CN1570568A - 一种阻容式含冰率传感器 - Google Patents

Abstract

一种阻容式含冰率传感器，涉及测量蓄冰空调的蓄冰槽内含冰率的装置。它是由设置在蓄冰槽内冰盘管上的测量电极与设置在蓄冰槽外部的变送器两部分构成。其结构特点是，测量电极是由可与冰盘管嵌装的固定板与固定板连接的基板、基板上均布多对电极测头和与各电极测头相连接的接线端子组成。接线端子由屏蔽电缆引线与变送器连接。本发明将高频交流电源和输出电压产生的RC振荡电路频率响应原理应用于外融式蓄冰槽内含冰率的测量。同现有技术相比，本发明具有结构简单、安装与测量方便、工作性能稳定可靠的优点，适用于闭式与开式外融冰蓄冰系统蓄冰槽内含冰率的测量。填补了本技术领域空白，有助于闭式外融冰蓄冰技术的实施与推广。

Description

一种阻容式含冰率传感器

技术领域

本发明涉及蓄冰空调技术领域，特别是测量外融冰蓄冰系统蓄冰槽内含冰率的装置。

背景技术

在冰蓄冷空调系统中，蓄冰槽内的含冰率(IPF，Ice Packing Factor，是指冰在冰槽内冰水混合物中的质量百分比)标志着蓄冰槽单位体积内所贮存的冷量大小。无论是对于静态制冰系统，制冰时的冷机运转控制与融冰时的残冰量预测，还是对动态制冰系统，控制蓄冰槽内的贮冰量、避免冰浆输送造成管路阻塞、把握末端设备的冷量需求，都必须检测蓄冰槽或输送管路内的含冰率。

现有技术的IPF测量方法主要有根据体积膨胀的水位测量法和根据蓄冰槽内水温与管内载冷剂温度变化的凝固点测量法。这些贯用的测量方法适用于开式外融冰蓄冰系统，但对闭环式外融冰蓄冷系统，由于冰槽的水与空调系统中的水是连通的，空调系统难免出现泄漏现象，且水质在使用过程中变化较大，因此不宜采用上述静态蓄冰系统中现有的“水位测量法”和“凝固点测量法”来测量其IPF。因为，现有的冰厚测量法的主要手段是利用紧贴冰面的探针位移量或冰水导电率不同来检测冰层厚度，而闭式冰槽具有封闭结构和使用过程中水质变化幅度大的特点，所以，这两种冰厚测量方法不能很好地保证机械结构的灵敏性和精度。故对于封闭空间蓄冰槽内冰厚度的测量方法尚需探索新的测量方案。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种适于闭式与开式外融冰蓄冰系统通用的阻容式含冰率传感器，使用它可方便地测出蓄冰槽内结冰表面的冰层厚度，进而根据蓄冰槽的几何结构计算出蓄冰槽内的存冰量。

为了达到上述的发明目的，本发明的技术方案采用如下方式实现：

一种阻容式含冰率传感器，它是由设置在蓄冰槽内部冰盘管上的测量电极与设置在蓄冰槽外部的变送器两部分构成。所述变送器包括高频交流电源和输出电压检测以及A/D转换电路。其结构特点是，所述测量电极是由固定板、基板、多对电极测头和接线端子组成。固定板设为可与冰盘管直接嵌装相匹配的形状。基板与固定板连接，基板上设置多对电极测头，各电极测头通过连线与设置在基板上端的接线端子连接。接线端子通过屏蔽电缆引线与变送器连接。

按照上述的技术方案，所述多对电极测头为十对，每对电极测头平行布置，各对电极测头均布竖列。

按照上述的技术方案，所述各电极测头的截面为圆形、矩形或者其它形状。

按照上述的技术方案，所述高频交流电源的输入电压有效值为2.5V、输入电压频率为650HZ；各电极测头的电阻值为10KΩ。

本发明由于采用了上述的结构形式，可将高频交流电源和输出电压产生的RC振荡电路频率响应原理应用于外融式蓄冰槽含冰率的测量。它不仅适用于开式外融冰蓄冰系统，更重要的是它也适用于闭式外融冰蓄冰系统，填补了本技术领域对于闭式外融冰蓄冷系统的含冰率测量的技术空白，这有助于闭式外融冰蓄冰技术的实施与推广。本发明同现有技术相比具有优点如下：

(1)结构简单，安装方便，可以方便地测量出蓄冰槽内冰层厚度，进而根据蓄冰槽的几何结构计算出蓄冰槽内的含冰率。适用于具有板式、盘管式等结冰界面的开式与闭式外融冰蓄冰槽。

(2)由于采用高频交流电源，工作中不会出现电镀现象，因此工作性能安全稳定可靠；由于采用开关量输出，对水质无选择性，因此测量灵敏度高，在封装工艺保证的前提下，冰层测量精度可小于3mm，加之冰厚动态预测项，完全可满足工业应用范围。

下面结合附图及具体的实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明的原理结构图；

图2为图1的左侧视图；

图3为本发明的应用状态图；

图4为本发明的测量电路原理图。

具体实施方式

参看图1和图2，本发明是由设置在蓄冰槽内部冰盘管上的测量电极A与设置在蓄冰槽外部的变送器B两部分构成。变送器B包括高频交流电源和输出电压检测以及A/D转换电路。其中高频交流电源的输入电压有效值为2.5V、输入电压频率为650HZ。测量电极A是由固定板1、基板2、多对测头3和接线端子4组成。固定板1设为可与冰盘管嵌装相匹配的形状。基板2与固定板1连接。基板2上平行竖列均布十对电极测头3。各电极测头3的截面为圆形，其直径d为0.7mm，其长度a为10mm，各电极测头3的横间距L为2mm，竖间距b为5mm。各电极测头3的电阻值为10KΩ。各电极测头3通过连线与设置在基板2上端的接线端子4连接。接线端子4通过屏蔽电缆引线5与变送器B连接。当然，在本实施例中所述的各电极测头3的截面形状也可以采用矩形或者其它形状。各电极测头3的横间距L、竖间距b、长度a的尺寸也可以变换为其它限定尺寸。

参看图3，使用本发明时，首先在蓄冰槽7中设置的冰盘管6上安装本发明测量电极A，使固定板1与冰盘管6嵌接安装在一起。

参看图4，本发明利用RC振荡电路的频率响应原理的测量原理如下：向电极测头元件提供一个频率为f的交流电源u_in，检测采样电阻上的输出电压u_out，根据u_out/u_in的相对大小判定测头位置是否被冰覆盖。

设输入电压为正弦波           u_in＝U_insinωt其中，ω＝2πf：角速度，1/s；f：电源频率，Hz；U_in：电压最大值，V。电容器C_w的容抗为X_cw＝1/ωC_w。由于实际电容器中的电流超前电压90°，这时测量电路的总阻抗为

$Z=\frac{1}{1/R_w+\mathrm{j\ω}{C}_w}+R$

对于电阻值恒定的采样电阻R，其两端的输出电压u_out为

$u_{\mathrm{out}}=\mathrm{iR}=\frac{R{u}_{\mathrm{in}}}{Z}$

故，此RC电路的频率响应(定义为输出电压向量与输入电压向量之比)是角速度ω的函数，即

$W\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{u_{\mathrm{out}}}{u_{\mathrm{in}}}=\frac{R}{\frac{1}{1/R_w+\mathrm{j\ω}{C}_w}+R}$

化简得

$W\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{(R/R_w)(1+R/R_w)+{\left(\mathrm{\ωR}{C}_w\right)}^2}{{(1+R/R_w)}^2+{\left({\mathrm{\ωRC}}_w\right)}^2}+j\frac{\mathrm{\ω}{\mathrm{RC}}_w}{{(1+R/R_w)}^2+{\left({\mathrm{\ωRC}}_w\right)}^2}$

$A\left(\mathrm{\ω}\right)=\sqrt{\frac{[(R/R_w)(1+R/R_w)+{\left(\mathrm{\ωR}{C}_w\right)}^2{]}^2+{\left(\mathrm{\ω}{\mathrm{RC}}_w\right)}^2}{{(1+R/R_w)}^2+{\left(\mathrm{\ω}{\mathrm{RC}}_w\right)}^2}}$

A(ω)是W(jω)的模，表示输出电压的相对大小随频率变化的特性，称为幅频特性；(ω)表示输出电压的相位，随频率变化的特性，称为相频特性。本发明传感器是根据u_out/u_in的相对大小来判定传感器测头是否被冰覆盖，故只关心W(jω)的幅频特性。因此：(1)由于一般质量的水的相对介电常数ε_w是10～10²数量级，电阻率ρ_w为10³～10⁵Ωm数量级(取决于水中无机离子和有机物含量的相对大小，当无机离子的含量减少或有机物含量增加时，ρ_w增大，导电能力减弱)，特别是空调用水等富含有机物水体的ε_w、ρ_w将会更大；而纯净冰几乎是绝缘体(电阻率ρ_w→∞)，相对介电常数ε_i仅为ε_i＝2.8。从上述A(ω)得式可以看出，冰与水电阻率与介电常数的悬殊差别决定了RC电路的幅频特性A(ω)相差很大，由此判定冰层厚度，具有较高的稳定性与灵敏性。(2)当本发明传感器的电极测头被水体覆盖时，u_out的输出取决于水介质的介电常数ε_w和电阻率ρ_w的变化。在结冰过程中，由于冰槽内的水体是静止的，且冰层几乎不含杂质，故随着结冰过程的进行，静止水体的浓度逐渐加大，水介质的介电常数ε_w和电阻率ρ_w均发生变化。试验表明，对于实际使用的空调水而言，随着结冰过程的进行，水体的介电常数ε_w逐渐增大，电阻率ρ_w逐渐增大，电导率逐渐减小。故该传感器电极测头间的电容值与漏电电阻R_w的阻值均增大，A_w(ω)逐渐减小。而在融冰过程中，冰槽水体处于流动状态，大量的空调水从空调末端返回且与蓄冰槽内水体混合，故介电常数ε_w和电阻率ρ_w变化不大，采样电阻的输出电压u_out也只有微小变化。但上述结冰与融冰过程中，u_out与电路的输入电压u_in为同一数量级。(3)对于本发明传感器，当电极测头被冰全部覆盖时，R_i→∞，C_i＜＜C_w，由A(ω)得式知

$A_i\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\sqrt{\frac{[(R/R_i)(1+R/R_i)+{\left(\mathrm{\&omega;R}{C}_i\right)}^2{]}^2+{\left(\mathrm{\&omega;}{\mathrm{RC}}_i\right)}^2}{{(1+R/R_i)}^2+{\left(\mathrm{\&omega;}{\mathrm{RC}}_i\right)}^2}}=\frac{2\mathrm{\&pi;f}{\mathrm{RC}}_i}{\sqrt{1+{\left(2\mathrm{\&pi;f}{\mathrm{RC}}_i\right)}^2}}<<A_w\left(\mathrm{\&omega;}\right)\&RightArrow;0$

此时采样电阻R上的输出电压u_out非常小，故合理给定幅频特性的阈值A₀，即可判定传感器测头是否被冰层覆盖。当A(ω)≥A₀时，标志传感器测头部位为水体，此时变送器输出“0”；反之，当A(ω)＜A₀时，标志传感器测头部位被冰层覆盖，变送器输出“1”。从而根据电极测头所在设定位置，即可得知蓄冰槽中冰层的厚度。

由于本发明传感器采用开关量输出，当某一电极测头被冰覆盖后，变送器就输出该电极测头处冰层的厚度δ_n(但要取决于电极测头的结构)，同时变送器中的单片机记录此时刻τ_n，在两个相邻电极测头之间的冰层厚度δ_τ，则通过上一冰层厚度的增长速度，进行预测。故在电极测头处，可以精确地测量处冰层厚度δ_n，而在电极测头之间，则通过结冰速率估测其冰层厚度，二者动态地有机结合，可以实现较高精度的冰层厚度测量结果。即：

(当第n对电极测头被冰覆盖时)

(当第n-1对电极测头被冰覆盖，但第n对

电极尚未覆盖时)其中，δ_n-1为精确测量项， $\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{n-1}-{\mathrm{\&delta;}}_{n-2}}{{\mathrm{\&tau;}}_{n-1}-{\mathrm{\&tau;}}_{n-2}}(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}_{n-1})$ 为动态预测项，单位mm；

n，n-1，n-2：表示测量电极位置；

τ_n，τ_n-1，τ_n-2：表示冰层覆盖n，n-1，n-2电极所经过的时刻，s。

由此可见，在本发明传感器使用过程中，将已经被冰覆盖的电极测点记录后，再记录出所经过的时间，就能较好地测量出冰层的厚度。

本发明传感器不仅可以应用到闭式蓄冰槽中，而且对于外融式冰板、冰盘管等各型蓄冰器均适用，具有良好应用价值。

Claims (4)

1.一种适用于闭式与开式外融冰蓄冰系统的阻容式含冰率传感器，它是由设置在蓄冰槽内部冰盘管上的测量电极(A)与设置在蓄冰槽外部的变送器(B)两部分构成，所述变送器(B)包括高频交流电源和输出电压检测以及A/D转换电路；其特征在于，所述测量电极(A)是由固定板(1)、基板(2)、多对电极测头(3)和接线端子(4)组成，固定板(1)设为可与冰盘管直接嵌装相匹配的形状，基板(2)与固定板(1)连接，基板(2)上设置多对电极测头(3)，各电极测头(3)通过连线与设置在基板(2)上端的接线端子(4)连接，接线端子(4)通过屏蔽电缆引线(5)与变送器(B)连接。

2.按照权利要求1所述的阻容式含冰率传感器，其特征在于：所述多对电极测头(3)为十对，每对电极测头(3)平行布置，各对电极测头(3)均布竖列。

3.按照权利要求2所述的阻容式含冰率传感器，其特征在于：所述各电极测头(3)的截面为圆形、矩形或者其它形状。

4.按照权利要求1、2或3所述的阻容式含冰率传感器，其特征在于：所述高频交流电源的输入电压有效值为2.5V、输入电压频率为650HZ；各电极测头(3)的电阻值为10KΩ。

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