引言

   自力式調節閥也稱為直接作用調節閥，它是一種不需要任何外加能源，并且把測量、調節，執行3種功能統一為一體，利用吸收被調對象本身的能量帶動其動作，實現自動控制的調節閥。相對于電動、氣動調節閥，它具有結構簡單、價格便宜、動作可靠、自動化程度更高等優點，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。自力式調節閥根據使用場合的不同，可以實現溫度、壓力、壓差、流量等參數的調節。該文主要分析和研究自力式溫度調節閥傳感器結構設計對動力性能的影響問題。

    1、自力式溫度調節閥工作原理

   圖1為外感溫棒形自力式溫度調節閥結構示意圖。其工作原理：溫度傳感器——外感溫棒11測量流體的溫度→感溫棒內熱敏介質受熱膨脹（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，從而調節流體流量，調節控制對象的溫度。此閥還可以通過溫度調整設定溫度。在溫度調節過程中，溫度傳感器連續地將熱敏介質的膨脹量傳給閥桿，閥桿通過不斷地調整位置來對流體流量進行精確控制，確保系統在一個比較寬的操作范圍內保持恒定的溫度。

   自力式溫度調節閥溫度傳感器依據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；③基于飽和蒸汽壓原理填充揮發性液體；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、溫度傳感器結構設計及對動力性能的影響分析

   2.1管形傳感器結構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，而熱傳導系數決定熱變換的效果，液體的熱傳導系數遠高于氣體，所以管形傳感器內充裝熱敏介質為液體時，溫度變化傳入傳感器較快，傳感器內填充熱敏介質和閥的動作也較快。

   在選擇和設計溫度傳感器結構時，表面熱量的傳遞速率應盡可能大。填充介質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節裝置。這種傳感器通過移動裝設在外部的調節活塞來調節系統的體積。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限時，推桿伸長量，閥桿到達*末端，此時填充介質完全充滿傳感器。如果溫度繼續升高，傳感器中的填充介質體積不能繼續膨脹，不斷升高的內壓會損壞傳感器。為防止這種情況的發生，可設計安裝減壓裝置（見圖4）。其工作原理：過溫現象發生時，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整。

    2.4 管形傳感器測量位置選定

   自力式溫度調節閥能準確發揮其功能的前提是傳感器的正確安裝位置。傳感器應當完全的浸沒于被測介質中，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接觸被測介質，所吸收的熱量較少，影響了測量結果的準確性。另外，傳感器的測量不應有較大停滯時間。

   2.5杯形傳感器結構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動閥門，調節溫度。根據實驗，特種精餾石蠟——感溫蠟的等壓膨脹率可達15%，這樣有利于將自力式溫度調節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。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、汽車發動機潤滑油冷卻系統、機車、輪船冷卻系統等。

   杯狀固-液相變形傳感器一般有2種類型，結構如圖6所示。右圖結構簡單，在固-液相變時活塞推桿行程較大（可達12mm），但推動力較小，調節能力有限，可用于通斷型控制。這種結構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節閥的結構，其在固-液相變時活塞推桿行程較�。ㄒ话阈∮�10mm），但推動力很大，在一定范圍內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后有較強的溫度調節能力，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

   自力式溫度調節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溫度的63.2%時所需時間。表現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，時間常數越小，熱敏元件越能迅速地反映出熱介質溫度的變動，自力式溫度調節閥工作響應速度越快。時間常數不僅取決于熱敏元件的幾何參數，熱敏介質的物理性質，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比不帶保護套的標準傳感器的要大的多。

   根據文獻[5]，制造傳感器和套管的標準材料通常采用具有優良導熱性能的黃銅或青銅。在腐蝕性較強的介質中，可使用不銹鋼，但此種情況下，傳感器的時間常數增大約10%。對溫度傳感器套管而言，不銹鋼材料不影響時間常數。

   4結束語

   溫度傳感器結構設計是自力式溫度調節閥設計中一個關鍵的環節，若不能合理地根據情況設計結構，選擇正確的安裝方式，將直接影響自力式溫度調節閥的溫度調節與控制質量，甚至造成生生事故。為此，在設計或選用自力式調節閥時，對其溫度傳感器結構和安裝方式必須高度重視。

   隨著工業規模的不斷擴大，工業生產呈現大容量、高參數、高效低耗、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。自力式溫度調節閥以其優良的性能而有著廣闊的發展空間。因此，深入開展對自力式調節閥的研究，對于提高國產自力式調節閥的質量，開發新型自力式調節閥產品有著重要意義。

   參考文獻

   [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:科學技術文獻出版社,1990。

原創作者：上海艾迪爾自控儀表有限公司