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  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Es wird ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verkalkungserkennung eines elektrischen Heizkörpers vorgeschlagen. Der heiße Heizkörper 1 wird abgeschaltet und an eine Messbrücke 3 gelegt. Während der Abkühlung des Heizkörpers 1 wird die an ihm abfallende Spannung gemessen und mit dem Spannungsverlauf verglichen, der zu erwarten wäre, wenn der Heizkörper nicht verkalkt ist. Aus dem Vergleichsergebnis wird ein Verkalkungssignal abgeleitet.
    公开号:DE102004014024A1
    申请号:DE200410014024
    申请日:2004-03-23
    公开日:2004-10-21
    发明作者:Barbara Dahms；Helmut Lutat；Norbert Schwedler
    申请人:Stiebel Eltron GmbH and Co KG；
    IPC主号:A47J31-54
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verkalkungserkennungeines elektrischen Heizkörpersin einem Heißwasserbereiter.
    [0002] EineVerkalkungsanzeigeschaltung füreinen elektrischen Heißwasserbereiterist in der DE 30 45 121A1 beschrieben. Es sind als Temperaturfühler zwei temperaturabhängige Widerstände vorgesehen, dereneiner im Heißbereichdes Heizkörpersselbst angeordnet ist. Die temperaturabhängigen Widerstände liegenin einer Vergleichsschaltung, die bei einer überproportionalen Erhöhung desWiderstandswerts des zweiten Widerstands infolge Verkalkung gegenüber dem Widerstandswertdes ersten Widerstands ein Anzeigesignal auslöst. Eine Schaltung mit solchentemperaturabhängigenWiderständenist aufwändig.
    [0003] Inder DE 35 06 478 C2 isteine Schaltung eines Heißwasserbereitersbeschrieben, durch die sich die Verkalkung reduzieren lässt.
    [0004] Aufgabeder Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung der eingangsgenannten Art vorzuschlagen, wobei die Verkalkung ohne Temperaturfühler ermitteltwird.
    [0005] ObigeAufgabe ist hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs1 und hinsichtlich der Einrichtung durch die Merkmale des Anspruchs8 gelöst.Es wird dabei die Erkenntnis ausgenutzt, dass sich der elektrischeWiderstand des Heizkörperswährenddes Abkühlens ändert, wobeidie Widerstandsänderungeines verkalkten Heizkörpers andersverläuftals die eines unverkalkten Heizkörpers.Für dieAuswertung dieser Erscheinung eignet sich eine digitale Messwertverarbeitung,ohne dass ein Temperaturfühlernotwendig ist, der am Heizkörpermontiert werden muss.
    [0006] Vorzugsweisewird währendder Abkühlung einMessstrom in Messintervallen an den Heizkörper gelegt.
    [0007] Ineiner vorteilhaften Ausgestaltung befinden sich die elektronischenBaugruppen alle auf einer Platine. Diese ist in einer weiteren vorteilhaftenAusgestaltung mit dem Behälterdes Warmwasserspeichers verbunden. Dies kann beispielsweise durch einedirekte Verschraubung der Platine mit den Heizkörperanschlüssen erfolgen. Dazu befindensich auf der Platine Kontaktflächenzur Leistungsübertragung aufdie Heizkörperdes Heißwasserbereiters.
    [0008] Weiterevorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen undder folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:
    [0009] 1 eine Schaltung zur Verkalkungserkennung,
    [0010] 2 den Verlauf der Abkühlkurvenim unverkalkten Zustand eines Heizkörpers,
    [0011] 3 den Verlauf der Abkühlkurvenim verkalkten Zustand eines Heizkörpers,
    [0012] 4 ein Blockschaltbild derFunktionen und
    [0013] 5 einen Warmwasserspeichermit Anzeigeeinheit.
    [0014] Einelektrischer Rohrheizkörper 1 oderein sonstiger elektrischer Heizkörper,wie Blankdraht-Heizkörperoder Dickschicht-Heizkörper,eines Heißwasserbereiters,insbesondere Heißwasserspeichers,hat einen ohmschen Heizwiderstand RHK. Im Heizbetrieb liegt derHeizwiderstand RHK übereinen zweipoligen Umschalter und eine nicht näher dargestellte Steuer- oderRegelschaltung am Netz LN.
    [0015] Nachder Aufheizung des Wassers wird der Heizwiderstand RHK mittels desUmschalters 2 vom Netz LN getrennt und in eine Messbrücke 3 geschaltet.Er heizt jetzt nicht mehr, sondern kühlt bis auf Wassertemperaturab (Abkühlphase).Die Abkühlung wird über denWiderstandswert des Heizwiderstands RHK oder über einen Temperatursensorgemessen.
    [0016] DieMessbrücke 3 weisteinen ersten Brückenzweigmit einem Widerstand R4 und dem Heizwiderstand RHK und einem zweitenBrückenzweig mitWiderständenR3, R8 auf. Die Abgriffe der Brückenzweigeliegen übereinen Widerstand R5 bzw. einen Widerstand R6 an einem Differenzspannungsverstärker D,der mit einem Widerstand R1 und einem Kondensator C1 zwischen seinemersten Eingang und seinem Ausgang geschaltet ist. Der andere Eingangist übereinen Widerstand R7 an Masse gelegt. Der Ausgang des Differenzspannungsverstärkers Dliegt an einem AD-Wandler-Eingang eines Mikrocontrollers μC als Auswerteschaltung.
    [0017] DerKopfpunkt der Messbrücke 3 istan ein Netzteil 4 mit einem Speicherkondensator C2 undeinem Widerstand R2 angeschlossen. Die VersorgungsgleichspannungVcc ist wesentlich kleiner als die Netzspannung (230 V) und beträgt etwa5 V.
    [0018] DerFußpunktder Messbrücke 3 liegt über einenSchalttransistor T an Masse. Der Schalttransistor T wird über Widerstände R9,R10 und dem Mikrocontroller μCgeschaltet. Um das Netzteil 4 möglichst klein und kostengünstig aufbauenzu können,wird die Messbrücke 3 ingleichmäßigen Messintervallen von1 bis 2 s füreine kurze Zeitspanne, beispielsweise etwa 400 μs bestromt, was durch Schaltendes Transistors T geschieht. Den Messstrom von etwa 100 mA liefertjeweils der Speicherkondensator C2.
    [0019] DieWiderstandsänderungdes Heizwiderstands RHK währendder Abkühlphaseist gering. Sie beträgtetwa 1 Ohm. Da die Fertigungstoleranzen des Heizwiderstandes RHKgrößer sindals die Widerstandsänderungwährendder Abkühlphase,muss die Messbrücke 3 abgeglichenwerden. Dies geschieht mittels am zweiten Brückenzweig liegender Widerstände R11bis R16, die der Mikrocontroller μC derartzu- oder abschaltet, dass im kalten Zustand des HeizwiderstandsRHK die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers D bei einem bestimmten Wertzwischen 3 und 5 V, Idealerweise bei 5 V, liegt. Ein Spannungsverlaufwährendder Abkühlphasevon 0 bis 5 V am Ausgang des Differenzverstärkers D entspricht 0 bis 255Schritten des Mikrocontrollers μCan der Ordinate der 2 und 3.
    [0020] DieAufnahme und Auswertung der während derAbkühlphaseauftretenden Messwerte geschieht folgendermaßen: Der Messstrom wirdnach dem Trennen des Heizwiderstands RHK vom Netz in gleichen Messintervallen,beispielsweise 1 s, fürbeispielsweise 400 μs oderkürzer,auf die Messbrücke 3 geschaltet. Über denDifferenzverstärkerD wird der entsprechende Spannungs-Messwert an den Mikrocontroller μC gelegt.
    [0021] Versuchehaben gezeigt, dass sich die Messwerte, d.h. die Widerstandswerteeines verkalkten und eines unverkalkten Heizkörpers nach einer bestimmtenZeit praktisch nicht mehr ändern.Im obigen Fall wurde festgestellt, dass sich die Messwerte nach etwa100 Messungen, d.h. 100 s praktisch nicht mehr ändern und gleich sind. Es genügen im obigenBeispielsfall also 100 Messintervalle zur Erfassung der relevantenAbkühlkurve.In 2 und 3 zeigt die Ordinate Messwertebei Messzeitpunkten. Die Abszisse zeigt die Anzahl der Messintervalle(100).
    [0022] DieKurve B1 in 2 ist derMesswertverlauf, der sich ergibt, solange der Heizkörper unverkalktist. Die Kurve A in 2 und 3 ist der erwartete Verlaufbeim unverkalkten Heizkörper.Es wurde ermittelt, dass dieser Verlauf, also der Verlauf der Abkühlkurveeines unverkalkten Heizkörpers,einer e-Funktion folgt. Die Kurven B1 und A1 decken sich bis aufMessungenauigkeiten.
    [0023] DieKurve B2 in 3 ist derSpannungsverlauf bzw. Messwertverlauf des verkalkten Heizkörpers 1.
    [0024] DerVergleich der Kurven A2 und B2 zeigt, dass von der Messung 1 bisetwa zur Messung 5 und ab der Messung 100 sichdie Kurven decken. Die Abweichung der Kurve B2 gegenüber derKurve A bei den Messungen 6 bis 99 ist ein Maß für die Verkalkung.Diese Abweichung lässtsich auf unterschiedliche Weise auswerten.
    [0025] Vorzugsweisewird die Abweichung durch einen Vergleich der Fläche S1 unterder Kurve B1 bzw. B2 und der FlächeS2 unter der Kurve A1 bzw. A2 ermittelt.Die FlächeS1 wird im Mikrocontroller μC digitalberechnet mit: S1 = Mn + Mn+1 + ... +M100, wobei Mn derMesswert des ersten Zeitintervalls Mn+1 derMesswert des zweiten Zeitintervalls M100 derMesswert des 100sten Zeitintervalls ist.
    [0026] JedeEinzelmessung wird auf Gültigkeit(Mn+1 < Mn überprüft, weildie Kurve B1 bzw. B2 abfällt.Bei zwei aufeinanderfolgenden ungültigen Werten oder mehr als5% an ungültigenWerten in einem Messzyklus wird die gesamte Messung verworfen. Diesgilt auch, wenn währenddes Messzyklusses die Wassertemperatur sich in Folge eines Zapfvorgangs ändert, wodurchdie AbkühlkurveB1 bzw. B2 beeinflusst wird.
    [0027] DieFlächeS2 wird durch Berechnung der Kurve A1 bzw.A2 des Heizkörpersmit der e-Funktion
    [0028] Diee-Funktion, also die Kurve A, ist der erwartete Verlauf, der FaktorEXP (Δt/1)wird aus dem Anfangsverlauf der gemessenen Kurve B ermittelt. Für jede gemesseneKurve B wird eine Kurve A ermittelt, der Verkalkungsgrad ergibtsich aus der Flächezwischen den beiden Kurven. Kleine Fläche – wenig Kalk, große Fläche – viel Kalk.
    [0029] Ausgehendvon einem ersten Messwert M1 der tatsächlichenKurven B1 bzw. B2 kann übereinen berechneten konstanten Faktor F jeder weitere Punkt E dere-Funktion berechnet werden, wobei En =En–1 xF + Of,mit Of = Offset-Wert am Messpunkt M100.
    [0030] DerFaktor F kann aus den ersten fünfMesswerten M1 der tatsächlichen Kurve B1 bzw. B2 imMikrocontroller μCermittelt werden, weil diese Messpunkte mit den betreffenden Punktender e-Funktion nahezu identisch sind.
    [0031] Fwird berechnit mit F = (F1 +F2 + F3 + F4)/4, wobeiF1 =255 – M2 – (255 – M100)/255 – M1 – (255 – M100) F4 = 255 – M5 – (255 – M100)/255 – M4 – (255 – M100)
    [0032] Danacherfolgt die Berechnung der einzelnen Punkte E1 bisE100 der Kurve A, wobei E1 =M1 E2 = E1 x F + Of . . . En = En–1 x F + Of.
    [0033] DieseBerechnung und die Berechnung des Faktors F erfolgt erst am Endeeines erstmaligen oder jedes Messzyklusses, da erst dann der OffsetwertOf bekannt ist. Die ersten fünfMesswerte M1 bis M5 undder letzte Messwert M100, d.h. der Offsetwert, werdenin einem Speicher (RAM) des Mikrocontrollers μC gespeichert.
    [0034] DieFlächeS2 der Kurve A ergibt sich dann mit: S2 = E1 +E2 + En + En+1 + ... + E100.
    [0035] Danachwird als Kennzahl V fürdie Erzeugung eines Verkalkungssignals die Differenz V = S1 – S2 gebildet.
    [0036] Dienach Inbetriebnahme des Heisswasserbereiters erstmalig ermittelteDifferenz V wird als Kennzahl in einem EEPROM des Mikrocontrollers μC gespeichertund dient als Referenzgröße zur Erkennungdes Verkalkungsgrades.
    [0037] IstS1 gleich S2, liegtkeine Verkalkung vor. Ist S1 > S2,liegt eine Verkalkung vor. Je größer dieDifferenz S1 – S2 ist,desto stärkerist die Verkalkung. Das Verkalkungssignal kann einen Hinweis auf "leichte Verkalkung", "mittlere Verkalkung", "starke Verkalkung", "Entkalkung ratsam" geben.
    [0038] DenBereich von M1 bis M100 zu erfassen ist günstig, da im voraus nicht genaubekannt ist, wann die Kurven A2 und B2 auseinanderlaufen.
    [0039] DieLage der Kurve B1, B2 hängtauch von der Wassertemperatur ab. Es wird deshalb die theoretischerwartete Kurve A vorzugsweise fürjede Abkühlphaseneu berechnet.
    [0040] 4 zeigt die mit der Elektronikrealisierten Funktionen in einem Blockschaltbild. Die Elektronik istdabei ausgestattet mit der Meßbrücke 5 für Verkalkungserkennung,einer Schnittstelle 6, z.B. RS 232, für Datenübertragung, einem Temperaturfühler 7,der entweder direkt auf der Elektronikplatine 18 integriert istoder einen Temperaturfühleranschluß, einerFreigabesignal-Einrichtung 8, mit der die Freigabesignalegeneriert werden, einer Betriebsart-Umschaltung 9, mitder zwischen Einkreis-, Zweikreis- und Boilerbetrieb umgeschaltetwerden kann.
    [0041] BeimEinkreisbetrieb handelt es sich um die Nacherwärmung des Heißwasserbereiters 14 zujeder Zeit auf eine eingestellte Temperatur, bei der Zweikreisschaltungist die Wiederaufladung oder Wiedererwärmung nur in Niedertarifzeitendes EVU-Netzes möglich,und die Boilerbetriebsschaltung ermöglicht das Aufheizen des Heißwasserbereiters 14 aufein gesondertes Anforderungssignal, z.B. per Knopfdruck. Ein Schalterbzw. Einschaltknopf zur Generierung des Boilerbetriebs ist ebenfallsauf der Elektronikplatine 18 untergebracht. Weiterhin befindetsich ein Netzteil 10 auf der Elektronikplatine 18, einAnodenstromerzeuger 11, ein Relais 12 zur Schaltungder Heizkörperund ein Sicherheitstemperaturbegrenzer 17.
    [0042] Mitder Freigabesignal-Einrichtung 8 werden die vom EVU kommendenSignale in fürden μC verarbeitbareSignale, z.B. 0–5V, umgesetzt. Im einfachsten Fall ist dies ein Widerstand.
    [0043] ImausgeführtenBeispiel befindet sich ein Bedienteil 13 außerhalbder Elektronikplatine 18. In diesem Bedienteil 13 befindetsich auch ein elektronisches Bedienteil 15 mit einer Anzeige 16 für Verkalkung.Im einfachsten Fall wird "Verkalkungja oder nein" ("ja" z.B. durch Ca) angezeigtoder die verschiedenen Verkalkungsgrade durch eine %- oder Balken-Anzeige.
    权利要求:
    Claims (19)
    [1] Verfahren zur Verkalkungserkennung eines elektrischenHeizkörpersin einem Heisswasserbereiter, dadurch gekennzeichnet, dassder heisse Heizkörperabgeschaltet wird und an eine Messbrücke gelegt wird, dass während derAbkühlungdes Heizkörpersdie an ihm abfallende Spannung gemessen wird und dass der Spannungsverlaufmit einem an dem Heizkörper,wenn er nicht verkalkt ist, auftretenden Ideal-Spannungsverlauf verglichen wird und dassaus dem Vergleichsergebnis ein Verkalkungssignal abgeleitet wird.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Messstrom in gleichmäßigen Messintervallenwährendder Abkühlungan den Heizkörpergelegt wird.
    [3] Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass der Messstrom währendder Abkühlungin den Messintervallen für eineZeitspanne, die kleiner ist als das Messintervall, an den Heizkörper gelegtwird.
    [4] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Flächenunter dem Ideal-Spannungsverlauf und dem Ist-Spannungsverlauf berechnet und verglichenwerden und aus der Abweichung das Verkalkungssignal abgeleitet wird.
    [5] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass der Ideal-Spannungsverlauf aus der Anfangssteigungder Messkurve der Abkühlungund einem Offsetwert berechnet wird.
    [6] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass während derAbkühlungetwa 100 Messwerte ± 20%erfasst werden.
    [7] Einrichtung zur Verkalkungserkennung eines elektrischenHeizkörpersin einem Heisswasserbereiter, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschalter (2)vorgesehen ist, mit dem der heisse Heizkörper (1) vom Netz(LN) trennbar und in eine Messbrücke(3) schaltbar ist, dass eine Auswerteschaltung (μC) während desAbkühlensdes Heizkörpers(1) den Ist-Spannungsverlauf (B) ermittelt und diesen mit demIdeal-Spannungsverlauf (A) des unverkalkten Heizkörpers vergleichtund bei einer beachtlichen Abweichung des Ist- Spannungsverlaufes (B) vom Ideal-Spannungsverlauf(A) ein Verkalkungssignal abgibt.
    [8] Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,dass die Messbrücke(3) Abgleichwiderstände(R11 bis R16) enthält,die die Auswerteschaltung (uc) bei kaltem Heizkörper einstellt.
    [9] Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,dass die Auswerteschaltung (μC) Messwertedes Spannungsverlaufs (B) in gleichmäßigen Messintervallen erfasst.
    [10] Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (μC) die gleichmäßigen Messintervallebestimmt und währendjedes Messintervalls die Messbrücke(3) füreine Zeitspanne, die kürzerist als das Messintervall, an ein Netzteil (4) legt.
    [11] Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung ein Mikrocontroller(μC) ist, derwährenddes Abkühlensdes Heizkörpers(1) den Spannungsverlauf der Messbrücke (3) über einen Differenzspannungsverstärker (D)digitalisiert in gleichen Messintervallen erfasst, der aus den ersten Messwerten(M1 bis M5) desSpannungsverlaufs (B) den Ideal-Spannungsverlauf (A) errechnet undder die Messwerte (M1 bis M100)der Messintervalle des Spannungsverlaufs summiert sowie die entsprechendenWerte des Ideal- Spannungsverlaufssummiert und aus dem Vergleich der Summen das Verkalkungssignalableitet.
    [12] Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass das von der Auswerteschaltung (μC) ermittelteVerkalkungssignal an einer Anzeige (16) angezeigt wird.
    [13] Einrichtung zur Verkalkungserkennung nach einemoder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass sich die Anzeige (16) auf einer Elektronikplatine(18) befindet, auf der sich mindestens ein Netzteil (10),ein μC,eine Meßbrücke (5)und ein Relais fürHeizkörper(12) befindet.
    [14] Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,dass sich auf der Platine (18) eine Schnittstelle (6)befindet.
    [15] Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,dass sich auf der Platine (18) ein Temperaturfühler (7)befindet.
    [16] Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,dass sich auf der Platine (18) eine Freigabesignal-Einrichtung(8) befindet.
    [17] Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,dass sich auf der Platine (18) ein Betriebsart-Umschalter(9) befindet.
    [18] Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,dass sich auf der Platine (18) ein Anodenstromerzeuger(11) befindet.
    [19] Heißwasserbereiternach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass sich die Anzeige (16) in einem Bedienteil(13) befindet, welches im Datenaustausch mit μC steht.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2004-10-21| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2006-07-20| 8364| No opposition during term of opposition|
    2017-10-03| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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