測控器件在凈化空調系統中的應用探討

姚鵬超

陜西建工安裝集團有限公司，陜西西安 710089

0 引言

隨著現代工業測控技術發展和產品深加工技術日益成熟、完善，除對加工生產的設備提出新要求外，對生產加工環境溫度、濕度、空氣的凈化程度等也產生相應的要求。在環境方面除對外部影響環境的因素加強監督制約外，主要依靠對凈空調系統的測控和正常運行來保障所需的生產環境，以節約更多的能源。

1 凈化空調系統組成及原理簡述

一般而言，凈化空調系統是由新風、凈化、熱濕處理、輸送分配及控制、冷熱源等部分共同組成。在這幾部分中，新風部分是將室外空氣輸送至空調機組；凈化部分是依靠粗效、中效和高效多級過濾器對送入室內的空氣進行有效地過濾；熱濕處理是對空氣的溫度和濕度進行調節；輸送分配及控制是通過對空氣的相關參數的測試和控制，利用風管、風閥、風口將空氣分配至各功能區；冷熱源是通過管道為空調表面換熱器提供冷熱交換及加濕所需能量的載體媒介。通過一定的測試和控制技術，可將上述幾部分組成一個有效的凈化空調系統。

凈化空調系統工作時，空氣的凈化主要依靠多級過濾器來實現，而空氣調節主要依靠溫度、濕度及壓差等測控儀表進行測量，并將測量結果和設定值進行比較后，按照預定的控制規律，對其進行控制和調節修正，使通過凈化后的空氣能夠滿足環境要求（其控制流程見圖1）。

圖1 凈化空調系統控制流程圖

2 測控器件的應用

在凈化空調系統中，處理后空氣質量除潔凈度外，其它也主要體現在“溫度、濕度、潔凈度及氣流速度”等四度上，因此可利用測控技術對空氣溫度、濕度、壓差、流量等進行測量、控制和調節。

2.1 溫度傳感器

在空調系統中，溫度是最重要的調節參數，溫度調節也是空調自控的核心。因此只有通過對空氣溫度進行準確的檢測，才能為有效的調節提供依據。在溫度檢測和調節環節中，主要是依靠溫度傳感器將所檢測到的溫度經過變送器轉換后，與調節裝置的設定值進行比較，發出調節指令驅動調節機構進行調節。若傳感器和變送器的性能較差，誤差過大時就會造成調節器的功能紊亂和失調，空調系統將無法正常運行。

在空調系統中，最常用的為熱電阻和熱敏電阻測溫傳感器。其工作原理是利用導體或半導體的電阻隨溫度發生變化的特性來進行測量的。由于其構成材料和結構構造的不同，其分度號和測溫的反應速度也會各有差異。目前較常用的主要有鉑熱電阻、銅熱電阻、半導體熱敏電阻等。

在工程實際中，鉑、銅等熱電阻傳感器使用時，應根據不同的分度號、測試環境溫度范圍、測試精度要求、安裝位置等工況條件，選擇合適的測溫傳感器及配套的變送器或檢測儀表、調節器，以減少測量誤差，使調節系統的正常運行（常用鉑、銅熱電阻性能見下表1）。例如在空調房間室內安裝時選擇固定式室內熱電阻，在風管上安裝時應選用探針的尾部能夠到達風管或空調機的中心插入式探針型熱電阻。

表1 鉑熱電阻、銅熱電阻性能表

對于空調系統測溫中常用另一種半導體熱敏電阻測溫傳感器，主要是由Mn、Co、Ni、Fe 等金屬氧化物燒結而成。由于其制造工藝的特殊性而具有負的溫度---電阻特性，即電阻值一般隨著溫度的升高而降低，溫度--電阻特性的非線性特征十分明顯，實際使用時應對其進行線性化處理。而在一定的溫度測量范圍之內，可近似地將電阻值和溫度的變化看做是線性的關系。由于半導體熱敏電阻的溫度系數比金屬熱電阻大10～15 倍，在測定對象的溫度發生微小變化時即可產生較強信號，其測試的靈敏度較高，因此在一些溫度測試要求精度較高的凈化通風場所應用更為普遍。

2.2 濕度傳感器

在凈化空調系統中，空氣的濕度和溫度同樣，也是一個重要參數。這兩個參數經常是在同一個調節對象里需同時進行調節而又相互制約的兩個被調量。從空氣焓濕圖（i---d 圖）上可知，當空氣中焓濕量不變時，隨著溫度的升高其相對濕度將降低。

在空調系統測量濕度的傳感器中，按信號轉換方式主要有電阻性和電容性兩類。目前較常用的有干濕球、氯化鋰、濕敏電阻及電容等濕度傳感器。在工作時電阻性和電容性濕度傳感器利用空氣濕度變化時電阻和電容分別發生變化的特性來進行測量。由于構成材料和結構的不同，使得這些傳感器在測量范圍、測量精度、安裝方式上各有不同，使用環境的要求各異。例如干濕球濕度傳感器的測量范圍一般為0℃～40℃、相對濕度20%～100%，遠離局部熱源安裝，需保持一定的濕度；氯化鋰濕度傳感器一般為-22℃～55℃、相對濕度20%～100%，分為室內壁掛式、風道水平插入式、風道從上至下的直插式等；濕敏電阻傳感器一般為相對30%～95%，抗水性強、性能穩定，20℃相對誤差1%～3%；電容性濕度傳感器耐熱性差、測試范圍環境溫度和壓力范圍可達到50℃、靈敏度高、性能穩定、抗污染能力強。

2.3 溫、濕度變送器

在測量過程中，由于傳感器產生的信號較弱，無法直接與顯示儀表、控制儀表或調節機構配套使用，因此就需要將其放大、轉換成具有很強的抗干擾能力、既能和二次調節型儀表配套使用，又能和DDC 控制系統直接連接4～20mADC 或1～5VDC的標準信號（其原理見圖2）。現在生產的由傳感器和多模塊組成的一體化溫濕度變送器，已具備獨立使用功能，用戶可依據使用要求做出選擇。

圖2 變送器原理圖

2.4 壓差、流量、防凍等開關控制器

壓差開關用于檢測空調系統中正壓、負壓或空氣的差壓，具有高或低極限報警、手動復位的高極限切斷功能。常用的多為彈壓式，其工作原理是將從兩個壓力傳感孔檢測到氣壓作用于控制器膜盒的兩側，產生壓差時由彈簧承托的薄膜移動并啟動開關，達到報警或控制的作用。可用來檢測空氣過濾器阻塞、蒸發翅片的結霜及機組內風機皮帶脫落或其他電氣故障。壓差開關安裝時必須分清前后室，使薄膜處于垂直狀態，以保證其動作的準確性。

在空調系統中，常用的空氣流量開關多為機械式，其工作原理是利用安裝在風管內的擋板在一定的氣流速度下發生偏移時帶動控制系統的電氣觸點產生閉合來實現控制目的。用于空調系統氣流流量及氣流的通斷狀態檢測。也可設置斷流聲光報警，切斷電加熱、電動調節閥防等電氣的連鎖，防止因斷流而造成設備及風管過熱、直接蒸發式盤管結冰及其他影響系統正常運轉的原因。

在空調系統中，常用的防凍開關多為壓力式，其工作原理主要是利用溫度的變化引起感溫包、毛細管、波紋管內感溫介質壓力的變化來調節電氣控制回路節點的通斷。用于控制機組內冷空氣的溫度、機組內冷凝水產量和冷熱交換器表面結冰等損壞空調機組的狀況。

2.5 DDC 控制器

直接數字式控制器（Direct Digital Control，DDC）是計算機控制技術在空調系統中的應用，主要是由被控對象、檢測變送器、執行器和工業計算機共同組成。工作時，DDC 控制器是以微處理器為基礎，直接通過多路采樣器按順序對空調系統工作過程中溫度、濕度、壓差、流量等變送器輸出的模擬量及壓差、流量、防凍等開關輸出的數字量等多種參數進行采樣和巡回檢測，經過模/數（A/D）轉換后輸入至計算機，經過微機計算按照預先選用的控制規律，分別對每一路檢測量進行比較分析和計算處理，將計算結果經過數/模（D/A）轉換后通過輸出通道按順序直接作用在風閥、調節閥等執行器上（其原理見圖3）。DDC 控制系統與傳統的空調控制系統所需多個控制器和復雜的線路相比較，計算速度快、計算能力強、可同時實現多個系統單回路PID 控制，其功能和性能優于傳統的控制方式，也不再需要模擬控制儀表。

圖3 DDC 控制原理圖

3 結論

總之隨著測控器件的開發創新，更多的測控器件將被應用與凈化空調及其它生產領域，不僅促進了現代工業生產控制技術的發展，同時也為更好的創建和實現能源節約型的綠色科技目標提供了相應的基礎。

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