CN114222865A - 定量确定风机与运行状态相关的实际变量、特别是压力变化或压力增加的方法及风机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于定量确定与运行状态相关的实际变量、例如风机的压力增加的方法，其中与运行状态相关的实际变量是使用风机的已知体积流量或质量流量经由风机的旋转速度确定的。

Description

定量确定风机与运行状态相关的实际变量、特别是压力变化 或压力增加的方法及风机

技术领域

本发明涉及一种用于在运行期间定量确定风机的与当前运行状态相关的变量(诸如压力变化、特别是压力增加)的方法，并且涉及一种其中在运行期间进行至少一个与当前运行状态相关的变量(诸如压力变化、特别是压力增加)的定量确定的风机。

背景技术

对与当前运行状态相关的变量的了解可以带来多种好处。例如，可以依据这些变量中的一或多个变量来控制或调节风机。其中安装和运行该风机的更高层系统也可以根据这些变量中的一个或多个来控制或调节。此外，这些变量可以随着时间的推移被记录或整合，并以多种方式使用。

例如，当运行风机时，对当前压力增加的了解是所期望的。对当前压力增加的了解可以用来发挥优势。用户可以用其来监测或检查空气处理系统的当前状态，例如，热交换器的结冰状况、过滤器的堵塞程度、关键的风门状态或当前的风负荷。

在风机方面，如果压力增加是已知的，就可以监测到例如容易受损的风机压力储存。可以确定风机是否在允许的运行范围内运行，例如，也可以确定所谓的鼓形转子是否在太低的压力下运行。

从实践中已知的现有技术来看，已经知道经由压差传感器来确定压力的增加。这很耗时，而且通常不能直接在风机上完成。在大多数情况下，需要精心设计的管路或电线。

经由压力传感器确定压力差的另一个缺点是测量的压力差对于压力传感器的位置的依赖性，以及与此相关的问题，即在哪里以及如何容纳或安装这些压力传感器。

从现有技术中也已经知道，在径向叶轮向后弯曲的情况下，经由轴扭矩确定体积流速，经由进气喷嘴处的压差测量或经由叶轮风速计或热风速计。

根据前面的实施例，可以用压力传感器确定风机的压力变化或压力增加，特别是风机的速度监测或扭矩监测，以便能够间接地确定过滤器的堵塞或结冰。

对风机当前声音排放的确定可以用来，例如，控制风机使得不超过某个规定的声音排放极限值。

风机当前驱动扭矩的确定可用于控制风机，使得不超过某个极限驱动扭矩，例如，为了使驱动电机不过载。

风机当前效率的确定可用于控制具有一个或几个风机的系统，使得达到尽可能高的效率。

对于已发表的现有技术，借助示例的方式参考了DE 10 2013 204 137A1。从该公开中可以已知一种确定抽油烟机的风机的运行状态的方法。该方法限定为根据电动马达的速度和功率消耗。然而，通过电机扭矩测量空气体积流量对于后向弯曲的风机是不可能的。

因此，本发明的目的在于提供一种用于定量确定风机在运行中的与当前运行状态相关的变量、例如压力变化或压力增加的方法，根据该方法，不使用复杂的传感器，诸如压力传感器，且不限制于某些风机，风机的相应的与当前运行状态相关的变量、诸如压力变化或压力增加能够有足够好的精度。

发明内容

上述目标通过专利权利要求1的特征得到了解决，对于风机来说，通过从属专利权利要求14的特征得到了解决，根据这些特征，给定风机的已知体积流量或质量流量，经由其旋转速度定量地确定与当前运行状态相关的变量、例如压力变化或压力增加。

关于当前压力增加的确定，本发明是基于基础的想法/了解，即风机“无误地”测量发生在其身上的压力变化或压力增加，因为其必须应用必要的功率来克服，例如，压力增加。

以有利的方式，用户或更高层系统可以读出确定的与当前运行状态相关的变量，诸如压力变化或压力增加，并使用其来控制风机或控制整个通风系统。还可以设想使用与当前运行状态相关的变量或其时间进程来限定通风系统或这种通风系统的一个或多个组件的维护、清洁或除冰的时间。

在根据本发明的实施例中，风机可以确定并输出在压力增加期间作用于其的背压，而不需要借助压力传感器。该背压是在风机处确定的，即在通过任何方式产生压力增加的“源头”处确定。与使用外部压力传感器系统相比，消除了测量误差和与传感器系统有关的测量设备的敏感性。对于测量结果对相应压力传感器的选定位置和对在压力传感器处或围绕压力传感器的当前流动情况的依赖性，这尤其适用。其涉及到例如在某些操作条件下可能发生的脱落和漩涡。消除了压力传感器的故障概率以及压力传感器和电子系统之间的布线或数据传输的故障概率。

根据本发明的教导是基于根据一种具有高精确度的方法的对风机的空气体积流量或空气质量流量的确定，有利地的是基于对流速场的分析。然后，通过将当前的速度、可能测量的或估计的关于当前密度的信息以及储存在风机上的特征曲线考虑在内，来确定风机的与当前运行状态相关的变量，例如风机的压力增加。

在风机可以默认以恒定体积流量或质量流量控制的的情况下，没有必要经由传感器确定空气体积流量或空气质量流量，这是因为可以直接使用指定的体积流量或质量流量的缘故。然而，具有这种恒定体积流量控制或恒定质量流量控制可能性的风机通常仍然基于传感器来直接或间接确定体积流量或质量流量。

与现有技术相比，对与当前运行状态相关的变量，例如风机的压力变化、特别是压力增加的确定，是在没有例如压力传感器、声音传感器或扭矩传感器等复杂的传感器的情况下进行的，且在这种情况下，靠近风机，需要具有尽可能高精度的对当前空气体积流量的上游确定。可以只需要一个传感器用于直接或间接确定空气体积流量或空气质量流量。

如果风机的体积流量或质量流量是已知的，那么用速度来确定与当前运行状态相关的变量，诸如压力增加、声排放、驱动扭矩、驱动功率、效率、振动或轴向推力。可以将当前环境温度或当前空气湿度对当前空气密度的影响考虑在内。体积流量的确定是提前用实践中已知的具有很高的准确性方法进行的。为了确定与当前运行状态相关的变量、例如压力增加或压力变化，有必要在风机上为每个感兴趣的与运行状态相关的变量储存至少一条校准特性曲线。校准特性曲线本质上代表了在特定速度或速度曲线和特定密度下，体积流速或质量流速和有用的与运行状态相关的变量之间的函数关系(例如，在特定恒定速度和密度下压力增加Δp根据体积流速

的变化)。可以设想使用等效的特性曲线，例如，如果空气体积流量或空气质量流量是已知的，就可以进行静压增加和总压增加之间的转换。

风机可以通过计算的与当前运行状态相关的变量控制其本身。例如，根据当前确定的压力增加可以进行速度控制。

也可以设想，用户或更高层系统可以读出压力增加或其他与当前运行状态相关的变量，因此用户或更高层系统可以基于此信息控制或以其他方式影响风机速度或通风系统。

与当前运行状态相关的变量或其时间历史也可以储存和/或传输给用户或风机制造商，以便能够进行进一步的优化。这可以帮助对风机的基础选择或对风机的设计优化或技术优化。

压力增加/压力变化Δp一般可以理解为静压增加(总压到静压)或总压增加(总压到总压)，或者根据要求对压力增加进行其他限定。只有可用于确定所期望的压力增加的校准特性曲线必须确定并储存在风机上。

一般来说，只要目标变量的速度依赖性至少是近似已知的，该方法就可以用来确定与当前运行状态相关的变量。例如，可以设想确定压力增加(大约成比例的n^2)，驱动扭矩(大约成比例的n^2)，声发射(大约成比例的n^[4..6])，轴向推力(大约成比例的n^2)或振动变量(在这种情况下，必须为风机专门确定对n的依赖性)。推导出的与运行状态相关的特性曲线值也可以被确定，例如，使用速度和驱动扭矩的驱动功率，或者使用空气体积流量、压力增加和驱动功率的效率。在各种情况下，对应的校准特性必须确定并储存在风机上。

附图说明

现在有各种方法可以有利地实施和进一步发展本发明的教导。为此，一方面参考权利要求书中的方案，另一方面参考以下对根据本发明的方法或使用该工艺的风机的优选示例性实施例的解释，以图为基础。在参照附图解释本发明的优选示例性实施方案时，还解释了一般优选实施例和教导的进一步发展。附图中示出了：

图1示出了对于在一定输送密度下的两个不同的、分别恒定的速度的风机的，相应地根据输送体积流量

变化的压力增加Δp的两条特性曲线；

图2示出了对于四个不同的流速的，在特定的流体密度下根据风机的速度n变化的四条压力增加曲线Δp；

图3以通过叶轮的旋转轴线的平面的立体图和剖视图观察的风机的实施例，其中与当前运行状态相关的变量的确定是借助于运送介质体积流量

进行的，该运送介质体积流量

利用叶轮风速计精确确定。

具体实施方式

在图1中，对于两个不同恒定速度n的情况，示例性风机的压力增加Δp关于其运送空气体积流量

的两条特性曲线各在图中示出。这些特性曲线仅是示例性的。特性曲线是基于特定风机的实验测量而确定的，取决于风机的情况，可能在数量上有所不同，也可能就曲线而言不同。一般来说，压力增加Δp的特性曲线是体积流量

或质量流量

与压力增加Δp之间的函数关系，通常规定处于恒定速度，但也可以规定处于限定的变速曲线。在已知体积流速

或质量流速

的情况下，只要当前速度与特性曲线所基于的速度对应，就可以由特性曲线确定压力增加Δp。可以看出，压力增加Δp的量取决于流速

即在此意义上，其是与运行状态相关的变量。

对应地，可以确定并储存其他用于特定速度或速度曲线的与运行状态相关的变量的特性曲线。这些其他的与运行状态相关的变量也可以借助于对应的特性曲线在输送体积流量或输送质量流量已知的情况下确定。

图1示出了两条特性曲线，各处于恒定的速度n下，以及示出了用于恒定体积流量

的线。通常情况下，为了确定风机压力增加Δp，只需确定对于特定速度的一条特性曲线就足够了。另一条可以通过转换得到，在此示例中也是如此做的。此处，人们使用固定风机几何形状的相似性定律，

和Δp～n²根据该定律适用。如果储存了对于速度n的特性曲线，那么对于已知的体积流量

和已知的速度n，压力增加Δp可以按以下方式确定：

1.由储存的校准特性曲线计算对于当前速度n的特性曲线(例如以

的形式)(例如：关于n_校准＝1800rpm的校准特性曲线，当前速度n＝2200rpm)。

2.确定对于当前速度n的计算特性曲线与当前确定的恒定体积流量

的线的交点。

3.读取交点处的当前压力增加Δp。

此外，还可以将密度效应考虑在内，其中压力增加与密度成正比。为此目的，必须确定或估计当前密度与校准特性曲线所对应的密度之比。

因此，其他与运行状态相关的变量也可以确定，特别是经由运送体积流量或运送质量流量和当前速度。只有校准特性曲线必须储存，其使得计算所期望的目标值是可行的。应该注意的是，不同的目标变量对速度n有不同的相关性，在相应的形式中必须考虑到这一点。

在实践中，风机的压力增加或其他与运行状态相关的变量可能会受到风机安装环境的影响。有利的是，在确定压力增加或其他与运行状态相关变量相关的变量时，可以将依据安装情况的修正系数或修正函数考虑在内。替代地，校准特性曲线可以在安装环境中或在模拟安装情况的构造中确定，并储存在风机上，用于确定与运行状态相关的变量。为了实现对与当前运行状态相关变量的最准确确定，当前输送体积流量

或当前质量流量

特别地必须以尽可能高的精度确定。特别是在根据图1的示图中的特性曲线比较陡峭的区域中，在输送体积流量

或输送质量流量

的确定中的小误差已经可以导致由其计算的与运行状态相关变量中的相对大的误差。在特殊精度要求为与当前输送体积流量/质量流量的实际值的偏差不超过2％的情况下，体积流量/质量流量的确定精度与实际值的偏差不超过5％是有利的。已经示出，特别是利用基于风机区域中适当点处的流速场分析的方法，满足了体积流量/质量流量确定的这种高精确度要求。作为示例，这种方法是基于叶轮风速计的速度测量。

还示出，对确定的体积流量

或质量流量

和/或确定的与运行状态相关的变量在几秒钟内(例如>＝10s)进行时间平均是有利的。

在图2中，对于特定的示例性风机，在各种情况下，对于几个示例性的恒定体积流量

示出了压力增加Δp根据速度n的变化。这样的示图可以完全由已知的校准特性，类似于图1中描述的，以及目标变量的已知速度依赖性获得，此处是Δp。容易看出，对于已知体积流量

和已知速度n，可以明确地推断压力增加Δp。此处也必须以与图1相同的方式利用密度对压力增加进行修正。

如果使用质量流量

而不是体积流量

确定压力增加Δp的方法也相应地起效，只是介质密度的影响已经包括在质量流量

中。则在该方法中，代替体积流量

的确定，质量流量

使用已知方法确定。不再需要对压力增加Δp进行密度修正。在风机上可以储存校准特性曲线，其描述了质量流量

和体积流量

的函数关系，例如在恒定速度下。质量流量的确定方法与体积流量的确定方法本质上类似。例如，质量流量

可以利用叶轮风速计确定，但除了风速计的速度之外，还必须确定或估计当前的介质密度，并将其纳入质量流量计算。

类似于图2所示的示图也可以为压力增加Δp之外的与运行状态相关的目标变量绘制。应该考虑到，对于不同的目标，速度依赖性的性质是不同的。速度依赖性在很多情况下可以从一般的风机定律，例如，压力增加、驱动扭矩或轴向推力与速度的平方成正比，推导出非常好的近似值。空气体积流量或空气质量流量必须始终与速度成线性比例。声功率级或声压与旋转速度的4至6次方成正比。此外，推导出的目标变量可以由两个或更多个目标变量形成。对于速度依赖性不能从一般(风机)定律推导出的目标变量，速度依赖性也可以基于试验或模拟进行估计。

图3示出了在通过叶轮3的旋转轴线的平面看到的风机1的实施例的立体图和剖视图，其中，对与当前运行状态相关变量的确定是利用借助于体积流量测量轮2精确确定的流速

进行的。特别是，体积流量测量轮2是由毂7和安装在其上的叶片6构成。图中清楚地示出了体积流量测量轮2和其在流入侧的结构上的安装，该结构在这种情况下是流入格栅26。用于安装体积流量测量轮2的轴13经由安装区域31附接到流入格栅26的中央区域30。

体积流量测量轮2借助轴承安装在轴13上，在实施例示例中设置了两个未示出的轴承。轴承插入体积流量测量轮2上容器20处，该容器20在毂7内部为此目的提供的。因此，体积流量测量轮2可以相对于进气格栅26自由旋转，并且独立于驱动风机1叶轮3的电机4转子11。通过测量体积流量测量轮2的速度，可以以准确的精度推断出当前运送介质的体积流量

风机1的叶轮3借助紧固装置15附接到电机4的转子11，紧固装置15设计成铸入叶轮3的片状金属盘，并压至转子11上。通过测量和评估体积流量测量轮2的速度n_Ane，能够准确地确定运送介质的体积流量

无论是否包含叶轮速度n。

一旦流量

被确定，就有利地借助于集成在电机4的定子12中的电子器件，与当前运行状态相关的变量、例如压力增加Δp，在实施例示例中的此基础上确定，如参考图1和图2所述。必须知道叶轮3的速度n，该叶轮3特别包括由盖环8、毂环10和在其间延伸的叶轮叶片9，因此必须知道电机4的速度n，该电机4特别包括定子12和转子11。其可以容易地在电机4内确定。温度传感器或湿度传感器可以用来确定所泵送介质的当前密度。替代地，密度可以简单地估计，或经由接口从更高层的系统传递到电机4。

有利的是，电机4也具有接口，用于将至少一个与当前运行状态相关的变量传递给更高层的系统。更有利的是，一个或多个与运行状态相关的变量的时间历史可以以合适的时间分辨率储存在电机4上，并据需要读出。

为了完整起见，应该提到的是，图3中未示出风机1的所有部件。特别是，为了清楚起见，将电机4的定子11附接到喷嘴板29等的电机托架没有示出。风机1可以包括许多其他未示出的部件。

附图标记列表

1 风机

2 体积流量测量轮

3 风机叶轮

4 电机

5 进气喷嘴

6 体积流量测量轮的叶片

7 体积流量测量轮的毂

8 叶轮的盖环

9 叶轮叶片

10 叶轮的毂环

11 电机的转子

12 电机定子

13 体积流量测量轮的轴承轴线

15 叶轮在电机上的紧固装置

20 轴承在体积测量轮中的托架

26 进气格栅

29 喷嘴板

30 进气格栅的中央区域

31 用于轴的进气格栅中的接收区域

Claims (14)

1.一种用于定量确定风机的与当前运行状态相关的变量、例如压力增加或压力变化的方法，其中，给定风机的已知体积流量或质量流量，经由风机的旋转速度确定与当前运行状态相关的变量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述体积流量或质量流量是根据已知的方法、例如使用叶轮风速计提前确定的。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述风机上储存了对于特定速度或特定速度曲线和可选的特定空气密度的校准特性曲线，其中所述校准特性曲线描述了体积流量或质量流量和与运行状态相关的变量之间的函数关系。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，给定已知的体积流量或质量流量和已知的旋转速度，与运行状态相关的变量的计算如下：

由储存的校准特性曲线计算用于所述当前速度的至少一条特性曲线；

确定用于所述当前速度的计算特性曲线与当前确定的恒定的所述体积流量或质量流量的线的交点；

在所述交点处确定或读取与当前运行状态相关的变量。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，将当前空气密度的影响考虑在内，其中例如，所述压力增加与所述空气密度成正比。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述当前空气密度是测量的或计算的或估计的。

7.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，为了将所述空气密度考虑在内，确定或估计所述当前空气密度与对应于储存的校准特性曲线的所述空气密度的比率。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，使用修正系数或修正函数来确定与运行状态相关的变量，所述修正系数或修正函数将所述风机的安装情况和/或环境考虑在内。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，为了确定与运行状态相关的变量，使用校准特性曲线，所述校准特性曲线是在安装情况中或在模拟所述安装情况的构造中获得的，并储存在所述风机上。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，使用一个或多个确定的与运行状态相关的变量来控制或自控制所述风机。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述自控制包括根据一个或多个与运行状态相关的变量的速度控制。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，一个或多个与运行状态相关的变量能由用户或更高层系统读出，因此所述用户或所述更高层系统能基于所述一个或多个与运行状态相关的变量控制或以其他方式影响风机速度或通风系统。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，一个或多个与运行状态相关的变量和/或一个或多个与运行状态相关的变量的时间进程被储存和/或转发给用户或风机制造商，以便进行优化，例如关于运行、关于特定风机的选择和/或关于风机的设计或构造的优化。

14.具有对一个或多个与运行状态相关的变量的定量确定的风机，其中至少一个与当前运行状态相关的变量能够经由所述风机的旋转速度关于已知的体积流量或质量流量确定。

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