Beschreibung

Bezug zu verwandten Anmeldungen

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf und beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2013 005 151 .7, hinterlegt am 26. März 2013, deren Of- fenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich durch Bezug auch in seiner Gesamtheit zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Beobachtung und Überwachung der Flammen eines Verbrennungsprozesses, insbesondere in einer Feuerstätte wie einem Ofen, Kachelofen, Kachelkamin oder dergleichen, wobei während des Verbrennungsprozesses Brennstoffe in Gegenwart von Luft verbrannt werden, nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 8.

Stand der Technik

Aus der dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche zugrundeliegenden DE 27 22 318 A1 ist eine Brennerüberwachung und -regelung für Öfen bekannt, mit der ein Brenner, in dem Brennstoff in Gegenwart von Luft verbrannt wird, geregelt betrieben werden kann. Über eine Einrichtung zur Beobachtung der Flammen wird der Wellen- iängenbereich der abgestrahlten Strahlung von Flammen aufgenommen und im Rahmen einer Spektralanalyse in zwei Sätze von Welienlängenbereichen zerlegt. Aus den AbsorptionswelSenlängen und den Emissionswellenlängen wird auf den Verbrennungsprozess rückgeschlossen und als Folge davon die Luftzufuhr zum Verbrennungsprozess beeinfiusst. Die Beobachtung findet im Brennraum statt und erfordert einen für Heizanlagen entsprechenden Regel- und Steueraufwand. Zum Heizen von Wohnräumen werden neben den klassischen Zentralheizungen bzw. Öl-, Gas- oder Pelletheizungen auch Öfen wie Kachelöfen, Heizkamine oder Kachelkamine mit sichtbarer Feuerstelle verwendet. Diese werden oft mit Kaminholz, Kohle oder anderen festen Brennstoffen sporadisch geheizt. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen, sollte die Luftzufuhr kurz vor dem endgültigen Abbrennen oder mit dem endgültigen Abbrennen geschlossen werden, um einen Wärmverlust zu vermeiden. Dieser Wärmeverlust tritt jedoch in der Regel viel zu oft auf, da man z.B. im Gespräch mit Freunden abgelenkt ist. Da der Raum selbst warm ist, brennt das Feuer unbemerkt herunter. Die zuvor für die Verbrennung benötigte Frischluft durchströmt den Ofen und kühlt ihn aus. Um wieder Wärme zu erhalten, muss der Ofen entsprechend oft neu befüllt werden. Dies führt zu höheren Heizkosten und, aus Umweltgesichtspunkten noch schädlicher, zu einer unnötigen CO ² - Belastung. Um diesen Zustand zu beseitigen, gibt es Vorrichtungen, die die Luftzufuhr bei entsprechendem Stand des Abbrandes selbständig schließen. Allerdings müssen diese Vorrichtungen fest in einem dazu vorbereiteten Ofen eingebaut sein, was mit entsprechenden Anschaffungskosten einhergeht. Deshalb ist auch nur ein geringer Teil aller Öfen mit einer solchen Vorrichtung ausgestattet.

Aufgabe der Erfindung

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur effektiveren Beheizung von Öfen bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmaien des Anspruches 8 gelöst. Zu diesem Zweck ist ein optischer Sensor vorgesehen, der die Flammdichte je Zeiteinheit erfasst. Unter dem Begriff Flammdichte wird im Rahmen dieser Anmeldung die Anzahl und/oder Amplitude an Flammen verstanden, die je Zeiteinheit auftreten. Die Flammen lösen ein Flackerlicht aus, das vom optischen Sensor erfasst wird und zur Auslösung eines vorzugsweise manuellen Steuereingriffs für die Beeinflussung der Luftzufuhr ausgewertet wird. Der Steuereingriff kann jedoch auch selbsttätig erfolgen oder Teil eines Regeiungsprozesses sein, wenngleich im Rahmen der Erfindung dem manuellen Steuereingriff der Vorzug gegeben wird. Dazu weist die Vorrichtung einen Signalgeber auf, der bei Unterschreiten einer bestimmten Fiammdich- te ein Signal zur Auslösung des Steuerangriffs ausgibt. Diese vorgegebene oder vorgebbare Flammdichte tritt beim Verbrennungsprozess eine gewisse Zeit nach dem maximalen Wert an Flammdichte, also nach dem vollständigen Auflodern, ein. Erst wenn dieser Bruchteil der maximalen Fiammdichte erreicht wird, sollte die Luftzufuhr geschlossen werden. Durch die damit gegebene Überwachung des Verbren- nungsprozesses, auf die weiter unten noch eingegangen wird, kann dann die Wärme im Ofen gehalten werden und gleichzeitig kann ein vollständiger Verbrennungsprozess gewährleistet werden, was zur Reduzierung der CO ² -Belastung beiträgt.

Vorzugsweise handelt es sich bei der Vorrichtung um ein vom Ofen unabhängiges Gerät, das mit dem Ofen lediglich in Sichtverbindung steht. Dieses Gerät meldet sich ohne weitere Bedienung selbständig, wenn ein entsprechender Abbrand erreicht ist und die Luftzufuhr vom Ofen geschlossen werden sollte. Dieses Gerät muss damit aber auch selbst erkennen, wann ein Ofen entzündet wurde und wann das Brenngut entsprechend abgebrannt ist. Das Gerät kann in einem nahezu beliebigen Abstand zum Ofen stehen und immer aktiv sein, d.h. es muss nicht von Hand aktiviert werden, wenn Brenngut entzündet wird. Die einzige Bedienung besteht in dem Betätigen einer Taste zum Unterbrechen des Alarms, der nach entsprechendem Abbrand ertönt und zum Schließen der Luftzufuhr auffordert. Vorzugsweise ist lediglich sicherzustellen, dass der optische Sensor in Sichtverbindung mit der Feuerstätte steht, wozu der Ofen eine für die vom optischen Sensor erfasste Lichtstrahlung durchlässige Platte wie eine Scheibe aufweist.

Vorzugsweise ist die Vorrichtung so aufgebaut, dass sie im Brennprozess die Anzündphase mittels eines ersten Timers erkennt und dann zunächst nicht weiter den Verbrennungsprozess beachtet, bis der eigentliche Verbrennungsprozess in Gang ist. Ebenso ist vorzugsweise ein weiterer Timer vorgesehen, der eine Überwachung des Verbrennungsprozesses nach Schließen der Luftzufuhr unterbindet, da es sonst zu Fehlauslösungen kommen kann. Verfahrensgemäß wird lediglich die Flammendichte je Zeiteinheit mittels des optischen Sensors erfassi und daraus auf den Verbrennungsprozess rückgeschiossen. Dabei hat sich gezeigt, dass die Beobachtung der Flammen den Verbrennungsprozess sehr effizient wiedergibt. Eine zusätzliche Temperaturauswertung ist nicht er- forderlich. Auch die Infrarot-Strahlung, die grundsätzlich ebenfalls im Rahmen der Erfindung verwendet werden kann, ist anders verteilt als die Flammdichte, da sie eine stärkere Abnahme als die Verringerung der sichtbaren Flammen zeigt, also den Verbrennungsprozess nicht so gut widerspiegelt wie die Flammdichte. Vorzugsweise wird die Vorrichtung autark betrieben, d.h. sie muss nicht mit dem Stromnetz in Verbindung stehen. Der Stromverbrauch ist vorzugsweise so gering, dass das Gerät mit einer kleinen Solarzelle auskommt bzw. mit einer kleinen handelsüblichen Batterie eine Lebenszeit von mehreren Jahren hat. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.

Kurzbeschreibung der Figuren im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ofen mit einer davon beabstandeten Vorrichtung zur Beobach- tung und Überwachung der Flammen,

Fig 2 eine vergrößerte Ansicht der Vorrichtung,

Fig 3 einen schematischen Ablauf eines Verbrennungsprozesses,

Fig 4 eine beispielhafte Schaltung für die Vorrichtung gemäß Fig. 2,

Fig 5 den Ablauf des Verbrennungsprozesses mit den zugeordneten, von der

Schaltung gemäß Fig. 4 veranlassten Schaltimpulsen.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird jetzt beispielhaft unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher eriäutert. Allerdings handelt es sich bei den Ausführungsbeispielen nur um Beispiele, die nicht das erfinderische Konzept auf eine bestimmte Anordnung beschränken sollen. Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.

Figur 1 zeigt die Vorrichtung 1.4 zur Beobachtung und Überwachung der Flammen 1 ,8 eines Verbrennungsprozesses, wie er in einer Feuerstätte, wie in einem Ofen 1.1 , Kachelofen, Kachelkamin oder dergleichen erfolgt. Im Folgenden wird der Begriff Ofen allgemein für Öfen verwendet, in denen während des Verbrennungspro- zesses Brennstoff in Gegenwart von Luft verbrannt wird. Bevorzugter Einsatzbereich sind vor allem Heizkamine mit sichtbarer Feuerstelle, sofern jedoch eine Beobachtung der Flammen auch bei nicht sichtbarer Feuerstätte gewährleistet ist, kann die Vorrichtung z.B. auch im oder am Ofen selbst an geeigneter Stelle verwendet werden.

Der Ofen 1 .1 gemäß Fig. 1 weist einen Brennraum auf, in dem der Brennstoff unter Bildung von Flammen 1 .8 verbrannt wird. Die Feuerstätte des Ofens kann durch eine Scheibe 1 .10 oder eine andere Platte verschlossen werden, sofern die Sichtverbindung 1 .2 zur Vorrichtung .4 sichergestellt ist. Dies ist immer dann der Fall, wenn die Platte oder Scheibe 1.10 für die vom optischen Sensor 1 .6 der Vorrichtung 1 .4 er- fasste Lichtstrahlung durchlässig ist. Ferner weist der Ofen eine Luftzufuhr 1 .9 auf, um den Luftzutritt zum Ofen 1 .1 zu regeln.

Die Vorrichtung 1 .4 dient zur Beobachtung und Überwachung der Flammen 1 .8 des Verbrennungsprozesses im Ofen 1 , 1 . Dazu ist ein optischer Sensor 1 .6 zur Flammenbeobachtung vorgesehen, der in Abhängigkeit der beobachteten Flammen ein Sensorausgangssignal 4.1 1 erzeugt, das gemäß Fig. 4 an eine Auswerteeinheit 4.10 weitergegeben wird. Anhand des Sensorausgangssignals 4.1 1 ist die Auswerteeinheit 4.10 in der Lage, einen Steuereingriff in den Verbrennungsprozess infolge des Sensorausgangssignals 4.11 zu ermitteln. Die Luftzufuhr 1 .9 stellt ein Mittel zur Beeinflussung der Zufuhr an Luft zum Verbrennungsprozess dar, durch das der Steuereingriff unter Veränderung der Flammen erfolgen kann, in einem selbständigen oder geregelten Verbrennungsprozess wäre diese manuelle Vorrichtung durch eine mechanische Vorrichtung zu ersetzen, wie z.B. eine Steuerklappe mit Antriebsmotor.

Gegenüber dem vorbekannten Stand der Technik erfasst der optische Sensor 1 .6 das Flackern der Flammen 1 .8 und damit die Flammdichte je Zeiteinheit. Die Vorrichtung weist einen Signalgeber 4.6 auf, der bei Unterschreiten der Flammdichte unter einen vorbestimmten oder vorbestimmbaren Bruchteil 5.4 eines vom optischen Sensor 1 .6 erfassten Maximalwertes M an Flammdichte ein Signal zur Auslösung des manuellen oder mechanischen Steuereingriffs ausgibt. Wesentlich ist also die Beobachtung der Flammdichte, d.h. der Flammenanzahl und/oder Amplitude der Flammen je Zeiteinheit, auf was im Folgenden noch näher eingegangen wird.

Fig. 3 zeigt die Anzahl A bzw. die Amplitude an Flammen und damit die Flammendichte über die Zeit t eines Verbrennungsprozesses. Während der Zeit t1 ist der Verbrennungsprozess noch nicht gestartet. Die dort auftretenden Impulse stammen vielmehr von Schaltsignalen anderer Leuchtquellen, die der optische Sensor 1.6 ebenfalls wahrnimmt. Da die Vorrichtung grundsätzlich alle Impulse mittelt, führen diese Impulse noch nicht dazu, dass der Betrieb der Vorrichtung so einsetzt, wie er bei einem Verbrennungsprozess einsetzen würde. Zu Beginn der Zeit t2 wird der Ofen angezündet. Die hierfür verwendeten Anzünder oder trockenen Kleinstoffe können unter Umständen relativ schnei! hochlodern, was zu einem ersten Maximal- wert in der Zeitdauer t2 führt. Dieser Wert hat jedoch mit dem Abbrand der Brennstoffe noch wenig zu tun. Sobald die Anzündmittel herunterbrennen, findet der Übergang zur Zeitdauer t3 statt, bei der es sich nun um den eigentlichen Brand also z.B. den Holzbrand handelt. Während dieses Verbrennungsprozesses ergibt sich ein Maximum M an Flammdichte in der Zeitdauer t3, was für die folgende Auswertung des Verbrennungsprozesses noch Bedeutung hat. Nach dem Maximum verbrennt der Brennstoff alimählich, bis zu irgendeinem Zeitpunkt während der Zeitdauer t3 die Luftzufuhr geschlossen wird. Dies führt meist nochmals zu einem Nachbrennen in der Zeit t4 mit ruhigeren Flammen, aber auch einem nochmaligen Anstieg der Flammdichte. Dieser typische Verbrennungsprozess wird durch die Vorrichtung 1.4 gemäß Fig. 2 überwacht. Der optische Sensor 1 .6 ist in einem Fenster der Vorrichtung 1 .4 angeordnet. Ferner ist eine Betriebsanzeige 1 .7 vorhanden, die dem Benutzer anzeigt, dass das Gerät gerade den Verbrennungsprozess beobachtet. Über einen Schalter 1 .5 kann der Alarm des in Fig. 4 gezeigten Signalgebers 4.6 abgeschaltet werden. Gemäß Fig. 1 ist die Vorrichtung 1 .4 und damit der optische Sensor 1.6 vorzugsweise von der Feuerstätte beabstandet an einem Standort 1 .3 wie hier auf einem Tisch angeordnet und steht mit den Flammen 1 .8 in Sichtverbindung 1 .2. Dies ist auch die bevorzugte Ausführungsform, da diese Vorrichtung nachträglich jedem Ofen zugeordnet werden kann. Es handelt sich um ein kleines, vom Ofen 1.1 unabhängiges Gerät, das sich ohne weitere Bedienung selbständig meldet, wenn ein entsprechender Abbrand erreicht ist und die Luftzufuhr 1.9 zum Ofen 1.1 geschlossen werden sollte. Dies kann durch die noch zu beschreibende Schaltung gemäß Fig. 4 erreicht werden. Dieses Gerät muss selbst erkennen, wenn ein Ofen entzündet wurde und wann das Brenngut entsprechend abgebrannt ist. Dabei sollte das Gerät in einem nahezu beliebigen Abstand von etwa bis zu 10 Meter zum Ofen stehen können und immer aktiv sein, d.h. nicht von Hand aktiviert werden müssen, wenn das Brenngut entzündet wird. Die einzige Bedienung besteht in dem Betätigen des Schalters 1 .5 zum Unterbrechen des Alarms, der nach entsprechendem Abbrand ertönt und zum Schließen der Luftzufuhr 1 .9 auffordert. Um dieses Gerät möglichst autark zu betreiben, ist der Stromverbrauch so gering (< 10 μΑ), dass das Gerät mit einer Energiequelle 4.3 wie einer kleinen Solarzelle auskommt oder mit einer kleinen handelsüblichen Batterie eine Lebenszeit von mehreren Jahren hat. Durch konsequenten Ein- satz des Gerätes wird der CO ² -Ausstoß verringert und es werden deutliche Heizkosteneinsparungen für den Anwender erreicht. in der Schaltung gemäß Fig. 4 ist eine Fotodiode 4.1 vorgesehen, die vorzugsweise im Generatorbetrieb betrieben wird. Möglich ist dies auf Grund der geringen Reakti- onszeit, die von der Fotodiode 4.1 benötigt wird. Grundsätzlich ist es gleichgültig, wie die Fotodiode gepolt wird. Die Fotodiode 4.1 wird über den Widerstand 4.2 belastet. Damit können Ladungsträger über den Widerstand 4.2 abwandern und es wird kein Strom aus der Energiequelle 4.3 verbraucht. Das Signal der Fotodiode wird dem Wechselverstärker 4.4 zugeführt und anschließend einem Bandfilter 4.5. Der Bandfil- ter filtert vorzugsweise Bereiche >5 Hz und <20 Hz aus dem Signal heraus. Damit fallen vorzugsweise alle Signale heraus, die z.B. von vorbeilaufenden Personen stammen und im oberen Frequenzbereich vor allem die Netzfrequenzen von 50 und 60 Hertz. Das so bandgefilterte Signal kann dann, muss aber nicht, einen weiteren Wechselverstärker 4.4 zugeführt werden, bevor es einem ikroprozessor als Auswerteeinheit 4.10 zugeleitet wird. Dem Mikroprozessor sind zwei Schalter 4.7, 4.8 zugeordnet, die Timern zugeordnet sind, auf die weiter unten noch eingegangen wird. Von der Auswerteeinheit 4.10 wird eine LED 4.12 angesteuert, die die Betriebsanzeige 1 .7 darstellt. Über den Taster 4.9 wird mittels des Schalters .5 der Alarm ausgeschaltet. Über die Schalter 4.7 und 4.8 kann je nach Ausführungsform der Vorrichtung 1 .4 den Schwellwert 5.4 verändern und/oder eine zusätzliche Verzögerung für die Aktivierung des Signalgebers 4.6 aktiviert werden. Schließlich steht die Auswerteeinheit 4.10 mit dem Signalgeber 4.6 in Verbindung. Mit dieser Schaltung ist folgender Betrieb der Vorrichtung gemäß Fig. 5 möglich. Wesentlich ist vor allem, dass zu einem geeigneten Zeitpunkt nach dem maximalen Auflodern die Luftzufuhr 1 .9 geschlossen wird. Dies erfolgt nach Beendigung der eigentlichen Brennphase t3. Die Vorrichtung erfasst das Maximum M an maximaler Flammdichte 5.3, indem der maximale Wert gemittelt und abgespeichert wird. Wird im Folgenden die Flammdichte geringer, wird der Signalgeber 4.6 ausgelöst, sobald die Auswerteeinheit 4.10 an Hand des Sensorausgangssignals 4.1 1 feststellt, dass ein vorgegebener oder vorgebbarer Bruchteil 5.4 des Maximums M An Flammdichte erreicht ist. Das Signal des Signalgebers 4.6 gibt den Zeitpunkt für den vorzugsweise manuellen Steuereingriff an.

Grundsätzlich besteht die Gefahr, dass die Vorrichtung die Anzündphase bereits als Maximum ansieht und zum Zeitpunkt des Übergangs in die Brennphase das Signal als Bruchteil ausgibt. Aus diesem Grund ist ein erster Schwellwert 5.2 vorgesehen, bei dessen ersten Überschreiten ein erster Timer für eine Zeitdauer 5.5 gesetzt wird. Während dieser Zeit, etwa zehn Minuten, erfolgt keine weitere Erfassung der

Flammdichte. Am Ende der Zeitdauer 5.5 wird nun der Maximalwert M während der Zeitdauer 5.6 erfasst. Am Ende der Zeitdauer 5.6 wird dann der vorgegebene Bruchteil 5.4 erreicht und gemäß Signallinie 5.7 der Signalgeber 4.6 eingeschaltet, der dann durch das Schaltsignal 5.8 ausgeschaltet wird. Zu diesem Zeitpunkt wird nochmais ein Timer für eine Zeitdauer 5.9 betätigt, der wiederum die Überwachung der Flammen aussetzt, bis der Verbrennungsprozess so weit abgeschlossen ist, dass der Ofen neu befüllt werden kann. Durch die oben genannte zusätzliche Verzögerung kann diese Zeit auch so lange gewählt werden, bis der Ofen vollständig ab~ gebrannt ist, um z.B. Rauchbelästigungen beim Öffnen des Ofens zu vermeiden.

Verfahrensgemäß werden Flammen mittels eines optischen Sensors 1 .6 beobachtet, dessen Sensorausgangssignal an die Auswerteeinheit 4.10 übermittelt wird. Die Auswerteeinheit ermittelt daraus in Folge des Sensorausgangssignais 4.1 1 einen Zeitpunkt für einen Steuereingriff in den Verbrennungsprozess. in Folge des Steuereingriffs wird die Luftzufuhr 1 .9 zum Verbrennungsprozess beeinflusst. Der Sensor erfasst die Flammdichte je Zeiteinheit, also die Anzahl und/oder Amplitude der Flammen. Wird ein vorgegebener oder vorgebbarer Bruchteil 5.4 eines Maximaiwerts unterschritten, wird durch einen Signalgeber 4.6 ein Signal ausgegeben, dass den Bediener zur Durchführung des vorzugsweise manuellen Steuereingriffs auffordert. Das Signal kann aber auch in eine Steuerung oder Regelung eingehen, die dann selbsttätig Einfluss auf die Luftzufuhr 1 .9 nimmt. Vorzugsweise werden dabei die Anzündphase sowie auch die Zeit nach Schließen der Luftzufuhr über je einen Timer ausgeblendet, um genau den Maximalwert M zu erfassen und sicherzu- steilen, dass ein vollständiger Abbrand erfolgt. Die Zeitdauer 5.9 des weiteren Timers beträgt vorzugsweise 15 Minuten. Eine Temperaturauswertung ist nicht erforderlich.

Es versteht sich von selbst, dass diese Beschreibung verschiedensten Modifikatio- nen, Änderungen und Anpassungen unterworfen werden kann, die sich im Bereich von Äquivalenten zu den anhängenden Ansprüchen bewegen. Bezugszeichenliste

1 .1 Ofen

1 .2 Sichtverbindung

1 .3 Standort

1 .4 Vorrichtung

1 .5 Schalter

1 .6 optischer Sensor

1 .7 Betriebsanzeige

1 .8 Flamme

1 .9 Luftzufuhr

1 .10 Scheibe

4.1 Fotodiode

4.2 Widerstand

4.3 Energiequelle

4.4 Wechselverstärker

4.5 Bandfilter

4.6 Signalgeber

4.7, 4.8 Schalter

4.9 Taster für 1 .5

4.10 Auswerteinheit

4.1 1 Sensorausgangssignal

4.12 Leuchtdiode

5.1 Einzelpu!se

5.2 erste Schwelle

5.3 Maximum

5.4 Bruchteil / Schwelle

5.5, 5.6, 5.9 Zeitdauer

5.7 Zeitdauer für 4.6

5.8 Knopfdruck 1 .5 t1 Zeit mit Einzelimpulsen

12 Anzündphase t3 Brennphase

t4 Nachbrennphase

M Maximum