一种变风量双位调节物联网风阀及风量计算方法与流程

本发明涉及空气净化，特别涉及一种物联网风阀。

背景技术：

1、风阀是通风和空调系统中，风系统管网内用于风量分配调节的重要设备。通过调节相应管路上风阀的开度，可以实现对应管路上风量大小的控制。在一般空调系统和净化空调系统中，按照在风系统中的安装位置的不同一般可分为送风阀、回风阀和排风阀；按照驱动方式，可以分为手动调节阀和电动调节阀；按照功能类型，又可以分为定风量阀和变风量阀。

2、目前净化空调工程中，在应用风阀时主要存在下列问题。

3、第一，市场上现有的风阀结构以单阀片组为主，即风阀内只有一组调节阀片用于控制开度，这就导致风阀开度调节时其阻力变化不够线性，进而无法实现风量的准确调节，或者无法实现风量的连续区间变化。

4、第二，出于节省投入成本的考虑，工程中应用的风阀大多数是手动调节阀，风阀开度需要进入吊顶内手动调节，各个风阀的开度在完成系统风量压差平衡调试后，也就是工程结束后就固定了下来，后期空调系统运行时，想要根据实际使用工况的变化进行风量调节就很困难，需要投入额外的后期运维人员进行现场操作；而目前工程中使用的电动风阀基本上都是采用的有线控制方式，线缆的部署施工投入较大，并且通常都需要在项目现场布置控制服务器，这样项目前期投入和后期维护成本都很高。

5、第三，在变风量空调系统中，变风量风阀通常还需要具备风量测量功能。皮托管式流量传感器通过测量空气的全压和静压之差求得空气流速，其结构简单、压损小，在现有变风量阀中应用最为广泛。但是，现有皮托管式风量传感器的量程比较小(约为[3～5]：1)，通常只能满足约30％-100％额定风量的测量范围，当实际风量下限降低时，将无法保证小风量时的测量精度，这就导致这类变风量阀在应用时往往测量传输的风量与实际值存在误差，进而使得环境风量平衡和压差控制出现偏差。

6、第四，净化空调系统的运行模式大致可以分为工作模式、值班模式和消毒模式，在投入运行时从节能角度考虑，通常有工作模式和值班模式的切换需求。在模式切换时，不仅是风机运行频率的调节，还有风量分配的调节需求。但是在工作模式和值班模式时风系统各个支路的风量需求范围差别很大，目前的风阀很难在两个差别较大的风量区间内实现风量准确调节控制，进而导致模式切换难以实现。

7、综上所述，为了补足净化空调系统工程中对于风阀功能需求的短板，开发一种结构简单、风量调节和测量范围广、手动自动能够切换、控制方式灵活的综合性风阀产品十分必要。

技术实现思路

1、本发明开发一种结构简单、风量调节和测量范围广、控制方式灵活的综合性风阀产品。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

2、一种变风量双位调节物联网风阀，包括阀体，其特征在于还包括设置于所述阀体上的第一执行器、第二执行器，与所述第一执行器相连的前阀片组，与所述第二执行器相连的后阀片，所述前阀片组包括第一阀片、与所述第一阀片机械联动的第二阀片。

3、进一步的，所述第一阀片设置于阀体前端内侧上部，所述第二阀片设置于阀体前端内侧下部，第一阀片的转轴与第二阀片转轴相互平行设置且在同一平面内。

4、进一步的，所述第一阀片与第二阀片在完全关闭的情况下可以封闭整个阀体内侧截面。在完全打开的情况下，第一阀片与第二阀片均可保持与阀体上下侧壁平行。

5、进一步的，所述执行器包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、电位器、蜗杆减速箱和驱动电机。所述执行器中，第一齿轮通过紧定螺丝固定并与阀片的主动轴啮合，第二齿轮安装在电位器的转轴上，并与第一齿轮啮合。第二齿轮与第一齿轮的齿比为1:3，因此主动轴转动90度将使得电位器转动270度，以提高风阀开度测量精度。

6、进一步的，电机输出轴连接到蜗杆减速箱，实现降低转速提高扭矩的作用。蜗杆减速箱具有自锁死功能，断电时可保持转轴角度。蜗杆减速箱出轴安装有第四齿轮，第四齿轮通过第三齿轮与第一齿轮啮合传动。

7、进一步的，所述第三齿轮与执行器侧壁之间设置有弹簧复位装置，第三齿轮可通过人工按压与第一齿轮和第四齿轮脱开链接，此时前阀片组主动轴可自由转动，实现手动操作。当松开按压时，第三齿轮将在弹簧作用下恢复与第一齿轮和第四齿轮的连接，恢复电动开度控制功能。

8、进一步的，所述机械连锁包括与第一阀片相连的第一转轴、与第二阀片相连的第二转轴、设置于第一转轴与第二转轴之间的连杆机构。

9、进一步的，所述连杆包过分别与第一转轴、第二转轴固定的短杆，两端与所述短杆可转动连接的竖杆。

10、进一步的，第一执行器与第一转轴相连接，用于控制前阀片组的开度；第二执行器与第三转轴相连，用于控制后阀片的开度。两个执行器都设置在控制箱内。

11、进一步的，所述前阀片组的上下两个阀片的转轴的正上方和正下方阀体上均匀的开设对等的若干个前测压孔，所有前测压孔均通过测压支软管与一根前测压软管连接，前测压孔和前测压软管用前测压盖板包围，前测压软管接至控制箱内的控制器中的压差传感器。在后阀片转轴的正上方和正下方阀体上均匀的开设若干后测压孔，后测压孔通过测压支软管连接至一根后测压软管，后测压孔和后测压软管用后测压盖板包围，后测压软管接至控制箱内的控制器中的压差传感器。在风量变化时，通过风阀前后阀片组的平均压差即能被采集。控制器中的压差传感器接收到平均压差信号后，将其数值传递至控制器，控制器可根据实时平均压差、风阀开度信息和风阀尺寸参数计算实际风量。

12、进一步的，所述测压孔的数量为多个。

13、进一步的，所述控制器安装于控制箱内，同时两个执行器和变压器也安装在控制箱内。

14、进一步的，控制器中包括的元器件模块有主控芯片、供电模块、变压器、电机驱动模块一、角度测量模块一、电机驱动模块二、角度测量模块二、压差传感器、4g模块、wifi模块、modbus模块。

15、进一步的，所述控制器实际上为物联网板卡。风阀上的前后测压孔通过前后测压软管连接至压差传感器，实现风阀前后端平均压差的测量功能。压差传感器将平均压差信号变送为标准0-5v信号，输出给控制器(物联网板卡)。控制器上的主控芯片使用stm32f4芯片。角度测量模块一和角度测量模块二分别连接至两个执行器的电位器。角度测量模块对电位器电阻进行测量，将电阻转化为角度信息，供主控芯片做电机闭环控制。电机驱动模块一和电机驱动模块二分别连接至两个执行器的电机，电机驱动模块根据主控芯片的输出信号控制电机做正转/反转，驱动阀片旋转实现调节开度的功能。供电模块用于给控制器上的各个元件供电，同时也连接至两个执行器进行供电；供电模块与控制箱内的变压器相连，将220v的交流电输入由变压器转至24v直流，向供电模块供电。随后，供电模块将外置直流电源输出的24v直流电进行二次降压，降低至3.3v或5v供板载芯片使用，同时也将24v电源直接重新分配给执行器使用。

16、本发明的通信方法为：控制器内设置有4g模块、wifi模块和modbus模块，另外在用户端还应设置有云平台和plc控制器用于物联网风阀的控制。云平台是物联网风阀的集中远程在线监控平台，负责通过无线的方式实时接收和显示物联网风阀的运行参数，如风阀开度、压差(风量)信息；同时云平台内设置有集中控制算法，能够计算出净化空调风系统满足工况需求时的各个风阀开度信息，并将开度信息作为控制参数输送给物联网风阀，进行风阀远程控制。plc控制器是物联网风阀的集中本地控制器，负责通过有线的方式实时接收和显示物联网风阀的运行参数，如风阀开度、压差(风量)信息，同时向风阀发送运行控制参数，如风阀开度。其中，4g模块和wifi模块实现控制器与云平台的无线通信，modbus模块实现控制器与plc控制器有线通信。

17、进一步的，控制器(物联网板卡)的主控芯片选定stm32f3系列芯片，该主控芯片内置多个高精度adc，内置spi/i2c/uart等多种数据总线控制器，通过uart总线与外接无线控制器进行通信。本发明选定4g和wifi作为通信链路层，即物联网模块既可以通过wifi与控制器连接，通过控制器的信号中继与云平台进行通信，也可以直接使用4g模块与云平台实现通信。对应使用tcp/ip作为基础通信协议。另一方面，控制器中的modbus模块通过非屏蔽双绞线(modbus通讯线)与plc控制器进行有线连接。需要注意的是，本发明的三种通信和控制方式(4g/wifi/有线)不能同时启用，3种通信方式需要进行跳线选择其一。

18、此外本发明提供上述风阀风量计算方法，风量计算方法如下：

19、

20、式中，q表示风量，单位m3/s；θ1为前阀片组开度、θ2为后阀片开度，单位为°；f为风阀截面积，单位为m2；ρ为空气密度，单位为kg/m3；δp为前后平均压差，单位为pa；c为无量纲流量系数，风阀的阀体和阀片尺寸不同，c的数值也不一样，所以对于每一类风阀产品需单独实验标定c，取值范围为0.6-0.7。

21、本发明采用的技术方案中，在通过齿轮传动提高电位器测量精度的同时通过两级齿轮传动降低电机转速，增大扭矩，达到了精确控制风阀开度的目的。同时本发明设计的风阀可以在两个风量差别很大的区间内，实现风量精准调节的功能，即具备高风量调节模式和低风量调节模式两种运行调节方式。在高风量调节模式时，前阀片组和后阀片同时调整开度组合，直至满足需要调节的风量；切换到低风量调节模式时，首先后阀片组保持最大开度不变，仅调节前阀片组开度，直至风量满足设定值，此时固定前阀片组开度，此后，当风量发生变化时，仅通过调节后阀片组开度既能满足风量变化调节需求。以上两种运行调节方式，正好匹配净化空调系统的工作模式和值班模式的风量调节需求。

22、本发明提出的风阀相比于现有使用皮托管式风量传感器的风阀，相比于靠动压(全压与静压差)测量风速的皮托管式风量传感器，本发明采用压差测量的方式中，前后阀片组间的压差与流量的平方成正比，比值为阻抗值，该压差远大于空气动压，并且阀门在不同开度下具有动态的阻抗值，利用压差测量风量的信号强度和风量范围远高于皮托管式风量传感器，可以有效提高风量测量的范围和可靠性。