamme 40 ausgenützt und der lonisationsstrom I₁ durch die Flamme 40 getrieben wird. Denkbar sind auch kleinere Werte der Wechselspannung, wobei eine ausreichende Spannungshöhe zur Generierung des lonisationsstroms I₁ durch die Flamme 40 vorzusehen ist.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass von der Regelungseinrichtung 20 eine Stellgröße in Form eines pulsweitenmodulierten Signals PWM₁ generiert und einem ersten Optokoppler Q1 zugeführt wird, wodurch der Kondensator C1 gemäß einem PWM-Verhältnis des pulsweitenmodulierten Signals PWM₁ zeitweise entladen wird und dadurch eine Glättung der elektrischen Messspannung UM bewirkt. Mittels des lonisationsstroms I₁ wird danach der Kondensator C1 wieder aufgeladen. Am Widerstand R₁ und am Kondensator C1 fällt auf diese Weise stets eine im Wesentlichen konstante elektrische Spannung UM ab, die vorzugsweise ein konstantes PWM-Verhältnis bzw. einen konstanten Tastgrad in einem Bereich von ca. 2ms bis ca. 3ms aufweisen sollte. Ein optimaler Wert für den genannten Tastgrad wird vorzugsweise vorab ermittelt und in der Rechnereinrichtung der Regelungseinrichtung 20 hinterlegt.

Das erste pulsweitenmodulierte Signal PWM₁ ist derart ausgebildet, dass eine Empfindlichkeit des Transistors möglichst hoch ist, bzw. der Eingang E auf einen möglichst hochempfindlichen Arbeitspunkt geregelt ist. Auf diese Weise kann ein sich ändernder Ionisationsstrom I₁ mittels des ersten pulsweitenmodulierten Signals PWM₁ gewissermaßen kompensiert werden, wobei das pulsweitenmodulierte Signal PWM₁ ein Maß für eine Änderung des lonisationsstroms I₁ darstellt. Je höher der lonisationsstrom I₁ wird, desto größer wird die Pulsweite der Stellgröße PWM₁.

Die Verstärkereinrichtung 10 gibt an einem Ausgang über einen zweiten Optokoppler Q2 ein pulsmoduliertes Signal PWM₂ aus, welches ein Abbild der elektrischen Messspannung UM am Widerstand R1 ist und welches an einen Eingang der Regelungseinrichtung 20 geführt ist. In der Regelungseinrichtung 20 wird vorzugsweise ein Softwareprogramm ausgeführt, welches die Generierung des ersten pulsweitenmodulierten Signals PWM₁ anhand des vom Ausgang der Verstärkereinrichtung 10 zugeführten pulsweitenmodulieren Signals PWM₂ übernimmt. Im Ergebnis ergibt sich somit vorteilhaft eine einfache technische Ausgestaltung einer geregelten Verstärkerschaltung zum Ermitteln eines Ionisationsstroms I₁ der Flamme 40.

Vorteilhaft kann durch einen großen Bereich des Tastgrades des pulsweitenmodulierten Signals PWM₁ in der Größenordnung von ca. 1: 10.000 ein sehr großer Bereich für den lonisationsstrom I₁ ermittelt werden. Es wird auf diese Weise mittels des pulsweitenmodulierten Signals PWM₁ ein Bypassstrom parallel zum Widerstand R1 erzeugt, der dynamisch auf einen vorgesehenen Arbeitspunkt der Verstärkereinrichtung 10 geregelt wird. Die eigentliche Größe des lonisationsstroms I₁ ergibt sich aus der Stellgröße der Regelungseinrichtung 20 in Form des pulsweitenmodulierten Signals PWM₁. Die Verstärkereinrichtung 10 kann auf diese Weise vorteilhaft höchst empfindlich ausgelegt werden und kann dank des nahezu beliebig hohen Bypassstroms kaum übersteuert werden bzw. in Sättigung geraten.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Tastgrad des zweiten pulsweitenmodulierten Signals PWM₂ am Optokoppler Q2 derart ist, dass im Bezug auf den Eingang der Verstärkereinrichtung eine Änderung des lonisationsstroms I₁ größtmöglich sichtbar ist. Zu diesem Zweck wird von der Regelungseinrichtung 20 das pulsweitenmodulierte Signal PWM₁ beispielsweise in einem Bereich zwischen ca. 2ms und ca. 4ms geregelt.

Vorteilhaft kann mittels der Rechnereinrichtung in der Regelungseinrichtung 20 ein Softwareprogramm zum Anpassen des Arbeitspunkts der Verstärkereinrichtung 10 leicht abgeändert bzw. an Erfordernisse angepasst werden. Eine Flexibilität und Modifizierbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist auf diese Weise vorteilhaft sehr hoch.

In einer nicht in den Figuren dargestellten Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die digitale Regelungseinrichtung 20 auch mittels einer analogen Regelschaltung realisiert werden.

Ferner ist es in einer nicht in den Figuren dargestellten Abwandlung des erfindungsgemäßen Konzepts auch möglich, das pulsweitenmodulierte Signal PWM₁ in Form von getakteten Sequenzen mit PWM-Pulspaketen zu realisieren.

Fig. 3 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In einem ersten Schritt S1 wird die Flamme 40 elektrisch an einen Eingang E der Verstärkereinrichtung 10 geschaltet.

In einem zweiten Schritt S2 wird eine Stellgröße PWM₁ mittels der Regelungseinrichtung 20 aus einem Ausgangssignal der Verstärkereinrichtung 10 generiert.

In einem dritten Schritt S3 wird die Stellgröße an die Verstärkereinrichtung 10 derart zugeführt, dass eine Eingangsempfindlichkeit der Verstärkereinrichtung im Wesentlichen unabhängig vom lonisationsstrom auf einen maximalen Wert geregelt wird.

In einem vierten Schritt S4 wird der lonisationsstrom I₁ aus der Stellgröße PWM₁ ermittelt.

Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren vorgeschlagen, welches eine einfache Ausgestaltung einer Detektionsschaltung für einen lonisationsstrom einer Flamme realisiert. Dabei wird erfindungsgemäß mittels eines pulsweitenmodulierten Signals ein Bypass-Strom parallel zum lonisationsstrom-Messwiderstand erzeugt, der dynamisch auf einen derartigen Arbeitspunkt geregelt wird, bei dem der nachgeschaltete Verstärker einen konstant niedrigen Wert überträgt. Auf diese Weise kann aus der Stellgröße auf eine Flammengröße geschlossen werden.

Aufgrund der Tatsache, dass das erste pulsweitenmodulierte Signal einen sehr hohen Modulations- bzw. Tastgrad annehmen kann, kann eine Änderung des Ionisationsstroms mittels des ersten pulsweitenmodulierten Signals PWM1 sehr genau abgebildet und damit erfasst werden.

Mittels des erfindungsgemäßen Konzepts ist es vorteilhaft möglich, eine Spitze in einem zeitlichen Verlauf einer Kohlenmonoxid-Konzentration zu erfassen, die derart unauffällig ist, dass sie nur mit einer Schaltung mit extrem großem Messbereich erfasst werden kann. Die genannte Spitze tritt bei idealer Verbrennung (d.h. bei einem Lambdawert eins) auf und geht in die lonisationsspannung ein, wodurch sie eine Auswirkung auf den lonisationsstrom hat.

Vorteilhaft können mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens Anforderungen an CMS mit einfachen technischen Mitteln erfüllt werden.

Der Fachmann wird die offenbarten Merkmale abändern oder kombinieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.