CN105737729A - 一种用于蓄冰盘管的冰厚测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于蓄冰盘管的冰厚测量装置，包括：中央处理器（1）、温度传感器信号处理模块（2）、冰厚探测信号处理模块（3）、温度传感器（6）、冰厚探测器（7）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）；冰厚探测信号处理模块（16）接收冰厚探测器（7）探测的与冰厚相关的信号，进行信号处理后送入中央处理器（1）。

Description

一种用于蓄冰盘管的冰厚测量装置

技术领域

本发明属于空调领域，涉及一种蓄冰空调的冰厚测量装置，特别是涉及一种用于蓄冰盘管的冰厚测量装置。

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系统中，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。系统蓄冰量主要通过冰厚传感器测得（特别是外融冰系统），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（结冰厚度为总厚度的20%、40%、60%、80%、100%，）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

本发明的目的在于提供一种用于蓄冰盘管的冰厚测量装置，该用于蓄冰盘管的冰厚测量装置，结构简单，成本低，可以实现连续测量，能得到精确控制需要的冰厚信息（蓄冰量），保证最佳节能控制的实现。

本发明公开了一种用于蓄冰盘管的冰厚测量装置，包括：中央处理器、温度传感器信号处理模块、冰厚探测信号处理模块、温度传感器、冰厚探测器以及电源模块，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；冰厚探测信号处理模块接收冰厚探测器探测的与冰厚相关的信号，进行信号处理后送入中央处理器。

其中，冰厚探测器包括第一冰厚探针、第二冰厚探针、固定支架和卡扣，第一冰厚探针和第二冰厚探针相互平行，两端都垂直固定在两个固定支架上，探针与固定支架绝缘，固定支架通过卡扣固定在两根盘管之间，通过连接线将探针探测的信号传送到中央处理器。

其中，随着冰逐渐从第一冰厚探针和第二冰厚探针的上下端把表面覆盖起来，第一冰厚探针和第二冰厚探针之间的电阻就会逐渐变大，当没有结冰时测量两个探针之间的电阻为10K左右，当两根探针完全被冰覆盖后测量两个探针之间的电阻大于1M欧。

其中，温度传感器也安装在固定支架上，通过连接线将信号传送到中央处理器。

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，冰厚探测器模块包括电阻R4、电阻R8、电阻R5、电阻R7和滤波电容C3，电阻R4的第一脚与电阻R8的第一脚并联接电源，电阻R4的第二脚与电阻R5的第一脚连接点一起接到中央处理器的网络标号为A0.1的第三脚，电阻R8的第二脚与电阻R7的第一脚和滤波电容C3的第一脚的连接点接到中央处理器的网络标号为iecAD的第四脚，电阻R5的第二脚与电阻R7的第二脚和滤波电容C3的第二脚并联接地，其中电阻R7是可变电阻，对应于第一冰厚探针和第二冰厚探针之间的电阻。

进一步，第一冰厚探针和第二冰厚探针是由两根不锈钢金属棒制成。

进一步，冰厚探测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。

进一步，还包括无线RENS通讯模块，用于将冰厚测量装置实时测量的结冰量的动态信号发送给上位机。

进一步，用于蓄冰盘管的冰厚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。

用于蓄冰盘管的冰厚测量装置可以得到一组连续变化冰厚测量的信号，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，可以通过温度自动校准补偿水的电导率，自动校正测量的结果，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）可以实现连续的测量，能得到精确控制需要的冰厚信息（蓄冰量），保证最佳节能控制的实现。

附图说明

图1：用于蓄冰盘管的冰厚测量装置的电气结构示意框图；

图2：蓄冰盘管的冰厚测量装置探针及温度传感器安装结构示意图；

图3：蓄冰盘管的冰厚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.冰厚探测信号处理模块；4.电源模块；

5.无线RENS通讯模块；6.温度传感器；

7.冰厚探测器；9.固定支架；

10.连接线；11.卡扣；

12.盘管；13.冰层；

14.第一冰厚探针；15.第二冰厚探针。

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，用于蓄冰盘管的冰厚测量装置主要包括：中央处理器1、温度传感器信号处理模块2、冰厚探测信号处理模块3、电源模块4、无线RENS通讯模块5、温度传感器6和冰厚探测器7。使用时，中央处理器1与温度传感器信号处理模块2、冰厚探测信号处理模块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。

中央处理器1选用SILICONLAB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，消除系统误差、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。

冰厚探测器模块3对应的电路如图3所示，包括电阻R4、电阻R8、电阻R5、电阻R7、和滤波电容C3，其中电阻R7是可变电阻，也就是附图2中的第一冰厚探针14和第二冰厚探针15之间的电阻。冰厚探测器放在蓄冰盘管内，两根探针之间会充满水或冰，也可能是冰水混合物，水是导电的，因此可以看成是一个电阻，冰的导电率很低，可以近似看做是不导电的，可以认为其电阻很大。随着水逐渐结成冰，两根探针部分被冰覆盖，两根探针之间的冰层厚度逐渐增加，导电的水就会越来越少，因此两根探针之间的电阻越来越大，两个探针之间的电阻就是指两根探针之间的测量电阻，在结冰过程中这个电阻是变化的。第一冰厚探针14和第二冰厚探针15是由两根不锈钢金属棒制成的，直径为6mm,长度为60mm，两根探针的距离为50mm平行放置，且垂直固定在固定支架9上，两根探针要与固定支架9绝缘，如附图2所示，随著结冰厚度增加，第一冰厚探针14和第二冰厚探针15的上下两端同时逐渐被冰覆盖，（被覆盖的探针部分电阻很大，可以视为绝缘），第一冰厚探针14和第二冰厚探针15的电阻就逐步变大，等冰层完全覆盖两根探针的表面时，电阻可以视为绝缘（大于1M欧），在没有结冰的情况下电阻大约为10K（这个阻值随介质的温度和介质的浓度变化的）。电阻R4的第一脚与电阻R8的第一脚并联接电源VCC(3.3V)，电阻R4的第二脚与电阻R5的第一脚连接点一起接到中央处理器1的第三脚（网络标号为A0.1），电阻R8的第二脚与电阻R7的第一脚和滤波电容C3的第一脚的连接点接到中央处理器1的第四脚（网络标号为iecAD），电阻R5的第二脚与电阻R7的第二脚和滤波电容C3的第二脚并联接地，其中电阻R4、电阻R8和电阻R5均为10K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C3的值要求为100uf/6.3V。

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。

冰厚探测的测量原理是利用水和冰具有不同的电导率，且具有10倍以上的差别，使用时如附图2所示，把第一冰厚探针14和第二冰厚探针15、温度传感器6及固定支架9组成的探头通过卡扣11固定在两根盘管12之间，盘管12内充满工业乙二醇液体，盘管12外面是空调循环水，当盘管12内流动的是零下5度的乙二醇液体时，冷量就会通过盘管传导给盘管12外部的水，盘管12外部的水开始结冰，冰会逐渐从第一冰厚探针14和第二冰厚探针15的上下端把表面覆盖起来，第一探针14和第二探针15之间的电阻就会逐渐变大，直到两根探针完全被覆盖。探针14、15和温度传感器6通过各自的连接线10将信号传送到电路模块中。当没有结冰时测量到两个探针之间的电阻为10K左右，当两根探针完全被冰覆盖后测量到两个探针之间的电阻大于1M欧，把冰厚探测信号处理模块3中的电阻R7视为第一冰厚探针14和第二冰厚探针15之间的可变电阻，可以很容易理解这部分处理电路，中央处理器器1取得两个电压信号iecAD和A0.1,这两个电压信号可以视为一对差分信号，中央处理器1（单片机）可以选择信号放大1倍,电压信号iecAD和A0.1差分信号通过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，就可以得到一个冰厚的值（分辨力去0.01mm）。因为水的电导率与液体内离子浓度、温度等相关，不是一个确定的值，因此在测量冰厚前需要校准零点。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,且温度近视于0度,此时探针两端的电阻值可以看成结冰的初始值,经过中央处理器1读取的冰厚数值视为0.00mm，即校准零点。为了校准零点需要测量冰厚探针附近的水温，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，测量温度的电路与测量冰厚的电路基本相同，温度传感器信号处理模块2中的电阻R6可以看成温控传感器的电阻，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度时进行冰厚探测的冰厚零点校准。在实际应用中测到的温度除了用于冰厚零点校准外，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用于将测量的冰厚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用于将测得的冰厚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 (10)

1.一种用于蓄冰盘管的冰厚测量装置，包括：中央处理器（1）、温度传感器信号处理模块（2）、冰厚探测信号处理模块（3）、温度传感器（6）、冰厚探测器（7）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）；冰厚探测信号处理模块（16）接收冰厚探测器（7）探测的与冰厚相关的信号，进行信号处理后送入中央处理器（1）。

2.根据权利要求1所述的用于蓄冰盘管的冰厚测量装置，其特征在于：冰厚探测器（7）包括第一冰厚探针（14）、第二冰厚探针（15）、固定支架（9）和卡扣（11），第一冰厚探针（14）和第二冰厚探针（15）相互平行，两端都垂直固定在两个固定支架（9）上，探针与固定支架（9）绝缘，固定支架（9）通过卡扣（11）固定在两根盘管（12）之间，通过连接线（10）将探针探测的信号传送到中央处理器（1）。

3.根据权利要求2所述的用于蓄冰盘管的冰厚测量装置，其特征在于：随着冰逐渐从第一冰厚探针（14）和第二冰厚探针（15）的上下端把表面覆盖起来，第一冰厚探针（14）和第二冰厚探针（15）之间的电阻就会逐渐变大，当没有结冰时测量两个探针之间的电阻为10K左右，当两根探针完全被冰覆盖后测量两个探针之间的电阻大于1M欧。

4.根据权利要求2或3所述的用于蓄冰盘管的冰厚测量装置，其特征在于：温度传感器（6）也安装在固定支架（9）上，通过连接线（10）将信号传送到中央处理器（1）。

5.根据权利要求1-4任一项所述的用于蓄冰盘管的冰厚测量装置，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任一项所述的用于蓄冰盘管的冰厚测量装置，其特征在于：其中冰厚探测器模块（3）包括电阻R4、电阻R8、电阻R5、电阻R7和滤波电容C3，电阻R4的第一脚与电阻R8的第一脚并联接电源，电阻R4的第二脚与电阻R5的第一脚连接点一起接到中央处理器(1)的网络标号为A0.1的第三脚，电阻R8的第二脚与电阻R7的第一脚和滤波电容C3的第一脚的连接点接到中央处理器（1）的网络标号为iecAD的第四脚，电阻R5的第二脚与电阻R7的第二脚和滤波电容C3的第二脚并联接地，其中电阻R7是可变电阻，对应于第一冰厚探针（14）和第二冰厚探针（15）之间的电阻。

7.根据权利要求2所述的用于蓄冰盘管的冰厚测量装置，其特征在于：第一冰厚探针（14）和第二冰厚探针（15）是由两根不锈钢金属棒制成。

8.根据权利要求1-7任一项所述的用于蓄冰盘管的冰厚测量装置，其特征在于：冰厚探测信号处理模块（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。

9.根据权利要求1-8任一项所述的用于蓄冰盘管的冰厚测量装置，其特征在于：还包括无线RENS通讯模块（5），用于将冰厚测量装置实时测量的结冰量的动态信号发送给上位机。

10.根据权利要求1-9任一项所述的用于蓄冰盘管的冰厚测量装置，其特征在于：用于蓄冰盘管的冰厚测量装置通过自动校准零点来校正测量的结果。