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(wen)度和壓力等多(duō)參數進行測量(liàng)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(wen)度壓力傳感器(qì)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(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(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(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(mì)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(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(liang)計壓損很大[1-3]，是(shì)渦街的數倍以(yi)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(tǒng)零部件數量較(jiao)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(tǐ)積流量，不能測(cè)量溫度、壓力和(he)密度，且耐高溫(wēn)性能差。目前，蒸(zhēng)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(fa)，在推導式質量(liàng)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(qiú)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(wèi)蒸汽流量的準(zhǔn)确測量提供了(le)新的方法。
1流量(liang)計的結構和測(cè)量原理
　　多參數(shu)測量的蒸汽渦(wō)街流量計的結(jié)構設計如圖1所(suǒ)😘示，它是由測量(liang)管表體、渦街流(liú)量傳感器、溫度(dù)傳感器📱、壓力🤞傳(chuan)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(xi)統。渦街流量傳(chuán)感器安裝在⚽旋(xuán)渦發生體後，基(jī)于卡門渦街原(yuan)理[5]感受被測流(liu)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(chu)頻率計🐪算出被(bèi)測的體積流量(liàng)；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(dù)；壓力傳感器測(cè)量旋渦發☀️生體(ti)後的蒸汽壓力(li)，等效于流量傳(chuan)感器測量點處(chù)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(liú)量傳感器安裝(zhuāng)點相垂直的位(wei)置，引壓彎管中(zhong)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(gan)器的3路電信号(hao)經由穿過支撐(cheng)筒柱内⛷️的各自(zì)信号導線上傳(chuan)到流量積算儀(yi)中進行信号處(chu)理和轉換，再由(yóu)積算顯示儀計(jì)算出工㊙️況體積(jī)流量值、工況壓(yā)力值和工況溫(wen)🌏度值。已知飽⚽和(hé)或過熱蒸汽的(de)密度是其工況(kuang)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(zài)流量積🐆算儀的(de)存儲器内，在測(cè)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(liàng)出的工況體積(jī)量乘積♻️就可精(jing)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(jiē)标準法蘭結構(gòu)的測量管表體(tǐ)，腔内裝一個三(sān)角柱狀形截面(mian)的旋渦發生體(tǐ)，測量🌏管表💯體長(zhang)度根據口徑大(da)小和👌安裝要求(qiú)設計成系列💁化(hua)标準長度，使得(de)每一種流量計(jì)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(gao)、加工🚶‍♀️成本低。
2）測(cè)量管表體腔内(nèi)上遊焊接有三(san)角柱形截面的(de)旋渦發😘生🔞體[6]，旋(xuan)📱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(qian)段的直管段長(zhǎng)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(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(ji)在測量高溫蒸(zheng)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(wen)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(ya)力傳感器都安(an)裝在旋渦發生(sheng)體的下遊，不僅(jin)實現了安裝結(jié)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(qiu)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(què)，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(shi)現對蒸汽質量(liang)的精度高計量(liàng)要求。
4）積算顯示(shi)儀通過一個加(jiā)長型的支撐筒(tong)柱遠離本✏️體安(ān)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(lǎn)相連接。
5）壓力傳(chuán)感器靠近積算(suan)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(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(yán)長壽命。
　　實現的(de)一體化結構即(jí)具有緊湊簡潔(jie)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(ti)提高了産品的(de)可靠性😘和準确(que)性。
2.2渦街流量傳(chuan)感器的設計
　　渦(wō)街流量傳感器(qi)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(xìng)能，用于👨‍❤️‍👨蒸汽計(ji)量💃🏻的場🙇🏻合要求(qiú)更高；一是溫度(dù)高，最高要能耐(nài)到400℃；二🌂是流量大(da)，工業蒸汽計量(liàng)的管道流速一(yī)般範圍爲10～70m/s[7]，三是(shì)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(jiu)是要求渦街流(liu)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(ya)電傳感器與旋(xuán)渦發生體（三角(jiao)柱）分離型的🤩結(jie)構方案，一種小(xiǎo)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(tan)頭扁尾、壓電元(yuan)件、金屬铠裝導(dǎo)線、密封罩、接線(xian)端子等組成🔞。壓(yā)電傳感器通過(guò)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(gǎn)器的探頭扁尾(wěi)兩側獲取旋渦(wo)升力作用，并傳(chuán)感出🔴相應的渦(wō)街流量信号。在(zài)懸臂梁内部，采(cǎi)用了居裏溫度(du)高💛達1200℃铌酸锂[10]壓(ya)電元件機械封(feng)裝在探頭内🌍空(kong)腔中，空餘空腔(qiang)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(bu)的接線端子上(shàng)，再通過接線端(duan)子将信号輸出(chū)到外部信号處(chù)理單元進行處(chu)理。當管道流✊體(tǐ)因旋渦發生☔體(tǐ)産生渦街後，伴(bàn)随産生的交變(biàn)💞升力作用在懸(xuán)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(bu)變形，從而産生(shēng)出與交⭐變升力(lì)對應的電荷，通(tong)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(líng)部件外表材料(liào)全部選用奧氏(shì)體不鏽♉鋼，傳感(gan)♍器的外部封裝(zhuāng)結構全部采用(yong)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(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(liang)的結構🧑🏽‍🤝‍🧑🏻設計即(ji)保證了這種傳(chuan)感器适用于大(dà)小各種口徑流(liu)量計的配套安(an)裝，也具有很高(gāo)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(hai)具有常溫1000MΩ以上(shang)的絕緣阻抗和(he)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(zhang)壽命，還具有15∶1以(yǐ)上的寬量程性(xing)能。
2.3溫度傳感器(qi)的設計
　　普通的(de)IC溫度傳感器測(ce)溫範圍一般隻(zhi)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(ti)化，一體化設計(ji)後🈚引線也很短(duǎn)，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(lǐ)電路簡單，僅需(xū)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(gāo)、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(diàn)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(gǎn)器的設計
　　壓力(li)傳感器設計爲(wèi)氩弧焊接封裝(zhuang)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(fang)法與積算❤️儀相(xiàng)連接；整體安裝(zhuang)以組件結👈構方(fang)式遠離高溫管(guǎn)道✍️安裝在🔴積算(suàn)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(gan)器精度高🎯，耐溫(wen)穩定性好，密封(fēng)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(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(cai)用單片機作爲(wei)核心處理器，該(gai)型單片機是一(yī)款16位的單片機(jī)，供電電壓爲🔆1.8V～3.6V，采(cai)用了精簡指令(lìng)集（RISC）結構，運算速(su)度快，片上資源(yuán)豐富，便于功能(neng)擴展，在其系統(tǒng)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(liu)隻有200μA，RAM數據⭐保持(chí)模式工作電流(liu)隻有0.1μA，非常适用(yòng)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(ji)卓越的超低功(gong)耗特性，以及實(shí)際的低功耗應(yīng)用需求，是将其(qi)作爲主控微處(chù)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(xin)号輸出及通信(xìn)功能所需的🙇🏻功(gōng)耗和硬件🔴資源(yuán)要求。

　　系統采用(yong)外部24VDC和内置3.6V锂(lǐ)亞硫電池雙電(diàn)源供電方式，雙(shuang)✂️電源📞的♊自動切(qie)換采用電源管(guǎn)理繼電器來控(kòng)✔️制，當系統與外(wai)部通信或對外(wài)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(neng)則取自内置锂(li)亞硫電池，這時(shí)所有通信🧡和信(xìn)号輸出端口全(quán)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(réng)然繼續工作。依(yi)據實際測量需(xu)要和🌈精度要求(qiú)，溫度和壓力傳(chuán)感器測量電路(lù)模塊采用間斷(duan)采樣工作模式(shi)，可進一步🚶‍♀️降低(di)整個積算顯示(shì)儀系統的功耗(hao)。
　　這種低功耗、通(tōng)信功能和雙電(dian)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(xu)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(yi)🔞外停電時，流量(liang)計仍然正常工(gong)作。
2.6防護性能和(hé)防爆性能設計(ji)
　　爲提高通用現(xian)場儀表電氣安(an)全性能及适應(yīng)測量蒸汽的高(gāo)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(yao)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(jiē)處密封可靠；外(wài)露部分的材料(liao)主要采用不鏽(xiù)鋼材質，防潮防(fáng)鏽；積算顯示儀(yí)的電氣外殼🔆采(cai)👌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(yào)求高的防護防(fáng)爆環境下使用(yong)。
3測試與應用
　　抽(chou)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(du)的标準表法氣(qi)體流量計标準(zhun)裝置，檢✨定依據(jù)标準爲JJG1029-2007《渦街流(liu)量計檢定規程(chéng)》，采用三線制🆚脈(mo)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(yang)機整機精度🏃🏻控(kòng)制在1級🛀🏻以内時(shí)，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(dòng)化儀表（包括計(jì)量儀表）的高性(xìng)能、節能、智能化(hua)和信息化是現(xiàn)場儀表的發展(zhǎn)方向，渦街流量(liàng)計在蒸汽計量(liàng)領域的應用也(ye)🥵越來越廣泛，研(yán)制具有更适合(he)蒸汽計量的專(zhuan)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(dān)、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(jīng)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(shí)時測量及信息(xi)傳輸；

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