EP4177521A2 - Verfahren zur auswertung einer von einem sensor erfassbaren quasi-stationären druckdifferenz an einer gastherme sowie zugehörige gastherme - Google Patents

Verfahren zur auswertung einer von einem sensor erfassbaren quasi-stationären druckdifferenz an einer gastherme sowie zugehörige gastherme Download PDF

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EP4177521A2
EP4177521A2 EP22201795.6A EP22201795A EP4177521A2 EP 4177521 A2 EP4177521 A2 EP 4177521A2 EP 22201795 A EP22201795 A EP 22201795A EP 4177521 A2 EP4177521 A2 EP 4177521A2
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EP
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differential pressure
pressure
control valve
sensor
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Enno Jan Vrolijk
Jens Hermann
Markus Weingart
Andreas KERSCHREITER
Simon Bernhard
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Definitions

  • the invention relates to a method for evaluating a quasi-steady-state pressure difference at a gas boiler that can be detected by a sensor, and a gas boiler that is designed to carry out the method.
  • Gas heaters are known in the prior art, in which a pressure difference is measured upstream of a main flow restrictor relative to a reference pressure by a sensor designed as a differential pressure sensor, and the fuel mass flow is regulated based on the pressure difference.
  • a gas boiler generally includes a mixing device for mixing one of a fuel inlet inflowing fuel and air flowing in from an air inlet to form a fuel-air mixture, a blower for sucking in the fuel and the air through the mixing device, a main quantity throttle for limiting a mass flow of the fuel into the mixing device, a control valve arranged upstream of the main quantity throttle for regulation a mass flow of the fuel into the mixing device and a safety valve arranged upstream of the control valve for interrupting the mass flow of the fuel.
  • the gas-air mixture can then be fed to a burner in which the mixture can be burned.
  • control valves in the prior art In order to control the pressure of the inflowing fuel, the control valves in the prior art often work as a mechanical-pneumatic gas valve in which a pressure difference is detected by a control membrane and which is arranged between two areas of different pressure.
  • pressure sensors are also used within the framework of a so-called “electronic control”, in which the pressures are recorded by separate sensors and the pressure values are evaluated electronically to determine the pressure difference.
  • electronic control in which the pressures are recorded by separate sensors and the pressure values are evaluated electronically to determine the pressure difference.
  • an electronically controllable control valve or gas valve is controlled or regulated.
  • the pressure upstream of the main volume throttle is measured with a differential pressure sensor, which measures the differential pressure or the pressure difference between two pressure decreases, compared to a reference pressure.
  • an electronic gas valve is usually controlled by a digital controller, which, for example, on a microcontroller or a another control device is implemented, and by which the determined offset pressure or the pressure difference is to be regulated to the desired or specified setpoint.
  • the term "electronic zero pressure control" is often used.
  • the function is limited to controlling the gas boiler based on the pressure difference without being able to provide additional functionalities.
  • the invention is therefore based on the object of overcoming the aforementioned disadvantages and providing a method by which faults in a gas boiler can be detected and evaluated in a simple and cost-effective manner.
  • a method for evaluating a quasi-steady-state pressure difference at a gas boiler that can be detected by a sensor.
  • the sensor is a differential pressure sensor or a mass flow sensor.
  • the gas boiler has a mixing device for mixing fuel flowing in from a fuel inlet and air flowing in from an air inlet to form a fuel-air mixture, a blower for sucking in the fuel and the air through the mixing device, a main volume throttle for limiting a Mass flow of fuel into the mixing device, a control valve arranged upstream of the main quantity throttle for controlling a mass flow of fuel into the mixing device, and a safety valve arranged upstream of the control valve for interrupting the mass flow of fuel.
  • the sensor detects a differential pressure between a pressure at a measuring point, which is arranged upstream of the main flow restrictor and downstream of the control valve, and a reference pressure at a reference measuring point and transmits this to evaluation electronics.
  • the evaluation electronics compare the differential pressure during a pre-purge phase, in which the safety valve is closed, with the differential pressure and, after the pre-purge phase, recognizes an error through the comparison.
  • the gas boiler In the pre-flushing phase, the gas boiler is flushed with air, as is known to those skilled in the art, without the gas being mixed in, which is made possible by the closed safety valve. In most cases, the pre-purge phase is carried out at the beginning of operation or when the gas boiler is initialized.
  • the error detection after the pre-flushing phase relates to all further operating phases or types after the pre-flushing of the gas boiler and in particular to a set-up operation in which the gas boiler can be calibrated and continuous operation of the gas boiler.
  • a quasi-stationary pressure difference is understood to mean a pressure difference that does not fluctuate or fluctuates only within a predetermined tolerance range. For example, a 1% fluctuation in the pressure difference around a mean value of the pressure difference can be understood as being quasi-stationary.
  • Various states or errors in the system can be recognized and/or checked for plausibility from known data stored in the evaluation electronics, which can be determined as part of a calibration of the gas heater or can be entered by a user, for example.
  • the determination of the status or error is carried out in particular by physical and logical considerations of the statuses and values prevailing in the system.
  • State detection using machine learning e.g. using neural networks, is also possible.
  • tolerance ranges or tolerance values in general can be generated or expanded using machine learning.
  • a basis for the proposed method is the signal from the differential pressure sensor, which, for example, measures the offset pressure p2 during normal operation of the “electronic zero pressure control”. If the gas type is known and the main quantity throttle is defined, the gas valve characteristic curve, for example, can be calibrated using the offset pressure.
  • the evaluation electronics recognize that a main quantity throttle used in the gas boiler does not correspond to the intended main quantity throttle and the main quantity throttle used is therefore an incorrect or incorrectly inserted main quantity throttle, what corresponds to the error to be detected.
  • the fuel used is preferably a characteristic of the mixing device and a guest valve characteristic of the control valve is known. These values are determined beforehand and/or stored in the evaluation electronics.
  • Deviation of the pair of values from the target characteristic curve of the control valve by the electronic evaluation system indicates that the control valve has not been calibrated or has been incorrectly calibrated.
  • the target characteristic curve of the control valve is shifted by the deviation and the actual characteristic curve is thus approximated.
  • control valve is not calibrated or is incorrectly calibrated, but that the control valve is calibrated in situ.
  • the actual characteristic it can be used as a target characteristic or measures can be taken to further approximate the actual characteristic to the target characteristic.
  • the fuel, the main quantity throttle used and the characteristics of the mixing device are known. These values are determined beforehand and/or stored in the evaluation electronics.
  • the evaluation electronics will detect an incorrect fuel, i.e. an error, if the actual fuel does not correspond to the target fuel.
  • the main quantity throttle used the characteristics of the mixing device and the gas valve characteristic curve of the control valve are known. These values are determined beforehand and/or stored in the evaluation electronics.
  • the evaluation electronics compare the differential pressure curve with a predetermined tolerance field and the error is detected if the pressure curve lies outside the tolerance field, whereby a differential pressure that does not increase over the predetermined time and thus a missing or too low fuel pressure pg and/or a incorrect or non-installed main flow restrictor is detected.
  • the fuel used, the main quantity throttle used, the characteristics of the mixing device and the gas valve characteristic curve of the control valve are preferably known for this purpose. These values are determined beforehand and/or stored in the evaluation electronics.
  • an advantageous variant of the method can provide that the error is a non-existent or non-connected sensor and/or a bad or non-existent connection of the sensor to the measuring point and/or the reference measuring point.
  • a pressure difference between the pressure at the measuring point, which is upstream of the main quantity throttle and downstream of the control valve, and a reference pressure at a reference measuring point is determined. From the evaluation electronics the sensor is recognized as absent or not connected and/or as having a poor or absent connection to the measurement point and/or the reference measurement point if the differential pressure is outside a predetermined tolerance range.
  • the fuel used, the main quantity throttle used, the characteristics of the mixing device and the gas valve characteristic curve of the control valve are preferably known. These values are determined beforehand and/or stored in the evaluation electronics.
  • the evaluation electronics recognizes a fault or when the Deviation is greater than a predetermined tolerance value, which is stored in particular in the evaluation electronics, that is, can be stored.
  • a further aspect of the invention relates to a gas boiler which is designed to carry out a method according to the invention.
  • FIG 1 shows schematically a part or a detail of a gas boiler, a Venturi mixer being shown as the mixing device 4, in which a blower 5 sucks air through an air inlet L from the environment at an air pressure p0.
  • the inflowing air and a fuel (gas) flowing in through the fuel supply G are mixed in the mixing device 4 to form a fuel-air mixture.
  • the fuel flowing in from the fuel supply G which is in particular a gas, flows through a safety valve 1, a control valve 2 and the main quantity throttle 3.
  • the safety valve 1 preferably has an open and a closed position, in which the flow of the fuel is blocked by the safety valve 1.
  • the control valve 2 is designed to control the volume flow of the fuel, so that the volume flow of the fuel through the control valve 2 to the mixing device 4 can be adjusted. By setting or controlling the volume flow of the fuel through the control valve 2, the mixing ratio of the fuel-air mixture can thus be adjusted.
  • At least one differential pressure sensor is also provided, which is designed to determine the differential pressure between the pressure p2 of the fuel upstream of the main quantity throttle 3 and downstream of the control valve 2 and a reference pressure, with the reference pressure preferably being the ambient pressure p0 or a pressure p1 of the Air in an air-carrying supply line to the mixing device 4 is.
  • the differential pressure sensor can have, for example, a respective pressure sensor or pressure transducer for detecting a respective pressure p0, p1, p2.
  • additional pressure sensors can be provided for detecting the additional pressures pg, p3 and p4, which can serve as reference pressure sensors for detecting a reference pressure or for checking the plausibility of the pressures p0, p1, p2.
  • the fuel-air mixture is conveyed by the fan 5 to a burner of the gas boiler, not shown, where the fuel-air mixture is burned.
  • an installed main flow restrictor 3 is to be detected by means of a differential pressure determined by the differential pressure sensor.
  • control pressure/Venturi characteristic of the system ie the gas heater
  • a Venturi mixer as the mixing device 4 is not absolutely necessary, a pressure reduction element upstream of the mixing point of air and fuel (gas) with known pressure reduction characteristics is sufficient.
  • the type of gas fuel type
  • the type of gas can be stored by the installer or at the factory on the evaluation electronics, or a sensor provided for this purpose detects the composition of the gas, for example at gas inlet G.
  • the gas mass flow that flows through the control valve 2 in the installed state can be deduced at a given position of the actuator of the control valve 2 .
  • the upstream pressure controller of the control valve 2 works ideally and the mass flow through the control valve 2 does not depend on the inlet pressure pg.
  • the offset pressure p2 upstream of the main flow restrictor 3 is measured, for example, with a pressure sensor as part of the differential pressure sensor.
  • the air density which influences the control pressure of the mixing device 4 for a given air mass flow, can be entered manually beforehand by the installer.
  • the air density can also be determined by a sensor. With an appropriate geometric arrangement, this can also be done by the sensor, with which the type of gas can be determined when the safety valve 1 is open.
  • a negative pressure pv which is generated by the mixing device 4 at a speed N of the blower 5, is measured by means of a pressure sensor at point p2 measured.
  • An air mass flow is calculated with the measured pressure p2 or pv and a function or table stored in the evaluation electronics for this system consisting of mixing device 4 and main quantity throttle 3 . Depending on the accuracy requirement, this calculation can be corrected with the air density.
  • the desired pre-control position of the actuator of the control valve 2 is initially approached with the speed N remaining the same, the ignition of the gas boiler is activated and the safety valve 1 is then opened. As soon as a combustible mixture is present at the ignition electrode of the gas boiler, the fuel-air mixture burns on the burner of the gas boiler and the pressure p2 stabilizes from a point in time t s , a quasi-steady state is present.
  • Further resistances can be, for example, deflections downstream of the main flow restrictor 3 and the openings at the point of the air-gas mixture ("gas pockets").
  • the speed N of the blower 5 can also be changed for the detection of the installed main volume throttle 3 in order to use several measuring points.
  • the pressure loss coefficient of the main flow restrictor 3 can be calculated using the gas mass flow determined via the gas valve characteristic curve and the pressure difference dp.
  • the pressure loss of the other flow resistances should also be taken into account in this calculation. Especially if the pressure loss is dominant over the main quantity throttle 3 compared to the total pressure loss dp, the installed main quantity throttle 3 (or the associated pressure loss coefficient) can be determined with sufficient accuracy.
  • the installed main quantity throttle 3 can also be detected without combustion of the gas-air mixture in the burner. It must be ensured at all times that the potentially combustible gas-air mixture is conveyed out of the gas boiler after a certain safety period by means of a safety purge (flushing) with the aid of the blower 5 .
  • Another prerequisite is that the measured pressure p2(ts) reaches a quasi-stationary state. If the measured pressure difference is completely outside a predetermined tolerance range, too little or no inlet pressure can be responsible for the faulty ignition.
  • an incorrectly calibrated control valve 2 is to be able to be recognized and the control valve 2 to be able to be calibrated during operation (in situ), if necessary.
  • a control pressure venturi characteristic of the system is known.
  • a Venturi mixer is not absolutely necessary as the mixing device 4; a pressure reduction element upstream of the mixing point of air and fuel with known pressure reduction characteristics as the mixing device 4 is sufficient.
  • the type of gas should be known. The type of gas can be selected by the installer or stored on the evaluation electronics at the factory or recognized by a corresponding sensor.
  • a known system of flow resistances downstream of the main quantity throttle 3 (deflections and gas pockets) and a main quantity throttle 3 with known pressure loss characteristics are advantageous for the in-situ calibration of the control valve 2 .
  • the installed main flow restrictor 3 can be stored by the installer or in the factory on the evaluation electronics, or the main flow restrictor 3 is mechanically/electronically/color-coded by the manufacturer so that the evaluation electronics, which evaluate the measured data, recognize the main flow restrictor 3.
  • a pressure difference pv is determined during a pre-purge phase and a differential pressure when the flame is ignited and in a quasi-stationary state.
  • the speed N of the blower 5 can also be changed here if necessary in order to be able to determine several measuring points. In the application, however, only one measuring point is often required to determine the offset pressure of the characteristic curve of control valve 2.
  • the flow (mass flow) through the control valve 2 can be calculated with the pressure difference dp determined in this way and a known total pressure loss characteristic of the main quantity throttle 3 and, if necessary, flow resistances arranged downstream.
  • the calibration of the control valve 2 when the gas heater is put into operation can also be carried out in principle without combustion of the gas-air mixture. It must be ensured at all times that the potentially combustible gas-air mixture is conveyed out of the gas boiler after a certain safety period by means of a safety purge (flushing) with the aid of the blower 5 .
  • the pressure difference p2(t s ) should be in a quasi-steady state.
  • the method described for calibrating the control valve 2 can also be used to calibrate the control valve 2 at the factory during production and not in situ when the gas boiler is started up. This calibration process can also be carried out with air flowing through the control valve 2 . If the in-situ calibration is carried out in production, the calibration parameters can be stored directly on the electronics of the control valve 2 without direct communication between the production facility and the electronics of the gas boiler.
  • a gas used as a fuel is to be checked for plausibility or a faulty gas is to be detected.
  • a control pressure venturi characteristic of the system is preferably known.
  • a Venturi mixer is not absolutely necessary as the mixing device 5 .
  • a pressure reduction element upstream of the mixing point of air and fuel as a mixing device 5 with known pressure reduction characteristics is sufficient.
  • the system of flow resistances downstream of the main flow restrictor 3 (deflections and gas pockets) is known and a main flow restrictor 3 with known pressure loss characteristics is used.
  • the installed main flow restrictor 3 can be stored on the evaluation electronics by the installer or at the factory.
  • the main flow restrictor 3 can also be coded mechanically/electronically/in terms of color in such a way that the evaluation electronics, which evaluate the measurement data, recognize the main flow restrictor 3 .
  • the gas mass flow flowing through the control valve 2 in the installed state can be inferred for a given position of the actuator of the control valve 2 .
  • the upstream pressure regulator of the control valve 2 works ideally and the mass flow through the control valve 2 does not depend on the inlet pressure pg of the gas.
  • the offset pressure p2 upstream of the main flow restrictor 3 is measured with a pressure sensor, which can be part of the differential pressure sensor.
  • the pressure sensor can either be installed upstream of the main flow restrictor 3 or installed on an electronic circuit board of other components and connected to a representative pressure measuring point upstream of the main flow restrictor 3 with hoses/pipes.
  • the air density which can influence the control pressure of the mixing device 4 for a given air mass flow, can be entered manually beforehand by a user. Alternatively, the air density can also be determined by a sensor.
  • the desired pre-control position of the actuator of the control valve 2 is initially approached with the speed N remaining the same, the ignition of the gas boiler is activated and the safety valve 1 is then opened. As soon as a combustible mixture is present at the ignition electrode of the gas boiler, the gas-air mixture burns on the burner of the gas boiler and the pressure p2 stabilizes from time ts, so that the pressure p2 or the differential pressure is in a quasi-steady state.
  • the speed N can be changed if necessary in order to use several measuring points.
  • the gas type or composition of the gas flowing in through the gas inlet G can be checked for plausibility.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung einer von einem Sensor erfassbaren quasi-stationären Druckdifferenz an einer Gastherme, wobei der Sensor ein Differenzdrucksensor oder ein Massenstromsensor ist, wobei die Gastherme eine Mischeinrichtung (4) zum Mischen eines von einem Brennstoffeinlass (G) zuströmenden Brennstoffs und einer von einem Lufteinlass (L) zuströmenden Luft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch, ein Gebläse (5) zum Ansaugen des Brennstoffs und der Luft durch die Mischeinrichtung (4), eine Hauptmengendrossel (3) zur Begrenzung eines Massenstroms des Brennstoffs in die Mischeinrichtung (4), ein stromauf der Hauptmengendrossel (3) angeordnetes Regelventil (2) zur Regelung eines Massenstroms des Brennstoffs in die Mischeinrichtung (4) sowie ein stromauf des Regelventils (2) angeordnetes Sicherheitsventil (1) zur Unterbrechung des Massenstroms des Brennstoffs aufweist, wobei der Sensor einen Differenzdruck zwischen einem Druck (p2) an einem Messpunkt stromauf der Hauptmengendrossel (3) und stromab des Regelventils (2) und einem Referenzdruck (p0, p1) an einem Referenzmesspunkt erfasst und an eine Auswerteelektronik übermittelt, wobei die Auswerteelektronik den Differenzdruck während einer Vorspülphase, in welcher das Sicherheitsventil (1) geschlossen ist, mit dem Differenzdruck nach der Vorspülphase vergleicht und durch den Vergleich einen Fehler erkennt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung einer von einem Sensor erfassbaren quasi-stationären Druckdifferenz an einer Gastherme sowie eine Gastherme, welche ausgebildet ist, das Verfahren durchzuführen.
  • Im Stand der Technik sind Gasthermen bekannt, bei welchen eine Druckdifferenz stromauf einer Hauptmengendrossel zu einem Referenzdruck durch einen als Differenzdrucksensor ausgebildeten Sensor gemessen und der Brennstoffmassenstrom basierend auf der Druckdifferenz geregelt wird.
  • Grundsätzlich umfasst eine Gastherme neben weiteren Komponenten meist eine Mischeinrichtung zum Mischen eines von einem Brennstoffeinlass zuströmenden Brennstoffs und einer von einem Lufteinlass zuströmenden Luft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch, ein Gebläse zum Ansaugen des Brennstoffs und der Luft durch die Mischeinrichtung, eine Hauptmengendrossel zur Begrenzung eines Massenstroms des Brennstoffs in die Mischeinrichtung, ein stromauf der Hauptmengendrossel angeordnetes Regelventil zur Regelung eines Massenstroms des Brennstoffs in die Mischeinrichtung sowie ein stromauf des Regelventils angeordnetes Sicherheitsventil zur Unterbrechung des Massenstroms des Brennstoffs. Das Gas-Luft-Gemisch kann dann anschließend einem Brenner zugeführt werden, in welchem das Gemisch verbrannt werden kann.
  • Zur Regelung des Drucks des einströmenden Brennstoffs arbeiten die Regelventile im Stand der Technik oftmals als mechanisch-pneumatisches Gasventil, in welchem eine Druckdifferenz durch eine Regelmembran erfasst wird und welches zwischen zwei Bereichen unterschiedlichen Drucks angeordnet ist.
  • Alternativ kommen im Rahmen einer sogenannten "elektronischen Regelung" jedoch auch Drucksensoren zum Einsatz, bei welchen die Drücke durch getrennte Sensoren erfasst und die Druckwerte zur Ermittlung der Druckdifferenz elektronisch ausgewertet werden. Abhängig von der Auswertung wird ein elektronisch ansteuerbares Regelventil bzw. Gasventil gesteuert bzw. geregelt.
  • In einer Einrichtung zur Regelung des Gas-Luft-Gemisches einer Gastherme wird beispielsweise der Druck stromauf der Hauptmengendrossel mit einem Differenzdrucksensor, welcher den Differenzdruck bzw. die Druckdifferenz zwischen zwei Druckabnahmen misst, gegenüber einem Referenzdruck gemessen.
  • Hierbei wird ein elektronisches Gasventil meist durch einen digitalen Regler angesteuert, welcher beispielsweise auf einem Mikrocontroller oder einem anderen Steuergerät implementiert ist, und durch welchen der ermittelte Offsetdruck bzw. die Druckdifferenz auf den gewünschten bzw. vorgegebenen Sollwert geregelt werden soll.
  • Da der Sollwert des Drucks bzw. der Druckdifferenz meist 0 Pa beträgt, wird oftmals von einer "elektronischen Nulldruckregelung" gesprochen.
  • Unabhängig davon, ob es sich um eine elektronische oder mechanisch pneumatische Regelung handelt, beschränkt sich die Funktion jeweils auf die Regelung der Gastherme basierend auf der Druckdifferenz ohne zusätzliche Funktionalitäten bereitstellten zu können.
  • Es wäre jedoch wünschenswert eine Gastherme bezüglich weiterer Kennwerte überwachen zu können, um Fehler der Gastherme abhängig von den Kennwerten erkennen und die Therme davon abhängig steuern bzw. regeln sowie weitere insbesondere die Lebensdauer der Therme verlängernde Maßnahmen ergreifen zu können.
  • Soweit in den bekannten Gasthermen überhaupt zusätzliche Kennwerte erfasst oder Fehler erkannt werden können, sind hierfür zusätzliche Sensoren und Auswertevorrichtungen notwendig, was aufwändig und teuer ist.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu überwinden und ein Verfahren bereitzustellen, durch welche Fehler einer Gastherme in einfacher und kostengünstiger Weise erfasst und ausgewertet werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zur Auswertung einer von einem Sensor erfassbaren quasi-stationären Druckdifferenz an einer Gastherme vorgeschlagen. Der Sensor ist dabei ein Differenzdrucksensor oder ein Massenstromsensor. Weiter ist vorgesehen, dass die Gastherme eine Mischeinrichtung zum Mischen eines von einem Brennstoffeinlass zuströmenden Brennstoffs und einer von einem Lufteinlass zuströmenden Luft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch, ein Gebläse zum Ansaugen des Brennstoffs und der Luft durch die Mischeinrichtung, eine Hauptmengendrossel zur Begrenzung eines Massenstroms des Brennstoffs in die Mischeinrichtung, ein stromauf der Hauptmengendrossel angeordnetes Regelventil zur Regelung eines Massenstroms des Brennstoffs in die Mischeinrichtung sowie ein stromauf des Regelventils angeordnetes Sicherheitsventil zur Unterbrechung des Massenstroms des Brennstoffs aufweist. Der Sensor erfasst einen Differenzdruck zwischen einem Druck an einem Messpunkt, welcher stromauf der Hauptmengendrossel und stromab des Regelventils angeordnet ist, sowie einem Referenzdruck an einem Referenzmesspunkt und übermittelt diese an eine Auswerteelektronik. Die Auswerteelektronik vergleicht den Differenzdruck während einer Vorspülphase, in welcher das Sicherheitsventil geschlossen ist, mit dem Differenzdruck und erkennt nach der Vorspülphase durch den Vergleich einen Fehler.
  • In der Vorspülphase wird die Gastherme, wie dem Fachmann bekannt ist, die Gastherme mit Luft gespült, ohne das Gas hinzugemischt wird, was durch das geschlossene Sicherheitsventil ermöglicht ist. Zumeist wird die Vorspülphase zu Beginn des Betriebs bzw. bei einer Initialisierung der Gastherme durchgeführt.
  • Die Fehlererkennung nach der Vorspülphase bezieht sich auf alle weiteren Betriebsphasen bzw. -arten nach dem Vorspülen der Gastherme und insbesondere auf einen Einrichtbetrieb, in welchem die Gastherme kalibriert werden kann, und einen Dauerbetrieb der Gastherme.
  • Als quasi-stationäre Druckdifferenz wird dabei eine nicht oder nur innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs schwankende Druckdifferenz verstanden. Beispielsweise kann eine Schwankung der Druckdifferenz um 1% um einen Mittelwert der Druckdifferenz als quasi-stationär verstanden werden.
  • Soweit von vorbestimmten oder vorbekannten Werten und/oder Bereichen gesprochen wird, können diese in der Auswerteelektronik gespeichert oder zumindest speicherbar sein.
  • Aus bekannten, in der Auswerteelektronik hinterlegten Daten, welche im Rahmen einer Kalibrierung der Gastherme ermittelt oder beispielsweise durch einen Benutzer eingegeben werden können, können verschiedene Zustände bzw. Fehler im System erkannt und/oder plausibilisiert werden. Dabei erfolgt die Zustands- bzw. Fehlerermittlung insbesondere durch physikalische und logische Betrachtungen im System herrschender Zustände und Werte. Auch eine Zustandserkennung mittels maschinellem Lernen, z.B. durch neuronale Netze, ist möglich. Zudem können Toleranzbereiche bzw. allgemein Toleranzwerte mittels maschinellem Lernen erzeugt bzw. erweitert werden.
  • Eine Basis für die vorgeschlagenen Verfahren ist das Signal des Differenzdrucksensors, welcher beispielsweise im Normalbetrieb der "elektronischen Nulldruckregelung" den Offsetdruck p2 misst. Bei bekannter Gasart und definierter Hauptmengendrossel kann mithilfe des Offsetdrucks z.B. die Gasventil-Kennlinie kalibriert werden.
  • Gemäß einer ersten vorteilhaften Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Fehler eine falsche oder falsch eingesetzte Hauptmengendrossel ist und dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    1. a. Ermitteln eines ersten Differenzdrucks p(tpp) mit dem Sensor zu einem Zeitpunkt tPP während der Vorspülphase mit geschlossenem Sicherheitsventil, einer definierten Stellung des Regelventils und einer Gebläsedrehzahl des Gebläses;
    2. b. Ermitteln eines zweiten Differenzdrucks p(ts) mit dem Sensor zu einem Zeitpunkt ts nach dem Zeitpunkt tpp, zu welchem der zweite Differenzdruck p(ts) quasi-stationär ist, mit geöffnetem Sicherheitsventil, der definierten Stellung des Regelventils und der Gebläsedrehzahl des Gebläses;
    3. c. Bestimmen einer Druckdifferenz zwischen dem zweiten Differenzdruck p(ts) und dem ersten Differenzdruck p(tpp) insbesondere durch Subtraktion des ersten Differenzdrucks p(tpp) von dem zweiten Differenzdruck p(ts) sowie Bestimmung eines Brennstoff-Massenstroms des bekannten Brennstoffs durch die Hauptmengendrossel aus der Druckdifferenz und der definierten Stellung des Regelventils mittels der Auswerteelektronik;
    4. d. Bestimmen eines Ist-Druckverlustkoeffizienten der Hauptmengendrossel aus dem Brennstoff-Massenstrom und der Druckdifferenz mittels der Auswerteelektronik;
    5. e. Abgleichen des Ist-Druckverlustkoeffizienten durch die Auswerteelektronik mit einem in der Auswerteelektronik hinterlegten Soll-Druckverlustkoeffizienten einer vorgesehenen Hauptmengendrossel.
  • Dabei wird bei einer außerhalb einer vorbestimmten Toleranz liegenden Abweichung des Ist-Druckverlustkoeffizienten von dem Soll-Druckverlustkoeffizienten durch die Auswerteelektronik erkannt, dass eine in der Gastherme verwendete Hauptmengendrossel nicht der vorgesehenen Hauptmengendrossel entspricht und die verwendete Hauptmengendrossel somit eine falsche oder falsch eingesetzte Hauptmengendrossel ist, was dem zu erkennenden Fehler entspricht.
  • Soll eine fehlerhafte bzw. falsche Hauptmengendrossel erkannt werden, sind vorzugsweise der verwendete Brennstoff, eine Charakteristik der Mischeinrichtung und eine Gastventil-Kennlinie des Regelventils bekannt. Diese Werte werden entsprechend zuvor ermittelt und/oder in der Auswerteelektronik gespeichert.
  • Alternativ dazu sieht eine zweite vorteilhafte Variante vor, dass der Fehler ein nicht oder falsch kalibriertes Regelventil ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    1. a. Ermitteln eines ersten Differenzdrucks p(tpp) mit dem Sensor zu einem Zeitpunkt tpp während der Vorspülphase mit geschlossenem Sicherheitsventil, einer definierten Stellung des Regelventils und einer vorbestimmten bzw. bekannten Gebläsedrehzahl des Gebläses;
    2. b. Ermitteln eines zweiten Differenzdrucks p(ts) mit dem Sensor zu einem Zeitpunkt ts, zu welchem der zweite Differenzdruck p(ts) quasi-stationär ist, mit geöffnetem Sicherheitsventil, der definierten Stellung des Regelventils und der Gebläsedrehzahl des Gebläses;
    3. c. Bestimmen einer Druckdifferenz zwischen dem zweiten Differenzdruck p(ts) und dem ersten Differenzdruck p(tpp) insbesondere durch Subtraktion des ersten Differenzdruck p(tpp) von dem zweiten Differenzdruck p(ts) sowie Bestimmung eines Brennstoff-Massenstroms des bekannten Brennstoffs durch das Regelventil aus der Druckdifferenz und einer definierten Druckverlustcharakteristik der Hauptmengendrossel mittels der Auswerteelektronik, wobei der Massenstrom durch das Regelventil und die definierte Stellung des Regelventils ein zu einer Ist-Kennlinie des Regelventils gehörendes Wertepaar bilden;
    4. d. Bestimmen einer Abweichung der Ist-Kennlinie des Regelventils von einer Soll-Kennlinie des Regelventils mittels der Auswerteelektronik durch Vergleich des Wertepaares mit der Soll-Kennlinie des Regelventils.
  • Dabei wird bei einer außerhalb einer vorbestimmten Toleranz liegenden Abweichung des Wertepaares von der Soll-Kennlinie des Regelventils durch die Auswerteelektronik ein nicht oder falsch kalibriertes Regelventil erkannt.
  • Vorzugsweise ist dabei ferner vorgesehen, dass die Soll-Kennlinie des Regelventils um die Abweichung verschoben und somit der Ist-Kennlinie angenähert wird.
  • Weiter kann vorgesehen sein, dass nicht nur erkannt wird, dass das Regelventil nicht oder falsch kalibriert ist, sondern, dass das Regelventil in-situ kalibriert wird. Durch die Bestimmung der Ist-Kennlinie kann diese als Soll-Kennlinie verwendet oder Maßnahmen zur weiteren Annäherung der Ist-Kennlinie an die Soll-Kennlinie getroffen werden.
  • Hierfür ist vorteilhaft, wenn der Brennstoff, die verwendete Hauptmengendrossel und die Charakteristik der Mischeinrichtung bekannt ist. Diese Werte werden entsprechend zuvor ermittelt und/oder in der Auswerteelektronik gespeichert.
  • Neben den ersten beiden Varianten des Verfahrens sieht eine alternative dritte Variante vor, dass der Fehler ein falscher Brennstoff ist und dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    1. a. Ermitteln eines ersten Differenzdrucks p(tpp) mit dem Sensor zu einem Zeitpunkt tpp während der Vorspülphase mit geschlossenem Sicherheitsventil, einer definierten Stellung des Regelventils und einer Gebläsedrehzahl des Gebläses;
    2. b. Ermitteln eines zweiten Differenzdrucks p(ts) mit dem Sensor zu einem Zeitpunkt ts, zu welchem der zweite Differenzdruck p(ts) quasi-stationär ist, mit geöffnetem Sicherheitsventil, der definierten Stellung des Regelventils und der Gebläsedrehzahl des Gebläses;
    3. c. Bestimmen einer Druckdifferenz zwischen dem zweiten Differenzdruck p(ts) und dem ersten Differenzdruck p(tpp) insbesondere durch Subtraktion des ersten Differenzdrucks p(tpp) von dem zweiten Differenzdruck P(ts);
    4. d. Bestimmen eines aus dem Brennstoffeinlass einströmenden Ist-Brennstoffs aus der Druckdifferenz, der definierten Stellung des Regelventils und dem vorbestimmten von dem Gebläse durch die Mischeinrichtung gefördertem Massenstrom sowie einer definierten Druckverlustcharakteristik der Hauptmengendrossel;
    5. e. Vergleich des Ist-Brennstoffs mit einem vorbestimmten Soll-Brennstoff.
  • Hierbei ist vorgesehen, dass durch die Auswerteelektronik ein falscher Brennstoff d.h. ein Fehler erkannt wird, wenn der Ist-Brennstoff nicht dem Soll-Brennstoff entspricht.
  • Somit kann plausibilisiert werden, ob ein vermeintlich verwendeter Brennstoff tatsächlich verwendet wird.
  • Zur Bestimmung bzw. Plausibilisierung des Brennstoffs ist ferner vorteilhaft, wenn die verwendete Hauptmengendrossel, die Charakteristik der Mischeinrichtung und die Gastventil-Kennlinie des Regelventils bekannt sind. Diese Werte werden entsprechend zuvor ermittelt und/oder in der Auswerteelektronik gespeichert.
  • Zusätzlich oder alternativ zu den bereits beschriebenen Verfahrensvarianten kann vorgesehen sein, dass der Fehler ein fehlender oder zu geringer Brennstoffdruck pg des durch den Brennstoffeinlass einströmenden Brennstoffs und/oder eine falsch oder nicht eingebaute Hauptmengendrossel ist. Soll ein solcher Fehler bzw. sollen diese Fehler erkannt werden, umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
    1. a. Öffnen des Sicherheitsventils;
    2. b. Zünden eines Brenners der Gastherme;
    3. c. Ermitteln ob der Brenner gezündet wurde;
    4. d. wurde der Brenner nicht gezündet, ermitteln eines Differenzdruckverlaufs mit dem Sensor und der Auswerteelektronik bei geöffnetem Sicherheitsventil über eine vorbestimmte Zeit;
  • Dabei ist vorgesehen, dass die Auswerteelektronik den Differenzdruckverlauf mit einem vorbestimmten Toleranzfeld vergleicht und der Fehler erkannt wird, wenn der Druckverlauf außerhalb des Toleranzfelds liegt, wodurch ein über die vorbestimmte Zeit nicht ansteigender Differenzdruck und somit ein fehlender oder zu geringer Brennstoffdruck pg und/oder eine falsch oder nicht eingebaute Hauptmengendrossel erkannt wird.
  • Vorzugsweise sind hierfür der verwendete Brennstoff, die verwendete Hauptmengendrossel, die Charakteristik der Mischeinrichtung und die Gastventil-Kennlinie des Regelventils bekannt. Diese Werte werden entsprechend zuvor ermittelt und/oder in der Auswerteelektronik gespeichert.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung hierzu werden bzw. wird bei einem fehlenden oder zu geringen Brennstoffdruck pg zur Vermeidung von Schäden eine maximal zulässige Heizleistung der Gastherme und/oder eine maximal zulässige Gebläsedrehzahl des Gebläses auf einen jeweiligen vorbestimmten Wert reduziert.
  • Weiter kann eine vorteilhafte Variante des Verfahrens vorsehen, dass der Fehler ein nicht vorhandener oder nicht angeschlossener Sensor und/oder eine schlechte oder nicht vorhandene Verbindung des Sensors mit dem Messpunkt und/oder dem Referenzmesspunkt ist. Hierbei wird eine Druckdifferenz zwischen dem Druck an dem Messpunkt, welcher stromauf der Hauptmengendrossel und stromab des Regelventils liegt, sowie einem Referenzdruck an einem Referenzmesspunkt ermittelt. Von der Auswerteelektronik wird der Sensor als nicht vorhandene oder nicht angeschlossen und/oder als eine schlechte oder nicht vorhandene Verbindung mit dem Messpunkt und/oder dem Referenzmesspunkt aufweisend erkannt, wenn der Differenzdruck außerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs liegt.
  • Hierbei sieht eine vorteilhafte Weiterbildung zur Verhinderung oder zumindest zur Minimierung eines Schadens vor, dass das Sicherheitsventil bei einem nicht vorhandenen oder nicht angeschlossenen und/oder als eine schlechte oder nicht vorhandene Verbindung mit dem Messpunkt und/oder dem Referenzmesspunkt aufweisenden Sensor geschlossen wird.
  • Auch hier sind vorzugsweise der verwendete Brennstoff, die verwendete Hauptmengendrossel, die Charakteristik der Mischeinrichtung und die Gastventil-Kennlinie des Regelventils bekannt. Diese Werte werden entsprechend zuvor ermittelt und/oder in der Auswerteelektronik gespeichert.
  • Alternativ oder zusätzlich zu den vorhergehenden Verfahrensweiterbildungen kann vorgesehen sein, dass der Fehler ein defektes Sicherheitsventil oder ein defektes Regelventil ist, wobei das Verfahren hierbei die folgenden Schritte umfasst:
    1. a. Ermitteln eines Ist-Differenzdrucks mit dem Sensor mit geöffnetem Sicherheitsventil, einer definierten Stellung des Regelventils und einem vorbestimmten von dem Gebläse durch die Mischeinrichtung gefördertem Massenstrom;
    2. b. Bestimmung eines Soll-Differenzdrucks durch die Auswerteelektronik und einer definierten Stellung des Regelventils;
    3. c. Bestimmung einer Abweichung des Ist-Differenzdrucks von dem Soll-Differenzdrucks.
  • Hierbei erkennt die Auswerteelektronik einen bzw. den Fehler, wenn die Abweichung größer ist als ein vorbestimmter Toleranzwert, welcher insbesondere in der Auswertelektronik hinterlegt, also gespeichert sein kann.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Gastherme, welche ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figur näher dargestellt. Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine beispielhafte schematische Darstellung einer Gastherme.
  • Figur 1 zeigt schematisch einen Teil bzw. einen Ausschnitt einer Gastherme, wobei ein Venturi-Mischer als Mischeinrichtung 4 dargestellt ist, in welchen von einem Gebläse 5 Luft durch einen Lufteinlass L aus der Umgebung mit einem Luftdruck p0 gesaugt wird. In der Mischeinrichtung 4 wird die einströmende Luft und ein durch die Brennstoffzufuhr G einströmender Brennstoff (Gas) zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch vermischt.
  • Der von der Brennstoffzufuhr G einströmende Brennstoff, bei welchem es sich insbesondere um ein Gas handelt, durchströmt dabei ein Sicherheitsventil 1, ein Regelventil 2 sowie die Hauptmengendrossel 3. Das Sicherheitsventil 1 weist vorzugsweise eine Durchlass- und eine Sperrstellung auf, in welcher der Durchfluss des Brennstoffs durch das Sicherheitsventil 1 gesperrt ist. Das Regelventil 2 ist zur Regelung des Volumenstroms des Brennstoffs ausgebildet, sodass der Volumenstrom des Brennstoffs durch das Regelventil 2 zu der Mischeinrichtung 4 einstellbar ist. Durch die Einstellung bzw. Regelung des Volumenstroms des Brennstoffs durch das Regelventil 2 ist somit das Mischungsverhältnis des Brennstoff-Luft-Gemisches einstellbar.
  • Weiter ist zumindest ein Differenzdrucksensor vorgesehen, welcher ausgebildet ist, den Differenzdruck zwischen dem Druck p2 des Brennstoffs stromauf der Hauptmengendrossel 3 und stromab des Regelventils 2 sowie einem Referenzdruck zu bestimmen, wobei es sich bei dem Referenzdruck vorzugsweise um den Umgebungsdruck p0 oder einen Druck p1 der Luft in einer Luft führenden Zuleitung zu der Mischeinrichtung 4 handelt. Hierfür kann der Differenzdrucksensor beispielsweise einen jeweiligen Drucksensor oder Druckaufnehmer zur Erfassung eines jeweiligen Drucks p0, p1, p2 aufweisen. Ferner können weitere Drucksensoren zur Erfassung der weiteren Drücke pg, p3 und p4 vorgesehen sein, welche als Referenzdrucksensoren zur Erfassung eines Referenzdrucks oder zur Plausibilisierung der Drücke p0, p1, p2 dienen können.
  • Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird von dem Gebläse 5 zu einem nicht dargestellten Brenner der Gastherme gefördert, wo das Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird.
  • Anhand des in Figur 1 dargestellten Systems sollen im folgenden beispielhaft Fehler bzw. Zustände erkannt und ggfs. Werte ermittelt oder plausibilisiert werden.
  • In einem ersten Fall soll beispielsweise eine installierte Hauptmengendrossel 3 mittels eines von dem Differenzdrucksensor ermittelten Differenzdrucks erkannt werden.
  • Vorteilhaft hierbei ist, wenn die Steuerdruck-Venturi-Charakteristik des Systems d.h. der Gastherme bekannt ist. Ein Venturi-Mischer als Mischeinrichtung 4 ist nicht zwingend notwendig, ein Druckabsenkungs-Element stromauf der Mischstelle von Luft und Brennstoff (Gas) mit bekannter Druckabsenkungs-Charakteristik ist ausreichend. Zudem sollte die Gasart (Brennstoff-Typ) bekannt sein. Die Gasart kann durch den Installateur bzw. werkseitig auf der Auswerteelektronik gespeichert werden oder ein dafür vorgesehener Sensor erkennt die Zusammensetzung des Gases, beispielsweise am Gaseinlass G.
  • Mit vorzugsweise bereits kalibrierten Regelventil 2 kann bei einer gegebenen Position des Stellgliedes des Regelventils 2 auf den Gasmassenstrom geschlossen werden, der im eingebauten Zustand durch das Regelventil 2 fließt. In diesem Fall wird angenommen, dass der Vordruckregler des Regelventils 2 ideal arbeitet und der Massenstrom durch das Regelventil 2 nicht vom Eingangsdruck pg abhängt. Der Offsetdruck p2 stromauf der Hauptmengendrossel 3 wird beispielsweise mit einem Drucksensor als Teil des Differenzdrucksensors gemessen.
  • Die Luftdichte, welche bei gegebenem Luftmassenstrom den Steuerdruck der Mischeinrichtung 4 beeinflusst, kann zuvor durch den Installateur manuell eingegeben werden. Alternativ kann die Luftdichte auch durch einen Sensor ermittelt werden. Bei entsprechender geometrischer Anordnung kann dies auch durch den Sensor geschehen, mit dem bei geöffnetem Sicherheitsventil 1 die Gasart bestimmt werden kann.
  • In der Pre-Purge Phase (Zeitpunkt t=tpp) der Gastherme, in welcher das Sicherheitsventil 1 geschlossen ist, wird ein Unterdruck pv, welcher durch die Mischeinrichtung 4 bei einer Drehzahl N des Gebläses 5 erzeugt wird, mittels Drucksensor an der Stelle p2 gemessen.
  • Wegen des geschlossenen Sicherheitsventils 1 während der Pre-purge Phase gilt: p2(tpp)=p3(tpp)=p4(tpp)=pv(tpp).
  • Mit dem gemessene Druck p2 bzw. pv und einer in der Auswerteelektronik hinterlegten Funktion oder Tabelle für dieses System aus Mischeinrichtung 4 und Hauptmengendrossel 3, wird ein Luftmassenstrom berechnet. Diese Berechnung kann je nach Anforderung an die Genauigkeit mit der Luftdichte korrigiert werden.
  • Nach der Pre-Purge-Phase werden bei gleichbleibender Drehzahl N zunächst die gewünschte Vorsteuer-Position des Stellgliedes des Regelventils 2 angefahren und die Zündung der Gastherme aktiviert sowie im Anschluss das Sicherheitsventil 1 geöffnet. Sobald ein brennbares Gemisch an der Zündelektrode der Gastherme anliegt, brennt das Brennstoff-Luft-Gemisch am Brenner der Gastherme und der Druck p2 stabilisiert sich ab einem Zeitpunkt ts, es liegt ein quasi-stationärer Zustand vor.
  • Der gemessene (bzw. gezielt eingeregelte) Druck p2(ts) ergibt nun mit dem zuvor gemessenen Druck p2(tpp) die treibende Druckdifferenz dp=p2(ts)-pv(ts) über die Reihenschaltung von Strömungswiderständen, bestehend aus Hauptmengendrossel 3 und weiteren Widerständen in der Mischeinrichtung 4. Weitere Widerstände können z.B. Umlenkungen stromab der Hauptmengendrossel 3 sowie die Öffnungen an der Stelle der Luft-Gas-Mischung ("Gastaschen") sein.
  • Bei Bedarf kann die Drehzahl N des Gebläses 5 für die Erkennung der installierten Hauptmengendrossel 3 auch verändert werden, um mehrere Messpunkte zu verwenden.
  • Mit dem über die Gasventil-Kennlinie bestimmten Gasmassenstrom und der Druckdifferenz dp, kann der Druckverlustkoeffizient der Hauptmengendrossel 3 berechnet werden.
  • Der Druckverlust der weiteren Strömungswiderstände sollte in dieser Berechnung ebenfalls berücksichtigt werden. Insbesondere, wenn der Druckverlust über die Hauptmengendrossel 3 dominant gegenüber dem Gesamtdruckverlust dp ist, kann die installierte Hauptmengendrossel 3 (bzw. der zugehörige Druckverlustkoeffizient) mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden.
  • Liegt zum Zeitpunkt der Zündung im Brenner der Gastherme kein zündfähiges Gemisch am Brenner vor, können weitere Zündversuche, evtl. auch mit angepasster Vorsteuerposition des Regelventils 2 unternommen werden.
  • Grundsätzlich kann die Erkennung der installierten Hauptmengendrossel 3 auch ohne Verbrennung des Gas-Luft-Gemisches im Brenner durchgeführt werden. Dabei muss jederzeit darauf geachtet werden, dass das potentiell brennbare Gas-Luft-Gemisch nach einer gewissen Sicherheitszeit durch einen Safety-Purge (Spülen) mit Hilfe des Gebläses 5 aus der Gastherme befördert wird.
  • Voraussetzung ist zudem, dass der gemessene Druck p2(ts) einen quasi-stationären Zustand erreicht. Falls die gemessene Druckdifferenz komplett außerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs ist, kann auch zu geringer oder fehlender Eingangsdruck für das fehlerhafte Zünden verantwortlich sein.
  • In einem zweiten Fall soll beispielsweise ein fehlerhaft kalibriertes Regelventil 2 erkannt und das Regelventil 2 gegebenenfalls im Betrieb (in-situ) kalibriert werden können.
  • Es ist wiederum vorteilhaft, wenn eine Steuerdruck-Venturi-Charakteristik des Systems bekannt ist. Auch hier ist nicht zwingend ein Venturi-Mischer als Mischeinrichtung 4 notwendig, ein Druckabsenkungs-Element stromauf der Mischstelle von Luft und Brennstoff mit bekannter Druckabsenkungs-Charakterstik als Mischeinrichtung 4 ist ausreichend. Zudem sollte die Gasart (Brennstoff-Typ) bekannt sein. Die Gasart kann durch den Installateur bzw. werkkseitig auf der Auswertelektronik gespeichert oder durch einen entsprechenden Sensor erkannt werden.
  • Neben den genannten Daten ist für die In-Situ Kalibration des Regelventils 2 ein bekanntes System aus Strömungswiderständen stromab der Hauptmengendrossel 3 (Umlenkungen und Gastaschen) sowie eine Hauptmengendrossel 3 mit bekannter Druckverlustcharakteristik vorteilhaft. Die installierte Hauptmengendrossel 3 kann durch den Installateur bzw. werkseitig auf der Auswerteelektronik gespeichert werden oder die Hauptmengendrossel 3 ist mechanisch/elektronisch/farblich vom Hersteller so kodiert, dass die Auswerteelektronik, welche die Messdaten auswertet, die Hauptmengendrossel 3 erkennt.
  • Wie bei dem ersten beschriebenen Fall wird eine Druckdifferenz pv während einer Pre-Purge Phase sowie ein Differenzdruck bei gezündeter Flamme und in einem quasi-stationären Zustand ermittelt.
  • Auch her kann bei Bedarf die Drehzahl N des Gebläses 5 verändert werden, um mehrere Messpunkte ermitteln zu können. In der Anwendung wird jedoch oft nur ein Messpunkt benötigt, um den Offsetdruck der Kennlinie des Regelventils 2 zu ermitteln.
  • Mit der so ermittelten Druckdifferenz dp und einer bekannten Gesamt-Druckverlustcharakteristik von Hauptmengendrossel 3 und ggfs. stromab angeordneten Strömungswiderständen, kann der Durchfluss (Massenstrom) durch das Regelventil 2 berechnet werden.
  • Sollte zum Zeitpunkt der Zündung im Brenner der Gastherme kein zündfähiges Gemisch vorliegen, können weitere Zündversuche, evtl. auch mit angepasster Vorsteuerposition des Regelventils 2 unternommen werden. Sind auch diese Zündversuche nicht erfolgreich, kann die Erkennung des Regelventils 2 und/oder die In-Situ Kalibration des Regelventils 2 auch ohne Verbrennung des Gas-Luft-Gemisches durchgeführt werden.
  • Weiter kann die Kalibration des Regelventils 2 bei Inbetriebnahme der Gastherme auch grundsätzlich ohne Verbrennung des Gas-Luft-Gemisches durchgeführt werden. Dabei muss jederzeit darauf geachtet werden, dass das potentiell brennbare Gas-Luft-Gemisch nach einer gewissen Sicherheitszeit durch einen Safety-Purge (Spülen) mit Hilfe des Gebläses 5 aus der Gastherme befördert wird.
  • Wie zuvor, sollte sich die Druckdifferenz p2(ts) in einem quasi-stationären Zustand befinden.
  • Das beschriebene Verfahren zur Kalibration des Regelventils 2 kann ebenfalls verwendet werden, um das Regelventil 2 werksseitig in der Fertigung und nicht In-Situ bei Inbetriebnahme der Gastherme zu kalibrieren. Dieser Kalibriervorgang kann ebenfalls mit einer das Regelventil 2 durchströmenden Luft durchgeführt werden. Wird die In-Situ Kalibration in der Fertigung durchgeführt, können die Kalibrationsparameter ohne direkte Kommunikation der Fertigungseinrichtung mit einer Elektronik der Gastherme direkt auf einer Elektronik des Regelventils 2 gespeichert werden.
  • In einem dritten Fall soll ein als Brennstoff verwendetes Gas plausibilisiert bzw. ein fehlerhaftes Gas erkannt werden.
  • Vorzugsweise ist wiederum eine Steuerdruck-Venturi-Charakteristik des Systems bekannt. Auch hier ist als Mischeinrichtung 5 nicht zwingend ein Venturi-Mischer erforderlich. Ein Druckabsenkungs-Element stromauf der Mischstelle von Luft und Brennstoff als Mischeinrichtung 5 mit bekannter Druckabsenkungs-Charakteristik ist ausreichend.
  • Für die Plausibilisierung des als Brennstoff verwendeten Gases bzw. eine dahingehende Fehlererkennung ist es vorteilhaft, wenn das System aus Strömungswiderständen stromab der Hauptmengendrossel 3 (Umlenkungen und Gastaschen) bekannt ist und eine Hauptmengendrossel 3 mit bekannter Druckverlustcharakterstik verwendet wird. Die installierte Hauptmengendrossel 3 kann durch den Installateur bzw. werkkseitig auf der Auswerteelektronik hinterlegt, d.h. gespeichert werden. Alternativ kann auch hier die Hauptmengendrossel 3 mechanisch/elektronisch/farblich so kodiert sein, dass die Auswerteelektronik, welche die Messdaten auswertet, die Hauptmengendrossel 3 erkennt.
  • Wie auch bei den beiden zuvor erläuterten Fällen kann bei einem beispielsweise werksseitig kalibrierten elektronischen Regelventil 2 bei einer gegebenen Position des Stellgliedes des Regelventils 2 auf den Gasmassenstrom geschlossen werden, der im eingebauten Zustand durch das Regelventil 2 fließt. In diesem Fall wird angenommen, dass der Vordruckregler des Regelventils 2 ideal arbeitet und der Massenstrom durch das Regelventil 2 nicht vom Eingangsdruck pg des Gases abhängt. Der Offsetdruck p2 stromauf der Hauptmengendrossel 3 wird mit einem Drucksensor gemessen, der Teil des Differenzdrucksensors sein kann. Der Drucksensor kann entweder stromauf der Hauptmengendrossel 3 verbaut oder auf einer Elektronikplatine anderer Komponenten verbaut und mit Schläuchen/Rohren zu einer repräsentativen Druckmessstelle stromauf der Hauptmengendrossel 3 verbunden sein.
  • Die Luftdichte, welche bei gegebenem Luftmassenstrom den Steuerdruck der Mischeinrichtung 4 beeinflussen kann, kann zuvor durch einen Benutzer manuell eingegeben werden. Alternativ kann die Luftdichte auch durch einen Sensor ermittelt werden.
  • Wie zuvor kann in einer Pre-Purge Phase (Zeitpunkt t=tpp) bzw. bei einem Spülen der Gastherme der Unterdruck pv, welcher durch die Mischeinrichtung 5 bei einer Drehzahl N des Gebläses 5 erzeugt wird, mittels eines Drucksensors an der Stelle p2 gemessen werden. Wegen des geschlossenen Sicherheitsventils 1 während der Pre-purge Phase gilt wiederum: p2(tpp)=p3(tpp)=p4(tpp)=pv(tpp). Mit dem gemessene Druck p2 und einer in der Auswerteinheit hinterlegten Funktion bzw. gespeicherten Tabelle, kann für dieses System aus Mischvorrichtung 4 und Hauptmengendrossel 3 ein Luftmassenstrom berechnet werden. Diese Berechnung kann je nach Anforderung an die Genauigkeit mit der Luftdichte der durch den Lufteinlass L strömenden Luft korrigiert werden.
  • Nach der Pre-Purge-Phase werden bei gleichbleibender Drehzahl N zunächst die gewünschte Vorsteuer-Position des Stellgliedes des Regelventils 2 angefahren und die Zündung der Gastherme aktiviert sowie im Anschluss das Sicherheitsventil 1 geöffnet. Sobald ein brennbares Gemisch an der Zündelektrode der Gastherme anliegt, brennt das Gas-Luft-Gemisch am Brenner der Gastherme und der Druck p2 stabilisiert sich ab dem Zeitpunkt ts, so dass ein quasi-stationärer Zustand des Drucks p2 bzw. des Differenzdrucks vorliegt. Der gemessene (bzw. gezielt eingeregelte) Druck p2(ts) ergibt nun mit dem zuvor gemessenen Druck p2(tpp) die treibende Druckdifferenz dp=p2(ts)-pv(ts) über die Reihenschaltung von Strömungswiderständen, bestehend aus Hauptmengendrossel 3 und eventuellen weiteren Widerständen in der Mischvorrichtung 4. Weitere Widerstände können z.B. Umlenkungen stromab der Hauptmengendrossel 3 sowie Öffnungen in der Mischvorrichtung 4 an der Stelle der Luft-Gas-Mischung sein ("Gastaschen").
  • Auch hier kann bei Bedarf die Drehzahl N verändert werden, um mehrere Messpunkte zu verwenden.
  • Mit gemessener Druckdifferenz dp, dem bekannten Massenstrom bei fester bzw. unveränderter Stellung des Regelventils 2 und bekannter Gesamt-Druckverlustcharakteristik von Hauptmengendrossel 3 und stromab angeordneten Strömungswiderständen, kann die Gasart bzw. Zusammensetzung des durch den Gaseinlasse G zuströmenden Gases plausibilisiert werden.
  • Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Auswertung einer von einem Sensor erfassbaren quasi-stationären Druckdifferenz an einer Gastherme,
    wobei der Sensor ein Differenzdrucksensor oder ein Massenstromsensor ist,
    wobei die Gastherme eine Mischeinrichtung (4) zum Mischen eines von einem Brennstoffeinlass (G) zuströmenden Brennstoffs und einer von einem Lufteinlass (L) zuströmenden Luft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch, ein Gebläse (5) zum Ansaugen des Brennstoffs und der Luft durch die Mischeinrichtung (4), eine Hauptmengendrossel (3) zur Begrenzung eines Massenstroms des Brennstoffs in die Mischeinrichtung (4), ein stromauf der Hauptmengendrossel (3) angeordnetes Regelventil (2) zur Regelung eines Massenstroms des Brennstoffs in die Mischeinrichtung (4) sowie ein stromauf des Regelventils (2) angeordnetes Sicherheitsventil (1) zur Unterbrechung des Massenstroms des Brennstoffs aufweist,
    wobei der Sensor einen Differenzdruck zwischen einem Druck (p2) an einem Messpunkt stromauf der Hauptmengendrossel (3) und stromab des Regelventils (2) und einem Referenzdruck (p0, p1) an einem Referenzmesspunkt erfasst und an eine Auswerteelektronik übermittelt,
    wobei die Auswerteelektronik den Differenzdruck während einer Vorspülphase, in welcher das Sicherheitsventil (1) geschlossen ist, mit dem Differenzdruck nach der Vorspülphase vergleicht und durch den Vergleich einen Fehler erkennt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    wobei der Fehler eine falsche oder falsch eingesetzte Hauptmengendrossel (3) ist
    und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    a. Ermitteln eines ersten Differenzdrucks p(tpp) mit dem Sensor zu einem Zeitpunkt tpp während der Vorspülphase mit geschlossenem Sicherheitsventil (1), einer definierten Stellung des Regelventils (2) und einer Gebläsedrehzahl des Gebläses (5);
    b. Ermitteln eines zweiten Differenzdrucks p(ts) mit dem Sensor zu einem Zeitpunkt ts nach dem Zeitpunkt tpp, zu welchem der zweite Differenzdruck p(ts) quasi-stationär ist, mit geöffnetem Sicherheitsventil (1), der definierten Stellung des Regelventils (2) und der Gebläsedrehzahl des Gebläses (5);
    c. Bestimmen einer Druckdifferenz zwischen dem zweiten Differenzdruck p(ts) und dem ersten Differenzdruck p(tpp) insbesondere durch Subtraktion des ersten Differenzdrucks p(tpp) von dem zweiten Differenzdruck p(ts) sowie Bestimmung eines Brennstoff-Massenstroms des bekannten Brennstoffs durch die Hauptmengendrossel (3) aus der Druckdifferenz und der definierten Stellung des Regelventils (2) mittels der Auswerteelektronik;
    d. Bestimmen eines Ist-Druckverlustkoeffizienten der Hauptmengendrossel (3) aus dem Brennstoff-Massenstrom und der Druckdifferenz mittels der Auswerteelektronik;
    e. Abgleichen des Ist-Druckverlustkoeffizienten durch die Auswerteelektronik mit einem in der Auswerteelektronik hinterlegten Soll-Druckverlustkoeffizienten einer vorgesehenen Hauptmengendrossel;
    wobei bei einer außerhalb einer vorbestimmten Toleranz liegenden Abweichung des Ist-Druckverlustkoeffizienten von dem Soll-Druckverlustkoeffizienten durch die Auswerteelektronik erkannt wird, dass eine in der Gastherme verwendete Hauptmengendrossel (3) nicht der vorgesehenen Hauptmengendrossel entspricht und die verwendete Hauptmengendrossel (3) somit eine falsche oder falsch eingesetzte Hauptmengendrossel (3) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1,
    wobei der Fehler ein nicht oder falsch kalibriertes Regelventil (2) ist
    und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    a. Ermitteln eines ersten Differenzdrucks p(tpp) mit dem Sensor zu einem Zeitpunkt tpp während der Vorspülphase mit geschlossenem Sicherheitsventil (1), einer definierten Stellung des Regelventils (2) und einer Gebläsedrehzahl des Gebläses (5);
    b. Ermitteln eines zweiten Differenzdrucks p(ts) mit dem Sensor zu einem Zeitpunkt ts, zu welchem der zweite Differenzdruck p(ts) quasi-stationär ist, mit geöffnetem Sicherheitsventil (1), der definierten Stellung des Regelventils (2) und der Gebläsedrehzahl des Gebläses (5);
    c. Bestimmen einer Druckdifferenz zwischen dem zweiten Differenzdruck p(ts) und dem ersten Differenzdruck p(tpp) insbesondere durch Subtraktion des ersten Differenzdruck p(tpp) von dem zweiten Differenzdruck p(ts) sowie Bestimmung eines Brennstoff-Massenstroms des bekannten Brennstoffs durch das Regelventil (2) aus der Druckdifferenz und einer definierten Druckverlustcharakteristik der Hauptmengendrossel (3) mittels der Auswerteelektronik, wobei der Massenstrom durch das Regelventil (2) und die definierte Stellung des Regelventils (2) ein zu einer Ist-Kennlinie des Regelventils (2) gehörendes Wertepaar bilden;
    d. Bestimmen einer Abweichung der Ist-Kennlinie des Regelventils (2) von einer Soll-Kennlinie des Regelventils (2) mittels der Auswerteelektronik durch Vergleich des Wertepaares mit der Soll-Kennlinie des Regelventils (2);
    wobei bei einer außerhalb einer vorbestimmten Toleranz liegenden Abweichung des Wertepaares von der Soll-Kennlinie des Regelventils (2) ein nicht oder falsch kalibriertes Regelventil (2) erkannt wird.
  4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
    wobei die Soll-Kennlinie des Regelventils (2) um die Abweichung verschoben und somit der Ist-Kennlinie angenähert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1,
    wobei der Fehler ein falscher Brennstoff ist
    und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    a. Ermitteln eines ersten Differenzdrucks p(tpp) mit dem Sensor zu einem Zeitpunkt tpp während der Vorspülphase mit geschlossenem Sicherheitsventil (1), einer definierten Stellung des Regelventils (2) und einer Gebläsedrehzahl des Gebläses (5);
    b. Ermitteln eines zweiten Differenzdrucks p(ts) mit dem Sensor zu einem Zeitpunkt ts, zu welchem der zweite Differenzdruck p(ts) quasi-stationär ist, mit geöffnetem Sicherheitsventil (1), der definierten Stellung des Regelventils (2) und der Gebläsedrehzahl des Gebläses (5);
    c. Bestimmen einer Druckdifferenz zwischen dem zweiten Differenzdruck p(ts) und dem ersten Differenzdruck p(tpp) insbesondere durch Subtraktion des ersten Differenzdrucks p(tpp) von dem zweiten Differenzdruck p(ts);
    d. Bestimmen eines aus dem Brennstoffeinlass (G) einströmenden Ist-Brennstoffs aus der Druckdifferenz, der definierten Stellung des Regelventils (2) und dem vorbestimmten von dem Gebläse (5) durch die Mischeinrichtung (4) gefördertem Massenstrom sowie einer definierten Druckverlustcharakteristik der Hauptmengendrossel (3);
    e. Vergleich des Ist-Brennstoffs mit einem vorbestimmten Soll-Brennstoff;
    wobei ein falscher Brennstoff erkannt wird, wenn der Ist-Brennstoff nicht dem Soll-Brennstoff entspricht.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Fehler ein fehlender oder zu geringer Brennstoffdruck pg des durch den Brennstoffeinlass (G) einströmenden Brennstoffs und/oder eine falsch oder nicht eingebaute Hauptmengendrossel (3) ist,
    und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    a. Öffnen des Sicherheitsventils (1);
    b. Zünden eines Brenners der Gastherme;
    c. Ermitteln ob der Brenner gezündet wurde;
    d. wurde der Brenner nicht gezündet, ermitteln eines Differenzdruckverlaufs mit dem Sensor und der Auswerteelektronik bei geöffnetem Sicherheitsventil (1) über eine vorbestimmte Zeit;
    wobei die Auswerteelektronik den Differenzdruckverlauf mit einem vorbestimmten Toleranzfeld vergleicht und der Fehler erkannt wird, wenn der Druckverlauf außerhalb des Toleranzfelds liegt, wodurch ein über die vorbestimmte Zeit nicht ansteigender Differenzdruck und somit ein fehlender oder zu geringer Brennstoffdruck pg und/oder eine falsch oder nicht eingebaute Hauptmengendrossel (3) erkannt wird.
  7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
    wobei bei einem fehlenden oder zu geringen Brennstoffdruck pg eine maximal zulässige Heizleistung der Gastherme und/oder eine maximal zulässige Gebläsedrehzahl des Gebläses (5) auf einen jeweiligen vorbestimmten Wert reduziert werden/wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Fehler ein nicht vorhandener oder nicht angeschlossener Sensor und/oder eine schlechte oder nicht vorhandene Verbindung des Sensors mit dem Messpunkt und/oder dem Referenzmesspunkt ist,
    wobei eine Druckdifferenz zwischen dem Druck (p2) an dem Messpunkt stromauf der Hauptmengendrossel (3) und stromab des Regelventils (2) und einem Referenzdruck (p0, p1) an einem Referenzmesspunkt ermittelt wird
    und wobei von der Auswerteelektronik der Sensor als nicht vorhandene oder nicht angeschlossen und/oder als eine schlechte oder nicht vorhandene Verbindung mit dem Messpunkt und/oder dem Referenzmesspunkt aufweisend erkannt wird, wenn der Differenzdruck außerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs liegt.
  9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
    wobei das Sicherheitsventil (1) bei einem nicht vorhandenen oder nicht angeschlossenen und/oder als eine schlechte oder nicht vorhandene Verbindung mit dem Messpunkt und/oder dem Referenzmesspunkt aufweisenden Sensor geschlossen wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Fehler ein defektes Sicherheitsventil (1) oder ein defektes Regelventil (2) ist,
    und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    a. Ermitteln eines Ist-Differenzdrucks mit dem Sensor mit geöffnetem Sicherheitsventil (1), einer definierten Stellung des Regelventils (2) und einem vorbestimmten von dem Gebläse (5) durch die Mischeinrichtung (4) gefördertem Massenstrom;
    b. Bestimmung eines Soll-Differenzdrucks durch die Auswerteelektronik und einer definierten Stellung des Regelventils (2);
    c. Bestimmung einer Abweichung des Ist-Differenzdrucks von dem Soll-Differenzdrucks;
    wobei die Auswerteelektronik einen Fehler erkennt, wenn die Abweichung größer ist als ein vorbestimmter Toleranzwert.
  11. Gastherme, welche ausgebildet ist, ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
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