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閱讀：311發(fā)布時(shí)間：2022-7-25
摘 要：隨著節(jié)能減排在發(fā)電廠、鋼廠等高耗能企業(yè)的實(shí)施，對(duì)其產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽測(cè)量尤為重要。渦街流量計(jì)傳感器檢測(cè)感應(yīng)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(tǒng)功能模型，然后進(jìn)行因果分析，確定沖突區(qū)域，在此基礎(chǔ)上，確定多個(gè)創(chuàng)新方案，通過(guò)對(duì)比確定好優(yōu)解。
1 問(wèn)題背景和描述
1.1 問(wèn)題的背景
隨著能源日趨緊張，節(jié)能減排在發(fā)電廠、鋼廠等高耗能企業(yè)尤為重要，而能源計(jì)量要求越來(lái)越高，尤其是對(duì)這些工廠產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽（一般 350℃以上）的測(cè)量尤為重要，而一般渦街流量計(jì)傳感器的使用溫度低于 240℃，在此背景下，迫切需對(duì)渦街流量計(jì)重新進(jìn)行研制開(kāi)發(fā)，更好的滿足市場(chǎng)需求。
1.2 問(wèn)題的描述
1）定義技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能。問(wèn)題所在技術(shù)系統(tǒng)為渦街流量計(jì)傳感器系統(tǒng)；該技術(shù)系統(tǒng)的功能為轉(zhuǎn)換信號(hào)；實(shí)現(xiàn)該功能的約束：測(cè)量精度為 ±1%，成本提高控制在 20% 之內(nèi)。
2）現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的工作原理。渦街流量計(jì)是基于卡門渦街原理進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)流體通過(guò)漩渦發(fā)生體時(shí)，它的兩側(cè)會(huì)交替出現(xiàn)兩排旋轉(zhuǎn)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(fù)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(hào)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器的過(guò)濾、整形和放大處理后，轉(zhuǎn)換成脈沖頻率信號(hào)。
3） 當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)存在的問(wèn)題。 由于目前使用的傳感器檢測(cè)感應(yīng)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(cè)量介質(zhì)的溫度高于 240℃，渦街流量計(jì)傳感器便會(huì)因壓電陶瓷達(dá)到居里點(diǎn)，絕緣電阻降低，壓電信號(hào)變?nèi)醵А?/p>
4）問(wèn)題或類似問(wèn)題的現(xiàn)有解決方案及其缺點(diǎn)[1-3]（見(jiàn)表 1）。
5）新系統(tǒng)的要求。將渦街流量計(jì)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(tǒng)分析（見(jiàn)表 2）。
建立已有系統(tǒng)的功能模型（見(jiàn)圖 1）。通過(guò)功能模型分析，描述了系統(tǒng)元件及其之間的相互關(guān)系，并得出導(dǎo)致傳感器耐受溫度不足問(wèn)題的功能因素：高溫蒸氣對(duì)測(cè)量管傳熱；測(cè)量管對(duì)探頭傳熱；探頭對(duì)灌封物傳熱；灌封物對(duì)壓電陶瓷片傳熱；高溫蒸氣對(duì)探頭傳熱。
2.2 因果分析
應(yīng)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(qū)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(cè)量管內(nèi)，探頭與高溫介質(zhì)及測(cè)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
好終理想解：渦街流量計(jì)傳感器的耐熱溫度、測(cè)量精度等不受測(cè)量介質(zhì)溫度的限制，且成本沒(méi)有提高。次理想解：渦街流量計(jì)傳感器的耐熱溫度可達(dá) 350℃，且成本提高控制在20% 以內(nèi)，測(cè)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(tǒng)的“耐熱溫度”，需要探頭遠(yuǎn)離高溫介質(zhì)及測(cè)量管，但這樣做了會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)變?nèi)酢?/p>
2）轉(zhuǎn)換成 TRIZ 標(biāo)準(zhǔn)沖突。改善的參數(shù)：7 溫度；惡化的參數(shù)：NO.28 測(cè)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、9 周期性作用、No.24 中介物。方案一：依據(jù)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(yīng)信號(hào)傳輸。方案二：依據(jù) 9 周期性作用，得到解如下：改變漩渦運(yùn)動(dòng)頻率，使得信號(hào)易于獲取。方案三：依據(jù) 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(tǒng)的耐熱溫度”，需要參數(shù)“探頭與高溫介質(zhì)及測(cè)量管的距離增大，但又為了“提高測(cè)量信號(hào)的精度”，需要參數(shù)“探頭與高溫介質(zhì)及測(cè)量管的距離減小，即，探頭與高溫介質(zhì)及測(cè)量管的距離既要“增大”又要“減小”。
2）考慮到該參數(shù)“探頭與高溫介質(zhì)及測(cè)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(dāng)中的“空間分離”原理，得到解決方案。
4） 查找與該分離原理對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理有“、No.2、No.3、No.4、No.7、3、7、No.24、No.25、No.30”。根據(jù)選定的發(fā)明原理，得到解決方案。方案四：依據(jù) 和 No.2 發(fā)明原理，得到解如下：探頭分割成好立兩部分，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(jù) 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(jié)論
對(duì)方案進(jìn)行匯總（見(jiàn)表 3）。
依據(jù)表 3 得到的若干創(chuàng)新解，通過(guò)評(píng)價(jià)，確定好優(yōu)解為：探頭分割成好立兩部分，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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