CN108108823B - 一种确定空气净化器滤芯寿命的方法及装置 - Google Patents

一种确定空气净化器滤芯寿命的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种确定空气净化器滤芯寿命的方法及装置，包括：以开机时刻起，以一个较短的时间间隔反复进行如下一系列操作：记录一次当前风机转速；根据风机的转速和之前的滤芯寿命情况，计算得到当前风量；记录净化前空气中污染物浓度值，并计算出净化后空气中污染物浓度值；以开机时刻起，以一个较长的时间间隔反复进行如下一系列操作：获取当前滤芯寿命；根据净化前空气中污染物浓度值、净化后空气中污染物浓度值和风速分布和滤芯过滤效率函数计算出滤芯消耗量；根据滤芯寿命和滤芯消耗量计算出新的滤芯寿命；将滤芯寿命更新保存。本发明具有的有益效果：能够较为准确的计算出当前滤网的使用寿命。

Description

一种确定空气净化器滤芯寿命的方法及装置
技术领域
本发明属于空气净化技术领域，具体涉及一种确定空气净化器滤芯寿命的方法及装置。
背景技术
目前市场上的空气净化器，大多采用固定时间法提醒用户是否需要更换滤芯，即预先设置好滤芯的有效使用时间，之后采用简单的倒计时计算滤芯寿命。然而，由于不同空气污染情况下滤芯的消耗速度是不同的，而且新旧滤芯的过滤效率也是不同的，所以滤芯的寿命受到多种因素影响，并不是简单倒计时就可以的。而更有甚者都无法给出确切的滤芯更换时间及提醒，仅凭用户的个人经验判断是否需要更换滤芯。用户不能准确得知滤芯的使用情况，未能及时更换滤芯将会导致滤芯的空气净化性能大幅下降，而滤芯尚未用尽就更换则存在一定程度的浪费。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种确定空气净化器滤芯寿命的方法及装置，能够较为准确的计算出当前滤网的使用寿命。
为解决现有技术问题，本发明公开了一种确定空气净化器滤芯寿命的方法，包括如下内容：
以开机时刻起，以一个较短的时间间隔Δt反复进行如下一系列操作：
记录一次当前风机转速r(t)、当前滤芯寿命Q0(t)、净化前空气中污染物浓度值Cin(t)和净化后空气中污染物浓度值Cout(t)；
以开机时刻起，以一个较长的时间间隔ΔT反复进行如下一系列操作：
获取当前滤芯寿命Q0(t)；
根据当前获取的数据计算出滤芯消耗量ΔQ(t)；
根据滤芯寿命Q0(t)和滤芯消耗量ΔQ(t)计算出滤芯寿命Q1(t)；
根据净化前空气中污染物浓度值Cin(t)、净化后空气中污染物浓度值Cout(t)和滤芯过滤效率函数η(Q)计算出滤芯寿命Q2(t)；
将滤芯寿命Q1(t)和滤芯寿命Q2(t)进行融合得出最终滤芯寿命Q3(t)；
将滤芯寿命Q3(t)更新保存以用于下一个ΔT时间间隔内的寿命计算；
其中，一个时间间隔ΔT等于若干个时间间隔Δt。
作为优选方案，净化前空气中污染物浓度值Cin(t)和净化后空气中污染物浓度值Cout(t)的计算方法如下：
将进风口处传感器检测值cin(t)和出风口处传感器检测值cout(t)分别滤波处理得到净化前空气中污染物浓度值Cin(t)和净化后空气中污染物浓度值Cout(t)。
作为优选方案，按照如下公式进行滤波处理：
Cin(t)＝median[cin(t-L),cin(t-L+Δt),…,cin(t)]；
Cout(t)＝median[cout(t-L),cout(t-L+Δt),…,cout(t)]；
式中，L＞Δt。
作为优选方案，进风口处传感器检测值cin(t)和出风口处传感器检测值cout(t)的取值方法如下：
cin(t)＝max[cin1(t),cin2(t),…,cinn(t)]；cout(t)＝max[cout1(t),cout2(t),…,coutn(t)]；
式中，cin1(t),cin2(t),…,cinn(t)分别为净化前传感器检测到的不同污染物的浓度值；cout1(t),cout2(t),…,coutn(t)分别为净化后传感器检测到的不同污染物的浓度值。
作为优选方案，滤芯消耗量ΔQ(t)的计算方法如下：
Figure BDA0001458356900000021
或
Figure BDA0001458356900000022
式中，η(Q0)为滤芯过滤效率函数，W为滤芯所能容纳的空气污染物总量。
作为优选方案，滤芯寿命Q1(t)的计算方式如下：
Q1(t)＝Q0(t)-ΔQ(t)。
作为优选方案，滤芯寿命Q2(t)的计算方式如下：
Figure BDA0001458356900000023
作为优选方案，滤芯寿命Q3(t)的计算方式如下：
Q3(t)＝Q1+H·(Q2(t)-Q1(t))；
式中，
Figure BDA0001458356900000031
w0(k)、w1(k)和w2(k)分别为滤芯从全新的0时刻到距离当前时刻为ΔT的上一时刻内Q0(t)、Q1(t)和Q2(t)的误差权重。
作为优选方案，更新滤芯寿命Q3(t)时也同时更新误差权重w0(k+1)、w1(k+1)和w2(k+1)。
本发明还公开了一种确定空气净化器滤芯寿命的装置，包括：
获取模块，用于获取当前运行数据，运行数据包括净化前空气中污染物浓度值Cin(t)、净化后空气中污染物浓度值Cout(t)、风机转速r(t)和滤芯寿命Q0(t)；
计算模块，用于根据当前运行数据计算出滤芯消耗量ΔQ(t)、滤芯寿命Q1(t)、滤芯寿命Q2(t)和滤芯寿命Q3(t)；
以及输出模块，用于输出滤芯寿命Q3(t)并将其更新保存以供获取模块读取。
本发明具有的有益效果：
1、本方法考虑不同滤芯寿命下滤芯的净化效率变化，及不同空气质量环境和不同空气流速情况下滤芯消耗速率的不同，因而可以更准确的确定滤芯寿命，为用户提供更准确的滤芯更换预警。
2、除一般空气净化器都预装的空气质量传感器外，本方法只需要额外再在出风口安装一个空气质量传感器，并且仅需对主控模块进行功能编程即可，成本较低；出风口的空气质量传感器一方面可以服务于滤芯寿命计算过程，另一方面也能给用户提供净化后的空气质量情况报告。
3、本计算方法充分考虑的主控模块和云端服务器的计算负担，将经常性的数据读取与综合的计算过程分开，降低了芯片的计算占用，避免影响整台空气净化器的其他功能的正常运行；同时降低了云端服务器的带宽占用和资源消耗，有利于保障云服务的稳定性。
附图说明
图1为本发明一个优选实施例的方法流程图；
图2为图1所示实施例开机时刻起的时间轴；
图3为图1所示实施例的装置连接框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1和2所示，一种确定空气净化器滤芯寿命的方法，包括：
以开机时刻起，主控模块以一个较短的时间间隔Δt反复进行如下一系列操作：
记录一次当前风机转速r(t)；
进行一次进风口空气质量传感器和出风口空气质量传感器的数据读取，取到相应时间的室内空气和已净化空气中的颗粒物的质量浓度cin(t)和cout(t)。
由于空气质量传感器会给出空气中不同直径的颗粒物的质量浓度，如粒径小于2.5微米的颗粒物PM2.5的质量浓度为c1(t)，粒径小于10微米的颗粒物PM10的质量浓度为c2(t)等，这些颗粒物都会在滤芯上沉积，因而取传感器报告的所有颗粒物的质量浓度值中的最大值作为c(t)，即，c(t)＝max[ci(t),c2(t),…,cn(t)]；分别对cin(t)，cout(t)作如上操作。
对于某些型号的空气质量传感器，其测量值存在较大幅度的波动，这是与传感器的测量原理及计算电路设计有关，这种短期波动可以认为是系统测量噪声。因而需要通过特殊的数值滤波方法获得室内空气质量的平均情况。本实施例采用采用中值滤波方法，即选取一定历史时间窗口L内所有测量值c(t)的中值作为当前室内空气质量真实情况的估计值C(t)。计算方法如下:
Cin(t)＝median[cin(t-L),cin(t-L+Δt),…,cin(t)]；
Cout(t)＝median[cout(t-L),cout(t-L+Δt),…,cout(t)]；
式中median函数为通用的中值滤波函数，不作赘述。
以开机时刻起，主控模块以一个较长的时间间隔ΔT反复进行如下一系列操作：
主控模块从存储器或者从云端服务器的数据库中获取当前滤芯的寿命值Q0(t)。
依据这段时间内测得的数据进行滤芯消耗量ΔQ(t)的数值积分计算。其计算方法采取矩形积分形式：
Figure BDA0001458356900000041
或采用更精确的梯形积分形式：
Figure BDA0001458356900000042
式中，η(Q)是滤芯的过滤效率函数，描述滤芯的过滤效率η与滤芯寿命Q的关系。将当前时刻的滤芯寿命Q0(t)代入函数η(Q)得到当前时刻的过滤效率η(Q0)。一种典型的滤芯的过滤效率与其寿命的关系η(Q)如下表所示。通常新滤芯的过滤效率比使用过一段时间的滤芯的过滤效率高。函数F(r)为空气净化器的风机特性函数，描述风机的风量与转速的数值关系，其可以从风机的生产厂家获得。W为滤芯所能容纳的空气污染物总量，是滤芯的工艺和结构决定的，本实施例中选用纳污量为12000毫克的滤芯。
滤芯过滤效率函数表
滤芯消耗Q 0％ 20％ 40％ 60％ 80％ 100％
过滤效率η(Q) 99.99％ 99.80％ 98.90％ 97.60％ 95.80％ 93.40％
根据滤芯消耗量ΔQ(t)(污染物总量)，计算出滤芯寿命Q1(t)＝Q0(t)-ΔQ(t)。由于这种计算过程是会逐渐累加误差，不论任何精确的初始值都会在长期的累加过程中逐渐偏离真实结果。
另一方面，在已知净化前空气中污染物浓度值Cin(t)和净化后空气中污染物浓度值Cout(t)的情况下，可以实时反向计算滤芯过滤效率η(Q)，从而反算滤芯寿命Q，计算方法如下：
Figure BDA0001458356900000051
式中，η-1为η(Q)的反函数。
采用卡尔曼滤波对两种计算得到的滤芯寿命Q1(t)和滤芯寿命Q2(t)进行结果融合得到滤芯寿命Q3(t)作为当前滤芯寿命的估值，其计算方法如下：
设上一时刻为t1＝kΔT，滤芯寿命为Q0(t1)；当前时刻为t2＝(k+1)ΔT，滤芯寿命为Q3(t2)。滤芯从全新的0时刻到上一时刻t1，滤芯寿命Q0(t1)的历史误差平方和w0(k)随时间更新，计算结果Q1(t1)的历史误差平方和w1(k)随时间更新，计算结果Q2(t1)的历史误差平方和w2(k)随时间更新。由此得到卡尔曼增益为：
Figure BDA0001458356900000052
当前时刻的滤芯寿命估计值为：
Q3＝Q1+H·(Q2-Q1)；
并且更新如下误差权重：
w0(k+1)＝(1-H)(w1+w0)；
w1(k+1)＝w1(k)+(Q3-Q1)2；
w2(k+1)＝w2(k)+(Q3-Q2)2。
更新后的误差权重存储在存储器或者云端服务器的数据库，用于下一时刻t3＝(k+2)ΔT时刻的计算过程。
当前计算得出的滤芯寿命Q3作为更新值存入存储器或者云端服务器的数据库，等待下一时刻t3＝(k+2)ΔT重新读取该数值计算ΔT后的滤芯寿命。
本实施例中，Δt＝1s，ΔT＝5min。为了能够较准确地确定滤芯寿命，需要较高的频率测量相应数据，因而有一个较小的时间间隔Δt，本实施例中取为1s。然而，考虑到网络传输的延迟时间，以这么高的频率传输测量得到的数据意味着云端服务器几乎需要始终保持接收所有在线设备的数据传输，这在实际当中对服务器所需的带宽和计算资源而言是一个巨大的负载，有可能拖垮云端服务器。另一方面，用户并不会实时地盯着滤芯寿命，只会在想起来的时候查看一下当前的寿命值。因而，实时的数据传输是不必要的。经济的做法就是如本发明所述的，连续采集多次数据后一次性传输给服务器即可，这个传输的时间间隔就是ΔT。
如图3所示，一种确定空气净化器滤芯寿命的装置，包括：
获取模块，用于获取当前运行数据，运行数据包括净化前空气中污染物浓度值Cin(t)、净化后空气中污染物浓度值Cout(t)、风机转速r(t)和滤芯寿命Q0(t)；
计算模块，用于根据当前运行数据计算出滤芯消耗量ΔQ(t)、滤芯寿命Q1(t)、滤芯寿命Q2(t)和滤芯寿命Q3(t)；以及
输出模块，用于输出滤芯寿命Q3(t)并将其更新保存以供获取模块读取。上述所有模块均集成于主控模块中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种确定空气净化器滤芯寿命的方法，其特征在于：包括如下内容：
以开机时刻起，以一个较短的时间间隔Δt反复进行如下一系列操作：
记录一次当前风机转速r(t)、当前滤芯寿命Q0(t)、净化前空气中污染物浓度值Cin(t)和净化后空气中污染物浓度值Cout(t)；
以开机时刻起，以一个较长的时间间隔ΔT反复进行如下一系列操作：
获取当前滤芯寿命Q0(t)；
根据当前获取的数据计算出滤芯消耗量ΔQ(t)，滤芯消耗量ΔQ(t)的计算方法如下：
Figure FDA0003135869460000011
或
Figure FDA0003135869460000012
式中，η(Q0)为滤芯过滤效率函数，W为滤芯所能容纳的空气污染物总量，函数F(r)为空气净化器的风机特性函数，描述风机的风量与转速的数值关系；
根据滤芯寿命Q0(t)和滤芯消耗量ΔQ(t)计算出滤芯寿命Q1(t)，滤芯寿命Q1(t)的计算方式如下：
Q1(t)＝Q0(t)-ΔQ(t)；
根据净化前空气中污染物浓度值Cin(t)、净化后空气中污染物浓度值Cout(t)和滤芯过滤效率函数η(Q)计算出滤芯寿命Q2(t)，滤芯寿命Q2(t)的计算方式如下：
Figure FDA0003135869460000013
式中，η-1为η(Q)的反函数；
将滤芯寿命Q1(t)和滤芯寿命Q2(t)进行融合得出最终滤芯寿命Q3(t)，滤芯寿命Q3(t)的计算方式如下：
Q3(t)＝Q1+H·(Q2(t)-Q1(t))；
式中，
Figure FDA0003135869460000021
w0(k)、w1(k)和w2(k)分别为滤芯从全新的0时刻到距离当前时刻为ΔT的上一时刻内Q0(t)、Q1(t)和Q2(t)的误差权重；
将滤芯寿命Q3(t)更新保存以用于下一个ΔT时间间隔内的寿命计算；
其中，一个时间间隔ΔT等于若干个时间间隔Δt。
2.根据权利要求1所述的一种确定空气净化器滤芯寿命的方法，其特征在于：所述净化前空气中污染物浓度值Cin(t)和净化后空气中污染物浓度值Cout(t)的计算方法如下：
将进风口处传感器检测值cin(t)和出风口处传感器检测值cout(t)分别滤波处理得到净化前空气中污染物浓度值Cin(t)和净化后空气中污染物浓度值Cout(t)。
3.根据权利要求2所述的一种确定空气净化器滤芯寿命的方法，其特征在于：按照如下公式进行滤波处理：
Cin(t)＝median[cin(t-L),cin(t-L+Δt),…,cin(t)]；
Cout(t)＝median[cout(t-L),cout(t-L+Δt),…,cout(t)]；
式中，L＞Δt。
4.根据权利要求3所述的一种确定空气净化器滤芯寿命的方法，其特征在于：进风口处传感器检测值cin(t)和出风口处传感器检测值cout(t)的取值方法如下：
cin(t)＝max[cin1(t),cin2(t),…,cinn(t)]；
cout(t)＝max[cout1(t),cout2(t),…,coutn(t)]；
式中，cin1(t),cin2(t),…,cinn(t)分别为净化前传感器检测到的不同污染物的浓度值；cout1(t),cout2(t),…,coutn(t)分别为净化后传感器检测到的不同污染物的浓度值。
5.根据权利要求1所述的一种确定空气净化器滤芯寿命的方法，其特征在于：更新滤芯寿命Q3(t)时也同时更新误差权重w0(k+1)、w1(k+1)和w2(k+1)。
6.一种确定空气净化器滤芯寿命的装置，其特征在于：包括：
获取模块，用于获取当前运行数据，运行数据包括净化前空气中污染物浓度值Cin(t)、净化后空气中污染物浓度值Cout(t)、风机转速r(t)和滤芯寿命Q0(t)；
计算模块，用于根据当前运行数据计算出滤芯消耗量ΔQ(t)、滤芯寿命Q1(t)、滤芯寿命Q2(t)和滤芯寿命Q3(t)，
滤芯消耗量ΔQ(t)的计算方法如下：
Figure FDA0003135869460000031
或
Figure FDA0003135869460000032
式中，η(Q0)为滤芯过滤效率函数，W为滤芯所能容纳的空气污染物总量，函数F(r)为空气净化器的风机特性函数，描述风机的风量与转速的数值关系；
滤芯寿命Q1(t)的计算方式如下：
Q1(t)＝Q0(t)-ΔQ(t)；
根据净化前空气中污染物浓度值Cin(t)、净化后空气中污染物浓度值Cout(t)和滤芯过滤效率函数η(Q)计算出滤芯寿命Q2(t)，滤芯寿命Q2(t)的计算方式如下：
Figure FDA0003135869460000033
式中，η-1为η(Q)的反函数；
滤芯寿命Q3(t)的计算方式如下：
Q3(t)＝Q1+H·(Q2(t)-Q1(t))；
式中，
Figure FDA0003135869460000041
w0(k)、w1(k)和w2(k)分别为滤芯从全新的0时刻到距离当前时刻为ΔT的上一时刻内Q0(t)、Q1(t)和Q2(t)的误差权重；
以及输出模块，用于输出滤芯寿命Q3(t)并将其更新保存以供所述获取模块读取。
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