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涡街流量计

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基于冲突理论的涡街流量计耐受温度提高的方法研究

来源:作者:颁发时间:2019-12-27【

    摘 要:随着节能减排在发电厂、钢厂等高耗能企业的实施,对其产生的过热蒸汽测量尤为主要。涡街流量计传感器检测感应元件为压电陶瓷,由于其极化时居里温度的限制,只能在低于 240℃介质中使用。为了提高传感器耐受温度,操作技术冲突以及物理冲突理论,成立传感器系统功能模型,然后进行因果阐发,确定冲突区域,在此基础上,确定多个创新方案,通过对比确定好优解。

    1 问题布景和描述
    1.1 问题的布景
    随着能源日趋重要,节能减排在发电厂、钢厂等高耗能企业尤为主要,而能源计量要求越来越高,尤其是对这些工厂产生的过热蒸汽(一般 350℃以上)的测量尤为主要,而一般涡街流量计传感器的使用温度低于 240℃,在此布景下,迫切需对涡街流量计重新进行研制开发,更好的满足市场需求。

   1.2 问题的描述
    1)定义技术系统实现的功能。问题所在技术系统为涡街流量计传感器系统;该技术系统的功能为转换信号;实现该功能的约束:测量精度为 ±1%,成本提高控制在 20% 之内。

    2)现有技术系统的工作原理。涡街流量计是基于卡门涡街原理进行测量。当流体通过漩涡发生体时,它的两侧会交替呈现两排旋转标的目的相反地漩涡,这些交替变化的漩涡就形成了一系列交替变化的负压力。该压力作用在传感器的探头上,便会产生一系列交变电信号,经过转换器的过滤、整形和放大处理后,转换成脉冲频率信号。

    3) 当前技术系统存在的问题。 由于目前使用的传感器检测感应元件为压电陶瓷,其极化时居里温度大约420 ~ 460℃,因此只能在低于 240℃介质中使用,一旦被测量介质的温度高于 240℃,涡街流量计传感器便会因压电陶瓷达到居里点,绝缘电阻降低,压电信号变弱而失效。

    4)问题或类似问题的现有解决方案及其缺点[1-3](见表 1)。

 

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    5)新系统的要求。将涡街流量计传感器的耐受温度由本来的 240℃提高到 350℃。

    2 问题阐发
    2.1 功能阐发
    系统阐发(见表 2)。

 

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    成立已有系统的功能模型(见图 1)。通过功能模型阐发,描述了系统元件及其之间的彼此关系,并得出导致传感器耐受温度不足问题的功能因素:高温蒸气对测量管传热;测量管对探头传热;探头对灌封物传热;灌封物对压电陶瓷片传热;高温蒸气对探头传热。

 

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    2.2 因果阐发
    应用因果链阐发法确定产生问题的原因(见图 2)。

 

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    2.3 冲突区域确定(问题要害点确定)
    问题要害点:探头安装在测量管内,探头与高温介质及测量管直接接触,受热量多,而使压电陶瓷片失效。

    2.4 抱负解阐发
    好终抱负解:涡街流量计传感器的耐热温度、测量精度等不受测量介质温度的限制,且成本没有提高。次抱负解:涡街流量计传感器的耐热温度可达 350℃,且成本提高控制在20% 以内,测量精度为 ±1%。

    3 使用冲突解决理论求解
    3.1 技术冲突解决过程
    1)冲突描述:为了提高传感器系统的“耐热温度”,需要探头远离高温介质及测量管,但这样做了会导致系统的测量信号变弱。

    2)转换成 TRIZ 尺度冲突。改善的参数:NO.17 温度;恶化的参数:NO.28 测试精度。

    3)查找冲突矩阵,得到如下发明原理:No.32 改变颜色、No.19 周期性作用、No.24 中介物。方案一:依据No.32 改变颜色发明原理,得到解如下:改变透明或可视特性,使其适应信号传输。方案二:依据 No.19 周期性作用,得到解如下:改变漩涡运动频率,使得信号易于获取。方案三:依据 No.24中介物,得到解如下:探头外表面加真空绝热材料。

    3.2 物理冲突解决过程
    1)冲突描述:为了“提高传感器系统的耐热温度”,需要参数“探头与高温介质及测量管的距离增大,但又为了“提高测量信号的精度”,需要参数“探头与高温介质及测量管的距离减小,即,探头与高温介质及测量管的距离既要“增大”又要“减小”。
    2)考虑到该参数“探头与高温介质及测量管的距离”在不同的“空间上”具有不同的特性,因此该冲突可以从“空间”长进行分离。
    3)选用 4 条分离原理(空间分离、时间分离、基于条件的分离、整体与部门分离)傍边的“空间分离”原理,得到解决方案。
    4) 查找与该分离原理对应的发明原理有“No.1、No.2、No.3、No.4、No.7、No.13、No.17、No.24、No.25、No.30”。按照选定的发明原理,得到解决方案。方案四:依据 No.1 和 No.2 发明原理,得到解如下:探头分割成好立两部门,一部门置于高温介质中,而压电陶瓷片从探头分离出来的部门置于高温介质外。方案五:依据 No.7 发明原理,得到解如下:将探头置于漩涡发生体中。

    4 结论
    对方案进行汇总(见表 3)。

 

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    依据表 3 得到的若干创新解,通过评价,确定好优解为:探头分割成好立两部门,加真空绝热材料的部门位于高温介质中,含压电陶瓷的部门在高温介质外。

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