用于非接触地测定运行状态的方法与流程-k8凯发

本发明涉及一种用于测定、特别是非接触地测定压缩机的运行状态和/或压缩机驱动装置的转速的方法。本发明亦涉及一种用于实施按照本发明的方法的装置。

背景技术：

1、对于压缩机的监控、分析、诊断或操控，在众多问题中存在的难题是需要压缩机的不同参数，例如运行状态(停机、空载运行、负载运行)的时间曲线、供应体积流和电功率消耗。

2、测定这些参数所需要的信息例如可以通过压缩机的控制器经由通信接口，例如以太网、modbus或profibus提供。

3、然而在已知的压缩机中情况通常并非如此，因为使用了例如没有控制器和/或没有相应通信接口的压缩机。通信接口也可能以专有的和/或加密的协议工作，所述协议仅为压缩机的制造商提供相应的数据。

4、由现有技术已知，通过在压缩机中或其上安装测量仪器来量取信号，基于所述信号推导出所需要的参数。

5、例如已知检测信号“马达运行中”和“负载”。为此通过压缩机开关柜中的无电势的触点来掌握电网接触器的状况或操控指令(亦即压缩机驱动装置是否被供应电能的信息)和用于操控进气阀的接触器(亦即空气是否无阻碍地流入到压缩机中，即输送空气的信息)。由所识别到的电网接触器和用于操控进气阀的接触器的状况可以相组合地区分压缩机的运行状态：停机、空载运行和负载运行。

6、这些由现有技术已知的量取信号的方式具有多种缺陷。一方面，为了连接无电势的触点要对压缩机开关柜中的电气装置进行操作。这项操作需要经过专门培训的人员，也称作接受过电气专业培训的人员(eup)，因为信号的连接是在压缩机的开关柜中进行的。用于量取信号的安装也不能在压缩机运行期间进行，因为无电势的触点要被连接到带电压的部件上。压缩机因此必须与电网断开。而且在具有转速可变的压缩机驱动装置的压缩机中也无法通过信号“马达运行中”和“负载”来测定压缩机驱动装置的转速。

7、使用反射脉冲计数的方法来测定转速同样是由现有技术已知的。在反射脉冲计数中将反射标记安装在压缩机驱动装置与压缩机之间的轴上。通过光学传感器对进行转动的轴每单位时间的脉冲数量进行计数。每单位时间的脉冲数量与轴的转速成比例。因此可以从脉冲的数量推断出轴的转速并由此推断出压缩机驱动装置的转速。

8、然而这种测定转速的方式的缺陷是轴上的反射标记仅能在机器停机时安装。此外，光学传感器的安装需要时间，因为光学传感器可能由于压缩机运行期间的振动而滑动。因此，光学传感器必须通过坚固的机械紧固来安装。另一个缺陷在于，通过反射脉冲计数虽然可以测定压缩机驱动装置的转速，不过却无法在运行状态“停机”、“空载运行”和“负载运行”之间进行区分。仅能够区分“停机”(每分钟0转的转速)或“非停机”(大于每分钟0转的转速)。

9、另一种由现有技术已知的方法是，通过电流钳或罗哥夫斯基线圈在压缩机驱动装置的引线上测量有功电流。这种信号检测方式的基本思想是，在相l1、l2或l3其中之一处通过测量磁场强度无接触式地测定有功电流。为此利用如下效果，即，围绕电流穿流的导体的磁场强度与导体内的电流强度成比例。在图1和2中示出用于具有转速不变的驱动装置的压缩机和具有转速可变的驱动装置的压缩机的信号检测的位置。

10、由现有技术已知的这种方法中的信号检测这样实现，即由电流强度(交流电)的在所述相上通过磁场强度量取的测量值在交流电的一个或多个波上计算电流强度的有效值。交流电的电流强度的有效值代表直流电的等效电流强度。借助于交流电的有效值可以通过求得阈值来区分运行状态“停机”、“空载运行”和“负载运行”。在磁场强度、电流的有效值与运行状态之间的相互关系示例性地在图3中示出。

11、在图3的由现有技术已知的示例中，为了推导出运行状态，对于识别运行状态“空载运行”使用30a的阈值，而对于识别运行状态“负载运行”使用160a的阈值。这两个值必须从相应的压缩机的规格页得出或者基于规格页的值算出。在现有技术的该方法中因此需要对电流的有效值进行非常准确的测量。

12、由现有技术已知的该方法具有附加的缺陷，即，为了安装电流钳或者说罗哥夫斯基线圈必须打开压缩机的开关柜，因为电流钳或罗哥夫斯基线圈必须围绕单个相放置。这基本上仅在开关柜内才有可能。因此，安装需要接受过电气专业培训的人员。通过该方法测定压缩机驱动装置的转速也是不可能的。因为电流强度除了转速之外也还取决于在压缩机的出口上的反作用力和在电流与电压之间的相移。在电功率消耗相同的情况下由于不同的相移可能需要不同的电流(通过有功功率因数cosφ表示)。

技术实现思路

1、因此本发明的目的在于，构思一种方法，所述方法将由现有技术已知的缺陷消除或至少降到最低。本发明的目的首先是提供一种对压缩机的运行状态和/或压缩机驱动装置的转速的可靠、快速且成本有利的检测。

2、所提出的目的通过按照权利要求1所述的方法、按照权利要求22所述的装置、按照权利要求24所述的应用并且同样通过按照权利要求25所述的计算机可读的存储介质实现。

3、特别地，该目的通过一种用于测定、特别是非接触地测定压缩机的运行状态和/或压缩机驱动装置，特别是转速可变的或转速不变的压缩机驱动装置的转速的方法实现，所述方法具有以下方法步骤:

4、-借助于检测元件在时间范围内检测磁场，其中，所述磁场通过供电线缆的至少一个相的电流产生；

5、-测定所述磁场在该时间范围内的频率谱；

6、-分析磁场的频率谱，以确定压缩机的运行状态和/或确定压缩机驱动装置的转速。

7、术语“非接触”在本发明的上下文中特别地应被理解为，不存在电气触点。机械接触完全可以存在。

8、术语“电流”在本发明的上下文中特别地描述交流电或三相电。

9、术语“压缩机”在本发明的上下文中可以特别地，但非排他性地被理解为压气机和与此相关的机器、例如鼓风机和相同物。压缩机此外具有压缩机区块也是常见的，其中，所述压缩机区块通过压缩机驱动装置，例如电机，特别是具有一个、两个或多个极偶的电机来驱动。

10、术语“供电线缆”在本发明的上下文中特别地，但非排他性地被理解为用于向压缩机供应电流的线缆和/或用于向压缩机驱动装置供应电流的线缆。供电线缆也有可能向压缩机的其他电气组件供电。这样的其他组件例如可以是风扇马达、阀、机器控制器或类似物。

11、特别地要指出，在本发明的上下文中，在载有电流时将零导体视为相。

12、术语“检测磁场”在本发明的上下文中特别地，但非排他性地描述一个或多个磁特征参量的检测。磁特征参量可以是一个时刻的绝对值或在一个时间范围内的多个绝对值。检测一个时间范围内的磁特征参量随时间的演变也是有可能的。同样地，术语“磁场的检测”可以被理解为在确定的时间范围内绝对测量值相互间的关系。特别地，按照本发明的一种有利的思路，也可以不带单位地检测磁场的物理参量并且必要时将其进一步处理或者说给出(也以本技术的附图部分中的示图)。数值相互间的关系是重要的。因此，按照优选的方式在示图中也使用数轴的线性刻度。

13、按照本发明的方法的优点在于，基于对磁场的频率谱的分析可以确定压缩机驱动装置的转速和/或压缩机的运行状态。按照本发明的方法的另一个优点在于，不需要磁特征参量的准确值和/或电流的有效值的高低来测定压缩机驱动装置的转速和/或压缩机的运行状态。就此而言可以利用对于磁特征参量和/或有效值的高低所检测的值来工作，因为其在时间上的相对变化对于按照本发明的分析看起来是足够的。在所产生的磁场的哪个准确位置处检测所述值也没有那么重要，因为关于这一点也仅取决于其在时间上的相对变化。

14、因此不必如在现有技术中常见的那样付出结构上的高代价来测定这些参数。而更有可能的是，例如通过将在一个时间范围之内检测到的磁特征参量彼此间进行比较来实施压缩机的运行状态的确定和/或压缩机驱动装置的转速的确定。通过按照本发明的方法能够更简单地确定压缩机驱动装置的转速和/或简化地确定压缩机的运行状态。此外，按照本发明的方法能在不准确知晓压缩机或者说压缩机驱动装置的特征值的情况下实现压缩机驱动装置的转速的确定和/或压缩机的运行状态的确定。因此，按照本发明的方法也适合于已经安装好的压缩机或者说压缩机驱动装置。

15、在一种实施方案中，检测磁场包括检测磁场强度和/或检测磁通密度，所述磁场强度的检测特别是在应用罗哥夫斯基线圈的情况下进行，所述磁通密度的检测特别是在应用霍尔传感器或磁阻传感器的情况下进行。

16、该实施方案的优点在于，由现有技术已知的和在霍尔传感器的情况下成本有利的装置能与按照本发明的方法相结合。同样可能的是，检测磁矢量的方向和/或磁矢量的大小。

17、在另一种构成形式中，按照本发明的方法具有以下方法步骤：

18、-将检测元件安装在供电线缆的一个相上。

19、该实施方案的优点在于，所述检测元件能够可变地安装到供电线缆的一个相上。例如在具有变频器的压缩机中，将检测元件安装在变频器与压缩机驱动装置之间，特别是当测定转速时。在转速不变的压缩机中并且同样地在具有变频器的压缩机中测定运行状态时，检测元件可以任意地安装在压缩机驱动装置的供电装置中。例如，检测元件安装在压缩机的引线中或直接安装在主驱动马达之前或任意地安装在两者之间。

20、按照一种实施方案，按照本发明的方法包括以下步骤：

21、-将检测元件安装在供电线缆的多个相、特别是所有相上，从而测量由供电线缆的多个相、特别是所有相的电流所产生的磁场。

22、该实施方案的优点在于，所述检测元件能够可变地安装在供电线缆的多个、特别是所有相上。因此测量的是由供电线缆的多个相的电流所产生的磁场。对于按照本发明的方法，将检测元件安装到多个相上就够了。由于不需要将供电线缆的各个相在机械上分开，特别地简化了检测元件的安装，因为所述检测元件不必安装在特定的相上。

23、在一种实施方案中，对所述频率谱的分析包括对磁场的时间曲线的分析。

24、该实施方案的优点在于，能够可变地使用按照本发明的方法。

25、以有利的方式，在应用傅里叶分析和/或小波分析和/或格兹尔算法的情况下分析包含在磁场的时间曲线中的频率分量。

26、该实施方案的优点在于，按照本发明的方法能与由现有技术已知的数学方法相结合。这特别是在按照本发明方法的软件工程上的实现方面是有利的，因为由此可以实现计算负荷和存储负荷的降低。也已证明的是，可以通过应用格兹尔算法提高频率分辨率。同样已证明的是，特别是格兹尔算法可以高效地在数字信号处理器中实施。

27、在另一种实施方案中，通过分析各个频率分量测定磁场的频率，并且基于磁场的频率测定供电线缆的至少一个相的电流的基频。

28、术语“基频”在本发明的上下文中特别地、但非排他性地指的是交流电或三相电的基频，特别是大于0hz的、具有最高的幅度的频率。

29、该实施方案的优点在于，对于按照本发明的方法不必准确已知磁场强度和电流的有效值高低。只是要找出，磁场以何种频率振荡。磁场的振荡的频率在此与压缩机驱动装置的三相电旋转频率相同。

30、在另一种实施方案中，由电流的所测定的基频测定，特别是通过应用因数测定压缩机驱动装置的转速。

31、该实施方案的优点在于，能够可靠地测定压缩机驱动装置的转速。这样，例如对于具有一对极偶的压缩机驱动装置采用因数“1”，而在具有两对极偶的压缩机驱动装置中采用因数“2”。该相互关系能够普适地表示为转速＝频率/极偶数。

32、在另一种实施方案中，在检测的步骤中正好检测供电线缆的一个相。

33、该实施方案的优点在于，可以使用由现有技术已知的方法来安装检测元件。由此不需要对人员进行新的培训，这为压缩机运行者降低了的成本。

34、按照另一种实施方案，在检测的步骤中检测供电线缆的多个，特别是所有相。

35、该实施方案的优点在于，检测由供电线缆的多个，特别是所有相共同产生的磁场。现有技术认为，在此不能检测磁场，因为理论上在对称负载的相中的各个电流的磁场相互抵消。然而已发现，各相非对称地负载，由此在各个相(以及同样与可能存在的零导体)之间出现所谓的泄漏电流。这些泄漏电流也产生磁场，其磁场强度可以被检测到。该磁场和特别是磁特征参量比在测量单个相时的磁场和磁特征参量小几个数量级。然而，磁场，还有磁特征参量特别还有其定性的时间曲线可以被可靠地检测。由此有可能在供电线缆的位置处检测磁场，对此不需要接受过电气专业培训的人员。这种位置的示例是在压缩机驱动装置的引线上在压缩机驱动装置的接线盒之前的机器内部空间。在具有转速不变的压缩机驱动装置的压缩机中，磁场的检测甚至可以在压缩机之外在电气引线中进行。也有可能不仅检测压缩机或压缩机驱动装置的供电线缆的各相，而且检测供电线缆的可能存在的零导体。

36、在另一种有利的实施方案中，为了确定运行状态和/转速，对磁场的相位谱，特别是磁场在定义的时间范围内的相位谱进行评估。

37、该实施方案的优点在于，改善了对运行状态和/或转速的确定。这一点的理由在于，不同的运行状态和/或不同的转速中的相位谱彼此区分明显。

38、在另一种实施方案中，为了确定运行状态和/或转速对磁场的幅度谱，特别是磁场在定义的时间范围内的幅度谱进行评估。

39、该实施方案的优点在于，改善对运行状态和/或转速的确定。这一点的理由在于，不同的运行状态和/或不同的转速中的幅度谱彼此区分明显。

40、在一种实施方案中，所述时间范围为200ms至20s，优选300ms至10s，特别优选500ms至5s，特别是750ms至3s，特别是1s。

41、该实施方案的优点在于，能够按照压缩机的需求并按照本发明的方法的实现选择时间范围。

42、在另一种实施方案中，对磁场的相位谱进行自动评估，特别是通过在0hz至10khz，优选0hz至1khz的频率范围内，特别优选在激励频率周围的范围内求得相位谱的方差。

43、该实施方案的优点在于，根据压缩机驱动装置，可以相应地调整对相位谱进行评估的频率范围。在此已证明的是，对于高速压缩机驱动装置适用0hz至10khz的频率范围，对于非高速压缩机驱动装置适用0至1khz的频率范围，并且对于转速不变的压缩机驱动装置适用在激励频率周围的频率范围，特别是在50hz或60hz周围以±5hz为方差的频率范围。

44、在另一种实施方案中，对磁场的幅度谱进行自动评估，特别是通过在0hz至10khz，优选0hz至1khz的频率范围内，特别优选在激励频率周围的范围内求得幅度谱的方差。

45、该实施方案的优点在于，根据压缩机驱动装置，可以相应地调整对幅度谱进行评估的频率范围。在此已证明的是，对于高速压缩机驱动装置适用0hz至10khz的频率范围，对于非高速压缩机驱动装置适用0至1khz的频率范围，并且对于转速不变的压缩机驱动装置适用在激励频率周围的频率范围，特别是在50hz或60hz周围以±5hz为方差的频率范围。

46、在另一种实施方案中，频率范围是激励频率的多倍，特别是2倍至10倍。

47、该实施方案的优点在于，可以根据针对采样存在的硬件或软件相应地选择频率范围。

48、按照另一种实施方案，基于磁场的频率谱在应用聚类方法和/或分类方法的情况下确定压缩机的运行状态。

49、该实施方案的优点在于，由此能够自动地确定压缩机的运行状态。

50、在另一种实施方案中，所述聚类方法和/或所述分类方法使用阈值或统计学方法，特别是k均值和/或神经网络。

51、该实施方案的优点在于，既能在聚类方法中也能在分类方法中应用尽可能自动化的方法。这特别地意味着对压缩机的运行状态的确定的改善。

52、在另一种实施方案中，所述分类方法包括三种分类，特别是分类：停机、空载运行和负载运行。

53、该实施方案的优点在于，由此提供了分类方法的具体实现。

54、另一种实施方案描述，借助统计学的特征参量的高低定义每种分类。

55、该实施方案的优点在于，所述统计学的特征参量、例如方差、均值、众值等类似值特别地在按照本发明的方法的软件工程的实现中能快速且可靠地计算出来。

56、在另一种实施方案中，所述压缩机的运行状态和/或压缩机驱动装置的转速是通过分析磁场在激励频率的频率范围内的幅度谱来确定的。

57、该实施方案的优点在于，提供一种备选的用于压缩机的运行状态和/或压缩机驱动装置的转速的确定方法。

58、按照另一种实施方案，在分析幅度谱时形成阈值。

59、该实施方案的优点在于，由此能够实施运行状态的自动化识别。

60、该目的也通过一种用于实施按照上述实施方案之一所述的方法的装置来解决，其中，所述装置具有以下：

61、检测元件，以用于安装在供电线缆的至少一个相上，其中，所述检测元件包括罗哥夫斯基线圈、电流钳、mems磁力计和/或霍尔传感器或磁阻传感器。

62、通过按照本发明的装置实现所述方法的优点。按照本发明的装置的优点特别地在于，可以基于对磁场的频率谱的分析确定压缩机驱动装置的转速和/或压缩机的运行状态。按照本发明的装置的另一个优点在于，不需要磁特征参量的准确值和/或电流的有效值的高低来测定压缩机驱动装置的转速和/或压缩机的运行状态。所述参数因此不必如在现有技术中常见的那样付出结构上的高代价来测定。而更有可能的是，例如通过在一个时间范围内检测的磁特征参量彼此间相比较来实施压缩机的运行状态的确定和/或压缩机驱动装置的转速的确定。通过按照本发明的装置能够更简单地确定压缩机驱动装置的转速和/或简化地确定压缩机的运行状态。此外，按照本发明的装置能在不准确知晓压缩机或者说压缩机驱动装置的特征值的情况下实现压缩机驱动装置的转速的确定和/或压缩机的运行状态的确定。按照本发明的装置因此也适合于已经安装好的压缩机或者说压缩机驱动装置。

63、在另一种实施方案中，所述检测元件具有至少一个传感器单元，其中，所述传感器单元包括以下传感器中的至少两个：用于检测沿x方向的磁场强度的传感器、用于检测沿y方向的磁场强度的传感器或用于检测沿z方向的磁场强度的传感器。

64、该实施方案的优点在于，通过所述至少两个传感器能实现与相应的传感器单元的位置无关地检测磁场。

65、该目的也通过按照上述实施方案的用于确定压缩机驱动装置的转速和/或用于确定压缩机的运行状态的装置的应用来解决。

66、通过按照本发明的应用实现所述装置的优点。

67、该目的也通过按照本发明的、具有指令的计算机可读的介质来解决，所述具有指令的计算机可读的介质在一个或多个计算单元上执行时实施按照上述实施方案之一所述的方法。

68、通过按照本发明的计算机可读的介质连同计算机可执行的指令引起按照本发明的方法的改善的信息技术的操作。