測控器件在凈化空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

姚鵬超

陜西建工安裝集團有限公司，陜西西安 710089

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)測控技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品深加工技術(shù)日益成熟、完善，除對加工生產(chǎn)的設(shè)備提出新要求外，對生產(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)境方面除對外部影響環(huán)境的因素加強監(jiān)督制約外，主要依靠對凈空調(diào)系統(tǒng)的測控和正常運行來保障所需的生產(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(nèi)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(diào)節(jié)；輸送分配及控制是通過對空氣的相關(guān)參數(shù)的測試和控制，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。通過一定的測試和控制技術(shù)，可將上述幾部分組成一個有效的凈化空調(diào)系統(tǒng)。

凈化空調(diào)系統(tǒng)工作時，空氣的凈化主要依靠多級過濾器來實現(xiàn)，而空氣調(diào)節(jié)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(jié)果和設(shè)定值進行比較后，按照預(yù)定的控制規(guī)律，對其進行控制和調(diào)節(jié)修正，使通過凈化后的空氣能夠滿足環(huán)境要求（其控制流程見圖1）。

圖1 凈化空調(diào)系統(tǒng)控制流程圖

2 測控器件的應(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，因此可利用測控技術(shù)對空氣溫度、濕度、壓差、流量等進行測量、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。因此只有通過對空氣溫度進行準(zhǔn)確的檢測，才能為有效的調(diào)節(jié)提供依據(jù)。在溫度檢測和調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中，主要是依靠溫度傳感器將所檢測到的溫度經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換后，與調(diào)節(jié)裝置的設(shè)定值進行比較，發(fā)出調(diào)節(jié)指令驅(qū)動調(diào)節(jié)機構(gòu)進行調(diào)節(jié)。若傳感器和變送器的性能較差，誤差過大時就會造成調(diào)節(jié)器的功能紊亂和失調(diào)，空調(diào)系統(tǒng)將無法正常運行。

在空調(diào)系統(tǒng)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(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度發(fā)生變化的特性來進行測量的。由于其構(gòu)成材料和結(jié)構(gòu)構(gòu)造的不同，其分度號和測溫的反應(yīng)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(dǎo)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(yīng)根據(jù)不同的分度號、測試環(huán)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(diào)節(jié)器，以減少測量誤差，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正常運行（常用鉑、銅熱電阻性能見下表1）。例如在空調(diào)房間室內(nèi)安裝時選擇固定式室內(nèi)熱電阻，在風(fēng)管上安裝時應(yīng)選用探針的尾部能夠到達風(fēng)管或空調(diào)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(diào)系統(tǒng)測溫中常用另一種半導(dǎo)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(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，實際使用時應(yīng)對其進行線性化處理。而在一定的溫度測量范圍之內(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，在測定對象的溫度發(fā)生微小變化時即可產(chǎn)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(fēng)場所應(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，也是一個重要參數(shù)。這兩個參數(shù)經(jīng)常是在同一個調(diào)節(jié)對象里需同時進行調(diào)節(jié)而又相互制約的兩個被調(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，隨著溫度的升高其相對濕度將降低。

在空調(diào)系統(tǒng)測量濕度的傳感器中，按信號轉(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(fā)生變化的特性來進行測量。由于構(gòu)成材料和結(jié)構(gòu)的不同，使得這些傳感器在測量范圍、測量精度、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(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30%～95%，抗水性強、性能穩(wěn)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(huán)境溫度和壓力范圍可達到50℃、靈敏度高、性能穩(wěn)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(chǎn)生的信號較弱，無法直接與顯示儀表、控制儀表或調(diào)節(jié)機構(gòu)配套使用，因此就需要將其放大、轉(zhuǎn)換成具有很強的抗干擾能力、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（其原理見圖2）?，F(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、防凍等開關(guān)控制器

壓差開關(guān)用于檢測空調(diào)系統(tǒng)中正壓、負(fù)壓或空氣的差壓，具有高或低極限報警、手動復(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壓力傳感孔檢測到氣壓作用于控制器膜盒的兩側(cè)，產(chǎn)生壓差時由彈簧承托的薄膜移動并啟動開關(guān)，達到報警或控制的作用?？捎脕頇z測空氣過濾器阻塞、蒸發(fā)翅片的結(jié)霜及機組內(nèi)風(fēng)機皮帶脫落或其他電氣故障。壓差開關(guān)安裝時必須分清前后室，使薄膜處于垂直狀態(tài)，以保證其動作的準(zhǔn)確性。

在空調(diào)系統(tǒng)中，常用的空氣流量開關(guān)多為機械式，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)生偏移時帶動控制系統(tǒng)的電氣觸點產(chǎn)生閉合來實現(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。也可設(shè)置斷流聲光報警，切斷電加熱、電動調(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)管過熱、直接蒸發(fā)式盤管結(jié)冰及其他影響系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的原因。

在空調(diào)系統(tǒng)中，常用的防凍開關(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、毛細管、波紋管內(nèi)感溫介質(zhì)壓力的變化來調(diào)節(jié)電氣控制回路節(jié)點的通斷。用于控制機組內(nèi)冷空氣的溫度、機組內(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）是計算機控制技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要是由被控對象、檢測變送器、執(zhí)行器和工業(yè)計算機共同組成。工作時，DDC 控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，直接通過多路采樣器按順序?qū)照{(diào)系統(tǒng)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(guān)輸出的數(shù)字量等多種參數(shù)進行采樣和巡回檢測，經(jīng)過模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換后輸入至計算機，經(jīng)過微機計算按照預(yù)先選用的控制規(guī)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(jié)果經(jīng)過數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換后通過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)所需多個控制器和復(fù)雜的線路相比較，計算速度快、計算能力強、可同時實現(xiàn)多個系統(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

總之隨著測控器件的開發(fā)創(chuàng)新，更多的測控器件將被應(yīng)用與凈化空調(diào)及其它生產(chǎn)領(lǐng)域，不僅促進了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)控制技術(shù)的發(fā)展，同時也為更好的創(chuàng)建和實現(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)。

[1]李金川，鄭智慧.空調(diào)制冷自控系統(tǒng)運行與管理.北京：中國建材工業(yè)出版社，2002.

[2]居滋培.過程控制系統(tǒng)及其應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[3]張旭濤.傳感器技術(shù)及應(yīng)用.北京：人民郵電出版社，2010.

[4]涂光備.制藥工業(yè)潔凈與空調(diào).北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[5]張學(xué)助.空調(diào)潔凈工程安裝調(diào)試手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[6]施仁，劉文江.工業(yè)自動化儀表與過程控制.北京：國防工業(yè)出版社，1981.

[7]張禎，周治湖.空調(diào)自控設(shè)計基礎(chǔ)及圖例集.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993.

[8]李金川.空調(diào)運行管理手冊-原理結(jié)構(gòu)安裝維修.上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.