摘要：在蒸(zhēng)汽能源的生産(chǎn)過程計量和自(zi)動控制領域中(zhong)，用一台儀表能(neng)同時對流量、溫(wēn)度和壓力等多(duō)參數進行⛷️測量(liang)的功能非常重(zhòng)要。研制的一種(zhǒng)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(shí)現了對蒸汽的(de)流量、溫度、壓力(lì)和質量流量等(děng)多參數的🚶‍♀️準确(que)😍測量或積算，并(bìng)且具有現場顯(xian)示、标準信号㊙️遠(yuǎn)傳和通訊功💛能(néng)，更便于自動化(huà)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(yā)🎯力的變化，過熱(rè)蒸汽經常會轉(zhuǎn)變成爲飽和蒸(zhēng)汽，并且溫🧡度壓(yā)力不同蒸汽密(mi)度也不同，現有(you)蒸汽‼️計量儀表(biǎo)常用的是以 孔(kong)闆流量計 爲代(dai)表的 差壓式流(liu)量計 [1]或普通渦(wo)街流量計等，由(yóu)于它們僅測量(liàng)體積流量💔，測量(liàng)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(yòng)的差壓式流量(liàng)計壓損很大[1-3]，是(shì)渦街的數倍🧑🏾‍🤝‍🧑🏼以(yǐ)上，産生的能源(yuan)消耗浪費很大(dà)，并且差壓📞式流(liu)量計計量系統(tong)零部件數✔️量較(jiào)多、安裝複雜、維(wéi)☀️護費用高；普通(tōng)的 渦街流量計(ji) 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(zhēng)汽質量流量測(ce)量基本上仍采(cǎi)🏒用推導法（間接(jie)♈法）質量積算法(fa)，在推導式質量(liang)🏒計量中，關鍵環(huan)節是蒸汽密度(du)的求取，蒸汽工(gong)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(bian)化。多參📞數[4]測量(liàng)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(liang)計的結構和測(ce)量原理
　　多參數(shu)測量的蒸汽渦(wo)街流量計的結(jie)構設計如圖1所(suo)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(chuán)感器、積🈲算顯㊙️示(shì)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(yuán)理[5]感受被測流(liú)體的渦街旋渦(wo)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(chū)頻率計算出被(bèi)測的體積流量(liang)；溫度傳感器安(ān)裝在流量傳感(gan)器下遊，測出蒸(zhēng)汽的工況溫度(du)；壓力傳❗感器測(cè)量旋渦發生體(ti)後的蒸汽壓力(lì)，等效于流量傳(chuan)感器測量點處(chu)的工況壓力，它(tā)的引壓孔位于(yú)旋渦發生體側(ce)面靠後🚩方與流(liú)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(níng)導壓液，可以防(fáng)止高溫氣體直(zhi)接與壓力傳感(gan)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(jī)流量值、工況壓(ya)力值和工況溫(wēn)♋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(mì)度值和相關計(ji)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(dù)和壓力後通過(guo)自動調✨用或查(cha)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(ji)量乘積就可精(jīng)确算出🧑🏽‍🤝‍🧑🏻蒸汽質(zhì)量流量。

2設計
2.1一(yī)體化整機結構(gòu)設計
1）一體化的(de)流量計結構主(zhǔ)體爲兩端焊接(jie)标準法蘭結構(gou)的測量管表體(ti)，腔内裝一個三(san)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(qiu)設計成系列化(huà)标準長度，使得(de)每一種流量計(ji)滿足于不同壓(yā)力、不同口👌徑的(de)管道連接并具(ju)有标準化結構(gòu)和尺寸，該表體(ti)結構标🐪準化高(gāo)、加工成本低。
2）測(ce)量管表體腔内(nei)上遊焊接有三(san)角柱形截面的(de)旋🚶渦🌂發生體[6]，旋(xuán)渦發生體與測(ce)量管表體的材(cai)質都采用奧氏(shì)體不鏽鋼制成(cheng)，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(xíng)的發生體的大(da)端寬度尺寸爲(wei)表體内❄️實際直(zhi)徑的0.27～0.28倍；這種結(jié)構和材料設計(ji)能确保流量計(jì)在測量高溫蒸(zhēng)汽時仍具有穩(wen)定的結構尺寸(cùn)從而實現穩定(dìng)的K系數，同時具(ju)有良好的線性(xing)度和最小的壓(yā)力損失等多種(zhong)特性。
3）如圖1所示(shi)，流量傳感器、溫(wēn)度傳感器和壓(ya)力傳感器🏃🏻‍♂️及其(qí)組件按順序依(yī)次安裝在表體(ti)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(jin)實現✂️了安裝結(jié)構緊湊，而且💃🏻安(ān)裝位置與國家(jia)标準或國際标(biāo)準的規範要求(qiu)相一緻。該位置(zhi)設計合理保證(zhèng)了溫度和壓力(li)測量值更準确(que)，使得經過壓力(lì)和溫度補償積(jī)算後的儀表線(xiàn)性度更高，能實(shí)現對蒸汽質量(liang)的精度高計量(liang)要求。
4）積算顯示(shi)儀通過一個加(jiā)長型的支撐筒(tǒng)柱遠離本體安(ān)裝✔️，能避免本體(ti)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(zhuang)，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(zai)支撐筒的上端(duan)位置，以遠離可(ke)能的高溫表體(ti)，僅通過帶有回(huí)形🔞管段的引壓(yā)管導壓測量到(dào)已降溫的蒸汽(qì)壓力值，提高了(le)壓力測☂️量系統(tong)的可靠性，并延(yan)長壽命。
　　實現的(de)一體化結構即(jí)具有緊湊簡潔(jié)的标準化結構(gòu)💁，又具有🔞适于高(gao)溫蒸汽計量的(de)耐溫結構，總體(ti)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(jiē)決定了渦街流(liú)量計的總體性(xìng)能，用于蒸汽計(jì)量🙇‍♀️的場合要求(qiu)更高；一是溫度(dù)高，最高要能耐(nai)到400℃；二是流量大(dà)，工業蒸汽計量(liang)的管道流速一(yi)般範圍爲10～70m/s[7]，三是(shì)要耐沖擊，蒸汽(qì)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(gāo)溫下的傳感器(qi)的沖擊力☎️破壞(huài)也大。以上3點就(jiu)是要求渦街流(liu)量傳感器在結(jié)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(ya)電傳感✏️器與旋(xuan)渦發🌈生體（三角(jiǎo)柱）分離型的結(jie)構方案，一種小(xiao)尺寸懸臂梁[8]結(jié)構的壓電式💘通(tōng)用渦街💚流量傳(chuan)感器[9]（簡稱壓電(diàn)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(yuán)件🧡、金屬铠裝😄導(dǎo)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(fǎ)蘭盤與流量計(ji)殼體固定，下部(bu)的懸臂梁置于(yu)旋渦發生體内(nei)部或後面的孔(kong)洞中，壓電傳感(gan)📱器的探頭扁尾(wěi)兩側獲取旋渦(wō)升力作用，并傳(chuan)感出相應的渦(wō)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(ya)電元件機械封(fēng)裝在探頭内👌空(kong)腔中，空餘空腔(qiāng)💰則無其它填充(chong)物。壓電元件通(tōng)過剛性結構的(de)铠裝導線将信(xìn)号輸出到外部(bù)的接線端子上(shàng)，再通過接線端(duān)子将信号輸出(chu)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(ti)産生渦街後，伴(ban)随産生的交變(biàn)升力作用在懸(xuan)臂梁♋下部的探(tan)頭扁尾上，懸臂(bì)梁産生變形并(bìng)迫使内部的🤟壓(yā)電元件也同步(bu)變形，從而産生(sheng)出與交變升力(lì)對應的電荷，通(tōng)⚽過後續的一系(xi)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(liao)全部選用奧氏(shi)體不鏽鋼，傳感(gǎn)♍器的外部封裝(zhuang)結構全部采用(yòng)氩弧焊接密封(fēng)👣，壓電元件采用(yòng)🌈铌酸锂壓電晶(jīng)體等設計，根本(ben)上保證‼️了渦街(jie)傳感器能耐400℃高(gao)溫蒸汽計量；壓(ya)電傳⭕感器探頭(tou)扁尾長度🌈L和外(wai)徑d設計得較小(xiǎo)🈲，小尺寸懸臂梁(liang)的結構🐕設計即(jí)保證了這種傳(chuán)感器适用于大(da)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(ling)外，該傳感器還(hái)具有常溫1000MΩ以上(shang)😘的絕緣阻抗和(he)良好的信噪比(bi)，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(yi)上的寬量程性(xing)能。
2.3溫度傳感器(qì)的設計
　　普通的(de)IC溫度傳感器測(ce)溫範圍一般隻(zhī)限于-50℃～+125℃，選擇高溫(wēn)薄膜鉑電阻Pt100或(huo)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(ti)；并且由于其微(wei)型封裝，更有利(li)于結構上與流(liú)量計實現一體(tǐ)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(jiǎn)單，安🤩裝也方便(bian)；其次，薄膜式鉑(bó)電阻信号處理(lǐ)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(yi)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(yí)📱。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(chan)配套。
2.4壓力傳感(gan)器的設計
　　壓力(li)傳感器設計爲(wèi)氩弧焊接封裝(zhuāng)結構的高穩态(tài)的壓阻🐇式壓力(lì)傳感器，采用标(biao)準的四線制電(diàn)阻橋式接♈線方(fang)法與積算🚩儀相(xiang)連接；整體安裝(zhuāng)以組件結構方(fāng)式遠離高溫管(guan)道安裝在積算(suàn)顯示儀的前側(ce)下方，如圖1所示(shi)，壓力傳感器是(shì)🏃🏻‍♂️通過引壓彎管(guǎn)将被測流體引(yǐn)入後測量壓力(li)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(gāo)，也易于檢修維(wei)護，性價比高。
2.5積(ji)算顯示儀的設(she)計
　　積算顯示儀(yi)硬件系統圖如(ru)圖3所示，主體采(cǎi)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(lìng)集（RISC）結構，運算速(su)度快，片上資源(yuan)豐富，便于功能(neng)擴展，在其系統(tong)中共有1種工作(zuo)模式（AM）和5種低功(gōng)耗模式⁉️（LPM0-LPM4），工作模(mo)式🈲下工作電✉️流(liú)隻有200μA，RAM數據保持(chí)模式工作電流(liú)隻有👨‍❤️‍👨0.1μA，非常适用(yong)于各種需要電(dian)池供電的低功(gong)耗🔞設計的工業(yè)計量儀㊙️表設備(bei)中。基于單片機(jī)卓越的超低功(gōng)耗特性，以及實(shi)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(gōng)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(yuán)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(qiē)換采用電源管(guǎn)理繼電器來控(kong)制，當系統與外(wai)👅部通信或💜對外(wai)輸出脈沖信号(hào)或電流信号時(shi)，系統電能取自(zì)外供🎯電24VDC端口，而(ér)當系統脫離外(wai)部電🙇🏻源單獨工(gong)作時，系統㊙️電能(neng)則取自内置锂(lǐ)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼亞硫電池，這時(shí)所有通信☁️和信(xìn)号輸出📐端口全(quan)部關閉，進入低(dī)功耗工作狀态(tai)，多傳感器測量(liang)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(yī)據實際測量需(xū)要和🔞精度要求(qiu)，溫度和壓力傳(chuán)感器測量電路(lù)模塊采用間斷(duàn)采樣工作模式(shì)，可進一步降低(di)整個積算顯示(shì)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(zhǒng)場合的計量需(xū)求，既可用🛀🏻于有(yǒu)外供電的場合(he)、也可🥰用于無外(wài)供電的場合，即(jí)使在外供電意(yì)♉外停電♍時，流量(liàng)計仍然正常工(gōng)作。
2.6防護性能和(hé)防爆性能設計(ji)
　　爲提高通用現(xiàn)場儀表電氣安(ān)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(liang)計采用了防護(hù)💞等級和防㊙️爆等(deng)級設計。即整體(tǐ)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(wai)露部分的材料(liao)主要采㊙️用不鏽(xiù)鋼材質，防潮防(fang)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(fang)⛹🏻‍♀️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(tái)編号爲B11426的DN200口徑(jìng)樣機檢定，檢定(ding)裝置爲0.5級精度(du)😍的标準表法氣(qi)體流量計标準(zhǔn)裝置，檢定依據(jù)标準爲JJG1029-2007《渦街流(liu)量🚩計檢定規程(cheng)》，采用三線制脈(mò)沖信号輸出🐉，檢(jiǎn)定流量範圍爲(wei)（450～7000）m3/h，檢定結果爲1.0級(ji)合🌈格，實測數💃據(ju)如表1所👉示；該樣(yàng)機整機精度控(kòng)制在1級👄以内時(shi)，實測平均功耗(hào)低于400μA，也滿足電(dian)池供電的設👅計(jì)要求。

　　
4結語
　　自動(dong)化儀表（包括計(ji)量儀表）的高性(xing)能、節能、智能化(hua)和信息化是現(xian)場儀表的發展(zhan)方向，渦街流量(liang)計在蒸汽計量(liàng)領域的應用也(ye)越來越廣泛，研(yan)制具有更适合(hé)蒸汽計量的專(zhuān)用蒸汽渦街流(liu)量🐆計意義更爲(wei)㊙️重要。多參數蒸(zheng)汽渦街流量計(ji)具有結構簡單(dan)、可靠性高、耐高(gāo)溫性好、性能穩(wěn)💃定、壓力損失小(xiao)、節能能耗、量程(cheng)範圍大、計量精(jing)度高等特點，并(bing)且多傳感器一(yi)體化設計，既解(jie)決了蒸汽測量(liang)的溫壓補償和(hé)修正問🌈題，又實(shi)現了蒸汽的多(duō)種工況參數實(shi)☂️時測量及信息(xi)傳輸；

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