Andries Bosma（氣體流動產(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，空氣過濾器通常就在不遠(yuǎn)處。在過去十年里，過濾行業(yè)在過濾技術(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，過濾器已經(jīng)變得更加高效、可靠和緊湊。對過濾行業(yè)的要求也在變化。人們不再僅僅考慮過濾效率和容塵量；隨著能源價(jià)格的飆升和可持續(xù)發(fā)展意識的增強(qiáng)，預(yù)計(jì)過濾介質(zhì)將為降低能源消耗做出貢獻(xiàn)。

空氣過濾的潛力和局限

過濾器被用于我們身邊眾多行業(yè)和應(yīng)用中。汽車 "空氣導(dǎo)入系統(tǒng)"（AIS）過濾器保護(hù)發(fā)動機(jī)和質(zhì)量空氣流量傳感器（MAFS）不受污染，而座艙空氣過濾器為司機(jī)和乘客提供清潔和健康的空氣。在醫(yī)療技術(shù)方面，過濾器對呼吸設(shè)備中的空氣進(jìn)行凈化和消毒，以提高病人的安全保障。過濾器還在食品和藥品的無菌包裝過程中對空氣進(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WHO規(guī)定的質(zhì)量水平的空氣中。空氣過濾技術(shù)將在未來降低這一比例方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

每個(gè)過濾器只有在沒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。堵塞的過濾器會導(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，過濾器性能下降，最終導(dǎo)致過濾器本身損壞。骯臟和潮濕的過濾器可能是霉菌和細(xì)菌的溫床，被刺破的過濾器在醫(yī)療呼吸設(shè)備中可導(dǎo)致極大危險(xiǎn)，而堵塞的過濾器會降低汽車發(fā)動機(jī)的性能，增加其磨損和燃料消耗。因此，監(jiān)測過濾器的狀況并適時(shí)更換非常重要。

基于狀態(tài)的維護(hù)

盡管空氣質(zhì)量管理和過濾技術(shù)已取得巨大進(jìn)步，但過濾器監(jiān)測在很大程度上仍處于停滯狀態(tài)。在大多數(shù)情況下，過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)果或基于簡陋的壓差開關(guān)來進(jìn)行。現(xiàn)實(shí)情況是，在大多數(shù)情況下過濾器都更換得太晚，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)致過濾器制造商失去大量商業(yè)機(jī)會。

在過去的幾年里，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)。這一趨勢將有助于過濾器行業(yè)引入新的過濾器監(jiān)測技術(shù)并將其商業(yè)化。

使用的技術(shù)

當(dāng)過濾器開始堵塞時(shí)，它對空氣流動的阻力就會增加。在氣流保持在恒定水平的系統(tǒng)中，這會導(dǎo)致過濾器組的壓差上升。而當(dāng)過濾器受阻時(shí)，風(fēng)扇推動的空氣量往往開始減少，所以我們實(shí)際上是在討論過濾器從清潔狀態(tài)變到受阻狀態(tài)的過程中的氣流變化。1：顯示新的和部分堵塞的過濾器的壓差（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，過濾器的堵塞對空氣流量的影響比對壓差的影響更大。

為確定過濾器的堵塞程度，各種傳感器技術(shù)都有在使用：

• 傳統(tǒng)的壓差傳感器測量一個(gè)膜片的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)過濾器上的壓降足夠大時(shí)，它們工作得很好，但對非常小的壓差缺乏敏感度。膜的疲勞會導(dǎo)致漂移問題，這在過濾器監(jiān)測中特別不可取，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，傳感器漂移很難與緩慢的過濾器堵塞區(qū)分開。
• 壓力開關(guān)顯示壓力在何時(shí)超過某個(gè)預(yù)定的壓力值。它們并不測量實(shí)際的壓差，因此無法進(jìn)行趨勢分析。
• 微熱壓差傳感器允許少量空氣流過傳感器并對其進(jìn)行測量以確定壓差。由于具有出色的長期穩(wěn)定性和零流量附近的準(zhǔn)確度，它們在大多數(shù)應(yīng)用中勝過其它技術(shù)，特別適用于低壓差的過濾器。由于有氣流通過傳感器，在通過過濾來實(shí)現(xiàn)對安全至關(guān)重要的滅菌應(yīng)用里，它們不能以跨過濾器組的方式來使用。灰塵引起的故障可通過智能進(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算法來防止。
• 流量傳感器測量空氣流量，大多安裝在過濾器之后。在有些情況下（如圖1所示），對流量的了解比對壓差的了解更能提供關(guān)于過濾器狀態(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量整個(gè)過濾器組壓差的傳感器型號相同的傳感器，但它們是在旁路設(shè)置中被放置在過濾器的后面。

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

其它方法只有少數(shù)還在使用，這包括測量過濾器色變的光學(xué)系統(tǒng)和過濾器后面根據(jù)摩擦起電效應(yīng)測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濾的系統(tǒng)。基本上，所有這些應(yīng)用都有一個(gè)氣流驅(qū)動源（風(fēng)扇、發(fā)動機(jī)或人的呼吸）、一個(gè)由過濾器導(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（見圖2）。

圖2：一個(gè)帶過濾器的系統(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)測空氣流量可能就足夠了，這可以在空氣干凈的過濾器后面很簡單地實(shí)現(xiàn)。
• 如果過濾器阻抗很低，而系統(tǒng)的阻抗相對較高但很穩(wěn)定，過濾器阻抗的變化將主要導(dǎo)致過濾器組上的壓差變化。在這種情況下，測量壓差可能就足夠了。

對于這兩種情況，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評估過濾器的狀態(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，在過濾監(jiān)測方面，沒有一個(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)測設(shè)置。第二，對于非常簡單的系統(tǒng)來說，壓力開關(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，或者對氣流的阻抗低或者可變，它就會失效。第三，要準(zhǔn)確監(jiān)測過濾器狀態(tài)，必須測量過濾器上的壓差或過濾器后面的流量，并能將這一測量值與變化的風(fēng)扇速度聯(lián)系起來。然而，要對過濾器狀態(tài)做最準(zhǔn)確的監(jiān)測，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)過濾器的復(fù)雜系統(tǒng)中，這是準(zhǔn)確監(jiān)測過濾器的唯一解決方案（見圖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)測量差壓和通過系統(tǒng)的空氣流量的好處是，不需要來自鼓風(fēng)機(jī)的信息（例如轉(zhuǎn)速、電流或功率）來確定過濾器的負(fù)荷。相反，來自流量傳感器的信息可用來補(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。通過記錄一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，可以評估趨勢并預(yù)測更換過濾器的估計(jì)日期。詳細(xì)而準(zhǔn)確的測量和時(shí)間序列能夠識別出故障，如過濾器損壞或丟失，或其它系統(tǒng)故障，如鼓風(fēng)機(jī)受損或進(jìn)氣口受阻（見圖5）。在許多情況下，傳感器讀數(shù)也可用來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)測過濾器的范圍。

圖5：不同情況下流經(jīng)過濾器的流量的時(shí)間線。

皮托管的配置

有時(shí)，過濾器的監(jiān)測問題會有令人驚訝的解決方案。在空氣速度足夠高的應(yīng)用中，可以在過濾器上游的一個(gè)正常氣口和過濾器下游的一個(gè)皮托管之間測量壓差。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（見圖6）。堵塞的過濾器會導(dǎo)致測量到的壓差減少。

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)的過濾器監(jiān)測的首要條件，這樣的差壓和流量傳感器有些什么關(guān)鍵性的要求呢？

• 出色的長期穩(wěn)定性是關(guān)鍵，確保是在需要的時(shí)候更換過濾器，而不是由于傳感器漂移。
• 高動態(tài)范圍對于具有可變風(fēng)扇速度的系統(tǒng)尤其重要。
• 高科技過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。
• 過濾器的性能和過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^濾器監(jiān)測系統(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梢院喕到y(tǒng)的微控制器的趨勢分析。

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。這種類型的傳感器還有一個(gè)有用的好處，那就是同一型號的傳感器可用來測量過濾器組上的壓差，也可用來在過濾器組后面通過一個(gè)旁路設(shè)置測量流量（參見更多資料）。Sensirion的SDP傳感器是有溫度補(bǔ)償?shù)模部梢酝ㄟ^編程來實(shí)現(xiàn)過濾器或系統(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)和過濾器監(jiān)控）中的精確氣流測量的解決方案。 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15年測量數(shù)以百萬計(jì)的患者、汽車發(fā)動機(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量模式。像所有Sensirion差壓傳感器一樣，SDP800系列精度出色，長期穩(wěn)定，無零點(diǎn)漂移。 數(shù)字版功能多樣，有高達(dá)2kHz的靈活測量速度、多種測量模式（觸發(fā)/連續(xù)）和智能平均功能。模擬版可通過單獨(dú)引腳配置為線性或平方根輸出。SDP80x適用于通過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、信號處理和數(shù)字標(biāo)定集成在一個(gè)芯片上。它通過采用流通原理的熱式傳感器元件來測量差壓。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)的過濾器監(jiān)測系統(tǒng)所收集的測量結(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)量流量測量的傳感器也取代了對環(huán)境壓力補(bǔ)償?shù)男枰驗(yàn)橘|(zhì)量流量不會隨環(huán)境壓力的變化而變化（這與體積流量不同，后者會隨環(huán)境壓力而變）。

總結(jié)

精確的過濾器監(jiān)測為暖通空調(diào)、醫(yī)療技術(shù)、汽車和包裝等行業(yè)的許多應(yīng)用增加了價(jià)值。探測出更換過濾器的正確時(shí)刻有助于通過提供清潔的空氣來保護(hù)人類、動物和設(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。對于許多過濾器監(jiān)測應(yīng)用，微熱流量和壓差傳感是有利的傳感器技術(shù)，由于其精度和長期穩(wěn)定性，可以提供附加價(jià)值。

更多信息：旁路流量測量和伯努利環(huán)

測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，用于測量由離心風(fēng)扇引起的氣流。一個(gè)簡單的環(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量壓降，從而獲得準(zhǔn)確的流量讀數(shù)。