| 自力式溫度調(diào)節(jié)閥又稱直接作用式溫度調(diào)節(jié)閥，集測(cè)量、調(diào)節(jié)、執(zhí)行為一體，通過(guò)吸收被調(diào)對(duì)象本身的能量而動(dòng)作，不需外加能源。它根據(jù)被調(diào)流體溫度的變化，使感溫傳感器內(nèi)充工作介質(zhì)的壓力隨溫度變化，借助介質(zhì)壓力的變化改變調(diào)節(jié)閥的開度，從而調(diào)節(jié)流體流量，控制溫度。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低且管理方便，但精度較低、推動(dòng)力較小，適用于流量波動(dòng)幅度較小，儀表氣源或電源供應(yīng)困難和溫度控制精度要求不高的場(chǎng)合，如石油化工和能源動(dòng)力等領(lǐng)域[1,2]。自力式溫度調(diào)節(jié)閥種類很多，結(jié)構(gòu)也各不相同，文中主要以帶外感溫傳感器結(jié)構(gòu)的波紋管壓力平衡型自力式溫度調(diào)節(jié)閥為例，探討基于氣體膨脹原理的自力式溫度調(diào)節(jié)閥關(guān)鍵部件—溫度傳感器的設(shè)計(jì)問(wèn)題。 1氣體膨脹型自力式溫度調(diào)節(jié)閥 1.1結(jié)構(gòu)與工作原理 由于氣體壓力相對(duì)較小，為了減小氣體膨脹型自力式溫度調(diào)節(jié)閥進(jìn)、出口壓差對(duì)閥芯的擾動(dòng)作用力，一般采用波紋管壓力平衡組件來(lái)平衡大部分閥門進(jìn)、出口壓差的影響。此類自力式溫度調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)見圖1[3]。波紋管平衡組件的波紋管內(nèi)腔與閥出口連接，而波紋管平衡件外腔則通過(guò)引壓管（在閥芯推桿中心）與閥入口連接。 推動(dòng)閥桿動(dòng)作的壓力信號(hào)由傳感器中的填充感溫氣體介質(zhì)的膨脹產(chǎn)生，并通過(guò)剛性毛細(xì)管將壓力信號(hào)傳遞至波紋管腔室。作用在閥芯上的上部流體的壓力和下部流體的壓力經(jīng)過(guò)波紋管平衡組件平衡后的合力以及波紋管內(nèi)氣體感溫介質(zhì)產(chǎn)生的力全部通過(guò)彈簧力來(lái)平衡，其結(jié)果是推動(dòng)力FA和預(yù)置彈簧的彈力FF方向相反，但大小相同，二力在等流量狀態(tài)下平衡。當(dāng)溫度在測(cè)量點(diǎn)基礎(chǔ)上上升或下降時(shí)，自力式溫度調(diào)節(jié)閥的控制與執(zhí)行系統(tǒng)可減少或增大流量。 1.2 波紋管壓力平衡組件設(shè)計(jì) 以閥桿為對(duì)象分析波紋管壓力平衡組件的受力。向上的力有閥后介質(zhì)作用在閥芯上的壓力以及閥前介質(zhì)通過(guò)引壓管作用在波紋管平衡組件上的壓力，向下的力有閥前介質(zhì)作用在閥芯上的壓力以及閥后介質(zhì)作用在波紋管平衡組件上的壓力。此外，還有波紋管平衡組件偏離平衡位置的彈性力。 根據(jù)以上的受力分析，設(shè)向上為正，并且閥前、閥后的壓力通過(guò)波紋管平衡組件*平衡，則有以下關(guān)系式： p2（AV-A桿）+p1（A平-A桿）-p1AV-p2（A平-A桿）-k1x=0 （1） 式中，AV為閥芯橫截面積，A平為波紋管平衡組件的波紋管橫截面積，A桿為閥桿的外橫截面積，m2；p1為自力式溫度調(diào)節(jié)閥使用中閥前壓力，p2為自力式溫度調(diào)節(jié)閥使用中閥后壓力，Pa；k1為平衡波紋管的剛性系數(shù)，N/m；x為彈簧偏離平衡位置的位移矢量，m。 化簡(jiǎn)式（1）可得： p2（AV-A平）+p1（A平-A桿-AV）+k1x=0 （2） 若選擇剛性系數(shù)較小的平衡波紋管，閥桿的外橫截面積相對(duì)閥芯橫截面積很小，可以忽略，則由式（2）得： p2（AV-A平）+p1（A平-AV）≈0 （3） 由式（3）可解得A平≈AV，故波紋管平衡組件的波紋管橫截面積應(yīng)與閥芯橫截面積相等。 1.3 閥芯受力分析 溫度調(diào)節(jié)的過(guò)程：①當(dāng)傳感器所測(cè)的介質(zhì)溫度升高時(shí)，傳感器內(nèi)的氣體體積膨脹并在閥件上施加驅(qū)動(dòng)力FA。②當(dāng)FA大于預(yù)設(shè)彈簧力FF后，閥門的開度變小，通過(guò)閥門的流體流量減少。③流量減少后，溫度降低，氣體體積收縮，F(xiàn)A減小，在FF的作用下，閥門的開度增大，如此調(diào)整直至達(dá)到新的力平衡狀態(tài)，此時(shí)，閥芯到達(dá)新位置。 設(shè)閥桿的外橫截面積相對(duì)閥芯橫截面積很小可忽略，且平衡波紋管與波紋管和彈簧的平衡位置相同，以閥桿為研究對(duì)象，可得： pAB-k2x-k3x-k1x=0 （4） 式中，AB為波紋管的橫截面積，m2；p為感溫氣體的壓力，Pa；k2為波紋管的剛性系數(shù)，k3為彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)，N/m。 由式（4）得： （5） 由式（4）可見，在氣體膨脹型自力式溫度調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)中，分析溫度傳感器內(nèi)感溫介質(zhì)隨溫度變化所產(chǎn)生的膨脹壓力是至關(guān)重要的。 2 溫度傳感器內(nèi)充氣體量計(jì)算 當(dāng)溫度升高時(shí)，固體、氣體和大多數(shù)的液體都會(huì)膨脹。氣體膨脹型自力式溫度調(diào)節(jié)閥溫度傳感器原理為[3]，當(dāng)溫度升高時(shí)，傳感器缸體內(nèi)的氣體就會(huì)膨脹，并通過(guò)毛細(xì)管將膨脹量傳輸?shù)讲y管外腔，由于波紋管徑向剛性和外腔壁的剛性共同阻止了徑向的膨脹，因此氣體只能沿軸向膨脹，從而推動(dòng)波紋管和閥桿向上運(yùn)動(dòng)。溫度傳感器缸體的活塞可測(cè)量填充氣體的熱膨脹量，其行程代表溫度的函數(shù)，并將此反應(yīng)在閥門開度上。在筆者研究的氣體膨脹型自力式溫度調(diào)節(jié)閥中，波紋管即為活塞，所以波紋管的行程變化量為： （6） 式中，△h為波紋管即閥桿的行程，m；V為溫度T時(shí)氣體的體積，V0為溫度T0時(shí)氣體的體積，m3。 計(jì)算傳感器內(nèi)充氣體量時(shí)，為了分析與計(jì)算方便，首先按照理想氣體狀態(tài)方程來(lái)推導(dǎo)。由理想氣體狀態(tài)方程有[4]： pV=nRT （7） 式中，p為溫度T時(shí)氣體的壓強(qiáng)，Pa；n為氣體的摩爾數(shù)，mol；T為氣體的熱力學(xué)溫度，K；R為理想氣體常數(shù)，一般取8.314J/（mol•K）。 波紋管的行程變化量如果以彈簧、波紋管的平衡為起點(diǎn)，則有： （8） 聯(lián)立式（5）~式（8）并化簡(jiǎn)可得： （9） 或 （10） 式（9）可以認(rèn)為是在一定的溫度和壓力范圍內(nèi)，傳感器內(nèi)充裝氣體摩爾數(shù)與閥門結(jié)構(gòu)尺寸、傳感器體積、閥門彈簧、波紋管、平衡波紋管剛性以及使用中可能出現(xiàn)的極限情況（對(duì)應(yīng)zui大溫度變化和zui大行程）的關(guān)系式。式（10）是波紋管行程代表溫度的具體函數(shù)表達(dá)式，可見，若V0確定，在一定的溫度和壓力范圍內(nèi)，△h 隨T 的升高而增加。 自力式溫度傳感器中一般采用氮?dú)饣蚨栊詺怏w作為填充介質(zhì)，要求填充氣體無(wú)毒，如果發(fā)生泄漏不污染環(huán)境。為迅速、準(zhǔn)確地將溫度的變化量反應(yīng)在上推桿行程上，從而調(diào)節(jié)閥門開度，傳感器所吸收和散失的熱量應(yīng)盡量少。 溫度傳感器內(nèi)充氣體的熱量計(jì)算如下[2]： W=cpm△T （11） 式中，m為填充氣體的質(zhì)量，kg；△T為溫度的改變量，K；cp為填充氣體的比定壓熱容，kJ/（kg•K），一般并不是常量，而是隨溫度的變化而改變，在一定溫度范圍內(nèi)可近似為常數(shù)，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)或者相關(guān)文獻(xiàn)查得。 綜合式（9）～式（11）可見，獲取波紋管的某一行程量△h，需要考慮操作元件的形狀能否滿足要求，通常若橫截面積AV較小，則傳感器能產(chǎn)生比大橫截面積傳感器更大的行程。當(dāng)波紋管的行程量較大時(shí)，測(cè)量的溫度范圍較大，因而采用較小體積傳感器可得到較大和較的測(cè)量結(jié)果。但小體積傳感器的缺點(diǎn)是傳遞的動(dòng)力較小，因此，在設(shè)計(jì)傳感器內(nèi)充氣體的量與體積時(shí)，必須兼顧行程、溫度的變化量以及所需動(dòng)力的大小等因素。 彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)與初裝壓力相對(duì)應(yīng)，倔強(qiáng)系數(shù)大，則所需初裝壓力也大。初裝壓力較大有利于穩(wěn)定，可增強(qiáng)抵抗干擾與脈動(dòng)壓力的能力，這需要根據(jù)被調(diào)壓力等參數(shù)具體確定。平衡波紋管與波紋管彈性系數(shù)應(yīng)盡可能小，因?yàn)槠胶獠y管、波紋管與彈簧的平衡位置很難相同，造成平衡波紋管、波紋管的彈性力成為干擾因素。 以上分析與計(jì)算是建立在理想氣體狀態(tài)的基礎(chǔ)上，適用于密度不太高、壓強(qiáng)不太大（與大氣壓比較）和溫度不太低（與室溫比較）的情況，的計(jì)算應(yīng)該按照實(shí)際氣體狀態(tài)方程與式（5）、式（6）、式（8）和式（12）聯(lián)立求解。實(shí)際氣體狀態(tài)方程式可選擇有代表性的范德瓦耳斯方程式[4]： （12） 式中，a、b為范德瓦耳斯常數(shù)，可以從相關(guān)專業(yè)手冊(cè)中查得。 3 結(jié)語(yǔ) 氣體膨脹型自力式溫度調(diào)節(jié)閥是一種直接作用調(diào)節(jié)閥，相對(duì)于液體膨脹型、飽和蒸汽壓力型自力式溫度調(diào)節(jié)閥，其感溫范圍和控溫比例帶較寬，溫度傳感器輸出推動(dòng)力小，氣體可壓縮性大，所以過(guò)溫操作時(shí)不需要專門的過(guò)溫保護(hù)裝置，在一些場(chǎng)合仍然存在較大發(fā)展空間。 設(shè)計(jì)氣體膨脹型自力式溫度調(diào)節(jié)閥關(guān)鍵部件——感溫傳感器時(shí)，可以根據(jù)具體要求，依據(jù)基本原理和相應(yīng)介質(zhì)的物性參數(shù)，綜合考慮相關(guān)因素來(lái)選擇相應(yīng)介質(zhì)、計(jì)算內(nèi)充介質(zhì)的量以及根據(jù)被調(diào)壓力等參數(shù)選擇合適的初裝壓力。此外，可依據(jù)文獻(xiàn)[1]選擇感溫傳感器的*結(jié)構(gòu)型式與參數(shù)，推薦*安裝位置與型式。 參考文獻(xiàn) [1]李樹勛，楊志鵬，杜兆年，等.自力式溫度調(diào)節(jié)閥溫發(fā)傳感器結(jié)構(gòu)分析FJ].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2005，（6）：42-44.
[2]李樹勛，杜鵑，把橋環(huán)，等.液體膨脹式自力式溫度調(diào)節(jié)閥傳感器工藝設(shè)計(jì)與分析[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2006，（3）：61-63.
[3]SamsonAG.TemperatureRegulators[EB/OI].http：//www.samson.de，1999-12.
[4]張玉民.熱學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2002. | 
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