DE19830737C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Sauggerätes mit einer Turbine - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Sauggerätes mit einer Turbine.

Gemäss der EN 60335-2-69 wird für Sauggeräte, welche zur Absaugung von gesundheitsgefährdenden Stoffen verwendet werden, eine Überwachung der Luftgeschwindigkeit im Saugschlauch gefordert. Ziel dieser Überwachung ist der Schutz des Betreibers vor Gesundheitsgefahren. In der Vorschrift wird ferner gefordert, dass der Anwender ein akustisches oder optisches Warnsignal erhält, sobald die Mindestluftgeschwindigkeit von 20 m/s im Saugschlauch unterschritten wird.

Ein derartiges Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise mit der auf den gleichen Anmelder zurückgehenden europäischen Patentschrift EP 0 563 788 B1 bekannt geworden. Bei dieser bekannten Anordnung wird der Unterdruck der Turbine über einen Unterdrucksensor erfasst. Dies ist jedoch eine relativ aufwendige Methode, die Betriebsdaten einer Saugturbine festzustellen.

Im übrigen leidet die genannte Vorveröffentlichung darunter, dass bestimmte wichtige Betriebsdaten der Turbine nicht optisch oder akustisch angezeigt werden können, weil einerseits eine Erfassung von derartigen Betriebsdaten fehlt und andererseits auch die Darstellung auf einem Display nicht vorgesehen ist.

Die EP 0 479 609 A2 beschreibt einen Staubsauger und ein Verfahren zu dessen Überwachung. Bei diesem Staubsauger handelt es sich um ein fahrbares Gerät, welches einen vor sich her bewegten Schlauch aufweist, an welchem eine Bürsteneinrichtung den Boden bürstet und der aufgewirbelte Staub mittels des angeschlossenen Schlauches in den Staubsauger gesaugt wird. Hierbei wird für den Betrieb des Saugers ein Differenzdruck erfasst. Ebenfalls wird für den Betrieb des Staubsaugers die Überwachung der Bürste durchgeführt. Dies ist jedoch eine zusätzliche Funktion, welche nicht unmittelbar auf die Betriebsdaten des Saugers Auswirkung hat. Brauchbare Daten für den Saugluftstrom werden bei der EP 0 479 609 A2 jedoch auf Grund der bis dahin bekannten Technik zur Erfassung des Differenzdruckes mittels Drucksensoren durchgeführt. Die hierfür benötigten Differenz-Drucksensoren weisen eine entsprechende Streubreite auf und sind verschmutzungs- und damit störanfällig.

Der Schwerpunkt der EP 0 479 609 A2 liegt darin, eine "Fuzzy- Logic" zu beschreiben, welche dazu dient, den Betrieb der Bürste und die einwandfreie Funktion der Sensoren zu überwachen und die Turbine in Abhängigkeit vom Volumenstrom des Luftstromes zu regeln.

Die DE 89 05 463 U1 offenbart eine Vorrichtung zur Regelung und/oder zur Anzeige des Betriebes von Staubsaugern, wobei hinsichtlich der Anzeige der Einsatz von optischen Sensoren in Form von Lichtsendern und Lichtempfängern, wie beispielsweise einer Reflexlichtschranke, beschrieben wird. Im weiteren werden noch induktive, kapazitive und/oder elektromagnetische Sensoren und auch Drucksensoren in Form von Membranschaltern beschrieben. Diese Sensoren besitzen wiederum eine gewisse Streubreite hinsichtlich der Messtoleranzen uns sind verschmutzungs- und damit störanfällig.

Die DE 44 34 392 C1 offenbart ein Verfahren und eine Steuerungsvorrichtung zum Ermitteln des Füllstandes einer Füllvorrichtung, wobei es sich bei der Füllvorrichtung insbesondere um einen Staubsack eines Staubsaugers handelt. Die Aufgabe der DE 44 34 392 C1 liegt darin, die Erfassung des Füllstandes nicht mehr wie beim oben genannten Stand der Technik durch Drucksensoren zu ermitteln, welche Differenzdrucke messen und durch entsprechende Auswertung den Füllstand anzeigen, sondern lediglich und ausschließlich über die Stromaufnahme des Saugmotors Rückschlüsse auf den Filterstand des Saugbeutels ziehen und dementsprechend den Füllstand bewerten.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine wesentlich einfachere, betriebssichere und kostengünstigere Erfassung von Betriebsdaten von Sauggeräten möglich ist.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruchs 1 gekennzeichnet.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass die Drehzahl der Turbine im bestimmungsgemäßen Betrieb gemessen wird und aus der Drehzahl anhand von abgespeicherten Kennlinien auf die übrigen Betriebsdaten geschlossen wird.

Mit der Erfassung der Drehzahl ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass über die Drehzahl gleichzeitig mehrere weitere Betriebsdaten abgeleitet werden können, die einerseits verarbeitet werden können und die andererseits direkt an einem Display optisch, akustisch, entweder analog oder digital dargestellt werden können. Derartige Betriebsdaten sind:

• 1. Füllstand des Behälters;
• 2. Füllstand eines im Behälter angeordneten Staubbeutels;
• 3. Aufnahmeleistung;
• 4. Volumenstrom;
• 5. System-Unterdruck.

Diese Betriebsdaten können - wie gesagt - nun erstmals auf einem Display dargestellt werden.

Wichtig ist aber auch, dass durch die alleinige Erfassung der Drehzahl nun ein großer Teil der oben genannten Betriebsdaten mit geringem Aufwand dargestellt werden kann, denn es wurde festgestellt, dass die Drehzahl unmittelbar proportional oder umgekehrt proportional zu den oben genannten Betriebsdaten ist. Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der Beschreibung der nachfolgend zu beschreibenden Diagramme.

Mittels der Turbinendrehzahl kann man einen Rückschluss auf die Mindestluftgeschwindigkeit im Saugschlauch erhalten. Aus den Kennlinien einer zweistufigen Saugturbine (Reihenschlussmotor) kann man ersehen, dass bei einem hohen Volumenstrom (= hohe Luftgeschwindigkeit im Schlauch) die Drehzahl der Turbine (RPM) am geringsten ist, z. B. ca. 19.800 l/min. bei einem Volumenstrom (Q) von ca. 68 l/sec.

Verringert sich nun der Luftvolumenstrom, z. B. durch Verstopfen des Filters, so erhöht sich gleichzeitig die Drehzahl der Turbine. Beim geringsten Volumenstrom von Null l/sec. hat sich die Drehzahl auf ca. 25.800 l/min erhöht.

Im Entwicklungsstadium, d. h. bei der Testung des Prototyps, werden die Kennlinien der Turbine ein einziges Mal erfasst und dann in einem EEPROM abgelegt. Dieses EEPROM gilt dann für den jeweiligen Motor, der mit der Turbine betrieben wird. Es muss also immer eine gleichartige Paarung zwischen Motor und Turbine verwendet werden.

Wird ein anderer Motor mit einer Turbine verwendet, dann ändern sich auch die Kennlinien, welche ebenfalls jeweils einmal werkseitig erfasst und in einem EEPROM abgelegt werden.

Statt eines EEPROM's kann auch ein sonstiger statischer Programmspeicher verwendet werden.

Diese Kennlinien sind also in dem Programmspeicher des Mikroprozessors als Vollwert abgespeichert.

An das Sauggerät wird ein Saugschlauch angeschlossen, der von Fall zu Fall unterschiedliche Querschnitte aufweisen kann. Die Forderung der Berufsgenossenschaft ist nun, dass die Luftgeschwindigkeit im Saugschlauch die 20 m/sec. nicht unterschreitet. Der vorgegebene Sollwert ist abhängig von dem Querschnitt des Saugschlauchs. Der gleiche Volumenstrom und kleinerer Saugschlauch ergibt eine höhere Luftgeschwindigkeit.

Der Betreiber stellt als erstes seinen Saugschlauchquerschnitt im System mit den Schaltern S1 und S2 ein. Je nach Saugschlauchquerschnitt wird nun intern ein vorher ermittelter Sollwert verglichen im Prozessor mit dem momentan gemessenen Ist-Wert der Drehzahl. Sobald der Prozessor in seinen internen Rechenoperationen ermittelt, dass der Volumenstrom bzw. die Saugschlauchgeschwindigkeit im Saugschlauch 20 m/sec. unterschreitet, gibt er ein Warnsignal an den Betreiber weiter, damit er entweder den Filtersack wechselt oder eine Reinigung des Filtersacks herbeiführt oder sonstige Fehlerbehebungsmaßnahmen ergreift.

Weil der Volumenstrom nach DIN 44956 T.2 auch von der Dichte der Saugluft und der Temperatur abhängig ist, kann zur Verbesserung der Genauigkeit eine Konstante ermittelt werden, damit das Messsignal kompensiert werden kann. Hierzu wird an zwei Eingängen, sog. Analog-Digitalwandler die Daten der Lufttemperatur Thermistor R7) und des Luftdrucks (Drucksensor B1) eingelesen. Im Microprozessor wird durch eine mathematische Verknüpfung die Konstante errechnet.

Mittels einer Reflexlichtschranke bzw. einer Gabellichtschranke (V1) kann nun die Drehzahl der Turbine erfasst und in den Microprozessor eingelesen werden. Wiederum durch eine mathematische Funktion wird die erfasste Drehzahl mit der ermittelten Konstante verrechnet, und als kompensiertes Messsignal (Istwert) abgespeichert. Der eingelesene und kompensierte Wert (Istwert) wird nun im Programmspeicher mit der abgespeicherten Kennlinie (Sollwert) verglichen. Sobald der Istwert über dem Sollwert liegt, wird das optische bzw. akustische Warnsignal eingeschaltet.

Dem Betreiber wird angezeigt, dass er einer Gesundheitsgefahr ausgesetzt ist.

Wichtig bei der Erfindung ist, dass zur Ermittlung der Betriebsdaten der Saugturbine entsprechend dem beigefügten Diagramm nur einzig und allein die Drehzahl erfasst wird und dass alle anderen Betriebsdaten allein aus der Drehzahl erfolgen. Das heißt also, es muss lediglich die Drehzahl erfasst werden und alle anderen Betriebsdaten werden aus den abgespeicherten Kennlinien der Drehzahl ermittelt. Die oben genannten Parameter (Lufttemperatur und Luftdruck) können also zur Verbesserung der Genauigkeit als Eingangsgrößen verrechnet und entsprechend dargestellt werden.

Hieraus ergibt sich der wesentliche Vorteil der Erfindung, weil eben die Darstellung wesentlich kostengünstiger ist und die Betriebsdaten nicht mehr mit teuren Drucksensoren festgestellt werden, sondern lediglich die Erfassung der Drehzahl ausreicht.

Es zeigen:

Fig. 1: schematisiert ein Blockschaltbild einer Schaltung nach der Erfindung,

Fig. 2: die Kennlinie einer Saugturbine im Druck-Volumen- Diagramm.

Fig. 1 zeigt allgemein das Schaltbild einer Volumenstrom- Überwachung über die Turbinendrehzahl.

Die Turbinendrehzahl wird hierbei über einen Drehzahlmesser 3 abgegriffen, der als Reflex-Lichtschranke angeordnet ist, wobei das eine Teil auf dem Turbinenrad der Saugturbine angeordnet ist, während das andere Teil ortsfest gegenübersteht. Diese Schaltungsanordnung mit einer Reflex-Lichtschranke wird von einer Spannungsversorgung 4 versorgt.

Das Eingangssignal dieses Drehzahlmessers 3 wirkt auf einen Mikroprozessor 1, der über den Netzschalter 5 über zwei weitere Leitungen angesteuert ist. Diese Leitungen teilen dem Mikroprozessor 1 mit, ob das Turbinenrad läuft oder nicht.

Am Mikroprozessor 1 ist ein Display 2 angeschlossen, welches den Volumenstrom darstellen kann.

Als Eingangsgröße in dem Mikroprozessor 1 ist ein Drucksensor 6 vorgesehen, der den atmosphären Druck der Umgebungsluft misst, ebenso ist ein Temperatursensor 7 vorgesehen, der die Umgebungstemperatur misst.

In Abhängigkeit von der erfassten Drehzahl, das heisst, bei Über- oder Unterschreitung eines vorgeschriebenen Volumenstroms, wird dann die Warnhupe 8 ausgelöst.

In Fig. 2 ist auf der Ordinate der Druck in Millimeter/Wassersäule aufgetragen, während auf der Abszisse der Volumenstrom in Liter pro Sekunde aufgetragen ist.

Auf der rechten Seite des Diagramms ist auf der Ordinate auch noch die Drehzahl der Turbine aufgetragen.

Es wird als Versuchsbeispiel eine Drehzahlkurve 9 gefahren; der Versuchsaufbau bezieht sich auf eine in einem Staubsaugerkopf eingebaute Turbine, an der eine Saugschlauchgarnitur als Eingang angesetzt ist. An der Saugschlauchgarnitur ist eine verstellbare Drosselklappe angeordnet, welche den Volumenstrom, welcher von der Turbine angesaugt wird, entsprechend verändern kann. In Abhängigkeit von der Stellung dieser Drosselklappe kann nun der Volumenstrom bestimmt werden. Die Drosselklappe wird von ihrer vollkommenen Offenstellung schrittweise in die vollkommene Schließstellung bewegt. Die Drehzahlkurve 9 beginnt bei der Positon 9a, wo die Öffnungsblende vollkommen geöffnet ist. Es wird also der maximale Volumenstrom von der Turbine angesaugt. Nun wird ausgehend von der Position 9a die Drosselklappe schrittweise geschlossen, wobei man die einzelnen Schritte durch die angegebenen X-Punkte in der Drehzahlkurve 9 erkennt. Man erkennt, wenn man der Drehzahlkurve 9 in Pfeilrichtung 10 entlang folgt, daß gleichzeitig hierdurch der Volumenstrom von z. B. dem Wert 65 l/sec. schrittweise verändert wird bis auf einen Wert von 0. Gleichzeitig erkennt man, daß bei Position 9b die Drehzahl angestiegen ist, man erkennt dies dadurch, daß die Anfangsdrehzahl der Turbine etwa 19.800 Umdrehungen pro Minute betrug, während in der Position 9b (bei vollkommen geschlossener Klappe) die Drehzahl auf etwa 25.700 angestiegen ist. Hieraus erkennt man die Abhängigkeit der Drehzahl von dem Volumenstrom. Mit abnehmendem Volumenstrom steigt daher die Drehzahl entsprechend der Drehzahlkurve 9 zwischen den Positionen 9a und 9b.

Aus diesem Drehzahlabgriff, d. h. also die Erfassung der Drehzahlkurve 9, können jetzt nun andere Kenngrößen entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung abgeleitet werden, und zwar die Druck-Volumenstrom-Kennlinie 11, welche den Druck in Abhängigkeit von dem Volumenstrom aufzeichnet. Bei einer bestimmten charakteristischen Saugturbine hat man eine charakteristische Druck-Volumenstrom-Kennlinie, wie sie in Form der Kennlinie 11 dargestellt ist. Bei völlig geöffneter Drosselklappe (Position 11a) ergibt sich also ein Druck von 0 gleichzeitig bei einer Drehzahl von etwa 19.800 Umdrehungen pro Minute. Wandert man nun in Pfeilrichtung 12 diese Kurve hinauf, d. h. wird also der Volumenstrom von seinem Wert von etwa 67 /sec. schrittweise vermindert, wobei der Druck an dieser Position 11a Null ist.

Wandert man in Pfeilrichtung 12 die Druckvolumenkurve hinauf, dann sieht man, daß sich schrittweise der Druck erhöht, bis bei Position 11b der Druck bei etwa 2.350 Millimeter/Wassersäule ist und der Volumenstrom auf 0 abgefallen ist, weil die Blende nun vollkommen geschlossen ist. Bei maximalem Druck von etwa 2.350 ist dann der Volumenstrom auf 0 abgefallen.

Selbstverständlich ist eine solche Kennlinie abhängig von den charakteristischen Werten der Saugturbine, insbesondere von der Versorgungsspannung der Saugturbine und von anderen mechanischen Einflußgrößen. Es wird hierbei vorausgesetzt, daß eine Spannungsschwankung nicht vorhanden ist. Es geht nun darum, daß nun der Druck in der Druck-Volumenstrom- Kennlinie 11 in Abhängigkeit von der Drehzahlkurve 9 abgelesen wird.

Durch Vergleich der Drehzahlkurve 9 mit der Druck-Volumenstrom- Kennlinie 11 ergibt sich also die funktionelle Abhängigkeit der Drehzahl von der Druck-Volumenstrom-Kennlinie 11.

Damit kann bei Kenntnis einer bestimmten Drehzahl auf den vorhandenen Druck und damit auch auf den vorhandenen Volumenstrom zurückgeschlossen werden. Gleichzeitig besteht über die Drehzahl die Möglichkeit, noch weitere elektrische Parameter indirekt zu bestimmen. Mit der Kurve 13 ist die Aufnahmeleistung in Abhängigkeit vom Volumen dargestellt. Von einer Position 13a ausgehend (maximaler Volumenstrom) sieht man, daß die aufgenommene Leistung bei Position 13a mit sich schließender Drosselklappe am Eingang der Turbine abnimmt. Die aufgenommene Leistung ist also die elektrische Energie, die vonseiten des Netzes der Turbine zur Verfügung gestellt wird. Es handelt sich also um die dem Turbinenmotor zugeführte elektrische Leistung.

Man erkennt, daß diese Leistung bei maximalem Volumenstrom und bei Position 13a größer ist als bei minimalem Volumenstrom bei Position 13b, wo der Volumenstrom auf 0 abgefallen ist.

Mit der Kurve 14 wird die Abgabeleistung der Turbine dargestellt. Die abgegebene Leistung ist als Druck/Volumen- Parameter zu bezeichnen. Es handelt sich also um die abgegebene Druck/Volumen-Größe, welche die Turbine auf der Luftseite abzugeben in der Lage ist.

Diese abgebene Leistung der Kurve 14 wird ebenfalls in Pfeilrichtung 17 von Position 11a ausgehend durchlaufen.

Setzt man nun die Kurve 13 mit der Kurve 14 in Verbindung, d. h. multipliziert man beide Kurven, dann erhält man die Kurve 16 als Ausdruck für den Wirkungsgrad zwischen der aufgenommenen und der abgegebenen Leistung.

Man erkennt, daß der Wirkungsgrad bei vollkommen geöffneter Drosselklappe bei Position 11a relativ schlecht ist, während bei halbgeöffneter Drosselklappe der Wirkungsgrad am höchsten ist, nämlich bei Position 16a. Bei dieser Position ist auch bei der Kurve 14 das Maximum erreicht.

Zeichnungslegende

1

Mikroprozessor

2

Display

3

Drehzahlmesser

4

Spannungsversorgung

5

Netzschalter

6

Drucksensor

7

Temperatursensor

8

Warnhupe

9

Drehzahlkurve

9

a,

9

b

10

Pfeilrichtung

11

Druck-Volumenstrom-Kennlinie

11

a,

11

b

12

Pfeilrichtung

13

Kurve (Aufnahmeleistung)

13

a,

13

b

14

Kurve (Abgabeleitung)

15

Pfeilrichtung

16

Kurve (Wirkungsgrad)

16

a

17

Pfeilrichtung

Claims (10)

1. Verfahren zur Steuerung eines Sauggerätes mit einer Turbine, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Turbine im bestimmungsgemäßen Betrieb gemessen wird und aus der Drehzahl anhand von abgespeicherten Kennlinien auf die übrigen Betriebsdaten geschlossen wird.

2. Verfahren zur Steuerung eines Sauggerätes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsdaten:
Füllstand, Aufnahmeleistung, Volumenstrom und System- Unterdruck
während des Betriebes des Sauggerätes anhand der aktuellen Drehzahl des Saugers durch Auslesen der zur jeweiligen Drehzahl abgespeicherten Daten ermittelt werden.

3. Verfahren zur Steuerung eines Sauggerätes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl und/oder die daraus abgeleiteten Daten optisch oder akustisch dargestellt werden.

4. Verfahren zur Steuerung eines Sauggerätes nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl und/oder die daraus abgeleiteten Betriebsdaten analog oder digital dargestellt werden.

5. Verfahren zur Steuerung eines Sauggerätes nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Drehzahl abgeleiteten Betriebsdaten, der Füllstand des Behälters oder der Füllstand eines im Behälter angeordneten Staubbeutels, die Aufnahmeleistung, der Volumenstrom und der System-Unterdruck angezeigt werden.

6. Verfahren zur Steuerung eines Sauggerätes nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinien bei der Testung des Prototyps der Turbine ein einziges Mal erfasst und dann in einem EEPROM abgelegt werden.

7. Verfahren zur Steuerung eines Sauggerätes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinien bei der Testung des Prototyps der Turbine ein einziges Mal erfasst und dann in einem statischen Programmspeicher abgelegt werden.

8. Verfahren zur Steuerung eines Sauggerätes nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinien in dem Programmspeicher des Mikroprozessors (1) als Vollwert abgespeichert sind.

9. Verfahren zur Steuerung eines Sauggerätes nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Betriebsdaten aus der gemessenen Drehzahl folgende Schritte durchlaufen werden:

• - Einstellen des jeweiligen Saugschlauchquerschnitts mit den Schaltern S1 und S2;
• - interner Vergleich des vorher ermittelten Sollwerts mit dem momentan gemessenen Ist-Wert der Drehzahl;
• - Einlesen der Lufttemperatur über einen Thermistor und des Luftdrucks über einen Drucksensor;
• - Berechnen einer Konstante aus Lufttemperatur und Luftdruck;
• - Berechnen der kompensierten Ist-Drehzahl aus der Konstanten und der Ist-Drehzahl;
• - Vergleichen der kompensierten Ist-Drehzahl mit der Kennlinie des Sollwertes;
• - Warnsignal, wenn der Istwert den Sollwert überschreitet.

10. Sauggerät mit einer Turbine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Eingängen eines Mikroprozessors (1) folgende Bauteile angeschlossen sind:

• - ein Drehzahlmesser (3) mit Spannungsversorgung (4);
• - zwei Schalter S1 und S2 zur Einstellung des Saugschlauchquerschnitts;
• - ein Drucksensor (6) zur Luftdruckmessung;
• - ein Temperatursensor (7) zur Lufttemperaturmessung;
• - und folgende Bauteile an den Ausgängen des Mikroprozessors (1) angeschlossen sind:
• - ein Display (2) zur Anzeige der Parameter und Zustände der Turbine
• - eine Warnhupe (8).