摘要：在蒸(zhēng)汽能源的生(sheng)産過程計量(liang)和自動控制(zhi)領域中，用一(yī)台儀表能同(tóng)時對流量、溫(wēn)度和壓力等(děng)多參數進行(hang)測量的功能(néng)非常重要。研(yan)制的一種集(ji)通🈲用渦街流(liú)量傳🈚感器及(ji)溫度壓力傳(chuan)感✉️器于一體(ti)的蒸汽渦街(jiē)流量計 ，實現(xian)了對蒸汽的(de)流量、溫度、壓(yā)力和質量流(liu)量等多參數(shu)❗的準确測量(liang)或積算，并且(qiě)具有現場顯(xiǎn)示、标準信号(hào)遠傳和通訊(xùn)功能，更便于(yú)自動化管理(lǐ)。
　　蒸汽是一種(zhǒng)比較特殊的(de)能源介質，随(suí)着工況溫度(du)和壓❤️力的變(bian)化，過熱蒸汽(qì)經常會轉變(bian)成爲飽和蒸(zhēng)汽，并且溫🏃🏻度(du)壓力不同蒸(zheng)汽密度也不(bú)同，現有蒸汽(qì)計量儀表常(chang)用🌏的是以 孔(kong)闆流量計 爲(wèi)代表的 差壓(ya)式流量計 [1]或(huò)普通渦街流(liu)量計等，由于(yu)它們僅測量(liang)體積流量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，測(ce)量不了溫度(du)和壓力，肯定(ding)會存在最終(zhong)測不準的🛀問(wèn)題。并且常用(yong)的差🔆壓式流(liu)量計壓損很(hěn)大[1-3]，是渦街的(de)數倍以上，産(chǎn)生的能源消(xiāo)耗💔浪費很大(da)，并且差壓式(shi)流量計計量(liang)系統零部件(jian)數量較多、安(ān)🏃‍♂️裝複雜、維護(hù)費用高；普通(tōng)的 渦街流量(liàng)計 也僅能測(cè)量體積流量(liang)，不能測量溫(wēn)度、壓力和密(mi)度，且耐高溫(wēn)🤩性能差。目前(qián)，蒸汽質量流(liu)量測量基本(běn)上💛仍采用推(tuī)導法（間接法(fa)）質量積算法(fa)，在推導式質(zhì)量計量中，關(guān)鍵環節是蒸(zheng)汽密度的求(qiú)取，蒸汽工況(kuàng)變化後，由蒸(zhēng)汽溫度壓力(lì)求取其👉密度(dù)的關系式亦(yì)發☔生變化。多(duō)參數[4]測量的(de)蒸汽渦街流(liu)量計的研制(zhì)爲蒸汽流量(liàng)的準确測量(liàng)提供了新的(de)方法。
1流量計(ji)的結構和測(cè)量原理
　　多參(cān)數測量的蒸(zhēng)汽渦街流量(liang)計的結構設(she)計如圖1所示(shì)，它是由測量(liang)管表體、渦街(jiē)流量傳感器(qì)、溫度傳感器(qi)😄、壓力傳感器(qì)、積算顯示儀(yí)和測量電路(lu)組成的結構(gou)一體化的測(ce)量系統。渦街(jie)⚽流量傳感器(qi)安裝在旋渦(wo)發生體後，基(ji)于卡門渦街(jiē)原理[5]感受被(bèi)測流體🔅的渦(wō)街旋渦升力(lì)，傳感器輸出(chū)的信号🈲頻率(lü)值正比💁于流(liú)體流量，通過(guo)測出頻率計(jì)算出被測的(de)體積流量；溫(wēn)度傳🔆感器安(ān)裝在流量傳(chuán)感器下遊，測(ce)出蒸汽的✂️工(gōng)況溫度；壓力(lì)傳感器測量(liàng)旋渦發生體(ti)後的蒸汽壓(ya)力，等效于流(liu)量傳感器測(ce)量點處的工(gong)況壓力，它的(de)引壓孔位于(yu)旋渦發生體(tǐ)側面靠後方(fāng)與流量傳感(gan)器安裝點相(xiàng)垂直的位置(zhi)，引壓彎管中(zhōng)充有蒸汽冷(leng)凝導壓液，可(kě)以防止✊高溫(wēn)氣體直接與(yu)壓力傳感器(qi)接觸。流量傳(chuán)感器、溫度傳(chuan)感器和壓力(li)傳感器的3路(lù)電信号經由(yóu)穿過支撐筒(tong)柱内🏃🏻‍♂️的各自(zi)信号導㊙️線上(shang)傳到流量積(jī)算儀中進行(hang)信号處💜理和(hé)轉換，再由積(ji)算顯示儀計(ji)算出工況體(tǐ)積流量值☔、工(gong)況壓力值和(hé)工況溫度值(zhí)。已知飽🏃🏻和或(huo)🚶‍♀️過熱蒸汽的(de)密度是其工(gong)況溫度和壓(ya)力的二元變(biàn)量特定函數(shu)，該蒸汽☔密度(dù)值和相關計(ji)算公式存儲(chu)在流量積算(suan)儀的存儲器(qì)内，在測量到(dao)實際溫度和(he)壓力後通過(guò)自動調用或(huo)查詢存儲數(shu)據庫讀取蒸(zheng)汽密度，再與(yǔ)之前測♍量出(chu)的工況體積(jī)量乘積就可(ke)精确算出蒸(zheng)汽質量流量(liang)✨。

2設計
2.1一(yī)體化整機結(jié)構設計
1）一體(tǐ)化的流量計(ji)結構主體爲(wei)兩端焊接标(biao)準法蘭結構(gou)的測量🐕管表(biǎo)體，腔内裝一(yi)個三角柱狀(zhuàng)形截面㊙️的旋(xuan)渦發生體🌈，測(ce)量管表體長(zhang)度根據口徑(jìng)大小和安裝(zhuāng)要😍求設計成(chéng)系列化标準(zhǔn)長度，使得每(měi)一種流量計(jì)滿足于不同(tóng)壓力、不同口(kou)徑的管道連(lian)接并具🔆有标(biāo)準化結構和(hé)尺寸，該表體(tǐ)結構标準化(hua)高、加工成本(ben)低。
2）測量管表(biao)體腔内上遊(you)焊接有三角(jiǎo)柱形截面的(de)旋渦發生體(ti)[6]，旋渦發生體(tǐ)與測量管表(biao)體的材質都(dou)采用奧氏體(ti)不鏽鋼制☁️成(cheng)，具有良好的(de)耐腐、耐高溫(wen)特性；旋渦發(fā)生體前段的(de)👄直管段長度(du)約♌爲表體總(zǒng)長的1/3；三角柱(zhu)形的發生體(tǐ)的大端寬度(dù)尺寸爲表體(tǐ)内🏃🏻‍♂️實際直徑(jìng)的0.27～0.28倍；這種結(jié)構🍉和材料設(shè)計能确保流(liú)量計在測量(liang)高♍溫蒸汽時(shí)仍具有🈲穩定(ding)的結構尺寸(cùn)從而實現穩(wěn)定的K系數，同(tong)時具有良好(hǎo)的線性度和(he)最小的壓力(li)損失等多種(zhong)特性。
3）如圖1所(suǒ)示，流量傳感(gǎn)器、溫度傳感(gan)器和壓力傳(chuán)感器及其組(zǔ)件按順序依(yī)次安裝在表(biǎo)體上，即溫度(dù)和壓力傳感(gǎn)器都安🔞裝在(zài)旋渦發生體(ti)的下遊，不僅(jǐn)實現了安裝(zhuang)結構緊湊，而(er)且安裝位置(zhì)與國🔞家标準(zhun)或國際标準(zhun)的♻️規範要求(qiu)相一緻。該位(wei)置設計合理(li)保證💯了溫度(dù)和壓🌈力測量(liàng)值更準确，使(shǐ)得經過壓力(lì)和溫度補償(cháng)積算後♉的儀(yí)表線性度🈲更(geng)高，能實現對(duì)蒸汽質量的(de)精度高計量(liàng)要求。
4）積算顯(xiǎn)示儀通過一(yi)個加長型的(de)支撐筒柱遠(yuan)離本體安裝(zhuang)，能避免本體(ti)的高溫影響(xiǎng)，滿足蒸汽計(jì)量的高溫要(yao)求⛱️；必要時，積(ji)算顯示儀還(hai)可整體與表(biao)體分㊙️離型安(ān)裝，通過特制(zhì)電纜相連⛷️接(jie)。
5）壓力傳感器(qi)靠近積算顯(xiǎn)示儀安裝在(zài)支撐筒的上(shàng)端位💰置，以‼️遠(yuan)離可能的高(gao)溫表體，僅通(tong)過帶有回形(xíng)管段的引壓(yā)管導壓測量(liang)到已降溫的(de)蒸汽壓力值(zhi)，提高了壓力(lì)測量系統✍️的(de)可靠性，并延(yán)長壽命。
　　實現(xiàn)的一體化結(jie)構即具有緊(jin)湊簡潔的标(biao)準化結❌構，又(you)具有🐉适于高(gao)溫蒸汽計量(liàng)的耐溫結構(gòu)，總體提⚽高了(le)産品的可靠(kào)性和準确性(xing)。
2.2渦街流量傳(chuan)感器的設計(jì)
　　渦街流量傳(chuan)感器是渦街(jiē)流量計的最(zui)核心部件，它(tā)🏃🏻的性🚶‍♀️能✨直🤩接(jie)決定了渦街(jie)流量計的總(zǒng)體性能，用于(yu)蒸汽計量的(de)場合要求更(geng)高；一是溫度(dù)高，最高要能(neng)耐到400℃；二是流(liú)量大，工業蒸(zhēng)汽計量的管(guǎn)道流速一般(bān)範圍爲10～70m/s[7]，三⭐是(shi)要耐沖擊，蒸(zhēng)汽的密度大(dà)，一✊般爲常溫(wēn)空氣的數倍(bèi)或10倍，密度大(da)的介質對高(gao)溫下的傳感(gǎn)器的沖擊力(lì)💰破壞也大。以(yǐ)上3點就是要(yào)求渦街流量(liang)傳感器在結(jié)構、材料和性(xìng)能上要有合(he)理的設計和(he)要求以滿足(zú)大流量的高(gao)溫蒸汽計量(liàng)👣。爲此，采用了(le)壓電傳感器(qì)與旋渦發生(shēng)體（三👄角柱）分(fèn)離型的結構(gou)方案，一種小(xiao)尺寸懸臂梁(liang)🥵[8]結構的壓電(diàn)式通用渦街(jiē)💞流量傳感器(qi)[9]（簡稱壓電傳(chuán)感器），壓電傳(chuan)感器結構示(shì)意圖如圖2所(suo)示，由安裝法(fa)蘭盤🚩、探頭扁(bian)尾、壓電元件(jian)、金屬铠裝導(dao)線、密封罩、接(jie)線端子等組(zu)成。壓電傳感(gǎn)器通過中部(bu)的安裝🌈法蘭(lan)盤與流量計(ji)殼體固定，下(xià)🚶部的懸臂梁(liáng)置于旋♈渦發(fā)生體内部或(huò)後面的孔洞(dong)中，壓電傳感(gǎn)器的探頭扁(biǎn)尾兩側獲取(qǔ)旋渦升力作(zuò)用，并傳感出(chū)相應的渦街(jiē)流量信号。在(zai)懸臂梁内部(bu)，采用了居裏(li)溫度高達1200℃铌(ni)酸锂[10]壓電元(yuán)件機械封裝(zhuang)在探頭内🛀🏻空(kong)腔中，空餘空(kong)腔則無其它(tā)填✉️充物。壓電(diàn)元件通過剛(gāng)性結構的铠(kai)裝導線将信(xìn)号輸出到外(wài)部的接線端(duan)子上，再通過(guo)接線端子将(jiāng)信号💔輸出到(dao)🥰外部信号處(chu)理單元進行(háng)處理。當管道(dao)流體因旋渦(wo)😄發生體産生(sheng)渦街後，伴随(sui)産生的交變(biàn)升力作用在(zai)懸臂梁下部(bu)的探頭扁尾(wěi)上，懸臂梁産(chǎn)生變形并迫(po)使内部的✍️壓(ya)電元件也同(tóng)步變形，從而(ér)産生出與交(jiāo)變升力對應(yīng)的電荷，通🌈過(guò)後續的一系(xì)列信号處理(li)電路，最終獲(huò)得流量信息(xī)。

　　傳感器的各(ge)零部件外表(biǎo)材料全部選(xuan)用奧氏體不(bú)鏽鋼，傳🏒感⭕器(qì)的外部封裝(zhuāng)結構全部采(cǎi)用氩弧焊接(jie)密封🌈，壓電👣元(yuán)件采用铌酸(suān)锂壓電晶體(ti)等設計，根本(běn)上保證了渦(wo)街傳感器能(neng)耐400℃高溫蒸汽(qi)計量；壓電傳(chuan)感器探頭扁(biǎn)尾長度L和外(wai)徑d設計得較(jiào)小🧡，小尺寸懸(xuan)臂梁的結構(gòu)設計即保證(zheng)了這種傳感(gǎn)器适用于大(da)㊙️小各種口徑(jing)流🌂量計的配(pèi)套安🈲裝，也具(ju)有很高的抗(kang)🐕沖擊性能⛷️，不(bu)會被大流量(liang)的蒸汽沖壞(huai)；另外，該傳感(gan)📧器還具有常(chang)溫1000MΩ以上的絕(jue)緣阻抗和良(liang)好的信噪比(bǐ)，使得流量計(ji)計量蒸汽時(shi)既有高可靠(kào)性和長壽命(mìng)，還具有15∶1以上(shang)的寬量程性(xìng)能。
2.3溫度傳感(gan)器的設計
　　普(pu)通的IC溫度傳(chuán)感器測溫範(fan)圍一般隻限(xian)于-50℃～+125℃，選擇高🔴溫(wen)薄膜✔️鉑電阻(zǔ)Pt100或Pt1000作爲溫度(dù)傳感器，由于(yu)其可耐溫度(du)範圍更高：-200℃～+600℃，解(jiě)👅決了☁️蒸汽計(ji)量耐高溫問(wèn)題；并且由于(yú)其微型封裝(zhuang)👅，更有利于結(jie)構上與流量(liàng)計實現一體(tǐ)化，一體💔化設(shè)計後引線也(yě)很短，引線電(diàn)阻的影響忽(hu)略不計，所以(yi)可以采用兩(liǎng)線制接入方(fang)式，這樣的結(jie)構簡單，安裝(zhuāng)也方便；其次(cì)，薄膜式鉑電(dian)阻信号處理(lǐ)電路簡單，僅(jin)需通過簡✂️單(dān)的模數轉換(huan)就可接入積(ji)算顯示儀内(nèi)的單片機中(zhong)；而且其精度(dù)高、可靠性高(gao)但價格卻十(shí)分便宜。總體(tǐ)上，采用高溫(wēn)薄膜式鉑電(diàn)阻具有很高(gāo)的性價比，适(shì)用于工業儀(yí)表量産配套(tao)。
2.4壓力傳感器(qì)的設計
　　壓力(lì)傳感器設計(jì)爲氩弧焊接(jie)封裝結構的(de)高穩态的壓(yā)阻式壓⭐力傳(chuan)感器，采用标(biāo)準的四線制(zhì)電阻橋式接(jie)👄線方法與積(ji)算儀相連接(jiē)；整體安裝以(yi)組件結構方(fāng)式遠離高溫(wen)管道✉️安裝在(zài)積算顯示儀(yí)的前側下方(fang)，如圖1所示，壓(ya)力傳感器是(shì)通過引壓彎(wan)管将被測流(liu)體引入後測(ce)量壓力值。該(gai)壓力傳感器(qì)精度高🤟，耐溫(wen)穩定性好，密(mi)封可靠，安裝(zhuang)結構合理，通(tong)用性和标準(zhun)化程度高，也(ye)易于檢修維(wéi)護，性價比高(gao)。
2.5積算顯示儀(yi)的設計
　　積算(suàn)顯示儀硬件(jiàn)系統圖如圖(tu)3所示，主體采(cǎi)用單片🐉機🌈作(zuò)爲核心🔴處理(lǐ)器，該型單片(piàn)機是一款16位(wèi)的單片機，供(gòng)電電壓爲🏃‍♂️1.8V～3.6V，采(cai)用了精簡指(zhǐ)令集（RISC）結構，運(yùn)算速度♋快，片(pian)上資源豐富(fù)，便于功能擴(kuò)展，在其系統(tong)中共有1種工(gong)作模式（AM）和5種(zhǒng)低功耗模式(shì)（LPM0-LPM4），工作模式下(xià)工作電流隻(zhi)有200μA，RAM數據保持(chi)模式工作電(diàn)流隻有0.1μA，非常(cháng)适用于各種(zhǒng)需要電池供(gong)電的低功耗(hào)設計的工業(ye)計量儀表設(she)備中。基于單(dān)片機卓越的(de)超低功耗特(tè)性，以及實✏️際(ji)的低功耗應(ying)用需求，是将(jiāng)其作爲主🤟控(kòng)微處理器的(de)主要目的。滿(mǎn)足了多傳感(gan)器信号采集(ji)和☂️數據處理(lǐ)功能以及多(duo)種信号輸出(chu)及通信功能(néng)所需的🤞功耗(hao)和硬件資源(yuan)要求。

　　系統采(cai)用外部24VDC和内(nei)置3.6V锂亞硫電(dian)池雙電源供(gòng)電方式😘，雙電(diàn)源的自動切(qie)換采用電源(yuan)管理繼電器(qi)來控✍️制，當系(xi)統與外部通(tōng)信或對外輸(shū)出脈沖信号(hao)或電流信号(hào)🔴時，系統電能(neng)取自外供電(diàn)24VDC端口，而當系(xì)統脫離外部(bu)電📧源單獨工(gōng)作時，系統✨電(dian)能則取自内(nèi)置锂亞硫電(diàn)池，這時所有(yǒu)通信和信号(hào)輸出端口全(quán)部關閉，進入(rù)低功耗工作(zuò)狀态，多傳感(gan)器測量系統(tǒng)及單片機内(nèi)部積算、顯示(shì)和存🆚儲單元(yuan)仍然繼續工(gong)作。依據實際(ji)測量需要和(he)精度要求，溫(wēn)度和壓力傳(chuán)感器測量電(diàn)路模塊采用(yòng)間🏃斷采樣工(gong)作模式，可進(jìn)🌈一步降低整(zheng)個積算顯示(shi)儀系統的功(gong)耗。
　　這種低功(gong)耗、通信功能(néng)和雙電源設(she)計實現了蒸(zhēng)汽流量計可(ke)以應用在多(duō)種場合的計(ji)量需求，既可(ke)用🐇于有外供(gòng)電的場合、也(yě)可⛷️用于無外(wài)供電的場合(hé)，即使在外供(gong)電意外停電(dian)時，流量計仍(reng)然正常工作(zuo)。
2.6防護性能和(hé)防爆性能設(she)計
　　爲提高通(tōng)用現場儀表(biǎo)電氣安全性(xìng)能及适應測(ce)量蒸汽的高(gao)溫高濕特殊(shū)環境等要求(qiú)，流量計采用(yòng)了防護等級(ji)和防爆等級(jí)設計。即整體(tǐ)結構采用主(zhu)要部件模塊(kuài)化的設計，各(ge)部件相對獨(dú)立裝配，部件(jiàn)相✂️互間連接(jiē)結構方便，連(lián)接處密封可(kě)靠；外🈲露部分(fen)的材料主要(yao)采用不鏽鋼(gāng)材質，防潮防(fáng)鏽；積算顯示(shì)儀⭐的電氣外(wài)殼采用隔爆(bao)結構設計；流(liú)量計整機📱防(fáng)護等級爲IP65，防(fáng)爆隔爆等級(ji)爲ExdⅡCT5，适用于各(ge)🈲種要求高的(de)防護防爆環(huan)境下使用💛。
3測(ce)試與應用
　　抽(chōu)取試制的一(yī)台編号爲B11426的(de)DN200口徑樣機檢(jian)定，檢定裝置(zhi)爲0.5級精度的(de)标準表法氣(qi)體流量計标(biao)準裝置，檢定(dìng)依據标❤️準爲(wèi)JJG1029-2007《渦街流量計(ji)檢定規程》，采(cǎi)用三線制脈(mo)沖信号輸出(chū)⚽，檢定流量範(fan)圍爲（450～7000）m3/h，檢定🔆結(jié)果爲1.0級合格(ge)，實測數據如(rú)表1所🚶‍♀️示；該樣(yang)機整機精度(du)♌控制在1級以(yi)内時，實測平(píng)均功耗低于(yu)400μA，也滿足電池(chí)供電的設計(jì)要求。

　　
4結語
　　自(zi)動化儀表（包(bāo)括計量儀表(biao)）的高性能、節(jiē)能、智能化👅和(hé)信息化是現(xiàn)場儀表的發(fa)展方向，渦街(jie)流量計在✊蒸(zheng)汽計量領域(yù)的應用也越(yuè)來越廣泛，研(yán)制具有更适(shi)合蒸⛱️汽計量(liang)的專用蒸汽(qi)渦街流量🍓計(jì)意義更爲重(zhòng)要。多參🐇數蒸(zheng)汽渦街流量(liàng)計具有結構(gòu)簡單、可靠🐆性(xìng)高、耐高溫性(xing)好、性能穩定(dìng)、壓力損失小(xiǎo)、節能能耗、量(liang)程範圍大、計(ji)量精度高等(deng)特點，并且多(duō)傳感器一體(ti)化設計，既解(jie)決💃🏻了蒸汽測(ce)量的溫壓補(bu)償和修正問(wen)題，又實現了(le)蒸汽的多種(zhong)工況參數實(shí)時測量及🥵信(xin)息傳輸；

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