DE102021116154A1

DE102021116154A1 - Überwachungsvorrichtung und Verfahren zur Überwachung der Qualität einer Gasatmosphäre

Info

Publication number: DE102021116154A1
Application number: DE102021116154.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Sauer; Jan Gehringer
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2021-06-22
Filing date: 2021-06-22
Publication date: 2022-12-22
Also published as: WO2022268443A1; EP4359789A1; CN117716233A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung (10) und ein Verfahren zur Überwachung der Qualität einer Gasatmosphäre (A). Die Überwachungsvorrichtung (10) weist einen Ventilator (13) auf, der dazu eingerichtet ist, eine Gasströmung (G) mit veränderlichem Volumenstrom (V) zu erzeugen. Ein Gassensor (11) ist an einer Sensorposition (P) an einem ruhenden Teil des Ventilators (13) angeordnet und stellt einen Messwert (Q) für eine Steuereinrichtung (12) bereit. Die Steuereinrichtung (12) ist dazu eingerichtet, basierend auf den Messwert (Q) und bereitgestellten Korrekturdaten (C) einen volumenstromkorrigierten Überwachungswert (M) zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung der Qualität einer Gasatmosphäre. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einrichten der Überwachungsvorrichtung, insbesondere vor oder während der Inbetriebnahme.
Eine Sensoreinrichtung zur Überwachung der Qualität einer Gasatmosphäre ist in US 2021/0140868 A1 beschrieben. Mit dieser Sensoreinrichtung wird die Partikelkonzentration in einem Aerosol gemessen. Die Partikelkonzentration wird basierend auf der elektrischen Ladung der durch den Sensor strömenden Partikel erfasst. Es soll eine kostengünstige und zuverlässige Messung auch von ultrafeinen Partikeln kleiner als 0,1 um erfolgen. Dazu wird eine Antwortfunktion zur Bestimmung der Partikelkonzentration aufgestellt, die unabhängig ist von dem Volumenstrom des durch die Sensoreinrichtung fließenden Aerosols.
EP 2 142 857 B1 beschreibt eine Regelungsvorrichtung und ein Verfahren zur Anzeige der Raumluftqualität. Der Volumenstrom der Zuluft kann entweder temperaturgeführt oder luftqualitätsgeführt geregelt werden. Bei der Erstinstallation der Regelungsvorrichtung oder während des Betriebs kann die logarithmische Messwertskala für die Luftqualität des Luftqualitätssensors abhängig von der aktuellen Raumtemperatur verschoben werden, um den Luftqualitätssensor zu kalibrieren.
Die genaue Bestimmung der Qualität einer Gasatmosphäre ist aufwendig. Bei vielen bekannten Gassensoren zur Bestimmung der Gasqualität hängt der Messwert vom Volumenstrom durch den Gassensor ab. Deswegen kann in der Regel nicht unmittelbar an einem Ventilator eines Raumluftsystems gemessen werden. Dem Gassensor wird typischerweise ein separater kleiner Ventilator zugeordnet, der unabhängig vom Betrieb des (Haupt-)Ventilators des Raumluftsystems einen konstanten Volumenstrom einer Messströmung erzeugt, die durch den Gassensor strömt. Die erreichbare Messgenauigkeit hängt in diesem Fall davon ab, dass die Messströmung unbeeinflusst bleibt von der Gasströmung, die der Ventilator eines Raumluftsystems erzeugt.
Es kann daher als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, die Überwachung der Qualität einer Gasatmosphäre zu vereinfachen und insbesondere eine einfache Integration in ein Raumluftsystem zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Überwachungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, durch ein Verfahren zum Einrichten der Überwachungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 9, sowie ein Verfahren zur Überwachung der Qualität einer Gasatmosphäre mit den Merkmalen des Patentanspruches 11 gelöst.
Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, die Qualität einer Gasatmosphäre zu überwachen. Bei der Gasatmosphäre handelt es sich insbesondere um eine Luftatmosphäre. Zur Bestimmung der Qualität der Gasatmosphäre kann beispielsweise die Konzentration der Staubpartikel und/oder die Konzentration einer, mehrerer oder aller flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) ermittelt werden. Beispielsweise kann die Konzentration der Staubpartikel mit einer vorgegebenen Größe (z.B. PM 2,5) oder ein TVOC-Wert (Total Volatile Organic Compounds) ermittelt werden.
Zusätzlich oder alternativ können auch andere den Zustand und/oder die Qualität der Gasatmosphäre beschreibenden Werte gemessen werden, beispielsweise die Temperatur, die Feuchtigkeit, die Konzentration wenigstens eines chemischen Bestandteils der Gasatmosphäre, wie z.B. die Konzentration von Kohlenstoffdioxid (CO₂) oder Stickoxiden (NO_x).
Die Überwachungsvorrichtung hat einen Ventilator, der zur Erzeugung einer Gasströmung eingerichtet ist. Der Volumenstrom der Gasströmung ist dabei abhängig vom Betriebszustand des Ventilators veränderbar. Der Ventilator wird von einer Steuereinrichtung gesteuert oder geregelt betrieben, wobei beispielsweise der Volumenstrom oder ein Differenzdruck zwischen der Saugseite und der Druckseite des Ventilators gesteuert oder geregelt werden kann. Der Ventilator und die Steuereinrichtung können Bestandteil eines Raumluftsystems sein, beispielsweise zur Luftzufuhr und/oder Luftabfuhr (z.B. Frischluft und/oder Warmluft und/oder Kaltluft, ...) in bzw. aus einem Raum oder mehreren Räumen in einem Gebäude.
Der Ventilator hat einen Elektromotor und einen Ventilatorrotor, der um eine Drehachse drehbar an einem Ventilatorstator gelagert ist. Der Elektromotor ist mit dem Ventilatorrotor antriebsverbunden und dazu eingerichtet, den Ventilatorrotor drehend um die Drehachse anzutreiben.
Die Überwachungsvorrichtung hat außerdem einen Gassensor, der mit der Steuereinrichtung kommunikationsverbunden ist. Der Gassensor stellt der Steuereinrichtung einen Messwert bereit, der die Qualität des Gases der Gasatmosphäre beschreibt, also beispielsweise die Konzentration von Staubpartikeln und/oder flüchtigen organischen Bestandteilen in der Gasatmosphäre. Zusätzlich kann wenigstens ein weiterer Sensor vorhanden sein, um wenigstens einen weiteren Parameter zu messen (beispielsweise wenigstens einen physikalischen Parameter) und der Steuereinrichtung bereitzustellen, wie etwa die Temperatur und/oder die Feuchtigkeit und/oder den Druck der Gasatmosphäre.
Der Gassensor ist an dem Ventilatorstator oder am Elektromotor bzw. einem Motorgehäuse des Elektromotors angeordnet. Der Gassensor ist bevorzugt an einer Sensorposition außerhalb des Hauptströmungspfades der Gasströmung angeordnet. Insbesondere ist der Gassensor an einer Sensorposition angeordnet, die durch Simulation und/oder Messung über den Arbeitsbereich oder Betriebsbereich des Ventilators ermittelt wurde und in der sich der Volumenstrom möglichst wenig verändert, wenn der Ventilator die Gasströmung mit veränderlichem Volumenstrom erzeugt. Die Sensorposition kann beispielsweise an einer stromabwärts ausgerichteten Fläche sozusagen im Strömungsschatten der Gasströmung liegen. Die Sensorposition kann durch Messung und/oder Simulation bestimmt werden.
Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, basierend auf den Messwert des Gassensors, den aktuellen Volumenstrom des Ventilators und abgespeicherten oder anderweitig bereitgestellten Korrekturdaten einen volumenstromkorrigierten und zumindest im Wesentlichen volumenstromunabhängigen Überwachungswert zu ermitteln. Die Korrekturdaten können beispielsweise durch Simulation und/oder Messung vor oder während der Inbetriebnahme des Ventilators bzw. des den Ventilator aufweisenden Raumluftsystems ermittelt und in einem nicht flüchtigen Speicher der Steuereinrichtung und/oder in einem nicht flüchtigen externen Speicher abgelegt werden, mit dem die Steuereinrichtung kommunikationsverbunden ist (z.B. Cloud-Speicher). Die Korrekturdaten können in Form einer Tabelle, einer Kurve oder einer Funktion vorliegen und den Zusammenhang zwischen dem Messwert, dem aktuellen Volumenstrom und dem volumenstromkorrigierten Überwachungswert beschreiben.
Dadurch ist es möglich, Ventilatoren mit veränderlichem Volumenstrom für eine genaue Bestimmung der Qualität einer Gasatmosphäre einzusetzen. Der Gassensor kann daher mit dem Ventilator eine Baugruppe bilden und muss nicht separat möglichst weit entfernt vom Ventilator angeordnet werden. Die Installation des Ventilators bzw. eines Raumluftsystems an einem Einbauort, beispielsweise in einem Gebäude, wird dadurch wesentlich vereinfacht.
Es ist vorteilhaft, wenn die Überwachungsvorrichtung zusätzlich einen Volumenstromsensor zur Messung des jeweils aktuellen Wertes des Volumenstroms aufweist. Der Volumenstromsensor ist bevorzugt im Hauptströmungspfad der Gasströmung mit Abstand zum Gassensor angeordnet. Der Volumenstromsensor ist mit der Steuereinrichtung kommunikationsverbunden und stellt der Steuereinrichtung den jeweils aktuellen Wert des Volumenstromes bereit.
Es kann auch vorteilhaft sein, einen aktuellen Wert für den Volumenstrom ohne die Verwendung eines Volumenstromsensors durch die Steuereinrichtung zu ermitteln. Hierfür kann der Steuereinrichtung wenigstens eine Betriebsparameter des Ventilators und/oder des Elektromotors bereitgestellt werden, beispielsweise die Drehzahl des Ventilators und das Drehmoment des Elektromotors oder ein oder mehrere weitere Betriebsparameter, die die Drehzahl des Ventilators und das Drehmoment des Elektromotors charakterisieren. Das Drehmoment des Elektromotors kann beispielsweise durch den Motorstrom charakterisiert werden. Die Drehzahl des Ventilators kann durch eine vorgegebene Solldrehzahl der Steuereinrichtung beschrieben werden oder durch einen Drehzahlsensor, beispielsweise durch einen Drehzahlsensor erfasst werden.
Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, den Differenzdruck oder den Volumenstrom als Führungsgröße für die Steuerung oder Regelung zu verwenden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Überwachungsvorrichtung außerdem eine Differenzdruck-Sensoranordnung zur Messung des Differenzdrucks zwischen einer Saugseite und einer Druckseite des Ventilators auf. Die Differenzdruck-Sensoranordnung ist mit der Steuereinrichtung kommunikationsverbunden. Die Differenzdruck-Sensoranordnung kann bei einem anderen Ausführungsbeispiel entfallen, wenn die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, den Differenzdruck zu steuern.
Wie eingangs geschildert, ist der Gassensor insbesondere außerhalb des Hauptgasströmungspfades an einer geeigneten Sensorposition angeordnet. Die Sensorposition kann durch Simulation und/oder Messung ermittelt werden und kann eine Position am Ventilatorstator oder am Elektromotor sein, an der bei der Änderung des Volumenstromes durch den Ventilator in seinem Arbeitsbereich von einem minimalen Volumenstrom bis zu einem maximalen Volumenstrom ein an der Sensorposition ermittelter Volumenstromdifferenzbetrag kleiner ist als ein vorgegebener Grenzwert oder an der der Volumenstromdifferenzbetrag minimal ist. Es kann somit die Sensorposition am Ventilatorstator oder am Elektromotor ermittelt werden, bei der eine Volumenstromänderung durch den Ventilator einen geringen bzw. den geringsten Einfluss auf den Messwert des Gassensors hat. Durch die Bestimmung dieser Sensorposition kann die Kompensation basierend auf den Korrekturdaten mit ausreichender Genauigkeit erfolgen.
Irgendein Ausführungsbeispiel der vorstehend beschriebenen Überwachungsvorrichtung kann wie folgt eingerichtet bzw. kalibriert werden:
Zunächst kann ein Referenzwert für die Qualität des Gases der Gasatmosphäre in einer nichtströmenden Gasatmosphäre ermittelt und abgespeichert werden. Der Referenzwert kann beispielsweise durch den Gassensor bei stillstehendem Ventilator in der Gasatmosphäre ermittelt werden. Anschließend kann der Ventilator in seinem Arbeitsbereich von einem minimalen Volumenstrom bis zu einem maximalen Volumenstrom betrieben werden, wobei bei mehreren Volumenstromwerten jeweils ein Kalibriermesswert durch den Gassensor erfasst wird. Anschließend als Korrekturdaten können folgende Daten verwendet und abgespeichert werden:

- Der Referenzwert und die ermittelten Wertepaare enthaltend jeweils einen Kalibriermesswert und den zugehörigen Volumenstrom; oder
- Ermitteln jeweils eines Korrekturwertes anhand eines Kalibriermesswerts und des Referenzwerts, wobei die Wertepaare aus jeweils einem Korrekturwert und dem zugehörigen Volumenstrom die Korrekturdaten bilden.

Im letzteren Fall können die Korrekturwerte beispielsweise die Differenz zwischen jeweils einem Kalibriermesswert und dem Referenzwert sein.
Die Korrekturdaten können in einer geeigneten Form durch eine Tabelle, eine Funktion oder eine Kurve beschrieben werden. Wenn die Korrekturwerte nicht für sämtliche Volumenstromwerte verfügbar sind, bei denen der Ventilator betrieben werden kann, können die Korrekturdaten für den jeweils aktuellen Volumenstromwert aus den verfügbaren Korrekturdaten ermittelt werden, beispielsweise durch Interpolation oder Extrapolation oder andere geeignete mathematische Methoden. Wenn der Volumenstrom des Ventilators über seinen Arbeitsbereich nur stufenweise verändert werden kann, kann für jede Stufe ein Wertepaar aus Referenzwert und Volumenstromwert oder aus Korrekturwert und Volumenstromwert in den Korrekturdaten vorhanden sein.
Unter Verwendung irgendeines Ausführungsbeispiels der Überwachungsvorrichtung kann während des Betriebs des Ventilators bzw. eines Raumluftsystems, zu dem der Ventilator gehört, die Qualität der Gasatmosphäre und insbesondere Luftatmosphäre überwacht werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Überwachungsvorrichtung,
2 eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Ventilators der Überwachungsvorrichtung aus 1 in Form eines Radialventilators,
3 eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Ventilators der Überwachungsvorrichtung aus 1 in Form eines Axialventilators,
4 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Überwachungsvorrichtung aufweisend einen Ventilator in Form eines Radialventilators,
5 einen schematischen, beispielhaften Verlauf eines Referenzwertes, eines Kalibriermesswertes sowie eines Korrekturwertes abhängig vom Volumenstrom einer Gasströmung in der Gasatmosphäre und
6 eine schematische Darstellung zur Ermittlung eines Volumenstrom unabhängigen Überwachungswertes basierend auf einem Messwert, der die Qualität des Gases der Gasatmosphäre beschreibt sowie einem Korrekturwert abhängig von einem aktuellen Volumenstrom, bei dem der Messwert gemessen wurde.

In 1 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Überwachungsvorrichtung 10 veranschaulicht. Die Überwachungsvorrichtung 10 ist dazu eingerichtet, die Qualität einer Gasatmosphäre A zu überwachen. Die Gasatmosphäre A kann eine Luft- und insbesondere Raumluftatmosphäre sein. Hierfür weist die Überwachungsvorrichtung 10 einen Gassensor 11 auf, der einen Messwert Q erzeugt, der einen Parameter der Qualität des Gases bzw. Gasgemisches der Gasatmosphäre A beschreibt, beispielsweise die Gesamtkonzentration flüchtiger organischer Bestandteile (TOVC-Wert) oder die Konzentration von Staubpartikel einer definierten Größe, beispielsweise PM 2,5. Der Gassensor 11 kann auch dazu eingerichtet sein, mehrere unterschiedliche Parameter bzw. Messwerte Q bereitzustellen. Der Gassensor 11 ist mit einer Steuereinrichtung 12 der Überwachungsvorrichtung 10 kommunikationsverbunden, und stellt der Steuereinrichtung 12 den Messwert Q bereit.
Die Überwachungsvorrichtung 10 weist einen Ventilator 13 auf, der dazu eingerichtet ist, eine Gasströmung G mit einem veränderlichen Volumenstrom V zu erzeugen. Der Ventilator 13 kann Bestandteil eines vorhandenen oder zu installierenden Raumluftsystems sein. Der Ventilator hat eine Saugseite 14, an der er Gas aus der Gasatmosphäre A ansaugt und eine Druckseite 15, an der er die Gasströmung ausstößt. Der Ventilator 13 kann als Radialventilator ( 2 und 4) oder als Axialventilator (3) ausgeführt sein.
Die Strömungsrichtung im Hauptgasströmungspfad der Gasströmung G stromaufwärts und stromabwärts des Ventilators 13 hängt zum einen vom Typ des Ventilators 13 (Radialventilator oder Axialventilator) sowie von der Ausgestaltung und dem Verlauf der Strömungskanäle des Raumluftsystems ab und kann abhängig vom Anwendungsfall variieren. Als Hauptgasströmungspfad kann die vorgegebene, gewünschte Strömungsrichtung der Gasströmung G angesehen werden, beispielsweise parallel oder rechtwinkelig zur Drehachse D, je nachdem, wie es der Typ des Ventilators 13 (Radialventilator oder Axialventilator) sowie die sich an den Ventilator 13 anschließenden Strömungskanäle des Raumluftsystems als Sollströmungsrichtung vorgeben. Im Blockschaltbild der 1 ist lediglich schematisch und beispielhaft ein im Wesentlichen geradliniger Hauptströmungspfad der Gasströmung G dargestellt.
Der Ventilator 13 hat einen Ventilatorstator 16 sowie einen Ventilatorrotor 17. Der Ventilatorrotor 17 ist um eine Drehachse D drehbar am Ventilatorstator 16 gelagert. Der Ventilatorrotor 17 ist mit einem Elektromotor 18 des Ventilators 13 antriebsverbunden. Beispielsweise kann der Ventilatorrotor 17 drehfest mit dem Rotor des Elektromotors 18 verbunden sein, so dass die Drehzahl des Elektromotors 18 mit der Drehzahl des Ventilatorrotors 17 (Ventilatordrehzahl) übereinstimmt.
Der Elektromotor 18 wird durch die Steuereinrichtung 12 angesteuert. Der Elektromotor 18 kann prinzipiell irgendeine Art von Elektromotor sein und kann bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als bürstenloser Gleichstrommotor ausgeführt.
Wie es beispielsweise in 1 schematisch dargestellt ist, kann die Überwachungsvorrichtung 10 zusätzlich zu dem Gassensor 11 einen oder mehrere weitere Sensoren aufweisen, beispielsweise um weitere Parameter der Gasatmosphäre A oder der Gasströmung G zu erfassen, wie etwa einen Temperatursensor, einen Feuchtigkeitssensor, usw. Beispielsgemäß ist zusätzlich ein Volumenstromsensor 22 in einem Hauptströmungspfad der Gasströmung G angeordnet, vorzugsweise stromabwärts des Ventilators 13, der dazu eingerichtet ist, einen jeweils aktuellen Wert für den Volumenstrom V der Gasströmung G zu erfassen und für die Steuereinrichtung 12 bereitzustellen. Als weitere Option kann eine Differenzdruck-Sensoranordnung 23 vorhanden sein, um einen Differenzdruck dp zwischen der Saugseite 14 und der Druckseite 15 des Ventilators 13 zu messen oder zu ermitteln. Der Differenzdruck dp ist die Differenz zwischen einem Ausgangsdruck pa an der Druckseite 15 und einem Eingangsdruck pe an der Saugseite 14 des Ventilators 13. Die Differenzdruck-Sensoranordnung 23 kann beispielsweise einen Eingangsdrucksensor 23e zur Erfassung des Eingangsdrucks pe und einen Ausgangsdrucksensor 23a zur Erfassung des Ausgangsdruckes pa aufweisen.
Auch der wenigstens eine optional zusätzlich zu dem Gassensor 11 vorhandene Sensor (z.B. Volumenstromsensor 22 und/oder Differenzdruck-Sensoranordnung 23) sind mit der Steuereinrichtung 12 kommunikationsverbunden.
In Abwandlung zu der Messung des Volumenstroms V mittels eines Volumenstromsensors 22 kann der Volumenstrom V in der Steuereinrichtung 12 auch ermittelt bzw. berechnet werden. Beispielsweise kann die Ventilatordrehzahl des Ventilators 13 und das Drehmoment des Elektromotors 18 zur Ermittlung des Volumenstroms V verwendet werden. Das Drehmoment und die Drehzahl können über die Ventilatorkennlinie einem Volumenstrom V zugeordnet werden, wobei das Drehmoment charakteristisch ist für den Differenzdruck dp zwischen der Saugseite 14 und der Druckseite 15 des Ventilators 13.
Bei dem in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung 12 ein Kommunikationsmodul 24 aufweisen, das dazu eingerichtet ist, eine Kommunikationsverbindung mit einem externen Gerät 25 herzustellen, beispielsweise einem mobilen Endgerät, wie etwa einem Smartphone, einem Tabletcomputer, einem Notebook, usw. Die Kommunikationsverbindung ist vorzugsweise drahtlos und beruht beispielsgemäß auf einem definierten Kommunikationsprotokoll, beispielsweise Bluetooth, Bluetooth Low Energy (BLE), ZigBee, WiFi, usw. Zusätzlich oder alternativ kann die Kommunikationsverbindung zwischen dem Kommunikationsmodul 24 und dem externen Gerät 25 auch über ein drahtloses lokales Netzwerk (WLAN) und/oder das Mobilfunknetz hergestellt werden.
Beispielsgemäß hat die Steuereinrichtung 12 außerdem einen nicht flüchtigen Speicher 26, in dem Daten abgespeichert werden können, beispielsweise um die Überwachungsvorrichtung 10 einzurichten und/oder zu kalibrieren. Zusätzlich oder alternativ kann die Steuereinrichtung 12 in abgelegt werden, mit einem nicht flüchtigen externen Speicher (z.B. Cloud-Speicher) kommunikationsverbunden sein, um Daten redundant zu der lokalen Speicherung zu sichern und/oder abrufbar bereitzuhalten. Das Einrichten der Überwachungsvorrichtung 10 kann vor oder während der ersten Inbetriebnahme werkseitig und/oder am Installationsort durchgeführt werden. Das Einrichten der Überwachungsvorrichtung 10 kann ausschließlich basierend auf den Strömungsverhältnissen der Gasströmung G anhand des Ventilators 13 oder zusätzlich unter Berücksichtigung der Strömungsverhältnisse der Gasströmung G innerhalb des Raumluftsystems erfolgen, in das der Ventilator 13 am Installationsort eingebaut ist oder eingebaut werden soll.
Im Rahmen der Einrichtung der Überwachungsvorrichtung 10 wird zunächst die Sensorposition P des Gassensors 11 durch Messung und/oder Simulation ermittelt. Der Gassensor 11 ist am Ventilatorstator 16 oder an einem nicht drehenden Bestandteil des Elektromotors 18 angeordnet, wie beispielsweise einem Motorengehäuse oder dem Stator des Elektromotors 18. Die Sensorposition P wird dabei derart gewählt, dass der veränderliche Volumenstrom V der Gasströmung G einen möglichst geringen Einfluss auf den erfassten Messwert Q des Gassensors 11 hat. Wenn der Gassensor 11 beispielsweise die Konzentration von flüchtigen Bestandteilen oder Staubpartikeln in der Gasatmosphäre A misst, hängt der erfasste Messwert Q vom aktuellen Wert des Volumenstroms V ab, der vom Ventilator 13 erzeugt wird. Deshalb ist die Sensorposition P außerhalb des Hauptströmungspfades der Gasströmung G gewählt.
Als Sensorposition P kann basierend auf einer Messung oder einer Simulation eine Position gewählt werden, an der sich die Strömungsverhältnisse weniger stark ändern als im Hauptströmungspfad und insbesondere möglichst wenig ändern, wenn der Ventilator 13 den Volumenstrom V variabel über seinen Arbeitsbereich zwischen einem minimalen Volumenstrom und einem maximalen Volumenstrom einstellt. Beispielsweise kann die Strömung im Bereich des Ventilators 13 mit oder ohne Berücksichtigung der Strömungskanäle des Raumluftsystems gemessen oder simuliert werden, wenn der Volumenstrom V zwischen dem minimalen und dem maximalen Volumenstrom V oder zumindest über einen großen Teil von mehr als 50-70% des gesamten Arbeitsbereichs variiert wird. Daraus lassen sich mögliche Sensorpositionen erkennen, an denen sich die Strömungsverhältnisse deutlich weniger stark ändern als im Hauptströmungspfad der Gasströmung.
Bei den veranschaulichten Ausführungsbeispielen ist die Sensorposition an einer Stelle stromabwärts des Ventilatorrotors 17. Die Sensorposition P kann beispielsweise schräg oder rechtwinklig zur Strömungsrichtung der Gasströmung G im Hauptströmungspfad versetzt sein gegenüber dem Ventilatorrotor 17 und insbesondere den Ventilatorschaufeln des Ventilatorrotors 17.
Die Sensorposition P kann bei dem Radialventilator gemäß 2 und 4 an der Rückseite einer Frontplatte des Ventilatorstators 16 angeordnet sein, durch die der Radialventilator Gas zur Bildung der Gasströmung durch einen Einlass 31 in der Frontplatte 30 ansaugt. Der Einlass 31 ist von einem Ring 32 des Ventilatorstators 16 umschlossen, der sich an die Frontplatte 30 anschließt. Durch den Ring 32 strömt das Gas der Gasströmung G vom Einlass 31 und weiter zum Ventilatorrotor 17 bzw. den Ventilatorschaufeln des Ventilatorrotors 17. Der Gassensor 11 ist beispielsgemäß benachbart zum Ring 32 angeordnet. Er ist quer zur Strömungsrichtung der Gasströmung G versetzt zum Ventilatorrotor 17 angeordnet.
Bei dem in 3 schematisch dargestellten Axialventilator kann der Gassensor 11 an einer der Gasströmung G abgewandten Fläche in der Nähe der Drehachse D angeordnet sein, beispielsweise an einem Gehäuse des Elektromotors 18.
Nachdem die Sensorposition P basierend auf einer Messung und/oder Simulation definiert wurde, wird die Überwachungsvorrichtung 10 kalibriert, wobei beispielsgemäß wie folgt vorgegangen wird:
Zunächst wird in der Gasatmosphäre A bei einer möglichst geringen Gasbewegung, beispielsweise bei stillstehendem Ventilator 13, ein Referenzwert R gemessen, beispielsweise mittels des Gassensors 11. Der Referenzwert R beschreibt denselben Parameter wie der Messwert Q, beispielsweise die Konzentration an Staubpartikeln einer definierten Größe in der Gasatmosphäre A oder die Konzentration an flüchtigen organischen Bestandteilen (z.B. TVOC-Wert).
Anschließend wird der Ventilator 13 mit veränderlichem Volumenstrom V betrieben. Im Arbeitsbereich des Ventilators 13 von einem minimalen Volumenstromwert bis zu einem maximalen Volumenstromwert werden mehrere Messwerte Q für jeweils einen zugeordneten Volumenstromwert gemessen, die als Kalibriermesswerte QC bezeichnet werden. Dadurch entstehen Wertepaare aus jeweils einem Kalibriermesswert QC und dem zugehörigen Wert des Volumenstroms V, bei dem der Kalibriermesswert QC aufgenommen wurde. Eine schematische, lediglich beispielhafte Kurve solcher Wertepaare für die Kalibriermesswerte QC ist in 5 veranschaulicht. Dort ist zu erkennen, dass die Abweichung zwischen den Kalibriermesswerten QC und dem Referenzwert R mit zunehmendem Volumenstrom V zunimmt.
Basierend auf dem Referenzwert R und den Kalibriermesswerten QC können optional volumenstromabhängige Korrekturwerte K berechnet werden, beispielsweise durch Bildung der Differenz zwischen den Kalibriermesswerten QC und dem Referenzwert R: $K (V) = QC (V) - R .$
In dem Speicher 26 der Steuereinrichtung 12 können basierend auf der Messung der Kalibriermesswerte QC Korrekturdaten C abgespeichert werden. Als Korrekturdaten C können verwendet werden:

(a) der Referenzwert R und die volumenstromabhängigen Kalibriermesswerte QC und/oder
(b) die volumenstromabhängigen Korrekturwerte K.

Die Korrekturdaten C können in geeigneter Form abgespeichert werden, beispielsweise durch Abspeichern des Referenzwertes R und der Wertepaare aus jeweils einem Kalibriermesswert QC und den zugehörigen Wert des Volumenstroms V (vgl. Option (a)) und/oder durch Abspeichern der Wertepaare aus jeweils einem Korrekturwert K und dem zugehörigen Wert des Volumenstroms V (vgl. Option (b)). Die Korrekturdaten C können durch eine Tabelle, eine Kurve, eine approximierte Funktion, usw. abgespeichert werden. Es ist dabei möglich, nicht durch Messung oder Simulation erfasste Zwischenwerte für die Korrekturdaten C durch Interpolation, Extrapolation oder andere geeignete mathematische Verfahren zu ermitteln.
Basierend auf den Korrekturdaten C, dem aktuellen Wert für den Volumenstrom V, der beispielsweise mittels des Volumenstromsensors 22 erfasst werden kann, kann während des Betriebs der Überwachungsvorrichtung 10 ein volumenstromunabhängiger Überwachungswert M in der Steuereinrichtung 12 ermittelt werden. Der Überwachungswert M wird basierend auf dem aktuellen Messwert Q, dem aktuellen Wert für den Volumenstrom V sowie dem zu dem aktuellen Volumenstrom gehörenden Korrekturwert K wie folgt ermittelt: $M (V) = Q (V) - K (V) .$
Dieses Verfahren ist schematisch in 6 dargestellt. Der aktuelle Messwert Q wird basierend auf dem Korrekturwert K korrigiert, der dem aktuellen Wert für den Volumenstrom V zugeordnet ist, so dass der erhaltene Überwachungswert M korrigiert und somit zumindest im Wesentlichen unabhängig ist vom aktuellen Volumenstrom V, der vom Ventilator 13 erzeugt wird.
Durch die Erfindung ist es möglich, die Messwerte Q, die der Gassensor 11 während des Betriebs der Überwachungsvorrichtung 10 erfasst, zu korrigieren, so dass der Einsatz mit Ventilatoren 13 ermöglicht wird, die einen veränderlichen Volumenstrom V während des Betriebs erzeugen. Auf separate dem Gassensor 11 zugeordnete Ventilatoren, die permanent denselben konstanten Volumenstrom erzeugen, kann verzichtet werden. Die Überwachungsvorrichtung 10 lässt sich sehr einfach und kostengünstig mit Ventilatoren 13 realisieren, die in ein Raumluftsystem eingebaut sind oder eingebaut werden sollen.
Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung 10 und ein Verfahren zur Überwachung der Qualität einer Gasatmosphäre A. Die Überwachungsvorrichtung 10 weist einen Ventilator 13 auf, der dazu eingerichtet ist, eine Gasströmung G mit veränderlichem Volumenstrom V zu erzeugen. Ein Gassensor 11 ist an einer Sensorposition P an einem ruhenden Teil des Ventilators 13 angeordnet und stellt einen Messwert Q für eine Steuereinrichtung 12 bereit. Die Steuereinrichtung 12 ist dazu eingerichtet, basierend auf den Messwert Q und bereitgestellten Korrekturdaten C einen volumenstromkorrigierten und zumindest im Wesentlichen volumenstromunabhängigen Überwachungswert M zu ermitteln.
Bezugszeichenliste

10: Überwachungsvorrichtung
11: Gassensor
12: Steuereinrichtung
13: Ventilator
14: Saugseite
15: Druckseite
16: Ventilatorstator
17: Ventilatorrotor
18: Elektromotor
22: Volumenstromsensor
23: Differenzdruck-Sensoranordnung
23a: Ausgangsdrucksensor
23e: Eingangsdrucksensor
24: Kommunikationsmodul
25: externes Gerät
26: Speicher
30: Frontplatte
31: Einlass
32: Ring
A: Gasatmosphäre
C: Korrekturdaten
D: Drehachse
dp: Differenzdruck
G: Gasströmung
K: Korrekturwert
M: Überwachungswert
P: Sensorposition
pa: Ausgangsdruck
pe: Eingangsdruck
Q: Messwert
QC: Kalibriermesswert
R: Referenzwert
V: Volumenstrom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 20210140868 A1 [0002]
EP 2142857 B1 [0003]

Claims

Überwachungsvorrichtung (10), die zur Überwachung der Qualität einer Gasatmosphäre (A) eingerichtet ist, aufweisend: - einen Ventilator (13), der dazu eingerichtet ist, eine Gasströmung (G) mit veränderlichem Volumenstrom (V) zu erzeugen und der einen an einem Ventilatorstator (16) drehbar um eine Drehachse (D) gelagerten Ventilatorrotor (17) und einen Elektromotor (18) aufweist, - einen Gassensor (11), der am Ventilatorstator (16) oder am Elektromotor (18) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, einen Messwert (Q) zu erzeugen, der die Qualität des Gases der Gasatmosphäre (A) beschreibt, - eine Steuereinrichtung (12), die mit dem Gassensor (11) kommunikationsverbunden ist und basierend auf dem Messwert (Q), dem aktuellen Volumenstrom (V) und Korrekturdaten (C) einen volumenstromkorrigierten Überwachungswert (M) ermittelt.
Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, außerdem aufweisend einen mit der Steuereinrichtung (12) kommunikationsverbundenen Volumenstromsensor (22) zu Messung des aktuellen Volumenstromes (V).
Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (12) dazu eingerichtet ist, den aktuellen Volumenstrom (V) basierend auf wenigstens einem Betriebsparameter des Ventilators und/oder des Elektromotors (18) zu ermitteln.
Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (12) dazu eingerichtet ist, den aktuellen Volumenstrom (V) basierend auf der Drehzahl und dem Drehmoment des Elektromotors (18) oder damit zusammenhängenden Betriebsparametern.
Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, außerdem aufweisend eine Differenzdruck-Sensoranordnung (23) zur Messung des Differenzdruckes zwischen einer Saugseite (14) und einer Druckseite (15) des Ventilators (13), wobei die Steuereinrichtung (12) dazu eingerichtet ist, den Differenzdruck (dp) zu steuern oder zu regeln.
Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gassensor (11) außerhalb des Hauptgasströmungspfades der Gasströmung (G) angeordnet ist.
Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gassensor (11) an einer Sensorposition (P) angeordnet ist, an der bei einer Änderung des vom Ventilator (13) erzeugten Volumenstroms (V) von einem minimalen Volumenstrom zu einem maximalen Volumenstrom ein ermittelter Volumenstromdifferenzbetrag kleiner ist als ein vorgegebener Grenzwert.
Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gassensor (11) an einer Sensorposition (P) angeordnet ist, an der bei einer Änderung des vom Ventilator (13) erzeugten Volumenstroms (V) von einem minimalen Volumenstrom zu einem maximalen Volumenstrom ein ermittelter Volumenstromdifferenzbetrag am kleinsten ist.
Verfahren zur Einrichtung einer Überwachungsvorrichtung (10) zur Überwachung der Qualität einer Gasatmosphäre (A), wobei die Überwachungsvorrichtung (10) einen Ventilator (13) zur Erzeugung einer Gasströmung (G) mit veränderlichem Volumenstrom (V) mit einem an einem Ventilatorstator (16) drehbar um eine Drehachse (D) gelagerten Ventilatorrotor (17) und mit einem Elektromotor (18), einen am Ventilatorstator (16) oder am Elektromotor (18) angeordneten Gassensor (11) und eine mit dem Gassensor (11) kommunikationsverbundene Steuereinrichtung (12) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Ermitteln eines Referenzwertes (R) für die Qualität des Gases der Gasatmosphäre (A), - Betreiben des Ventilator (13) derart, dass der Volumenstrom von einem minimalen Volumenstrom bis zu einem maximalen Volumenstrom verändert wird und Erzeugen jeweils eines Kalibriermesswertes (QC) bei verschiedenen Volumenströmen (V), der die Qualität des Gases der Gasatmosphäre (A) beschreibt, - Speichern des Referenzwertes (R) und der Wertepaare bestehend aus jeweils einem Kalibriermesswert (QC) und dem zugehörigen Volumenstrom (V) als Korrekturdaten (C) oder Ermitteln jeweils eines Korrekturwertes (K) aus dem Referenzwert (R) und einem der Kalibriermesswerte (QC) und Speichern der Wertepaare bestehend aus jeweils einem Korrekturwert (K) und dem zugehörigen Volumenstrom (V) als Korrekturdaten (C) .
Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Sensorposition (P), an der der Gassensor (11) angeordnet wird, durch Messung oder Simulation der Gasströmung (G) ermittelt wird, wobei als Sensorposition (P) eine Position am Ventilatorstator (16) oder am Elektromotor (18) ausgewählt wird, an der bei einer Änderung des vom Ventilator (13) erzeugten Volumenstroms (V) vom minimalen Volumenstrom zum maximalen Volumenstrom ein ermittelter Volumenstromdifferenzbetrag kleiner ist als ein vorgegebener Grenzwert.
Verfahren zur Überwachung der Qualität einer Gasatmosphäre (A) unter Verwendung einer Überwachungsvorrichtung (10), die einen Ventilator (13) zur Erzeugung einer Gasströmung (G) mit veränderlichem Volumenstrom (V) mit einem an einem Ventilatorstator (16) drehbar um eine Drehachse (D) gelagerten Ventilatorrotor (17) und mit einem Elektromotor (18), einen am Ventilatorstator (16) oder am Elektromotor (18) angeordneten Gassensor (11) und eine mit dem Gassensor (11) kommunikationsverbundene Steuereinrichtung (12) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Erfassen eines Messwertes (Q), der die Qualität des Gases der Gasatmosphäre (A) beschreibt, mittels des Gassensors (11), - Ermitteln eines volumenstromkorrigierten Überwachungswertes (M) basierend auf dem Messwert (Q), dem aktuellen Volumenstrom (V) und vorgegebenen Korrekturdaten (C).