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自力式溫度調(diào)節(jié)閥溫度傳感器結(jié)構(gòu)分析

2009年03月18日 20:24:03人氣:900來源:上海艾迪爾自控儀表有限公司

作  者: 李樹勛 楊志鵬 杜兆年 董金新
摘  要: 介紹了自力式溫度調(diào)節(jié)閥基本原理和特點(diǎn),分析了關(guān)鍵元件溫度傳感器的結(jié)構(gòu),并對不同結(jié)構(gòu)溫度傳感器的動(dòng)力特性進(jìn)行了對比。
來 源: 調(diào)節(jié)閥信息網(wǎng)

    引言

   自力式調(diào)節(jié)閥也稱為直接作用調(diào)節(jié)閥,它是一種不需要任何外加能源,并且把測量、調(diào)節(jié),執(zhí)行3種功能統(tǒng)一為一體,利用吸收被調(diào)對象本身的能量帶動(dòng)其動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的調(diào)節(jié)閥。相對于電動(dòng)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥,它具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、動(dòng)作可靠、自動(dòng)化程度更高等優(yōu)點(diǎn),適用于流量變化較小,儀表氣源或電源供應(yīng)困難和控制精度要求不是很高的過程控制場合。自力式調(diào)節(jié)閥根據(jù)使用場合的不同,可以實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、壓差、流量等參數(shù)的調(diào)節(jié)。該文主要分析和研究自力式溫度調(diào)節(jié)閥傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對動(dòng)力性能的影響問題。

    1、自力式溫度調(diào)節(jié)閥工作原理

   圖1為外感溫棒形自力式溫度調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖。其工作原理:溫度傳感器——外感溫棒11測量流體的溫度→感溫棒內(nèi)熱敏介質(zhì)受熱膨脹(或遇冷收縮)→通過剛性毛細(xì)管10將膨脹量(或收縮量)傳遞給波紋管腔室7→波紋管9的縮短(伸長)推動(dòng)帶彈簧的閥桿→制動(dòng)閥門,從而調(diào)節(jié)流體流量,調(diào)節(jié)控制對象的溫度。此閥還可以通過溫度調(diào)整設(shè)定溫度。在溫度調(diào)節(jié)過程中,溫度傳感器連續(xù)地將熱敏介質(zhì)的膨脹量傳給閥桿,閥桿通過不斷地調(diào)整位置來對流體流量進(jìn)行控制,確保系統(tǒng)在一個(gè)比較寬的操作范圍內(nèi)保持恒定的溫度。

   自力式溫度調(diào)節(jié)閥溫度傳感器依據(jù)原理不同有以下幾種主要形式:①基于液體的熱膨脹性原理采用填充特種液體;②基于物理吸附原理填充合適的吸附劑和吸附質(zhì);③基于飽和蒸汽壓原理填充揮發(fā)性液體;④基于氣體的熱膨脹性采用填充某種氣體;⑤特殊場合應(yīng)用的基于特種石蠟固——液相變熱膨脹性原理填充特種固體石蠟。事實(shí)上,相對溫度傳感器測量來說,主要為氣、液兩種情況,因?yàn)棰凇ⅱ転榧儦怏w,①為液體,③、⑤為2種情況的混合情況。

   2、溫度傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及對動(dòng)力性能的影響分析

   2.1管形傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對動(dòng)力性能的影響分析

   由于管形傳感器直接接觸被控制液體,而熱傳導(dǎo)系數(shù)決定熱變換的效果,液體的熱傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)高于氣體,所以管形傳感器內(nèi)充裝熱敏介質(zhì)為液體時(shí),溫度變化傳入傳感器較快,傳感器內(nèi)填充熱敏介質(zhì)和閥的動(dòng)作也較快。

   在選擇和設(shè)計(jì)溫度傳感器結(jié)構(gòu)時(shí),表面熱量的傳遞速率應(yīng)盡可能大。填充介質(zhì)缸體外表面裝設(shè)足夠長的管形傳感器外套后就可以測量液體,但氣體就需要特殊制造的傳感器,比如四管式傳感器。圖2所示是單管式傳感器與四管式傳感器放在熱水循環(huán)和輸氣管中的反應(yīng)比較圖。

    由圖可見:

    1)較大溫度變化能使閥桿達(dá)到zui大行程;
    2)在輸氣管中,使用較大的傳感器容積較適宜;
    3)四管式傳感器比單管式傳感器傳熱效率高、反應(yīng)快,適用于測量氣體。

    此外,在所測氣體介質(zhì)允許的情況下,可在管形傳感器外表面設(shè)計(jì)添加一定量翅片,以增加傳熱效率。

    2.2 管形傳感器設(shè)置點(diǎn)的調(diào)整

   較小的測量范圍限制了傳感器的廣泛應(yīng)用。因此,圖3中的溫度傳感器配備了一個(gè)調(diào)節(jié)裝置。這種傳感器通過移動(dòng)裝設(shè)在外部的調(diào)節(jié)活塞來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的體積。當(dāng)活塞被推進(jìn)右邊的缸體時(shí),與操作元件相連的推桿便會(huì)依所要求的體積而升高。改變推桿位置能改變閥桿行程位置,從而增加傳感器的測溫范圍。

    2.3 管形傳感器過溫保護(hù)

   當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值范圍的上*,推桿伸長量zui大,閥桿到達(dá)zui末端,此時(shí)填充介質(zhì)*充滿傳感器。如果溫度繼續(xù)升高,傳感器中的填充介質(zhì)體積不能繼續(xù)膨脹,不斷升高的內(nèi)壓會(huì)損壞傳感器。為防止這種情況的發(fā)生,可設(shè)計(jì)安裝減壓裝置(見圖4)。其工作原理:過溫現(xiàn)象發(fā)生時(shí),作用在活塞端部的壓力升高,在壓力大于過溫彈簧力的情況下推動(dòng)活塞,增加傳感器的體積。裝設(shè)過溫度彈簧不會(huì)影響設(shè)置點(diǎn)的調(diào)整。

    2.4 管形傳感器測量位置選定

   自力式溫度調(diào)節(jié)閥能準(zhǔn)確發(fā)揮其功能的前提是傳感器的正確安裝位置。傳感器應(yīng)當(dāng)*的浸沒于被測介質(zhì)中,圖5列舉了不同的安裝位置。傳感器被安放在與流動(dòng)方向垂直的方向上時(shí),其表面只能在較短的時(shí)間內(nèi)接觸被測介質(zhì),所吸收的熱量較少,影響了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外,傳感器的測量不應(yīng)有較大停滯時(shí)間。

   2.5杯形傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對動(dòng)力性能的影響分析

   特殊場合應(yīng)用的固-液相變材料如精餾石蠟,固-液相變時(shí)具有較大的膨脹率和膨脹力特性。實(shí)際中就是利用這個(gè)特性來驅(qū)動(dòng)閥門,調(diào)節(jié)溫度。根據(jù)實(shí)驗(yàn),特種精餾石蠟——感溫蠟zui大的等壓膨脹率可達(dá)15%,這樣有利于將自力式溫度調(diào)節(jié)閥的溫度傳感器做成杯狀,占很小體積,直接安裝在閥體之內(nèi)。該類閥廣泛應(yīng)用于要求安裝空間小、重量輕、控制精度較低的場合,如飛機(jī)增速器潤滑油冷動(dòng)系統(tǒng)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油冷卻系統(tǒng)、機(jī)車、輪船冷卻系統(tǒng)等。

   杯狀固-液相變形傳感器一般有2種類型,結(jié)構(gòu)如圖6所示。右圖結(jié)構(gòu)簡單,在固-液相變時(shí)活塞推桿行程較大(zui大可達(dá)12mm),但推動(dòng)力較小,調(diào)節(jié)能力有限,可用于通斷型控制。這種結(jié)構(gòu)對橡膠體的強(qiáng)度要求很高,其壽命也主要取決于橡膠體的情況。左圖是常用于溫度調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu),其在固-液相變時(shí)活塞推桿行程較小(一般小于10mm),但推動(dòng)力很大,在一定范圍內(nèi)活塞推桿行程與溫度成線形關(guān)系,所以在配置特制在放大機(jī)構(gòu)后有較強(qiáng)的溫度調(diào)節(jié)能力,廣泛應(yīng)用于上述各種溫度控制場合。

   固-液相變形熱敏材料由于固體階段傳熱能力很差,一般需要特殊的處理來提高熱敏感性,減少滯后量,常在其中加入一定比例、數(shù)目很高的銅粉。

   3溫度傳感器的動(dòng)力特性分析

   自力式溫度調(diào)節(jié)閥的動(dòng)力特性依賴于溫度傳感器的動(dòng)力性能。溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)τ描述了動(dòng)力性能:當(dāng)熱敏元件感受溫度達(dá)到階躍變化的熱介質(zhì)溫度的63.2%時(shí)所需時(shí)間。表現(xiàn)在閥桿行程上就是當(dāng)溫度漸變時(shí),閥桿行程達(dá)到新的操作點(diǎn)溫度的63.2%所需時(shí)間。顯然,時(shí)間常數(shù)越小,熱敏元件越能迅速地反映出熱介質(zhì)溫度的變動(dòng),自力式溫度調(diào)節(jié)閥工作響應(yīng)速度越快。時(shí)間常數(shù)不僅取決于熱敏元件的幾何參數(shù),熱敏介質(zhì)的物理性質(zhì),還與熱敏元件的換熱條件有關(guān)。從物理意義來說,熱敏元件的時(shí)間常數(shù)取決于熱敏元件的自身容量及表面換熱條件。熱敏元件的熱容量越大,溫度反映的越慢,因此,過大容量的熱敏元件推力雖大,但已失去熱敏元件的意義了。

   圖7是SAMSON公司用不同介質(zhì)和是否外裝保護(hù)套管的管形快速反應(yīng)傳感器在水中測量時(shí)間常數(shù)時(shí)所得的時(shí)間(t)和閥桿行程(Y)之間的關(guān)系曲線。從曲線可知,對快速反應(yīng)傳感器而言,未安裝保護(hù)套管的傳感器時(shí)間常數(shù)較小;安裝了保護(hù)套的傳感器會(huì)引起較長時(shí)間的滯后;由圖可見溫度傳感器保護(hù)套不適宜在充裝氣體的傳感器上使用。由于管形傳感器特殊形狀,在保護(hù)套和傳感器之間會(huì)形成一個(gè)狹窄的空氣間隙,該間隙起絕熱作用,所以帶有保護(hù)套的氣體傳感器的時(shí)間常數(shù)比不帶保護(hù)套的標(biāo)準(zhǔn)傳感器的要大的多。

   根據(jù)文獻(xiàn)[5],制造傳感器和套管的標(biāo)準(zhǔn)材料通常采用具有優(yōu)良導(dǎo)熱性能的黃銅或青銅。在腐蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)中,可使用不銹鋼,但此種情況下,傳感器的時(shí)間常數(shù)增大約10%。對溫度傳感器套管而言,不銹鋼材料不影響時(shí)間常數(shù)。

   4結(jié)束語

   溫度傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是自力式溫度調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)中一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié),若不能合理地根據(jù)情況設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),選擇正確的安裝方式,將直接影響自力式溫度調(diào)節(jié)閥的溫度調(diào)節(jié)與控制質(zhì)量,甚至造成生生事故。為此,在設(shè)計(jì)或選用自力式調(diào)節(jié)閥時(shí),對其溫度傳感器結(jié)構(gòu)和安裝方式必須高度重視。

   隨著工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,工業(yè)生產(chǎn)呈現(xiàn)大容量、高參數(shù)、低耗、低污染和高自動(dòng)化。這對溫度控制的精度和安全可靠性要求愈來愈高。自力式溫度調(diào)節(jié)閥以其優(yōu)良的性能而有著廣闊的發(fā)展空間。因此,深入開展對自力式調(diào)節(jié)閥的研究,對于提高國產(chǎn)自力式調(diào)節(jié)閥的質(zhì)量,開發(fā)新型自力式調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品有著重要意義。

   參考文獻(xiàn)

    [1] 吳國熙,調(diào)節(jié)閥的使用與維修[M]。北京;化學(xué)工業(yè)出版社,2000。
   [2]張玉民,熱學(xué)[M]。北京:科學(xué)出版社、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2002。
   [3]傅培松,宋偉榮。溫度傳感器(PT-100)安裝方式實(shí)驗(yàn)[J]。低溫與超導(dǎo),2002.18(6):14-19。
   [4]楊和基,自力式調(diào)溫器時(shí)間常數(shù)的分析研究[J]。低溫與超導(dǎo),1994,(9):36-39
   [5]游伯坤,闞家矩,江兆章。溫度測量與儀表—熱電偶和熱電阻[M]。北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1990。

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