暖通空调系统中新型传感器的应用

器的应用方法。首先根据传感器运行输入量和输出量两者之间的关系分析超声波流量传感器的静态特性和动态特性，并计 算输入量及输岀量的最大重复差。以此为依据分析传感器运行状态变化规律，并研究超声波流量传感器的传播速度和流速

关系，将流速关系进行数字化处理,实现新型传感器的运行数值测定。通过实验与仿真进行传感器网络延时时长、声波传播

速度、能耗对比测试与性能检测，结果表明，所提方法传感器网络生存期长、效率高、能耗低，具有一定的实用价值。关键词：暖通空调;新型传感器;静态特性;动态特性中图分类号:TP391.41 文献标识码：BApplication of new sensors in HVAC systemsZHANG Gui - rong(Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang Hebei Province 050041 , China)ABSTRACT: In order to optimize the efficiency of HVAC system, a new ultrasonic flow sensor applied to HVAC system was constructed, and the application method of new sensor in HVAC system was put forward. Firstly, the

static and dynamic characteristics of ultrasonic flow sensor were analyzed by the relationship between input and out­put. Secondly, the maximum repetition difference of input and output was calculated. On this basis, the change law of the operating state of sensor was analyzed, and the relationship between the propagation speed and the flow velocity of ultrasonic flow sensor was researched. Moreover, the flow velocity relationship was digitally processed to realize the

numerical measurement of new sensor. In experiment and simulation, the delay time, sound propagation speed, ener­

gy consumption and performance of sensor network were tested, the results show that the proposed method can prolong the lifetime of sensor network, and it has high efficiency and low energy consumption.KEYWORDS: Heating Ventilation Air Conditioning ( HVAC) ； New sensor ； Static characteristics ； Dynamic charac­

teristics应用方法。1引言针对建筑暖通空调系统故障检测问题，文献［4］通过传 建筑节能是现阶段我国主要研究的一个全新的领域，暖

感器数据关联关系进行暖通空调系统故障检测，该方法根据

通空调是现代化建筑中不可缺少的主要设备⑴。我国城市 暖通空调系统能量的传递及变换过程,分析多个系统的传感

化进程不断推进,在城市建筑中暖通空调系统中的运行能耗 器数据关联关系，分别在空气处理环节、配电系统中测量数

占整个建筑总能耗的三分之二,造成能源的进一步紧张⑵。 据，并将测得数据进行整合。最后通过分析全局性的冗余信 暖通空调是现代建筑中不能够缺少的主要设备，暖通空调在

息的整合,实现暖通空调系统的优化。文献［5］提出采用主 改善和提高建筑物内部环境质量的同时，还面临着我国能源

元分析方法检测和诊断多联式空调系统传感器故障。釆用 短缺不断加重和人们生活水平不断提高的问题⑶。节能逐 地热平衡性机理控制空调运行系统，计算空调系统中的多个

渐成为暖通空调系统重要的发展方向，分析暖通空调系统中 传感器变量参数，创立多联动机的算法原理，以此构建多联 传统的传感器不足之处,提出新型传感器在暖通空调系统的式空调系统传感器的工作流程诊断，检测和诊断岀不同状况

下多联式空调系统传感器的故障。文献［6］通过对优化暖通

空调的运行状态以及集成路径及技术的归纳，简要说明了测

收稿日期;2019-07 -08修回日期:2019 -09-02

试评估集成式技术系统，并根据国内外暖通空调的发展历—467 —史，阐述了现状与未来发展方向。但在上述的暖通空调系统 中传感器的设计，都是通过处理电路来进行控制，这样很容

易就引起传感器中某一个参数发生严重的变化，导致传感器

在能耗和效率方面都出现明显的缺陷。针对上述问题，文中将提出一种新型的传感器,对暖通

空调系统中新型传感器运行状态以及变化规律分别进行分 析，在此基础上，给出新型传感器的测定分析。所提方法传

感器网络生存期长、效率高、能耗低，具有一定的实用价值。2暖通空调系统中新型传感器的应用图1为提出新型传感器在暖通空调系统的应用方法的

结构流程图。图1暖通空调系统的应用方法的结构流程图2.1新型传感器运行状态变化规律在暖通空调系统中，本文新型传感器采用的是超声波流 量传感器,对暖通空调系统中超声波流量传感器的静态特性

和动态特性分别进行分析,具体过程如下所述：在整个暖通空调运行过程中，需要对很多不一样的参数

进行控制.这就必须要求超声波流量传感器能够感应到被测

非电量的变化，并且能够不失真的将它转变成所对应的电

量,这就取决于超声波流量传感器的基本特性，超声波流量 传感器的基本特性主要分为静态和动态两种⑺0超声波流量传感器静态特性主要是说明已经经过测量 的值处于比较稳定的状态时，它的输出和输入之间的关系。

当这个已经经过测量的值是一个不随着时间而发生变化的， 那么就可以只分析静态的特性,这时超声波流量传感器的输

入量和输出量两者之间在数值上都会存在一定的相应关系， 而且这个关系中不存在时间变量，对于暖通空调系统中超声 波流量传感器静态特性来说它的输入量X和输岀量y两者

之间的关系一般情况下都用一个多项式来进行描述y - a0 + a}x + a2x2 + ••• + anxn (1)

式中,5代表暖通空调系统中超声波流量传感器在输入量X

等于0时的输出量,a},a2,-,a„代表暖通空调系统中超声 波流量传感器的非线性项系数。暖通空调系统中超声波流量传感器静态特性的线性指 标可以用灵敏度和重复性等来进行描述⑻。灵敏度是衡量暖通空调系统中超声波流量传感器静态—468 —特性的一个重要的指标,利用式(2)给出其表达式为当s值越大时，也就说明暖通空调系统中超声波流量传 感器就越灵敏⑼。重复性是指暖通空调系统中超声波流量传感器在输入 量都向着一个方向进行多次变换时，所获得的曲线不一样的 程度,这个重复性的误差是一种随机误差，利用下式给出最

大重复差的表达式yK = ±----s— x 100%

(3)式中，“代表暖通空调系统的输入与输出的最大差值。

若暖通空调系统的最大重复差值越大，则说明该系统能耗 高，反之则能耗小。暖通空调系统中超声波流量传感器的动

态特性主要是指输入量会随着时间的变化反映出超声波流 量传感器的响应特性o由于超声波流量传感器带有惯性

和滞后的缺点，当已经经过测量的值随着时间发生变化时， 它的输出都会来不及进行平衡,针对这种情况，可以将超声

波流量传感器的输岀量看成是时间函数，它的关系一般都会 用动态特性来进行体现W当暖通空调系统中的超声波流量传感器动态性能比较 好时,则它的输出值将会出现输入量的变化规律，也就可以

看成是含有一样的时间函数。2.2新型传感器运行数值测定在2. 1节对暖通空调系统中超声波流量传感器的静态

特性和动态特性分别进行分析的基础上，给出超声波流量传 感器的测定分析，具体过程如下：超声波流量传感器中，超声波主要与流体的传播速度和

流速之间有一定的关联,它通过测量出超声波脉冲的顺流和 逆流在传播过程中出现的速度差来体现出流速，以此来测量 出流量⑴〕。现阶段的超声波流量传感器测定方法有很多种，经常使 用的就是超声波传播时间差法,具体介绍如下：在暖通空调系统中管道的两端都会安装两个声电换能

器4、B,并且将它们两个之间轴线进行重合，当A发射超声

波是，一般情况下都会顺流进行传播，利用式(4)给出B接 收超声波的延时时间表达式为“ =L/( C + Vcos 0) (4)当B发生超声波，而A只负责接收时，一般声波逆流传 播的延迟时间为t2 = L/(C - Vcos 0)

(5)以式(4)和式(5)作为基础,C代表暖通空调系统中超声 波在静止不动的状态时的传播速度，V代表流体传播速度，

当C>A时,代表该系统存在时差，利用时差法计算系统的时 差,其表示Az = z2 - 2=3 2厶Vcos 0/C2

(6)根据式(6)计算分析存在时差时，系统的流体传播速度，其表达式为3)不同方法传感器能耗对比测试I t^Lcos 0 - Leos 0 I① 将暖通空调系统运行中输入量最大重复差进行记录；② 以记录的最大重复差形成虚拟化数据批量验证，进行

通过式(7)能够尽量躲避测量C时所面临的困难，并且

能耗性能验证。还要求不受到温度的影响，能够准确的测定岀暖通空调系统 3.2性能检测的流量。为了验证所提出方法的综合有效性，需要进行一次测

测量出从A到B接收的延时时间，然后在控制4的超声

试，本次测试的操作系统为Windows8,在182GB内存硬件环 波发射频率当=\" 同理，控制B的超声波发射频率 境下进行测试，实验次数设定为80次。测试将选取所提方 £,当 £ = Q h o法(方法一)与暖通空调系统中温度传感器应用方法(方法 式中,K代表流体阻力系数。这两个换能器/1和B都是 二)和暖通空调系统中压差传感器应用方法(方法三)进行 可以互相之间交错来进行发射和接收的，必须要有控制转换

对比测试,测试结果如下所示。的电路才能够顺利的进行，发射频率都需要经过倍频电路处 理后才能够得到可逆计算器的差值。当人和B在暖通空调系统中装在和管道轴线成0夹角

时,这时都可以迎着流向，当人发射出的超声波发射频率为 f,时，利用多普勒效应,B所能够接受到的超声波频率这时左 400

->/,，利用式(8)给出多普勒频率表达式为3000 La-= f2 - = A/2Vcos 0/C (8)10 20 30•

40■■■a

50

60

70 80根据式(8)可得知暖通空调系统不同超声波发岀点的超 测试次数/次声波发射频率差,据此计算出暖通空调系统中流量。(a)所提方法传感器延时时长为了能够去除暖通空调系统中测量时声速C的影响，在 /1上添加一个声锲，它为固定材料，暖通空调系统中的超声

900波在声锲中的传播速度一直都比较的稳定，并且受温度的影

800700响都比较小,通过折射定律，给出其表达式为600500400= 2Vcos 0A//C

(9)3000—

增加声锲之后的多普勒流量可以明显的提高新型传感

器运行测量的精度，提高传感器运行过程中的稳定性和效

■20

■■Illi30

40 50 60 70 80率性。测试次数欣(b)暖通空调系统中温度传感器应用方法传感器延时时长3实验与仿真测试3.1仿真步骤900在仿真测试平台中,利用虚拟化迁移技术来实现基于传

感器的暖通空调系统的整机虚拟化。其后，在虚拟化环境上 进行补丁加固并验证其对暖通空调系统运行的安全影响。整个验证流程可以分为以下几个步骤：步骤1 ：暖通空调虚拟化数据的终端平台向仿真测试平

1030

40 50 60 70 80台下发实验任务；iiilllL20

测试次数/次步骤2：仿真测试平台对终端进行相关数据仿真；(c)暖通空调系统中压差传感器应用方法传感器延时时长步骤3：利用MATLAB 2018b获取仿真结果；图2不同方法传感器网络延时时长对比测试在仿真测试平台中，需要完成如下测试内容：1) 不同方法传感器网络延时时长对比测试分析图1可知,3种方法都随着测试次数的不断增加，网

① 自动检测传感器的节点部署情况；络延时时长也发生着一定的变化。当测试次数从10个增加 ② 分析网络运行的所需时长；到80个时，所提方法传感器网络延时时长大约在550 ~ 850

③ 正常、异常结果自动反馈。区间范围内进行上下浮动；暖通空调系统中温度传感器应用 2) 不同方法传感器超声波传播速度对比测试方法传感器网络延时时长大约在450 - 650区间范围内进行 ① 以单位时间内空调的通风量进行测试；上下浮动；暖通空调系统中压差传感器应用方法传感器网络 ② 分析对比单位时间内不同方法的通风量大小。延时时长大约在300 -500区间范围内进行上下浮动，通过

—469 —对比可知,所提方法传感器网络延时时长明显高于暖通空调 分析表2可以看出，3种方法都随着测试次数的不断增

系统中温度传感器应用方法和暖通空调系统中压差传感器 应用方法网络生存期，具有一定的应用价值。加，传感器能耗都发生一定的变化，当测试次数分别为100、 200.300时，所提方法传感器能耗都远远低于暖通空调系统

将所提方法与暖通空调系统中温度传感器应用方法和 暖通空调系统中压差传感器应用方法进行传感器超声波传 播速度对比测试，测试指标为通风量大小。首先利用双气压

中温度传感器应用方法和暖通空调系统中压差传感器应用

方法的传感器能耗。计同步法测量通风阻力，考虑压差计校正及单位换算系数k

4结束语建筑节能是现阶段我国主要研究的一个全新的领域，暖 通空调是现代化建筑中不可缺少的主要设备,通过分析暖通

计算通风量H。，通风量计算过程如下所示；h0 = HZqZj (10)

空调系统中传统的传感器不足之处，提出新型传感器在暖通 空调系统的应用方法。对暖通空调系统中新型传感器运行

式中,Z”代表压差计读数;Z”代表固有读数差;/.代表通风

测点的标高。状态进行分析，得出传感器运行规律，据此给出新型传感器 的测定分析。测试结果表明，所提方法传感器具有较强鲁棒

以式(10)为指标，进行不同方法传感器超声波传播速度 的测试，测试结果如表1所示。表1不同方法传感器超声波传播速度对比测试方法测试次数/次性，能够有效优化暖通空调系统运行状态，提高传感器的运 行效率，增强实用价值。参考文献：效率/s方法1708608508

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通空调系统中压差传感器应用方法进行传感器能耗对比测 试,测试结果如表2所示。表2不同方法传感器能耗对比测试[9] 代明，房顺涛.基于光纤光栅传感器的网络新型桥梁健康检测 系统应用技术研究[J].公路交通科技(应用技术版),2017,(10) : 248 -250.[10] 刘卓妹.新型气流组织在地铁车站通风空调系统中的应用分 析[J].暖通空调,2018,48(9):46-50+68.杨文，赵千川.基于能量平衡的暖通空调系统故障检测方法 [J].清华大学学报(自然科学版),2017(12):1272 -1279..方法方法！测试次数/次100能耗/S2301[11] [12]

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28714465120-124.2003006871[作者简介]方法31002003120551428张桂荣(1971 -),女(汉族)，河北石家庄人，研究

生，副教授，研究方向：暖通空调测控及节能、室内 空气品质。300—470 —