УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ОБЪЕМНОГО ПОТОКА В ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ ТРУБЕ
DEVICE FOR MEASUREMENT AND CONTROL OF VOLUMETRIC FLUX IN VENTILATION PIPE

Изобретение относится к устройству для измерения и регулирования объемного потока в вентиляционной трубе, включающему в себя монтируемую в вентиляционной трубе вентиляционную заслонку, привод для управления вентиляционной заслонкой, чтобы посредством нее регулировать объемный поток, и устанавливаемый посредством крепления в вентиляционной трубе по меньшей мере один сенсорный элемент для измерения объемного потока.
Для регулирования вентиляции помещений необходимо измерять подводимый и/или отводимый поток воздуха. Имеются, например, стержневые зонды, которые могут монтироваться внутри трубы и позиционировать датчик примерно в центре проходного сечения трубы, то есть в месте наибольшей скорости потока. Они могут монтироваться, однако, в дополнение к вентиляционной заслонке и приводам, что повышает объем монтажных работ для всей вентиляционной системы.
Из WO 2005/053975 (Belimo) известно устройство для регулирования воздушного потока в вентиляционной трубе. На расположенном в вентиляционной трубе креплении для воздушной заслонки встроены два элемента для измерения давления, так что объемный поток может определяться перепадом давления. Измерительные элементы соответственно расположены, например, с торцевой стороны на диаметрально противоположных концах поворотного крепления, при этом крепление находится наискосок относительно продольной оси вентиляционной трубы и проходит практически от одной стенки до другой.
Определение объемного потока посредством элементов для измерения давления имеет определенные недостатки. Известно, что термоанемометры (т.е. анемометры, которые основаны на измерении температуры, а именно на определении зависящей от скорости потока рабочей среды степени охлаждения нагревательного элемента) имеют больший диапазон измерения. Могут быть измерены, в частности, также относительно низкие скорости потока. В конечном итоге, датчик - точный и компактный.
Известно применение термоанемометров для различных целевых назначений. В DE 102007017682 А1 (ebm-pabst) такой датчик расположен непосредственно за вентилятором с целью определения объемного потока вентилятора и регулирования числа оборотов вентилятора.
В ЕР 0339626 описан независимый измерительный зонд на основе термоанемометра, который нечувствителен в отношении обусловленных ориентацией погрешностей настройки и быстро реагирует на изменения потока. На ориентированном перпендикулярно направлению потока стержневом зонде с обеих сторон датчика соответственно предусмотрен цилиндрически-симметричный обтекатель набегающего потока, так что вместе с утоненным чувствительным участком образуется гантелеобразная фигура. Обтекатели набегающего потока выполнены, например, коническими или сферическими, при этом основная, плоская, поверхность конуса или полусферы обращена в сторону чувствительного участка, и создается скачкообразное изменение поперечного сечения. За счет зеркально-симметричных обтекателей набегающего потока достигается, что нарушается цилиндрическая симметрия параметров потока в пользу квазисферической характеристики потока. Гантелеобразное исполнение призвано обеспечить независимость направления датчика в большом диапазоне угла обтекания.
Из DE 102005038598 (Robert Bosch GmbH) известен пленочный термоанемометр расхода воздуха, который используют на такте всасывания двигателя внутреннего сгорания (при скорости потока от 0 до 60 м/с). Чтобы избежать загрязнения поверхности и связанного с этим смещения сигнала, предусмотрен элемент отрыва потока. Он способствует тому, что частицы масла непосредственно за элементом отрыва потока осаждаются в застойной зоне потока. Кромка отрыва, согласно этой публикации, должна быть расположена выше по потоку относительно плоскости подложки основы датчика по меньшей мере на 15-40 мкм и относительно чувствительного участка по меньшей мере на 30-60 мкм и максимально на 200-600 мкм. (Поверхность датчика составляет, например, 1600 мкм × 500 мкм).
Из ЕР 0578029 В1 (Trox) известна чувствительная система для слежения и детектирования направления течения отводимого потока. В направлении течения последовательно расположены друг за другом два электрически подогреваемых терморезистора. Барьерный элемент обеспечивает, чтобы расположенный соответственно ниже по потоку терморезистор находился в спутном течении потока и, следовательно, не охлаждался. Таким образом, определяется разность температур, которая позволяет сделать вывод о направлении течения.
При использовании обычных датчиков объемного потока в вентиляционных трубах выяснилось, что на сигналы датчика влияет геометрия трубопровода. Следовательно, необходимо следить за тем, установлен ли датчик непосредственно за изогнутым участком трубы или за прямым участком. Это затрудняет установку датчиков объемного потока в системе регулирования и приводит к повышенным планировочным и установочным затратам труда. Если не учитывать этих воздействий при монтаже датчика, неизбежны погрешности в измерениях.
Задача изобретения состоит в том, чтобы предложить относящееся к указанной вначале технической области устройство, которое может надежно измерять и регулировать объемный поток независимо от геометрии трубопровода. В частности, должно быть создано устройство, которое может быть реализовано интегрально и экономически выгодно с приводом и регулированием вентиляционной заслонки.
Решение задачи осуществляется тем, что в качестве сенсорного элемента предусмотрен термоанемометр с сенсорной поверхностью для измерения объемного потока.
Путем комбинирования моторно-управляемой вентиляционной заслонки и термоанемометра может быть обеспечено экономически выгодное и надежное регулирование объемного потока. Измерение посредством термоанемометра оказалось более простым и надежным, чем известное до сих пор в вентиляционных заслонках измерение разности давления. Крепление, с которым непосредственно или опосредованно соединен сенсорный элемент, позволяет разместить сенсорную поверхность на желательном месте (преимущественным образом на продольной центральной оси вентиляционной трубы).
В одном предпочтительной варианте осуществления термоанемометр, в частности, сенсорная поверхность, расположен на корпусе привода или встроен в корпус (а именно в его наружную стенку). Таким образом, устройство может быть выполнено как конструктивный блок, который монтируется как одно целое полностью внутри вентиляционной трубы. Следовательно, отпадает необходимость монтажа отдельных датчиков. Тем не менее, допускается также исполнение датчика в форме отдельного модуля, возможно, со встроенной регулирующей электроникой для регулирования объемного потока посредством вентиляционной заслонки.
Корпус в упомянутом преимущественном варианте осуществления закреплен на креплении, которое выполнено таким образом, что сенсорный элемент помещен по существу в центре вентиляционной трубы. Крепление может быть выполнено передвижным или съемным, так что при любых размерах вентиляционной трубы корпус может монтироваться надлежащим образом, т.е. с сенсорным элементом в центре вентиляционной трубы. Так, например, для каждого обычного типоразмера поперечного сечения вентиляционной трубы может быть предусмотрено соответствующее крепление. Сборщику в данном случае лишь требуется смонтировать определенное для соответствующего поперечного сечения трубы крепление, чтобы обеспечить, что сенсорный элемент находится на оптимальном для осуществления измерения месте.
Встроенная в конструктивный блок электронная система управления обеспечивает возможность регулирования объемного потока вентиляционной заслонкой в соответствии с заданным значением. Это заданное значение задается центральной системой устройства HLK (инженерного обеспечения зданий). Система управления также может быть расположена конструктивно в отдельном от привода корпусе. Это может быть оправдано тогда, когда нужно дооснастить имеющиеся приводы регулированием при поддержке анемометра.
Преимущественным образом электронная система управления расположена на печатной плате (printed circuit board), которая находится частично внутри и частично снаружи корпуса привода. В этом случае сенсорная поверхность может быть выполнена на расположенной снаружи корпуса привода (т.е. открытой для воздействия потока) части печатной платы. При этом преимущественно, но не обязательно, электронная система управления для привода и измерительная электроника для термоанемометра расположены на одной и той же печатной плате.
В одном особенно предпочтительном варианте осуществления сенсорный элемент, в частности, сенсорная поверхность, расположены в выемке корпуса привода или в вогнутости или углублении стенки корпуса. При этом сенсорный элемент соединен с расположенной внутри корпуса электронной схемой. Электронная схема может быть расположена также в конструктивном блоке, отдельном от корпуса привода. Отдельный конструктивный блок может быть прикреплен к наружной стенке корпуса привода скобой, штекером или другим способом.
В расположенном как одно целое в вентиляционной трубе заявленном устройстве привод имеет преимущественным образом поворотное крепление для вентиляционной заслонки. Вентиляционная заслонка съемно закреплена на указанном креплении, так что устройство может быть использовано для различных поперечных сечений вентиляционных труб, при этом в зависимости от размеров поперечного сечения вентиляционной трубы может быть помещена соответствующая вентиляционная заслонка. Крепление выполняется преимущественным образом посредством защелкивающего или зажимного механизма, так что сборщик может сменить заслонку без инструмента (например, отвертки).
Крепление вентиляционной заслонки также может быть жестко соединено с вентиляционной заслонкой. Возможность замены в этих условиях может быть реализована за счет того, что крепление вентиляционной заслонки посажено на поворотной оси привода при помощи разъемного резьбового или зажимного крепления.
В одном особенно предпочтительном варианте осуществления перед сенсорным элементом предусмотрен элемент завихрения, который выполнен таким образом и отстоит от сенсорной поверхности так, что в зоне сенсорной поверхности целенаправленно создается повышенно турбулентный поток типа того, который образуется, например, после трубного колена в вентиляционной трубе. Если без элемента завихрения течение (поток) было бы ламинарным, но с ним оно становится завихренным (турбулентным), и когда течение уже является завихренным, то степень его завихренности в зоне сенсорной поверхности повышается или усиливается.
За счет того, что в зоне сенсорной поверхности целенаправленно создается завихрение (турбулентность) (т.е. определенный вид течения), в зоне датчика имеются определенные условия измерения, и измерение происходит независимо от того, будет ли течение перед датчиком в целом ламинарным или завихренным и будет ли степень завихрения относительно высокой или низкой. Элемент завихрения предназначен для создания максимальной завихренности, которая превышает завихренность, создаваемую изгибом трубы или встроенными в канал элементами. Элемент завихрения призван повысить завихреннность (лишь) настолько, чтобы измеренные значения обеспечивали оптимальную точность при различных набегающих потоках.
Было установлено, что в отличие от известных до сих пор сенсорных устройств результаты измерений больше не зависят от того, прямой ли перед местом измерения трубопровод или изогнутый. Таким образом, планировка систем HLK упростилась, и системы HLK меньше подвержены погрешностям (ошибкам) или сбоям.
Преимущественным образом элемент завихрения представляет собой проходящую поперек направления течения кромку отрыва, которая в направлении потока расположена перед сенсорной поверхностью по меньшей мере на 3 мм (например 1-2 см) и по меньшей мере на 0,5 мм (например 1-2 мм) возвышается над сенсорной поверхностью. За кромкой отрыва образуется зона потока с высокой или повышенной степенью завихренности. Путем соответствующего выбора расстояний между кромкой отрыва и сенсорной поверхностью в месте измерения всегда господствует течение с высоким завихрением.
Заявленное расположение кромки отрыва существенно отличается воздействием в зоне сенсорной поверхности от устройства согласно DE 102005038598. В устройстве согласно DE 102005038598 максимально ламинарное течение должно быть достигнуто в зоне сенсорной поверхности, а завихрение с «застойной зоной» должно иметь место полностью перед сенсорной поверхностью.
Вместо прямой кромки отрыва могут быть предусмотрены также другие элементы завихрения, как, например, выступающие в поток гребнеобразные структуры.
В дополнение к элементу завихрения позади сенсорной поверхности может быть предусмотрен обтекаемый элемент, который расширяется в поперечном сечении в направлении потока, при этом, исходя от уровня высоты сенсорной поверхности, высота увеличивается и превышает высоту кромки отрыва элемента завихрения относительно сенсорной поверхности. Было установлено, что таким обтекаемым элементом может быть улучшена сенсорная характеристика при более высоких скоростях потока.
Форма встроенного ниже обтекаемого элемента соответствует по существу профилю возрастающего уклона. Преимущественным образом она имеет не крутые кромки и углы, а скругленные переходы. Если датчик интегрирован в корпусе привода для вентиляционной заслонки или аналогичным образом, то конец уклона может совпадать с проходящей параллельно направлению потока наружной стенкой корпуса.
Встроенный ниже обтекаемый элемент находится, например, на расстоянии от сенсорной поверхности, которое составляет по меньшей мере 3 мм (например 1-2 см). То есть обтекаемый элемент не примыкает непосредственно к сенсорной поверхности. Для скоростей потока в области вентиляционной техники (которые обычно находятся в диапазоне 0,5-7 м/с) оказалось преимуществом, если сенсорная поверхность расположена, если смотреть в направлении потока, примерно посередине между кромкой отрыва и обтекаемым элементом.
Если датчик используют лишь при относительно небольших скоростях потока, то расположенный ниже обтекаемый элемент может быть выполнен менее высоким и/или расположен на большем расстоянии от сенсорной поверхности. При определенных обстоятельствах он может также вовсе отсутствовать.
Перед сенсорной поверхностью выполнен направляющий элемент, на заднем (обращенном к сенсорной поверхности) конце которого расположен элемент завихрения (например, кромка отрыва). На переднем (обращенном от сенсорной поверхности) конце направляющего элемента предусмотрена ориентированная поперек направления потока улавливающая поверхность для частиц загрязнений. Направляющий элемент направляет поток на кромку отрыва и имеет аэродинамическую форму с небольшим сопротивлением потоку. Чтобы улавливающая поверхность была высокоэффективной, ее ширина поперек направления течения составляет обычно более 1 мм (например, несколько миллиметров). Так как обращенный навстречу потоку конец направляющего элемента должен иметь минимально возможное сопротивление потоку, то он округлен. Улавливающей поверхностью называется часть поверхности, нормаль которой имеет угол, превышающий 135° относительно главного направления потока в трубопроводе.
Направляющий элемент служит для того, чтобы направлять поток на кромку отрыва, и препятствует возникновению преждевременных и неконтролируемых завихрений.
Чтобы определить объемный поток в трубопроводе, существенным является скорость потока в центре поперечного сечения трубы и, более конкретно, в продольном направлении трубопровода. Чтобы снизить чувствительность сенсорного элемента в других (нежелательных) направлениях, устройство может иметь сбоку сенсорной поверхности по меньшей мере один обтекаемый избирательный элемент. Таким образом, поток движется между (расположенными сбоку в направлении потока) обтекаемыми избирательными элементами. Указанные обтекаемые избирательные элементы проходят от элемента завихрения до расположенного ниже по потоку обтекаемого элемента.
Преимущественным образом сенсорный элемент имеет поверхностно-монтируемый компонент (SMD)-компонент, который содержит датчик температуры (например, элемент Pt-100) и пластинчатую основу для поверхностно-монтируемого компонента. Основа представлена, например, в форме пластины из эпоксидной смолы, такой как используется обычно как подложка для электронных схем. Сенсорная поверхность образована медным слоем. Поверхностно-монтируемый компонент монтируют в зоне медного слоя или в непосредственной близости от него.
В одном таком варианте осуществления можно также отказаться от направляющего элемента. Если пластинчатую основу ориентировать под определенным углом (например, 2°-10°) наискосок относительно направления потока (в таком случае нормаль поверхности находится под углом 92°-100° к направлению потока), то кромка отрыва может быть образована непосредственно кромкой основы, обращенной к потоку.
В одном особенно предпочтительном варианте осуществления основа прикреплена к креплению таким образом, что она с двух сторон омывается потоком. Также с обеих сторон она имеет медное покрытие, причем оба медных слоя находятся друг с другом в хорошем тепловом контакте. За счет использования двух сенсорных поверхностей достигается выгодное (локальное) усреднение измеренного значения.
Измерение температуры может осуществляться, кроме поверхностно-монтируемого компонента, также другими техническими средствами (например, дискретными схемотехническими элементами). Допустима также возможность комбинирования в процессе производства сенсорной поверхности и температурно-измерительной электроники для получения специфически применяемого прибора измерения объемного потока.
Преимущественным образом элемент завихрения и включенный ниже по потоку обтекаемый элемент при двустороннем использовании основы в поперечном сечении имеют зеркально-симметричное исполнение относительно геометрической средней плоскости, определяемой пластинчатой основой.
Допустимо также, что используются обе стороны основы, но при этом геометрия потока различна. Это было бы, например, целесообразным в том случае, если при различных геометриях потока датчик предполагается оптимизировать на различные диапазоны скоростей потока. Так, например, одна сторона основы могла бы быть особенно чувствительной к диапазону от низких до средних скоростей потока, а другая сторона - к диапазону от средних до высоких. В целом, в этом случае получаем характеристику, хорошую в равной мере как для низких, так и для высоких диапазонов скорости потока.
В одном предпочтительном варианте осуществления расположенный ниже обтекаемый элемент и боковые обтекаемые избирательные элементы выполнены как непрерывная полукруглая, имеющая форму боковой поверхности корпуса, раскрывающаяся поверхность. Выражаясь образно, боковые обтекаемые избирательные элементы и расположенный ниже обтекаемый элемент образуют поверхность, похожую на край глубокой суповой тарелки. Сенсорная поверхность в этом случае представляет собой дно воображаемой суповой тарелки.
Как вариант, боковые обтекаемые избирательные элементы могут быть также выполнены отдельно от расположенного ниже по потоку обтекаемого элемента. Как правило, боковые обтекаемые избирательные элементы выполнены симметрично относительно направления главного потока (т.е. относительно перпендикулярной сенсорной поверхности продольной средней плоскости устройства или вентиляционной трубы).
Направляющий элемент в своей расположенной выше относительно кромки отрыва зоне выполнен в поперечном сечении преимущественно капельной формы. В отличие от капли профиль направляющего элемента заканчивается вниз по течению не острием, а кромкой или кромками отрыва.
Направляющий элемент в поперечном сечении может быть также похожим на крыло самолета или иметь чечевицеобразную форму.
Преимуществом для практического использования является, если устройство представляет собой интегрированный блок из вентиляционной заслонки, привода и средств регулирования. В этом случае двигатель, передаточный механизм и схема регулирования расположены в корпусе, на наружной стороне которого предусмотрены приводимая в действие вентиляционная заслонка и датчик. Указанный блок монтируют как одно целое в вентиляционной трубе (т.е. в зоне потока). Датчик расположен в корпусе таким образом, что он находится примерно в центре вентиляционной трубы. В тепловом отношении сенсорный элемент должен быть хорошо изолирован от привода в корпусе.
Сборщику требуется лишь механически и электрически подключить этот блок, чтобы в определенном месте осуществлять вентиляционный контроль. Такой блок компактен и экономичен при монтаже. Вентиляционная труба не требует прокладки ни внутренних, ни наружных шлангов, ни присоединения отдельных измерителей уровня жидкости.
Не исключается, конечно, что сенсорное устройство может быть использовано в смысле корпуса независимо от привода. Полностью допустимо также, что заявленное сенсорное устройство поставляется в форме готового модуля, который может быть дополнительно укомплектован имеющимися приводами вентиляционных задвижек.
Для калибровки измерения относительно температуры рабочей среды в другом месте корпуса помещают датчик температуры. Датчик температуры может быть предусмотрен, в принципе, отдельно от корпуса, но это имеет тот недостаток, что монтаж всего устройства получается более трудоемким.
Сенсорный элемент установлен преимущественно в выемке или вогнутости в корпусе и соединен с находящейся внутри корпуса электроникой. Выемка выполнена, например, таким образом, что она имеет зону, свободную от печатной платы, на которой монтируют электронные компоненты устройства управления приводом и устройства регулирования заслонки. Следовательно, сенсорный элемент и средства настройки могут быть расположены преимущественным образом на общей плате. Ограничивающими выемку стенками могут быть образованы одновременно расположенный ниже по потоку обтекаемый элемент и боковые обтекаемые избирательные элементы.
Как альтернатива, печатная плата может выступать из корпуса, обычно имеющего форму прямоугольного параллелепипеда, при этом не предусмотрена вогнутость в корпусе. Сенсорный элемент и электронный блок обработки результатов измерений могут быть реализованы также отдельно от корпуса привода.
На корпусе может быть помещено крепежное приспособление, которое обеспечивает монтаж корпуса в вентиляционной трубе таким образом, что сенсорный элемент по существу может быть помещен в центре вентиляционной трубы. Вентиляционная заслонка, привод и средства регулирования образуют, следовательно, монтируемый внутри трубопровода компактный конструктивный блок.
Однако привод может быть расположен также снаружи вентиляционной трубы. В этом случае измерительное устройство монтируют перед вентиляционной заслонкой в трубопроводе.
2
По этому же конструктивному принципу на корпусе могут быть расположены также другие датчики, которые могут быть использованы для определения качества воздуха. Следует упомянуть, например, датчики влажности или датчики газа, которые также могут быть помещены на выступающей из корпуса части печатной платы. Измерение при помощи датчика газа (например, СО или летучих органических соединений) состава отводимого воздуха позволяет сделать вывод о качестве воздуха в помещении. Если качество воздуха плохое, объемный поток, например, увеличивают, а при хорошем качестве уменьшают.
Упомянутые дополнительные датчики также могут быть помещены на отдельной подложке или на удаленном от термоанемометра месте с наружной стороны корпуса. Преимущественным образом все датчики расположены на одной и той же печатной плате или по меньшей мере электронно соединены с одной и той же печатной платой или с ее электроникой. Другие датчики могут таким же образом, как и пленочный термоанемометр расхода воздуха, быть установлены позади направляющего элемента для защиты от грязи.
При соединении с приводом сигнализатора движения, который детектирует нахождение людей в вентилируемом помещении, объемный поток может быть соответственно отрегулирован по-иному (например, на повышение).
Из нижеследующего детального описания и полной формулы изобретения проистекают другие преимущественные формы осуществления и комбинации признаков изобретения.
На используемых для пояснения примера осуществления чертежах показано:
фиг.1 - схематичное изображение в перспективе конструктивного блока с вентиляционной заслонкой, приводом и датчиком объемного потока;
фиг.2 - увеличенное изображение в перспективе сенсорного элемента и взаимодействующих с ним обтекаемых деталей;
фиг.3 - увеличенное изображение поперечного разреза сенсорного устройства;
фиг.4 - схематичное изображение в перспективе другого варианта осуществления, в котором сенсорный элемент конструктивно отделен от привода вентиляционной заслонки.
Принципиально все одинаковые детали на чертеже снабжены одними и теми же позициями.
На фиг.1 показана круглая вентиляционная труба 1 с продольной центральной осью 7. Внутри вентиляционной трубы 1 помещена перемещаемая вентиляционная заслонка 2, при помощи которой воздушный поток в направлении L течения может бесступенчато дросселироваться. Вентиляционная заслонка 2 приводится в движение при помощи двигателя 3, который помещен в плоском корпусе 4 и воздействует посредством понижающего редуктора 5 на ось 6 вращения вентиляционной заслонки 2. Ось 6 вращения ориентирована перпендикулярно продольной центральной оси 7. На оси 6 вращения закреплено крепление 23 для вентиляционной заслонки 2. Вентиляционная заслонка 2 выполнена преимущественным образом гибкой, как описано, например, в WO 2008/019519 (Belimo). Кроме того, вентиляционная заслонка 2 закреплена на креплении 23 с возможностью замены, так что в зависимости от диаметра вентиляционной трубы 1 могут быть использованы подходящие вентиляционные заслонки 2.
Приблизительно прямоугольный корпус 4 своим углом 9.1 фиксируется посредством крепления 8, которое закреплено на внутренней стороне вентиляционной заслонки 1, в центре вентиляционной трубы 1. Далее продолговатый корпус 4 простирается, исходя из положения крепления, вниз по потоку примерно на продольной центральной оси 7. Крепление 8 корпуса выполнено здесь в виде стержня определенной длины. Чтобы один и тот же привод использовать для различных поперечных сечений вентиляционной трубы, корпус 4 посредством простого резьбового соединения закреплен на креплении 8. В зависимости от поперечного сечения трубы корпус 4 может быть помещен на большем или меньшем креплении 8, так что корпус 4 и, в частности, сенсорная поверхность сенсорного элемента всегда находится приближенно в центре вентиляционной трубы 1.
Канал передачи данных на центральную систему управления и электроснабжение осуществляются посредством кабельной проводки, которая через крепление 8 подводится снаружи вентиляционной трубы 1.
На обращенном от вентиляционной заслонки 2 конце корпуса 4, т.е. на направленном вверх по потоку конце корпуса 4, предусмотрена выемка 10. Эта выемка 10 находится примерно на середине направленной вверх по потоку узкой стороне корпуса (которая проходит по существу от угла 9.1 до угла 9.2) и при правильном монтаже корпуса 4 лежит на продольной центральной оси 7 вентиляционной трубы 1.
На виде сверху на главную сторону корпуса 4 выемка 10 имеет приблизительно полукруглую форму с коротким прямым направляющим участком на открытом конце полукруга. Ширина короткого прямого направляющего конца примерно соответствует от 1/2 до 1/3 ширины (приблизительно прямоугольного) корпуса 4.
Выемка 10 освобождает определенную зону поверхности печатной платы 11, которая находится в задней (т.е. лежащей выше по потоку) части корпуса 4. На печатной плате 11 расположена электронная схема 12 для управления двигателем 3 или для установки вентиляционной заслонки 2 в соответствии с заданным центральной системой управления объемным потоком. На фиг.2 схематично изображены линии от электронной схемы 12 к двигателю 3, к внешней центральной системе управления, к сенсорному элементу 13 датчика объемного потока, т.е. к поверхностно-монтируемому компоненту 19 и к датчику 14 температуры.
На фиг.2 показан увеличенный фрагмент лежащей выше по течению части корпуса с заявленными обтекаемыми элементами. Перед выемкой 10 (т.е. выше по течению) предусмотрен направляющий элемент 15. Он проходит по существу по всей ширине выемки 10. Выше по течению (т.е. на обращенной от корпуса 4 стороне) направляющий элемент 15 имеет скругленную в профиле улавливающую поверхность 16 для частиц загрязнений. На расположенном вниз по течению конце направляющего элемента 15 выполнена кромка 17.1 отрыва. Она находится на некотором расстоянии от сенсорного элемента 13, который образован медной поверхностью 18.1 и поверхностно-монтируемым компонентом 19. Расстояние выбрано так, что завихрение потока, которое образуется за кромкой отрыва, покрывает медную поверхность 18.1.
Поверхностно-монтируемый компонент 19 зафиксирован на медной поверхности 18.1 печатной платы 11. Это увеличивает эффективную измерительную поверхность. Во-первых, таким образом снижается частота отказов, так как точечное загрязнение больше не может приводить к отказу датчика, и, во-вторых, достигается известное усреднение измеряемого температурного эффекта.
Наклонная ограничительная стенка выемки 10 образует в зоне прямого направляющего участка выемки обтекаемые элементы 21.1, 21.2 выбора направления. Таким образом, посредством боковой по отношению к сенсорному элементу 13 ограничительной стенки демпфируются воздействия на сенсорный элемент 13 тех компонентов потока, которые протекают не в направлении продольной центральной оси 7.
Наклонная ограничительная стенка выемки 10 в полукруглой зоне ниже сенсорного элемента 13 представляет собой расположенный ниже обтекаемый элемент 20, который улучшает характеристику датчика объемного потока при более высоких скоростях потока. В целом, элементы 21.1, 21.2 выбора направления и расположенный ниже обтекаемый элемент 20 образуют практически непрерывную, изогнутую, раскрывающуюся по мере удаления от печатной платы 11 поверхность.
На фиг.3 показано сенсорное устройство в поперечном сечении. Виден относительно крутой уклон расположенного позади обтекаемого элемента 20. Угол уклона составляет преимущественным образом по меньшей мере 45°, в частности, по меньшей мере 60° относительно печатной платы 11. На расположенном оппозитно уклону (т.е. лежащем выше по течению) конце печатной платы 11 помещен зеркально-симметрично плоскости печатной платы направляющий элемент 15. Обтекаемый элемент 20 простирается на большую высоту относительно сенсорной поверхности, чем направляющий элемент 15, т.е. обтекаемый элемент 20 поперек направления потока шире, чем направляющий элемент 15. В поперечном сечении направляющий элемент 15 выполнен в форме капли, по меньшей мере в том, что касается направленной вверх по потоку части профиля с улавливающей поверхностью 16. Лежащая ниже по потоку часть профиля имеет две кромки 17.1, 17.2 отрыва, которые разделены расстоянием, соответствующим сумме высоты каждой кромки отрыва над поверхностью печатной платы 11 и толщине печатной платы 11. Между кромками 17.1, 17.2 отрыва отсутствует необходимость в особой форме. Единственно важным является то, что профиль направляющего элемента 15 выполнен так, что поток срывается на кромках 17.1, 17.2 отрыва. В показанном профиле длина направляющего элемента 15 (если смотреть в направлении потока) составляет несколько миллиметров. Ширина (перпендикулярно поверхности печатной платы 11) составляет, например, в миллиметрах меньше.
Далее на фиг.3 видны расположенные на противолежащих сторонах печатной платы 11 боковые избирательно обтекаемые элементы 21.1 и 21.2. Они также выполнены поперек направления течения L в форме уклона. В показанном примере осуществления лежащая вверх по потоку узкая сторона 22 корпуса 4 скошена и образует уклон для набегающего потока.
Печатная плата 11 снабжена с обеих сторон медной поверхностью 18.1, 18.2, которая термически соединена с поверхностно-монтируемым компонентом 19. Обусловленное потоком охлаждение может быть определено на обеих сторонах печатной платы или измеряется среднее значение. Это делает дополнительно измерение более надежным в отношении помех.
Расположенные на противолежащих сторонах печатной платы 11 медные поверхности 18.1, 18.2 не нуждаются в соединении посредством медных контактов. Если используют достаточно тонкую подложку из подходящего пластика, тепло проходит сквозь печатную плату 11. Так как медные поверхности 18.1, 18.2 имеются на обеих сторонах печатной платы, то измерения осуществляют также с обеих сторон печатной платы. Условием для этого является то, что сенсорные поверхности расположены по существу параллельно направлению потока (т.е. что нормаль поверхности перпендикулярна направлению потока).
На фиг.4 показан другой вариант осуществления изобретения. В вентиляционной трубе 31 расположена вентиляционная заслонка 32, ось 36 вращения которой через стенку вентиляционной трубы 31 выводится наружу. С наружной стороны вентиляционной трубы 31 привод 33 соединен известным способом с осью 36 вращения. Отдельно от привода 33 смонтирован корпус 34 термоанемометра в вентиляционной трубе 31. Крепление 38 корпуса 34 может быть выполнено таким же образом, как описано в связи с фиг.1. Для электрического соединения между приводом 33 и термоанемометром предусмотрен кабель 35. Выемка 40 в корпусе 34, расположение и конструкция сенсорного элемента 43 и датчика 44 температуры могут быть полностью аналогичными вышеописанному варианту осуществления (фиг.1-3).
Описанные примеры осуществления могут быть модифицированы во многих аспектах. Привод не обязательно должен быть расположен точно в продольном направлении в вентиляционном канале. Он может располагаться также, например, диагонально к направлению потока.
Продолговатый корпус привода лежит слегка наискосок, например, 10° к продольной оси канала, а анемометр прикреплен к нижнему углу корпуса привода. Этот угол, если принять угол 10°, всегда лежит посередине канала. Преимуществом является лучшее использование пространства в приводе.
Крепление 8 может иметь вилкообразную основу, которая с обеих сторон охватывает плоский корпус. В то время как на фиг.2 крепление (или упомянутая основа) удерживает корпус на верхнем по потоку (т.е. заднем) углу, точка крепления, вместо того чтобы быть в указанном углу, может находиться также посередине (в направлении потока) продолговатого корпуса. В этом случае поток поступает вначале на направляющий элемент 15, обтекает поверхностно-монтируемый компонент 19 и обтекаемый элемент 20 и только затем попадает в зону, в которой воздействует на крепление (или вилкообразную основу) на корпусе. Основа может охватывать в этом случае корпус, при этом поток не претерпевает возмущения в зоне поверхностно-монтируемого компонента 19. Крепление корпуса на основе осуществляется в зоне между обтекаемым элементом 20 и осью 6 вращения (например, посередине).
Чтобы создать подвижное или регулируемое соединение между креплением 8 и корпусом 4, может быть предусмотрена, например, крепежная планка, которая проходит поперек продольного направления корпуса (т.е. в радиальном направлении относительно вентиляционной трубы) и на которой, например, вилкообразная подложка, может быть зафиксирована в различных положениях (например, винтами или зажимами). При помощи регулируемого таким образом крепления корпуса может юстироваться положение анемометра относительно поперечного сечения вентиляционной трубы. Так одно и то же крепление может быть оптимально использовано для вентиляционных труб различных диаметров.
Печатная плата 11 может быть снабжена отверстием или проемом, который находится ниже по потоку относительно поверхностно-монтируемого компонента 19, т.е. между компонентом 19 и обтекаемым элементом 20. Преимуществом этого может быть то, что загрязнения не могут осаждаться на переходе между печатной платой 11 и поднимающейся с уклоном стенкой корпуса у обтекаемого элемента 20.
В целом, преимущество термоанемометра состоит в том, что требуется меньше преобразований сигнала, что означает уменьшение источников погрешностей.
Медные поверхности (температура которых определяется) могут проходить по широкой зоне поперечного сечения канала и могут таким образом усреднять значения потока. Длина одной медной поверхности может составлять, например, половину диаметра трубы. Ширина медной поверхности составляет, например, 5 мм. Медные поверхности могут быть также квадратными. Большая сенсорная поверхность имеет преимущество, что локальное загрязнение (например, мелкие частицы) сигнала датчика (сенсора) не означает никакой существенной помехи измерительного сигнала. Также то обстоятельство, что воздух протекает стороной, а не попадает фронтально на сенсорную поверхность, уменьшает опасность загрязнения, в частности, также в сочетании с размещенной впереди на направляющем элементе 15 улавливающей поверхностью. Далее печатная плата может быть снабжена нанолаком и/или антистатическим покрытием.
Если вся электроника для датчиков и средства управления привода расположены на узком пространстве печатной платы, конструкция всего устройства выигрывает в компактности. Однако также может быть выгодно использование датчика объемного потока независимо от привода (например, как место измерения и контроля в более обширной управляющей системе обогрева, вентиляции и кондиционирования).
Вместо кромки отрыва на отдельном направляющем элементе 15 печатная плата, на которой расположена сенсорная поверхность, может быть установлена с наклоном, например на 4°, относительно направления потока (или продольной центральной оси вентиляционного канала). Это может также создать сильное завихрение и обеспечить желательный эффект.
На приводе или на корпусе могут быть предусмотрены также два или большее число термоанемометров. В частности, датчик согласно изобретению может быть выполнен как конструктивный блок, который как модуль комплектует привод вентиляционной заслонки (например, насаживается, навинчивается или наклеивается на него). Следовательно, обычный привод при помощи заявленного сенсорного модуля может быть преобразован в управляемую объемным потоком вентиляционную заслонку. Привод и вентиляционная заслонка могут быть также выполнены и встроены таким образом, как описано в WO 2005/053975 (Belimo). Следовательно, в частности, не обязательно, чтобы корпус привода проходил в продольном направлении. Допустима также, как видно из уровня техники, наклонно смонтированная форма исполнения.
Заявленный сенсорный модуль может иметь сигнальный выход, посредством которого температура в вентиляционном канале передается дальше на центральную систему управления.
Возможны различные виды назначений. Так называемый «энергомониторинг» может быть создан вместе с измеренным объемным потоком таким образом, что, например, позволяет определить, какой объем и при какой температуре поступает в помещение и какой вновь уходит с отсасываемым отработанным воздухом. Таким образом, можно, например, узнать, широко ли открыто окно. В рамках изобретения система объединена с приводом. Температурный сигнал может также служить для того, чтобы при опасности мороза послать сигнал на вентиляционную заслонку, чтобы закрыть ее. Таким образом, можно воспрепятствовать, например, возможному замерзанию теплообменника.
На основе температурного сигнала может быть обнаружен возможный противоток, например, в результате скачка температуры (так как поступает лишь холодный наружный воздух) при одновременной низкой скорости потока.
2
В такую общую систему могут быть интегрированы также другие датчики (датчики влажности, датчики газа и пр.). Измерение датчиком газа (например, СО или летучих органических соединений) состава отводимого воздуха позволяет сделать вывод о качестве воздуха в помещении. Если качество воздуха плохое, объемный поток, например, увеличивают, а при хорошем качестве уменьшают.
При соединении с приводом сигнализатора движения, который детектирует нахождение людей в вентилируемом помещении, объемный поток может быть соответственно отрегулирован по-иному (например, на повышение).
Если датчик загрязнен на большой поверхности, изменяют тепловые свойства датчика. Если обогрев датчика включается/выключается в соответствии со специальной тестовой программой, соответственно изменяют также время нагрева и охлаждения. Они могут быть сравнены затем с тестовыми значениями в чистом состоянии. При отклонениях с датчика или системы управления привода может последовать сообщение по техобслуживанию.
Если заслонка закрыта, может быть произведено обнуление датчика. В этом смысле может быть предусмотрено, что вентиляционная заслонка в известные отрезки времени закрывается автоматически, чтобы определить нулевую точку.
В приводе может быть предусмотрен дополнительно регулятор, чтобы отладить и отрегулировать другие приводы по принципу master/slave.
В виде резюме следует констатировать, что согласно изобретению перед сенсорной поверхностью термоанемометра встроен обтекаемый элемент, так что поток становится максимально турбулентным. Таким образом, сигнал датчика поступает независимо от возможных изгибов трубы, встроенных в канал элементов, и т.д.