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450℃超高溫振棒料位開關(guān)的氣冷設(shè)計和實驗介紹
2020-08-25
機械振動式料位監(jiān)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(xiàn)振動的驅(qū)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(dǎo)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。
超高溫振棒料位開關(guān)投放市場之前,該類產(chǎn)品的過程溫度最高只有250℃。深圳計為自動化技術(shù)有限公司的研發(fā)工程師利用熱交換降溫原理,在結(jié)構(gòu)增加氣冷或水冷循環(huán)裝置,經(jīng)過反復(fù)試驗和不斷完善,突破了現(xiàn)有機械振動式振動棒料位開關(guān)長期以來過程溫度只有250℃的限制,使計為Tube-11振棒料位開關(guān)適應(yīng)在高達450℃過程溫度工況下仍然能夠可靠工作。
計為工程師對Tube-11振棒料位開關(guān)振動探頭的機械振動及振動傳導(dǎo)部件特別是振動介膜進行了重新選材和設(shè)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(xiàn)有壓電陶瓷產(chǎn)品依據(jù)溫度特性進行嚴格篩選。在結(jié)構(gòu)上,充分利用溫度傳導(dǎo)和熱能擴散技術(shù),在保證壓電陶瓷這一關(guān)鍵組件高效率散熱的前提下,將整個裝置設(shè)計得更加緊湊。研發(fā)人員從結(jié)構(gòu)上進行了創(chuàng)新而獨特的設(shè)計,實現(xiàn)冷卻介質(zhì)的進、出方式的合理設(shè)置和對冷卻介質(zhì)流量的控制。
如上圖所示,在原有過程溫度250℃的產(chǎn)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(gòu)成一個密閉的空腔,在法蘭上設(shè)有冷卻介質(zhì)進入口(如進氣口)和排出接口(如排氣口),冷卻介質(zhì)進入口內(nèi)連一個銅質(zhì)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(zhì)(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(zhì)快速擴散,吸熱后的冷卻介質(zhì)經(jīng)過密閉腔體經(jīng)由排出口處排出,從而保證了在高達450℃的過程溫度環(huán)境中,壓電陶瓷的溫度仍然保持在250℃以下,使得產(chǎn)品能夠在特高溫的過程溫度中穩(wěn)定、可靠地工作。冷卻介質(zhì)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(zhì)的進、排出口接頭采用的是通用標準件,非常方便安裝,冷卻介質(zhì)傳輸管推薦使用市場上常見的6×4規(guī)格的PU軟管。
為了保證產(chǎn)品的各項性能指標以及可靠性和安全性達到設(shè)計要求,深圳計為自動化技術(shù)有限公司工程師在研發(fā)過程中對樣品及工藝(材料、組件、焊接等)進行了反復(fù)、嚴謹?shù)母鞣N試驗和測試,獲得了大量的實驗數(shù)據(jù)。在壓電陶瓷的驅(qū)動和檢測、電路控制、單片機開發(fā)、溫度監(jiān)控、報警以及焊接和高溫防腐技術(shù)工藝等方面,都進行對應(yīng)的優(yōu)化和加強,確保了設(shè)備的可靠性和安全性。
在高達450℃的過程溫度環(huán)境中,對溫度最敏感的器件——壓電陶瓷的溫度監(jiān)測試驗至關(guān)重要。按照設(shè)計要求,在恒定的450℃的過程溫度環(huán)境中,壓電陶瓷片的溫度不能超過250℃。為此,研發(fā)人員將帶有數(shù)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棒料位開關(guān)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(shè)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(zhì)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(zhì)(常溫下的空壓氣或自來水)同時緩慢調(diào)節(jié)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(zhì)輸入流量并慢慢調(diào)節(jié)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(yīng)450℃過程溫度的最小冷卻介質(zhì)流量輸入值。并再次恒定250℃上繼續(xù)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(shù)據(jù)記錄。
根據(jù)模型機試驗得到的不同過程溫度梯度所對應(yīng)的最小冷媒流量值,再使用樣品機進行連續(xù)72小時的觀察試驗并做記錄。這樣交替反復(fù),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(shù)據(jù)。該產(chǎn)品設(shè)計巧妙、結(jié)構(gòu)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(zhì)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(jù)現(xiàn)場冷卻介質(zhì)資源進行選擇。
計為自動化長期以來一直專注于振動式料位控制裝置的研發(fā)和制造,產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性處于國內(nèi)領(lǐng)先,完全可媲美進口的產(chǎn)品。這款“超高溫振棒料位開關(guān)”產(chǎn)品更是填補了振動式料位開關(guān)在超高過程溫度應(yīng)用領(lǐng)域的空白,達到全球領(lǐng)先水平。
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