基于组态王开发软件的房间空调器风量测量装置的实现

张玉锡

摘要：该文根据标准GB_T17758-2010和GB_7725-2004关于用喷嘴测量风量的规定，设计了一套能测量空调器出风量在20m3/h-500m3/h的装置。本装置采用西门子公司PLC1200系列的PLC及相应模块采集各传感器测量数据并控制风机和喷嘴气缸的动作，上位机界面应用北京亚控科技的组态王开发，用户可以在界面上看到各传感器的测量值，运动部件的状态及风量的测量结果，还可以根据传感器和风量的校准结果，修正相应的传感器参数值和风嘴系数，使测量、计算数据精确可靠。

关键词：空调器；风量；喷嘴；组态王；PLC

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）02-0206-02

在空调器的设计开发和日常监控中，空调器风量是一个重要的设计和监控参数，也是在计算制冷、制热性能时必须测量的一个参数。本人结合标准GB_T17758-2010附录A.6和GB_7725-2004 附录D中的要求设计了一套采用喷嘴测量风量的装置，风量测量范围是20m3/h-500m3/h。

因标准中的计算公式都是在特定的装置下测量推导出来的，因此本装置的布置形式和传感器的安装方式、位置都必须满足标准中的要求。

1 内部结构设计

1） 喷嘴的设计：根据标准中风量的计算公式，首先确定采用20mm， 30mm，35mm，40mm， 40mm5个喷嘴的方式。各喷嘴按标准要求的尺寸设计如下，厚度为1.5mm，图中为内径尺寸。图中10mm处用于将喷嘴固定到隔板上。

2） 喷嘴的布置：（1）喷嘴中心之间的距离不小于较大的一个喷嘴直径的3倍，此处设计距离为160mm。（2）喷嘴中心到外壁的距离至少是喷嘴直径的1.5倍，设计尺寸80mm。根据以上尺寸，确定喷嘴安装板的平面布置图（见图2）。喷嘴安装板用厚1mm的不锈钢板制作。喷嘴与安装板的贴合面应密封，并用螺钉固定。

3） 整体结构设计：根据喷嘴安装板的尺寸确定风源接收室内部为480mm*480mm的方形结构，按设计风量500m3/h计算，风源接收室最大风速约为0.61m/s，符合标准要求的接收室风速在0.76m/s以下的要求。根据进风室扩散挡板到安装喷嘴隔板的距离至少为最大喷嘴喉径的1.5倍，此距离设计为80mm。排风室扩散挡板到喷嘴端面的距离至少为最大喷嘴喉径的2.5倍，此距离设计为120mm。

标准中规定喷嘴到下一障碍物的距离不小于5倍喷嘴喉径，设计时将喷嘴盖板安装在FESTO公司的气缸DSN-25-250P上，喷嘴打开时喷嘴端面到盖板的最小距离为210mm。在本装置5个喷嘴中，中间的20mm喷嘴采用常开的方式，其余4个喷嘴根据风量的大小由控制气缸带动盖板将喷嘴关闭或开启。在气缸内部加装磁环，在气缸运动的两端点加装磁性开关，用于检测气缸是否运动到位。气缸安装时后部用螺纹固定，前端需加支撑，减少气缸动作时的晃动。在喷嘴盖板端面粘贴密封海绵，保证喷嘴关闭时的密封性。可以将本装置固定在一个可以移动的专用平台上，便于使用。

4） 整流板的设计：标准中规定整流板的穿孔面积约为流道面积的40%。设计穿孔直径为4mm，每行孔距间距离是5.5mm，两行间孔交错布置。共计7525个孔。通风面积0.094m2，本装置整流板横截面积0.23m2，通风面积占整个截面积的40.8%。需在有风机一侧整流板上开4个直径55的孔，用于喷嘴盖板的通过。

5） 风机的选择：根据测量风量的范围，选择额定转速1450r，在全压248pa下风量为565m3/h ，功率0.55kW的离心风机。风机进风口用软管与本量装置出风口连接，注意连接口的密封，出风口与大气相同。

2 测量与控制的设计

1） 测量风量应用的计算公式：

单个喷嘴的体积风量（m3/h）：qV=3600*1.414*Cd*A*（1000*Pv*Vn）

Cd喷嘴流量系数（在标准中由图表确定，本装置在校准时确定此参数）

Pv喷嘴前后的静压差，单位Pa

Vn喷嘴进口处的湿空气比容，单位：m3/kg即：湿空气密度的倒数。

湿空气密度kg/m3：ρs = ρg（1+ X）

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

P：湿空气压力，kPaPw：水蒸汽分压，kPaX：含湿量，kg/kg（干空气）

t：干球温度℃

水蒸汽分压Pw kPa：Pw=φ*Ps

φ：相对湿度 RH% Ps饱和水蒸汽压力kPa

饱和水蒸汽压力kPalgPs=7.07406-1657.46/（t+227.02）10℃

含湿量X kg/kg（干空气） X=0.62198Pw/（P- Pw） ；P湿空气压力，kPa；

Pw： 水蒸汽分压kPa

2） 测量传感器的选择：

通过本装置的布局及风量计算公式可知，为了计算出空调器的出风量需要测量空调器出风口的温度、湿度、喷嘴前后的压力差并需要用风源接收室与外界大气的压力差控制离心风机将风源接收室的压力调整到与外界大气压力相同，同时还需要测量本装置放置处的大气压。测量传感器列表如表1。

3） 执行部件的选择与控制方式

标准中要求测量风量时喷嘴喉部风速应在15m/s-35m/s之间，根据风速乘喷嘴喉部面积等于风量并结合上面的风量计算公式推出，喷嘴前后压差应在150Pa-750Pa之间。这需要用喷嘴压差传感器控制喷嘴盖板的位置来实现四个喷嘴的开启和关闭，以保证喷嘴压差在要求范围内。喷嘴盖板气缸由2位四通电磁阀控制，电磁阀通电，喷嘴盖板动作将喷嘴关闭，电磁阀断电，喷嘴被开启。每个喷嘴盖板气缸上有两个磁性开关用于显示喷嘴的开启和关闭状态。在测量风量时需要风源接收室与外界大气压相同，这需要根据风源室压差值调整离心风机的吸风量。风源室差压传感器控制风机电机的变频器，由变频器控制风机电机的转速以实现风机吸风量的调整。被控制部件列表如下：

4） PLC的选择与上位机的设计

数据采集使用西门子PLC1200系列的产品，PLC CPU模块选用6ES7 214-1AG40-OXBO， 数字量信号输入端口14个，输出端口10个，用于采集4个喷嘴气缸上磁性开关的信号并通过电磁阀控制气缸带动喷嘴盖板实现喷嘴的开启和关闭。采用模拟量输入输出模块6ES7 234-4HE32-0XB0采集2个压差传感器、1个大气压力传感器和湿度传感器的信号，并通过内部的PID运算通过变频器控制离心风机的吸风量。采用6ES7 231-5PD32-0XB0热电阻模块采集PT100的信号。上位机采用北京亚控科技发展有限公司的组态王软件，在上位机电脑上装入西门子公司的SIMATIC NET软件，PLC通过SIMATIC NET软件中的OPC 服务器与组态王软件实现数据的通讯。

上位机界面有测量界面、校准界面和报警提醒界面。在测量界面内显示所有测量传感器的数据、风机的运行状态及喷嘴的开关状态，待各数据稳定后风量测量值经过计算自动显示在测量界面相应的数据框内，测量数据和各传感器状态都可以通过Excel表格导出。因各测量传感器都需要定期由专业资质的校准计量单位进行校准，在校准界面内设计PD1、PD2、 P1、 T1、 H1 4个传感器的校准对话框，通过 应用显示值=K*测量值+b方式，通過高低两点计量计算、调整并保存相应的 K b值，使界面显示和应用值与标准值误差在传感器要求的范围。5个喷嘴的喷嘴流量系数Cd可根据风量的计量结果在校准界面内调整并保存，使本装置测量值与标准风量相符，一般Cd值在0.94-0.98之间。

参考文献：

[1] 中国国家标准化管理委员会.房间空气调节器， 2004

[2] 中国国家标准化管理委员会.单元式空气调节机，2010.

[3] 王双成.水的饱和蒸气压的计算[J].河南化工，1999（11）.