DE102018211869A1

DE102018211869A1 - Verfahren zur Ermittlung einer Fluidförderkenngröße

Info

Publication number: DE102018211869A1
Application number: DE102018211869.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias Kammerer; Björn Wenger; Raphael Obst
Original assignee: Ziehl Abegg SE
Current assignee: Ziehl Abegg SE
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2020-01-23
Also published as: SI3791073T1; US11486405B2; EP3791073B1; CN112384702B; CN112384702A; US20210317838A1; EP3791073A1; WO2020015799A1; ES2937984T3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Fluidförderkenngröße einer Fluidfördervorrichtung, insbesondere zur Ermittlung eines Volumenstroms, umfassend die Schritte- Ermitteln von Anregungsinformationen für eine mechanische Anregung zumindest eines Fluidförderelements der Fluidfördervorrichtung in zumindest einer Raumrichtung mittels zumindest einer ersten Sensoreinrichtung,- Bereitstellen von Betriebsinformationen, umfassend zumindest einen Wert einer Betriebsgröße der Fluidfördervorrichtung mittels einer Bereitstellungseinrichtung,- Analysieren der bereitgestellten und ermittelten Informationen,- Ermitteln der Fluidförderkenngröße, insbesondere des Volumenstroms, der Fluidfördervorrichtung auf Basis der analysierten Informationen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Fluidförderkenngröße, einer Fluidfördervorrichtung, insbesondere zur Ermittlung eines Volumenstroms.
Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Fluidförderkenngröße, einer Fluidfördervorrichtung, insbesondere zur Ermittlung eines Volumenstroms.
Die Erfindung betrifft weiter ein Fluidfördersystem.
Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige Fluidfördervorrichtungen anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf einen Ventilator bzw. Lüfter beschrieben.
Ventilatoren oder Lüfter werden in vielfältiger Weise genutzt, beispielsweise im Bereich der Luft- und Klimatechnik. Für einen effizienten Betrieb und zur Anpassung an Einsatzbedingungen des Lüfters ist die Kenntnis des aktuellen Betriebszustandes des Ventilators erforderlich. So fällt beispielsweise bei einem Radialventilator eine Kennlinie, welche die Leistung des Radialventilators über den geförderten Volumenstrom wiedergibt, vom Höchstlastarbeitspunkt beidseitig d. h. zu niedrigeren und höheren Volumenströmen ab. Hierdurch ergeben sich bei bekannter Ventilatorleistung jeweils zwei hinsichtlich des Volumenstroms nicht unterscheidbare Arbeitspunkte. Diese können beispielsweise anhand der Einbausituation des Ventilators zusammen mit Steuerdaten für den Ventilator nur sehr aufwendig ermittelt werden, um dann Rückschlüsse auf den Volumenstrom ziehen zu können.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Ermittlung einer Fluidförderkenngröße und ein Fluidfördersystem anzugeben, welche einfach und zuverlässig den Arbeitspunkt und damit eine Fluidförderkenngröße der Fluidfördervorrichtung ermitteln können. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine einfache und kostengünstige Implementierung bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe ist, ein alternatives Verfahren und ein alternatives Fluidfördersystem anzugeben.
In einer Ausführungsform löst die vorliegende Erfindung die Aufgaben mit einem Verfahren zur Ermittlung einer Fluidförderkenngröße einer Fluidfördervorrichtung, insbesondere zur Ermittlung eines Volumenstroms, umfassend die Schritte

- Ermitteln von Anregungsinformationen für eine mechanische Anregung zumindest eines Fluidförderelements der Fluidfördervorrichtung in zumindest einer Raumrichtung mittels zumindest einer ersten Sensoreinrichtung,
- Bereitstellen von Betriebsinformationen, umfassend zumindest einen Wert einer Betriebsgröße der Fluidfördervorrichtung mittels einer Bereitstellungseinrichtung ,
- Analysieren der bereitgestellten und ermittelten Informationen,
- Ermitteln der Fluidförderkenngröße, insbesondere des Volumenstroms, der Fluidfördervorrichtung auf Basis der analysierten Informationen.

In einer weiteren Ausführungsform löst die vorliegende Erfindung die Aufgaben mit einer Vorrichtung zur Ermittlung einer Fluidförderkenngröße einer Fluidfördervorrichtung, insbesondere zur Ermittlung eines Volumenstroms, umfassend

- eine Sensoreinrichtung zum Ermitteln von Anregungsinformationen für eine mechanische Anregung zumindest eines Fluidförderelements der Fluidvorrichtung in zumindest einer Raumrichtung,
- eine Bereitstellungseinrichtung zum Bereitstellen von Betriebsinformationen, umfassend zumindest einen Wert einer Betriebsgröße der Fluidfördervorrichtung, und
- eine Recheneinheit zum Analysieren der bereitgestellten und ermittelten Informationen und zum Ermitteln der Fluidförderkenngröße, insbesondere des Volumenstroms der Fluidfördervorrichtung auf Basis der analysierten Informationen.

In einer weiteren Ausführungsform löst die vorliegende Erfindung die Aufgaben mit einem Fluidfördersystem, umfassend

- eine Fluidfördereinrichtung, insbesondere in Form eines Lüfters, mit zumindest einem Fluidförderelement, insbesondere in Form eines Laufrads, und
- eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Fluidförderkenngröße der Fluidfördervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9-12.

Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass eine eindeutige Ermittlung eines Betriebs- oder Arbeitspunkts in Bezug auf den Volumenstrom innerhalb der Fluidfördervorrichtung ohne zusätzliche aufwendige Messungen durch separate Messgeräte ermöglicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine derartige Information auch einem Nutzer oder Betreiber der Fluidfördervorrichtung bereitgestellt und von diesem dann verwertet werden kann. Darüber hinaus kann die ermittelte Fluidförderkenngröße zur Steuerung und Regelung der Fluidfördervorrichtung und/oder auch zum Berechnen, beispielsweise der Lebensdauer der Fluidfördervorrichtung oder dergleichen, in flexibler Weise genutzt werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung werden als Größe der mechanischen Anregung eine oder mehrere Schwingungen des Fluidförderelements bereitgestellt. Vorteil hiervon ist, dass anhand von Signalen einer Schwingung des Fluidförderelements auf einfache und gleichzeitig zuverlässige Weise Rückschlüsse auf den Betriebspunkt in Bezug auf den Volumenstrom ermöglicht werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird eine Amplitude und/oder eine Veränderung einer Amplitude der Größe der mechanischen Anregung gemessen. Vorteil hiervon ist, dass auf einfache Weise Werte für die Größe der mechanischen Schwingung ermittelt bzw. gemessen werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung erfolgt vor dem Analysieren ein Auswerten der Betriebsinformation anhand eines hinterlegten und/oder vorab ermittelten Kennfeldes für Betriebsinformationen. Damit lässt sich auf einfache und zuverlässige Weise anhand des Kennfeldes, beispielsweise Drehzahl eines Laufrades eines Lüfters mit der Leistung und dem Volumenstrom eines Lüfters verknüpfen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Fluidfördervorrichtung in Form eines Lüfters, insbesondere eines Radiallüfters, bereitgestellt und das Fluidförderelement in Form eines Laufrades des Lüfters. Damit kann auf einfache und kostengünstige Weise eine Fluidfördervorrichtung bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden als Betriebsinformationen Leistungsinformationen der Fluidfördervorrichtung, insbesondere Strom, Spannung und/oder Energieverbrauch und/oder eine Drehzahl der Fluidfördervorrichtung bereitgestellt. Vorteil hiervon ist wiederum, dass Leistungsdaten als Betriebsinformation verwendet werden können, welche im Allgemeinen bereits als Signal vorliegen. Eine aufwändige separate Erfassung dieser Größen kann damit entfallen. Gleichzeitig wird die Genauigkeit bei der Ermittlung der Fluidförderkenngröße verbessert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden die Informationen zeitabhängig ermittelt, insbesondere wobei ein zeitlicher Verlauf der jeweiligen Informationen ermittelt wird. Vorteil hiervon ist, dass kleine Schwankungen im zeitlichen Verlauf von Betriebsgrößen, bspw. Drehzahl eines Laufrades, etc. erkannt und gegebenenfalls herausgemittelt werden können, was die Genauigkeit der Zuordnung zu einem Betriebspunkt und damit das Ermitteln der Fluidförderkenngröße verbessert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden die Werte vor dem Analysieren aufbereitet, insbesondere mittels einer Fast-Fourier-Transformation. Vorteil hiervon ist, dass damit die Analyse der Werte verbessert werden kann, was die Genauigkeit beim Ermitteln der Fluidförderkenngröße verbessert und den Rechen- sowie Speicheraufwand senkt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Systems ist eine Regelungseinheit angeordnet, welche ausgebildet ist, die Fluidfördereinrichtung anhand der ermittelten Fluidförderkenngröße zu regeln. Auf diese Weise wird ein besonders stabiler und kontinuierlicher Betrieb der Fluidfördereinrichtung ermöglicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Sensoreinrichtung einen Schwingungssensor auf und/oder ist die Bereitstellungseinrichtung ausgebildet, Informationen eines Steuergeräts der Fluidfördervorrichtung bereitzustellen. Vorteil hiervon ist eine einfache Bereitstellung von Informationen über eine mechanische Anregung und weiterer Betriebsgrößen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Recheneinheit einen Speicher, in dem zumindest ein Kennfeld für eine oder mehrere Betriebsgrößen der Fluidfördervorrichtung gespeichert ist und welcher ausgebildet ist, das zumindest eine Kennfeld der Fluidfördereinrichtung der Recheneinheit zum Ermitteln der Fluidförderkenngröße bereitzustellen. Vorteil hiervon ist eine einfache und schnelle Bereitstellung eines Kennfeldes zum Ermitteln der Fluidförderkenngröße.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
Dabei zeigen

1 in schematischer Form ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Kennfeld eines Radialventilators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
3 Schwingungscharakteristiken für verschiedene Arbeitspunkte für den Radialventilator gemäß der 2.

1 zeigt in schematischer Form ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1 werden Schwingungsinformationen 4a und Leistungsinformationen 4b bereitgestellt und ausgehend von einer Drehzahlinformation 4c beispielsweise von einem Laufrad eines Lüfters, wird diese mit einem Kennfeld 3b abgeglichen. Die Informationen 4a, 4b, 4c werden dann genutzt, eine Kennlinie 3a zu ermitteln, aus der sich dann der Volumenstrom 2 ergibt. Im Detail wird beispielsweise in Abhängigkeit der in einer Motorelektronik bekannten Drehzahl 4c eine Kennlinie 3a aus dem bekannten Kennfeld 3b eines Radialventilators ausgewählt. Aus einem Steuergerät des Radialventilators sind dabei Informationen zur Leistung 4b des Radialventilators bzw. damit einhergehend der Drehmomentbedarf des Laufrads des Radialventilators bekannt. Anhand einer laufradspezifisch bekannten Korrelation von Schwingungsanregung (Schwingungsinformationen 4a) und Volumenstrom wird in Verbindung mit der ausgewählten Kennlinie 3a diese verwendet, um einen aktuell vorliegenden Arbeitspunkt zu ermitteln. Die so ermittelte Volumenstrom-Information kann nachfolgend z.B. für die Regelung eines konstanten Volumenstroms verwendet werden.
2 zeigt ein Kennfeld eines Radialventilators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Im Detail ist in 2 das Kennfeld eines Radialventilators mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln gezeigt. Hierbei ist die Leistung 11 des Radialventilators über dem Volumenstrom 10 für verschiedene Drehzahlen n₁ , n₂ , ... aufgetragen. Die Kennlinie je Drehzahl (n₁ , n₂ , ...) ausgehend vom jeweiligen Höchstlastpunkt fällt beidseitig, d.h. zu niedrigen und höheren Volumenströmen ab. Hierdurch ergeben sich bei jeweils bekannter Motor- bzw. Ventilatorleistung jeweils zwei hinsichtlich des Volumenstroms nicht unterscheidbare Arbeitspunkte AP1 und AP2. Der Unterschied ergibt sich unter anderem aus dem Anlagenwiderstand und damit der Einbausituation des Radialventilators.
3 zeigt Schwingungscharakteristiken für verschiedene Arbeitspunkte des Radialventilators gemäß der 2.
Im Detail ist in 3 nun der in den in 2 genannten Arbeitspunkten AP1 und AP2 vorliegende Schwingungszustand gezeigt. Dieser resultiert aus der Interaktion von Laufrad und Volumenstrom, der eine anregende Masse darstellt. Bei Analyse der Schwingungsinformation wird in Abhängigkeit der individuellen Laufradgeometrie eine Charakteristik der Schwingung gewonnen, die mit dem Volumendurchsatz des Laufrads des Radialventilators korreliert. Beispielsweise kann - wie in 3a gezeigt - das zeitabhängige Signal 13 des Schwingungssensors für die beiden Arbeitspunkte AP1, AP2 bezüglich seiner Amplitude oder der Signalschwankung 15 ausgewertet werden. Dabei unterscheiden sich die Signale 13, genauer deren Schwankung, deutlich für die beiden Arbeitspunkte AP1, AP2. Alternativ kann - wie in 3b gezeigt - eine Signalanalyse durchgeführt werden, um charakteristische Frequenzbereiche 14 mit Signal-Peaks 16 für die beiden Arbeitspunkte AP1, AP2 zu identifizieren. Die Schwingungscharakteristik kann dann jeweils mit dem Volumenstrom korreliert werden.
Zusammenfassend ermöglicht oder stellt zumindest eine der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zumindest eines der folgenden Merkmale und/oder zumindest einen der folgenden Vorteile bereit:

• Einen Ventilator mit einer Einrichtung zur Ermittlung seines Betriebszustands bezüglich seiner Leistung und Drehzahl sowie eines Sensors zur Analyse seines mechanischen Schwingverhaltens.
• Eine Verknüpfung von Leistungsdaten wie beispielsweise Strom, Spannung oder sonstiger betrieblicher Kenngrößen und einer Information zur mechanischen Anregung wie beispielsweise Schwingungsamplituden, Schwinggeschwindigkeiten oder eine Charakteristik in Form eines Schwingungs-Spektrums zur Erstellung eines definierten Betriebspunktes bzgl. Volumenstrom bzw. Druckdifferenz unter Berücksichtigung von bekannten Kennfeldern des Ventilators bezüglich der drehzahlabhängigen Leistung und Volumenstrom. Hierbei lassen sich auf Basis der Signale eines Schwingungssensors, insbesondere gemessene Wegänderungen x, y, z bzw. nach deren Auswertung z.B. durch Fast-Fourier-Transformation oder sonstige Signalauswertung, unter Verwendung weiterer bekannter Größen, z.B. von einem Steuergerät Ströme, Leistung etc. als Informationen nutzen und ein Massen respektive Volumenstrom zuordnen.
• Eine Ermittlung des Volumenstroms innerhalb des Ventilatormotors bzw. dessen Steuer-/Regeleinheit ohne zusätzliche Messgeräte, insbesondere Volumenstrom, Druck oder dergleichen. Eine mögliche Ausgabe der Information für den Kunden beispielsweise Volumenstrom als nutzerseitiger Ausgabeparameter.
• Die Möglichkeit einer internen Verwertung in einer Steuerung für eine Regelung des Ventilators und/oder zur Gewinnung weiterer betriebsspezifischer Parameter, z.B. zu seiner Lebensdauerberechnung.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Bezugszeichenliste

2,10: Volumenstrom
3a: Kennlinie
3b: Kennfeld
4a: Schwingungsinformation
4b: Leistungsinformation
4c: Drehzahl
AP1, AP2: Arbeitspunkt
11: Leistung
12: Zeit
13: Weg/Auslenkung
14: Frequenz
15: Differenz max./min. Auslenkung
16: Peaks/Spitzen

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Fluidförderkenngröße (2) einer Fluidfördervorrichtung, insbesondere zur Ermittlung eines Volumenstroms, umfassend die Schritte - Ermitteln von Anregungsinformationen für eine mechanische Anregung (4a) zumindest eines Fluidförderelements der Fluidfördervorrichtung in zumindest einer Raumrichtung mittels zumindest einer ersten Sensoreinrichtung, - Bereitstellen von Betriebsinformationen, umfassend zumindest einen Wert einer Betriebsgröße (4b, 4c) der Fluidfördervorrichtung mittels einer Bereitstellungseinrichtung, - Analysieren der bereitgestellten und ermittelten Informationen (3a, 3b), - Ermitteln der Fluidförderkenngröße (2, 10), insbesondere des Volumenstroms, der Fluidfördervorrichtung auf Basis der analysierten Informationen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei als Größe der mechanischen Anregung (4a) eine oder mehrere Schwingungen des Fluidförderelements bereitgestellt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-2, wobei eine Amplitude und/oder eine Veränderung einer Amplitude der Größe der mechanischen Anregung gemessen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei vor dem Analysieren ein Auswerten der Betriebsinformationen anhand eines hinterlegten und/oder vorab ermittelten Kennfelds (3b) für Betriebsinformationen erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-4, wobei die Fluidfördervorrichtung in Form eines Lüfters, insbesondere eines Radiallüfters, bereitgestellt wird und das Förderelement in Form eines Laufrads des Lüfters.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-5, wobei als Betriebsinformation Leistungsinformationen (4b) der Fluidfördervorrichtung, insbesondere Strom, Spannung und/oder Energieverbrauch und/oder eine Drehzahl (4c) der Fluidfördervorrichtung bereitgestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-6, wobei die Informationen (4a, 4b, 4c) zeitabhängig ermittelt werden, insbesondere wobei ein zeitlicher Verlauf der jeweiligen Informationen (4a, 4b, 4c) ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die Informationen vor dem Analysieren aufbereitet werden, insbesondere mittels einer Fast-Fourier-Transformation.
Vorrichtung zur Ermittlung einer Fluidförderkenngröße (2) einer Fluidfördervorrichtung, insbesondere zur Ermittlung eines Volumenstroms, umfassend - eine Sensoreinrichtung zum Ermitteln von Anregungsinformationen für eine mechanische Anregung (4a) zumindest eines Fluidförderelements der Fluidfördervorrichtung in zumindest einer Raumrichtung, - eine Bereitstellungseinrichtung zum Bereitstellen von Betriebsinformationen umfassend zumindest einen Wert einer Betriebsgröße (4b, 4c) der Fluidfördervorrichtung, und - eine Recheneinheit zum Analysieren der bereitgestellten und ermittelten Informationen (3a, 3b) und zum Ermitteln der Fluidförderkenngröße (2, 10), insbesondere des Volumenstroms der Fluidfördervorrichtung auf Basis der analysierten Informationen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei eine Regelungseinheit angeordnet ist, welche ausgebildet ist, Steuersignale für eine Fluidfördereinrichtung anhand der ermittelten Fluidförderkenngröße bereitzustellen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9-10, wobei die Sensoreinrichtung einen Schwingungssensor aufweist und/oder die Bereitstellungseinrichtung ausgebildet ist, Informationen eines Steuergeräts der Fluidfördereinrichtung bereitzustellen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9-11, wobei die Recheneinheit einen Speicher umfasst, in dem zumindest ein Kennfeld der Fluidfördereinrichtung für eine oder mehrere Betriebsgrößen (4) gespeichert ist und welcher ausgebildet ist, das zumindest eine Kennfeld der Recheneinheit zum Ermitteln der Fluidförderkenngröße bereitzustellen.
Fluidfördersystem, umfassend - eine Fluidfördereinrichtung, insbesondere in Form eines Lüfters, mit zumindest einem Fluidförderelement, insbesondere in Form eines Laufrads, und - eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Fluidförderkenngröße (2) der Fluidfördervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9-12.