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(1.上海藍濱石化設(shè)備有限責任公司， 上海 201518；2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

板式熱交換器是一種應(yīng)用廣泛的熱交換設(shè)備，具有高效節(jié)能、使用壽命長及結(jié)構(gòu)緊湊等特點[1]。板式熱交換器以板片為主要傳熱元件，板片材料、形狀以及尺寸必須滿足設(shè)計要求。板片通常以0.6～1.2 mm厚的金屬板為原材料，經(jīng)過壓制加工成波紋板。在板片的加工過程中，必須嚴格控制波紋板的結(jié)構(gòu)參數(shù)。波紋板結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括波紋傾角、波紋節(jié)距、展開系數(shù)、波紋深度及波紋夾角等，這些參數(shù)的控制需要采用適當?shù)臏y量方法和測量工具。

文中介紹了一種綜合利用激光技術(shù)和計算機數(shù)據(jù)處理技術(shù)開發(fā)的新型板式熱交換器板片參數(shù)自動測量裝置[2-4]，并針對展開系數(shù)的測量及測量誤差進行說明。

1 板式熱交換器板片測量技術(shù)現(xiàn)狀

板式熱交換器結(jié)構(gòu)參數(shù)測量方法的研究早在20世紀60年代就已經(jīng)開始，目前也取得了較為明顯的進步。但是板片參數(shù)的測量卻一直停留在人工測量階段，未見有專業(yè)自動化測量裝置用于工業(yè)測量的應(yīng)用報道。

常見的手動測量方式主要有2種。文獻[4]介紹了一種利用靠尺和修正帶機構(gòu)完成的板片展開系數(shù)φ的測量方式。此方法通過使膠帶與板式熱交換器的波紋板面緊密接觸，直接測量板式熱交換器板片曲面表面長度，得出節(jié)距間表面長度T0，用靠尺測量波紋板片節(jié)距T，應(yīng)用公式φ=T0/T計算展開系數(shù)[5]。

還有一種以半徑規(guī)為主要工具的測量方式。用半徑規(guī)分別測內(nèi)、外圓弧近似半徑，用直尺或游標卡尺測量板片相鄰波紋的截距，用近似圓弧長度除以截距計算展開系數(shù)。由于半徑讀數(shù)是不連續(xù)的，這種方法對于不是半徑規(guī)標準半徑的圓弧不能精確測量，一般情況下要用試測法進行檢驗。這種方法只能測量波峰、波谷均為圓弧狀的波紋，對梯形等其他形式波紋也不適用。

2 新型板式熱交換器板片參數(shù)測量裝置

2.1 測量裝置結(jié)構(gòu)

新型板式熱交換器板片參數(shù)測量裝置系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

圖1 新型板式熱交換器板片參數(shù)測量裝置系統(tǒng)構(gòu)成示圖

該系統(tǒng)的核心測量元件激光掃描傳感器是一種光學距離傳感器，利用光學三角法基本原理，將激光點投射到金屬板片上，傳感器通過高發(fā)散性的電荷耦合器(Charge Coupled Device，CCD)圖像傳感器陣列作用測量反射回來激光的反射角，確定距離并測量出位移。激光位移傳感器輸出的4～20 mA信號通過RS232串口傳輸至工控機[6-7]。該測量元件以精密直線導(dǎo)軌為測量元件的運動載體，以便攜式工控機作為數(shù)據(jù)處理中心，可為板式熱交換器板片參數(shù)提供簡單、高效、高精度的測量方式。

這種測量裝置最大的特點是激光技術(shù)的應(yīng)用。激光是20世紀60年代出現(xiàn)的重大科技成就之一[8]。激光掃描是一種非接觸式測量技術(shù)，與以接觸式為特征的傳統(tǒng)手動測量技術(shù)相比，非接觸式檢測技術(shù)可以避開被測元件，實現(xiàn)對復(fù)雜零部件的無損傷掃描與檢測[9-10]。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)[11]

新型板式熱交換器板片參數(shù)測量裝置可用于波紋傾角、波紋節(jié)距、展開系數(shù)、波紋深度及波紋夾角的測量，激光器測量精度5 μm、掃描速度10 kHz、線性度3 μm、分辨率1 μm，光柵尺位移傳感器測量精度5 μm。

3 手動測量原理與激光測量原理對比

3.1 手動測量方式

利用靠尺和修正帶機構(gòu)手動測量板片的展開系數(shù)操作示意見圖2。

圖2 人工手動測量板片展開系數(shù)裝置示圖

手動測量板片的展開系數(shù)主要分5個步驟進行，①將靠尺置于板式熱交換器板片波紋的垂直線方向。②將放置好的帶有刻度的膠帶放到修正帶中。③將修正帶機構(gòu)緊貼靠尺，在板片上滑動。④利用帶刻度膠帶測得節(jié)距間曲線長度T0，利用靠尺測得節(jié)距長度T。⑤應(yīng)用公式φ=T0/T計算展開系數(shù)測量值φ。

3.2 激光測量方式

新型板式熱交換器板片展開系數(shù)測量裝置示意見圖3。

這種裝置將測量與光波直接相聯(lián)，在不接觸被測板片的情況下，利用激光掃描傳感器，通過伺服系統(tǒng)控制激光器走位，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C中的專業(yè)計算機軟件進行處理，最后得到展開系數(shù)計算值，很容易做到光電轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的自動分析與處理，獲得高精度測量結(jié)果[12-15]。

圖3 新型板式熱交換器板片展開系數(shù)測量裝置示圖

新型板式熱交換器板片展開系數(shù)測量裝置中應(yīng)用了專門開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件。此軟件將激光掃描的節(jié)距之間的曲線軌跡進行N等分，在獲得的每個小條形區(qū)域內(nèi)，用直線段代替曲線段，最后對其求和并以和值為曲線段的近似長度。測得曲線長度為L，節(jié)距長度為L′，通過自動計算得出展開系數(shù)φ=L′/L，測量算法使用的曲線軌跡和計算模型見圖4。

圖4 板片展開示系數(shù)測量算法示圖

L的具體算法如下。

(1)

b=Δz

(2)

(3)

Li=c

(4)

(5)

式(1)～式(5)中，Δx為x軸方向激光器所走直線距離差,Δy為y軸方向激光器所走直線距離差,Δz為z軸方向激光器的采集深度數(shù)據(jù)差值，a、b、c分別為圖4中直角三角形計算模型中的2個直邊和斜邊的邊長，mm；n為激光器采集數(shù)據(jù)的個數(shù)(由激光器采樣頻率和滑軌運動速度決定)。

4 板片展開系數(shù)測試結(jié)果與誤差分析

采用標準塊進行新型板式熱交換器板片展開系數(shù)測量裝置的標定。標準塊展開系數(shù)的設(shè)計值為1.182 2，手動和自動2種測量方式的對比試驗部分測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 板片展開系數(shù)標定和試驗測量數(shù)據(jù)部分

試驗編組手動測量值自動測量值第1組1.1841.182 2第2組1.1851.182 1第3組1.1861.182 1第4組1.1821.182 2第5組1.1811.182 1第6組1.1821.182 0第7組1.1821.182 2第8組1.1811.182 2第9組1.1841.182 2第10組1.1811.182 1

從表1可以知道，手動測量的10組數(shù)據(jù)誤差較大，每次測量的結(jié)果都不相同，而自動測量的10組數(shù)據(jù)誤差較小，能夠?qū)?shù)據(jù)精確至小數(shù)點后第4位。激光掃描測量裝置板片展開系數(shù)的測量誤差整體上約為0.000 2[16]。

5 結(jié)語

新型板片展開系數(shù)測量裝置是熱交換器板片測量技術(shù)的創(chuàng)新和進步，解決了人工測量誤差大、耗時長、膠帶及靠尺有可能破壞板片以及半徑規(guī)無法測量梯形波等其他波形等問題，實現(xiàn)了無接觸、自動測量和數(shù)據(jù)自動處理。該裝置已在工廠投用，效果良好。