CN108731752A - 一种中央空调用气量动态监控方法、装置及费用统计系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中央空调用气量动态监控方法、装置及费用统计系统，该装置包括传感光源、光纤耦合器、至少两个光纤流量敏感单元、信号解调仪；传感光源连接光纤耦合器的第一端口，光纤耦合器的第二端口连接至少两个光纤流量敏感单元，至少两个光纤流量敏感单元沿中央空调的输送管道出风口敷设，信号解调仪连接至光纤耦合器的第三端口；传感光源发出信号光，到达至少两个光纤流量敏感单元，该光纤流量敏感单元根据中央空调的输送管道出风口的流体流速变化导致的其所处环境温度变化，反射回不同特征的信号光，到达信号解调仪；信号解调仪计算得到流体的流速，并基于输送管道的横截面积，获得预设时间内流体的流量，提高统计精度。

Description

一种中央空调用气量动态监控方法、装置及费用统计系统

技术领域

本发明涉及中央空调技术领域，尤其涉及一种中央空调用气量动态监控方法、装置及费用统计系统。

背景技术

如今许多写字楼、办公室、大型商场都安装有中央空调，由于中央空调采用集体输气供冷或者供热的方式，仅能通过控制每个空间环境的功率以及送气口的开启和关闭，对于具体的使用量并无法获知，这样，在涉及收费问题时，通常都是集体分担费用，很容易造成能源和资源的浪费。

现有为了对每个空间的空调使用量进行统计是采用基于机械技术的流量传感器测量，但是，该基于机械技术的传感器测量误差较大，传感器的体积庞大，不利于系统的集成，比如，涡轮流量计虽具有较高的测量精度、重复性，但是涡轮的转动会带来轴承磨损，不利于长期地稳定测量；容积式流量计具有较宽的量程，但是，温度波动带来的误差远大于其标称的精度，且体积巨大，不利于在中央空调系统中测量。

由此可见，现有采用的对空调用气量的统计采用的机械测量结构适用范围有限，且精确度不高。

发明内容

针对现有对空调用气量的统计采用的机械测量结构适用范围有限，且精度不高的技术问题，本发明实施例提供了一种中央空调用气量动态监控方法、装置及费用统计系统，进而提高了对用气量统计的精度。

为了解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供了一种中央空调用气量动态监控装置，包括传感光源、光纤耦合器、至少两个光纤流量敏感单元、信号解调仪；

所述光纤耦合器包括三个端口，传感光源连接光纤耦合器的第一端口，光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至少两个光纤流量敏感单元，所述至少两个光纤流量敏感单元沿中央空调的输送管道出风口敷设，所述信号解调仪与所述光纤耦合器的第三端口连接；

传感光源发出信号光，经光纤耦合器到达至少两个光纤流量敏感单元，所述至少两个光纤流量敏感单元根据中央空调的输送管道出风口流体流速导致的其所处环境温度变化，反射回不同特征的信号光，到达信号解调仪进行处理；

所述信号解调仪对所述具有不同特征的信号光进行处理，获得中央空调的输送管道中有流体经过前后光纤流量敏感单元所处环境的温度差，和在有流体经过所述输送管道时的对流热损耗，计算得到流体的流速，并基于所述流体的流速以及输送管道的横截面积，获得预设时间内流体的流量，即对应的用气量。

进一步地，所述至少两个光纤流量敏感单元串联成阵列结构，每个光纤流量敏感单元包括温度敏感光纤芯和具有光热转换效应的包层。

进一步地，所述具有光转换效应的包层涂覆于温度敏感光纤芯表面。

进一步地，所述具有光转换效应的包层具体为有机聚合物或者金属薄膜。

进一步地，所述信号解调仪具体是根据传感光源的发射功率以及具有光热转换效应的包层的传递系数获得的在有流体经过所述输送管道时的对流热损耗H，具体的计算公式为：

其中，P为传感光源的发射功率，为传递系数，即热转换材料吸收发射功率与总发射功率的比例，a为热转换材料将发射功率转换成热量的转换效率。

进一步地，所述中央空调输送管道中有流体经过前后光纤流量敏感单元所处环境的温度差ΔT与流体的流速υ有关，具体关系如下：

其中，T₀输送管道出风口流体静止时，所述光纤流量敏感单元感知的初始温度，T为输送管道出风口的流体流动时经过所述光纤流量敏感单元的温度，A和B均为与热转换材料相关的已知常数；

中央空调输送管道中有流体经过前后光纤流量敏感单元所处环境的温度差ΔT与传感光纤光栅的布拉格波长漂移相关，具体的公式为：

其中，Δλ_B为信号解调仪对反射回来的信号光进行解调获得的波长漂移值，α为光纤的热膨胀系数，ε为光纤的热光系数。

进一步地，所述信号解调仪根据中央空调输送管道出风口有流体经过前后光纤流量敏感单元所处环境的温度差ΔT以及在有流体经过所述输送管道出风口时的对流热损耗H，计算得到流体的流速υ，计算公式如下：

进一步地，所述预设时间内流体的流量Φ的计算公式：

Φ＝υS

其中，S为中央空调输送管道的横截面积。

另一方面，本发明实施例还提供了一种中央空调用气量动态监控方法，应用于中央空调用气量动态监控装置中，所述监控装置包括传感光源、光纤耦合器、至少两个光纤流量敏感单元、信号解调仪，该方法包括：

传感光源发出信号光，经光纤耦合器到达至少两个光纤流量敏感单元，所述至少两个光纤流量敏感单元根据中央空调的输送管道出风口的流体流速导致的其所处环境温度变化，反射回不同特征的信号光，到达信号解调仪进行处理；

所述信号解调仪经过解调处理，获得中央空调的输送管道出风口有流体经过前后光纤流量敏感单元的温度差和在有流体经过所述输送管道出风口时的对流热损耗；

基于所述温度差与所述对流热损耗，计算获得流体的流速；

基于所述流体的流速以及输送管道的横截面积，获得预设时间内流体的流量，即对应的用气量。

而且，本发明实施例还提供了一种中央空调用气量的费用统计系统，包括上述的中央空调用气量动态监控装置以及中央空调监控中心，所述中央空调监控中心连接所述中央空调用气量动态监控装置中的信号解调仪；

中央空调监控中心用于根据信号解调仪获得的不同时间段的流体的动态流量信息，并基于流量的单价，计算获得用户使用的总空调费用。

采用本发明中的一个或者多个技术方案，具有如下有益效果：

1、由于本发明中采用的至少两个光纤流量敏感单元敷设于中央空调的输送管道出风口，用于将反射的信号光传输至信号解调仪进行解调，得到流体在输送管道上的流速，从而获得流体的流量，所采用的传感器器件体积小，信号连接简单，适合大规模组网，而且，采用上述的方式能够提高对流体流量统计的精度。

2、本发明所采用的光纤流量敏感单元无需供电，施工简单，而且比较安全，适合各种环境安装使用。

3、本发明所采用的方案兼容性好，可以与现有的系统完美配合，实现测量、处理、反应一体化。

附图说明

图1为本发明实施例中中央空调用气量动态监控装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中中央空调用气量动态监控方法的结构示意图；

图3为本发明实施例中一种中央空调用气量的费用统计系统的结构示意图。

具体实施方式

针对现有对空调用气量的统计采用的机械测量结构适用范围有限，且精度不高的技术问题，本发明实施例提供了一种中央空调用气量动态监控方法、装置及费用统计系统，进而提高了对用气量统计的精度。

为了解决上述技术问题，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明实施例提供了一种中央空调用气量动态监控装置，如图1所示，包括传感光源10、光纤耦合器20、至少两个光纤流量敏感单元30以及信号解调仪。

在具体的实施方式中，该光纤耦合器20包括三个端口，传感光源10连接光纤耦合器20的第一端口201，光纤耦合器20的第二端口202通过光纤连接至少两个光纤流量敏感单元30，至少两个光纤流量敏感单元30沿中央空调的输送管道出风口敷设，信号解调仪与光纤耦合器20的第三端口连接。其中该至少两个光纤流量敏感单元30串联形成阵列结构，每个光纤流量敏感单元30都包括温度敏感光纤芯和具有光热转换效应的包层。具体地，该温度敏感光纤芯可以由布里渊散射温度效应或光纤光栅温度效应来实现。该光热转换效应的包层采用热转换材料，具体可以是有机聚合物或者薄膜，能够涂覆于温度敏感光纤芯表面。

该光纤流量敏感单元30是设置于不同出风口对应的输送管道外壁，不同出风口对应的是不同用户的使用状况。

具体的实现原理：利用物体的热交换效应，当流体流速大于0.5m/s时，热交换主要取决于流体的强迫对流，这种热交换所导致的温度变化与流体的速度密切相关，当流体经过光纤流量传感器(即光纤流量敏感单元)时，由于其自身的热交换作用，使得光纤流量传感器处温度环境发生变化，而根据光纤布里渊散射效应的光谱频率与温度相关，或是光纤光栅的反射波长漂移与所处环境温度成正比，因此，通过对反射的信号光进行解调，即可得到流体在该方向上的速度，另一方面，利用光纤传感的时分复用或波分复用特性，将用户与光纤流量传感单元的位置一一对应，这样可以将探测到的流量与用户所使用的流量进行匹配。从而获得每个出风口对应的用户的使用量。

下面对具体的信号解调仪的处理过程进行详细描述：

该信号解调仪能够根据经光纤流量敏感单元反射回的不同特征的信号光进行处理，具体地，首先，根据光传感光源的发射功率以及具有光热转换效应的包层的传递系数获得在有流体经过该输送管道时的对流热损耗H，具体的计算公式为：

其中，P为传感光源的发射功率，为传递系数，即热转换材料吸收发射功率与总发射功率的比例，a为热转换材料将发射功率转换成热量的转换效率。

接着，中央空调输送管道中有流体经过前后光纤流量敏感单元所处环境的温度差ΔT与流体的流速υ有关，具体关系如下：

其中，T₀为输送管道出风口中流体静止时，光纤流量敏感单元感知的初始温度，T为输送管道中的流体流动时经过光纤流量敏感单元的温度，A和B均为与热转换材料相关的已知常数。

传感光源10发射信号光，照射到具有光热转换效应的包层，实现光纤流量敏感单元所处环境温度的初始化，此时温度记为T₀。当中央空调开始工作时，即流体开始流动，该装置所处的温度发生变化，记此时的温度为T，从而计算得到ΔT＝T-T₀。根据光纤光栅耦合理论可知，传感光纤光栅的布拉格波长漂移与光纤光栅所处的环境温度相关，其关系由式(3)表示：

其中，Δλ_B为信号解调仪对反射回来的信号光进行解调获得的波长漂移值，α为光纤的热膨胀系数，ε为光纤的热光系数。

根据上述(1)、(2)、(3)的计算式，已经可以得到流体流量的计算式。因此，该信号解调仪40根据测得的流体经过中央输气管道前后光纤流量敏感单元所处环境的温度差ΔT以及在有流体经过该输送管道时的对流热损耗H，计算得到流体的流速υ，计算公式如下：

在得到流体的流速之后，根据输送管的横截面积S，得到预设时间内流体的流量Φ，计算式如下：

Φ＝υS (5)

基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种中央空调用气量动态监控方法，应用于上述的中央空调用气量动态监控装置中，该监控装置包括传感光源、光纤耦合器、至少两个光纤流量敏感单元、信号解调仪，如图2所示，该方法具体包括：

S101，传感光源发出信号光，经光纤耦合器到达至少两个光纤流量敏感单元，至少两个光纤流量敏感单元根据中央空调的输送管道出风口的流体流速导致的其所处环境温度变化，反射回不同特征的信号光，到达信号解调仪进行处理；S102，信号解调仪经过解调处理，获得中央空调的输送管道出风口有流体经过前后光纤流量敏感单元的温度差和在有流体经过输送管道时的对流热损耗；S103，基于该温度差与对流热损耗，计算获得流体的流速；S104，基于流体的流速以及输送管道的横截面积，获得预设时间内流体的流量，即对应的用气量。

从而根据上述的步骤，能够获得不同用户所使用的空调的用气量。而且，采用上述的方式获得的用气量更加精确。

基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种中央空调用气量的费用统计系统，如图3所示，该系统中包括上述的中央空调用气量动态监控装置以及中央空调监控中心50，其中，该中央空调监控中心50连接中央空调用气量动态监控装置中的信号解调仪，具体地，该中央空调监控中心50用于根据信号解调仪获得的不同时间段的流体的动态流量信息，并基于流量的单价，计算获得用户使用的总空调费用。例如，在每个空调出口处对应的输气管上的光纤流量敏感单元30，即可实现测量的某一用户所使用的动态流量φ₁，φ₂，φ₃...，不同用户所使用的空调费用记为：空调费用＝该用户所使用的总流量φ×流量的单价。

采用这样的方式，能够有效对空调使用量进行有效统计，避免许多争端。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种中央空调用气量动态监控装置，其特征在于，包括传感光源、光纤耦合器、至少两个光纤流量敏感单元、信号解调仪；

所述光纤耦合器包括三个端口，传感光源连接光纤耦合器的第一端口，光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至少两个光纤流量敏感单元，所述至少两个光纤流量敏感单元沿中央空调的输送管道出风口敷设，所述信号解调仪与所述光纤耦合器的第三端口连接；

传感光源发出信号光，经光纤耦合器到达至少两个光纤流量敏感单元，所述至少两个光纤流量敏感单元根据中央空调的输送管道出风口的流体流速导致的其所处环境温度变化，反射回不同特征的信号光，到达信号解调仪进行处理；

所述信号解调仪对所述具有不同特征的信号光进行处理，获得中央空调的输送管道出风口流体经过前后光纤流量敏感单元所处环境的温度差，和在有流体经过所述输送管道时的对流热损耗，计算得到流体的流速，并基于所述流体的流速以及输送管道的横截面积，获得预设时间内流体的流量，即对应的用气量。

2.根据权利要求1所述的中央空调用气量动态监控装置，其特征在于，所述至少两个光纤流量敏感单元串联成阵列结构，每个光纤流量敏感单元包括温度敏感光纤芯和具有光热转换效应的包层。

3.根据权利要求2所述的中央空调用气量动态监控装置，其特征在于，所述具有光转换效应的包层涂覆于温度敏感光纤芯表面。

4.根据权利要求2所述的中央空调用气量动态监控装置，其特征在于，所述具有光转换效应的包层具体为有机聚合物或者金属薄膜。

5.根据权利要求1所述的中央空调用气量动态监控装置，其特征在于，所述信号解调仪具体是根据传感光源的发射功率以及具有光热转换效应的包层的传递系数获得的在有流体经过所述输送管道时的对流热损耗H，具体的计算公式为：

其中，P为传感光源的发射功率，为传递系数，即热转换材料吸收发射功率与总发射功率的比例，a为热转换材料将发射功率转换成热量的转换效率。

6.根据权利要求5所述的中央空调用气量动态监控装置，其特征在于，所述中央空调输送管道中有流体经过前后光纤流量敏感单元所处环境的温度差ΔT与流体的流速υ有关，具体关系如下：

其中，T₀输送管道出风口流体静止时，所述光纤流量敏感单元感知的初始温度，T为输送管道出风口流体流动时经过所述光纤流量敏感单元的温度，A和B均为与热转换材料相关的已知常数；

中央空调输送管道中有流体经过前后光纤流量敏感单元所处环境的温度差ΔT与传感光纤光栅的布拉格波长漂移相关，具体的公式为：

其中，Δλ_B为信号解调仪对反射回来的信号光进行解调获得的获得的波长漂移值，α为光纤的热膨胀系数，ε为光纤的热光系数。

7.根据权利要求6所述的中央空调用气量动态监控装置，其特征在于，所述信号解调仪根据中央空调输送管道中有流体经过前后光纤流量敏感单元所处环境的温度差ΔT以及在有流体经过所述输送管道时的对流热损耗H，计算得到流体的流速υ，计算公式如下：

8.根据权利要求7所述的中央空调用气量动态监控装置，其特征在于，所述预设时间内流体的流量Φ的计算公式：

Φ＝υS

其中，S为中央空调输送管道的横截面积。

9.一种中央空调用气量动态监控方法，应用于中央空调用气量动态监控装置中，所述监控装置包括传感光源、光纤耦合器、至少两个光纤流量敏感单元、信号解调仪，其特征在于，该方法包括：

传感光源发出信号光，经光纤耦合器到达至少两个光纤流量敏感单元，所述至少两个光纤流量敏感单元根据中央空调的输送管道出风口流体流速导致的其所处环境温度变化，反射回不同特征的信号光，到达信号解调仪进行处理；

所述信号解调仪经过解调处理，获得中央空调的输送管道出风口有流体经过前后光纤流量敏感单元的温度差和在有流体经过所述输送管道出风口时的对流热损耗；

基于所述温度差与所述对流热损耗，计算获得流体的流速；

基于所述流体的流速以及输送管道的横截面积，获得预设时间内流体的流量，即对应的用气量。

10.一种中央空调用气量的费用统计系统，其特征在于，包括权利要求1-8中任一权项所述的中央空调用气量动态监控装置以及中央空调监控中心，所述中央空调监控中心连接所述中央空调用气量动态监控装置中的信号解调仪；

中央空调监控中心用于根据信号解调仪获得的不同时间段的流体的动态流量信息，并基于流量的单价，计算获得用户使用的总空调费用。