气动系统有哪五部分组成(空调自控系统中常用器件)

传感器的定义：传感器是将被测非电量（物理量）信号转换为一个与之有对应关系的输出信号的器件或装置。

传感器的作用：传感器主要应用在自动测试与自动控制领域中。它将诸入压力、温度、流量、位移等参数转换为电量，然后，通过电的方法进行测量和控制。

热电阻传感器：

热电阻传感器的定义：

物资的电阻率随温度变化而变化的物理现象称为热电阻效应。利用电阻随温度变化而变化的特性（即热电阻效应）制成的传感器称为热电阻传感器。

热电阻传感器的作用：热电阻传感器主要用于检测温度和与温度有关的参量。

热电阻传感器的分类：

①金属热电阻；通常称为热电阻；

②半导体热电阻；通常称为热敏电阻；

空调系统中常用的温度传感器：

1、温度传感器的种类：

⑴金属材料制成的热电阻温度传感器；

⑵金属氧化物半导体材料制成的热敏电阻式温度传感器；

⑶由半导体PN结制成的半导体热敏电阻温度传感器；

2、几种温度传感器的特性：

①热电阻温度传感器是根据金属导体的电阻值随温度变化而变化的原理测温的；温度升高电阻值增大，称为正温度系数（ PTC ）热电阻。

②金属氧化物半导体材料制成的热敏电阻其温度特性为：温度升高，电阻值减小，通常被称为负温度系数（NTC）热敏电阻。

③半导体PN结制成的半导体热敏电阻是根据PN结正向压降随温度变化的原理工作的。也是负温度系数（NTC）热敏电阻。

3、空调系统中常用传感器的外形与结构：

⑴热电阻传感器；

⑵金属氧化物半导体热敏电阻传感器；

⑶半导体PN结热敏电阻传感器；

4、金属热电阻温度传感器的测温原理：

热电阻是热电阻温度计的测温元件，它是利用金属导体电阻值随温度变化而变化的特性来实现温度测量的。

⑴ 金属导体电阻值与温度的关系为：

式中：Rt－温度为t℃时电阻值；

R0－温度为t0（通常为0℃）时电阻值；

a－温度系数，即温度每升高1℃时的电阻相对变化量；

Δt－温度变化量；

ΔRt－温度改变Δt时的电阻变化量。

⑵ 热电阻温度传感器的特点：

①结构简单、工作可靠、电阻温度特性好、测温灵敏度高、精度高、测温范围较广（-200℃～＋650℃）。

②阻值－温度（R－t）特性：温度每升高1℃，热电阻的阻值升高约0.4％～0.6％。即电阻温度系数较小。

③正温度系数热敏电阻；

④阻值与温度不是线性变化，但在一定的范围内可进似为常数。

⑶热电阻的主要技术数据

①分度号：热电阻的分度号是以热电阻在0℃时的电阻值来标记的，以便与相应的调节器配套使用。

②阻值－温度（Rt－t）特性

例：铂电阻在-200℃～0℃范围内：

温度在0℃～850℃范围内时：

③热电阻的时间常数τ：

时间常数一般在10S～4min之内；

a)大热惯性：τ在1.5min～4min之内；

b)一般热惯性：τ在10S～1.5min之内；

c)小热惯性：τ在10S之内。

⑷热电阻式温度传感器的特性参数：

5、热电阻传感器的应用

⑴加热温度控制电路

6、金属氧化物半导体热敏电阻

⑴金属氧化物半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的温度敏感元件。

⑵金属氧化物半导体热敏电阻通常用铁、镍、钛、镁、铜等金属 氧化物按一定的比例混合经高温烧结而成。通过改变其中氧化物的成分和比例，可以得到不同测温范围、阻值和温度系数的NTC热敏电阻。

⑶金属氧化物半导体热敏电阻的特性

① 电阻值与温度的关系（Rt－t）如下：

式中：RT、RT0－ 温度为T、T0（K）时的温度值；

B－温度系数，大约为1500～5000K；

②B 参数：通常是指温度在25℃（T1）和50℃（T2）的B值：

式中：B－常数；

R1－在温度为T1（K）时的电阻值；

R2－在温度为T2（K）时的电阻值；

T1、T2－温度。

⑷金属氧化物半导体热敏电阻的特点：

①结构简单、灵敏度高、热响应时间短（小于1S）、稳定性好、寿命长、体积小。

②阻值－温度（R－t）特性：温度每升高1℃，热电阻的阻值升高较大。即电阻温度系数较大，是铂电阻的4～9倍。

③是负温度系数（NTC）热敏电阻；

④阻值与温度为非线性变化关系，互换性较差；通常在使用是都进行线性化处理。

⑸热敏电阻的线性化处理：

①采用并联电阻的方式，进行简易的线性化处理。

①以t1为中心确定并联电阻的阻值；

②灵敏度降低。

⑹金属氧化物半导体热敏电阻的种类与外形：

①种类：金属封装；玻璃封装；塑料封装；环氧树脂封装；

②外形图：

③温度－电阻特性曲线；

例：采用金属氧化物半导体热敏电阻的温控电路

7、半导体PN结温度传感器

⑴定义：半导体PN结温度传感器是利用半导体PN结两端电压随温度变化而变化的原理工作的。

⑵种类：

①二极管温度传感器；

②晶体管温度传感器；

③集成温度传感器。

⑶二极管PN结热敏电阻工作原理

①根据固体物理中有关PN的研究，可得出下面的公式：

式中：q－是电子的电荷量；

T－是绝对温度，单位为K；

k－是一个常数；

Is－是一个与外加电压无关的系数，称为反向饱和电流。

当PN结制成后，它基本上是一个只与温度有关的系数。

8、晶体三极管温度传感器

⑴NPN晶体管电压UBE与温度的理论依据

NPN晶体管在集电极电流IC恒定时，基极和发射

极间的电压UBE随环境温度变化而变化。

⑶ 硅晶体管UBE与温度关系曲线

温度系数为－2.4mV∕℃；

测温范围－50℃～200℃。

⑶晶体管温度传感器的特点

①结构简单、灵敏度高、热响应时间短（小于1S）、精度高、寿命长、体积小。

②阻值－温度（R－t）特性好。

③是负温度系数（NTC）热敏电阻；

④阻值与温度为线性变化关系，稳定性和互换性好。

9、集成温度传感器

集成温度传感器是将温度传感器与放大电路，偏置电源及线性化集成电路等采用集成化技术制作在同一芯片上，从而极大地提高了传感器的各项性能。

①测温精度高；②复现性好；③线性好，体积小；

④ 热容量小；⑤稳定性好；⑥输出电信号大。

温度变送器的特性及其传递函数：

变送器的定义：将传感器输出的信号变换为标准电压或电流的器件称为变送器。

变送器的特性：

⑴变送器作用及特点

①把传感器输入的非电量：（电量）信号转换为标准的电量信号（电压：0～10V DC、电流：4～20mA DC等）；

②对输入信号进行线性化放大与处理；

③变送器通常由电子线路组成，因此电子线路本身的时间常数、滞后都比较小；与传感器相比较通常可以忽约。

⑵变送器的数学表达式：

式中：BZ－变送器输出的标准信号；

θz－传感器测量信号（传感器输出信号）；

KB－变送器的放大系数（静态特性）。

⑶变送器的传递函数：

温度变送器：

温度变送器的定义：将温度变送器输出信号变换为标准电压或电流的器件称为温度变送器；

⑵温度变送器工作原理及方框图：

湿度传感器与变送器：

湿空气的状态参数：

在空气调节技术中，常用的状态参数是压力、温度、

含湿量、相对湿度、比焓及密度；

1、压力：湿空气是由干空气和水蒸气组成的混合气体，其总压力P应等于干空气的分压力Pg与水蒸气的分压力Pq之和即： P=Pg+Pq

蒸气分压力的大小，反映了湿空气中水蒸气含量的多少。湿空气的温度越高，空气中饱和水蒸气分压力也就越大，说明空气能容纳的水气数量越多。

水蒸气分压力是衡量湿空气干燥与潮湿的基本指标，是一个重要的参数。

2、温度：是表示湿空气冷热程度的指标；

3、含湿量（d）：是指1kg干空气所带有的水蒸气质

量，其单位是g∕kg（干空气）。它是表示湿空气湿度大小的重要参数之一。

在空气调节中，常用含湿量来表示空气被加湿或减

湿的程度。

4、相对湿度（φ）：是指空气中水蒸气分压力Pq与同温度下饱和水蒸气分压力Pqb之比；它表示空气接近饱和的程度：

绝对湿度给出的是空间内水分的具体含量；

而相对湿度则指出了大气的潮湿程度。

对湿度传感器的技术要求：

⑴使用寿命长，长期工作的稳定性好；

⑵测量范围宽，湿度和温度系数小；

⑶灵敏度高、感湿特性线性度好；

⑷湿滞回差小；

⑸响应速度快，时间短；

⑹一致性和互换性好，制造工艺简单，易于批量生产，转换电路简单，成本低廉；

⑺能在恶劣环境下工作；

湿度传感器的主要参数：

⑴感湿特性曲线：感湿特性曲线是指湿度传感器的输出量与被测环境湿度间的关系曲线；

⑵测湿量程：测湿量程是指湿敏传感器能以规定的精度测量的最大范围；

⑶灵敏度：常用感湿特性曲线的斜率来定义灵敏度，即灵敏度是输出量增量与输入量增量之比；

⑷湿度温度系数：湿度传感器的特性往往随环境温度的变化而变化，即在不同的环境温度下有不同的感湿特性曲线。

⑸响应时间：当环境湿度改变时，湿度传感器完成吸湿或脱湿以及动态平衡过程所需要的时间，称为响应时间；

⑹湿滞回线和湿滞回差：

空调系统中常用湿度传感器的种类：

①毛发湿度传感器（变送器）；

②氯化锂湿度传感器；

③半导体陶瓷湿度传感器；

⑤ 电容式湿度传感器；

常用湿度传感器的结构与外形图：

氯化锂湿度传感器的工作原理：

氯化锂(LiCl)是一种在大气中不分解、不挥发，也不变质而具有稳定的离子型无机盐类。它具有吸湿、放湿的特性，其吸湿量与空气相对湿度成一定的函数关系。随着空气相对湿度的变化，氯化锂吸湿量也随着变化。只有当它的蒸气压等于周围空气的水蒸气分压力时，才处于平衡状态。因此，随着空气相对湿度的增加，氯化锂的吸湿量也随着增加，从而使氯化锂中导电离子数增加，最后导致它的电阻减少。当氯化锂的蒸气压高于空气中水蒸气分压力时，氯化锂放出水分，导致电阻增大。

氯化锂湿度传感器的性能参数与特点：

①测量范围较宽15％～95％RH；

②测量精度±2％～5％RH；

③温度对测量精度影响较大；

④最高使用温度≤55℃；

⑤传感器必须使用交变电压；

⑥使用环境应保持清洁、无粉尘，纤维；

⑦稳定性不太高，会出现测量漂移；

氯化锂湿度传感器的应用：

① 电路原理方框图：

半导体陶瓷湿敏电阻（烧结型）：

⑴半导体陶瓷湿敏电阻的特点：

①使用寿命长，可在恶劣环境下工作；

②可检测到1%RH低湿状态；

③响应快、测量精度高；

④使用范围宽，以及湿滞回差小；

⑥ 使用过程中需经常进行电加热清洗；

⑵半导体陶瓷湿敏电阻的结构：

1－二氧化钛与氧化铬镁复合型感湿陶瓷；2－陶瓷基片；3－镀镁丝引线；4－金短路环；5－镍烙丝加热清洗线圈；6－金电极；

电容湿度传感器与变送器：

电容湿度传感器工作原理：

根据电容器电容量的关系：

式中：C－电容量；

ε－极板间介质的介电时间常数（F∕m）；

A－两平行极板间的相互覆盖的有效面积（m2）；

δ－两平行极板间的距离（m）；

电容量C直接受到ε、 A、δ的影响。

电容湿度传感器是利用当湿度变化时，改变极间介质的介电常数，通过电容量的测量来测量相对湿度的。极间介质选择具有吸湿，放湿特性的极薄的聚合物薄膜，电极采用金箔制成，要求薄到能允许水蒸气通过。由于聚合物薄膜的吸、放湿特性，使其含水量随着空气相对湿度变化而变化。水的介电常数与空气的介电常数相差很大，所以，当水分子被聚合物吸收后，将使平板电容器电容量产生很大的变化，这就是电容湿度传感器的工作原理。

⑶电容湿度传感器的性能与特点

①温度稳定性好；

②需要的动作能量低；

③动态响应快；

④可获得较大的相对变化量；

⑤结构简单，可在恶劣环境下工作；

⑷ 电容湿敏传感器特性曲线

主要技术参数：

①输出电压0～10V；

②测量湿度范围0％～95％RH；

③环境温度范围：0～55℃；

④测量精度：±3％～±5%；

空调自控系统中常用的调节器：

基本概念：

1、调节器 (又称控制器)的作用：

调节器的作用是将传感器(或变送器)送来的被控参数的检测值与工艺给定值相比较后产生的偏差，按照选用的控制规律(P、I、D及其组合)进行运算，发出统一标准的控制信号，从而对执行器(或电动阀)进行有序地控制，以实现生产过程中温度、湿度、压差、流量及其它工艺参数的自动控制。

2、控制器的控制规律：所谓控制器的控制规律是指控制器输出信号与输入信号之间随时间变化的规律。

3、控制器的基本控制规律有：比例(P)控制、积分(I)控制、微分(D)控制；由这些控制规律可组成P、PI、PID等几种常用的控制器；

例：采用数字直接控制的空气处理系统示意图

电动（电子）调节器：

1、调节器的基本功能：

①给定值、比较值的设定；

②参数的指示与显示；

③对输入的偏差信号进行判别与运算及操作；

2、几种电子调节器的外形：

常用调节器的类型：

1、XTMA－1000系列智能数显调节仪简介

⑴内部控制方框图

⑵主要控制功能

可进行温度或湿度控制；

即可进行单机独立控制，也可组成网络控制；

控制器可对输出信号是非线性传感器的进行线性化处理；

调节器具有较理想的控制特性，它采用不完全的的微分PID离散控制算法；

具有抗积分饱和功能及正、反作用选择；

PID自整定、程序、三位输入、报警等；

数据的断电保存；

抗干扰能力强；

⑶主要技术指标：

㈠输入形式：

1、热电偶：S、B、K、E、T（表示温度范围）；

2、热电阻：Pt100、Cu50；

3、线性输入：0～5V DC、1～5V DC、0～10mA、4～20mA；

㈡精度：

1、测量精度：±0.3％FS±1dig（位）；

2、分辨率：14bit;

3、采样周期：0.5S;

4、输入阻抗：热电偶，mV输入1 M Ω；直流电流输入：250 Ω；

㈢输出形式：（仅提供选择一种方式）

1、连续电流：0～10mA DC、4～20mA DC;

2、二位PID：控制周期1～200S，继电器触点输出；

3、三位PID：死区：（ 0～10.0 ）％可调；

继电器动作范围：（ 0.1～10 ）％可调；

继电器动作周期1～200S；

阀位反馈信号：0～10mA DC 或 4～20mA DC;

㈣PID参数范围：

1、比例带PB％：（0.1～400.0）％

PB％ ＝0 时为开－关控制）；

2、积分时间Ti：1～9999S；

3、积分时间TD：0～9999S（TD ＝0时微分作用切除）；

三位PID “死区”的含义：

模（件）块式温、湿度调节仪：

⑴调节仪的主要特点：

①巡测和调节功能：

可实现8路温度、湿度参数和8路设定值的巡测功能，8路参数的自动控制以及上、下限报警功能。

②通讯功能：通过网络控制器，RS485接口和控制主机（系统机），可实现空调自控系统的图形显示，温、湿度数据记录等功能。

③计算功能：根据被测点的温、湿度参数可计算其焓值含湿量，还可计算并显示出露点温度和湿球温度。

④特殊功能控制：智能显示单元有4个开关量输入和输出，可实现报警，远方启动、停止或根据新回风焓差，调节新回风比例，实现节能控制。

⑵调节仪的组成方框图及工作原理

⑶功能模块实现的功能

①温、湿度变送功能：

②调节功能：

a) 两路单继电器输出的断续调节；

b) 双继电器输出（调节方式为三位或三位PI的温度调节）；

③特殊调节功能：如串级调节、双分程选择控制；

分程控制的基本概念：

由一台控制器（调节器）的输出信号去控制两个或两个以上的调节阀工作，而且每一个调节阀上的控制信号只是控制器整个输出信号的某一段，通常将这种控制方式称为分程控制。

分程控制的工作原理：用分程器将0～10VDC输入信号分为两个行程：输入0～5V信号电压转换为0～10V的反相输出信号，去控制加热（加湿）器。

分程控制的工作原理曲线：

分程差选的优点：

在全年多季节环境中空调系统都能可靠的运行；

可以有效避免冷热抵消，即节约了能源又能获得较高的控制精度； 能自动的完成不同季节的工况转换；能够较好的处理与协调加热、冷却、加湿三者的工作方式；

空调房间精密恒温恒湿自动控制系统原理图：

变频调速器：

电动机的变频调速原理：

⑴ 鼠笼式交流异步电动机调速方法与特点：

①调压调速－采用可控硅进行调压调速；

②变级调速－采取改变电动机的级数改变电机转速；

③采用调压器调速（也属于调压调速）；

④变频调速－改变电动机输入电压的频率来改变电动机的转速；

⑵ 交流电动机电磁转矩公式：

⑶ 异步交流电动机机械特性曲线：

电动阀门定位器：

1、电动阀门定位器的定义：

电动阀定位器又称电子转换器，它将调节器输出的连续控制信号，对执行电动机的输出轴位置进行控制，使阀门位置与控制信号成比例关系，使阀位按输入的信号实现正确的定位。

2、电动阀门定位器工作原理图

阀门定位器的用途：

电动阀门定位器是电动调节阀的附件，它与相对应的执行器配套组成闭环系统。可以改善阀的特性，利用阀杆位移反馈来提高阀门定位的精度和灵敏度，它能输出较大功率的信号压力，克服阀杆的摩擦力和消除调节阀不平衡力的影响，从而保证阀门位置按控制器输出的操纵信号实现正确的定位。

阀门定位器的应用场合：

⑴用于执行器高精度定位及工作可靠、要求高的控制场合；

⑵用于阀门前后压差较大的场合；

⑶用于大口径阀门或执行器与控制器相距较远的场合；

⑷用于高压介质的调节，克服较大不平衡力与阀杆摩擦力；

⑸用于高压或低温介质控制阀的场合；

⑹用于流体介质中含有固体颗粒、悬浮物或粘性较大场合；

⑺用于改善阀门流量特性；

⑻用于分程控制用一个控制器控制两个以上的执行器的场合；

空调自控系统中常用的执行器：

1、执行器的作用：

执行器在自动控制系统中的作用就是接受控制器送

来的控制信号，改变被调介质的流量（蒸气量、冷水

量、风量、电压量），从而使生产过程的被调参数维

持在生产工艺与生产要求的范围内。

2、空调系统中常用执行器的类型：

⑴气动执行器；⑵电动执行器；⑶液动执行器；

⑷ 电动碟阀；⑸电磁阀；⑹电加热器；⑺风门；

3、部分执行器的外形图

⑴气动执行器；⑵电动执行器；⑶液动执行器；⑷电动碟阀。

4、常用执行器（电动阀）结构图

调节阀特性应用与选择：

调节阀的固有流量特性有线性、等百分比、快开及抛物线等几种。

①快开特性的调节阀基本上作为两位式控制用；

②抛物线特性的控制阀用于作为三通阀。

③调节阀的固有流量特性的选择主要是选用线性特性还是选用等百分比特性。

一般情况下，由于等百分比特性的调节阀能适应负荷变化范围较大的场合，因此在工程上常常优先考虑选用。

调节阀的使用温度范围及压力等级一般在铭牌和产品技术性能指标中有明确标注。

气动执行器：

⑴气动执行器是以压缩空气为能源的执行器（气动执行器）；

⑵特点：结构简单、动作可靠、性能稳定、故障率低、价格便宜、维修方便、防爆、容易做成大功率。

⑶结构示意图与动作原理

①气动执行器由两部分组成：

a) 执行结构; b) 调节结构;

②动作原理：压力P低时，阀门开大；压力P高时，阀门关小；压力变化使阀杆上下移动。

⑸ 气动执行调节阀的动态特性分析：

空调自控系统中常用的电动调节阀：

电动调节阀（电动执行器）

1、电动调节阀的作用：

电动调节阀在接受电动、电子式调节器输出的调节信号，开、关或调节输送管道内流动介质的流量，以达到自动调节被控参数的目的。

2、电动调节阀由电动执行机构和调节机构两部分组成；

3、电动调节阀的调节结构：

⑴可逆电动机；

⑵减速装置；

⑶推力机构；

⑷机械限位组件；

⑸弹性联轴器；

⑹位置反馈等部件；

4、电动调节阀执行机构：

调节阀的执行机构形式：

①、二通直通阀；②、三通调节阀；

①直通双座调节阀的特点：

流体作用在上、下阀杆的推力大小相等、反向相反，因此阀芯所受的不平衡力很小，因此允许应用在阀前、阀后压差较大的场合。但由于上下阀芯不易同时关闭，故泄漏量较大，阀体流路复杂，不适用于高粘度和含纤维介质的场合。

②直通单座调节阀的特点：

它具有泄漏量小，易于关断、不平衡力大的特点；

适用于泄漏量要求高、压差较小的场合。

③三通调节阀的特点：

当阀芯移动时，通过改变阀芯与阀座之间所形成的窗口流通面积而使流量变化，不论是合流型还是风流型，若一路流量增加，另一路流量必然减小。

一般要求两股流体的温差小于150℃。

⑶二通电磁阀与三通电磁阀外形

二通电动阀与三通电动阀外形图：

① 电动执行机构的调节形式：

角行程调节方式：角行程的电动执行机构在空气调节系统中广泛应用；

直行程调节方式：在电动调节阀中，通常使用直行程的电动调节机构；

电动执行器控制电路原理图：

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