-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur aktiven Reduktion von Druckfluktuationen in einem hydrodynamischen System mit einer Pumpe, einem Druckfluktuationsgenerator und mindestens einem Drucksensor sowie einer Reglereinheit. Die Reglereinheit ist dazu eingerichtet, den Druckfluktuationsgenerator zu steuern und ein Druckfluktuationssignal von dem Drucksensor zu empfangen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein korrespondierendes Verfahren sowie einen Druckfluktuationsgenerator für eine entsprechende Vorrichtung.
-
Hydrodynamische Systeme können offene oder geschlossene Systeme sein, in denen die aktiven Komponenten mittels Rohrleitungen verbunden sind, wodurch sich ein Rohrleitungssystem im hydrodynamischen System ergibt. Hydrodynamische Systeme werden beispielsweise in Wasserversorgungs-, Heizungs- und/oder Klimaanlagen ausgeführt.
-
In hydrodynamischen Systemen können insbesondere durch die aktiven Komponenten, wie hydrostatische und hydrodynamische Strömungsmaschinen, deren Einsatzzweck die Fluidförderung ist, sowie Ventile Druckänderungen in das hydrodynamische System eingebracht werden, die sich als Druckfluktuationen bzw. Druckpulsationen mit Schallgeschwindigkeit wellenförmig im hydrodynamischen System ausbreiten und an Orten mit einer sprunghaften Änderung der akustischen Impedanz, beispielsweise Wände, Ventile oder Schalldämpfer, reflektiert bzw. absorbiert werden. Die mit der Druckwelle transportierte Energie wird dabei auf die mechanische Struktur, welche insbesondere auch Rohrleitungen umfasst, aufgeprägt und übertragen. Hierdurch wird die Struktur des hydrodynamischen Systems abhängig von ihren strukturdynamischen Eigenschaften zu Schwingungen angeregt. Diese Schwingungen führen zu Vibrationen der umliegenden Struktur und können sich störend auf benachbarte Prozesse auswirken.
-
Zudem können diese Vibrationen zur Abstrahlung von Luftschall in die Umgebung führen, welcher als störender Lärm wahrgenommen werden kann. Dieses Problem tritt bei technischen Anlagen in der Chemie- und Verfahrenstechnik, der Wasserversorgung und insbesondere an Heizungsanlagen in Wohnhäusern auf.
-
Neben akustischen Auswirkungen können die eingetragenen Druckfluktuationen unerwünschte Schläge im hydrodynamischen System verursachen. Weiterhin haben Druckfluktuationen infolge zusätzlicher Reibungseffekte einen erhöhten Anlagenwiderstand zur Folge, welcher sich negativ auf den Gesamtwiderstand des hydrodynamischen Systems auswirkt.
-
Grundsätzlich sind im Bereich der Hydroakustik Vorrichtungen zur Verminderung der Druckfluktuationen in hydraulischen oder hydrodynamischen Systemen z.B. aus „Hybrid Fluid-borne Noise Control in Fluid-filled Pipelines“ M Pan et al 2016 J. Phys.: Conf. Ser. 744 012016 bekannt.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zur aktiven Reduktion von Druckfluktuationen in einem hydrodynamischen System sowie einen Druckfluktuationsgenerator für eine derartige Vorrichtung anzugeben.
-
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen und den zugehörigen Beschreibungen und Zeichnungen zu entnehmen.
-
Gemäß dem Grundgedanken der Anmeldung wird eine Vorrichtung zur aktiven Reduktion von Druckfluktuationen in einem hydrodynamischen System mit einer Pumpe, einem Druckfluktuationsgenerator, mindestens einem Drucksensor und einer Reglereinheit vorgeschlagen. Die Reglereinheit ist dazu eingerichtet, den Druckfluktuationsgenerator zu steuern und ein Druckfluktuationssignal von dem Drucksensor zu empfangen. Es wird vorgeschlagen, dass die Drehzahl der Pumpe erfassbar und von der Reglereinheit empfangbar ist, wobei die Reglereinheit dazu eingerichtet ist, aus der Drehzahl der Pumpe ein Referenzsignal zu erzeugen, aus dem Referenzsignal mittels eines adaptiven Filters ein Steuersignal zu erzeugen, und den Druckfluktuationsgenerator mit dem Steuersignal zu steuern. Die Reglereinheit ist dazu eingerichtet, den adaptiven Filter kontinuierlich zu optimieren, um das Druckfluktuationssignal zu minimieren.
-
Die Pumpe wurde als eine Hauptquelle der Druckfluktuationen, die sich als dynamische Änderungen bzw. Pulse im zeitlichen Verlauf des Drucks bemerkbar machen, im hydrodynamischen System erkannt, wobei die Frequenz bzw. Frequenzen dieser Druckfluktuationen abhängig von der Drehzahl und der Art der Pumpe sind. Die Pumpe ist beispielsweise eine hydrodynamische Pumpe bzw. Strömungsmaschine. Hydrodynamische Pumpen können beispielsweise Seitenkanal-, Radial- und Axialpumpen, insbesondere Umwälzpumpen, sein. Der Fokus von hydrodynamischen Pumpen liegt in der Versorgung mit Fluidvolumenstrom. Die Druckfluktuationen bzw. Druckschwingungen stellen ungewollte Verluste und Anregungen dar.
-
Die Druckfluktuationen werden vorzugsweise stromabwärts der Pumpe mittels eines Drucksensors gemessen und in ein Druckfluktuationssignal umgewandelt, welches von der Reglereinheit empfangen wird. Das Druckfluktuationssignal ist zeitlich variabel entsprechend der vorliegenden Druckfluktuationen, welche insbesondere in den Rohrleitungen des hydrodynamischen Systems auftreten. Der Drucksensor ist vorzugsweise stromabwärts der Pumpe und des Druckfluktuationsgenerators angeordnet.
-
Die Druckfluktuationen weisen eine Dynamik im Druck über der Zeit, die auf dem statischen Druck im hydrodynamischen System aufsetzen. Unter statischem Druck kann daher auch ein mittlerer oder gemittelter Druck verstanden werden, um den die Druckfluktuationen schwanken.
-
Die Drehzahl der Pumpe kann beispielsweise mittels eines Drehzahlsensors erfassbar sein. Weiterhin kann die Drehzahl bei elektrisch angetriebenen Pumpen unter Umständen direkt aus der elektrischen Ansteuerung der Pumpe erfasst werden, so dass die Drehzahl der Pumpe als variable Messgröße von der Reglereinheit empfangen werden kann.
-
Neben dieser variablen Messgröße liegt in bevorzugten Ausführungsformen eine konstante Größe der Pumpe, insbesondere die Anzahl der Laufradschaufeln bzw. der Rotorblätter und/oder der Leitradschaufeln, auf der Reglereinheit vor.
-
Das Referenzsignal wird in der Reglereinheit erzeugt und weist vorzugsweise mindestens eine Sinusschwingung auf, deren Frequenz in bevorzugten Ausführungsformen einem ganzzahligen Vielfachen der Drehzahl entspricht. Die Amplitude der Sinusschwingung im Referenzsignal nimmt vorzugsweise einen voreingestellten Wert an. Das Referenzsignal kann weitere Sinusschwingungen aufweisen, deren Frequenzen vorzugsweise wiederum einem ganzzahligen Vielfachen der ersten Frequenz entsprechen. Die weiteren Sinusschwingungen weisen vorzugsweise eine geringere, voreingestellte Amplitude als die erste Sinusschwingung auf. Das Referenzsignal wird somit in Abhängigkeit von der erfassten Drehzahl der Pumpe generiert und unterliegt somit den gleichen zeitlichen Veränderungen wie die Drehzahl der Pumpe.
-
Das dementsprechend erzeugte Referenzsignal wird mittels eines Filters, insbesondere eines digitalen Filters, in der Reglereinheit gefiltert. Bevorzugt wird ein Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR-Filter) genutzt, welcher in der Reglereinheit implementiert ist. Der Filter weist entsprechende Filterparameter auf, welche Amplituden, Phasenlage und/oder Frequenzen des Referenzsignals verändern können. Das Referenzsignal wird nach dem Passieren des Filters als Steuersignal bezeichnet.
-
Der vorgesehene Filter, insbesondere der FIR-Filter, ist adaptiv, so dass das Filterverhalten im Betrieb, insbesondere durch Anpassung der Filterparameter, veränderbar ist.
-
Der Druckfluktuationsgenerator wird mit dem Steuersignal, welches in vorteilhaften Ausführungsformen zusätzlich verstärkt wird, angesteuert und betrieben. Der Druckfluktuationsgenerator erzeugt longitudinale Druckwellen durch die Verwendung einer oszillierenden Quellfläche des Oszillators. Der Druckfluktuationsgenerator kann beispielsweise ein hydrostatischer Aktuator sein. Die Druckwellen bzw. Druckfluktuationen verlaufen vorzugsweise zunächst in Längsrichtung eines Anschlussrohres des hydrodynamischen Systems, in dem der Druckfluktuationsgenerator positioniert ist, bevor diese mit den weiteren Druckfluktuationen im System interferieren. Die Quellfläche ist vorzugsweise planar. Die Quellfläche kann jedoch auch in nicht planarer Weise ausgeführt werden.
-
Das Anschlussrohr, in dem der Druckfluktuationsgenerator vorzugsweise angeordnet ist, ist in vorteilhaften Ausführungsformen über ein Verbindungsstück mit dem hydrodynamischen System verbunden. Die geometrische Gestaltung des Verbindungsstücks kann anwendungsbedingt variieren. Das Verbindungsstück kann beispielsweise als winkliges T- oder Y-Stück bzw. bogenförmiges Stück ausgeführt sein. Der Querschnitt des Anschlussrohres kann ebenfalls anwendungsbedingt variieren. Vorzugsweise werden im Verbindungsstück die Druckfluktuationen im hydrodynamischen System, insbesondere von der Pumpe, mit den Druckfluktuationen des Druckfluktuationsgenerators überlagert, wobei die Druckfluktuationen im hydrodynamischen System durch destruktive Interferenz minimiert werden können.
-
Der Effekt der Interferenz von den Druckfluktuationen des hydrodynamischen Systems bzw. der Pumpe mit den Druckfluktuationen des Druckfluktuationsgenerators ist mit dem Drucksensor stromabwärts der Pumpe messbar, welcher die Druckfluktuationen erfasst und ein entsprechendes Druckfluktuationssignal erzeugt, welches an die Reglereinheit übertragen wird.
-
In der Reglereinheit wird kontinuierlich ein Optimierungsprozess durchgeführt, bei dem als Zielgröße das Druckfluktuationssignal durch eine Anpassung der Filterparameter des adaptiven Filters minimiert wird. Die Filterparameter verändern das Steuersignal, wodurch sich eine veränderte Überlagerung bzw. Interferenz der Druckfluktuationen ergibt, was das Druckfluktuationssignal entsprechend verändert und den Optimierungsprozess ermöglicht.
-
Dementsprechend stellt sich nach einer Optimierungsphase der adaptive Filter so ein, dass das Referenzsignal derart angepasst bzw. verändert wird, dass sich eine möglichst destruktive Interferenz der Druckfluktuationen einstellt. Hierdurch werden die Druckfluktuationen im hydrodynamischen System verringert, was wiederum zu geringerer akustischer Emission und zu einem geringeren Widerstand im hydrodynamischen System führt.
-
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur aktiven Reduktion der Druckfluktuationen ermöglicht insbesondere durch den kontinuierlichen Optimierungsvorgang eine automatische Anpassung an Veränderungen des hydrodynamischen Systems, beispielsweise durch Öffnen oder Schließen einzelner Ventile im hydrodynamischen System. Ferner kann eine Änderung der Drehzahl der Pumpe durch die direkte Berücksichtigung im Referenzsignal unmittelbar erfolgen, ohne dass die Optimierungsphase an das geänderte System durch die veränderte Drehzahl abgewartet werden muss. Daher ergibt sich durch die Veränderung der Drehzahl der Pumpe nicht zwangsläufig eine signifikante Anpassung der Filterparameter, so dass die Optimierungsphase bis zum Erreichen eines Optimums deutlich verkürzt wird. Durch die kontinuierliche Optimierung erfolgt bei einer Veränderung der Drehzahl der Pumpe und somit einer Veränderung des Referenzsignals eine Anpassung zum einen durch das veränderte Referenzsignal und zum anderen durch die kontinuierliche Optimierung bzw. Adaption des Filters.
-
Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass die Pumpe eine konstante Blattzahl aufweist, wobei die Reglereinheit dazu eingerichtet ist, ein Referenzsignal zu erzeugen, welches eine erste Amplitudenspitze bei einer ersten Frequenz aufweist, die der Drehzahl multipliziert mit der Blattzahl entspricht. Die Blattzahl kann auch die Anzahl der Rotoren einer Pumpe beschreiben.
-
Auf diese Weise kann das Referenzsignal bereits möglichst ähnlich zu dem späteren Steuersignal erzeugt werden. Das Referenzsignal weist somit vorzugsweise eine Sinusschwingung bei der Frequenz der Blattpassierfrequenz der Pumpe auf. Die Blattpassierfrequenz entsprechend der Drehzahl mit der Blattzahl multipliziert wird auch als erste Blattpassierfrequenz bezeichnet.
-
In einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass die Reglereinheit dazu eingerichtet ist, ein Referenzsignal zu erzeugen, welches neben der ersten Amplitudenspitze bei der ersten Frequenz, mindestens eine weitere Amplitudenspitze bei einer weiteren Frequenz aufweist, wobei die mindestens eine weitere Frequenz einem ganzzahligen Vielfachen der ersten Frequenz entspricht.
-
Das Referenzsignal weist somit mehrere Amplitudenspitzen bei mehreren Frequenzen auf, wobei sich das Referenzsignal vorzugsweise aus mehreren Sinusschwingungen zusammensetzt. Die weiteren Frequenzen können auch als höhere Blattpassierfrequenzen bezeichnet werden. Die zweite Blattpassierfrequenz ist beispielsweise doppelt zu hoch wie die erste Blattpassierfrequenz. Das Referenzsignal setzt sich vorzugsweise aus der ersten, zweiten und dritten Blattpassierfrequenz zusammen. Weiter vorzugsweise setzt sich das Referenzsignal aus der ersten, zweiten, dritten und vierten Blattpassierfrequenz zusammen.
-
Ferner kann sich das Referenzsignal beispielsweise aus mehreren Vielfachen der Blattpassierfrequenz zusammensetzen.
-
Gemäß dem Grundgedanken der Anmeldung wird ein Druckfluktuationsgenerator zur Erzeugung von Druckfluktuationen in einem hydrodynamischen System vorgeschlagen, insbesondere für eine Vorrichtung zur aktiven Reduktion von Druckfluktuationen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Oszillator und einem Aktuator. Der Oszillator weist eine Quellfläche auf, die einem Druckraum des hydrodynamischen Systems zugewandt ist, und an der ein statischer Druck des hydrodynamischen Systems anliegt. Der Oszillator ist mit dem Aktuator verbunden, wobei der Aktuator dazu eingerichtet ist, die Quellfläche mittels eines Steuersignals oszillierend zu bewegen, um Druckfluktuationen in das hydrodynamische System einzubringen. Es wird vorgeschlagen, dass der Druckfluktuationsgenerator eine Gegendruckkammer aufweist, die vom Druckraum des hydrodynamischen Systems und vom Umgebungsdruck getrennt ist, und der Oszillator rückseitig der Quellfläche der Gegendruckkammer zugewandt ist, wobei die Gegendruckkammer gasgefüllt ist und in der Gegendruckkammer ein Gegendruck vorliegt, der an den statischen Druck im Druckraum angeglichen ist.
-
Mittels der Gegendruckkammer kann der statische Druck im hydrodynamischen System auf die Quellfläche kompensiert werden, so dass der Oszillator druckneutral gelagert werden kann. Dementsprechend ist eine oszillierende Bewegung um die Neutrallage ohne weitere Maßnahmen der Ansteuerung des Aktuators möglich. Die Gasfüllung erlaubt eine Kompression und Expansion in der Gegendruckkammer bei der oszillierenden Bewegung des Oszillators. Das Gas in der Gegendruckkammer ist beispielsweise Stickstoff, um ein besseres Expansionsverhalten zu erreichen.
-
Der angeglichene Druck führt zu einer geringen Abweichung des Drucks in der Gegendruckkammer von dem statischen Druck im Druckraum und ermöglicht eine ausreichende Kompensation des auf die Quellfläche des Oszillators wirkenden statischen Drucks im hydrodynamischen System. Vorzugsweise weicht der Gegendruck in der Gegendruckkammer maximal +/- 20% von dem statischen Druck im Druckraum ab. Ferner ist es besonders bevorzugt, wenn die Abweichung des Drucks in der Gegendruckkammer von dem statischen Druck im Druckraum und/oder im hydrodynamischen System maximal +/- 10%, weiter bevorzugt maximal +/- 5% beträgt. Weiter ist es besonders vorteilhaft, wenn der Druck in der Gegendruckkammer und im Druckraum gleich sind.
-
Der Druckfluktuationsgenerator weist vorzugsweise eine Regelung auf, welche die Regelung bzw. Einstellung des Gegendrucks in den Gegendruckkammer in Abhängigkeit des statischen Drucks im Druckraum ermöglicht.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Oszillator ein Kolben. Die Quellfläche wird daher vorzugsweise durch eine Stirnfläche des Kolbens gebildet. Ein Kolben ermöglicht eine präzise Steuerung der über die Quellfläche eingebrachten Druckfluktuationen, da der Kolben eine geringe Elastizität aufweist. Der Kolben kann auch als Kolbenstrahler bezeichnet werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Oszillator eine Membran. Die Quellfläche wird daher vorzugsweise durch eine Seite der Membran gebildet.
-
Als Quellflächen können neben Membranen und Kolben prinzipiell auch weitere, alternative oszillierende Stirnflächen eingesetzt werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aktuator des Druckfluktuationsgenerators ein Lorentzaktuator. Ein Lorentzaktuator entspricht in der Funktionsweise dem Antrieb eines elektrodynamischen Lautsprechers und weist eine Schwingspule auf. Auf diese Weise ist eine besonders einfache und kostengünstige Ansteuerung möglich.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Aktuator des Druckfluktuationsgenerators ein piezoelektrischer Aktuator. Dies ermöglicht es hohe Stellkräfte dynamisch zu erzeugen.
-
Weiterhin ist es möglich, dass die Quellfläche aktiv durch verschiedene, weitere Aktuatoren angetrieben werden. Dies können Kurbelantriebe sowie hydraulische und pneumatische Antriebe sein.
-
Weiterhin wird gemäß dem Grundgedanken der Anmeldung ein Verfahren zur aktiven Reduktion von Druckfluktuationen in einem hydrodynamischen System mittels einer Vorrichtung nach einem der Anspruch 1 bis 3 vorgeschlagen, wobei die Reglereinheit ein Druckfluktuationssignal von dem Drucksensor empfängt. Es wird vorgeschlagen, dass die Drehzahl der Pumpe erfasst und von der Reglereinheit empfangen wird, wobei die Reglereinheit aus der Drehzahl der Pumpe ein Referenzsignal erzeugt, wobei die Reglereinheit aus dem Referenzsignal mittels eines adaptiven Filters ein Steuersignal erzeugt, und den Druckfluktuationsgenerator mit dem Steuersignal steuert, wobei die Reglereinheit den adaptiven Filter kontinuierlich optimiert, um das Druckfluktuationssignal zu minimieren.
-
Das Verfahren ermöglicht eine aktive Regelung des Druckfluktuationsgenerator mit einem adaptiven Filter und eine sehr gute Anpassung bei Veränderungen im hydrodynamischen System beispielsweise durch öffnende oder schließende Ventile und/oder eine Veränderung der Pumpendrehzahl, so dass Druckfluktuationen, insbesondere von der Pumpe induzierte Druckfluktuationen, über einen weiten Betriebsbereich des hydrodynamischen Systems kompensiert werden können.
-
Gemäß einer Weiterentwicklung wird ein Verfahren mit einem Druckfluktuationsgenerator nach einem der Ansprüche 4 bis 8 vorgeschlagen, wobei jeweils ein Drucksensor den statischen Druck im hydrodynamischen System und im Gegendruckraum misst, wobei die Reglereinheit mindestens ein am Gegendruckraum angeschlossenes Ventil steuert und in den Gegendruck in der Gegendruckkammer dem statischen Druck im hydrodynamischen System nachregelt.
-
Hierdurch wird eine optimale Funktion des Druckfluktuationsgenerators und somit auch der Vorrichtung zur aktiven Reduktion von Druckfluktuationen in einem hydrodynamischen System bei Veränderungen des statischen Drucks im hydrodynamischen System ermöglicht. Veränderungen des statischen Drucks im hydrodynamischen System stören demnach die Funktionsfähigkeit des Druckfluktuationsgenerators aufgrund der Nachregelung des Gegendrucks in der Gegendruckkammer nicht. Die Nachregelung erfolgt hierbei in Bezug auf den statischen Druck, d.h. den gemittelten Druck, welcher unabhängig von etwaigen kurzzeitigen Druckfluktuationen anliegt.
-
Eine entsprechende Vorrichtung zur aktiven Reduktion von Druckfluktuationen, ein entsprechender Druckfluktuationsgenerator sowie ein entsprechendes Verfahren zur aktiven Reduktion von Druckfluktuationen kann in möglichen Ausführungsformen auch zur aktiven Reduktion von Druckfluktuationen in einem hydraulischen System eingesetzt werden.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur aktiven Reduktion von Druckfluktuationen in einem hydrodynamischen System; und
- 2 einen Druckfluktuationsgenerator.
-
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung 1 zur aktiven Reduktion von Druckfluktuationen in einem hydrodynamischen System in einer schematischen Darstellung. Hydrodynamische Systeme können offen oder geschlossen sein, wobei in der schematischen Darstellung der 1 nur der Bereich zwischen einer Pumpe 2 und einer hydrodynamischen Komponente 9 dargestellt ist. Es kann sich daher bei dem hydrodynamischen System des Ausführungsbeispiels, in das die Vorrichtung 1 zur aktiven Reduktion von Druckfluktuationen integriert ist, sowohl um ein offenes als auch um ein geschlossenes hydrodynamisches System handeln. Die hydrodynamische Komponente 9 kann ein oder mehrere Hydraulikelemente sein, wie beispielsweise Ventile, hydraulische Steller, Heizkörper, Thermostate, usw., welche über Leitungen 3 mit der Pumpe 2 in Verbindung stehen. Die Pumpe 2 erzeugt einen statischen Druck im hydrodynamischen System sowie in Abhängigkeit von der hydrodynamischen Komponente 9 einen Volumenstrom mit einer Strömungsrichtung 8. Bei dem hydrodynamischen System kann es sich beispielsweise um den Heizkreislauf eines Wohnhauses handeln.
-
Druckfluktuationen werden insbesondere durch eine Pumpe 2 in ein hydrodynamisches System eingebracht, welche sich im hydrodynamischen System ausbreiten und die Struktur, insbesondere die Leitungen 3, zu Schwingungen anregen. Dies kann unter anderem zu unerwünschten akustischen Emissionen führen.
-
Die Vorrichtung 1 zur aktiven Reduktion von Druckfluktuationen weist einen Druckfluktuationsgenerator 10 auf, welcher Druckfluktuation gezielt in das hydrodynamische System einbringt, um diese destruktiv mit den vorhandenen von der Pumpe 2 und/oder der hydrodynamischen Komponente 9 erzeugten Druckfluktuationen zu interferieren.
-
Der Druckfluktuationsgenerator 10 ist daher hydraulisch bzw. hydrodynamisch mit dem hydrodynamischen System verbunden, was im Ausführungsbeispiel der 1 mittels eines Y-förmigen Verbindungsstück 16 erfolgt.
-
Stromabwärts des Verbindungsstücks 16 ist an der Leitung 3 ein Drucksensor 4 angeordnet, welcher die Druckfluktuationen erfassen und somit den Druck in der Leitung 3 des hydrodynamischen Systems entsprechend zeitlich auflösen kann. Die Druckfluktuationen werden von dem Drucksensor 4 als Druckfluktuationssignal 6 an eine Reglereinheit 5 übertragen.
-
Die Reglereinheit 5 empfängt die Drehzahl der Pumpe 2, welche mittels eines Drehzahlmessers erfasst wird. Die Pumpe 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Blattzahl sieben auf sowie eine angenommene Drehzahl von 1450 Umdrehungen pro Minute. Die Reglereinheit 5 erfasst die Drehzahl, multipliziert die Drehzahl mit der eingestellten Blattzahl und erzeugt hieraus ein sinusförmiges Referenzsignal mit 169,2 Hz, was der ersten Blattpassierfrequenz entspricht. Phasenlage und Amplitude des sinusförmigen Referenzsignal können in der Reglereinheit 5 voreingestellte Werte annehmen.
-
In diesem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird neben der ersten Blattpassierfrequenz auch die zweite und dritte Blattpassierfrequenz in dem Referenzsignal berücksichtigt. Demnach werden weitere Sinusschwingungen bei 338,4 Hz und 676,8 Hz in das Referenzsignal moduliert. Phasenlage und Amplitude des höheren Referenzsignals können in der Reglereinheit 5 voreingestellte Werte annehmen, wobei die Amplitude für die zweite und dritte Blattpassierfrequenz im Referenzsignal vorzugsweise geringer ist als Amplitude der ersten Blattpassierfrequenz.
-
In der Reglereinheit 5 ist ein adaptiver Filter mit endlicher Impulsantwort (finite impulse response filter) implementiert, welcher das Referenzsignal filtert. Das gefilterte Referenzsignal wird als Steuersignal 7 zu einem Druckfluktuationsgenerator 10 geleitet, welcher dementsprechend angesteuert wird.
-
Der Druckfluktuationsgenerator 10 erzeugt Druckfluktuationen bzw. Druckimpulse, welche sich ausgehend von der Quellfläche 13, siehe auch 2, im Druckraum 14 entlang der Wandung der Leitung 3 ausbreiten und im Verbindungsstück 16 in Interferenz mit den Druckfluktuationen im hydrodynamischen System treten, insbesondere mit den Druckfluktuationen, welche von der Pumpe 2 induziert werden.
-
Die resultierenden Druckfluktuationen werden wiederum von dem Drucksensor 4 erfasst und die Reglereinheit 5 als Druckfluktuationssignal 6 übertragen, so dass eine Rückkopplung über die Wirkung des Druckfluktuationsgenerator 10 erfolgt. In der Reglereinheit 5 wird ein kontinuierlicher Minimierungsprozess durchgeführt, welcher als Zielgröße das Druckfluktuationssignal 6 durch Variationen der Filterparameter des digitalen, adaptiven FIR-Filters in der Reglereinheit 5 minimiert. Folglich werden die Filterparameter nach Ablauf eines Zeitintervalls entsprechend des Minimierungsverfahren variiert und das Ergebnis als Druckfluktuationssignal 6 ausgewertet. Die kontinuierliche Optimierung des adaptiven Filters ermöglicht zudem eine Anpassung an die Veränderungen in dem hydrodynamischen System, in dem die Vorrichtung 1 zur aktiven Reduktion von Druckfluktuationen eingesetzt ist. Die Veränderungen des Filterverhaltens des adaptiven Filterverhaltens wird unter anderem zur Anpassung von Phase und Amplitude des vom Druckfluktuationsgenerator 10 erzeugten Gegendrucks bzw. erzeugten Druckfluktuationen eingesetzt. In möglichen alternativen Ausführungsbeispielen können die Filterparameter nach einer Optimierungsphase festgeschrieben werden.
-
Änderungen in oder am hydrodynamischen System wirken sich direkt auf das Betriebsverhalten der Pumpe 2 und somit auf die von ihr erzeugten Druckfluktuationen aus. Änderungen sind z.B. das Zu- und Abschalten von seriellen oder parallelen Leitungssträngen mit den hydrodynamischen Komponenten 9 (z.B. Heizkörper an oder aus) als auch deren gezielte Drosselung durch Anpassung der Ventilstellung. Infolge des sich ändernden Systemverhaltens des hydrodynamischen Systems ist eine permanente Identifikation des Kreislaufs und Anpassung der Regelparameter in der Reglereinheit 5 für den Aktuator 12 besonders vorteilhaft, was durch den adaptiven Filter und den Optimierungsprozess erreicht wird.
-
Weiterhin können in möglichen Ausführungsbeispielen weitere Drucksensoren 4` optional entlang eines Abschnitts der Leitung 3 eingesetzt werden, welche die Bestimmung der Richtung von überlagerten, gegenläufigen Druckwellen in der Reglereinheit 5 bestimmen, so dass die Ausbreitungsrichtungen der Druckfluktuationsanteile in einem Signalprozessor der Reglereinheit 5 separiert werden können.
-
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Druckfluktuationsgenerators 10, welcher auch im Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur aktiven Reduktion von Druckfluktuationen der 1 eingesetzt ist.
-
Der Druckfluktuationsgenerator 10 weist einen Oszillator 11 in Form eines Kolbens bzw. Kolbenstrahlers auf, dessen Stirnfläche als Quellfläche 13 in einem Anschlussrohr in den Druckraum 14 zeigt, in dem der statische Druck des hydrodynamischen Systems anliegt. Das Anschlussrohr führt in ein y-förmigen Verbindungsstück 16, welches in die Leitungen 3 eines hydrodynamischen Systems eingesetzt werden kann. Der Oszillator 11 wird von einem Aktuator 12 angetrieben, welcher in diesem Ausführungsbeispiel ein Lorentzaktuator ist und eine Ansteuerung des Oszillators 11 durch das Steuersignal 7 unter Anwendung der Lorentzkraft ausführt. In möglichen Ausführungsbeispielen kann ein Übersetzungselement bei einer Verwendung eines Lorentzaktuators als Aktuator 12 verwendet werden.
-
Der Druckfluktuationsgenerator 10 weist eine Gegendruckkammer 15 auf, welche einen statischen Gegendruck auf die Rückseite der Quellfläche 13 bewirkt, welche dem Druckraum 14 und somit dem statischen Druck des hydrodynamischen Systems ausgesetzt ist. Der Gegendruck in der Gegendruckkammer gleicht somit den statischen Druck des hydrodynamischen Systems aus. Auf diese Weise kann der Oszillator 11 effektiv Druckfluktuationen erzeugen und der Aktuator 12 wird nicht durch eine Kraft des statischen Drucks auf die Quellfläche 13 belastet. Die Gegendruckkammer 15 ist mit Gas, vorzugsweise mit Stickstoff gefüllt, um eine einfache Kompression und Expansion im Rahmen der Auslenkung des Oszillators 11 zu erreichen.
-
Der Gegendruck in der Gegendruckkammer 15 wird in diesem vorteilhaften Ausführungsbeispiel dem statischen Druck des hydrodynamischen Systems bzw. dem statischen Druck im Druckraum 14 nachgeregelt, wobei der statische Druck mittels eines Drucksensor 4 und/oder 4' erfasst werden kann und von der Reglereinheit 5 durch Ansteuerung entsprechender Ventile, nicht dargestellt, nachführen kann. Dementsprechend kann es sich bei einem Kolbenstrahler beispielsweise um einen Zylinder handeln, in dem eine verschiebbarer Kolben als Oszillator 11 kraftneutral gelagert ist und beispielsweise mittels eines Piezoelements und/oder eines Lorenzaktuators als Aktuator 12 definiert angetrieben werden.
-
Bei der Verwendung eines Piezoelements als Aktuator 12 kann in möglichen Ausführungsbeispielen ein Übersetzungselement vorgesehen sein, welches nach dem Prinzip des hydraulischen Übersetzungsverhältnisses arbeitet.
