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450℃超高溫振棒料位開關(guān)的氣冷設(shè)計和實(shí)驗(yàn)介紹
2020-08-25
機(jī)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(shí)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(dāng)達(dá)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(yàn)和不斷完善,突破了現(xiàn)有機(jī)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(dá)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(jī)械振動及振動傳導(dǎo)部件特別是振動介膜進(jìn)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(jī)械振動特性以及壓電陶瓷的高溫性能等方面進(jìn)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(jìn)行嚴(yán)格篩選。在結(jié)構(gòu)上,充分利用溫度傳導(dǎo)和熱能擴(kuò)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(jìn)行了創(chuàng)新而獨(dú)特的設(shè)計,實(shí)現(xiàn)冷卻介質(zhì)的進(jìn)、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(hù)管、密封管座(在保護(hù)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(jìn)入口(如進(jìn)氣口)和排出接口(如排氣口),冷卻介質(zhì)進(jìn)入口內(nèi)連一個銅質(zhì)細(xì)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(kuò)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(dá)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(jìn)氣孔的直徑。冷卻介質(zhì)的進(jìn)、排出口接頭采用的是通用標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)性能指標(biāo)以及可靠性和安全性達(dá)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(jìn)行了反復(fù)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)母鞣N試驗(yàn)和測試,獲得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在壓電陶瓷的驅(qū)動和檢測、電路控制、單片機(jī)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(jìn)行對應(yīng)的優(yōu)化和加強(qiáng),確保了設(shè)備的可靠性和安全性。
在高達(dá)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(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(jī)和樣品機(jī),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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。例如,在450℃的梯度實(shí)驗(yàn)中,先使用模型機(jī),當(dāng)烤箱和模型機(jī)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(yàn)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(jī)試驗(yàn)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(jī)進(jìn)行連續(xù)72小時的觀察試驗(yàn)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(yàn)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(jìn)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(jìn)口的產(chǎn)品。這款“超高溫振棒料位開關(guān)”產(chǎn)品更是填補(bǔ)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(dá)到全球領(lǐng)先水平。
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