CN106765780A - 一种荷载式冰量测量装置 - Google Patents

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朱好仁
刘建
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Abstract

本发明公开了一种荷载式冰量测量装置，包括：中央处理器（1）、温度传感器信号处理模块（2）、温度传感器（6）以及电源模块（4），温度传感器信号处理模块（2）接收温度传感器（6）检测的温度信号，进行信号处理后送入中央处理器（1），还包括压力传感器信号处理模块（3）和压力传感器组（7），压力传感器信号处理模块（3）接收压力传感器组（7）探测的与冰量相关的信号，进行信号处理后送入中央处理器（1）。该装置结构简单、成本低，可以实现连续总冰量的测量，可以解决外融冰***中总体结冰情况，能得到精确控制需要的总蓄冰量信息，保证最佳节能控制的实现。

Description

一种荷载式冰量测量装置
技术领域
本发明属于空调领域，涉及一种蓄冰空调的冰量测量装置，特别是涉及一种荷载式冰量测量装置。
背景技术
随着现代社会的发展，能源问题越来越突出，冰蓄冷中央空调作为火电最有效的削峰填谷的能源调剂手段，被越来越多的应用于大型中央空调***中，当波峰电价比波谷电价贵一倍以上时，具有很好的经济效益，同时能降低火电的发电量，提高火电综合应用效率，具有很好的社会效益。在蓄冰空调中应用最多的蓄冰装置为盘管式蓄冰装置，在实际应用中，为了提高能源利用率，要求低谷电时段的蓄冷量能全部有效应用于高峰时段。这样可以实现能源的最佳利用。***蓄冰量主要通过冰厚传感器测得（特别是外融冰***），而目前的冰厚传感器价格非常的高，且精度差，只能得到几个点的测量结果，测量结果粗放，与需要的精确控制，追求最佳节能效果的要求相差甚远。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种荷载式冰量测量装置，包括：中央处理器、温度传感器信号处理模块、温度传感器以及电源模块，温度传感器信号处理模块接收温度传感器检测的温度信号，进行信号处理后送入中央处理器，还包括压力传感器信号处理模块和压力传感器组，压力传感器信号处理模块接收压力传感器组探测的与冰量相关的信号，进行信号处理后送入中央处理器。
其中，压力传感器组包括两只压力传感器，压力传感器上部通过固定支架固定在盘管水箱壁上，压力传感器下部固定在盘管支撑架上，压力传感器通过引线连接到压力传感器信号处理模块。
其中，压力传感器组检测盘管水箱中水的浮力，其中水的浮力与冰量相关，冰量越多，浮力越大。
其中，温度传感器安装在盘管支撑架上，通过引线将信号传送到温度传感器信号处理模块，温度传感器的探测点与盘管水箱底部保持一定距离。
其中，温度传感器信号处理模块包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R6和滤波电容C2，电阻R1的第一脚与电阻R2的第一脚并联接电源,电阻R1的第二脚与电阻R3的第一脚的连接点接到中央处理器的网络标号为A0.0的第一脚，电阻R2的第二脚与电阻R6的第一脚和滤波电容C2的第一脚连接点接到中央处理器的网络标号为PT1000的第二脚，电阻R3的第二脚与电阻R6的第二脚及滤波电容C2的第二脚并联接地，其中电阻R6是可变电阻，对应于温度传感器。
其中，压力传感器信号处理模块包括电阻R4、电阻R5和仪表运放AD620组成的放大电路，用于将压力传感器的电信号放大，其中电阻R5的第一脚与地连接，第二脚和压力传感器组的信号负端并联后与仪表运放AD620的第二脚连接，电阻R4的第一脚和仪表运放AD620的第一脚连接，电阻R4的第二脚和仪表运放AD620的第八脚连接，仪表运放AD620的第三脚与压力传感器组的信号正端连接，仪表运放AD620的第八脚连接，仪表运放AD620的第六脚连接到中央处理器的网络标号为iecAD的第四脚。
其中，压力传感器信号处理模块和温度传感器信号处理模块传送到中央处理器的两个电压信号组成一对差分信号。
其中，还包括无线RENS通讯模块，用于将冰量测量装置实时测量的结冰量的动态信号发送给上位机。
其中，荷载式冰量测量装置通过自动校准零点来校正测量的结果。
本发明的装置实时测量结冰量的动态值和温度值，把动态信号通过无线RENS通讯模块发送给上位机控制软件，上位机控制软件通过分析结冰信号，得到结冰速率曲线，根据结冰速率曲线，调整设备运行参数和控制策略，达到优化控制的目的：可以降低能耗，并使设备尽可能的处于“健康”运行状态，以延长设备的使用寿命。
荷载式冰量测量装置可以得到一组连续变化结冰量的测量信号，可以通过自动校准“零点”来校正测量的结果，达到精确测量的目的。
本发明的有益效果是：（1）结构简单，成本低；（2）可以实现连续的总结冰量测量，能得到精确控制需要的总冰量信息（蓄冰量），保证最佳节能控制的实现。
附图说明
图1：荷载式冰量测量装置的电气结构示意框图；
图2：蓄冰盘管的压力传感器和温度传感器安装结构示意图；
图3：荷载式冰量测量装置的电路原理图。
附图标记说明：
1．中央处理器； 2．温度传感器信号处理模块；
3．压力传感器信号处理模块； 4．电源模块；
5．无线RENS通讯模块； 6．温度传感器；
7．压力传感器组； 8．盘管支撑架
9．压力传感器固定支架； 10．盘管水箱；
11．盘管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述。
参见附图1，荷载式冰量测量装置主要包括：中央处理器1、温度传感器信号处理模块2、压力传感器信号处理模块3、电源模块4、无线RENS通讯模块5、温度传感器6和压力传感器组7。使用时，中央处理器1与温度传感器信号处理模块2、压力传感器信号处理模块3、电源模块4和无线RENS通讯模块5电连接。附图2和附图3就是具体的实施细节。
压力传感器组7包括两只压力传感器，压力传感器上面通过固定支架9固定在盘管水箱壁上，压力传感器下面固定在盘管支撑架8上，压力传感器通过引线连接到压力传感器信号处理模块3。温度传感器6也安装在盘管支撑架8上，通过引线将信号传送到温度传感器信号处理模块，温度传感器6的探测点与盘管水箱底部距离为20cm左右。
中央处理器1选用SILICON LAB公司生产的型号为C8051F350单片机。此单片机内置具24AD转换器，且放大倍数可以选择1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍、128倍，测量通道可以自动校准，消除***误差、可以得到非常高的测量精度，这个功能正是本发明装置所需要的。
温度传感器信号处理模块2的电路图见图3，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R6和滤波电容C2，其中电阻R6是可变电阻，也就是附图2中的温度传感器6，这里选用的是上海九贸仪表有限公司生产的PT1000铂电阻；PT1000的电阻值会随著温度的变化而变化，零度时电阻为1.000K。电阻R1的第一脚与电阻R2的第一脚并联接电源VCC(3.3V),电阻R1的第二脚与电阻R3的第一脚连接点接到中央处理器1的第一脚（网络标号为A0.0），电阻R2的第二脚与电阻R6的第一脚和滤波电容C2的第一脚连接点接到中央处理器1的第二脚（网络标号为PT1000），电阻R3的第二脚与电阻R6的第二脚及滤波电容C2的第二脚并联接地，其中电阻R1、电阻R2和电阻R3均为1K的高精密电阻，要求精度不大于0.1%，温漂系数不大于20PPm。滤波电容C2的值要求为100uf/6.3V。
压力传感器组模块3对应的电路如图3所示，包括电阻R4、电阻R5和仪表运放AD620，电阻R5的第一脚与地连接，第二脚和压力传感器组的信号负端并联后与仪表运放AD620的第二脚（差分信号输入负端）连接，电阻R4的第一脚和仪表运放AD620的第一脚连接，电阻R4的第二脚和仪表运放AD620的第八脚连接，仪表运放AD620的第三脚(差分信号输入正端)与压力传感器组的信号正端连接，仪表运放AD620的第六脚(放大信号输出端)连接到中央处理器的网络标号为iecAD的第四脚。其中R4和R5均为1K的高精密电阻，要求精度不大于0.1%，温漂系数不大于20PPm，电阻R4、电阻R5和仪表运放AD620组成的放大电路可以把压力传感器7的电信号放大50倍，也就是附图2中压力传感器7的感知压力。
如图3所示，电源模块4对应的电路包含变压器T1、滤波电容C1和滤波电容C4，其中T1选用杭州山博电子有限公司生产的型号为SHB-2.5W-3.3的开关电源模块，该模块为宽电压输入（AC85V-260V）,输出为3.3V的高精密电源。使用时T1的第一脚和第二脚接AC220V，T1的第三脚为地（GND）,T1的第四脚为电源VCC(3.3V)，为本发明的装置提供电源。滤波电容C1的第一脚和滤波电容C4的第一脚并联与T1的第四脚（VCC）电连接，滤波电容C1的第二脚和滤波电容C4的第二脚并联与T1的第三脚（GND）电连接，滤波电容C1的值要求为1000uf/6.3V，滤波电容出的值要求为0.1uf。
本发明荷载式冰量的测量原理是利用水和冰具有不同密度，也就是1千克0℃水冻结成1千克0℃的冰体积变化量不同，因此产生不同的浮力：1千克0℃水冻结成1千克0℃的冰体积变化量。
浮力变化量：
N
1千克0℃水冻结成1千克0℃的冰可以产生0.88牛顿力，一个蓄冰盘管的结冰量少则5000千克，多则100000千克，通常为：40000千克，也就是说常规盘管从水结成冰要产生35200牛顿力，从一个近似0牛顿力到35200牛顿力是很容易测量出来的，不过为了保证测量值的精确度，注意合理选择压力传感器的量程，选型原则是压力传感器组的最大量程与盘管从水完全结为冰产生的最大浮力接近。压力传感器组模块3把压力传感器的信号放大50倍，连接到中央处理器的网络标号为iecAD的第四脚器，中央处理器器1取得电压信号iecAD，中央处理器1（单片机）可以选择信号放大1倍,电压信号iecAD通过24位AD转换器被转换成一个24位的二进制数，通常为了处理方便，取前16位二进制数即可，也可以看成一个0-ffffH的16进制数，（转成10进制数就是0-65535）通过数据处理和标定，就可以得到一个冰量的值（分辨力取0.1千克）。因为盘管在水中的浮力初始值并不是零，因此在测量冰量前需要校准零点。根据实验在液体温度为3度时校准零点较适宜,此时可以判定无结冰,压力传感器的电压值可以看成结冰的初始值,经过中央处理器1读取的冰量数值视为0.0千克，即校准零点。为了校准零点需要测量水箱底部附近的水温，水温的测量可以通过温度传感器6及温度传感器信号处理模块2进行，从附图3中对应的电路可以看出，温度传感器信号处理模块2中的电阻R6可以看成温度传感器的电阻，这里的温度传感器用的是PT1000铂电阻，其在零点时为1K,在-20度时温度传感器的电阻阻值为921.992，在30度时温度传感器的电阻阻值为1116.342。根据PT1000的电阻对照表可以算出对应的电压值(PT1000),中央处理器1把温度传感器PT1000和A0.0形成一对差分信号，经过放大4倍后输出对应的24位AD值，也就是转换成一个24位的二进制数，通常为了处理方便，取前16位二进制数即可，也可以看成一个0-ffffH的16进制数，（转成10进制数就是0-65535）通过数据处理和标定，就可以得到一个温度值（分辨力去0.01度）等测量温度为3度时进行冰量测量的零点校准。在实际应用中测到的温度除了用于冰量零点校准外，还用于监控蓄冰槽内的水温，根据水温的高低计算需要的冷量，调整设备运行参数和控制策略，达到优化控制的目的。优化控制的目的可以降低能耗，并使设备尽可能的处于“健康”运行状态，以延长设备的使用寿命。
作为本发明的优选实施方式，本发明还包括无线RWNS通讯模块5，中央处理器1和无线RWNS通讯模块5采用I/O方式电连接。无线RWNS通讯模块5用于将测量的压力值和温度值发送给上位机从而实现无线数据远传。无线RWNS通讯模块5可选用利尔达公司生产的LSDRF4310N03无线通讯模块，它与中央处理器1通过有6根数据线电连接。如图3中的18所示，其中与中央处理器1连接的GD02标号的所对应中央处理器1的管脚需要具有外中断功能，所述无线RWNS通讯模块5用于将测得的浮力数值和温度数值发送给上位机。上位机控制软件通过分析结冰信号，得到结冰速率曲线，根据结冰速率曲线，调整设备运行参数和控制策略，达到优化控制的目的。优化控制的目的可以降低能耗，并使设备尽可能的处于“健康”运行状态，以延长设备的使用寿命。

Claims (9)

1.一种荷载式冰量测量装置，包括：中央处理器（1）、温度传感器信号处理模块（2）、温度传感器（6）以及电源模块（4），温度传感器信号处理模块（2）接收温度传感器（6）检测的温度信号，进行信号处理后送入中央处理器（1），其特征在于，还包括压力传感器信号处理模块（3）和压力传感器组（7），压力传感器信号处理模块（3）接收压力传感器组（7）探测的与冰量相关的信号，进行信号处理后送入中央处理器（1）。
2.根据权利要求1所述的荷载式冰量测量装置，其特征在于：压力传感器组（7）包括两只压力传感器，压力传感器上部通过固定支架（9）固定在盘管水箱壁上，压力传感器下部固定在盘管支撑架（8）上，压力传感器通过引线连接到压力传感器信号处理模块（3）。
3.根据权利要求2所述的荷载式冰量测量装置，其特征在于：压力传感器组（7）检测盘管水箱（10）中水的浮力，其中水的浮力与冰量相关，冰量越多，浮力越大。
4.根据权利要求2或3所述的荷载式冰量测量装置，其特征在于：温度传感器（6）安装在盘管支撑架（8）上，通过引线将信号传送到温度传感器信号处理模块（2），温度传感器（6）的探测点与盘管水箱底部保持一定距离。
5.根据权利要求1-4任一项所述的荷载式冰量测量装置，其特征在于：温度传感器信号处理模块（2）包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R6和滤波电容C2，电阻R1的第一脚与电阻R2的第一脚并联接电源,电阻R1的第二脚与电阻R3的第一脚的连接点接到中央处理器（1）的网络标号为A0.0的第一脚，电阻R2的第二脚与电阻R6的第一脚和滤波电容C2的第一脚连接点接到中央处理器（1）的网络标号为PT1000的第二脚，电阻R3的第二脚与电阻R6的第二脚及滤波电容C2的第二脚并联接地，其中电阻R6是可变电阻，对应于温度传感器（6）。
6.根据权利要求1-5任一项所述的荷载式冰量测量装置，其特征在于：压力传感器信号处理模块（3）包括电阻R4、电阻R5和仪表运放AD620组成的放大电路，用于将压力传感器（7）的电信号放大，其中电阻R5的第一脚与地连接，第二脚和压力传感器组的信号负端并联后与仪表运放AD620的第二脚连接，电阻R4的第一脚和仪表运放AD620的第一脚连接，电阻R4的第二脚和仪表运放AD620的第八脚连接，仪表运放AD620的第三脚与压力传感器组的信号正端连接，仪表运放AD620的第八脚连接，仪表运放AD620的第六脚连接到中央处理器（1）的网络标号为iecAD的第四脚。
7.根据权利要求1-6任一项所述的荷载式冰量测量装置，其特征在于：压力传感器信号处理模块（3）和温度传感器信号处理模块（2）传送到中央处理器（1）的两个电压信号组成一对差分信号。
8.根据权利要求1-7任一项所述的荷载式冰量测量装置，其特征在于：还包括无线RENS通讯模块（5），用于将冰量测量装置实时测量的结冰量的动态信号发送给上位机。
9.根据权利要求1-8任一项所述的荷载式冰量测量装置，其特征在于：荷载式冰量测量装置通过自动校准零点来校正测量的结果。
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