DE102014000536A1 - Method and device for detecting an electrical conductivity in a water heater - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zum Erfassen einer elektrischen Leitfähigkeit von Wasser in einem elektrischen Durchlauferhitzer (200) umfassend wenigstens zwei Messelektroden (3) zum beabstandeten Anordnen in einem das Wasser führenden Kanal (208) des Durchlauferhitzers (200), eine Messelektronik zum Bereitstellen und Auswerten eines elektrischen, durch die Leitfähigkeit des Wassers beeinflussten Signals, einen Transformator (5) mit einer Primärseite (51) und einer Sekundärseite (52), wobei die Messelektronik an der Primärseite (51) und die beiden Messelektroden an der (52) Sekundärseite angeschlossen sind, so dass die Messelektronik über den Transformator (5) mit den Messelektroden (3) galvanisch entkoppelt ist, wobei, die Messelektronik bestimmungsgemäß ein elektrisches, primärseitiges Wechselspannungssignal an der Primärseite (51) des Transformators (5) bereitstellt, so dass sich an der Sekundärseite (52) des Transformators (5) ein sekundärseitiger Wechselstrom über die Messelektroden (3) und durch das Wasser in Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des Wassers einstellt, der sekundärseitige Strom an der Primärseite (51) des Transformators (5) einen primärseitigen Strom beeinflusst und die Messelektronik diesen primärseitigen Strom zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit misst. Außerdem wird ein elektrischer Durchlauferhitzer (200) vorgeschlagen zum Erwärmen von Wasser, wobei in wenigstens einem das zu erwärmende Wasser führenden Kanal (208) wenigstens ein elektrisches Heizelement, insbesondere ein Blankdraht (202), zum Erwärmen des Wassers vorgesehen ist, eine Messeinrichtung zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit des zu erwärmenden oder erwärmten Wassers vorgesehen ist mit zwei Elektroden (3), die in dem wenigstens einen das zu erwärmende Wasser führenden Kanal (208) zum Erfassen der Leitfähigkeit des Wassers angeordnet sind, und zur Auswertung mit einer Messelektronik verbunden sind, und wobei die Messeinrichtung bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzleitwertes eine Spannungsversorgung des wenigstens einen Heizelementes unterbrochen wird.The invention relates to a measuring device for detecting an electrical conductivity of water in an electric instantaneous water heater (200) comprising at least two measuring electrodes (3) for spaced arrangement in a water-carrying channel (208) of the water heater (200), a measuring electronics for providing and evaluating an electrical signal influenced by the conductivity of the water, a transformer (5) having a primary side (51) and a secondary side (52), the measuring electronics being connected to the primary side (51) and the two measuring electrodes being connected to the (52) secondary side in such a way that the measuring electronics are galvanically decoupled via the transformer (5) with the measuring electrodes (3), the measuring electronics providing an electrical, primary-side alternating voltage signal on the primary side (51) of the transformer (5) as intended, so that on the secondary side (52) of the transformer (5) a secondary-side change adjusts the current across the measuring electrodes (3) and through the water as a function of the electrical conductivity of the water, the secondary-side current on the primary side (51) of the transformer (5) influences a primary-side current and the measuring electronics measures this primary-side current for determining the electrical conductivity , Furthermore, an electric instantaneous water heater (200) is proposed for heating water, wherein at least one electrical heating element, in particular a bare wire (202), for heating the water is provided in at least one channel (208) to be heated, a measuring device for measuring the electrical conductivity of the water to be heated or heated is provided with two electrodes (3) which are arranged in the at least one channel to be heated water (208) for detecting the conductivity of the water, and are connected to a measuring electronics for evaluation, and wherein the measuring device is interrupted when a predetermined Grenzleitwertes a voltage supply of the at least one heating element is exceeded.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zum Erfassen einer elektrischen Leitfähigkeit von Wasser in einem elektrischen Durchlauferhitzer und außerdem betrifft die vorliegende Erfindung einen damit ausgestatteten elektrischen Durchlauferhitzer. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erfassen einer elektrischen Leitfähigkeit von Wasser in einem elektrischen Durchlauferhitzer.The present invention relates to a measuring device for detecting an electrical conductivity of water in an electric instantaneous water heater and, moreover, the present invention relates to an electric instantaneous water heater equipped therewith. Furthermore, the present invention relates to a method for detecting an electrical conductivity of water in an electric water heater.
Elektrische Durchlauferhitzer sind bekannt, sie erhitzen Wasser mit einer oder mehreren elektrischen Heizwendeln, besonders aus einem Blankheizdraht, oder mit einem ähnlichen Heizmittel, während das Wasser durch diesen Durchlauferhitzer strömt. Solche Durchlauferhitzer sind besonders im Haushalt anzutreffen und das durch sie erhitze Wasser wird dann üblicherweise unmittelbar nach dem Erhitzen, das gilt sowohl zeitlich als auch örtlich, verwendet. Eine solche Verwendung kann bspw. Duschen oder Händewaschen sein. Eine Gefährdung durch den elektrischen Strom des Heizelementes wird dadurch vermieden, dass das erwärmte Wasser, das eine elektrische Verbindung insbesondere vom Blankheizdraht zum Benutzer herstellt, aufgrund seiner Reinheit – und der definiert berechneten Ableitstrecke – nur schwach elektrisch leitend ist. Daher sind solche Durchlauferhitzer wegen der definierten Ableitstrecken in dieser Hinsicht ungefährlich.Electric water heaters are known, they heat water with one or more electric heating coils, especially from a Blankheizdraht, or with a similar heating means, while the water flows through this water heater. Such water heaters are particularly found in the household and the water heated by them is then usually used immediately after heating, both temporally and locally. Such use may be, for example, showering or washing hands. A risk from the electric current of the heating element is avoided by the fact that the heated water, which produces an electrical connection in particular from Blankheizdraht to the user, due to its purity - and the calculated calculated discharge line - is only slightly electrically conductive. Therefore, such water heaters are harmless in this respect because of the defined discharge lines.
Ausnahmsweise kann sich aber eine andere Situation einstellen, wenn verschmutztes, insbesondere salzhaltiges Wasser in die Leitung gelangt. Dies kann in Gebieten mit einem maroden Leitungssystem vorkommen, wenn außerdem noch durch Gezeitenwechsel oder eine Hochwasserkatastrophe oder ein anderes außergewöhnliches Ereignis verschmutztes oder salziges Wasser in das Leitungssystem eindringt.Exceptionally, however, a different situation may arise when contaminated, especially saline water enters the line. This can occur in areas with a dilapidated pipeline system, if, in addition, tide or a flood disaster or other extraordinary event causes contaminated or salty water to enter the pipeline system.
Um diesem Problem zu begegnen, kann in solchen potenziell gefährdeten Gebieten von der Verwendung von Durchlauferhitzern mit Blankdraht abgesehen werden. Es wird dann kein Risiko eingegangen. Dies gilt auch bei Verwendung von Geräten mit Rohrheizkörpern, diese wiederum sind teurer und haben schlechtere Regeleigenschaften.In order to address this problem, the use of continuous-wave water heaters with bare-wire may be dispensed with in such potentially endangered areas. There will be no risk. This also applies when using devices with tubular heaters, these in turn are more expensive and have worse control properties.
Andererseits ist aber ein Durchlauferhitzer eine vergleichsweise einfache Möglichkeit Wasser zu erhitzen. Ein solcher Durchlauferhitzer ist im Vergleich zu manch anderen Systemen mit aufwendigem Warmwasserspeicher vergleichsweise kostengünstig und platzsparend und wartungsunanfällig. Das Beheizen mittels elektrischen Stroms ist besonders dann kostengünstig, wenn durch Verwendung eines Durchlauferhitzers das Vorhalten warmen Wassers und damit die Aufwendung dafür notwendiger Energie vermieden wird.On the other hand, a water heater is a comparatively easy way to heat water. Such a water heater is compared to some other systems with expensive hot water tank comparatively inexpensive and space-saving and maintenance-prone. The heating by means of electric current is particularly cost-effective, if the use of a water heater, the holding warm water and thus the expenditure of the necessary energy is avoided.
Wenn somit dennoch elektrische Durchlauferhitzer mit Blankdraht in solchen gefährdeten Gebieten eingesetzt werden sollen und die Sicherheit der Benutzer ebenfalls gewährleistet werden soll, ist ein Sicherheitssystem notwendig, um eine Gefährdung der Benutzer auszuschließen. Ein teures Sicherheitssystem widerspricht aber dem Gedanken, einen Durchlauferhitzer als kostengünstige Lösung anzubieten.Thus, if electrical instantaneous water heater with bare wire in such vulnerable areas to be used and the safety of users should also be guaranteed, a security system is necessary to preclude a hazard to users. However, an expensive security system contradicts the idea of offering a water heater as a cost-effective solution.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, zumindest eins der o. g. Probleme zu adressieren. Insbesondere soll eine Lösung vorgeschlagen werden, die auf einfache und kostengünstige Weise das Anbieten eines Durchlauferhitzers auch in solchen, o. g. gefährdeten Gebieten ermöglicht. Zumindest soll gegenüber bisherigen Lösungen eine alternative Lösung vorgeschlagen werden.The present invention is therefore based on the object, at least one of o. G. To address problems. In particular, a solution is to be proposed, in a simple and cost-effective manner, the offering of a water heater even in such, o. G. vulnerable areas. At least, an alternative solution should be proposed compared to previous solutions.
Erfindungsgemäß wird somit eine Messeinrichtung zum Erfassen einer elektrischen Leitfähigkeit von Wasser in einem elektrischen Durchlauferhitzer gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Diese Messeinrichtung umfasst somit mindestens zwei Messelektroden, eine Messelektronik und kann einen Transformator beinhalten. Die Messelektroden werden beabstandet in einem Kanal des Durchlauferhitzers angeordnet und über den Transformator mit der Messelektronik verbunden. Die Messelektronik stellt ein elektrisches Wechselspannungssignal an der Primärseite des Transformators bereit, das über diesen zu seiner Sekundärseite übertragen wird, an der die Messelektroden angeschlossen sind. Sekundärseitig fließt dann ein Wechselstrom über die Messelektroden und durch das Wasser in den Kanal des Durchlauferhitzers. Der Strom hängt entsprechend von der Leitfähigkeit des Wassers ab und wirkt damit auch zurück über den Transformator auf die Primärseite, an der sich ebenfalls ein leitfähigkeitsabhängiger Strom einstellt. Die Messelektronik misst dann diesen primärseitigen Strom und kann damit die elektrische Leitfähigkeit bzw. den spezifischen Widerstand des Wassers bestimmen.According to the invention, a measuring device for detecting an electrical conductivity of water in an electric instantaneous water heater according to claim 1 is thus proposed. This measuring device thus comprises at least two measuring electrodes, a measuring electronics and may include a transformer. The measuring electrodes are spaced apart in a channel of the water heater and connected via the transformer to the measuring electronics. The measuring electronics provide an AC electrical signal on the primary side of the transformer, which is then transmitted to its secondary side to which the measuring electrodes are connected. On the secondary side, an alternating current flows through the measuring electrodes and through the water into the channel of the instantaneous water heater. The current depends on the conductivity of the water and thus also acts on the transformer back to the primary side, at which also sets a conductivity-dependent current. The measuring electronics then measures this primary-side current and can thus determine the electrical conductivity or the specific resistance of the water.
Grundsätzlich ist es bekannt, über eine elektrische Messung eine elektrische Leitfähigkeit zu bestimmen. Diese hier vorgeschlagene Lösung zeichnet sich aber u. a. dadurch aus, dass sie vergleichsweise einfach und damit kostengünstig ausgestaltet ist. Eine Besonderheit liegt darin, dass diese Messeinrichtung gezielt auf die Aufgabe ausgerichtet ist, eine Leitfähigkeit des Wassers in dem Wertebereich zu bestimmen, in dem ein Einsatz eines Durchlauferhitzers problematisch werden kann. Diese einfach gestaltete Messeinrichtung verwendet ein Wechselspannungssignal, das über einen Transformator einer Messstrecke zugeführt wird und dessen leitfähigkeitsabhängige Reaktion ebenfalls über diesen Transformator zurückwirkt und erst dann von der Messelektronik ausgewertet wird. Besonders bei sauberem Wasser mit geringer Leitfähigkeit, also mit hohem spezifischen Widerstand, stellt sich nur ein geringer Strom ein und die beschriebenen Kopplungen über den Transformator, die einen Wechselstrom voraussetzen, werden entsprechend sehr ungenau und können möglicherweise gar nicht mehr verwertet werden.In principle, it is known to determine an electrical conductivity via an electrical measurement. However, this solution proposed here is characterized, inter alia, by the fact that it is comparatively simple and therefore cost-effective. A special feature is that this measuring device is specifically aimed at the task of determining a conductivity of the water in the value range in which a use of a water heater can be problematic. This simply designed measuring device uses an AC signal, which has a Transformer is fed to a measuring section and its conductivity-dependent reaction also acts back on this transformer and only then evaluated by the measuring electronics. Especially with clean water with low conductivity, ie with high specific resistance, only a small amount of current is produced and the described couplings via the transformer, which require an alternating current, become correspondingly very inaccurate and possibly can no longer be utilized.
Erfindungsgemäß wurde aber erkannt, dass diese Messeinrichtung jedenfalls für den beschriebenen Verwendungszweck eine ausreichende Genauigkeit liefern kann. Die Messeinrichtung ist im Grunde in allen Haushaltsgeräten einsetzbar, die Trink- oder Brauchwasser im Durchflussverfahren erwärmen. Dazu gehören neben Durchlauferhitzern zum Erwärmen von Leitungswasser zum Bereitstellen an einer Zapfstelle wie einem Wasserhahn oder Duschkopf, auch Kaffeeautomaten, Waschmaschinen und Geschirrspüler, um nur einige Beispiele zu nennen.According to the invention, however, it has been recognized that this measuring device can in any case provide sufficient accuracy for the described intended use. Basically, the measuring device can be used in all household appliances that heat drinking or service water in the flow process. These include, in addition to water heaters for heating tap water for providing at a tapping point such as a tap or shower head, and coffee machines, washing machines and dishwashers, to name just a few examples.
Vorzugsweise ist die Messeinrichtung dazu vorbereitet, einen spezifischen Widerstand von 0 kΩcm bis 10 kΩcm zu messen. Das hängt unter anderem von der Auslegung bzw. der Dimensionierung der Sonden ab. In diesen Bereichen kann die Messung gemäß einer Ausführungsform mit einer Toleranz von weniger als 10% erfolgen. Die Messeinrichtung ist also speziell auf diesen Bereich abgestimmt. Das betrifft besonders den beschriebenen strukturellen Aufbau. Es kann aber auch die Auslegung einiger Elemente betreffen, wie die verwendeten Messelektroden und der Abstand in dem sie angeordnet werden. Auch die Spannungshöhe, die verwendet wird, insbesondere die als primärseitige Wechselspannung zur Verfügung gestellt wird, kann darauf ausgerichtet sein. Vorzugsweise wird hier eine Scheitelspannung des Wechselspannungssignals von etwa 2,5 V vorgeschlagen, also eine Spannung die von ihrem minimalen bis zu ihrem maximalen Wert etwa 5 V beträgt.Preferably, the measuring device is prepared to measure a resistivity of 0 kΩcm to 10 kΩcm. This depends, among other things, on the design or dimensioning of the probes. In these areas, the measurement can be made in accordance with an embodiment with a tolerance of less than 10%. The measuring device is therefore specially tailored to this area. This is particularly true of the described structural design. However, it may also relate to the design of some elements, such as the measuring electrodes used and the distance in which they are placed. Also, the voltage level that is used, in particular that provided as the primary-side AC voltage, may be oriented thereto. Preferably, a peak voltage of the AC signal of about 2.5 V is proposed here, that is, a voltage which is approximately 5 V from its minimum value to its maximum value.
Eine Ausführungsform schlägt vor, dass die Messelektronik durch den Transformator von den Messelektroden galvanisch getrennt ist. Es wird somit ein Transformator vorgeschlagen, der keinen galvanischen Kontakt zwischen Primär- und Sekundärseite aufweist. Dadurch kann auf einfache Art und Weise die Messelektronik von Spannungen in der Messstrecke, also dem zu erwärmenden Wasser geschützt werden. Somit kann die Messvorrichtung ohne Probleme für einen sog. Blankheizdrahtdurchlauferhitzer verwendet werden, bei dem ein Blankheizdraht, der insbesondere als Heizwendel ausgeführt ist, in dem Wasserkanal angeordnet ist und das Wasser dort unmittelbar beheizt, in dem ein entsprechend hoher elektrischer Strom durch ihn fließt. Solche Blankheizdrähte können unmittelbar mit einer Netzspannung angesteuert werden, die bspw. bezogen auf einen Nullleiter und damit regelmäßig auch bezogen auf ein Erdpotential 230 V betragen kann. Eine solch hohe Spannung kann ohne weiteres eine Messelektronik zerstören. Durch die galvanische Trennung über den Transformator wird ein solches Gefährdungspotenzial für die Messelektronik vermieden.An embodiment proposes that the measuring electronics is galvanically separated from the measuring electrodes by the transformer. It is thus proposed a transformer which has no galvanic contact between the primary and secondary side. As a result, the measuring electronics of voltages in the measuring section, so the water to be heated can be protected in a simple manner. Thus, the measuring device can be used without problems for a so-called. Blankheizdrahtdurchlauferhitzer in which a Blankheizdraht, which is designed in particular as a heating coil, is disposed in the water channel and the water there directly heated, in which a correspondingly high electric current flows through it. Such Blankheizdrähte can be controlled directly with a mains voltage, for example, based on a neutral conductor and thus regularly based on a ground potential 230 V may be. Such a high voltage can easily destroy a measuring electronics. The galvanic isolation across the transformer avoids such potential danger for the measuring electronics.
Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Messelektronik einen Spannungsteiler oder ein anderes Mittel zum Anheben einer elektrischen Spannung aufweist, um das primärseitige Wechselspannungssignal so anzuheben, dass sich seine Spannungsmittel über einen Wert von 0 V, insbesondere über einen Wert 2 V hebt. Insbesondere soll sich das primärseitige Wechselspannungssignal so anheben, dass es vollständig positiv ist. Ein Wechselspannungssignal, das um ±2,5 V um einen Nullpunkt des Transformators oszilliert, soll also bspw. um 2,5 V angehoben werden, so dass es dann nicht mehr zwischen +2,5 V und –2,5 V, sondern zwischen 0 und 5 V oszilliert. Durch Anhebung des Nullpunktes des Transformators um 2,5 V wird die Schaltspannung des Treibers, die zwischen 0 und 5 V oszilliert, für den Transformator als Wechselspannung mit einem Hub von +/–2,5 V wahrgenommen bzw. wirksam. Hierdurch kann besonders die Erzeugung des primärseitigen Wechselspannungssignals vereinfacht werden und die vorgeschlagene Messeinrichtung lässt aufgrund ihres Aufbaus mit dem Transformator eine solche Spannungsverschiebung zu und diese hat praktisch keine Auswirkung auf den sich einstellenden Strom.According to one embodiment, it is proposed that the measuring electronics have a voltage divider or another means for raising an electrical voltage in order to raise the primary-side AC voltage signal so that its voltage means rises above a value of 0 V, in particular above a value 2 V. In particular, the primary-side AC voltage signal should raise so that it is completely positive. An alternating voltage signal, which oscillates by ± 2.5 V around a zero point of the transformer, should thus be raised, for example, by 2.5 V, so that it no longer between +2.5 V and -2.5 V, but between 0 and 5 V oscillates. By raising the zero point of the transformer by 2.5 V, the switching voltage of the driver, which oscillates between 0 and 5 V, is perceived or effective for the transformer as an alternating voltage with a stroke of +/- 2.5 V. In this way, in particular the generation of the primary-side AC voltage signal can be simplified and the proposed measuring device allows such a voltage shift due to its construction with the transformer and this has virtually no effect on the self-adjusting current.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass zusätzlich zur Messung des primärseitigen Stroms eine Temperatur des Wassers, dessen Leitfähigkeit bestimmt werden soll, berücksichtigt und zur Bestimmung der Leitfähigkeit verwendet wird. Somit kann die Genauigkeit der Messung noch dadurch erhöht werden, dass die Temperatur, die einen Einfluss auf die Leitfähigkeit von Wasser haben kann, als zusätzliche Größe einfließt.According to a further embodiment, it is proposed that, in addition to the measurement of the primary-side current, a temperature of the water whose conductivity is to be determined is taken into account and used to determine the conductivity. Thus, the accuracy of the measurement can be further increased by the fact that the temperature, which may have an influence on the conductivity of water, is incorporated as an additional variable.
Gemäß einer Ausgestaltung erzeugt die Messelektronik das elektrische, primärseitige Wechselspannungssignal über eine Pulsbreitenmodulation mit einer Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 10 kHz. Hierdurch ist auf einfache Weise und mit geringem apparativen Aufbau die Erzeugung des primärseitigen Wechselspannungssignals erzielbar. Bspw. braucht nur ein Mikroprozessor ein entsprechendes Schaltsignal an einen Treiber zu geben, der mit Hilfe einer Eingangsgleichspannung das gepulste Signal erzeugt und über einen Tiefpassfilter einen analogen Spannungsverlauf erzeugt. Der Transformator kann im Übrigen gleichzeitig die Aufgabe einer Drossel des Tiefpassfilters für dieses gepulste Signal übernehmen.According to one embodiment, the measuring electronics generates the electrical, primary-side AC voltage signal via a pulse width modulation with a frequency in the range of 1 kHz to 10 kHz. As a result, the generation of the primary-side AC voltage signal can be achieved in a simple manner and with a low apparatus design. For example. Only a microprocessor needs to provide a corresponding switching signal to a driver, which generates the pulsed signal with the aid of an input DC voltage and generates an analogue voltage characteristic via a low-pass filter. Incidentally, the transformer can simultaneously perform the task of throttling the Apply low-pass filter for this pulsed signal.
Erfindungsgemäß wird zudem ein elektrischer Durchlauferhitzer zum Erwärmen von Wasser vorgeschlagen. Ein solcher Durchlauferhitzer weist wenigstens einen wasserführenden Kanal auf, in dem das Wasser mit einem elektrischen Heizelement, insbesondere mit einem Blankdraht, erwärmt wird. Es können auch mehrere solcher Heizelemente in mehreren, insbesondere strömungstechnisch hintereinander angeordneten Kanalabschnitten vorgesehen sein. In diesem Kanal oder in einem dieser Kanäle, falls mehrere vorhanden sind, wird eine Messeinrichtung zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit angewendet. Sie weist mindestens zwei Elektroden auf, die in dem wenigstens einen das zu erwärmende Wasser führenden Kanal zum Erfassen der Leitfähigkeit des Wassers angeordnet sind, und zur Auswertung mit einer Messelektronik verbunden sind. Erkennt die Messeinrichtung ein Überschreiten eines vorbestimmten Grenzleitwertes, wird eine Spannungsversorgung der Heizelemente insgesamt, ggf. bis auf eine elektrische Versorgung einer Mess- und Steuerelektronik, unterbrochen. Somit kann auch in gefährdeten Gebieten ein Durchlauferhitzer mit Blankdraht eingesetzt werden, weil anzunehmen ist, dass eine tatsächliche hohe Leitfähigkeit auch dort nur ausnahmsweise, meist nur für kurze Zeit, auftritt.According to the invention, an electric water heater is also proposed for heating water. Such a water heater has at least one water-carrying channel, in which the water is heated with an electric heating element, in particular with a bare wire. It is also possible for a plurality of such heating elements to be provided in a plurality of channel sections, in particular fluidically arranged one behind the other. In this channel or in one of these channels, if several are present, a measuring device is used for measuring the electrical conductivity. It has at least two electrodes, which are arranged in the at least one channel leading to the water to be heated for detecting the conductivity of the water, and are connected to a measuring electronics for evaluation. If the measuring device detects an exceeding of a predetermined limiting conductance, a voltage supply of the heating elements as a whole, if necessary, except for an electrical supply of a measuring and control electronics, is interrupted. Thus, a water heater with bare wire can be used in areas at risk, because it is assumed that an actual high conductivity occurs there only exceptionally, usually only for a short time.
Vorzugsweise ist die Unterbrechung nur für die Dauer der Überschreitung des Grenzleitwertes aktiv und bei Unterschreitung des vorbestimmten Grenzleitwertes wird die Spannungsversorgung für das wenigstens eine Heizelement wieder freigegeben. Eine Unterbrechung der Versorgung mit warmem Wasser kann so auf ein zeitliches Minimum beschränkt werden.Preferably, the interruption is active only for the duration of the exceeding of the limit conductance and falls below the predetermined limit conductance, the power supply for the at least one heating element is released again. An interruption in the supply of warm water can thus be limited to a minimum of time.
Eine günstige Variante ist es, wenn die Abschaltung über ein Relais erfolgt. Hierdurch kann auf einfache und schnelle Art und Weise eine Abschaltung durchgeführt werden, die zudem eine galvanische Trennung erreicht, damit eine Gefahr eines elektrischen Schlages über eine Wasserstrecke vermieden werden kann.A favorable variant is when the shutdown takes place via a relay. In this way, a shutdown can be performed in a simple and fast manner, which also achieves galvanic isolation, so that a risk of electric shock over a waterway can be avoided.
Als vorteilhafte Variante wird hier vorgeschlagen, dass eine Messeinrichtung gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird. Entsprechend können mindestens zwei Elektroden in diesem Kanal oder einem der Kanäle vorgesehen sein. Dies kann in unmittelbarer Nähe oder einer gewissen Entfernung zu den Heizelementen erfolgen. Vorzugsweise ist ein Temperatursensor ebenfalls in dem Kanal angeordnet, möglichst in der Nähe der Messelektroden, zumindest so, dass zwischen den Messelektroden und dem Temperatursensor kein aktives Heizelement angeordnet ist.As an advantageous variant, it is proposed here that a measuring device according to one of the embodiments described above is used. Accordingly, at least two electrodes may be provided in this channel or one of the channels. This can be done in the immediate vicinity or at a certain distance from the heating elements. Preferably, a temperature sensor is also arranged in the channel, if possible in the vicinity of the measuring electrodes, at least so that no active heating element is arranged between the measuring electrodes and the temperature sensor.
Vorzugsweise ist der Durchlauferhitzer dazu vorbereitet, das wenigstens eine elektrische Heizelement abzuschalten, sobald der erfasste Leitwert einen vorbestimmten Grenzleitwert überschritten hat bzw. der erfasste spezifische Widerstand einen vorbestimmten Grenzwiderstand unterschritten hat. Die Messeinrichtung wird somit mit einer Sicherheitsabschalteinrichtung verbunden. Die Messeinrichtung kann dafür einen Wert an eine Steuereinheit geben, die dann das Heizen unterbindet. Vorzugsweise erfolgt das Abschalten des elektrischen Heizelementes oder der elektrischen Heizelemente so, dass die gesamte Heizvorrichtung, also die gesamte Leistungselektronik des Durchlauferhitzers abgeschaltet wird. Sobald die Leitfähigkeit wieder akzeptabel ist kann wieder eingeschaltet werden.Preferably, the instantaneous water heater is prepared to switch off the at least one electrical heating element as soon as the detected conductance has exceeded a predetermined limiting conductivity or the detected specific resistance has fallen below a predetermined limiting resistance. The measuring device is thus connected to a safety shutdown device. The measuring device can give a value to a control unit, which then prevents the heating. Preferably, the switching off of the electric heating element or the electrical heating elements is carried out so that the entire heater, so the entire power electronics of the water heater is turned off. Once the conductivity is acceptable again can be turned on again.
Vorzugsweise können als Elektroden Elemente des Durchlauferhitzers verwendet werden, die ohnehin vorhanden sind. Insbesondere wird ein Einlaufrohr aus Kupfer oder ein Auslaufrohr ebenfalls aus Kupfer dazu vorgeschlagen. Weiterhin kann als Elektrode, insbesondere als damit zusammenwirkende Elektrode, ein Temperaturfühlergehäuse oder eine Temperaturfühleraufnahme verwendet werden, die einen Temperaturfühler in dem Wasserkanal aufnimmt und selbst aus Metall, vorzugsweise Kupfer, gefertigt ist. Der Wasserkanal kann, was auch die bevorzugte Ausführungsform ist, aus nicht leitfähigem Material, insbesondere Kunststoff gefertigt sein, aber die Temperaturfühleraufnahme kann aus Metall gefertigt sein und als eine Elektrode, insbesondere im Zusammenhang mit einem Ein- oder Auslaufrohr, dienen. Vorzugsweise wird ein Kühlkörper, insbesondere ein Kühlkörperrohr einer Leistungshalbleiterkühlung zum Kühlen von Leistungshalbleitern zum Ansteuern des wenigstens einen Heizelementes verwendet. Solche Leistungshalbleiter, insbesondere Leistungshalbleiterschalter, erwärmen sich beim Ansteuern des Blankheizdrahts, können durch das Wasser, das erwärmt werden soll gekühlt werden und setzen dafür Metallkühlkörper ein, jedenfalls gemäß einer Ausführungsform, die entsprechend zum Kühlen in dem Brauch- oder Nutzwasser angeordnet sind. Vorzugsweise wird eine solche Leistungshalbleiterschaltung, insbesondere ihr Kühlköper, der an dem Leistungshalbleiter oder den Leistungshalbleitern zum Kühlen angeordnet ist, nicht geerdet und kann somit ein zur Erde und damit zum Kupfereinlass- oder Kupferauslassrohr unabhängige Elektrode darstellen.Preferably, as elements of the water heater can be used, which are present anyway. In particular, an inlet pipe made of copper or an outlet pipe is also proposed from copper. Furthermore, as the electrode, in particular as a cooperating electrode, a temperature sensor housing or a temperature sensor receptacle can be used, which receives a temperature sensor in the water channel and is itself made of metal, preferably copper. The water channel, which is also the preferred embodiment, be made of non-conductive material, in particular plastic, but the temperature sensor receptacle can be made of metal and serve as an electrode, in particular in connection with an inlet or outlet pipe. Preferably, a heat sink, in particular a heat sink tube of a power semiconductor cooling is used for cooling power semiconductors for driving the at least one heating element. Such power semiconductors, in particular power semiconductor switches, heat up when driving the blank heating wire, can be cooled by the water to be heated and use metal heat sinks, at least according to one embodiment, which are arranged correspondingly for cooling in the service water or utility water. Preferably, such a power semiconductor circuit, in particular its heat sink, which is arranged on the power semiconductor or the power semiconductors for cooling, is not grounded and can thus represent an electrode to the ground and thus to the copper inlet or copper outlet.
Werden solche Elemente als Elektroden verwendet, insbesondere wenn sie einen deutlich größeren Abstand zu einander haben, als ein mittlerer Durchmesser des Kanals, so können die geometrischen Abmessungen des Kanals im Bereich zwischen diesen beiden Elektroden als geometrische Abmessungen der Messstrecke verwendet werden, um aus dem Messstrom die Leitfähigkeit zu bestimmen.If such elements are used as electrodes, in particular if they have a significantly greater distance from each other than a mean diameter of the channel, then the geometric dimensions of the channel in the region between these two electrodes can be used as geometric dimensions of the measuring path. to determine the conductivity from the measuring current.
Vorzugsweise sind die Elektroden mit einem Mindestabstand zueinander angeordnet, der größer als ein Abstand weniger Millimeter zweier Messelektroden ist, wie sie besonders in einer Laboreinrichtung zum Messen einer Leitfähigkeit angeordnet sein könnten. Vorzugsweise ist der Abstand größer als 1 cm, größer als 5 cm, insbesondere größer als 10 cm. Als Material kann vorteilhafterweise Metall verwendet werden. Die Verwendung von Kupfer wäre bei einem sehr engen Abstand der beiden Elektroden problematisch, weil kleinste Ablagerungen bereits den Abstand der Elektroden im relativen Sinne stark verringern können. Bei Verwendung des vorgeschlagenen großen Abstandes besteht dieses Problem weniger und die Vorzüge besonders der hohen Leitfähigkeit von Kupfer können dann ausgenutzt werden.Preferably, the electrodes are arranged with a minimum distance from one another, which is greater than a distance of a few millimeters of two measuring electrodes, as they could be arranged especially in a laboratory device for measuring a conductivity. Preferably, the distance is greater than 1 cm, greater than 5 cm, in particular greater than 10 cm. As the material can be used advantageously metal. The use of copper would be problematic at a very close distance of the two electrodes, because even the smallest deposits can greatly reduce the distance of the electrodes in a relative sense. Using the proposed large spacing, this problem is less and the benefits of especially the high conductivity of copper can then be exploited.
Vorzugsweise ist die Messeinrichtung, insbesondere die Messelektronik bzw. Messschaltungselektronik, eine separate nachrüstbare Baugruppe, die mit den Elektroden verbunden wird und über eine Datenschnittstelle, vorzugsweise über einen I2C Bus, mit einer Regelelektronik des Durchlauferhitzers verbunden ist und von der Regelungselektronik mit Spannung versorgt wird. Sie kann nachrüstbar ausgeführt werden. Dafür wird sie bspw. in einem Träger zur Befestigung angeordnet. Die Elektroden können über flexible Leitungen verbunden sein und brauchen nur in dem entsprechenden Kanal in einer vorbestimmten Position, insbesondere mit einem vorbestimmten Abstand zu einander angeordnet zu werden. Für die Unterbrechung, die im Falle einer zu hohen Leitfähigkeit ausgelöst wird, kann ein Relais eingesetzt werden, oder es kann ein vorhandenes die Spannungsversorgung unterbrechendes Relais verwendet werden, das auch über die Messeinrichtung angesteuert wird. Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Unterbrechung mittels Leistungshableiterschalter, insbesondere TRIACs.Preferably, the measuring device, in particular the measuring electronics or measuring circuit electronics, a separate retrofittable assembly, which is connected to the electrodes and via a data interface, preferably via an I 2 C bus, connected to a control electronics of the water heater and powered by the control electronics with voltage becomes. It can be retrofitted. For example, it is arranged in a carrier for attachment. The electrodes may be connected via flexible lines and only need to be arranged in the corresponding channel in a predetermined position, in particular with a predetermined distance from each other. For the interruption, which is triggered in the case of a too high conductivity, a relay can be used, or it can be used an existing interrupting the power supply relay, which is also controlled by the measuring device. According to one embodiment, the interruption takes place by means of Leistungshableiterschalter, in particular TRIACs.
Vorteilhaft ist es, wenn die Messschaltungselektronik über einen μController verfügt und der μController der Messschaltungselektronik einen elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden über eine Messschaltung ermittelt. Der μController kann auch als Mikroprozessor oder Mikrocontroller bezeichnet werden.It is advantageous if the measurement circuit electronics have a μcontroller and the μcontroller of the measurement circuit electronics determines an electrical resistance between the electrodes via a measurement circuit. The μController can also be referred to as a microprocessor or microcontroller.
Zur Berechnung des Leitwertes kann eine Temperatur des Mediums über eine Datenschnittstelle von einer übergeordneten Steuerung des Durchlauferhitzers übermittelt werden, so dass aus der Temperatur und dem Widerstand der aktuelle Leitwert des Mediums berechnet wird und dieser mit einem Referenzwert vergleichen wird. Über diese Datenschnittstelle kann auch ein Freigabesignal an die übergeordnete Steuerung des Durchlauferhitzers übermittelt werden, um eine Unterbrechung wieder aufzuheben, wenn der aktuelle Leitwert wieder kleiner ist als der Grenzleitwert.To calculate the conductance, a temperature of the medium can be transmitted via a data interface from a higher-level control of the flow heater, so that the current conductivity of the medium is calculated from the temperature and the resistance and this is compared with a reference value. Via this data interface, a release signal can also be transmitted to the higher-level controller of the water heater in order to cancel an interruption when the current conductance is again smaller than the limit conductance.
Vorzugsweise ist der Grenzleitwert, der auch als Referenzleitwert bezeichnet werden kann, einstellbar. Eine Einstellbarkeit kann insbesondere über ein Potentiometer realisiert werden, oder sie wird über einen Parameter realisiert, der an einer Bedieneinheit eingestellt werden kann und über die Messeinrichtung, insbesondere über den Mikroprozessor implementiert bzw. verstellt wird.Preferably, the limit conductance, which can also be referred to as reference conductance, adjustable. An adjustability can be realized in particular via a potentiometer, or it is realized via a parameter that can be set on an operating unit and implemented or adjusted via the measuring device, in particular via the microprocessor.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Elektroden nicht direkt benachbart mit wenigen Millimetern, wie man es aus der herkömmlichen Messtechnik kennt, sondern haben einen größeren Abstand zueinander. Hierdurch soll ein besseres Verhältnis von dem durch den Abstand der Elektroden gebildeten Widerstand des Mediums, das die eigentliche Messgröße bildet, und dem durch Alterung und/oder Verkalkung sich verändernden Oberflächenwiderstand der Elektroden erhalten werden, um eine bessere Langzeitstabilität des Messsignals zu erzielen, und um günstigeres Elektrodenmaterial, das einer größeren Alterung unterliegt, verwenden zu können. Hierdurch kann z. B. Kupfer verwendet werden. Dies ist auch vorteilhaft für die Verwendung bspw. von dem Einlauf- oder, Auslaufrohr, dem Kühlkörper oder der Aufnahme des Temperaturfühlers als Elektrode.According to one embodiment, the electrodes are not directly adjacent to a few millimeters, as known from conventional measurement technology, but have a greater distance from one another. This is intended to obtain a better ratio of the resistance of the medium formed by the spacing of the electrodes, which forms the actual measured variable, and the surface resistance of the electrodes, which changes due to aging and / or calcification, in order to achieve a better long-term stability of the measuring signal, and cheaper to use electrode material that is subject to greater aging. As a result, z. As copper can be used. This is also advantageous for the use, for example, of the inlet or outlet pipe, the heat sink or the inclusion of the temperature sensor as an electrode.
Die Messschaltungselektronik kann vorteilhaft auf der Steuerungselektronikplatine untergebracht sein und eine Einheit bilden und/oder der μController der Messschaltungselektronik und der μController der Steuerungselektronik können eine Einheit bilden. Günstig ist, nach Freigabe der Heizleistung bei Überschreitung des Leitwertes, also das Unterbrechen der Versorgungsspannung für die Heizelemente, insbesondere die Blankheißdrähte, auf einem Bedienteil, z. B. durch eine blinkende Anzeige oder ein Symbol in einem Display anzuzeigen.The measurement circuit electronics can advantageously be accommodated on the control electronics board and form a unit and / or the μcontroller of the measurement circuit electronics and the μController of the control electronics can form a unit. It is favorable, after release of the heating power when exceeding the conductance, so the interruption of the supply voltage for the heating elements, in particular the bare hot wires, on a control panel, z. B. by a flashing display or a symbol in a display.
Erfindungsgemäß wird zudem ein Verfahren zum Erfassen einer elektrischen Leitfähigkeit vorgeschlagen, das so arbeitet, wie oben im Zusammenhang mit den Erklärungen zu der Messeinrichtung erläutert wurde und/oder das so arbeitet, wie oben im Zusammenhang mit Erklärungen zu Ausführungsformen der vorgeschlagenen Durchlauferhitzer erläutert wurde.According to the invention, a method is also proposed for detecting an electrical conductivity, which operates as explained above in connection with the explanations on the measuring device and / or works as explained above in connection with explanations of embodiments of the proposed instantaneous water heater.
Nachfolgend wird die Erfindung nun exemplarisch anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.The invention will now be explained in more detail by way of example with reference to exemplary embodiments with reference to the accompanying figures.
Die schematische Darstellung der
Es stellt sich entsprechend ein Messsignal ein, das in
Der Mikrocontroller
Der Kanalwandung
Der Blankheizdraht
Für die Energieversorgung ist hier eine dreiphasige Spannungsversorgung
Außerdem ist als Funktionsblock ein Leitfähigkeitsmesser
Der Leitfähigkeitssensor
Ergänzend oder als Alternative können vorhandene Elemente als Elektroden verwendet werden, um die Leitfähigkeitsmessung durchzuführen. Eine solche Variante ist in der
Alternativ kann auch ein Auslassrohr
Die vergleichsweise langen Messstrecken zum Messen der Leitfähigkeit des Wassers über einen Messstrom zwischen den jeweils gewählten Elektroden können sehr ungenau sein. Dafür können sie aber auch Probleme mit Blasen im Wasser verringern. Besonders eine sehr lange Messstrecke wie zwischen dem Einlassrohr
Die Art und Weise der Abschaltung gemäß zumindest einer Ausführungsform ist in
Jedenfalls führt ein positiver Vergleich im Abfrageblock
Daraufhin kann der Durchlauferhitzer entsprechend in dem Moment nicht verwendet werden und um dies dem Benutzer anzuzeigen führt der Signalblock
Im Anschluss kann sofort eine erneute Abfrage in dem Abfrageblock
Es sind somit Blankdrahtdurchlauferhitzer bekannt gewesen, die sich auch durch die direkte Erwärmung des Mediums (Trinkwassers) durch sehr kurze Anheizzeiten auszeichnen. Die üblicherweise zugrunde liegenden Ableitstrecken im Ein- und Auslauf zusammen mit der notwendigen Erdung der metallischen Ein- und Austrittspunkte des zu erhitzenden Mediums (Trinkwasser) dienen der sicheren Betriebsweise.There are thus known blank wire heater, which are also characterized by the direct heating of the medium (drinking water) by very short Anheizzeiten. The usually underlying discharge lines in the inlet and outlet together with the necessary grounding of the metallic inlet and outlet points of the medium to be heated (drinking water) are used for safe operation.
Dabei sind die Ableitstrecken im Ein- und Auslauf so dimensioniert, dass der Fehlerableitstrom auch bei schlechtester Brauchwasserqualität mit hohem Leitwert so gering gehalten wird, dass in diesem Fall bei nicht geerdetem Gerät keine lebensgefährlichen Ströme entstehen können.The discharge lines in the inlet and outlet are dimensioned so that the Fehlerableitstrom is kept so low even with the worst service water quality with high conductance, that in this case can not be life-threatening currents at ungerdetem device.
Insgesamt ergibt sich dadurch im Vergleich mit klassischen Rohrheizkörper Durchlauferhitzern ein sehr hoher Schutzpegel, da auch bei schlechter oder nicht vorhandener Erdung konstruktionsbedingt der maximale Fehlerableitstrom, respektive die Berührungsspannung so begrenzt ist, dass für den Nutzer keine Gefährdung besteht.Overall, this results in comparison with classic tubular heater water heaters a very high level of protection, because even with poor or no grounding due to design, the maximum Fehlerableitstrom, respectively the contact voltage is limited so that there is no danger to the user.
In einigen Regionen können durch besondere Bedingungen der Wasserversorgung die Leitwerte temporär so stark ansteigen, dass die Ableitströme einige hundertstel Ampere erreichen. Bei fachgerecht ausgeführter Schutzleiterverbindung ist das Gefährdungspotenzial für den Nutzer gering und mit dem klassischer Rohrheizkörpersysteme vergleichbar.In some regions, due to special conditions of the water supply, the conductance values can rise temporarily to such an extent that the leakage currents reach a few hundredths of an ampere. If the PE conductor connection is carried out correctly, the danger potential for the user is low and comparable to that of conventional tubular heater systems.
Durch die erfindungsgemäße Lösung kann nun auf einfache Art und Weise erreicht werden, dass auch bei extrem hohen Leitwerten des Wassers und nicht vorhandener oder schlechter Schutzleiterverbindung, keine unzulässig hohen Berührungsspannungen auftreten können.The inventive solution can now be achieved in a simple manner that even at extremely high conductivities of water and no existing or poor protective conductor connection, no unacceptably high contact voltages can occur.
Häufig wird statt des Leitwertes der Ableitstrom als Kriterium zugrunde gelegt. Auch hier können zu hohe, nämlich unzulässig hohe Ableitströme sicher verhindert werden. Hierzu wird gemäß einer Ausführungsform vorgeschlagen, eine Messung des Widerstandes zwischen erstem oder letztem im Wasser liegenden Heizkörperbolzen und jeweils dem Ein- bzw. Auslaufrohr durchzuführen. Es wird also eine Messung des Widerstandes zwischen erstem im Wasser liegenden Heizkörperbolzen und dem Einlaufrohr durchgeführt oder eine Messung des Widerstandes zwischen letztem im Wasser liegenden Heizkörperbolzen und dem Auslaufrohr durchgeführt. Es können auch andere Elemente als Messelektroden verwendet werden.Often, instead of the conductance, the leakage current is used as a criterion. Again, too high, namely impermissibly high leakage currents can be reliably prevented. For this purpose, according to one embodiment, it is proposed to carry out a measurement of the resistance between the first or last radiator bolt lying in the water and in each case the inlet and outlet pipe. Thus, a measurement of the resistance between the first radiator bolt lying in the water and the inlet pipe is carried out or a measurement of the resistance between the last radiator bolt lying in the water and the outlet pipe is carried out. It is also possible to use elements other than measuring electrodes.
Bei bekannter Geometrie der Strömungskanäle, die damit gleichzeitig Ableitkanäle für die Ableitströme bilden, kann aus dem Widerstand zwischen den Messelektroden auf den Widerstand der Ableitstrecken hochgerechnet werden. Wenn bspw. die Auslaufstrecke als Schlauch von 100 cm Länge berücksichtigt wird und die Messstrecke zwischen den Elektroden 1 cm = z. B. 1 kOhm beträgt, dann lässt sich der Widerstand der Auslaufableitstrecke, also der Ableitstrecke am Auslauf, auf 100 kOhm berechnen, Bei einer bekannten Netzspannung von bspw. 230 V ergäbe sich ein Ableitstrom von 2,3 mA. Diese Berechnung kann vor dem Einschalten der Heizleistung durchgeführt werden. Ergibt die Berechnung einen Wert, der über einem festgesetzten Grenzwert liegt, als bspw. über 10 mA, könnte dann das Einschalten verhindert werden.With known geometry of the flow channels, which thus simultaneously form discharge channels for the leakage currents, the resistance between the measuring electrodes can be extrapolated to the resistance of the discharge lines. If, for example, the outlet section is considered as a tube of 100 cm in length and the measuring section between the electrodes 1 cm = z. B. 1 kOhm, then the resistance of the discharge outlet, so the discharge line at the outlet, can be calculated to 100 kOhm, In a known mains voltage of, for example, 230 V would result in a leakage current of 2.3 mA. This calculation can be done before switching on the heating power. If the calculation results in a value which is above a set limit value, for example above 10 mA, switching on could then be prevented.
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