保溫材料測定裝置的設計

王 聰 菅秀洋

（1.吉林化工學院，吉林 吉林132022；2.中國石油管道壓縮機維修中心，河北 廊坊065000）

0 引言

對不同材料導熱系數及熱量損失等參數的測定有利于設計出更經濟，更環保的絕熱保溫材料產品[6]。本文介紹了一種基于組態王的數據采集系統，用來實現對現場參數的實時顯示與控制。為了設計結果的準確性，系統采用4點溫度求平均值法來測定穩態時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溫度值。

1 系統設計原理

圖1 裸管與保溫層熱損失實驗裝置設計畫面

本設計主要由蒸汽發生器、測試管、測量控制儀表及元件和計算機控制四部分組成，裸管與保溫層熱損失實驗裝置設計畫面如圖1所示，蒸汽發生器為一電熱沸騰灌，蒸汽壓力和溫度由計算機控制。

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

在規定的時間內，將冷凝液用收集管收集后再用錐形瓶取出，用天平稱重。

以下為設計中用到的主要公式。

裸管向周圍無限空間自然對流時的總給熱速率為：

其中αT為管壁外與空氣自然對流傳熱（或給熱）系數，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，保溫后熱損失為：

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

根據導熱基本定律得：在定常的狀態下，單位時間內通過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η值越大保溫效果越好又因為：

其中G、G′為裸管冷凝水量、包管冷凝水量，單位是kg/h。

如果測得了G，G′，tw，t1及有關尺寸即可得到αT與η的值[7]。

從工藝方面考慮，為了達到更好的設計效果，對于設備的尺寸要求如下：

1）裸管：直徑為22mm,厚度為2mm的不銹鋼管，長度L=1.2m；

2）包管：固體材料內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 系統設計方案

系統主要由變送器模塊、標準模擬信號輸入模塊、溫度控制模塊、開開關量輸出模塊、繼電器模塊、電源模塊和PC機組成。其中12點溫度由以單片機為控制核心的數據采集系統采集并轉化為數字量送到上位機。在PC機上使用組態軟件模擬實際系統，并且對采集來得數據進行處理分析；選取適當量程和精度的傳感器，對爐溫、壓力、流量以及液體重量進行測量，并轉化為可直接被標準模擬信號輸入模塊采集的電信號。被數據采集模塊采集來得數據，再通過RS485接口與上位機進行通信。上位機會對采集進來的數據進行處理與顯示進而發出控制信號。系統框圖如圖2所示。

圖2 系統框圖

3 變量需求分析及儀表選型

針對整個系統運行的需要，需要利用蒸汽發生器產生一定的蒸汽。當蒸汽產生之后會充滿到兩個測試管中，在此過程中會涉及到閥門型號的選擇。系統運行時有三個閉環回路，液位控制回路、溫度控制回路及壓力控制回路。對應這三個回路可以選擇具有PID控制性質的調節閥及相應的溫度和液位變送器。而對于進水閥門和放水閥門，選擇電磁閥即可。

待蒸汽氣壓和各點溫度維持不變，即達到穩定狀態后，用冷凝液收集閥就會自動打開，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電子天平稱出。

4 下位機模塊及功能介紹

首先是儀表選型問題。根據設計要求，需要電子秤兩個，壓力變送器一個，液位變送器一個。為了達到電源供電一致，可以均選為24VDC供電，輸出均為4～20mA電流信號的型號。位置式電磁閥5個，由輸出電壓為24VDC的繼電器控制其開關。固態繼電器一個。

其次是輸入輸出模塊選型。根據設計需要，需選用一個8路地模擬量輸入模塊，8路開關量輸出模塊和繼電器模塊。

以單片機為核心的溫度采集模塊用于將采集到的12點溫度信號送到上位機并顯示出來。模擬量輸入模塊用來將采集到的冷凝液重量，液位和壓力信號轉化為數字信號送到上位機并顯示出來。開關量輸出模塊是通過上位機發出的離散信號送出到繼電器模塊上，通過控制繼電器模塊的開斷來控制閥門的開斷。溫度控制模塊通過采集到的爐溫來控制固態繼電器的狀態從而控制爐內的溫度。

5 組態設計

根據設計的目的與要求，首先要建立一個能夠模擬設備運行狀態的畫面，本文中稱之為“監控畫面”。在監控畫面中不僅能夠生動地再現出實際操作流程，而且還能實時的顯示出每一運行階段各個變量的值。監控畫面是所有畫面的核心。設計應該滿足從監控畫面可以很方便的切換到其它數據處理或顯示畫面，如實時趨勢曲線畫面、報表畫面、報表查詢畫面、報警畫面等。

按照上述要求可以依次建立以下畫面：

1）監控畫面。系統在監控畫面上完全再現了實際系統的結構和整個設備運行流程，各種需要采集的數據都可顯示于上，可以實時的監測任何數據，包括各個閥門的開關狀態，溫度、液位、壓強值，冷凝水的重量等。在界面的下側為數據分析的其他窗口的切換按鈕，點擊任何一個按鈕都會彈出對應的窗口。

圖3 裸管與保溫管熱損失測定裝置流程

2）實時數據報表。用來實時記錄包括溫度、液位、壓力在內的所有參數值。

3）歷史數據報表。用來查找之前的數據記錄。

4）實時趨勢曲線。用來反應當前參數的變化。

5）歷史趨勢曲線。用來查詢參數之前的變化。

6）報表查詢畫面。用來查詢保存在當前工程目錄下已被保存的報表。

7）數據處理畫面。用于計算并顯示絕熱系數及熱量損失值。

6 結論

本設計完成了對現場溫度、壓力、液位以及重量等信號的實時采集和顯示功能，并通過這些參數實現了對保溫材料絕熱系數的測定和顯示。系統具有以下特點：人機界面友好，智能性強，綜合性強，報警功能突出，監控效果好，對生活和工業等眾多領域中相關系統的發展有極其重要的意義，是一個很有推廣價值的數據采集系統。

［1］江家寶.組態王組態軟件及其應用實例[M].系統集成與工程應用,2007(11)：73-74.

［2］李晨,謝雁,劉新民.MPM復合保溫材料導熱系數的測定及實驗裝置的改進[J].青島科技大學學報,2006.

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