专利名称：风机盘管冷热量智能计量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种冷热量计量装置；更具体地说，本发明涉及一种应用于空调末端(风机盘管)水系统的具有高精度电动动态流量平衡功能的冷热量智能计量装置。
背景技术：
大量的民用建筑中，暖通空调系统耗能占建筑总耗能的65％左右，如何贯彻执行节能环保、高效自然的中央空调技术，已日益引起人们的重视。为了可持续发展的需要，必须将中央空调的自动化控制、冷热量计量和水力管网平衡保持整体技术的协调性与一致性。
目前公知的用于中央空调冷热量计量的原理可以分成三大类①、时间简单累计法，目前基于这种方法的专利技术与产品很多，但是它的计量精度十分低，没有真正的温度(或温差)测量与流量测量装置，且空调系统随季节负荷变化没有任何计量修正的科学依据。当空调水管网系统不稳定，或水力不平衡时计量误差将更大，同时会造成能源的极大浪费。②、风侧温差流量积算法，这种方法以热工理论的经验公式为基础，通过测量空气侧的风量、空气侧的温湿度差来反推计算水侧的冷/热量，这种方法理念新颖，设计独特，国内已有发明专利。但仅就空气流量的测量装置价格已十分昂贵，且测量精度容易受到气流组织方式的影响。如果简单地以电压反推风量，计算误差会很大，即使在同样的电压下，空气风量也因安装方式、使用条件而影响测量精度。显然这种方法的计量精度也不高，且装置过于复杂，可靠性低、稳定性差，难以推广和普及。③、水侧温差流量积算法，这种计量方法理论上十分完善，计量精度高，运行稳定可靠，目前有很多的成熟技术和系列化的产品。基于这种原理的冷热量计量表主要由流量传感器、配对温度传感器和积算器三部分组成。按流量传感器形式的不同，这类能量表还可分为机械叶轮式、超声波式和电磁式三种型号。其中机械叶轮式热量表是通过叶轮机械的转速测量水的流量，按其内部结构由易到优又可分为单流束式、多流束式和标准机芯型多流束式三种。因为机械叶轮式热量表中有微型可动部件，所以对水介质的要求较高，通常在安装上要求配套过滤器，以防备杂质对表的损伤；但该类计量表因其测量原理和结构相对简单，价格低廉，精度一般，目前已经大量普及应用在风机盘管的小口径末端计量中，而超声波式和电磁式的小口径能量表因价格、技术等因素的制约，很少应用于风机盘管的末端计量。
根据误差理论分析，这种小口径机械叶轮式表计的测量精度主要依赖于水流量的测量精度与配对传感器的温差测量精度。其中流量测量的精度一般，且运动部件容易因损坏、堵塞而影响计量结果。水温差的测量采用普通的热电阻传感器(如普通PT500或PT1000系列的精度约为0.25℃，并不很高)并通过两路变送计算得到温差值。因热电阻传感器温度测量的一致性较差，当其中一个传感器发生上偏差、另一个传感器发生下偏差时，温差测量的相对精度将会更低，毕竟空调冷水系统的供回水温差设计计算规范只有5℃，且该类表计的安装与维护复杂。
同样地，当空调水管网系统不稳定，或水力不平衡(过流)时，方法③、②的计量误差也将增大，并容易造成能源的大量浪费。
如果在盘管水侧将电动阀、平衡阀、能量表全部安装，现场空间根本不允许，且工程造价还会大幅增加。
目前公知的还没有发现具有高精度电动动态流量平衡功能的冷热量智能计量装置。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种同时具有高精度自动流量平衡功能、电动二通阀功能与冷热量计量功能的机电一体化的风机盘管冷热量智能计量装置。
本发明为达到以上目的，是通过这样的技术方案来实现的提供一种风机盘管冷热量智能计量装置，包括智能计量表、连接电缆组、电动动态流量平衡阀、供水温度传感器、回水温度传感器；电动动态流量平衡阀、供水温度传感器、回水温度传感器分别通过连接电缆组与智能计量表相连；回水温度传感器同时与电动动态流量平衡阀相连。
电动动态流量平衡阀包括内设通道的电动阀体，对通道的开关状态进行控制的电动执行器与电动阀体相连，在通道内设置与通道相连通的流量控制阀阀体，衬套的上端与流量控制阀阀体相连通，衬套的下端与设有通孔的压紧盖相连；在流量控制阀阀体内设置阀芯，阀芯的开口端与衬套的内壁相密封地滑动连接；阀芯的侧面设有与开口端相连通的侧通道，在阀芯与压紧盖之间设置弹性装置；回水温度传感器的一端与通道相连通。
智能计量表包括通过连接电缆组与供水温度传感器相连的供水温度传感器接线端子、通过连接电缆组与回水温度传感器相连的回水温度传感器接线端子，此供水温度传感器接线端子、回水温度传感器接线端子分别与高精度温差转换电路相连；高精度温差转换电路的另一端与温差电压信号放大电路相连；水流量标定电路与水流量标定电压信号放大电路相连，多路A/D转换模块分别与温差电压信号放大电路、水流量标定电压信号放大电路、CPU模块相连；电压探测头、电压隔离与整形电路、触发器与计数器电路、CPU模块依次相连；数据存储模块、数据显示与外围电路模块、通讯数据转换模块分别与CPU模块相连；电源供电电路分别与后备锂电池、高精度温差转换电路、电压隔离与整形电路、温差电压信号放大电路、水流量标定电压信号放大电路、多路A/D转换模块、CPU模块、数据存储模块、触发器与计数器电路、数据显示与外围电路模块、通讯数据转换模块相连，后备锂电池同时与数据存储模块相连；电压探测头通过连接电缆组与电动执行器相连。
本发明的风机盘管冷热量智能计量装置，首先将开关型普通电动二通阀(此为现有技术)与自动流量平衡装置组合于一体，构成高精度的紧凑型的电动动态流量平衡阀；它既能实现阀门的开关，又能控制和平衡水流量；电动执行器用于阀体水流的通断控制。然后，本发明基于目前最成熟的“水侧温差流量积算法”原理，在电动动态流量平衡阀中再增加一套不含水流量传感器的新概念“智能计量表”，实际使用时供水温度传感器布置在供水管道上，回水温度传感器布置在安装于回水管道上的电动动态流量平衡阀中的流量平衡装置前(不影响流量的控制精度)，实现高精度电动动态流量平衡功能与冷热量计量功能的机电一体化。
本发明的风机盘管冷热量智能计量装置，所解决的技术问题是当电动动态流量平衡阀打开时，通过阀门的水流量不受外界管网压力变化而保持高精度的自动恒定，同时智能计量表开始自动的积分计算冷量或者积分计算热量。当电动动态流量平衡阀关闭时，智能计量表处于休眠模式状态，不再积算。这时候即使风机盘管处于通风模式的运行，也不会消耗冷量或热量，只消耗有单独电表计量的电能量。
本发明的风机盘管冷热量智能计量装置，实际使用时具有以下优点1、在中央空调末端水系统安装本发明的风机盘管冷热量智能计量装置后，当任意的风机盘管的电动动态流量平衡阀开启时，经过每个风机盘管的水流量自动控制到设计流量，既不过流也不欠流，从而节约能耗、降低噪声，这就是所谓的自动流量平衡功能。
2、当电动动态流量平衡阀的阀门打开时，装置同时开始自动能量积算，其中温差测量技术采用具有一致性很好的高精度半导体温度传感器，并采用专门的温差处理电路，温差的相对测量精度明显提高，优于热电阻的温差测量。
3、本发明的计量装置无需专门的测量流量传感器或装置，流量控制采用高精度机械弹簧自力式原理，这种特殊结构阀的流量控制精度与机械叶轮式能量表的流量精度相差无几。因此这种智能计量装置的能量计量总体精度并不亚于传统的机械叶轮式冷热量计量表。
4、这种一体化的流量平衡型冷热量智能计量装置的计量准确、体积小巧、操作方便、安装简单、适应性好、价格低廉、运行可靠，并避免了机械叶轮式能量表的许多缺点与不足之处。
5、利用装置自带的通讯模块进行计算机联网方便，管理简单，在节约水系统能耗、降低水系统噪声的同时实现了科学合理的空调冷热量计量。
图1是本发明的风机盘管冷热量智能计量装置的总体结构示意图；图2是图1中的智能计量表100的内部电路设计框图；图3是图1中的智能计量表100的工作程序流程简化图；图4是图1中的电动动态流量平衡阀300的剖视结构示意图。
图中相应附图标记的说明100-智能计量表、101-供水温度传感器接线端子、102-回水温度传感器接线端子、103-电压探测头、104-高精度温差转换电路、105-水流量标定电路、106-电压隔离与整形电路、107-温差电压信号放大电路、108-水流量标定电压信号放大电路、109-多路A/D转换模块、110-CPU模块、111-数据存储模块、112-触发器与计数器电路、113-数据显示与外围电路模块、114-通讯数据转换模块、115-电源供电电路、116-后备锂电池；连接电缆组200；300-电动动态流量平衡阀、301-电动阀体、302-电动执行器、303-流量控制阀阀体、304-阀芯、305-衬套、306-弹簧、307-压紧盖、308-通孔、309-通道、310-通孔、311-侧通道、312-开口端；回水温度传感器400；供水温度传感器500。
具体实施例方式
参照上述附图，对本发明的具体实施方式
进行详细说明。图1～图4结合给出了一种风机盘管冷热量智能计量装置，由智能计量表100、连接电缆组200、电动动态流量平衡阀300、回水温度传感器400、供水温度传感器500五大部分组成。
电动动态流量平衡阀300如图4所示，包括内设通道309的电动阀体301；对通道309进行开关控制的电动执行器302与电动阀体301相连，用来控制电动动态流量平衡阀300的开关操作。在通道309内设置自动流量控制器，即在通道309的进出口之间设置自动流量控制器。该自动流量控制器包括流量控制阀阀体303，控制阀阀体303通过螺纹连接或者焊接方式固定在电动阀体301的内部，且与通道309相连通。衬套305的上端与控制阀阀体303相连通，衬套305的下端与设有通孔308的压紧盖307相连接，此衬套305由不锈钢制成。在控制阀阀体303内设置阀芯304，阀芯304的下端面为开口端312，此开口端312与衬套305的内壁相对密封地滑动连接；即阀芯304的开口端312能沿着衬套305的内壁左右移动。阀芯304的侧面设有与开口端312相连通的侧通道311，此侧通道311可设置一个，也可以根据实际需要在阀芯304的侧面均匀设置若干个侧通道311；此侧通道311横截面的尺寸沿水流的方向逐渐增大，如图4所示，从左到右逐渐增大，呈逐渐放大的弧形边缘。阀芯304的上端面设有与开口端312相连通的通孔310。高精度不锈钢制成的弹簧306一端紧紧顶着阀芯304的开口端312、另一端紧紧顶着压紧盖307。在控制阀阀体303上安装回水温度传感器400，此回水温度传感器400的的一端与通道309内的水流相接触。
电动动态流量平衡阀300处于打开状态时，当管道水压达到或超过电动动态流量平衡阀的起始工作压力时，水流克服弹簧306的阻力向右推动阀芯304(此时弹簧306被压缩)，此时阀芯304侧面的侧通道311的一部分位于控制阀阀体303内、另一部分位于衬套305的内腔，因此阀芯304的通流面积将会随着管道水压的升高而逐渐减少。控制阀阀体303内的水同时通过阀芯304上端面的通孔310和侧面的部分侧通道311(指的是位于控制阀阀体303内的部分)流入阀芯304内腔，再从阀芯304的开口端312流出。
自动流量平衡的具体工作原理如下当电动动态流量平衡阀300开启时，水流作用在阀芯304上，使阀芯304与衬套305有相对运动位移s。同时在阀芯304两侧形成压降ΔP。
此时经过阀门的流量(Q)表达式Q=Cv×ΔP]]>Cv为阀门的流量系数阀芯304在动作时，侧通道311面积在改变，使其有不同的流通能力，Cv是位移s的函数，其数学表达式Cv＝Cv(s)阀芯304两端的压降ΔP作用在阀芯304上的力与弹簧306的弹力F平衡，我们采用具有线性变形特性的高精度不锈钢弹簧，弹力F是位移s(即弹簧压缩量)的线性函数，ΔP也是位移s的函数。
假设阀芯304的顶端投影面积Ap(属于常数)，初始的弹力F0，K为弹簧306的弹性模量，它们有如下关系式它们有如下关系式Q=Cv(s)×ΔP(s)]]>F＝K×s+F0＝ΔP(s)×Ap侧通道311的过流面属于圆柱面开孔(当阀芯304为圆形时)，因此总过流面面积A可以通过展开图面积表示A＝A(s)根据流体力学连续性方程和动量方程方程的一维模型简化，在流体流经阀门的阀芯304时，为了保持流量恒定，可以通过联立求解方程组得到关系式A(s)＝C1×(F0+K×s+C2)-1/2其中C1、C2、F0均为常数，K为弹簧306的弹性模量，通过阀门模数化流量时利用实验数据标定得到，具体数据可以查找模数化样本。这种过流面积的开孔在数控加工机上很容易实现。
智能计量表100的内部电路结构组成如图2所示，包括通过连接电缆组200与供水温度传感器500相连的供水温度传感器接线端子101、通过连接电缆组200与回水温度传感器400相连的回水温度传感器接线端子102，此供水温度传感器接线端子101、回水温度传感器接线端子102分别与高精度温差转换电路104相连；高精度温差转换电路104的另一端与温差电压信号放大电路107相连；水流量标定电路105与水流量标定电压信号放大电路108相连，多路A/D转换模块109分别与温差电压信号放大电路107、水流量标定电压信号放大电路108、CPU模块110相连；通过连接电缆组200与电动执行器302相连的电压探测头103、电压隔离与整形电路106、触发器与计数器电路112、CPU模块110依次相连；数据存储模块111、数据显示与外围电路模块113、通讯数据转换模块114分别与CPU模块110相连；电源供电电路115分别与后备锂电池116、高精度温差转换电路104、电压隔离与整形电路106、温差电压信号放大电路107、水流量标定电压信号放大电路108、多路A/D转换模块109、CPU模块110、数据存储模块111、触发器与计数器电路112、数据显示与外围电路模块113、通讯数据转换模块114相连，后备锂电池116同时与数据存储模块111相连；电压探测头103通过连接电缆组200与电动执行器302相连。
实际工作时，整个电动动态流量平衡阀300(含回水温度传感器400)安置于风机盘管水系统的回水管道上，用于空调盘管水流量的电动动态平衡和检测水系统经过盘管热交换后的回水温度，供水温度传感器500安置于风机盘管水系统的供水管道上，用于检测水系统的进水温度；电压探测头103与电动动态流量平衡阀300内的电动执行器302的电路相连，利用电压值来检测阀体的开关状态。水流量标定电路105根据电动动态流量平衡阀300的出厂设定流量(设计流量)进行电路标定和封装，水流量标定电路105还可便于电路部分的产品通用化制造。通讯数据转换模块114可与外围的计算机网络通讯相连。数据显示与外围电路模块113外接显示屏。
整个智能计量表100开始运行后，按照以下步骤进行工作(1)、初始化读取相关参数，包括读取前次存贮的累计流量、累计冷量、累计热量；(2)、然后进入休眠模式，由后备锂电池116给数据存储模块111供电，并同时启动数据保护程序，以安全保护和备份已经存贮的累计流量、累计冷量、累计热量等关键数据(一旦智能计量表100的电源供电电路115突然停电，也自动进入休眠模式，由后备锂电池116给数据存储模块111供电，并同时启动数据保护程序)；(3)、检测阀门电压Uv是否＞0。电动动态流量平衡阀300的开关情况通过电压探测头103传递给电压隔离与整形电路106，电压隔离与整形电路106将处理后的信号传递触发器和计数器电路112，此触发器和计数器电路112用来控制CPU模块110是否需要运行工作。当测得电压Uv＝0时，CPU模块110不工作，返回到步骤(2)；当测得电压＞0时，CPU模块110处于运行模式，进入步骤(4)；(4)、系统自检(必要是也必须启动数据保护程序，退出运行模式)；然后进入电源供电和电池智能充电的正常运行模式，退出休眠模式。即CPU模块110启动，控制电源供电电路115分别对高精度温差转换电路104、电压隔离与整形电路106、温差电压信号放大电路107、水流量标定电压信号放大电路108、多路A/D转换模块109、CPU模块110、数据存储模块111、触发器与计数器电路112、数据显示与外围电路模块113、通讯数据转换模块114供电；同时电源电路115给后备锂电池116进行智能充电；(5)、进行制冷或制热工况的模式识别，检测并计算温度、温差(当供水、回水的温差ΔT＞0时，属于制热模式)。即供水温度传感器500通过供水温度传感器接线端子101，回水温度传感器400通过回水温度传感器接线端子102，分别将测得的温度信号由高精度温差转换电路104转换处理变成标准电信号，这个标准电信号通过温差电压信号放大电路107的二次专门放大处理后，传递给多路A/D转换模块109进行模数转换；预先出厂设定制造好的电动动态流量平衡阀300的流量值经过水流量标定电路105转换处理变成标准电信号，这个标准电信号通过水流量标定电压信号放大电路108的二次专门放大处理后，也传递给多路A/D转换模块109进行模数转换；(6)、多路A/D转换模块109将上述模数转换后的数据信息传递给CPU模块110，由CPU模块110计算瞬时的冷/热功率负荷，并对时间进行数值积分，累积计算出在某一段时间内的用冷量或用热量，并分别进行不断的定时存储和刷新累计流量、累计冷量、累计热量。具体如下CPU模块110根据标定流量(设计流量)与温差的乘积、和单位的换算修正后，得到流过电动动态流量平衡阀300的供冷/热功率负荷，再对时间进行数值离散积分，得到风机盘管在某一段时间内的当前耗冷量或当前耗热量，计算出累计流量、累计冷量或累计热量(分别存贮到累计流量、累计冷量或累计热量中)。具体盘管在从t0时刻到时刻t能量积分公式如下ENFCU=∫0tCw·ρw·Qw·|ΔT|·dt]]>其中各个符号的意义表示如下ENFCU盘管在从t0时刻到时刻t能量积分累计，单位为KwH；Cw单位转换换算系数(程序给定值)；ρw冷/热水的密度(程序给定值)；Qw电动阀的标定体积流量；(外围电路标定后由计量部门强制或厂家封装，不运行最终用户自行封装)；|ΔT|供水温度、回水温度的温差测量值，取绝对值；CPU模块110在数值积分累计的同时，按一定的时间周期规律将相关数据根据需要保存在数据存储模块111中，并通过数据显示与外围电路模块113将风机盘管的冷/热功率负荷、当前冷/热量、累计流量、累计冷量或累计热量显示在显示屏上。CPU模块110还通过通讯数据转换模块114可以将通讯数据以只读方式传递给外连的计算机网络，实现数据的网络共享和网络计费。
(7)、上述工作完成后，再次进入步骤(3)，进行新一轮的积算计量。
因此在具体的计量过程中，智能计量表100始终对用户与风机盘管相连的电动动态流量平衡阀300的电压进行监测，如果电压为零，则判定用户不用冷或不用热，此时智能计量表100自动处于休眠模式状态(此时如果电源供电电路115正常，通过用户的强制设定和强制显示，可以进入无能量累计的运行模式，以便于显示屏显示和读取存贮器上的数据，若干秒钟以后又自动处于休眠模式状态)；如果电压为非零，该智能计量表100通过电源供电电路115对后备锂电池116自动智能充电，确保停电时数据信息的安全保存。
最后还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
权利要求
1.一种风机盘管冷热量智能计量装置，其特征是包括智能计量表(100)、连接电缆组(200)、电动动态流量平衡阀(300)、回水温度传感器(400)、供水温度传感器(500)；所述电动动态流量平衡阀(300)、回水温度传感器(400)、供水温度传感器(500)分别通过连接电缆组(200)与智能计量表(100)相连；所述回水温度传感器(400)同时与电动动态流量平衡阀(300)相连。
2.根据权利要求1所述的风机盘管冷热量智能计量装置，其特征是所述电动动态流量平衡阀(300)包括内设通道(309)的电动阀体(301)，对通道(309)的开关状态进行控制的电动执行器(302)与电动阀体(301)相连，在所述通道(309)内设置与通道(309)相连通的流量控制阀阀体(303)，衬套(305)的上端与所述流量控制阀阀体(303)相连通，衬套(305)的下端与设有通孔(308)的压紧盖(307)相连；在流量控制阀阀体(303)内设置阀芯(304)，阀芯(304)的开口端(312)与所述衬套(305)的内壁相密封地滑动连接；所述阀芯(304)的侧面设有与开口端(312)相连通的侧通道(311)，在所述阀芯(304)与压紧盖(307)之间设置弹性装置(306)；所述回水温度传感器(400)的一端与通道(309)相连通。
3.根据权利要求2所述的风机盘管冷热量智能计量装置，其特征是所述智能计量表(100)包括通过连接电缆组(200)与供水温度传感器(500)相连的供水温度传感器接线端子(101)、通过连接电缆组(200)与回水温度传感器(400)相连的回水温度传感器接线端子(102)，所述供水温度传感器接线端子(101)、回水温度传感器接线端子(102)分别与高精度温差转换电路(104)相连；所述高精度温差转换电路(104)的另一端与温差电压信号放大电路(107)相连；水流量标定电路(105)与水流量标定电压信号放大电路(108)相连，多路A/D转换模块(109)分别与温差电压信号放大电路(107)、水流量标定电压信号放大电路(108)、CPU模块(110)相连；电压探测头(103)、电压隔离与整形电路(106)、触发器与计数器电路(112)、CPU模块(110)依次相连；数据存储模块(111)、数据显示与外围电路模块(113)、通讯数据转换模块(114)分别与CPU模块(110)相连；电源供电电路(115)分别与后备锂电池(116)、高精度温差转换电路(104)、电压隔离与整形电路(106)、温差电压信号放大电路(107)、水流量标定电压信号放大电路(108)、多路A/D转换模块(109)、CPU模块(110)、数据存储模块(111)、触发器与计数器电路(112)、数据显示与外围电路模块(113)、通讯数据转换模块(114)相连，所述后备锂电池(116)同时与数据存储模块(111)相连；所述电压探测头(103)通过连接电缆组(200)与电动执行器(302)相连。
4.根据权利要求2所述的风机盘管冷热量智能计量装置，其特征是所述阀芯(304)的上端面设有与开口端(312)相连通的通孔(310)。
5.根据权利要求2所述的风机盘管冷热量智能计量装置，其特征是所述侧通道(311)的横截面沿水流的方向逐渐增大。
6.根据权利要求2所述的风机盘管冷热量智能计量装置，其特征是所述弹性装置(306)为高精度不锈钢弹簧(306)。
全文摘要
本发明公开了一种风机盘管冷热量智能计量装置，包括智能计量表(100)、连接电缆组(200)、电动动态流量平衡阀(300)、回水温度传感器(400)、供水温度传感器(500)；电动动态流量平衡阀(300)、回水温度传感器(400)、供水温度传感器(500)分别通过连接电缆组(200)与智能计量表(100)相连；回水温度传感器(400)同时与电动动态流量平衡阀(300)相连。本发明的风机盘管冷热量智能计量装置，同时具有高精度自动流量平衡功能、电动二通阀功能与冷热量计量功能。
文档编号G01K17/06GK1667384SQ20051004945
公开日2005年9月14日 申请日期2005年3月25日 优先权日2005年3月25日
发明者沈新荣, 郁辉球, 何建彬, 王保东, 裘业 申请人:浙江大学