DE102013109134A1

DE102013109134A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Durchströmungsmenge an einem Flüssigkeitsfördersystem, Verfahren zur Bestimmung einer Energiemenge einer Förderflüssigkeit, Flüssigkeitsfördersystem und Pumpe

Info

Publication number: DE102013109134A1
Application number: DE201310109134
Authority: DE
Inventors: Oliver Laing
Original assignee: Xylem IP Holdings LLC
Current assignee: Xylem IP Holdings LLC
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2015-02-26
Also published as: EP3036509B1; WO2015024961A1; US20190277278A1; US20160169220A1; EP3036509A1; US10352317B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Durchströmungsmenge an einem Flüssigkeitsfördersystem vorgeschlagen, bei welchem eine Flüssigkeit durch eine Pumpe gefördert wird, wobei die Pumpe einen Elektromotor umfasst und im Betrieb des Elektromotors der Elektromotor mit einer ersten Drehzahl betrieben wird und aus einer gemessenen Motorleistung und der Drehzahl die Durchströmungsmenge ermittelt wird, umfassend: – Erhöhung der ersten Drehzahl auf eine zweite Drehzahl, welche größer ist als die erste Drehzahl; – Ermittlung einer zweiten Durchströmungsmenge bei der zweiten Drehzahl aus der Motorleistung und der zweiten Drehzahl; – Ermittlung einer dritten Durchströmungsmenge aus der zweiten Durchströmungsmenge durch Extrapolation von der zweiten Drehzahl auf die erste Drehzahl, wobei die dritte Durchströmungsmenge die Zielgröße ist; und – nach Ermittlung der zweiten Durchströmungsmenge (Q(n2)) Reduktion der Drehzahl (n) wieder auf die erste Drehzahl (n1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Durchströmungsmenge an einem Flüssigkeitsfördersystem, bei welchem eine Flüssigkeit durch eine Pumpe gefördert wird, wobei die Pumpe einen Elektromotor umfasst und im Betrieb des Elektromotors der Elektromotor mit einer ersten Drehzahl betrieben wird und aus einer gemessenen Motorleistung und der Drehzahl die Durchströmungsmenge ermittelt wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung einer Energiemenge einer Förderflüssigkeit in einem Flüssigkeitsfördersystem, bei dem die Energiemenge aus einer Durchströmungsmenge im Flüssigkeitsfördersystem, einer gemessenen Vorlauf-Temperatur und einer gemessenen Rücklauf-Temperatur ermittelt wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Flüssigkeitsfördersystem, umfassend einen Flüssigkeitskreislauf und mindestens eine Pumpe mit einem Elektromotor, wobei die Pumpe eine Steuerungseinrichtung aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Pumpe und insbesondere Umwälzpumpe zur Flüssigkeitsförderung mit einem Elektromotor und einer Steuerungseinrichtung.
Aus der DE 10 2007 054 313 A1 ist eine Umwälzpumpe für eine Förderflüssigkeit bekannt, umfassend einen Elektromotor, welcher elektronisch kommutiert ist, mit einem Rotor, einem Stator und einer Motorschaltung, und einem Schaufelrad, welches drehfest mit dem Rotor verbunden ist. Der Elektromotor weist eine Auswertungseinrichtung auf, durch welche bei der Drehzahl des Rotors und/oder eine Leistungsaufnahme des Elektromotors eine Durchströmungsmenge an Förderflüssigkeit durch die Umwälzpumpe bestimmbar ist, und es ist mindestens ein Signalausgang vorgesehen, an welchem durch die Umwälzpumpe ein Durchströmungsmengen-Signal und/oder Durchströmungsmengen-abhängiges Schaltsignal bereitstellbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem sich auf einfache und genaue Weise die Durchströmungsmenge an einem Flüssigkeitsfördersystem ermitteln lässt.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die erste Drehzahl auf eine zweite Drehzahl erhöht wird, welche größer ist als die erste Drehzahl, eine zweite Durchströmungsmenge bei der zweiten Drehzahl aus der Motorleistung und der zweiten Drehzahl ermittelt wird, eine dritte Durchströmungsmenge aus der zweiten Durchströmungsmenge durch Extrapolation von der zweiten Drehzahl auf die erste Drehzahl ermittelt wird, wobei die dritte Durchströmungsmenge die Zielgröße ist, und nach Ermittlung der zweiten Durchströmungsmenge die Drehzahl wieder auf die erste Drehzahl reduziert wird.
Grundsätzlich lässt sich aus der Motorleistung (der von dem Elektromotor aufgenommenen Leistung) und der Drehzahl die Durchströmungsmenge bestimmen. Wenn also die Drehzahl bekannt ist und die Motorleistung bei der Drehzahl bekannt ist, dann lässt sich dadurch die Durchströmungsmenge bestimmen. Bei kleinen Durchströmungsmengen wirkt sich jedoch ein systematischer Fehler stark aus; dieser systematische Fehler ist beispielsweise durch Lagerreibung und den Eigenverbrauch von elektrischen und elektronischen Komponenten des Elektromotors verursacht. Die entsprechende elektrische Leistungsaufnahme des Elektromotors enthält einen Anteil, der "nicht-hydraulisch" ist. Wenn bei entsprechenden kleinen Durchströmungsmengen dann diese aus der gemessenen Motorleistung und der Drehzahl bestimmt wird, wirkt sich der entsprechende systematische Fehler besonders aus.
Erfindungsgemäß wird ausgehend von der ersten Drehzahl die Drehzahl des Elektromotors (des Rotors des Elektromotors) auf eine zweite, höhere Drehzahl erhöht. Die zweite Drehzahl ist dabei insbesondere ein Vielfaches wie beispielweise das Doppelte der ersten Drehzahl. Bei der zweiten Drehzahl wird die Motorleistung bestimmt und daraus die zweite Durchströmungsmenge ermittelt.
Es wird dann ausgehend von den bekannten Größen der ersten Drehzahl, der zweiten Drehzahl und der Durchströmungsmenge bei der zweiten Drehzahl die dritte Durchströmungsmenge durch Extrapolation berechnet. Es wird dabei ausgegangen von dem bekannten Zusammenhang zwischen Durchströmungsmenge und Drehzahl.
Die dritte Durchströmungsmenge ist die Zielgröße. Eine erste Durchströmungsmenge kann direkt aus der ersten Drehzahl und der Motorleistung bei der ersten Drehzahl bestimmt werden. Die dritte Durchströmungsmenge resultiert aus einer verbesserten Bestimmung der tatsächlichen Durchströmungsmenge bei der ersten Drehzahl, da der Einfluss des systematischen Fehlers bei der Bestimmung der dritten Durchströmungsmenge kleiner ist als bei der "Direktbestimmung" der ersten Durchströmungsmenge.
Nach Ermittlung der zweiten Durchströmungsmenge wird die Drehzahl wieder auf die erste Drehzahl reduziert. Es wird gewissermaßen der Normalbetrieb fortgesetzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auf einfache Weise an der Pumpe oder einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung des Flüssigkeitsfördersystems implementieren. Insbesondere sind keine mechanischen Modifikationen oder dergleichen notwendig.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass vor Erhöhung der Drehzahl geprüft wird, ob eine bei der ersten Drehzahl aus der Motorleistung der ersten Drehzahl ermittelte erste Durchströmungsmenge unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt und wenn die Prüfung ergibt, dass der Grenzwert unterschritten ist, wird die Drehzahl auf die zweite Drehzahl erhöht. Wenn beispielsweise die Prüfung ergibt, dass der Grenzwert nicht unterschritten ist, dann bedeutet dies, dass der Einfluss des systematischen Fehlers toleriert wird und eine Erhöhung nicht notwendig ist. Wenn dagegen die Prüfung ergibt, dass der Grenzwert unterschritten ist, dann bedeutet dies, dass der Einfluss des systematischen Fehlers nicht mehr toleriert wird und eben eine Extrapolation notwendig ist.
Insbesondere ist die erste Drehzahl eine Soll-Drehzahl oder Betriebs-Drehzahl für den Normalbetrieb des Flüssigkeitsfördersystems.
Günstigerweise ist die Extrapolation eine lineare Extrapolation. Es besteht insbesondere bei einem elektronisch kommutierten Elektromotor ein linearer Zusammenhang zwischen der Durchströmungsmenge und der Drehzahl.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird die zweite Drehzahl als vorgegebenes Vielfaches der ersten Drehzahl gewählt. Beispielsweise ist die zweite Drehzahl das Doppelte der ersten Drehzahl. Insbesondere lässt sich bei geeigneter Wahl des Vielfachen (welches nicht unbedingt ein ganzzahliges Vielfaches sein muss) erreichen, dass der relative Einfluss des systematischen Fehlers bei der Bestimmung der zweiten Durchflussmenge klein ist.
Insbesondere wird die zweite Drehzahl so gewählt, dass die zweite Durchströmungsmenge oberhalb des Grenzwerts liegt, um den relativen Einfluss des systematischen Fehlers gering zu halten.
Günstigerweise erfolgt die Erhöhung auf die zweite Drehzahl und die nachfolgende Reduzierung der Drehzahl in einem Zeitintervall, welches kleiner ist als eine Reaktionszeit für die Einstellung von Elementen des Flüssigkeitsfördersystems, welche den hydraulischen Widerstand am Flüssigkeitsfördersystem beeinflussen können. Solche Elemente sind beispielsweise Thermostatventile oder Mischventile. Es wird dadurch der reguläre Betrieb des Flüssigkeitsfördersystems nicht "gestört". Während der Messzeit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der hydraulische Widerstand des Flüssigkeitsfördersystems nicht wesentlich beeinflusst, so dass sich eine sichere Ermittlung ergibt.
Günstig ist es, wenn eine Vorlauf-Temperatur und eine Rücklauf-Temperatur der Förderflüssigkeit vor der Erhöhung der Drehzahl gemessen werden. Wenn diese Größen benötigt werden, beispielsweise zur Bestimmung einer Energiemenge, dann wird durch die Messung vor Erhöhung der Drehzahl sichergestellt, dass eine eventuelle Temperaturbeeinflussung durch die Erhöhung der Drehzahl nicht berücksichtigt wird.
Günstigerweise weist das Flüssigkeitsfördersystem einen Flüssigkeitskreislauf und insbesondere geschlossenen Flüssigkeitskreislauf auf. Dadurch lässt sich auf einfache Weise ein System realisieren, bei welchem sich der hydraulische Widerstand nicht oder nur langsam ändert.
Insbesondere weist das Flüssigkeitsfördersystem keine Aktoren auf, welche den hydraulischen Widerstand des Flüssigkeitskreislaufs verändern. Es lässt sich dann das erfindungsgemäße Verfahren durchführen.
Insbesondere ist der Elektromotor elektronisch kommutiert und umfasst insbesondere einen permanentmagnetischen Rotor. Es ergibt sich dann ein linearer Zusammenhang zwischen der Durchströmungsmenge und der Drehzahl, wobei sich bei bekannter Drehzahl aus einer gemessenen Motorleistung (Leistungsaufnahme des Elektromotors) die Durchströmungsmenge berechnen lässt.
Es kann vorgesehen sein, dass der Erhöhungsschritt und/oder ein Prüfungsschritt zeitlich mehrmals und insbesondere regelmäßig oder einmalig insbesondere bei Installation oder Start der Pumpe durchgeführt wird. Bei mehrmaliger Durchführung während des Normalbetriebs lässt sich bei Bedarf auf einfache und sichere Weise die Durchströmungsmenge bestimmen. Insbesondere bei einmaliger Durchführung lassen sich die entsprechenden Daten für die Kalibrierung der Pumpe verwenden.
Insbesondere wird der Erhöhungsschritt und/oder der Prüfungsschritt (vor allem bei Installation oder Start der Pumpe) erst nach Erreichen einer Temperaturschwelle durchgeführt, um gewissermaßen das Verfahren an einem "eingeschwungenen" Zustand des Flüssigkeitsfördersystems durchzuführen.
Günstig ist es, wenn Kalibrierungsdaten ermittelt und gespeichert werden und insbesondere automatisch ermittelt werden. Dadurch lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auf genaue Weise durchführen. Insbesondere lässt sich dadurch die Pumpe kalibrieren.
Bei einer Ausführungsform wird eine Korrekturtabelle für den Einfluss von Additiven in der Förderflüssigkeit verwendet. Solche Additive sind beispielsweise Frostschutzmittel in der Förderflüssigkeit. Durch die Korrekturtabelle erhält man ein optimiertes Ergebnis.
Insbesondere ist die Korrekturtabelle an der Pumpe oder einer Steuerungsund/oder Regelungseinheit außerhalb der Pumpe gespeichert oder wird dort gespeichert. Es lässt sich dadurch ein optimiertes Ergebnis erhalten.
Es kann auch eine zusätzliche Durchströmungsmessvorrichtung vorgesehen sein, welche Daten der Pumpe insbesondere zu deren Kalibrierung bereitstellt. Grundsätzlich genügt es dabei, wenn die zusätzliche Durchströmungsmessvorrichtung beispielsweise bei Installation oder Start der Pumpe die Messergebnisse bereitstellt. Dadurch kann ein optimiertes Ergebnis erhalten werden.
Insbesondere ist das Flüssigkeitsfördersystem ein solarthermisches System, bei dem Förderflüssigkeit durch Solarstrahlung erhitzt wird. Bei einem solchen solarthermischen System ist in der Regel ein geschlossener Kreislauf mit festem hydraulischem Widerstand realisiert.
Erfindungsgemäß wird bei dem eingangs genannten Verfahren zur Bestimmung einer Energiemenge die Durchströmungsmenge erfindungsgemäß als dritte Durchströmungsmenge ermittelt. Dadurch lässt sich auf einfache und sichere Weise mit minimiertem Einfluss eines systematischen Fehlers die Energiemenge bestimmen.
Erfindungsgemäß steuert bei dem eingangs genannten Flüssigkeitsfördersystem die Steuerungseinrichtung in Betrieb die Durchführung der Schritte Erhöhung einer Betriebs-Drehzahl auf eine zweite Drehzahl, welche größer ist als die erste Drehzahl, Ermittlung einer zweiten Durchströmungsmenge bei der zweiten Drehzahl aus der Motorleistung der zweiten Drehzahl, Ermittlung einer dritten Durchströmungsmenge aus der zweiten Durchströmungsmenge durch Extrapolation von der zweiten Drehzahl auf die erste Drehzahl, wobei die dritte Durchströmungsmenge die Zielgröße ist, und nach Ermittlung der zweiten Durchströmungsmenge (Q(n₂)) Reduktion der Drehzahl (n) wieder auf die erste Drehzahl (n₁).
Das erfindungsgemäße Flüssigkeitsfördersystem weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Vorteile auf.
Insbesondere lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren an dem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsfördersystem durchführen.
Es ist dann vorteilhaft, wenn die Steuerungseinrichtung den Schritt Prüfung, ob eine bei der ersten Drehzahl aus der Motorleistung und der ersten Drehzahl ermittelte Durchströmungsmenge unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt und Erhöhung der Drehzahl auf die zweite Drehzahl, wenn die Prüfung ergibt, dass der Grenzwert unterschritten ist, steuert. Es lässt sich dann je nach Bedarf entscheiden, ob das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden soll oder ob dies gegebenenfalls nicht notwendig ist.
Insbesondere ist das Flüssigkeitsfördersystem als solarthermisches System mit mindestens einem Solarkollektor ausgebildet, durch den Förderflüssigkeit durchströmbar ist.
Erfindungsgemäß wird ferner eine Pumpe der eingangs genannten Art bereitgestellt, bei der die Steuerungseinrichtung im Betrieb die Schritte Erhöhung einer Drehzahl auf eine zweite Drehzahl, welche größer ist als die erste Drehzahl, Ermittlung einer zweiten Durchströmungsmenge bei der zweiten Drehzahl aus einer Motorleistung der zweiten Drehzahl, Ermittlung einer dritten Durchströmungsmenge aus der zweiten Durchströmungsmenge durch Extrapolation von der zweiten Drehzahl auf die erste Drehzahl, wobei die dritte Durchströmungsmenge die Zielgröße ist, und nach Ermittlung der zweiten Durchströmungsmenge (Q(n₂)) Reduktion der Drehzahl (n) wieder auf die erste Drehzahl (n₁) steuert.
Die entsprechende Pumpe weist insbesondere einen Signalausgang auf, an dem ein Ermittlungssignal für die Durchströmungsmenge bereitgestellt ist. Diese wird über einen großen Bereich des Werts der Durchströmungsmenge mit minimalem Einfluss eines systematischen Fehlers bereitgestellt.
Es ist dann entsprechend vorteilhaft, wenn die Steuerungseinrichtung den Schritt Prüfung, ob bei der ersten Drehzahl aus der Motorleistung der ersten Drehzahl ermittelte Durchströmungsmenge unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt und, wenn die Prüfung ergibt, dass der Grenzwert unterschritten ist, Erhöhung der Drehzahl auf die zweite Drehzahl steuert.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Flüssigkeitsfördersystems;
2 eine schematische Darstellung eines relativen Fehlers bei der Ermittlung einer Durchströmungsmenge mittels eines Elektromotors einer Pumpe aus Motorleistung und Drehzahl;
3 schematisch den Zusammenhang zwischen Durchströmungsmenge Q und Drehzahl n bei zwei unterschiedlichen Pumpen; und
4 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe.
Ein Ausführungsbeispiel eines Flüssigkeitsfördersystems, welches in 1 schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, ist ein solarthermisches System. Dieses solarthermische System umfasst eine Solarkollektoreinrichtung 12 mit einem oder mehreren Solarkollektoren. Die Solarkollektoreinrichtung 12 ist an einen Flüssigkeitskreislauf 14 für eine Förderflüssigkeit gekoppelt und wird von Förderflüssigkeit durchströmt. An der Solarkollektoreinrichtung 12 wird die Förderflüssigkeit durch Solarstrahlung 16 erhitzt.
Der Flüssigkeitskreislauf 14 ist beispielsweise ein geschlossener Kreislauf. Die Förderflüssigkeit ist beispielsweise ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel wie beispielsweise Glykol.
Das Flüssigkeitsfördersystem 10 umfasst eine Pumpe 18, welche an dem Flüssigkeitskreislauf 14 angeordnet ist und die Förderflüssigkeit in den Flüssigkeitskreislauf 14 fördert.
Die Pumpe 18 weist einen Elektromotor 20 mit einem Rotor auf. Der Rotor ist drehfest an ein Laufrad gekoppelt, um den entsprechenden hydraulischen Druck zur Flüssigkeitsförderung zu erzeugen.
Untenstehend wird ein Ausführungsbeispiel einer solchen Pumpe 18 beschrieben.
Die Förderflüssigkeit in dem Flüssigkeitsfördersystem 10 ist ein Wärmeträgermedium. Der Flüssigkeitskreislauf 14 ist an einen Nutzkreis 22 über einen Wärmeübertrager 24 gekoppelt. In dem Nutzkreis 22 sind ein oder mehrere Verbraucher 26 angeordnet. Der Nutzkreis 22 ist beispielsweise ein Heizkreis oder ein Brauchwasser-Kreis.
Der Nutzkreis 22 umfasst bei einer Ausführungsform eine oder mehrere Pumpen 28, um Flüssigkeit in den Nutzkreis 22 zu befördern. Die Flüssigkeit, welche im Nutzkreis 22 gefördert wird, ist insbesondere Wasser.
Grundsätzlich kann an dem Flüssigkeitskreislauf 14 die Durchströmungsmenge mittels der Pumpe 18 mit dem Elektromotor 20 bestimmt werden. Die Durchströmungsmenge ist insbesondere proportional zur dritten Wurzel einer Motorleistung P; die Motorleistung P ist die Leistungsaufnahme des Elektromotors 20. Die Durchströmungsmenge Q ist ferner proportional zur Drehzahl n des Elektromotors 20, das heißt zur Drehzahl eines Laufrads der Pumpe 18, welche wiederum der Drehzahl eines Rotors des Elektromotors 20 entspricht. Bei bekannter und insbesondere vorgegebener Drehzahl n lässt sich dann durch die messbare Motorleistung P die Durchströmungsmenge Q ermitteln.
Der Elektromotor 20 ist insbesondere ein elektronisch kommutierter Elektromotor. Er weist beispielsweise einen permanentmagnetischen Rotor auf. An einem Stator sitzt eine Mehrzahl von Wicklungen. An einem solchen elektronisch kommutierten Elektromotor lässt sich an einer entsprechenden Steuereinrichtung direkt die Motorleistung P bestimmen.
Bei kleinen Drehzahlen n ist jedoch diese Bestimmung der Durchströmungsmenge mit einer erhöhten Ungenauigkeit behaftet; aufgrund elektrischer Einflüsse wie insbesondere dem Stromverbrauch der Elektronik des Elektromotors 20, und aufgrund Lagerreibung ist der systematische Fehler bei der Bestimmung der Durchströmungsmenge Q bei kleinen Durchströmungsmengen Q signifikant relevanter. Bei kleinen Durchströmungsmengen kann also der bei einer vorgegebenen Drehzahl aus der Motorleistung abgeleitete Wert stark abweichen von der tatsächlichen Durchströmungsmenge.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren bereitgestellt, bei dem über einen großen Bereich der Durchströmungsmenge die Durchströmungsmenge mit hoher Genauigkeit (unter Minimierung des Einflusses des systematischen Fehlers) über den Elektromotor 20 bestimmbar ist.
Es wird dabei wie folgt vorgegangen:
Der Elektromotor 20 ist mit einer ersten Drehzahl n₁ betrieben. Es wird aus der Motorleistung P und der ersten Drehzahl n₁ eine erste Durchströmungsmenge Q(n₁) ermittelt. Es wird dann geprüft, ob diese Durchströmungsmenge Q(n₁) oberhalb eines Grenzwerts Q_lim oder unterhalb liegt. Dieser Grenzwert Q_lim wird dabei in Abhängigkeit von der gewünschten Genauigkeit festgelegt. Dieser vorgegebene Grenzwert Q_lim für die Durchströmungsmenge ist systemabhängig. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann beispielsweise ein Wert von Q_lim von 1.500 l/H verwendet werden.
Wenn die Prüfung ergibt, dass der Grenzwert Q_lim unterschritten ist, wird die Drehzahl auf eine zweite Drehzahl n₂ erhöht. Diese zweite Drehzahl n₂ ist größer als die erste Drehzahl n₁. Sie ist beispielsweise doppelt so groß. Die zweite Drehzahl n₂ ist vorgegeben. Es wird darauf geachtet, dass bei der Drehzahl n₂ die Durchflussmenge oberhalb Q_lim liegt.
Grundsätzlich kann die Erhöhung auch ohne vorherigen Prüfungsschritt stattfinden.
Es wird dann bei der Drehzahl n₂ eine zweite Durchströmungsmenge Q(n₂) aus der Motorleistung P(n₂) und eben der zweiten Drehzahl n₂ ermittelt.
Wie oben erwähnt, ist die Durchströmungsmenge proportional zur Drehzahl.
Bekannt sind durch das beschriebene Verfahren die erste Drehzahl n₁, die zweite Drehzahl n₂ und die Durchströmungsmenge Q(n₂) bei der zweiten Drehzahl n₂.
In 3 ist für verschiedene Pumpen der lineare Zusammenhang zwischen der Durchströmungsmenge und der Drehzahl gezeigt. Der konkrete Verlauf (Achsenabschnitt, Steigung) ist für unterschiedliche Pumpen unterschiedlich.
Aus den bekannten Werten von n₁, n₂ und Q(n₂) kann dann eine dritte Durchströmungsmenge Q*(n₁) durch lineare Extrapolation entsprechend den Kurven gemäß 3 ermittelt werden. Die dritte Durchströmungsmenge Q*(n₁) wird berechnet durch Extrapolation "nach unten" von der Durchströmungsmenge Q(n₂) auf die erste Drehzahl n₁.
Die dritte Durchströmungsmenge Q*(n₁) ist ein berechneter Wert für die Durchströmungsmenge bei der ersten Drehzahl n₁. Sie entspricht vom Prinzip her der ersten Durchströmungsmenge Q(n₁), wobei der relative Einfluss des systematischen Fehlers für die dritte Durchströmungsmenge Q*(n₁) erheblich geringer ist als für die erste Durchströmungsmenge Q(n₁).
Die so ermittelte dritte Durchströmungsmenge Q*(n₁) ist dann die Zielgröße für die zu ermittelnde Durchströmungsmenge bei der ersten Drehzahl n₁.
Nachdem die zweite Durchströmungsmenge Q(n₂) ermittelt wurde, wird die Drehzahl wieder auf die Drehzahl n₁ zurückgesetzt, das heißt der Elektromotor 20 wird wieder mit seiner Soll-Drehzahl für das Flüssigkeitsfördersystem 10 betrieben.
Dem Elektromotor 20 ist eine entsprechende Steuerungseinrichtung 30 mit Auswertungseinrichtung zugeordnet. Diese Steuerungseinrichtung 30 sorgt für eine insbesondere automatische Durchführung des beschriebenen Verfahrens.
Grundsätzlich ist es so, dass die Erhöhung von der ersten Drehzahl n₁ auf die zweite Drehzahl n₂ und dann wieder die Reduzierung der Drehzahl in einem solchen Zeitintervall durchgeführt wird, dass eine Reaktionszeit für die Einstellung von Elementen des Flüssigkeitsfördersystems 10 (insbesondere Mischventile und Thermostate) erheblich höher ist als das entsprechende Zeitintervall. Dadurch beeinflusst die Erhöhung der Drehzahl zur Eliminierung von systematischen Fehlern bei der Bestimmung der Durchströmungsmenge den hydraulischen Widerstand in dem Flüssigkeitsfördersystem 10 nicht oder nicht wesentlich.
Insbesondere weist das Flüssigkeitsfördersystem 10 keine Aktoren auf, welche einen hydraulischen Widerstand des Flüssigkeitskreislaufs 14 erhöhen beziehungsweise zumindest in einer vergleichbaren Zeit erhöhen, in welcher die Drehzahlerhöhung und Reduzierung erfolgt.
Das Flüssigkeitsfördersystem 10 umfasst (mindestens) einen ersten Temperatursensor 32. Dieser erste Temperatursensor 32 misst eine Flüssigkeits-Rücklauftemperatur T₁.
Ferner ist ein zweiter Temperatursensor 34 vorgesehen. Dieser misst eine Flüssigkeits-Vorlauftemperatur. Die Flüssigkeits-Vorlauftemperatur T₂ entspricht im Wesentlichen der Temperatur der Flüssigkeit vor Durchlaufen der Solarkollektoreinrichtung 12. Die Temperatur T₁ entspricht der Temperatur nach Durchlaufen der Solarkollektoreinrichtung 12.
Wenn die Durchströmungsmenge bekannt ist und die Temperaturen T₁ und T₂ bekannt sind, dann lässt sich die Energiemenge, welche in der Förderflüssigkeit enthalten ist, bestimmen.
Der erste Temperatursensor 32 und der zweite Temperatursensor 34 liefern ihre Temperaturdaten an eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 36. Die Pumpe 18 mit dem Elektromotor 20 liefert ihre Daten für die ermittelte Durchströmungsmenge ebenfalls an die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 36, so dass dort die Energiemenge berechnet werden kann.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass eine Korrekturtabelle 38 verwendet wird, welche den Einfluss von Additiven in der Förderflüssigkeit berücksichtigt. Die Korrekturtabelle 38 kann in der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 36 gespeichert sein oder in der Steuerungseinrichtung 30 des Elektromotors 20.
Wenn die Korrekturtabelle 38 in der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 36 gespeichert ist, dann werden entsprechende Daten der Steuerungseinrichtung 30 des Elektromotors 20 bereitgestellt, um diese bei einer Kalibration vor die Durchströmungsmengenbestimmung zu berücksichtigen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist in dem Flüssigkeitskreislauf 14 eine insbesondere temporäre Durchströmungsmessvorrichtung 40 angeordnet. Die Durchströmungsmessvorrichtung (40) stellt gemessene Durchströmungswerte unabhängig von der Pumpe 18 mit Elektromotor 20 bereit. Diese Messwerte werden dann der Pumpe 18 mit Elektromotor 20 direkt oder über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 36 zur Kalibrierung bereitgestellt.
Die Bestimmung der Durchströmungsmenge gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann beispielsweise im Betrieb zeitlich mehrmals und beispielsweise regelmäßig erfolgen. Sie kann auch einmalig beispielsweise bei der Installation oder dem Start der Pumpe 18 erfolgen. Insbesondere wird die Bestimmung erst durchgeführt, wenn eine Temperaturschwelle erreicht ist und insbesondere die Temperaturschwelle überschritten ist.
Wenn Kalibrierungsdaten ermittelt worden sind, wird insbesondere eine automatische Kalibrierung der Pumpe 18 durchgeführt.
Mit dem ersten Temperatursensor 32 und dem zweiten Temperatursensor 34 werden insbesondere die Temperaturen gemessen, bevor die Drehzahlerhöhung von n₁ auf n₂ durchgeführt wird, so dass eine eventuelle Temperaturbeeinflussung aufgrund dieser Drehzahländerung nicht erfasst wird.
Die Steuerungseinrichtung 30 des Elektromotors 20 stellt die Motorleistung P und die Drehzahl n als Messgrößen bereit. Es ist vorteilhaft, wenn in der Steuerungseinrichtung 30 ein Algorithmus implementiert ist, welcher die Durchströmungsmenge Q dann berechnet. Dadurch stellt dann die Pumpe 18 über einen entsprechenden Ausgang beziehungsweise über eine Schnittstelle diese Größe beispielsweise der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 36 bereit.
Es ist alternativ auch möglich, dass die Pumpe 18 über die Steuerungseinrichtung 30 die gemessene Motorleistung P und die gemessene Drehzahl n bereitstellt und diese Daten über eine entsprechende Schnittstelle der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 36 bereitstellt, und diese dann die Durchströmungsmenge berechnet.
Es ist dann weiterhin vorteilhaft, wenn in der Steuerungseinrichtung 30 ein Algorithmus zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens implementiert ist, das heißt Erhöhung der Drehzahl, Ermittlung der Durchströmungsmenge bei der erhöhten Drehzahl und Extrapolation auf die Durchströmungsmenge bei der Ausgangs-Drehzahl einschließlich eines eventuellen Überprüfungsschritts, ob die aus der Motorleistung und der Ausgangs-Drehzahl ermittelte Durchströmungsmenge unterhalb eines Grenzwerts liegt, sowie Drehzahlreduzierung. Alternativ dazu kann dieser Algorithmus in der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 36 implementiert sein. Diese sendet dann entsprechende Steuerungssignale an die Steuerungseinrichtung 30, um den Elektromotor 20 entsprechend anzusteuern, das heißt um die Drehzahl zu erhöhen und dann wieder zu reduzieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich grundsätzlich an Pumpen mit konventionellem mechanischem und elektrischem Aufbau realisieren.
Ein Ausführungsbeispiel einer entsprechenden Pumpe 18, wie sie beispielsweise aus der DE 10 2007 054 313 A1 oder der US 2009/0121034 bekannt ist. Auf diese Dokumente wird ausdrücklich Bezug genommen.
Diese Pumpe 18 umfasst den Elektromotor 20 mit einem Stator 42 und einem Rotor 44. Der Elektromotor 20 weist ferner eine Motorschaltung 46 auf. Diese Motorschaltung 46 umfasst die Steuerungseinrichtung 30, wobei die Steuerungseinrichtung 30 wiederum eine Auswertungseinrichtung zur Bestimmung der Durchströmungsmenge aufweist.
Der Rotor 44 ist an einem konvexen Lagerkörper 48 drehbar gelagert. Mit dem Rotor drehfest verbunden ist ein Laufrad 50.
Der Elektromotor 20 ist elektronisch kommutiert. Der Rotor 44 weist Permanentmagnete auf.
Die Steuerungseinrichtung 30 umfasst mindestens einen Prozessor, welcher ein Prozessor der Motorschaltung 46 ist. Ferner umfasst die Auswertungseinrichtung eine Speichereinrichtung. Diese ist beispielsweise in den Prozessor integriert. Die Speichereinrichtung kann auch eine oder mehrere Speicherbausteine haben.
Die Auswertungseinrichtung und damit die Steuerungseinrichtung 30 stellt, wie oben beschrieben, durch Durchströmungsmengen-Signale für die Förderflüssigkeit bereit, welche an einem Signalausgang über einen entsprechenden Anschluss 52 (vgl. 1) abgreifbar sind. Die Pumpe 18 hat über den Elektromotor 20 eine Schnittstelle zum Signalabgriff.
Bei einer alternativen Ausführungsform dient diese Schnittstelle zur Bereitstellung von entsprechenden Messgrößen an die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 36.
Bei einem elektronisch kommutierten Elektromotor 20 besteht eine Korrelation zwischen der elektrischen Leistungsaufnahme und der hydraulischen Leistung. Dadurch lässt sich aus Motordaten die Durchströmungsmenge über die Auswertungseinrichtung, welche in die Pumpe 18 (die eine Umwälzpumpe ist) integriert ist, bestimmen, ohne dass ein externer Sensor zur Ermittlung der Durchströmungsmenge vorgesehen werden muss. Die Pumpe 18 kann das entsprechende Signal über den Anschluss 52 bereitstellen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann die Durchströmungsmenge über einen großen Wertebereich mit minimiertem systematischem Fehler ermittelt werden. Auch bei kleinen Soll-Drehzahlen beziehungsweise kleinen Betriebs-Drehzahlen, bei dem der systematische Fehler per se groß ist, lässt sich eine fehlerminimierte Durchströmungsmengenbestimmung durchführen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei derart vorgegangen, dass eine Messung bei einer erhöhten Drehzahl in einem Bereich der Durchströmungsmenge durchgeführt wird, in dem der systematische Fehler, der bei kleinen Durchströmungsmengen auftritt und auf Lagerreibung und dergleichen zurückzuführen ist, einen erheblich geringeren relativen Einfluss hat. Es wird dort als Hilfsgröße die zweite Durchströmungsmenge Q(n₂) bestimmt und dann durch Extrapolation mittels der gemessenen Größen n₁ und der bekannten Größen n₂ und Q(n₂) und dem linearen Zusammenhang zwischen der Durchströmungsmenge und der Drehzahl die dritte Durchströmungsmenge Q*(n₁) ermittelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erhöht die Genauigkeit der Durchströmungsmengenbestimmung. Das Verfahren kann auch auf vorteilhafte Weise zur Kalibrierung der Pumpe 18 verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich grundsätzlich ohne Modifikation im mechanischen und elektrischen Aufbau einer Pumpe 18 implementieren. Es lässt sich als Algorithmus in der Steuerungseinrichtung 30 implementieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auf vorteilhafte Weise in einem solarthermischen System einsetzen.
Bezugszeichenliste

10: Flüssigkeitsfördersystem
12: Solarkollektoreinrichtung
14: Flüssigkeitskreislauf
16: Solarstrahlung
18: Pumpe
20: Elektromotor
22: Nutzkreis
24: Wärmeübertrager
26: Verbraucher
28: Pumpe
30: Steuerungseinrichtung
32: Erster Temperatursensor
34: Zweiter Temperatursensor
36: Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung
38: Korrekturtabelle
40: Durchströmungsmessvorrichtung
42: Stator
44: Rotor
46: Motorschaltung
48: Lagerkörper
50: Laufrad
52: Anschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007054313 A1 [0005, 0084]
US 2009/0121034 [0084]

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Durchströmungsmenge an einem Flüssigkeitsfördersystem, bei welchem eine Flüssigkeit durch eine Pumpe gefördert wird, wobei die Pumpe einen Elektromotor umfasst und im Betrieb des Elektromotors der Elektromotor mit einer ersten Drehzahl (n₁) betrieben wird und aus einer gemessenen Motorleistung (P) und der Drehzahl (n) die Durchströmungsmenge (Q) ermittelt wird, umfassend: – Erhöhung der ersten Drehzahl (n₁) auf eine zweite Drehzahl (n₂), welche größer ist als die erste Drehzahl (n₁); – Ermittlung einer zweiten Durchströmungsmenge (Q(n₂)) bei der zweiten Drehzahl (n₂) aus der Motorleistung (P(n₂)) und der zweiten Drehzahl (n₂); – Ermittlung einer dritten Durchströmungsmenge (Q*(n₁)) aus der zweiten Durchströmungsmenge (Q(n₂)) durch Extrapolation von der zweiten Drehzahl (n₂) auf die erste Drehzahl (n₁), wobei die dritte Durchströmungsmenge (Q*(n₁)) die Zielgröße ist; und – nach Ermittlung der zweiten Durchströmungsmenge (Q(n₂)) Reduktion der Drehzahl (n) wieder auf die erste Drehzahl (n₁).
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Prüfung vor Erhöhung der Drehzahl (n), ob eine bei der ersten Drehzahl (n₁) aus der Motorleistung (P(n₁)) und der ersten Drehzahl (n₁) ermittelte erste Durchströmungsmenge (Q(n₁)) unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts (Q_lim) liegt und wenn die Prüfung ergibt, dass der Grenzwert (Q_lim) unterschritten ist, Erhöhung der Drehzahl (n) auf die zweite Drehzahl (n₂).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Drehzahl (n₁) eine Soll-Drehzahl für den Normalbetrieb des Flüssigkeitsfördersystems ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Extrapolation eine lineare Extrapolation ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Drehzahl (n₂) als vorgegebenes Vielfaches der ersten Drehzahl (n₁) gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Drehzahl (n₂) so gewählt wird, dass die zweite Durchströmungsmenge (Q(n₂)) oberhalb des Grenzwerts (Q_lim) liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung auf die zweite Drehzahl (n₂) und die nachfolgende Reduzierung der Drehzahl (n) in einem Zeitintervall erfolgt, welches kleiner ist als eine Reaktionszeit für die Einstellung von Elementen des Flüssigkeitsfördersystems, welche den hydraulischen Widerstand am Flüssigkeitsfördersystem beeinflussen können.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorlauf-Temperatur und eine Rücklauf-Temperatur vor der Erhöhung der Drehzahl (n) gemessen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsfördersystem einen Flüssigkeitskreislauf und insbesondere geschlossenen Flüssigkeitskreislauf aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsfördersystem keine Aktoren aufweist, welche einen hydraulischen Widerstand des Flüssigkeitskreislaufs verändern.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor elektronisch kommutiert ist und insbesondere einen permanentmagnetischen Rotor umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhöhungsschritt und/oder ein Prüfungsschritt zeitlich mehrmals und insbesondere regelmäßig oder einmalig insbesondere bei Installation oder Start der Pumpe durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhöhungsschritt und/oder der Prüfungsschritt erst nach Erreichen einer Temperaturschwelle durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass Kalibrierungsdaten ermittelt und gespeichert werden und insbesondere automatisch ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrekturtabelle für den Einfluss von Additiven in der Förderflüssigkeit verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturtabelle an der Pumpe oder einer Steuerungs- und/oder Regelungseinheit außerhalb der Pumpe gespeichert ist oder wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Durchströmungsmessvorrichtung, welche Daten der Pumpe insbesondere zu deren Kalibrierung bereitstellt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsfördersystem ein solarthermisches System ist, bei dem Förderflüssigkeit durch Solarstrahlung erhitzt wird.
Verfahren zur Bestimmung einer Energiemenge einer Förderflüssigkeit in einem Flüssigkeitsfördersystem, bei dem die Energiemenge aus einer Durchströmungsmenge im Flüssigkeitsfördersystem, einer gemessenen Vorlauf-Temperatur und einer gemessenen Rücklauf-Temperatur ermittelt wird, wobei die Durchströmungsmenge als dritte Durchströmungsmenge (Q*(n₁)) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche ermittelt wird.
Flüssigkeitsfördersystem, umfassend einen Flüssigkeitskreislauf (14) und mindestens eine Pumpe (18) mit einem Elektromotor (20), wobei die Pumpe (18) eine Steuerungseinrichtung (30) aufweist, welche im Betrieb die Durchführung der Schritte – Erhöhung einer Betriebs-Drehzahl (n₁) auf eine zweite Drehzahl (n₂), welche größer ist als die erste Drehzahl (n₁); – Ermittlung einer zweiten Durchströmungsmenge (Q(n₂)) bei der zweiten Drehzahl (n₂) aus der Motorleistung (P(n₂)) und der zweiten Drehzahl (n₂); – Ermittlung einer dritten Durchströmungsmenge (Q*(n₁)) aus der zweiten Durchströmungsmenge (Q(n₂)) durch Extrapolation von der zweiten Drehzahl (n₂) auf die erste Drehzahl (n₁), wobei die dritte Durchströmungsmenge (Q*(n₁)) die Zielgröße ist; und – nach Ermittlung der zweiten Durchströmungsmenge (Q(n₂)) Reduktion der Drehzahl (n) wieder auf die erste Drehzahl (n₁) steuert.
Flüssigkeitsfördersystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (30) den Schritt Prüfung, ob eine bei der ersten Drehzahl (n₁) aus der Motorleistung (P(n₁)) und der ersten Drehzahl (n₁) ermittelte erste Durchströmungsmenge (Q(n₁)) unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts (Q_lim) liegt und Erhöhung der Drehzahl (n) auf die zweite Drehzahl (n₂), wenn die Prüfung ergibt, dass der Grenzwert (Q_lim) unterschritten ist, steuert.
Flüssigkeitsfördersystem nach Anspruch 20 oder 21, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als solarthermisches System mit mindestens einem Solarkollektor (12), durch den Förderflüssigkeit durchströmbar ist.
Pumpe zur Flüssigkeitsförderung mit einem Elektromotor (20) und einer Steuerungseinrichtung (30), welche im Betrieb die Schritte – Erhöhung einer Drehzahl (n) auf eine zweite Drehzahl (n₂), welche größer ist als die erste Drehzahl (n₁); – Ermittlung einer zweiten Durchströmungsmenge (Q(n₂)) bei der zweiten Drehzahl (n₂) aus einer Motorleistung (P(n₂)) und der zweiten Drehzahl (n₂); – Ermittlung einer dritten Durchströmungsmenge (Q*(n₁)) aus der zweiten Durchströmungsmenge (Q(n₂)) durch Extrapolation von der zweiten Drehzahl (n₂) auf die erste Drehzahl (n₁), wobei die dritte Durchströmungsmenge (Q*(n₁)) die Zielgröße ist; und – nach Ermittlung der zweiten Durchströmungsmenge (Q(n₂)) Reduktion der Drehzahl (n) wieder auf die erste Drehzahl (n₁) steuert.
Pumpe nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (30) den Schritt Prüfung, ob eine bei der ersten Drehzahl (n₁) aus der Motorleistung (P(n₁)) und der ersten Drehzahl (n₁) ermittelte Durchströmungsmenge (Q(n₁)) unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts (Q_lim) liegt und, wenn die Prüfung ergibt, dass der Grenzwert (Q_lim) unterschritten ist, Erhöhung der Drehzahl (n) auf die zweite Drehzahl (n₂) steuert.