バーナー装置に対する制御装置
【課題】燃焼値の設定限界を超過することなく、イオン化電流のドリフトを簡単かつ確実に補正できるバーナー装置用の制御装置を提供する。
【解決手段】第２の検査ステップにおいて、調節装置が、各アクチュエータを、化学量論値λ＝１を上回る空気過剰率に相当する供給比へ調節する。もしくは空気過剰率を、値Δλ＜−０．０６だけ低減して、値λ＞１．０５へ変化させる。調節装置は、遅くとも、駆動時間が３０００ｈを過ぎると、検査を反復する。
【解決手段】第２の検査ステップにおいて、調節装置が、各アクチュエータを、化学量論値λ＝１を上回る空気過剰率に相当する供給比へ調節する。もしくは空気過剰率を、値Δλ＜−０．０６だけ低減して、値λ＞１．０５へ変化させる。調節装置は、遅くとも、駆動時間が３０００ｈを過ぎると、検査を反復する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーナーと、該バーナーへの燃料および空気の供給を調整する複数のアクチュエータと、火炎領域に配置されたイオン化電極とを備えたバーナー装置に対する制御装置であって、当該の制御装置は、少なくとも、前記イオン化電極の箇所に設けられてイオン化信号を形成する火炎増幅器と、制御モードにおいて、第１のアクチュエータを調節し、かつ、第２のアクチュエータを前記イオン化信号に対する目標値によって閉ループ制御する調節装置とを有しており、前記調節装置は、第１の検査ステップで制御モードを実行し、第２の検査ステップで各アクチュエータを供給比が変化するように調節してイオン化信号を検出し、第３の検査ステップで前記イオン化信号および記憶されたデータから目標値を計算する、制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料品質の変化などの外的な障害影響や、燃焼に作用する温度または圧力変動を補正するために、空燃比、すなわち、いわゆる空気過剰率λが制御される。これを利用した構造物は燃料空気コンビネーションシステムとも称される。空気過剰率λを検出するための低コストのセンサはイオン化電極である。交流電圧が印加されると、火炎およびイオン化電極を通ってイオン化電流が流れ、このイオン化電流がバーナーのそのつどの出力に基づいて設定される目標値へ向かって制御される。イオン化電流はそのつどの出力点での空気過剰率によって変化するので、こうした装置により空気過剰率を制御することができる。
【０００３】
冒頭に言及した形式の制御装置は、例えば欧州特許第０７７０８２４号に記載されている。ここでは、化学量論値λ＝１を上回って、例えばλ＝１．３となるように、空気過剰率が制御される。制御目標値の較正に際してλ＝１でのイオン化電流最大値が求められ、この最大値に基づいて次の制御目標値が計算される。計算の際には、その時点のイオン化電流値と測定された最大値との差が維持される。この手法では、アクチュエータの特性曲線の良好な再現性は必ずしも要求されないが、空気過剰率がλ＝１を上回ると短時間ではあるものの大量のＣＯ放出が発生する。
【０００４】
欧州特許第０６９７６３７号には、規則的に通常モードを中断して制御装置の機能監視を行う方法が示されている。ここでは、システムセンサの検査値が基準値からの偏差の設定値を上回ると、エラー信号が出力される。基準値および基準値からの偏差の値は１基準サイクル内で定められている。また、この文献では、当該の基準サイクルにおいて、空気温度、空気圧、空気湿分などの障害量を変化させ、システムの有効な駆動状態を制限し、そこから基準値としての最大偏差を定めることも提案されている。しかし、ここでの機能監視は、基準値によって設定された駆動領域内のシステムの変化を考慮していない。さらに、障害に起因して、基準値によって設定された駆動領域を超える偏差が発生して、検査結果に誤差をもたらすことがあるが、これも、カバーされていない。ここでは、制御目標値の自動補正は行われていないのである。
【０００５】
欧州特許第１２９３７２７号には、制御モードにおけるキャリブレーションの手法が示されている。固定に設定された燃焼出力に基づき、調節信号に応答して燃料または空気の供給量を制御するアクチュエータは、イオン化信号の目標値設定回路により、λ＝１へ向かって調整される。ただし、λ＝１は超過されてはならない。アクチュエータの挙動は監視され、記憶された値と比較される。この過程は１回または複数回実行され、バーナーの動作が遮断されたかどうか、あるいは、変更なしに続行されているか、または、補正されたイオン化電流目標値特性曲線が適用されて続行されているかが評価される。ただし、こうした公知の手法では、監視されているアクチュエータの特性曲線が、正確に再現可能であって、かつ、狭いトレランス範囲の内部に収まっていなければならない。
【０００６】
国際公開第２００９／１１００１５号からは、制御モードにおいて、発生する寄生要因を検出して補償する火炎監視方法が公知である。ここでは、交流電圧源が、正負の種々の振幅値に応じてデューティ比が大きく変化する交流電圧信号を送出するように制御され、この交流電圧信号がイオン化電極に印加される。なお、この文献には、ガス空気コンビネーションシステムの制御が、イオン化電極またはバーナーの付着物やイオン化電極の撓みないしずれに起因するイオン化信号のドリフトによって損なわれうることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許第０７７０８２４号
【特許文献２】欧州特許第０６９７６３７号
【特許文献３】欧州特許第１２９３７２７号
【特許文献４】国際公開第２００９／１１００１５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、燃焼値の設定限界を超過することなく、イオン化電流のドリフトを簡単かつ確実に補正できるバーナー装置用の制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、第２の検査ステップにおいて、調節装置が、各アクチュエータを、化学量論値λ＝１を上回る空気過剰率に相当する供給比へ調節することにより解決される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の、イオン化信号による制御を行う制御装置を備えたバーナー装置の概略図である。
【図２】図１の制御装置における、イオン化電流を測定するための火炎増幅器の回路図である。
【図３】図２の回路図から導出された、イオン化電流測定に対する直流電流等価回路図である。
【図４】火炎増幅器の出力側でのイオン化電流値を、誤差抵抗がない場合の送風機回転数ｎと空気過剰率λとの関数として示したグラフである。
【図５】火炎増幅器の出力側でのイオン化電流値を、誤差抵抗がある場合の送風機回転数ｎと空気過剰率λとの関数として示したグラフである。
【図６】火炎増幅器の出力側でのイオン化電流値を、誤差抵抗が補正ループの実行によって補正される場合の送風機回転数ｎと空気過剰率λとの関数として示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実験観察に基づく厳密なモデリングで、空気過剰率変化分が小さい場合にも、化学量論値λ＝１を上回る領域における空気過剰率の意図的な変更をともなう検査を行い、イオン化信号を測定することによって、目標値の計算が良好に近似されることが示された。この手段では、欧州特許第０７７０８２４号から知られるような空気過剰率の大きな低減に比べて、熱パルスや、障害物質放出によるバーナーまたはイオン化電極の汚染がほとんど発生しない。熱パルスや汚染は、状況によって、撓みまたは付着物の形成を一段と増幅し、さらにドリフトを生じさせることもある。したがって、これらを考慮することで、実験結果の精度が高まる。イオン化信号のドリフトを考慮して、検査を反復すれば、目標値が、信頼性の高い所望の値、すなわち、本来の正確な空気過剰率を反映した値へ収斂するのである。
【００１２】
本発明の有利な実施形態によれば、空気過剰率は、値Δλ＜−０．０６だけ低減され、値λ＞１．０５へ変更される。すなわち、当該の空気過剰率領域では、一方で、ドリフトが小さいとき、目標値を正確に計算するために、雑音値を上回るイオン化信号を測定するのに充分であり、他方で、ドリフトが大きいとき、空気過剰率領域の下方限界値を確実に維持することができる。なぜなら、ドリフトは緩慢にしか発生せず、検査は有利には駆動時間３０００ｈ後から規則的に繰り返されるからである。
【００１３】
本発明の別の有利な実施形態によれば、一方のアクチュエータ、有利には燃料を供給しているアクチュエータの位置が維持され、他方のアクチュエータの位置が変更される。片方のアクチュエータの位置が維持されることにより、検査結果が製造誤差に依存しなくなる。
【００１４】
本発明の別の有利な実施形態によれば、計算された目標値と記憶されているデータとに基づいて、記憶されているイオン化信号の目標値特性曲線が置換される。付加的に、目標値特性曲線が極端に変化した場合、警報が出力されるかまたは障害時シャットダウンが行われ、特に、燃料を供給しているアクチュエータが閉鎖される。
【実施例】
【００１５】
以下に、本発明の実施例を、図を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
図１には、本発明の制御装置を備えたバーナー装置の概略図が示されており、この制御装置は通常モードで燃料空気コンビネーションシステムを閉ループ制御する。バーナーによって生じた火炎１を通るイオン化電流は、イオン化電極２を介して火炎増幅器３によって検出される。電流路は火炎増幅器３の端子を介してバーナーアースに接続されている。火炎増幅器３によって処理されたイオン化信号４は調節装置５へ転送され、通常モードにおける閉ループ制御のための入力信号として用いられる。イオン化信号４はこの場合にはアナログ電気信号として形成されているが、これに代えて、ディジタル信号または２つのソフトウェアモジュールユニットの変数として形成することもできる。
【００１７】
調節装置５は、熱エネルギを設定するための外部の要求信号１１を受け取る。当該の要求信号１１によって閉ループ制御がオンオフされる。例えば、ここでは、図示されていない上位の温度制御回路によって熱要求信号が形成されている。こうしたエネルギ設定値は、もちろん、他の外部負荷によって形成されてもよいし、あるいは、直接に手動で、例えばポテンショメータを介して設定されてもよい。
【００１８】
通常、要求信号１１は調節装置５に格納されたデータを用いて２つのアクチュエータ６，７のうち一方へマッピングされる。有利には、要求信号１１は第１のアクチュエータとしての送風機６に対する回転数目標値へマッピングされる。当該の回転数目標値は、送風機６から返送されてきた回転数信号９と比較される。調節装置５に組み込まれている回転数制御回路により、送風機６は第１の調節信号８によって、設定された要求信号１１に相当する空気１２の目標圧送量へ向かって制御される。もちろん、これに代えて、要求信号１１を直接に送風機６の第１の調節信号８へマッピングすることもできるし、そうでなく、要求信号１１を、作業を実行している第２のアクチュエータ７である燃料弁へマッピングすることもできる。
【００１９】
第２のアクチュエータ７、有利には燃料弁により、燃料１３の供給に関して、空気過剰率が追従制御される。この制御は、調節装置５において、設定された要求信号１１が所定の関数によってイオン化目標値へマッピングされることにより、行われる。当該の目標値はイオン化信号４と比較される。調節装置５内に実現されている制御ユニットを介して、制御差により、空気過剰率に追従する燃料弁７が閉ループ制御される。したがって、イオン化信号４が変化すると、第２の調節信号１０を介して、燃料弁７の位置、ひいては、燃料１３の流量が変更される。設定された空気量のもとで燃料量を変化させることによって火炎１およびイオン化電極２を通るイオン化電流が変化し、最終的に、イオン化信号４の実際値が設定された目標値に再び等しくなるという変化が生じて、制御ループが閉成されることになる。
【００２０】
図２には、イオン化電流を測定するための火炎増幅器３の電気回路図が示されている。欧州公開第２１５４４３０号の図３Ａにも相応のことが示されている。この場合、イオン化電極には交流電圧が印加される。火炎の直流作用に基づいて、イオン化電流は火炎を通る一方向のみに流れる。イオン化電流の大きさは火炎の火炎抵抗に応じて変化し、空気過剰率に対する尺度を形成する。
【００２１】
当該の回路は、交流電圧源１４と、電流制限抵抗１５と、火炎等価回路１６として示されている火炎およびイオン化電極の電気的等価物と、出力側１８からイオン化信号を出力する線形の増幅器１７とから形成されている。出力側１８は直接にイオン化信号を送出する。これに代えて、出力側１８と調節装置とを電流的に分離するための回路部を接続することもできる。交流電圧源１４は、この実施例では、所定の入力交流電圧が印加されるトランスによって実現されている。
【００２２】
増幅器１７は火炎等価回路１６を通るイオン化電流を測定する。ここで、交流電圧源１４への端子は仮想的にアースへ置かれる。増幅器１７はイオン化電流を平均し、本来のイオン化回路の出力側１８を分離する。イオン化電流平均値は、出力側１８の電圧と増幅器１７のフィードバック抵抗とから直接に計算することができる。イオン化電流平均値は準定常的な直流値に相当する。準定常的とは、回路内の時間素子と交流電圧源１４に起因する純粋な交流電圧信号とが出力側１８で何の役割も有さなくなることを意味する。したがって、出力側１８の信号は、火炎等価回路１６内の抵抗のきわめて緩慢な変化のみに追従する。
【００２３】
こうして、イオン化電流平均値に対して、図３に示されているような簡単な等価回路が得られる。直流電圧源１９は、直流電圧Ｕに基づいて、電流制限抵抗１５と火炎抵抗２０と誤差抵抗２１とを通る直流電流２２を形成する。
【００２４】
火炎等価回路１６内の電気的等価物としての抵抗は、図３の直列に接続された２つの抵抗、すなわち、通常モードでの本来の火炎抵抗２０と、上述したイオン化電極またはバーナーへの付着物に起因する誤差抵抗２１とから成る合成抵抗と見なすことができる。付着物は、特に、酸化プロセス、または、汚染油の燃焼による煤の発生、または、空気供給時の塵埃混入などに起因する、イオン化電極ないしバーナーでの沈着によって発生する。この場合、強い絶縁性を有する付着物が発生し、誤差抵抗２１の増大によって準定常的な直流電流２２の値が変化してしまうことがある。
【００２５】
モデルについては後述する。このモデルを用いれば、検査に対して空気過剰率の小さな変化があれば充分であり、目標値を確実に新たに計算して補正するための良好な結果が得られることが判明している。これにより、空気過剰率を目標値に維持することができる。
【００２６】
イオン化電極の撓みまたはずれは、前述の場合と同様に、図３の等価回路の誤差抵抗２１により考慮される。ここで、誤差抵抗２１は負の値を取ることもある。
【００２７】
さらに、図示されていないが、火炎の領域において本来の火炎等価回路１６に対して平行な寄生導電路が発生することがある。こうした寄生導電路は、持続的に存在する場合には火炎抵抗２０によって、また、時間的に変化しながら発生する場合には誤差抵抗２１によって、計算に組み入れられるかまたはその作用が考慮される。
【００２８】
直流電圧源１９の直流電圧Ｕは、図２の交流電圧源１４によって生じる電流が火炎すなわち火炎等価回路１６を通って有効に流れるのにかかる時間から得られる。当該の時間は、導通半波にわたる電圧平均値と阻止半波にわたるゼロ電圧値とから、平均値として計算される。図２の交流電圧源１４の交流電圧が振幅Ｕ１の正弦波交流電圧である場合、図３の直流電圧源１９の直流電圧はＵ＝Ｕ１／πとなる。
【００２９】
図３の直流電流２２は図２の出力側１８の電圧と増幅器１７のフィードバック抵抗とから直接に求められる。当該の直流電流２２は、後置接続された調節装置の入力側で、イオン化信号として用いられる。
【００３０】
図３の等価回路図は、もちろん、図２の回路装置にしか適用できないわけではない。当該の等価回路図は、基本的には、調節装置に対する出力信号が火炎抵抗の変化に起因する準定常的な直流電流２２に対応する、火炎信号検出システムの多くに適用可能である。この場合、火炎信号を検出するための電気回路で直流電流が形成され、この直流電流が図３の回路の準定常的な直流電流２２へマッピングされる。実際の火炎抵抗は図３の等価回路図の火炎抵抗としてマッピングされ、ここで、他の回路要素、例えば測定抵抗の値も、火炎抵抗２０の値に含めて計算される。同様に、誤差抵抗２１および電流制限抵抗１５および直流電圧源１９は、他の回路からのマッピングの結果として解釈することができる。
【００３１】
図４には、３次元シミュレーションとして、送風機回転数ｎと空気過剰率λとの関数によって火炎増幅器３の出力側１８のイオン化電流値Ｉが示されている。送風機回転数ｎおよび空気過剰率λによって定められる面Ｆ１に、イオン化電流値曲線Ｉ１が示されている。記憶されている目標値特性曲線Ｓ１により、すべての送風機回転数ｎに対して、イオン化電流Ｉが設定された目標値へ向かって閉ループ制御される。空気過剰率λが一定でありかつ送風機回転数ｎが可変であると仮定される場合、バーナーに固有の面Ｆ１とｎ／λ平面の空気過剰率曲線Ｌ１とにしたがって、イオン化電流値曲線Ｉ１の特性が得られ、ひいては、ｎ／Ｉ平面の目標値特性曲線Ｓ１が得られる。
【００３２】
図４に示されている特性は、イオン化電流のドリフトがなく、誤差抵抗２１が発生しないという条件のもとで相当する。この場合、良好であると判別された基準測定区間を用いて、電流制限抵抗１５と火炎抵抗２０との和が直流電圧源１９の既知の直流電圧Ｕと直流電圧２２の測定値または計算値とから計算される。
【００３３】
イオン化電流のドリフトが生じてこれにより誤差抵抗２１が発生した場合には、図５に示されている特性が得られる。ここで、図４の面Ｆ１と図５の面Ｆ２とはほぼ同様の形状を有しているが、図５の面Ｆ２のほうが下方へずれている。
【００３４】
ドリフトがある場合、イオン化電流目標値に対する目標値特性曲線Ｓ１が等しくても、別のイオン化電流値曲線Ｉ２およびｎ／λ平面の別の空気過剰率曲線Ｌ２が生じる。これらの曲線にしたがうと、種々の送風機回転数ひいては種々のバーナー出力に対してそもそも空気過剰率が一定の所望値を維持できない。
【００３５】
ドリフトを識別するために、検査プロセスが用いられる。このために、燃料空気コンビネーションシステムの閉ループ制御が有利には固定の始点Ａで開始される。このために、送風機回転数ｎとそこから得られる空気流量とが始点Ａの記憶値へ移行される。燃料弁７に対する第２の調節信号１０、ひいては燃料流量が、閉成された制御ループにおいて追従制御される。空気過剰率は、目標値特性曲線Ｓ１にしたがって設定される値に達するが、これは、ドリフトがない場合には所望の値に相当する。有利には、所定の時間窓での平均値形成によって、燃料弁の位置が求められる。
【００３６】
検査プロセスの第２のステップとして、始点Ａでの制御された安定状態から検査点Ｂへの運動が行われる。これは、送風機（ブロワー）の回転数ｎを所定の記憶値だけ低減し、燃料弁７の位置を一定に保持することによって行われる。このとき、空気過剰率は、どの程度の変化分であれ、一定の空気過剰率変化分Δλだけ低減される。イオン化電流値は所定の時間窓にわたる平均値形成によって測定される。
【００３７】
次に説明する第３のステップでは、検査点Ｂでの測定値を用いて、比較点Ｃでのイオン化電流目標値が新たに計算される。
【００３８】
選択的手段として、それまでの目標値を用いて検査点Ｂから比較点Ｃへの移行を行うこと、つまり、送風機の回転数を変更せずにとどめておき、燃料弁をイオン化電流値曲線Ｉ１にしたがって設定された空気過剰率へ追従制御することが挙げられる。有利には、閉ループ制御を開始する前に、燃料弁が予測位置に相当する記憶値へ向かって開制御される。検査点Ｂと比較点Ｃとのあいだの空気過剰率変化分Δλは、図４，図５からわかるように、誤差抵抗２１がある場合とない場合とでほぼ等しい大きさである。しかし、誤差抵抗２１のために、先行の目標値による図５のイオン化電流値の変化幅Ｈ２は図４の対応するイオン化電流値の変化幅Ｈ１よりも格段に小さくなっている。このように、空気過剰率の変化分Δλに応答したイオン化電流の変化幅Ｈ２によって、空気過剰率を変更する閉ループ制御が明らかとなる。変化幅Ｈ２が測定されると、改善のための目標値が計算され、空気過剰率が補正されるのである。
【００３９】
その後、ドリフトの検査プロセスが終了され、要求信号１１による閉ループ制御をともなう通常モードが再び行われる。
【００４０】
ドリフトの検査プロセスは１つまたは複数の検査点で行うことができる。複数の検査点を設ける場合、誤差抵抗２１とバーナー出力との依存関係が識別され、補正の際にこれが考慮される。
【００４１】
関連するタイプのバーナーに対する設定プロセスにおいて、有利には、選択された送風機回転数ｎでの関数Ｉ＝ｆ（λ）上の検査点Ｂと比較点Ｃとのあいだに大きな差があるときにも、イオン化電流値が安定となる検査点Ｂが選択される。これにより、大きな信号雑音比が得られる。検査点Ｂは、こうした境界条件のもと、関数Ｉ＝ｆ（λ）に沿った広い領域において選択することができる。この場合、関数の形状および特性は未知のままである。前提となるのは、当該の関数が検査点Ｂの測定領域で単調に増大または低下することのみである。後述する目標値補正のための計算手法のおかげで、空気過剰率をλ＞１．０５へ変更する制御が行われる場合、当該の条件が典型的に与えられることが判明している。有利には、空気過剰率が制御状態から少なくともΔλ＜−０．０６だけ低減される。空気過剰率がλ＝１．３へ設定されている特定のタイプのバーナーに対しては、最適な空気過剰率変化分はΔλ＝−０．１５となっている。これに代えて、空気過剰率を少なくともΔλ＝＋０．０８だけ増大してもよい。この選択的手段は、バーナーが検査点Ｂと比較点Ｃとで異なる傾きを有し、僅かな回数の反復ステップのみで良好な収斂を呈する場合、特に有利である。空気過剰率変化分があまりに大きく、例えば、Δλ＞＋０．５である場合には、火炎温度の落ち込みによって障害物質の放出が発生したり、火炎１が消弧したりするおそれさえある。
【００４２】
図４に示されている始点Ａは、空気過剰率を空気量によってΔλだけ変更することにより、設定された検査点Ｂから直接に得られる。
【００４３】
始点Ａおよび検査点Ｂでの送風機回転数ｎは、設定値として、通常モードの前に制御装置に記憶されている。有利には、誤差抵抗２１なしのシステムでの検査点Ｂのイオン化電流値も、複数回の測定にわたって平均され、補正値の計算のために調節装置５に記憶されている。
【００４４】
比較点Ｃは、イオン化電流値曲線Ｉ１上の送風機回転数に対する検査点Ｂを選択することにより得られる。
【００４５】
ドリフト補正のために第３のステップで新たな目標値を計算する際には、空気過剰率がほぼ一定のΔλだけ変化するよう、誤差抵抗２１から独立に送風機回転数が変更されるという事実が利用される。検査点Ｂの近傍ではイオン化電流変化分が小さいため、火炎抵抗２０が１次近似で一定であると仮定される。検査点Ｂでの誤差抵抗と比較点Ｃでの誤差抵抗とが等しいという当該の仮定のもとで、誤差抵抗２１なしで求められたイオン化電流値を用いることにより、補正された目標値が計算される。また、誤差抵抗２１も求めることができる。
【００４６】
上述した、比較点Ｃでの目標値の再計算をともなう検査を反復することにより、比較点Ｃでの目標値への迅速な収斂が達成され、当該の値は、誤差抵抗２１が変化しなければ、さらなる反復が行われても変化しない。
【００４７】
図６には、検査点Ｂでの誤差抵抗と比較点Ｃでの誤差抵抗とが等しいものと仮定して、第１の検査の後に得られる曲線Ｓ２，Ｉ３，Ｌ３が示されている。補正された目標値特性曲線Ｓ２は上述した計算から既知となった誤差抵抗２１と記憶されている目標値特性曲線Ｓ１とによって計算される。図６の面Ｆ２には、イオン化電流値曲線Ｉ３が示されている。ｎ／λ平面における空気過剰率曲線Ｌ３は、第１の検査後、図４に示されている空気過剰率曲線Ｌ１に比較的近似している。イオン化電流の変化幅Ｈ３は、変化幅Ｈ１に等しくはないが、一定の値へ増大している。１回または２回の反復の後、実際には、空気過剰率曲線Ｌ１に対する空気過剰率曲線Ｌ３の差はもはや存在しなくなる。
【００４８】
誤差抵抗が比較点Ｃと検査点Ｂとで大きく異なる場合には、目標値を補正する際にもこれを考慮しなければならない。この差は、比較点Ｃでの誤差抵抗と検査点Ｂでの誤差抵抗との比を表す補正係数Ｋのかたちで考慮される。当該の比を表す補正係数Ｋは付着物層の組成に応じて変化し、一般に１から２までのあいだの値を取る。
【００４９】
比較点Ｃでの誤差抵抗は検査点Ｂでの誤差抵抗と補正係数Ｋとから求められ、新たな目標値特性曲線Ｓ２は目標値特性曲線Ｓ１のいずれの点においても後述するように得られる。
【００５０】
検査点Ｂでは、測定されたイオン化電流と、同じバーナー装置の誤差抵抗がない場合の記憶値とから、誤差抵抗２１が計算される。所与の目標値特性曲線Ｓ１を用いて、比較点Ｃでの新たな目標値と新たな目標値特性曲線Ｓ２の他の全ての点とが計算される。複数の検査点Ｂが存在する場合、全ての検査点Ｂで比較点Ｃの新たな目標値が計算され、所与の目標値特性曲線Ｓ１と送風機回転数の間隔によって重みづけされた２つの補正値の平均値とから、他の目標値特性曲線の点が求められる。ただし、もちろん、別の計算手法を適用することもできる。
【００５１】
なお、補正された目標値特性曲線Ｓ２が初期の目標値特性曲線Ｓ１に比べて極端に大きく低下する場合には、ふつう、通常モードで動作していたシステムが遮断される。これは、火炎抵抗２０を誤差抵抗２１から充分に分離できず、結合が生じてしまうためである。付加的に、目標値特性曲線の偏差が或る程度の大きさとなったときに、警報を形成するかまたは障害時シャットダウンを行うこともできる。
【００５２】
誤差抵抗のないバーナー装置に対する検査点Ｂおよび比較点Ｃでのイオン化電流値は、あらかじめ、設定プロセスにおいて求められている。この場合、空気過剰率を直接または間接に測定可能なセンサを用いて、プロトタイプに対して設定された空気過剰率を有する目標値特性曲線Ｓ１が形成されている。これにより、比較点Ｃでのイオン化電流目標値ＩＣ０が既知となる。また、プロトタイプでは検査点Ｂが設定され、対応するイオン化電流値ＩＢ０が測定される。プロトタイプの検査点Ｂでのイオン化電流値ＩＢ０と比較点Ｃでのイオン化電流目標値ＩＣ０を含む目標値特性曲線Ｓ１とは、調節装置５での後の処理のために記憶されている。
【００５３】
続いて、検査プロセスの動作中、検査点Ｂのイオン化電流値ＩＢ１，ＩＢ２，…，ＩＢｎが検出されるが、これらの値は発生するドリフトのためにＩＢ０から偏差していることがある。検出されたイオン化電流値は、散乱を低減するために、複数回の検査にわたって平均される。この場合、イオン化電流値ＩＢ０の補正は平均測定値によって行われる。
【００５４】
通常モード中、基本的に正の値だけでなく負の値も取り得る誤差抵抗２１が発生する場合、測定されたイオン化電流値ＩＢ１は空気過剰率値の変化および誤差抵抗の変化に基づいて変化する。当該の変化は、図４，図５に示されているように、面Ｆ１から面Ｆ２への投影を生じさせる。
【００５５】
検査点Ｂでの関数Ｉ＝ｆ（λ）の傾きが比較点Ｃでの傾きに比べて小さいため、検査点Ｂでの火炎抵抗は比較点Ｃでの火炎抵抗に比べてわずかしか変化しない。したがって、１次近似では、検査点Ｂでの火炎抵抗は、誤差抵抗がある場合とない場合とで、ほぼ等しいと見なすことができる。図３の等価回路によれば、比較点Ｃでの補正されたイオン化電流目標値は、検査後の閉ループ制御モードにおいてその時点のイオン化電流値ＩＣ１に等しくなり、検査点Ｂでの誤差抵抗と比較点Ｃでの誤差抵抗とが等しいと仮定した場合、
（１／ＩＣ１）＝（１／ＩＢ１）−（１／ＩＢ０）＋（１／ＩＣ０）
によって得られる。検査プロセスでは、調節装置５が当該の式にしたがって新たな目標値を計算する。有利には、当該の式は、マイクロプロセッサ上のプログラムフローにおいて、固定に設定されている。次回の反復の際には検査点Ｂは既に目標値に近似しており、誤差抵抗がある場合の火炎抵抗も誤差抵抗がない場合の火炎抵抗も良好に近似され、目標値は
（１／ＩＣ２）＝（１／ＩＢ２）−（１／ＩＢ０）＋（１／ＩＣ０）
によって得られる。ｋ回の反復によって誤差抵抗が等しくなるのであれば、新たな目標値は
（１／ＩＣｋ）＝（１／ＩＢｋ）−（１／ＩＢ０）＋（１／ＩＣ０）
によって一定の値へ変換される。
【００５６】
このことは、電流値ＩＣ０を目標値特性曲線Ｓ１の電流値Ｉｎ０＝ｆ（ｎ）によって置換し、ｋ回目の反復後の値Ｉｎｋを
（１／Ｉｎｋ）＝（１／ＩＢｋ）−（１／ＩＢ０）＋（１／Ｉｎ０）
から得ることによって、目標値特性曲線Ｓ１の全ての点に対して等価的に実行可能である。電流Ｉｎｋの値をｋ回反復すると、目標値特性曲線Ｓ２の値が得られる。図６によれば、第１の検査後、充分に良好な目標値特性曲線Ｓ２の補正値が得られる。実際には、１回から２回の反復を行えば、終値が得られる。
【００５７】
付着物の性質によって検査点Ｂでの誤差抵抗と比較点Ｃでの誤差抵抗とを等しいと仮定できない場合、上述した式を２つの誤差抵抗間の係数Ｋによって、
（１／Ｉｎｋ）＝Ｋ｛（１／ＩＢｋ）−（１／ＩＢ０）｝＋（１／Ｉｎ０）
のように適合化することができる。係数Ｋは付着物の性質に応じて変化する値であり、設定プロセスにおける実験によって求められる。
【００５８】
２つ以上の点、例えば高出力の点と低出力の点とで検査が行われる場合、誤差抵抗２１の種々の値が、補正された目標値特性曲線Ｓ２を求めるために、送風機回転数または他の出力値に関して重みづけされる。
【符号の説明】
【００５９】
１ 火炎、 ２ イオン化電極、 ３ 火炎増幅器、 ４ イオン化信号、 ５ 調節装置、 ６ 第１のアクチュエータ、 ７ 第２のアクチュエータ、 ８ 第１の調節信号、 ９ 回転数信号、 １０ 第２の調節信号、 １１ 要求信号、 １２ 空気、 １３ 燃料、 １４ 交流電圧源、 １５ 電流制限抵抗、 １６ 火炎等価回路、 １７ 増幅器、 １８ 出力側、 １９ 直流電圧源、 ２０ 火炎抵抗、 ２１ 誤差抵抗、 ２２ 直流電流、 Ｕ 直流電圧、 ｎ 回転数、 λ 空気過剰率、 Ｉ イオン化電流値、 Ａ 始点、 Ｂ 検査点、 Ｃ 比較点、 Ｆ１，Ｆ２ 面、 Ｓ１，Ｓ２ 目標値特性曲線、 Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３ イオン化電流値曲線、 Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ 空気過剰率曲線、 Δλ 空気過剰率変化分、 Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３ イオン化電流変化幅
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーナーと、該バーナーへの燃料および空気の供給を調整する複数のアクチュエータと、火炎領域に配置されたイオン化電極とを備えたバーナー装置に対する制御装置であって、当該の制御装置は、少なくとも、前記イオン化電極の箇所に設けられてイオン化信号を形成する火炎増幅器と、制御モードにおいて、第１のアクチュエータを調節し、かつ、第２のアクチュエータを前記イオン化信号に対する目標値によって閉ループ制御する調節装置とを有しており、前記調節装置は、第１の検査ステップで制御モードを実行し、第２の検査ステップで各アクチュエータを供給比が変化するように調節してイオン化信号を検出し、第３の検査ステップで前記イオン化信号および記憶されたデータから目標値を計算する、制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料品質の変化などの外的な障害影響や、燃焼に作用する温度または圧力変動を補正するために、空燃比、すなわち、いわゆる空気過剰率λが制御される。これを利用した構造物は燃料空気コンビネーションシステムとも称される。空気過剰率λを検出するための低コストのセンサはイオン化電極である。交流電圧が印加されると、火炎およびイオン化電極を通ってイオン化電流が流れ、このイオン化電流がバーナーのそのつどの出力に基づいて設定される目標値へ向かって制御される。イオン化電流はそのつどの出力点での空気過剰率によって変化するので、こうした装置により空気過剰率を制御することができる。
【０００３】
冒頭に言及した形式の制御装置は、例えば欧州特許第０７７０８２４号に記載されている。ここでは、化学量論値λ＝１を上回って、例えばλ＝１．３となるように、空気過剰率が制御される。制御目標値の較正に際してλ＝１でのイオン化電流最大値が求められ、この最大値に基づいて次の制御目標値が計算される。計算の際には、その時点のイオン化電流値と測定された最大値との差が維持される。この手法では、アクチュエータの特性曲線の良好な再現性は必ずしも要求されないが、空気過剰率がλ＝１を上回ると短時間ではあるものの大量のＣＯ放出が発生する。
【０００４】
欧州特許第０６９７６３７号には、規則的に通常モードを中断して制御装置の機能監視を行う方法が示されている。ここでは、システムセンサの検査値が基準値からの偏差の設定値を上回ると、エラー信号が出力される。基準値および基準値からの偏差の値は１基準サイクル内で定められている。また、この文献では、当該の基準サイクルにおいて、空気温度、空気圧、空気湿分などの障害量を変化させ、システムの有効な駆動状態を制限し、そこから基準値としての最大偏差を定めることも提案されている。しかし、ここでの機能監視は、基準値によって設定された駆動領域内のシステムの変化を考慮していない。さらに、障害に起因して、基準値によって設定された駆動領域を超える偏差が発生して、検査結果に誤差をもたらすことがあるが、これも、カバーされていない。ここでは、制御目標値の自動補正は行われていないのである。
【０００５】
欧州特許第１２９３７２７号には、制御モードにおけるキャリブレーションの手法が示されている。固定に設定された燃焼出力に基づき、調節信号に応答して燃料または空気の供給量を制御するアクチュエータは、イオン化信号の目標値設定回路により、λ＝１へ向かって調整される。ただし、λ＝１は超過されてはならない。アクチュエータの挙動は監視され、記憶された値と比較される。この過程は１回または複数回実行され、バーナーの動作が遮断されたかどうか、あるいは、変更なしに続行されているか、または、補正されたイオン化電流目標値特性曲線が適用されて続行されているかが評価される。ただし、こうした公知の手法では、監視されているアクチュエータの特性曲線が、正確に再現可能であって、かつ、狭いトレランス範囲の内部に収まっていなければならない。
【０００６】
国際公開第２００９／１１００１５号からは、制御モードにおいて、発生する寄生要因を検出して補償する火炎監視方法が公知である。ここでは、交流電圧源が、正負の種々の振幅値に応じてデューティ比が大きく変化する交流電圧信号を送出するように制御され、この交流電圧信号がイオン化電極に印加される。なお、この文献には、ガス空気コンビネーションシステムの制御が、イオン化電極またはバーナーの付着物やイオン化電極の撓みないしずれに起因するイオン化信号のドリフトによって損なわれうることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許第０７７０８２４号
【特許文献２】欧州特許第０６９７６３７号
【特許文献３】欧州特許第１２９３７２７号
【特許文献４】国際公開第２００９／１１００１５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、燃焼値の設定限界を超過することなく、イオン化電流のドリフトを簡単かつ確実に補正できるバーナー装置用の制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、第２の検査ステップにおいて、調節装置が、各アクチュエータを、化学量論値λ＝１を上回る空気過剰率に相当する供給比へ調節することにより解決される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の、イオン化信号による制御を行う制御装置を備えたバーナー装置の概略図である。
【図２】図１の制御装置における、イオン化電流を測定するための火炎増幅器の回路図である。
【図３】図２の回路図から導出された、イオン化電流測定に対する直流電流等価回路図である。
【図４】火炎増幅器の出力側でのイオン化電流値を、誤差抵抗がない場合の送風機回転数ｎと空気過剰率λとの関数として示したグラフである。
【図５】火炎増幅器の出力側でのイオン化電流値を、誤差抵抗がある場合の送風機回転数ｎと空気過剰率λとの関数として示したグラフである。
【図６】火炎増幅器の出力側でのイオン化電流値を、誤差抵抗が補正ループの実行によって補正される場合の送風機回転数ｎと空気過剰率λとの関数として示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実験観察に基づく厳密なモデリングで、空気過剰率変化分が小さい場合にも、化学量論値λ＝１を上回る領域における空気過剰率の意図的な変更をともなう検査を行い、イオン化信号を測定することによって、目標値の計算が良好に近似されることが示された。この手段では、欧州特許第０７７０８２４号から知られるような空気過剰率の大きな低減に比べて、熱パルスや、障害物質放出によるバーナーまたはイオン化電極の汚染がほとんど発生しない。熱パルスや汚染は、状況によって、撓みまたは付着物の形成を一段と増幅し、さらにドリフトを生じさせることもある。したがって、これらを考慮することで、実験結果の精度が高まる。イオン化信号のドリフトを考慮して、検査を反復すれば、目標値が、信頼性の高い所望の値、すなわち、本来の正確な空気過剰率を反映した値へ収斂するのである。
【００１２】
本発明の有利な実施形態によれば、空気過剰率は、値Δλ＜−０．０６だけ低減され、値λ＞１．０５へ変更される。すなわち、当該の空気過剰率領域では、一方で、ドリフトが小さいとき、目標値を正確に計算するために、雑音値を上回るイオン化信号を測定するのに充分であり、他方で、ドリフトが大きいとき、空気過剰率領域の下方限界値を確実に維持することができる。なぜなら、ドリフトは緩慢にしか発生せず、検査は有利には駆動時間３０００ｈ後から規則的に繰り返されるからである。
【００１３】
本発明の別の有利な実施形態によれば、一方のアクチュエータ、有利には燃料を供給しているアクチュエータの位置が維持され、他方のアクチュエータの位置が変更される。片方のアクチュエータの位置が維持されることにより、検査結果が製造誤差に依存しなくなる。
【００１４】
本発明の別の有利な実施形態によれば、計算された目標値と記憶されているデータとに基づいて、記憶されているイオン化信号の目標値特性曲線が置換される。付加的に、目標値特性曲線が極端に変化した場合、警報が出力されるかまたは障害時シャットダウンが行われ、特に、燃料を供給しているアクチュエータが閉鎖される。
【実施例】
【００１５】
以下に、本発明の実施例を、図を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
図１には、本発明の制御装置を備えたバーナー装置の概略図が示されており、この制御装置は通常モードで燃料空気コンビネーションシステムを閉ループ制御する。バーナーによって生じた火炎１を通るイオン化電流は、イオン化電極２を介して火炎増幅器３によって検出される。電流路は火炎増幅器３の端子を介してバーナーアースに接続されている。火炎増幅器３によって処理されたイオン化信号４は調節装置５へ転送され、通常モードにおける閉ループ制御のための入力信号として用いられる。イオン化信号４はこの場合にはアナログ電気信号として形成されているが、これに代えて、ディジタル信号または２つのソフトウェアモジュールユニットの変数として形成することもできる。
【００１７】
調節装置５は、熱エネルギを設定するための外部の要求信号１１を受け取る。当該の要求信号１１によって閉ループ制御がオンオフされる。例えば、ここでは、図示されていない上位の温度制御回路によって熱要求信号が形成されている。こうしたエネルギ設定値は、もちろん、他の外部負荷によって形成されてもよいし、あるいは、直接に手動で、例えばポテンショメータを介して設定されてもよい。
【００１８】
通常、要求信号１１は調節装置５に格納されたデータを用いて２つのアクチュエータ６，７のうち一方へマッピングされる。有利には、要求信号１１は第１のアクチュエータとしての送風機６に対する回転数目標値へマッピングされる。当該の回転数目標値は、送風機６から返送されてきた回転数信号９と比較される。調節装置５に組み込まれている回転数制御回路により、送風機６は第１の調節信号８によって、設定された要求信号１１に相当する空気１２の目標圧送量へ向かって制御される。もちろん、これに代えて、要求信号１１を直接に送風機６の第１の調節信号８へマッピングすることもできるし、そうでなく、要求信号１１を、作業を実行している第２のアクチュエータ７である燃料弁へマッピングすることもできる。
【００１９】
第２のアクチュエータ７、有利には燃料弁により、燃料１３の供給に関して、空気過剰率が追従制御される。この制御は、調節装置５において、設定された要求信号１１が所定の関数によってイオン化目標値へマッピングされることにより、行われる。当該の目標値はイオン化信号４と比較される。調節装置５内に実現されている制御ユニットを介して、制御差により、空気過剰率に追従する燃料弁７が閉ループ制御される。したがって、イオン化信号４が変化すると、第２の調節信号１０を介して、燃料弁７の位置、ひいては、燃料１３の流量が変更される。設定された空気量のもとで燃料量を変化させることによって火炎１およびイオン化電極２を通るイオン化電流が変化し、最終的に、イオン化信号４の実際値が設定された目標値に再び等しくなるという変化が生じて、制御ループが閉成されることになる。
【００２０】
図２には、イオン化電流を測定するための火炎増幅器３の電気回路図が示されている。欧州公開第２１５４４３０号の図３Ａにも相応のことが示されている。この場合、イオン化電極には交流電圧が印加される。火炎の直流作用に基づいて、イオン化電流は火炎を通る一方向のみに流れる。イオン化電流の大きさは火炎の火炎抵抗に応じて変化し、空気過剰率に対する尺度を形成する。
【００２１】
当該の回路は、交流電圧源１４と、電流制限抵抗１５と、火炎等価回路１６として示されている火炎およびイオン化電極の電気的等価物と、出力側１８からイオン化信号を出力する線形の増幅器１７とから形成されている。出力側１８は直接にイオン化信号を送出する。これに代えて、出力側１８と調節装置とを電流的に分離するための回路部を接続することもできる。交流電圧源１４は、この実施例では、所定の入力交流電圧が印加されるトランスによって実現されている。
【００２２】
増幅器１７は火炎等価回路１６を通るイオン化電流を測定する。ここで、交流電圧源１４への端子は仮想的にアースへ置かれる。増幅器１７はイオン化電流を平均し、本来のイオン化回路の出力側１８を分離する。イオン化電流平均値は、出力側１８の電圧と増幅器１７のフィードバック抵抗とから直接に計算することができる。イオン化電流平均値は準定常的な直流値に相当する。準定常的とは、回路内の時間素子と交流電圧源１４に起因する純粋な交流電圧信号とが出力側１８で何の役割も有さなくなることを意味する。したがって、出力側１８の信号は、火炎等価回路１６内の抵抗のきわめて緩慢な変化のみに追従する。
【００２３】
こうして、イオン化電流平均値に対して、図３に示されているような簡単な等価回路が得られる。直流電圧源１９は、直流電圧Ｕに基づいて、電流制限抵抗１５と火炎抵抗２０と誤差抵抗２１とを通る直流電流２２を形成する。
【００２４】
火炎等価回路１６内の電気的等価物としての抵抗は、図３の直列に接続された２つの抵抗、すなわち、通常モードでの本来の火炎抵抗２０と、上述したイオン化電極またはバーナーへの付着物に起因する誤差抵抗２１とから成る合成抵抗と見なすことができる。付着物は、特に、酸化プロセス、または、汚染油の燃焼による煤の発生、または、空気供給時の塵埃混入などに起因する、イオン化電極ないしバーナーでの沈着によって発生する。この場合、強い絶縁性を有する付着物が発生し、誤差抵抗２１の増大によって準定常的な直流電流２２の値が変化してしまうことがある。
【００２５】
モデルについては後述する。このモデルを用いれば、検査に対して空気過剰率の小さな変化があれば充分であり、目標値を確実に新たに計算して補正するための良好な結果が得られることが判明している。これにより、空気過剰率を目標値に維持することができる。
【００２６】
イオン化電極の撓みまたはずれは、前述の場合と同様に、図３の等価回路の誤差抵抗２１により考慮される。ここで、誤差抵抗２１は負の値を取ることもある。
【００２７】
さらに、図示されていないが、火炎の領域において本来の火炎等価回路１６に対して平行な寄生導電路が発生することがある。こうした寄生導電路は、持続的に存在する場合には火炎抵抗２０によって、また、時間的に変化しながら発生する場合には誤差抵抗２１によって、計算に組み入れられるかまたはその作用が考慮される。
【００２８】
直流電圧源１９の直流電圧Ｕは、図２の交流電圧源１４によって生じる電流が火炎すなわち火炎等価回路１６を通って有効に流れるのにかかる時間から得られる。当該の時間は、導通半波にわたる電圧平均値と阻止半波にわたるゼロ電圧値とから、平均値として計算される。図２の交流電圧源１４の交流電圧が振幅Ｕ１の正弦波交流電圧である場合、図３の直流電圧源１９の直流電圧はＵ＝Ｕ１／πとなる。
【００２９】
図３の直流電流２２は図２の出力側１８の電圧と増幅器１７のフィードバック抵抗とから直接に求められる。当該の直流電流２２は、後置接続された調節装置の入力側で、イオン化信号として用いられる。
【００３０】
図３の等価回路図は、もちろん、図２の回路装置にしか適用できないわけではない。当該の等価回路図は、基本的には、調節装置に対する出力信号が火炎抵抗の変化に起因する準定常的な直流電流２２に対応する、火炎信号検出システムの多くに適用可能である。この場合、火炎信号を検出するための電気回路で直流電流が形成され、この直流電流が図３の回路の準定常的な直流電流２２へマッピングされる。実際の火炎抵抗は図３の等価回路図の火炎抵抗としてマッピングされ、ここで、他の回路要素、例えば測定抵抗の値も、火炎抵抗２０の値に含めて計算される。同様に、誤差抵抗２１および電流制限抵抗１５および直流電圧源１９は、他の回路からのマッピングの結果として解釈することができる。
【００３１】
図４には、３次元シミュレーションとして、送風機回転数ｎと空気過剰率λとの関数によって火炎増幅器３の出力側１８のイオン化電流値Ｉが示されている。送風機回転数ｎおよび空気過剰率λによって定められる面Ｆ１に、イオン化電流値曲線Ｉ１が示されている。記憶されている目標値特性曲線Ｓ１により、すべての送風機回転数ｎに対して、イオン化電流Ｉが設定された目標値へ向かって閉ループ制御される。空気過剰率λが一定でありかつ送風機回転数ｎが可変であると仮定される場合、バーナーに固有の面Ｆ１とｎ／λ平面の空気過剰率曲線Ｌ１とにしたがって、イオン化電流値曲線Ｉ１の特性が得られ、ひいては、ｎ／Ｉ平面の目標値特性曲線Ｓ１が得られる。
【００３２】
図４に示されている特性は、イオン化電流のドリフトがなく、誤差抵抗２１が発生しないという条件のもとで相当する。この場合、良好であると判別された基準測定区間を用いて、電流制限抵抗１５と火炎抵抗２０との和が直流電圧源１９の既知の直流電圧Ｕと直流電圧２２の測定値または計算値とから計算される。
【００３３】
イオン化電流のドリフトが生じてこれにより誤差抵抗２１が発生した場合には、図５に示されている特性が得られる。ここで、図４の面Ｆ１と図５の面Ｆ２とはほぼ同様の形状を有しているが、図５の面Ｆ２のほうが下方へずれている。
【００３４】
ドリフトがある場合、イオン化電流目標値に対する目標値特性曲線Ｓ１が等しくても、別のイオン化電流値曲線Ｉ２およびｎ／λ平面の別の空気過剰率曲線Ｌ２が生じる。これらの曲線にしたがうと、種々の送風機回転数ひいては種々のバーナー出力に対してそもそも空気過剰率が一定の所望値を維持できない。
【００３５】
ドリフトを識別するために、検査プロセスが用いられる。このために、燃料空気コンビネーションシステムの閉ループ制御が有利には固定の始点Ａで開始される。このために、送風機回転数ｎとそこから得られる空気流量とが始点Ａの記憶値へ移行される。燃料弁７に対する第２の調節信号１０、ひいては燃料流量が、閉成された制御ループにおいて追従制御される。空気過剰率は、目標値特性曲線Ｓ１にしたがって設定される値に達するが、これは、ドリフトがない場合には所望の値に相当する。有利には、所定の時間窓での平均値形成によって、燃料弁の位置が求められる。
【００３６】
検査プロセスの第２のステップとして、始点Ａでの制御された安定状態から検査点Ｂへの運動が行われる。これは、送風機（ブロワー）の回転数ｎを所定の記憶値だけ低減し、燃料弁７の位置を一定に保持することによって行われる。このとき、空気過剰率は、どの程度の変化分であれ、一定の空気過剰率変化分Δλだけ低減される。イオン化電流値は所定の時間窓にわたる平均値形成によって測定される。
【００３７】
次に説明する第３のステップでは、検査点Ｂでの測定値を用いて、比較点Ｃでのイオン化電流目標値が新たに計算される。
【００３８】
選択的手段として、それまでの目標値を用いて検査点Ｂから比較点Ｃへの移行を行うこと、つまり、送風機の回転数を変更せずにとどめておき、燃料弁をイオン化電流値曲線Ｉ１にしたがって設定された空気過剰率へ追従制御することが挙げられる。有利には、閉ループ制御を開始する前に、燃料弁が予測位置に相当する記憶値へ向かって開制御される。検査点Ｂと比較点Ｃとのあいだの空気過剰率変化分Δλは、図４，図５からわかるように、誤差抵抗２１がある場合とない場合とでほぼ等しい大きさである。しかし、誤差抵抗２１のために、先行の目標値による図５のイオン化電流値の変化幅Ｈ２は図４の対応するイオン化電流値の変化幅Ｈ１よりも格段に小さくなっている。このように、空気過剰率の変化分Δλに応答したイオン化電流の変化幅Ｈ２によって、空気過剰率を変更する閉ループ制御が明らかとなる。変化幅Ｈ２が測定されると、改善のための目標値が計算され、空気過剰率が補正されるのである。
【００３９】
その後、ドリフトの検査プロセスが終了され、要求信号１１による閉ループ制御をともなう通常モードが再び行われる。
【００４０】
ドリフトの検査プロセスは１つまたは複数の検査点で行うことができる。複数の検査点を設ける場合、誤差抵抗２１とバーナー出力との依存関係が識別され、補正の際にこれが考慮される。
【００４１】
関連するタイプのバーナーに対する設定プロセスにおいて、有利には、選択された送風機回転数ｎでの関数Ｉ＝ｆ（λ）上の検査点Ｂと比較点Ｃとのあいだに大きな差があるときにも、イオン化電流値が安定となる検査点Ｂが選択される。これにより、大きな信号雑音比が得られる。検査点Ｂは、こうした境界条件のもと、関数Ｉ＝ｆ（λ）に沿った広い領域において選択することができる。この場合、関数の形状および特性は未知のままである。前提となるのは、当該の関数が検査点Ｂの測定領域で単調に増大または低下することのみである。後述する目標値補正のための計算手法のおかげで、空気過剰率をλ＞１．０５へ変更する制御が行われる場合、当該の条件が典型的に与えられることが判明している。有利には、空気過剰率が制御状態から少なくともΔλ＜−０．０６だけ低減される。空気過剰率がλ＝１．３へ設定されている特定のタイプのバーナーに対しては、最適な空気過剰率変化分はΔλ＝−０．１５となっている。これに代えて、空気過剰率を少なくともΔλ＝＋０．０８だけ増大してもよい。この選択的手段は、バーナーが検査点Ｂと比較点Ｃとで異なる傾きを有し、僅かな回数の反復ステップのみで良好な収斂を呈する場合、特に有利である。空気過剰率変化分があまりに大きく、例えば、Δλ＞＋０．５である場合には、火炎温度の落ち込みによって障害物質の放出が発生したり、火炎１が消弧したりするおそれさえある。
【００４２】
図４に示されている始点Ａは、空気過剰率を空気量によってΔλだけ変更することにより、設定された検査点Ｂから直接に得られる。
【００４３】
始点Ａおよび検査点Ｂでの送風機回転数ｎは、設定値として、通常モードの前に制御装置に記憶されている。有利には、誤差抵抗２１なしのシステムでの検査点Ｂのイオン化電流値も、複数回の測定にわたって平均され、補正値の計算のために調節装置５に記憶されている。
【００４４】
比較点Ｃは、イオン化電流値曲線Ｉ１上の送風機回転数に対する検査点Ｂを選択することにより得られる。
【００４５】
ドリフト補正のために第３のステップで新たな目標値を計算する際には、空気過剰率がほぼ一定のΔλだけ変化するよう、誤差抵抗２１から独立に送風機回転数が変更されるという事実が利用される。検査点Ｂの近傍ではイオン化電流変化分が小さいため、火炎抵抗２０が１次近似で一定であると仮定される。検査点Ｂでの誤差抵抗と比較点Ｃでの誤差抵抗とが等しいという当該の仮定のもとで、誤差抵抗２１なしで求められたイオン化電流値を用いることにより、補正された目標値が計算される。また、誤差抵抗２１も求めることができる。
【００４６】
上述した、比較点Ｃでの目標値の再計算をともなう検査を反復することにより、比較点Ｃでの目標値への迅速な収斂が達成され、当該の値は、誤差抵抗２１が変化しなければ、さらなる反復が行われても変化しない。
【００４７】
図６には、検査点Ｂでの誤差抵抗と比較点Ｃでの誤差抵抗とが等しいものと仮定して、第１の検査の後に得られる曲線Ｓ２，Ｉ３，Ｌ３が示されている。補正された目標値特性曲線Ｓ２は上述した計算から既知となった誤差抵抗２１と記憶されている目標値特性曲線Ｓ１とによって計算される。図６の面Ｆ２には、イオン化電流値曲線Ｉ３が示されている。ｎ／λ平面における空気過剰率曲線Ｌ３は、第１の検査後、図４に示されている空気過剰率曲線Ｌ１に比較的近似している。イオン化電流の変化幅Ｈ３は、変化幅Ｈ１に等しくはないが、一定の値へ増大している。１回または２回の反復の後、実際には、空気過剰率曲線Ｌ１に対する空気過剰率曲線Ｌ３の差はもはや存在しなくなる。
【００４８】
誤差抵抗が比較点Ｃと検査点Ｂとで大きく異なる場合には、目標値を補正する際にもこれを考慮しなければならない。この差は、比較点Ｃでの誤差抵抗と検査点Ｂでの誤差抵抗との比を表す補正係数Ｋのかたちで考慮される。当該の比を表す補正係数Ｋは付着物層の組成に応じて変化し、一般に１から２までのあいだの値を取る。
【００４９】
比較点Ｃでの誤差抵抗は検査点Ｂでの誤差抵抗と補正係数Ｋとから求められ、新たな目標値特性曲線Ｓ２は目標値特性曲線Ｓ１のいずれの点においても後述するように得られる。
【００５０】
検査点Ｂでは、測定されたイオン化電流と、同じバーナー装置の誤差抵抗がない場合の記憶値とから、誤差抵抗２１が計算される。所与の目標値特性曲線Ｓ１を用いて、比較点Ｃでの新たな目標値と新たな目標値特性曲線Ｓ２の他の全ての点とが計算される。複数の検査点Ｂが存在する場合、全ての検査点Ｂで比較点Ｃの新たな目標値が計算され、所与の目標値特性曲線Ｓ１と送風機回転数の間隔によって重みづけされた２つの補正値の平均値とから、他の目標値特性曲線の点が求められる。ただし、もちろん、別の計算手法を適用することもできる。
【００５１】
なお、補正された目標値特性曲線Ｓ２が初期の目標値特性曲線Ｓ１に比べて極端に大きく低下する場合には、ふつう、通常モードで動作していたシステムが遮断される。これは、火炎抵抗２０を誤差抵抗２１から充分に分離できず、結合が生じてしまうためである。付加的に、目標値特性曲線の偏差が或る程度の大きさとなったときに、警報を形成するかまたは障害時シャットダウンを行うこともできる。
【００５２】
誤差抵抗のないバーナー装置に対する検査点Ｂおよび比較点Ｃでのイオン化電流値は、あらかじめ、設定プロセスにおいて求められている。この場合、空気過剰率を直接または間接に測定可能なセンサを用いて、プロトタイプに対して設定された空気過剰率を有する目標値特性曲線Ｓ１が形成されている。これにより、比較点Ｃでのイオン化電流目標値ＩＣ０が既知となる。また、プロトタイプでは検査点Ｂが設定され、対応するイオン化電流値ＩＢ０が測定される。プロトタイプの検査点Ｂでのイオン化電流値ＩＢ０と比較点Ｃでのイオン化電流目標値ＩＣ０を含む目標値特性曲線Ｓ１とは、調節装置５での後の処理のために記憶されている。
【００５３】
続いて、検査プロセスの動作中、検査点Ｂのイオン化電流値ＩＢ１，ＩＢ２，…，ＩＢｎが検出されるが、これらの値は発生するドリフトのためにＩＢ０から偏差していることがある。検出されたイオン化電流値は、散乱を低減するために、複数回の検査にわたって平均される。この場合、イオン化電流値ＩＢ０の補正は平均測定値によって行われる。
【００５４】
通常モード中、基本的に正の値だけでなく負の値も取り得る誤差抵抗２１が発生する場合、測定されたイオン化電流値ＩＢ１は空気過剰率値の変化および誤差抵抗の変化に基づいて変化する。当該の変化は、図４，図５に示されているように、面Ｆ１から面Ｆ２への投影を生じさせる。
【００５５】
検査点Ｂでの関数Ｉ＝ｆ（λ）の傾きが比較点Ｃでの傾きに比べて小さいため、検査点Ｂでの火炎抵抗は比較点Ｃでの火炎抵抗に比べてわずかしか変化しない。したがって、１次近似では、検査点Ｂでの火炎抵抗は、誤差抵抗がある場合とない場合とで、ほぼ等しいと見なすことができる。図３の等価回路によれば、比較点Ｃでの補正されたイオン化電流目標値は、検査後の閉ループ制御モードにおいてその時点のイオン化電流値ＩＣ１に等しくなり、検査点Ｂでの誤差抵抗と比較点Ｃでの誤差抵抗とが等しいと仮定した場合、
（１／ＩＣ１）＝（１／ＩＢ１）−（１／ＩＢ０）＋（１／ＩＣ０）
によって得られる。検査プロセスでは、調節装置５が当該の式にしたがって新たな目標値を計算する。有利には、当該の式は、マイクロプロセッサ上のプログラムフローにおいて、固定に設定されている。次回の反復の際には検査点Ｂは既に目標値に近似しており、誤差抵抗がある場合の火炎抵抗も誤差抵抗がない場合の火炎抵抗も良好に近似され、目標値は
（１／ＩＣ２）＝（１／ＩＢ２）−（１／ＩＢ０）＋（１／ＩＣ０）
によって得られる。ｋ回の反復によって誤差抵抗が等しくなるのであれば、新たな目標値は
（１／ＩＣｋ）＝（１／ＩＢｋ）−（１／ＩＢ０）＋（１／ＩＣ０）
によって一定の値へ変換される。
【００５６】
このことは、電流値ＩＣ０を目標値特性曲線Ｓ１の電流値Ｉｎ０＝ｆ（ｎ）によって置換し、ｋ回目の反復後の値Ｉｎｋを
（１／Ｉｎｋ）＝（１／ＩＢｋ）−（１／ＩＢ０）＋（１／Ｉｎ０）
から得ることによって、目標値特性曲線Ｓ１の全ての点に対して等価的に実行可能である。電流Ｉｎｋの値をｋ回反復すると、目標値特性曲線Ｓ２の値が得られる。図６によれば、第１の検査後、充分に良好な目標値特性曲線Ｓ２の補正値が得られる。実際には、１回から２回の反復を行えば、終値が得られる。
【００５７】
付着物の性質によって検査点Ｂでの誤差抵抗と比較点Ｃでの誤差抵抗とを等しいと仮定できない場合、上述した式を２つの誤差抵抗間の係数Ｋによって、
（１／Ｉｎｋ）＝Ｋ｛（１／ＩＢｋ）−（１／ＩＢ０）｝＋（１／Ｉｎ０）
のように適合化することができる。係数Ｋは付着物の性質に応じて変化する値であり、設定プロセスにおける実験によって求められる。
【００５８】
２つ以上の点、例えば高出力の点と低出力の点とで検査が行われる場合、誤差抵抗２１の種々の値が、補正された目標値特性曲線Ｓ２を求めるために、送風機回転数または他の出力値に関して重みづけされる。
【符号の説明】
【００５９】
１ 火炎、 ２ イオン化電極、 ３ 火炎増幅器、 ４ イオン化信号、 ５ 調節装置、 ６ 第１のアクチュエータ、 ７ 第２のアクチュエータ、 ８ 第１の調節信号、 ９ 回転数信号、 １０ 第２の調節信号、 １１ 要求信号、 １２ 空気、 １３ 燃料、 １４ 交流電圧源、 １５ 電流制限抵抗、 １６ 火炎等価回路、 １７ 増幅器、 １８ 出力側、 １９ 直流電圧源、 ２０ 火炎抵抗、 ２１ 誤差抵抗、 ２２ 直流電流、 Ｕ 直流電圧、 ｎ 回転数、 λ 空気過剰率、 Ｉ イオン化電流値、 Ａ 始点、 Ｂ 検査点、 Ｃ 比較点、 Ｆ１，Ｆ２ 面、 Ｓ１，Ｓ２ 目標値特性曲線、 Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３ イオン化電流値曲線、 Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ 空気過剰率曲線、 Δλ 空気過剰率変化分、 Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３ イオン化電流変化幅
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナーと、該バーナーへの燃料および空気の供給を調整する複数のアクチュエータと、火炎領域に配置されたイオン化電極とを備えたバーナー装置に対する制御装置であって、
当該の制御装置は、少なくとも、前記イオン化電極の箇所に設けられてイオン化信号を形成する火炎増幅器と、制御モードにおいて、第１のアクチュエータを調節し、かつ、第２のアクチュエータを前記イオン化信号に対する目標値によって閉ループ制御する調節装置とを有しており、
前記調節装置は、第１の検査ステップで制御モードを実行し、第２の検査ステップで各アクチュエータを供給比が変化するように調節してイオン化信号を検出し、第３の検査ステップで前記イオン化信号および記憶されたデータから目標値を計算する、
制御装置において、
前記第２の検査ステップにおいて、前記調節装置（５）は、前記各アクチュエータ（６，７）を、化学量論値λ＝１を上回る空気過剰率に相当する供給比へ調節する
ことを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記第２の検査ステップにおいて、前記調節装置（５）は、前記空気過剰率を値λ＞１．０５へ変化させる、請求項１記載の制御装置。
【請求項３】
前記第２の検査ステップにおいて、前記調節装置（５）は、前記空気過剰率を、値Δλ＜−０．０６だけ低減して、値λ＞１．０５へ変化させる、請求項１または２記載の制御装置。
【請求項４】
前記調節装置は、遅くとも、駆動時間が３０００ｈを過ぎると、検査を反復する、請求項１から３までのいずれか１項記載の制御装置。
【請求項５】
前記第２の検査ステップにおいて、前記調節装置（５）は、一方のアクチュエータ（７）の位置を維持し、他方のアクチュエータ（６）の位置を変更する、請求項１から４までのいずれか１項記載の制御装置。
【請求項６】
前記第２の検査ステップにおいて、前記調節装置（５）は、燃料（１３）を供給している前記第２のアクチュエータ（７）の位置を維持し、空気（１２）を供給している前記第１のアクチュエータ（６）の位置を変更する、請求項１から５までのいずれか１項記載の制御装置。
【請求項７】
前記調節装置（５）は、空気供給または燃料供給を種々に変化させて、前記第１の検査ステップおよび前記第２の検査ステップおよび前記第３の検査ステップを反復する、請求項１から６までのいずれか１項記載の制御装置。
【請求項８】
第４の検査ステップで、前記調節装置（５）は、計算された少なくとも１つの目標値（ＩＣ１１，ＩＣ２１，…，ＩＣｎ１）と記憶されているデータとに基づいて、記憶されているイオン化信号の目標値特性曲線（Ｓ１）を置換する、請求項１から７までのいずれか１項記載の制御装置。
【請求項９】
第４の検査ステップで、前記調節装置（５）は、計算された少なくとも１つの目標値（ＩＣ１１，ＩＣ２１，…，ＩＣｎ１）と記憶されているデータとに基づいて、障害時シャットダウンを行い、例えば燃料を供給している第２のアクチュエータ（７）を閉鎖する、請求項１から８までのいずれか１項記載の制御装置。
【請求項１０】
前記記憶されているデータは少なくとも部分的に設定プロセスで検出されたイオン化信号の目標値特性曲線を含む、請求項８または９記載の制御装置。
【請求項１】
バーナーと、該バーナーへの燃料および空気の供給を調整する複数のアクチュエータと、火炎領域に配置されたイオン化電極とを備えたバーナー装置に対する制御装置であって、
当該の制御装置は、少なくとも、前記イオン化電極の箇所に設けられてイオン化信号を形成する火炎増幅器と、制御モードにおいて、第１のアクチュエータを調節し、かつ、第２のアクチュエータを前記イオン化信号に対する目標値によって閉ループ制御する調節装置とを有しており、
前記調節装置は、第１の検査ステップで制御モードを実行し、第２の検査ステップで各アクチュエータを供給比が変化するように調節してイオン化信号を検出し、第３の検査ステップで前記イオン化信号および記憶されたデータから目標値を計算する、
制御装置において、
前記第２の検査ステップにおいて、前記調節装置（５）は、前記各アクチュエータ（６，７）を、化学量論値λ＝１を上回る空気過剰率に相当する供給比へ調節する
ことを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記第２の検査ステップにおいて、前記調節装置（５）は、前記空気過剰率を値λ＞１．０５へ変化させる、請求項１記載の制御装置。
【請求項３】
前記第２の検査ステップにおいて、前記調節装置（５）は、前記空気過剰率を、値Δλ＜−０．０６だけ低減して、値λ＞１．０５へ変化させる、請求項１または２記載の制御装置。
【請求項４】
前記調節装置は、遅くとも、駆動時間が３０００ｈを過ぎると、検査を反復する、請求項１から３までのいずれか１項記載の制御装置。
【請求項５】
前記第２の検査ステップにおいて、前記調節装置（５）は、一方のアクチュエータ（７）の位置を維持し、他方のアクチュエータ（６）の位置を変更する、請求項１から４までのいずれか１項記載の制御装置。
【請求項６】
前記第２の検査ステップにおいて、前記調節装置（５）は、燃料（１３）を供給している前記第２のアクチュエータ（７）の位置を維持し、空気（１２）を供給している前記第１のアクチュエータ（６）の位置を変更する、請求項１から５までのいずれか１項記載の制御装置。
【請求項７】
前記調節装置（５）は、空気供給または燃料供給を種々に変化させて、前記第１の検査ステップおよび前記第２の検査ステップおよび前記第３の検査ステップを反復する、請求項１から６までのいずれか１項記載の制御装置。
【請求項８】
第４の検査ステップで、前記調節装置（５）は、計算された少なくとも１つの目標値（ＩＣ１１，ＩＣ２１，…，ＩＣｎ１）と記憶されているデータとに基づいて、記憶されているイオン化信号の目標値特性曲線（Ｓ１）を置換する、請求項１から７までのいずれか１項記載の制御装置。
【請求項９】
第４の検査ステップで、前記調節装置（５）は、計算された少なくとも１つの目標値（ＩＣ１１，ＩＣ２１，…，ＩＣｎ１）と記憶されているデータとに基づいて、障害時シャットダウンを行い、例えば燃料を供給している第２のアクチュエータ（７）を閉鎖する、請求項１から８までのいずれか１項記載の制御装置。
【請求項１０】
前記記憶されているデータは少なくとも部分的に設定プロセスで検出されたイオン化信号の目標値特性曲線を含む、請求項８または９記載の制御装置。
【図２】
【図３】
【図１】
【図４】
【図５】
【図６】
【図３】
【図１】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１２７６４４（Ｐ２０１２−１２７６４４Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７４６７６（Ｐ２０１１−２７４６７６）
【出願日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【出願人】（３９００３９４１３）シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト (2,104)
【氏名又は名称原語表記】Ｓｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ
【住所又は居所原語表記】Ｗｉｔｔｅｌｓｂａｃｈｅｒｐｌａｔｚ ２， Ｄ−８０３３３ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【出願人】（３９００３９４１３）シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト (2,104)
【氏名又は名称原語表記】Ｓｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ
【住所又は居所原語表記】Ｗｉｔｔｅｌｓｂａｃｈｅｒｐｌａｔｚ ２， Ｄ−８０３３３ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]