摘(zhai)要：在蒸汽(qi)能源的生(sheng)産過程計(ji)量和自動(dong)控制領域(yu)中，用一❓台(tai)儀表能同(tong)時對流量(liang)、溫度和壓(ya)力等多參(can)數進行測(ce)量🤞的功能(neng)非常重要(yao)。研制的一(yi)種集通用(yong)渦街流量(liang)傳感器及(ji)溫度壓力(li)傳感器于(yu)一體的蒸(zheng)汽渦街流(liu)量計 ，實現(xian)了對蒸汽(qi)的流量、溫(wen)度、壓力和(he)質量流量(liang)等多參數(shu)的準确測(ce)量或積算(suan)，并且具有(you)現場顯示(shi)、标準💃信号(hao)遠傳和通(tong)訊功能，更(geng)❓便于自動(dong)化管理。
　　蒸(zheng)汽是一種(zhong)比較特殊(shu)的能源介(jie)質，随着工(gong)況溫度⛱️和(he)壓力的變(bian)化，過熱蒸(zheng)汽經常會(hui)轉變成爲(wei)飽和蒸✍️汽(qi)，并📞且溫度(du)壓力不‼️同(tong)蒸汽密度(du)也不同，現(xian)有蒸汽計(ji)量儀✔️表常(chang)用的是以(yi) 孔闆流量(liang)計 爲代表(biao)的 差壓式(shi)流量計 [1]或(huo)普通渦街(jie)流量計等(deng)，由于它們(men)僅測量體(ti)積流量㊙️，測(ce)量不了溫(wen)度和壓力(li)，肯定會存(cun)在最終測(ce)不準的問(wen)題。并且☂️常(chang)用的差壓(ya)式流量計(ji)壓損很大(da)[1-3]，是渦街👄的(de)數倍以上(shang)，産生的能(neng)源消耗浪(lang)費很🈲大，并(bing)且差壓式(shi)流量計計(ji)量系統零(ling)部件數量(liang)較多、安裝(zhuang)複雜、維🙇‍♀️護(hu)費用高；普(pu)通的 渦街(jie)流量計 也(ye)僅能測量(liang)體積流量(liang)，不能測量(liang)溫度、壓力(li)和密度，且(qie)耐高溫性(xing)能差。目前(qian)，蒸汽質量(liang)流量測量(liang)基本上仍(reng)采用推導(dao)法（間接😄法(fa)）質量積算(suan)法，在推導(dao)式質量計(ji)量中，關鍵(jian)環節是蒸(zheng)汽密度⭕的(de)求取，蒸汽(qi)工況變化(hua)後，由蒸汽(qi)溫度壓力(li)求取其密(mi)度的關系(xi)式亦發生(sheng)變化。多參(can)數[4]測量的(de)蒸汽渦街(jie)流量☀️計的(de)研制爲蒸(zheng)汽流量的(de)準确測量(liang)提供了☔新(xin)的方法。
1流(liu)量計的結(jie)構和測量(liang)原理
　　多參(can)數測量的(de)蒸汽渦街(jie)流量計的(de)結構設計(ji)如圖1所示(shi)📞，它是由🔞測(ce)量管表體(ti)、渦街流量(liang)傳感器、溫(wen)度傳感器(qi)🐉、壓力傳感(gan)器、積算顯(xian)示儀和測(ce)量電路組(zu)成的結構(gou)一體化的(de)測量系✉️統(tong)。渦街流量(liang)傳感器安(an)裝在旋渦(wo)發生體後(hou)，基于卡門(men)渦街原理(li)[5]感受被測(ce)流體的渦(wo)街旋渦升(sheng)力，傳感器(qi)輸出的信(xin)号頻率值(zhi)正比✨于流(liu)體流量，通(tong)過測出頻(pin)率計算出(chu)被測的體(ti)積流📞量；溫(wen)度傳⭐感器(qi)安裝在流(liu)量傳感器(qi)💃下遊，測出(chu)蒸汽❗的工(gong)況溫度；壓(ya)力傳感器(qi)測量旋渦(wo)發生體後(hou)的蒸汽壓(ya)力，等效于(yu)流量傳感(gan)器測量點(dian)處的工況(kuang)壓力🛀，它的(de)引壓孔位(wei)于旋渦發(fa)生體側面(mian)靠後🍓方與(yu)流量傳感(gan)器安裝🔴點(dian)相垂直的(de)位置，引壓(ya)彎管中充(chong)有蒸汽冷(leng)凝導壓液(ye)，可以防止(zhi)高溫氣體(ti)直接與壓(ya)力傳♋感器(qi)接觸☎️。流量(liang)傳感器、溫(wen)度傳感器(qi)和壓🌈力傳(chuan)感器的3路(lu)電信号經(jing)由穿過支(zhi)撐筒柱内(nei)的各自信(xin)号導線上(shang)傳到流量(liang)積算儀中(zhong)進行信号(hao)處理和轉(zhuan)換，再由積(ji)算顯示💋儀(yi)計算出工(gong)況體積流(liu)量值、工況(kuang)壓力值和(he)工況溫度(du)值。已知飽(bao)和或過熱(re)蒸汽的🍉密(mi)度是其工(gong)況溫度和(he)壓力的二(er)元變量特(te)🚩定函數，該(gai)蒸汽密度(du)值和相關(guan)計算公式(shi)存儲在流(liu)量積算儀(yi)的存儲器(qi)内，在測量(liang)到實際溫(wen)度和壓力(li)💃後通過自(zi)動調用或(huo)查詢存儲(chu)數據庫讀(du)取蒸汽密(mi)度，再與之(zhi)前測🔱量出(chu)的工況體(ti)積量乘積(ji)就可精确(que)算出蒸汽(qi)質量流量(liang)。

2設計
2.1一體(ti)化整機結(jie)構設計
1）一(yi)體化的流(liu)量計結構(gou)主體爲兩(liang)端焊接标(biao)準法蘭結(jie)構的測量(liang)管表體，腔(qiang)内裝一個(ge)三角柱狀(zhuang)形截面的(de)旋渦發生(sheng)體，測量管(guan)表體長度(du)根據口徑(jing)大小和安(an)裝要🏃求設(she)計成系列(lie)❗化标準長(zhang)度，使得每(mei)一種流量(liang)計滿足于(yu)不同壓力(li)、不同口徑(jing)的管道連(lian)接并具有(you)标準化結(jie)構和尺寸(cun)，該表體結(jie)構标準化(hua)高、加工成(cheng)本低。
2）測量(liang)管表體腔(qiang)内上遊焊(han)接有三角(jiao)柱形截面(mian)的旋🌈渦發(fa)生體[6]，旋🔞渦(wo)發生體與(yu)測量管表(biao)體的材質(zhi)都采用奧(ao)氏體不鏽(xiu)⛹🏻‍♀️鋼制成，具(ju)有良好的(de)耐腐、耐高(gao)溫特性；旋(xuan)渦🙇🏻發生體(ti)前段的直(zhi)管段長度(du)約爲表體(ti)總長☀️的1/3；三(san)角柱形的(de)發生體的(de)大端寬度(du)尺寸爲表(biao)體内實際(ji)直徑的0.27～0.28倍(bei)；這種結構(gou)和材料設(she)計能确保(bao)流量計在(zai)測量高🈲溫(wen)蒸汽時仍(reng)具有穩定(ding)的結構尺(chi)寸從而實(shi)現穩定的(de)K系數，同時(shi)具有良好(hao)的線性度(du)和最小的(de)壓力損失(shi)等多種特(te)性。
3）如圖1所(suo)示，流量傳(chuan)感器、溫度(du)傳感器和(he)壓力傳感(gan)器及其組(zu)件按順序(xu)依次安裝(zhuang)在表體上(shang)，即溫度和(he)壓♻️力傳感(gan)器都安裝(zhuang)在旋渦發(fa)生體的下(xia)遊，不僅實(shi)現了安裝(zhuang)結構緊湊(cou)，而且安裝(zhuang)位置與國(guo)🛀🏻家标準或(huo)國際标準(zhun)的規範要(yao)求相一緻(zhi)。該位置設(she)計🚩合理保(bao)證了溫度(du)和壓力測(ce)量值更準(zhun)确，使得經(jing)過壓力和(he)溫❤️度補償(chang)積算後的(de)儀表線性(xing)度✔️更高，能(neng)實現對✉️蒸(zheng)汽質量的(de)精度高計(ji)量要求。
4）積(ji)算顯示儀(yi)通過一個(ge)加長型的(de)支撐筒柱(zhu)遠離本體(ti)安裝，能避(bi)免本體的(de)高溫影響(xiang)，滿足蒸汽(qi)計量的高(gao)溫要求；必(bi)要📐時，積算(suan)顯示儀還(hai)可整體與(yu)表體分離(li)型安裝，通(tong)過特制電(dian)纜相連接(jie)。
5）壓力傳感(gan)器靠近積(ji)算顯示儀(yi)安裝在支(zhi)撐筒的上(shang)端位置，以(yi)遠離可能(neng)的高溫表(biao)體，僅通過(guo)帶有回形(xing)管段的引(yin)壓管導壓(ya)測量到已(yi)降溫的蒸(zheng)汽壓力值(zhi)📱，提高了壓(ya)力測量系(xi)統🏃‍♂️的可靠(kao)性，并延⁉️長(zhang)壽命。
　　實現(xian)的一體化(hua)結構即具(ju)有緊湊簡(jian)潔的标準(zhun)化結構，又(you)具🤞有适☁️于(yu)高溫蒸汽(qi)計量的耐(nai)溫結構，總(zong)體提高了(le)産品的可(ke)靠性🔴和準(zhun)确性。
2.2渦街(jie)流量傳感(gan)器的設計(ji)
　　渦街流量(liang)傳感器是(shi)渦街流量(liang)計的最核(he)心部件，它(ta)的性🤩能直(zhi)㊙️接決定了(le)渦街流量(liang)計的總體(ti)性能，用于(yu)蒸汽計量(liang)的場🈚合要(yao)求更👅高；一(yi)是溫度高(gao)，最高要能(neng)耐到400℃；二是(shi)流量大，工(gong)業蒸汽計(ji)量的管道(dao)流速一般(ban)範圍爲10～70m/s[7]，三(san)⭐是要耐沖(chong)👌擊，蒸汽的(de)密度大，一(yi)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻般爲常溫(wen)㊙️空氣的數(shu)倍或10倍，密(mi)度大的介(jie)質對高溫(wen)下的傳感(gan)器的沖擊(ji)力破壞也(ye)大。以上3點(dian)就是要求(qiu)渦街流量(liang)傳感器在(zai)結構、材🌈料(liao)和性能上(shang)要有合理(li)的設計和(he)要✂️求以滿(man)足大流量(liang)的高溫蒸(zheng)汽計量📞。爲(wei)此，采用了(le)❓壓電傳感(gan)器與旋渦(wo)發生體（三(san)角柱）分離(li)型的結構(gou)🔞方案，一種(zhong)小尺寸懸(xuan)臂梁[8]結構(gou)的壓電式(shi)通用渦街(jie)♉流量傳感(gan)器[9]（簡稱壓(ya)電傳㊙️感🌈器(qi)），壓電傳感(gan)器結構示(shi)意圖如圖(tu)2所示，由安(an)裝法⛹🏻‍♀️蘭盤(pan)🈲、探㊙️頭扁尾(wei)、壓電元件(jian)、金屬铠裝(zhuang)💛導線、密封(feng)罩、接線端(duan)子等組成(cheng)。壓電傳感(gan)🏃‍♂️器通過中(zhong)部的🏃‍♀️安裝(zhuang)法蘭盤與(yu)流量🈲計殼(ke)體固定，下(xia)🔴部的懸臂(bi)梁置于旋(xuan)渦發生體(ti)内部或後(hou)面的孔洞(dong)中，壓電傳(chuan)感⛷️器的探(tan)頭扁🐅尾兩(liang)側獲取旋(xuan)渦升力作(zuo)用，并傳感(gan)出相應的(de)渦街流量(liang)信号。在懸(xuan)臂梁内部(bu)💛，采用了居(ju)裏溫度高(gao)達1200℃铌酸锂(li)[10]壓電元件(jian)機械封裝(zhuang)在探頭内(nei)空腔中，空(kong)餘空腔則(ze)無其它填(tian)充物。壓電(dian)✌️元件通過(guo)剛性結構(gou)的铠裝導(dao)線将信号(hao)輸出到外(wai)部的接線(xian)端子上，再(zai)通過接線(xian)端子将信(xin)号輸出到(dao)外部信号(hao)處理單元(yuan)進行處理(li)。當管道流(liu)體因旋渦(wo)發生體産(chan)生渦街後(hou)，伴随産生(sheng)的交變升(sheng)力作用在(zai)懸臂梁下(xia)部的探頭(tou)扁尾上，懸(xuan)臂梁産生(sheng)變形并迫(po)☎️使内部的(de)壓電元件(jian)也同步變(bian)形，從而産(chan)生出與交(jiao)變升力對(dui)應的電荷(he)，通過後續(xu)的一系列(lie)信号處理(li)電路，最終(zhong)獲得🌂流量(liang)信息🈲。

　　傳感器(qi)的各零部(bu)件外表材(cai)料全部選(xuan)用奧氏體(ti)不㊙️鏽鋼，傳(chuan)🙇🏻感器♌的外(wai)部封裝結(jie)構全部采(cai)用氩弧焊(han)接💯密封，壓(ya)電元件采(cai)用铌酸锂(li)壓電晶體(ti)等設計，根(gen)本上保證(zheng)了渦街💞傳(chuan)感器能耐(nai)400℃高溫蒸汽(qi)計量；壓電(dian)傳感器探(tan)頭扁尾長(zhang)度L和外徑(jing)d設計得較(jiao)小，小尺寸(cun)懸臂梁的(de)結構設計(ji)即保證了(le)這種傳感(gan)☎️器适用于(yu)大🌏小各種(zhong)口徑流量(liang)計的配套(tao)安裝，也具(ju)有很高的(de)抗沖擊性(xing)能，不會被(bei)大流量的(de)蒸汽沖壞(huai)；另外，該傳(chuan)感器還具(ju)有常溫1000MΩ以(yi)上❗的絕緣(yuan)阻抗和良(liang)好的信噪(zao)比，使得流(liu)量計計量(liang)蒸汽時既(ji)有高可靠(kao)性和長壽(shou)命，還具有(you)15∶1以上的寬(kuan)📱量程性能(neng)。
2.3溫度傳感(gan)器的設計(ji)
　　普通的IC溫(wen)度傳感器(qi)測溫範圍(wei)一般隻限(xian)于-50℃～+125℃，選擇高(gao)溫薄膜鉑(bo)📞電阻Pt100或Pt1000作(zuo)爲溫度傳(chuan)感器，由于(yu)其可耐溫(wen)👈度範⁉️圍更(geng)高：-200℃～+600℃，解決了(le)蒸汽計量(liang)耐高溫問(wen)題；并且由(you)于其微🔅型(xing)封裝⭕，更有(you)利于結構(gou)上與流🧡量(liang)計實現一(yi)體化，一體(ti)化設計後(hou)引線也很(hen)短，引線電(dian)阻的影響(xiang)忽略不計(ji)，所👄以可以(yi)采用兩線(xian)制接入方(fang)式，這樣的(de)結構簡單(dan)，安🚩裝🈲也方(fang)便；其次，薄(bao)膜式鉑電(dian)阻信号處(chu)理電路簡(jian)單，僅需通(tong)過簡單的(de)模數轉換(huan)就可接入(ru)👌積算顯示(shi)儀内的單(dan)片機中；而(er)且其精度(du)高、可靠性(xing)💛高但價格(ge)卻十分便(bian)宜📧。總體上(shang)🏃🏻‍♂️，采用高溫(wen)薄膜式鉑(bo)電阻具有(you)很高的性(xing)價比，适用(yong)于工業儀(yi)表量産配(pei)套。
2.4壓力傳(chuan)感器的設(she)計
　　壓力傳(chuan)感器設計(ji)爲氩弧焊(han)接封裝結(jie)構的高穩(wen)态的壓阻(zu)⁉️式壓☔力傳(chuan)感器，采用(yong)标準的四(si)線制電阻(zu)橋式接線(xian)方㊙️法與積(ji)算儀相連(lian)接；整體安(an)裝以組件(jian)結構方式(shi)遠離高⛹🏻‍♀️溫(wen)管道安裝(zhuang)在積算顯(xian)示儀的前(qian)側下方，如(ru)圖1所示，壓(ya)力💃🏻傳感器(qi)是通過引(yin)壓彎管将(jiang)被🌈測流體(ti)引入後測(ce)量壓力值(zhi)。該壓力傳(chuan)感器精度(du)高，耐溫穩(wen)定性好，密(mi)封可靠，安(an)裝結構合(he)理，通用🛀🏻性(xing)和标準化(hua)程度高，也(ye)易于檢修(xiu)維護，性價(jia)比高。
2.5積算(suan)顯示儀的(de)設計
　　積算(suan)顯示儀硬(ying)件系統圖(tu)如圖3所示(shi)，主體采用(yong)單片機👌作(zuo)爲核心處(chu)理器，該型(xing)單片機是(shi)一款16位的(de)單片機，供(gong)電電壓爲(wei)1.8V～3.6V，采用了精(jing)🏃🏻簡指令集(ji)（RISC）結構，運算(suan)速度快，片(pian)上資源豐(feng)富，便于功(gong)能擴展，在(zai)其系統中(zhong)共有1種工(gong)作模式（AM）和(he)5種低功耗(hao)模式（LPM0-LPM4），工作(zuo)模式下工(gong)作電🌈流隻(zhi)有200μA，RAM數據💯保(bao)持模式工(gong)作電流隻(zhi)有0.1μA，非常适(shi)用于✌️各種(zhong)需要電池(chi)供電的低(di)功耗設計(ji)的工業計(ji)量儀表設(she)備中。基于(yu)單片機卓(zhuo)越的超低(di)功耗特性(xing)，以及實際(ji)的低功耗(hao)應用需求(qiu)，是将其作(zuo)爲主控微(wei)處理器的(de)主要目的(de)。滿足了🚶多(duo)傳感器信(xin)号采集和(he)數據處理(li)功能以及(ji)多種信号(hao)輸出及通(tong)信功能所(suo)需的功耗(hao)和硬件資(zi)源要求。

　　系(xi)統采用外(wai)部24VDC和内置(zhi)3.6V锂亞硫電(dian)池雙電源(yuan)供電方式(shi)，雙電源的(de)自動切換(huan)采用電源(yuan)管理繼電(dian)器來控制(zhi)，當系統與(yu)外部通信(xin)或❄️對外輸(shu)出脈沖信(xin)号或電❄️流(liu)信号時，系(xi)統電能取(qu)自外供電(dian)24VDC端口♈，而當(dang)系統脫👨‍❤️‍👨離(li)外部電♉源(yuan)單獨工🔴作(zuo)時，系統電(dian)能則取🌈自(zi)内置锂亞(ya)硫電池，這(zhe)時所有通(tong)信和信号(hao)輸出端口(kou)全部關閉(bi)，進入低功(gong)耗工作狀(zhuang)态，多傳感(gan)器測量系(xi)統及單片(pian)機内部積(ji)算、顯示和(he)存儲單元(yuan)仍然繼續(xu)工作。依據(ju)💚實際測量(liang)需要和精(jing)度要求，溫(wen)度和壓力(li)傳感器測(ce)量電路模(mo)塊采用間(jian)斷采樣工(gong)作模式，可(ke)進一步🧡降(jiang)低整個積(ji)算顯💃示儀(yi)系統的功(gong)耗。
　　這種低(di)功耗、通信(xin)功能和雙(shuang)電源設計(ji)實現了蒸(zheng)汽流量🐇計(ji)可以應用(yong)在多種場(chang)合的計量(liang)需求，既可(ke)用于有外(wai)供電的場(chang)合、也可用(yong)于無外供(gong)電的場合(he)，即使在外(wai)🥵供電意外(wai)停電時，流(liu)量計仍然(ran)正常工作(zuo)。
2.6防護性能(neng)和防爆性(xing)能設計
　　爲(wei)提高通用(yong)現場儀表(biao)電氣安全(quan)性能及适(shi)應測量蒸(zheng)✌️汽的高溫(wen)高濕特殊(shu)環境等要(yao)求，流量計(ji)采用了👉防(fang)護🌈等級和(he)防爆等級(ji)設計。即整(zheng)體結構采(cai)用主要部(bu)件模🙇🏻塊化(hua)的設計，各(ge)部件相對(dui)獨立裝配(pei)，部件相互(hu)間連接結(jie)構方便，連(lian)接處密封(feng)可靠；外露(lu)部分的📧材(cai)料主要采(cai)用不鏽鋼(gang)材☔質，防潮(chao)防鏽；積算(suan)顯示儀的(de)電氣外殼(ke)采用隔爆(bao)結構設計(ji)；流量計整(zheng)機防護⛹🏻‍♀️等(deng)級爲IP65，防爆(bao)隔爆等級(ji)爲ExdⅡCT5，适用于(yu)各種要求(qiu)高的防護(hu)♊防爆環境(jing)下使用💃。
3測(ce)試與應用(yong)
　　抽取試制(zhi)的一台編(bian)号爲B11426的DN200口(kou)徑樣機檢(jian)定，檢定裝(zhuang)置😍爲0.5級❓精(jing)度的标準(zhun)表法氣體(ti)流量計标(biao)準裝置，檢(jian)🆚定依據标(biao)準爲⛱️JJG1029-2007《渦街(jie)流量💜計檢(jian)定規程》，采(cai)用三線制(zhi)脈沖信号(hao)輸出🐇，檢定(ding)流量範圍(wei)爲（450～7000）m3/h，檢定結(jie)果爲1.0級合(he)格，實測數(shu)據如表1所(suo)示；該樣機(ji)🌈整機精度(du)控制在1級(ji)以内時，實(shi)測平均功(gong)耗低于400μA，也(ye)滿足電池(chi)供電的設(she)計要求。

　　
4結(jie)語
　　自動化(hua)儀表（包括(kuo)計量儀表(biao)）的高性能(neng)、節能、智能(neng)化和信息(xi)化是🚩現場(chang)儀表的發(fa)展方向，渦(wo)街流量計(ji)在🚩蒸汽計(ji)量領域的(de)應用也越(yue)來越廣泛(fan)，研制具有(you)更适合蒸(zheng)汽計量的(de)專用蒸汽(qi)渦街流量(liang)計意義更(geng)爲重要。多(duo)參數蒸汽(qi)渦街流量(liang)計具有結(jie)構簡單、可(ke)靠性高、耐(nai)高溫性好(hao)、性能穩定(ding)、壓力損失(shi)小、節能能(neng)耗、量程範(fan)圍大、計🚶‍♀️量(liang)精度高等(deng)特點，并且(qie)多傳感💃器(qi)一體化設(she)計，既解決(jue)了蒸汽測(ce)量的溫🈲壓(ya)補償和修(xiu)正☁️問題，又(you)實現了蒸(zheng)汽的多種(zhong)工況參數(shu)實時測量(liang)及信息傳(chuan)輸；

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