DE102010042914B4

DE102010042914B4 - Messvorrichtung und Verfahren zur Erfassung von Verbrennungsluftbestandteilen

Info

Publication number: DE102010042914B4
Application number: DE201010042914
Authority: DE
Inventors: Josef Nassenstein; Jürgen Matzantke
Original assignee: Wachtel & Co Backereimaschinen-Backofen GmbH; Wachtel & Co Baeckereimaschinen Backoefen GmbH
Current assignee: WACHTEL GMBH & CO. KG BACKOEFEN_KAELTETECHNIK, DE
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: DE102010042914A1

Abstract

Messvorrichtung zum Erfassen von Verbrennungsluftbestandteilen, die einen Messsensor mit einer Messsonde, einen elektrischen Schwingkreis und mindestens eine Spannungsquelle (46) aufweist, wobei eine Messzone (43) zur Erfassung der Verbrennungsluftbestandteile in einem Abluftkanal (80) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor als Messsonde einen kapazitiven Sensor aufweist und die Messvorrichtung (40) eine Vorrichtung zur Frequenzmodulierung (48) und/oder zur Amplitudenmodulierung enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung von Verbrennungsluftbestandteilen.
Zur Einhaltung strenger werdender Umweltvorschriften wird eine Reduktion der Feinstaubpartikel in Rauchgasen immer wichtiger.
Große Aufmerksamkeit hat die Feinstaubpartikelemission in den letzten Jahren insbesondere in der KFZ-Industrie gewonnen. Jedoch auch in industriellen Großanlagen bzw. bei prinzipiell jedem Verbrennungsprozess, bei dem Verbrennungsrückstände zurück bleiben, kann eine Feinstaubpartikelemission verursacht werden.
Daher wurden Messverfahren entwickelt, die eine Erfassung der Feinstaubbelastung in Verbrennungsgasen erfassen können. Beispielsweise sind aus dem Stand der Technik Messverfahren bekannt zur Ermittlung der Feinstaubbelastung in Rauchgas, wie z. B. die Messung der Restsauerstoffkonzentration in einem Rauchgas mittels einer so genannten Lambda-Sonde.
Die „Lambda-Sonden Regelung” hat aus heutiger Sicht folgende Nachteile: Die Sauerstoffkonzentration sagt nur indirekt bzw. nur bedingt etwas über die Vollständigkeit der Verbrennung aus. Das heißt, bei gleicher Sauerstoffkonzentration kann beispielsweise einmal mehr und einmal weniger Kohlenmonoxid im Rauchgas sein, abhängig von z. B. der Leistung oder dem Wassergehalt des Brennstoffs. Der Sollwert der Sauerstoffregelung muss daher immer so hoch gewählt werden, dass auch bei ungünstigen Randbedingungen ein hinreichend guter Ausbrand gewährleistet ist. Bei günstigen Randbedingungen (trockener Brennstoff, Nennlast) ergeben sich damit unnötige Verluste.
Die Lambda Sonden werden dabei in einem Messbereich betrieben, in dem die Empfindlichkeit sehr klein ist. Das Signal einer Lambda-Sonde muss somit erheblich verstärkt werden, damit es für die Regelung beispielsweise einer Biomassefeuerung eingesetzt werden kann. Dabei werden aber auch die Signalfluktuationen mit verstärkt und der Zusammenhang zwischen dem Signal der Lambda-Sonde und der tatsächlichen Sauerstoffkonzentration ist mit einer großen Streubreite behaftet.
Zudem ist ein optisches Partikelzählverfahren bekannt. Bei dem Messverfahren mit einem optischen Partikelzähler ist die Messgenauigkeit jedoch stark abhängig von der Sauberkeit der optischen Bauelemente (Linsen). Diese können zum einen durch die Staubpartikel im Messmedium (Rauchgas) verschmutzt werden, zum anderen kann es durch Kondensatbildung auf der Messoptik zu einer Änderung des Brechungsindexes kommen, was in der Auswerteelektronik zu falschen Messwerten und damit verbunden zu einer falschen Regelung der Verbrennung führt.
Aus der WO 2009/047195 A2 ist eine Sensorvorrichtung zur Bestimmung von in einem Gasstrom enthaltenen elektrisch leitenden und/oder elektrisch geladenen Partikeln, insbesondere Russpartikeln im Abgasstrom eines Dieselmotors, umfassend zumindest zwei in dem Gasstrom anzuordnende Elektroden, bei der zumindest eine der Elektroden in dem im Gasstrom anzuordnenden Bereich vollständig in einen nicht-leitenden Werkstoff eingebettet ist, bekannt.
WO 2005/097332 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung einer Vorrichtung für die elektrostatische Partikelabscheidung in Gasströmen. Das Verfahren basiert auf der gemessenen Kapazität zwischen einer Messelektrode, die entweder durch die Sprühelektrode selbst oder einen separaten Rauchgasrohrabschnitt gebildet wird, welcher innerhalb des Rauchgaskanals angeordnet ist und durch welchen Abschnitt das Rauchgas strömt und dem Rauchgaskanal selbst. Diese Kapazität wird gemessen und als Führungsgröße für die Steuerung der Vorrichtung verwendet.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, den Stand der Technik zu verbessern und eine Messvorrichtung sowie ein Messverfahren zur Verfügung zu stellen, das eine bessere Verbrennung in einer Heizvorrichtung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie einem Verfahren gemäß Anspruch 10. Vor- teilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile können insbesondere in den folgenden Aspekten bestehen:
Ein Vorteil kann in der Tatsache liegen, dass ein Messsensor verwendet wird, der Teil eines frequenzmodulierten elektrischen Schwingkreises ist. So kann erreicht werden, dass es im Extremfall nur zu geringen Messfehlern durch Verschmutzung oder elektrische Signalstörungen kommen kann. Zudem kann durch eine Frequenzmodulierung des Messsignals eine höhere Genauigkeit des Sensors erreicht werden.
Folglich kann es ein weiterer Vorteil der Erfindung sein, dass eine hohe Messempfindlichkeit für unterschiedliche Feststoffpartikel erreicht wird. Es kann zudem ein Vorteil sein, dass durch die hohe Messempfindlichkeit auch fluid-artige, beispielsweise gasförmige, Bestandteile in der Verbrennungsluft erfasst werden.
Vorteilhafterweise kann so auch eine repräsentative Messung der Feinstaubkonzentration beispielsweise in Rauchgasen erreicht werden.
Es kann ein weiterer Vorteil der Erfindung sein, dass in der Messvorrichtung eine Abschirmelektrode vorgesehen ist. So kann eine weitere Erhöhung der Genauigkeit der Messvorrichtung erreicht werden, da Störeinflüsse unterdrückt werden können. Dies kann insbesondere das Signal/Rausch-Verhältnis verbessern.
Weiterhin kann es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung sein, dass zusätzlich zu der Frequenzmodulierung eine Amplitudenmodulierung vorgenommen werden kann. Dadurch kann die Genauigkeit der Messvorrichtung weiter erhöht werden.
Vorteilhaft können zudem auch die Langzeitstabilität und die einfache Handhabung der Erfindung sein.
Weiterhin kann es ein Vorteil sein, dass die Messvorrichtung mit einer Steuervorrichtung verbunden ist, welche basierend auf den Messwerten der Messvorrichtung Verbrennungsparameter steuern und/oder regeln kann. Durch entsprechendes Anpassen der Parameter kann so eine möglichst rückstandsfreie Verbrennung ermöglicht werden.
Eine Messvorrichtung zum Erfassen von Verbrennungsrückständen weist eine Messsonde, einen elektrischen Schwingkreis, mindestens eine Spannungsquelle, eine Vorrichtung zur Frequenzmodulierung sowie ein Auswertemittel auf. Die Messvorrichtung kann in einem Abluftkanal einer Verbrennungsvorrichtung vorgesehen sein. Mit der Messvorrichtung kann insbesondere ein Feinstaubanteil der Verbrennungsluft erfasst werden. Dazu wird in der Messvorrichtung ein wechselndes elektrisches Feld (Wechselfeld) erzeugt.
Zur Messung wird der Effekt ausgenutzt, dass sich die Dielektrizitätskonstanten von Luft und von Asche-/bzw. Staubpartikeln unterscheiden. Das in der Messsonde erzeugte elektrische Feld ist abhängig von dem (dielektrischen) Medium, das sich in dem Kondensator befindet. Ändert sich das Medium, beispielsweise wenn Asche-/bzw. Staubpartikel durch das Feld treten, so ändert sich auch das elektrische Feld bzw. die Kapazität C des Kondensators. Diese Änderung kann, wenn sie groß genug ist, erfasst werden. Dabei ist es prinzipiell unerheblich, was für ein Material die Änderung der Dielektrizitätskonstante in einem Messbereich verursacht. Dies können somit, wie oben beschrieben, Aschepartikel sein, aber auch ein sonstiger Stoff, der eine andere Dielektrizitätskonstante besitzt als Luft, oder, wie in dem vorliegenden Fall, eine andere Dielektrizitätskonstante als die Verbrennungsluft bei einer idealen Verbrennung.
Ein Kondensator in einem elektrischen Schwingkreis besitzt eine Resonanzfrequenz. Diese Resonanzfrequenz ist wiederum abhängig von der Kapazität des Kondensators. Ändert sich das Medium wie oben beschrieben, so ändert sich folglich auch die Resonanzfrequenz des Kondensators. Diese Änderung kann ebenfalls erfasst werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Messvorrichtung zur Erfassung einer solchen Änderung des elektrischen Feldes, also zur Erfassung von Bestandteilen der Verbrennungsluft, zwei Elektroden auf, die den Kondensator bilden. Der Kondensator ist Teil eines elektrischen Schwingkreises, der in dieser Ausführungsform durch einen Oszillator mit einer hochfrequenten Wechselspannung (beispielsweise im Bereich von 1–10 MHz) getrieben wird. In anderen Ausführungsformen kann die Wechselspannung auch in anderen Frequenzbereichen angesiedelt sein.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist eine dritte Elektrode (Abschirmelektrode) vorgesehen, aufgrund derer ein Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden kann. Zudem wird so die effektive Kapazität C_eff des Kondensators unabhängig von der Kapazität C der gesamten Messvorrichtung.
Durch die so erreichte Genauigkeit der Messvorrichtung ist es nicht nur möglich, zu erfassen, ob Verbrennungsrückstände in der Abluft enthalten sind. Vielmehr ist es möglich, die Konzentration beispielsweise von Feinstaubpartikeln zu bestimmen, und damit eine Zählung der Partikel vorzunehmen. Dies kann analog auch für andere Bestandteile der Verbrennungsluft (des Rauchgases) durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird zudem die zu vermessende Luft nicht oder nicht ausschließlich aus einem Brenner zugeführt.
Das Auswertemittel ist in der bevorzugten Ausführungsform als ein Frequenz-Digital-Wandler ausgebildet. Es sind jedoch auch andere Ausführungsformen denkbar, in denen das Feldsignal nicht frequenzmoduliert ist. So kann das Signal entweder nur oder zusätzlich auch amplitudenmoduliert sein. Das Auswertemittel müsste dann derart ausgebildet sein, dass es auch die Amplitudenmodulation auswerten kann, beispielsweise in Form eines Amplituden-Digital-Wandlers.
Auch ragt in der bevorzugten Ausführungsform die Messsonde in den Abluftkanal der Verbrennungsvorrichtung und kommt so in direkten Kontakt mit den Verbrennungsgasen. In alternativen Ausführungsformen kann die Messsonde jedoch auch derart ausgebildet sein, dass sie außerhalb des Abluftkanals angeordnet ist, wobei sich das elektrische Feld trotzdem in den Abluftkanal erstreckt. So könnten beispielsweise die den Kondensator bildenden Elektroden an gegenüberliegenden Seiten des Abluftkanals angeordnet sein. Es muss dabei lediglich sichergestellt sein, dass die Abluft das elektrische Feld durchläuft und die Empfindlichkeit der Vorrichtung hoch genug ist, um eine Störung des elektrischen Feldes zu erfassen. So ist insbesondere denkbar, dass ein Teil der Abluft durch einen schmalen Seitenarm aus dem Abluftkanal abgeführt wird, wo dann die Messung vorgenommen wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Mehrzahl von Sensoren in dem Abluftkanal vorgesehen. So kann durch Messung der Partikelanteile in der Abluft erfasst werden, ob es in einem bestimmten Abschnitt des Abluftkanals zu einer erhöhten Ablagerung von Partikeln kommt.
Es ist auch denkbar, dass sich in einer Fortbildung der Erfindung zusätzlich ein oder mehrere Drucksensoren in dem Abluftkanal befinden. In Kombination mit der Messung der Partikelbestandteile ist so eine genaue Diagnose der Abluftströmung möglich und gegebenenfalls auftretende Verstopfung, Leckagen oder ähnliche Störungen können unmittelbar lokalisiert werden.
Auch ist es in einer weiteren Fortbildung der Erfindung denkbar, dass ein derartiger Sensor in einem Wärmetauscher, beispielsweise einem Wärmetauscher für Rauchgas, verwendet wird. Auf diese Weise kann wie beschreiben die Staubemission reduziert werden. Somit kann die Gefahr von Asche-Ablagerungen in den Leitungen eines Wärmetauschers (sog. Fouling-Effekt) vermieden oder zumindest reduziert werden. Dies wiederum hat den Effekt, dass die thermische Leistung des Wärmetauschers und der im Pfad der Rauchgasseite eingebundenen Komponenten (z. B. Öfen) möglichst wenig beeinträchtigt wird.
Einzelheiten, Vorteile und zusätzliche Weiterentwicklungen der Erfindung werden anhand des Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 eine schematische Ansicht eines Regelkreises mit einer Messvorrichtung in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
2 einen schematische Aufbau einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit einem kapazitiven Messsensor.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Regelkreises einer Heizvorrichtung 10, in der eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 40 vorgesehen ist, Die Heizvorrichtung 10 weist einen Brenner 60 auf. Der Brenner 60 ist derart ausgebildet, dass ein Brennstoff darin verbrannt werden kann. Der Brennstoff kann ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff sein, oder aber auch als Pulver oder Festbrennstoff vorliegen.
Der Brenner 60 wird von einem Gebläse 61 mit Verbrennungsluft versorgt. Das Gebläse 61 ist vorzugsweise in der Luftförderrate variabel, beispielsweise durch Einstellen der Gebläseleistung, des Luftströmungsverlaufs oder der Dauer der Luftversorgung.
Die in dem Brenner 60 entstehende Abluft (in der bevorzugten Ausführungsform Rauchgas 20) strömt entlang eines Abluftkanals (Rauchgaskanal 80) weg von dem Brenner 60. Abhängig von der Effizienz der Verbrennung in dem Brenner 60 enthält das abströmende Rauchgas 20 einen gewissen Anteil an Verbrennungsreststoffen. Diese Verbrennungsreststoffe können Verbrennungsrückstände wie beispielsweise Asche- oder Feinstaubpartikel 30 sein. Es kann sich dabei jedoch auch um unverbranntes Material handeln, wie beispielsweise aufgewirbelte Feststoffe, unverbranntes Gas, etc.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform werden zur Veranschaulichung Feinstaubpartikel 30 skizziert, um das Prinzip der Erfindung zu erläutern. Dasselbe Prinzip ist jedoch auch auf andere Brennertypen übertragbar und Weiterentwicklungen sind analog auf alternative Ausführungsformen des Brenners anwendbar.
Die Heizvorrichtung weist in der bevorzugten Ausführungsform zudem eine Messvorrichtung 40 auf, die später im Detail beschrieben wird. Die Messvorrichtung 40 ist mit einer Auswertelektronik 50 verbunden. Diese ist wiederum mit einer Brennersteuerung 70 verbunden. Die Brennersteuerung 70 ist dazu vorgesehen, die Verbrennungsparameter, wie beispielsweise Luft- oder Brennstoffzufuhr, zu steuern bzw. zu regeln. Dabei verarbeitet die Brennersteuerung 70 zumindest die Informationen, die von der Auswertelektronik 50 geliefert werden.
Die oben erwähnte Messvorrichtung 40 ist in 2 dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform weist die Messvorrichtung 40 eine erste Elektrode 41 (auch als Zentrumselektrode bezeichnet) und eine zweite Elektrode 42 (auch als Erdungselektrode bezeichnet; in 2 ist diese zum Kenntlichmachen der Erdung auch mit dem Zeichen „PE” versehen) auf. Die Zentrumselektrode 41 ist hier stabförmig ausgebildet. Die Erdungselektrode 42 ist vorzugsweise in einer radialen Richtung mantelförmig um die Zentrumselektrode 41 angeordnet. Weiterhin kann die Erdungselektrode 42 insbesondere mit einer geerdeten Schutzhülle 44 verbunden sein, oder integral mit der Schutzhülle 44 ausgebildet sein. Die Schutzhülle kann beispielsweise aus Edelstahl hergestellt sein.
In anderen Ausführungsformen können die Elektroden auch andere Formen haben. Insbesondere können die Elektroden auch als Platten ausgebildet sein, oder die Zentrumselektrode wird nur teilweise von der Erdungselektrode umschlossen.
In der bevorzugten, in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Zentrumselektrode 41 länger ausgebildet als die Erdungselektrode 42 und ragt an einem Messungsseitigen Ende 40a der Messvorrichtung 40 um eine definierte Länge über die Erdungselektrode 42 hinaus. Die Zentrumselektrode 41 und die Erdungselektrode 42 werden mit einer ersten Spannungsquelle 46 versorgt. Die erste Spannungsquelle 46 liefert die Betriebsspannung U_B. Die Betriebsspannung U_B ist vorzugsweise eine hochfrequente Wechselspannung.
Das elektrische Feld, das dadurch zwischen der Zentrumselektrode 41 und der Erdungselektrode 42 aufgebaut wird, entspricht der eigentlichen Messzone 43 der Vorrichtung. Die Messzone 43 hat in der dargestellten Ausführungsform die Form eines Halbellipsoids. Die Länge des Halbellipsoids entspricht dem Überstand der Zentrumselektrode 41 in einer axialen Richtung über die Erdungselektrode 42 bzw. die Schutzhülle 44 hinaus. Die Breite der Messzone 43 entspricht der radialen Ausdehnung der Erdungselektrode 42 bzw. der Schutzhülle 44.
Zwischen den Elektroden 41, 42 ist vorzugsweise ein Werkstoff vorgesehen, der die Elektroden 41, 42 fixiert und gleichzeitig als Isolationsschicht dient. Dieser Werkstoff kann beispielsweise ein Zweikomponentenkleber sein.
Die Elektroden 41, 42 sind also im Wesentlichen ein Kondensator und bilden einen kapazitiven Sensor einer Messsonde. Zusätzlich zu den Elektroden 41, 42 ist in dem Sensor eine weitere Elektrode (Abschirmelektrode 45) vorgesehen, die auf ähnliche Weise mittels eines Werkstoffs angeordnet sein kann. Die Abschirmelektrode 45 ist derart angeordnet, dass das elektrische Feld zwischen der Zentrumselektrode 41 und der Erdungselektrode 42, bzw. die effektive Kapazität des Sensors von der Kapazität der restlichen Messvorrichtung 40 unabhängig ist. Die Abschirmelektrode 45 kann dabei entweder um die beiden Elektroden 41, 42 herum oder, wie in der bevorzugten Ausführungsform, zwischen den Elektroden 41, 42 angeordnet sein. Die Abschirmelektrode 45 wird von einer zweiten Spannungsquelle 47 mit einer Abschirmspannung U_A versorgt.
Die so gebildete Messsonde ist eine Komponente eines elektrischen Schwingkreises. Der Schwingkreis wird über einen Oszillator (Spannungsquelle 46) mit einer hochfrequenten Wechselspannung versorgt. Die Frequenz der Wechselspannung liegt in der bevorzugten Ausführungsform im Bereich zwischen 1 und 10 MHz. In alternativen Ausführungsformen können auch andere Frequenzen gewählt werden, solange die erfindungsgemäße Wirkung der Messsonde erhalten bleibt.
Der Messsensor wird, wie in 2 gezeigt ist, in der dargestellten Ausführungsform mit dem Ende 40a der Messvorrichtung 40 derart angeordnet, dass sich die erzeugte Messzone 43 in den Rauchgaskanal 80 der Heizvorrichtung erstreckt. Insbesondere kann der Messsensor durch ein Loch 81 in den Rauchgaskanal 80 eingebracht sein. Somit durchströmt zumindest ein Teil des Rauchgases einen Teil der Messzone 43, was zu einer Veränderung der Dielektrizität des durch die Elektroden 41, 42 gebildeten Kondensators führt. Dies wiederum verursacht eine Änderung der Resonanzfrequenz des Kondensators.
Es ist in anderen Ausführungsformen auch denkbar, dass die Messvorrichtung 40 nicht in direkten Kontakt mit dem Rauchgas 20 kommt, solange eine Änderung der Kapazität des Kondensators wie oben beschrieben verursacht wird.
Die Messvorrichtung 40 weist zudem eine Erfassungselektronik 48 auf. Die Erfassungselektronik 48 enthält in der bevorzugten Ausführungsform einen Begrenzerverstärker und einen Frequenz-Digital-Wandler. Der Begrenzerverstärker wandelt das Signal in einen frequenzabhängigen Rechteckimpuls um. Dieser Rechteckimpuls wird anschließend in dem Frequenz-Digital-Wandler in elektrische Spannungswerte umgesetzt.
Im Folgenden wird das Messprinzip der vorliegenden Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsform beschrieben.
Das Messprinzip der in der gezeigten bevorzugten Ausführungsform der Messvorrichtung beruht auf der Störung des elektrischen Feldes durch Feinstaub-beladenes Rauchgas 20 in der Heizvorrichtung 10. Die elektrische Feldstörung gegenüber Luft (die Dielektrizitätskonstante ε ist für Luft 1) steigt mit dem Anteil der Feinstaubpartikel 30. Das elektrische Feld wird zwischen der Zentrumslektrode 41 im Zentrum des Messfühlers 40 und der Erdungselektrode 42 durch Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung aufgebaut.
Zwischen der Zentrumselektrode 41 und der Edelstahl-Hülle 44 wird die Betriebsspannung U_B 46 angelegt. Mit Hilfe der Abschirmspannung U_A 47, die zwischen der Abschirmelektrode 45 und der Edelstahl-Hülle 44 anliegt, wird ein hohes Signal zu Rausch-Verhältnis erzielt, und zugleich wird die gemessene Kapazität C_eff von der Kapazität der gesamten Messvorrichtung unabhängig. Die Zentrumselektrode 41 und die Erdungselektrode 42 bilden den kapazitiven Sensor, welcher Komponente eines elektrischen Schwingkreises ist.
Der Schwingkreis wird über einen Oszillator mit einer hochfrequenten Wechselspannung im Bereich von 1 bis 10 MHz gespeist. Sowohl die Amplitude als auch die Resonanzfrequenz des Signals in dem Schwingkreis wird abhängig von der Dielektrizitätsänderung verstimmt. In dem Begrenzerverstärker wird das Spannungssignal in einen ausschließlich frequenzabhängigen Rechteckimpulsverlauf umgewandelt (Frequenzmodulation des Signals) und in einem anschließenden Frequenz-Digital-Wandler in digitale Spannungswerte umgesetzt.
Durch die Frequenzmodulation wird das eigentliche Messsignal von äußeren Störeinflüssen (Verschmutzung, elektrische äußere Störeinflüsse) unabhängig. Darüber hinaus wird durch die Speisung des Schwingkreises mit einer hochfrequenten Oszillatorspannung eine entsprechend hohe Sensitivität der Messsonde gegenüber nur geringen Dielektrizitätsänderungen (Luft ε1 = 1, Aschepartikel ε2 = 2) erreicht und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis eingestellt.
Die Messvorrichtung 40 zur Verbrennungsluftregelung über das Erfassen von Verbrennungsluftbestandteilen (hier das Erfassen von Partikeln) wird vorzugsweise in den Rauchgaskanal 80 der Heizvorrichtung 10 eingebaut um damit die Brennersteuerung 70 zu regeln. Die bei dem Betrieb des Brenners 60 entstehenden Rauchgase 20 steigen dann im Rauchgaskanal 80 auf und durchströmen u. a. die Messvorrichtung 40.
Die in dem Rauchgas 20 befindlichen Feinstaubpartikel 30 werden dabei von der Messvorrichtung 40, insbesondere von der Erfassungselektronik 48, erfasst und entsprechende Messsignale werden an die Auswerteelektronik 50 weitergeleitet. Die Auswerteelektronik 50 verarbeitet die Signale und kann dann entsprechende Steuerinformationen an die Brennersteuerung 70 liefern. Die Brennersteuerung 70 wird somit in der Form geregelt, dass die Verbrennung optimiert und der Anteil an Feinstaubpartikel 30 im Rauchgas reduziert wird.
Ein hoher Anteil an Feinstaubpartikeln 30 in dem Rauchgas 20 bewirkt dabei einen hohen Dielektrizitätswert und damit auch eine starke Veränderung der Resonanzfrequenz des Kondensators. Dies kann einhergehen mit einer unvollständigen Verbrennung des Brennstoffes in dem Brenner 60. Um eine bessere Verbrennung zu erhalten, kann dann beispielsweise von der Brennersteuerung 70 die Luftzufuhr durch das Gebläse 61 erhöht werden.
Es ist dabei auch denkbar, dass ein zeitlicher Verlauf der gemessenen Dielektrizitätswerte zur Regelung herangezogen wird, um die Steuerparameter des Brenners 60 zu regeln. So kann auf plötzlich eintretende Phänomene (z. B. Leckage in dem Rauchgaskanal 80) anders reagiert werden, als auf sich kontinuierlich ändernde Phänomene.
Es ist zudem denkbar, dass mit demselben Prinzip wie es oben beschrieben wurde eine unvollständige Verbrennung von nicht-festen Brennstoffen erfasst werden kann. Beispielsweise kann es durch entsprechende Eichung der Messvorrichtung 40 möglich sein, kleine Änderungen der Abluftzusammensetzung zu erfassen, die daraus resultieren können, dass unverbranntes Gas in der Abluft 20 enthalten ist. Insbesondere ist eine derartige Erfassung der Abluftzusammensetzung dann denkbar, wenn zusätzlich zu der Frequenzmodulierung eine Amplitudenmodulierung vorgenommen wird, was zu einer weiteren Erhöhung der Erfassungsgenauigkeit führen kann.
Die oben beschriebene Messvorrichtung eignet sich insbesondere für Rauchgasöfen. Die vorherigen Beschreibungen der bevorzugten Ausführungsform sind dabei jedoch nicht auf diesen Verwendungszweck reduziert und haben nur einen beispielhaften Charakter. Auch sind Kombinationen der alternativen Ausführungsformen denkbar, ohne dass sich von dem Erfindungsgedanken entfernt wird.

Claims

Messvorrichtung zum Erfassen von Verbrennungsluftbestandteilen, die einen Messsensor mit einer Messsonde, einen elektrischen Schwingkreis und mindestens eine Spannungsquelle (46) aufweist, wobei eine Messzone (43) zur Erfassung der Verbrennungsluftbestandteile in einem Abluftkanal (80) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor als Messsonde einen kapazitiven Sensor aufweist und die Messvorrichtung (40) eine Vorrichtung zur Frequenzmodulierung (48) und/oder zur Amplitudenmodulierung enthält.
Messvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Messsonde aus mindestens zwei Elektroden (41, 42) besteht.
Messvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Messsonde mindestens eine Messzone (43) aufweist.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Schwingkreis ein hochfrequenter elektrischer Schwingkreis ist.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (40) eine Mehrzahl an Spannungsquellen (46, 47) aufweist.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Frequenz-Digital-Wandler als ein Auswertemittel (50) vorhanden ist.
Messvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei mindestens eine Messzone (43) der Messsonde die Form eines Halb-ellipsoiden aufweist.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Messsensor eine Abschirmelektrode (45) vorhanden ist.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (40) mit einer Steuereinheit (70) einer Heizvorrichtung verbunden ist.
Verfahren zur Erfassung von Verbrennungsluftbestandteilen mit einer Messvorrichtung (40) zum Erfassen von Verbrennungsluftbestandteilen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, das die Schritte aufweist: Anordnen einer Messzone der Messvorrichtung (40) in ei- nem Abluftkanal (80) einer Heizvorrichtung (10), Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes zwischen mindestens zwei Elektroden (41, 42) eines kapazitiven Messsensors, Erfassen von Störungen des elektrischen Feldes, Durchführen einer Frequenzmodulierung des erfassten Signals und Umwandeln des ausgewerteten Signals in ein frequenzabhängiges Rechtecksignal, wobei ein höherer Wert des Anteils an dielektrischen Bestandteilen in der Verbrennungsluft als eine stärkere Störung des elektrischen Feldes erfasst wird.
Verfahren zur Messung von Verbrennungsluftbestandteilen gemäß Anspruch 10, wobei das elektrische Wechselfeld ein hochfrequentes Wechselfeld in einem elektrischen Schwingkreis ist.
Verfahren zur Messung von Verbrennungsluftbestandteilen gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die Störung des elektrischen Feldes als Änderung der Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises erfasst wird.
Verfahren zur Messung von Verbrennungsluftbestandteilen gemäß einem der Ansprüche 10–12, wobei zudem die Amplitude des elektrischen Wechselfelds moduliert wird.
Verfahren zur Messung von Verbrennungsluftbestandteilen gemäß einem der Ansprüche 10–13, wobei der Wert des Anteils an dielektrischen Bestandteilen in der Verbrennungsluft in einer Steuervorrichtung (70) verarbeitet wird und die Steuervorrichtung (70) Verbrennungsparameter steuert und/oder regelt um den Anteil an dielektrischen Bestandteilen zu minimieren.
Verwendung einer Messvorrichtung zum Erfassen von Verbrennungsluftbestandteilen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14 in einer Verbrennungsvorrichtung eines Rauchgasofens oder eines Backofensystems.