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(cè)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(duì)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(duì)于電動(dòng)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)程控制場(chǎng)合。自力式調(diào)節(jié)閥根據(jù)使用場(chǎng)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(duì)動(dòng)力性能的影響問(wèn)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(cè)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(guò)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(zhǎng)）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(duì)象的溫度。此閥還可以通過(guò)溫度調(diào)整設(shè)定溫度。在溫度調(diào)節(jié)過(guò)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(guò)不斷地調(diào)整位置來(lái)對(duì)流體流量進(jìn)行精確控制，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(chǎng)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(duì)溫度傳感器測(cè)量來(lái)說(shuō)，主要為氣、液兩種情況，因?yàn)棰�、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(shè)計(jì)及對(duì)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(duì)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(zhǎng)的管形傳感器外套后就可以測(cè)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(cè)量氣體。

    此外，在所測(cè)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(cè)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(guò)移動(dòng)裝設(shè)在外部的調(diào)節(jié)活塞來(lái)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(cè)溫范圍。

    2.3 管形傳感器過(guò)溫保護(hù)

   當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值范圍的上限時(shí)，推桿伸長(zhǎng)量，閥桿到達(dá)*末端，此時(shí)填充介質(zhì)完全充滿傳感器。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(guò)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(guò)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(guò)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(cè)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)完全的浸沒于被測(cè)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(cè)介質(zhì)，所吸收的熱量較少，影響了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，傳感器的測(cè)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(duì)動(dòng)力性能的影響分析

   特殊場(chǎng)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(lái)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(chǎng)合，如飛機(jī)增速器潤(rùn)滑油冷動(dòng)系統(tǒng)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)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(jiǎn)單，在固-液相變時(shí)活塞推桿行程較大（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(duì)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(chǎng)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(cè)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(yǔ)

   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(duì)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)、高效低耗、低污染和高自動(dòng)化。這對(duì)溫度控制的精度和安全可靠性要求愈來(lái)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(duì)自力式調(diào)節(jié)閥的研究，對(duì)于提高國(guó)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)

   [5]游伯坤，闞家矩，江兆章。溫度測(cè)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。

原創(chuàng)作者：上海艾迪爾自控儀表有限公司