专利名称：空气净化设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于减少空气中的污染物的空气净化设备，其包括暴露在空气流中的电离器，并且可以从驱动级利用电离能激励该电离器，其中由空气流提供的空气可以被电离用作电离能，该空气净化设备还包括用于测量污染物浓度的气体传感器。
背景技术：
为了减少污染物，公知的原理是由公知的电离器处理房间空气或者呼吸空气。污染物和臭气物质通常形成复杂大分子，它们被电离器分解成小分子片段。同时，由于电离，原子团、尤其是氧原子团形成，然后这些原子团能够氧化分解的片段。该电离器基于受控的气体放电而工作，该受控的气体放电发生在两个电极与位于其间的电介质之间。该气体放电是阻挡(barrier)放电，该电介质用作电介质阻挡。这样，获得个别的放电，其受到与时间相关的限制并且最好均匀地分布在整个电极表面上。这些阻挡放电的特性就是通过电介质阻挡防止转变成热电弧放电。在放电(striking)过程中产生的高能电子(1-10eV)由于热能化而将它们的能量释放到周围的气体中之前，放电被中断。
尤其是在家用部分，对于此类的空气净化设备的各种应用在过去就被提出过。例如，DE 198 10 497 A1提供在卫生间内的此类空气净化设备，以便除去臭味。为了这个目的，适宜的吸入设备将污染的空气引导至电离器，以便减少臭气污染，该适宜的吸入设备在抽水马桶的上冲洗边上或者在马桶座圈内的空心通道中包括空气管道。
电离器的运行中存在一个问题，即要以适于需求的电离能激励该电离器。如果通过过小的电离能激励电离器，那么电离很低不能满足需求，而如果电离过高，那么有时便释放过多的离子和原子团，它们受到刺激性的腐蚀剂或者清洁剂的气味的影响而离开操作者。在这种运行状态下，除了形成离子，还有臭氧产生，它的过多产生同样是不合乎需要的。
为了解决这个问题，WO 98/26482记载了一种包括电离器的空气净化设备，该电离器的电源电压经由气体传感器控制。该气体传感器是金属氧化物半导体传感器，其电阻随着特定气体(一般为可氧化气体或者蒸汽，例如硫化氢、氢气、氨气、乙醇或者一氧化碳)的浓度增加而降低。因此，电阻的变化是带有特定污染物的空气的污染的量度。根据WO 98/26482，当污染物浓度升高时，激励电离器的电离能以传感器控制的方式增大至最大值。换句话说，在由气体传感器测量的低污染物浓度下，电离器便由相应的低电离能激励，而在由气体传感器测量的高污染物浓度下，电离器也在相应的高电离能下被激励。为了增添这种传感器控制，WO 98/26482还记载了附加的电离传感器和/或臭氧传感器的使用。由于先决条件是空气质量传感器在传感器控制中测量供给的空气的污染物浓度并从而根据流动技术而设置在电离器的上游，因此附加的电离传感器和/或臭氧传感器的目的就是在纯净的空气中鉴别仍不合需要的臭氧浓度，以便随后选择性地将电离能校正为合适的电离能。
与WO 98/26482相应的传感器控制还在DE 43 34 956 A1中有所记载。DE 43 34 956 A1提出一种氧化锡气体传感器，其检测可氧化的房间空气组分。如果这种气体传感器鉴别到较高程度的房间污染，那么电离器也以较高的电离能被激励。还提出使用湿度传感器和流量传感器，以便即使测量到较大量的空气或者较高的空气湿度含量，也能提高电离能。
从WO 98/26482和DE 43 34 956 A1中得知的控制方法的一个缺点在于使用的气体传感器具有受限的测量范围以及比较慢的反应时间。由于受限的测量范围，电离能的传感器控制便不可能在测量范围的外围区域内。例如，如果污染物浓度在气体传感器的最低测量值之下，那么或者电离器关闭，或者电离能继续以预定的最小值工作。倘若污染物浓度迅速变化，那么传感器的慢反应时间还意味着电离器只能在一定延迟之后根据需求而被激励。例如在卫生间中除去臭气，这种延迟就是不利的，这是因为倘若正好臭气物质急剧增加，就需要通过电离器立刻除去臭气物质。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种空气净化设备，即使污染物浓度迅速变化和/或具有极值，该空气净化设备也允许空气根据需要被净化。
通过具有权利要求1的特征的空气净化设备以及具有权利要求18的特征的用于减少污染物的方法来实现该目的。
本发明的基本特征在于驱动级、电离器和气体传感器与控制器在闭环控制电路中协同工作，以使气体传感器的输出信号基本上相应于预定的期望值。换句话说，尽管根据现有技术提出了传感器控制，其中传感器特征曲线随着测量的污染物浓度而延伸，但本发明描述了根本不同的路径。根据本发明，气体传感器仅在由控制电路的期望值确定的特定工作点上工作。因此该气体传感器总是提供与期望值基本上相应的值作为输出信号，而控制器则负责在电离器中精确地调整将该气体传感器的输出维持在所述期望值的电离能。
然而，为了实现这个目的，在气体传感器和电离器之间必须有一定的反馈。但是，以前在现有技术中却没有认识到对这种反馈的需要，也没有认识到相对于空气流及相对于电离器该反馈与气体传感器的设置之间的关系。在现有技术中描述的气体传感器的设置仅仅涉及按照流动技术而位于电离器上游的设置，从而不能产生根据本发明的控制电路作用。
与此相比，本发明还基于下述认识气体传感器相对于空气流并且相对于电离器而被设置，以便在开环控制电路中，由于空气流提供的空气中的污染物浓度的急剧变化导致的气体传感器的输出信号的变化可以通过电离能的变化而补偿，以便气体传感器的输出信号可以返回至其初始值。因此，在电离器和气体传感器之间的反馈必须通过相对于空气流及相对于电离器的气体传感器的设置而产生，以便电离器的作用和包含在空气中的污染物浓度的作用可以叠加在气体传感器上。
按照本发明，如果在气体传感器的输出信号和控制器之间的电反馈被中断，则具有开环控制电路。
按照本发明，如果利用空气流提供至电离器的空气中的污染物浓度在特定时刻以特定的跳跃高度从第一常量改变到第二常量，那么就存在污染物浓度的急剧变化，作为对开环控制电路的测试函数。在实际的实验装置中，这就意味着选择性提供的空气流的循环空气必须被阻断，以便作为先决条件，提供至电离器的空气流中的污染物浓度在污染物浓度的急剧变化之前和之后保持不变，并且不受由电离器排出的空气流的额外影响。
污染物浓度的典型变化最好作为污染物浓度的急剧变化的跳跃幅度的基础。由于根据污染物浓度的期望变化的估计频率，在直方图上绘制所述污染物浓度的期望变化，因此对于各个应用，可以确定空气流中的污染物浓度的典型变化。例如，任何落在频率最大值的+/-10％范围内的情形可以视为典型的。例如，如果空气净化设备要减少房间内香烟烟雾的臭气，那么相对于正常空气污染的由香烟烟雾产生的期望空气污染就作为污染物浓度的典型变化的基础。根据本发明，气体传感器现在必须相对于空气流并且相对于电离器而设置，以便在空气流中污染物浓度的所述变化可以被电离能的变化再次补偿，以便气体传感器的输出信号可以返回至其初始值，在此例中，该初始值相应于正常空气污染的初始值。因此，污染物浓度的变化的期望影响越大，气体传感器就必须越接近电离器而设置。另一方面，如果期望污染物浓度只有很小的变化，那么气体传感器不应设置得太近于电离器，否则气体传感器的输出信号可以容易地进入极值。但是，在任何情况下，气体传感器必须保持与电离器的特定的最小接近度，以便在电离器和气体传感器之间有充足的反馈以补偿出现的污染物浓度的变化，并从而根据本发明将输出信号保持在预定的期望值的区域内。
本发明的进一步认识在于，用于测量污染物浓度的商业可用的气体传感器可以用作控制环路的测量元件。已经发现借助电离器，从而甚至可以防止对人类有害的过多臭氧产量，以便不是严格地需要另外用于这个目的的电离传感器或者臭氧传感器。
在根据本发明用于减少空气中污染物的方法中，使用根据本发明的空气净化设备，将期望值调整至特定的污染物浓度，包含污染物的空气被提供至电离器，并且具有减少的污染物含量的空气从电离器中排出。根据本发明的优选实施例，倘若在循环空气模式中排出空气的全部或者部分被反馈至电离器，以提高空气净化的效率。
本发明的主要优点在于，空气净化设备的效率原则上不受气体传感器的测量范围的限制。根据本发明，由于气体传感器是在由期望值确定的工作点上工作，所以甚至超出气体传感器的测量范围的污染物浓度的变化也可以由空气净化设备来处理。相反，在传统传感器控制的情况下，气体传感器的输出信号会进入极值，因而还会限制电离器或者驱动级的激励。因此，该空气净化设备的限制原则上仅以电离能的限制为条件。但是，该电离能可以通过适当的测量而被额外的增加，例如通过连接更多的电离器和/或通风机以提高空气流的流速。这就打开了对于根据本发明的空气净化设备的可能应用的宽广范围，从家用部分到大量空气的工业净化。
本发明的又一优点在于控制器的适当的结构有利于闭环控制电路的瞬时响应，其瞬时时间低于气体传感器的时间常数。例如，利用控制器中的差动含量可以实现此点，由此即使在气体传感器的输出信号的变化很小的情况下，在驱动级中也能产生大控制变量。
根据优选实施例，驱动级包括高压变压器，在其副侧(secondary side)可以产生振荡高电压。提供至电离器的电离能主要受到振荡高电压的峰值和/或受到振荡高电压的脉冲的影响。优选地，该驱动级包括用于脉宽调制的电路，利用该电路该高压变压器可以在主侧(primary side)被激励，并且该副侧振荡高电压的峰值和/或脉冲比率可以被调整。在包括高压变压器和谐振器的、在输入侧提供有直流电压的串联电路中，脉宽调制信号可以被整流并且被提供至谐振器的输入端。谐振器依次将振荡电压提供至高压变压器的主侧，以便高压变压器的副侧上的峰值从而与脉宽比率成比例。另外或者可替换地，可以假设在副侧上传递的高电压被脉冲化。这意味着在振荡高电压随后被再次中断之前，电离器仅通过特定数量的全波而激励。在介质中这样提供的电离能也与脉宽比率成比例。脉宽比率可以从在谐振器的输入端处施加的相同的脉宽调制信号中获得，或者为此产生另一个脉宽调制信号。
根据另一优选实施例，利用在从1kV至10kV的范围内的峰值并且利用在从10kH至50kHz范围内的频率，可以调整该副侧振荡高电压。
根据优选实施例，该电离器包括玻璃管，其内壁衬有穿孔金属片作为第一电极，并且其外壁由金属丝网包绕作为第二电极，该驱动级的该振荡高电压施加于该第一电极和该第二电极之间。为了对在电离管周围的空气消毒或者净化该空气，高压变压器被激励，以便如果发生气体放电，便产生原子团，优选为氧原子团。在1至10kV的峰值上，高压变压器传统上工作在从大约10kHz至50kHz范围内的交流电压，优选地为从15kHz至30kHz的范围内的交流电压。如果气体在这种类型的电离管周围流动，那么便发生导致流动气体电离的气体放电。该气体放电是阻挡放电，其借助作为电介质阻挡的玻璃管而发生。从而获得个别的放电，其相对于时间而受到限制并且优选为均匀地分布在整个电极表面上。这些阻挡放电的特性就是通过电介质阻挡防止转变成热电弧放电。在撞击过程中出现的高能电子(1-10eV)由于热能化而将它们的能量释放到周围的气体中之前，放电被中断。或者，当然可以构思任何其它结构的电离器，例如板状(tabular)装置，或者管状装置与板状装置的结合。
根据优选实施例，该气体传感器包括金属氧化物传感器，如果与气体反应则其电阻变化。该金属氧化物涂抹于衬底，使用加热元件将该衬底保持在预定温度。优选的是，使用相对于空气中变化的污染物浓度不会呈现任何电阻变化的气体传感器。已经发现，使用这种类型的气体传感器能够特别可靠地控制污染物浓度。例如，该金属氧化物可以包括氧化锡。
根据另一优选实施例，相对于在该电离器周围流动的空气，该气体传感器中的进气口距离该电离器的表面大约0.5厘米到5.0厘米，优选为大约1.0厘米到2.0厘米。已经发现，在这些距离上，气体传感器的调制范围通常可以与电离器的调制范围及传统污染物浓度的数值范围相一致。
根据另一优选实施例，可以在该设备上手动调整该期望值。因而，在空气的正常污染物浓度下，操作者能够确定他发现最为舒适的该设备的工作模式。特别优选的是选择该气体传感器的设置，以便预定期望值相应于相对于气体传感器的输出信号的总调制范围的中心范围。换句话说，根据本发明，由于控制电路确保由气体传感器测量的污染物浓度基本上相应于期望值，因此该气体传感器工作在允许在闭环控制电路的瞬时过程中最大调制的范围内。
根据另一优选实施例，借助对流产生空气流，例如就小型家用设备而言，可以从提供至该设备的电子元件的空气的热中产生对流。
根据另一优选实施例，设置通风机用于产生该空气流。人们已经认识到空气流还可以影响控制电路的机能。例如，与其内的气体传感器在流动侧上设置在电离器的下游的装置相比，如果气体传感器在流动侧上位于电离器的上游，那么在从电离器的表面到气体传感器的相同距离上，电流器和气体传感器之间有较少的连接(coupling)。
根据另一优选实施例，因此，附加的控制器另外控制空气流的流速，以便该气体传感器的输出信号基本上相应于预定的期望值。特别地，已经证明最好是在包括电离器、驱动级、气体传感器和控制器的控制电路中一出现极值，该附加的控制器就被连接。在这种情况下，该附加的控制器必须启动以允许已经出现的极值被适当地补偿。
当然，控制电路的机能在很大程度上依赖于使用何种控制器。一旦保持控制电路元件，即电离器、驱动级和气体传感器的转移响应已使用适当的鉴别方法而确定，那么根据可用的控制工程方法原则上可以构造控制器。惯用控制电路元件的最明显的例子是P-控制器、PI-控制器或者PID-控制器。其中最简单的是P-控制器；但是，原则上，这需要在预定的期望值和由气体传感器测量的污染物浓度之间的控制偏差，以便该P-控制器能够发出控制变量。然而，如果P-控制器的放大因数被选择得足够高，则控制偏差可以被忽略。但是，仅在若气体传感器的输出信号中仍有足够的信/噪间距时，P-控制器的高放大因数才是可被允许的。另一方面，如果气体传感器的输出信号中的信/噪间距对于P-控制器的使用不再足够，则可以使用PI-控制器。由于其整体响应，即使控制偏差消失，PI-控制器也能够提供连续的控制变量。换句话说，如果PI-控制器被使用，在瞬时控制电路的情况下，原则上可以获得控制偏差的消失。为加速控制电路的瞬时响应，通常将差动元件连接至PI-控制器，从而产生PID-控制器。如果污染物浓度或者期望值发生迅速的变化，PID-控制器的差动响应就可以使极值出现在控制电路元件中。在这种情况下，有利的是提供用于流速的附加控制器的上述连接。如果电离器的电离能因此达到上限，那么附加控制器就可以替代地提供空气流流速的提高。
除了传统的P-控制器、PI-控制器和PID-控制器类型外，当然也可以提供其它控制器，例如基于规则的(rule-based)模糊控制器或者状态控制器。如果除了测量到的污染物浓度外，还将由控制器处理另外的测量变量，基于规则的模糊控制器或者状态控制器就特别适合。原则上，可以想到使用附加传感器、例如湿度传感器和/或电离传感器和/或臭氧传感器来改善控制电路响应。
根据另一优选实施例，如果相应于该期望值的污染物浓度被提供至该气体传感器，校准元件将该气体传感器校准至该期望值。优选地，在该气体传感器的校准过程中，提供至该电离器的电离能被切断，以便防止校准操作中电离器的击穿反应。但是，选择性地，电离器也可以在校准操作中利用预定的连续电离能来激励，以该预定的连续电离能该电离器可以工作，以便恒定地保持最小舒适度的房间空气条件。
取决于制造工艺的气体传感器的容差可以通过校准气体传感器来补偿。当使用上述氧化锡气体传感器时，注意到容差基本上导致特征曲线的绝对位移，而作为气体浓度的函数的传感器信号的相对变化在所有气体传感器中保持大致相同。在这种情况下，校准元件可以包括简单加法器，其在校准操作中将相应的电压加至气体传感器的输出电压。在这种情况下，还必需在校准操作过程中，将由使用者指定为“洁净空气”的污染物浓度提供至气体传感器。此目的是在校准操作中利用校准元件确定附加电压，需要该附加电压以使控制偏差约为零。
在下文中，利用各种实施例并结合附图更详细地描述本发明，其中图1a显示了利用跳跃函数作为输入的气体传感器的转移响应的方框图；图1b显示了跳跃幅度为1时在输出端150的响应函数；图1c显示了跳跃幅度为2.5时在输出端150的响应函数；图2a显示了利用跳跃函数作为输入的传感器控制的转移响应的方框图；图2b显示了跳跃幅度为1时在输出端250的响应函数；图2c显示了跳跃幅度为2.5时在输出端250的响应函数；图3a显示了利用污染物浓度的跳跃函数的开环控制电路的转移响应的方框图；图3b显示了跳跃幅度为1时在输出端350的响应函数；图4a显示了利用电离能的跳跃函数的开环控制电路的转移响应的方框图；图4b显示了跳跃幅度为1时在输出端450的响应函数；图4c显示了跳跃幅度为-1时在输出端450的响应函数；图5a显示了闭环控制电路的信号流的方框图；
图5b显示了利用污染物浓度的跳跃函数的闭环控制电路的转移响应的方框图；图5c显示了跳跃幅度为1时在输出端550和551的响应函数；图6a显示了利用期望值的跳跃函数和随后的污染物浓度的跳跃函数的闭环控制电路的转移响应的方框图；图6b显示了在每种情形中跳跃幅度均为1时在输出端650和651的响应函数；图7显示了氧化锡气体传感器的灵敏度特性；图8显示了根据本发明的空气净化设备的立体图；图9显示了根据图8的本发明的空气净化设备的方框图；以及图10显示了图9中控制器的控制算法的流程图。
具体实施例方式
图1a显示了利用跳跃函数作为输入的气体传感器的转移响应的方框图。两个PT1-元件111、112和限制元件113的串联于是作为气体传感器110的转移响应的模型。输入函数是污染物浓度101的急剧增大，其中相应的响应函数可以在输出端150追踪。以下参数作为基础PT1-元件111、112时间常数＝10.0秒，转移值＝1.0限制元件113上限＝2.0，下限＝-2.0因而假定气体传感器的输出信号可以在从-2.0伏到2.0伏的范围内被激活。
图1b显示了跳跃幅度为1时在输出端150的响应函数。从而该气体传感器如预期地以延迟方式响应污染物浓度的跳跃函数，并且在大约60秒后成指数地接近跳越幅度1。
图1c显示了跳跃幅度为2.5时在输出端150的响应函数。一旦已经达到数值2.0，限制元件113便开始起作用，以便在大约30秒之后，响应函数在数值2.0保持恒定，并且不能进一步接近跳跃幅度2.5。
图2a显示了利用跳跃函数作为输入的传感器控制的转移响应的方框图。例如根据WO 98/26482或者根据DE 43 34 956A1的根据现有技术的传感器控制的基本结构包括气体传感器210与随后的驱动级220。如在图1a中一样，气体传感器210包括两个PT1-元件211、212和限制件213，参数也相应于图1a的参数。P-元件221连同其下游连接的限制222一起作为驱动级220的模型的基础。假定下列参数P-元件221转移系数＝250.0限幅器222上限＝500V，下限＝-500.0V这就是说，根据图2a，通过具有因数250的驱动级220使气体传感器210的输出电压转变为高电压；但是，为了简化，实际上出现的偏移量不被考虑。在分压器中连接的气体传感器的传统输出电压例如是在从1V到5V的范围内，并且通过驱动级被转变为高电压，例如1000V到2000V。但是，对于该控制电路的模型，这些偏移量不具进一步的重要性，并且如果需要可以在任何时间容易地被加上。
为了检验根据图2a的传感器控制的转移响应，依次假定在输入端存在污染物浓度201的急剧增大，其记录在驱动级220的输出端250处。
图2b显示了跳跃幅度为1时在输出端250的响应函数。为了还能够显示图2b中的跳跃幅度，而对其以因数250进行放大。如预期地，根据图2b，相同的响应函数如图1b中一样地出现，但是由于在下游连接的驱动级220，所以在此情形中该响应函数是以因数250而延伸。
最后，图2c显示了跳跃幅度为2.5时在输出端250的响应函数，由于图示的原因，再次以因数250放大该跳跃幅度。由于增大的跳跃幅度2.5，限制件213和222分别开始起作用，以便在大约30秒之后，根据图2c的响应函数保持恒定在500V。
根据图2a、图2b和图2c所示的转移响应基本上相应于用于包括电离器的空气净化设备的公知传感器控制。
相反，本发明提出了闭环控制电路的结构，其中污染物浓度和来自电离器的空气电离的作用叠加并且被补偿在污染物传感器上。以这种方式闭合的控制电路的信号流的方框图在图5a中显示，并且将在下文中更详细地解释。为了分析控制电路的各个组件，在图3a中显示了利用污染物浓度的跳跃函数的开环控制电路的转移响应的方框图。
根据图3a的开环控制电路的基本结构包括控制器340、在其下游连接的驱动级320、以及随后的电离器330。根据本发明，电离器330和包含在空气流中的污染物的作用此时将被叠加在气体传感器310的输入端。在根据图3a的方框图中，利用求和点303形成对于这种环境的模型，在该求和点303上，污染物浓度301的跳跃函数和经由转移路径332的电离器330施加影响。气体传感器310的参数与图1a中所示的参数相同。根据图3a，由于气体传感器的响应最初被视为处于隔离，因此在污染物浓度的跳跃函数的情形，保持控制电路元件的参数暂时是不重要的，因此在以下的附图中仅在适当的点对所述参数进行解释。
图3b显示了跳跃幅度为1时在输出端350的响应函数。根据图3a，由于开环电路被视为先决条件，根据图3b的响应函数单单只是由于污染物浓度的急剧变化而产生，因此该响应函数相应于根据图1b的响应函数。
图4a显示了利用电离能的跳跃函数的开环控制电路的转移响应的方框图。如在图3a中，开环控制电路再次包括控制器440、驱动级420、电离器430以及气体传感器410。在这种情况下，只有电离器430对求和点403产生作用，但没有来自污染物浓度的进一步额外影响，其此时在供给至电离器的空气流中保持不变。
为了检验在根据图4a的方框图中的电离能的跳跃函数，求和点405被插入在控制器440和驱动级420之间，跳跃函数404在该求和点405上施加影响。气体传感器410的方框411、412、413的参数与根据图1a的气体传感器110的参数相同。驱动级420的方框421、422的参数也与根据图2a的驱动级220的参数相同。通过简单的P-元件431模拟电离器430，该P-元件431具有下列参数P-元件431转移系数＝-0.004电离器的输出经由路径432不延迟地直接对求和点403施加影响。因此，在这种情况下假定气体传感器410被设置为与电离器430非常接近。如果电离器430和气体传感器410之间的距离较大，可以在路径432上插入例如空载时间(dead time)元件。因此，P-元件431的转移响应相应于从在驱动级420的输出端的高电压变化到将由气体传感器410测量的污染物浓度变化的转变。
图4b显示了跳跃幅度为1时在输出端450的响应函数。在驱动级420处的输入电压增加1伏从而导致气体传感器的输出电压也减小1伏，在此情况下，由两个PT1-元件412、413的转移响应再次产生时间函数。反作用响应(opposing response)可以被解释为伴随着电离能的增加，空气流中的污染物减少。因此，图4c显示了跳跃幅度为-1时在输出端450的响应函数。在这种情况下，由于电离能的减少导致空气流中污染物浓度的增加，反作用响应也可以被鉴别。
分别根据图3a、图3b以及图4a、图4b和图4c的开环控制电路上的测量显示出如何可以容易地鉴别相对于气体流并且相对于电离器的气体传感器的根据本发明的设置。在开环控制电路的情形，基于空气流中污染物浓度的变化，图3b显示了气体传感器的输出信号。由于这个变化，在气体传感器上的输出信号从0V升高至1V。
根据本发明，此时必须相对于空气流并且相对于电离器设置气体传感器，以便在开环控制电路中，这个变化可以通过电离能的变化而补偿，以便气体传感器的输出信号可以返回至其初始值。图4b显示了在开环控制电路中的气体传感器的输出信号，在此情况下，电离能发生变化，同时供给至电离器的空气流中的污染物浓度不变。在这种情况下，如果在驱动级的输入端增加1V电压，那么气体传感器450的输出信号从0V改变到一1V。在这种情况下模拟的、相对于空气流并且相对于电离器的气体传感器的设置从而正好相应于预期效果，以便由于根据图4b的电离能的相应变化，图3b所示的气体传感器的输出信号的变化可以被补偿。实际上，可以进行相应于图3a和图4a的试验，以便验证在开环控制电路上的所述补偿效果。
现在将更详细地解释闭环控制电路的响应。为此，图5a首先显示了闭环控制电路的主信号流的方框图。该闭环控制电路包括上述控制电路元件，即气体传感器510、控制器540、驱动级520以及电离器530。驱动级520的部件包括电压源525、脉宽调制器526、谐振器527以及高压变压器528。
通过脉宽调制器526将电压源525提供的直流电压转变为脉冲，该脉冲呈现出由控制器540确定的脉宽比率和由时钟发生器(未更详细地显示)确定的时钟频率。如果这些脉冲是平滑的，那么产生一直流电压，其与脉宽比率成比例并且被提供至谐振器527。谐振器527与随后的高压变压器528用电线连接，以便在一方面，当提供直流电压时，其自动启动以在从大约25kHz到35kHz的范围内的工作频率振荡；在另一方面，其提供副侧(secondary-side)振荡高电压，该副侧振荡高电压的峰值近似与谐振器527的输入电压成比例，或者近似与脉宽调制器526的调整后的脉宽成比例。由高频变压器528提供的、例如具有从1.0kV至2.0kV范围内的峰值的振荡高电压被施加于电离器530的两个电极。
将被净化的空气500流动在电离器530的周围，气体传感器510被设置在流动侧上电离管530的下游。在闭环控制电路的情况下，使用循环空气模式可以反馈全部或者部分空气流。气体传感器510将其输出信号提供至控制器540，该控制器540基于期望值547对期望/实际值进行比较，并且根据基本控制算法调整脉宽调制器526的脉宽比率。
图5b显示了利用污染物浓度的跳跃函数的闭环控制电路的转移响应的方框图。根据图5b的闭环控制电路是从根据图3a的开环控制电路发展来的，其中气体传感器的输出信号550经由支线514反馈至控制器540。气体传感器510、驱动级520以及电离器530和相关的参数的框图与根据图3a的气体传感器310的或者根据图4a的驱动级420和电离器430的所示参数是相同的，以便在此方面可以参考根据图3a和根据图4a的描述。
现在将详细描述控制器540的结构。期望值547在控制器中被引导至求差点546。这样确定的控制偏差经由P-元件541到达随后的PID-控制器。该PID-控制器依次包括P-元件542、DT1-元件543以及I-元件544，利用求和点545将它们的输出合并以形成输出端551。输出端551提供控制变量，其用作驱动级520的输入。控制器540的参数定义如下期望值547期望值＝0P-元件541转移系数＝-1P-元件542转移系数＝2DT1-元件543转移系数＝8，时间常数＝2秒I-控制器544相应于积分常数5秒，转移系数＝0.21/秒现在参考跳跃函数501检验闭合控制环路响应，该跳跃函数501相应于空气流中污染物浓度的急剧变化。在这种情况下，时间信号被显示在气体传感器的输出端550和控制器的输出端551。
图5c显示了跳跃幅度为1时在输出端550和551的响应函数。
从气体传感器的输出信号550可以清楚地看到，尽管污染物浓度急剧变化，控制电路还是能够将输出信号550返回至期望值547。一旦该输出信号已被增大至大约0.25，在大约40秒之后，该输出信号再次到达其初始值，然后在进一步的40秒内，该输出信号再次接近期望值，只有很小的过冲量。另一方面，控制器540的输出变量551确保驱动级520被足够的输入变量激励，以便已经发生的污染物浓度变化可以在求和点503被补偿。大约25秒之后，控制变量551已到达其最大值，并从此时起接近最终值1.0，其相应于驱动级520的输入端处1.0伏的输入电压。从图5c中可以推断，倘若在电离器530和气体传感器510之间的路径532上没有产生附加延迟，那么闭环控制电路的瞬时响应基本上通过气体传感器510的时间响应来确定。使用图1a中显示的装置可以确定气体传感器的时间常数。如果假定依靠单个PT1-元件，气体传感器的总转移响应近似，那么记录的跳跃函数150的时间常数近似地相应于跳跃函数150在其内到达值(1-1/e)的时间。
另一方面，如果电离器530和气体传感器510之间的路径532出现延迟(由于空气流的流速，例如，如果气体传感器距离电离器一段距离而设置)，对于这个延迟时间可以设立附属条件，以便不会不必要地使闭环控制电路的瞬时响应减慢。因此，作为附属条件可以规定在开环控制电路中以及在不变的污染物浓度上，如果电离能变化，则气体传感器的输出信号的延迟时间将低于气体传感器的上述定义的时间常数。在此情况下，气体传感器510的时间常数可以从根据图1b的时间函数而确定为大约20秒。为了相对于时间优化闭环控制电路的瞬时响应，这样气体传感器应相对于空气流并且相对于电离器满足附加的附属条件，以便使路径532的延迟时间也低于20秒。通常，由于将气体传感器适当地靠近电离器设置，该附属条件容易满足。
图6a显示了利用期望值的跳跃函数和随后的污染物浓度的跳跃函数的闭环控制电路的转移响应的方框图。在根据图6a的方框图与根据图5b的方框图之间仅有的差别在于现在跳跃函数648是期望值，并且污染物浓度601中的急剧变化仅在一定的空载时间602之后发生。100秒被作为空载时间的参数。在其它方面，根据图6a的方框图相应于根据图5b的方框图，以便就相关的其余元件而言，可以参考部分描述。
因此，根据图6a的闭环电路首先由期望值648的变化激励，然后一旦空载时间602中止，该闭环电路另外由污染物浓度601的变化激励。在图6b中显示了在输出端650和651处相应的响应函数。考虑到P-元件621的转移系数，在值2处的点划线还显示了限制，其相应于驱动级620的限制。
由于控制器640的差动含量643，期望值648的急剧增大最初导致高控制变量651。在60秒之后，控制电路随后建立新的期望值，以便此时在气体传感器的输出端650处具有值为-1.0的输出信号。在100秒之后，随后附加插入污染物浓度的急剧变化，其后控制变量651再次升高，以便这次将气体传感器的输出信号650保持在值-1。在这种情况下，便要对区域623和624进行解释。由于驱动级620的限制622，在值2.0之上或在值-2.0之下的控制变量不会被发送到电离器630。因此，如上所述，最好在这些区域中提供额外的测量，以便例如通过连接附加的鼓风机(blower)和/或通过连接另外的电离器，来提供更高的电离能。
图7显示了氧化锡气体传感器的灵敏度特性。图中标出了氧化锡元件基于空气的相对电阻变化，作为各种污染物的污染物浓度的函数。如线701所示，氧化锡气体传感器对空气或者氧气不敏感。但是，随着污染物浓度增加，该传感器呈现出对硫化氢、氢气、氨气、乙醇和一氧化碳的显著敏感。对于家用部分，已经发现特别是如果将控制调整到一氧化碳的灵敏度曲线702，那么就可以获得稳定的控制。
图8显示了根据本发明空气净化设备的立体图。空气净化设备801构造为具有底座802和盖体803的台式设备。以上述方式构造的电离管804紧固在底座上作为电离器。气体传感器805也紧固在该底座上，根据本发明，该气体传感器805相对于电离器804设置，以便在开环控制电路中，由于空气流提供的空气中污染物浓度的急剧变化而导致的气体传感器的输出信号的变化可以通过电离能的变化而补偿。空气流通过在盖体803中形成的空气狭缝806进入并离开壳体。在底座802上或者甚至在该设备外侧也可以设置适宜的通风机，以便辅助空气流动。用于操作该设备的LED显示器807和操作电位计808、以及用于供电的供电线809设置在该底座的边缘。
空气净化设备801的功能将结合图9进行解释，图9显示了根据图8的按照本发明的空气净化设备的方框图。首先描述校准操作，其中气体传感器被校准至预定的污染物浓度。这种校准通常是必要的，因为商业可用的气体传感器具有各种特征曲线并且从而得出不同的控制电路响应。但是，随着氧化锡气体传感器的使用，已经注意到如果气体浓度变化，那么气体传感器的输出信号的相对变化几乎是恒定的，并且仅仅可以观察到各种气体传感器之间在给定气体浓度处的输出信号的绝对位移。在根据本发明的控制的情况下，还可以利用这个事实无论如何传感器仅在很小的工作范围内工作，以便一旦工作点被校准，就可以使传感器特征曲线围绕该工作范围线性化。
对于校准操作，转换开关901最初设于位置1，以便电离管904不被电离能激励。而控制偏差被提供至校准元件912。取决于各个应用、相应于“洁净空气”并因而相应于目标期望值的恒定的污染物浓度随后被引进空气流906中。在该设备上，操作电位计808设于目标期望值位置，以便这样被调整的期望值908在比较点909处。如果还没有进行校准，那么将随后在比较元件的输出端观察到控制偏差910。为了校准，现在还设置了加法元件911和校准元件912。校准元件912从转换开关901接收控制偏差910作为输入，随后增大或降低输出电压913，以便控制偏差910置零。这样确定的电压电平913例如可以存储在存储器中，以便在电源发生故障后仍然可利用该电压电平913。这种类型的校准可以任意重复许多次，其中还可以考虑改变污染物浓度906。
现在将描述运行操作，转换开关901为了该运行操作而移到位置2，以便控制器902接收控制偏差910作为输入变量。驱动级903将电离能提供至电离管904，该电离能作为控制器902的输出的函数。控制器902的控制算法相应于积分控制器，其功能将通过根据图10的流程图来显示。首先，应当假定控制器在输出端提供相应于低电离能的预存的初始化变量。只要污染物浓度906相应于预调的期望值，控制偏差910就在零处保持不变，以便控制器不进行任何动作。如果污染物浓度906现在升高，那么此污染物浓度升高便通过气体传感器905检测到，这导致控制偏差910的放大。然后，控制器902使作为控制运算的函数的控制变量914增大，以便经由驱动级903由更大的电离能激励电离管904。根据本发明，这个过程继续进行，直到由于增大的电离能，气体传感器905的输出信号返回至其初始值，并且控制偏差910从而被再次置零。如果接着相反地发生相应的机能，那么污染物浓度906被再次减小。
使用者可以使用显示器907来监视控制变量914。大控制变量表示高电离能，因而表示已被污染物高度污染的空气，而低控制变量相应于在校准操作过程中确定的污染物污染程度。在根据图8的空气净化设备中，显示器907构造为LED显示器807。在这种情况下，最好将控制变量914的当前数值范围调整至LED显示器807的显示范围。这可以这样来完成在预定的时间窗口中，在最小和最大的控制变量之间检测数值范围，并且在它们之间，控制变量的数值被以线性的或者相应刻度(例如，用对数)的方式划分到LED显示器807上。
下面将结合图10对控制算法详细进行解释，图10显示了图9中控制器的控制算法的流程图。在步骤1001中，首先比较气体传感器的期望值和提供的测量值，该气体传感器如上所解释的被选择性地通过校准值来校正。在步骤1002和1003中，随后初始检查是否有正的或者负的控制偏差。如果存在控制偏差，则在步骤1004或者1005中，启动用于消除扰动变量的等待计时器。随后在步骤1006或者1007中，检查是否仍然有控制偏差。如果存在控制偏差，那么控制变量914被增大或者被减小。
权利要求
1.一种用于减少空气中的污染物的空气净化设备包括一电离器，其暴露在空气流中，并且可以通过来自驱动级的电离能而被激励，该电离能用于电离由该空气流提供的空气；并且包括一气体传感器，用于测量污染物浓度；其特征在于该驱动级、该电离器和该气体传感器与一控制器在一闭环控制电路中协同工作，以便该气体传感器的输出信号基本上相应于一预定的期望值；相对于该空气流并且相对于该电离器而设置该气体传感器，以使在开环控制电路中，由于该空气流提供的空气中污染物浓度的急剧变化，该气体传感器的输出信号的变化可以通过电离能的变化而补偿，以使该气体传感器的输出信号可以返回至其初始值。
2.根据权利要求1所述的空气净化设备，其特征在于该驱动级包括高压变压器，在该高压变压器的副侧上可以产生振荡高电压。
3.根据权利要求2所述的空气净化设备，其特征在于该驱动级包括用于脉宽调制的一电路，利用该电路该高压变压器可以在主侧上被激励，并且副侧震荡高电压的峰值和/或脉冲比率可以被调整。
4.根据权利要求3所述的空气净化设备，其特征在于利用在从1kV至10kV范围内的峰值并且利用在从10kH至50kHz范围内的频率，可以调整该副侧振荡高电压。
5.根据权利要求2至4中任一所述的空气净化设备，其特征在于该电离器包括一玻璃管，该玻璃管的内壁衬有穿孔金属片作为第一电极，并且该玻璃管的外壁由作为第二电极的金属丝网包绕，该驱动级的振荡高电压施加于该第一电极与该第二电极之间。
6.根据权利要求1至5中任一所述的空气净化设备，其特征在于该气体传感器包括一金属氧化物传感器，该金属氧化物传感器的电阻作为特定气体的浓度的函数而变化。
7.根据权利要求6所述的空气净化设备，其特征在于该金属氧化物包括氧化锡。
8.根据权利要求1至7中任一所述的空气净化设备，其特征在于相对于在该电离器周围流动的空气，该气体传感器中的进气口在排气侧上距离该电离器的表面大约0.5厘米至2厘米，优选为大约1厘米。
9.根据权利要求1至8中任一所述的空气净化设备，其特征在于在该设备上可以手动调整该期望值。
10.根据权利要求1至9中任一所述的空气净化设备，其特征在于设置一通风机，用于产生该空气流。
11.根据权利要求10所述的空气净化设备，其特征在于一附加的控制器另外控制该通风机的转速，以使该气体传感器的输出信号基本上相应于一预定的期望值。
12.根据权利要求11所述的空气净化设备，其特征在于在包括所述电离器、驱动级、气体传感器和控制器的控制电路中一出现极值，该附加的控制器就被连接。
13.根据权利要求1至12中任一所述的空气净化设备，其特征在于该控制器包括一P-控制器、一PI-控制器或者一PID-控制器。
14.根据权利要求1至12中任一所述的空气净化设备，其特征在于除了测量到的污染物浓度，可以通过该控制器处理另外的测量变量。
15.根据权利要求14所述的空气净化设备，其特征在于一流量传感器和/或一湿度传感器和/或一电离传感器和/或一臭氧传感器连接至该控制器，用于处理另外的测量变量。
16.根据权利要求14或15所述的空气净化设备，其特征在于该控制器包括一基于规则的模糊控制器。
17.根据权利要求14或15所述的空气净化设备，其特征在于该控制器包括一状态控制器。
18.根据权利要求1至17中任一所述的空气净化设备，其特征在于如果相应于该期望值的污染物浓度被提供至该气体传感器，则一校准元件将该气体传感器校准至该期望值。
19.根据权利要求18所述的空气净化设备，其特征在于在该气体传感器的校准过程中，提供至该电离器的电离能被切断。
20.一种用于减少空气中的污染物的方法，该方法使用根据权利要求1至17中任一所述的空气净化设备，其中该期望值被调整至一特定的污染物浓度，其中包含污染物的空气被提供至该电离器，并且其中具有减少的污染物含量的空气被排出。
全文摘要
本发明涉及一种用于减少空气中的污染物的空气净化设备。所述设备包括电离器(904)，其暴露在空气流(906)中并且被来自驱动级(903)的电离能撞击，用于电离由该空气流提供的空气；并且所述设备还包括用于测量污染物浓度的气体传感器(905)。为了提供一种即使在污染物浓度快速改变和/或具有极值时也能根据需要净化空气的空气净化设备，所述驱动级(903)、电离器(904)和气体传感器(905)与控制器(902)在闭环控制电路中协同工作，其工作方式为该气体传感器(905)的输出信号基本上相应于一预定的目标值。
文档编号A61L9/22GK1681537SQ03821565
公开日2005年10月12日 申请日期2003年8月7日 优先权日2002年8月7日
发明者维尔纳·施罗德 申请人:维尔纳·施罗德