VERFAHREN ZUR PLAUSIBILIERUNG EINES GASFÖRMIGEN VOLUMENSTROMS IN EINEM BRENNER UND GASTHERME ZUR DURCHFÜHRUNG DES VERFAHRENS

Abstract

 Verfahren zur Plausibilisierung eines Gasgemisch-Volumenstroms in einem Brenner in welchem ein Gasgemisch (5), welches ein Gas (4) und ein Brenngas (3) umfasst, in einer Brennkammer (11) durch einen Brennprozess verbrannt wird, wobei eine Überwachung des Brennprozesses durch Auswertung eines Messwerts V, wenigstens eines Sensors erfolgt, wobei der Messwert V mit dem Brennprozess derart in Beziehung steht, dass die Qualität der Verbrennung des Brenngases erfassbar ist.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plausibilisierung eines Gasgemisch-Volumenstroms in einem Brenner. Dabei wird in dem Brenner ein Gasgemisch, welches ein Gas und ein Brenngas umfasst, in einer Brennkammer durch einen Brennprozess verbrannt, wobei eine Überwachung des Brennprozesses durch Auswertung eines Messwertes V, wenigstens eines Sensors erfolgt. Der Messwert V steht dabei mit dem Brennprozess derart in Beziehung, dass die Qualität der Verbrennung des Brenngases erfassbar ist.

[0002] Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Gastherme mit einem Brenner, in welchem ein Gasgemisch, welches ein Gas und ein Brenngas umfasst, in einer Brennkammer durch einen Brennprozess verbrannt wird.

[0003] Üblicherweise sind derartige Brenner über vorbekannte Sollwerte für Gas- und Brenngaszufuhr in ihren Leistungsparametern definiert.

[0004] Es ist aus der WO 2012/004211 A2 bekannt, zur Erfassung eines Volumenstroms von Gas- und/oder Brenngaszufuhr sich einer Laufzeitmessung im Volumenstrom zu bedienen. Hierbei wird einem Volumenstrom eines Brenngases eine impulsartige Modulation aufgeprägt und eine Laufzeit dieser Modulation bis zu einer auf sie zurückzuführenden Wirkung im Brenner gemessen.

[0005] In Bezug auf die Verwendung von solchen Verfahren ist problematisch, dass schnell ändernde Umgebungsbedingungen, wie Druckschwankungen, oder abrupte Abweichungen im Volumenstrom durch sich vor der Brennkammer, oder im Abgassystem befindlichen Rückschlagklappen nicht als solche erkannt werden können, sondern zu verfälschten Vergleichswerten führen. Zur genaueren Volumenstrombestimmung sind somit mehrere hintereinander folgende Messreihen mit anschließender Mittelwertbildung erforderlich. Darüber hinaus werden für die Auswertung Signal-Antwort-Schleifen in Mikroprozessoren mit vergleichsweise hohem Speicherbedarf und Rechenaufwand zur Verarbeitung der Messdaten benötigt.

[0006] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Plausibilisierung eines Gasgemisch-Volumenstroms in einem Brenner bzw. eine Gastherme mit einem Brenner vorzuschlagen, bei welchem der Aufwand für die Plausibilisierung des Gasgemisch-Volumenstroms reduziert ist und die Zuverlässigkeit der Plausibilisierung erhöht ist.

[0007] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 8 durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. 8 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen angegeben.

[0008] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Plausibilisierung eines Gasgemisch-Volumenstroms in einem Brenner, in welchem ein Gasgemisch, welches ein Gas und ein Brenngas umfasst, in einer Brennkammer durch einen Brennprozess verbrannt wird, wobei eine Überwachung des Brennprozesses durch Auswertung eines Messwertes V, wenigstens eines Sensors erfolgt, wobei der Messwert V mit dem Brennprozess derart in Beziehung steht, dass die Qualität der Verbrennung des Brenngases erfassbar ist, sieht die folgenden Verfahrensschritte vor:

a) zunächst wird eine impulsartige Modulation auf einen Volumenstrom des Brenngases, insbesondere einer Volumenstromänderung G auf einen Volumenstrom des Brenngases, zu einem ersten Zeitpunkt t_start gemäß einer Zeitreihe G(t) aufgeprägt, wobei hierdurch ein bekanntes Signal in das System des Brenners eingespeist wird, das später wiedererkannt werden kann und wobei die impulsartige Modulation beispielsweise ein Volumenstromsignal oder ein Steuersignal für einen Stellmotor, ein Ventil oder der Gleichen sein kann;

b) ab einem zweiten Zeitpunkt t₂ wird ein Messwert V gemessen und eine Messwert-Zeitreihe V(t) erfasst, wobei sich hierdurch die Möglichkeit ergibt, die Auswirkung des Signals, beispielsweise ein Anstieg der Energieabgabe des Verbrenners, oder eine Erhöhung eines Ionisationssignals einer Ionisationselektrode innerhalb der Brennkammer in Abhängigkeit der Zeit zu messen;

c) sodann wird jeweils ein Produkt P aus dem ersten Wert der Zeitreihe V(t) zum Zeitpunkt t_i und einem jeden Wert der Zeitreihe G(t) berechnet und nachfolgend eine Summe S_i aller berechneten Produkte gebildet;

d) die erste Summe S_i wird in einem Zwischenspeicher gespeichert, wodurch eine spätere Nutzung dieser Daten ermöglicht wird;

e) es wird jeweils ein Produkt P aus dem zweiten Wert aus der Zeitreihe V(t) zu einem Zeitpunkt t_i+1 und einem jeden Wert der Zeitreihe G(t) berechnet und nachfolgend eine Summe S_i+1 aller berechneter Produkte gebildet;

f) die Summe S_i+1 wird ebenfalls in einem Zwischenspeicher gespeichert und somit für eine darauf folgende Datenverarbeitung vorgehalten;

g) es erfolgt ein Wiederholen der beiden Schritte e) und f) für die nachfolgenden Zeitpunkte t_i+n bis zu einem vorgegebenen Zeitpunkt t_stop;

h) aus den gespeicherten Summen S_i bis S_i+n erfolgt eine Selektion der größten Summe, des Maximums S_max, der gespeicherten Summen S_i bis S_i+n und ein Ermitteln des Zeitpunktes t_i+x zu der Summe S_max;

i) aus der Zeitdifferenz zwischen t_start und t_i+x wird die Laufzeit t_lauf der impulsartigen Modulation durch den Volumenstrom des Gasgemisches zur Brennkammer bestimmt;

j.) die Laufzeit t_lauf wird mit einem Sollwert t_soll bei einem theoretischen Volumenstrom aus einem Speicher verglichen und darauf aufbauend ein Rückschluss auf den aktuell vorliegenden Volumenstrom des Brenners im aktuellen Zustand gezogen.

[0009] Durch die Anwendung dieses Verfahrens erfolgt eine Plausibilisierung des tatsächlichen Volumenstroms und es entfällt eine Speicherung des gesamten Antwortsignals V(t), da die einzelnen Messwerte unmittelbar verarbeitet, und im Nachgang für die Auswertung nicht mehr benötigt werden. Hierdurch sind die Anforderungen an eine Elektronik des Steuergeräts reduziert, da weniger Daten zur Speicherung anfallen und weniger Daten ausgewertet werden müssen.

[0010] In einer vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen den Zeitpunkt t_start (302) und den Zeitpunkt t₂ (301) auf einen gemeinsamen Zeitpunkt zu legen. Hiermit wird sichergestellt, dass alle relevanten Informationen in der Messwert-Zeitreihe V(t) aufgenommen werden.

[0011] Weiterhin ist vorgesehen, den Messwert der Messwert-Zeitreihe V(t) zum Zeitpunkt t_i, also V(t_i), aus einem Zwischenspeicher nach der Berechnung der Summe S_i zu löschen und/oder zu überschreiben. Dadurch, dass die Messwerte nicht dauerhaft gespeichert bleiben, kann wertvoller Speicherplatz der Elektronik gespart werden.

[0012] Außerdem ist vorgesehen, die impulsartige Modulation in Form eines vordefinierten, insbesondere gespeicherten theoretischen Signals zu gestalten. Der genaue Verlauf der impulsartigen Modulation ist somit bekannt und kann ohne Zeitverzögerung zur Berechnung herangezogen werden, wodurch diese schneller durchgeführt werden kann.

[0013] Es ist auch vorgesehen, dass die impulsartige Modulation ein gemessenes Signal, insbesondere ein Ionisationssignal des Brenners ist. Dadurch kann ein zuverlässig zu messendes Signal gewährleistet werden.

[0014] Weiterhin ist vorgesehen, die Messwert Zeitreihe V(t) komplett in einem Speicher zu erfassen. Das Erfassen der Zeitreihe im Ganzen ermöglicht das flexible Nutzen der Daten für weitere Berechnungen.

[0015] In einer vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, das Zeitintervall zwischen einem Zeitpunkt t_i und einem Zeitpunkt t_i+1 zwischen 0,1ms und 20ms, insbesondere zwischen 0,5ms und 5ms zu legen. Durch kurze Zeitintervalle zwischen dem Zeitpunkt Zeitpunkt t_i und einem Zeitpunkt t_i+1 wird die Auflösung der Messwert Zeitreihe V(t) vergrößert, was eine genauere Auswertung der Daten erlaubt.

[0016] Schließlich ist vorgesehen an einer Gastherme mit einem Brenner in welchem ein Gasgemisch, welches ein Gas und ein Brenngas umfasst, in einer Brennkammer durch einen Brennprozess verbrannt wird, das Verfahren zur Plausibilisierung eines Gasgemisch-Volumenstroms nach den oben genannten Ausführungen auszuführen. Hiermit wird der Betrieb einer Gastherme mittels Plausibilisierung des Volumenstroms überwacht, wodurch die Anforderungen an die Auswerteelektronik optimiert und verringert werden.

[0017] Im Sinne der Erfindung ist unter einer impulsartiger Modulation eine zeitlich begrenzte Signaländerung mit beliebiger Form zu verstehen, umfassend ein Dreiecksimpuls, ein Rechteckimpuls und eine Sinusschwingung.

[0018] Außerdem steht im Sinne der Erfindung der Index "i" für eine fortlaufende Anzahl an Messpunkten, die nacheinander stattfinden.

[0019] Zusätzliche Erfindungsdetails sind anhand schematischer Ausführungsbeispiele den Zeichnungen zu entnehmen.

[0020] Hierbei zeigt:

Figur 1

eine schematische Darstellung einer Gastherme, welche mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens betreibbar ist und

Figur 2

ein schematisches Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

[0021] In Figur 1 ist eine Gastherme gezeigt, welche mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden kann. Entsprechend eines elektronischen Verbrennungsregelverfahrens eines Steuergerätes 10 wird über ein Brenngasregelventil 2 ein Brenngas 3 in ein Gasgemisch-Gebläse 6 eingelassen und hier mit einem Gas 4 gemischt. Das Brenngasregelventil 2 ist mit einem Brenngassicherheitsventil 1 gesichert, um den Zufluss von Brenngas 3 im Falle eines ungewollten Betriebszustandes zu unterbinden und die Betriebssicherheit zu gewährleisten. Mittels des Gasgemisch-Gebläses 6 wird das Brenngas 3 mit dem Gas 4 in die Brennkammer 11 eingeblasen. Hierin befindet sich der Brenner 7, welcher das Gasgemisch 5 aus Gas 4 und Brenngas 3 in einem Brennprozess verbrennt. Die Brennkammer 11 ist abgasseitig mittels einer Rückschlagklappe 9 verschlossen, sodass der Brennprozess vor externen Einflüssen geschützt ist. Der Brennprozess kann nun mittels eines Messwerts eines Sensors, beispielsweise einer in dieser Ausführungsvariante gezeigten Ionisationselektrode 8, überwacht werden. Die Ionisationselektrode 8 liefert Messwerte, mit deren Hilfe der Volumenstrom des Gasgemischs 5, bestehend aus Brenngas 3 und Gas 4, plausibilisiert wird. Hierdurch kann in Folge davon über das Steuergerät 10 Einfluss, beispielsweise auf das Gasgemisch-Gebläse 6, das Gassicherheitsventil 1 und/oder das Gasregelventil 2 genommen werden. Außerdem kann entsprechend eines gegebenen Wärmebedarfs, die benötigte Brennerleistung geregelt werden, indem eine erforderliche Menge an Gas 4 mit dem drehzahlgeregelten Gasgemisch-Gebläse 6 vom Steuergerät 10 verändert wird.

[0022] In Figur 2 ist ein Diagramm gezeigt anhand dessen das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben wird. Dem Volumenstrom des Brenngases 3 wird zu einem ersten Zeitpunkt t_start 302 eine impulsartige Modulation in Form einer Volumenstromänderung G aufgeprägt. Diese erfolgt gemäß einer Zeitreihe G(t) 305, die insbesondere ein vordefiniertes und bevorzugt ein gespeichertes theoretisches Signal ist. Das theoretische Signal kann nun insbesondere ein Brenngas-Volumenstromsignal oder ein Steuersignal für einen Stellmotor, ein Ventil oder dergleichen sein. Ab einem zweiten Zeitpunkt t₂ 301, der bevorzugt zeitgleich mit t_start 302 ist, wird durch wenigstens einen Sensor, beispielsweise der in Figur 1 dargestellten Ionisationselektrode 8 (hier nicht dargestellt), ein Messwert V gemessen und eine Messwert-Zeitreihe V(t) 304 erfasst. Sobald der erste Wert der Messwert-Zeitreihe V(t) 304 vorliegt, wird durch geeignete Elektronik ein Produkt P aus diesem Wert und einem jeden Wert der bekannten Zeitreihe G(t) 305 gebildet. Aus der Menge dieser Produkte wird eine Summe S_i gebildet, welche in einem Zwischenspeicher gespeichert wird. Bevorzugt wird der jeweilige Wert der Messwert-Zeitreihe V(t) 304 im Anschluss an die jeweilige Berechnung gelöscht und/oder mit dem darauffolgenden Wert der Messwert-Zeitreihe V(t) 304 überschrieben, um Speicherplatz der Elektronik zu sparen. Diese Schritte geschehen nun für jeden einzelnen Wert der Messwert-Zeitreihe V(t) 304 bis zu einem Zeitpunkt t_stop 306. Bevorzugt sind die Zeitintervalle zwischen einem Zeitpunkt t_i und einem Zeitpunkt t_i+1 zwischen 0,1ms und 20ms, insbesondere zwischen 0,5ms und 5ms lang. Aus all den gebildeten Summen S_i bis S_i+n wird daraufhin die größte Summe S_max selektiert und der hierzu entsprechende Zeitpunkt t_i+x ermittelt. Hieraus kann eine Zeitdifferenz zwischen t_start 302 und t_i+x als Laufzeit t_lauf 303 bestimmt werden. Diese entspricht der Zeit, welche die impulsartige Modulation durch den Volumenstrom des hier nicht dargestellten Gasgemisches 5 (in Figur 1 dargestellt) zur hier nicht dargestellten Brennkammer 11 (in Figur 1 dargestellt) benötigt. Diese kann mit einem Sollwert t_soll eines theoretischen Volumenstrom aus einem Speicher verglichen werden kann. Durch diesen Vergleich können Rückschlüsse auf den Brennprozess gezogen und dieser Überwacht werden, um einen Gasgemisch-Volumenstrom zu plausibilisieren.

Bezugszeichenliste:

[0023] 

1

Brenngassicherheitsventil

2

Brenngasregelventil

3

Brenngas

4

Gas

5

Gasgemisch

6

Gasgemisch-Gebläse

7

Brenner

8

Ionisationselektrode

9

Rückschlagklappe

10

Steuergerät

11

Brennkammer

301

Zeitpunkt t₂

302

Startzeit t_start

303

Laufzeit t_lauf

304

Messwert-Zeitreihe V(t)

305

Zeitreihe G(t)

306

Zeitpunkt t_stop

Ansprüche

1. Verfahren zur Plausibilisierung eines Gasgemisch-Volumenstroms in einem Brenner in welchem ein Gasgemisch (5), welches ein Gas (4) und ein Brenngas (3) umfasst, in einer Brennkammer (11) durch einen Brennprozess verbrannt wird, wobei eine Überwachung des Brennprozesses durch Auswertung eines Messwerts V, wenigstens eines Sensors erfolgt, wobei der Messwert V mit dem Brennprozess derart in Beziehung steht, dass die Qualität der Verbrennung des Brenngases erfassbar ist, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:

a. Aufprägen einer impulsartigen Modulation auf einen Volumenstrom des Brenngases (3), insbesondere einer Volumenstromänderung G auf einen Volumenstrom des Brenngases (3), zu einem ersten Zeitpunkt t_start (302) gemäß einer Zeitreihe G(t) (305);

b. Messen des Messwertes V ab einem zweiten Zeitpunkt t₂ (301) und Erfassen einer Messwert-Zeitreihe V(t) (304);

c. Berechnen jeweils eines Produktes P aus dem ersten Wert aus der Messwert-Zeitreihe V(t) (304) zu einem Zeitpunkt t_i und einem jeden Wert der Zeitreihe G(t) (305) und nachfolgend Bilden einer Summe S_i aller berechneter Produkte;

d. Speichern der ersten Summe S_i in einem Zwischenspeicher;

e. Berechnen jeweils eines Produktes P aus dem zweiten Wert aus der Messwert-Zeitreihe V(t) (304) zu einem Zeitpunkt t_i+1 und einem jeden Wert der Zeitreihe G(t) (305) und nachfolgend Bilden einer Summe S_i+1 aller berechneter Produkte;

f. Speichern der ersten Summe S_i+1 in einem Zwischenspeicher;

g. Wiederholen der beiden Schritte e. und f. für die Zeitpunkte t_i+n bis zu einem vorgegebenen Zeitpunkt t_stop (306) ;

h. Selektieren des Maximums S_max der gespeicherten Summen S_i bis S_i+n und ermitteln des Zeitpunktes t_i+x zu der Summe S_max;

i. Bestimmen der Zeitdifferenz zwischen t_start (302) und t_i+x als Laufzeit t_lauf (303) der impulsartigen Modulation durch den Volumenstrom des Gasgemisches zur Brennkammer;

j. Vergleich der Laufzeit t_lauf (303) mit einem Sollwert t_soll bei einem theoretischen Volumenstrom aus einem Speicher und Rückschluss des gegebenen Volumenstroms.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt t_start (302) und der Zeitpunkt t₂ (301) ein gemeinsamer Zeitpunkt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, nach der Berechnung der Summe S_i der Messwert der Messwert-Zeitreihe V(t) zum Zeitpunkt t_i, also V(t_i), aus einem Zwischenspeicher gelöscht und/oder überschrieben wird.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die impulsartige Modulation ein vordefiniertes, insbesondere gespeichertes theoretisches Signal ist.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die impulsartige Modulation ein gemessenes Signal, insbesondere ein Ionisationssignal des Brenners (7) ist.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwert Zeitreihe V(t) (304) komplett in einem Speicher erfasst wird.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall zwischen einem Zeitpunkt t_i und einem Zeitpunkt t_i+1 zwischen 0,1ms und 20ms, insbesondere zwischen 0,5ms und 5ms liegt.

8. Gastherme mit einem Brenner, in welchem ein Gasgemisch (5), welches ein Gas (4) und ein Brenngas (3) umfasst, in einer Brennkammer (11) durch einen Brennprozess verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verfahren zur Plausibilisierung eines Gasgemisch-Volumenstroms nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgeführt wird.

Zeichnung