DE102004014024B4

DE102004014024B4 - Verfahren und Einrichtung zur Verkalkungserkennung eines elektrischen Heizkörpers

Info

Publication number: DE102004014024B4
Application number: DE102004014024A
Authority: DE
Inventors: Helmut Lutat; Barbara Dahms; Norbert Schwedler
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2024-03-24
Also published as: DE102004014024A1

Abstract

Verfahren zur Verkalkungserkennung eines elektrischen Heizkörpers in einem Heisswasserbereiter, dadurch gekennzeichnet, dass der heisse Heizkörper abgeschaltet wird und an eine Messbrücke gelegt wird, dass während der Abkühlung des Heizkörpers die an ihm abfallende Spannung gemessen wird und dass der Spannungsverlauf mit einem an dem Heizkörper, wenn er nicht verkalkt ist, auftretenden Ideal-Spannungsverlauf verglichen wird und dass aus dem Vergleichsergebnis ein Verkalkungssignal abgeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verkalkungserkennung eines elektrischen Heizkörpers in einem Heißwasserbereiter.

Eine Verkalkungsanzeigeschaltung für einen elektrischen Heißwasserbereiter ist in der DE 30 45 121 A1 beschrieben. Es sind als Temperaturfühler zwei temperaturabhängige Widerstände vorgesehen, deren einer im Heißbereich des Heizkörpers selbst angeordnet ist. Die temperaturabhängigen Widerstände liegen in einer Vergleichsschaltung, die bei einer überproportionalen Erhöhung des Widerstandswerts des zweiten Widerstands infolge Verkalkung gegenüber dem Widerstandswert des ersten Widerstands ein Anzeigesignal auslöst. Eine Schaltung mit solchen temperaturabhängigen Widerständen ist aufwändig.

In der DE 35 06 478 C2 ist eine Schaltung eines Heißwasserbereiters beschrieben, durch die sich die Verkalkung reduzieren lässt.

Aus der DE 196 04 658 A1 ist eine Temperaturmesseinrichtung für eine Regelschaltung eines elektrischen Strahlungsheizgerätes bekannt. Hierbei ist vorgesehen, dass der Heizleiter zyklisch an eine Widerstandsmeßschaltung gelegt wird und die jeweiligen temperaturabhängigen ohmschen Widerstandswerte des Heizleiters erfaßt und ein temperaturproportionales Steuersignal für die Regelschaltung erzeugt wird.

Ein Verfahren zum Steuern eines Heizelementes einer elektrischen Heizeinrichtung für Flüssigkeiten ist aus DE 100 21 608 A1 bekannt, wobei nach einer Stromversorgungs-Unterbrechung die Veränderung der Temperatur des elektrischen Widerstandes überwacht wird. Die Stromversorgung wird untersagt, wenn diese Temperaturveränderung einen ersten vorbestimmten Stellenwert übersteigt.

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung gemäß EP 1 129 653 A1 wird zur Ermittlung des Verkalkungszustandes von Wassererhitzern in elektrischen Haushaltsgeräten die Zeitspanne zwischen dem ersten temperaturbedingten Ausschalten eines Heizelementes und dem ersten Wiedereinschalten nach einer Abkühlphase bekannt. Die gemessene Zeitspanne wird mit einer vorgegebenen frei einstellbaren Soll- Zeitspanne verglichen und ein optisches und/oder akustisches Signal ausgelöst, wenn die gemessene Ist-Zeitspanne kürzer als die vorgegebene Soll-Zeitspanne ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, wobei die Verkalkung ohne Temperaturfühler ermittelt wird.

Obige Aufgabe ist hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Einrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst. Es wird dabei die Erkenntnis ausgenutzt, dass sich der elektrische Widerstand des Heizkörpers während des Abkühlens ändert, wobei die Widerstandsänderung eines verkalkten Heizkörpers anders verläuft als die eines unverkalkten Heizkörpers. Für die Auswertung dieser Erscheinung eignet sich eine digitale Messwertverarbeitung, ohne dass ein Temperaturfühler notwendig ist, der am Heizkörper montiert werden muss.

Vorzugsweise wird während der Abkühlung ein Messstrom in Messintervallen an den Heizkörper gelegt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung befinden sich die elektronischen Baugruppen alle auf einer Platine. Diese ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung mit dem Behälter des Warmwasserspeichers verbunden. Dies kann beispielsweise durch eine direkte Verschraubung der Platine mit den Heizkörperanschlüssen erfolgen. Dazu befinden sich auf der Platine Kontaktflächen zur Leistungsübertragung auf die Heizkörper des Heißwasserbereiters.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:
1 eine Schaltung zur Verkalkungserkennung,
2 den Verlauf der Abkühlkurven im unverkalkten Zustand eines Heizkörpers,
3 den Verlauf der Abkühlkurven im verkalkten Zustand eines Heizkörpers,
4 ein Blockschaltbild der Funktionen und
5 einen Warmwasserspeicher mit Anzeigeeinheit.
Ein elektrischer Rohrheizkörper 1 oder ein sonstiger elektrischer Heizkörper, wie Blankdraht-Heizkörper oder Dickschicht-Heizkörper, eines Heißwasserbereiters, insbesondere Heißwasserspeichers, hat einen ohmschen Heizwiderstand RHK. Im Heizbetrieb liegt der Heizwiderstand RHK über einen zweipoligen Umschalter und eine nicht näher dargestellte Steuer- oder Regelschaltung am Netz LN.
Nach der Aufheizung des Wassers wird der Heizwiderstand RHK mittels des Umschalters 2 vom Netz LN getrennt und in eine Messbrücke 3 geschaltet. Er heizt jetzt nicht mehr, sondern kühlt bis auf Wassertemperatur ab (Abkühlphase). Die Abkühlung wird über den Widerstandswert des Heizwiderstands RHK oder über einen Temperatursensor gemessen.
Die Messbrücke 3 weist einen ersten Brückenzweig mit einem Widerstand R4 und dem Heizwiderstand RHK und einem zweiten Brückenzweig mit Widerständen R3,R8 auf. Die Abgriffe der Brückenzweige liegen über einen Widerstand R5 bzw. einen Widerstand R6 an einem Differenzspannungsverstärker D, der mit einem Widerstand R1 und einem Kondensator C1 zwischen seinem ersten Eingang und seinem Ausgang geschaltet ist. Der andere Eingang ist über einen Widerstand R7 an Masse gelegt. Der Ausgang des Differenzspannungsverstärkers D liegt an einem AD-Wandler-Eingang eines Mikrocontrollers μC als Auswerteschaltung.
Der Kopfpunkt der Messbrücke 3 ist an ein Netzteil 4 mit einem Speicherkondensator C2 und einem Widerstand R2 angeschlossen. Die Versorgungsgleichspannung Vcc ist wesentlich kleiner als die Netzspannung (230V) und beträgt etwa 5 V.
Der Fußpunkt der Messbrücke 3 liegt über einen Schalttransistor T an Masse. Der Schalttransistor T wird über Widerstände R9,R10 und dem Mikrocontroller μC geschaltet. Um das Netzteil 4 möglichst klein und kostengünstig aufbauen zu können, wird die Messbrücke 3 in gleichmäßigen Messintervallen von 1 bis 2 s für eine kurze Zeitspanne, beispielsweise etwa 400 μs bestromt, was durch Schalten des Transistors T geschieht. Den Messstrom von etwa 100 mA liefert jeweils der Speicherkondensator C2.
Die Widerstandsänderung des Heizwiderstands RHK während der Abkühlphase ist gering. Sie beträgt etwa 1 Ohm. Da die Fertigungstoleranzen des Heizwiderstandes RHK größer sind als die Widerstandsänderung während der Abkühlphase, muss die Messbrücke 3 abgeglichen werden. Dies geschieht mittels am zweiten Brückenzweig liegender Widerstände R11 bis R16, die der Mikrocontroller μC derart zu- oder abschaltet, dass im kalten Zustand des Heizwiderstands RHK die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers D bei einem bestimmten Wert zwischen 3 und 5 V, idealerweise bei 5 V, liegt. Ein Spannungsverlauf während der Abkühlphase von 0 bis 5 V am Ausgang des Differenzverstärkers D entspricht 0 bis 255 Schritten des Mikrocontrollers μC an der Ordinate der 2 und 3.
Die Aufnahme und Auswertung der während der Abkühlphase auftretenden Messwerte geschieht folgendermaßen:
Der Messstrom wird nach dem Trennen des Heizwiderstands RHK vom Netz in gleichen Messintervallen, beispielsweise 1 s, für beispielsweise 400 μs oder kürzer, auf die Messbrücke 3 geschaltet. Über den Differenzverstärker D wird der entsprechende Spannungs-Messwert an den Mikrocontroller μC gelegt.
Versuche haben gezeigt, dass sich die Messwerte, d.h. die Widerstandswerte eines verkalkten und eines unverkalkten Heizkörpers nach einer bestimmten Zeit praktisch nicht mehr ändern. Im obigen Fall wurde festgestellt, dass sich die Messwerte nach etwa 100 Messungen, d.h. 100 s praktisch nicht mehr ändern und gleich sind. Es genügen im obigen Beispielsfall also 100 Messintervalle zur Erfassung der relevanten Abkühlkurve. In 2 und 3 zeigt die Ordinate Messwerte bei Messzeitpunkten. Die Abszisse zeigt die Anzahl der Messintervalle (100).
Die Kurve B1 in 2 ist der Messwertverlauf, der sich ergibt, solange der Heizkörper unverkalkt ist. Die Kurve A in 2 und 3 ist der erwartete Verlauf beim unverkalkten Heizkörper. Es wurde ermittelt, dass dieser Verlauf, also der Verlauf der Abkühlkurve eines unverkalkten Heizkörpers, einer e-Funktion folgt. Die Kurven B1 und A1 decken sich bis auf Messungenauigkeiten.
Die Kurve B2 in 3 ist der Spannungsverlauf bzw. Messwertverlauf des verkalkten Heizkörpers 1.
Der Vergleich der Kurven A2 und B2 zeigt, dass von der Messung 1 bis etwa zur Messung G5 und ab der Messung 100 sich die Kurven decken. Die Abweichung der Kurve B2 gegenüber der Kurve A bei den Messungen 6 bis 99 ist ein Maß für die Verkalkung. Diese Abweichung lässt sich auf unterschiedliche Weise auswerten.
Vorzugsweise wird die Abweichung durch einen Vergleich der Fläche S₁ unter der Kurve B1 bzw. B2 und der Fläche S₂ unter der Kurve A1 bzw. A2 ermittelt. Die Fläche S₁ wird im Mikrocontroller μC digital berechnet mit: S1 = Mn + Mn+1 + ... + M100, wobei

M_n: der Messwert des ersten Zeitintervalls
M_n+1: der Messwert des zweiten Zeitintervalls
M₁₀₀: der Messwert des 100sten Zeitintervalls ist.

Jede Einzelmessung wird auf Gültigkeit (M_n+1 < M_n) überprüft, weil die Kurve B1 bzw. B2 abfällt. Bei zwei aufeinanderfolgenden ungültigen Werten oder mehr als 5% an ungültigen Werten in einem Messzyklus wird die gesamte Messung verworfen. Dies gilt auch, wenn während des Messzyklusses die Wassertemperatur sich in Folge eines Zapfvorgangs ändert, wodurch die Abkühlkurve B1 bzw. B2 beeinflusst wird.
Die Fläche S₂ wird durch Berechnung der Kurve A1 bzw. A2 des Heizkörpers mit der e-Funktion
im Mikrocontroller μC ermittelt.
Die e-Funktion, also die Kurve A, ist der erwartete Verlauf, der Faktor EXP (Δt/T) wird aus dem Anfangsverlauf der gemessenen Kurve B ermittelt. Für jede gemessene Kurve B wird eine Kurve A ermittelt, der Verkalkungsgrad ergibt sich aus der Fläche zwischen den beiden Kurven. Kleine Fläche – wenig Kalk, große Fläche – viel Kalk.
Ausgehend von einem ersten Messwert M₁ der tatsächlichen Kurven B1 bzw. B2 kann über einen berechneten konstanten Faktor F jeder weitere Punkt E der e-Funktion berechnet werden, wobei En = En-1 × F + Of,mit Of = Offset-Wert am Messpunkt M₁₀₀.
Der Faktor F kann aus den ersten fünf Messwerten M₁ der tatsächlichen Kurve B1 bzw. B2 im Mikrocontroller μC ermittelt werden, weil diese Messpunkte mit den betreffenden Punkten der e-Funktion nahezu identisch sind.
F wird berechnit mit F = (F1 + F2 + F3 + F4) / 4, wobei F1 = 255 – M2 – (255 – M100) / 255 – M1 – (255 – M100) F4 = 255 – M5 – (255 – M100) / 255 – M4 – (255 – M100)
Danach erfolgt die Berechnung der einzelnen Punkte E₁ bis E₁₀₀ der Kurve A, wobei E1 = M1 E2 = E1 × F + Of... En = En-1 × F + Of.
Diese Berechnung und die Berechnung des Faktors F erfolgt erst am Ende eines erstmaligen oder jedes Messzyklusses, da erst dann der Offsetwert Of bekannt ist. Die ersten fünf Messwerte M₁ bis M₅ und der letzte Messwert M₁₀₀, d.h. der Offsetwert, werden in einem Speicher (RAM) des Mikrocontrollers μC gespeichert.
Die Fläche S₂ der Kurve A ergibt sich dann mit: S2 = E1 + E2 + En + En+1 + ... + E100.
Danach wird als Kennzahl V für die Erzeugung eines Verkalkungssignals die Differenz V = S₁ – S₂ gebildet.
Die nach Inbetriebnahme des Heisswasserbereiters erstmalig ermittelte Differenz V wird als Kennzahl in einem EEPROM des Mikrocontrollers μC gespeichert und dient als Referenzgröße zur Erkennung des Verkalkungsgrades.
Ist S₁ gleich S₂, liegt keine Verkalkung vor. Ist S₁ > S₂, liegt eine Verkalkung vor. Je größer die Differenz S₁ – S₂ ist, desto stärker ist die Verkalkung. Das Verkalkungssignal kann einen Hinweis auf "leichte Verkalkung", "mittlere Verkalkung", "starke Verkalkung", "Entkalkung ratsam" geben.
Den Bereich von M1 bis M100 zu erfassen ist günstig, da im voraus nicht genau bekannt ist, wann die Kurven A2 und B2 auseinanderlaufen.
Die Lage der Kurve B1, B2 hängt auch von der Wassertemperatur ab. Es wird deshalb die theoretisch erwartete Kurve A vorzugsweise für jede Abkühlphase neu berechnet.
4 zeigt die mit der Elektronik realisierten Funktionen in einem Blockschaltbild. Die Elektronik ist dabei ausgestattet mit der Meßbrücke 5 für Verkalkungserkennung, einer Schnittstelle 6, z.B. RS232, für Datenübertragung, einem Temperaturfühler 7, der entweder direkt auf der Elektronikplatine integriert ist oder einen Temperaturfühleranschluß, einer Elektronikbaugruppe 8, mit der die Freigabesignale generiert werden, einer Betriebsart-Umschaltung 9, mit der zwischen Einkreis-, Zweikreis- und Boilerbetrieb umgeschaltet werden kann.
Beim Einkreisbetrieb handelt es sich um die Nacherwärmung des Warmwasserspeichers 14 zu jeder Zeit auf eine eingestellte Temperatur, bei der Zweikreisschaltung ist die Wiederaufladung oder Wiedererwärmung nur in Niedertarifzeiten des EVU-Netzes möglich, und die Boilerbetriebsschaltung ermöglicht das Aufheizen des Warmwasserspeichers auf ein gesondertes Anforderungssignal, z.B. per Knopfdruck. Ein Schalter bzw. Einschaltknopf zur Generierung des Boilerbetriebs ist ebenfalls auf der elektronischen untergebracht. Weiterhin befindet sich ein Netzteil 10 auf der Elektronikplatine sowie ein Mittel zur Anodenstromerzeugung und Relais zur Schaltung der Heizkörper.
Im ausgeführten Beispiel befindet sich ein Bedienteil 13 außerhalb der Elektronikplatine. In diesem Bedienteil 13 befindet sich auch ein elektronisches Bedienteil 15 mit einer Anzeige für Verkalkung. Im einfachsten Fall wird "Verkalkung ja oder nein" ("ja" z.B. durch CA) angezeigt oder die verschiedenen Verkalkungsgrade durch eine %- oder Balken-Anzeige.

Claims

Verfahren zur Verkalkungserkennung eines elektrischen Heizkörpers in einem Heisswasserbereiter, dadurch gekennzeichnet, dass der heisse Heizkörper abgeschaltet wird und an eine Messbrücke gelegt wird, dass während der Abkühlung des Heizkörpers die an ihm abfallende Spannung gemessen wird und dass der Spannungsverlauf mit einem an dem Heizkörper, wenn er nicht verkalkt ist, auftretenden Ideal-Spannungsverlauf verglichen wird und dass aus dem Vergleichsergebnis ein Verkalkungssignal abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrom in gleichmäßigen Messintervallen während der Abkühlung an den Heizkörper gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrom während der Abkühlung in den Messintervallen für eine Zeitspanne, die kleiner ist als das Messintervall, an den Heizkörper gelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen unter dem Ideal-Spannungsverlauf und dem Ist-Spannungsverlauf berechnet und verglichen werden und aus der Abweichung das Verkalkungssignal abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ideal-Spannungsverlauf aus der Anfangssteigung der Messkurve der Abkühlung und einem Offsetwert berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Abkühlung etwa 100 Messwerte ± 20% erfasst werden.
Einrichtung zur Verkalkungserkennung eines elektrischen Heizkörpers in 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 des Abkühlens des Heizkörpers (1) den Ist-Spannungsverlauf (B) ermittelt und diesen mit dem Ideal-Spannungsverlauf (A) des unverkalkten Heizkörpers vergleicht und bei einer Abweichung des Ist-Spannungsverlaufes (B) vom Ideal-Spannungsverlauf (A) ein Verkalkungssignal abgibt, wobei die Verkalkung stärker ist, je größer die Differenz zwischen dem Ist-Spannungsverlauf (B) und dem Ideal-Spannungsverlauf (A) ist.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messbrücke (3) Abgleichwiderstände (R11 bis R16) enthält, die die Auswerteschaltung (μc) bei kaltem Heizkörper einstellt.
Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (μc) Messwerte des Spannungsverlaufs (B) in gleichmäßigen Messintervallen erfasst.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (μc) die gleichmäßigen Messintervalle bestimmt und während jedes Messintervalls die Messbrücke (3) für eine Zeitspanne, die kürzer ist als das Messintervall, an ein Netzteil (4) legt.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung ein Mikrocontroller (μc) ist, der während des Abkühlens des Heizkörpers (1) den Spannungsverlauf der Messbrücke (3) über einen Differenzspannungsverstärker (D) digitalisiert in gleichen Messintervallen erfasst, der aus den ersten Messwerten (M₁ bis M₅) des Spannungsverlaufs (B) den Ideal-Spannungsverlauf (A) errechnet und der die Messwerte (M₁ bis M₁₀₀) der Messintervalle des Spannungsverlaufs summiert sowie die entsprechenden Werte des Ideal- Spannungsverlaufs summiert und aus dem Vergleich der Summen das Verkalkungssignal ableitet.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Auswerteschaltung (μC) ermittelte Verkalkungssignal an einer Anzeige (16) angezeigt wird.
Einrichtung zur Verkalkungserkennung nach einem oder 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 für Heizkörper (12) befindet.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Platine (18) eine Schnittstelle (6) befindet.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Platine (18) ein Temperaturfühler (7) befindet.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Platine (18) eine Freigabesignal-Einrichtung (8) befindet.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Platine (18) ein Betriebsart-Umschalter (9) befindet.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Platine (18) ein Anodenstromerzeuger (11) befindet.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Anzeige (16) in einem Bedienteil (13) befindet, welches im Datenaustausch mit μC steht.