最先进的过滤器监测

作者：Andries Bosma（气体流动产品经理），Manuel Eckstein（暖通空调大客户经理）

在需要清洁空气的地方，空气过滤器通常就在不远处。在过去十年里，过滤行业在过滤技术方面取得了巨大进步。随着新材料和新设计的出现，无纺布制造和打褶方法的进步，以及纳米纤维层和涂层等的新发展，过滤器已经变得更加高效、可靠和紧凑。对过滤行业的要求也在变化。人们不再仅仅考虑过滤效率和容尘量；随着能源价格的飙升和可持续发展意识的增强，预计过滤介质将为降低能源消耗做出贡献。

空气过滤的潜力和局限

过滤器被用于我们身边众多行业和应用中。汽车 "空气导入系统"（AIS）过滤器保护发动机和质量空气流量传感器（MAFS）不受污染，而座舱空气过滤器为司机和乘客提供清洁和健康的空气。在医疗技术方面，过滤器对呼吸设备中的空气进行净化和消毒，以提高病人的安全保障。过滤器还在食品和药品的无菌包装过程中对空气进行消毒，并在供暖、通风和空调（HVAC）行业中确保良好的室内环境或支持燃气锅炉设备的清洁燃烧。仅在几个月前，世界卫生组织（WHO）发布了一份关于城市环境空气污染的新报告，指出80%以上生活在城市地区的人暴露在超过WHO规定的质量水平的空气中。空气过滤技术将在未来降低这一比例方面发挥关键作用。

每个过滤器只有在没有损坏和孔隙保持不堵塞的情况下才能提供良好的功能。过滤器应定期更换，以确保经济、安全和充分的运行。堵塞的过滤器会导致空气供应不足，能源效率大幅下降，风扇运行噪音大，过滤器性能下降，最终导致过滤器本身损坏。肮脏和潮湿的过滤器可能是霉菌和细菌的温床，被刺破的过滤器在医疗呼吸设备中可导致极大危险，而堵塞的过滤器会降低汽车发动机的性能，增加其磨损和燃料消耗。因此，监测过滤器的状况并适时更换非常重要。

基于状态的维护

尽管空气质量管理和过滤技术已取得巨大进步，但过滤器监测在很大程度上仍处于停滞状态。在大多数情况下，过滤器更换仍然是按照固定的更换时间表，根据维修技术人员目视检查的结果或基于简陋的压差开关来进行。现实情况是，在大多数情况下过滤器都更换得太晚，不仅导致有关应用的安全性、能源效率和性能降低，而且也导致过滤器制造商失去大量商业机会。

在过去的几年里，制造业中日益出现从预防性维护到基于状态的维护（CBM）的转变。传感器会观察不同部件的状态，只有当某些指标有迹象显示设备性能下降或即将发生故障时才进行维护。这一趋势将有助于过滤器行业引入新的过滤器监测技术并将其商业化。

使用的技术

当过滤器开始堵塞时，它对空气流动的阻力就会增加。在气流保持在恒定水平的系统中，这会导致过滤器组的压差上升。而当过滤器受阻时，风扇推动的空气量往往开始减少，所以我们实际上是在讨论过滤器从清洁状态变到受阻状态的过程中的气流变化。

为确定过滤器的堵塞程度，各种传感器技术都有在使用：

• 传统的压差传感器测量一个膜片的偏转。当过滤器上的压降足够大时，它们工作得很好，但对非常小的压差缺乏敏感度。膜的疲劳会导致漂移问题，这在过滤器监测中特别不可取，因为在大多数情况下，传感器漂移很难与缓慢的过滤器堵塞区分开。
• 压力开关显示压力在何时超过某个预定的压力值。它们并不测量实际的压差，因此无法进行趋势分析。
• 微热压差传感器允许少量空气流过传感器并对其进行测量以确定压差。由于具有出色的长期稳定性和零流量附近的准确度，它们在大多数应用中胜过其它技术，特别适用于低压差的过滤器。由于有气流通过传感器，在通过过滤来实现对安全至关重要的灭菌应用里，它们不能以跨过滤器组的方式来使用。灰尘引起的故障可通过智能进气口设计、传感器的合理定位、光滑的传感器表面和检测算法来防止。
• 流量传感器测量空气流量，大多安装在过滤器之后。在有些情况下（如图1所示），对流量的了解比对压差的了解更能提供关于过滤器状态的高分辨率信息。在许多应用中，空气流量本身就是一个重要的系统参数，而测量它还可实现额外的功能和控制。由于空气流量传感器通常放置在过滤器后面，因此可使用精确的微热技术而不需要额外的防尘措施。这些通常是与用于测量整个过滤器组压差的传感器型号相同的传感器，但它们是在旁路设置中被放置在过滤器的后面。 

如果同时测量压降和流量，以确定过滤器上的压力变化与空气流量的关系，就可以实现最精确的过滤器监测。我们将在后面说明，在更复杂的应用中，这两个参数都必须测量。

其它方法只有少数还在使用，这包括测量过滤器色变的光学系统和过滤器后面根据摩擦起电效应测量粉尘浓度的粉尘负荷传感器。这两种方法都很复杂，成本很高，因此不适合大批量应用。

气流回路

让我们更详细了解一下那些使用过滤的系统。基本上，所有这些应用都有一个气流驱动源（风扇、发动机或人的呼吸）、一个由过滤器导致的流量限制（或阻抗）、和一个由系统其余部分导致的流量限制。这与具有一个（非理想的）电压源和两个电阻的电路很相似（见图2）。

在这个模型中，我们可以比较三种不同的情况。

• 如果过滤器阻抗很高，而系统其余部分阻抗很低而且是恒定的，过滤器阻抗的变化将主要导致空气流量的变化。在这种情况下，监测空气流量可能就足够了，这可以在空气干净的过滤器后面很简单地实现。
• 如果过滤器阻抗很低，而系统的阻抗相对较高但很稳定，过滤器阻抗的变化将主要导致过滤器组上的压差变化。在这种情况下，测量压差可能就足够了。

对于这两种情况，风扇速度必须是恒定或已知的，这样就可以评估空气流量或压差与风扇速度之间的关系。

• 如果系统的阻抗是可变的，或者鼓风机的速度是可变和未知的，那空气流量和压差都必须已知，以便获得足够的信息来评估过滤器的状态。图中可以看到应用实例。

复杂系统

我们可以从这个分析中得出不同的结论。首先，在过滤监测方面，没有一个放之四海而皆准的解决方案。不同的应用和系统的复杂性要求不同的监测设置。第二，对于非常简单的系统来说，压力开关可能就足够了；但一旦应用变得更复杂，并且风扇速度可变，或者对气流的阻抗低或者可变，它就会失效。第三，要准确监测过滤器状态，必须测量过滤器上的压差或过滤器后面的流量，并能将这一测量值与变化的风扇速度联系起来。然而，要对过滤器状态做最准确的监测，实际空气流量和压差这两者都必须知道。在具有不同负荷和多个过滤器的复杂系统中，这是准确监测过滤器的唯一解决方案（见图4中复杂设置的例子）。

同时测量差压和通过系统的空气流量的好处是，不需要来自鼓风机的信息（例如转速、电流或功率）来确定过滤器的负荷。相反，来自流量传感器的信息可用来补偿鼓风机性能的偏差。两个传感器的详细读数也为实现奇妙的附加功能创造了可能。通过记录一段时间内的数据，可以评估趋势并预测更换过滤器的估计日期。详细而准确的测量和时间序列能够识别出故障，如过滤器损坏或丢失，或其它系统故障，如鼓风机受损或进气口受阻（见图5）。在许多情况下，传感器读数也可用来改善控制和提高整个系统的功能。尤其是流量数据，其好处往往超出了监测过滤器的范围。

皮托管的配置

有时，过滤器的监测问题会有令人惊讶的解决方案。在空气速度足够高的应用中，可以在过滤器上游的一个正常气口和过滤器下游的一个皮托管之间测量压差。皮托管口的压力是由速度压力加上静态压力得出的，因此比过滤器上游的正常气口的压力要高。这就形成了一个倒置的压差读数，皮托管口的压力更高（见图6）。堵塞的过滤器会导致测量到的压差减少。

传感器解决方案

精确和充分的传感器解决方案正成为最先进的过滤器监测的首要条件，这样的差压和流量传感器有些什么关键性的要求呢？

• 出色的长期稳定性是关键，确保是在需要的时候更换过滤器，而不是由于传感器漂移。
• 高动态范围对于具有可变风扇速度的系统尤其重要。
• 高科技过滤器通常具有非常小的压降。因此，在低压差和低流量下具有高精度的传感器是必不可少的。
• 过滤器的性能和过滤器组的压差可能取决于空气温度和环境压力。温度和压力补偿的能力将使过滤器监测系统更加准确。
• 数据采集能力是一个优点，因为它可以简化系统的微控制器的趋势分析。

像Sensirion新的SDP800系列这样的微热压差传感器可以满足上述所有要求。这种类型的传感器还有一个有用的好处，那就是同一型号的传感器可用来测量过滤器组上的压差，也可用来在过滤器组后面通过一个旁路设置测量流量（参见更多资料）。Sensirion的SDP传感器是有温度补偿的，也可以通过编程来实现过滤器或系统的温度补偿。

微热传感器默认测量的是质量流量，这是在大多数应用中应该控制的参数。在空调系统、气体加热器、医疗呼吸设备、空气导入系统等等方面，了解到达应用的空气量是至关重要的。先进的过滤器监测系统所收集的测量结果也可用于应用的控制系统（反之亦然）。使用基于质量流量测量的传感器也取代了对环境压力补偿的需要，因为质量流量不会随环境压力的变化而变化（这与体积流量不同，后者会随环境压力而变）。

总结

精确的过滤器监测为暖通空调、医疗技术、汽车和包装等行业的许多应用增加了价值。探测出更换过滤器的正确时刻有助于通过提供清洁的空气来保护人类、动物和设备，并导致应用的成本更低、更节能和可持续运行。一种解决方案不能满足所有需求，但可以得出这样一个结论：测量空气流量而不是压差往往是一个明智的选择，而在复杂系统中这两种读数都需要。对于许多过滤器监测应用，微热流量和压差传感是有利的传感器技术，由于其精度和长期稳定性，可以提供附加价值。

更多信息：旁路流量测量和伯努利环

测量气体流量的一种经济而精确的方法是将微热流量或压差传感器放在限流器上。这方面的技术已经得到充分的理解和记录，更多信息可在Sensirion公司网站上找到。伯努利环是一个非常特殊但成本效益很高的设置，用于测量由离心风扇引起的气流。一个简单的环被连接到鼓风机侧面，在旋转叶轮的内部和外部引入压力。然后就可以用差压传感器测量压降，从而获得准确的流量读数。