保溫材料測(cè)定裝置的設(shè)計(jì)

王 聰 菅秀洋

（1.吉林化工學(xué)院，吉林 吉林132022；2.中國(guó)石油管道壓縮機(jī)維修中心，河北 廊坊065000）

0 引言

對(duì)不同材料導(dǎo)熱系數(shù)及熱量損失等參數(shù)的測(cè)定有利于設(shè)計(jì)出更經(jīng)濟(jì)，更環(huán)保的絕熱保溫材料產(chǎn)品[6]。本文介紹了一種基于組態(tài)王的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示與控制。為了設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用4點(diǎn)溫度求平均值法來(lái)測(cè)定穩(wěn)態(tài)時(shí)帶保溫層的裸管外溫度、保溫層外溫度和不帶保溫層的裸管內(nèi)溫度值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

圖1 裸管與保溫層熱損失實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)畫面

本設(shè)計(jì)主要由蒸汽發(fā)生器、測(cè)試管、測(cè)量控制儀表及元件和計(jì)算機(jī)控制四部分組成，裸管與保溫層熱損失實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)畫面如圖1所示，蒸汽發(fā)生器為一電熱沸騰灌，蒸汽壓力和溫度由計(jì)算機(jī)控制。

在沸騰灌中產(chǎn)生的蒸汽分別通入兩根垂直安裝的測(cè)試管。兩根測(cè)試管依次為裸蒸汽管和固體材料保溫管。測(cè)試管內(nèi)的蒸汽冷凝后，冷凝液流入測(cè)試管下部冷凝器的收集管內(nèi)，少量的蒸汽和不凝性氣體由放空閥排除[6]。

在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，將冷凝液用收集管收集后再用錐形瓶取出，用天平稱重。

以下為設(shè)計(jì)中用到的主要公式。

裸管向周圍無(wú)限空間自然對(duì)流時(shí)的總給熱速率為：

其中αT為管壁外與空氣自然對(duì)流傳熱（或給熱）系數(shù)，單位是W/(m2·K)；AW為裸管外壁面積，單位是m2；tw和ta為裸管外壁溫度、空氣溫度，單位是℃。

為了減少熱量損失通常在管外包以保溫物質(zhì)，保溫后熱損失為：

其中αT′為包管外壁與空氣的自然對(duì)流傳熱系數(shù)，單位是W/(m2·K)；tw′為包管外壁溫度，單位是℃。

根據(jù)導(dǎo)熱基本定律得：在定常的狀態(tài)下，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)該絕熱材料層得熱量，即加固體保溫層后的蒸汽管的熱損失率為：

保溫層的絕熱效率為：

當(dāng)η值越大保溫效果越好又因?yàn)椋?/p>

其中G、G′為裸管冷凝水量、包管冷凝水量，單位是kg/h。

如果測(cè)得了G，G′，tw，t1及有關(guān)尺寸即可得到αT與η的值[7]。

從工藝方面考慮，為了達(dá)到更好的設(shè)計(jì)效果，對(duì)于設(shè)備的尺寸要求如下：

1）裸管：直徑為22mm,厚度為2mm的不銹鋼管，長(zhǎng)度L=1.2m；

2）包管：固體材料內(nèi)的金屬管的尺寸為直徑22mm，厚度為2mm不銹鋼管，L=1.2m；

3）固體保溫材料：材料為泡沫塑料，直徑為57mm，厚度為17.5mm，L=1.2m。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要由變送器模塊、標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)輸入模塊、溫度控制模塊、開開關(guān)量輸出模塊、繼電器模塊、電源模塊和PC機(jī)組成。其中12點(diǎn)溫度由以單片機(jī)為控制核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集并轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送到上位機(jī)。在PC機(jī)上使用組態(tài)軟件模擬實(shí)際系統(tǒng)，并且對(duì)采集來(lái)得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析；選取適當(dāng)量程和精度的傳感器，對(duì)爐溫、壓力、流量以及液體重量進(jìn)行測(cè)量，并轉(zhuǎn)化為可直接被標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)輸入模塊采集的電信號(hào)。被數(shù)據(jù)采集模塊采集來(lái)得數(shù)據(jù)，再通過(guò)RS485接口與上位機(jī)進(jìn)行通信。上位機(jī)會(huì)對(duì)采集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與顯示進(jìn)而發(fā)出控制信號(hào)。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

3 變量需求分析及儀表選型

針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的需要，需要利用蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生一定的蒸汽。當(dāng)蒸汽產(chǎn)生之后會(huì)充滿到兩個(gè)測(cè)試管中，在此過(guò)程中會(huì)涉及到閥門型號(hào)的選擇。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)有三個(gè)閉環(huán)回路，液位控制回路、溫度控制回路及壓力控制回路。對(duì)應(yīng)這三個(gè)回路可以選擇具有PID控制性質(zhì)的調(diào)節(jié)閥及相應(yīng)的溫度和液位變送器。而對(duì)于進(jìn)水閥門和放水閥門，選擇電磁閥即可。

待蒸汽氣壓和各點(diǎn)溫度維持不變，即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，用冷凝液收集閥就會(huì)自動(dòng)打開，放出水，待蒸汽噴出（約10分鐘）后閉上冷凝液收集閥，打開放水閥，開始搜集冷凝液。冷凝液的重量需用一個(gè)電子天平稱出。

4 下位機(jī)模塊及功能介紹

首先是儀表選型問(wèn)題。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要電子秤兩個(gè)，壓力變送器一個(gè)，液位變送器一個(gè)。為了達(dá)到電源供電一致，可以均選為24VDC供電，輸出均為4～20mA電流信號(hào)的型號(hào)。位置式電磁閥5個(gè)，由輸出電壓為24VDC的繼電器控制其開關(guān)。固態(tài)繼電器一個(gè)。

其次是輸入輸出模塊選型。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，需選用一個(gè)8路地模擬量輸入模塊，8路開關(guān)量輸出模塊和繼電器模塊。

以單片機(jī)為核心的溫度采集模塊用于將采集到的12點(diǎn)溫度信號(hào)送到上位機(jī)并顯示出來(lái)。模擬量輸入模塊用來(lái)將采集到的冷凝液重量，液位和壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送到上位機(jī)并顯示出來(lái)。開關(guān)量輸出模塊是通過(guò)上位機(jī)發(fā)出的離散信號(hào)送出到繼電器模塊上，通過(guò)控制繼電器模塊的開斷來(lái)控制閥門的開斷。溫度控制模塊通過(guò)采集到的爐溫來(lái)控制固態(tài)繼電器的狀態(tài)從而控制爐內(nèi)的溫度。

5 組態(tài)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的目的與要求，首先要建立一個(gè)能夠模擬設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的畫面，本文中稱之為“監(jiān)控畫面”。在監(jiān)控畫面中不僅能夠生動(dòng)地再現(xiàn)出實(shí)際操作流程，而且還能實(shí)時(shí)的顯示出每一運(yùn)行階段各個(gè)變量的值。監(jiān)控畫面是所有畫面的核心。設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足從監(jiān)控畫面可以很方便的切換到其它數(shù)據(jù)處理或顯示畫面，如實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線畫面、報(bào)表畫面、報(bào)表查詢畫面、報(bào)警畫面等。

按照上述要求可以依次建立以下畫面：

1）監(jiān)控畫面。系統(tǒng)在監(jiān)控畫面上完全再現(xiàn)了實(shí)際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和整個(gè)設(shè)備運(yùn)行流程，各種需要采集的數(shù)據(jù)都可顯示于上，可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)任何數(shù)據(jù)，包括各個(gè)閥門的開關(guān)狀態(tài)，溫度、液位、壓強(qiáng)值，冷凝水的重量等。在界面的下側(cè)為數(shù)據(jù)分析的其他窗口的切換按鈕，點(diǎn)擊任何一個(gè)按鈕都會(huì)彈出對(duì)應(yīng)的窗口。

圖3 裸管與保溫管熱損失測(cè)定裝置流程

2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表。用來(lái)實(shí)時(shí)記錄包括溫度、液位、壓力在內(nèi)的所有參數(shù)值。

3）歷史數(shù)據(jù)報(bào)表。用來(lái)查找之前的數(shù)據(jù)記錄。

4）實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線。用來(lái)反應(yīng)當(dāng)前參數(shù)的變化。

5）歷史趨勢(shì)曲線。用來(lái)查詢參數(shù)之前的變化。

6）報(bào)表查詢畫面。用來(lái)查詢保存在當(dāng)前工程目錄下已被保存的報(bào)表。

7）數(shù)據(jù)處理畫面。用于計(jì)算并顯示絕熱系數(shù)及熱量損失值。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)完成了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力、液位以及重量等信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和顯示功能，并通過(guò)這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)保溫材料絕熱系數(shù)的測(cè)定和顯示。系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：人機(jī)界面友好，智能性強(qiáng)，綜合性強(qiáng)，報(bào)警功能突出，監(jiān)控效果好，對(duì)生活和工業(yè)等眾多領(lǐng)域中相關(guān)系統(tǒng)的發(fā)展有極其重要的意義，是一個(gè)很有推廣價(jià)值的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

［1］江家寶.組態(tài)王組態(tài)軟件及其應(yīng)用實(shí)例[M].系統(tǒng)集成與工程應(yīng)用,2007(11)：73-74.

［2］李晨,謝雁,劉新民.MPM復(fù)合保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定及實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào),2006.

［3］Control Engineering China[M].2003,6:90-123.