Andries Bosma（氣體流動(dòng)產(chǎn)品經(jīng)理），Manuel Eckstein（暖通空調(diào)大客戶經(jīng)理）

在需要清潔空氣的地方，空氣過(guò)濾器通常就在不遠(yuǎn)處。在過(guò)去十年里，過(guò)濾行業(yè)在過(guò)濾技術(shù)方面取得了巨大進(jìn)步。隨著新材料和新設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，無(wú)紡布制造和打褶方法的進(jìn)步，以及納米纖維層和涂層等的新發(fā)展，過(guò)濾器已經(jīng)變得更加高效、可靠和緊湊。對(duì)過(guò)濾行業(yè)的要求也在變化。人們不再僅僅考慮過(guò)濾效率和容塵量；隨著能源價(jià)格的飆升和可持續(xù)發(fā)展意識(shí)的增強(qiáng)，預(yù)計(jì)過(guò)濾介質(zhì)將為降低能源消耗做出貢獻(xiàn)。

空氣過(guò)濾的潛力和局限

過(guò)濾器被用于我們身邊眾多行業(yè)和應(yīng)用中。汽車(chē) "空氣導(dǎo)入系統(tǒng)"（AIS）過(guò)濾器保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)和質(zhì)量空氣流量傳感器（MAFS）不受污染，而座艙空氣過(guò)濾器為司機(jī)和乘客提供清潔和健康的空氣。在醫(yī)療技術(shù)方面，過(guò)濾器對(duì)呼吸設(shè)備中的空氣進(jìn)行凈化和消毒，以提高病人的安全保障。過(guò)濾器還在食品和藥品的無(wú)菌包裝過(guò)程中對(duì)空氣進(jìn)行消毒，并在供暖、通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）行業(yè)中確保良好的室內(nèi)環(huán)境或支持燃?xì)忮仩t設(shè)備的清潔燃燒。僅在幾個(gè)月前，世界衛(wèi)生組織（WHO）發(fā)布了一份關(guān)于城市環(huán)境空氣污染的新報(bào)告，指出80%以上生活在城市地區(qū)的人暴露在超過(guò)WHO規(guī)定的質(zhì)量水平的空氣中?？諝膺^(guò)濾技術(shù)將在未來(lái)降低這一比例方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

每個(gè)過(guò)濾器只有在沒(méi)有損壞和孔隙保持不堵塞的情況下才能提供良好的功能。過(guò)濾器應(yīng)定期更換，以確保經(jīng)濟(jì)、安全和充分的運(yùn)行。堵塞的過(guò)濾器會(huì)導(dǎo)致空氣供應(yīng)不足，能源效率大幅下降，風(fēng)扇運(yùn)行噪音大，過(guò)濾器性能下降，最終導(dǎo)致過(guò)濾器本身?yè)p壞。骯臟和潮濕的過(guò)濾器可能是霉菌和細(xì)菌的溫床，被刺破的過(guò)濾器在醫(yī)療呼吸設(shè)備中可導(dǎo)致極大危險(xiǎn)，而堵塞的過(guò)濾器會(huì)降低汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，增加其磨損和燃料消耗。因此，監(jiān)測(cè)過(guò)濾器的狀況并適時(shí)更換非常重要。

基于狀態(tài)的維護(hù)

盡管空氣質(zhì)量管理和過(guò)濾技術(shù)已取得巨大進(jìn)步，但過(guò)濾器監(jiān)測(cè)在很大程度上仍處于停滯狀態(tài)。在大多數(shù)情況下，過(guò)濾器更換仍然是按照固定的更換時(shí)間表，根據(jù)維修技術(shù)人員目視檢查的結(jié)果或基于簡(jiǎn)陋的壓差開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行。現(xiàn)實(shí)情況是，在大多數(shù)情況下過(guò)濾器都更換得太晚，不僅導(dǎo)致有關(guān)應(yīng)用的安全性、能源效率和性能降低，而且也導(dǎo)致過(guò)濾器制造商失去大量商業(yè)機(jī)會(huì)。

在過(guò)去的幾年里，制造業(yè)中日益出現(xiàn)從預(yù)防性維護(hù)到基于狀態(tài)的維護(hù)（CBM）的轉(zhuǎn)變。傳感器會(huì)觀察不同部件的狀態(tài)，只有當(dāng)某些指標(biāo)有跡象顯示設(shè)備性能下降或即將發(fā)生故障時(shí)才進(jìn)行維護(hù)。這一趨勢(shì)將有助于過(guò)濾器行業(yè)引入新的過(guò)濾器監(jiān)測(cè)技術(shù)并將其商業(yè)化。

使用的技術(shù)

當(dāng)過(guò)濾器開(kāi)始堵塞時(shí)，它對(duì)空氣流動(dòng)的阻力就會(huì)增加。在氣流保持在恒定水平的系統(tǒng)中，這會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾器組的壓差上升。而當(dāng)過(guò)濾器受阻時(shí)，風(fēng)扇推動(dòng)的空氣量往往開(kāi)始減少，所以我們實(shí)際上是在討論過(guò)濾器從清潔狀態(tài)變到受阻狀態(tài)的過(guò)程中的氣流變化。1：顯示新的和部分堵塞的過(guò)濾器的壓差（dp）與流量之間函數(shù)關(guān)系的圖表，以及一個(gè)典型的離心風(fēng)機(jī)的dp/流量曲線。其中的交叉點(diǎn)顯示，在這種情況下，過(guò)濾器的堵塞對(duì)空氣流量的影響比對(duì)壓差的影響更大。

為確定過(guò)濾器的堵塞程度，各種傳感器技術(shù)都有在使用：

• 傳統(tǒng)的壓差傳感器測(cè)量一個(gè)膜片的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)過(guò)濾器上的壓降足夠大時(shí)，它們工作得很好，但對(duì)非常小的壓差缺乏敏感度。膜的疲勞會(huì)導(dǎo)致漂移問(wèn)題，這在過(guò)濾器監(jiān)測(cè)中特別不可取，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，傳感器漂移很難與緩慢的過(guò)濾器堵塞區(qū)分開(kāi)。
• 壓力開(kāi)關(guān)顯示壓力在何時(shí)超過(guò)某個(gè)預(yù)定的壓力值。它們并不測(cè)量實(shí)際的壓差，因此無(wú)法進(jìn)行趨勢(shì)分析。
• 微熱壓差傳感器允許少量空氣流過(guò)傳感器并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量以確定壓差。由于具有出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和零流量附近的準(zhǔn)確度，它們?cè)诖蠖鄶?shù)應(yīng)用中勝過(guò)其它技術(shù)，特別適用于低壓差的過(guò)濾器。由于有氣流通過(guò)傳感器，在通過(guò)過(guò)濾來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)安全至關(guān)重要的滅菌應(yīng)用里，它們不能以跨過(guò)濾器組的方式來(lái)使用?；覊m引起的故障可通過(guò)智能進(jìn)氣口設(shè)計(jì)、傳感器的合理定位、光滑的傳感器表面和檢測(cè)算法來(lái)防止。
• 流量傳感器測(cè)量空氣流量，大多安裝在過(guò)濾器之后。在有些情況下（如圖1所示），對(duì)流量的了解比對(duì)壓差的了解更能提供關(guān)于過(guò)濾器狀態(tài)的高分辨率信息。在許多應(yīng)用中，空氣流量本身就是一個(gè)重要的系統(tǒng)參數(shù)，而測(cè)量它還可實(shí)現(xiàn)額外的功能和控制。由于空氣流量傳感器通常放置在過(guò)濾器后面，因此可使用精確的微熱技術(shù)而不需要額外的防塵措施。這些通常是與用于測(cè)量整個(gè)過(guò)濾器組壓差的傳感器型號(hào)相同的傳感器，但它們是在旁路設(shè)置中被放置在過(guò)濾器的后面。

如果同時(shí)測(cè)量壓降和流量，以確定過(guò)濾器上的壓力變化與空氣流量的關(guān)系，就可以實(shí)現(xiàn)最精確的過(guò)濾器監(jiān)測(cè)。我們將在后面說(shuō)明，在更復(fù)雜的應(yīng)用中，這兩個(gè)參數(shù)都必須測(cè)量。

其它方法只有少數(shù)還在使用，這包括測(cè)量過(guò)濾器色變的光學(xué)系統(tǒng)和過(guò)濾器后面根據(jù)摩擦起電效應(yīng)測(cè)量粉塵濃度的粉塵負(fù)荷傳感器。這兩種方法都很復(fù)雜，成本很高，因此不適合大批量應(yīng)用。

氣流回路

讓我們更詳細(xì)了解一下那些使用過(guò)濾的系統(tǒng)?；旧?，所有這些應(yīng)用都有一個(gè)氣流驅(qū)動(dòng)源（風(fēng)扇、發(fā)動(dòng)機(jī)或人的呼吸）、一個(gè)由過(guò)濾器導(dǎo)致的流量限制（或阻抗）、和一個(gè)由系統(tǒng)其余部分導(dǎo)致的流量限制。這與具有一個(gè)（非理想的）電壓源和兩個(gè)電阻的電路很相似（見(jiàn)圖2）。

圖2：一個(gè)帶過(guò)濾器的系統(tǒng)中的空氣回路與一個(gè)電回路的比較。

在這個(gè)模型中，我們可以比較三種不同的情況。

• 如果過(guò)濾器阻抗很高，而系統(tǒng)其余部分阻抗很低而且是恒定的，過(guò)濾器阻抗的變化將主要導(dǎo)致空氣流量的變化。在這種情況下，監(jiān)測(cè)空氣流量可能就足夠了，這可以在空氣干凈的過(guò)濾器后面很簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)。
• 如果過(guò)濾器阻抗很低，而系統(tǒng)的阻抗相對(duì)較高但很穩(wěn)定，過(guò)濾器阻抗的變化將主要導(dǎo)致過(guò)濾器組上的壓差變化。在這種情況下，測(cè)量壓差可能就足夠了。

對(duì)于這兩種情況，風(fēng)扇速度必須是恒定或已知的，這樣就可以評(píng)估空氣流量或壓差與風(fēng)扇速度之間的關(guān)系。

• 如果系統(tǒng)的阻抗是可變的，或者鼓風(fēng)機(jī)的速度是可變和未知的，那空氣流量和壓差都必須已知，以便獲得足夠的信息來(lái)評(píng)估過(guò)濾器的狀態(tài)。圖中可以看到應(yīng)用實(shí)例。
  

• 圖3：不同應(yīng)用的例子及其特點(diǎn)。

復(fù)雜系統(tǒng)

我們可以從這個(gè)分析中得出不同的結(jié)論。首先，在過(guò)濾監(jiān)測(cè)方面，沒(méi)有一個(gè)放之四海而皆準(zhǔn)的解決方案。不同的應(yīng)用和系統(tǒng)的復(fù)雜性要求不同的監(jiān)測(cè)設(shè)置。第二，對(duì)于非常簡(jiǎn)單的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，壓力開(kāi)關(guān)可能就足夠了；但一旦應(yīng)用變得更復(fù)雜，并且風(fēng)扇速度可變，或者對(duì)氣流的阻抗低或者可變，它就會(huì)失效。第三，要準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)過(guò)濾器狀態(tài)，必須測(cè)量過(guò)濾器上的壓差或過(guò)濾器后面的流量，并能將這一測(cè)量值與變化的風(fēng)扇速度聯(lián)系起來(lái)。然而，要對(duì)過(guò)濾器狀態(tài)做最準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，實(shí)際空氣流量和壓差這兩者都必須知道。在具有不同負(fù)荷和多個(gè)過(guò)濾器的復(fù)雜系統(tǒng)中，這是準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)過(guò)濾器的唯一解決方案（見(jiàn)圖4中復(fù)雜設(shè)置的例子）。

圖4：一個(gè)更復(fù)雜系統(tǒng)的例子。

同時(shí)測(cè)量差壓和通過(guò)系統(tǒng)的空氣流量的好處是，不需要來(lái)自鼓風(fēng)機(jī)的信息（例如轉(zhuǎn)速、電流或功率）來(lái)確定過(guò)濾器的負(fù)荷。相反，來(lái)自流量傳感器的信息可用來(lái)補(bǔ)償鼓風(fēng)機(jī)性能的偏差。兩個(gè)傳感器的詳細(xì)讀數(shù)也為實(shí)現(xiàn)奇妙的附加功能創(chuàng)造了可能。通過(guò)記錄一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，可以評(píng)估趨勢(shì)并預(yù)測(cè)更換過(guò)濾器的估計(jì)日期。詳細(xì)而準(zhǔn)確的測(cè)量和時(shí)間序列能夠識(shí)別出故障，如過(guò)濾器損壞或丟失，或其它系統(tǒng)故障，如鼓風(fēng)機(jī)受損或進(jìn)氣口受阻（見(jiàn)圖5）。在許多情況下，傳感器讀數(shù)也可用來(lái)改善控制和提高整個(gè)系統(tǒng)的功能。尤其是流量數(shù)據(jù)，其好處往往超出了監(jiān)測(cè)過(guò)濾器的范圍。

圖5：不同情況下流經(jīng)過(guò)濾器的流量的時(shí)間線。

皮托管的配置

有時(shí)，過(guò)濾器的監(jiān)測(cè)問(wèn)題會(huì)有令人驚訝的解決方案。在空氣速度足夠高的應(yīng)用中，可以在過(guò)濾器上游的一個(gè)正常氣口和過(guò)濾器下游的一個(gè)皮托管之間測(cè)量壓差。皮托管口的壓力是由速度壓力加上靜態(tài)壓力得出的，因此比過(guò)濾器上游的正常氣口的壓力要高。這就形成了一個(gè)倒置的壓差讀數(shù)，皮托管口的壓力更高（見(jiàn)圖6）。堵塞的過(guò)濾器會(huì)導(dǎo)致測(cè)量到的壓差減少。

圖6：逆向皮托管的配置。

傳感器解決方案

精確和充分的傳感器解決方案正成為最先進(jìn)的過(guò)濾器監(jiān)測(cè)的首要條件，這樣的差壓和流量傳感器有些什么關(guān)鍵性的要求呢？

• 出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是關(guān)鍵，確保是在需要的時(shí)候更換過(guò)濾器，而不是由于傳感器漂移。
• 高動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于具有可變風(fēng)扇速度的系統(tǒng)尤其重要。
• 高科技過(guò)濾器通常具有非常小的壓降。因此，在低壓差和低流量下具有高精度的傳感器是必不可少的。
• 過(guò)濾器的性能和過(guò)濾器組的壓差可能取決于空氣溫度和環(huán)境壓力。溫度和壓力補(bǔ)償?shù)哪芰⑹惯^(guò)濾器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加準(zhǔn)確。
• 數(shù)據(jù)采集能力是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗梢院?jiǎn)化系統(tǒng)的微控制器的趨勢(shì)分析。

像Sensirion新的SDP800系列這樣的微熱壓差傳感器可以滿足上述所有要求。這種類(lèi)型的傳感器還有一個(gè)有用的好處，那就是同一型號(hào)的傳感器可用來(lái)測(cè)量過(guò)濾器組上的壓差，也可用來(lái)在過(guò)濾器組后面通過(guò)一個(gè)旁路設(shè)置測(cè)量流量（參見(jiàn)更多資料）。Sensirion的SDP傳感器是有溫度補(bǔ)償?shù)模部梢酝ㄟ^(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)濾器或系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償。

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SDP810-125PA SDP810-500PA

精益求精

SDP800系列是用于苛刻且成本敏感的HVAC應(yīng)用（如VAV控制器、燃燒器、熱回收系統(tǒng)和過(guò)濾器監(jiān)控）中的精確氣流測(cè)量的解決方案。 SDP800是基于新一代 CMOSens 傳感器芯片，具有SDP600系列成功的特性。該差壓傳感器是超過(guò)15年測(cè)量數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的患者、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和HAVC系統(tǒng)的流量經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶。由于其成熟的外形尺寸，SDP800系列集成方便傳感器芯片提供擴(kuò)展的功能、智能平均功能和多種測(cè)量模式。像所有Sensirion差壓傳感器一樣，SDP800系列精度出色，長(zhǎng)期穩(wěn)定，無(wú)零點(diǎn)漂移。 數(shù)字版功能多樣，有高達(dá)2kHz的靈活測(cè)量速度、多種測(cè)量模式（觸發(fā)/連續(xù)）和智能平均功能。模擬版可通過(guò)單獨(dú)引腳配置為線性或平方根輸出。SDP80x適用于通過(guò)O形環(huán)密封，直接連接歧管，而SDP81x適用于管連接。 SDP800系列基于Sensirion的CMOSens 技術(shù)，將傳感器、信號(hào)處理和數(shù)字標(biāo)定集成在一個(gè)芯片上。它通過(guò)采用流通原理的熱式傳感器元件來(lái)測(cè)量差壓。得益于此，在低差壓靈敏度、零點(diǎn)漂移和滯后、位置敏感、抗沖擊和溫度變化等方面，Sensirion的CMOSens 差壓傳感器優(yōu)于傳統(tǒng)壓阻模式傳感器。

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微熱傳感器默認(rèn)測(cè)量的是質(zhì)量流量，這是在大多數(shù)應(yīng)用中應(yīng)該控制的參數(shù)。在空調(diào)系統(tǒng)、氣體加熱器、醫(yī)療呼吸設(shè)備、空氣導(dǎo)入系統(tǒng)等等方面，了解到達(dá)應(yīng)用的空氣量是至關(guān)重要的。先進(jìn)的過(guò)濾器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所收集的測(cè)量結(jié)果也可用于應(yīng)用的控制系統(tǒng)（反之亦然）。使用基于質(zhì)量流量測(cè)量的傳感器也取代了對(duì)環(huán)境壓力補(bǔ)償?shù)男枰?，因?yàn)橘|(zhì)量流量不會(huì)隨環(huán)境壓力的變化而變化（這與體積流量不同，后者會(huì)隨環(huán)境壓力而變）。

總結(jié)

精確的過(guò)濾器監(jiān)測(cè)為暖通空調(diào)、醫(yī)療技術(shù)、汽車(chē)和包裝等行業(yè)的許多應(yīng)用增加了價(jià)值。探測(cè)出更換過(guò)濾器的正確時(shí)刻有助于通過(guò)提供清潔的空氣來(lái)保護(hù)人類(lèi)、動(dòng)物和設(shè)備，并導(dǎo)致應(yīng)用的成本更低、更節(jié)能和可持續(xù)運(yùn)行。一種解決方案不能滿足所有需求，但可以得出這樣一個(gè)結(jié)論：測(cè)量空氣流量而不是壓差往往是一個(gè)明智的選擇，而在復(fù)雜系統(tǒng)中這兩種讀數(shù)都需要。對(duì)于許多過(guò)濾器監(jiān)測(cè)應(yīng)用，微熱流量和壓差傳感是有利的傳感器技術(shù)，由于其精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，可以提供附加價(jià)值。

更多信息：旁路流量測(cè)量和伯努利環(huán)

測(cè)量氣體流量的一種經(jīng)濟(jì)而精確的方法是將微熱流量或壓差傳感器放在限流器上。這方面的技術(shù)已經(jīng)得到充分的理解和記錄，更多信息可在Sensirion公司網(wǎng)站上找到。伯努利環(huán)是一個(gè)非常特殊但成本效益很高的設(shè)置，用于測(cè)量由離心風(fēng)扇引起的氣流。一個(gè)簡(jiǎn)單的環(huán)被連接到鼓風(fēng)機(jī)側(cè)面，在旋轉(zhuǎn)葉輪的內(nèi)部和外部引入壓力。然后就可以用差壓傳感器測(cè)量壓降，從而獲得準(zhǔn)確的流量讀數(shù)。