DE202019102413U1 - Device for monitoring the operation of a fan - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung (1) zur Betriebsüberwachung eines Ventilators, der mit einem elektrischen Motor (2) antreibbar verbunden ist, umfassend eine Schaltungsanordnung mit einer Motorelektronik (10) aufweisend einen Mikrocontroller (11) zur Motorsteuerung und ein Mikrofon (12) zur Erfassung der Ventilatorgeräusche beim Betrieb des Ventilators, wobei ferner eine Signalaufbereitungsvorrichtung (20) vorgesehen ist, um die vom Mikrofon (12) erfassten analogen Signale bandpassgefiltert für den Mikrocontroller (11) aufzubereiten, so dass der Mikrokontroller (11) diese bandpassgefilterten Signale auswerten kann.

Figure DE202019102413U1_0000
Device (1) for monitoring the operation of a fan, which is drivably connected to an electric motor (2) comprising a circuit arrangement with an engine electronics (10) comprising a microcontroller (11) for motor control and a microphone (12) for detecting the fan noise during operation the fan, wherein a signal conditioning device (20) is further provided for the analogue signals detected by the microphone (12) bandpass filtered for the microcontroller (11), so that the microcontroller (11) can evaluate these bandpass filtered signals.
Figure DE202019102413U1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Betriebsüberwachung eines Ventilators, Lüfters oder einer Gebläseanordnung, insbesondere in einer Gastherme oder einer klimatechnischen Einrichtung.The invention relates to a device for monitoring the operation of a fan, fan or a blower arrangement, in particular in a gas boiler or an air conditioning device.

Ventilatoren, Lüfter und Gebläseanordnungen unterliegen einem anlagespezifischen betriebsabhängigen Verschleiß, so dass es schwierig ist, die Lebensdauer vorherzusagen, um mittels vorbeugender Instandhaltungsmaßnahmen den Lüfter möglichst kurz vor Erreichen seines Versagenszeitpunktes auszutauschen. Ein prophylaktischer Tausch wäre teuer und teilweise völlig überflüssig. Im Stand der Technik gibt es diverse Verfahren, um den Zustand des Lüfters im Betrieb zu beurteilen, wie zum Beispiel schwingungsdiagnostische Verfahren, die allerdings aufwendiges technisches Equipment zur Signalerfassung und Auswertung erfordern. Dies führt zu höheren Kosten in der Anlagenherstellung und im Anlagenbetrieb.Fans, fans and blower assemblies are subject to system-specific, operationally dependent wear, making it difficult to predict the lifetime to replace the fan as soon as possible before its failure time by means of preventive maintenance measures. A prophylactic exchange would be expensive and sometimes completely superfluous. In the prior art, there are various methods for assessing the condition of the fan during operation, such as vibration diagnostic methods which, however, require expensive technical equipment for signal acquisition and evaluation. This leads to higher costs in plant production and plant operation.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine einfachere und kostengünstig realisierbare Lösung bereit zu stellen, die zuverlässig den Zustand eines Ventilators überwachen kann.The invention is therefore based on the object to overcome the aforementioned disadvantages and to provide a simpler and cost-feasible solution that can reliably monitor the condition of a fan.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by the feature combination according to claim 1.

Erfindungsgemäß wird hierzu eine Vorrichtung zur Betriebsüberwachung eines Ventilators, der mit einem elektrischen Motor antreibbar verbunden ist, vorgeschlagen, umfassend eine Schaltungsanordnung mit einer Motorelektronik, aufweisend einen Mikrocontroller zur Motorsteuerung und ein Mikrofon zur Erfassung der Ventilatorgeräusche (Geräuschspektrum) beim Betrieb des Ventilators, wobei ferner eine Signalaufbereitungsvorrichtung vorgesehen ist, um die vom Mikrofon erfassten analogen Signale (korrespondierend zum Geräuschspektrum) bandpassgefiltert für den Mikrocontroller aufzubereiten, so dass der Mikrokontroller diese bandpassgefilterten Signale auswerten kann.According to the invention for this purpose a device for monitoring the operation of a fan, which is drivably connected to an electric motor proposed, comprising a circuit arrangement with an engine electronics, comprising a microcontroller for motor control and a microphone for detecting the fan noise (noise spectrum) in the operation of the fan, further a signal processing device is provided for conditioning the analog signals detected by the microphone (corresponding to the noise spectrum) band-pass filtered for the microcontroller, so that the microcontroller can evaluate these bandpass filtered signals.

Die Schallemission des Gebläses wird auf diese Weise über das Mikrofon, das sich vorzugsweise auf der Motorelektronik befindet, aufgenommen, aufbereitet und per Mikrocontroller anschließend ausgewertet. Um Ressourcen und Kosten beim Mikrocontroller zu sparen, kann dazu der ohnehin benötigte Motorcontroller die Signal-Auswertung zusätzlich zu seiner eigentlichen Motorsteueraufgabe auswerten. Dies wird mit Vorteil durch eine relativ geringe Abtastrate des Nutzsignals ermöglicht, was durch eine Signalaufbereitungsvorrichtung erfolgt.The sound emission of the fan is in this way via the microphone, which is preferably located on the engine electronics, recorded, processed and then evaluated by microcontroller. In order to save resources and costs for the microcontroller, the motor controller, which is required in any case, can evaluate the signal evaluation in addition to its actual motor control task. This is advantageously made possible by a relatively low sampling rate of the useful signal, which is done by a signal conditioning device.

In einer besonderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass sowohl die Motorsteuerung als auch die Signalauswertung der vom Mikrofon erfassten Signale mittels eines einzigen Mikrocontrollers realisiert sind.In a particular advantageous embodiment of the invention, it is therefore provided that both the motor control and the signal evaluation of the signals detected by the microphone are realized by means of a single microcontroller.

Hierfür muss das Nutzsignal zunächst jedoch vollständig analog aufbereitet und vorausgewertet werden. Hierzu ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Signalaufbereitungsvorrichtung einen Signalverstärker aufweist, um die vom Mikrofon erfassten analogen Signale zunächst um einen bestimmten Faktor zu verstärken, bevor eine Weiterverarbeitung der Signale erfolgt.For this, however, the useful signal must first of all be prepared in a completely analogue manner and pre-evaluated. For this purpose, it is provided in a preferred embodiment of the invention that the signal processing device has a signal amplifier to amplify the analog signals detected by the microphone first by a certain factor, before further processing of the signals takes place.

Weiter ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Mikrofon zusammen mit dem Mikrocontroller auf einer gemeinsamen Schaltungsanordnung, insbesondere einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet ist.Furthermore, it is advantageously provided that the microphone is arranged together with the microcontroller on a common circuit arrangement, in particular a common printed circuit board.

Ebenfalls ist mit Vorteil eine Anordnung vorgesehen, bei der die Signalaufbereitungsvorrichtung einen Bandpassfilter aufweist, der ausgebildet ist, um die vom Mikrofon erfassten und insbesondere verstärkten analogen Signale in einem oder mehreren vorbestimmten Frequenzbereichen zu filtern und nur einen gewünschten vorbestimmten Frequenzbereich der Signale zur Signalauswertung an eine nachgeschaltete Signalverarbeitungseinheit durchzulassen.Also advantageously an arrangement is provided, wherein the signal conditioning device comprises a bandpass filter which is designed to filter the microphone detected and in particular amplified analog signals in one or more predetermined frequency ranges and only a desired predetermined frequency range of the signals for signal evaluation to a pass downstream signal processing unit.

Die Erfindung sieht in einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung vor, die Signalaufbereitungsvorrichtung optional mit einer analog arbeitenden Peak-Detektor-Schaltung auszustatten, die ausgebildet ist, vom Bandpassfilter erhaltene Signale auf Vorhandensein von Signalen einer bestimmten Amplitude oder Amplitudenänderungen bei einer bestimmten Frequenz zu analysieren und die so detektierten Signale bestimmter Frequenz oder dazu korrespondierende Daten als digitale Daten einer bestimmten Abtastrate an den Mikrocontroller weiter zu geben. Dabei ist es besonders günstig, wenn die Abtastrate zum Abtasten der Signale zur Verarbeitung für den Mikrocontroller einstellbar ist, so dass insbesondere eine niedrige Abtastrate und damit niedrige Datenmenge an den Mikrocontroller zur Datenverarbeitung gelangt. Bei einer quasikontinuierlichen Überwachung genügt es daher, die Abtastrate zum Beispiel nach einer Neuinstallation anfänglich niedriger zu belassen als zu Zeiten bei denen erfahrungsgemäß erste Verschleißerscheinungen auftreten.In a likewise advantageous embodiment, the invention provides for optionally equipping the signal conditioning device with an analog peak detector circuit which is designed to analyze signals received from the bandpass filter for the presence of signals of a specific amplitude or amplitude changes at a specific frequency, and such Detected signals of specific frequency or corresponding data as digital data of a certain sampling rate to the microcontroller on. It is particularly advantageous if the sampling rate for sampling the signals for processing for the microcontroller is adjustable, so that in particular a low sampling rate and thus low amount of data reaches the microcontroller for data processing. In a quasi-continuous monitoring, it is therefore sufficient, for example, to leave the sampling rate initially lower after a new installation than at times when experience shows that first signs of wear occur.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Konzept zur Betriebsüberwachung eines Ventilators und insbesondere mit einer wie zuvor beschriebenen Vorrichtung mit den folgenden Schritten:

  1. a. Erfassen des vom Ventilator im Betrieb erzeugten Geräuschspektrums mit einem Mikrofon (12) in Form von analogen Signalen;
  2. b. Aufbereiten der analogen Signale durch einen Signalverstärker und Übertragung der verstärkten Signale an einen Bandpassfilter, der die Signale bandpassfiltert;
  3. c. Übermittlung der vom Bandpassfilter durchgelassenen nicht gefilterten Signale an eine Peak-Detektor-Schaltung, die ausgebildet ist zur Analyse und Detektion von Amplitudenmaxima bestimmter Frequenz, wobei die so detektierten Daten dann in Form von digitalen Signalen an einen Mikrocontroller, vorzugsweise den zur Motorsteuerung vorgesehenen Mikrocontroller mit einer vorbestimmten Abtastrate übertragen werden sowie
  4. d. Auswertung der von der Peak-Detektor-Schaltung erhaltener digitaler Signale, um daraus eine Information über den Betriebszustand des Ventiltors zu gewinnen.
Another aspect of the present invention relates to a concept for monitoring the operation of a fan, and more particularly to a device as described above comprising the following steps:
  1. a. Detecting the noise spectrum generated by the fan during operation with a microphone ( 12 ) in the form of analog signals;
  2. b. Processing the analog signals by a signal amplifier and transmitting the amplified signals to a bandpass filter that bandpass filters the signals;
  3. c. Transmission of the non-filtered signals passed by the bandpass filter to a peak detector circuit which is designed for analyzing and detecting amplitude maxima of a specific frequency, the data thus detected being in the form of digital signals to a microcontroller, preferably the microcontroller provided for motor control be transmitted at a predetermined sampling rate and
  4. d. Evaluation of the digital signals obtained from the peak detector circuit in order to obtain information about the operating state of the valve.

Letzteres kann zum Beispiel durch das Auswerten von bestimmten Amplituden bei bestimmten Frequenzen sein. So kann sich ein signifikanter Peak mit der Zeit in seiner Amplitude zunehmend verändern, so dass man aus der ersten zeitlichen Ableitung d(Af(t)/dt der über die Zeit erfasste Amplitudenkurve A(t) einer bestimmten Frequenz f eine Aussage über den Zustand des Ventilators machen kann.The latter can be, for example, by evaluating certain amplitudes at certain frequencies. Thus, a significant peak with time in amplitude can change increasingly, so that from the first time derivative d (A f (t) / dt of the detected over time amplitude curve A (t) of a certain frequency f a statement about the Condition of the fan can do.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn man ganz bestimmte akustischen Frequenzen f aus dem Frequenzspektrum mittels zuvor gewonnener empirischer Daten bestimmten strukturellen Ventilatorteilen oder Verschleißteilen zuordnet, um konkret zu wissen, ob es sich bei einer Fehlerdetektion um z. B. einen Lagerverschleiß, einen Flügelschaden, einen Motorwicklungsschaden etc. handelt, so dass man gezielter das Schadensbild aus der Auswertung des Schallspektrums erfassen kann.It is particularly advantageous if you assign certain acoustic frequencies f from the frequency spectrum by means of previously obtained empirical data certain structural fan parts or wearing parts to know concretely whether it is an error detection at z. B. bearing wear, wing damage, motor winding damage, etc., so that you can more specifically capture the damage from the evaluation of the sound spectrum.

Mit besonderem Vorteil wird hierzu eine Kurvenschar der akustischen Amplituden unterschiedlicher Frequenzen im Bereich der bandpassgefilterten Frequenzen über die Zeit (mit einer bestimmten Abtatsrate) erfasst und wie zuvor erläutert, ausgewertet.For this purpose, a set of curves of the acoustic amplitudes of different frequencies in the range of the band-pass filtered frequencies over the time (with a certain Abtatsrate) is detected with particular advantage and evaluated as previously explained.

Das Konzept lässt sich besonders kosteneffizient und bauteiloptimiert durchführen, wenn aufgrund der gewählten niedrigen Abtastrate der Mikrocontroller synchron während seiner aktiven Funktion zur Motorsteuerung die Signalauswertung der erhaltenen Signale vornimmt.The concept can be carried out in a particularly cost-efficient and component-optimized manner if, due to the selected low sampling rate, the microcontroller performs the signal evaluation of the received signals synchronously during its active function for motor control.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Gastherme umfassend einen Lüfter, ausgestattet mit einer wie zuvor beschriebenen Vorrichtung.Another aspect of the present invention relates to a gas boiler comprising a fan equipped with a device as described above.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are shown in more detail below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to FIGS.

Es zeigt:

  • 1 eine schematische Konzeptzeichnung der Realisierung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
It shows:
  • 1 a schematic conceptual drawing of the realization of a device according to the invention.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels gemäß 1 exemplarisch beschrieben.In the following the invention with reference to the embodiment according to 1 described by way of example.

Die Vorrichtung 1 ist spezifisch ausgebildet zur Betriebsüberwachung eines nicht dargestellten Ventilators, der mit einem elektrischen Motor 2 antreibbar verbunden ist. Die Vorrichtung 1 umfasst hierzu eine Schaltungsanordnung mit einer Motorelektronik 10, wobei die Motorelektronik einen Mikrocontroller 11 zur Motorsteuerung besitzt. Zusätzlich ist ein Mikrofon 12 auf der Motorelektronikleiterplatte 3 zur Erfassung der Ventilatorgeräusche beim Betrieb des Ventilators angeordnet.The device 1 is specifically designed to monitor the operation of a fan, not shown, with an electric motor 2 is connected drivable. The device 1 For this purpose, a circuit arrangement with an engine electronics 10 , where the engine electronics a microcontroller 11 owns to the engine control. In addition, a microphone 12 on the engine electronics board 3 arranged to detect the fan noise during operation of the fan.

Die gezeigte Signalaufbereitungsvorrichtung 20 ist vorgesehen, um die vom Mikrofon 12 erfassten analogen Signale bandpassgefiltert für den Mikrocontroller 11 aufzubereiten. Der Mikrokontroller 11 ist ausgebildet die erhaltenen bandpassgefilterten Signale auszuwerten. Hierzu stehen unterschiedliche Auswertemethoden zur Verfügung.The signal conditioning device shown 20 is intended to be from the microphone 12 detected analog signals bandpass filtered for the microcontroller 11 prepare. The microcontroller 11 is designed to evaluate the obtained bandpass filtered signals. Different evaluation methods are available for this.

Die Signalaufbereitungsvorrichtung 20 besitzt einen Signalverstärker 21 zur Verstärkung der vom Mikrofon 12 erfassten analogen akustischen Signale.The signal conditioning device 20 has a signal amplifier 21 to amplify the microphone 12 recorded analog acoustic signals.

Dahinter befindet sich ein Bandpassfilter 22, der ausgebildet ist, um die vom Signalverstärker 21 verstärkten analogen Signale in einem oder mehreren vorbestimmten Frequenzbereichen zu filtern und nur einen gewünschten vorbestimmten Frequenzbereich der Signale zur nachfolgenden Signalauswertung an eine nachgeschaltete Signalverarbeitungseinheit durchzulassen.Behind it is a bandpass filter 22 which is adapted to that of the signal amplifier 21 to amplify amplified analog signals in one or more predetermined frequency ranges and pass only a desired predetermined frequency range of the signals for subsequent signal evaluation to a downstream signal processing unit.

Diese nachgeschaltete Einheit ist eine analoge Peak-Detektor-Schaltung 23 zur Detektion von Peaks in dem bandpassgefilterten akustischen Frequenzspektrum. Die Peak-Detektor-Schaltung 23 ist daher ausgebildet, vom Bandpassfilter erhaltene Signale auf Vorhandensein von Signalen einer bestimmten Amplitude oder Amplitudenänderungen bei einer bestimmten Frequenz zu analysieren und die so detektierten Signale bestimmter Frequenz oder dazu korrespondierende Daten als Digitale Daten mit einer bestimmten Abtastrate an den Mikrocontroller 11 weiter zu geben.This downstream unit is an analog peak detector circuit 23 for detecting peaks in the bandpass filtered acoustic frequency spectrum. The peak detector circuit 23 is therefore designed to analyze signals received from the bandpass filter for the presence of signals of a specific amplitude or amplitude changes at a specific frequency and the signals of particular frequency thus detected or data corresponding thereto as digital data at a specific sampling rate to the microcontroller 11 to pass on.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.The invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiments. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types of use.

Claims (8)

Vorrichtung (1) zur Betriebsüberwachung eines Ventilators, der mit einem elektrischen Motor (2) antreibbar verbunden ist, umfassend eine Schaltungsanordnung mit einer Motorelektronik (10) aufweisend einen Mikrocontroller (11) zur Motorsteuerung und ein Mikrofon (12) zur Erfassung der Ventilatorgeräusche beim Betrieb des Ventilators, wobei ferner eine Signalaufbereitungsvorrichtung (20) vorgesehen ist, um die vom Mikrofon (12) erfassten analogen Signale bandpassgefiltert für den Mikrocontroller (11) aufzubereiten, so dass der Mikrokontroller (11) diese bandpassgefilterten Signale auswerten kann.Device (1) for monitoring the operation of a fan, which is drivably connected to an electric motor (2) comprising a circuit arrangement with an engine electronics (10) comprising a microcontroller (11) for motor control and a microphone (12) for detecting the fan noise during operation the fan, wherein a signal conditioning device (20) is further provided for the analogue signals detected by the microphone (12) bandpass filtered for the microcontroller (11), so that the microcontroller (11) can evaluate these bandpass filtered signals. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Motorsteuerung als auch die Signalauswertung der vom Mikrofon erfassten Signale mittels dem insbesondere einen Mikrocontroller (11) realisiert sind.Device after Claim 1 , characterized in that both the motor control and the signal evaluation of the signals detected by the microphone are realized by means of the particular a microcontroller (11). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrofon (12) zusammen mit dem Mikrocontroller (11) auf einer gemeinsamen Schaltungsanordnung, insbesondere einer gemeinsamen Leiterplatte (3) angeordnet ist.Device after Claim 1 or 2 , characterized in that the microphone (12) together with the microcontroller (11) on a common circuit arrangement, in particular a common circuit board (3) is arranged. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitungsvorrichtung (20) einen Signalverstärker (21) aufweist, um die vom Mikrofon (12) erfassten analogen Signale um einen bestimmten Faktor zu verstärken.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the signal conditioning device (20) comprises a signal amplifier (21) to amplify the analog signals detected by the microphone (12) by a certain factor. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitungsvorrichtung (20) einen Bandpassfilter (22) aufweist, der ausgebildet ist, um die vom Mikrofon (12) erfassten und insbesondere verstärkten analogen Signale in einem oder mehreren vorbestimmten Frequenzbereichen zu filtern und nur einen gewünschten vorbestimmten Frequenzbereich der Signale zur Signalauswertung an eine nachgeschaltete Signalverarbeitungseinheit durchzulassen.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the signal conditioning device (20) comprises a bandpass filter (22) which is designed to filter the microphone (12) detected and in particular amplified analog signals in one or more predetermined frequency ranges and only to pass a desired predetermined frequency range of the signal evaluation signals to a downstream signal processing unit. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitungsvorrichtung (20) eine analoge Peak-Detektor-Schaltung (23) aufweist, die ausgebildet ist, vom Bandpassfilter erhaltene Signale auf Vorhandensein von Signalen einer bestimmten Amplitude oder Amplitudenänderungen bei einer bestimmten Frequenz zu analysieren und die so detektierten Signale bestimmter Frequenz oder dazu korrespondierende Daten als Digitale Daten einer bestimmten Abtastrate an den Mikrocontroller (11) weiter zu geben.Device after the previous one Claim 5 characterized in that the signal conditioning device (20) comprises an analog peak detector circuit (23) adapted to analyze signals received from the band pass filter for the presence of signals of a particular amplitude or amplitude variations at a particular frequency and the signals thus detected certain frequency or corresponding data as digital data of a certain sampling rate to the microcontroller (11) to pass. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastrate zum Abtasten der Signale für den Mikrocontroller (11) einstellbar ist, so dass insbesondere eine niedrige Abtastrate und damit niedrige Datenmenge an den Mikrocontroller (11) zur Datenverarbeitung gelangt.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sampling rate for sampling the signals for the microcontroller (11) is adjustable, so that in particular a low sampling rate and thus low amount of data reaches the microcontroller (11) for data processing. Gastherme umfassend einen Lüfter, ausgestattet mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.Gas boiler comprising a fan equipped with a device according to one of Claims 1 to 7 ,
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116194012A (en) * 2020-07-31 2023-05-30 力高专利股份公司 Blower equipped with motor

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