摘要：在蒸(zheng)汽能源的(de)生産過程(cheng)計量和自(zì)動控制領(ling)域中，用一(yī)台儀表能(neng)同時對流(liú)量、溫度和(hé)壓力等多(duō)參數進行(háng)測量的功(gong)能非常重(zhòng)要。研制的(de)一種集通(tōng)用渦街流(liú)量傳感器(qi)及溫度壓(ya)力傳感🔱器(qì)于一體的(de)蒸汽渦街(jiē)流量計 ，實(shi)現了對蒸(zhēng)汽的流量(liang)、溫度、壓力(li)和質量流(liu)量等多參(can)數🌈的準确(que)‼️測量或積(jī)算，并且具(jù)有現場顯(xiǎn)示、标準信(xìn)号遠傳和(hé)通訊功能(néng)，更便于自(zi)動化管理(li)。
　　蒸汽是一(yi)種比較特(tè)殊的能源(yuán)介質，随着(zhe)工況溫度(du)和壓力的(de)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻變🍓化，過熱(re)蒸汽經常(cháng)會轉變成(chéng)爲飽和蒸(zheng)㊙️汽，并且溫(wēn)度壓力不(bú)同蒸汽密(mi)度也不同(tóng)，現有蒸汽(qì)🐉計量儀表(biǎo)常用🥰的是(shì)以 孔闆流(liu)量計 爲代(dai)表的 差壓(ya)式流量計(jì) [1]或普通渦(wō)街流量計(ji)等，由于它(ta)們僅測量(liang)體積流量(liàng)，測量✔️不✨了(le)溫度和壓(yā)力，肯定會(huì)存在最終(zhong)測不準的(de)問題。并且(qiě)常用的差(cha)壓式流量(liang)計壓損很(hěn)大[1-3]，是渦街(jie)的數倍🤟以(yi)上，産生的(de)能源消耗(hao)浪費很大(da)，并且差壓(ya)式流量計(ji)計量系統(tǒng)零部件數(shù)量較多、安(ān)裝複雜、維(wéi)📧護費用高(gao)；普通的 渦(wō)街流量計(ji) 也僅能測(cè)量體積流(liú)量，不能測(ce)量溫度、壓(yā)力和密度(dù)，且耐高溫(wen)性能差。目(mu)前，蒸汽質(zhì)量流量測(cè)量基本上(shàng)仍采🌍用推(tuī)導法（間接(jiē)法）質量積(ji)算法，在推(tui)導式質量(liang)計量中⛷️，關(guan)鍵環節是(shi)蒸汽密度(dù)的求取，蒸(zhēng)汽工況變(biàn)化後，由蒸(zheng)汽溫度壓(yā)力求取其(qí)密度的關(guān)系式亦發(fā)☔生變化。多(duo)參數[4]測量(liang)的蒸汽渦(wō)街流量計(jì)的研制爲(wèi)蒸汽流量(liàng)的準确測(cè)量提供了(le)新的方法(fǎ)。
1流量計的(de)結構和測(cè)量原理
　　多(duo)參數測量(liang)的蒸汽渦(wō)街流量計(jì)的結構設(she)計如圖1所(suǒ)示，它是🐅由(you)測量管表(biǎo)體、渦街流(liu)量傳感器(qi)、溫度傳感(gan)器、壓力傳(chuán)感器、積算(suàn)顯示儀和(hé)測量電路(lu)組成的結(jie)構一體化(hua)的測量系(xi)統。渦街🐕流(liu)量傳感器(qì)安裝在旋(xuan)渦發生體(tǐ)後，基于卡(kǎ)門渦街原(yuán)理[5]感受✍️被(bei)測流體的(de)渦街旋渦(wo)升力，傳感(gǎn)器🌈輸出的(de)信号🔴頻率(lǜ)值正比💯于(yú)流體流量(liàng)，通過測出(chu)頻率計✨算(suàn)出被測的(de)體積流量(liang)；溫度傳感(gan)器安裝在(zai)流量傳感(gan)器下遊，測(cè)出蒸汽的(de)工況溫度(dù)；壓力傳感(gan)器測量旋(xuan)渦發生體(tǐ)後的蒸汽(qi)壓力，等效(xiào)于流量傳(chuán)感器測量(liang)點處的工(gōng)況壓力🈲，它(tā)的引壓孔(kǒng)位于旋渦(wo)發生體側(cè)面靠後方(fāng)與流量傳(chuan)感器安裝(zhuāng)點相垂直(zhí)的位置，引(yin)壓彎管中(zhōng)充有蒸⭐汽(qì)冷凝導壓(yā)液，可以防(fáng)止高溫💃氣(qì)體直接與(yǔ)壓力傳👣感(gan)器接觸㊙️。流(liú)量傳感器(qi)、溫度傳感(gan)器和壓力(lì)傳感器的(de)3路電信号(hào)經由穿過(guo)支撐筒柱(zhù)内的各自(zi)信号導🚩線(xian)上傳到流(liú)量積算儀(yí)中進行信(xìn)号處🙇🏻理和(hé)轉換，再📐由(you)積🐕算顯示(shì)儀計算出(chū)工況體積(jī)流量值🤩、工(gōng)況壓力值(zhí)和工況溫(wēn)🐇度值。已知(zhī)飽和或過(guò)熱蒸汽的(de)❌密度是其(qí)工況溫度(dù)和壓力🏃‍♀️的(de)二元變量(liàng)特定函數(shu)，該💚蒸汽🈲密(mì)度值和⁉️相(xiàng)關計算公(gōng)式存🌈儲在(zai)流量積🌈算(suàn)儀的存⭐儲(chu)器内，在測(cè)量到實際(ji)溫度和壓(yā)力後通過(guò)自動調🏃🏻‍♂️用(yong)或查詢存(cún)儲數據庫(kù)讀取蒸汽(qi)密度，再與(yǔ)之前測量(liàng)出的工況(kuang)體積量乘(chéng)積就可精(jing)确算出蒸(zhēng)汽質量流(liú)量。

2設計
2.1一(yī)體化整機(ji)結構設計(ji)
1）一體化的(de)流量計結(jié)構主體爲(wei)兩端焊接(jie)标準法蘭(lan)結構的測(cè)量🚶管表體(tǐ)，腔内裝一(yī)個三角柱(zhu)狀形截面(mian)的旋渦發(fā)生體💋，測量(liàng)㊙️管表體長(zhang)度根據口(kǒu)徑大小和(he)安裝要求(qiú)設計成系(xì)列化标準(zhun)📐長度，使得(dé)每一種流(liú)❄️量計滿足(zu)于不同壓(yā)🚩力、不同口(kou)徑的管道(dào)💛連接并具(jù)☂️有标準化(hua)結構和尺(chǐ)寸，該表體(tǐ)結構标準(zhǔn)化高、加工(gong)成本低。
2）測(ce)量管表體(ti)腔内上遊(you)焊接有三(sān)角柱形截(jie)面的旋渦(wo)📐發生體[6]，旋(xuan)渦發生體(ti)與測量管(guan)表體的材(cai)質都采用(yong)奧氏體不(bú)鏽鋼制成(cheng)，具有良好(hǎo)的耐腐、耐(nai)高溫特性(xing)；旋渦發生(sheng)體前段的(de)🤩直管段長(zhang)度約爲表(biao)體總長的(de)1/3；三角柱形(xíng)的發生體(tǐ)的大端寬(kuān)度尺寸爲(wèi)表體内實(shi)際直徑的(de)0.27～0.28倍；這種結(jié)構💃🏻和材料(liào)設計🈲能确(què)保流量計(ji)在測量高(gao)溫蒸汽時(shí)仍具有穩(wěn)定的結構(gou)尺寸從而(ér)實現穩定(ding)的K系數，同(tóng)時具有良(liang)好的線性(xing)度和最小(xiǎo)的壓力損(sun)失等多種(zhǒng)特性。
3）如圖(tú)1所示，流量(liang)傳感器、溫(wen)度傳感器(qì)和壓力傳(chuán)感器及🐪其(qi)組件按順(shun)序依次安(ān)裝在表體(tǐ)上，即溫度(dù)和壓力傳(chuán)感器❓都安(an)裝在旋渦(wō)發生體的(de)下遊，不僅(jǐn)實現了安(an)裝結構緊(jǐn)湊，而且安(ān)裝位置與(yu)國家标準(zhun)或國際标(biāo)準的🔞規範(fan)要求✌️相一(yī)緻。該位置(zhì)設計合理(li)保證🌈了溫(wen)度和壓力(lì)測量值更(geng)準确，使得(de)經過壓力(li)和溫度補(bu)償積算後(hou)的儀表線(xian)性度更高(gao)，能實現對(duì)蒸汽質量(liàng)的精度高(gāo)計量要求(qiu)👅。
4）積算顯示(shi)儀通過一(yī)個加長型(xing)的支撐筒(tǒng)柱遠離本(běn)體安裝💃，能(néng)🚶避免本體(tǐ)的高溫影(yǐng)響，滿足蒸(zheng)汽計量的(de)高溫要求(qiú)；必要時，積(jī)算顯示儀(yí)還可整體(tǐ)與表體分(fèn)離型安裝(zhuāng)，通過✉️特制(zhi)電纜相連(lian)接。
5）壓力傳(chuan)感器靠近(jìn)積算顯示(shi)儀安裝在(zai)支撐筒的(de)上端位置(zhì)，以遠離可(ke)能的高溫(wen)表體，僅通(tōng)過帶有回(huí)形🐅管段的(de)引壓管導(dǎo)壓測量到(dào)已降溫的(de)蒸汽壓力(lì)值，提高了(le)壓力測量(liang)系統的可(ke)靠性，并延(yán)長壽命。
　　實(shí)現的一體(tǐ)化結構即(jí)具有緊湊(còu)簡潔的标(biāo)準化結構(gou)，又具有适(shì)于高溫蒸(zhēng)汽計量的(de)耐溫結構(gou)，總體提高(gāo)了産品的(de)可靠性和(hé)準确性。
2.2渦(wo)街流量傳(chuan)感器的設(she)計
　　渦街流(liú)量傳感器(qì)是渦街流(liú)量計的最(zuì)核心部件(jiàn)，它的✔️性能(néng)直接決定(dìng)了渦街流(liú)量計的總(zong)體性能，用(yòng)于蒸汽計(ji)量的場合(he)要求更高(gao)；一是溫度(du)高，最高要(yao)能耐到400℃；二(er)是流量💚大(dà)，工業蒸汽(qi)計量的管(guǎn)道流速一(yi)般範圍爲(wèi)10～70m/s[7]，三是要耐(nài)沖擊，蒸汽(qì)的密度大(dà)，一🏃🏻般爲常(cháng)溫🧑🏾‍🤝‍🧑🏼空氣的(de)數倍或10倍(bei)，密度大🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的(de)介質對高(gao)溫下的傳(chuan)感器的沖(chong)擊力破壞(huai)也大。以上(shang)3點就是要(yào)求渦街✍️流(liú)量傳感器(qì)在🌏結構、材(cai)料和性能(neng)上要有合(he)理的設計(jì)和要求以(yǐ)滿足大流(liu)量💚的高溫(wen)蒸汽計量(liang)。爲此，采用(yong)了⛹🏻‍♀️壓電傳(chuan)感器與旋(xuán)渦發生體(tǐ)（三角柱）分(fèn)離型的結(jie)構方案，一(yi)種小尺寸(cùn)懸臂梁❄️[8]結(jie)構的壓電(dian)式通用渦(wō)街流量傳(chuan)感器💚[9]（簡稱(cheng)壓電傳感(gan)🌈器），壓電傳(chuán)感器結構(gòu)示✌️意圖如(ru)圖2所示，由(you)安裝法🤟蘭(lán)盤、探頭扁(biǎn)尾、壓電元(yuan)件、金屬铠(kai)裝導線、密(mi)封罩、接線(xiàn)端子等組(zu)成。壓電傳(chuán)感⛷️器通過(guo)中部的安(an)裝法蘭盤(pan)與流量計(jì)殼體固定(ding)，下🔅部的懸(xuán)臂梁置于(yu)旋👌渦發生(shēng)體内部或(huo)後面的孔(kong)洞中，壓電(diàn)傳感器的(de)探頭扁尾(wei)兩側獲取(qu)旋渦升力(lì)作用，并傳(chuan)感出相應(yīng)的渦街🔞流(liú)量🔴信号。在(zai)懸臂㊙️梁内(nei)部，采用了(le)居裏溫度(dù)高達1200℃铌酸(suan)锂[10]壓電元(yuan)件機械封(feng)裝在探頭(tou)内空腔中(zhong)，空餘空腔(qiang)則無其它(ta)填充物。壓(ya)電❤️元件通(tōng)過剛性結(jié)構的铠裝(zhuang)導線将信(xìn)号輸出到(dao)外部的接(jiē)線端子上(shang)，再通過接(jie)線端子将(jiāng)信号輸出(chū)到外部信(xin)号處理單(dan)元進行處(chu)理。當管道(dào)流體因旋(xuán)渦☁️發生體(ti)産生渦街(jie)後，伴随産(chǎn)生的交變(bian)升力作用(yòng)在懸臂梁(liang)下部的探(tàn)頭扁尾上(shàng)，懸臂梁産(chan)生變形并(bìng)迫🏃‍♂️使内部(bu)的🚶壓電🌈元(yuán)件也同步(bu)變形，從而(er)産生出與(yǔ)交變升力(li)對應的電(diàn)荷🌈，通過後(hou)續的一系(xì)列信号處(chu)理電路，最(zui)終獲得流(liu)量信息。

　　傳感(gan)器的各零(líng)部件外表(biǎo)材料全部(bù)選用奧氏(shì)體不鏽🔞鋼(gāng)，傳感器的(de)外部封裝(zhuang)結構全部(bù)采用氩弧(hu)焊接密封(fēng)㊙️，壓電元件(jian)采用铌酸(suan)锂壓電晶(jīng)體等設計(ji)，根本上保(bǎo)證了渦街(jie)傳感器能(neng)耐400℃高溫蒸(zheng)汽計量；壓(ya)電傳感器(qì)探頭扁尾(wei)長度L和外(wài)徑d設😘計得(dé)較小，小尺(chi)寸懸臂梁(liang)的結構設(shè)計即保證(zheng)💋了這種傳(chuán)感🔴器适用(yòng)于大🌏小各(ge)種口徑流(liu)量計的配(pèi)套安⛷️裝，也(yě)具有很高(gāo)的抗沖擊(ji)性能🤟，不會(hui)被大流量(liàng)的蒸汽沖(chòng)壞；另外，該(gai)傳感器還(hai)具有常溫(wen)1000MΩ以上的絕(jue)緣阻抗和(hé)良好的信(xin)噪比，使得(dé)流量🌈計計(jì)量蒸汽時(shi)既有🔴高可(ke)靠性和長(zhang)壽命，還具(jù)有15∶1以上的(de)寬🎯量程性(xìng)能。
2.3溫度傳(chuán)感器的設(she)計
　　普通的(de)IC溫度傳感(gan)器測溫範(fàn)圍一般隻(zhī)限于-50℃～+125℃，選擇(ze)高溫薄膜(mo)鉑電阻Pt100或(huo)Pt1000作爲溫度(dù)傳感器，由(yóu)于其可耐(nai)溫度範圍(wei)更高：-200℃～+600℃，解決(jue)了蒸汽計(jì)量耐高溫(wen)問題；并且(qie)由于其微(wei)✍️型封裝，更(geng)有利🧡于結(jié)構上與流(liu)🏃🏻‍♂️量計實現(xian)一體化，一(yi)體化設計(jì)後引線也(ye)很短，引線(xiàn)電阻的影(ying)響忽略不(bú)計，所🔴以可(ke)以采用兩(liang)線制接入(rù)方式，這樣(yang)的結構簡(jiǎn)單，安裝也(ye)方便；其次(cì)，薄膜式鉑(bo)電阻信号(hao)處理電路(lu)簡單，僅需(xu)通過簡單(dān)的模數轉(zhuǎn)換就可接(jiē)入積算顯(xiǎn)示儀内的(de)單片機中(zhōng)；而且其精(jīng)度🍓高、可靠(kao)性💁高但價(jià)格卻十分(fèn)便宜。總體(tǐ)上，采用高(gao)溫薄膜式(shì)鉑㊙️電阻具(ju)有很高的(de)性價比，适(shi)用于工業(yè)儀表量産(chan)配💞套。
2.4壓力(li)傳感器的(de)設計
　　壓力(li)傳感器設(shè)計爲氩弧(hú)焊接封裝(zhuāng)結構的高(gao)穩态的壓(ya)阻🧑🏽‍🤝‍🧑🏻式壓力(lì)傳感器，采(cai)用标準的(de)四線制電(dian)阻橋式接(jie)💋線方📱法與(yǔ)積算儀相(xiàng)連接；整體(ti)安裝以組(zǔ)件結構方(fang)式遠離高(gao)溫管道安(ān)裝在積算(suàn)顯示儀的(de)前側下方(fāng)，如圖1所示(shì)，壓力傳感(gǎn)器是通過(guo)引壓彎管(guǎn)将被💋測流(liú)體引入後(hòu)測量壓力(li)🆚值。該壓力(li)傳感器精(jīng)度高，耐溫(wēn)穩定性好(hǎo)⭐，密封可靠(kao)，安裝🐪結構(gòu)合理，通用(yòng)性和标準(zhun)化程度高(gāo)，也易于檢(jiǎn)修維護，性(xing)價比高。
2.5積(jī)算顯示儀(yí)的設計
　　積(jī)算顯示儀(yí)硬件系統(tǒng)圖如圖3所(suǒ)示，主體采(cǎi)用單片機(jī)作爲核心(xin)處理器，該(gai)型單片機(jī)是一款16位(wei)的單片機(ji)，供電電💞壓(ya)爲🛀1.8V～3.6V，采用了(le)精簡指令(ling)集（RISC）結構，運(yùn)算速度快(kuai)，片上資源(yuan)豐💋富，便于(yu)😄功能擴展(zhan)，在其系統(tǒng)中共有1種(zhǒng)工作模🔅式(shi)（AM）和5種低功(gōng)耗模式（LPM0-LPM4），工(gōng)作模式💛下(xia)工作電✍️流(liú)隻有200μA，RAM數據(jù)♋保持模式(shi)工作電流(liú)隻有0.1μA，非常(cháng)适用于❄️各(ge)種需要電(dian)池供電的(de)低功耗設(shè)計的工業(ye)計量儀表(biǎo)設備中。基(ji)于單✉️片機(jī)卓越的超(chao)低功耗特(te)性，以及實(shi)際的低功(gong)耗應用需(xū)求，是将其(qi)作爲主控(kòng)微處理器(qì)的主要目(mu)的。滿足了(le)多傳感💜器(qì)信号采集(ji)和數據處(chù)理功能以(yi)及多種信(xin)号輸出及(jí)通信功能(neng)所需的功(gong)耗和硬件(jiàn)✌️資源要求(qiu)。

　　系統采用(yong)外部24VDC和内(nèi)置3.6V锂亞硫(liu)電池雙電(diàn)源供電方(fāng)式♌，雙電源(yuan)✂️的自動切(qiē)換采用電(dian)源管理繼(jì)電器來控(kòng)制，當系統(tǒng)與外部通(tōng)信或對外(wai)輸出脈沖(chong)信号或電(dian)流信号時(shi)，系統電能(neng)取自外供(gòng)電24VDC端口，而(er)當系統脫(tuo)離外部電(diàn)源單獨工(gong)作時，系統(tǒng)電能則取(qǔ)自内置锂(li)亞硫電池(chi)，這時所有(you)通信和信(xin)号輸出端(duan)口全部關(guān)閉，進入低(di)功耗工作(zuo)狀态，多傳(chuán)感器測量(liang)系統🐅及單(dān)片機内部(bu)積算、顯示(shì)和存儲單(dān)元仍然繼(ji)續工作。依(yī)據實際測(cè)量需要和(hé)精度要求(qiu)，溫度和壓(yā)力傳感器(qi)🐪測量電路(lu)模塊采用(yong)間斷采樣(yang)工作模式(shi)，可進一步(bù)🥵降低整個(ge)積算顯示(shì)儀系統的(de)功耗。
　　這種(zhong)低功耗、通(tōng)信功能和(he)雙電源設(she)計實現了(le)蒸汽☀️流量(liang)計可以應(yīng)用在多種(zhong)場合的計(jì)量需求，既(ji)可用于有(yǒu)外供電的(de)場合、也可(kě)用于無外(wài)供電的場(chǎng)合，即使在(zai)外供電意(yì)外停電㊙️時(shi)，流量計仍(réng)然正常工(gōng)作。
2.6防護性(xìng)能和防爆(bào)性能設計(jì)
　　爲提高通(tōng)用現場儀(yi)表電氣安(ān)全性能及(jí)适應測量(liang)蒸汽的高(gāo)溫高濕特(tè)殊環境等(deng)要求，流量(liang)計采用了(le)防護等級(jí)🔞和防爆等(děng)㊙️級設計。即(ji)整體結構(gou)采用主要(yào)部件模塊(kuài)化的設計(ji)，各部件相(xiàng)🐪對獨立裝(zhuāng)配，部件相(xiàng)❗互間連接(jie)結構方便(bian)，連接處密(mi)封可靠；外(wài)露部分的(de)材料主要(yào)采用不鏽(xiu)鋼材質，防(fang)潮防鏽♈；積(ji)算顯示儀(yi)的電氣外(wai)殼采用隔(ge)爆結構設(shè)計；流量計(ji)整機防護(hù)等級爲IP65，防(fáng)爆隔爆等(děng)級爲ExdⅡCT5，适用(yòng)于各🌂種要(yào)求高的防(fang)護防爆環(huan)境下使用(yòng)🍉。
3測試與應(ying)用
　　抽取試(shì)制的一台(tai)編号爲B11426的(de)DN200口徑樣機(ji)檢定，檢定(dìng)裝置爲0.5級(jí)精度的标(biāo)準表法氣(qi)體流量計(jì)标準裝置(zhì)，檢定依據(ju)标準爲JJG1029-2007《渦(wo)街流量計(ji)檢定規程(cheng)》，采用三線(xian)制脈沖信(xin)号輸出，檢(jiǎn)定流量範(fan)圍🌏爲（450～7000）m3/h，檢定(dìng)結果爲1.0級(ji)合格，實測(ce)數據如表(biao)1所示；該樣(yàng)機整機精(jing)度控制在(zài)1級以内時(shí)，實測💚平均(jun)功耗低于(yú)400μA，也滿足電(diàn)池供電的(de)設計要求(qiú)。

　　
4結語
　　自動(dòng)化儀表（包(bao)括計量儀(yi)表）的高性(xìng)能、節能、智(zhì)能化🏃🏻和信(xin)息化是現(xian)場儀表的(de)發展方向(xiàng)，渦街流量(liàng)計在蒸汽(qi)計量領域(yù)的應🏃🏻用也(yě)越來越廣(guang)泛，研制具(ju)有更适合(he)蒸♍汽計量(liang)的專用🔴蒸(zheng)汽渦街流(liu)量計意義(yì)更爲重要(yào)。多參數蒸(zhēng)汽渦㊙️街流(liú)量計⭐具有(yǒu)結構簡單(dan)、可靠性高(gāo)、耐高溫性(xìng)好、性能穩(wěn)定、壓力損(sǔn)失小、節能(neng)能耗、量程(chéng)範圍大、計(jì)量精度高(gao)等特點，并(bìng)且多傳感(gan)器一體化(huà)設計♍，既解(jie)決了蒸汽(qi)測量的溫(wen)壓補償和(hé)修正問題(tí)，又實現了(le)蒸汽💚的多(duō)種工況參(cān)數實時測(ce)量及信息(xi)傳輸；

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