摘要：在蒸汽(qì)能源的生産過程(cheng)計量和自動控制(zhi)領🌍域中，用一🔆台儀(yí)表能同時對流量(liàng)、溫度和壓力等多(duō)參數進行測量的(de)功能非常重要。研(yan)制的一種集通用(yong)渦街流量傳感器(qì)及溫度壓力傳感(gǎn)‼️器于一體的蒸汽(qì)渦街流量計 ，實現(xiàn)了對蒸汽的流量(liang)、溫度、壓力和質量(liàng)流量等多參數㊙️的(de)準确😘測量或積算(suan)，并且具有現場顯(xiǎn)示、标準信号遠傳(chuán)和通訊功能，更便(bian)于自動化管理。
　　蒸(zheng)汽是一種比較特(tè)殊的能源介質，随(sui)着工況溫度和壓(yā)力🔱的變🐅化，過熱蒸(zheng)汽經常會轉變成(chéng)爲飽和蒸👉汽，并且(qie)溫度壓力不同蒸(zheng)汽密度也不同，現(xian)有蒸汽計量儀表(biao)常用的是以 孔闆(pǎn)流量計 爲代表的(de) 差壓式流量計 [1]或(huò)普通渦街流量計(jì)等，由于它們僅測(cè)量體積流量，測量(liang)🈲不了溫🈚度和壓力(lì)，肯定會存在最終(zhong)測不準的🏃問題。并(bìng)且常用的差壓式(shi)⛱️流量計壓損很大(dà)[1-3]，是渦街的數倍以(yǐ)上，産生的能🎯源消(xiao)耗浪費很大，并且(qiě)差壓式流量計計(jì)量系統零部件數(shu)🔆量較多、安裝複雜(za)、維✂️護費用高；普通(tong)的 渦街流量計 也(yě)僅能測量體積流(liú)量，不能測量溫度(dù)、壓力和密度，且耐(nai)高🌈溫性㊙️能差。目前(qian)，蒸汽質量流量測(ce)量基本上仍采用(yòng)推導法（間接法）質(zhi)量積算法，在推導(dao)式質量計量中，關(guan)鍵環節是蒸汽密(mi)度的求取，蒸汽工(gong)況變🌍化後，由蒸汽(qì)溫度壓力求取其(qí)密度的關系式亦(yi)發生變化。多參數(shù)[4]測量的蒸汽渦街(jie)流量🏒計的研制爲(wei)🔅蒸汽流量的準确(que)測量提供了新的(de)方法。
1流量計的結(jie)構和測量原理
　　多(duō)參數測量的蒸汽(qì)渦街流量計的結(jié)構設計如圖1所示(shi)⁉️，它是由測量管表(biǎo)體、渦街流量傳感(gǎn)器、溫度傳感器㊙️、壓(yā)力傳感器、積算顯(xiǎn)示儀和測量電路(lu)組成的❗結構一體(ti)化的測量系統。渦(wo)街流量傳⛷️感器安(ān)裝在旋渦發生體(ti)後，基于卡門渦街(jie)🌐原理[5]感受🐉被測流(liu)體的渦街旋渦升(sheng)力，傳感器輸出的(de)信号🔞頻率值正比(bǐ)于流體流量，通過(guò)測出頻率計👈算出(chu)被測的體積流量(liàng)；溫度傳感器安🔞裝(zhuang)在流量傳感器下(xia)遊，測出蒸汽的工(gōng)況溫度；壓力傳感(gǎn)器測量旋渦發⭐生(sheng)體後的蒸汽壓力(li)，等效于流量傳感(gan)器測🔆量點處的工(gōng)況☁️壓力，它的引壓(yā)孔位于旋渦發生(sheng)體側面靠後方與(yǔ)流量傳感器安裝(zhuāng)點相垂直的位置(zhì)，引壓彎管中充有(yǒu)蒸🎯汽冷凝導壓液(yè)，可以防止高溫氣(qì)體直接與壓力傳(chuán)感器接觸。流量傳(chuán)感器、溫度傳感器(qi)和壓力傳感器的(de)3路電信号經🔴由穿(chuan)過支撐筒柱内🔞的(de)各自信号導線上(shàng)傳到流量積算儀(yi)中進行信号處理(lǐ)和轉換，再由積算(suan)顯示儀計算出工(gōng)況體積流量值🈲、工(gong)況壓力✂️值和工況(kuang)溫度值。已知飽和(he)或過熱蒸汽的密(mi)度是其工況溫度(du)和壓力💞的二元變(biàn)量特定函數，該蒸(zheng)汽密度值和相關(guan)計算公式存儲在(zài)流量積算儀的存(cun)✔️儲器内，在測量到(dao)實際溫度和壓力(li)後通過自動調用(yong)或查詢存儲數據(jù)庫讀取蒸汽密度(du)，再與之前測量出(chu)的工況體積量乘(cheng)積就可精确算出(chū)蒸汽質量流量。

2設計
2.1一(yī)體化整機結構設(she)計
1）一體化的流量(liang)計結構主體爲兩(liǎng)端焊接标準法蘭(lan)結構的測量管表(biao)體，腔内裝一個三(san)角柱狀形截面的(de)旋渦發生體，測量(liang)管表體長度根據(ju)口徑大小和安裝(zhuāng)要求設計成系列(lie)🐅化标準長度，使得(de)每一種流量計滿(mǎn)足🈚于不同壓力、不(bu)同口🌍徑的管道連(lián)接并具有标準化(hua)結構和尺寸，該表(biao)體結構标準化高(gāo)、加工成本低。
2）測量(liang)管表體腔内上遊(you)焊接有三角柱形(xing)截面的旋渦💜發生(sheng)🏃🏻‍♂️體[6]，旋渦發生體與(yu)測量管表體的材(cai)質都采用奧💃🏻氏體(tǐ)不鏽鋼制成，具有(you)良好的耐腐、耐高(gāo)溫特性；旋渦發生(shēng)體前段的直管段(duan)長度約爲表體總(zong)長的1/3；三角柱🔞形的(de)發生體的大端寬(kuan)度尺寸爲表體内(nèi)實際直徑的0.27～0.28倍；這(zhè)種結構和材料設(shè)計能确保流量♈計(ji)在測量高⭐溫蒸汽(qi)時仍具有穩定的(de)結構尺寸從而實(shí)現穩⛹🏻‍♀️定的K系數，同(tong)時具有良好的線(xian)性度和最🍓小的壓(yā)力損失等多種特(te)性。
3）如圖1所示，流量(liang)傳感器、溫度傳感(gan)器和壓力傳感器(qi)💋及💯其組件按🌈順序(xu)依次安裝在表體(tǐ)上，即溫度和壓力(li)傳感器都安裝在(zài)旋渦發生體的下(xià)遊，不僅實現了安(ān)裝🧑🏽‍🤝‍🧑🏻結構緊湊，而且(qiě)安裝位置與國家(jia)标準或國際标準(zhun)的規範要求相一(yi)緻。該位置設計合(he)理保證🛀了溫度和(he)壓力測量值更✉️準(zhun)确，使得經過壓力(lì)和溫度補償積算(suàn)後的儀表線性度(du)更高，能實現對蒸(zhēng)汽🥵質量的精⛱️度高(gāo)計㊙️量要求。
4）積算顯(xiǎn)示儀通過一個加(jiā)長型的支撐筒柱(zhu)遠離本體安裝，能(neng)避免本體的高溫(wen)影響，滿足蒸汽計(jì)量的高溫要求；必(bì)要時，積算顯示儀(yí)還可整體與表體(tǐ)分離型安🚶‍♀️裝，通過(guo)特制電纜相連接(jiē)。
5）壓力傳感器靠近(jìn)積算顯示儀安裝(zhuāng)在支撐筒的上端(duan)位㊙️置，以遠離可能(neng)的高溫表體，僅通(tōng)過帶有回形管段(duan)的引㊙️壓管導壓測(ce)量到已降溫的蒸(zhēng)汽壓力值，提高了(le)❌壓力測量系統的(de)可靠性，并延長壽(shòu)命。
　　實現的一體化(hua)結構即具有緊湊(cou)簡潔的标準化結(jié)構，又具有适于高(gāo)溫蒸汽計量的耐(nài)溫結構，總體提高(gāo)了産品的可靠性(xing)和準确性。
2.2渦街流(liú)量傳感器的設計(ji)
　　渦街流量傳感器(qi)是渦街流量計的(de)最核心部件，它的(de)性能直接決定了(le)渦街流量計的總(zong)體性能，用于蒸汽(qì)💯計量的場合要求(qiu)更🌈高；一是溫度高(gāo)，最高要能耐到400℃；二(er)是流量大，工業蒸(zhēng)汽計量的管💘道流(liu)速一般🏒範圍爲10～70m/s[7]，三(sān)是要耐沖擊，蒸汽(qì)的密度大，一🌂般爲(wei)常溫空氣的數倍(bei)⛱️或10倍，密度大📐的介(jiè)質對高溫下的傳(chuan)感✂️器的沖擊力破(pò)壞也大。以上3點👌就(jiu)是要求渦街流量(liàng)⛹🏻‍♀️傳感器在結構、材(cai)料和性能上要有(you)合理的設計和要(yào)求以滿足大流量(liàng)的高溫蒸汽計量(liàng)。爲此，采用了壓電(diàn)傳感器與旋渦發(fa)生體（三角柱）分離(lí)型的結構🌈方案，一(yī)種小尺寸💘懸臂梁(liáng)[8]結構的壓電式通(tōng)用渦街流量傳感(gan)器[9]（簡稱壓電傳🍉感(gǎn)器），壓電傳感器結(jié)構示意圖🤟如圖2所(suǒ)示，由安裝法蘭盤(pan)、探頭扁尾、壓電元(yuan)件、金屬铠裝導線(xian)、密封罩、接線端子(zǐ)等組成。壓電傳感(gǎn)器通過中部的🌂安(an)裝法蘭盤與流量(liang)計殼體固定，下部(bù)的懸臂梁置于旋(xuan)渦發生體内部或(huo)後面的孔洞中，壓(yā)電傳感器的探頭(tóu)扁尾兩側獲取旋(xuán)🐆渦升力作用，并傳(chuán)感出相應的渦街(jiē)流量信号。在懸臂(bi)梁内部㊙️，采用了居(jū)裏溫度高達1200℃铌酸(suān)锂[10]壓電元件機械(xiè)封裝在探頭内空(kong)腔中，空餘空腔則(ze)無其它填充物。壓(ya)🌍電㊙️元件通過剛性(xìng)結構的铠裝導線(xian)将信号輸出到外(wài)🏃部的接線端子上(shàng)，再通過接線端子(zǐ)将信号輸出到外(wai)部信号處理單元(yuán)進行處理。當管道(dao)流體因旋渦🔴發生(shēng)✊體産生渦街後，伴(bàn)随産生的交變升(sheng)力作用在懸臂梁(liáng)下部的探頭扁尾(wěi)上，懸臂梁産生變(biàn)形并迫⚽使内部的(de)壓電元件也同步(bù)變形，從而産生出(chū)與交變升力對應(ying)🏃‍♀️的電荷🐪，通過後續(xu)的一系列信号處(chù)理電路，最終獲得(dé)流量信息。

　　傳感(gan)器的各零部件外(wài)表材料全部選用(yong)奧氏體不鏽鋼，傳(chuán)感❌器的外部封裝(zhuang)結構全部采用氩(yà)弧焊接密封，壓電(dian)元件采用铌酸锂(li)壓電晶體等設計(ji)，根本✏️上保證了渦(wo)街傳感器能耐400℃高(gao)溫蒸汽計量；壓電(dian)傳感器探頭⛹🏻‍♀️扁尾(wei)長度L和外徑d設計(jì)得較小，小尺寸懸(xuán)👨‍❤️‍👨臂梁的結構✔️設計(ji)即保證了這種傳(chuan)感器适用于大小(xiǎo)各種口徑流量計(ji)的配套安裝，也具(jù)有很高的抗沖擊(jī)性能，不會被大流(liú)量的蒸汽沖壞；另(ling)外，該傳感器還具(ju)有常溫1000MΩ以上🌈的絕(jué)緣阻抗和良好的(de)信噪比，使得流量(liang)計計量蒸汽時既(ji)有高可靠性和長(zhang)壽命，還具有15∶1以上(shàng)的寬量程性能。
2.3溫(wēn)度傳感器的設計(jì)
　　普通的IC溫度傳感(gǎn)器測溫範圍一般(ban)隻限于-50℃～+125℃，選擇高溫(wēn)㊙️薄膜鉑電阻Pt100或Pt1000作(zuo)爲溫度傳感器，由(you)于其可耐溫度範(fàn)圍更高：-200℃～+600℃，解✉️決了蒸(zheng)汽計量耐高溫問(wen)題；并且由于其微(wei)🚶型封裝，更有利☔于(yú)結構上與流量計(ji)實現一體化，一體(ti)化設計後引線也(ye)很短，引線電阻的(de)影響忽略不計，所(suǒ)以可以采用兩線(xiàn)制接入方式，這樣(yang)的🈲結構簡單，安裝(zhuang)也方便；其次，薄膜(mó)式鉑電阻信号處(chù)理電路簡單，僅需(xu)通過簡單的模數(shù)轉換就可接入積(ji)算顯示儀内的單(dan)片機中；而且其精(jing)度高、可靠性高但(dan)價格👅卻十分便宜(yi)。總體上，采用高溫(wēn)薄膜式鉑電阻具(jù)有很高的性價比(bǐ)，适用于工業儀表(biǎo)量産配套。
2.4壓力傳(chuan)感器的設計
　　壓力(li)傳感器設計爲氩(ya)弧焊接封裝結構(gòu)的高穩态的壓阻(zǔ)式壓力傳感器，采(cǎi)用标準的四線制(zhì)電阻橋式接線方(fang)法與積算儀相連(lián)接；整體安裝以組(zu)件結構方式遠離(li)高溫管道💋安裝在(zài)🈲積算顯示儀的前(qián)側下方，如圖1所示(shi)，壓力傳感器是通(tōng)過引壓彎管将被(bei)測流體引入後測(cè)量壓力值。該壓力(lì)傳感器精度高，耐(nai)溫穩定性🌈好，密封(feng)可靠，安裝結構合(he)理，通用性和标準(zhun)化程度高，也易于(yu)檢修維護，性價比(bǐ)高。
2.5積算顯示儀的(de)設計
　　積算顯示儀(yi)硬件系統圖如圖(tú)3所示，主體采用單(dān)片機作㊙️爲核心處(chù)理器，該型單片機(jī)是一款16位的單片(piàn)機，供👅電電壓爲1.8V～3.6V，采(cai)用了精簡指令集(ji)（RISC）結構，運算速度快(kuai)，片上資源豐❄️富，便(biàn)于功能擴🧑🏾‍🤝‍🧑🏼展，在其(qí)系統中共有1種工(gong)作模式（AM）和5種低功(gong)耗模式（LPM0-LPM4），工作模式(shì)下工作電流隻有(you)200μA，RAM數據保持模式工(gong)作電流隻有0.1μA，非常(chang)适用于💰各種需要(yào)電池供電的低功(gōng)耗設計的工業計(jì)量儀表設備中💚。基(ji)于單片機卓越的(de)超低㊙️功耗特性，以(yi)及實際的低功耗(hào)應用☔需求，是将其(qi)作爲主控微處理(li)器的主要目的。滿(man)足了多傳感器信(xìn)号采集和數據處(chù)理功能以及多種(zhǒng)信号輸出及通信(xìn)功能所需的功耗(hao)和硬件資源要求(qiú)。

　　系統采用外部24VDC和(hé)内置3.6V锂亞硫電池(chi)雙電源供電方式(shi)，雙電源的自動切(qiē)換采用電源管理(lǐ)繼電器來控制，當(dang)系統與外⭐部通信(xìn)或對外輸出脈沖(chòng)信号或電流信号(hao)💋時，系統🧡電能取自(zi)外供電24VDC端口，而當(dāng)系統脫👈離外部電(diàn)源單獨工作時，系(xi)統電能則取自内(nèi)置锂亞硫電池，這(zhe)時所有通信和信(xin)号輸出🐉端口全部(bu)關閉，進入低功耗(hào)💯工作狀态，多傳感(gan)器測量系統及單(dān)片機内部積算、顯(xian)示和存儲單元仍(reng)然繼續工作。依據(jù)實際測量需要和(he)精度要求，溫度和(he)壓㊙️力傳感器測量(liang)電路🧡模塊采用間(jian)斷采樣✔️工作模式(shì)，可進一步降低整(zhěng)個積算顯示儀系(xi)統的功耗。
　　這種低(di)功耗、通信功能和(hé)雙電源設計實現(xiàn)了蒸汽㊙️流💰量🔞計可(ke)以應用在多種場(chang)合的計量需求，既(jì)可用于有外供電(dian)的場合📧、也可用于(yu)無外供電的場合(hé)，即使在外供電意(yì)外停電時，流量計(ji)仍然正常工作。
2.6防(fang)護性能和防爆性(xing)能設計
　　爲提高通(tōng)用現場儀表電氣(qi)安全性能及适應(ying)測量蒸汽的高❤️溫(wēn)高濕特殊環境等(děng)要求，流量計采用(yòng)了📞防護等級和防(fang)🏒爆等級設計。即整(zhěng)體結構采用主要(yào)🐆部件模塊化的設(shè)計，各☎️部件相對獨(dú)立裝配，部件相互(hù)間連接📐結構方便(bian)，連接處密封可靠(kào)；外☀️露部分的材料(liao)主要采用不鏽鋼(gang)材質，防潮防鏽；積(jī)算顯示儀的電氣(qì)外殼👄采用隔爆結(jié)構設計；流量計整(zhěng)機防護等級爲IP65，防(fáng)爆隔爆等級爲ExdⅡCT5，适(shì)用于各種要求高(gao)的防護防爆環境(jìng)下使用。
3測試與應(ying)用
　　抽取試制的一(yī)台編号爲B11426的DN200口徑(jing)樣機檢定，檢定裝(zhuāng)置爲0.5級精度的标(biao)準表法氣體流量(liàng)計标準裝置，檢定(dìng)依據标🈲準爲JJG1029-2007《渦街(jiē)流量計檢定規程(chéng)》，采用三線制脈沖(chong)信号輸出，檢定流(liú)量範圍🌍爲（450～7000）m3/h，檢定💘結(jie)果爲1.0級合格，實測(cè)數據如表1所示；該(gāi)樣機整機精度🌈控(kòng)制在1級🌐以内時，實(shi)測㊙️平均功耗低于(yu)400μA，也滿足電池供電(dian)的設計要求。

　　
4結語(yu)
　　自動化儀表（包括(kuò)計量儀表）的高性(xing)能、節能、智能化🌈和(he)信息化是🏃🏻現場儀(yi)表的發展方向，渦(wō)街流量計在🈲蒸汽(qi)計量領域的應用(yòng)也越來越廣泛，研(yan)制具有更适合蒸(zheng)👌汽計量👌的專用蒸(zheng)汽渦🔞街流量計意(yi)義更爲重要。多參(can)數蒸汽渦街流量(liàng)計具有結構簡單(dān)、可靠🎯性高、耐高溫(wen)性好、性能穩‼️定、壓(yā)力損失小、節能能(néng)耗🔱、量程範圍大🐅、計(jì)量精度高等特㊙️點(dian)，并且多傳感器一(yī)🐆體化設計，既解決(jué)了蒸汽測量的溫(wen)壓補償和修正🈲問(wèn)題，又實現了蒸汽(qi)的多種工況參數(shu)🛀實⭐時測量及信息(xi)傳輸🚶‍♀️；

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