測(cè)控器件在凈化空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

姚鵬超

陜西建工安裝集團(tuán)有限公司，陜西西安 710089

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品深加工技術(shù)日益成熟、完善，除對(duì)加工生產(chǎn)的設(shè)備提出新要求外，對(duì)生產(chǎn)加工環(huán)境溫度、濕度、空氣的凈化程度等也產(chǎn)生相應(yīng)的要求。在環(huán)境方面除對(duì)外部影響環(huán)境的因素加強(qiáng)監(jiān)督制約外，主要依靠對(duì)凈空調(diào)系統(tǒng)的測(cè)控和正常運(yùn)行來(lái)保障所需的生產(chǎn)環(huán)境，以節(jié)約更多的能源。

1 凈化空調(diào)系統(tǒng)組成及原理簡(jiǎn)述

一般而言，凈化空調(diào)系統(tǒng)是由新風(fēng)、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(fēng)部分是將室外空氣輸送至空調(diào)機(jī)組；凈化部分是依靠粗效、中效和高效多級(jí)過(guò)濾器對(duì)送入室內(nèi)的空氣進(jìn)行有效地過(guò)濾；熱濕處理是對(duì)空氣的溫度和濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)；輸送分配及控制是通過(guò)對(duì)空氣的相關(guān)參數(shù)的測(cè)試和控制，利用風(fēng)管、風(fēng)閥、風(fēng)口將空氣分配至各功能區(qū)；冷熱源是通過(guò)管道為空調(diào)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(guò)一定的測(cè)試和控制技術(shù)，可將上述幾部分組成一個(gè)有效的凈化空調(diào)系統(tǒng)。

凈化空調(diào)系統(tǒng)工作時(shí)，空氣的凈化主要依靠多級(jí)過(guò)濾器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而空氣調(diào)節(jié)主要依靠溫度、濕度及壓差等測(cè)控儀表進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果和設(shè)定值進(jìn)行比較后，按照預(yù)定的控制規(guī)律，對(duì)其進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)修正，使通過(guò)凈化后的空氣能夠滿足環(huán)境要求（其控制流程見(jiàn)圖1）。

圖1 凈化空調(diào)系統(tǒng)控制流程圖

2 測(cè)控器件的應(yīng)用

在凈化空調(diào)系統(tǒng)中，處理后空氣質(zhì)量除潔凈度外，其它也主要體現(xiàn)在“溫度、濕度、潔凈度及氣流速度”等四度上，因此可利用測(cè)控技術(shù)對(duì)空氣溫度、濕度、壓差、流量等進(jìn)行測(cè)量、控制和調(diào)節(jié)。

2.1 溫度傳感器

在空調(diào)系統(tǒng)中，溫度是最重要的調(diào)節(jié)參數(shù)，溫度調(diào)節(jié)也是空調(diào)自控的核心。因此只有通過(guò)對(duì)空氣溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)，才能為有效的調(diào)節(jié)提供依據(jù)。在溫度檢測(cè)和調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中，主要是依靠溫度傳感器將所檢測(cè)到的溫度經(jīng)過(guò)變送器轉(zhuǎn)換后，與調(diào)節(jié)裝置的設(shè)定值進(jìn)行比較，發(fā)出調(diào)節(jié)指令驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。若傳感器和變送器的性能較差，誤差過(guò)大時(shí)就會(huì)造成調(diào)節(jié)器的功能紊亂和失調(diào)，空調(diào)系統(tǒng)將無(wú)法正常運(yùn)行。

在空調(diào)系統(tǒng)中，最常用的為熱電阻和熱敏電阻測(cè)溫傳感器。其工作原理是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度發(fā)生變化的特性來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。由于其構(gòu)成材料和結(jié)構(gòu)構(gòu)造的不同，其分度號(hào)和測(cè)溫的反應(yīng)速度也會(huì)各有差異。目前較常用的主要有鉑熱電阻、銅熱電阻、半導(dǎo)體熱敏電阻等。

在工程實(shí)際中，鉑、銅等熱電阻傳感器使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的分度號(hào)、測(cè)試環(huán)境溫度范圍、測(cè)試精度要求、安裝位置等工況條件，選擇合適的測(cè)溫傳感器及配套的變送器或檢測(cè)儀表、調(diào)節(jié)器，以減少測(cè)量誤差，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正常運(yùn)行（常用鉑、銅熱電阻性能見(jiàn)下表1）。例如在空調(diào)房間室內(nèi)安裝時(shí)選擇固定式室內(nèi)熱電阻，在風(fēng)管上安裝時(shí)應(yīng)選用探針的尾部能夠到達(dá)風(fēng)管或空調(diào)機(jī)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(duì)于空調(diào)系統(tǒng)測(cè)溫中常用另一種半導(dǎo)體熱敏電阻測(cè)溫傳感器，主要是由Mn、Co、Ni、Fe 等金屬氧化物燒結(jié)而成。由于其制造工藝的特殊性而具有負(fù)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(shí)際使用時(shí)應(yīng)對(duì)其進(jìn)行線性化處理。而在一定的溫度測(cè)量范圍之內(nèi)，可近似地將電阻值和溫度的變化看做是線性的關(guān)系。由于半導(dǎo)體熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬熱電阻大10～15 倍，在測(cè)定對(duì)象的溫度發(fā)生微小變化時(shí)即可產(chǎn)生較強(qiáng)信號(hào)，其測(cè)試的靈敏度較高，因此在一些溫度測(cè)試要求精度較高的凈化通風(fēng)場(chǎng)所應(yīng)用更為普遍。

2.2 濕度傳感器

在凈化空調(diào)系統(tǒng)中，空氣的濕度和溫度同樣，也是一個(gè)重要參數(shù)。這兩個(gè)參數(shù)經(jīng)常是在同一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象里需同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)而又相互制約的兩個(gè)被調(diào)量。從空氣焓濕圖（i---d 圖）上可知，當(dāng)空氣中焓濕量不變時(shí)，隨著溫度的升高其相對(duì)濕度將降低。

在空調(diào)系統(tǒng)測(cè)量濕度的傳感器中，按信號(hào)轉(zhuǎn)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(shí)電阻性和電容性濕度傳感器利用空氣濕度變化時(shí)電阻和電容分別發(fā)生變化的特性來(lái)進(jìn)行測(cè)量。由于構(gòu)成材料和結(jié)構(gòu)的不同，使得這些傳感器在測(cè)量范圍、測(cè)量精度、安裝方式上各有不同，使用環(huán)境的要求各異。例如干濕球濕度傳感器的測(cè)量范圍一般為0℃～40℃、相對(duì)濕度20%～100%，遠(yuǎn)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(duì)濕度20%～100%，分為室內(nèi)壁掛式、風(fēng)道水平插入式、風(fēng)道從上至下的直插式等；濕敏電阻傳感器一般為相對(duì)30%～95%，抗水性強(qiáng)、性能穩(wěn)定，20℃相對(duì)誤差1%～3%；電容性濕度傳感器耐熱性差、測(cè)試范圍環(huán)境溫度和壓力范圍可達(dá)到50℃、靈敏度高、性能穩(wěn)定、抗污染能力強(qiáng)。

2.3 溫、濕度變送器

在測(cè)量過(guò)程中，由于傳感器產(chǎn)生的信號(hào)較弱，無(wú)法直接與顯示儀表、控制儀表或調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)配套使用，因此就需要將其放大、轉(zhuǎn)換成具有很強(qiáng)的抗干擾能力、既能和二次調(diào)節(jié)型儀表配套使用，又能和DDC 控制系統(tǒng)直接連接4～20mADC 或1～5VDC的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（其原理見(jiàn)圖2）。現(xiàn)在生產(chǎn)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(dú)立使用功能，用戶可依據(jù)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(kāi)關(guān)控制器

壓差開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)空調(diào)系統(tǒng)中正壓、負(fù)壓或空氣的差壓，具有高或低極限報(bào)警、手動(dòng)復(fù)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(gè)壓力傳感孔檢測(cè)到氣壓作用于控制器膜盒的兩側(cè)，產(chǎn)生壓差時(shí)由彈簧承托的薄膜移動(dòng)并啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，達(dá)到報(bào)警或控制的作用。可用來(lái)檢測(cè)空氣過(guò)濾器阻塞、蒸發(fā)翅片的結(jié)霜及機(jī)組內(nèi)風(fēng)機(jī)皮帶脫落或其他電氣故障。壓差開(kāi)關(guān)安裝時(shí)必須分清前后室，使薄膜處于垂直狀態(tài)，以保證其動(dòng)作的準(zhǔn)確性。

在空調(diào)系統(tǒng)中，常用的空氣流量開(kāi)關(guān)多為機(jī)械式，其工作原理是利用安裝在風(fēng)管內(nèi)的擋板在一定的氣流速度下發(fā)生偏移時(shí)帶動(dòng)控制系統(tǒng)的電氣觸點(diǎn)產(chǎn)生閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)控制目的。用于空調(diào)系統(tǒng)氣流流量及氣流的通斷狀態(tài)檢測(cè)。也可設(shè)置斷流聲光報(bào)警，切斷電加熱、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥防等電氣的連鎖，防止因斷流而造成設(shè)備及風(fēng)管過(guò)熱、直接蒸發(fā)式盤管結(jié)冰及其他影響系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的原因。

在空調(diào)系統(tǒng)中，常用的防凍開(kāi)關(guān)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(xì)管、波紋管內(nèi)感溫介質(zhì)壓力的變化來(lái)調(diào)節(jié)電氣控制回路節(jié)點(diǎn)的通斷。用于控制機(jī)組內(nèi)冷空氣的溫度、機(jī)組內(nèi)冷凝水產(chǎn)量和冷熱交換器表面結(jié)冰等損壞空調(diào)機(jī)組的狀況。

2.5 DDC 控制器

直接數(shù)字式控制器（Direct Digital Control，DDC）是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要是由被控對(duì)象、檢測(cè)變送器、執(zhí)行器和工業(yè)計(jì)算機(jī)共同組成。工作時(shí)，DDC 控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，直接通過(guò)多路采樣器按順序?qū)照{(diào)系統(tǒng)工作過(guò)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(kāi)關(guān)輸出的數(shù)字量等多種參數(shù)進(jìn)行采樣和巡回檢測(cè)，經(jīng)過(guò)模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換后輸入至計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)微機(jī)計(jì)算按照預(yù)先選用的控制規(guī)律，分別對(duì)每一路檢測(cè)量進(jìn)行比較分析和計(jì)算處理，將計(jì)算結(jié)果經(jīng)過(guò)數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換后通過(guò)輸出通道按順序直接作用在風(fēng)閥、調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行器上（其原理見(jiàn)圖3）。DDC 控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的空調(diào)控制系統(tǒng)所需多個(gè)控制器和復(fù)雜的線路相比較，計(jì)算速度快、計(jì)算能力強(qiáng)、可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)單回路PID 控制，其功能和性能優(yōu)于傳統(tǒng)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(jié)論

總之隨著測(cè)控器件的開(kāi)發(fā)創(chuàng)新，更多的測(cè)控器件將被應(yīng)用與凈化空調(diào)及其它生產(chǎn)領(lǐng)域，不僅促進(jìn)了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)控制技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也為更好的創(chuàng)建和實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約型的綠色科技目標(biāo)提供了相應(yīng)的基礎(chǔ)。

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