楼宇自动化技术与应用2013版6ppt课件

楼宇自动化技术与应用 第六章中央空调系统的监测与控制 第六章中央空调系统的监测与控制 第一节中央空调的基本控制方案 第二节中央空调制冷设备的控制 第三节空调水系统的控制方法 第四节空调风系统的控制方法 第五节定 变风量空调系统的控制方法 空气调节系统的组成与分类空调系统一般由空气调节处理系统 冷热媒输送系统和冷 热源系统三部分组成 楼宇设备控制系统中空调控制就是针对以上几部分进行监视 测量及自动控制 空调自动化控制系统的基本概念 第一节中央空调的基本控制方案 空调自动化控制系统的基本概念 第一节中央空调的基本控制方案 空气调节处理系统1 按空气处理设备的设置位置情况分类 1 集中式系统即空气处理设备 过滤 冷却 加热 加湿设备和风机等 集中设置在空调机房内 空气经处理后由风管送入各房间的系统 这种系统便于集中管理 维护 在智能建筑中 一般采用集中式空调系统 对空气的处理集中在专用的机房里 对处理空气用的冷源和热源也有专门的冷冻站和锅炉房 空调自动化控制系统的基本概念 第一节中央空调的基本控制方案 空调自动化控制系统的基本概念 第一节中央空调的基本控制方案 集中式 全空气系统 全空气单风道系统 第一节中央空调的基本控制方案 变风量中央空调系统 大楼中央空调 第一节中央空调的基本控制方案 用组合式空调箱实现全空气系统多房间的空气调节 第一节中央空调的基本控制方案 2 半集中空调系统除了集中空调机房外 还设有分散在被调节房间的二次设备 又称末端装置 其功能主要是在空气进入被调节房间前对来自集中处理设备的空气做进一步的补充处理 其典型设备为风机盘管系统 空调自动化控制系统的基本概念 第一节中央空调的基本控制方案 半集中式空调系统 风机盘管系统 第一节中央空调的基本控制方案 集中式空调与半集中式空调的区别 全空气系统 全水系统 第一节中央空调的基本控制方案 独立的新风系统 第一节中央空调的基本控制方案 半集中空调系统水管路送至各个房间的末端 风机盘管 第一节中央空调的基本控制方案 3 全分散系统也称局部空调机组 这种机组通常把冷 热源和空气处理 输送设备 风机 集中设置在一个箱体内 形成一个紧凑的空调系统 常用的窗式和柜式空调属于这种情况 它们都不需要集中的机房 安装方便 使用灵活 空调自动化控制系统的基本概念 第一节中央空调的基本控制方案 只有单机工作的空调系统 第一节中央空调的基本控制方案 局部空调系统 多联机 一拖多 第一节中央空调的基本控制方案 制冷剂直接进入每个房间的末端 室内走冷媒管 户式中央空调或商用空调 第一节中央空调的基本控制方案 2 按负担室内热湿负荷所用输送介质分类 1 全空气系统房间的全部负荷均由集中处理后的空气负担 由于空气的比热容较小 全空气系统需要较多的空气才能达到消除余热 余湿的目的 因此 这种系统需要较大断面的风道 占用建筑空间较多 定风量或变风量的集中式空调系统属于全空气系统 2 全水系统房间负荷全部由集中供应的冷 热水负担 由于水的比热容比空气大得多 所以在相同负荷的情况下 全水系统的输送管道占用的建筑空间较少 但这类系统仅能调节温度 不能调节湿度 并且不能解决通风换气问题 室内空气品质较差 所以用得不多 空调自动化控制系统的基本概念 第一节中央空调的基本控制方案 3 空气 水系统即房间的负荷由集中处理的空气负担一部分 其他负荷由水作为介质在送入空调房间前对空气再次处理 加热或冷却 的系统 这种系统的优点是既可解决全空气系统风道占用空间大的问题 又可以向空调房间输送一定量的新风来换气 以改善空调房间的卫生条件 常见的空气 水系统有空气 风机盘管机组系统 空气 水辐射板系统 4 制冷剂系统即室内负荷由制冷和空调机组组合在一起的小型设备负担 它按直接蒸发机组的安装组合情况可分为窗式 立柜式和分体式等 空调自动化控制系统的基本概念 第一节中央空调的基本控制方案 3 按使用空气的来源分类 1 全回风式系统 又称封闭式系统 指全部采用再循环空气的系统 即室内空气经处理后再送回室内 以消除室内的热湿负荷 2 全新风系统 又称直流式系统 指全部采用室外新鲜空气的系统 即新风经处理后送入室内 消除室内的热湿负荷后 再排到室外 3 新 回风混合式系统指采用一部分新鲜空气和室内空气 回风 混合的全空气系统 它介于上述两种系统之间 空调自动化控制系统的基本概念 第一节中央空调的基本控制方案 4 按空气流量状态分类 1 定风量系统即系统在运行过程中风量始终保持恒定 2 变风量系统即系统在运行过程中风量按一定的控制要求不断调整 以满足不同工况的需要 空调自动化控制系统的基本概念 第一节中央空调的基本控制方案 空调自动控制的意义 1 全面掌握系统信息测量建筑内空气温度 空气湿度 水流量 空调送风风速等参数 2 动态能耗计量分析实现建筑水 电 热量 燃气等能耗的自动统计计量 第一节中央空调的基本控制方案 3 控制调节和节能分析当气象条件等因素发生变化时 对系统设备的运行状态进行调节 实现节能优化 4 改善设备管理监测系统设备的运行状况 及时进行故障诊断和事故报警 5 不仅可以提高调节质量 降低冷 热量的消耗 节约能量 同时还可以减轻劳动强度 减少运行人员 提高劳动生产率和技术管理水平 空调自动控制的意义 第一节中央空调的基本控制方案 空调自动化 空调自动控制1 控制内容 包括参数检测 参数和动力设备状态显示 自动调节和控制 工况自动转换 设备连锁与自动保护以及中央监控与管理等 空调系统自动化程度是反映空调技术先进性的一个重要方面 第一节中央空调的基本控制方案 空调监控系统的特点 多干扰性 调节对象的特性 温 湿度相关性 分多工况性 整体控制性 第一节中央空调的基本控制方案 空调监控系统的功能 创造舒适宜人的生活和工作环境 它能对室内空气的湿度 相对湿度 清晰度等加以自动控制 保持空气的最佳品质 具有防噪音措施 提供给人们舒适的空气环境 对工艺性空调而言 可提供生产工艺所需要的空气的温度 湿度 洁净度的条件 从而保证了产品的质量 节约能源 在建筑物的电气设备中 制冷空调的能耗是很大的 因此 对这类电气设备需要进行节能控制 现在已从个别环节控制 进入到综合能量控制 形成基于计算机控制的能量管理系统 达到最佳控制 其节能效果非常明显 创造了安全可靠的生产条件 自动控制的监测与安全系统 使空调系统正常上作 能及时故障并进行处理 能够创造出安全可靠的生产条件 第一节中央空调的基本控制方案 空调监控系统的形式 单回路控制系统此种系统结构简单 投资少 易于调整 也能满足一般过程控制的要求 目前在空调控制系统中应用最为普遍 单回路控制系统框图 第一节中央空调的基本控制方案 空调监控系统的形式 在空调控制系统中采用多回路控制系统 其主要有串级控制 前馈控制 分程控制 比值控制和选择控制等系统 但其中串级控制系统提的最多 主要是由于串级控制系统比单回路控制系统只多一个温度传感器 投资不大 控制效果却有明显改善 容易被业主接受 多回路控制系统 第一节中央空调的基本控制方案 空调监控系统的形式 串级控制系统框图 第一节中央空调的基本控制方案 中央空调监控系统 中央空调监控系统主要包括对空调冷 热源系统 空气处理机系统 新风空调机系统 末端风机盘管系统的自动控制 其自动控制系统一般由敏感元件 控制器 执行机构 调节机构等几部分组成 典型的单回路自动控制系统控制流程图 第一节中央空调的基本控制方案 空调制冷系统压力 温度的自动控制 空调冷 热源系统担负着整栋智能楼宇各楼层及房间 办公室的制冷和制热的任务 并随着控制系统的自动调节控制 满足智能楼宇内的温度的舒适性 空调制冷系统的主要设备有冷却塔 冷却水泵 冷冻水泵 冷水机组及各种水阀 主要制冷方式有压缩式制冷 吸收式制冷和蓄冰制冷 在制冷系统中被控制和调节的参数主要是冷冻水的总供水和总回水之间的压差和冷却塔的回水温度 第一节中央空调的基本控制方案 空调制冷系统压力 温度的自动控制 空调制冷系统压力 温度控制原理图 第一节中央空调的基本控制方案 空气处理机系统的自动控制 空气处理是指对空气进行加热 冷却 加湿 干燥及净化处理 以创造一个温度适宜 湿度恰当并符合卫生要求的空气环境 空气处理机系统主要是对混合风进行温度和湿度处理 达到环境要求后 通过送风机送出 其控制方式有一次回风系统和二次回风系统 空气处理机系统采用直接数字控制器 DDC 控制和手动控制相结合的方式 对各个室内的送风温度进行调节 另外 由于温度和湿度均有一定的时延性 为了达到节能效果以及满足房间的舒适性 在空气处理中常常采用串级调节系统 送风管和回风管的温 湿度检测串行进行 第一节中央空调的基本控制方案 空气处理机系统的自动控制 温 湿度串级调级系统控制图 第一节中央空调的基本控制方案 新风空调机的自动控制 在中央空调系统中 为了提高室内舒适度及空气新鲜度等 需补充适量新风 并且新风量在空调冷热负荷中所占的比重很大 因此新风量控制在合适范围内是很有意义的 新风空调机主要对新风的供应进行调整 以保证智能楼宇内的空气清新 清除空气循环所积蓄的陈旧空气 新风空调机的一个非常重要的功能是完成对空调系统中的新风量的比例以及新风的温度和湿度进行控制 还可以根据新风温度改变送风温度的设定值 另外 从卫生的角度出发 智能楼宇内每人都必须保证有一定的新风量 但新风量取得过多 将增加新风耗能量 新风量大小可以根据室内CO2浓度来确定 因此 控制新风量大小时 可以考虑CO2浓度控制方法 第一节中央空调的基本控制方案 新风空调机的自动控制 新风空调机系统温 湿度 CO2控制送风量控制原理图 第一节中央空调的基本控制方案 新风空调机的自动控制 新风机组监控方案图 第一节中央空调的基本控制方案 全空气空调机组的监测控制 在空调系统中 全空气空调系统实际上是通过室内空气循环方式将盘管内水的热量或冷量带入室内 同时排除少量的污浊空气 适量补充新风的空调机组设备 与新风机组不同的是 控制调节对象是房间内的温湿度 而不是送风参数 并且需要考虑房间的夏季温度及节能的控制方法 新回风比变化调节等 因此 房间内要设一个或若干个温湿度传感器 以这些测点温湿度的平均值作为控制调节参照值 在要求不高的情况下也可在回风口设置此传感器 为了调节新回风比 对新风 回风 排风三个风门都要进行单独的连续调节 因此 每个风门都要一个AO点来控制 实际控制可利用DO点来实现 其机组运行参数包括 回风温度 湿度 过滤器堵塞状态 风机运行状态和过载报警 根据温度调节空调机水阀开度 第一节中央空调的基本控制方案 全空气空调机组的监测控制 全空气空调机组监控方案图 第一节中央空调的基本控制方案 末端风机盘管系统的自动控制 风机盘管系统是空调系统的末端设备 可以通过改变经过盘管的水流量而送风量不变 或改变送风量而水流量不变两种方式来达到调节室内温度的口的 末端风机盘管系统自接控制室内温度 满足用户的空气环境需求 楼宇自动化系统对风机盘管系统也进行集中监控 不过这种监控只是针对风机盘管系统的供电电源进行控制 而对风机盘管系统设备进行控制而言 则是采用独立的末端控制器 第一节中央空调的基本控制方案 末端风机盘管系统的自动控制 温度控制 温度控制送风量控制原理图 流量控制 流量控制送风量控制原理图 第一节中央空调的基本控制方案 2 组成 1 传感器 变送器 2 调节器 控制器 3 执行机构 4 调节机构 空调自动控制系统 第一节中央空调的基本控制方案 传感器的地位和作用 1 传感器技术是信息技术的基础与支柱当今的人类社会是一个信息社会 因而可以说 信息技术对社会发展 科技进步将起决定件作用 现代信息技术的基础有三个主要方面 信息采集 传感器技术 信息传输 通信技术 信息处理 计算机技术 包括软件和硬件 传感器在信息系统中处于前端 它的性能如何将直接影响整个系统的工作状态与质量 因此 人们对传感器在信息社会中的重要性具有相当高的评价 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 传感器的定义及构成 传感器构成框图 根据中华人民共和国国家标准 GB7665 87 传感器通用术语 传感器 Transducer Sensor 的定义是 能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置 通常传感器由敏感元件和转换元件组成 其中敏感元件 Sensingelement 是指传感器中能直接感受被测量的部分 转换元件 Transitionelement 是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分 第一节中央空调的基本控制方案 一个楼宇设备控制系统由测量变送装置 计算处理装置 执行装置几个部分组成 系统通过传感器完成对湿度 压力和温度等非电物理量的监测 并将其转换成相应的电学量 而变换后的电量作为被调参数送到计算处理装置 计算处理装置将被调参数与设定值进行比较 出现偏差后 按系统的不同要求进行相应的调节 输出控制信号 去控制执行机构的运行 将非电量 例如压力 温度 流速等 转换为电量的器件称为传感器 把非电量转换为电量 然后进行检测 对于楼宇控制系统来说 占有极为重要的地位 其精度及可靠性在某些场合甚至成为解决实际问题的关键 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 系统需要的被测信号以输出状态划分 一般分为开关量和模拟量两种 所谓开关量输入 是指输入信号为状态信号 其信号电平只有两种 即高电平和低电平 对于这类信号 只需经放大 整形和电平转换处理后 即可直接送入计算机系统 对于模拟量输入 由于模拟信号的电压或电流是连续变化的信号 因此对其进行处理就比较复杂 在进行小信号放大 滤波量化等处理过程中须考虑干扰信号的抑制 转换精度及非线性等诸多因素 这种信号在楼宇控制系统中主要有对温度 湿度 压力 流量 液位 浓度等的处理 同样 楼宇控制系统对外部设备进行控制也需要开关量和模拟量的输出 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 传感器的主要作用是拾取外界有效信息 如同人类在从事生产劳动时通过五官等器官感知周围信息一样 在现代化的楼宇设备控制中 传感器是必不可少的基础组成部分 它实现两种不同形式的量值之间的变换 目的是为了便于计量和检测 传感器一般是由敏感元件 传感元件和其他辅助器件组成 由于中央空调监控系统处理的控制过程响应时间通常比传感器响应时间大得多 因此传感器的选择主要考虑精度和量程 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 1 传感器精度传感器的精度应满足系统控制及参数测量的要求 必须高于要求的过程控制精度1个等级 2 传感器量程 1 温度传感器量程应为测点温度的1 2 1 5倍 2 压力 压差 传感器的工作压力 压差 应大于测点可能出现的最大压力 压差 的1 5倍 量程应为测点压力 压差 的1 2 1 3倍 3 流量传感器量程应为系统最大流量的1 2 1 3倍 且应耐受管道介质最大压力 并能瞬态输出 流量传感器的安装部位应满足上游10D 管径 下游5D的直管段要求 当采用电磁流量计或涡轮流量计时 其精度宜为1 5 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 4 液位传感器宜使正常液位处于仪表满量程的50 处 5 成分传感器的量程应按检测气体浓度进行选择 一氧化碳气体宜为0 300ppm或0 500ppm 二氧化碳气体宜为0 2000ppm或0 10000ppm 6 风量传感器宜采用皮托管风量测量装置 其测量的风速范围应为2 16m s 测量精度不应小于5 此外 传感器应能反映现场的真实情况 如湿度传感器应安装在附近没有热源 水滴且空气流通并能反映被测房间或风道空气状态的位置 其响应时间不应大于150s 对于智能传感器 应有以太网或现场总线通信接口 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 温度自动检测仪表 1 温度计的分类2 热电偶温度计 1 特点 2 热电偶的种类铂铑30 铂铑6热电偶 铂铑10 铂热电偶 镍铬 镍硅热电偶 铜 康铜热电偶 3 结构形式普通型 装配型 热电偶 铠装热电偶 薄膜热电偶 第一节中央空调的基本控制方案 温度自动检测仪表 3 热电阻温度计 1 测温原理 2 电阻的种类铂电阻 铜电阻4 热敏电阻温度计5 红外温度计 第一节中央空调的基本控制方案 温度自动检测仪表 6 自动温度仪表的选用与安装 1 温度计的选用分析被测对象合理选用仪表 2 测温元件的安装确保测量的准确性确保安全 可靠便于维修 校验和拆装加装保护外套时 减少测温滞后 3 连接导线的安装 第一节中央空调的基本控制方案 温度传感器 温度测量是大多数工业控制的关键环节 其实现方法通常是使温度传感器与待测固体表面相接触或浸入待测流体 真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的 这就是后来的热电偶传感器 50年以后 另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计 在半导体技术的支持下 本世纪相继开发了半导体热电偶传感器 PN结温度传感器和集成温度传感器 与之相应 根据波与物质的相互作用规律 相继开发了声学温度传感器 红外传感器和微波传感器 第一节中央空调的基本控制方案 温度传感器温度是楼宇控制中一个非常重要的参数 温度的自动调节不仅可给人们提供一个舒适的生活和工作环境 从节能的角度出发 温度的恰当控制还可为现代化楼宇节约大量的能源 温度传感器按采取测量被测介质温度的方式可分为接触式和非接触式两大类 接触式温度传感器的检测部分与被检对象有良好的热接触 通过传导或对流达到热平衡 这时 温度传感器的示值即表示被测对象的温度 如热电偶 热电阻 半导体PN结等都属于接触式温度传感器 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 基本测量原理 主要介绍常用的热电偶温度传感器 比如两种不同材质的导体 如在某点互相连接在一起 对这个连接点加热 在它们不加热的部位就会出现电位差 这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关 和这两种导体的材质有关 这种现象可以在很宽的温度范围内出现 如果精确测量这个电位差 再测出不加热部位的环境温度 就可以准确知道加热点的温度 铠装热电偶 第一节中央空调的基本控制方案 非接触式温度传感器的检测部分与被检对象互不接触 目前最常用的是通过辐射热交换实现测温 如红外测温传感器等 通常用于高温测量 如炼钢炉内温度测量 在楼宇自动化中对温度的检测范围为 1 室内 室外气温 40 45 2 风道气温 40 130 3 水管内水温0 100 4 蒸汽管内蒸汽温度100 350 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 热电阻利用导体电阻随温度变化而变化的特性制成的传感器 称为热电阻性传感器 它是利用金属导体的电阻随温度变化的特性进行测温的 用金属电阻作为感温材料 要求金属电阻的温度系数大 电阻与温度呈线性关系 因此在常用感温材料中首选铂和铜 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 金属电阻与温度的近似线性关系如下 式中Rt t 时电阻值 R0 0 时电阻值 电阻的温度系数 铂具有耐氧化特性 在相当宽的温度范围内有相当好的稳定性 且纯度越高 电阻温度特性越稳定 但铂电阻价格很高 铜的特点是易氧化 只能在低温及没有侵蚀性的介质中工作 另外 铜的电阻率比铂低得多 所以同样阻值的热电阻 铜电阻要更细更长 这使其机械强度差 体积也更大 Rt R 1 t 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 用镍制成的热电阻在性能上介于铜与铂之间 所以 在高精度 高稳定性的测量回路中通常用铂热电阻材料的传感器 要求一般 具有较稳定性能的测量回路可用镍电阻传感器 档次低 只有一般要求时 可选用铜电阻传感器 在使用热电阻测温时 要充分注意热电阻与外部导线的连接 在传感器和控制器之间的引线过长会引起较大的测量误差 引线电阻对铂电阻不超过R0的0 2 对铜电阻不超过R0的0 1 精密测量中则要考虑温度误差补偿 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 热敏电阻利用半导体的电阻随温度变化的属性制成温度传感器是常采用的又一种方法 目前使用的热敏电阻大多属陶瓷热敏电阻 半导体的电阻对温度的感受灵敏度特别高 上述提及的铜电阻 当温度每变化1 其阻值变化0 4 0 6 而热敏电阻温度每变化1 其阻值变化可达2 6 所以其灵敏度要比其他金属电阻高一个数量级 但是它的特性是非线性的 因此 后续的非线性校正处理比较复杂 如果是通过计算机对多个测点进行数据处理 有可能导致系统不能正常工作 此外 热敏电阻的互换性差 这给系统的维护带来一定的困难 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 热敏电阻按其阻值随温度变化的特性可分为三类 1 负温度系数 NTC 热敏电阻其阻值随温度的上升呈非线性减小 2 正温度系数 PTC 热敏电阻其阻值随温度的上升呈非线性增大 3 临界温度电阻式 CTR 热敏电阻它具有正或负温度系数特性 且存在一临界温度 超过此临界温度 其热敏电阻的阻值会急剧变化 传感器 三 空调自动化控制系统的基本概念 第一节中央空调的基本控制方案 热电偶两种不同导体A B接触时 由于两边自由电子密度不同 连接成闭合回路时 在交界面上会产生电子的相互扩散 致使在A B接触处产生电场 以阻碍电子的进一步扩散 达到最后平衡 平衡时接触电动势取决于两种材料的性质和接触点的温度 接点处温度不同 回路中出现的热电动势也不同 通过测量电动势来间接测取温度的装置称为热电偶 热电偶是温度测量中使用最为广泛的传感器之一 其测量的温度范围在 180 2800 热电偶测量的准确度和灵敏度都较高 尤其在高温范围内有较高的精度 因此 热电偶在一般的测量和控制系统中常用于中高温区的温度检测 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 将热电偶材料一端温度保持恒定 称为自由端 而将另一端插在需要测温的地方 这样两端的热电势就是被测温度 工作端 的函数 测出这个电势值就能确定被测温度 热电偶在使用中需要注意的一个重要问题是如何解决自由端温度补偿的问题 通常需采用补偿导线与热电偶连接 补偿导线的作用就是将热电偶的自由端延长到距热源较远 温度比较稳定的地方 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 对组成电偶的材料 必须是在测温范围内有稳定的化学与物理性质 且热电势要大 温度接近线性关系 铂及其合金属于贵金属 其组成的热电偶价格最贵 但优点是热电势非常稳定 铜 康铜价格最便宜 镍铬 考铜价格居中 而它的灵敏度最高 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 集成温度传感器集成温度传感器是利用集成化技术把温度传感器 如热敏晶体元件 与放大电路 补偿电路等制作在同一芯片上的功能器件 这种传感器输出信号大 与温度有较好的线性关系 且具有小型化 使用方便 测温精度高等优点 因此其应用日益广泛 集成温度传感器按输出量的不同可分为电压型和电流型两种 这种传感器具有绝对零度时输出电量为零的特性 利用这一特性可制作绝对温度测量仪 集成电路温度传感器的工作温度范围一般在 50 150 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 空气湿度自动检测仪表 1 自动干湿球温度计2 氯化锂电阻式湿度变送器3 氯化锂露点式相对湿度计 第一节中央空调的基本控制方案 湿度传感器智能建筑中对湿度的检测主要用于室内外空气湿度和风道空气湿度的检测 湿度测量一般用湿敏元件 常用的湿敏元件有电阻式和电容式两种 电阻式湿度传感器电阻式湿度传感器主要利用高分子材料吸湿后电阻发生变化的特性制成 可以通过测出电阻值间接测出湿度 例如 硒膜湿度传感器是利用硒薄膜具有较大的吸湿面这一特点研制而成的 即在绝缘管上镀上一层铂膜作为两个电极 在两个电极之间蒸发上硒 两极间电阻大小随着吸湿面上硒的湿度大小而变化 这种传感器能在高湿度上连续使用 性能稳定 并且可以用单个元件测量0 100 RH范围的湿度 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 电容式湿度传感器电容式湿度传感器主要是利用高分子薄膜在吸湿后介电常数发生变化 从而导致电容发生改变的特性制成的 由于高分子薄膜可以做得很薄 容易吸收空气中的水分 也容易将水分散发掉 这就决定了其滞后误差小和响应速度快 而且电容与湿度基本呈线性关系 电容式湿度传感器元件尺寸小 响应快 湿度系数小 有良好的稳定性 因而也是常选用的湿度传感器 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 温度和湿度传感器 第一节中央空调的基本控制方案 温湿度传感器 温湿度传感器应用于HVAC控制系统或环境监测 有墙装型 风道型两种 传感元件采用瑞士集成IC元件 与普通电容式湿度敏感元件传感器有本质的区别 第一节中央空调的基本控制方案 压力和压差自动检测仪表 1 电阻式远传压力表2 电动差压变送器3 气动压力 差压变送器4 压力表的选用与安装 1 压力计的选用 2 压力计的安装 第一节中央空调的基本控制方案 压力传感器 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器 而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的 这样的传感器也称为压电传感器 除了压电传感器之外 还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器 利用应变效应的应变式传感器等 这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料 在不同的场合能够发挥它们独特的用途 这种压力变送器主要利用液体或气体在检测器件上形成的压力来检测液体或者气体的流量或压强 把这种压力信号转变成标准的0 10V或者4 20mA电信号 以便控制使用 第一节中央空调的基本控制方案 压力传感器基本测量原理 压力传感器受压力作用时 应变膜片产生形变而使其电阻发生变化 通过一定的电路形式 转换成电量输出 如图所示为单个硅片构成应变电阻的示意图 一个压力传感器一般由四个单晶硅膜片电阻 构成惠斯顿电桥形式 可通过外电路调节其零压力时的平衡 受压力作用时 电桥将输出与外压力成线性关系的电压 中电桥臂电阻为和 受压作用时 当电桥提供恒流电源时 则输出电压 第一节中央空调的基本控制方案 敏感元件和转换元件 第一节中央空调的基本控制方案 压力传感器结构示意图 惠斯顿电桥 第一节中央空调的基本控制方案 常用 型两线制压力变送器电原理图 第一节中央空调的基本控制方案 a 绝对压力测量 1 绝对压力的测量 例用于水位测量 在零压力时 膜片上已有一个大气压的作用 如图 a 所示 2 表压力的测量 例用于正 负压力的测量 如图 b 所示 3 差压测量 例用于差压测量 如图 c 所示 b 表压力测量 c 差压测量 压力传感器三种测量方式的结构 第一节中央空调的基本控制方案 压力传感器在建筑设备控制系统中对压力的检测主要用于供回水管压力 压差 风道静压和房间微正压的检测 有时也用来测量液位 如水箱的水位等 大部分的应用属于微压测量 量程一般为0 5000Pa 压力传感器是将压力转成电流或电压的器件 可用于测量压力和物体的位移 由于压力测量的条件不同 测量精度的要求不同 因此所使用的传感器件也不一样 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 利用金属材料的弹性制成弹性测压元件是常用的一种方法 在智能建筑中最常用的弹性测量元件有弹簧 弹簧管 波纹管和弹性膜片 而上述测压元件是先将压力变化转换成位移的变化 然后再将位移的变化通过磁电或其他电学的方法转成能方便检测 处理 显示的电学量 电阻式压差传感器电阻式压差传感器是将测压弹性元件的输出位移变换成电阻的滑动触点的位移 因而被测压力的变化就可转换成电位器阻值的变化 若把这个电位器与其他电阻接成桥路 当阻值发生变化时 电桥输出一不平衡电压 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 电容式压差传感器电容式压差传感器是最常见的一种压力传感器 它是用两块弹性性能好的金属平板作为差动可变电容器的两个活动电极 被测压力分别置于两块金属平板两侧 在压力的作用下能产生相应位移 当可动极板与另一电极的距离发生变化时 则相应的平板电容器的容量发生变化 最后由变送器将变化的电容转换成相应的电压或电流 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 霍尔压力传感器霍尔压力传感器是将弹性元件感受的压力变化引起的位移通过霍尔元件转换成电压信号 霍尔元件实际上是一块半导体元件 其赖以工作的物理基础是霍尔效应 运动电荷受磁场中洛仑磁力作用产生电位 称为霍尔电势 当霍尔元件随压力变化而运动时 则作用于霍尔片上的磁场强度变化 霍尔电势也随之变化 霍尔电势的大小正比于位移的变化 这样就可间接测压力 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 压电传感器有些电介材料在一定方向上受到外力作用而变形时 在其表面会产生电荷 当去掉外力时 它又会重新返回不带电的状态 这种机械能转变成电能的现象称为压电效应 利用压电现象可实现非电量的测量 压电传感器是利用某些材料的压电效应原理制成的 具有这种效应的材料有压电陶瓷 压电晶体等 压电式传感器具有体积小 质量轻 频响高 信噪比大等特点 由于它没有运动部件 因此结构坚固 可靠性和稳定性高 压电传感元件是力敏感元件 它可以测量最终变换为力的非电物理量 如动态力 动态压力 振动加速度等 但不能用于静态参数测量 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 空气压差开关 压差开关可用于感知管道中的压力差和气流差 常规应用包括 1 监测过滤网阻塞报警装置2 监测空调机组中风机的启 停状态3 制热和通风管道中气体监测4 控制可变气体容积系统中最大气流5 燃烧炉中气体控制 第一节中央空调的基本控制方案 液体与气体压力传感器 压力传感器适用于HVAC应用中的静态与动态绝对压力测量 特别是用液体或气体作介质的液压和气动系统 传感器采用压力电阻测量原理运行 陶瓷膜片 厚膜混合工艺 通过和介质直接接触测量压力 测量可以转换成直流线性DC0 10V输出信号 第一节中央空调的基本控制方案 流量自动检测仪表 1 差压式流量计2 电远传转子流量计3 动压式流量计4 涡轮流量计 第一节中央空调的基本控制方案 流量传感器 为了检测流量 人们设想了许多方法 从基本的浮子流量计 椭圆齿轮流量计到涡街 核磁流量计等 在食品 医药 日化等工业都得到了大量的使用 在液体产品灌装时 目前常用的还是以光学 气压来控制装瓶的高度 或以气缸活塞的压灌计量为主 第一节中央空调的基本控制方案 流量传感器流量数据是楼宇设备控制和工业生产过程控制中的一个很重要的参数 在楼宇控制系统中主要有冷冻水流量 冷却水流量 供热蒸汽流量 风道空气流量等参数需要测量 感受流量的方法很多 常用的有节流式 涡流式 容积式 电磁式和超声波式 使用时应根据精度 测量范围的不同要求来选择 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 节流式流量传感器在被测管道上放一节流元件 如孔板等 流体流过这些阻挡体时流动状态会发生变化 根据流体对节流元件的推力和节流元件前后的压力差 可以测定流量的大小 再把节流元件两端的压差或节流元件上的推力转换成需求的电量 孔板压差式流量计 靶式流量计和转子流量计均属于节流式流量传感器 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 孔板压差式流量计是在管道中安装一孔板作为节流元件 当流体经过这一孔板时截流面缩小 测出孔板前后压力差 把压力差转换成相应的电压或电流 就可测量出液体流量 靶式流量计则是把节流元件做成一悬挂在管道中央的一个小靶 输出信号取自作用于靶上的压力 转子流量计是把一个转子放在圆锥形的测量管道中 当被测流体自下而上流入时 由于转子的节流作用 在转子前后会产生一压差 而转子在这个压差的作用下上下移动 把转子的位置信号转换成电信号 也就直接反映了流量的大小 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 浮子流量计 浮子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降 改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表 又称转子流量计 第一节中央空调的基本控制方案 浮子流量计工作原理 浮子流量计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成 被测流体从下向上经过锥管1和浮子2形成的环隙3时 浮子上下端产生差压形成浮子上升的力 当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时 浮子便上升 环隙面积随之增大 环隙处流体流速立即下降 浮子上下端差压降低 作用于浮子的上升力亦随着减少 直到上升力等于浸在流体中浮子重量时 浮子便稳定在某一高度 浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系 第一节中央空调的基本控制方案 容积式流量传感器常用的为椭圆齿轮流量计 它靠一对加工精良的椭圆齿轮在一个转动周期里 排出一定的液体 只要累计计出齿轮转动的圈数 就可以得知一段时间内的流体总量 这种流量计是按照固定的排出量计算流体的流量 只要椭圆齿轮加工精确 没有腐蚀和磨损 则可达到极高的测量精度 一般可达到0 2 0 55 所以经常作精密测量用 该流量计经常用于高黏度的流体测量 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 容积式流量计 容积式流量计又称排量流量计 positivedisplacementflowmeter 简称PD流量计或PDF 在流量仪表中是精度最高的一类 它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分 根据计量室逐次 重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量 PDF从原理上讲是一台从流体中吸收少量能量的水力发动机 这个能量用来克服流量检测元件和附件转动的摩擦力 同时在仪表流入与流出两端形成压力降 第一节中央空调的基本控制方案 容积式流量计的工作原理 典型的PDF 椭圆齿轮式 的工作原理如下图所示 两个椭圆齿轮具有相互滚动进行接触旋转的特殊形状 P1和p2分别表示入口压力和出口压力 显然p1 p2 图 a 下方齿轮在两侧压力差的作用下 产生逆时针方向旋转 为主动轮 上方齿轮因两侧压力相等 不产生旋转力矩 是从动轮 由下方齿轮带动 顺时针方向旋转 在图 b 位置时 两个齿轮均在差压作用下产生旋转力矩 继续旋转 旋转到图 c 位置时 上方齿轮变为主动轮 下方齿轮则成为从动轮 继续旋转到与图 a 相同位置 完成一个循环 一次循环动作排出四个由齿轮与壳壁间围成的新月形空腔的流体体积 该体积称作流量计的 循环体积 第一节中央空调的基本控制方案 容积式流量计的工作原理 第一节中央空调的基本控制方案 电磁式流量传感器电磁流量计是基于电磁感应原理 以导电流体切割磁力线产生的感应电势为输出的 电磁流量计的使用具有局限性 主要是由于要求所测的流体必须是电的导体 然而 这种传感器具有很多优点 由于在测量管道中没有节流元件 因而其压力损失小 其输出信号与流速之间呈线性关系 在使用中具有工作可靠 精度高 测量范围大 反应速度快等特点 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 电磁流量计 根据导体切割磁力线产生电荷的原理 当液体 含有电离子 以一定的速度 在一定截面的管径内 从一固定的磁场穿过时 会有电压产生 被测电压与流速成线性关系 第一节中央空调的基本控制方案 电磁流量计 电磁流量计安装图 第一节中央空调的基本控制方案 涡流式流量传感器该流量计则是在导管中心轴上安装一个涡轮装置 液体流过管道时推动涡轮转动 而涡轮的转速正比于液体的流量 涡轮在管道里转动 其转速只能通过非接触的电磁感应方法才能测出 涡轮的叶片采用导磁材料制成 在非导磁材料做成的导管外面安放一组套有感应线圈的磁铁 涡轮旋转 每片叶片经过磁铁下面都会改变磁铁的磁通量 磁通量变化感应出电脉冲 在一定流量范围内 产生的电脉冲数量与流量成正比 为了保证流体沿轴向推动涡轮 以提高测量精度 在涡轮前后均装有导流器 尽管如此 还要求在涡轮流量计前后安装一段直管 入口直段的长度应为管径的10倍 出口长度应为管径的5倍 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 涡轮流量计 右图所示为TUF传感器结构图 由图可见 当被测流体流过传感器时 在流体作用下 叶轮受力旋转 其转速与管道平均流速成正比 叶轮的转动周期地改变磁电转换器的磁阻值 检测线圈中磁通随之发生周期性变化 产生周期性的感应电势 即电脉冲信号 经放大器放大后 送至显示仪表显示 第一节中央空调的基本控制方案 涡轮流量计 内部结构 涡轮流量计 第一节中央空调的基本控制方案 超声波流量计 声波的传播方向与液体的流动方向相同时 其传播时间比逆向传播所需的时间短 超声波流量计正是应用这个原理进行流量测量的 其时间差即反映了液体的流速 超声波流量计 第一节中央空调的基本控制方案 液位检测传感器在建筑设备控制系统中 需要对供排水的水位 各种水箱的水位进行检测和控制 传统的浮球开关作为开关量的传感器 仍被广泛用于液位的监测 但它仅能对液位上限或下限进行监测 对液位进行实时连续监测的传感器可分为电阻式 电容式和压力式几种 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 电阻式液位传感器电阻式液位传感器是利用液体的电阻作为监控的对象 在液体介质中安装几个金属接点 利用介质的导电性接通检测控制回路 检测液体液位的高低 为了更精确地连续反映液位的高低 也可在容器内置滑动电阻器 随着液位升降 滑动电阻器的阻值也相应发生变化 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 电容式液位传感器电容式液位传感器是用以对液位进行连续精密测量的仪器 它用金属棒和与之绝缘的金属外筒作为两电极 被测液体能够进入内外电极之间的空间中 液位的变化会改变电容介质 从而会改变电容量 其所测量的电容量与液位值呈线性关系 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 压力式液位传感器压力式液位传感器是在容器底部安装一压力传感器 当液面发生变化时 液体产生的压强也随之改变 其压力值与液位值呈对应线性关系 因此通过对压力的测量即可得到液位值 达到测量液位的目的 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 以超声波作为检测手段 必须产生超声波和接收超声波 完成这种功能的装置就是超声波传感器 习惯上称为超声换能器 或者超声探头 超声波测量原理 第一节中央空调的基本控制方案 气体成分传感器气体成分传感器主要是用于检测空气中CO2 CO和煤气的含量通过与 最常用的气体成分传感器为半导体气体传感器 正常情况下 器件对氧吸附量为一定值 即半导体的载流子浓度是一定的 如异常气体流到传感器上 器件表面发生吸附变化 器件的载流子浓度也随着发生变化 这样就可测出异常气体的浓度大小 半导体气体传感器具有制作和使用方便 价格便宜 响应快 灵敏度高的优点 因此被广泛地用在现代智能建筑的气体监控中 传感器 第一节中央空调的基本控制方案 执行器 如果把传感器比喻成人的感觉器官的话 那么执行器在自动控制系统中的作用就是相当于人的四肢 它接受调节器的控制信号 改变操纵变量 使生产过程按预定要求正常执行 执行器由执行机构和调节机构组成 执行机构是指根据调节器控制信号产生推力或位移的装置 而调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置 最常见的有调节阀 第一节中央空调的基本控制方案 执行机构在系统中的作用是执行控制器的命令 直接控制能量或物料等被测介质的输送量 是自动控制的终端主控元件 执行机构的功能是将控制器输出的控制信号 一般是电信号 转变为机械动作 一般可以是位移或角位移 由此驱动调节器 达到改变被调量的目的 它按执行机构驱动方式不同可分为气动 电动 液动三种 在智能楼宇中常用电动执行器 在气体和液体的流动控制中 常用阀门来作为介质流动的控制手段 要想实现自动化控制 就要对一些阀门 风门等元件实现自动控制 这就需要用到阀门和电动执行器 典型执行机构 第一节中央空调的基本控制方案 调节阀工作原理 调节阀用于调节介质的流量 压力和液位 根据调节部位信号 自动控制阀门的开度 从而达到介质流量 压力和液位的调节 调节阀分电动调节阀 气动调节阀和液动调节阀等 调节阀由电动执行机构或气动执行机构和调节阀两部分组成 调节阀通常分为直通单座式调节阀和直通双座式调节阀两种 后者具有流通能力大 不平衡办小和操作稳定的特点 所以通常特别适用于大流量 高压降和泄漏少的场合 第一节中央空调的基本控制方案 执行器按其能源形式分为气动 电动和液动三大类 它们各有特点 适用于不同的场合 气动执行器 电动执行器 角行程 直行程 液动执行器 执行器 第一节中央空调的基本控制方案 执行器传动方式 一切机械都有其相应的传动机构借助于它达到对动力的传递和控制的目的 机械传动 通过齿轮 齿条 蜗轮 蜗杆等机件直接把动力传送到执行机构的传递方式 机械的传动方式 第一节中央空调的基本控制方案 执行器传动方式 电气传动 利用电力设备 通过调节电参数来传递或控制动力的传动方式 动能传递动力 流体传动 液体传动 液压传动 利用液体静压力传递动力 液力传动 利用液体静流 气体传动 气压传动 气力传动 第一节中央空调的基本控制方案 气动执行器工作原理 气动执行机构 气动执行器 习惯称为气动调节阀 是用压缩空气为能源 结构简单 动作可靠 平稳 输出推动力大 维修方便 防火防爆 价格较低 广泛应用于化工 炼油生产 第一节中央空调的基本控制方案 执行机构气动执行机构主要分为薄膜式和活塞式 正作用形式 信号压力增大 推杆向下 反作用形式 信号压力增大 推杆向上 薄膜式 活塞式 第一节中央空调的基本控制方案 电动执行器工作原理 电动执行器接受来自调节器的直流电流信号 并将其转换成相应的角位移或直行程位移 去操纵阀门 挡板等调节机构 以实现自动调节 第一节中央空调的基本控制方案 电磁阀电磁阀是电动执行器中比较常用的一种 它利用电磁铁的吸合和释放对阀门作通 断两种状态的控制 电磁阀有直动式和先导式两种 均利用线圈通电后产生电磁吸力提升活动铁芯 带动阀塞运动控制气体或液体流量通断 直动式电磁阀结构中 电磁阀的活动铁芯本身就是阀塞 通过电磁吸力开阀 失电后由恢复弹簧闭阀 常用的风机盘管电动阀为一种平衡式冷热水阀 主要应用于风机盘管的控制中 典型执行机构 第一节中央空调的基本控制方案 电动阀电动调节阀以电动机为动力元件 将控制器输出信号转换为阀门的开度 它是一种连续动作的执行器 在结构上电动执行机构除与调节阀组装成整体的执行器外 常单独分装以适应各方面需求 因此其使用比较灵活 电动调节阀阀杆的上端与执行机构相连接 当阀杆带动阀芯在阀体内上下移动时 就改变了阀芯与阀座之间的流通面积 即改变了阀的阻力系数 流过阀的流量也就相应地改变 从而达到调节流量的目的 典型执行机构 第一节中央空调的基本控制方案 电动调节阀的流量特性是指流过阀门的相对流量值与阀门的相对开度值之间的关系 即 式中 相对流量 是调节阀在某一开度时的流量Q与阀门全开时的流量Qmax之比 调节阀在某一开度时阀杆行程与全开时的行程之比 称为相对开度 电动调节阀有直线 等百分比 对数 和快开 抛物线 三种流量特性 典型执行机构 第一节中央空调的基本控制方案 直线流量特性它是指调节阀的相对开度与相对流量成直线关系 即 式中C 常数 经积分 并代入边界条件 即当L 0时 Q Qmin 指阀在全闭时 仍有一定的泄露量 当L Lmax时 Q Qmax 得出 式中R 调节阀所能控制的最大流量与最小流量之比 又称可调比 即 典型执行机构 第一节中央空调的基本控制方案 等百分比流量特性它是指单位行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系 即 将此式积分 并代入与直线流量特性相同的边界条件可得 从数学关系式可看出二者呈指数关系 故等百分比流量特性又称对数特性 典型执行机构 第一节中央空调的基本控制方案 快开流量特性电动调节阀的这种特性是指在阀行程比较小时 流量比较大 随着行程的增大 流量很快就达到最大 呈饱和 故称快开特性 这种特性曲线的斜率随行程而减小 当行程达到最大时 曲线斜率趋向于0 几乎与横轴平行 因此 可以假定当l L时斜率为0 又因为它是一个单调递减函数 即这种特性可表示为 将此式积分 并代入与直线流量特性