超高过程温度振棒料位开关的气冷设计和实验

超高过程温度振棒料位开关是深圳计为自动化技术有限公司于2019年推向市场的、适用于过程温度高达450℃工况的一款最新振动式料位监测装置。产品填补了国内料位监测仪表在超高温应用领域的空白。其投入市场以来，产品在现场应用性能稳定，安全可靠，得到了业界专家和广大用户的广泛好评和高度认可。
   机械振动式料位监测控制装置一般采用振动式的检测方法，其原理是基于悬臂梁的振动理论，采用圆棒或音叉作为振动探头，利用压电器件实现振动的驱动与检测，是一种高精密、高灵敏度的料位测量仪表。其中的核心器件-压电陶瓷，对温度的变化非常敏感，随着温度的升高，其压电性能就会逐渐减弱，当达到或超过居里温度后，会导致其压电特性消失，即所谓的退极化，造成料位报警控制装置无法正常工作。
   超高过程温度振棒料位开关投放市场之前，该类产品的过程温度最高只有250℃。
   深圳计为自动化技术有限公司的研发工程师利用热交换降温原理，在结构增加气冷或水冷循环装置，经过反复试验和不断完善，使计为Tube-11振棒料位开关适应的过程温度提高到450℃，在高达450℃过程温度工况下仍然能够可靠工作，突破了现有机械振动式振棒料位开关长期以来过程温度只有250℃的限制。

计为Tube-11超高温振棒料位开关

计为工程师对Tube-11振棒料位开关振动探头的机械振动及振动传导部件特别是振动介膜进行了重新选材和设计。对材料的温度、金相特性，特别是高温下的机械振动特性以及压电陶瓷的高温性能等方面进行了充分研究，对市场现有压电陶瓷产品依据温度特性进行严格筛选。在结构上，充分利用温度传导和热能扩散技术，在保证压电陶瓷这一关键组件能高效率散热的前提下，将整个装置设计得非常紧凑，外形尺寸达到了最小化。研发人员从结构上进行了创新而独特的设计，实现冷却介质的进、出方式的合理设置和对冷却介质流量的控制。

计为超高温振棒料位开关的结构图

如图所示，在原有过程温度250°C的产品的外管壁上，外加一个保护管、密封管座(在保护管与振动体之间)以及法兰，由此构成一个密闭的空腔，在法兰上设有冷却介质进入口（如进气口）和排出接口（如排气口），冷却介质进入口内连一个铜质细软管直抵探头振动介膜的密封管座，由此将常温或低温的介质（气体或水）直接吹洒在承载压电陶瓷组件的振动介膜外围的密封管座上，使得压电陶瓷片周围的热量向冷却介质快速扩散，吸热后的冷却介质经过密闭腔体经由排出口处排出，从而保证了在高达450℃的过程温度环境中，压电陶瓷的温度仍然保持在250℃以下，使得产品能够在特高温的过程温度中稳定、可靠地工作。冷却介质加热后会快速膨胀，排出口孔径要大于进气孔的直径。冷却介质的进、排口接头采用的是通用标准件，非常方便安装，冷却介质传输管推荐使用市场上常见的6×4规格的PU软管。
   为了保证产品的各项性能以及可靠性和安全性达到设计要求，深圳计为自动化技术有限公司工程师对研发过程中对样品及工艺(材料、组件、焊接等)进行了反复、严谨的各种试验和测试，获得了大量的实验数据。在压电陶瓷的驱动和检测、电路控制、单片机开发、温度监控、报警以及焊接和高温防腐技术工艺等方面，都进行对应的优化和加强，确保了设备的可靠性和安全性。

在高达450℃的过程温度环境中，对温度最敏感的器件-压电陶瓷的温度监测试验至关重要。按照设计要求，在恒定的450℃的过程温度环境中，压电陶瓷片的温度不能超过250℃。为此，研发人员将带有数显的温感探头贴紧固定在压电陶瓷组件上，按照实际工况的安装方式将振动棒的法兰至探头部分全部放置在密闭的高温烤箱中，实验中烤箱恒温温度值分别设定为300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃六个梯度。每个温度梯度中分别使用模型机和样品机，冷却介质分别采用气冷和水冷的方式，四种组合分别做72小时的实验验证。例如，在450℃的梯度实验中，先使用模型机，当烤箱和模型机中的压电陶瓷片的温度恒温到450℃时，开始缓慢输入冷却介质(常温下的空压气或自来水)同时缓慢调节其流量，直到安装压电陶瓷片组件的位置的温度下降至250℃时，此时记录冷却介质输入流量并慢慢调节流量值，使压电陶瓷片组件的位置的温度恒定在250℃，这个流量值就是对应450℃过程温度的最小冷却介质流量输入值。并再次恒定250℃上继续不间断72小时的观察试验并作记录，包括压电陶瓷片的温度波动数据记录。
   根据模型机试验得到的不同过程温度梯度所对应的最小冷媒流量值，再使用样品机进行连续72小时的观察试验并做记录。这样交替反复，得到不同过程温度梯度下的最小冷媒输入流量值的试验数据。
   该产品设计巧妙，结构紧凑，安全可靠，方便安装，并且兼顾液体和气体作为冷却介质的散热方式。普通的气泵(≧0.8Mpa)和民用供水方式即可满足散热要求，方便用户根据现场冷却介质资源进行选择。
   深圳计为自动化技术有限公司长期以来一直专注于振动式料位控制装置的研发和制造，产品质量和可靠性处于国内领先，完全可媲美进口的产品。这款“超高过程温度振棒料位开关”产品更是填补了振动式料位开关在超高过程温度应用领域的空白，达到全球领先水平。

审核编辑：符乾江