專利名稱：一種阻容式含冰率傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蓄冰空調(diào)技術(shù)領(lǐng)域，特別是測量外融冰蓄冰系統(tǒng)蓄冰槽內(nèi)含冰率的裝置。
背景技術(shù)：
在冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中，蓄冰槽內(nèi)的含冰率(IPF，Ice Packing Factor，是指冰在冰槽內(nèi)冰水混合物中的質(zhì)量百分比)標(biāo)志著蓄冰槽單位體積內(nèi)所貯存的冷量大小。無論是對(duì)于靜態(tài)制冰系統(tǒng)，制冰時(shí)的冷機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制與融冰時(shí)的殘冰量預(yù)測，還是對(duì)動(dòng)態(tài)制冰系統(tǒng)，控制蓄冰槽內(nèi)的貯冰量、避免冰漿輸送造成管路阻塞、把握末端設(shè)備的冷量需求，都必須檢測蓄冰槽或輸送管路內(nèi)的含冰率。
現(xiàn)有技術(shù)的IPF測量方法主要有根據(jù)體積膨脹的水位測量法和根據(jù)蓄冰槽內(nèi)水溫與管內(nèi)載冷劑溫度變化的凝固點(diǎn)測量法。這些貫用的測量方法適用于開式外融冰蓄冰系統(tǒng)，但對(duì)閉環(huán)式外融冰蓄冷系統(tǒng)，由于冰槽的水與空調(diào)系統(tǒng)中的水是連通的，空調(diào)系統(tǒng)難免出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，且水質(zhì)在使用過程中變化較大，因此不宜采用上述靜態(tài)蓄冰系統(tǒng)中現(xiàn)有的“水位測量法”和“凝固點(diǎn)測量法”來測量其IPF。因?yàn)?，現(xiàn)有的冰厚測量法的主要手段是利用緊貼冰面的探針位移量或冰水導(dǎo)電率不同來檢測冰層厚度，而閉式冰槽具有封閉結(jié)構(gòu)和使用過程中水質(zhì)變化幅度大的特點(diǎn)，所以，這兩種冰厚測量方法不能很好地保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的靈敏性和精度。故對(duì)于封閉空間蓄冰槽內(nèi)冰厚度的測量方法尚需探索新的測量方案。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種適于閉式與開式外融冰蓄冰系統(tǒng)通用的阻容式含冰率傳感器，使用它可方便地測出蓄冰槽內(nèi)結(jié)冰表面的冰層厚度，進(jìn)而根據(jù)蓄冰槽的幾何結(jié)構(gòu)計(jì)算出蓄冰槽內(nèi)的存冰量。
為了達(dá)到上述的發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案采用如下方式實(shí)現(xiàn)一種阻容式含冰率傳感器，它是由設(shè)置在蓄冰槽內(nèi)部冰盤管上的測量電極與設(shè)置在蓄冰槽外部的變送器兩部分構(gòu)成。所述變送器包括高頻交流電源和輸出電壓檢測以及A/D轉(zhuǎn)換電路。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，所述測量電極是由固定板、基板、多對(duì)電極測頭和接線端子組成。固定板設(shè)為可與冰盤管直接嵌裝相匹配的形狀?；迮c固定板連接，基板上設(shè)置多對(duì)電極測頭，各電極測頭通過連線與設(shè)置在基板上端的接線端子連接。接線端子通過屏蔽電纜引線與變送器連接。
按照上述的技術(shù)方案，所述多對(duì)電極測頭為十對(duì)，每對(duì)電極測頭平行布置，各對(duì)電極測頭均布豎列。
按照上述的技術(shù)方案，所述各電極測頭的截面為圓形、矩形或者其它形狀。
按照上述的技術(shù)方案，所述高頻交流電源的輸入電壓有效值為2.5V、輸入電壓頻率為650HZ；各電極測頭的電阻值為10KΩ。
本發(fā)明由于采用了上述的結(jié)構(gòu)形式，可將高頻交流電源和輸出電壓產(chǎn)生的RC振蕩電路頻率響應(yīng)原理應(yīng)用于外融式蓄冰槽含冰率的測量。它不僅適用于開式外融冰蓄冰系統(tǒng)，更重要的是它也適用于閉式外融冰蓄冰系統(tǒng)，填補(bǔ)了本技術(shù)領(lǐng)域?qū)τ陂]式外融冰蓄冷系統(tǒng)的含冰率測量的技術(shù)空白，這有助于閉式外融冰蓄冰技術(shù)的實(shí)施與推廣。本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比具有優(yōu)點(diǎn)如下(1)結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，可以方便地測量出蓄冰槽內(nèi)冰層厚度，進(jìn)而根據(jù)蓄冰槽的幾何結(jié)構(gòu)計(jì)算出蓄冰槽內(nèi)的含冰率。適用于具有板式、盤管式等結(jié)冰界面的開式與閉式外融冰蓄冰槽。
(2)由于采用高頻交流電源，工作中不會(huì)出現(xiàn)電鍍現(xiàn)象，因此工作性能安全穩(wěn)定可靠；由于采用開關(guān)量輸出，對(duì)水質(zhì)無選擇性，因此測量靈敏度高，在封裝工藝保證的前提下，冰層測量精度可小于3mm，加之冰厚動(dòng)態(tài)預(yù)測項(xiàng)，完全可滿足工業(yè)應(yīng)用范圍。
下面結(jié)合附圖及具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖1為本發(fā)明的原理結(jié)構(gòu)圖；圖2為圖1的左側(cè)視圖；圖3為本發(fā)明的應(yīng)用狀態(tài)圖；圖4為本發(fā)明的測量電路原理圖。
具體實(shí)施例方式
參看圖1和圖2，本發(fā)明是由設(shè)置在蓄冰槽內(nèi)部冰盤管上的測量電極A與設(shè)置在蓄冰槽外部的變送器B兩部分構(gòu)成。變送器B包括高頻交流電源和輸出電壓檢測以及A/D轉(zhuǎn)換電路。其中高頻交流電源的輸入電壓有效值為2.5V、輸入電壓頻率為650HZ。測量電極A是由固定板1、基板2、多對(duì)測頭3和接線端子4組成。固定板1設(shè)為可與冰盤管嵌裝相匹配的形狀?；?與固定板1連接?；?上平行豎列均布十對(duì)電極測頭3。各電極測頭3的截面為圓形，其直徑d為0.7mm，其長度a為10mm，各電極測頭3的橫間距L為2mm，豎間距b為5mm。各電極測頭3的電阻值為10KΩ。各電極測頭3通過連線與設(shè)置在基板2上端的接線端子4連接。接線端子4通過屏蔽電纜引線5與變送器B連接。當(dāng)然，在本實(shí)施例中所述的各電極測頭3的截面形狀也可以采用矩形或者其它形狀。各電極測頭3的橫間距L、豎間距b、長度a的尺寸也可以變換為其它限定尺寸。
參看圖3，使用本發(fā)明時(shí)，首先在蓄冰槽7中設(shè)置的冰盤管6上安裝本發(fā)明測量電極A，使固定板1與冰盤管6嵌接安裝在一起。
參看圖4，本發(fā)明利用RC振蕩電路的頻率響應(yīng)原理的測量原理如下向電極測頭元件提供一個(gè)頻率為f的交流電源uin，檢測采樣電阻上的輸出電壓uout，根據(jù)uout/uin的相對(duì)大小判定測頭位置是否被冰覆蓋。
設(shè)輸入電壓為正弦波 uin＝Uinsinωt其中，ω＝2πf角速度，1/s；f電源頻率，Hz；Uin電壓最大值，V。電容器Cw的容抗為Xcw＝1/ωCw。由于實(shí)際電容器中的電流超前電壓90°，這時(shí)測量電路的總阻抗為Z=11/Rw+jωCw+R]]>對(duì)于電阻值恒定的采樣電阻R，其兩端的輸出電壓uout為uout=iR=RuinZ]]>故，此RC電路的頻率響應(yīng)(定義為輸出電壓向量與輸入電壓向量之比)是角速度ω的函數(shù)，即W(jω)=uoutuin=R11/Rw+jωCw+R]]>化簡得W(jω)=(R/Rw)(1+R/Rw)+(ωRCw)2(1+R/Rw)2+(ωRCw)2+jωRCw(1+R/Rw)2+(ωRCw)2]]>
A(ω)=[(R/Rw)(1+R/Rw)+(ωRCw)2]2+(ωRCw)2(1+R/Rw)2+(ωRCw)2]]> A(ω)是W(jω)的模，表示輸出電壓的相對(duì)大小隨頻率變化的特性，稱為幅頻特性；(ω)表示輸出電壓的相位，隨頻率變化的特性，稱為相頻特性。本發(fā)明傳感器是根據(jù)uout/uin的相對(duì)大小來判定傳感器測頭是否被冰覆蓋，故只關(guān)心W(jω)的幅頻特性。因此(1)由于一般質(zhì)量的水的相對(duì)介電常數(shù)εw是10～102數(shù)量級(jí)，電阻率ρw為103～105Ωm數(shù)量級(jí)(取決于水中無機(jī)離子和有機(jī)物含量的相對(duì)大小，當(dāng)無機(jī)離子的含量減少或有機(jī)物含量增加時(shí)，ρw增大，導(dǎo)電能力減弱)，特別是空調(diào)用水等富含有機(jī)物水體的εw、ρw將會(huì)更大；而純凈冰幾乎是絕緣體(電阻率ρw→∞)，相對(duì)介電常數(shù)εi僅為εi＝2.8。從上述A(ω)得式可以看出，冰與水電阻率與介電常數(shù)的懸殊差別決定了RC電路的幅頻特性A(ω)相差很大，由此判定冰層厚度，具有較高的穩(wěn)定性與靈敏性。(2)當(dāng)本發(fā)明傳感器的電極測頭被水體覆蓋時(shí)，uout的輸出取決于水介質(zhì)的介電常數(shù)εw和電阻率ρw的變化。在結(jié)冰過程中，由于冰槽內(nèi)的水體是靜止的，且冰層幾乎不含雜質(zhì)，故隨著結(jié)冰過程的進(jìn)行，靜止水體的濃度逐漸加大，水介質(zhì)的介電常數(shù)εw和電阻率ρw均發(fā)生變化。試驗(yàn)表明，對(duì)于實(shí)際使用的空調(diào)水而言，隨著結(jié)冰過程的進(jìn)行，水體的介電常數(shù)εw逐漸增大，電阻率ρw逐漸增大，電導(dǎo)率逐漸減小。故該傳感器電極測頭間的電容值與漏電電阻Rw的阻值均增大，Aw(ω)逐漸減小。而在融冰過程中，冰槽水體處于流動(dòng)狀態(tài)，大量的空調(diào)水從空調(diào)末端返回且與蓄冰槽內(nèi)水體混合，故介電常數(shù)εw和電阻率ρw變化不大，采樣電阻的輸出電壓uout也只有微小變化。但上述結(jié)冰與融冰過程中，uout與電路的輸入電壓uin為同一數(shù)量級(jí)。(3)對(duì)于本發(fā)明傳感器，當(dāng)電極測頭被冰全部覆蓋時(shí)，Ri→∞，Ci＜＜Cw，由A(ω)得式知Ai(ω)=[(R/Ri)(1+R/Ri)+(ωRCi)2]2+(ωRCi)2(1+R/Ri)2+(ωRCi)2=2πfRCi1+(2πfRCi)2<<Aw(ω)→0]]>此時(shí)采樣電阻R上的輸出電壓uout非常小，故合理給定幅頻特性的閾值A(chǔ)0，即可判定傳感器測頭是否被冰層覆蓋。當(dāng)A(ω)≥A0時(shí)，標(biāo)志傳感器測頭部位為水體，此時(shí)變送器輸出“0”；反之，當(dāng)A(ω)＜A0時(shí)，標(biāo)志傳感器測頭部位被冰層覆蓋，變送器輸出“1”。從而根據(jù)電極測頭所在設(shè)定位置，即可得知蓄冰槽中冰層的厚度。
由于本發(fā)明傳感器采用開關(guān)量輸出，當(dāng)某一電極測頭被冰覆蓋后，變送器就輸出該電極測頭處冰層的厚度δn(但要取決于電極測頭的結(jié)構(gòu))，同時(shí)變送器中的單片機(jī)記錄此時(shí)刻τn，在兩個(gè)相鄰電極測頭之間的冰層厚度δτ，則通過上一冰層厚度的增長速度，進(jìn)行預(yù)測。故在電極測頭處，可以精確地測量處冰層厚度δn，而在電極測頭之間，則通過結(jié)冰速率估測其冰層厚度，二者動(dòng)態(tài)地有機(jī)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)較高精度的冰層厚度測量結(jié)果。即 (當(dāng)?shù)趎對(duì)電極測頭被冰覆蓋時(shí))(當(dāng)?shù)趎-1對(duì)電極測頭被冰覆蓋，但第n對(duì)電極尚未覆蓋時(shí))其中，δn-1為精確測量項(xiàng)，δn-1-δn-2τn-1-τn-2(τ-τn-1)]]>為動(dòng)態(tài)預(yù)測項(xiàng)，單位mm；n，n-1，n-2表示測量電極位置；τn，τn-1，τn-2表示冰層覆蓋n，n-1，n-2電極所經(jīng)過的時(shí)刻，s。
由此可見，在本發(fā)明傳感器使用過程中，將已經(jīng)被冰覆蓋的電極測點(diǎn)記錄后，再記錄出所經(jīng)過的時(shí)間，就能較好地測量出冰層的厚度。
本發(fā)明傳感器不僅可以應(yīng)用到閉式蓄冰槽中，而且對(duì)于外融式冰板、冰盤管等各型蓄冰器均適用，具有良好應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種適用于閉式與開式外融冰蓄冰系統(tǒng)的阻容式含冰率傳感器，它是由設(shè)置在蓄冰槽內(nèi)部冰盤管上的測量電極(A)與設(shè)置在蓄冰槽外部的變送器(B)兩部分構(gòu)成，所述變送器(B)包括高頻交流電源和輸出電壓檢測以及A/D轉(zhuǎn)換電路；其特征在于，所述測量電極(A)是由固定板(1)、基板(2)、多對(duì)電極測頭(3)和接線端子(4)組成，固定板(1)設(shè)為可與冰盤管直接嵌裝相匹配的形狀，基板(2)與固定板(1)連接，基板(2)上設(shè)置多對(duì)電極測頭(3)，各電極測頭(3)通過連線與設(shè)置在基板(2)上端的接線端子(4)連接，接線端子(4)通過屏蔽電纜引線(5)與變送器(B)連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的阻容式含冰率傳感器，其特征在于所述多對(duì)電極測頭(3)為十對(duì)，每對(duì)電極測頭(3)平行布置，各對(duì)電極測頭(3)均布豎列。
3.按照權(quán)利要求2所述的阻容式含冰率傳感器，其特征在于所述各電極測頭(3)的截面為圓形、矩形或者其它形狀。
4.按照權(quán)利要求1、2或3所述的阻容式含冰率傳感器，其特征在于所述高頻交流電源的輸入電壓有效值為2.5V、輸入電壓頻率為650HZ；各電極測頭(3)的電阻值為10KΩ。
全文摘要
一種阻容式含冰率傳感器，涉及測量蓄冰空調(diào)的蓄冰槽內(nèi)含冰率的裝置。它是由設(shè)置在蓄冰槽內(nèi)冰盤管上的測量電極與設(shè)置在蓄冰槽外部的變送器兩部分構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，測量電極是由可與冰盤管嵌裝的固定板與固定板連接的基板、基板上均布多對(duì)電極測頭和與各電極測頭相連接的接線端子組成。接線端子由屏蔽電纜引線與變送器連接。本發(fā)明將高頻交流電源和輸出電壓產(chǎn)生的RC振蕩電路頻率響應(yīng)原理應(yīng)用于外融式蓄冰槽內(nèi)含冰率的測量。同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝與測量方便、工作性能穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，適用于閉式與開式外融冰蓄冰系統(tǒng)蓄冰槽內(nèi)含冰率的測量。填補(bǔ)了本技術(shù)領(lǐng)域空白，有助于閉式外融冰蓄冰技術(shù)的實(shí)施與推廣。
文檔編號(hào)F25B49/00GK1570568SQ0314638
公開日2005年1月26日 申請(qǐng)日期2003年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月11日
發(fā)明者石文星, 劉剛, 李先庭, 李立一, 趙慶珠, 駱維軍, 呂曉艷 申請(qǐng)人:清華同方股份有限公司, 清華大學(xué)