【应用案例】振动式物位开关最高可靠工作温度浅析

APPLICATIONS

Shenzhen Jiwei Automations Ltd.

创新 ■ 求精

01/ 什么是振动式物位开关

What is Vibrating Level Switches

计为振动式物位开关具有适应性广、可靠性和性价比高的特点，在工业现场的物位测量中有着广泛应用。

振动式物位开关一般分为测液体介质的音叉液位开关和测固体介质的音叉料位开关、振棒料位开关。

高温振棒料位开关及其探头

工业现场的工况通常较为恶劣，像被测介质处于高温状态，就是较为常见的一种工况。

那么，在进行物位测量时，振动式物位开关的最高可靠工作温度是多少呢？

02/ 压电器件是核心

Piezoelectric Devices are Core Elements

振动式物位开关是基于悬臂梁振动原理工作的，其振动探头一般以音叉或棒体（分单棒和双棒）为主要结构，采用压电器件实现探头（叉体或棒体）的振动驱动与检测。

当探头（叉体或棒体）接触到被测介质时，叉体或棒体的谐振频率或振幅大幅降低甚至停止振动。振动频率和振幅的变化直接反映在压电检测器件的输出信号上，检测电路对频率或振幅的变化进行判别并输出一个开关信号。可见，压电器件是振动式物位开关的核心部件。

压电器件

压电器件最常用的就是压电陶瓷，一般情况下，由多片压电陶瓷组成的振动驱动和检测部件也叫压电陶瓷组件。

从振动式物位开关的结构设计看，为提高驱动效率和工作可靠性，压电陶瓷组件必须紧挨振动探头的振动体（叉体或棒体）。振动式物位开关在具体应用安装时，必须将整个探头（即振动的叉体或棒体）插入到被测介质的储存罐体或输送管道内。

由此可见，紧挨振动体的压电陶瓷组件的可靠工作温度，就决定了振动式物位开关的可靠工作温度。

03/ 温度对压电器件的影响

The Effects of Temperature on Piezoelectric Devices

压电陶瓷组件的工作可靠性受过程温度、环境湿度以及装配预紧力和其固定零件组件应力等多方面因素的影响。

在这些因素中，温度对其影响最大。因为压电陶瓷中存在亚稳态电畴（非180°畴），而高温释放的热能量非常容易改变亚稳定电畴的结构，引起部分电畴退极化，产生电性能的老化；尤其在温度突变的情况下，热能量的突然聚集极易使电畴转向，使压电陶瓷退极化，且这种退化是不可逆的。

各种形状的压电陶瓷组件

衡量压电陶瓷的性能参数，通常有介电常数ε，压电常数d，机电耦合系数kp，品质因数Qm以及居里温度Tc等等。

其中，居里温度Tc决定了压电陶瓷组件能够长期可靠工作的最高温度。根据压电陶瓷温度性能曲线，要求压电陶瓷组件能够长期可靠工作的最高温度不能超过其居里温度Tc值的一半。

04/ 国内现状

Domestic Situation

在目前的技术水平下，国内外压电陶瓷生产厂家适合用于振动式物位开关的产品，其居里温度Tc均不超过500℃，能生产在250℃高温下长期稳定可靠工作的高温压电陶瓷只有屈指可数几个厂家。

个别物位开关厂家利用自己与用户在产品知识上的不对称，喜欢在文字上做文章，通过夸大自身产品性能，故意标高技术参数，赢得竞争优势。

生产安全不可忽视

比如，国外某知名品牌在其物位开关参数上，对高温型的物位开关标称最高过程温度可达280℃甚至300℃，但是在其后面又加上附加条件：“最长50小时”。这其实就是在故意无底线误导设计院和用户。

如果客户购买了该款产品，用于280℃的现场工况中，那么超过50小时则无法正常工作，损坏仪表，造成物料溢出或者干烧，可能会造成严重的安全事故，后果不堪设想。

这种故意在技术参数上误导用户和设计人员，玩文字游戏，既违反了国家行业标准规定，也给最终用户带来很高的安全隐患。

安全应永远在利益之上

05/攻坚克难，计为研发出400℃超高温振动式物位开关

Jiwei Developed Ultra-high Temperature Level Switches

深圳计为自动化技术有限公司旗下物位开关产品的压电陶瓷元件固定和装配设计，全面考虑了恶劣的高温工况环境，在压电陶瓷组件中增加了温度缓冲隔离装置，即使过程温度发生突变，也不会引起压电陶瓷元件温升过快，从而保护压电陶瓷性能不受损害；同时，选用了温度稳定性好的压电陶瓷材料，以保证物位开关整体的优良性能。

计为自动化严格遵守国际行业标准，始终把用户生产安全放在第一位，在高温振动式物位开关的最高长期可靠的过程温度标称是250℃。

针对过程温度超过250℃的超高温工况，计为自动化成功开发了具有水冷（气冷）功能的超高温振动式料位开关，其可在400℃超高温工况下可靠工作，大大拓展了料位开关的应用范围。

在400摄氏度工况中稳定运行的超高温振棒料位开关

超高温料位开关是在高温料位开关的结构上，创新地外加一个冷却套管。冷却套管一端与过程连接（法兰）焊接在一起，设有进气（或进水）通孔和出气（或出水）通孔；冷却套管的另一端与振动探头相连。

过程连接（法兰）上进气或进水通孔连有直通振动探头的毛细铜管，气流或水流通过毛细铜管直达振动探头，从而降低探头温度，使得料位开关内部的压电陶瓷和高温导线能够在允许的超高温度（400℃）条件下长期可靠工作。如下图所示：

超高温音叉料位开关可耐高温400℃

每个厂家物位开关的最高可靠工作温度，因其产品特性的不同而不尽相同。但是本着实事求是、严谨负责的企业精神，生产厂家不应该虚标参数，更不应该无底线误导客户，以免造成安全生产事故。

文字| 刘工

图片| 华仔

排版| 栗子

审核| 金名

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