（热能工程专业论文）平衡环境型房间量热计系统升级及提高测量精度的研究.pdf

北京工业大学：e 掌硕士学位论文 p a r a m e t e rt oc o o l i n gc a p a c j t ym e a s u r e m e n tw e r ea n a l y z e d t h em e a s u r e m e n tr e l a t i v e u n c e n a i n t yc a l c u l a t e di so 8 6 t h e s ea r eu s a b l ef o ri m p r o v e m e t so na c c u r a c yi n m e a s u r i n gc o o l j gc a p a c i t yw j t ht y p i c a la m b i e n tc a l o r i m e t e f t h ei n u e n c e so ft h et e m p e r a t u r co ft h ec o o l i n gw a t e re n t e r i n gt h ec o i l si na i r h a n d l i gu i l i tf o ro u t d o o rs i d ec o m p a n m e n ta n dt h ee n e 唱yw i t ht l l ei c a k e da i ro nt h e m e a s u r e da c c u r a c yo fn o m a lc o o l i n gc a p a c i t yo fr o o ma i rc o d i t i o n e rw e r e a i l a l y z e d s “e r a lm o r er e a s o n a b l ew a y st om e a s u r ew e r ep u tf b n v a r db a s e do nt h e a b o v ea n a l y s i s ，柚dt 1 1 er e s u l t sd e m o n s 仃a t et h a lt h ea c c u m c yo fc o o l i n gc a p a d t y0 f w i n d o w 呻ea i rc o n d i t i o n c rc a i ib er e m 破a b l yi m p r o v e db ya d d i n gt 量l ee e 培yw i t h t h el e a k e da i fw h e nm e a s u r e dw i t ht h ec a l o 矗m e t e lf i n a l l y ，h ep f o b l e m so fe t l t e m p e m t u r ec o n t m ls y s t e mw e r ed i s c u s s e da n dt h ec o 玎e s p o n d i n gi m p r o 、嘲n e n t s w e r ea l s od u tf o f w a r d k e yw o r d st 卯i c a lb a l a n c e d 锄b i e n tm o m ，t y p ec a l o r i m e t e r ；m e a 蛐r e m e n ta c c u r a c y i i l n p r o v e m e n t s 1 1 1 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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 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：盈杰互l 日期： 迎：上 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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) 签名：封盎纽导师签名：鱼至造 日期：瑚。， 1 1 前言 第1 章绪论 科学技术的进步推动了人类物质文化生活水平的不断提高。人们对舒适生 酒条件的渴求和高新技术产品对工作环境的要求，推动了制冷空调产业不断发 展，同时也创造了我国制冷空调产业蓬勃兴旺的发展环境。制冷空调技术以从 为生产工兰过程服务为主要目的，发展到目前服务于国民经济的各个领域从生 产车间、办公大楼、商场、交通、文化娱乐设施等场所到住宅，制冷空调产品 几乎无处不在。 随着制冷空调行业的发展，我国相继颁布出台了各类制冷空调产品的技术 标准，相应的试验技术和试验装置也得到了多数企业和研究所的重视“1 。试验 测试技术的不断完善和提高，极大地促进了产品性能的改善，推动了新产品的 开发和全行业技术的进步与繁荣。同时为质量检验部门也色u 造了良好的质量 把关条件，有效地促进了制冷空调产品质量地大幅度提高。1 。 但是目前国内空调行业大多缺少拥有先进的相关性能检测设备，除了几家 大型企事业单位从国外引进先进检测设备外，其余都还处于测试设备较差的状 态。虽然有部分公司也研发此类设备，但在功能和测试项目、精度上还有待进 一步改进“。而国外相关性能检测设备制造水平不断改进发展5 ，尤其是世界 家电最权威检测机构e t l 公司，几乎每年都在改进改型空调性能检测设备。 某检测院是国家空调器性能检测的权威部门，9 0 年代初期从e 1 m 公司引进 了平衡环境型房间量热计，经过十多年的运行，它在为行业作出贡献的同时， 系统元件也开始老化、落后，为保证其继续发挥功效，必须对其测试系统进行 优化改造。由于美方留r 的资料有限，迄今为止仍缺少对整套装置的系统认识， 所以对其进行全而的探讨与研究是势在必行的。通过分析其软硬件设计的实现， 得到量热计测试系统保证高精度测量的关键技术，并提出其存在的问题，不仅 可为该设备以后更有效的维护、改造奠定基础，还有助于提高我国平衡环境型 房问量热计的设计、制造水平。 房问量热计的设计、制造水平。 北京l 业大学工学硕士学位论文 1 。2 空调性能检测装置测试系统概述 伴随着制冷空调行业的发展，制冷空调产品的测试技术和性能检测装置也 得到迅速的发展，不同于其他产品，制冷空调产品的性能参数大都不能直接测 量，必须在人工模拟的环境工况下，在持续稳定的状态中，先测量这些参数的 某些相关物理量，再经过计算得出测量结果，而这些相关参量的测量精度和稳 定性对检测设备中的测试系统提出了很高的要求。电子技术的飞速发展，带来了 仪器仪表和计算机产业的革命，同时也使制冷空调产品性能试验装置的微机测 控技术有了飞跃的进步。测试技术的不断完善和提高，极大地促进了产品性能 的改进和质量保证，提高了新产品的开发能力和应用水平，从而推动了制冷空 调行业的技术进步和壮大繁华”1 。 空调性能检测装置测试系统的主要作用有三点4 1 “： ( 1 ) 对被控对象的物理参数进行采集、处理和记录； ( 2 ) 以数字、图表和图像的方式显示测量和处理结果； ( 3 ) 对被控对象进行控制。 主要特点是”1 ： ( 1 ) 测量和控制准确稳定采用高精度的传感器、变送器、模数转换模块和调 节控制器。可保证在测量范围内的较高的测试精度和工况的高精度控制。 ( 2 ) 工况设置和调节器操作直观方便可以在计算机上利用通讯功能任意的 控制调节器的工作状态，利用良好的软件界面使操作非常直观方便。 ( 3 ) 仪表和采集系统设置的自动恢复因偶然原因导致仪表或采集器设置紊 乱，可在软件中让其恢复正常。 ( 4 ) 先进可靠的仪表控制设备故障率小所有仪表和电器设备均采用可靠性 高，抗干扰能力强的产品，保证了部件本身的可靠性，从而也提高了系统的可 靠性。 1 2 1 测试系统的硬件组成 典型的空调性能检测装置的计算机测量控制系统结构如图1 1 所示。包括性 能检测装置、输入环节、输出环节、计算机及其外设等。输入环节包括：测量 第1 苹绪论 变换装置、a ，d 、d 】( 数字量输入) 、计数器；输出环节包括：功，a 、d o ( 数字 量输出) 、计数器、功率放大器及执行机构。测量变换装置将系统的运行状态变 换为满足a d 、d i 、计算机所需的信号范围及形式，此环节包括传感器、变送 器和信号条理电路。输入环节中的a d 、d i 、计数器将该信号变换为数字计算 机中实际运行的数字类型信号。输出环节中的d a 、d o 、计数器将计算机中的 数字类型信号变换为装置或测试过程所需的模拟类型信号、开关量信号及脉冲 频率量信号送到功率放大器及执行机构环节。执行机构将这些控制信号转化为 作用于检测装置的控制作用量，从而影响其工作过程。功率放大机构的存在是 为了使计算机输出模块送出的弱点信号能够推动相应的执行机构“2 1 “。 测 兰竺竺r + h i 变 臣寸 - 换 装 性 置 几砷 能 检功计 测 窒 困卜 算 装放机 置 大 一 臣时 器 及 执 行 机 臣至 构 图1 1 检测装置测试系统组成框图 f i g 1 1s t m c t u r ec h a r to f t e s ts y s t e mo ft e s tf a c i l i t y 计算机是测试系统的核心，主要功能是完成软件的存储和执行，它不仅按 照软件要求对被测参数进行处理，并且进行制冷量的计算。在数据采集的过程 中计算机根据设置的工况进行判稳，待系统满足工况要求并且趋稳后，将现场 中的各种测量数据采集到计算机，用来对试验进行监测“，并对各项数据进行 处理，得出试验结果。同时计算机还兼负着调节控制的功能，根据试验各工况 点参数的数据分析判断试验正常与否，并通过控制回路输出信号，驱动执行器 北京工业大学丁学硕士学位论文 以控制各种开关动作等。 1 2 2 测试系统的软件组成 测试系统的软件是整个系统的“灵魂部分”，在测试系统硬件已经确定的情 况下，如何满足系统提出的要求的重任就落在软件身上。软件整体结构是否合 理，逻辑关系是否正确，交互是否方便，功能是否齐全，系统是否可靠等都将 涉及到整个测试系统性能的好坏。当今应用于制冷空调产品性能试验装置的计 算机测试系统的软件部分通常包括系统软件和应用软件。系统软件一般是指为 充分发挥或扩充计算机硬件的效能而配置的软件，通常包括操作系统、语言加 工系统和外部设备管理系统“；应用软件是为实现测试系统全部功能所编制的， 一般包括数据采集与处理程序，监控与操作指导程序，过程控制程序，通信程 序，共用程序等。结构如表1 1 。”1 所示。 在系统软件中，最重要的是操作系统部分。以往的测试系统常常是使用d 0 s 操作系统，对于d o s 操作系统，它对设备的管理方式易于理解，对d o s 中断 的调用可以使我们保证某些程序段执行的实时性和较高的优先权。“。目前的大 部分测试软件一般以w i d o w s 为操作平台。w i n d o w s 是一个多任务的操作系统， 而且它还是一个能够占先的实时操作系统，有基于进程的多任务和基于线程的 多任务形式。 系统软件的另一重要组成部分是编程语言及应用程序开发环境。以往常见 的空调性能测试系统软件大多是在t u r b oc 或b o d a i l dc 编译环境下，使用标准 的c 语言开发设计的。现在一般采用、u 出v i e w 等软件开发工具，运用 组态软件技术来实现复杂的程序结构1 。 应用软件的一个重要组成部分是数据采集与处理程序。它完成测试软件程 序运行时的大部分工作量，即被测空调器参数的输入、实时的数据采集“、数 字滤波、动态显示、采集数据的一、二次处理、系统的性能计算等。 测试系统软件的核心部分是过程控制程序。在系统构成时，控制算法和控 制规律是反应系统性能的核心内容。操作指导部分主要是根据数据处理的结果 进行硬件的开关操作、更改某些系统参数、越限报警、进行故障分析等。“”。 4 表1 1 测试系统软件组成结构 1 a b l e1 - 1s t m c t u r eo fi e s ts y s t e ms o f 蛔a r e 操作系统 系 统 语言加工系统 编辑工具 软 编译程序 件 连接程序 外部设各管理系统 装配程序 参数输入程序 数字滤波程序 测试数据动态显示及趋势图显示程序 数据采集与处理程序 数据处理程序 性能计算程序 数据存储程序 p m 控制 闭环控制程序模糊控制 应复杂规律控制 用 过程控制程序 手动、自动切换程序 软 过程分析程序 件逻辑判断程序 操作指导程序 故障分析及操作程序 越限检查及报警程序 通信链路的建立与拆除 发送数据程序 通信程序 接受数据程序 冗余校验程序 打印程序 共用程序 系统帮助程序 1 3 国内外现状和趋势 1 3 1 我国空调性能检测装置的发展 6 0 年代初期，为了满足我国开发研制制冷压缩机的需要，机械工业部通用 机械研究所自行设计建造了我国第一套符合我国标准的制冷压缩机性能试验装 置，该装置为我国中型制冷压缩机的研制提供了大量的数据，同时也拉开了我 国自行设计建造制冷空调产品性能试验装置的序幕。 8 0 年代初期，我国的制冷空调产品种类不多，技术水平与国外发达国家差 北京1 业火学工学硕士学位论文 距较大，产品种类少，标准不多。各性能试验方法除压缩机试验装置用的方法 较为规范外，其他制冷空调产品的试验技术和试验手段因受当时经济技术条件 的限制，只能以自力更生建设的一些简易装置，采用简单的手段来进行。 到了8 0 年代中期，我国制冷空调行业的发展开始加快，兴旺的市场对制冷 空调产品提出了日渐增多的要求，各类制冷空调产品的技术标准也相继颁布出 台，相应的试验技术和试验装置也被大多数企业所重视。为了进一步完善制冷 空调产品的校验规范，提高产品性能质量，优化产品功能结构，机械工业部通 用机械研究所建造了国内第一套符合国内、国际标准的单元柜式空调器空气焓 差法试验室和平衡型房间量热计试验室，一些企业也投入资金建造了产品试验 装置。但是这些试验设备大都采用当时国产的单元组合式仪表，受精度和自动 化程度的限制，技术水平与发达国家相比只处于初级阶段。 8 0 年代后期，我国的制冷空调产品水平日益提高，品种增加，新标准出台。 由于新标准中的试验方法大都等同采用国际先进标准，依据新标准，研究单位 和企业相继自行设计建造了新的试验装置，这些装置的技术水平和所采用的测 量仪表的精度都达到了一个新高度。但同国外同类设备相比仍存在自动控制水 平低，测试结果重复性、准确性不好等缺点。为缩短与国外先进水平的差距， 提高我国制冷空调产品的试验检测水平、效率和测试准确度，一些研究所和空 调生产企业开始从国外引进较为先进的产品试验装置，如中国家用电器研究所， 青岛海尔都先后从e 1 几公司引进了房间热平衡型试验装置。这些试验装置的引 进，对后来国内测试技术的发展起到了非常积极的推动作用。“。 进入9 0 年代，空气焓值法由于具有快速、方便、投资少、测试精度满足生 产要求的优点，成为g b 厂r 7 7 2 5 1 9 9 6 房间空调器规定的常用测试方法之一， 被一些空调生产企业和研究部门广泛应用。与此同时，随着电子技术的飞速发 展，焓差法试验室的自动控制和数据采集分析从硬件到软件都有了飞跃的进步。 目前，我国的焓差法试验室无论是技术水平还是制造能力都已能与国外发达国 家相抗衡。而平衡环境型房间量热计由于测控系统复杂，投资多，没有受到太 多的重视。 1 3 2 测试系统的研究现状及趋势 最早的试验系统采用常规的模拟仪表进行测试，试验数据的处理和工况的 调节都是手工完成，不仅效率低，而且试验工况的稳定性比较差o “。随着计算 机测试技术的发展，新近建立的空调器性能试验台都采用计算机测试系统。试 验台计算机测试系统由硬件和软件两部分组成，不仅提高了试验的准确性，还 大大提高了试验效率，减轻了操作人员的劳动强度，提高了试验台的科技含量。 目前现有试验台的计算机测试系统的结构有以下几种： ( 1 ) p c 机( 上位机) 一单片机( 下位机) 较早期建立的试验台的测试系统多 采用这种结构。这种结构的优点是系统投资较少，但是结构较复杂，抗干扰能 力差，不易维护，不易扩充，而且软件采用高级语言加汇编语言设计，一次开 发工作量大，难度高，通用性差。 ( 2 ) p c 机一d d c ( 直接数字控制器) 这种结构利用p c 机友好的用户操作、 编程界面，实现试验数据的显示、打印、存储等功能，并利用d d c 专用编程语 言编制试验台的软件，将软件下载到d d c 的r a m ，由后者实现试验数据的采 集处理。这种结构的主要特点是结构紧凑、轻便灵活、便于维护，有较高的抗 干扰能力和控制精度，操作方便。新型d d c 带有通信接口，可方便与p c 机联 机，但对小型系统，d d c 的性价比低，而且d d c 专用的软件包一般都针对专 门问题设计，其数据类型和函数功能都非常有限，不易实现复杂的控制算法， 使得二次开发受到限制。 ( 3 ) 基于i p c ( 工业控制计算机) 的板卡集成系统的组成如图1 2 所示。这 种系统的板卡采用模块化设计，且为“即插即用”型。这使得系统结构更加紧 凑、灵活、维护、扩充容易”1 。软件设计可采用高级语言，编程自由、灵活， 用户界面友好，若采用先进的程序设计方法，如面向对象方法，可使软件具有 开放性、可重用( 编程效率高) 、易维护、易扩充等特点。这种结构的测控系统 近年来使用非常广泛”“。 图1 2 基于1 p c 测控系统的结构 f 逗1 - 2s t m c t l l r eo fm e a s u d n ga n dc o n t f o l j i n gs y s t e mb a s e do n 口c 在试验工况的控制策略方面，目前有手动调节和计算机自动控制两种方式。 手动调节方式所需调节时间长，而且工况的稳定性差，试验的效率相对较低， 能耗较高，此外对试验人员的操作经验有一定的要求。在自动控制学科领域内， 以p i d 控制算法为基本算法，经典控制理论以传递函数、频率特性、根轨迹法 等方法为设计手段，解决了单变量系统的反馈控制问题。而现代控制理论利用 动态规划、卡尔曼滤波理论等手段解决多变量系统的优化控制问题。试验台的 试验工况采用计算机自动控制时，普遍采用p i d 控制算法，基本能够满足控制 要求，但系统的稳定时间比较长，p i d 参数的整定工作量也很大。无论是经典 控制理论，还是现代控制理论，二者都是基于模型的，其实施有一个基本的要 求，就是必须知道被控对象的数学模型。由于试验台温度、湿度参数的相互 关联、漏熟及环境变化等不确定因素的存在，试验台的热力学模型难以精确确 定，使得试验台工况控制系统性能的提高和完善受到很大的限制。 利用近年来广为关注的模糊控制技术对试验工况进行控制，在一定程度上 改善了控制系统的性能”。与传统的控制技术相比，模糊控制技术最大特点就 是不一定要知道受控对象的数学模型，其实麓方法是利用模糊数学理论表达人 的操作控制经验，进而模仿人的操作控制经验对受控对象进行控制。因此，在 已积累了一定的人工控制经验且系统模型复杂使传统控制理论应用受到限制的 领域，模糊控制技术大行其道。但是，实旌模糊控制时，一般都有比较复杂的 模糊推理，控制的实时性受到影响。研究表明，模糊控制的稳态误差比传统的 p i d 控制要大，对试验工况控制这类精度要求较高的控制问题，其影响不能忽 略“。因此自然想到将模糊控制与p i d 控制结合使用即模糊p i d 控制。实 施模糊p i d 控制有两种方法：1 是在工况调节的初始阶段，利用模糊控制，使 ： ：况趋于稳定，此时采用p i d 控制，减少稳态误差；另一种方案是利用模糊推 第l 章绪论 理技术整定和调节p 1 d 参数，提高p i d 控制的性能。但两者的工程应用仍在探 索阶段“。 随着科学技术的发展，空调产品性能检测装置测试系统将日臻完善。开发 出通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、 人机界面友好、安装简单规范、调试方便、运行安全可靠、控制效果好、造价 低等特点的测控系统将是行业努力的方向。 1 4 主要研究内容 本文的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 分析平衡环境型房间量热计主系统配置方案； ( 2 ) 分别从硬件、软件两方面出发，探讨平衡环境型房间量热计测试系统的实 现； ( 3 ) 运用不确定度理论对测量系统精度进行分析； ( 4 ) 针对存在的问题进行优化改造。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章量热计制冷量测试原理及其主系统的设计 2 1 测试原理 根据g b ，r 7 7 2 5 2 0 0 4 房间空气调节器规定，房问空调器制冷量测试方 法主要有房间型量热计法( 又称房间热平衡法) 及空气焓值法( 又称焓差法) 。 传统的风管热平衡法己不符合国家标准要求。 空气焓值法( 又称焓差法) 是根据空调器工作在稳定状态后，采用空气取 样装置测量空调器室内机送、回风口空气的干、湿球温度以确定送、回风空气 间的焓差，同时在室内侧空调器的出风口安装测量风管，采用喷嘴或孔板流量 计测量空调器的循环风量，通过计算得出空调器制冷量或热泵制热量。它的误 差主要来源于风量的测量和空气焓值的确定，由于空气循环量不容易测准，因 而误差相对较大。 房间热平衡法就避免了对容易产生较大误差的风量和空调进、出风口的空 气干湿球温度的测量。它只需要对空气再处理装置的输入电功率、水流量、凝 结水量、水温差等项目进行测量，并且上述测量使用高准确度的电子仪表，流 量计等，因此测量结果有较高的精度。又由于g b t7 7 2 5 2 0 0 4 规定了通过同时 测量室内侧和室外侧的参数，测量结果自身有校验，从而保证了测量的可靠性 “。因此g b 厂r7 7 2 5 2 0 0 4 规定当房间型量热计法和空气焓值法两种试验结果有 异时，应以房间型量热计测试数据为准。 2 1 1 房间热平衡法 平衡环境型房间量热计是根据房间热平衡法设计的房间空调器制冷量测量 装置。测试房问用绝热隔墙分为室内侧隔室和室外侧隔室，并在其外面分别设 置温度可以控制的套间，测试时控制套间内的干球温度分别等于相对应室内、 外侧隔室的干球温度，这样可使室内外测的围护结构与环境的热交换大为减少， 进一步提高测量精度。被测空调器放在隔墙的开孔上( 窗机) 或管路通过隔墙 ( 分体式) ，室内机对应放在室内侧隔室，室外机放在室外侧隔室。两个隔室及 第2 章量热计制冷量测试原理及其主系统的设计 其套间分别装有空气再处理机组，用于模拟空调实际运行时的室内外环境条件， 相应工况见表2 1 规定”“。 用房间热平衡法测量空调器制冷量时先要使室内外隔室达到所规定的工况 条件( 主要是干、湿球温度) ，然后使被测空调器的制冷量和凝结水量( 又称除 湿量) 与室内侧隔室中再处理机组的加热量和加湿量相平衡，通过测定室内侧 隔室空气再处理机组的加热量( 包括所有风机等的有效功率) 和加湿量来确定 空调器室内侧的制冷量。与此同时，可测出空调器的输入功率。为了验证测量 结果的准确性，还需同时测量室外侧隔室同一被测空调器的制冷量，其方法是 通过室外侧隔室测量空调器冷凝器的放热量和被测空调器排入室外侧的凝结水 蒸发量。令其与室外侧隔室中空气再处理装置所需的制冷量和去湿量平衡，通 过测定空气再处理装置的制冷量、去湿量及压缩机的输入功率，得到空调器在 室外侧的制冷量。室外侧测得的制冷量主要用来校核室内侧得到的制冷量。 g b 厂r7 7 2 5 2 0 0 4 规定，按两者之间的偏差在室内侧测得制冷量的4 以内时， 测量结果为有效，测量值取室内侧所测到的。对于热泵制热量的测量参照此方 法。 表2 1 试验工况 t a b l e2 - 1t e s t i n g 啪r kc o n d i t i o n 室内侧回风状态 室外侧进风状态， 工况条件 干球温度湿球温度 干球温度 湿球温度 t 1”1 93 52 4 额定制冷 t 22 11 5”1 9 1 3 2 91 9 4 62 4 t 13 22 34 32 6 制最大运行 t 2 2 71 9 3 52 4 冷仍3 22 35 23 1 ， 】互t 12 1 行 冻结 1 r 22 11 51 0 t 32 1 最小运行2 11 5制造厂推荐的最低温度 凝露 冷凝水排除 2 72 42 7 2 4 2 1 2 数学模型 g b 厂r7 7 2 5 2 0 0 4 给出房间热平衡法测量空调器制冷量的计算公式。 北京工业大学t 学硕士学位论文 ( 1 ) 室内侧测定的空调器总制冷量按式( 2 1 ) 计算： 虹= p + 。一：矽+ 如+ 办， ( 2 - 1 ) 式中丸：室内侧测定的空调器总制冷量( w ) ； e 室内侧的总输入功率( w ) ； k ，加湿用的水或蒸汽的焓值，如试验过程中未曾向加湿器提供水， 则k 。耿再处理机组中加湿器内水温下的焓值，k 曲： ：从室内侧排到室外侧的空调器凝结水的焓值，凝结水的温度不能 实现测试时( 一般在空调器内部发生) ，可以冷凝温度代替或通常 假定等于空调器送风的湿球温度估算，( k j 佳曲： 彬空调器内的凝结水量，即为再处理机组中加湿器蒸发的水量， ( g s ) ： 沁由室外侧通过中间隔墙传到室内侧的漏热量，可根据计算确定， ( w ) ； 丸除了中间隔墙，从周围环境通过墙、地板和天花板传到室内侧的 漏热量，由标定试验确定，( w ) 。 ( 2 ) 室外侧测定的空调器总制冷量按式( 2 - 2 ) 计算： 丸2 疵一只一c + ，一z 耽+ 站+ ( 2 2 ) 式中丸。室外侧测定的空调器总制冷量( w ) ： 晚室外侧再处理机组中冷却盘管带走的热量( w ) ： 只室外侧电加热器，风机等全部设备的总输入功率( w ) - 只空调器的总输入功率( w ) ： ，室外侧再处理机组排出的凝结水在离丌量热计隔室的温度下的焓 值，( 1 j 瓜曲； 砧通过中间隔墙，从室外侧漏出的热量，当隔墙暴露在室内侧的面 第2 章量热计制冷量测试原理及其主系统的设计 积等于暴露在室外侧的面积时，站= 缸，( w ) ； 丸。室外侧向外的漏热量( 不包括中间隔墙) ，由标定试验确定，( w ) 。 2 2 主系统的设计 2 2 1 主系统结构 平衡环境型房间量热计主系统配置示意图如图2 1 所示。 ( 1 ) 量热计为一隔热房间，中间由隔墙分成室内、外侧两部分，外面还设有 温度可控的套间。其保温结构由双面钢板、中间为保温材料的库板拼接而成， 作用是阻隔室内空间与外部环境之间以及室内侧与室外侧之间的热传递，减少 冷、热量的损失，在室内外侧隔室形成相对稳定的温度场，保证试验结果的准 确性。测试时控制套间的于球温度分别等于相对应室内外侧干球温度，又可减 少室内外侧的维护结构和环境的热交换，进一步提高了测量的精度和稳定性。 ( 2 ) 空气再处理机组量热计室内、外侧隔室及其套间分别装有空气再处理机 组，以保持室内、外侧的空气循环和规定的工况条件。室内侧再处理机组包括 电加热器、加湿器、风机、空气搅拌器、冷却盘管等；室外侧再处理机组包括 电加热器、加湿器、风机、空气搅拌器、冷却盘管、干燥盘管、空气流量控制 设备等；室内、外侧套间的空气再处理机组配置相同，包括电加热器、冷却盘 管、风机等。空气再处理机组的空气处理过程采用一次回风系统型式，系统的 送风方式选择了全面孔板送风形式，使被测空调器迎风面的风速不超过o 5 m ，s ， 保证试验隔室内气流组织和温度场的均匀性和稳定性，满足标准中高控制精度 的要求。 ( 3 ) 压力平衡装置在室内侧和室外侧隔室之间的隔墙上装有压力平衡装置， 以保证量热计的室内、外侧压力平衡，并用以测量漏风量。由于两室之间气流 的流动方向可能是变化的，故采用了两套相同但安装方向相反的压力平衡装置。 测量制冷量时调节压力平衡装置，使两室之间的压力差不大于1 2 5 p a 。 ( 4 ) 加湿水量计量系统量热计隔室加湿量为一直接计算量。对于室内侧隔 室，它表征了被测空调器的除湿量；对于室外侧隔室，它是平衡计算的一个中 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 1 主系统配置示意图 f 蟾2 - 1s k e t c hm a p 0 fc a l o “m e c e rs y s t c m 间值。因此加湿水量的测量精度要求比较高。e t l 平衡环境型房间量热计采用 了容积式的水量供给、计量装置，主要由位移传感器、计量供给管路、阀门等 组成。结构见图2 2 所示。 第2 章量热训制冷量测试原理及其主系统的设计 图2 - 2 加湿水量计量系统 f i g 2 之s t e a mg e n e r a t o rw a t e rm e a s u r i n gs y s i e m ( 5 ) 平衡环境型房间量热计的室内、外侧隔室及中间隔墙上均装有热电堆格 栅，用于测量量热计和中间隔墙的漏热量。 ( 6 ) 空气温度采样系统空气温度采样系统主要包括：空气取样装置、风机、 管道、玻璃球干球温度计、玻璃球湿球温度计、铂电阻等，作用是采集室内外 侧的干湿球温度、套间的干球温度并传送给计算机。 ( 7 ) 冷冻水系统由于室外侧再处理机组冷却盘管的制冷量要参与最后计算， 所以进入量热计室外侧隔室的冷量采用水流量计法计量，即测量进入和流出隔 室的水的温差和流量来计算其制冷量。平衡环境型房间量热计专门配有冷冻水 供应系统作为系统冷源，向室外侧隔室的除湿盘管和冷却盘管提供一定温度和 流量的冷冻水，对室外侧隔室的空气进行降温及除湿处理，以满足试验工况的 有关要求。该系统主要由风冷式水冷却器( 即除湿盘管和冷却盘管) 、蒸发器压 力调节器、热汽旁路系统、水硬化系统、水流量计、铂电阻温度计等组成。 ( 8 1 测试系统测试系统为用户提供一个方便的测量控制操作平台，它由各种 控制仪表、传感器、变送器、计算机、开关、指示器等组成。控制仪表精确的 反应当前的运行状态，如电压、电流大小，温度、湿度高低，有无非正常信号 北京工业大学工学硕十学位论文 等；并可对当前的工作状态进行调整，如改变温度、湿度等。传感器、变送器 将采集到的信号传送到控制台处理。计算机将一段时间内的试验情况进行保存， 可随时查看某个试验并将其数据调出。开关、指示器可对系统元件进行开关控 制，给出开关信号，进行状态和报警指示等。 2 2 2 关键技术 2 2 21 磁致伸缩位移传感器 磁致伸缩位移传感器用来测量量热计室内、外侧隔室加湿器消耗的加湿水 量。它是带模拟输出的磁致伸缩线性位移传感器( m a g n e t os t r i c t i o nd i s p l a c e m e n t t m n s d u c e r l 。它可提供绝对位置输出，并以直流电压显示。由于传感器内置一个 1 6 位的d a 转换器，因此输出值十分精确和快速。同时因为位置与速度值都是 在传感器内置电子先作处理，所以可直接输出至控制器，从而省却了不必要的 放大器接口。 1 1 5 v 直流电 输入输出 图2 - 3 线性位移传感器系统 f i g 2 - 3 “n e a rd i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e rs y s t e m 磁致伸缩线性位移传感器结构如图2 3 所示。它利用两个不同磁场相交产生 一个应变脉冲信号，然后计算这个信号被探测所需的时间周期，便能换算出准 确的位置。这两个磁场一个来自在传感器外面的活动磁铁，另一个则源自传感 器内波导管( w a v eg u i d e ) 的电流脉冲，而这个电流脉冲其实是由传感器头的固有 电子部件所产生的。当两个磁场相交时，所产生的一个应变脉冲( s t r a i np u l s e ) 会以声音的固定速度运行回电子部件的感测线圈。从产生电流脉冲的一刻到测 第2 章量热计制冷量测试原理及其主系统的设计 回应变脉冲所需要的时间周期乘以这个固定速度，我们便能准确的算出磁铁位 置的变动。这个过程是连续不断的，所以每当活动磁铁被带动时，新的位置很 快就会被感测出来。 传感器系统的最大量程为9 m ，测量精度0 0 5 m m ，重复性高达o 0 0 2 5 m m ， 满足g b 厂r7 7 2 5 2 0 0 4 对加湿水量测量在1 0 0 l l i l m 之内最大误差为2 m m 的要求。由于 其输出信号是一个真正的绝对位置输出，所以不存在信号漂移或变值的情况，即 使电源中断重接也不会对数据接收构成问题。因此，不像其它位移传感器一样需 要定期重新调整零位，且维护方便。此外，由于它采用了非接触测量方式，减少 了由于磨擦、磨损等原因造成的损坏，因此延长了使用寿命。 2 2 2 2 工况控制策略 平衡环境型房间量热计除采用计算机自动控制外，还可采用气动控制方式， 通过一台空气压缩机提供4 8 公斤的压缩空气，来控制气动阀门的工作。 套间的温度控制，e t l 量热计室内、外侧采用了相同的方法，即各配一3 h p 的水冷机组，蒸发器在处理机内直接蒸发制冷。再配上电加热器以控制套间干球 温度，对湿度则不控制。 室内侧的工况采用一套2 h p 的水冷机组( 蒸发器分为两组) 并配以电加热器、 加湿器来控制。由于被测样机本身在室内侧是制冷、除湿，再处理机组蒸发器的 换热量不直接参与最后制冷量的计算，所以采用了直接蒸发式制冷。为了提高控 制精度，室内侧温度的控制采取粗调和微调相结合的方式。即将电加热器分为6 组，其中两组采用可控硅电压器微调，另外几组直接投入。组与组之间的加热要 有一定的重叠，用以保证加热调节的连续性，避免微调加热器工作在下限或上限 附近。开始由开关量控制，采用以被测空调器额定制冷量除以1 5 0 0 取整的方法得 到应开加热器、加湿器的数目，且保证至少各开一台加热器和加湿器，当开关量 控制接近给定值时再投入p m 模型微调，实际可获得的干球温度误差优于o 3 。 室外侧工况的控制则不同。被测样机在室外侧放热，需要采用冷却盘管来平 衡工况，即再处理机组中冷却盘管的制冷量要参与最后的计算，所以不能采用蒸 发器直接蒸发式制冷，而只能采用冷冻水，通过测定其流量及进出口盘管的温度 来计算制冷量。但冷却盘管使热空气凝露，导致空气含湿量减小，所以需要相应 加湿。再处理机组中配有加湿器，e t l 采用了以被测空调器额定制冷量除以2 0 0 0 。 北京一业大学工学硕士学位论文 取整的方法得到应开加湿器的数目，且保证至少各开一台加湿器。之后，加湿量 固定不变，依据大焓差、小风量可提高除湿量的原理，通过空气调节阀、电磁阀 等调节进入除湿、冷却盘管的循环风量，来达到调节除湿量，稳定湿球温度的目 的。气动控制如图2 4 所示。室外侧干球温度则采用以额定制冷量除以2 0 0 0 取整 的方法得到应开加热器的数目，且保证至少各开一台加热器，通过开关量控制固 定电加热器投入数目的方法来控制。 去膨胀永柑室外侧 图2 4 室外侧隔室气动控制图 f i g 2 - 4p n e u m a t i cp o w e rc o n t r o ls c h e m a t i co fo u t d o o r s i d ec o m p a n i n e n t 总之，工况总的控制思路是：对于任一调节对象，在有多项因素对其有影 响的情况下，应在保证其它各项稳定不变的前提下，只调节其中一项，从而避 免系统控制的紊乱和振荡，保证控制精度。 2 2 3e t l 主系统的优化改进 ( 1 1 e t l 平衡环境型房间量热计室内、外侧套间各配有一台3 h p 的水冷机组， 套间的干球温度就是通过调节进入其冷凝器的冷却水量来控制，若不能满足要 求则采用电加热器来进行进一步调节。 这种温度调节方法对温度的均匀分布产生了很大影响，温度设计精度难于满 足要求。所以，建议选用最新的数码涡旋压缩机取代现在的活塞式压缩机。数 码涡旋压缩机最突出的特点是利用“轴向柔性”密封技术。这一技术使压缩机 第2 章量热计制冷量测试原理及其主系统的设计 固定的涡旋盘沿轴向可以有少量的移动，确保涡旋盘始终以最佳的力进行工作。 该力使得两个涡旋盘在任何运行环境下紧密结合在一起，保证涡旋压缩机有很 高的能效比“。 数码涡旋压缩机变容量机械结构如图2 5 所示，其实现容量调节的过程如下： 安装于顶部定涡旋盘处的活塞确保当活塞向上移动时，顶部涡旋盘也随之向上移 动。在活塞的顶部有一个容量调节腔，它通过一个o 6 m m 直径的排气孔和排气压 力相连。压缩机外部接有一电磁阀，称为p w m 阀，它将容量调节腔和吸气侧压 力相连。当p w m 电磁阀处于常闭位置时，活塞上下侧的压力为排气压力，一弹 簧力确保两个涡旋盘共同加载，容量调节腔具有排气压力和弹簧压力，确保两个 涡旋盘处于“负载状态”。“负载状态”就象普通涡旋压缩机运行时的状态，其 容量为1 0 0 。当电磁阀通电后，容量调节腔内的排气被释放至低压吸气管。这 使得活塞向上移动，从而使得顶部涡旋盘也随之向上移动。该动作分隔开两涡旋 盘，导致无制冷剂质量流量通过涡旋盘，即“卸载状态”。数码涡旋压缩机处于 “卸载状态”，其容量为0 。再次让外部电磁阀断电，使得压缩机又负载，处 于1 0 0 负荷状态。数码涡旋压缩机通过p w m 阀的开启和关闭，不断变换顶部涡 旋盘的升起和啮合，实现压缩机的容量调节。 图2 5 数码涡旋压缩机变容量机械结构” f 噜2 - 5m o d u l a l i o nm e c h a n i s n ls t n l c t u r eo fd i g i t a ls c r o l lc o m p r e s s o r 与变频器系统相比，数码涡旋有许多优点： 数码涡旋系统的变容量范围最宽，达1 0 一1 0 0 。变频器系统的变容量范围 经常以压缩机的频率范围指示，一般为4 0 1 2 0 赫兹。在变换到系统中后，变容量 北京工业大学工学硕士学位论文 范围仅为5 0 1 0 0 ； 数码涡旋的除湿控制性能更好，能提供舒适的相对湿度： 数码涡旋的电子装置非常简单，因此整机生产商可更容易制造数码涡旋系 统： 数码涡旋没有电磁干扰问题： 由于数码涡旋具有更宽范围并无级的变容量输出，因此系统有更精确的室 温控制； 因为数码涡旋的整体系统结构简单得多，所以系统的可靠性提高； ( 2 ) e t l 平衡环境型房间量热计工况控制使用的制冷系统都是单冷机组。对房 间空调器进行性能试验时，室内外侧隔室及其套间制冷系统为维持标准工况高温 运行十几个小时。普通的r 2 2 风冷机组的冷凝压力将严重超出允许压力，若选用 r 1 1 4 或r 1 4 2 b 工质的高温特种空调机，其价格太高。所以，建议选用热泵冷热水 机组取代现在的单冷冷水机组和风冷机组，使其满足平衡环境型房间量热计在各 个工况下的运行。 ( 3 ) 对温度进行测量时，e 1 阻平衡环境型房间量热计各温度测点进入稳定工 况的时间不一，影响测试时间，导致测试时间过长。所以，对平衡环境型房间 量热计的六个面做隔热处理时，可考虑把隔热层都直接做在量热计的内侧面。 本章小结 本章简单介绍了房间空调器制冷量测试的两种方法，指出房间热平衡法较 之焓差法具有测量精度高的优点。详细阐述了平衡环境型房间量热计制冷量测 试原理，为以后研究其测试系统建立了理论依据。 分析了平衡环境型房间量热计的主系统配置及保证高精度工况控制的策 略：主系统设计中采用磁致伸缩位移传感器作为室内、外侧隔室加湿水量的计 量装置，不仅可以提高水量测量精度，而且还便于维护；工况控制的关键是室 外侧隔室湿球温度的控制，其依据大焓差、小风量可提高除湿量的原理，通过 空气调节阀、电磁阀等调节进入除湿、冷却盘管的循环风量，来保证控制精度。 对主系统设计中存在的问题提出了优化改进。 3 1 概述 第3 章量热计测试系统的实现 平衡环境型房问量热计测试系统是基于计算机和必要的板卡等外围设备， 完成试验工况的调节以及试验数据采集处理的计算机系统，其设计的好坏对量 热计测量精度起着至关重要的作用。系统的硬件部分由核心部件计算机，温度、 湿度、压力、功率传感器及变送器，必要的输入、输出板卡，执行机构，显示 打印等外围设备组成。这些设备构成两个数据通道：从传感器、变送器到计算 机的数据输入通道，以及从计算机到各类执行机构的数据输出通道。前一通道 完成被测空调器在不同试验t 况下的性能测量，后一通道控制各类执行机构执 行有关控制指令，调节和稳定试验工况。软件部分则要求针对不同的试验项目， 与外围设备、用户进行一系列的交互，接受用户的有关信息，实现特定工况的 调节算法，完成试验数据的处理等工作。 量热计测试系统具各以下三方面基本功能： ( 1 ) 采集与处理功能主要是对测试过程的参数进行检测、采集和必要的预处 理，并以一定的形式输出，如屏幕显示和打印制表，为工作人员提供详实的数 据，以便于进一步分析、监视测试过程的进行。 r 2 1 监测功能将检测的实时数据、人工输入的数据等信息进行分析、归纳、 整理、计算等二次处理，并制成历史数据加以存储。根据需要及测试进行情况 进行工况分析、故障诊断，并以图、文、声的形式及时做出反映，以进行操作 指导、事故报警。监测系统的输出不直接作用于测试过程，它是经过操作人员 的判断后由操作人员对其进行干预。 f 3 ) 控制功能在检测的基础上进行信息加工，根据事先制定的控制策略形成 控制输出，直接作用r 测试过柙。 控制输出，直接作用于测试过程。 第3 章量热计测试系统的实现 3 2 测试系统的硬件设计 3 2 1 硬件构成 测试系统采用计算机作为主控制器进行数据采集与处理。首先，通过各类 传感器和变换器自动获取有关部位的参数，转换为所要求的模拟信号，然后， 将这些模拟电信号通过信号转换前置处理，送入数字采集器得到对应各物理量 的数字信号，、计算机采集这些数字信号并加以处理后按不同情况输出显示，同 时分析指定的参数与设定值比较，输出各项模拟量及数字量进行工况的粗调， 再由冷冻水流量计和l e f 表