王國武，趙 靜，張涵文

（合肥精大儀表股份有限公司，合肥 230088）

蒸汽是一種比較特殊的能源介質(zhì)，隨著工況溫度和壓力的變化，過熱蒸汽經(jīng)常會轉(zhuǎn)變成為飽和蒸汽，并且溫度壓力不同蒸汽密度也不同，現(xiàn)有蒸汽計(jì)量儀表常用的是以孔板為代表的差壓式流量計(jì)[1]或普通渦街流量計(jì)等，由于它們僅測量體積流量，測量不了溫度和壓力，肯定會存在最終測不準(zhǔn)的問題。并且常用的差壓式流量計(jì)壓損很大[1-3]，是渦街的數(shù)倍以上，產(chǎn)生的能源消耗浪費(fèi)很大，并且差壓式流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)零部件數(shù)量較多、安裝復(fù)雜、維護(hù)費(fèi)用高；普通的渦街流量計(jì)也僅能測量體積流量，不能測量溫度、壓力和密度，且耐高溫性能差。目前，蒸汽質(zhì)量流量測量基本上仍采用推導(dǎo)法（間接法）質(zhì)量積算法，在推導(dǎo)式質(zhì)量計(jì)量中，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是蒸汽密度的求取，蒸汽工況變化后，由蒸汽溫度壓力求取其密度的關(guān)系式亦發(fā)生變化。多參數(shù)[4]測量的蒸汽渦街流量計(jì)的研制為蒸汽流量的準(zhǔn)確測量提供了新的方法。

1 流量計(jì)的結(jié)構(gòu)和測量原理

多參數(shù)測量的蒸汽渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，它是由測量管表體、渦街流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、積算顯示儀和測量電路組成的結(jié)構(gòu)一體化的測量系統(tǒng)。渦街流量傳感器安裝在旋渦發(fā)生體后，基于卡門渦街原理[5]感受被測流體的渦街旋渦升力，傳感器輸出的信號頻率值正比于流體流量，通過測出頻率計(jì)算出被測的體積流量；溫度傳感器安裝在流量傳感器下游，測出蒸汽的工況溫度；壓力傳感器測量旋渦發(fā)生體后的蒸汽壓力，等效于流量傳感器測量點(diǎn)處的工況壓力，它的引壓孔位于旋渦發(fā)生體側(cè)面靠后方與流量傳感器安裝點(diǎn)相垂直的位置，引壓彎管中充有蒸汽冷凝導(dǎo)壓液，可以防止高溫氣體直接與壓力傳感器接觸。流量傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器的3路電信號經(jīng)由穿過支撐筒柱內(nèi)的各自信號導(dǎo)線上傳到流量積算儀中進(jìn)行信號處理和轉(zhuǎn)換，再由積算顯示儀計(jì)算出工況體積流量值、工況壓力值和工況溫度值。已知飽和或過熱蒸汽的密度是其工況溫度和壓力的二元變量特定函數(shù)，該蒸汽密度值和相關(guān)計(jì)算公式存儲在流量積算儀的存儲器內(nèi)，在測量到實(shí)際溫度和壓力后通過自動(dòng)調(diào)用或查詢存儲數(shù)據(jù)庫讀取蒸汽密度，再與之前測量出的工況體積量乘積就可精確算出蒸汽質(zhì)量流量。

圖1 流量計(jì)整機(jī)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of flow meter

2 設(shè)計(jì)

2.1 一體化整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）一體化的流量計(jì)結(jié)構(gòu)主體為兩端焊接標(biāo)準(zhǔn)法蘭結(jié)構(gòu)的測量管表體，腔內(nèi)裝一個(gè)三角柱狀形截面的旋渦發(fā)生體，測量管表體長度根據(jù)口徑大小和安裝要求設(shè)計(jì)成系列化標(biāo)準(zhǔn)長度，使得每一種流量計(jì)滿足于不同壓力、不同口徑的管道連接并具有標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)和尺寸，該表體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化高、加工成本低。

2）測量管表體腔內(nèi)上游焊接有三角柱形截面的旋渦發(fā)生體[6]，旋渦發(fā)生體與測量管表體的材質(zhì)都采用奧氏體不銹鋼制成，具有良好的耐腐、耐高溫特性；旋渦發(fā)生體前段的直管段長度約為表體總長的1/3；三角柱形的發(fā)生體的大端寬度尺寸為表體內(nèi)實(shí)際直徑的0.27～0.28倍；這種結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)能確保流量計(jì)在測量高溫蒸汽時(shí)仍具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)尺寸從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的K系數(shù)，同時(shí)具有良好的線性度和最小的壓力損失等多種特性。

3）如圖1所示，流量傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器及其組件按順序依次安裝在表體上，即溫度和壓力傳感器都安裝在旋渦發(fā)生體的下游，不僅實(shí)現(xiàn)了安裝結(jié)構(gòu)緊湊，而且安裝位置與國家標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范要求相一致。該位置設(shè)計(jì)合理保證了溫度和壓力測量值更準(zhǔn)確，使得經(jīng)過壓力和溫度補(bǔ)償積算后的儀表線性度更高，能實(shí)現(xiàn)對蒸汽質(zhì)量的高精度計(jì)量要求。

4）積算顯示儀通過一個(gè)加長型的支撐筒柱遠(yuǎn)離本體安裝，能避免本體的高溫影響，滿足蒸汽計(jì)量的高溫要求；必要時(shí)，積算顯示儀還可整體與表體分離型安裝，通過特制電纜相連接。

5）壓力傳感器靠近積算顯示儀安裝在支撐筒的上端位置，以遠(yuǎn)離可能的高溫表體，僅通過帶有回形管段的引壓管導(dǎo)壓測量到已降溫的蒸汽壓力值，提高了壓力測量系統(tǒng)的可靠性，并延長壽命。

綜述以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的一體化結(jié)構(gòu)即具有緊湊簡潔的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)，又具有適于高溫蒸汽計(jì)量的耐溫結(jié)構(gòu)，總體提高了產(chǎn)品的可靠性和準(zhǔn)確性。

2.2 渦街流量傳感器的設(shè)計(jì)

渦街流量傳感器是渦街流量計(jì)的最核心部件，它的性能直接決定了渦街流量計(jì)的總體性能，用于蒸汽計(jì)量的場合要求更高；一是溫度高，最高要能耐到400℃；二是流量大，工業(yè)蒸汽計(jì)量的管道流速一般范圍為10～70 m/s[7]，三是要耐沖擊，蒸汽的密度大，一般為常溫空氣的數(shù)倍或10倍，密度大的介質(zhì)對高溫下的傳感器的沖擊力破壞也大。以上3點(diǎn)就是要求渦街流量傳感器在結(jié)構(gòu)、材料和性能上要有合理的設(shè)計(jì)和要求以滿足大流量的高溫蒸汽計(jì)量。為此，本研究采用了壓電傳感器與旋渦發(fā)生體（三角柱）分離型的結(jié)構(gòu)方案，研制了一種小尺寸懸臂梁[8]結(jié)構(gòu)的壓電式通用渦街流量傳感器[9]（簡稱壓電傳感器），壓電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，由安裝法蘭盤、探頭扁尾、壓電元件、金屬鎧裝導(dǎo)線、密封罩、接線端子等組成。壓電傳感器通過中部的安裝法蘭盤與流量計(jì)殼體固定，下部的懸臂梁置于旋渦發(fā)生體內(nèi)部或后面的孔洞中，壓電傳感器的探頭扁尾兩側(cè)獲取旋渦升力作用，并傳感出相應(yīng)的渦街流量信號。在懸臂梁內(nèi)部，采用了居里溫度高達(dá)1200℃鈮酸鋰[10]壓電元件機(jī)械封裝在探頭內(nèi)空腔中，空余空腔則無其它填充物。壓電元件通過剛性結(jié)構(gòu)的鎧裝導(dǎo)線將信號輸出到外部的接線端子上，再通過接線端子將信號輸出到外部信號處理單元進(jìn)行處理。當(dāng)管道流體因旋渦發(fā)生體產(chǎn)生渦街后，伴隨產(chǎn)生的交變升力作用在懸臂梁下部的探頭扁尾上，懸臂梁產(chǎn)生變形并迫使內(nèi)部的壓電元件也同步變形，從而產(chǎn)生出與交變升力對應(yīng)的電荷，通過后續(xù)的一系列信號處理電路，最終獲得流量信息。

圖2 壓電式通用渦街流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of piezoelectric vortex flow sensor

傳感器的各零部件外表材料全部選用奧氏體不銹鋼，傳感器的外部封裝結(jié)構(gòu)全部采用氬弧焊接密封，壓電元件采用鈮酸鋰壓電晶體等設(shè)計(jì)，根本上保證了渦街傳感器能耐400℃高溫蒸汽計(jì)量；壓電傳感器探頭扁尾長度L和外徑d設(shè)計(jì)得較小，小尺寸懸臂梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即保證了這種傳感器適用于大小各種口徑流量計(jì)的配套安裝，也具有很高的抗沖擊性能，不會被大流量的蒸汽沖壞；另外，該傳感器還具有常溫1000 MΩ以上的絕緣阻抗和良好的信噪比，使得流量計(jì)計(jì)量蒸汽時(shí)既有高可靠性和長壽命，還具有15∶1以上的寬量程性能。

2.3 溫度傳感器的設(shè)計(jì)

普通的IC溫度傳感器測溫范圍一般只限于-50℃～+125℃，本方案中選擇高溫薄膜鉑電阻Pt100或Pt1000作為溫度傳感器，由于其可耐溫度范圍更高：-200℃～+600℃，解決了蒸汽計(jì)量耐高溫問題；并且由于其微型封裝，更有利于結(jié)構(gòu)上與流量計(jì)實(shí)現(xiàn)一體化，一體化設(shè)計(jì)后引線也很短，引線電阻的影響忽略不計(jì)，所以可以采用兩線制接入方式，這樣的結(jié)構(gòu)簡單，安裝也方便；其次，薄膜式鉑電阻信號處理電路簡單，僅需通過簡單的模數(shù)轉(zhuǎn)換就可接入積算顯示儀內(nèi)的單片機(jī)中；而且其精度高、可靠性高但價(jià)格卻十分便宜?？傮w上，采用高溫薄膜式鉑電阻具有很高的性價(jià)比，適用于工業(yè)儀表量產(chǎn)配套。

2.4 壓力傳感器的設(shè)計(jì)

壓力傳感器設(shè)計(jì)為氬弧焊接封裝結(jié)構(gòu)的高穩(wěn)態(tài)的壓阻式壓力傳感器，采用標(biāo)準(zhǔn)的四線制電阻橋式接線方法與積算儀相連接；整體安裝以組件結(jié)構(gòu)方式遠(yuǎn)離高溫管道安裝在積算顯示儀的前側(cè)下方，如圖1所示，壓力傳感器是通過引壓彎管將被測流體引入后測量壓力值。該壓力傳感器精度高，耐溫穩(wěn)定性好，密封可靠，安裝結(jié)構(gòu)合理，通用性和標(biāo)準(zhǔn)化程度高，也易于檢修維護(hù)，性價(jià)比高。

2.5 積算顯示儀的設(shè)計(jì)

本積算顯示儀硬件系統(tǒng)圖如圖3所示，主體采用美國德州儀器（TI）公司的MSP430F149單片機(jī)[11]作為核心處理器，該型單片機(jī)是一款16位的單片機(jī)，供電電壓為1.8 V～3.6 V，采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，運(yùn)算速度快，片上資源豐富，便于功能擴(kuò)展，在其系統(tǒng)中共有1種工作模式（AM）和5種低功耗模式（LPM0-LPM4），工作模式下工作電流只有200 μA，RAM 數(shù)據(jù)保持模式工作電流只有 0.1 μA，非常適用于各種需要電池供電的低功耗設(shè)計(jì)的工業(yè)計(jì)量儀表設(shè)備中?；谠撔蛦纹瑱C(jī)卓越的超低功耗特性，以及實(shí)際的低功耗應(yīng)用需求，是將其作為本系統(tǒng)的主控微處理器的主要目的。該單片機(jī)滿足了多傳感器信號采集和數(shù)據(jù)處理功能以及多種信號輸出及通信功能所需的功耗和硬件資源要求。

圖3 積算顯示儀硬件系統(tǒng)圖Fig.3 Hardware schematic diagram of Integrating display instrument

系統(tǒng)采用外部24 VDC和內(nèi)置3.6 V鋰亞硫電池雙電源供電方式，雙電源的自動(dòng)切換采用電源管理繼電器來控制，當(dāng)系統(tǒng)與外部通信或?qū)ν廨敵雒}沖信號或電流信號時(shí)，系統(tǒng)電能取自外供電24 VDC端口，而當(dāng)系統(tǒng)脫離外部電源單獨(dú)工作時(shí)，系統(tǒng)電能則取自內(nèi)置鋰亞硫電池，這時(shí)所有通信和信號輸出端口全部關(guān)閉，進(jìn)入低功耗工作狀態(tài)，多傳感器測量系統(tǒng)及單片機(jī)內(nèi)部積算、顯示和存儲單元仍然繼續(xù)工作。依據(jù)實(shí)際測量需要和精度要求，溫度和壓力傳感器測量電路模塊采用間斷采樣工作模式，可進(jìn)一步降低整個(gè)積算顯示儀系統(tǒng)的功耗。

這種低功耗、通信功能和雙電源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了蒸汽流量計(jì)可以應(yīng)用在多種場合的計(jì)量需求，既可用于有外供電的場合、也可用于無外供電的場合，即使在外供電意外停電時(shí)，流量計(jì)仍然正常工作。

2.6 防護(hù)性能和防爆性能設(shè)計(jì)

為提高通用現(xiàn)場儀表電氣安全性能及適應(yīng)測量蒸汽的高溫高濕特殊環(huán)境等要求，流量計(jì)采用了高標(biāo)準(zhǔn)的防護(hù)等級和防爆等級設(shè)計(jì)。即整體結(jié)構(gòu)采用主要部件模塊化的設(shè)計(jì)，各部件相對獨(dú)立裝配，部件相互間連接結(jié)構(gòu)方便，連接處密封可靠；外露部分的材料主要采用不銹鋼材質(zhì)，防潮防銹；積算顯示儀的電氣外殼采用隔爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；流量計(jì)整機(jī)防護(hù)等級為IP65，防爆隔爆等級為ExdⅡCT5，適用于各種要求高的防護(hù)防爆環(huán)境下使用。

3 測試與應(yīng)用

抽取試制的一臺編號為B11426的DN200口徑樣機(jī)檢定，檢定裝置為精大儀表股份有限公司0.5級精度的標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置，檢定依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為JJG 1029-2007《渦街流量計(jì)檢定規(guī)程》，采用三線制脈沖信號輸出，檢定流量范圍為（450～7000）m3/h，檢定結(jié)果為1.0級合格，實(shí)測數(shù)據(jù)如表1所示；該樣機(jī)整機(jī)精度控制在1級以內(nèi)時(shí)，實(shí)測平均功耗低于400 μA，也滿足電池供電的設(shè)計(jì)要求。

表1 實(shí)測數(shù)據(jù)Tab.1 Table of experimental test data

目前該產(chǎn)品已由合肥精大儀表股份有限公司研制定型量產(chǎn)，規(guī)格覆蓋從DN15到DN300所有口徑，并批量投放市場，主要用在石油石化等行業(yè)的高溫蒸汽計(jì)量；用戶普遍認(rèn)同該產(chǎn)品性能、質(zhì)量和新功能，以致銷量逐年上升。

4 結(jié)語

自動(dòng)化儀表（包括計(jì)量儀表）的高性能、節(jié)能、智能化和信息化是現(xiàn)場儀表的發(fā)展方向，渦街流量計(jì)在蒸汽計(jì)量領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，研制具有更適合蒸汽計(jì)量的專用蒸汽渦街流量計(jì)意義更為重要。多參數(shù)蒸汽渦街流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、耐高溫性好、性能穩(wěn)定、壓力損失小、節(jié)能能耗、量程范圍大、計(jì)量精度高等特點(diǎn)，并且多傳感器一體化設(shè)計(jì)，既解決了蒸汽測量的溫壓補(bǔ)償和修正問題，又實(shí)現(xiàn)了蒸汽的多種工況參數(shù)實(shí)時(shí)測量及信息傳輸；該產(chǎn)品通過軟件修改設(shè)置還可用于其他氣體或液體介質(zhì)的多參數(shù)精確測量。它的優(yōu)點(diǎn)將被越來越多人所認(rèn)可，同時(shí)也將在工業(yè)計(jì)量的高精度、智能化和信息化發(fā)展要求中得到更廣泛的應(yīng)用；目前該產(chǎn)品技術(shù)“多參數(shù)測量的蒸汽渦街流量計(jì)”已獲國家專利授權(quán)[12]。

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