煤氣流量計在過(guò)熱蒸汽測量中應用與問(wèn)題分析及使用沖突解決

摘 要：隨著(zhù)節能減排在發(fā)電廠(chǎng)、鋼廠(chǎng)等高耗能企業(yè)的實(shí)施，對其產(chǎn)生的過(guò)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(shí)居里溫度的限制，只能在低于 240℃介質(zhì)中使用。為了提高傳感器耐受溫度，利用技術(shù)沖突以及物理沖突理論，建立傳感器系統功能模型，然后進(jìn)行因果分析，確定沖突區域，在此基礎上，確定多個(gè)創(chuàng )新方案，通過(guò)對比確定最優(yōu)解。
1 問(wèn)題背景和描述
1.1 問(wèn)題的背景
隨著(zhù)能源日趨緊張，節能減排在發(fā)電廠(chǎng)、鋼廠(chǎng)等高耗能企業(yè)尤為重要，而能源計量要求越來(lái)越高，尤其是對這些工廠(chǎng)產(chǎn)生的過(guò)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(jìn)行研制開(kāi)發(fā)，更好的滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。
1.2 問(wèn)題的描述
1）定義技術(shù)系統實(shí)現的功能。問(wèn)題所在技術(shù)系統為煤氣流量計傳感器系統；該技術(shù)系統的功能為轉換信號；實(shí)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(shù)系統的工作原理。煤氣流量計是基于卡門(mén)渦街原理進(jìn)行測量。當流體通過(guò)漩渦發(fā)生體時(shí)，它的兩側會(huì )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(huì )產(chǎn)生一系列交變電信號，經(jīng)過(guò)轉換器的過(guò)濾、整形和放大處理后，轉換成脈沖頻率信號。
3） 當前技術(shù)系統存在的問(wèn)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(shí)居里溫度大約420 ～ 460℃，因此只能在低于 240℃介質(zhì)中使用，一旦被測量介質(zhì)的溫度高于 240℃，煤氣流量計傳感器便會(huì )因壓電陶瓷達到居里點(diǎn)，絕緣電阻降低，壓電信號變弱而失效。
4）問(wèn)題或類(lèi)似問(wèn)題的現有解決方案及其缺點(diǎn)（見(jiàn)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(lái)的 240℃提高到 350℃。
2 問(wèn)題分析
2.1 功能分析
系統分析（見(jiàn)表 2）。

建立已有系統的功能模型（見(jiàn)圖 1）。通過(guò)功能模型分析，描述了系統元件及其之間的相互關(guān)系，并得出導致傳感器耐受溫度不足問(wèn)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(chǎn)生問(wèn)題的原因（見(jiàn)圖 2）。

2.3 沖突區域確定（問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)確定）
問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)：探頭安裝在測量管內，探頭與高溫介質(zhì)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
最終理想解：煤氣流量計傳感器的耐熱溫度、測量精度等不受測量介質(zhì)溫度的限制，且成本沒(méi)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?xún)?，測量精度為 ±1%。
3 使用沖突解決理論求解
3.1 技術(shù)沖突解決過(guò)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(zhì)及測量管，但這樣做了會(huì )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：NO.17 溫度；惡化的參數：NO.28 測試精度。
3）查找沖突矩陣，得到如下發(fā)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(fā)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(dòng)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(guò)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(zhì)及測量管的距離減小，即，探頭與高溫介質(zhì)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(zhì)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(jìn)行分離。
3）選用 4 條分離原理（空間分離、時(shí)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(fā)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(fā)明原理，得到解決方案。方案四：依據 No.1 和 No.2 發(fā)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(zhì)中，而壓電陶瓷片從探頭分離出來(lái)的部分置于高溫介質(zhì)外。方案五：依據 No.7 發(fā)明原理，得到解如下：將探頭置于漩渦發(fā)生體中。
4 結論
對方案進(jìn)行匯總（見(jiàn)表 3）。

依據表 3 得到的若干創(chuàng )新解，通過(guò)評價(jià)，確定最優(yōu)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(zhì)中，含壓電陶瓷的部分在高溫介質(zhì)外。

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