Microsoft Word - 2第2章楼宇自动化技术

全国电气智能应用水平考试（智能建筑专业）内部资料工业和信息化部人才交流中心版权所有，侵权必究1第2章楼宇自动化控制技术楼宇自动化控制系统要对楼宇内的变配电系统、照明系统、空调制冷系统、通风系统、给排水系统、电梯、消防、安全防范系统等各种设施进行全面的监控和管理。具体讲就是通过对这些子系统进行监控、控制、信息记录，从而实现对整个楼宇系统的分散节能控制和集中科学管理，既为建筑物用户提供舒适的工作环境，又方便了管理者对建筑物的管理。2.1检测技术与常用传感器2.1.1检测技术概述在楼宇自动化系统中，为了使其处于最佳的工作状态，常要对压力、湿度、温度、流量、温度、液位、浓度等非电量参数进行检测和控制，以便用最少的消耗，获得较好的经济效益。与此同时，为了及时发现险情，也要对建筑内部关系到人身安全、环境财产安全、设备与系统运行安全的因素进行全面监视，以便采取措施排斥隐患，保证建筑环境的质量安全和最大限度保护好人身财产安全。因此，必须实时检测出描述它们特性、运行过程的各种参数和反应安全状态的相关变量值。测量是取得事物数字特征的直接方法。从计量角度讲，测量就是把待测的物理量直接或间接地与同类的另一个已知量进行比较，并且将此已知量作为计量单位，进而定出被测量值是该计量单位的若干倍或几分之几，也就是求出待测量与计量单位的比值作为测量的结果。自动检测技术归纳起来可以分为两类：一类是对电压、电流、阻抗等电量参数的检测；另一类则是根据被测对象的不同，通过运用一定的转换手段，把诸如温度、湿度、压力、流速等转换为电量，然后再进行检测。可根据电学性质及原理与被测非电量间的特定关系来实现那些非电量参数到电量参数之间的转换。将非电量转换为电量的器件，通常称为传感器。传感器在自动检测技术中的地位极为重要，在某些场合成为解决实际问题的关键。图2.1是一个基本的非电量自动检测单元结构图。全国电气智能应用水平考试（智能建筑专业）内部资料工业和信息化部人才交流中心版权所有，侵权必究2图2-1非电量自动检测单元2.1.2楼宇自动化系统中常用传感器在楼宇自动化系统中，为了实现对建筑物或建筑群内各个设备和系统监视控制和管理，传感器是必不可少的重要组成部分。国际电工委员会(IEC:InternationalElectrotechnicalCommittee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。它是一种能把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。这里所谓的“可用信号”多指当今最易于处理和传输的电信号，因此，可以把传感器狭义地定义为能把外界非电信号转换成电信号输出的器件。下面简单讨论在BAS中运用较普遍的一些传感器的工作原理。2.1.2.1温度传感器温度是楼宇控制中一个极为重要的参数，温度的自动调节既能给人提供一个比较舒适的工作与生活环境，又能有效地降低能源的消耗。温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。热电偶应用很广泛，因为它们非常坚固而且不太贵。其外观如图2-2所示。热电偶有多种类型，它们覆盖非常宽的温度范围，从200℃到2000℃。它们的特点是：低灵敏度、低稳定性、中等精度、响应速度慢、高温下容易老化和有漂移，以及非线性。另外，热电偶需要外部参考端。图2-2热电偶温度传感器外观放大器及调理电路A/D转换器传感器微处理器控制器显示打印被测量全国电气智能应用水平考试（智能建筑专业）内部资料工业和信息化部人才交流中心版权所有，侵权必究3RTD精度极高且具有中等线性度。它们特别稳定，并有许多种配置。但它们的最高工作温度只能达到400℃左右。它们也有很大的TC，且价格昂贵(是热电偶的4～10倍)，并且需要一个外部参考源。模拟输出IC温度传感器具有很高的线性度(如果配合一个模数转换器或ADC可产生数字输出)、低成本、高精度(大约1%)、小尺寸和高分辨率。它们的不足之处在于温度范围有限(?C55℃～＋150℃)，并且需要一个外部参考源。数字输出IC温度传感器带有一个内置参考源，它们的响应速度也相当(100ms数量级)。虽然它们固有地会自身发热，但可以采用自动关闭和单次转换模式使其在需要测量之前将IC设置为低功耗状态，从而将自身发热降到最低。图2-3所示为某此类传感器内部原理图。图2-3某数字输出IC温度传感器内部原理图与热敏电阻、RTD和热电偶传感器相比，IC温度传感器具有很高的线性，低系统成本，集成复杂的功能，能够提供一个数字输出，并能够在一个相当有用的范围内进行温度测量。2.1.2.2压力传感器压力传感器如图2-4所示，是将压力转换成电流或电压的器件，它也是楼宇自动化系统中一种较为常用的传感器，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。全国电气智能应用水平考试（智能建筑专业）内部资料工业和信息化部人才交流中心版权所有，侵权必究4图2-4压力传感器某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。压电传感器就是根据这个效应制成的。压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。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。2.1.2.3湿度传感器现代建筑中，需要根据不同的场合，不同的工作环境把空气湿度控制在相应全国电气智能应用水平考试（智能建筑专业）内部资料工业和信息化部人才交流中心版权所有，侵权必究5的范围内，湿度过高过低都会使人感到不适。在一定的温度和压力下，单位体积空气中所含的水蒸气量称为绝对湿度，单位记作：g/m3。空气中所含实际水蒸气量与同一温度下所含最大水蒸气量的比值，称为相对湿度，单位记作：%RH。在一定压力下，当温度降到一定值时，空气中的水蒸气将达到饱和，并由气态变成液态，称为“结露”，发生结露的温度称露点，单位为Co。温度继续下降便会结冰，冰冻会给设备带来一定的危害，一定要加以注意。常用的湿度传感器，大体分为分为阻抗式和电容式两种。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。图2-5所示为一集成湿度传感器实物图。图2-5湿度传感器1.阻抗式湿度传感器(1)金属氧化物湿度传感器又称为硒蒸发膜传感器，它是在绝缘管上镀上一层铂膜，然后以细螺距将铂膜刻成宽约为0.1cm的螺旋状，以此作为两个电极，并在极间蒸发上硒，两极间的电阻大小便会随着吸湿面硒上的湿度大小而变化。(2)磁胶体湿度传感器磁胶体湿度传感器采用在氧化铝基片上制做一对梳状金电极，然后选用粒径100～250A（埃）优质纯磁粉制成胶状体，用喷涂法在电极上涂约30μm，最后在100℃～200℃湿度下加热1小时，即可得到很实用的湿度传感器了。这类传感器制作容易，价格便宜，可以做成各种形状，互换性能好。随着相对湿度的增加，两电极间电阻接近线性下降。这类传感器湿度检测范围为30﹪～95﹪的相对湿度内。通常用金属氧化物制作的湿度传感器的特性曲线出现滞后现象，但磁胶体湿度传感器，滞后现象不明显，并且它的湿度特性也较好。全国电气智能应用水平考试（智能建筑专业）内部资料工业和信息化部人才交流中心版权所有，侵权必究62.电容式湿度传感器电容式湿度传感器是在一玻璃基片上做一个电极，再在上面涂一层既容易吸收空气中水分也容易将水分散掉的聚合物，最后再在聚合物上做一个可透气的金属薄膜为第二电极，这种结构可使极间电容值与湿度基本呈线性关系。理想的湿敏传感器的特性要求是，适合于在宽温、湿范围内使用，测量精度要高；使用寿命长，稳定性好；响应速度快，湿滞回差小，重现性好；灵敏度高，线形好，温度系数小；制造工艺简单，易于批量生产，转换电路简单，成本低；抗腐蚀，耐低温和高温特性等。2.1.2.4流量传感器流量传感器的种类较多，常用的有节流式、速度式、容积式、和电磁式等。1.节流式流式流量计是一种使用历史悠久，实验数据较完善的测量装置。它是以测量流体流经节流装置所产生的静压差来显示流量大小的一种流量计。最基本的配置是由节流装置、差压信号管路和差压变送器组成。现在节流装置特别是喷嘴流量测量朝一体化方向，将高精度的差压变送器和温度补偿与喷嘴做成一体化，大大提高了精度。需要注意的是，节流装置的取压孔一般不会开得太大，在使用过程中也会产生变形而影响测量精度。标准孔板由于在使用过程中经过流体对它的摩擦，也会使其与测量有关的结构要素（如锐角）产生磨损而降低测量精度。2.速度式速度式流量计是以直接测量封闭管道中满管流动速度为原理的一类流量计。①涡轮流量计：当流体流经涡轮流量传感器时，在流体推力作用下涡轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，涡轮转动周期地改变磁电转换器的磁阻值，检测线圈中的磁通随之发生周期性变化，产生周期性的电脉冲信号。在一定的流量（雷诺数）范围内，该电脉冲信号与流经涡轮流量传感器处流体的体积流量成正比。其示意图如图2-6所示。②涡街流量计：在流体中安放非流线型旋涡发生体，流体在旋涡发生体两侧交替地分离释放出两列规则的交替排列的旋涡涡街。在一定的流量（雷诺数）全国电气智能应用水平考试（智能建筑专业）内部资料工业和信息化部人才交流中心版权所有，侵权必究7范围内，旋涡的分离频率与流经涡街流量传感器处流体的体积流量成正比。③旋进涡轮流量计：当流体通过螺旋形导流叶片组成的起旋器后，流体被强迫围绕中心线强烈地旋转形成旋涡轮，通过扩大管时旋涡中心沿一锥形螺旋形进动。在一定的流量（雷诺数）范围内，旋涡流的进动频率与流经旋进涡流量传感器处流体的体积流量成正比。图2-6旋进涡轮流量计④时差式超声波流量计：当超声波穿过流动的流体时，在同一传播距离内，其沿顺流方向和沿逆流方向的传播速度则不同。在较宽的流量（雷诺数）范围内，该时差与被测流体在管道中的体积流量（平均流速）成正比。3.容积式在容积式流量计的内部，有一构成固定的大空间和一组将该空间分割成若干个已知容积的小空间的旋转体，如腰轮、皮膜、转筒、刮板、椭圆齿轮、活塞、螺杆等。旋转体在流体压差的作用下连续转动，不断地将流体从已知容积的小空间中排出。根据一定时间内旋转体转动的次数，即可求出流体流过的体积量。4.电磁式电磁流量计自20世纪50年代末国内首次工业应用以来，七八十年代在流量测量中运用和发展很快，其结构见图2-7所示。电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律，即被测介质垂直于磁力线方向流动，因而在与介质流动和磁力线都垂直的方向上产生一感应电动势EX，当磁场强度B与两极间距离d一定时，则感应电动势EX与被测介质流量（流速）成正比。电磁流量计不受温度、压力、粘度、重度等外界因素的影响，测量管内部无收缩或凸出部分的压力损失，全国电气智能应用水平考试（智能建筑专业）内部资料工业和信息化部人才交流中心版权所有，侵权必究8另外，流量元件