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正丁烷流量計(jì)的應(yīng)用與問題分析及使用沖突解決

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,對其產(chǎn)生的過熱蒸汽測量尤為重要。正丁烷流量計(jì)傳感器檢測感應(yīng)元件為壓電陶瓷,由于其*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,通過對比確定*優(yōu)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(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)量要求越來越高,尤其是對這些工廠產(chǎn)生的過熱蒸汽(一般 350℃以上)的測量尤為重要,而一般正丁烷流量計(jì)傳感器的使用溫度低于 240℃,在此背景下,迫切需對正丁烷流量計(jì)重新進(jìn)行研制開發(fā),更好的滿足市場需求。
1.2 問題的描述
1)定義技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能。問題所在技術(shù)系統(tǒng)為正丁烷流量計(jì)傳感器系統(tǒng);該技術(shù)系統(tǒng)的功能為轉(zhuǎn)換信號;實(shí)現(xiàn)該功能的約束:測量精度為 ±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。正丁烷流量計(jì)是基于卡門渦街原理進(jìn)行測量。當(dāng)流體通過漩渦發(fā)生體時(shí),它的兩側(cè)會交替出現(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,便會產(chǎn)生一系列交變電信號,經(jīng)過轉(zhuǎn)換器的過濾、整形和放大處理后,轉(zhuǎn)換成脈沖頻率信號。
3) 當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)存在的問題。 由于目前使用的傳感器檢測感應(yīng)元件為壓電陶瓷,其*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℃,正丁烷流量計(jì)傳感器便會因壓電陶瓷達(dá)到居里點(diǎn),絕緣電阻降低,壓電信號變?nèi)醵А?br/>4)問題或類似問題的現(xiàn)有解決方案及其缺點(diǎn)(見表 1)。

5)新系統(tǒng)的要求。將正丁烷流量計(jì)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(tǒng)分析(見表 2)。

建立已有系統(tǒng)的功能模型(見圖 1)。通過功能模型分析,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(yīng)用因果鏈分析法確定產(chǎn)生問題的原因(見圖 2)。

2.3 沖突區(qū)域確定(問題關(guān)鍵點(diǎn)確定)
問題關(guān)鍵點(diǎn):探頭安裝在測量管內(nèi),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
*終理想解:正丁烷流量計(jì)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,且成本沒有提高。次理想解:正丁烷流量計(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)及測量管,但這樣做了會導(dǎo)致系統(tǒng)的測量信號變?nèi)酢?br/>2)轉(zhuǎn)換成 TRIZ 標(biāo)準(zhǔn)沖突。改善的參數(shù):**.17 溫度;惡化的參數(shù):**.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(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)信號傳輸。方案二:依據(jù) No.19 周期性作用,得到解如下:改變漩渦運(yùn)動頻率,使得信號易于獲取。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)“提高測量信號的精度”,需要參數(shù)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(shù)“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(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應(yīng)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(jù)選定的發(fā)明原理,得到解決方案。方案四:依據(jù) No.1 和 No.2 發(fā)明原理,得到解如下:探頭分割成獨(dú)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
對方案進(jìn)行匯總(見表 3)。

依據(jù)表 3 得到的若干創(chuàng)新解,通過評價(jià),確定*優(yōu)解為:探頭分割成獨(dú)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。