煤气流量计在过热蒸汽测量中应用与问题分析及使用冲突解决

点击次数：1504 发布时间：2021-01-08 06:04:36

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重要。煤气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，利用技术冲突以及物理冲突理论，建立传感器系统功能模型，然后进行因果分析，确定冲突区域，在此基础上，确定多个创新方案，通过对比确定最优解。
1 问题背景和描述
1.1 问题的背景
随着能源日趋紧张，节能减排在发电厂、钢厂等高耗能企业尤为重要，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）的测量尤为重要，而一般煤气流量计传感器的使用温度低于 240℃，在此背景下，迫切需对煤气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煤气流量计传感器系统；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。煤气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，它的两侧会交替出现两排旋转方向相反地漩涡，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℃，煤气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（见表 1）。

5）新系统的要求。将煤气流量计传感器的耐受温度由原来的 240℃提高到 350℃。
2 问题分析
2.1 功能分析
系统分析（见表 2）。

建立已有系统的功能模型（见图 1）。通过功能模型分析，描述了系统元件及其之间的相互关系，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。

2.2 因果分析
应用因果链分析法确定产生问题的原因（见图 2）。

2.3 冲突区域确定（问题关键点确定）
问题关键点：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 理想解分析
最终理想解：煤气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。次理想解：煤气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 标准冲突。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“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”上进行分离。
3）选用 4 条分离原理（空间分离、时间分离、基于条件的分离、整体与部分分离）当中的“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”。根据选定的发明原理，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：探头分割成独立两部分，一部分置于高温介质中，而压电陶瓷片从探头分离出来的部分置于高温介质外。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）。