Andries Bosma（氣體流動產品經理），Manuel Eckstein（暖通空調大客戶經理）

在需要清潔空氣的地方，空氣過濾器通常就在不遠處。在過去十年里，過濾行業在過濾技術方面取得了巨大進步。隨著新材料和新設計的出現，無紡布制造和打褶方法的進步，以及納米纖維層和涂層等的新發展，過濾器已經變得更加高效、可靠和緊湊。對過濾行業的要求也在變化。人們不再僅僅考慮過濾效率和容塵量；隨著能源價格的飆升和可持續發展意識的增強，預計過濾介質將為降低能源消耗做出貢獻。

空氣過濾的潛力和局限

過濾器被用于我們身邊眾多行業和應用中。汽車 "空氣導入系統"（AIS）過濾器保護發動機和質量空氣流量傳感器（MAFS）不受污染，而座艙空氣過濾器為司機和乘客提供清潔和健康的空氣。在醫療技術方面，過濾器對呼吸設備中的空氣進行凈化和消毒，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行消毒，并在供暖、通風和空調（HVAC）行業中確保良好的室內環境或支持燃氣鍋爐設備的清潔燃燒。僅在幾個月前，世界衛生組織（WHO）發布了一份關于城市環境空氣污染的新報告，指出80%以上生活在城市地區的人暴露在超過WHO規定的質量水平的空氣中。空氣過濾技術將在未來降低這一比例方面發揮關鍵作用。

每個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。過濾器應定期更換，以確保經濟、安全和充分的運行。堵塞的過濾器會導致空氣供應不足，能源效率大幅下降，風扇運行噪音大，過濾器性能下降，最終導致過濾器本身損壞。骯臟和潮濕的過濾器可能是霉菌和細菌的溫床，被刺破的過濾器在醫療呼吸設備中可導致極大危險，而堵塞的過濾器會降低汽車發動機的性能，增加其磨損和燃料消耗。因此，監測過濾器的狀況并適時更換非常重要。

基于狀態的維護

盡管空氣質量管理和過濾技術已取得巨大進步，但過濾器監測在很大程度上仍處于停滯狀態。在大多數情況下，過濾器更換仍然是按照固定的更換時間表，根據維修技術人員目視檢查的結果或基于簡陋的壓差開關來進行。現實情況是，在大多數情況下過濾器都更換得太晚，不僅導致有關應用的安全性、能源效率和性能降低，而且也導致過濾器制造商失去大量商業機會。

在過去的幾年里，制造業中日益出現從預防性維護到基于狀態的維護（CBM）的轉變。傳感器會觀察不同部件的狀態，只有當某些指標有跡象顯示設備性能下降或即將發生故障時才進行維護。這一趨勢將有助于過濾器行業引入新的過濾器監測技術并將其商業化。

使用的技術

當過濾器開始堵塞時，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中，這會導致過濾器組的壓差上升。而當過濾器受阻時，風扇推動的空氣量往往開始減少，所以我們實際上是在討論過濾器從清潔狀態變到受阻狀態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）與流量之間函數關系的圖表，以及一個典型的離心風機的dp/流量曲線。其中的交叉點顯示，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，各種傳感器技術都有在使用：

• 傳統的壓差傳感器測量一個膜片的偏轉。當過濾器上的壓降足夠大時，它們工作得很好，但對非常小的壓差缺乏敏感度。膜的疲勞會導致漂移問題，這在過濾器監測中特別不可取，因為在大多數情況下，傳感器漂移很難與緩慢的過濾器堵塞區分開。
• 壓力開關顯示壓力在何時超過某個預定的壓力值。它們并不測量實際的壓差，因此無法進行趨勢分析。
• 微熱壓差傳感器允許少量空氣流過傳感器并對其進行測量以確定壓差。由于具有出色的長期穩定性和零流量附近的準確度，它們在大多數應用中勝過其它技術，特別適用于低壓差的過濾器。由于有氣流通過傳感器，在通過過濾來實現對安全至關重要的滅菌應用里，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氣口設計、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于過濾器狀態的高分辨率信息。在許多應用中，空氣流量本身就是一個重要的系統參數，而測量它還可實現額外的功能和控制。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而不需要額外的防塵措施。這些通常是與用于測量整個過濾器組壓差的傳感器型號相同的傳感器，但它們是在旁路設置中被放置在過濾器的后面。

如果同時測量壓降和流量，以確定過濾器上的壓力變化與空氣流量的關系，就可以實現最精確的過濾器監測。我們將在后面說明，在更復雜的應用中，這兩個參數都必須測量。

其它方法只有少數還在使用，這包括測量過濾器色變的光學系統和過濾器后面根據摩擦起電效應測量粉塵濃度的粉塵負荷傳感器。這兩種方法都很復雜，成本很高，因此不適合大批量應用。

氣流回路

讓我們更詳細了解一下那些使用過濾的系統。基本上，所有這些應用都有一個氣流驅動源（風扇、發動機或人的呼吸）、一個由過濾器導致的流量限制（或阻抗）、和一個由系統其余部分導致的流量限制。這與具有一個（非理想的）電壓源和兩個電阻的電路很相似（見圖2）。

圖2：一個帶過濾器的系統中的空氣回路與一個電回路的比較。

在這個模型中，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致空氣流量的變化。在這種情況下，監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現。
• 如果過濾器阻抗很低，而系統的阻抗相對較高但很穩定，過濾器阻抗的變化將主要導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扇速度之間的關系。

• 如果系統的阻抗是可變的，或者鼓風機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。圖中可以看到應用實例。
  

• 圖3：不同應用的例子及其特點。

復雜系統

我們可以從這個分析中得出不同的結論。首先，在過濾監測方面，沒有一個放之四海而皆準的解決方案。不同的應用和系統的復雜性要求不同的監測設置。第二，對于非常簡單的系統來說，壓力開關可能就足夠了；但一旦應用變得更復雜，并且風扇速度可變，或者對氣流的阻抗低或者可變，它就會失效。第三，要準確監測過濾器狀態，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扇速度聯系起來。然而，要對過濾器狀態做最準確的監測，實際空氣流量和壓差這兩者都必須知道。在具有不同負荷和多個過濾器的復雜系統中，這是準確監測過濾器的唯一解決方案（見圖4中復雜設置的例子）。

圖4：一個更復雜系統的例子。

同時測量差壓和通過系統的空氣流量的好處是，不需要來自鼓風機的信息（例如轉速、電流或功率）來確定過濾器的負荷。相反，來自流量傳感器的信息可用來補償鼓風機性能的偏差。兩個傳感器的詳細讀數也為實現奇妙的附加功能創造了可能。通過記錄一段時間內的數據，可以評估趨勢并預測更換過濾器的估計日期。詳細而準確的測量和時間序列能夠識別出故障，如過濾器損壞或丟失，或其它系統故障，如鼓風機受損或進氣口受阻（見圖5）。在許多情況下，傳感器讀數也可用來改善控制和提高整個系統的功能。尤其是流量數據，其好處往往超出了監測過濾器的范圍。

圖5：不同情況下流經過濾器的流量的時間線。

皮托管的配置

有時，過濾器的監測問題會有令人驚訝的解決方案。在空氣速度足夠高的應用中，可以在過濾器上游的一個正常氣口和過濾器下游的一個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。這就形成了一個倒置的壓差讀數，皮托管口的壓力更高（見圖6）。堵塞的過濾器會導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的過濾器監測的首要條件，這樣的差壓和流量傳感器有些什么關鍵性的要求呢？

• 出色的長期穩定性是關鍵，確保是在需要的時候更換過濾器，而不是由于傳感器漂移。
• 高動態范圍對于具有可變風扇速度的系統尤其重要。
• 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境壓力。溫度和壓力補償的能力將使過濾器監測系統更加準確。
• 數據采集能力是一個優點，因為它可以簡化系統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旁路設置測量流量（參見更多資料）。Sensirion的SDP傳感器是有溫度補償的，也可以通過編程來實現過濾器或系統的溫度補償。

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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應用（如VAV控制器、燃燒器、熱回收系統和過濾器監控）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年測量數以百萬計的患者、汽車發動機和HAVC系統的流量經驗的結晶。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，長期穩定，無零點漂移。 數字版功能多樣，有高達2kHz的靈活測量速度、多種測量模式（觸發/連續）和智能平均功能。模擬版可通過單獨引腳配置為線性或平方根輸出。SDP80x適用于通過O形環密封，直接連接歧管，而SDP81x適用于管連接。 SDP800系列基于Sensirion的CMOSens 技術，將傳感器、信號處理和數字標定集成在一個芯片上。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 差壓傳感器優于傳統壓阻模式傳感器。

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微熱傳感器默認測量的是質量流量，這是在大多數應用中應該控制的參數。在空調系統、氣體加熱器、醫療呼吸設備、空氣導入系統等等方面，了解到達應用的空氣量是至關重要的。先進的過濾器監測系統所收集的測量結果也可用于應用的控制系統（反之亦然）。使用基于質量流量測量的傳感器也取代了對環境壓力補償的需要，因為質量流量不會隨環境壓力的變化而變化（這與體積流量不同，后者會隨環境壓力而變）。

總結

精確的過濾器監測為暖通空調、醫療技術、汽車和包裝等行業的許多應用增加了價值。探測出更換過濾器的正確時刻有助于通過提供清潔的空氣來保護人類、動物和設備，并導致應用的成本更低、更節能和可持續運行。一種解決方案不能滿足所有需求，但可以得出這樣一個結論：測量空氣流量而不是壓差往往是一個明智的選擇，而在復雜系統中這兩種讀數都需要。對于許多過濾器監測應用，微熱流量和壓差傳感是有利的傳感器技術，由于其精度和長期穩定性，可以提供附加價值。

更多信息：旁路流量測量和伯努利環

測量氣體流量的一種經濟而精確的方法是將微熱流量或壓差傳感器放在限流器上。這方面的技術已經得到充分的理解和記錄，更多信息可在Sensirion公司網站上找到。伯努利環是一個非常特殊但成本效益很高的設置，用于測量由離心風扇引起的氣流。一個簡單的環被連接到鼓風機側面，在旋轉葉輪的內部和外部引入壓力。然后就可以用差壓傳感器測量壓降，從而獲得準確的流量讀數。