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绝缘油中酸性组分超声波萃取仪研制开发


一、前言
 
目前,人工萃取操作主要存在三个问题:(1)操作动作烦琐,对人的操作技能水平要求很高。往往对同一样品,在相同的时间、相同的方法、相同的环境条件下,不同的人测出不同的数据。甚**同一人对同一样品在不同时间内,测出不同的数据。因此对手头操作技能的依赖性很强。(2)操作时需要将双手长时间置于高温水面之上,操作环境比较艰辛;同时,长时间的重复同一动作,极易造成局部肢体疲劳。(3)工作效率低下。
 
由于变压器油酸值测定的特殊性,**今,仍无发现符合国家标准的自动萃取装置出现。因此,将酸性组分萃取操作实现自动化,是长期以来人们关注的焦点,一直期望有自动化装置的问世。所以研制一种既能实现自动化操作,工作效果又符合国家标准要求的装置,必将具有重要的技术进步意义。
 
为解决变压器油酸性组分萃取的自动化问题,滨州供电公司抽调部分技术人员,开展了一系列的模拟试验,模拟结果表明研制自动装置是可行的。在确立了自动装置的基本结构、功能、动作程序及实现方法后,与滨州职业学院电气自动化专业和数控专业的部分专业教师组成研制小组,共同研制绝缘油中酸性组分超声波萃取仪
二、研制过程
 
1.萃取仪技术性能的确定
 
2006 年 3 月,攻关小组经过模拟试验,通过分析、论证,确定了萃取仪所满足的技术性能:实现萃取操作的全自动化;实现萃取操作的快速和高效性;减少人为因素对萃取造成的误差,同时降低高温萃取对操作者的伤害;控制方式现代化,整套仪器具有鲜明的时代感;萃取的震源采用超声波换能器。
 
2.萃取仪技术方案的确定 取仪的性能要求,以及现代相关成熟的应用技术,制定了萃取仪的技术方案。本课题拟采用超声波换能器作为萃取振源;直线致动器作为冷凝管烧瓶夹持器垂直直线运动的驱动部件;采用电磁铁作为机械手自动夹紧和放松烧瓶部件;热电偶作为温度信号采集的传感器,配合智能温度控制器作为温控电器;可编程控制器 PLC 作为主要的控制电器,完成对萃取的全过程的自动程序控制;为了保证变压器油萃取的技术要求,采用传统的冷凝管、三角烧瓶作为萃取的主体部件;选用水流开关作为检测冷能循环水和萃取槽进水信号和报警装置等;选用供水型液位自动控制器作为水位的检测和控制电器。电磁阀为萃取槽进水和冷凝水的供水阀门。通过对机械构件的设计和选用,对超声波技术、PLC 控制技术、电气控制技术、传感器检测技术等的深入研究,然后进行综合研究和设计优化。对软件部分进行状态流程的设计,并进行优化。**终研发出具有高可靠性、功能完善、自动化程度高的全自动萃取装置。
 
经济技术指标分析
 
总体方案设计
 
 软件、硬件电路和机械构件功能划分
 
硬件电路核心部件选 择   确定编程方案       确定机械构件的结构
             
 
硬件电路设计 软件设计、优化
 
软硬件联合调试
 
组装、调试
 
技术经济指标考核
 
图 1 技术路线流程图
 
技术路线见图 1:技术路线流程图。整套装置得组织方式确定:电器部件选用;机械构件标准件选用,非标准件设计加工。将课题分为四大部分,即萃取指标的研究、机械构件的设计、硬件电路设计、软件程序的编制和优化,然后把研究任务具体分解给每个课题组成员。
 
3.萃取仪硬件电路的设计
 
2006 年 6 月,根据技术方案,查阅大量资料,设计了**初的硬件控制电路,确定了电器的技术性能规格,作为选用电器的依据。在设计过程中要综合考虑到电路合理和**简化、电气设备的通用性、电路的安全性、电气故障指示和调试性等问题。机械构件的设计。
4.萃取仪电器元器件的选购和性能试验及硬件电路的修
 

 
2006 年 7 月** 8 月,通过计算机网络查阅大量资料,到专业厂家走访,电话沟通,基本按萃取仪硬件电路所规定的电器规格把主要电器选购到位。选购电器的原则:按照硬件电路所规定的电压、电流、功率等规格;尽量选用通用件,便于电器的互换性;选用现代化新型电器。其中本萃取仪夹持器上对四个烧瓶的瓶颈进行夹紧和放松的机械手,拟采用电磁铁作为动力部件,但要完成在本萃取仪中夹紧和放松功能,应在电磁铁的基础上再设计其他构件,考虑到器件选用的通用性,电磁铁根据电路的要求选用电压 DC24V,65W 型号为 SPJ-25T2 型电脑绣花机械通用电磁铁,其余构件委托作为电磁铁专业生产厂家的青岛海鹰电器厂来加工生产。该电磁铁经试验后能满足对烧瓶瓶颈夹紧和放松的要求。
 
萃取仪上有两处水位控制,分别是萃取槽注水满水位要停止注水,和萃取槽水位淹没电加热管后电加热管启动加热。通过查阅资料,在按照硬件电路中设计采用光电开关作为水位的监测器件,光电开关选进后通过实验发现,光电开关检测无色的水位可靠性差,有时动作,有时不动作。所以必须更换该水位监测电器,**后选用带有高中低水位电极的供水性液位控制器为水位检测,经试验性能很好。故控制电路作了局部修改。
 
萃取仪上驱动夹持器的电机计划选用线性电机,经考察,用于机器人上的线性电机,其转速或位移非常精密,价格昂贵。在本萃取仪中夹持器的位置精度可以允许有 1-2mm 的误差,选用线性致动器来驱动。而线性制动器是正在直线运动领域越来越受欢迎直线驱动装置,简化了由旋转运动向直线运动转化的传动系统。**主要的功能是将负载作直线的移动,类似气缸或液压缸。它可以承载大范围的负载,提供可控制的运动,并且成本具有竞争力。马达产生的旋转运动通过安装在推力单元内的梯形螺纹轴被转换成直线运动。导程的选择保证了线性致动器的自锁性。高于额定推力的静载荷,可以维持在任意位置。其他包括 PLC、减速电机等电器购进后经试验,其性能均满足萃取仪上的性能要求。
 
5.软件应用程序的设计和机械构件的设计
 
2006 年 8 月,硬件电路和电器元件均已到位,可以根据电器的动作要求,进行应用程序的设计;根据电器和其余构件的固定情况进行机械构件的选用和设计。

6.控制柜的电器安装和机械构件的加工及组装
 
2006 年 9 月,按照机械设计的要求,选用了线性轴承、导向光轴、齿轮、齿条等通用机械构件;根据设计图纸进行机械构件加工生产。并对机械部分进行安装调试。根据硬件控制电路和电器安装布线图,对控制柜进行配盘接线。
7.样机组装,软硬件试验及调试
 
2006 年 10 月** 12 月,分别在滨州职业学院电力拖动实验室和数控实训车间,对萃取仪的整机的电气性能和机械动作进行了实验和调试。发现并攻克了动作不到位、噪音过大、超声波功率发挥不正常等问题,**终达到了设计要求。
三、现场试验
 
超声波萃取仪调试完毕后,在滨州供电公司油务班的实验室进行了初步萃取试验。各项试验指标的情况表明,该装置确实具有自动化程度高、重复性好、效率高、省工省力、仪器现代化等特点。
 
由于萃取操作是所有化验室**常用的、**基本的操作,所以自动萃取装置不仅可用于电力系统的化验室,还可用于不会产生萃取液乳化的其他化验室的萃取操作。
四、结论
 
由于自动化装置的操作重复性远远高于人工操作水平,因此会明显提高分析结果的精密度。超声波振荡效率大大高于人工操作的频率。因此可以提高工作效率。装置的技术性能指标符合国家标准《运行中变压器油、汽轮机油酸值测定法》(GB7598-87)的要求,且工作效率是 GB7598-87
 
的 10-20 倍。人工操作时,人的手臂需要在 70-80℃高温水浴之上连续不间断操作 5 分钟(每个周期)。因此,该装置可以大幅度改善劳动条件,减轻劳动强度。由于装置的上述优越性能,避免了人工操作失误带来的重复劳动,有效地节约了交通、材料等费用。并可及时将试验报告上交有关领导。萃取操作是电力系统化验室中未实现自动化的试验环节之一。实现萃取自动化,是业内人士长期关注的热点,希望有自动化装置的问世。因此,自动装置具有广阔的应用前景,对实现商品化具有一定价值。


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