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标题 蒸汽压缩式制冷循环教学实验台的研制
范文 陈震南+丁强+姜周曙
摘 ?要： 为改进机械式实验仪器，即蒸汽压缩式制冷循环实验台的性能缺陷，设计了基于STM32F103的数据采集板卡，提高数据采集的精度和稳定性;采用基于C#语言的实验软件并结合ASP.NET技术实现实验过程自动化和远程实验教学功能。在此对上述功能的实现过程进行必要的阐述并对实验台的重要性能指标不确定度进行了详细的分析。结果表明实验台能满足现有教学实验要求，并对同类实验装置的研发具有一定的参考价值。
关键字： 制冷循环; 数据采集; 远程实验教学; 实验台
中图分类号： TN919?34; TP23 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 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
目前教学使用的蒸汽压缩式制冷循环实验台大多数仍停留在机械式实验仪器阶段[1]。各时刻温度、压力等测量值仍需实验人员对仪器仪表数据进行手工记录，该实验条件严重影响实验数据准确性和实验可重复性，不利于在教学过程中对实验结果进行理论对比分析。
针对目前存在的问题，在此研制了以自动数据采集和实时数据处理为目的的实验台。以蒸汽压缩式制冷循环性能分析功能为需求，建立计算机自动测量控制系统，实现包含工况设定、数据采集显示、曲线模拟以及历史记录查询等功能，大幅降低由人为数据记录而引起的实验数据紊乱，提高实验的真实性[2?3]。此外，为提高实验室的开放性和利用效率，采用Web技术，实验人员通过PC机浏览器访问实验台服务器数据库，进行远程实验。
1 系统的整体设计
系统整体工作流程如图1所示。实验台采用热平衡法测量其制冷性能[4]。待测温度、压力、流量等模拟量，分别由STM32采集板经信号调理、高精度A/D采集、温控仪表采集，利用RS 485总线将数据传输至上位机监控软件显示、绘制成曲线，并将数据存至数据库，供历史查询以及B/S网络教学访问使用。此外，上位机可通过 RS 485对温控仪表进行实验工况设定。仪表根据冷凝、蒸发水箱温度，通过调整可控硅控制其中加热管输出功率[5]，使水箱温度与设定温度相等，达到热平衡目的。
2 ?系统硬件模块设计
系统温度、压力与流量采集功能结构如图2所示。其主要由STM32最小系统板、传感器模块电路、信号调理电路、485功能模块电路、A/D采样电路、电源以及复位等电路构成。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼30T1.tif>
图1 系统工作流程
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼30T2.tif>
图2 系统硬件模块
为提高实验数据的准确性与精度，系统温度传感器选用4线制Pt100，用于实验台水箱与冷媒温度测量;压力传感器选用横河FP201E，用于膨胀阀前后压力测量;涡轮流量计选用西格玛LWGY?25，用于冷凝水流量测量。
具体传感器具体参数如表1所示。
表1 传感器参数
2.1 ?温度采集电路设计
系统温度采集选用高精度、高线性度的四线制Pt100传感器，其工作所需的恒流电源由功率放大器OP07和电源差动放大器INA132产生，产生恒定电流Iout=2.5[VrefR19]，电路如图3所示。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼30T3.tif>
图3 恒流源电路
四线制Pt100采用差分电压采集，通过AD623将其差分电压信号转换成相对地的模拟电压信号，并从AIN1+输出如图4所示，再由24位高精度AD芯片CS5550将其转换为数字信号供STM32解析处理。<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼30T4.tif>
图4 Pt100电压处理电路
2.2 ?压力与流量采集电路设计
冷媒的冷凝、蒸发压力与冷凝器水循环流量采集均选用4～20 mA标准信号输出变送器[6]，由精度为1%的100 Ω电阻转换为0.4～2 V的电压信号，经过LM324四路运放完成电压跟随隔离，通过CS5550采集实现。
2.3 ?通信电路设计
采集板与上位机采用RS 485通信技术进行数据交互，电路如图5所示。
为使数字信号与通信信号不相互干扰，电路通过6N137和PC817光耦将STM32与MAX485信号进行光电隔离[7];正反对接的TVS管保证485AB线上的通信电平在-7～15 V的范围内，对通信电路起保护作用。
采集板处理完成的数据经6N137光耦后将TX脚信号转换成对等信号，再通过MAX 485转生成差分信号输出至上位机数据接收端;同理，来自上位机的信号由MAX 485转换成TTL信号，通过6N137隔离后经RX脚传送至STM32接收端。其中MAX485为半双工传输[8]，收发状态由STM32的CTRL脚控制。
3 ?系统软件设计
软件系统主要分为上位机监控软件与网络教学模块软件2大部分。软件主要基于Visual Studio 2008平台，采用面向对象语言C#设计实现[9]。
3.1 ?上位机监控软件设计
根据实际教学的功能需求，结合面向对象编程思想，设计了上位机监控软件功能主界面如图6所示。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼30T6.tif>
图6 上位机主界面
该上位机功能主要包括通信检测、数据库存储、调用显示、曲线绘制、历史查询、报表导出、运行参数记录、制冷动态性能分析、实验工况判稳等。再加上智能化数据采集分析，使实验误差降低，保证数据的真实性，提高了实验效率。在软件设计还中加入了多线程与委托等技术[10]，将数据采集传输功能安置于独立线程中，不同线程中的控件交叉调用采用委托处理，提高了软件操作流畅度。其上位机软件功能结构如图7所示。
3.2 ?网络教学设计
为提高实验设备开放性和利用效率，解决实验设备数量有限与学生数量庞大间的矛盾，在系统设计中添加了网络教学模块，同学可通过Web平台参与远程实验。
网络平台采用Web应用程序，由ASP. NET技术与C#语言进行开发，将本地电脑配置成服务器，网页由IIS发布供网络教学访问[11]，其Web数据界面如图8所示。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼30T7.tif>
图7 软件功能设计
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼30T8.tif>
图8 网络教学数据平台
其中服务器作为网络教学功能中转站，主要完成本地与远程网络的数据信息交互，功能流程如图9所示。实验人员通过远程浏览器发出服务请求，由服务器获得请求后将其传递至ASP.NET并根据ASP.NET要求对SQL Server 2005数据服务器进行数据操作，操作完毕后将结果反馈回ASP.NET并通过服务器将结果回传到浏览器显示后完成远程实验。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼30T9.tif>
图9 数据服务过程图
4 ?实验不确定度分析
4.1 ?温度采集不确定度计算
热平衡法实验台压缩机性能测试中，温度测量采用的Pt100传感器，阻值与温度关系式采用上海市计量研究所推荐公式[12]：
[RT=R01+α+10-2ασT-10-4ασ2α=R100R0-1100] （1）
式中：[R0]，[RT]，[R100]分别为[0 ?℃]、[T ?℃]、[100 ?℃]时Pt100的阻值，[σ=1.507]为常数。
根据不确定度原理得：
[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]分别为[R0]，[RT]，[R100]的标准不确定度。实验台选用精度等级B的Pt100，最大误差为±0.1 Ω，按正态分布置信区间95%，则包含因子k=1.96[13]。
[uR0=uR100=1k×0.1=0.051 ?Ω] ? ? ? ? ?（3）
实验采用的STM32采集板，经过多次传感器与采集板标定，得其测试精度为0.1%，误差服从均匀分布，置信系数为[3]，温度测量范围为0～60 ℃，根据不确定度计算方法，得：
[uRT=13×0.5%×T] （4）
4.2 ?流量采集不确定度计算
根据涡轮流量计产品规格书可知流量误为均匀分布，置信系数为[3]，测量精度为0.5%，得传感器引入的相对不确定度为：
[uL1=13×0.5%=0.289%] ?（5）
由采集板测量通道，引入的相对不确定度为：
[uL2=13×0.1%=0.058%] （6）
所以该流量计的合成标准不确定度为：
[uLL=Lu2L1+u2L2=0.002 ?95L] （7）
4.3 ?温控表不确定度计算
蒸发器温控仪表选用YOKOGAWA的UT550，根据产品说明书得知其测量精度为0.1%，误差服从均匀分布，测量通道不确定度为：
[uRT=13×0.1%×T] （8）
将其代入[uT]表达式，即可得到温控仪表的测量不确定度。根据仪表增量式PID关系式及三者参数分别0.07，121.5，30.3可得知，仪表输出相对不确定度近似为：
[u仪11=UT?kP+kI+kD2+kP+2kD2+k2D16×100% =UT×33%] （9）
4.4 ?制热量与制冷量不确定度
制热量为间接测量量，由热平衡法计算得出，其计算过程为：
[Q热=cmΔTt=cLT1-T2] （10）
根据间接测量不确定度原理有：
[u热=?Q热?LuLL2+?Q热?T1uT12+?Q热?T2uT22 ? ? ?=cT1-T22uLL2+L2uT12+-L2uT22] （11）
同理，根据系统制冷量计算方法[Q冷=β?Q管]，其中[Q管]蒸发器加热管总功率1 900 W，[β]为温控表输出，则有：
[u冷=u仪?Q冷] （12）
以冷凝水箱30 ℃、蒸发器水箱15 ℃的工况为例。其冷凝器出口水温[T1]为34.23 ℃，冷凝器进口水温[T2]为30.20 ℃，水流量[L]为0.106[kg/s];蒸发器水箱温度14.94 ℃，温控仪表输出实际功率为65%，压缩机实际功率为[Q压=405.1 ?W]，得出：[Q热=4 ?187×0.106×34.13-30.20=1730.9 ?WQ冷=1 ?900×65%=1 ?235.0 ?Wε=Q冷+Q热-Q热Q冷+Q热×100%=5.54%u热=130.8 ?Wu冷=1 ?235×0.17×33%=69.3 ?W] （13）
式中，[ε]为系统的热平衡系数，制热量的相对不确定度为7.56%，制冷量相对不确定度为5.61%，满足系统精度要求。
5 ?结 ?语
研制了以蒸汽压缩式制冷循环性能实验研究为目的的新型实验台，实现了实验过程数据采集与数据分析过程的实时性和自动化。采用ASP.NET技术满足了远程实验的功能要求。不确定度分析可知实验台可满足教学研究的需要，可为同类实验台的研制提供了参考。
参考文献
[1] 陈文卿，马元，彭学院，等.制冷压缩机基础理论研究与关键技术开发[J].制冷学报，2010（4）：14?21.
[2] 沈希.制冷压缩机制冷量测控系统的若干理论问题与实践[D].杭州：浙江大学，2006.
[3] 彭好义，周孑明，郭召永，等.制冷兼制热水一体化教学实验台的研制[J].实验技术与管理，2006（3）：49?51.
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[7] 孙奉昌，乐恺，姜泽毅，等.智能控制算法对加热炉温度控制研究[J].热能动力工程，2009（3）：337?341.
[8] 王军琴.广义预测控制算法在加热炉温度控制中的应用[J]. 现代电子技术，2010，33（10）：18?20.
[9] 陈林辉，张东彬，王石，等.制冷压缩机热力性能的仿真计算[J].制冷与空调，2005（6）：29?32.
[10] JIANG Jing， ZHANG Xue?song. Research on fuzzy?PID control algorithm from the temperature control system [C]// 2010 3rd IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology （ICCSIT）. [S.l.]： IEEE， 2010， 4： 152?155.
[11] 孙静，王再英.基于以太网远程温度监控系统的设计[J].微计算机信息，2008（25）：99?101.
[12] 曹小林，李雄林，喻首贤，等.空调器性能测试平台测量不确定度的研究[J].制冷学报，2009（5）：58?62.
[13] 李雄林.空调器性能测试的误差分析及不确定度研究[D].长沙：中南大学，2007.
[uR0=uR100=1k×0.1=0.051 ?Ω] ? ? ? ? ?（3）
实验采用的STM32采集板，经过多次传感器与采集板标定，得其测试精度为0.1%，误差服从均匀分布，置信系数为[3]，温度测量范围为0～60 ℃，根据不确定度计算方法，得：
[uRT=13×0.5%×T] （4）
4.2 ?流量采集不确定度计算
根据涡轮流量计产品规格书可知流量误为均匀分布，置信系数为[3]，测量精度为0.5%，得传感器引入的相对不确定度为：
[uL1=13×0.5%=0.289%] ?（5）
由采集板测量通道，引入的相对不确定度为：
[uL2=13×0.1%=0.058%] （6）
所以该流量计的合成标准不确定度为：
[uLL=Lu2L1+u2L2=0.002 ?95L] （7）
4.3 ?温控表不确定度计算
蒸发器温控仪表选用YOKOGAWA的UT550，根据产品说明书得知其测量精度为0.1%，误差服从均匀分布，测量通道不确定度为：
[uRT=13×0.1%×T] （8）
将其代入[uT]表达式，即可得到温控仪表的测量不确定度。根据仪表增量式PID关系式及三者参数分别0.07，121.5，30.3可得知，仪表输出相对不确定度近似为：
[u仪11=UT?kP+kI+kD2+kP+2kD2+k2D16×100% =UT×33%] （9）
4.4 ?制热量与制冷量不确定度
制热量为间接测量量，由热平衡法计算得出，其计算过程为：
[Q热=cmΔTt=cLT1-T2] （10）
根据间接测量不确定度原理有：
[u热=?Q热?LuLL2+?Q热?T1uT12+?Q热?T2uT22 ? ? ?=cT1-T22uLL2+L2uT12+-L2uT22] （11）
同理，根据系统制冷量计算方法[Q冷=β?Q管]，其中[Q管]蒸发器加热管总功率1 900 W，[β]为温控表输出，则有：
[u冷=u仪?Q冷] （12）
以冷凝水箱30 ℃、蒸发器水箱15 ℃的工况为例。其冷凝器出口水温[T1]为34.23 ℃，冷凝器进口水温[T2]为30.20 ℃，水流量[L]为0.106[kg/s];蒸发器水箱温度14.94 ℃，温控仪表输出实际功率为65%，压缩机实际功率为[Q压=405.1 ?W]，得出：[Q热=4 ?187×0.106×34.13-30.20=1730.9 ?WQ冷=1 ?900×65%=1 ?235.0 ?Wε=Q冷+Q热-Q热Q冷+Q热×100%=5.54%u热=130.8 ?Wu冷=1 ?235×0.17×33%=69.3 ?W] （13）
式中，[ε]为系统的热平衡系数，制热量的相对不确定度为7.56%，制冷量相对不确定度为5.61%，满足系统精度要求。
5 ?结 ?语
研制了以蒸汽压缩式制冷循环性能实验研究为目的的新型实验台，实现了实验过程数据采集与数据分析过程的实时性和自动化。采用ASP.NET技术满足了远程实验的功能要求。不确定度分析可知实验台可满足教学研究的需要，可为同类实验台的研制提供了参考。
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[13] 李雄林.空调器性能测试的误差分析及不确定度研究[D].长沙：中南大学，2007.
[uR0=uR100=1k×0.1=0.051 ?Ω] ? ? ? ? ?（3）
实验采用的STM32采集板，经过多次传感器与采集板标定，得其测试精度为0.1%，误差服从均匀分布，置信系数为[3]，温度测量范围为0～60 ℃，根据不确定度计算方法，得：
[uRT=13×0.5%×T] （4）
4.2 ?流量采集不确定度计算
根据涡轮流量计产品规格书可知流量误为均匀分布，置信系数为[3]，测量精度为0.5%，得传感器引入的相对不确定度为：
[uL1=13×0.5%=0.289%] ?（5）
由采集板测量通道，引入的相对不确定度为：
[uL2=13×0.1%=0.058%] （6）
所以该流量计的合成标准不确定度为：
[uLL=Lu2L1+u2L2=0.002 ?95L] （7）
4.3 ?温控表不确定度计算
蒸发器温控仪表选用YOKOGAWA的UT550，根据产品说明书得知其测量精度为0.1%，误差服从均匀分布，测量通道不确定度为：
[uRT=13×0.1%×T] （8）
将其代入[uT]表达式，即可得到温控仪表的测量不确定度。根据仪表增量式PID关系式及三者参数分别0.07，121.5，30.3可得知，仪表输出相对不确定度近似为：
[u仪11=UT?kP+kI+kD2+kP+2kD2+k2D16×100% =UT×33%] （9）
4.4 ?制热量与制冷量不确定度
制热量为间接测量量，由热平衡法计算得出，其计算过程为：
[Q热=cmΔTt=cLT1-T2] （10）
根据间接测量不确定度原理有：
[u热=?Q热?LuLL2+?Q热?T1uT12+?Q热?T2uT22 ? ? ?=cT1-T22uLL2+L2uT12+-L2uT22] （11）
同理，根据系统制冷量计算方法[Q冷=β?Q管]，其中[Q管]蒸发器加热管总功率1 900 W，[β]为温控表输出，则有：
[u冷=u仪?Q冷] （12）
以冷凝水箱30 ℃、蒸发器水箱15 ℃的工况为例。其冷凝器出口水温[T1]为34.23 ℃，冷凝器进口水温[T2]为30.20 ℃，水流量[L]为0.106[kg/s];蒸发器水箱温度14.94 ℃，温控仪表输出实际功率为65%，压缩机实际功率为[Q压=405.1 ?W]，得出：[Q热=4 ?187×0.106×34.13-30.20=1730.9 ?WQ冷=1 ?900×65%=1 ?235.0 ?Wε=Q冷+Q热-Q热Q冷+Q热×100%=5.54%u热=130.8 ?Wu冷=1 ?235×0.17×33%=69.3 ?W] （13）
式中，[ε]为系统的热平衡系数，制热量的相对不确定度为7.56%，制冷量相对不确定度为5.61%，满足系统精度要求。
5 ?结 ?语
研制了以蒸汽压缩式制冷循环性能实验研究为目的的新型实验台，实现了实验过程数据采集与数据分析过程的实时性和自动化。采用ASP.NET技术满足了远程实验的功能要求。不确定度分析可知实验台可满足教学研究的需要，可为同类实验台的研制提供了参考。
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更新时间：2025/2/5 21:56:14