CN112414919B - 基于直流电机工作电流测算净化器滤网寿命的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于直流电机工作电流测算净化器滤网寿命的方法及装置，方法包括：S1实时获取空气净化器的直流电机在工作运行状态中的工作电流值；S2将获取所得的工作电流值与预设工作电流阀值进行对比；S3当工作电流值持续低于预设工作电流阀值达到预设条件时，生成反馈指令并输出，结合该方法，本发明方案装置亦是具有成本低、工艺简单易于实现的优点，且结合装置与方法进行联合应用，本发明方案能以更低的成本及更准确的效果解决现有技术中采用计时、比色、测压差等几种现有的滤网寿命计算及提示方法存在的不准确或成本过高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及空气净化器耗材寿命监测领域，尤其涉及基于直流电机工作电流测算净化器滤网寿命的方法及装置。
背景技术
空气净化器是一种采用交流电机或直流电机驱动风轮转动，使室内空气在净化器的人工风道中流动，并强制通过由高效过滤材料HEPA、活性碳、紫外灯杀菌灯等过滤装置，使空气中的灰尘、烟尘、各种粒颗物、有毒有害气体、细菌等有害物质吸附于过滤器表面，分解有毒有害气体、杀灭细菌，从而达到净化空气的效果一种空气净化装置。
空气净化器之所以能够净化空气，主要是依靠滤芯的过滤作用，而滤芯在使用过程中，由于其表面不断拦截和吸附各种灰尘、颗粒物等污染物，其过滤效果逐步衰退，当其过滤效果低于额定的70％以下时，则视为滤网寿命终结，此时需要净化器具有滤网寿命到期的检测与提示功能，以告之用户应及时更换滤网，否则净化器不但没有净化效果，还可能成为一个污染源，所以滤网的寿命计算与提示功能显得非常重要。
目前，空气净化器的所使用的滤网寿命预警或监测通常有以下几种：
1、采用电子计时方式：当净化器开始工作时就开始计时，将净化器所有的开机工作时间一直累计下来，并存于EEPROM的记忆中的，当计时时间达到预设的时间时，则视为滤网寿命终结；目前市面上的空气净化器产品普遍采用的是这种计时方式。
2、采用比色方式：由于滤网的滤芯材料绝大部分是白色的(夹碳布滤网及其它深色滤网除外)，当使用时间长了，上面吸满了灰尘，颜色逐渐变深，利用这个特点，在产品的滤网适当位置贴上一个用于比色的颜色标签，当滤网使用吸附了越来越多的灰尘有颗粒物颜色加深，当颜色加深达到标签颜色时，就要更换滤网了。
3、采用压力传感器测量净化器风道内外压力差方式：这种方式的原理也是基于滤网不断吸附了很多的污染物，使滤芯的过滤效果变差，在风道中的阻力增加，而使得在风道中，滤网前与滤网后的压力也越来越大，当压力差达到或大于某一个值时，视为滤网寿命终结。
而上述的三种空气净化器的滤网寿命预警或监测的方式中，存在如下局限性：
1、采用电子计时方式
优势：电子计时方式具有不会额外增加成本即零成本，以及实现起来简单的优点。
劣势：由于用户实际使用的环境不尽相同，空气质量差的场所滤网能使用的时间短，而空气质量较好的地方滤网可使用的时间较长，不能用一个固定的时间，所以时间是不能真实反应滤网的过滤效果是否衰退的一个表征值，当用户的使用环境较好时，或者使用的风速档位较低时，实际上滤网可以使用更长的时间；而如果用户使用的环境污染较重时，则滤网使用的时间会更短，所以计时方式是不能准确反应滤网寿命的。
2、采用比色方式
优势：能够比较真实的反应滤网的新旧程度，比计时方式判断滤网寿的方式要更加准确。
劣势：由于比色方式需要人工进行定期的去检查滤网，无法实现自动化，所以操作起来不方便。
3、采用压力传感器测量净化器风道内外压力差方式
优势：由于是通过测量内外压力差的方式，从原理上是比较科学的，只要压力传感器的分辩率及精度足够，对于寿命的判断可以做到较为准确。
劣势：由于采用的压力传感器，同时也要增加相关的传感器安装机构，会大幅增加其实现成本，所以目前由于成本原因，几乎很少有净化器采用此方式。
发明内容
针对现有技术中采用计时、比色、测压差等几种现有的滤网寿命计算及提示方法存在的不准确或成本过高的问题，本发明的目的在于提出一种成本低、测算准确且便利、灵活的基于直流电机工作电流测算净化器滤网寿命的方法及装置。
为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：
基于直流电机工作电流测算净化器滤网寿命的方法，包括：
实时获取空气净化器的直流电机在工作运行状态中的工作电流值；
将获取所得的工作电流值与预设工作电流阀值进行对比；
当工作电流值持续低于预设工作电流阀值达到预设条件时，生成反馈指令并输出。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述的直流电机为直流无刷电机。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述的预设工作电流阀值为空气净化器的滤网过滤性能衰退至预设比例时所对应的直流电机工作电流。
作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述的直流电机具有若干转速档位，在不同转速档位下，直流电机通过对应的输入电压进行恒压工作，且其在不同转速档位下具有不同的预设工作电流阀值。
作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述滤网过滤性能的衡量指标为通过该滤网过滤输出的空气流量，所述预设工作电流阀值的确定方法包括如下步骤：
获取空气净化器在直流电机处于不同转速下，滤网初次进行过滤工作时的初始空气流量；
获取空气净化器在直流电机处于不同转速下，滤网的空气流量衰退至初始空气流量的预设百分比时对应直流电机的工作电流，且将该工作电流设为预设工作电流阈值。
在上述方法基础上，本方案还提供了一种基于直流电机工作电流测算净化器滤网寿命的装置，其包括：
主控模块，与空气净化器的直流电机电连接并控制其启闭；
电流检测模块，分别与主控模块和直流电机连接，且用于获取直流电机的工作电流值；
所述的主控模块中设置有比较单元，该比较单元用于将电流检测模块获取所得的工作电流值与主控模块预存的预设工作电流阀值进行对比，并输出对比结果，所述的主控模块根据对比结果进行生成反馈指令并输出。
作为一种可能的实施方式，进一步，所述的主控模块具有接口CON6，所述的直流电机具有接口CON3，所述的电流检测模块包括：运算放大器U1A、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电阻R10、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15，电阻R16、电阻R17和电阻R18，运算放大器U1A的第1引脚分别与电阻R18的一端、电阻R16的一端和电容C5的一端连接，电阻R18的另一端分别与电容C7的一端、电阻R17的一端和接口CON6的第6引脚连接，电容C7的另一端和电阻R17的另一端均接地，运算放大器U1A的第2引脚分别与电阻R16的另一端、电容C5的另一端和电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端接地，运算放大器U1A的第3引脚分别与电阻R12的一端、电容C9的一端连接，电容C9的另一端接地，电阻R12的另一端分别与电容C8的一端、电阻R13的一端连接，电容C8的另一端接地，电阻R13的另一端分别与电阻R14的一端和接口CON3的第2引脚连接，电阻R14的另一端接地，运算放大器U1A的第4引脚接地，运算放大器U1A的第8引脚接入5V供电电源，电阻R15的一端和电容C6的一端均连接至接口CON3的第3引脚，电阻R15的另一端连接至接口CON5的第5引脚，电容C6的另一端接地，接口CON3的第1引脚接入24V供电电源。
作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述电流检测模块的工作模式为：直流电机通过24V供电电源供电，其工作电流经电阻R14，形成一个与工作电流成正比的电压降，此电压经电阻R13、电容C8、电阻R12，电容C9构成的两级积分电路送入由运算放大器U1A构成的同相比例放大电路进行比例放大，放大后的电流信号电压经电阻R17，电阻R18分压后送入主控模块的接口CON6的第6引脚进行转换成数字信号，主控模块的比较单元将预设好的工作电流阀值不断与接口CON6的第6引脚采集回来的直流电机工作电流信号值进行比较。
作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述直流电机的工作电流与主控模块的接口CON6的第6引脚所采集的电压关系为：
其中，式(1)、式(2)和式(3)中的V0为运算放大器UA1的第1引脚的输出电压，lm为直流电机的工作电流值，Vad为接口CON6的第6引脚的电压。
在上述装置方案的基础上，本方案还提供了一种空气净化器，其包括上述所述的基于直流电机工作电流测算净化器滤网寿命的装置。
采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：
(1)测算准确：由于本方案中，滤网的阻力直接表征滤网的寿命，且事先对滤网的寿命做好的界定，所以对于滤网寿命的计算判断能真正做到精准与真实。
(2)成本低廉：由于本方案在硬件上采用电阻及普通运放对电机的电流进行采集与放大，软件上仅需用到MCU(主控模块)的AD转换资源，一般的MCU均有这个资源，成本非常低廉，对于一台净化器的成本影响极其微小，几乎可以忽略。
(3)工艺简单易于实现：由于本方案采用的是很常规的元器件，且增加器件极少，又都是标准件，完全符合现行的SMT贴装工艺作业要求，所以工艺简单可行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明方案基于实际的工程应用与测试中发现净化器的输出洁净空气量、电机功率、电机工作电流呈正相关特性的简要示意图；
图2是本发明方案对预设工作电流阀值进行确定的简要示意图；
图3是本发明方案基于直流电机工作电流测算净化器滤网寿命的方法的简要运作流程示意图；
图4是本发明方案的装置简要示意图；
图5是本发明方案的装置中主控模块与电流检测模块的简要电路连接原理示意图；
图6是本发明方案的装置中电流检测模块的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
由于现在空气净化器大部分采用的是直流无刷电机驱动风轮运转，在同一台空气净化器中，净化器的输出洁净空气量与电机消耗的功率成正相关的关系，也就是说输出洁净空气量(风量)越大，消耗的功率也就越大，反之则消耗的功率越小。而驱动净化器的直流电机各风速档位运行的转速是相对固定的，并且采用了转速闭环控制，即转速是恒定且稳定的。那么随着净化器的运行，滤网会越来越来脏，过滤效果也随之下降，其相应的阻力增加，此时就会引起输出洁净空气量下降，电机消耗的功率下降。而给直流无刷电机供电的电源电压是恒定的，所以功率的变化也就体现在电流的变化上。所以只要界定好寿命终结的滤网相应电流，低于此电流即可判为滤网寿命终结。
在实际的工程应用与测试中发现，滤网的效率下降与净化器的输出洁净空气量、电机功率、电机工作电流呈正相关特性，其大致关系曲线图如图1所示，相应的原始数据如表1所示。
表1 净化器工作模拟数据
| 时间 | t1 | t2 | t3 | t4 | t5 | t6 | t7 | t8 | t9 | t10 |
| 洁净空气量(M3/h) | 500 | 450 | 400 | 350 | 300 | 250 | 200 | 150 | 100 | 50 |
| 洁净空气量(M3/10min) | 83.3 | 75 | 66.7 | 58.3 | 50 | 41.2 | 33.3 | 25 | 16.7 | 8.3 |
| 电机功率(W) | 50 | 45 | 40 | 35 | 30 | 25 | 20 | 15 | 10 | 5 |
| 电机电流(A) | 2 | 1.8 | 1.6 | 1.4 | 1.2 | 1 | 0.8 | 0.6 | 0.4 | 0.2 |
其中，为了直观体现洁净空气量、电机功率、电机工作电流的相关性，空气量的单位为m3/10min(立方米每十分钟)，电机电流的单位为A(安倍)，电机功率的单位为W(瓦特)，基于一个可能实例，本方案的实现首先要界定一个滤网过滤性能衰退至预设值(参考图2所示，例如70％)时，认定滤网寿命终结，再依据此时的对应电机功率与电机电流值(如果是多个档位，则需要界定多个对应的阀值)，然后实时对净化器电机的工作电流进行监测，并不断与界定的阀值进行比较，当持续判断低于此阀值时则判定为滤网寿命终结，此时可通过相应的控制模块亮起滤网寿命终结指示灯以提示用户进行滤网更换。
基于此，参考图3所示，本发明方案的基于直流电机工作电流测算净化器滤网寿命的方法，包括：
S1实时获取空气净化器的直流电机在工作运行状态中的工作电流值；
S2将获取所得的工作电流值与预设工作电流阀值进行对比；
S3当工作电流值持续低于预设工作电流阀值达到预设条件时，生成反馈指令并输出。
其中，在本实施例中，所述的直流电机为直流无刷电机。
另外，本实施例中，所述的预设工作电流阀值为空气净化器的滤网过滤性能衰退至预设比例时所对应的直流电机工作电流；而作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述的直流电机具有若干转速档位的情况，在不同转速档位下，直流电机通过对应的输入电压进行恒压工作，且其在不同转速档位下具有不同的预设工作电流阀值。
而作为预设工作电流阀值的一种较优的选择确定实施方式，优选的，所述滤网过滤性能的衡量指标为通过该滤网过滤输出的空气流量，所述预设工作电流阀值的确定方法包括如下步骤：
S101获取空气净化器在直流电机处于不同转速下，滤网初次进行过滤工作时的初始空气流量；
S102获取空气净化器在直流电机处于不同转速下，滤网的空气流量衰退至初始空气流量的预设百分比时对应直流电机的工作电流，且将该工作电流设为预设工作电流阈值。
需要说明的是，对于不同型号的滤网而言，可以通过该预设工作电流阀值的确定方法进行逐步确定不同型号的滤网在不同转速档位下的预设工作电流阀值，以此形成数据参照查询表的形式导入到空气净化器的系统中进行对应执行和检索对照，而工作电流值持续低于预设工作电流阀值达到的预设条件可以是在多个连续采样周期内，直流电机的工作电流均低于预设工作电流时进行触发下一步，否则，继续循环执行直流电机的工作电流值采样和对比。
在上述方法基础上，参考图4所示，本方案还提供了一种基于直流电机工作电流测算净化器滤网寿命的装置，其与直流电机连接，其包括：
主控模块，与空气净化器的直流电机电连接并控制其启闭；
电流检测模块，分别与主控模块和直流电机连接，且用于获取直流电机的工作电流值；
所述的主控模块中设置有比较单元，该比较单元用于将电流检测模块获取所得的工作电流值与主控模块预存的预设工作电流阀值进行对比，并输出对比结果，所述的主控模块根据对比结果进行生成反馈指令并输出。
重点结合图5和图6之一所示，作为一种可能的实施方式，进一步，所述的主控模块具有接口CON6，所述的直流电机具有接口CON3，所述的电流检测模块包括：运算放大器U1A、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电阻R10、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15，电阻R16、电阻R17和电阻R18，运算放大器U1A的第1引脚分别与电阻R18的一端、电阻R16的一端和电容C5的一端连接，电阻R18的另一端分别与电容C7的一端、电阻R17的一端和接口CON6的第6引脚连接，电容C7的另一端和电阻R17的另一端均接地，运算放大器U1A的第2引脚分别与电阻R16的另一端、电容C5的另一端和电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端接地，运算放大器U1A的第3引脚分别与电阻R12的一端、电容C9的一端连接，电容C9的另一端接地，电阻R12的另一端分别与电容C8的一端、电阻R13的一端连接，电容C8的另一端接地，电阻R13的另一端分别与电阻R14的一端和接口CON3的第2引脚连接，电阻R14的另一端接地，运算放大器U1A的第4引脚接地，运算放大器U1A的第8引脚接入5V供电电源，电阻R15的一端和电容C6的一端均连接至接口CON3的第3引脚，电阻R15的另一端连接至接口CON5的第5引脚，电容C6的另一端接地，接口CON3的第1引脚接入24V供电电源。
本实施例中，电流检测模块的运算放大器U1A型号为LM358。
着重参考图6所示，在本实施例中，所述电流检测模块的工作模式为：直流电机通过24V供电电源供电，其工作电流经电阻R14(作为电流采样电阻)，形成一个与工作电流成正比的电压降，此电压经电阻R13、电容C8、电阻R12，电容C9构成的两级积分电路送入由运算放大器U1A构成的同相比例放大电路进行比例放大，放大后的电流信号电压经电阻R17，电阻R18分压后送入主控模块的接口CON6的第6引脚进行转换成数字信号，主控模块的比较单元将预设好的工作电流阀值不断与接口CON6的第6引脚采集回来的直流电机工作电流信号值进行比较，当持续低于此阀值时判定为滤网失效，MCU(主控模块)可控制相应指示灯亮起提示用户及时更换滤网。
其中，所述直流电机的工作电流与主控模块的接口CON6的第6引脚所采集的电压关系为：
其中，式(1)、式(2)和式(3)中的V0为运算放大器UA1的第1引脚的输出电压，lm为直流电机的工作电流，Vad为接口CON6的第6引脚的电压。
而在本实施例中，将电阻R14作为采样电阻，其阻值为0.05欧姆，电阻R16的阻值为100K欧姆，电阻R10的阻值为2K欧姆，电阻R17的阻值为3K欧姆，电阻R18的阻值为1K欧姆，因此，结合式(3)，可得
因此，主控模块只需实时获得接口CON6的第6引脚的电压，即可对应计算获得直流电机的工作电流，以此与预设工作电流阀值进行对比，并根据对比情况，来响应执行下一步操作。
另外，在本发明各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施方式方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.基于直流电机工作电流测算净化器滤网寿命的装置，其特征在于，其包括：
主控模块，与空气净化器的直流电机电连接并控制其启闭；
电流检测模块，分别与主控模块和直流电机连接，且用于获取直流电机的工作电流值；
所述的主控模块中设置有比较单元，该比较单元用于将电流检测模块获取所得的工作电流值与主控模块预存的预设工作电流阈值进行对比，并输出对比结果，所述的主控模块根据对比结果生成反馈指令并输出；
其中，所述的主控模块具有接口CON6，所述的直流电机具有接口CON3，所述的电流检测模块包括：运算放大器U1A、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电阻R10、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15，电阻R16、电阻R17和电阻R18，运算放大器U1A的第1引脚分别与电阻R18的一端、电阻R16的一端和电容C5的一端连接，电阻R18的另一端分别与电容C7的一端、电阻R17的一端和接口CON6的第6引脚连接，电容C7的另一端和电阻R17的另一端均接地，运算放大器U1A的第2引脚分别与电阻R16的另一端、电容C5的另一端和电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端接地，运算放大器U1A的第3引脚分别与电阻R12的一端、电容C9的一端连接，电容C9的另一端接地，电阻R12的另一端分别与电容C8的一端、电阻R13的一端连接，电容C8的另一端接地，电阻R13的另一端分别与电阻R14的一端和接口CON3的第2引脚连接，电阻R14的另一端接地，运算放大器U1A的第4引脚接地，运算放大器U1A的第8引脚接入5V供电电源，电阻R15的一端和电容C6的一端均连接至接口CON3的第3引脚，电阻R15的另一端连接至接口CON5的第5引脚，电容C6的另一端接地，接口CON3的第1引脚接入24V供电电源；
另外，所述电流检测模块的工作模式为：直流电机通过24V供电电源供电，其工作电流经电阻R14，形成一个与工作电流成正比的电压降，此电压经电阻R13、电容C8、电阻R12，电容C9构成的两级积分电路送入由运算放大器U1A构成的同相比例放大电路进行比例放大，放大后的电流信号电压经电阻R17，电阻R18分压后送入主控模块的接口CON6的第6引脚进行转换成数字信号，主控模块的比较单元将预设好的工作电流阈值不断与接口CON6的第6引脚采集回来的直流电机工作电流信号值进行比较；
所述直流电机的工作电流与主控模块的接口CON6的第6引脚所采集的电压关系为：
其中，式(1)、式(2)和式(3)中，V0为运算放大器UA1的第1引脚的输出电压；lm为直流电机的工作电流值；Vad为接口CON6的第6引脚的电压；
其应用方法包括：
实时获取空气净化器的直流电机在工作运行状态中的工作电流值；
将获取所得的工作电流值与预设工作电流阈值进行对比；
当工作电流值持续低于预设工作电流阈值达到预设条件时，生成反馈指令并输出；
其中，所述的预设工作电流阈值为空气净化器的滤网过滤性能衰退至预设比例时所对应的直流电机工作电流；
所述的直流电机具有若干转速档位，在不同转速档位下，直流电机通过对应的输入电压进行恒压工作，且其在不同转速档位下具有不同的预设工作电流阈值；
另外，所述滤网过滤性能的衡量指标为通过该滤网过滤输出的空气流量，所述预设工作电流阈值的确定方法包括如下步骤：
获取空气净化器在直流电机处于不同转速下，滤网初次进行过滤工作时的初始空气流量；
获取空气净化器在直流电机处于不同转速下，滤网的空气流量衰退至初始空气流量的预设百分比时对应直流电机的工作电流，且将该工作电流设为预设工作电流阈值。
2.根据权利要求1所述的基于直流电机工作电流测算净化器滤网寿命的装置，其特征在于：所述的直流电机为直流无刷电机。
3.一种空气净化器，其特征在于，其包括如权利要求1或2所述的基于直流电机工作电流测算净化器滤网寿命的装置。
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