自力式温度调节阀温度传感器结构分析

引言

自力式也称为直接作用，它是一种不需要任何外加能源，并且把测量、调节，执行3种功能统一为一体，利用吸收被调对象本身的能量带动其动作，实现自动控制的。相对于电动、，它具有结构简单、价格便宜、动作可靠、自动化程度更高等优点，适用于流量变化较小，仪表气源或电源供应困难和控制精度要求不是很高的过程控制场合。自力式根据使用场合的不同，可以实现温度、压力、压差、流量等参数的调节。该文主要分析和研究传感器结构设计对动力性能的影响问题。

1、工作原理

图1为外感温棒形结构示意图。其工作原理：温度传感器——外感温棒11测量流体的温度→感温棒内热敏介质受热膨胀（或遇冷收缩）→通过刚性毛细管10将膨胀量（或收缩量）传递给波纹管腔室7→

波纹管9的缩短（伸长）推动带弹簧的阀杆→制动阀门，从而调节流体流量，调节控制对象的温度。此阀还可以通过温度调整设定温度。在温度调节过程中，温度传感器连续地将热敏介质的膨胀量传给阀杆，阀杆通过不断地调整位置来对流体流量进行精确控制，确保系统在一个比较宽的操作范围内保持恒定的温度。

温度传感器依据原理不同有以下几种主要形式：①基于液体的热膨胀性原理采用填充特种液体；②基于物理吸附原理填充合适的吸附剂和吸附质；③基于饱和蒸汽压原理填充挥发性液体；④基于气体的热膨胀性采用填充某种气体；⑤特殊场合应用的基于特种石蜡固——液相变热膨胀性原理填充特种固体石蜡。事实上，相对温度传感器测量来说，主要为气、液两种情况，因为②、④为纯气体，①为液体，③、⑤为2种情况的混合情况。

2、温度传感器结构设计及对动力性能的影响分析

2.1管形传感器结构设计对动力性能的影响分析

由于管形传感器直接接触被控制液体，而热传导系数决定热变换的效果，液体的热传导系数远高于气体，所以管形传感器内充装热敏介质为液体时，温度变化传入传感器较快，传感器内填充热敏介质和阀的动作也较快。

在选择和设计温度传感器结构时，表面热量的传递速率应尽可能大。填充介质缸体外表面装设足够长的管形传感器外套后就可以测

量液体，但气体就需要特殊制造的传感器，比如四管式传感器。图2所示是单管式传感器与四管式传感器放在热水循环和输气管中的反应比较图。

由图可见：

1）较大温度变化能使阀杆达到最大行程；

2）在输气管中，使用较大的传感器容积较适宜；

3）四管式传感器比单管式传感器传热效率高、反应快，适用于测量气体。

此外，在所测气体介质允许的情况下，可在管形传感器外表面设计添加一定量翅片，以增加传热效率。

2.2 管形传感器设置点的调整

较小的测量范围限制了传感器的广泛应用。因此，图3中的温度传感器配备了一个调节装置。这种传感器通过移动装设在外部的调

节活塞来调节系统的体积。当活塞被推进右边的缸体时，与操作元件相连的推杆便会依所要求的体积而升高。改变推杆位置能改变阀杆行程位置，从而增加传感器的测温范围。

2.3 管形传感器过温保护

当温度达到设定值范围的上限时，推杆伸长量最大，阀杆到达最末端，此时填充介质完全充满传感器。如果温度继续升高，传感器中的填充介质体积不能继续膨胀，不断升高的内压会损坏传感器。为防止这种情况的发生，可设计安装减压装置（见图4）。其工作原理：过温现象发生时，作用在活塞端部的压力升高，在压力大于过温弹簧力的情况下推动活塞，增加传感器的体积。装设过温度弹簧不会影响设置点的调整。

2.4 管形传感器测量位置选定

能准确发挥其功能的前提是传感器的正确安装位置。传感器应当完全的浸没于被测介质中，图5列举了不同的安装位置。传感器被

安放在与流动方向垂直的方向上时，其表面只能在较短的时间内接触被测介质，所吸收的热量较少，影响了测量结果的准确性。另外，传感器的测量不应有较大停滞时间。

2.5杯形传感器结构设计对动力性能的影响分析

特殊场合应用的固-液相变材料如精馏石蜡，固-液相变时具有较大的膨胀率和膨胀力特性。实际中就是利用这个特性来驱动阀门，调节温度。根据实验，特种精馏石蜡——感温蜡最大的等压膨胀率可达15%，这样有利于将的温度传感器做成杯状，占很小体积，直接安装在阀体之内。该类阀广泛应用于要求安装空间小、重量轻、控制精度较低的场合，如飞机增速器润滑油冷动系统、汽车发动机润滑油冷却系统、机车、轮船冷却系统等。

杯状固-液相变形传感器一般有2种类型，结构如图6所示。右图结构简单，在固-液相变时活塞推杆行程较大（最大可达12mm），但推动力较小，调节能力有限，可用于通断型控制。这种结构对橡胶体的强度要求很高，其寿命也主要取决于橡胶体的情况。左图是常用于温度的结构，其在固-液相变时活塞推杆行程较小（一般小于10mm），但推动力很大，在一定范围内活塞推杆行程与温度成线形关系，所以在配置特制在放大机构后有较强的温度调节能力，广泛应用于上述各种温度控制场合。

固-液相变形热敏材料由于固体阶段传热能力很差，一般需要特殊的处理来提高热敏感性，减少滞后量，常在其中加入一定比例、数目很高的铜粉。

3温度传感器的动力特性分析

的动力特性依赖于温度传感器的动力性能。温度传感器的时间

常数τ描述了动力性能：当热敏元件感受温度达到阶跃变化的热介质温度的63.2%时所需时间。表现在阀杆行程上就是当温度渐变时，阀杆行程达到新的操作点温度的63.2%所需时间。显然，时间常数越小，热敏元件越能迅速地反映出热介质温度的变动，工作响应速度越快。时间常数不仅取决于热敏元件的几何参数，热敏介质的物理性质，还与热敏元件的换热条件有关。从物理意义来说，热敏元件的时间常数取决于热敏元件的自身容量及表面换热条件。热敏元件的热容量越大，温度反映的越慢，因此，过大容量的热敏元件推力虽大，但已失去热敏元件的意义了。

图7是SAMSON公司用不同介质和是否外装保护套管的管形快速反应传感器在水中测量时间常数时所得的时间（t）和阀杆行程（Y）之间的关系曲线。从曲线可知，对快速反应传感器而言，未安装保护套管的传感器时间常数较小；安装了保护套的传感器会引起较长时间的滞后；由图可见温度传感器保护套不适宜在充装气体的传感器上使用。由于管形传感器特殊形状，在保护套和传感器之间会形成一个狭窄的空气间隙，该间隙起绝热作用，所以带有保护套的气体传感器的时间常数比不带保护套的标准传感器的要大的多。

根据文献[5]，制造传感器和套管的标准材料通常采用具有优良导热性能的黄铜或青铜。在腐蚀性较强的介质中，可使用不锈钢，但此种情况下，传感器的时间常数增大约10%。对温度传感器套管而言，不锈钢材料不影响时间常数。

4结束语

温度传感器结构设计是设计中一个关键的环节，若不能合理地根据情况设计结构，选择正确的安装方式，将直接影响的温度调节与控制质量，甚至造成生生事故。为此，在设计或选用自力式时，对其温度传感器结构和安装方式必须高度重视。

随着工业规模的不断扩大，工业生产呈现大容量、高参数、高效低耗、低污染和高自动化。这对温度控制的精度和安全可靠性要求愈来愈高。以其优良的性能而有着广阔的发展空间。因此，深入开展