張玉錫

摘要：該文根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB_T17758-2010和GB_7725-2004關(guān)于用噴嘴測(cè)量風(fēng)量的規(guī)定，設(shè)計(jì)了一套能測(cè)量空調(diào)器出風(fēng)量在20m3/h-500m3/h的裝置。本裝置采用西門子公司PLC1200系列的PLC及相應(yīng)模塊采集各傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)并控制風(fēng)機(jī)和噴嘴氣缸的動(dòng)作，上位機(jī)界面應(yīng)用北京亞控科技的組態(tài)王開發(fā)，用戶可以在界面上看到各傳感器的測(cè)量值，運(yùn)動(dòng)部件的狀態(tài)及風(fēng)量的測(cè)量結(jié)果，還可以根據(jù)傳感器和風(fēng)量的校準(zhǔn)結(jié)果，修正相應(yīng)的傳感器參數(shù)值和風(fēng)嘴系數(shù)，使測(cè)量、計(jì)算數(shù)據(jù)精確可靠。

關(guān)鍵詞：空調(diào)器；風(fēng)量；噴嘴；組態(tài)王；PLC

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）02-0206-02

在空調(diào)器的設(shè)計(jì)開發(fā)和日常監(jiān)控中，空調(diào)器風(fēng)量是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)和監(jiān)控參數(shù)，也是在計(jì)算制冷、制熱性能時(shí)必須測(cè)量的一個(gè)參數(shù)。本人結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)GB_T17758-2010附錄A.6和GB_7725-2004 附錄D中的要求設(shè)計(jì)了一套采用噴嘴測(cè)量風(fēng)量的裝置，風(fēng)量測(cè)量范圍是20m3/h-500m3/h。

因標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式都是在特定的裝置下測(cè)量推導(dǎo)出來(lái)的，因此本裝置的布置形式和傳感器的安裝方式、位置都必須滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。

1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1） 噴嘴的設(shè)計(jì)：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中風(fēng)量的計(jì)算公式，首先確定采用20mm， 30mm，35mm，40mm， 40mm5個(gè)噴嘴的方式。各噴嘴按標(biāo)準(zhǔn)要求的尺寸設(shè)計(jì)如下，厚度為1.5mm，圖中為內(nèi)徑尺寸。圖中10mm處用于將噴嘴固定到隔板上。

2） 噴嘴的布置：（1）噴嘴中心之間的距離不小于較大的一個(gè)噴嘴直徑的3倍，此處設(shè)計(jì)距離為160mm。（2）噴嘴中心到外壁的距離至少是噴嘴直徑的1.5倍，設(shè)計(jì)尺寸80mm。根據(jù)以上尺寸，確定噴嘴安裝板的平面布置圖（見(jiàn)圖2）。噴嘴安裝板用厚1mm的不銹鋼板制作。噴嘴與安裝板的貼合面應(yīng)密封，并用螺釘固定。

3） 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)噴嘴安裝板的尺寸確定風(fēng)源接收室內(nèi)部為480mm*480mm的方形結(jié)構(gòu)，按設(shè)計(jì)風(fēng)量500m3/h計(jì)算，風(fēng)源接收室最大風(fēng)速約為0.61m/s，符合標(biāo)準(zhǔn)要求的接收室風(fēng)速在0.76m/s以下的要求。根據(jù)進(jìn)風(fēng)室擴(kuò)散擋板到安裝噴嘴隔板的距離至少為最大噴嘴喉徑的1.5倍，此距離設(shè)計(jì)為80mm。排風(fēng)室擴(kuò)散擋板到噴嘴端面的距離至少為最大噴嘴喉徑的2.5倍，此距離設(shè)計(jì)為120mm。

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定噴嘴到下一障礙物的距離不小于5倍噴嘴喉徑，設(shè)計(jì)時(shí)將噴嘴蓋板安裝在FESTO公司的氣缸DSN-25-250P上，噴嘴打開時(shí)噴嘴端面到蓋板的最小距離為210mm。在本裝置5個(gè)噴嘴中，中間的20mm噴嘴采用常開的方式，其余4個(gè)噴嘴根據(jù)風(fēng)量的大小由控制氣缸帶動(dòng)蓋板將噴嘴關(guān)閉或開啟。在氣缸內(nèi)部加裝磁環(huán)，在氣缸運(yùn)動(dòng)的兩端點(diǎn)加裝磁性開關(guān)，用于檢測(cè)氣缸是否運(yùn)動(dòng)到位。氣缸安裝時(shí)后部用螺紋固定，前端需加支撐，減少氣缸動(dòng)作時(shí)的晃動(dòng)。在噴嘴蓋板端面粘貼密封海綿，保證噴嘴關(guān)閉時(shí)的密封性。可以將本裝置固定在一個(gè)可以移動(dòng)的專用平臺(tái)上，便于使用。

4） 整流板的設(shè)計(jì)：標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定整流板的穿孔面積約為流道面積的40%。設(shè)計(jì)穿孔直徑為4mm，每行孔距間距離是5.5mm，兩行間孔交錯(cuò)布置。共計(jì)7525個(gè)孔。通風(fēng)面積0.094m2，本裝置整流板橫截面積0.23m2，通風(fēng)面積占整個(gè)截面積的40.8%。需在有風(fēng)機(jī)一側(cè)整流板上開4個(gè)直徑55的孔，用于噴嘴蓋板的通過(guò)。

5） 風(fēng)機(jī)的選擇：根據(jù)測(cè)量風(fēng)量的范圍，選擇額定轉(zhuǎn)速1450r，在全壓248pa下風(fēng)量為565m3/h ，功率0.55kW的離心風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口用軟管與本量裝置出風(fēng)口連接，注意連接口的密封，出風(fēng)口與大氣相同。

2 測(cè)量與控制的設(shè)計(jì)

1） 測(cè)量風(fēng)量應(yīng)用的計(jì)算公式：

單個(gè)噴嘴的體積風(fēng)量（m3/h）：qV=3600*1.414*Cd*A*（1000*Pv*Vn）

Cd噴嘴流量系數(shù)（在標(biāo)準(zhǔn)中由圖表確定，本裝置在校準(zhǔn)時(shí)確定此參數(shù)）

Pv噴嘴前后的靜壓差，單位Pa

Vn噴嘴進(jìn)口處的濕空氣比容，單位：m3/kg即：濕空氣密度的倒數(shù)。

濕空氣密度kg/m3：ρs = ρg（1+ X）

干空氣密度kg/m3 ：ρg = （P-Pw） / 0.287055/（t+273.15）

P：濕空氣壓力，kPaPw：水蒸汽分壓，kPaX：含濕量，kg/kg（干空氣）

t：干球溫度℃

水蒸汽分壓Pw kPa：Pw=φ*Ps

φ：相對(duì)濕度 RH% Ps飽和水蒸汽壓力kPa

飽和水蒸汽壓力kPalgPs=7.07406-1657.46/（t+227.02）10℃

含濕量X kg/kg（干空氣） X=0.62198Pw/（P- Pw） ；P濕空氣壓力，kPa；

Pw： 水蒸汽分壓kPa

2） 測(cè)量傳感器的選擇：

通過(guò)本裝置的布局及風(fēng)量計(jì)算公式可知，為了計(jì)算出空調(diào)器的出風(fēng)量需要測(cè)量空調(diào)器出風(fēng)口的溫度、濕度、噴嘴前后的壓力差并需要用風(fēng)源接收室與外界大氣的壓力差控制離心風(fēng)機(jī)將風(fēng)源接收室的壓力調(diào)整到與外界大氣壓力相同，同時(shí)還需要測(cè)量本裝置放置處的大氣壓。測(cè)量傳感器列表如表1。

3） 執(zhí)行部件的選擇與控制方式

標(biāo)準(zhǔn)中要求測(cè)量風(fēng)量時(shí)噴嘴喉部風(fēng)速應(yīng)在15m/s-35m/s之間，根據(jù)風(fēng)速乘噴嘴喉部面積等于風(fēng)量并結(jié)合上面的風(fēng)量計(jì)算公式推出，噴嘴前后壓差應(yīng)在150Pa-750Pa之間。這需要用噴嘴壓差傳感器控制噴嘴蓋板的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)四個(gè)噴嘴的開啟和關(guān)閉，以保證噴嘴壓差在要求范圍內(nèi)。噴嘴蓋板氣缸由2位四通電磁閥控制，電磁閥通電，噴嘴蓋板動(dòng)作將噴嘴關(guān)閉，電磁閥斷電，噴嘴被開啟。每個(gè)噴嘴蓋板氣缸上有兩個(gè)磁性開關(guān)用于顯示噴嘴的開啟和關(guān)閉狀態(tài)。在測(cè)量風(fēng)量時(shí)需要風(fēng)源接收室與外界大氣壓相同，這需要根據(jù)風(fēng)源室壓差值調(diào)整離心風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)量。風(fēng)源室差壓傳感器控制風(fēng)機(jī)電機(jī)的變頻器，由變頻器控制風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量的調(diào)整。被控制部件列表如下：

4） PLC的選擇與上位機(jī)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集使用西門子PLC1200系列的產(chǎn)品，PLC CPU模塊選用6ES7 214-1AG40-OXBO， 數(shù)字量信號(hào)輸入端口14個(gè)，輸出端口10個(gè)，用于采集4個(gè)噴嘴氣缸上磁性開關(guān)的信號(hào)并通過(guò)電磁閥控制氣缸帶動(dòng)噴嘴蓋板實(shí)現(xiàn)噴嘴的開啟和關(guān)閉。采用模擬量輸入輸出模塊6ES7 234-4HE32-0XB0采集2個(gè)壓差傳感器、1個(gè)大氣壓力傳感器和濕度傳感器的信號(hào)，并通過(guò)內(nèi)部的PID運(yùn)算通過(guò)變頻器控制離心風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)量。采用6ES7 231-5PD32-0XB0熱電阻模塊采集PT100的信號(hào)。上位機(jī)采用北京亞控科技發(fā)展有限公司的組態(tài)王軟件，在上位機(jī)電腦上裝入西門子公司的SIMATIC NET軟件，PLC通過(guò)SIMATIC NET軟件中的OPC 服務(wù)器與組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通訊。

上位機(jī)界面有測(cè)量界面、校準(zhǔn)界面和報(bào)警提醒界面。在測(cè)量界面內(nèi)顯示所有測(cè)量傳感器的數(shù)據(jù)、風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及噴嘴的開關(guān)狀態(tài)，待各數(shù)據(jù)穩(wěn)定后風(fēng)量測(cè)量值經(jīng)過(guò)計(jì)算自動(dòng)顯示在測(cè)量界面相應(yīng)的數(shù)據(jù)框內(nèi)，測(cè)量數(shù)據(jù)和各傳感器狀態(tài)都可以通過(guò)Excel表格導(dǎo)出。因各測(cè)量傳感器都需要定期由專業(yè)資質(zhì)的校準(zhǔn)計(jì)量單位進(jìn)行校準(zhǔn)，在校準(zhǔn)界面內(nèi)設(shè)計(jì)PD1、PD2、 P1、 T1、 H1 4個(gè)傳感器的校準(zhǔn)對(duì)話框，通過(guò) 應(yīng)用顯示值=K*測(cè)量值+b方式，通過(guò)高低兩點(diǎn)計(jì)量計(jì)算、調(diào)整并保存相應(yīng)的 K b值，使界面顯示和應(yīng)用值與標(biāo)準(zhǔn)值誤差在傳感器要求的范圍。5個(gè)噴嘴的噴嘴流量系數(shù)Cd可根據(jù)風(fēng)量的計(jì)量結(jié)果在校準(zhǔn)界面內(nèi)調(diào)整并保存，使本裝置測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量相符，一般Cd值在0.94-0.98之間。

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