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      從研發認識計為

      超高過程溫度振棒料位開關的氣冷設計和實驗

      2020-08-25

        超高過程溫度振棒料位開關是深圳計為自動化技術有限公司于2019年推向市場的、適用于過程溫度高達450℃工況的一款最新振動式料位監測裝置。產品填補了國內料位監測儀表在超高溫應用領域的空白。其投入市場以來,產品在現場應用性能穩定,安全可靠,得到了業界專家和廣大用戶的廣泛好評和高度認可。
        機械振動式料位監測控制裝置一般采用振動式的檢測方法,其原理是基于懸臂梁的振動理論,采用圓棒或音叉作為振動探頭,利用壓電器件實現振動的驅動與檢測,是一種高精密、高靈敏度的料位測量儀表。其中的核心器件-壓電陶瓷,對溫度的變化非常敏感,隨著溫度的升高,其壓電性能就會逐漸減弱,當達到或超過居里溫度后,會導致其壓電特性消失,即所謂的退極化,造成料位報警控制裝置無法正常工作。
        超高過程溫度振棒料位開關投放市場之前,該類產品的過程溫度最高只有250℃。
        深圳計為自動化技術有限公司的研發工程師利用熱交換降溫原理,在結構增加氣冷或水冷循環裝置,經過反復試驗和不斷完善,使計為Tube-11振棒料位開關適應的過程溫度提高到450℃,在高達450℃過程溫度工況下仍然能夠可靠工作,突破了現有機械振動式振棒料位開關長期以來過程溫度只有250℃的限制。
        計為工程師對Tube-11振棒料位開關振動探頭的機械振動及振動傳導部件特別是振動介膜進行了重新選材和設計。對材料的溫度、金相特性,特別是高溫下的機械振動特性以及壓電陶瓷的高溫性能等方面進行了充分研究,對市場現有壓電陶瓷產品依據溫度特性進行嚴格篩選。在結構上,充分利用溫度傳導和熱能擴散技術,在保證壓電陶瓷這一關鍵組件能高效率散熱的前提下,將整個裝置設計得非常緊湊,外形尺寸達到了最小化。研發人員從結構上進行了創新而獨特的設計,實現冷卻介質的進、出方式的合理設置和對冷卻介質流量的控制。

      超高過程溫度振棒料位開關的氣冷設計和實驗

        如圖所示,在原有過程溫度250°C的產品的外管壁上,外加一個保護管、密封管座(在保護管與振動體之間)以及法蘭,由此構成一個密閉的空腔,在法蘭上設有冷卻介質進入口(如進氣口)和排出接口(如排氣口),冷卻介質進入口內連一個銅質細軟管直抵探頭振動介膜的密封管座,由此將常溫或低溫的介質(氣體或水)直接吹灑在承載壓電陶瓷組件的振動介膜外圍的密封管座上,使得壓電陶瓷片周圍的熱量向冷卻介質快速擴散,吸熱后的冷卻介質經過密閉腔體經由排出口處排出,從而保證了在高達450℃的過程溫度環境中,壓電陶瓷的溫度仍然保持在250℃以下,使得產品能夠在特高溫的過程溫度中穩定、可靠地工作。冷卻介質加熱后會快速膨脹,排出口孔徑要大于進氣孔的直徑。冷卻介質的進、排口接頭采用的是通用標準件,非常方便安裝,冷卻介質傳輸管推薦使用市場上常見的6×4規格的PU軟管。

        為了保證產品的各項性能以及可靠性和安全性達到設計要求,深圳計為自動化技術有限公司工程師對研發過程中對樣品及工藝(材料、組件、焊接等)進行了反復、嚴謹的各種試驗和測試,獲得了大量的實驗數據。在壓電陶瓷的驅動和檢測、電路控制、單片機開發、溫度監控、報警以及焊接和高溫防腐技術工藝等方面,都進行對應的優化和加強,確保了設備的可靠性和安全性。

      超高過程溫度振棒料位開關的氣冷設計和實驗

        在高達450℃的過程溫度環境中,對溫度最敏感的器件-壓電陶瓷的溫度監測試驗至關重要。按照設計要求,在恒定的450℃的過程溫度環境中,壓電陶瓷片的溫度不能超過250℃。為此,研發人員將帶有數顯的溫感探頭貼緊固定在壓電陶瓷組件上,按照實際工況的安裝方式將振動棒的法蘭至探頭部分全部放置在密閉的高溫烤箱中,實驗中烤箱恒溫溫度值分別設定為300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃六個梯度。每個溫度梯度中分別使用模型機和樣品機,冷卻介質分別采用氣冷和水冷的方式,四種組合分別做72小時的實驗驗證。例如,在450℃的梯度實驗中,先使用模型機,當烤箱和模型機中的壓電陶瓷片的溫度恒溫到450℃時,開始緩慢輸入冷卻介質(常溫下的空壓氣或自來水)同時緩慢調節其流量,直到安裝壓電陶瓷片組件的位置的溫度下降至250℃時,此時記錄冷卻介質輸入流量并慢慢調節流量值,使壓電陶瓷片組件的位置的溫度恒定在250℃,這個流量值就是對應450℃過程溫度的最小冷卻介質流量輸入值。并再次恒定250℃上繼續不間斷72小時的觀察試驗并作記錄,包括壓電陶瓷片的溫度波動數據記錄。

        根據模型機試驗得到的不同過程溫度梯度所對應的最小冷媒流量值,再使用樣品機進行連續72小時的觀察試驗并做記錄。這樣交替反復,得到不同過程溫度梯度下的最小冷媒輸入流量值的試驗數據。
        該產品設計巧妙,結構緊湊,安全可靠,方便安裝,并且兼顧液體和氣體作為冷卻介質的散熱方式。普通的氣泵(≧0.8Mpa)和民用供水方式即可滿足散熱要求,方便用戶根據現場冷卻介質資源進行選擇。
        深圳計為自動化技術有限公司長期以來一直專注于振動式料位控制裝置的研發和制造,產品質量和可靠性處于國內領先,完全可媲美進口的產品。這款“超高過程溫度振棒料位開關”產品更是填補了振動式料位開關在超高過程溫度應用領域的空白,達到全球領先水平。
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