传感器和执行器

1,传感器及执行机构选型,主讲：许华凯,2,第一章BAS组成,BA系统结构:两级网四级控制：1、其两级网由一级网络N1与二级网络N2组成N1是一般的局域网LAN,通常采样10Mbit/s、100Mbit/sEthernet网或2.5Mbit/sARCnet网。二级网一般采用的是标准总线方式，如RS485。通讯速率19.2Kbit/S,或9.6Kbit/S。2、四级控制中央监控计算机、工作站、服务器承上启下的主控器现场控制器传感器和执行器,3,BAS网络图,4,现场控制器DDC,5,DDC点的类型,数字量（DIGITAL）:只有:“开关”、“通/断”或“0/1”两种状态的测量或控制量，又称为开关量模拟量（ANALOG）：在量程范围内连续变化的测量或控制量，如0-10V，4-20MADC等。DO：（DigitalOutput）数字输出信号：发出开关量的控制信号。DI：（DigitalInput）数字输入信号：接收开关量的反馈信号。AO：（AnalogueOutput）模拟量的输出信号。AI：（AnalogueInput）模拟量的输入信号。,6,DI点的作用,DI信号通过一个断开/闭合点。给出设备的一些反馈信号。主要反馈信号有设备的运行、手自动状态、过滤网、高低液位、热保护掉闸的报警状态等。可用软件编程设定不同程度级别的报警音响等。可以从屏幕上查看图形、表格、也可通过随机打印或定时打印报表、记录信息等。,7,DO点的作用,DO（Digital）相当于开关，故称开关量输出，它可由控制软件将输出通道变成高电平或低电平。控制开关、交流接触器、变频器、电磁阀、电动阀等。对控制点进行编程定时控制：如空调机组、水泵机组、照明等设备的自动启停。双DO控制，VAV变风量调节阀。为防止DDC失电失控还可将控制信号变成负逻辑输出，如公共区的照明。接继电器常闭点。,8,AI点的作用,电压输入范围DC05V或DC010V电流输入范围020mA或420Ma温度输入直接从热电阻或热敏电阻传感器上取电阻信号计数输入频率为050HZ主要用于温度、湿度、流量、压力、电压、电流等。电压信号为近距离，电流信号远距离。可从屏幕图形或表格上查看信息，也可定时报表打印，还可以用记录趋势图的方法分析信号。可用软件编程设定不同程度级别的报警音响等。,9,AO点的作用,AO点一般输出电压或电流信号：通常电压信号为010V，电流信号为420mA。主要用于风阀、水阀、频率的控制。其控制通过执行器和连接器与阀体连接进行角度或位移的控制。这种控制是一种闭环负反馈的控制。,10,BAS信号传递路径,现场设备有两种：输入部分、输出部分。在现代楼宇自控系统中，往往需要对温度、湿度、压力、流量、物位、气体构成，环境等参数进行检查，并调整，控制，以使大楼内的各个运行的设备处于最佳的运行状态，在节约能源及材料的基础上，为大楼的使用者提供最佳的服务，以获得较好的经济效益。,系统控制终端,主控制器（网路适配）,区域控制器,现场设备,动力配电箱,BAS信号传递路径,11,BAS现场常用设备,传感器：在测量的过程中将物理量、化学量转变成电信号的装置。变送器：把传感器得到的电信号转变成标准的电信号的装置。标准电信号：直流电信号010V（电压）420mA（电流）执行器：执行控制器的命令，调节被测介质的流量的器件。组成：执行机构+调节机构,12,第二章基础知识,仪表测量的基本概念仪表的绝对误差：仪表在某点的测量值和被测参数实际值之间偏差的绝对值。仪表的相对误差：仪表在某点的绝对误差和被测参数实际值的比例。仪表的精度:仪表在全量程范围内所允许最大的绝对误差与仪表量程的百分比值。仪表精度等级有:0.1级,0.2级,0.5级,1级,1.5级,2级2.5级等。BAS现场测量与控制的仪表与传感器多低于0.5级精度。,第一节仪表测量技术,13,仪表测量的基本概念,标准仪表与测量仪表测量仪表：具有国家计量部门的制造许可证，安装在被测参数现场，用于现场参数测量的仪表，如传感器等。标准仪表：经过国家计量部门的定期检测认定，用于校验测量仪表的标准仪表。测量精度至少应高于被校验仪表一个精度等级。输入与输出量输入量（INPUT）：仪表或控制器等接受的外部信号输出量（OUTPUT）：与测量参数相对应的仪表输出信号仪表的输入与输出信号宜具备一定的通用性。如（0-10V，4-20MA）,14,仪表测量的基本原理,就地仪表分为检测仪表和执行仪表两大类。建筑设备控制系统中常用的检测仪表包括：温度、湿度、压力、压差、流量、水位、一氧化碳、二氧化碳、照度、电量等测量仪表。执行仪表包括电动调节阀、电动蝶阀、电磁阀、电动风门执行机构等。检测仪表中分为处理模拟量信号的传感器类仪表和处理数字量的控制类仪表，检测仪表的功能是要被检测的参数稳定可靠的转换成现场控制器可接受的电信号。执行仪表中分为对被调量可进行连续调节的调节阀类仪表和对被调量进行通断两种状态控制的切断阀类仪表，执行仪表的主要功能是接受现场控制器的信号，对现场参数进行稳定准确可靠的调节。,15,建筑设备常用仪表,建筑设备控制系统中常用的检测仪表包括：测量仪表和执行仪表。测量仪表：温度、湿度、压力、压差、流量、水位、一氧化碳、二氧化碳、照度、电量等。执行仪表包括电动调节阀、电动蝶阀、电磁阀、电动风门执行机构等。,16,仪器仪表常用名词概念,测量值：指通过仪表等工具对真值进行测量后所得到的读数值。误差：测量所测得的读数值偏离真值的程度：误差=测量值-真值。绝对误差：用测量单位来表示误差时，称为绝对误差。相对误差：将绝对误差与真值相比后的误差：绝对误差真值100%。或将绝对误差与测量值相比后的误差：绝对误差测量值100%。基本误差：不包含其它影响量导致的误差（一般以相对误差表示）。正确度：测量的读数值接近真值的程度。精度：以等级表示的允许最大误差。如1.0级表示允许误差为全量程的1%。回差：在测量指标中，回差指相同的输入信号量，从量程始点加至该值与由量程终点减至该值时仪表的读数之差。也称“指示不灵敏区”、“返回差”等。常开、常闭触点：根据需要继电器可以同时具有“常开”和“常闭”转换触点。“常开”触点在继电器不吸合或仪表不通电时呈断开状，在继电器吸合时呈接通状，而“常闭”触点则与之相反。为了保证系统最高的可靠性，仪表在用作调节和报警时，均应使用仪表输出的“常开”触点。,17,测量仪表的基本组成,当前，由于电子技术、微电子技术、电子计算机技术的迅速发展，使电学量具有便于测量，便于传输，便于处理等特点，因此现代测量仪表一般由敏感元件、转换元件和测量电路组成，有时还加上辅助电源，通常可用框图表示：,18,选择BAS检测仪表,应根据先进、可靠、经济、实用的原则进行。首先要满足BAS控制系统的需要，在保证技术先进、安全可靠的条件下，选用实用的检测仪表，要尽量用标准化、系列化、通用化、互换性高的产品。同时，要考虑现场环境条件的影响，有无易燃、易爆气体，有无腐蚀性气体或液体，有无振动、噪声、灰尘、以及环境温度、湿度等因素。仪表应选用经过鉴定且符合国家技术标准的产品，另外，在仪表选用时，应按工艺要求、使用环境、经济、技术指标等综合考虑确定。,19,仪表的量程选择,检测仪表的量程选择应符合工业自动化仪表的系统设计规定，并符合现场的实际需求。温度测量仪表，选择量程时应使用工作温度位于量程的2/3处；压力和压差测量仪表，选择量程时应使常用工作温度位于量程的1/2处；流量等其他测量仪表，选择量程时应使量程超过被测参数正常达到的最大值；同时应注意：仪表量程选择应根据实际情况而定，在满足仪表测量范围情况下应使仪表量程最小，以减少仪表测量的绝对值。仪表量程应尽量采用标准范围的圆整值，如1、16、25、46乘以10的N次方或整数。,20,就地仪表的信号制,数字量输入DI信号：在建筑监控系统中DI点，多为无源的触点信号。如按纽、继电器接点。数字量输出DO信号：在建筑监控系统中DO点，多为无极性的触点信号。模拟量输入信号AI和模拟量输出AO信号：在建筑设备监控系统中使用的模拟量信号可分为以下几类：国际工业标准信号4-20MA/1-5VDC推荐使用的标准信号：信号制多为建筑设备监控系统生产商所采用。如0-10MADC，0-5VDC，0-10VDC，0-2VDC，Pt100、Pt1000等。优点:通用性和互换性厂家的仪表标准信号：生产厂家不但生产仪表还生产与之完全匹配的现场控制器。缺点：不具备通用性和互换性。在系统扩展和备件选择时受到一定限制。,21,仪表的接线制式,建筑设备监控系统中常用的仪表接线制式有以下几点：采用国际通用标准信号的变送器为两线制，即现场变送器的供电电源与输出信号共用两根线，分正、负极性。常用仪表传感器采用四线制，即从现场控制器到现场仪表的接线共四根，其中两根为仪表电源线，两根为信号线。温度仪表中直接采用热电阻或热敏电阻时，采用的接线制式与普通仪表传感器不同。可分为：两线制、三线制、四线制。,22,热电偶的测量原理,热电偶工作原理是：基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。工业普通热电偶的组成：热电极、绝缘管、保护管和接线盒四部分组成。,23,热电阻测量原理,热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高性能稳定其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻的测量范围-200650热电阻测量原理热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测的。大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用钴、镍、锰和铑等材料制造热电阻。热电阻测温系统的组成热电阻测温系统组成：热电阻、连接导线和显示仪表等。,24,热电阻的测量原理图,热电阻测量电路原理图,(b)电压输出型实用的测温电路,25,热敏电阻的形状,常见的有珠状、杆状或盘状等，如图示出了几种典型的结构形式。其中微珠式的热敏电阻其珠头的直径可做到小于0.1mm，因而可测量微小区域的温度，且响应时间很短。盘式和杆式热敏电阻常用作温度补偿装置。热敏电阻在室温（20）下的阻值范围为102106，可测量的温度范围为-200+1000。,26,湿度传感器的选择,湿度传感器，分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。湿度传感器的选择：1、精度和长期稳定性湿度传感器的精度应达到2%5%RH，达不到这个水平很难作为计量器具使用。2、湿度传感器的温度系数湿敏元件除对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般在0.20.8%RH/范围内，多数湿敏元件难以在40以上正常工作。3、湿度传感器的供电：必须是交流电供电4、互换性,27,传感器在楼控中的应用,第三章,28,温度传感器,水道传感器VF20T/WPF20T、T7413A用于测量冷冻水、加热热水和生活热水的温度输出的参数为电阻值，可直接与DDC连接。风管式温度传感器H7011A、B主要用于送风、排风和回风的风道检测范围：-30oC+70oC温度传感器在安装中应注意：应顺着水流、送风的方向安装，室外温度传感器应安装在室外南侧。,29,H/DT温湿度传感器,30,RH821温湿度传感器,31,各种类型的温度传感器,32,电压电流互感器（PTCT）,电流电压变送器,10KV三相五柱电压互感器,LJW-10型单相电压互感器,油寝变压器,干式变压器,33,防霜冻保护开关,防霜冻保护开关主要用来检测新风机组或空气处理机中的盘管温度，当温度低于某一设定值时，系统自动关闭风机和新风阀门，同时打开热水电动二通阀。保护盘管不会冻裂。其输出的形式是开关量。安装要求：背风、感温包分布均匀不能有死角,34,防冻开关,35,液位开关(图）,36,液位开关,液位开关作用：主要测量液体的液位或控制水泵的开、关，如清水池和污水池的液位，其输出的形式是开关量，可以直接接到DDC的DI点上。液位开关的类型：干簧管式、浮球式、探针式、电子式等。,37,水流开关,水流开关：水流开关管道是否有水流动，冷却水、冷冻水、消防水等。水流开关安装要求：顺水流、垂直。,38,风压压差开关,风压压差开关：安装在AHU或新风机组过滤网的两侧，开孔的直径应与风压压差的接线管的直径相当，安装的位置应与过滤网拉出的方向相反。,1,2,3,压差开关三个触点,注意：引风管不能堵P1、P2不能反,39,DPSG压差开关,40,水管道压力传感器,安装水管道压力注意：加装导压管和阀门水平或垂直安装,41,涡轮流量计,涡轮流量计（以下简称TUF）是叶轮式流量（流速）计的主要品种，叶轮式流量计还有风速计、水表等。在各种流量计中TUF、容积式流量计和科氏质量流量计是三类重复性、精确度最佳的产品，而TUF又具有自己的特点，如结构简单、加工零部件少、重量轻、维修方便、流通能力大（同样口径可通过的流量大）和可适应高参数（高温、高压和低温）等。至今，这类流量计产品可达技术参数：口径4-750mm，压力达250MPa，温度为-240-700，像这样的技术参数其他两类流量计则是难以达到的。,42,流量计,流量测量方法和仪表的种类繁多,分类方法也很多。至今为止,可供工业用的流量仪表种类达60种之多。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计来分别阐述各种流量计的原理、特点、应用概况及国内外的发展情况。,43,涡轮流量计的安装（1）变送器的电源线采用金属屏蔽线，接地要良好可靠。电源为直流24V，650阻抗。（2）变送器应水平安装，避免垂直安装，并保证其前后有适应的直管段，一般前10D，后5D。（3）保证流体的流动方向与仪表外壳的箭头方向一致，不得装反。（4）被测介质对涡轮不能有腐蚀，特别是轴承处，否则应采取措施。（5）注意对磁感应部分不能碰撞,44,电磁流量计,磁流量计原理:是利用法拉第电磁感应定律的原理来测量导电液体体程流量的仪表。即导体在磁场中切割磁力线运动时在其两端产生感应电动势电磁,电磁流量计的传感器部分大致分为四个部分：1、测量管传感器内流过被测液体的通道，一般由内衬绝缘衬里材料的非导磁、高电阻率金属管构成；2、工作磁场一般由励磁线圈通电产生，励磁系统主要由励磁线圈、磁构成；3、信号检测部分包括电极、电极引线、电极屏蔽罩和接线端子盒等零部件；4、壳体起磁路与外界隔离、保护作用。,45,直管段长度要求为获得正常测量精确度，电磁流量传感器上游也要有一定长度直管段，但其长度与大部分其它流量仪表相比要求较低。90弯头、T形管、同心异径管、全开闸阀后通常认为只要离电极中心线（不是传感器进口端连接面）5倍直径（5D）长度的直管段，不同开度的阀则需10D；下游直管段为（23）D或无要求；但要防止蝶阀阀片伸入到传感器测量管内。各标准或检定规程所提出上下游直管段长度亦不一致，汇集如表2所示，要求比通常要求高。这是由于为保证达到当前0.5级精度仪表的要求。,46,安装位置和流动方向传感器安装方向水平、垂直或倾斜均可，不受限制。如图所示:管系中，c、d为适宜位置；a、b、e为不宜位置，b处可能液体不充满，a、e处易积聚气体，且e处传感器后管段短也有可能不充满，排放口最好如f形状所示。,47,第四章执行器,执行器：通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变流体流量。执行器的种类：气动、电动、液动气动：以压缩空气为动力源的气动调节阀以电为动力源的电动调节阀以液体介质(如油等)压力为动力的电液动调节阀,48,气动执行器,执行机构类型的确定：根据工艺使用环境要求，选择相应的执行机构。对于现场有防爆要求时，应选用气动执行机构。从节能方面考虑，应尽量选用电动执行机构。若调节精度高，可选择液动执行机构。气动阀特点：气动、风阀动作可靠，故障率低，可以在较恶劣的环境下运行。但气动阀需要气泵作为动力且无开度反馈。,49,电动调节阀,电动执行器由电动执行机构和调节机构组成。电动执行器大多数使用电机或电磁铁为动力元件，将调节器的信号转变为调节阀的不同开度或通断。电动执行机构根据配用的调节机构种类不同，其输出方式有直行程、角行程和旋转式三中类型，可和直线移动的调节阀、旋转式碟阀等调节机构配合工作在结构上电动执行机构既可与调节阀组装成整体的执行器，也可根据需要单独分装，使用比较灵活。,50,调节阀体的结构,电动调节阀按结构不同，可分为直通双座、直通单座和三通阀。直通双座阀如图所示。流体从左侧进入，通过上下阀座再汇合在一起由右侧流出。由于阀体内有两个阀芯和两个阀座，所以叫做直通双座阀。对于双座阀，流体作用在上下阀芯上的推力，其方向相反，而大小接近相等，所以阀芯所受的不平衡力很小，因而允许使用在阀前后压差较大的场所。但由于受加工精度的限制，双座阀的上、下两个阀芯不易保证同时关闭，所以关闭时的泄漏量大，尤其在高温或低温场合，因阀芯和阀座两中材料的膨胀系数不同，更易引起泄漏。,51,调节阀流量特性和流通能力的计算方法,流量特性的定义，是指介质流过调节阀的相对流量与调节阀的相对开度之间的关系。调节阀的流通能力，直接反映他的容量，是设计和使用调节阀的主要参数。在工程设计中，为了合理的选定调节阀的口径，就应正确计算流通能力，否则会使调节阀的口径选得过大或过小。如果口径选得过大，不仅浪费投资，而且会使阀门经常处于小开度位置，从而造成调节品质下降。反之，如果口径选得过小，即使阀门处于全开状态，也不能适用最大负荷的需要，是调节阀系统失调。因此，必须认真计算调节阀在各种流体时的流通能力。,52,流通能力的定义,流通能力的定义是：当阀门全开时，阀两端的压力降为105Pa，流体的密度为1g/cm3时，每小时流经调节阀的流量数。用符号C来表示。流通能力C值的计算,2、蒸汽的C值计算蒸汽的C值计算方法，有阀前密度法，阀后密度法，平均密度法，压缩系数法。阀后密度比较精确，现介绍阀后密度阀。当P2/P1KP=0.5时，称临界状态，C值按下式计算。,1、水的C值的计算,式中Wmax水的体积流量，m3/h;P阀前后压力降，Pa；水的密度，g/m3。,53,阀门流量特性的选择应符合以下要求,阀门流量特性的选择应符合以下要求：1、用于分机盘管的电动水阀，由于舒适性精度的要求不高，宜选用双位式；2、用于空气调节机组、空气冷却器、空气加热器及水水热交换器上的两通水阀，应采用等百分比特性的阀门。若采用三同阀时，则应尽可能采用直流支路为等百分比特性，旁流支路为直线特性的非对称型阀门。同时，空气冷却器、空气加热器（或热交换器）应接在三通阀的直流支路上；3、用于控制蒸汽加热用的两通阀，应采用直线特性。用于蒸汽加湿时，若要求不高，可采用双位式；在要求较高的场合，宜采用直线阀门；4、用于空气调节水系统压差控制的压差旁通阀，若两侧无较大的水流阻力阀件，或压差控制器接点在阀门两端时，宜选用直线型阀门；除此之外，如阀门口径选择过大时，则宜采用等百分比阀或抛物线阀。4、用于空气调节水系统压差控制的压差旁通阀，若两侧无较大的水流阻力阀件，或压差控制器接点在阀门两端时，宜选用直线型阀门；除此之外，如阀门口径选择过大时，则宜采用等百分比阀或抛物线阀,54,调节阀的口径选择,调节阀的口径既阀门的公称直径的选择可根据上述流通能力表得出，各种阀门在同等公称直径下对应不同的流通能力,55,电动执行机构的选择,常见的电动执行器为风阀执行器和水（汽）阀执行器。在控制系统中可采用电子式、电动式或气动式执行器。若控制精度要求不高，或被控制对象的热惰性较大，扰量较小（如容积式热交换器或热容量较大的空调系统），也可采用自力式执行器。在建筑楼宇自控系统中一般采用电动式执行机构。在需要对被控制对象进行通、断两种状态的控制时，应采用电动控制阀。在需要对被控制对象进行流量的连续调节时，应采用电动调节阀，两种阀不可以替代。,56,电动调节阀,1、建筑设备监控系统中常用的调节阀有：两通阀、三通阀、单座柱塞阀、双座柱塞阀、套筒阀、碟阀等；2、应根据现场被监控设备的技术进行选择。其控制信号应与现场控制器的输出信号相匹配；3、重要场所的阀门位置信号反馈送至现场控制器，阀门技术规格应满足安装场所的工作压力、温度和最大允许压差值要求。,57,电动开关阀,1、建筑设备监控系统中常用的电动控制阀有：电动碟阀、闸阀、电磁阀等；2、电动碟阀多用于大口径水管中的流量控制，电磁阀一般用于小口径且正常工作时线圈不带电的场合；重要场所或安装位置就地操作的大口径电动控制阀，应在就地或便于操作的地点设置阀门的电控箱，便于紧急情况或调试阶段的手动控制。,58,电动调节阀的安装方法,对不同的调节阀，其都有对应起阀体结构的特点，对安装的方法都有不同的要求以及不同的安装方法。对于加装执行机构的电动调节阀，需做到以下通用的规定：1、安装位置应便于观察、操作和维护；2、执行机构应固定牢固，操作手轮因处于便于操作的位置；3、安装用螺纹连接的小口径控制阀时，必须装有可拆卸的活动连接件；4、执行机构的机械传动应灵活，无松动和卡涩现象；5、执行机构的连杆长度应能调节，并应保证调节机构在全开到全关的范围内动作灵活、平稳；6、当调节机构能随同工艺管道产生热位移时，执行机构的安装方式应能保证其和调节机构的相对位置保持不变；对于在水系统中安装的电动调节阀，执行机构应高于阀体以防止水进入执行器,59,电磁阀的结构和工作原理,电磁阀是受电气信号控制而动作的自动阀门，属流动控制的执行元件。一般的电磁阀为两通电磁阀，用于控制流动的截止或流通。其结构简单，价格低廉，多用于两位控制中。,两通电磁阀按工作状态有通电开型（既常闭型NC）和通电关型（即常开型NO）；按适用介质种类有制冷剂液用电磁阀、气用电磁阀、空气电磁阀、水电磁阀、蒸汽电磁阀等；按结构有直接作用式电磁阀、间接作用式电磁阀。BAS中只用到最简单的直接作用式电磁筏,60,常见风、水阀,风阀,电动碟阀,闸阀,球阀,61,电磁阀型号的选用,直接作用式电磁阀直接由电磁力驱动，故又称直接式电磁阀。其典型结构如图所示。图中所示的为通电开型。工作原理是：当电磁线圈通电时产生磁场，行铁4受电磁力作用被吸起。行铁内装有弹簧和阀体，他被吸起的同时，阀板离开阀座上，将阀口关闭。关闭后由于阀入口侧液体压力施加在阀板上部使阀关闭更严。直接作用式电磁阀工作灵敏，可以在阀前后压力降为零的情况下工作。它用于直接控制毛细管或作电磁导阀使用。中、大口径的电磁阀采用间接式或控制式。以免直接靠电磁力驱动所需电磁线圈尺寸过大和耗电过多。电磁阀的型号可根据工艺要求选择，其通径可与工艺管路直径相同。,62,电磁阀的信号与接线方法,双位控制电磁阀在楼宇自控系统中，大量使用在风机盘管水路的开关控,63,电磁阀的安装方法,电