蒸汽壓縮式制冷循環(huán)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研制

摘 "要： 為改進(jìn)機(jī)械式實(shí)驗(yàn)儀器，即蒸汽壓縮式制冷循環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的性能缺陷，設(shè)計(jì)了基于STM32F103的數(shù)據(jù)采集板卡，提高數(shù)據(jù)采集的精度和穩(wěn)定性;采用基于C#語言的實(shí)驗(yàn)軟件并結(jié)合ASP.NET技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程自動(dòng)化和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能。在此對(duì)上述功能的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行必要的闡述并對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的重要性能指標(biāo)不確定度進(jìn)行了詳細(xì)的分析。結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)臺(tái)能滿足現(xiàn)有教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求，并對(duì)同類實(shí)驗(yàn)裝置的研發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵字： 制冷循環(huán); 數(shù)據(jù)采集; 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué); 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

中圖分類號(hào)： TN919?34; TP23 " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2015）02?0039?04

Development of experiment platform with vapor compression refrigeration cycle

CHEN Zhen?nan， DING Qiang， JIANG Zhou?shu

（Energy Utilization System and Automation Institute， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： In order to improve the performance of experiment platform with vapor compression refrigeration cycle， a data acquisition card based on STM32F103 was designed to improve the precision and stability of the data acquisition. The experimental software based on C# language and ASP.NET technology are adopted to realize the experimental process automation and the remote experiment teaching functions. The necessary elaboration on realization process of the above functions is made. The uncertainty of the important performance indexes of the experiment platform is analyzed in detail. The results show that the platform can satisfy the requirements of existing teaching experiment and has a certain reference value for research and development of the similar experiment devices.

Keywords： refrigeration cycle; data acquisition; remote experiment teaching; experiment platform

0 引 "言

目前教學(xué)使用的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)大多數(shù)仍停留在機(jī)械式實(shí)驗(yàn)儀器階段[1]。各時(shí)刻溫度、壓力等測量值仍需實(shí)驗(yàn)人員對(duì)儀器儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行手工記錄，該實(shí)驗(yàn)條件嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性，不利于在教學(xué)過程中對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論對(duì)比分析。

針對(duì)目前存在的問題，在此研制了以自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理為目的的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。以蒸汽壓縮式制冷循環(huán)性能分析功能為需求，建立計(jì)算機(jī)自動(dòng)測量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)包含工況設(shè)定、數(shù)據(jù)采集顯示、曲線模擬以及歷史記錄查詢等功能，大幅降低由人為數(shù)據(jù)記錄而引起的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)紊亂，提高實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性[2?3]。此外，為提高實(shí)驗(yàn)室的開放性和利用效率，采用Web技術(shù)，實(shí)驗(yàn)人員通過PC機(jī)瀏覽器訪問實(shí)驗(yàn)臺(tái)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體工作流程如圖1所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用熱平衡法測量其制冷性能[4]。待測溫度、壓力、流量等模擬量，分別由STM32采集板經(jīng)信號(hào)調(diào)理、高精度A/D采集、溫控儀表采集，利用RS 485總線將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)監(jiān)控軟件顯示、繪制成曲線，并將數(shù)據(jù)存至數(shù)據(jù)庫，供歷史查詢以及B/S網(wǎng)絡(luò)教學(xué)訪問使用。此外，上位機(jī)可通過 RS 485對(duì)溫控儀表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工況設(shè)定。儀表根據(jù)冷凝、蒸發(fā)水箱溫度，通過調(diào)整可控硅控制其中加熱管輸出功率[5]，使水箱溫度與設(shè)定溫度相等，達(dá)到熱平衡目的。

2 "系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)溫度、壓力與流量采集功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要由STM32最小系統(tǒng)板、傳感器模塊電路、信號(hào)調(diào)理電路、485功能模塊電路、A/D采樣電路、電源以及復(fù)位等電路構(gòu)成。

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圖1 系統(tǒng)工作流程

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圖2 系統(tǒng)硬件模塊

為提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與精度，系統(tǒng)溫度傳感器選用4線制Pt100，用于實(shí)驗(yàn)臺(tái)水箱與冷媒溫度測量;壓力傳感器選用橫河FP201E，用于膨脹閥前后壓力測量;渦輪流量計(jì)選用西格瑪LWGY?25，用于冷凝水流量測量。

具體傳感器具體參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器參數(shù)

2.1 "溫度采集電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)溫度采集選用高精度、高線性度的四線制Pt100傳感器，其工作所需的恒流電源由功率放大器OP07和電源差動(dòng)放大器INA132產(chǎn)生，產(chǎn)生恒定電流Iout=2.5[VrefR19]，電路如圖3所示。

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圖3 恒流源電路

四線制Pt100采用差分電壓采集，通過AD623將其差分電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相對(duì)地的模擬電壓信號(hào)，并從AIN1+輸出如圖4所示，再由24位高精度AD芯片CS5550將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供STM32解析處理。lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201502＼Image＼30T4.tifgt;

圖4 Pt100電壓處理電路

2.2 "壓力與流量采集電路設(shè)計(jì)

冷媒的冷凝、蒸發(fā)壓力與冷凝器水循環(huán)流量采集均選用4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出變送器[6]，由精度為1%的100 Ω電阻轉(zhuǎn)換為0.4～2 V的電壓信號(hào)，經(jīng)過LM324四路運(yùn)放完成電壓跟隨隔離，通過CS5550采集實(shí)現(xiàn)。

2.3 "通信電路設(shè)計(jì)

采集板與上位機(jī)采用RS 485通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，電路如圖5所示。

為使數(shù)字信號(hào)與通信信號(hào)不相互干擾，電路通過6N137和PC817光耦將STM32與MAX485信號(hào)進(jìn)行光電隔離[7];正反對(duì)接的TVS管保證485AB線上的通信電平在-7～15 V的范圍內(nèi)，對(duì)通信電路起保護(hù)作用。

采集板處理完成的數(shù)據(jù)經(jīng)6N137光耦后將TX腳信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)等信號(hào)，再通過MAX 485轉(zhuǎn)生成差分信號(hào)輸出至上位機(jī)數(shù)據(jù)接收端;同理，來自上位機(jī)的信號(hào)由MAX 485轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)，通過6N137隔離后經(jīng)RX腳傳送至STM32接收端。其中MAX485為半雙工傳輸[8]，收發(fā)狀態(tài)由STM32的CTRL腳控制。

3 "系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要分為上位機(jī)監(jiān)控軟件與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模塊軟件2大部分。軟件主要基于Visual Studio 2008平臺(tái)，采用面向?qū)ο笳Z言C#設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[9]。

3.1 "上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際教學(xué)的功能需求，結(jié)合面向?qū)ο缶幊趟枷耄O(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控軟件功能主界面如圖6所示。

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圖6 上位機(jī)主界面

該上位機(jī)功能主要包括通信檢測、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)、調(diào)用顯示、曲線繪制、歷史查詢、報(bào)表導(dǎo)出、運(yùn)行參數(shù)記錄、制冷動(dòng)態(tài)性能分析、實(shí)驗(yàn)工況判穩(wěn)等。再加上智能化數(shù)據(jù)采集分析，使實(shí)驗(yàn)誤差降低，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性，提高了實(shí)驗(yàn)效率。在軟件設(shè)計(jì)還中加入了多線程與委托等技術(shù)[10]，將數(shù)據(jù)采集傳輸功能安置于獨(dú)立線程中，不同線程中的控件交叉調(diào)用采用委托處理，提高了軟件操作流暢度。其上位機(jī)軟件功能結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.2 "網(wǎng)絡(luò)教學(xué)設(shè)計(jì)

為提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備開放性和利用效率，解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限與學(xué)生數(shù)量龐大間的矛盾，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中添加了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模塊，同學(xué)可通過Web平臺(tái)參與遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。

網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)采用Web應(yīng)用程序，由ASP. NET技術(shù)與C#語言進(jìn)行開發(fā)，將本地電腦配置成服務(wù)器，網(wǎng)頁由IIS發(fā)布供網(wǎng)絡(luò)教學(xué)訪問[11]，其Web數(shù)據(jù)界面如圖8所示。

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圖7 軟件功能設(shè)計(jì)

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圖8 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)數(shù)據(jù)平臺(tái)

其中服務(wù)器作為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)功能中轉(zhuǎn)站，主要完成本地與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息交互，功能流程如圖9所示。實(shí)驗(yàn)人員通過遠(yuǎn)程瀏覽器發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，由服務(wù)器獲得請(qǐng)求后將其傳遞至ASP.NET并根據(jù)ASP.NET要求對(duì)SQL Server 2005數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，操作完畢后將結(jié)果反饋回ASP.NET并通過服務(wù)器將結(jié)果回傳到瀏覽器顯示后完成遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。

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圖9 數(shù)據(jù)服務(wù)過程圖

4 "實(shí)驗(yàn)不確定度分析

4.1 "溫度采集不確定度計(jì)算

熱平衡法實(shí)驗(yàn)臺(tái)壓縮機(jī)性能測試中，溫度測量采用的Pt100傳感器，阻值與溫度關(guān)系式采用上海市計(jì)量研究所推薦公式[12]：

[RT=R01+α+10-2ασT-10-4ασ2α=R100R0-1100] （1）

式中：[R0]，[RT]，[R100]分別為[0 "℃]、[T "℃]、[100 "℃]時(shí)Pt100的阻值，[σ=1.507]為常數(shù)。

根據(jù)不確定度原理得：

[uT=?T?R0uR02+?T?RTuRT2+?T?R100uR1002?T?R0=10-4T2σ-1+10-2σTR100100R20-RTR20α1+10-2α-2×10-4Tσ ?T?R100=10-4T2σ-1+10-2σTα1+102σ-2×10-4Tσ?1100R0 ?T?RT=1αR01+10-2σ-2×10-4Tσ] （2）

式中：[uR0]，[uR100]，[uRT]分別為[R0]，[RT]，[R100]的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。實(shí)驗(yàn)臺(tái)選用精度等級(jí)B的Pt100，最大誤差為±0.1 Ω，按正態(tài)分布置信區(qū)間95%，則包含因子k=1.96[13]。

[uR0=uR100=1k×0.1=0.051 "Ω] " " " " "（3）

實(shí)驗(yàn)采用的STM32采集板，經(jīng)過多次傳感器與采集板標(biāo)定，得其測試精度為0.1%，誤差服從均勻分布，置信系數(shù)為[3]，溫度測量范圍為0～60 ℃，根據(jù)不確定度計(jì)算方法，得：

[uRT=13×0.5%×T] （4）

4.2 "流量采集不確定度計(jì)算

根據(jù)渦輪流量計(jì)產(chǎn)品規(guī)格書可知流量誤為均勻分布，置信系數(shù)為[3]，測量精度為0.5%，得傳感器引入的相對(duì)不確定度為：

[uL1=13×0.5%=0.289%] "（5）

由采集板測量通道，引入的相對(duì)不確定度為：

[uL2=13×0.1%=0.058%] （6）

所以該流量計(jì)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

[uLL=Lu2L1+u2L2=0.002 "95L] （7）

4.3 "溫控表不確定度計(jì)算

蒸發(fā)器溫控儀表選用YOKOGAWA的UT550，根據(jù)產(chǎn)品說明書得知其測量精度為0.1%，誤差服從均勻分布，測量通道不確定度為：

[uRT=13×0.1%×T] （8）

將其代入[uT]表達(dá)式，即可得到溫控儀表的測量不確定度。根據(jù)儀表增量式PID關(guān)系式及三者參數(shù)分別0.07，121.5，30.3可得知，儀表輸出相對(duì)不確定度近似為：

[u儀11=UT?kP+kI+kD2+kP+2kD2+k2D16×100% =UT×33%] （9）

4.4 "制熱量與制冷量不確定度

制熱量為間接測量量，由熱平衡法計(jì)算得出，其計(jì)算過程為：

[Q熱=cmΔTt=cLT1-T2] （10）

根據(jù)間接測量不確定度原理有：

[u熱=?Q熱?LuLL2+?Q熱?T1uT12+?Q熱?T2uT22 " " "=cT1-T22uLL2+L2uT12+-L2uT22] （11）

同理，根據(jù)系統(tǒng)制冷量計(jì)算方法[Q冷=β?Q管]，其中[Q管]蒸發(fā)器加熱管總功率1 900 W，[β]為溫控表輸出，則有：

[u冷=u儀?Q冷] （12）

以冷凝水箱30 ℃、蒸發(fā)器水箱15 ℃的工況為例。其冷凝器出口水溫[T1]為34.23 ℃，冷凝器進(jìn)口水溫[T2]為30.20 ℃，水流量[L]為0.106[kg/s];蒸發(fā)器水箱溫度14.94 ℃，溫控儀表輸出實(shí)際功率為65%，壓縮機(jī)實(shí)際功率為[Q壓=405.1 "W]，得出：[Q熱=4 "187×0.106×34.13-30.20=1730.9 "WQ冷=1 "900×65%=1 "235.0 "Wε=Q冷+Q熱-Q熱Q冷+Q熱×100%=5.54%u熱=130.8 "Wu冷=1 "235×0.17×33%=69.3 "W] （13）

式中，[ε]為系統(tǒng)的熱平衡系數(shù)，制熱量的相對(duì)不確定度為7.56%，制冷量相對(duì)不確定度為5.61%，滿足系統(tǒng)精度要求。

5 "結(jié) "語

研制了以蒸汽壓縮式制冷循環(huán)性能實(shí)驗(yàn)研究為目的的新型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析過程的實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化。采用ASP.NET技術(shù)滿足了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的功能要求。不確定度分析可知實(shí)驗(yàn)臺(tái)可滿足教學(xué)研究的需要，可為同類實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研制提供了參考。

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