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1. (WO2018137988) DEVICE AND METHOD FOR DETECTING FILTER CLOGGING
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Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion einer Filterverstopfung

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion und Messung einer Filterverschmutzung.

In lufttechnischen Anlagen werden neben Ventilatoren typischerweise Filter zur Luftreinigung eingesetzt. Bei vielen Geräten kann der Anwender von au-ßen nicht ohne weiteres feststellen ob der Filter bereits so verschmutzt oder mit Schmutzpartikeln zugesetzt ist, dass er gereinigt oder ausgetauscht werden müsste.

Die Feststellung und Messung der Filterverschmutzung wird im Stand z. B. mit zusätzlichen Sensoren oder Einrichtungen durchgeführt, wie z. B. mit einem Infrarotsensor zur Messung der Filterverschmutzung. Mit einem Infrarot-filter wird der Verschmutzungsgrad z. B. in der Weise gemessen, dass eine Infrarotlichtquelle in den Filter hineinstrahlt und auf der gegenüberliegenden Seite durch den dort angebrachten Reflektionsspiegel zurückgeworfen und gemessen wird. Ist der Filter wenig verschmutzt wird viel Licht reflektiert, ist er stark verschmutzt kommt am Messpunkt kaum noch Licht an. Aus dieser Differenz der Strahlungsstärke errechnet die Elektronik den Grad der Ver-schmutzung. Wird kein Licht mehr reflektiert, schaltet sie z. B. auch die Stromversorgung des Ventilators in dem betroffenen Luftkanal ab.

Eine andere Methode ist die Differenzdruckmessung vor und nach dem Filter, wobei sich der Differenzdruck mit zunehmender Filterverschmutzung messen lässt und daraus Rückschlüsse auf den Grad der Verschmutzung ergeben. Nachteilig ist dabei, dass es zusätzlicher Messeinrichtungen bedarf und sich der Differenzdruck auch auf Grund anderer strömungstechnischer Einflüssen ändern kann.

Aus der DE 4037685 A1 ist eine Filterkontrolleinrichtung für Innenraum-Luftfilter von Kraftfahrzeugen mit einem elektrischen Gebläsemotor mit einem in dessen Ansaugbereich angeordneten Filter bekannt, einer elektronischen Gebläsemotordrehzahlsteuerung. Die Gebläsemotordrehzahlsteuerung und eine Klimaregelungseinheit sind an Ausgängen einer zentralen Steuereinheit angeschlossen, über die mittels eines Steuerprogramms ein automatischer Filterkontrollvorgang durchführbar ist und an deren Eingänge über Ana-log/Digitalwandler Signalaufbereitungseinrichtungen sowie ein Anlassstrommesser angeschlossen sind. Hierzu sind ebenfalls gesonderte Mess- und Steuerungseinrichtungen notwendig, die es bereits aus Kostengründen zu vermeiden gilt.

Der Filterverschmutzungsgrad beeinflusst ferner das erforderliche Drehmoment des Ventilators in einer lufttechnischen Anlage, so dass die Motorparameter permanent verändert werden müssen und der Ventilator auch zunehmend in einem weniger optimalen Betriebsbereich arbeitet.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und ein einfaches, kostengünstiges Konzept für die Detektion und/oder Messung einer Filterverschmutzung vorzusehen, welches mit einer geringen Anzahl an Komponenten realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 ge-löst.

In einem geschlossenen Luftströmungskanal oder Raum baut ein Ventilator, wie z. B. ein Radialventilator einen Druck auf („Druckspeicher"), im Leerlauf kann sich dieser Druck wieder entspannen und wirkt sich so auf das Bremsverhalten des Ventilators aus. Je nach Verschmutzungsgrad und Luftdurch-lass des Filters wird der Druck schneller oder langsamer auf- und abgebaut.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Detek-tionsverfahren zum Erkennen einer Filterverschmutzung eines Luftfilters in einem Strömungsbereich eines Ventilators vorzusehen, bei dem der Zusammenhang der Leistungsaufnahme des Ventilators und dessen Ist- Ansteue-rungsgrad (PWM-Austeuerung) sowie die Ist-Drehzahl dazu verwendet werden einen Rückschluss auf die Filterverschmutzung zu ziehen.

Die Bestimmung der Leistungsaufnahme des Ventilators kann, sofern eine integrierte Messschaltung zu ungenau arbeitet, durch eine hinterlegte Kennlinie kompensiert und damit präzisiert werden. Hierzu fährt der Ventilator bei seiner Inbetriebnahme mit sauberem Filter seine Ventilator-Kennlinie ab und zeichnet dabei eine ausreichende Anzahl von Ist-Drehzahl und Ist-Aussteuergraden als Wertepaare auf. Das Einmessen einer Kennlinie kann alternativ durch Einspielen einer vorhandenen Kennlinie z.B. über einen Datenbus erfolgen, indem entsprechend für die Einbausituation und die gewählte Filtertype passende Daten aus einer Datenbank verwendet werden.

Zusätzlich wird in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß dem erfin-dungsgemäßen Verfahren die Zwischenkreisspannung und der Zwischen-kreisstrom erfasst. Diese Daten werden in einem Speicher des Ventilators gespeichert und daraus kann unmittelbar ein Rückschluss auf die Filterverschmutzung gezogen werden.

Ein positiver Nebeneffekt des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass der Alterungsprozess des Ventilators verlangsamt wird. Zur Alterung zählt beispielsweise der Verschleiß des Lagers, wofür es heutzutage bereits entsprechende Lebensdauerberechnungsmodelle gibt. Alternativ können auch Lagerlebensdauer bestimmende Parameter mittels entsprechender Sensoren gemessen werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vergleicht der Ventilator im laufenden Betrieb die aktuelle Ist-Drehzahl und den Ist-Aussteuergrad mit den entsprechenden gespeicherten Soll-Daten. Erfindungsgemäß findet damit ein Wertepaarvergleich statt. Weicht der zu einem gespeicherten Drehzahlwert entsprechend gespeicherte Aussteuergrad zum aktuellen Ist-Aussteuergrad des aktuellen Ist-Drehzahlwertes weiter als ein vorgegebener zulässiger Abweichungswert ab, wird dieser Zustand als Filterverschmutzung gewertet, da bei einer Filterverschmutzung der Aussteuergrad erhöht werden muss, um zu einer gewünschten Drehzahl zu gelangen, die bei einem nicht oder weniger verschmutztem Filter vorläge.

Mittels Erfassung der Zwischenkreisspannung und des Zwischenkreisstroms, ist es möglich das Verfahren weiter abzusichern und Festzustellen, ob die Abweichung nicht vom Ventilator (z. B. Lagerschaden) oder aus der Ansteue-rungsschaltung für den Ventilator stammt. Für den Grad der erlaubten Ab- weichung wird erfindungsgemäß ein Toleranzband mit Maximalwerten und Minimalwerten definiert.

Die Meldung eines verschmutzten Filters kann als Warnung auf dem Bus, als Blinkcode einer LED oder als gesetztes Fehlermelderelais erfolgen. Das Feh-lersignal kann über eine geeignete Schnittstelle auch nach Extern ausgegeben werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine aufwendige und möglicherweise anfällige Sensorik überflüssig, die zudem kostentreibend ist. Die erfindungsgemäße Lösung sieht dagegen lediglich eine Auswerteeinheit vor, in der Zusammenhänge zwischen Drehzahl und Aussteuerungsgrad, sowie optional noch der Zwischenkreisspannung und dem Zwischenkreisstrom genutzt werden.

Gemäß der Idee der Erfindung kann der Verschmutzungsgrad berechnet werden, wenn die Abweichung der Ist-Werte von den Soll-Werten ein linea-res Verhalten aufweist und die absolute Abweichung ermittelt wird. Der so ermittelte Wert kann über einen Datenbus abfragbar sein oder als analoges Spannungssignal an einem Signalausgang anliegen. Bevorzugt würde eine niedrige Spannung als geringe Verschmutzung und eine max. zulässige Spannung des Analogsignals als maximal zulässige Verschmutzung gewer-tet.

Die zeitdiskrete oder kontinuierliche Erfassung der Werte über die Zeit kann ebenfalls ausgewertet werden und aus der Ableitung nach der Zeit kann auch eine schleichende Veränderung der Filterverschmutzung bis zu einem maximalen zulässigen Verschmutzungsgrad detektiert werden. Ist dabei die erste Ableitung nach der Zeit in etwa konstant, so lässt sich daraus eine kontinuierliche und zunehmende Filterverschmutzung ableiten.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, die Drehrichtung des Ventilators für eine definierte Zeit umzukehren und dabei werden kontinuierlich der Ist-Aussteuerungsgrad, die Ist-Drehzahl und der Zwischenkreisstrom und die Zwischenkreisspannung aufgezeichnet.

Hierbei wird Änderungsrate des PWM-Signal beim Freiblasen des Filters während des Rückwärtsbetriebs ausgewertet, wobei durch Einbeziehung der spezifischen Parameter des Ventilators der Umstand kompensiert wird, dass Lüfterräder typischerweise auf Vorwärtsdrehrichtung technisch optimiert sind und die Ventilatoren in der Rückwärtsdrehrichtung daher nur eine eingeschränkte Luftperformance erzielen.

Erfindungsgemäß wird in einer weiteren Ausgestaltung ein Drehzahlsprung auf den Ventilator gegeben dessen Sprungantwort aufgezeichnet und ausgewertet wird. Der Filter wirkt dabei wie ein Tiefpass. Die Ausgangskenngrö-ßer hierbei ist das Ist-PWM-Signal. Ist der Filter wenig verschmutzt, klingt es sehr schnell ab, ist der Filter stark verschmutzt klingt es nur langsam ab. Es wird also die Änderungsrate des Ist-PWMs betrachtet. Diese Ausgestaltung ist ähnlich zur vorgenannten Methode des Rückwärtsbetriebs, nur dass keine Kompensation der im Rückwärtsbetrieb schlechteren Luftleistung der Lüfterräder vorgenommen werden muss.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird der Filter zusätzlich durch mathematische Parameter in einem Modell beschrieben. Die Sprungantwort liefert Ist-Werte dieser Parameter, die dann mit den idealen Werten aus dem Modell verglichen werden. Solche Filterparameter lassen sich u.a. mittels Kaiman-Filter oder anderen Gradienten-Verfahren gewinnen. Es findet hierbei auch eine Auswertung der Tendenz über die Zeit statt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass durch eine gezielte Modulation des Motorstromes mit einem in Phase und Amplitude bekannten sinusförmigen Trägersignal, der Ventilator mithilfe seiner Flügel als Lautsprecher verwendet werden kann. Es ist die Eigenschaft eines Lautsprechers,

dass dieser auch Schwingungen, somit Töne empfangen kann. Die vom Ventilator empfangenen Töne äußern sich wiederum in Änderungen des Motorstromes, insofern dass zu den ausgesendeten Signalen eine Phasenverschiebung und Amplitudenreduktion im Motorstrom auftritt. Ein Filter dämpft nun in Abhängigkeit seiner Verschmutzung diese Ultraschallsignale, so dass das empfangene Signal sowohl in Amplitude als auch in der Phasenlage eine Information über den Verschmutzungsgrad bietet. Die Auswertung der Signale im Strom des Motors des Ventilators kann beispielsweise durch Korrelation des gesendeten mit dem Empfangen Signal erfolgen. Durch eine Variation der Sendefrequenz können dabei auch Störsignale ausgeblendet werden.

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.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zum Detektieren einer Filterverschmutzung in der Filteranlage 2, wobei die Filteranlage 2 aus wenigstens einem in einer Luftführung 20 installierten Luftfilter 10 und einem elektrisch angesteuerten Ventilator 30 zum Erzeugen eines Luftstroms in der Luftführung 20 besteht. Die Vorrichtung 1 verfügt über eine Motorsteuerung 40 zum Ansteuern des Ventilator-Motors, wobei zur Drehzahlregelung eine PWM-Ansteuerung 32 vorgesehen ist. Ferner ist eine Auswerteeinrichtung 50 zur Ermittlung Ist-Drehzahl n, des Ventilators 30 in Abhängigkeit vom Ist-Aussteuergrades (Tastgrad) des Motor-stroms zur Erzielung der aktuellen Drehzahl nj vorgesehen.

In der Auswerteeinrichtung 50 sind ferner Sollwertpaare nsoii, TSon für die Soll-Drehzahl nsoii der Filteranlage 2 bei einem bestimmten Aussteuergrad Tsoii hinterlegt. Darüber hinaus ist in der Vorrichtung ein Komparator 51 vorgesehen, um die jeweiligen Ist-Wertepaare nj, "Π mit den hinterlegten Soll-Wertepaaren nsoii, soii zu vergleichen und daraus den Grad der Filterverschmutzung des Luftfilters 10 zu ermitteln. Sobald die Abweichung größer ist wie ein vorgegebener Grenzwert in einem Toleranzband, wird über die Schnittstelle 60 ein Signal an die LED-Leuchte 61 ausgegeben, wie eine unzulässige Filterverschmutzung anzeigt.

In der Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Schritte des erfindungsgemäßen Detektionsverfahren zum Ermitteln einer Filterverschmutzung einer Filteranlage gezeigt, welches mit der Vorrichtung nach Fig. 1 durchgeführt werden kann. Bei dem Verfahren sind die folgenden Schritte vorgesehen.

Zunächst erfolgt in einem Schritt 100, das Erfassen oder Einspielen der Mo-torkennlinie betreffend der Drehzahl in Abhängigkeit vom Aussteuergrad in der Filteranlage 2 bei dem der Luftfilter 10 unverschmutzt ist, so z. B. beim Einfahren der Anlage oder bei einem Filterwechsel.

Diese Werte-Paare werden in dem Schritt 110 als Sollwertepaaren nsoii, Tsoii in einem Datenspeicher der Vorrichtung 1 hinterlegt.

Beim Betrieb der Anlage erfolgt in einem Schritt 120 das jeweilige Ermitteln der Ist-Drehzahl n, des Ventilators 30 und des Ist-Aussteuergrades T, des Motorstroms zur Erzielung der aktuellen Ist-Drehzahl n,.

In einem weiteren Schritt 130 erfolgt ein Vergleich der Ist-Wertepaare n,, Tj mit dem Komparator 51 der Vorrichtung 1 mit den hinterlegten Sollwertepaaren nsoii. Tsoii-

Nachfolgend, in dem Schritt 140 erfolgt dann die Bestimmung ob die ermittel-te Abweichung der Ist-Wertepaare n,, Tj von den Sollwertepaaren nsoii, soii eine maximale vorbestimmte Abweichung übersteigt. Die Abweichung kann dabei als Bandabweichung in einem zulässigen Toleranzband ermittelt werden, wobei entweder die Drehzahl bei einer bestimmten Leistungsaufnahme und damit einem bestimmten Tastgrad zu niedrig ist oder ob ein zu hoher Tastgrad notwendig ist, um eine bestimmte Drehzahl zu erzielen. Insbesondere, wenn die Abweichung der Ist-Werte von den Soll-Werten ein lineares Verhalten über die Zeit aufweist, lässt sich aus der zunehmenden Abweichung nicht nur die aktuelle Filterverstopfung, sondern auch der Zeitpunkt der maximal zulässigen Verschmutzung vorherberechnen, an dem ein Filter-Wechsel stattfinden sollte.