基于沖突理論的二氧化硫流量計耐受溫度提高的方法研究
點(diǎn)擊次數:1540 發(fā)布時(shí)間:2021-01-08 07:18:22
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。二氧化硫流量計傳感器檢測感應元件為壓電陶瓷,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*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,而一般二氧化硫流量計傳感器的使用溫度低于 240℃,在此背景下,迫切需對二氧化硫流量計重新進(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)系統為二氧化硫流量計傳感器系統;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。二氧化硫流量計是基于卡門(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*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℃,二氧化硫流量計傳感器便會(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。將二氧化硫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
*終理想解:二氧化硫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:二氧化硫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:**.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(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*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。
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,而一般二氧化硫流量計傳感器的使用溫度低于 240℃,在此背景下,迫切需對二氧化硫流量計重新進(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)系統為二氧化硫流量計傳感器系統;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。二氧化硫流量計是基于卡門(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*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℃,二氧化硫流量計傳感器便會(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。將二氧化硫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
*終理想解:二氧化硫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:二氧化硫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:**.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(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*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。