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1、第7章建筑电气系统常用控制设备与装置 第7章建筑电气系统常用控制设备与装置 要实现建筑电气系统的自动控制与监测 必须对一些直接反映系统性能的物理量 如温度 湿度 压力 流量 电流 有功电能等进行检测 其结果或者用于系统的自动控制 达到使这些性能参数处于最佳的工作状态的目的 或者用于显示 报警 记录 供工作人员监测系统的运行状况 7 1传感器 7 1 1传感器概述1 传感器基本概念传感器是一种能把特定的被测量信息 包括物理量 化学量 生物量等 按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 7 1传感器 2 传感器的分类 1 按传感器的输入量分类 压力传感器 位移传感
2、器 温度传感器 速度传感器 2 按传感器输出信号的性质分类 模拟传感器和数字传感器 3 按传感器的工作原理分类结构型与物性型 4 按构成传感器敏感元件的功能材料分类 半导体传感器 陶瓷传感器 光纤传感器 高分子薄膜传感器等 5 按传感器的能量转换情况分类能量控制型传感器和能量转换型传感器 7 1传感器 3 传感器的性能指标 1 量程 2 精度 3 重复性 4 线性 5 回差 6 灵敏度 7 时间常数 7 1传感器 4 传感器的选用原则 1 容量足够大 2 灵敏度高 精度适当 3 响应速度快 工作稳定 可靠性好 4 实用性和适应性强 5 使用经济 7 1传感器 5 传感器与控制系统的连接 1 模
3、拟量输入通道 2 数字量输入通道 7 1传感器 7 1 2温度传感器温度传感器是把温度转换成标准电压或电流信号的传感器 传感器中的敏感元件利用物体随着温度变化而发生的体积变化 电阻变化以及温差电现象等 将测点的温度变化转换成电信号 7 1传感器 1 热电偶温度传感器热电偶温度传感器是以热电效应为基础的测温仪表 它将热电偶作为传感器的 把被测的温度信号转换成电势信号 热电偶的原理在于两种不同金属组成闭合回路时 若两不同金属材料接点处温度不同 回路就会出现直流热电动势 并产生电流 7 1传感器 热电偶通常由热电极 绝缘材料 保护管和接线盒等主要部分组成 常用的热电偶结构形式有普通型热电偶 铠装热电
4、偶和薄膜热电偶等 普通型热电偶的基本结构如图 图7 1普通型热电偶的基本结构示意图1 热电偶测量端 2 热电极 3 绝缘管 4 保护套管 5 接线盒 7 1传感器 2 热电阻温度传感器分为金属热电阻 半导体热敏电阻两类 1 金属热电阻 目前应用最广泛的金属热电阻材料是铂 铜 二者已做成标准化的热电阻 金属铂和金属铜电阻体的基本结构分别如图7 2和7 3所示 7 1传感器 图7 2金属铂电阻体基本结构1 铂丝 2 铆钉 3 银导线 4 绝缘件 5 夹持件 6 骨架 图7 3金属铜电阻体基本结构1 塑料骨架 2 铜电阻丝 3 铜引出线 7 1传感器 2 半导体热敏电阻 金属热电阻阻值随温度的升高而
5、增大 但半导体热敏电阻却相反 它的电阻值随温度的升高而减小 并呈现非线性 我们称为负温度系数热敏电阻 图7 4热敏电阻线性化特性曲线 7 1传感器 3 热电阻的测温电路 图7 5桥式热电阻测温电路 a 平衡电桥 b 不平衡电桥 c 三线制接法 7 1传感器 3 电触点压力温度计电触点压力温度计是根据密封在感温包内的感温介质的压力与温度之间的变化关系制成的 其结构图如图7 6所示 7 1传感器 7 1 3压力 压差传感器在建筑电气控制系统中 水系统和风系统经常需要测量 控制压力和压差1 电接点压力表弹性元件的弹性变形所产生的弹性力与被测压力会产生力相平衡 电接点压力表就是通过测量各种弹性元件的弹
6、性变形量实现压力测量 目前常用的弹性测压元件主要包括弹簧管 膜片与膜盒 波纹管等 7 1传感器 2 霍尔压力传感器概括来讲 霍尔压力传感器利用弹簧管作为压力敏感元件 将压力变化转换成弹簧管自由端的位移变化 带动霍尔片在磁场中移动 利用霍尔效应将位移信号转换成电动势 从而实现压力测量 7 1传感器 3 应变片压力传感器应变片压力传感器是通过应变片将被测压力转换成电阻值的变化并传至桥式电路获得相应的电势输出信号 从而实现压力的测量 4 电容差压传感器电容差压传感器通过将弹性测量膜片的位移变化改变电容值的大小 从而获得反映被测压力的标准电信号输出 7 1传感器 5 压阻式压力传感器将半导体压敏电阻扩
7、散或印刷到平面膜片上 R1 R4形成惠斯通电桥 当平面膜片受到压力而变形的时候 R1 R4也随之变形 由于压敏电阻的压阻效应 使电桥产生一个与压力成正比的高度线性 与激励电压也成正比的电压信号 具体如图 7 1传感器 6 压电式压力传感器压电晶体是压电式压力传感器的核心部件 压电晶体具有压电效应 即在一定的温度范围之内 压电晶体受压产生电动势 当超过某一个温度值 居里点 时 其压电晶体的压电效应完全消失7 压差开关压差开关是一种用气膜作为弹性元件的空气微压差仪表 是利用在两个传感孔检测到的压差 当两侧压差大于设定值时 弹簧承托的薄膜移动并驱动触点通断动作 可用于检定通风管道内的空气流量 变风量
8、系统最大空气流量控制等 7 1传感器 7 1 4湿度传感器1 干湿球湿度传感器干湿球湿度传感器通过干湿球温度计计算相对湿度 从而实现湿度的测量 是最常见的湿度传感器 结构如图 图7 11干湿球湿度传感器原理示意图1 轴流风机 2 热电阻吸风口 3 水杯 4 外壳 5 引线 7 1传感器 2 氯化锂湿度传感器氯化锂是一种吸湿物质 吸收水分 电阻变小 释放水分 阻值变大 利用这一特性 可以通过检测电极间的电阻变化来检测环境的相对湿度 图7 13氯化锂露点式湿度传感器结构示意图1 热电阻 2 金属管 3 金线 4 玻璃丝套管 5 绝缘层 7 1传感器 3 电容式湿度传感器电容式湿度传感器实际上是一个
9、具有可变参数的电容器 电容器的电容量C的大小与两极板问介质的介电常数和两极板间覆盖的面积A成正比 与两极板间的距离d成反比 7 1传感器 4 陶瓷湿度传感器陶瓷湿度传感器是由金属氧化物多孔性陶瓷烧结而成 烧结体上有微细孔 可使湿敏层吸附或释放水分子 造成其电阻值的改变 7 1传感器 7 1 5流量传感器在建筑物中流量传感器主要测量给排水系统和空调水系统的水流量 将检测结果送入给排水及暖通空调控制系统 用以计算系统的水量 冷量和热量等 7 1传感器 1 差压式流量传感器差压式流量传感器是利用流体流动的节流原理 将流体流经节流装置时产生的瞬时流速转换为压力差 再结合安装传感器管段的截面积 从而实现
10、流量测量 7 1传感器 2 电磁流量传感器电磁流量计是基于电磁感应定律而工作的流量检测仪表 被测介质的流量经检测单元转换成感应电势 然后经放大转换成标准的直流电信号输出 图7 15电磁流量传感器原理示意图 7 1传感器 3 涡轮流量传感器涡轮式流量计是一种速度式流量计 当流体流过涡轮叶片时 叶片前后的压差产生的力推动涡轮叶片转动 图7 16涡轮流量传感器结构示意图1 紧固环 2 壳体 3 前导流器 4 止推片 5 涡轮叶片 6 磁电转换器 7 轴承 8 后导流器 7 1传感器 7 1 6液位传感器在建筑电气控制系统中 经常需要测量各种容器或者设备中两种介质分界面的位置 如给水箱中液位的多少等等
11、 这即是液位检测 7 1传感器 1 静压式液位传感器静压式液位传感器是利用容器中具有一定高度的液体对其底部或侧面某点产生一定的压力 测出这点的压力 或测量该点与参考点间的压差 从而确定液位高度 常用的静压式液位传感器有两种 分别是压力表式液位传感器和压差式液位传感器 7 1传感器 1 压力表式液位传感器 压力表式液位传感器是利用容器中具有一定高度的液体对其底部或侧面某点产生一定的压力 测出该点压力 或测量该点与参考点间的压差 就可以间接地确定液位的高度 2 压差式液位传感器 压差式液位传感器是采用静压差原理制成的液位传感器 它根据液位高度与液柱静压力差成正比的关系进行工作 7 1传感器 2 电
12、容式液位传感器电容式液位传感器是将液位的变化转换为电容量的变化来进行液位检测的仪表 其结构如图 图7 17电容式液位传感器结构及液位测量示意图 a 电容器结构 b 非导电介质液位测量1 内电极 2 外电极 3 绝缘套 4 流通小孔 7 1传感器 3 浮球液位传感器浮球液位传感器基本原理是通过测量漂浮于被测液面上的浮子随液面变化产生的位移 或利用沉浸在被测液体中的浮筒所受的浮力与被面位置的关系检测液位 7 1传感器 7 1 7空气质量传感器空气质量传感器是根据不同气体具有不同热导能力的特性来反映多种不同气体成分各自所占比例的程度 其输出可以是标准电信号或继电器输出报警信号 空气质量传感器可检测各
13、种烟雾 CO CO2 丙烷等多种气体 7 1传感器 1 基于气敏半导体的CO2传感器最常用的CO2传感器是采用气敏半导体元件的传感器 2 基于红外吸收型的CO2传感器红外吸收型CO2气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的 7 2控制器 控制器是建筑电气控制系统的核心部件之一 由于建筑电气控制系统的多样性和复杂性 对于控制的功能要求不同 使得控制器类型也多样化 例如 火灾报警控制器 风机盘管控制器 锅炉控制器等 7 2 1控制器的控制规律目前在建筑电气控制系统中 常用的控制规律分为位式控制 比例控制 比例积分控制 比例积分微分控制 7 2控制器 1 位式控制器位式控制器
14、的特点是 当被控变量偏离设定值时 控制器输出信号达到最大值或者最小值 使执行器全开或者全关 常见的位式控制器有双位和三位两种 2 比例控制器 P 比例控制器能按照被控量与设定值的偏差大小和方向发出与偏差值成正比例的输出信号 阀门位置与偏差之间有对应关系 7 2控制器 3 比例积分控制器 PI 比例积分控制器的输出不仅与输入的偏差成正比例 还与偏差时间的积分成比例 4 比例积分微分控制器 PID 比例积分微分控制器的功能最全 微分作用使控制器的输出与偏差变化速度成比例 它对克服容量滞后有显著效果 在比例的基础上加入微分作用则增加稳定性 再加上积分作用可消除余差 7 2控制器 7 2 2常用控制器
15、的功能与结构控制器按所用信号形式的角度进行分类 可将控制器大体分为机械电气式 模拟电子式 直接数字控制式三种1 机械电气式控制器 1 自力式温度控制器 自力式温度控制器是集传感器 控制器与调节阀为一体的控制装置 也称为恒温控制阀 7 2控制器 2 电气式温度控制器 电气式温度控制器的感温元件有膜盒 湿包 双金属片等 与控制部分组装在一个仪表壳内 构成温度控制器 2 模拟电子式控制器 1 断续输出的模拟电子控制器 断续输出的模拟电子控制器有双位控制器 二位控制器 三位比例积分控制器等 7 2控制器 图7 23模拟电子式双位控制器原理框图 图7 24模拟电子式三位控制器原理框图 7 2控制器 2
16、连续输出的电子控制器 连续输出的电子控制器可实现PI控制或PID控制 输出直流信号分为0 10mA 4 20mA和0 10V等数种 图7 25连续输出式电子控制器原理框图 7 2控制器 3 直接数字控制式控制器数字控制系统是用数字控制器来代替模拟控制器 首先把过程参数进行采样 在通过模拟输入通道将模拟量变换成数字量 这些数字量通过计算机按照一定的控制算法进行运算处理 由模拟量输出通道输出 并通过执行器达到控制的目的 分为四类 简单回路PID控制器 可编程序控制器 专用控制器和基于BAS平台的DDC现场控制器 7 3执行器 7 3 1执行器概述执行器是建筑电气控制系统中一个十分重要的组成部分 它处在控制器与被控对象之间 承担着将控制器的输出变化转换成操作量的变化 进而改变被调量的任务 例如暖通空调电气控制系统中常用的风阀 水阀 交流开关等均为执行器 7 3执行器 执行器在结构上一般由两部分组成 分别是执行机构和调节机构 执行机构的功能是将控制器输出的控制信号 一般为电信号 转换为机械动作驱动调节机构 执行机构按照使用的能源种类进行分类 可分为电动 气动 液动执行机构 7 3执行器 1 电
