DE19726169C2 - Regeleinrichtung für einen Gasbrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für einen Gasbrenner mit einer Ionisationselektrode als Meßelektrode im Flammenbereich, über die in Abhängigkeit von der Ver­ brennung ein Ionisationsstrom fließt und die an eine Regel­ schaltung angeschlossen ist, welsche das Gas/Luftverhältnis des Gasbrenners einstellt, wobei parallel zur Ionisations­ strecke eine Meßwiderstandsanordnung geschaltet ist, an der eine an einen Eingang der Regelschaltung gelegte Meß­ spannung abgegriffen ist, und auf die Ionisationselektrode über ein kapazitives Koppelglied eine Wechselspannung aufgeschaltet ist.

Eine derartige Regeleinrichtung ist in der DE 44 33 425 A1 beschrieben. Dort ist die Widerstandsan­ ordnung ein einfacher Widerstand, dem ein Spannungs-Im­ pedanzwandler und ein Tiefpaß nachgeschaltet sind. Die Regelschaltung arbeitet beispielsweise mit einem Mikropro­ zessor. Da die Wechselspannung, die beispielsweise die Netzwechselspannung ist, dem Ionisations-Gleichstrom der brennenden Flamme überlagert ist, kann ein negativer Gleichspannungsanteil entstehen, der die Auswertung in der Regelschaltung erschwert.

In der Patentanmeldung 196 32 983 ist ebenfalls eine Re­ geleinrichtung der genannten Art beschrieben. Der auch dort entstehende negative Gleichspannungsanteil stört nicht, weil das analoge Meßsignal in ein digitales Signal entspre­ chender Breite umgewandelt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Regeleinrichtung der eingangs genannten Art die Auswertung des Meßsignals zu verbessern.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Der erste Widerstand und der zweite Widerstand führen zu einer Spannungsteilung, durch die die Meßspannung in einem Bereich untersetzt wird, der direkt von der Regel­ schaltung verarbeitet werden kann. Wenn die Wechselspan­ nung die Netzwechselspannung ist, ist ein Spannungsteiler­ faktor von etwa 100 günstig, weil dadurch eine Kleinspan­ nung erreicht wird, die von einer Regelelektronik, wie bei­ spielsweise Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller, ohne weiteres verarbeitet werden kann.

Mittels der Spannungsquelle wird die Meßspannung der­ art verschoben, daß kein negativer Gleichspannungsanteil auftritt. Die analoge Meßspannung ist also immer positiv, so daß sie von der Regelschaltung einfach ausgewertet werden kann. Wesentlich ist dabei, daß die analoge Meßspannung nicht die Nullinie durchläuft, sondern bei jedem möglichen Ionisationsstrom immer die gleiche Polarität hat. Diese ist vorzugsweise positiv, könnte jedoch auch bei Regelschal­ tungen, die mit negativen Spannungen anzusteuern sind, ne­ gativ sein.

Als Spannungsquelle wird vorzugsweise die für die Re­ gelschaltung ohnehin erforderliche Versorgungsspannung herangezogen. Es könnte jedoch auch eine Batterie bzw. ein Akku vorgesehen sein.

Bei derartigen Regeleinrichtungen ist eine Fehlersicher­ heit (fail save) in der Weise erwünscht, daß bei Schaltungs­ defekten eine Störabschaltung erfolgt, wobei auch überwa­ chende Elemente überwacht werden sollten. Hierfür sind die Weiterbildungen der Erfindung nach den Unteransprüchen 2 bis 5 vorgesehen.

Im störungsfreien Fall tritt an beiden Eingängen der Re­ gelschaltung der gleiche Spannungsverlauf auf, was die Re­ gelschaltung durch Vergleich erkennt. Bei einem Fehlerfall in den Bauteilen werden die Spannungsverläufe an den bei­ den Eingängen unterschiedlich, was zu einer Störabschal­ tung des Brenners führt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung überwacht die Regelschaltung die beiden Eingänge jeweils einzeln, unab­ hängig davon, ob die Ramme brennt oder nicht brennt, auf das Vorliegen des pulsierenden Gleichspannungsanteils. Tritt am einen oder anderen oder beiden Eingängen dieser pulsierende Gleichspannungsanteil nicht auf, dann kommt es ebenfalls zu einer Störabschaltung.

Es hat sich gezeigt, daß der Ionisationsstrom Änderungen in den Verbrennungsbetrieben, beispielsweise beim Bren­ nerstart oder bei einer Stufenumschaltung verzögert folgt. Um diesen Effekt zu kompensieren, ist die Ausgestaltung nach dem Unteranspruch 10 vorgesehen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung erge­ ben sich aus den weiteren Unteransprüchen und der folgen­ den Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Regeleinrichtung und

Fig. 2 Spannungsdiagramme.

An einen Gasbrenner 1 für ein Gasheizgerät ist eine Gas­ leitung 2 angeschlossen, in der ein abschaltbares und regel­ bares Gasventil 3, beispielsweise Magnetventil, liegt. Am Gasbrenner 1 sind ein Luftanschluß 4 und gegebenenfalls ein luftförderndes, drehzahlgesteuertes Gebläse 5 angeord­ net. Das Gebläse 5 ist nicht in jedem Fall notwendig. Der Gasbrenner kann auch ein atmosphärischer Gasbrenner sein. In den Flammenbereich des Gasbrenners 1 ragt eine Ionisa­ tionselektrode 6. Auf diese ist über ein kapazitives Koppel­ glied 7 eine Wechselspannung U, vorzugsweise die Netz­ wechselspannung 230 V, aufgeschaltet. Das Koppelglied 7 besteht aus einem Kodensator und einem Widerstand. Der Gasbrenner 1 liegt elektrisch an Erde E, also dem Gegenpol des Spannungspols der Wechselspannung U.

An der Ionisationselektrode 6 liegt ein Spannungsteiler 8, der einen ersten hochohmigen Widerstand 9 und einen zwei­ ten, diesen gegenüber niederohmigen Widerstand 10 auf­ weist. Der Spannungsteilungsfaktor des Spannungsteilers 8 beträgt etwa 100, um die sich über das kapazitive Koppel­ glied 7 an der Ionisationselektrode 6 einstellende Spannung auf eine für die nachfolgende Schaltung auswertbare Klein­ spannung zu bringen. Der Widerstandswert des Widerstands 9 beträgt etwa 10 MOhm und der des Widerstands 10 etwa 100 kOhm.

Der Abgriffspunkt 11 des Spannungsteilers 8 ist an einen ersten Eingang 12 einer Regelschaltung 13, die beispiels­ weise ein Mikrocontroller ist, gelegt. Der Fußpunkt 14 des Spannungsteilers 8 liegt an einem Ausgang 15 der Regel­ schaltung 13. An dem Ausgang 15 ist eine Spannungsquelle 16 wirksam, die einen im Vergleich zum Widerstand 10 sehr niederohmigen Innenwiderstand 17 aufweist. Die Span­ nungsquelle 16 ist in Fig. 1 symbolisch dargestellt. Sie kann von einer für die Regelschaltung 13 nötigen Versorgungs­ spannungsquelle oder einer Batterie bzw. einem Akku gebil­ det sein. Die Spannungsquelle 16 hebt das Potential des Fußpunktes 14 in positiver Richtung gegenüber dem Erdpo­ tential E an, an dem sie und auch der Gasbrenner 1 liegt. Die Spannungsquelle 16 erzeugt über einen Pulsgenerator 18 am Ausgang 15 eine um einer Grund-Gleichspannung G pulsie­ rende Gleichspannung A (vgl. Fig. 2a), wobei die Perioden­ dauer der Pulsation größer ist als die der Wechselspannung U. Die Spannung am Ausgang 15 pulsiert beispielsweise zwischen 3,5 V und 4,5 V.

Der Ausgang 15 ist über einen weiteren Widerstand 19 an einen zweiten Eingang 20 der Regelschaltung 13 gelegt. Der Widerstand 19 hat den gleichen Widerstandswert wie der Widerstand 10. Parallel zu den Widerständen 10 und 19 sind Glättungskondensatoren 21, 22 für die Glättung der Wech­ selspannung geschaltet. Diese haben etwa gleiche Kapazität, z. B. 1 Mikrofarad.

Die Spannungssignale der Eingänge 12 und 20 werden in der Regelschaltung 13 verglichen, was durch den Verglei­ cher 23 dargestellt ist. Außerdem kontrolliert die Regel­ schaltung 13 über A/D-Wandler 24, 25 das Vorliegen der pulsierenden Gleichspannung.

In Fig. 2a ist der am Ausgang 15 anstehende Spannungs­ verlauf gezeigt. Fig. 2b zeigt schematisch sich an den Ein­ gängen 12 und 20 ergebende Spannungsverläufe.

Die Funktionsweise der beschriebenen Schaltung ist in verschiedenen Betriebsfällen beispielsweise folgende:

• 1. Brennt die Flamme nicht - fließt also kein Ionisati­ onsstrom über die Ionisationselektrode 6 -, dann liegt an beiden Eingängen 12, 20 im wesentlichen der Span­ nungsverlauf A des Ausgangs 15.
  • 1. 1.1. Im fehlerfreien Fall sind dabei die Spannungsver­ läufe an den Eingängen 12, 20 gleich, so daß am Aus­ gang 23' des Vergleichers 23 dauerhaft die Spannung Null ansteht. Die Regelschaltung 13 erkennt dadurch, daß die Flamme nicht brennt und kein Schaltungsfehler vorliegt.
  • 2. 1.2. Tritt ein Schaltungsfehler auf, dann werden die Spannungsverläufe an den Eingängen 12, 20 ungleich, wobei einer der Spannungsverläufe nicht mehr oder an­ ders pulsiert als der andere. Am Ausgang 23' des Ver­ gleichers 23 tritt dabei eine von Null abweichende pul­ sierende Spannung auf. Hieraus leitet die Regelschal­ tung 13 ein Störsignal, insbesondere eine Einschalt­ sperrung für den Gasbrenner 1, ab.
• 2. Unabhängig davon, ob die Ramme brennt oder nicht brennt, werden über die A/D-Wandler 24, 25 die beiden Eingänge 12, 20 auf Vorliegen der pulsierenden Gleichspannung kontrolliert. Tritt diese an einem oder beiden Eingängen 12, 20 nicht auf, dann wird ebenfalls ein Störsignal erzeugt.
  Es ist somit eine hohe Eigensicherheit der Schaltung erreicht.
• 3. Brennt die Flamme, dann tritt am zweiten Eingang 20 - nach wie vor - die pulsierende Gleichspannung A' (vgl. Fig. 2b) auf. Am Eingang 12 ergibt sich ebenfalls ein pulsierender Gleichspannungsverlauf, jedoch in der Höhe vermindert um einen Betrag, der auf dem jewei­ ligen Ionisationsstrom, der über das Koppelglied ange­ koppelten Wechselspannung U und dem Spannungs­ teilerverhältnis der Widerstände 9, 10 beruht. In Fig. 2b ist der Spannungsverlauf B derjenige, der sich bei größtem Ionisationsstroms liegt der Spannungsverlauf B im Band C. Die am Eingang 12 anliegende Spannung ist also immer positiv (vgl. Fig. 2b).

Der Vergleich 23 vergleicht wieder die Spannungsver­ läufe A' und B, wobei sich die Pulsation der Gleichspannung wieder aufhebt. Das sich ergebende - nicht pulsierende - Gleichspannungssignal, d. h. A' minus B, ist immer positiv und proportional zum Ionisationsstrom. Es wird zur weite­ ren Auswertung von der Regelschaltung 13 verwendet. Je stärker die flamme brennt, desto höher ist das Gleichspan­ nungssignal. Auch bei kleiner Flamme ist eine sichere Aus­ wertung möglich. Der Vergleicher 23 kann auch hinter die A/D-Wandler 24 bzw. 25 geschaltet sein (gestrichelt darge­ stellt). In diesem Fall erfolgt der Vergleich auf Software- Ebene, was sich für die Auswertung u. U. als günstiger er­ weist.

Die der Luftzahl (Lambda)-Erkennung dienende Ionisati­ onselektrode 6 hat ein auf Änderungen der Luftzahl (Lambda) folgendes Verhalten. Dieses läßt sich folgender­ maßen beschreiben:
Ein gewisser Prozentsatz x des Ionisationsstroms bzw. der zu erkennenden Ionisationsspannung folgt einer Luftzahlän­ derung nahezu verzögerungsfrei, beispielsweise im ms-Be­ reich, wogegen der restliche Prozentsatz, 100-x, der Ände­ rung mit einer Zeitkonstanten T folgt. Die Zeitkonstante be­ trägt beispielsweise etwa 10 s. Dieses Verhalten kann dazu führen, daß es bei schnellen Änderungen der Luftzahl, bei­ spielsweise beim Start des Gasbrenners 1, oder bei einer stu­ fenweisen Umschaltung des Gasbrenners 1, zu unerwünsch­ ten Abweichungen im Regelverhalten der Regelschaltung 13 kommen kann. Um solche zu vermeiden, ist am Ausgang 23' ein regelungstechnisches Kompensationsglied 26 vorge­ sehen, das die genannte Zeitkonstante kompensiert.

Aus sicherheitstechnischen Gesichtspunkten kann es zweckmäßig sein, den Widerstandswert des Widerstands 9 auf mehrere in Reihe geschaltete Einzelwiderstände zu ver­ teilen.

Claims (10)

1. Regeleinrichtung für einen Gasbrenner mit einer Io­ nisationselektrode als Meßelektrode im Flammenbe­ reich, über die in Abhängigkeit von der Verbrennung ein Ionisationsstrom fließt und die an eine Regelschal­ tung angeschlossen ist, welche das Gas/Luftverhältnis des Gasbrenners einstellt, wobei parallel zur Ionisati­ onsstrecke eine Meßwiderstandsanordnung geschaltet ist, an der eine an einen Eingang der Regelschaltung gelegte Meßspannung abgegriffen ist, und auf die Ioni­ sationselektrode über ein kapazitives Koppelglied eine Wechselspannung aufgeschaltet ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßwiderstandsanordnung einen er­ sten hochohmigen Widerstand (9) und einen zweiten, zu diesem in Reihe geschalteten und diesem gegenüber niederohmigen Widerstand (10) und eine Spannungs­ quelle (16) aufweist, deren niederohmiger Innenwider­ stand (17) zu dem zweiten Widerstand (10) in Reihe liegt, wobei die Meßspannung zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand abgegriffen und an einen ersten Eingang (12) der Regelschaltung (13) gelegt ist und die Ausgangsspannung der Spannungsquelle (16) so bemessen ist, daß sie die Meßspannung in einen von der Regelschaltung (13) auswertbaren Bereich gleicher Polarität verschiebt.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der Span­ nungsquelle (16) eine über einer Grund-Gleichspan­ nung pulsierende Gleichspannung ist.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der Span­ nungsquelle (16) über einen dritten, niederohmigen Widerstand (19) an einen zweiten Eingang (20) der Re­ gelschaltung (13) gelegt ist und die Regelschaltung (13) die an den beiden Eingängen (12, 20) anliegenden Spannungssignale vergleicht und bei Ungleichheit des pulsierenden Gleichspannungsanteils ein Störsignal er­ zeugt.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Widerstandswerte des zweiten Widerstands (10) und des dritten Widerstands (19) im wesentlichen gleich sind.

5. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (13) die beiden Eingänge (12, 20) je­ weils einzeln auf das Vorliegen der pulsierenden Gleichspannung überprüft und wenn diese an einem oder beiden Eingängen nicht vorliegt, ein Störsignal er­ zeugt.

6. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Span­ nungsteilerfaktor zwischen dem ersten Widerstand (9) und dem zweiten Widerstand (10) im Zusammenhang mit der Ausgangsspannung der Spannungsquelle (16) so bemessen ist, daß die am ersten Eingang (12) der Regelschaltung (13) anliegende Spannung unabhängig vom jeweiligen Ionisationsstrom und der Wechselspan­ nung immer die gleiche Polarität hat.

7. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden 10 Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Widerstand (10) ein Kondensator (21) zur Glättung der Wechselspannung parallelgeschaltet ist.

8. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem dritten Widerstand (19) ein Kondensator (22) parallel­ geschaltet ist.

9. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodendauer des pulsierenden Gleichstromanteils 20 größer als die der Frequenz der Wechselspannung ist.

10. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Eingang (12) ein Kompensationsglied (26) zum Aus­ gleich eines dynamisch verzögerten Verhaltens der Io­ nisationselektrode (6) liegt.