| 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其動作，實現(xiàn)自動控制的調(diào)節(jié)閥。相對于電動、氣動調(diào)節(jié)閥，它具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、動作可靠、自動化程度更高等優(yōu)點，適用于流量變化較小，儀表氣源或電源供應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)設計對動力性能的影響問題。 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）推動帶彈簧的閥桿→制動閥門，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行控制，確保系統(tǒng)在一個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。事實上，相對溫度傳感器測量來說，主要為氣、液兩種情況，因為②、④為純氣體，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)設計及對動力性能的影響分析 2.1管形傳感器結(jié)構(gòu)設計對動力性能的影響分析 由于管形傳感器直接接觸被控制液體，而熱傳導系數(shù)決定熱變換的效果，液體的熱傳導系數(shù)遠高于氣體，所以管形傳感器內(nèi)充裝熱敏介質(zhì)為液體時，溫度變化傳入傳感器較快，傳感器內(nèi)填充熱敏介質(zhì)和閥的動作也較快。 在選擇和設計溫度傳感器結(jié)構(gòu)時，表面熱量的傳遞速率應盡可能大。填充介質(zhì)缸體外表面裝設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)和輸氣管中的反應比較圖。 由圖可見： 1）較大溫度變化能使閥桿達到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計添加一定量翅片，以增加傳熱效率。 2.2 管形傳感器設置點的調(diào)整 較小的測量范圍限制了傳感器的廣泛應用。因此，圖3中的溫度傳感器配備了一個調(diào)節(jié)裝置。這種傳感器通過移動裝設在外部的調(diào)節(jié)活塞來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的體積。當活塞被推進右邊的缸體時，與操作元件相連的推桿便會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 當溫度達到設定值范圍的上*，推桿伸長量zui大，閥桿到達zui末端，此時填充介質(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)壓會損壞傳感器。為防止這種情況的發(fā)生，可設計安裝減壓裝置（見圖4）。其工作原理：過溫現(xiàn)象發(fā)生時，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活塞，增加傳感器的體積。裝設過溫度彈簧不會影響設置點的調(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。傳感器應當*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方向垂直的方向上時，其表面只能在較短的時間內(nèi)接觸被測介質(zhì)，所吸收的熱量較少，影響了測量結(jié)果的準確性。另外，傳感器的測量不應有較大停滯時間。 2.5杯形傳感器結(jié)構(gòu)設計對動力性能的影響分析 特殊場合應用的固-液相變材料如精餾石蠟，固-液相變時具有較大的膨脹率和膨脹力特性。實際中就是利用這個特性來驅(qū)動閥門，調(diào)節(jié)溫度。根據(jù)實驗，特種精餾石蠟——感溫蠟zui大的等壓膨脹率可達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)。該類閥廣泛應用于要求安裝空間小、重量輕、控制精度較低的場合，如飛機增速器潤滑油冷動系統(tǒng)、汽車發(fā)動機潤滑油冷卻系統(tǒng)、機車、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-液相變時活塞推桿行程較大（zui大可達12mm），但推動力較小，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-液相變時活塞推桿行程較小（一般小于10mm），但推動力很大，在一定范圍內(nèi)活塞推桿行程與溫度成線形關系，所以在配置特制在放大機構(gòu)后有較強的溫度調(diào)節(jié)能力，廣泛應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溫度傳感器的動力特性分析 自力式溫度調(diào)節(jié)閥的動力特性依賴于溫度傳感器的動力性能。溫度傳感器的時間常數(shù)τ描述了動力性能：當熱敏元件感受溫度達到階躍變化的熱介質(zhì)溫度的63.2%時所需時間。表現(xiàn)在閥桿行程上就是當溫度漸變時，閥桿行程達到新的操作點溫度的63.2%所需時間。顯然，時間常數(shù)越小，熱敏元件越能迅速地反映出熱介質(zhì)溫度的變動，自力式溫度調(diào)節(jié)閥工作響應速度越快。時間常數(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。從物理意義來說，熱敏元件的時間常數(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)和是否外裝保護套管的管形快速反應傳感器在水中測量時間常數(shù)時所得的時間（t）和閥桿行程（Y）之間的關系曲線。從曲線可知，對快速反應傳感器而言，未安裝保護套管的傳感器時間常數(shù)較??；安裝了保護套的傳感器會引起較長時間的滯后；由圖可見溫度傳感器保護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，在保護套和傳感器之間會形成一個狹窄的空氣間隙，該間隙起絕熱作用，所以帶有保護套的氣體傳感器的時間常數(shù)比不帶保護套的標準傳感器的要大的多。 根據(jù)文獻[5]，制造傳感器和套管的標準材料通常采用具有優(yōu)良導熱性能的黃銅或青銅。在腐蝕性較強的介質(zhì)中，可使用不銹鋼，但此種情況下，傳感器的時間常數(shù)增大約10%。對溫度傳感器套管而言，不銹鋼材料不影響時間常數(shù)。 4結(jié)束語 溫度傳感器結(jié)構(gòu)設計是自力式溫度調(diào)節(jié)閥設計中一個關鍵的環(huán)節(jié)，若不能合理地根據(jù)情況設計結(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，在設計或選用自力式調(diào)節(jié)閥時，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 [1] 吳國熙，調(diào)節(jié)閥的使用與維修[M]。北京；化學工業(yè)出版社，2000。 [2]張玉民，熱學[M]。北京：科學出版社、中國科學技術(shù)大學出版社，2002。 [3]傅培松，宋偉榮。溫度傳感器（PT-100）安裝方式實驗[J]。低溫與超導,2002.18（6）:14-19。 [4]楊和基，自力式調(diào)溫器時間常數(shù)的分析研究[J]。低溫與超導，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:科學技術(shù)文獻出版社,1990。 | 
