СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОГО, ПРОИЗОШЛО ЛИ ЗАЖИГАНИЕ
METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING WHETHER IGNITION OCCURRED

Заявитель очень успешно продает на рынке нагревательные приборы, которые могут производиться эффективно благодаря встраиванию одного или более теплообменников в литое изделие. Этот известный нагревательный прибор снабжен свечей зажигания для зажигания газовоздушной смеси.
Настоящее изобретение относится к способу определения в нагревательном приборе того, имело ли место зажигание смеси текучего топлива и воздуха, содержащему следующие этапы:
- подачи электрического сигнала зажигания на измерительную цепь;
- отфильтровывания сигнала горения от сигнала зажигания;
- сравнения детектированного сигнала горения с заданным профилем; и
- установления того, что ожидаемый сигнал горения имел место в течение заданного периода времени.
В качестве результата настоящего способа можно надежно детектировать, произошли ли зажигания, или можно ли обойтись без повторного зажигания, и/или зажигание не происходит или происходит слишком поздно, в результате чего опасное количество газовоздушной смеси возникает в нагревательном приборе или за его пределами. Поскольку самые современные CH-приборы (приборы центрального теплоснабжения) обмениваются информацией с ремонтной службой или изготовителем, можно установить на ранней стадии то, что горение не всегда имеет место при зажигании в первый раз.
Настоящее изобретение дополнительно обеспечивает устройство для определения в нагревательном приборе того, имело ли место горение смесей текучего топлива и воздуха, содержащее:
- средство измерения, на которое подан электрический сигнал зажигания;
- средство фильтрации для отфильтровывания сигнала горения от сигнала зажигания;
- средство сравнения для сравнения отфильтрованного сигнала горения с заданным профилем; и
- средство определения для установления того, имел ли место сигнал горения в течение заданного периода времени.
Устройство предпочтительно содержит секцию фильтра для отфильтровывания относительно низкой частоты сигнала зажигания при относительно высоком напряжении.
Для распознавания двух пиков из сигнала горения здесь последовательно в секции усилителя предпочтительно имеют место усиление и выпрямление.
Для точного установления начала сигнала горения параллельно с секцией фильтра и секцией усилителя предпочтительно соединена секция запуска.
С выходом секции усилителя предпочтительно соединена первая логическая секция, а с выходами первой логической секции и секции запуска соединена вторая логическая секция таким образом, что можно детектировать на основании простого сигнала в форме меандра (прямоугольного сигнала), что зажигание имело место.
Настоящее изобретение дополнительно обеспечивает нагревательный прибор, снабженный свечей зажигания, в котором тщательнее проработана безопасность и обеспечивается расстояние между предпочтительно прямой свечей зажигания и выступом на теплообменнике, предпочтительно реализованном в виде литого изделия.
Дополнительные преимущества, признаки и подробности настоящего изобретения будут разъяснены на основе нижеследующего описания его предпочтительного варианта осуществления, причем ссылка сделана на следующие чертежи, на которых:
Фигура 1 показывает трехмерный вид сбоку под наклоном в частичном разрезе предпочтительного варианта осуществления нагревательного устройства по настоящему изобретению;
Фигура 2 показывает разрез по линии II-II на фигуре 1;
Фигура 3 показывает вид сбоку под наклоном элементов III по фигуре 2;
Фигура 4 показывает вид спереди элемента IV по фигуре 3;
Фигура 5 показывает принципиальную схему предпочтительного варианта осуществления цепи, на которую подают сигнал, который подают на свечу зажигания, для определения того, имело ли место зажигание;
Фигура 6 показывает принципиальную схему второго варианта осуществления этой цепи;
Фигуры 7A-7F показывают схематичные виды соответствующих сигналов, как они происходят в предпочтительном варианте осуществления электрических сигналов, согласно принципиальным схемам по фигурам 5 и 6.
Описанный здесь ниже предпочтительный вариант осуществления нагревательного прибора с расположенной в нем упомянутой цепью имеет ряд значительных преимуществ:
Качество зажигания может быть точно и легко проверено перед тем, как нагревательный прибор покинет завод, что означает, что производственные ошибки, вызванные расположением свечей зажигания, или другие неточности почти наверняка останутся в прошлом.
Хорошая работа зажигания может также хорошо контролироваться в течение всего срока службы прибора. При возникновении проблем, будет легко доступной информация относительно их причины, такой как, например, утечка через керамический изолирующий материал от свечи зажигания, в результате чего возникают неоднородности в сигнале зажигания. Если расстояние между свечей зажигания и частью прибора (противоэлектродом) является неправильным, то сигнал покажет, что зажигание имеет место поздно или его нет совсем. Возможное возникновение (частичного) короткого замыкания в высоковольтном кабеле весьма вероятно приводит к явлениям, которые могут быть детектированы согласно описанию настоящей заявки на патент.
На практике, образование искр имеет место каждые 20 миллисекунд (мс). На основе результата настоящего изобретения можно остановить искрообразование сразу, как только зажигание не будет детектироваться.
Недостаток, который наблюдается в отношении такого прибора, состоит в том, что зажигание имеет место только после повторного образования искр, в результате чего имеет место взрывоподобное зажигание, которое нежелательно. Этого можно избежать, если причина проблематичного зажигания детектируется на ранней стадии, так что повторное искрообразование и/или позднее зажигание, т.е. когда присутствует большое количество газа, остаются в прошлом.
Предполагается, что информация относительно качества горения будет в будущем также получаться на основании обработки сигналов, в то время как повторное искрообразование больше не будет иметь место в будущем, что обеспечит энергосбережение и увеличит срок службы других деталей.
Нагревательный прибор 2 содержит горелку 4, теплообменник 10, вентилятор 8 и так называемый блок 9 управления газовым клапаном для подачи газа и воздуха в пространство между горелкой 4 и теплообменником 10. В вентилятор 8 через впускное отверстие 7 воздуха подается воздух, в то время как газообразные продукты сгорания направляются из прибора в дымоход через трубопровод 5, показанный здесь схематично. На корпусе в пространстве между горелкой 4 и теплообменником 10 расположена свеча 17 зажигания.
Теплообменник 10 (фигуры 2, 3, 4) содержит литое изделие 11 и ребра 12, которые улучшают теплообмен, причем в литом изделии расположены два теплообменника. В настоящем иллюстративном варианте осуществления первый теплообменник содержит относительно толстые трубы 13 для отопления пространства, в то время как более тонкие трубы 14 встроены в литое изделие 11 для горячей водопроводной воды.
На верхнем фланце 16 теплообменника установлен блок 17 зажигания, содержащий свечу 20 зажигания, например, из материала FeCrAl, а также изолирующая оболочка 18 и электрическое соединение 19. В настоящем иллюстративном варианте осуществления литое изделие 16 снабжено выступом 21. Свеча 20 зажигания (штырь свечи) простирается наклонно вниз под небольшим углом к положению, близкому к горелке 4, из которой будет вытекать газовоздушная смесь, что не показано, как только прибор отреагирует на потребность в отоплении пространства и/или в горячей водопроводной воде. В настоящем варианте осуществления это прямой штырь свечи, т.е. не имеющий изогнутого внешнего конца, в то время как теплообменник имеет выемку и обеспечивает пространство для свечи зажигания над выступом 21.
Некоторая неточность может возникнуть во время установки блока 17 зажигания, в результате чего не всегда оказывается обеспеченным на практике необходимое расстояние между внешним концом свечи зажигания и выступом 21, в то время как заданные допуски могут быть превышены со временем вследствие износа. Желательно, чтобы газовоздушная смесь зажигалась сразу, в то время как также нежелательно, чтобы зажигание продолжалось, когда газовоздушная смесь уже зажглась.
Во многих существующих CH-котлах инициируется (электрический) пробой между свечей зажигания и (более или менее) заземленной частью, например, в течение четырех секунд и при частоте 20 Гц (или 50 Гц, или при другой частоте), при подаче на свечу зажигания напряжения примерно 10-50 кВ, причем искровое перекрытие существует примерно при 6-8 кВ в случае расстояния 6-8 мм и сухого воздуха. Высокое напряжение генерируется по известной методике с использованием первичной обмотки, вторичной обмотки и конденсатора.
После того, как пробой имел место в течение четырех секунд, выполняется проверка, например, в течение 1 секунды, в отношении того, сгорела ли газовоздушная смесь. Если это не так, то газовоздушная смесь должна быть сначала выпущена с использованием вентилятора, после чего цикл может начаться снова. Если зажигание все же не было детектировано после ряда циклов, то в существующих приборах генерируется сигнал ошибки, который не разъясняет, имеется ли проблема с подачей газа, с зажиганием или чем-либо иным.
В некоторых случаях возможно, что свеча зажигания была не совсем правильно отрегулирована во время сборки, в результате чего также не может происходить зажигание. Также может возникнуть неоднородность в структуре искр зажигания вследствие короткого замыкания или плохого заземления, в то время как также возможно, что переключатели в блоке управления газовым клапаном или механизме зажигания функционируют плохо или совсем не функционируют.
Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения основан на понимании того, что можно установить на основании профиля детектированного сигнала горения, что отсутствие горения газовоздушной смеси обусловлено, например, ошибочным зажиганием, или что этот профиль показывает, что искры зажигания образуют однородную структуру, тем самым причиной более вероятно может быть ошибка в подаче газа.
Эта информация является особенно ценной, когда такая информация может быть получена дистанционно инженером по обслуживанию, и вероятная причина проблем может быть таким образом установлена. По всей вероятности, дополнительно можно уменьшить продолжительность искрообразования, например, с 4 секунд до 2 секунд, после установления надежной работы всей системы в течение более длительного периода времени, так что возможность длительного вытекания газовоздушной смеси уменьшается, и безопасность дополнительно повышается.
Предпочтительный вариант осуществления цепи 30 (фигура 5) содержит полосовой фильтр 31, усилительный каскад 32, участок 33 запуска и два соответствующих логических участка 34 и 35. Полосовой фильтр 31 содержит ряд резисторов 41, 42, 43 и конденсаторов 44, 45, 46, значения которых выбирают таким образом, чтобы только относительно низкочастотные сигналы, например, с частотой не выше 3 кГц, поступали в сигнал, подаваемый на вход А.
Усилительный каскад 32 содержит резисторы 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57 и 58, два транзистора 61, 62, соединенные последовательно, конденсаторы 66, 67, 68, 69 и диод 71.
cc
Секция 33 запуска содержит компаратор 81 и резисторы 82, 83, 84, 85, причем эта секция соединена с одной стороны с заземлением (GND), а с другой стороны - с напряжением V питания, например, 5 В (или 10 В).
Логическая секция 34 содержит резисторы 90, 91, интегральные схемы (IC) 92, 93, дополнительный резистор 94 и конденсаторы 95, 96. Логическая выходная секция 35 содержит два соответствующих логических порта 101 и 102.
Во втором предпочтительном варианте осуществления цепи 130 (фигура 6) комплектование компонентов является более предпочтительным.
Второй предпочтительный вариант осуществления цепи 130 содержит участок 131 фильтра, участок 132 усилителя, участок 133 запуска и два соответствующих логических участка 134 и 135.
Участок 132 усилителя содержит конденсаторы 141, 142, 143, 144 и резисторы 145, 146 и 147. Участок 132 усилителя содержит транзисторы 151, 152, 153, стабилитроны 154, 155, конденсаторы 156, 157, резисторы 158, 159, 160, 161, 162, 163, 164, 165, 166 и 167 и конденсатор 169.
Участок 143 запуска содержит конденсаторы 170, 171, 172, операционный усилитель 173 и резисторы 174, 175, 176, 177 и 178.
Первый логический участок 134 содержит IC 180, конденсаторы 181, 182 и резисторы 183, 184. Второй логический участок 135 содержит IC 190, конденсатор 191 и резистор 192.
g
Высокое напряжение, например, 15 кВ, требуемое для свечи зажигания, генерируется с помощью трансформатора 101 с первичной обмоткой 102 и вторичной обмоткой 103 посредством переменного напряжения, например, 230 Вольт, прикладываемого между заземлением и сетевым напряжением (V) таким образом, что ток 105, например, 1,5 Ампера (A), начинает протекать через резистор 104 с относительно низким омическим значением, примерно 10 Ом, и диод TVS (диод для подавления напряжения переходного процесса), см. фигуру 7А. При таком значении 1,5 А затем имеет место пробой, который характеризуется одним или двумя пиками перед достижением главного пика, который показывает, что имел место пробой.
1
В момент t времени (фигура 7A) в результате сигнала переменного тока, подаваемого на свечу зажигания, происходит до некоторой степени неструктурированный сигнал горения, наложенный на этот сигнал переменного тока, на входе А цепей по фигурам 5 и 6.
1
Продолжительность вплоть до момента t времени является мерой расстояния зажигания и изоляции (см. также фигуру 7G).
1
3
Сигнал S зажигания фильтруется полосовым фильтром 31 таким образом, что схематично показанный сигнал S2 (фигура 7B) возникает в точке В в принципиальной схеме по фигурам 5 и 6. После усиления усилительным каскадом сигнал S по фигуре 7C имеет место в точке С в цепях по фигурам 5 и 6.
4
t
Следуя в логическую секцию 34, сигнал S по фигуре 7E доступен в точке D, причем его продолжительность зависит от числа пиков тока, которые возникли (фигура 7С). Эти пики тока могут иметь место максимально через 100 нс друг за другом. Передний фронт имеет место во время первого пика тока, а задний фронт будет иметь место, если больше никакие пики не будут детектированы после 150 нс (δ на фигуре 7D).
Как показано на фигуре 7С, характеристикой является то, что после первого пика имеется также второй пик в пределах примерно 100 наносекунд. Задний фронт сигнала на фигуре 7D происходит через 150 наносекунд после пика горения.
5
6
6
5
1
Поскольку секция 33 (фигура 5) и 133 (фигура 6) генерирует волну в форме меандра, которая связана с положительной стороной переменного тока, который подается в точке А, сигнал S на фигуре 7D будет иметь место в точке E на фигуре 6. Поскольку этот сигнал указывает на начальный момент, только первый передний фронт является релевантным. Остальная часть затухающего сигнала переменного тока маскируется. Это маскирование становится активным, когда все пики тока имели место - сигнал S (фигура 7F) в точке F на фигуре 6. Объединение сигналов S и S выполняется логическим портом 35 (фигура 5) или 136 (фигура 6) таким образом, что остается сигнал, который равен сигналу в период времени до t (см. фигуру 7G).
4
1
cc
Период времени между задним фронтом сигнала S и новым передним фронтом сигнала S составляет, например, примерно 5 мс. Сигнал в форме меандра с периодом, например, 1,25 мс создается каждый раз секцией запуска при усилении до напряжения V питания.
1
Логическое объединение сигнала по фигуре 7Е с сигналом по фигуре 7F приводит к сигналу на выходе F (фигура 7G), который показывает, что имело место время t сигнала зажигания, после чего в пределах 1-1,5 мс обнаруживают, что зажигание не имело место снова.
Для ясности: изучение искрового перекрытия показало, что часто происходят предварительные разряды, за которыми следует фактический основной разряд и искровое перекрытие. Цепь должна для выполнения своей задачи определить интервал времени между началом нарастания напряжения и основным разрядом. Это реализуется посредством ожидания последующего разряда в течение периода времени δt, следующего за детектированием разряда (см. также фигуру 7Е). Интервал времени до искрового перекрытия (фигура 7G) является таким образом временем до основного разряда плюс δt.
Благодаря вышеописанному предпочтительному варианту осуществления имеет место зажигание с небольшим числом ненужных повторов, в то время как можно распознать на ранней стадии, что происходят проблемы в отношении зажигания, поскольку информация современных нагревательных приборов может быть считана дистанционно изготовителем и/или ремонтной службой, делая возможным отслеживание того факта, что по прошествии некоторого времени должно иметь место повторное зажигание, в результате чего может быть своевременно проведено техническое обслуживание и/или могут быть предотвращены опасные ситуации.
Благодаря вышеописанным устройству и способу измеряют время от начала нарастания заряда в катушке до момента времени искрового перекрытия. Если такое время искрообразования составляет 20 миллисекунд, то в каждой секунде имеется 50 измеренных случаев (раз) искрообразования.
Перед запуском котла, т.е. перед введением газовоздушной смеси может быть измерено время искрообразования таким образом, что может быть определено напряжение утечки через керамический изолирующий материал или то, что расстояние зажигания является слишком большим.
Примерно через секунду после запуска котла смесь проходит весь путь вплоть до горелки, после чего это время искрообразования значительно уменьшится примерно на 20%.
Как указано выше, зажигание таким образом контролируется согласно настоящей заявке на патент, причем имеет место детектирование возможной причины ошибки, устанавливается момент горения во время запуска прибора, а также может быть получена информация относительно качества горения, более того предпочтительно дистанционно, в долгосрочной перспективе.
Настоящее изобретение не ограничено нижеследующей формулой изобретения, в пределах объема которой могут быть предусмотрены многие модификации.