（土木工程专业论文）应用于建筑节能的测量与监控系统.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 匕塞王些丕堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：熟日期：划 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j g 宝王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢趣导师曲签姊： ! ， ；、07 j 积i 七 摘要 随着全球能源需求量的日益增大，以及不可再生能源的日渐枯竭，节约能源 已经是势在必行。建筑能耗在总能源消耗中占有很大的比例，因此建筑节能的潜 力巨大，加紧节能检测的技术的提高，促进节能的监测能力，使建筑节能有据可 循，对建筑节能意义重大。 本文详细介绍了自主研发的应用于建筑节能的监控系统，其中有无线温度、 湿度测量系统，该系统结合了无线通信技术，研发的无线温湿度监控系统。它能 针对湿空气的状态参数，分别测量湿空气的温度和相对湿度两个基本参数。根据 不同的需要可以采用数字式或热电阻式温度测量仪器，以及数字式的湿度测量。 文中介绍了该系统各个部分的硬件构成和软件编写。 同时还有针对建筑内用电器的耗电量，研发的电量测量仪器，建筑物中的电 量消耗一直都是困扰着人们，电器测量仪器的出现，能够使人们对日常生活中常 用用电器的耗电情况有一目了然。该电量测量还具有大容量的单机数据储存功 能，可以保存大量数据，以及相应的计算机软件，数据可以通过数据线读取出， 再在计算机软件中处理。 最后通过了一次在实际的环境中测量，得出了一些与仪器和节能潜力相关的 结论。 关键词： 建筑节能；节能检测；温湿度测量；电量测量 北京工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gg l o b a le n e r g yd e m a n da n dt h eg r a d u a ld e p l e t i o no fn o n - r e n e w a b l e e n e r g y ，e n e r g yc o n s e r v a t i o ni si m p e r a t i v e b u i l d i n ge n e r g ya c c o u n t sf o ral a r g ep a r t i nt h et o t a le n e r g yc o n s u m p t i o n ，s oi th a sg r e a tp o t e n t i a lf o re n e r g ye f f i c i e n c yi n b u i l d i n g s i ts e e m ss i g n i f i c a n tf o ri m p r o v i n ge n e r g yc o n s e r v a t i o nt e s tt e c h n o l o g i e s ， a l s o f o rt h ea d v a n c eo fm o n i t o r i n ga b i l i t yf o ri t ，w h i c hh e l pu st og ob yf o rt h e b u i l d i n ge n e r g yc o n s e r v a t i o n t h ep a p e rd e s c r i b e sas e l f - d e v e l o p e ds u r v e i l l a n c es y s t e m su s e di nb u i l d i n g e n e r g ye f f i c i e n c y w ea l s oc o m b i n e di tw i t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，a n dd e v e l o p e d w i r e l e s st e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o n t r o ls y s t e m t h i ss y s t e mc a nr e s p e c t i v e l y m e a s u r et h ep a r a m e t e r sf o rt e m p e r a t u r ea n dr e l a t i v eh u m i d i t ya c c o r d i n gt ot h es t a t e p a r a m e t e r s f o rt h ew e ta i r i tc a l la d o p td i g i t a lo rar e s i s t a n c et e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t ，a n dad i g i t a lm e a s u r e m e n to fh u m i d i t ya c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tn e e d s t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n to f v a r i o u sp a r t so ft h i ss y s t e m a l s o ，f o rt h e e l e c t r i c a lc o n s u m p t i o no fa p p l i a n c e si nb u i l d i n g s ，w eh a v e d e v e l o p e da ne l e c t r i c i t ym e a s u r i n gi n s t r u m e n t s t h ep o w e rc o n s u m p t i o no f ab u i l d i n g a l w a y sh a sp l a g u e dp e o p l e t h ee m e r g e n c eo fe l e c t r i c a lm e a s u r i n gi n s t r u m e n t s e n a b l e sp e o p l et oh a v eac l e a rv i e wo ft h ec o n s u m p t i o no ft h eh o m ea p p l i a n c e s i ta l s o h a sc a p a b i l i t i e si nl a r g e c a p a c i t ys t a n d a l o n ed a t as t o r a g e i tc a ns a v el a r g ea m o u n t s o fd a t a , a n dt h e nr e a do u tt h r o u g ht h ed a t al i n e s f i n a l l y ，t h r o u g ham e a s u r e m e n tp r a c t i c e i n a c t u a le n v i r o n m e n t ，w eo b t a i n e d s o m ec o n c l u s i o n si ne n e r g ys a v i n gp o t e n t i a la n dt h ei n s t r u m e n t k e yw o r d s ：e n e r g ye f f i c i e n c yi nb u i l d i n g s ；e n e r g ys a v i n gt e s t ；t e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t ym e a s u r e m e n t ；e l e c t r i cp o w e rm e a s u r e m e n t i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i 】： 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 建筑节能的意义2 1 ：3 应用于建筑节能的监测技术研究意义3 1 4 监测技术的国内外研究现状4 第2 章应用于建筑节能监测的检测仪器6 2 1 筑节能检测基本参数及仪器6 2 1 1 温度参数检测方法6 2 1 2 湿度参数检测方法8 2 1 3 电量检测方法9 2 2 检测仪器的组成及性能要求9 2 2 1 检测仪器的组成9 2 2 2 检测仪器的性能要求1 0 第3 章无线温湿度监控系统1 1 3 1 前言1 l 3 2 无线温湿度监控系统的组成11 3 2 1 数字式温度测量1 3 3 2 2 铂电阻温度测量15 3 2 3 湿度测量2 0 3 2 4 接收子站2 3 3 2 5 无线温湿度测量系统软件2 4 3 3 无线温湿度监控系统组网2 6 3 4 无线温湿度监控系统的性能参数2 8 第4 章智能电量测量仪器2 9 4 1 已知智能电量测量产品2 9 4 2 智能电量测量的硬件组成3 0 4 2 1 智能电量测量供电电源3 0 4 2 2 智能电量测量的测量机构3 1 北京工业大学硕士学位论文 4 2 3 智能电量测量的主处理器3 2 4 2 4 智能电量测量的附属时钟电路3 4 4 2 5 智能电量测量的存储3 5 4 2 6 智能电量测量的显示3 6 4 2 7 智能电量测量的通讯3 7 4 3 智能电量测量软件3 7 4 3 1 智能电量测量的主控软件3 8 4 3 2 智能电量测量的管理软件3 9 4 4 智能电量测量的制作流程4 0 4 5 智能电量测量的性能参数4 1 第5 章实验数据4 2 5 1 铂电阻温度测量4 2 5 2 数字式温度测量4 3 5 3 电量测量4 7 结论5 0 参考文献5 l 附录5 3 l 村录a 5 3 附录b 5 8 附录c 6 7 攻读硕士学位期间所发表的学术论文6 9 致谢：7 1 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 世界范围的能源需求在呈现必然的增长趋势，尤其能源的需求增长趋势发展 中国家的更是强劲。根据国际能源机构( a ) 在能源展望2 0 0 6 ) ) 一书的数据， 从2 0 0 6 年至2 0 3 0 年，全球一次能源需求量以平均每年1 6 的速度递增，其中 发展中国家有超过7 0 的一次能源需求增长，单就中国的一次能源需求增长将达 到全球一次能源需求增长3 0 的份额，总额占到了全球煤炭需求增长的3 9 ，中 国煤炭消费量已经超过美国的煤炭消费量成为全球第一煤炭消费国。2 0 3 0 年之 前，全球的能源结构仍然以化石燃料为主。能源既是经济快速发展不可缺少的物 质保障，又是造成环境污染的主要原因，能源的消耗，尤其是不可再生能源的消 耗生成大量温室气体。目前，大多数科学家认为，温室气体是造成全球气候变暖 的主要原因之一。从2 0 0 4 年至2 0 3 0 年，全球耗能相关的c 0 2 排放将增长5 5 ， 即平均每年增加排放1 7 ，其中，发展中国家的c 0 2 排放增长量将占全球c 0 2 排放增长的四分之三。目前，在京都议定书中要承担减排义务的部分国家正 逐步的实现减排目标，而中国作为最大的发展中国家，面临的c 0 2 减排国际压力 将越来越大。2 0 0 3 年全球c 0 2 排放总量中，中国占1 5 ，仅次于美国的2 3 ， 我国在国际上的c 0 2 排放大国形象也日渐突出1 2 1 。 建筑能耗是人类总能耗的重要部分，也是污染的重要来源。所谓建筑能耗， 国内外习惯上认为是使用能耗，即建筑物使用过程中用于供暖、动力、空调、照 明、通风、输送、烹饪、家用电器、给排水和热水供应等的能耗。据统计，人类 从自然界所获得的5 0 以上的物质原料用来建造各类建筑及其附属设施，这些建 筑在建造与使用过程中又消耗了全球能源的5 0 左右。参照发达国家建筑能耗占 总能耗的比例，欧盟建筑运行能耗占总能耗的4 1 左右，而且我国当前正处于快 速城镇化发展阶段，我国建筑能耗占总能耗的比例上升的趋势很明显。根据发改 委关于印发“十一五 十大重点节能工程实施意见的通知的数据，截止2 0 0 3 年底，全国城乡房屋建筑面积为3 8 3 亿平方米。城镇房屋建筑面积1 4 1 亿平方米， 其中住宅建筑面积8 9 亿平方米。每年新竣工建筑面积1 8 2 0 亿平方米。所以， 建筑节能已成为我国社会节能的重点领域之一。 根据能源展望2 0 0 6 ) ) 的数据，虽然我国人口增长率从1 9 9 0 年至2 0 0 4 年的 北京工业大学硕士学位论文 年均增长率1 o 下降到2 0 0 4 年到2 0 1 5 年的年均增长率0 6 ，虽然我国人口增 长率比一些发展中国家( 比如印度) 减缓，但是我国人口基数还是很大，而且，当 前我国正面临居民消费结构升级，城市化进程加速，经济社会发展对能源的依赖 度不断增大，到2 0 2 0 年，我国将全面进入小康社会，要实现以能源翻一番保障 g d p 翻两番的目标，面临着巨大挑战，能源短缺问题逐渐成为我国未来经济、社 会可持续发展的瓶颈1 4 l 。 我国建筑用能中十分突出的问题是能源利用效率低。与相同气候条件的西欧 或北美国家相比，中国住宅的单位采暖建筑面积要多消耗5 0 1 0 0 的能量，而 且舒适性较差。单位建筑面积能耗比气候条件接近的发达国家高2 3 倍，建筑供 暖造成的空气污染高2 5 倍。 1 2 建筑节能的意义 所谓建筑节能是指在建筑中合理使用并且地有效利用能源，不断地提高能源 利用效率，从积极的意义上说就是“提高建筑中能源利用率”。如今它的含义比字 面上的意义要丰富、深刻得多。自从1 9 7 3 年发生世界性的石油危机以来的2 0 年， 在发达国家，它的说法已经经历了三个发展阶段：起初就叫e n e r g ys a v i n gi n b u i l d i n g s ，直译为“建筑节能 ，意思是通过减少使用来节约能源；但不久即改为 e n e r g yc o n s e r v a t i o ni nb u i l d i n g s ，直译为“在建筑中保持能源”，意思是减少建筑 中有效能源的丢失；近来则普遍称为e n e r g ye f f i c i e n c yi nb u i l d i n g s ，直译为“提 高建筑中的能源利用效率 ，并且这不是从消极意义上的节省，应是从积极意义 上提高利用效率1 7 1 。在我们国家，现在虽然仍称之为建筑节能，但其含义却是指 的第三层意思，即在建筑中合理使用和有效地利用能源，不断提高使用能源的效 率。 建筑节能的范围界定国内过去较多的说法是，包括建筑材料的生产、建筑施 工和建筑物使用几个方面的能耗，这种说法，将建筑用能跨越了工业生产和民用 生活的不同领域，从而与国际上通行的统计口径不符。近来，经过仔细地研究， 大家认为，我国建筑用能的范围，应该与各发达国家取得一致，即建筑能耗应指 建筑使用能耗，其中包括采暖、空调、热水供应、炊事、照明、家用电器等方面 的能耗。在国际上，它是与工业、农业、交通运输能耗并列，属于民生能耗，一 般占全国总能耗的3 0 4 0 。由于建筑用能关系国计民生，量大面广，节约建 筑用能，是个牵涉到国家全局和人类前途，影响深远的大事情。能源是发展国民 经济、改善人民生活的重要物质基础。随着我国经济发展，人民生活水平的提高， 全国建筑能耗呈稳步上升的趋势，加大了我国能源压力，制约着国民经济的持续 第1 章绪论 发展，因此降低建筑能耗已是刻不容缓。 国家对降低建筑能耗工作非常重视，1 9 9 8 年1 月1 日起实施的中华人民共 和国节约能源法，对依法推进建筑节能工作具有重要意义。为了达到节能5 0 的目标，国家还颁布了民用建筑节能设计标准( j g j l 2 6 - - - 9 5 ) 、民用建筑热工 设计规范( g b 5 0 1 7 6 9 3 ) 、夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准 ( j g j l 3 4 _ _ 2 0 0 1 ) 。我国第一部有关公共建筑节能设计的综合性国家标准公 共建筑节能设计标准已于2 0 0 5 年7 月1 日正式实施。该标准规定开工项目不 节能不能施工，并将对相关责任单位罚款5 0 万元1 4 l 。此前不久，建设部颁布了关 于新建居住建筑严格执行节能设计标准的通知，通知要求城市新建建筑均应 严格执行建筑节能设计标准的有关强制性规定，违规单位或个人将受到重罚。 2 0 0 4 年4 月，国务院办公厅发出关于开展资源节约活动的通知，全面推进能 源、原材料、水、土地等资源的节约利用，用三年左右时间向建设资源节约型社 会迈出实质性步伐。这一系列措施预示着，我国建筑业正走向节能时代，相关的 企业为之欢呼雀跃，建筑节能市场蕴含着巨大的商机。 建筑节能是缓解我国能源紧缺矛盾、改善人们生活工作条件、减少环境污染、 促进经济可持续发展的一项最直接、最廉价的措施，也是深化经济体制改革的一 个重要组成部分。 1 3 应用于建筑节能的监测技术研究意义 当前，我国正处于房屋建筑的高峰时期，建筑速度之快，规模之大，可谓前 所未有。2 0 0 3 年，我国城乡建筑竣工面积达2 0 3 亿平方米( 其中城镇1 2 7 亿平 方米) ，超过所有发达国家年建成建筑面积的总和p i 。但令人担忧的是，在新竣工 的建筑中，节能建筑面积不到1 亿平方米，尚且不足竣工建筑总量的5 。至今， 在我国城乡既有建筑约4 0 0 亿平方米中( 其中城市约1 4 0 亿平方米) ，只有3 2 亿平方米房屋是属于节能建筑，不到全国既有建筑的1 。因此推进监测技术的 发展，促进能耗建筑向节能建筑市场广阔。 节约能源法第二十条规定：“县级以上各级人民政府管理节能工作的部门 应当组织有关部门对重点用能单位的能源利用状况进行监督检查，可以委托具有 检验测试技术条件的单位依法进行节能的检验测试 。重点用能单位节能管理办 法第七条中规定：“实施分级管理的主管经济贸易委员会履行职责之二是监督 检查重点用能单位的主要耗能设备和工艺系统能源利用状况，委托具有检验测试 资格的单位对重点用能单位进行节能的检验测试；由此可见，节能监测本身是 一项执法活动，是通过一定的监测程序开展工作，来充分体现执法工作的严肃性、 北京工业大学硕士学位论文 权威性和公正性。通过对用能单位能源利用状况的监测，来加强国家对节能的宏 观管理，促进企业降低消耗提高利用率，为企业经济可持续发展提供保证。 节能监测不但是政府促进合理使用能源的重要手段，也是企业节能降低能耗 工作的“主治医生，通过对耗能设备的监测，为企业提供设备“用能诊断分析 ， 作为企业进行节能技术改造的依据。以工业锅炉节能监测为例，锅炉的排烟温度、 排烟处空气系数、炉渣含碳量、炉体表面温度、热效率等技术参数不通过测试是 无法得到的。 总之，节能监测是通过技术监督手段，向节能管理部门提供能源使用监测情 况，为耗能单位提出节能潜力和措施，在企业节能降耗，提高经济效益上发挥着 重要作用，因此，要搞好节能工作，节能监测举足轻重。 随着城市建设的飞速发展，大型公共建筑在城市建筑中占有的比例越来越 大，成为建筑能源消耗的高密度领域。然而，针对建筑物能耗，系统的监测、诊 断、分析手段还较为缺乏，对建筑物能源系统各个环节能耗情况的认识还不够清 楚，这些因素是影响大型公共建筑节能改造的一个主要问题。 1 4 监测技术的国内外研究现状 建筑节能监控系统的研究在国外已经很普遍了。比如日本有住宅对象消费电 量的测定系统的开发i l 引。其直接针对电器、灯油、温湿度等的测定仪器，适合于 实验研究的测量。欧美一些发达国家在这方面的研究也卓有成效。设备齐全，但 是价格不菲。目前，在世界监控测量系统市场上，竞争日趋激烈。以往，监控测 量系统生产厂商主要都将监控测量系统产品的高性能作为竞争优势，厂商开发什 么，用户买什么。而今则已变成厂商努力开发用户需要的监控测量系统，并且把 更便宜、更好、更快、更易使用的监控测量系统作为奋斗目标。 尽管中国监控测量系统市场正在快速的发展着，但与国外监控测量系统生产 企业比较仍然有很大的差距。中国主要科研单位、学校以及企业等单位中使用的 高档、大型监控测量系统设备几乎全部依赖进口。同时，国外公司还占有国内中 档产品以及许多关键零部件市场6 0 以上的份额。世界监控测量系统市场对中国 的影响依然非常大。而国内对于这方面由于市场不大，需求量少等原因，开发的 大型生产厂家凤毛鳞角，就其功能而言，在国内能找到相应的仪器，但并不适合 于实验研究的测定。究其原因，主要是因为不是为实验而研发的，在很大程度上 满足不了实验的需求。 当今监控测量系统发展总体上呈现出如下趋势：1 、虚拟仪器。虚拟仪器 ( v i r t u a li n s t n m l e n t ，简称v i ) 是指以通用计算机作为核心的硬件平台，配以相应 一4 一 第l 章绪论 测试功能的硬件作为信号输入输出的接口，利用仪器软件开发平台在计算机的屏 幕上虚拟出仪器的面板和相应的功能，通过鼠标或键盘操作的仪器。虚拟仪器是 按照“信号的调理与采集数据的分析与处理一结果的输出与显示 的结构模式来 建立通用仪器硬件平台的。在这个通用仪器硬件平台上，调用不同的测试软件就 构成了不同功能的仪器。因此，虚拟仪器通常由硬件设备与接口、设备驱动软件 ( 或称仪器驱动器) 和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是以各种p c 为基础的内置功能插卡( p c d a b 、通用接口总线( g p i b ) 卡、串行接口v x i 标准总 线接口，p x i 并行总线接口现场总线接口等设备，或者是其他各种可编程的外置 测试设备；设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底 层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通信；最后以虚拟仪器面板的形式显示在 计算机屏幕上，其显示的控件与真实仪器面板操作元素对应，所以用户用鼠标或 键盘操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样。2 、网络化仪器系统。网络 化仪器系统改变了测量技术以往的面貌，依靠i n t e m e t 等网络技术，人们已经能 够有效地控制远程仪器设备，在任何地方进行采集分析、显示、控制。不久的将 来，越来越多的测试和测量仪器将融入i n t e m e t 网络。 北京工业大学硕士学位论文 第2 章应用于建筑节能监测的检测仪器 2 1 筑节能检测基本参数及仪器 发展中的中国，能源的合理节约使用不但是一个经济问题，而且己经成为重 要的战略问题。当前能源短缺，国家发展与改革委员会办公厅高新技术( 发改委 高新) ( 2 0 0 4 ) 1 2 2 4 号文中提到中央提出能源开发与节约并举，把节约放在第一位， 其中把包含建筑智能控制技术的低耗能建筑节能技术作为重点支持内容i 列。 随着我国经济发展，建筑业也得到很快发展，完美的建筑艺术和信息技术的 结合，体现了智能建筑的特征。在智能建筑中广泛采用数字信息技术、计算机网 络技术、控制技术、传感器技术等新技术构成各类子系统，利用这些智能化的监 控系统来检测设备是否处于高效节能和最佳运行状态，再做一个有效的评估。已 经成为建筑节能研究的一个趋势1 5 1 。 在建筑节能检测中，不仅要检测温度、流量、热流量、导热系数等热工的基 本参数，而且还要求能自动、连续地检测出与产品质量直接相关的物理性质参数， 同时还应检测建筑物内的能耗，以便指导建筑节能工作的不断推进i 们。 本节主要介绍温度、湿度、电量等基本参数的基本概念、检测方法及原理。 2 1 1 温度参数检测方法 温度是建筑环境中常用的参数，它是表征物体冷热程度的物理量，而物体的 冷热程度是由其内部分子热运动的激烈程度，也就是由分子的平均动能所决定。 因此严格地说温度是物体内部分子平均动能大小的标志1 7 1 。 温度的检测方法有多种，常用的有电阻式、热电偶式、p n 结型、辐射型及 石英谐振型等。它们都是基于温度变化引起其物理参数( 如电阻值，热电势等) 的变化的原理。随着测量技术的不断发展，出现了适用于高温、强磁场干扰等恶 劣环境的光纤温度传感器。下面分别予以介绍。 1 电阻温度传感器 这种传感器以电阻作为温度敏感元件，根据敏感材料不同又可分成热电阻式 和热敏电阻式，热电阻式一般用金属材料制成，如铂、铜、镍等。热敏电阻是以 半导体材料制成的陶瓷器件，如锰、镍、钴等金属的氧化物与其它化合物按不同 配比烧结而成。 第2 章应用于建筑节能监测的检测仪器 2 热电偶温度传感器 热电偶测温是基于“热电动势效应”。所谓热电动势效应是指a 、b 两种不 同的导体组成闭合回路，若两结点温度不同则在回路中产生电动势，形成热电流。 产生热电动势。 3 p n 结型及集成电路式温度传感器 半导体p n 结测温是近几年来发展起来的一种新型测温手段。众所周知， p n 结的反向电流随温度呈指数规律变化，而当正向电流不变时，其正向压降随 温度近似线性变化。现代的p n 结温度传感器都是利用正向压降进行测温。 4 辐射式温度传感器 众所周知，自然界的所有物体对辐射都具有吸收和反射的能力，辐射式温度 传感器就是利用物体的热辐射特性制成的，被测物体的辐射能被热敏元件( 如热 电偶、热敏电阻等) 吸收时可使其物理参数( 如输出电势、电阻值等) 发生变化， 利用现代测量手段检测出这种变化就可得被测温度。根据敏感原理不同，辐射 式温度传感器可分为全辐射式、红外辐射式、光电亮度式和光电比色式等，并能 实现非接触测量，可测温度高达3 0 0 0 以上。全辐射式传感器中敏感元件接受 被测物体的全部辐射能而使参数发生变化；红外辐射式传感器中敏感元件只接受 被测物体辐射能中部分波长的能量；比色式传感器是基于物体温度不同其辐射能 的光谱分布不同；而亮度测量法是通过测量物体在一定波长下单色辐射亮度来确 定温度，被测温度的微小变化就会引起单色亮度很大变化。 5 石英谐振型温度传感器 目前广泛采用的电阻式、半导体式、热电偶式温度传感器有时难以满足分辨 率及精度的要求。近来出现的石英谐振型温度传感器是将用水热和法生长的人造 石英晶体按一定角度切割而获得的性能优良的传感器。 6 光纤温度传感器 这是7 0 年代发展起来的新型传感器。它是将光源的光经光纤送入调制区， 在调制区内被测参数( 温度) 与进入调制区的光相互作用使光的光学性质( 如强 度、波长、频率等) 发生变化而成为被调制的信号光，再经光纤送入到光检测器 及解调器而获得被测参数，此种方法也适于其它参数的测量。根据传感原理不同， 光纤温度传感器可分成功能型和传输型、功能型传感器中光纤既是传光的介质又 是温度敏感元件，因此结构巧妙、简洁，但既满足传输要求又满足敏感要求的光 纤制作难度大，所以只在有特殊要求的场合使用：传输型传感器中光纤只起传递 光的作用，对温度的敏感作用由其它元件来实现，因此结构较前者复杂，但可通 过分别选择性能优良的光纤和敏感元件而达到较高的性能，现在使用和研制的光 纤传感器以传输性居多，温度敏感元件可以是热电阻、热敏电阻、热电偶等。8 0 北京工业大学硕士学位论文 年代日本松下电器公司生产的光纤温度计在1 0 - 4 0 c 间测温精度可达士o 0 5 。 2 1 2 湿度参数检测方法 湿度，表示用于表示大气环境干燥程度的物理量。在一定的温度下在一定体 积的空气里含有的水蒸汽越少，则空气越干燥；水蒸汽越多，则空气越潮湿。空 气的干湿程度叫做“湿度 。在此意义下，常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、 混合比、饱和差以及露点等物理量来表示；如果表示在湿空气中液态水分的重量 占蒸汽总重量的百分比，则称之为蒸汽的湿度。 常见的湿度测量方法有：动态法( 双压法、双温法、分流法) ，静态法( 饱 和盐法、硫酸法) ，露点法，干湿球法和电子式传感器法。下面分别对它们进行 介绍。 1 静态法中的饱和盐法 静态法中的饱和盐法是湿度测量中最常见的方法，简单易行。但饱和盐法对 液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的稳定要求较高。用起来要求等很长时 间去平衡，低湿点要求更长。特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时，每次开启 都需要平衡6 8 小时。 2 露点法 露点法是测量湿空气达到饱和时的温度，是热力学的直接结果，准确度高， 测量范围宽。计量用的精密露点仪准确度可i g 士0 2 c 甚至更高。但用现代光一电 原理的冷镜式露点仪价格昂贵，常和标准湿度发生器配套使用。 3 双压法、双温法 双压法、双温法是基于热力学p 、v 、t 平衡原理，平衡时间较长，分流法 是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。由于采用了现代测控手段，这些设备 可以做得相当精密，却因设备复杂，昂贵，运作费时费工，主要作为标准计量之 用，其测量精度可j 邀+ 2 r h 以上。 4 干湿球法 这是1 8 世纪就发明的测湿方法。历史悠久，使用最普遍。干湿球法是一种 间接方法，它用干湿球方程换算出湿度值，而此方程是有条件的：即在湿球附近 的风速必需达到2 5 m s 以上。普通用的干湿球温度计将此条件简化了，所以其 准确度只有5 - 7 r h ，干湿球也不属于静态法，不要简单地认为只要提高两支温 度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度。 5 电子式湿度传感器法 电子式湿度传感器产品及湿度测量属于9 0 年代兴起的行业，近年来，国内 外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集 一8 一 第2 章应用于建筑节能监测的检测仪器 成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了 有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。 2 1 3 电量检测方法 家用电器耗电量的测量是个比较复杂的参数，由于耗电量是有功功率与时间 的累积量，而有功功率是指电能用于做功被消耗，它们转化为热能、光能、机械 能或化学能等，称为有功功率；又叫平均功率，交流电的瞬时功率不是一个恒定 值，功率在一个周期内的平均值叫做有功功率，它是指在电路中电阻部分所消耗 的功率，有功功率p = u i c o s 。以字母p 表示，单位瓦特。 耗电量常用的测量方法有： 1 智能集成芯片测量 由于电子技术的发展，使得电子芯片的功能越来越强大，在一块很小的集成 块上就能很容易地实现多种功能。因此电能测量芯片的出现也即大地简化了电子 设计。 2 钳形表方法 钳形表测量功率是一种常见的测量，在测量大电流时，为了保护使用者的安 全，不需要断开线路，就能测量电流的测量仪器。而由于电路中电压的变化随负 载变化范围小，小于2 。因此按照固定值来进行计算，整个仪器的误差也不会 太大。 2 2 检测仪器的组成及性能要求 2 2 1 检测仪器的组成 检测仪器的组成见图2 1 。检测仪器不论它是测量什么，都应该包括以下几 个部分： ( 1 ) 信号的变送：一般都是由相应的传感器来完成，从电气设备上检测出 那些反映设备状态的物理量，并将其转换为合适的电信号之后再传送到后续单 元，对监测信号起到观测和读数的作用。 ( 2 ) 信号的处理：对传感器传送来的信号进行适当的预处理，将信号幅度 调整到合适的电平，对混叠的干扰采用滤波器、极性鉴别器等硬件电路进行抑制， 以提高系统的信噪比。 ( 3 ) 数据采集：对经过预处理的信号进行采集、a d 转换和记录。 ( 4 ) 信号的传输：将采集到的信号传送到后续单元。 -，一 北京工业大学硕士学位论文 ( 5 ) 数据保存：对采集到的数据进行存储处理。 图2 - 1 检测仪器的组成 f i g2 - 1e o m p o s t i o no f t e s te q u i p m e n t 2 2 2 检测仪器的性能要求 1 测量范围 选择一种检测仪器首先要确定测量范围。测量范围由被测物所决定。因此在 已知被测对象的前提下，确定好仪器的测量范围。 2 测量精度 测量精度是仪器最重要的指标，每提高一个百分点，对传感器来说就是上一 个台阶，甚至是上一个档次。因为要达到不同的精度，其制造成本相差很大，售 价也相差甚远。所以在设计时一定要量体裁衣，不宜盲目追求”高、精、尖”。 以下章节将主要介绍自主研发的温度、湿度组成的无线温湿度监控系统、以 及电量测量的智能电量测量仪器。 第3 章无线温湿度监控系统 3 1 前言 第3 章无线温湿度监控系统 温度、湿度的测量方法多种多样，但本系统在吸收别人技术特点的基础上， 研发的无线温度、湿度监控系统具有以下的创新点： 1 采用无线通信解决了有线测温式技术中连接不方便的问题，不受连接线 的束缚。 2 最能反应湿空气的状态参数是温度和相对湿度，本系统采用了温度、湿 度两种探测技术结合的方法，可更好地监测房间内湿空气的状态参数变 化。 除此之外，本系统能与计算机相连接，将数据保存在计算机上。由于计算机 的存储容量大，因此数据可以很好保存，同时保存有时间和日期信息，能很好地 进行实验数据的整理和统计。 3 2 无线温湿度监控系统的组成 无线温湿度监控系统，是分别测量温度和湿度的两种测量仪器。每一套测量 仪器都是由信息采集模块、接收子站和计算机管理软件三大部分组成，下面以温 度采集为例，其温度采集系统的结构图见图3 1 所示。 图3 1 无线温度采集系统的结构图 f i g3 1w i r e l e s st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e ms t r u c t u r ec h a r t 北京工业大学硕士学位论文 信息采集模块：信息采集模块是测量机构，每个信息采集模块都是由相应的 传感器( 温度传感器或湿度传感器) 、单片机和n r f 2 4 0 1 模块组成。它负责分时 采集现场的温度或相对湿度数据，通过模数转换之后，再将采集到的数据通过 l l i 珂2 4 0l 模块进行发射。 接收子站：接收子站是将四块信息采集模块的数据统一收集在一起显示并发 送至上位机。其主要由单片机、n r f 2 4 0 1 模块和数据显示屏、以及数据接口组成， 接收子站随时准备接收数据，它是数据采集的中间站，起到连接采集点与上位机 的作用，弥补无线通信距离不足的缺点。由于每个无线通讯模块都可以设置唯一 的无线通信识别地址以及不同的频道，因此接收子站依靠地址以及频道来识别接 收下属的四个模块。 计算机管理软件：在计算机平台上运行，通过数据链路负责与连接在它上的 每个子站进行通信，收集整个系统数据，并进行处理，在计算机上显示，并存储。 计算机管理软件采用v c + + 软件编程，直接安装在中心计算机上，通过串行接口 将采集来的数据储存在计算机存储器上。上位机管理具有多个界面，将温度、湿 度的实时数据显示在窗口上，并提供其趋势图界面，以及历史温度，湿度的查看 界面，还有多种的控制按钮等。 无线通信模块：无线通信选用n r f 2 4 0 1 模块，单片机控制无线收发模块 n r f 2 4 0 1 模块进行数据无线传输，n r f 2 4 0 1 芯片是n o r d i c 公司推出的单片射频 收发器，工作于全球开放的2 4 2 5 g h z l s m 频段1 2 6 i ，芯片内置频率合成器、功 率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进 行配置。芯片能耗非常低，有多种低功率工作模式，节能设计更方便。其d u o c e i v e r t m 技术使n r f 2 4 0 1 可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。 内部具有点对多点通信协议控制，每个芯片可以通过软件设置最多4 0 b i t 地址， 只有收到本机地址时才会输出数据( 提供一个中断指示) ，编程方便。同时内置 了c r c 纠检错硬件电路和协议，无需单片机完成纠检错的运算。无线通信模块 在单片机的控制下采用单工通信方式。其中发送模块是单片机控制模块将数据发 送，而接收模块则是模块接收到数据以后传输给单片机。可使用低成本的p c b 天线。 数据链路：采用r s 4 8 5 组网，r s 4 8 5 采用半双工工作方式，这种设备网中 只允许存在一个主设备，这个主设备就是计算机，其余接收子站全部是从设备。 任何时候只能有一点处于发送状态。通过在接收子站上设置拨码开关为每个接收 子站设置网内唯一地址，通过r s 4 8 5 数据线将最多3 2 台接收子站连接。 第3 章无线温湿度监控系统 3 2 1 数字式温度测量 数字式温度测量采用电池供电，其电路图见图3 - 2 。工作模式为信息采集模 块采用测量每隔2 分钟时间采样一次，在不测量温度时，进入休眠，整个模块的 供电电流下降，最大限度地节省电量。 数字式温度传感器采用d s l 8 8 2 0 ，该数字温度计是d a l l a s 公司生产的1 一w ，即单总线器件1 2 7 1 ，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样， 适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。d s l 8 8 2 0 产品具有以下特点：( 1 ) 只要求一个端口即可实现通信。( 2 ) 在d s l 8 8 2 0 中的每个器件上都有独一无二 的序列号。( 3 ) 实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。( 4 ) 测温范围 - - 5 5 + 1 2 5 。( 5 ) 数字温度计的分辨率用户可以从9 位到1 2 位选择。( 6 ) 内部有温度上、下限告警设置。 d s l 8 8 2 0 数字温度传感器独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力， 简化了分布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为3 ov 至5 5v ，无需备用电源，测量温度范围为- - 5 5 至+ 1 2 5 。华氏相当于是一 6 7 下到2 5 7 下，在一1 0 至+ 8 5 范围内精度为士o 5 。 d s l 8 8 2 0 内部结构主要由四部分组成：6 4 位光刻r o m 、温度传感器、非挥 发的温度报警触发器t h 和t l 、配置寄存器。该装置信号线高的时候，内部电 容器储存能量通由1 线通信线路给片子供电，而且在低电平期间为片子供电直 至下一个高电平的到来重新充电。d s l 8 8 2 0 的电源从外部3 v - 5 5 v 的电压得到。 d s1 8 8 2 0 c 8 0 5i f 3 3 0 l t p f 2 4 01 p l ( h p w ru p p ll h d a t a p 2 ，0p 1 叫d r l p lh c l k l p l5p 1 ，4iic sc e 图3 2 数字式温度测量电路图 f i g3 - 2d i g i t a lt e m p e r a t u r em e 舢e m e m c i r c u i t d s l 8 8 2 0 采用一线通信接口。因为一线通信接口，必须在先完成r o m 设定， 否则记忆和控制功能将无法使用。主要首先提供以下功能命令之一：( 1 ) 读r o m ， ( 2 ) r o m 匹配，( 3 ) 搜索r o m ，( 4 ) 跳过r o m ，( 5 ) 报警检查。这些指令操作作 北京工业大学硕士学位论文 用在没有一个器件的6 4 位光刻r o m 序列号，可以在挂在一线上多个器件选定 某一个器件。 若指令成功地使d s l 8 8 2 0 完成温度测量，数据存储在d s l 8 8 2 0 的存储器。 一个控制功能