DE19851523C1

DE19851523C1 - Gebläse

Info

Publication number: DE19851523C1
Application number: DE1998151523
Authority: DE
Inventors: Herbert Sturm; Ingo Zerbes
Original assignee: AOA Apparatebau Gauting GmbH
Current assignee: AOA Apparatebau Gauting GmbH
Priority date: 1998-11-09
Filing date: 1998-11-09
Publication date: 2000-05-18
Anticipated expiration: 2018-11-10
Also published as: FR2785675A1; FR2785675B1

Abstract

Bei einem Gebläse mit einer Einrichtung zur Bestimmung des geförderten Massen- bzw. Volumenstromes sind mindestens eine saugseitige und mindestens eine druckseitige Druckentnahmestelle vorgesehen. An diese Druckentnahmestellen ist zur Bestimmung der über dem Laufrad bestehenden Druckdifferenz mindestens ein Druckaufnehmer angeschlossen. Aus der ermittelten Druckdifferenz wird in einer elektronischen Auswerteeinheit unter Berücksichtigung der Drehzahl des Laufrads, des statischen Drucks sowie der Temperatur des Fördermediums aus einer auf Kalibrierverhältnisse reduzierten Gebläsekennlinie der Energiezuwachs im Fördermedium und aus diesem, in Anwendung von Ähnlichkeitsbeziehungen, der tatsächliche Volumenstrom ermittelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gebläse für ein kompressibles Fördermedium mit einer Einrichtung zur Bestimmung des geförderten Massen- oder Volumenstromes, umfassend ein einen Saugstutzen und einen Druckstutzen aufweisendes Gehäuse und ein in diesem drehbar gelagertes Laufrad, wobei mindestens ein Druckaufnehmer vorgesehen ist, welcher an eine Auswerteeinheit angeschlossen ist.

Gebläse der vorstehend angegebenen Art zählen in verschiedenen Ausführungen zum Stand der Technik. Einschlägig sind insbesondere die EP 0378570 B1 und die EP 0588910 B1. Dabei ist auf dem Strömungsweg zwischen zwei Druckmeßstellen, seien diese in einer Sonde (vgl. EP 0588910 B1) oder im Druckstutzen (vgl. EP 0378570 B1) angeordnet, eine Drossel (insbesondere in Form einer Blende) vorgesehen. Aus dem Druckabfall an der Drossel, d. h. der Druckdifferenz zwischen den beiden Druckmeßstellen kann bei bekannter Dichte des Strömungsmediums auf dessen Geschwindigkeit geschlossen werden. Aus dieser läßt sich wiederum bei bekanntem durchströmten Querschnitt in der Ebene der Drossel der Volumenstrom bestimmen. Weitere Gebläse mit Einrich tungen zur Bestimmung des Volumenstroms sind beispiels weise aus der EP 0419798 B2 und der EP 0641997 B1 bekannt. Die zuerst genannte Publikation betrifft einen Radialventilator, bei welchem einlaufseitig eine Messung des statischen Druckes erfolgt, welcher zur Bestimmung des Volumenstromes mit dem Umgebungsdruck verglichen wird. Das an zweiter Stelle genannte Doku ment offenbart eine Kreiselpumpe mit einer Einrichtung zur Messung der Fördermenge, bei der zwei Druck entnahmestellen so angeordnet sind, daß sich ein, wegen des lokal unterschiedlichen dynamischen Drucks, deut lich unterschiedliches Differenzdrucksignal zur Auswertung ergibt.

Bekannt ist des weiteren (vgl. DE 39 20 185 A1) eine elektromotorisch angetriebene, zur Förderung von Flüssigkeit ausgelegte Pumpe, insbesondere für eine Heizungsanlage, wobei Fühler zum Erfassen der Drehzahl, der elektrischen Stromstärke und/oder des Differenzdruckes angeordnet sind, um den geförderten Volumenstrom des Fluids zu ermitteln. Zusammen mit einem ebenfalls gemessenen Temperaturwert läßt sich hieraus die durchgesetzte Wärmemenge ermitteln.

Die bei bekannten Gebläsen der eingangs genannten Art vorgesehenen Meßeinrichtungen leiden unter verschie denen Nachteilen. Bei dem aus der EP 0588910 B1 bekannten Gebläse besteht die Gefahr einer mechanischen Beschädigung der in den Strömungskanal ragenden Sonde. Des weiteren kann sich eine unsymmetrische Anströmung, die vielfach aufgrund der spezifischen Einbausituation des Gebläses unvermeidbar ist, in Meßfehlern nieder schlagen. Dies trifft aufgrund der beengten Einbau verhältnisse beispielsweise für Gebläse zu, die im Rahmen von Klimatisierungssystemen für Luftfahrzeuge zum Einsatz kommen. Beim Gebläse gemäß der EP 0378570 B1 ist demgegenüber nachteilig, daß die druckseitig am Gebläse vorgesehene Meßeinrichtung speziell bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten zu Strömungsverlusten führt und daher aufgrund der Methodik nur für spezielle Anwendungen einsetzbar ist.

Aus den vorstehend dargelegten Nachteilen bekannter gattungsgemäßer Gebläse leitet sich die der vorliegen den Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung ab, die darin besteht, ein Gebläse der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der geförderte Massen- bzw. Volumenstrom auch im Falle einer ungünstigen Einbau situation mit einem hohen Maß an Genauigkeit bestimmbar ist, ohne daß die Bestimmung des Massen- oder Volumen stroms zu Strömungsverlusten führt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Anspruchs 1 gelöst. Es wird im Rahmen der Ermittlung des geförderten Massen- oder Volumenstromes somit neben anderen Größen die über das Laufrad gemessene Druckdifferenz herangezogen. Diese Druckdifferenz kann dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung über einen einzigen, als Differenz druckaufnehmer ausgebildeten Druckaufnehmer ermittelt werden. In gleicher Weise kommt in Betracht, daß die Signale zweier Druckaufnehmer in der Auswerteeinheit verglichen werden, um die Druckdifferenz zu bestimmen. In jedem Falle wird aus der Druckdifferenz über das Laufrad unter Berücksichtigung der speziellen Gas konstante R des zu fördernden Strömungsmediums der "Energiezuwachs" bestimmt, aufgrund dessen dann aus einer - numerisch oder als Polynom - abgespeicherten gebläsespezifischen Kennlinie der auf Kalibrier bedingungen reduzierte Volumenstrom abgelesen wird. Dieser wird anschließend auf die tatsächlichen Verhält nisse umgerechnet. Dabei wird sowohl bei der Bestimmung des auf Kalibrierverhältnisse reduzierten "Energie zuwachses" aus der Druckdifferenz wie auch bei der Ermittlung des tatsächlichen Volumenstroms aus dem aus der Kennlinie ermittelten reduzierten Volumenstrom von Ähnlichkeitsgesetzen Gebrauch gemacht, um die tatsäch lichen Verhältnisse und die Normverhältnisse, die die Grundlage für die kalibrierte Kennlinie bilden, in eine Relation zueinander zu bringen. Die zwischen der saug seitig angeordneten und der druckseitig angeordneten Druckmeßstelle bestehende Druckdifferenz wird unter Verwendung eines die Drehzahl des Laufrads repräsentie renden Drehzahlsignals und eines die Temperatur des Fördermediums repräsentierenden Temperatursignals, welche auf die Auswerteeinheit geschaltet sind, normiert. Auf der Grundlage dieser normierten Druck differenz wird dann über den kalibrierten Energie zuwachs anhand von in der Auswerteeinheit abge speicherten Kalibrierwerten der in der Kalibrierebene durch das Gebläse durchgesetzte Volumenstrom ermittelt. Besonders zweckmäßig ist dabei, wenn als Kalibrierebene dieselbe Ebene gewählt wird, die Grundlage für eine der Druckmessungen bzw. die Messung der Druckdifferenz über das Laufrad ist. Denn in diesem Fall ist wegen mehr facher Verwendbarkeit der gemessenen Größen der apparative und rechnerische Aufwand minimal.

Die hieraus abgeleitete direkte Ermittlung des Volumen stroms in einer anderen Ebene ist möglich unter Berück sichtigung der in jener Ebene gemessenen Werte des statischen Drucks sowie der Temperatur. Im übrigen ist eine Berechnung des Volumenstroms in einer anderen Ebene als der Kalibrierebene über den "Umweg" des Massenstroms möglich, der konstant ist und sich unmittelbar aus dem in der Kalibrierebene geförderten Volumenstrom unter Berücksichtigung des dort herrschen den Drucks sowie der dort herrschenden Temperatur ergibt. Ist beispielsweise der saugseitig durch das Gebläse durchgesetzte Volumenstrom von Interesse, so ist im Saugstutzen der statische Druck sowie die Temperatur des Strömungsmediums zu bestimmen.

Das erfindungsgemäße Gebläse kommt, wie sich aus Vorstehendem ergibt, ohne eine zwischen den beiden Druckaufnehmern angeordnete Drossel oder sonstige Strömungsverluste verursachende Einrichtung aus. Zudem bedarf es keiner zur Messung des Totaldrucks erforder lichen, in den Strömungskanal ragenden Sonde, so daß die Gefahr einer Beschädigung reduziert und auf diese Weise die Zuverlässigkeit der Messung erhöht wird.

Als maßgeblicher Vorteil des erfindungsgemäßen Gebläses gegenüber dem Stand der Technik erweist sich, daß sich auch bei unterschiedlichen und/oder ungünstigen Einbau situationen des erfindungsgemäßen Gebläses der Massen- bzw. Volumenstrom mit einem hohen Maß an Genauigkeit ermitteln läßt. Insbesondere ist der ermittelte Massen- bzw. Volumenstrom nicht abhängig von den Zuström bedingungen zum Gebläse, wie dies insbesondere bei dem Gebläse gemäß der EP 0419798 B2 der Fall ist.

Über den statischen Druck und die Temperatur läßt sich, was für die ggf. gewünschte Massenstrombestimmung vonnöten ist, die Dichte des Strömungsmediums ermitteln. Bevorzugt wird in diesem Zusammenhang aus der von einem saugseitig angeordneten Differenzdruck aufnehmer gemessenen Druckdifferenz gegenüber der Umgebung und dem Umgebungsdruck der statische Druck vor dem Laufrad und die von einem saugseitigen Temperatur fühler ermittelte Temperatur ausgewertet. In diesem Sinne zeichnet sich eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung dadurch aus, daß ein saugseitig angeordneter Temperaturfühler vorgesehen ist, welcher auf die Aus werteeinheit geschaltet ist, wobei in der Auswerte einheit zusätzlich zu der Druckdifferenz der saugseitig herrschende statische Druck ausgewertet wird.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können dem mindestens einen Druckaufnehmer als Einzelbohrungen ausgeführte Druckentnahmestellen zugeordnet sein. Dies erweist sich insbesondere dann als günstig, wenn mindestens ein statisches Drucksignal und/oder das Druckdifferenzsignal zur Bestimmung des Betriebspunktes des Gebläses in einem Schwingungsanalysator analysiert wird (siehe unten). Anstelle von derartigen Einzelbohrungen können dem mindestens einen Druck aufnehmer jedoch auch als Ringkanäle ausgeführte Druckentnahmestellen zugeordnet sein. Derartige Ring kanäle kompensieren durch asymmetrische Strömungs verhältnisse bedingte Meßfehler, indem sie den statischen Druck über den gesamten Umfang des jeweiligen Strömungskanals mitteln. Somit trägt die Ausgestaltung der Druckentnahmestellen als Ringkanäle zu einer weiteren Steigerung der Genauigkeit der Bestimmung des Massen- bzw. Volumenstromes bei, indem der Einfluß von Strömungsasymmetrien reduziert wird.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung ein Schwingungs analysator vorgesehen sein, welcher ein statisches Drucksignal mindestens eines Druckaufnehmers und/oder ein Druckdifferenzsignal hinsichtlich Frequenz und Am plitude analysiert. Diese Weiterbildung der Erfindung nutzt die Erkenntnis, daß jedes Gebläse ein für den momentanen Betriebspunkt charakteristisches Schwingungsverhalten des Fördermediums aufweist. Generell gilt, daß bei dem Betrieb eines Gebläses im stabilen Bereich das Fördermedium nur im geringen Umfang Druckschwingungen aufweist, während im Pump bereich und im unterkritischen Bereich der Kennlinie das Fördermedium im erheblichen Maße Druckschwingungen ausführt. Die Amplitude diese Schwingungen ist von der Größe und der Geometrie der Fluidsäule im Rohrsystem, vom Strömungswiderstand der Rohrleitung und vom Betriebszustand des Gebläses abhängig. Im Bereich des Laufrads sind die Amplituden dieser Schwingungen vom Strömungswiderstand der Rohrleitung und vom Betriebs zustand des Gebläses abhängig. Vor diesem Hintergrund ist es besonders günstig, wenn eine saugseitige Druckentnahmestelle unmittelbar vor dem Laufrad und eine druckseitige Druckentnahmestelle unmittelbar hinter dem Laufrad angeordnet sind. In diesem Falle ergibt sich ein besonders gut auswertbares Schwingungs verhalten des Differenzdrucksignals. Bei einem typischen Axialgebläse sind beispielsweise die Ampli tuden der Schwingungen im Bereich 20 Hz bis 100 Hz für die Bestimmung der Lage des Betriebspunktes entscheidend. Übersteigt die Anzahl der Über schreitungen der Amplituden über einen zur Betriebs drehzahl des Ventilators proportionalen, gebläse spezifischen Schwellenwert innerhalb eines bestimmten Zeitabschnitts (z. B. 1 sec) eine bestimmte Anzahl (z. B. 4), so liegt der Betriebspunkt im Pumpbereich oder im unterkritischen Bereich. Anderenfalls wird der Venti lator im stabilen Bereich betrieben.

Die Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung ist nicht auf einen bestimmten Gebläsetyp bzw. -aufbau einge schränkt. Vielmehr kann in Anwendung der vorliegenden Erfindung bei unterschiedlichsten Gebläsetypen der jeweilige Massen- bzw. Volumenstrom bestimmt werden. Insbesondere läßt sich die Erfindung sowohl bei Axial gebläsen wie auch bei Radialgebläsen oder Diagonal gebläsen anwenden. Im übrigen sind unter "Gebläse" im Sinne der vorliegenden Anmeldung Gebläse im weitesten Sinn zu verstehen einschließlich sog. Lüfter und Ventilatoren.

Claims

1. Gebläse für ein kompressibles Fördermedium mit einer Einrichtung zur Bestimmung des in einer Kalibrierebene geförderten Massen- bzw. Volumenstromes, umfassend ein einen Saugstutzen und einen Druckstutzen aufweisendes Gehäuse und ein in diesem drehbar gelagertes Laufrad, wobei mindestens eine saugseitig und mindestens eine druckseitig im Gehäuse vorgesehene Druckentnahmestelle vorgesehen sind, an die zur Bestimmung der über dem Laufrad bestehenden Druckdifferenz ΔP_1,2 mindestens ein Druckaufnehmer angeschlossen ist, der seinerseits an eine elektronische Auswerteinheit angeschlossen ist, welcher darüberhinaus ein die Drehzahl des Laufrads repräsentierendes Drehzahlsignal n, ein den statischen Druck in der Kalibrierebene repräsentierendes Drucksignal P_K sowie ein die tatsächliche Temperatur des Fördermediums in der Kalibrierebene repräsentierendes Temperatursignal T_K zugeführt werden, mit den folgenden Merkmalen:

1. Die Auswerteeinheit umfaßt einen Konstantenspeicher und einen Kennlinienspeicher, in denen einerseits die strömungsmediumspezifische spezielle Gaskonstante R und andererseits die auf Kalibrierverhältnisse reduzierte Gebläsekennlinie bei einer vorgegebenen Drehzahl n_kal des Laufrades und bei einer vorgegebenen Temperatur T_kal in der Kalibrierebene abgespeichert sind;
2. die Auswerteeinheit umfaßt ferner einen Prozessor, der die der Auswerteeinheit zugeführten bzw. in dieser gespeicherten Daten in einer oder mehreren Stufen verarbeitet zu
und aus dem Kennlinienspeicher den dem ermittelten Wert für H_is,_red,kal zugeordneten reduzierten Volumenstrom _red,kal und hieraus gemäß
den Volumenstrom bestimmt.

2. Gebläse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierebene und die der saugseitigen Druckentnahmestelle zugeordnete Ebene zusammenfallen, so daß die saugseitige Druckentnahmestelle zur Ermittlung von ΔP_1,2 sowie von P_K genutzt wird.

3. Gebläse nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebläsekennlinie in dem Gebläsekennlinienspeicher der Auswerteeinheit in Form einer numerischen Tabelle oder eines Polynoms abgespeichert ist.

4. Gebläse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert für P_K im Wege einer Differenzdruckmessung gegenüber dem Umgebungsdruck P₀ bestimmt wird.

5. Gebläse nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingungsanalysator vorgesehen ist, welcher ein statisches Drucksignal und/oder ein Druckdifferenzsignal mindestens eines Druck aufnehmers analysiert.

6. Gebläse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schwingungsanalysator ein Filter zugeordnet ist.

7. Gebläse nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, das die saugseitige Druckentnahmestelle unmittelbar vor dem Laufrad angeordnet ist.

8. Gebläse nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die druckseitige Druckentnahmestelle unmittelbar hinter dem Laufrad angeordnet ist.

9. Gebläse nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckentnahmestellen als Einzelbohrungen ausgebildet sind.

10. Gebläse nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckentnahmestellen als Ringkanäle ausgebildet sind.

11. Gebläse nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse als Axialgebläse ausgeführt ist.

12. Gebläse nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse als Radialgebläse ausgeführt ist.

13. Gebläse nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse als Diagonalgebläse ausgeführt ist.