CN104603583A - 用于检测离心泵的流量的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于检测离心泵的流量的方法，其中，确定泵的或驱动泵的马达的转速、泵的通常是输送压力的液压变量和驱动马达的例如电功率的电变量并且根据这些变量来确定所述流量。为此，借助描述泵和驱动马达的物理关系的公式的项的数学关系确定与流量相关的变量，其中，一个项包含泵的转速和泵的液压变量，另一项包含泵的驱动马达的电或机械变量和泵的转速。根据所述流量与因变量之间的函数关系确定所述流量。

Description

用于检测离心泵的流量的方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测离心泵的流量的方法，其中根据泵的转速、泵的液压变量和泵的驱动马达的电变量确定流量。

背景技术

对于离心泵，在现有技术中可传感地检测泵内部的压力、压差和例如温度。因为通常借助电子变频器控制现代的离心泵，此外总归是要提供驱动马达的电变量(例如功率和转速)，在此还可无问题地传感地检测后者。而流量测量是较昂贵的，因为机械的流量计是成本过高的和易受干扰的，而电子检测系统是相当贵的以及因此特别是不宜用于较小和较中等的结构类型的泵。

原则上，可根据转速确定离心泵的流量，即，可选地利用液压的泵模型，该液压的泵模型根据转速和扬程给出流量，或借助电液压的模型，在该电液压的模型中根据转速和驱动功率确定流量。但是，第一个模型有在小输送量的范围内导致不准确或不明确的流量结果的缺点。而后者不适于确定大流量，因为在高电功率时该后者产生不准确或不明确的结果。

因此，在现有技术中组合这些方法，在此对小输送量的范围考虑电液压的模型，对大输送量的范围考虑液压的泵模型。但是，这导致在从一个方法变换到另一方法和反过来的范围内产生不期望的跳跃(Sprünge)。此外可发生，范围交叉或有漏洞。这可导致振动问题(Schwingungsproblemen)并且总体上不适宜。

在US 7,454,986 B2中，根据马达的电变量确定流速，在此根据表格储值(tabellarisch hinterlegter Werte)根据电源电压与反电动势(Back-EMF)之间的相移确定流量。

在EP 1 721 131 Bl中，借助两个前述方法确定流速，在此根据表格储值实现确定。

在GB 2 313 197 A中，根据泵压力、也就是扬程、功率或效率来确定流量。对于这些确定类型中的一者导致不准确或不确切的结果的范围，那么就使用另一模型，或流量由两种方法取平均值来确定。

发明内容

在这种背景下，本发明的目的是提出一种这种类型的用于检测离心泵的流量的方法，使得无附加的传感器而利用简单的技术手段在泵的整个转速范围上实现尽可能准确的流量检测。

根据本发明，该目的由具有权利要求1给出的特征的方法实现。在从属权利要求、下面的说明和附图中给出本发明的有利设计方案。

根据本发明的用于检测离心泵的流量的方法检测泵的转速、泵的液压变量和泵的驱动马达的电变量。在此根据本发明，借助描述泵和驱动马达的物理关系的公式的项的数学关系(mathematischen Verknüpfung)来确定与流量相关的的变量，其中一个项包含泵的转速和泵的液压变量，另一项包含泵的驱动马达的电或机械变量和泵的转速。然后，根据流量与因变量 之间的函数关系确定流量。

本发明的基本思想是，通过合适地选择和结合这种公式项而产生辅助变量或产生辅助函数，辅助变量或辅助函数与流量处于唯一的和线性的关系并且在此最终确定流量。在此有利地，可通过下面还继续示例性地描述的迭代法来相当准确地确定实际的流量，不需要检测其他的变量。就是说，根据本发明的方法利用给定的变量使得与现有技术相比能够唯一且更准确地确定通过泵的实时流速。

在此特别有利地，选择变量y作为因变量，其由公式

$Y=-a*\frac{H}{n}+b*\frac{P}{n^2}$

确定并且其中a和b是待确定的常量、H是扬程、P是驱动马达的电功率、n是转速。该公式是两个项的减法关系，即，一个项包含以泵的驱动马达的功率的形式的电变量和转速，并且另一项包含液压变量(即扬程)和泵的转速。前述因变量被简单计算地确定并且与流量和输送量处于线性的关系，使得根据流量与该因变量之间的函数关系可以简单的方式确定流量。

特别有利地，选择压力变量特别是在泵的出口的压力(也称为扬程)或入口与出口之间的压差作为液压变量。对泵的压力或压差测量自身目前对于小功率的泵来说已属于标准。这种压力或压差传感器可低成本地制造并且构造在泵的内部。

考虑与功率相关的变量优选将驱动马达的吸收功率(aufgenommeneLeistung)P作为电变量已证实是有利地，功率通常可由变频器的电子控制器容易地支配。

替代驱动马达的电变量，如上所述还可考虑泵的驱动马达的机械变量。特别地，马达的转矩适于作为机械变量，典型地通过计算来确定转矩但是还可例如借助DMS(应变计(Dehnungsmessstreifen))测量转矩。

原则上，项的数学关系有很多可能性。当该结合是至少两个项的加法或减法时是特别有利地，因为这种运算需要相对较少的计算能力。

根据本发明的有利改进方案，数学关系可包括恒定的或取决于转速的一个或多个其他的项。还可设置多个这种项，其中例如一个是恒定的另一个是与转速相关的。

当选择项、项的数量和其数学关系使得流量在泵的工作区域上构成单调函数时是特别有利地，因为这样就有流量与因变量的唯一的和数学上良好的对应。有利地，还可根据因变量Y确定流量，因变量由三个项的减法运算表示：

$Y=-a*\frac{H}{n}+b*\frac{P}{n^2}-c*n$

其中c是待确定的常量。

代表流量的信号通过低通滤波器传导在此已证实是有利地，因此排除实际上对流量丝毫没有影响的那些较高频率的干扰信号。

即，可根据因变量例如通过表格储存(tabellarische Hinterlegung)来确定流量，然而有利地，将所确定的因变量Y与通过模型计算确定的相应的因变量y_est相比并且该方法通过假定的流量Q_est的变化进行重复直到误差大小y-y_est小到使得假定的流量Q_est相应于实际的流量Q。该迭代法使得能够确定具有高准确度的流量，无论如何可实现比通过表格比较事先所确定的值得出的流量显著更准确。当在模型计算中转速构成输入值时在此是特别有利地，因为转速是可最简单地并且以高准确度确定的变量。

根据本发明的改进方案，对误差大小y-y_est可随着时间的推移相加、特别是求积分，在此相加后的值代表流量Q。

有利地，借助电子控制器实现用于检测泵的流量的前述方法，电子控制器与离心泵的电驱动马达和压力或压差传感器一起构成离心泵的一部分。这种构造具有优点，优点是在离心泵机组的内部可与外部传感器无关地提供流量，就是说可泵自给自足地(pumpenautark)确定流量。这又可用于泵的监视目的，还可用于控制泵，还可用于控制外部过程。

有利地，这种电子控制器具有基于观测器的调节器，以用该方式实现所确定的结果的高准确度。

附图说明

下面借助曲线图和方框图详细阐明本发明。附图中示出：

图1为在离心泵的两个不同转速时的流量与扬程的相关性，

图2为在可对照的转速时图1的流量与泵的功率消耗的相关性，

图3为在具有不稳定的特征线(Kennlinie)的离心泵的两个不同转速时的流量与扬程的相关性，

图4为在可对照的转速时图3的流量与泵的功率消耗的相关性，

图5为在两个不同转速时的因变量Y与流量Q的相关性，

图6为根据本发明的方法的第一实施方式的电路方框图，

图7为根据本发明的方法的第二实施方式的电路方框图，

图8为根据本发明的方法的替代实施方式的电路方框图，

图9为根据本发明的方法的另一实施方式的电路方框图，

图10为示出根据本发明的方法的基本结构的电路方框图，

图11为根据本发明的因变量由三个项构成的方法的电路方框图，以及

图12为根据图11修改过的方法的电路方框图。

具体实施方式

根据图1和图2示例性示出根据图1的在离心泵的两个转速时扬程(输送压力)与流量(输送量)Q之间的函数关系，和根据图2的在离心泵的两个转速时吸收功率P与流量Q之间的函数关系。如曲线图阐明的，在图1中(即在HQ图中)在小流量时曲线是相当平的，反之，在图2中(在PQ图中)这些曲线对大流量恰好是平的。在曲线是平的那些地方难以确定流量并且在实践中通常不准确。对于具有不稳定的特征线的泵该问题还加剧，如图3和图4的可对照的图阐明的该问题。因此，在图3中对于恒定的转速n₁可找到不同的流量Q对应的两个扬程H。在图4中得出同样的结果。对于这种泵，就是说输送量确定仅根据HQ图或PQ图不仅是不准确的而且由于在若干区域内缺乏唯一性而根本不可能进行输送量的确定。

通过描述泵和驱动马达的物理关系的公式的项的数学关系来确定此处例如称为Y的取决于流量的变量，本发明解决了该问题。在此为了解决上述问题，选择描述泵和驱动马达的物理关系的公式的项，使一个项包含泵的转速和泵的液压变量，另一项包含泵的驱动马达的电或机械变量和泵的转速。就是说，这些项至少部分地反映根据图1和图2或图3和图4的前述图。通过是相应的泵/马达模型的部分的这些项的合适的数学关系，可构成辅助变量(即，取决于流量的变量Y)，辅助变量与流量处于函数关系，即，尽可能在这种关系中在泵的工作区域的每个点中能实现明确的、与流量良好可区分的对应。该变量Y可例如被如下构成：

$Y=-a*\frac{H}{n}+b*\frac{P}{n^2}$   (公式1)

在该公式中a和b是待确定的常量、H是扬程或输送压力、P是驱动马达的电功率、n是泵和马达的转速。就是说，该变量包括扬程和转速和包括功率和转速的第二项。

从以下公式中得出该变量Y与流量的函数关系：

$Y=k_2*\frac{Q^2}{n}+k_1*Q+k_0*n$   (公式2)

从马达和泵的已知物理关系中得出该公式，其中以已知方式事先确定常量k₂、k₁和k₀。根据图5示意性示出该函数关系。如该图阐明的，由此根据各个转速得出Y与Q之间(也就是说在所确定的变量与待确定的流量之间)的明确的对应。

对于所确定的Y现在为了确定流量，适宜地使用迭代法，其中在公式2中对于已知的转速(n)输入估计的流量Q_est，由此确定变量Y_est。在此，改变在公式2中使用的变量Q_est直到Y_est＝Y，也就是说等于根据公式1所确定的变量。当是这种情况时并且Y与Y_est的差等于0时，则所估计的流量Q_est相应于实际的流量Q。该方法一方面能以小计算消耗实现，并且另一方面具有高准确度，在此典型地传感地仅须确定一个值(即，泵的输送压力或扬程或入口与出口之间的压差)，而在控制电子电路侧总归提供转速和电功率。在合适地选择项并且合适地选择数学关系时，辅助变量Y被确定，该选择可不仅是加法和减法而且可是较高阶，用辅助变量以简单但唯一的方式来确定流量Y，而不出现在现有技术中的所述的缺点。

根据图6示意性示出前述实施例，其中一个项具有扬程和转速另一项具有电功率和转速并且减法结合成变量Y，以然后借助YQ模型在使用用于确定流量的实时转速的条件下结合。

图7如下示出根据图6所示的方法的改进方案，通过由测量所确定的Y与由初始的估计所确定的Y_est之间的差，然后求积分(也就是说随着时间的推移实现相加)直接给出流量Q。此处，在QY模型中还包括作为输入值的转速以及随着时间的推移所求积分的差Y_est。

根据图8所示，如根据变量Y借助液压的泵模型(QH模型)以及电液压的马达/泵模型(QP模型)来确定项以及由此确定Y_est，Y_est然后又与所测量的并且所算出的值Y进行减法运算，以然后继续通过与根据图7所述的实施例类似的方式求积分来确定流量。

根据图9示意性示出，所测量的变量H与P之间的数学关系可与为迭代法的目的而估计的变量已一起汇入Y的计算中。

根据图10所示，变量Y不必然地由两个项组成(如前述根据实施例所述)而是可具有其他的取决于流量的项或常量项。在根据图10的实施例中，设置第三个取决于流量的项c(n)以及第四个常量项d。由此，变量Y可例如被如下确定：

$Y=-a*H+b*\frac{P}{n}-\frac{c}{n^2}+d$   (公式3)

其中c和d是待确定的常量。

根据图11示出由分别取决于流量的三个项组成的辅助变量。在此，这些项在其数学运算之前还可彼此相关联，也就是说彼此依赖，如在根据图12的实施例中由a(n)与c(n)之间的双箭头所示。

Claims (15)

1.一种用于检测离心泵的流量的方法，其中，根据泵的转速、泵的液压变量和泵的驱动马达的电变量确定所述流量，其特征在于，借助描述泵和驱动马达的物理关系的公式的项的数学关系确定与流量相关的变量，所述公式中的一个项包含泵的转速和泵的液压变量，另一项包含泵的驱动马达的电或机械变量和泵的转速，其中，根据所述流量和与因变量之间的函数关系来确定所述流量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述因变量是变量Y，其由以下公式确定：

$Y=-a*\frac{H}{n}+b*\frac{P}{n^2}$

其中，

a和b是待确定的常量，

H是扬程，

P是所述驱动马达的电功率，以及

n是转速。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述液压变量是压力变量，特别是在所述泵的出口上的压力或在所述泵的入口与出口之间的压差。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电变量是与功率相关的变量，优选是所述驱动马达的吸收功率P。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述机械变量是马达的转矩。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述数学关系是至少两个项的加法或减法。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述数学关系包含一个或多个恒定的或与转速相关的其他的项。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述项、所述项的数量和其数学关系选择为：使所述流量在所述泵的工作区域上构成单调函数。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据因变量y确定所述流量，其中，

$Y=-a*\frac{H}{n}+b*\frac{P}{n^2}-c*n$

其中，c是待确定的常量。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，利用低通滤波器过滤表示所述流量的信号。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将根据前述权利要求中任一项所述的方法所确定的因变量y与通过模型计算所确定的相应的因变量y_est相比，并且通过假定的流量Q_est的变化来重复所述方法直到误差大小y-y_est小到使得所述假定的流量Q_est相当于实际的流量Q。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述模型计算中所述转速构成输入值。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，将所述误差大小y-y_est随着时间的推移进行相加，特别是求积分，相加后的值代表所述流量Q。

14.一种离心泵，具有电驱动马达、压力传感器或压差传感器和电子控制器，其特征在于，所述电子控制器构造为用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

15.根据权利要求14所述的离心泵，其特征在于，所述电子控制器具有基于观测器的调节器。