自力式溫度調節閥是一種直接作用調節閥，它不需任何外加能源，把測量、調節、執行統一為一體，利用吸收被調對象本身的能量帶動其動作，實現溫度的控制。它具有結構簡單、價格便宜、動作可靠、自動化程度高等優點。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控制場合^[1]。文中主要以常見結構為例，探討液體膨脹型自力式溫度調節閥關鍵部件溫度傳感器的工藝設計問題。

      1 液體膨脹型自力式溫度調節閥工作原理與閥芯的受力分析

     常見的液體膨脹型自力式溫度調節閥結構主要由閥體1、閥座2、閥芯3、彈簧組件4、閥芯推桿6、波紋管組件7~9、剛性毛細管10、溫度傳感器11、12、溫度設定旋鈕13、溫度設定顯示14以及過溫保護裝置等構成。如圖1a所示。推動閥桿動作的壓力信號由傳感器11中的填充感溫液體介質的膨脹產生，并通過剛性毛細管10將壓力信號傳遞至平衡波紋管腔室。作用在閥芯上的上部流體的壓力和下部流體的壓力以及彈簧力都通過波紋管內液體感溫介質產生的力來平衡，其結果是推動力FA和預置彈簧的彈力FF的方向相反，但大小相同。二力在等流量狀態下平衡。當溫度在測量點基礎上上升或下降時，自力式溫度調節閥的控制與執行系統可減少或增大流量。

     溫度調節的過程如下：

     （1）當傳感器所測的介質溫度升高時，傳感器內的填充物膨脹并施加驅動力F_A在閥件上。
     （2）當F_A大于預設彈簧力F_F，后閥門的開度變小，通過閥門的流體流量減少。
     （3）流量減少后，溫度降低，直至達到新的力平衡狀態，此時，閥體到達新位置。如圖1b所示

     由上面對閥芯的受力分析可得：

     F_A=pA_B-（P₁-P₂）A_v-k₁X=F_F=k₂x                 （1）

      則：pA_B-（P₁-P₂）A_v=k₂x+k₁X=kx               （2）

     式中：A_B為波紋管的橫截面積；p為感溫介質產生的膨脹力；p₁為自力式溫度調節閥使用中閥前壓力；p₂為自力式溫度調節閥使用中閥后壓力；A_V為閥芯的橫截面積；k₁為波紋管的剛性系數；k₂為彈簧的倔強系數；k=k₁+k₂為波紋管與彈簧的總剛性系數；x為彈簧偏離平衡位置的位移。

     由式（2）可見，在自力式溫度調節閥設計中，分析溫度傳感器內感溫介質隨溫度變化所產生的膨脹量和膨脹力是至關重要的。

     2 液體膨脹型自力式溫度調節閥溫度傳感器的內充液體容積的設計與分析

     2.1 傳感器的內充液體容積的設計與分析

     當溫度升高時，固體、氣體和大多數的液體都會膨脹。圖2表示為液體膨脹型自力式溫度調節閥溫度傳感器原理：當溫度升高時，傳感器缸體內的液體就會膨脹，由于剛性缸體壁阻止了徑向的膨脹，液體只能沿軸向膨脹，從而推動活塞和連桿向上運動。

     根據文獻^[3]可近似地應用簡單液體與固體的簡化狀態方程：

     V=V_0^[1+α（T-T₀）-β（p-p₀）]            （3）

     式中α為等壓體積膨脹系數；
             β為等溫壓縮系數；
            P₀ 為溫度為T₀時液體的壓力；
            P為溫度為T時液體的壓力；
            V為時液體的容積；
             V₀為T₀時液體的容積。

     等壓體積膨脹系數α和等溫壓縮系數β都很小，在一定溫度范圍內為常數，可通過實驗測出，也可查閱相關文獻。p₀則可由充裝液體介質時確定，V₀是在溫度T₀時傳感器的容積，可取T₀為充裝溫度即室溫，則V₀即可認為是感溫傳感器的內充液體容積。

     傳感器缸體的活塞測量填充液體的熱膨脹量，其行程代表溫度的函數。在自力式溫度調節閥內，波紋管即為活塞，所以波紋管的行程變化量：

                        （4）

      由式（3）可得：ΔV=V₀[αΔT-β（p-p₀）]，代人式（4）得：

                   （5）

     又由式（1），當彈簧平衡位置與波紋管初始位置相同時，x=Δh，則：

     pA_B=kx+（P₁-P₂）A_V=k•Δh+（P₁-P₂）A_V               （6）

      聯立式（5）、式（6）得：

                                       （7）

      或（8）

                （8）

     式（7）可以認為是在一定的溫度和壓力范圍內傳感器內充裝液體容積V₀與閥門結構尺寸（A_V，A_B）、閥門彈簧與波紋管剛性（k₁，k₂）、使用條件（p₁）以及使用中可能出現的邊界條件——極限情況（對應溫度變化△T_max、閥后壓力P₂≈0和傳感器內壓力P_max）的關系式。式（8）是波紋管行程代表溫度的具體函數表達式，可見V₀在確定、在一定的溫度和壓力范圍內、一定使用條件情況下（即α，β，P₁，k等都為常數，P2因閥開度變化產生的變化較�。�，Δh與ΔT成線形關系。這說明，為獲取波紋管的某一行程量Δh，需要考慮操作元件的形狀能滿足要求：通常較小橫截面積A_V，傳感器能產生比大橫截面積傳感器更大的行程量。當波紋管的行程量較大時，測量的溫度范圍較大，因而傾向于采用較小容積傳感器以得到較大和較精確的測量結果。但小容積傳感器的缺點是傳遞的動力較小。因此，在設計傳感器內充介質容積的時候，必須兼顧行程、溫度的變化量以及所需動力的大小。

     2.2 傳感器填充液體類型的選擇

     為迅速、準確地將溫度的變化量反應在上推桿行程上，從而調節閥門開度，傳感器所吸收和散失的熱量應盡量少�？赏ㄟ^較小的體積和質量滿足此要求，但在體積確定的情況下也可以通過選擇某種較低熱容的填充介質來實現。貯存在感溫傳感器內充液體的熱量的計算如下^[4]：

     W=c_pmΔT           （9）

     式中c_p為填充液體的比熱，一般不是常量，而是隨溫度的變化而改變的，在一定溫度范圍內可近似為常數，可根據實驗或相關文獻查得；m為填充液體的質量；ΔT為溫度的改變量。

     自力式溫度傳感器一般采用丙三醇、甲醇、硅油等液體原料合成的合成油作為填充介質。除了液體，樹脂和塑料類物質也能用作填充介質。在很小溫度變化范圍內，膨脹性樹脂特別適用于體積變化較大的場合。填充介質的選擇同時要求填充液體無毒，不危害健康，不污染環境，如果萬一發生泄漏，可同廢水一起排放。

     3 結論

     液體膨脹型自力式溫度調節閥是一種不需要任何外加能源的直接作用調節閥，實踐使用中有著諸多優點。對液體膨脹型自力式溫度調節閥關鍵部件—感溫傳感器的工藝設計中，可以根據具體要求，依據上述討論中的基本原理和相應介質的物性參數，綜合考慮相關因素，計算內充介質的容積，選擇相應介質。此外，可依據文獻^[1]的討論與分析，設計感溫傳感器的結構型式與參數、推薦安裝位置。

     參考文獻：

     [1]李樹勛楊志鵬 杜兆年等.自力式溫度調節閥溫度傳感器結構分析[J].工業儀表與自動化裝置，2005，（6）：42~44
     [2]TemperatureRegu1ators[EB/OL].http：//www.samson.de.
     [3]張玉民阮耀鐘.熱學[M].北京：科學出版社，中國科學技術大學出版社。2002
     [4]傅玉普.物理化學，第三版[M].大連：大連理工大學出版社，2001.學出版社，2003

原創作者：上海艾迪爾自控儀表有限公司