煤氣流量計在過熱蒸汽測量中應用與問題分析及使用沖突解決

摘 要：隨著節能減排在發電廠、鋼廠等高耗能企業的實施，對其產生的過熱蒸汽測量尤為重要。煤氣流量計傳感器檢測感應元件為壓電陶瓷，由于其極化時居里溫度的限制，只能在低于 240℃介質中使用。為了提高傳感器耐受溫度，利用技術沖突以及物理沖突理論，建立傳感器系統功能模型，然后進行因果分析，確定沖突區域，在此基礎上，確定多個創新方案，通過對比確定*優解。
1 問題背景和描述
1.1 問題的背景
隨著能源日趨緊張，節能減排在發電廠、鋼廠等高耗能企業尤為重要，而能源計量要求越來越高，尤其是對這些工廠產生的過熱蒸汽（一般 350℃以上）的測量尤為重要，而一般煤氣流量計傳感器的使用溫度低于 240℃，在此背景下，迫切需對煤氣流量計重新進行研制開發，更好的滿足市場需求。
1.2 問題的描述
1）定義技術系統實現的功能。問題所在技術系統為煤氣流量計傳感器系統；該技術系統的功能為轉換信號；實現該功能的約束：測量精度為 ±1%，成本提高控制在 20% 之內。
2）現有技術系統的工作原理。煤氣流量計是基于卡門渦街原理進行測量。當流體通過漩渦發生體時，它的兩側會交替出現兩排旋轉方向相反地漩渦，這些交替變化的漩渦就形成了一系列交替變化的負壓力。該壓力作用在傳感器的探頭上，便會產生一系列交變電信號，經過轉換器的過濾、整形和放大處理后，轉換成脈沖頻率信號。
3） 當前技術系統存在的問題。 由于目前使用的傳感器檢測感應元件為壓電陶瓷，其極化時居里溫度大約420 ～ 460℃，因此只能在低于 240℃介質中使用，一旦被測量介質的溫度高于 240℃，煤氣流量計傳感器便會因壓電陶瓷達到居里點，絕緣電阻降低，壓電信號變弱而失效。
4）問題或類似問題的現有解決方案及其缺點（見表 1）。

5）新系統的要求。將煤氣流量計傳感器的耐受溫度由原來的 240℃提高到 350℃。
2 問題分析
2.1 功能分析
系統分析（見表 2）。

建立已有系統的功能模型（見圖 1）。通過功能模型分析，描述了系統元件及其之間的相互關系，并得出導致傳感器耐受溫度不足問題的功能因素：高溫蒸氣對測量管傳熱；測量管對探頭傳熱；探頭對灌封物傳熱；灌封物對壓電陶瓷片傳熱；高溫蒸氣對探頭傳熱。

2.2 因果分析
應用因果鏈分析法確定產生問題的原因（見圖 2）。

2.3 沖突區域確定（問題關鍵點確定）
問題關鍵點：探頭安裝在測量管內，探頭與高溫介質及測量管直接接觸，受熱量多，而使壓電陶瓷片失效。
2.4 理想解分析
*終理想解：煤氣流量計傳感器的耐熱溫度、測量精度等不受測量介質溫度的限制，且成本沒有提高。次理想解：煤氣流量計傳感器的耐熱溫度可達 350℃，且成本提高控制在20% 以內，測量精度為 ±1%。
3 使用沖突解決理論求解
3.1 技術沖突解決過程
1）沖突描述：為了提高傳感器系統的“耐熱溫度”，需要探頭遠離高溫介質及測量管，但這樣做了會導致系統的測量信號變弱。
2）轉換成 TRIZ 標準沖突。改善的參數：**.17 溫度；惡化的參數：**.28 測試精度。
3）查找沖突矩陣，得到如下發明原理：No.32 改變顏色、No.19 周期性作用、No.24 中介物。方案一：依據No.32 改變顏色發明原理，得到解如下：改變透明或可視特性，使其適應信號傳輸。方案二：依據 No.19 周期性作用，得到解如下：改變漩渦運動頻率，使得信號易于獲取。方案三：依據 No.24中介物，得到解如下：探頭外表面加真空絕熱材料。
3.2 物理沖突解決過程
1）沖突描述：為了“提高傳感器系統的耐熱溫度”，需要參數“提高測量信號的精度”，需要參數探頭與高溫介質及測量管的距離減小，即，探頭與高溫介質及測量管的距離既要“增大”又要“減小”。
2）考慮到該參數“探頭與高溫介質及測量管的距離”在不同的“空間上”具有不同的特性，因此該沖突可以從“空間”上進行分離。
3）選用 4 條分離原理（空間分離、時間分離、基于條件的分離、整體與部分分離）當中的“空間分離”原理，得到解決方案。
4） 查找與該分離原理對應的發明原理有“No.1、No.2、No.3、No.4、No.7、No.13、No.17、No.24、No.25、No.30”。根據選定的發明原理，得到解決方案。方案四：依據 No.1 和 No.2 發明原理，得到解如下：探頭分割成獨立兩部分，一部分置于高溫介質中，而壓電陶瓷片從探頭分離出來的部分置于高溫介質外。方案五：依據 No.7 發明原理，得到解如下：將探頭置于漩渦發生體中。
4 結論
對方案進行匯總（見表 3）。

依據表 3 得到的若干創新解，通過評價，確定*優解為：探頭分割成獨立兩部分，加真空絕熱材料的部分位于高溫介質中，含壓電陶瓷的部分在高溫介質外。

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