保温材料测定装置的设计

王 聪 菅秀洋

（1.吉林化工学院，吉林 吉林132022；2.中国石油管道压缩机维修中心，河北 廊坊065000）

0 引言

对不同材料导热系数及热量损失等参数的测定有利于设计出更经济，更环保的绝热保温材料产品[6]。本文介绍了一种基于组态王的数据采集系统，用来实现对现场参数的实时显示与控制。为了设计结果的准确性，系统采用4点温度求平均值法来测定稳态时带保温层的裸管外温度、保温层外温度和不带保温层的裸管内温度值。

1 系统设计原理

图1 裸管与保温层热损失实验装置设计画面

本设计主要由蒸汽发生器、测试管、测量控制仪表及元件和计算机控制四部分组成，裸管与保温层热损失实验装置设计画面如图1所示，蒸汽发生器为一电热沸腾灌，蒸汽压力和温度由计算机控制。

在沸腾灌中产生的蒸汽分别通入两根垂直安装的测试管。两根测试管依次为裸蒸汽管和固体材料保温管。测试管内的蒸汽冷凝后，冷凝液流入测试管下部冷凝器的收集管内，少量的蒸汽和不凝性气体由放空阀排除[6]。

在规定的时间内，将冷凝液用收集管收集后再用锥形瓶取出，用天平称重。

以下为设计中用到的主要公式。

裸管向周围无限空间自然对流时的总给热速率为：

其中αT为管壁外与空气自然对流传热（或给热）系数，单位是W/(m2·K)；AW为裸管外壁面积，单位是m2；tw和ta为裸管外壁温度、空气温度，单位是℃。

为了减少热量损失通常在管外包以保温物质，保温后热损失为：

其中αT′为包管外壁与空气的自然对流传热系数，单位是W/(m2·K)；tw′为包管外壁温度，单位是℃。

根据导热基本定律得：在定常的状态下，单位时间内通过该绝热材料层得热量，即加固体保温层后的蒸汽管的热损失率为：

保温层的绝热效率为：

当η值越大保温效果越好又因为：

其中G、G′为裸管冷凝水量、包管冷凝水量，单位是kg/h。

如果测得了G，G′，tw，t1及有关尺寸即可得到αT与η的值[7]。

从工艺方面考虑，为了达到更好的设计效果，对于设备的尺寸要求如下：

1）裸管：直径为22mm,厚度为2mm的不锈钢管，长度L=1.2m；

2）包管：固体材料内的金属管的尺寸为直径22mm，厚度为2mm不锈钢管，L=1.2m；

3）固体保温材料：材料为泡沫塑料，直径为57mm，厚度为17.5mm，L=1.2m。

2 系统设计方案

系统主要由变送器模块、标准模拟信号输入模块、温度控制模块、开开关量输出模块、继电器模块、电源模块和PC机组成。其中12点温度由以单片机为控制核心的数据采集系统采集并转化为数字量送到上位机。在PC机上使用组态软件模拟实际系统，并且对采集来得数据进行处理分析；选取适当量程和精度的传感器，对炉温、压力、流量以及液体重量进行测量，并转化为可直接被标准模拟信号输入模块采集的电信号。被数据采集模块采集来得数据，再通过RS485接口与上位机进行通信。上位机会对采集进来的数据进行处理与显示进而发出控制信号。系统框图如图2所示。

图2 系统框图

3 变量需求分析及仪表选型

针对整个系统运行的需要，需要利用蒸汽发生器产生一定的蒸汽。当蒸汽产生之后会充满到两个测试管中，在此过程中会涉及到阀门型号的选择。系统运行时有三个闭环回路，液位控制回路、温度控制回路及压力控制回路。对应这三个回路可以选择具有PID控制性质的调节阀及相应的温度和液位变送器。而对于进水阀门和放水阀门，选择电磁阀即可。

待蒸汽气压和各点温度维持不变，即达到稳定状态后，用冷凝液收集阀就会自动打开，放出水，待蒸汽喷出（约10分钟）后闭上冷凝液收集阀，打开放水阀，开始搜集冷凝液。冷凝液的重量需用一个电子天平称出。

4 下位机模块及功能介绍

首先是仪表选型问题。根据设计要求，需要电子秤两个，压力变送器一个，液位变送器一个。为了达到电源供电一致，可以均选为24VDC供电，输出均为4～20mA电流信号的型号。位置式电磁阀5个，由输出电压为24VDC的继电器控制其开关。固态继电器一个。

其次是输入输出模块选型。根据设计需要，需选用一个8路地模拟量输入模块，8路开关量输出模块和继电器模块。

以单片机为核心的温度采集模块用于将采集到的12点温度信号送到上位机并显示出来。模拟量输入模块用来将采集到的冷凝液重量，液位和压力信号转化为数字信号送到上位机并显示出来。开关量输出模块是通过上位机发出的离散信号送出到继电器模块上，通过控制继电器模块的开断来控制阀门的开断。温度控制模块通过采集到的炉温来控制固态继电器的状态从而控制炉内的温度。

5 组态设计

根据设计的目的与要求，首先要建立一个能够模拟设备运行状态的画面，本文中称之为“监控画面”。在监控画面中不仅能够生动地再现出实际操作流程，而且还能实时的显示出每一运行阶段各个变量的值。监控画面是所有画面的核心。设计应该满足从监控画面可以很方便的切换到其它数据处理或显示画面，如实时趋势曲线画面、报表画面、报表查询画面、报警画面等。

按照上述要求可以依次建立以下画面：

1）监控画面。系统在监控画面上完全再现了实际系统的结构和整个设备运行流程，各种需要采集的数据都可显示于上，可以实时的监测任何数据，包括各个阀门的开关状态，温度、液位、压强值，冷凝水的重量等。在界面的下侧为数据分析的其他窗口的切换按钮，点击任何一个按钮都会弹出对应的窗口。

图3 裸管与保温管热损失测定装置流程

2）实时数据报表。用来实时记录包括温度、液位、压力在内的所有参数值。

3）历史数据报表。用来查找之前的数据记录。

4）实时趋势曲线。用来反应当前参数的变化。

5）历史趋势曲线。用来查询参数之前的变化。

6）报表查询画面。用来查询保存在当前工程目录下已被保存的报表。

7）数据处理画面。用于计算并显示绝热系数及热量损失值。

6 结论

本设计完成了对现场温度、压力、液位以及重量等信号的实时采集和显示功能，并通过这些参数实现了对保温材料绝热系数的测定和显示。系统具有以下特点：人机界面友好，智能性强，综合性强，报警功能突出，监控效果好，对生活和工业等众多领域中相关系统的发展有极其重要的意义，是一个很有推广价值的数据采集系统。

［1］江家宝.组态王组态软件及其应用实例[M].系统集成与工程应用,2007(11)：73-74.

［2］李晨,谢雁,刘新民.MPM复合保温材料导热系数的测定及实验装置的改进[J].青岛科技大学学报,2006.

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