摘要：在蒸(zheng)汽能源的生産(chǎn)過程計量和自(zì)動控制領域中(zhōng)，用一🥰台🏒儀表能(neng)同時對流量、溫(wen)度和壓力等多(duō)參數進行🌂測量(liang)的功能非常重(zhong)要。研制的一種(zhong)集通用渦街流(liú)量傳感器及溫(wēn)度壓力傳感器(qi)于一體的蒸汽(qi)渦街流量計 ，實(shi)現了對蒸汽的(de)流量、溫度、壓力(li)和質量流量等(děng)多參🐕數的準确(que)測量或積算，并(bing)且具有現場顯(xiǎn)示、标準信号遠(yuan)傳和通訊功🏃🏻能(neng)，更便于自動化(hua)管理。
　　蒸汽是一(yī)種比較特殊的(de)能源介質，随着(zhe)工況溫度和壓(ya)力♋的變化，過熱(re)蒸汽經常會轉(zhuǎn)變成爲飽和蒸(zheng)汽，并🐕且溫度壓(ya)力不同蒸汽密(mi)度也不同，現有(you)蒸汽🧑🏽‍🤝‍🧑🏻計量儀表(biao)常用的是以 孔(kǒng)闆流量計 爲代(dài)表的 差壓式流(liú)量計 [1]或普通渦(wo)街流量計等，由(yóu)于它們僅測量(liang)體積流量，測量(liang)🔞不了溫度和壓(yā)力，肯定會存在(zai)最終測不準的(de)問題。并且常用(yong)的差🐪壓式流量(liàng)計壓損很大[1-3]，是(shi)渦街的數倍📞以(yi)上，産🌈生的能源(yuán)消耗浪費很大(da)，并且差壓式流(liú)量計♊計量系統(tong)零部件數🥰量較(jiào)多、安裝複雜、維(wei)護費用高；普通(tōng)的 渦街流量計(jì) 也僅能測量體(ti)積流量，不能測(ce)量溫度、壓力和(he)密度，且耐高溫(wen)性能差。目前，蒸(zheng)汽質量流量測(ce)量基本上仍采(cai)用推導法（間接(jie)❄️法）質🤟量積算法(fǎ)，在推導式質量(liang)計量中，關鍵環(huan)節是蒸汽密度(dù)的求取㊙️，蒸汽工(gōng)況變化後，由蒸(zheng)汽溫度壓力求(qiu)取其密度的關(guan)系式亦發🍓生變(biàn)化。多參數[4]測量(liang)的蒸汽渦街流(liú)量計的研制爲(wei)蒸汽流量的準(zhun)确測量提供了(le)新的方法。
1流量(liàng)計的結構和測(cè)量原理
　　多參數(shù)測量的蒸汽渦(wo)街流量計的結(jie)構設計如圖1所(suǒ)示🐪，它是😍由測量(liàng)管表體、渦街流(liu)量傳感器、溫度(dù)傳🏃🏻‍♂️感器、壓力傳(chuan)感器、積算顯示(shi)儀和測量電路(lù)組成的結構一(yi)體化的測量系(xì)統。渦街流量傳(chuán)感器安裝在旋(xuan)渦發生體後，基(ji)于卡門渦街原(yuan)理[5]感受🏒被測流(liú)體🌏的渦街旋渦(wō)升力，傳感器輸(shu)出的信号頻率(lü)值正比于流體(tǐ)流量，通過測出(chu)頻率計算出被(bei)測的體積流量(liang)；溫度傳感器安(an)裝在流🌂量傳感(gan)器下遊，測出蒸(zheng)汽💔的工況溫度(du)；壓力傳🔴感器測(cè)量旋渦發🚩生體(tǐ)後的蒸汽壓力(lì)，等效于流量傳(chuán)感器測量點處(chu)的工況壓力☎️，它(ta)的引壓孔位于(yu)旋渦發生體側(ce)面靠後方與流(liu)量傳感器安裝(zhuang)點相垂直的位(wèi)置，引壓彎管中(zhōng)充有蒸✌️汽冷凝(ning)導壓液，可以防(fang)止高溫🔴氣體直(zhí)接與壓力傳感(gǎn)器接觸。流量傳(chuán)感器、溫度傳感(gǎn)器和壓㊙️力傳感(gǎn)器的3路電信号(hao)經由穿過支撐(chēng)筒柱内的各自(zì)信号導線上傳(chuan)到流量積算儀(yí)中進行💘信号處(chu)🙇‍♀️理和轉換，再👅由(you)積算顯示儀計(ji)算出工況體積(ji)流量值、工況壓(ya)力💛值和工況溫(wen)度值。已知飽和(he)或⛷️過熱蒸汽的(de)密度是其工況(kuàng)溫度和壓力的(de)二元變量特定(ding)函數，該蒸汽✌️密(mi)度值和相關計(jì)算公式存儲在(zai)流量積算儀的(de)存儲器内，在測(ce)量到實際溫度(du)和壓力後通過(guò)自動調用或查(chá)詢存儲數據庫(ku)讀取蒸汽密度(du)，再與之前測量(liang)出的工況體積(jī)量乘積就可精(jing)确算出☂️蒸汽質(zhi)量流量🧡。

2設計
2.1一(yi)體化整機結構(gòu)設計
1）一體化的(de)流量計結構主(zhu)體爲兩端焊接(jiē)标準法蘭結構(gòu)的測量管表體(ti)，腔内裝一個三(sān)角柱狀形截面(miàn)🈲的旋渦發生體(tǐ)，測量管表體長(zhǎng)度根據口徑大(da)小和安裝要求(qiú)設計成系列化(huà)标準長度，使得(de)每一種流💔量計(jì)滿足于不同壓(ya)力、不同口🏒徑的(de)管道連接并具(jù)有标準化結構(gou)和尺寸，該表體(tǐ)結構标準化高(gāo)、加工成本低。
2）測(cè)量管表體腔内(nèi)上遊焊接有三(sān)角柱形截面的(de)旋渦發生體[6]，旋(xuán)渦發生體與測(cè)量管表體的材(cai)質都采🧑🏾‍🤝‍🧑🏼用奧氏(shì)體不鏽鋼制🈚成(chéng)，具有良好的耐(nai)腐、耐高溫特性(xing)；旋渦發生體前(qián)段的☔直管段長(zhang)度約爲表體總(zong)長的1/3；三角柱形(xing)的發生體的大(da)端寬度尺寸爲(wèi)表體内實際直(zhi)徑的0.27～0.28倍；這種結(jié)構☎️和材料設計(jì)能确保流量計(ji)在測量高溫💞蒸(zhēng)汽時仍具有穩(wěn)定的結構尺寸(cùn)從⚽而實現穩定(ding)的K系數，同時具(jù)有良好的線性(xing)度和最小的壓(ya)力損失等多✊種(zhǒng)特性。
3）如圖1所示(shi)，流量傳感器、溫(wēn)度傳感器和壓(yā)力傳感器及其(qi)組件按順序依(yī)次安裝在表體(tǐ)上，即溫度和壓(yā)力傳感器都安(an)裝在旋渦發生(shēng)體的下遊，不僅(jǐn)實現了安裝🏒結(jie)構緊湊，而且安(an)裝位置與國家(jia)标準或國際标(biao)準的♍規範要求(qiú)🌍相一緻。該位置(zhi)設計合理保證(zheng)了溫度和壓力(lì)測量值更準确(que)，使得經過壓力(lì)和溫度補償積(ji)算後的儀表線(xian)性度更高，能實(shi)現對蒸汽質量(liàng)的精度高計量(liang)要求。
4）積算顯示(shì)儀通過一個加(jia)長型的支撐筒(tǒng)柱遠離本🧡體安(an)裝，能避免本體(tǐ)的高溫影響，滿(man)足蒸汽計量的(de)高溫要求🏒；必要(yào)時，積算顯示儀(yi)還可整體與表(biǎo)體分♉離型安裝(zhuāng)，通過特制電纜(lan)相連接。
5）壓力傳(chuán)感器靠近積算(suàn)顯示儀安裝在(zài)支撐筒的上端(duan)位置🌈，以✂️遠離可(kě)能的高溫表體(tǐ)，僅通過帶有回(hui)形管段的引壓(ya)管導壓測量🐉到(dao)已降溫的蒸汽(qi)壓力值，提高了(le)壓力測量系統(tong)🈚的可靠性，并延(yán)長壽命。
　　實現的(de)一體化結構即(ji)具有緊湊簡潔(jié)的标準化結🔆構(gou)，又🚶‍♀️具有适于高(gāo)溫蒸汽計量的(de)耐溫結構，總體(tǐ)提高了産品的(de)可靠性🏃‍♂️和準确(què)性。
2.2渦街流量傳(chuán)感器的設計
　　渦(wo)街流量傳感器(qì)是渦街流量計(jì)的最核心部件(jiàn)，它的性能直✔️接(jie)決定了渦街流(liú)量計的總體性(xing)能，用于㊙️蒸汽計(jì)量的場合要👨‍❤️‍👨求(qiu)更高；一是溫度(du)高，最高要能耐(nài)到400℃；二是流量💛大(dà)，工業蒸汽計量(liàng)的管道流速一(yī)般範圍爲10～70m/s[7]，三是(shi)要耐沖擊，蒸汽(qi)的密度大，一⭐般(ban)爲常溫空氣的(de)數倍或10倍，密度(du)大的介質對高(gao)溫下的傳感器(qi)的沖擊力破壞(huai)也大。以上3點就(jiù)是要求渦街流(liú)量傳感器在💋結(jie)構、材料和性能(neng)上要有合理的(de)設計和要求以(yi)滿足大流量㊙️的(de)高溫蒸汽計量(liàng)。爲此，采用了🔆壓(yā)電傳感器與旋(xuan)渦發生體（三角(jiǎo)柱）分離型的結(jié)構方案，一種小(xiao)尺寸懸臂梁✊[8]結(jie)構的壓電式通(tong)用渦街💯流量傳(chuán)感器🤩[9]（簡稱壓電(dian)傳感🌈器），壓電傳(chuan)感器結構示意(yì)圖如圖2所示，由(yóu)安裝法🌈蘭盤、探(tàn)頭扁尾、壓電元(yuan)件、金屬铠裝導(dao)線、密封罩、接線(xiàn)端子等組成。壓(yā)電傳感㊙️器通過(guo)中部的安裝法(fa)蘭盤與流量計(jì)殼體固定，下部(bu)的懸臂梁置于(yu)旋渦發生體内(nèi)部或後面的孔(kǒng)洞中，壓電傳感(gan)器的探頭扁尾(wei)兩側獲取旋渦(wō)升力作用，并傳(chuan)感出相應的渦(wo)街流量信号。在(zài)懸臂梁内部，采(cai)用了居裏溫度(du)高達1200℃铌酸锂[10]壓(yā)電元件機械封(fēng)裝☁️在探頭内👅空(kōng)腔中，空餘空腔(qiang)則無其它填充(chōng)物。壓電🌈元件通(tōng)過剛性結構的(de)铠裝導線将🌐信(xin)号輸出到外部(bu)的接線端子上(shang)，再通過接線端(duān)子将信号輸出(chū)到外部信号處(chù)理單元進行處(chù)理。當管道流體(ti)因旋渦發生體(tǐ)産生渦街後，伴(bàn)随産生的交變(bian)升力作用在♊懸(xuan)臂梁下🐪部的探(tan)頭扁尾上，懸臂(bi)梁産生變形并(bing)迫使内部的壓(yā)電🔞元件也同步(bù)變形，從而産生(sheng)出與交變升力(lì)對應🔆的電荷✉️，通(tong)過後續的一系(xì)列信号處理✨電(dian)路，最終獲得流(liú)量信息👅。

　　傳感器的各零(ling)部件外表材料(liào)全部選用奧氏(shi)體不鏽鋼，傳感(gǎn)器的外部封裝(zhuāng)結構全部采用(yong)氩弧焊接♋密封(feng)💰，壓電元件采用(yòng)铌酸💛锂壓電晶(jīng)體等設計，根本(běn)上保證了渦街(jiē)傳感器能耐400℃高(gāo)溫蒸汽計量；壓(ya)電傳感器探頭(tou)扁尾長度L和外(wài)徑d設計得較小(xiǎo)，小尺寸懸㊙️臂梁(liáng)的結構♌設計即(ji)保證了這種傳(chuán)感器适用于大(dà)小各種口徑流(liú)量計的配套安(an)裝，也具有很高(gao)的抗沖擊性能(néng)，不會被大流量(liang)的蒸汽沖壞；另(lìng)外，該傳感💜器💃🏻還(hái)具有常溫1000MΩ以上(shang)的絕緣阻抗和(hé)良好的信噪比(bǐ)，使得流量計計(jì)量蒸汽時既有(yǒu)高可靠性和長(zhǎng)壽命，還具有15∶1以(yǐ)上的寬量程性(xìng)能。
2.3溫度傳感器(qi)的設計
　　普通的(de)IC溫度傳感器測(cè)溫範圍一般隻(zhi)限于-50℃～+125℃，選擇高溫(wēn)薄膜鉑電阻Pt100或(huò)Pt1000作爲溫度傳感(gǎn)器，由于其可耐(nai)溫度範圍更高(gāo)：-200℃～+600℃，解決了蒸汽🌈計(jì)量耐高溫問題(tí)；并且由于其微(wēi)型封裝☀️，更有利(lì)于結構上與流(liu)量計實現一體(ti)化，一體♊化設計(jì)後引線也很短(duan)，引線電阻的影(ying)響💃忽略不計，所(suo)以可以采用兩(liang)線制接入方式(shì)，這樣的⚽結構簡(jian)單，安裝也方便(bian)；其次，薄膜式鉑(bó)電阻信♍号處🏃🏻‍♂️理(li)電路簡㊙️單，僅需(xu)通過簡單的模(mo)數轉換就可接(jie)入積算顯示儀(yí)内的單片機中(zhōng)；而且其精度高(gao)、可靠性高但價(jia)格卻十分便宜(yi)。總體上，采用高(gāo)溫薄膜式鉑🈚電(dian)阻具有很高的(de)性價比，适用于(yu)工業儀表量産(chǎn)配💯套。
2.4壓力傳感(gan)器的設計
　　壓力(li)傳感器設計爲(wei)氩弧焊接封裝(zhuāng)結構的高穩态(tai)的壓阻🔞式💃壓力(li)傳感器，采用标(biao)準的四線制電(diàn)阻橋式接🐕線方(fāng)法與積算儀相(xiang)連接；整體安裝(zhuāng)以組件結構方(fang)式遠離高溫管(guan)道安裝在💔積算(suan)顯示儀的前側(ce)下方，如圖📧1所示(shì)，壓力傳感器是(shi)通過引壓彎管(guan)将被測流體引(yin)入後測量壓力(lì)值。該壓力傳感(gǎn)器精度高，耐溫(wen)穩定性好，密封(feng)可靠，安裝👣結構(gou)合理，通用性和(he)标準化程度高(gao)，也易于檢修維(wéi)護，性價比高。
2.5積(ji)算顯示儀的設(shè)計
　　積算顯示儀(yí)硬件系統圖如(rú)圖3所示，主體采(cai)用單片機作爲(wèi)🛀🏻核🚶心處理器，該(gāi)型單片機是一(yi)款16位的單片機(jī)，供電電壓爲1.8V～3.6V，采(cǎi)用了精簡指令(ling)集（RISC）結構，運算速(sù)度快，片上資源(yuán)豐富，便于功能(néng)擴展，在其🈚系統(tong)中共有1種工作(zuò)模☁️式（AM）和5種低功(gong)耗模式✍️（LPM0-LPM4），工作模(mo)式下工作電流(liú)隻有200μA，RAM數據保持(chi)模式工作電流(liú)隻有0.1μA，非常适用(yòng)于各種需要電(dian)池供電的低功(gōng)耗設計的工業(ye)計量儀💜表設備(bei)中。基于單片機(ji)卓越的超低功(gōng)耗特性，以及實(shí)際的低功耗應(ying)用需求，是将其(qí)作爲主控微處(chu)理器的主要目(mu)的。滿足了多傳(chuán)感器信号采集(ji)和數據處理功(gong)能以及多種信(xìn)号♍輸出及通信(xin)功能所需的功(gōng)耗和硬件資源(yuan)要求。

　　系統采用(yòng)外部24VDC和内置3.6V锂(li)亞硫電池雙電(dian)源供電方式，雙(shuāng)電源的自動切(qie)換采用電源管(guan)理繼電器來控(kòng)制，當系統與外(wài)部通信或對外(wai)輸出脈沖信号(hào)或電流信号時(shí)，系統電能取自(zì)外供電24VDC端口✉️，而(ér)當系統脫離外(wài)部電源單獨工(gōng)作時，系統⛱️電能(néng)則取自内置锂(lǐ)亞硫電池，這時(shi)所有通信和信(xìn)号輸出端口全(quán)部關閉，進入低(di)功耗工作狀态(tài)，多傳感器測量(liàng)系統⛹🏻‍♀️及單🔆片機(ji)内部積算、顯示(shi)和存儲單元仍(reng)然繼續工作。依(yi)🈲據實際測量需(xu)要和精度要求(qiu)，溫度和♊壓力傳(chuan)感器📱測量電路(lù)♋模塊采用間斷(duan)采樣工作模式(shì)，可進一步♻️降低(dī)整個積算顯示(shi)儀系統的功耗(hào)。
　　這種低功耗、通(tong)信功能和雙電(diàn)源設計實現了(le)蒸汽流量計可(ke)以應用在多種(zhong)場合的計量需(xū)求，既可用于有(you)♍外供電的場合(hé)、也可用于無外(wai)供電的場合，即(ji)使在外供電意(yi)外停電時，流量(liàng)計仍然正常工(gōng)作。
2.6防護性能和(he)防爆性能設計(jì)
　　爲提高通用現(xian)場儀表電氣安(an)全性能及适應(ying)測量♍蒸汽的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼高(gao)溫高濕特殊環(huan)境等要求，流量(liàng)計采用了防護(hu)等級和防⭐爆等(děng)級設計。即整體(ti)結構采用主要(yào)部件模塊化的(de)設計，各⭕部件相(xiang)對獨立👅裝配，部(bù)件相互間連接(jiē)結構方便，連接(jie)處密封可靠；外(wài)露部分的材料(liao)主要采✂️用不鏽(xiu)鋼材質，防潮防(fáng)鏽；積算顯示儀(yí)的電氣外殼采(cǎi)用隔爆結構設(shè)計；流量計整機(jī)防護☂️等級爲IP65，防(fáng)🤟爆隔爆等級爲(wèi)ExdⅡCT5，适用于各種要(yao)求高的防護防(fáng)爆環境下使用(yòng)。
3測試與應用
　　抽(chōu)取試制的一台(tai)編号爲B11426的DN200口徑(jing)樣機檢定，檢定(ding)裝❓置爲0.5級精☁️度(dù)🔅的标準表法氣(qi)體流量計标準(zhun)裝置，檢定依據(ju)标準爲JJG1029-2007《渦街流(liu)量♉計檢定規程(chéng)》，采用三線制脈(mò)沖信号輸出，檢(jiǎn)定流🔞量範圍爲(wèi)（450～7000）m3/h，檢定結果爲1.0級(jí)合格，實測數⭐據(jù)如表1所示；該樣(yàng)機整機精度控(kong)制在1級⛱️以内時(shí)，實測🔞平均功耗(hào)低于400μA，也滿足電(diàn)池供電的設🐕計(ji)要求。

　　
4結語
　　自動(dong)化儀表（包括計(jì)量儀表）的高性(xìng)能、節能、智能化(huà)和信息化是現(xian)場儀表的發展(zhǎn)方向，渦街流量(liang)計在蒸汽計量(liàng)領域的應✌️用也(yě)越來越廣泛，研(yán)制具有更适合(he)蒸汽計量的專(zhuān)用💞蒸汽渦❤️街流(liú)量計意義更爲(wei)重要。多參數蒸(zhēng)汽渦街流量計(jì)具有結構簡單(dan)、可靠性高、耐高(gao)溫性好、性能穩(wěn)定、壓力損失小(xiǎo)、節能能耗、量程(chéng)範圍大、計量精(jing)度高等特點，并(bìng)且多傳感⭐器一(yi)體化設計，既解(jie)決了蒸汽測量(liàng)的溫壓補償和(hé)修正問題，又實(shí)現了蒸汽的多(duō)種工況參數🌐實(shi)時測量及㊙️信息(xī)傳輸；

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