一种自然通风建筑边界热质流量实时监测系统技术方案

本发明专利技术公开一种自然通风建筑边界热质流量实时监测系统，包括耦合单摆传感器耦合单摆传感器、实时测试模块、数据传输模块、云端控制模块，耦合单摆传感器每个耦合单摆传感器都由摆线、节流板、温度传感器和电子陀螺仪组成；实时测试模块是由阵列布置在自然通风建筑边界开口的耦合单摆传感器组成：根据测试要求对耦合单摆传感器进行编号，实现自然通风建筑边界开口不同位置处的边界信息测量；数据传输模块用于接收耦合单摆传感器的数据信号，通过温度传感器和电子陀螺仪的内置通讯接口与PC机的通讯串口连接，实现实时监测数据的传输；云端控制模块用于确定最佳采样频率；显示数据信号和频谱分析结果，实现对建筑整体的协调控制。实现对建筑整体的协调控制。实现对建筑整体的协调控制。

【技术实现步骤摘要】
一种自然通风建筑边界热质流量实时监测系统


[0001]本专利技术涉及通风测量
，具体为一种自然通风建筑边界热质流量(温度、通风量)实时监测系统。

技术介绍

[0002]自然通风技术有巨大的节能潜力但受到室外微气候的强烈影响，室外风的随机性和波动性等因素造成量化自然通风大型工业建筑气流边界成为一个巨大的挑战，尤其是自然通风建筑通风口风速特性的在线实时高精度测试方法领域。尽管传统的超声波风速计方法可以获得更准确的实时测量结果，但由于其探头和数据处理设备价格昂贵，因此无法广泛使用。为了获得并量化大型建筑多个自然通风口气流边界的复杂特性，需要收集高频测试数据，并且需要保证测量仪器能够完成实时在线测试。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，对通风
内自然通风工业建筑的在线高精度测量方法进行优化创新，开发了耦合温度传感器和电子陀螺仪的耦合单摆传感器装置，在获得实时监测数据基础上，通过将数据上传云端，对数据集合进行选择控制，显示最合理的信号采样频率，提供一种基于传感器装置开发、实时测试、数据传输、云端控制的自然通风建筑边界热质流量(温度、通风量)实时监测系统。
[0004]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0005]一种自然通风建筑边界热质流量实时监测系统，包括耦合单摆传感器、实时测试模块、数据传输模块、云端控制模块，每个所述耦合单摆传感器都由两根完全相同的摆线、一块节流板、一个温度传感器和一个电子陀螺仪组成，温度传感器和电子陀螺仪分别设置于节流板正反两面的中心位置处，摆线的一端连接节流板，另一端用于固定于待测试的自然通风建筑边界：温度传感器和电子陀螺仪都设有内置通讯接口，用于实现对建筑边界开口处的温度变化、通风量变化进行实时连续监测，以反映各个开口处的温度、通风量变化情况，以及传热、传质情况；所述实时测试模块是由阵列布置在自然通风建筑边界开口的耦合单摆传感器组成：根据测试要求对耦合单摆传感器进行编号，实现自然通风建筑边界开口不同位置处的边界信息测量，所述边界信息包括温度变化、通风量变化；
[0006]所述数据传输模块用于接收耦合单摆传感器的数据信号，通过温度传感器和电子陀螺仪的内置通讯接口与PC机的通讯串口连接，实现实时监测数据的传输；
[0007]所述云端控制模块接收来自数据传输模块的全部数据信号，在Matlab平台通过C++编程语言实现对自然通风建筑边界温度、通风量信号的频谱分析，得到自然通风建筑边界开口不同位置处的具体气流变化特性，确定具体工程问题实际所需要的最佳采样频率；并通过在线控制面板根据需要选择性显示数据信号和频谱分析结果，实现对建筑整体的协调控制。
[0008]进一步的，自然通风建筑边界受室外风风速、风向影响，存在气流流出和流入两个
摆动状态，边界开口不同位置处的耦合单摆传感器的摆动状态不同；电子陀螺仪元件基于角动量守恒理论和加速度定律能够实现将其记录的角度相关信号转化为风速信号，继而根据风速结果计算得到实际通风量信号。
[0009]进一步的，布置耦合单摆传感器时，确保两根摆线长度一致，温度传感器和电子陀螺仪的高度一致，以实现对自然通风建筑边界气流温度、通风量的正确测量。
[0010]进一步的，温度传感器和电子陀螺仪的内置通讯接口与PC机的通讯串口基于蓝牙传输连接，能够实现若干台耦合单摆传感器阵列与PC机之间同时进行快速实时无线连接，继而将实时测量数据上传到云端。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：
[0012]1.本专利技术将温度传感器与电子陀螺仪耦合，用于监测自然通风建筑边界温度变化、通风量变化，对通风
内自然通风建筑开口边界的在线高精度测量方法进行优化创新。将耦合单摆传感器内置通讯接口与PC机通讯串口连接，实现实时监测需求并将实时测试数据集上传到云端，有利于后续对信号进行频谱分析，本专利技术还提出利用Matlab平台计算分析适合的采样频率作为补充。这种自然通风建筑边界热质流量(温度、通风量)实时监测系统，可以实现在线实时准确监测边界开口不同位置处的耦合单摆传感器阵列，并且依据不同需求提供合理采样频率，成本较低并且具有良好经济效益，能够满足大型工业建筑自然通风多边界测点测试的要求。
[0013]2.本专利技术监测系统获取并处理高频数据，配合频谱分析算法，能够实时精确地获取自然通风建筑边界开口不同位置处气流特性，可以用于大型自然通风建筑的即时研究。
[0014]3.本专利技术系统根据角动量守恒理论和加速度定律推导风速转化公式，实现了将角度信号转化为风速信号，进而计算得到通风量信号，相较于采用超声波风速仪直接测量风速再计算通风量的办法，本传感器经济性更好，降低了大空间多测点实验的成本。
附图说明
[0015]图1是本专利技术自然通风建筑边界热质流量实时监测系统的组成结构示意图。
具体实施方式
[0016]以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0017]一种自然通风建筑边界热质流量实时监测系统，如图1所示，包括依次连接的耦合单摆传感器、实时测试模块、数据传输模块和云端控制模块。
[0018]每个耦合单摆传感器都由2根完全相同的摆线、1块节流板、1个温度传感器和1个电子陀螺仪组成，温度传感器和电子陀螺仪位于节流板正反两面的中心位置处，布置耦合单摆传感器时，应保证两根摆线长度一致，温度传感器、电子陀螺仪高度一致，以实现对自然通风建筑边界气流温度、通风量的正确测量。电子陀螺仪元件基于角动量守恒理论和加速度定律可以实现将其记录的角度相关信号转化为风速信号，继而根据风速结果计算得到实际通风量信号。摆线长为40mm；节流板尺寸为150
×
150mm，其上有均匀分布的孔口，孔口直径2mm，允许气流通过；温度传感器的型号为DS18B20，测温范围
‑
55℃～+125℃，满足自然通风建筑实际测量使用要求；电子陀螺仪的型号为MPU6050，可以记录的变量包括在x、y、z
方向上的角度(A1、A2、A3)、加速度(a1、a2、a3)和角速度(W1、W2、W3)。电子陀螺仪记录窗口气流边界的风角度、角速度、角加速度信号，基于角动量守恒理论和加速度定律实现将角度相关信号的转化为风速信号，因此可以得到计算通风量结果。温度传感器和电子陀螺仪都设有内置通讯接口，用于实现对建筑边界开口处的温度变化、通风量变化进行实时连续监测，以反映各个开口处的温度、通风量变化特性，以及传热、传质情况；通过确定测试目的与待测位置，将耦合单摆传感器布置在自然通风建筑边界目标位置处形成阵列并开始测试，这个过程称作进入到实时测试模块；
[0019]实时测试模块是由阵列布置在自然通风建筑边界开口的耦合单摆传感器组成：自然通风建筑边界处受室外风风速、风向影响，存在气流流出和流入两个摆动状态，边界开口不同位置处的耦合单摆传感器的摆动状态不同；自然通风建筑可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自然通风建筑边界热质流量实时监测系统，其特征在于，包括耦合单摆传感器、实时测试模块、数据传输模块、云端控制模块，每个所述耦合单摆传感器都由两根完全相同的摆线、一块节流板、一个温度传感器和一个电子陀螺仪组成，温度传感器和电子陀螺仪分别设置于节流板正反两面的中心位置处，摆线的一端连接节流板，另一端用于固定于待测试的自然通风建筑边界：温度传感器和电子陀螺仪都设有内置通讯接口，用于实现对建筑边界开口处的温度变化、通风量变化进行实时连续监测，以反映各个开口处的温度、通风量变化情况，以及传热、传质情况；所述实时测试模块是由阵列布置在自然通风建筑边界开口的耦合单摆传感器组成：根据测试要求对耦合单摆传感器进行编号，实现自然通风建筑边界开口不同位置处的边界信息测量，所述边界信息包括温度变化、通风量变化；所述数据传输模块用于接收耦合单摆传感器的数据信号，通过温度传感器和电子陀螺仪的内置通讯接口与PC机的通讯串口连接，实现实时监测数据的传输；所述云端控制模块接收来自数据传输模块的全部数据信号，在Matlab平台通过C++编程语言实现对自然通风建筑边界温度、通风量信号的频谱分析，...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈雄，吕宇凌，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：