一體化吹氣儀表的研發(fā)與應(yīng)用

馮存強(qiáng)　劉宇　李曉薇　李海麗　馬敬

摘 要 在傳統(tǒng)吹氣測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入一體化吹氣儀表概念，重點(diǎn)闡述在核燃料后處理廠率先應(yīng)用的模擬型一體化吹氣儀表的設(shè)計(jì)思路和開發(fā)方案，簡(jiǎn)要介紹智能型一體化吹氣儀表的設(shè)計(jì)思路和開發(fā)方案。實(shí)際應(yīng)用表明：一體化吹氣儀表的應(yīng)用，有效節(jié)約了安裝空間，解決了大量吹氣測(cè)量系統(tǒng)儀表及管線布置難題，而且顯著降低了吹氣測(cè)量系統(tǒng)的安裝和維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞 吹氣測(cè)量系統(tǒng) 核燃料后處理廠 一體化 小型化 模塊化 智能化

中圖分類號(hào) TH702? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B? ?文章編號(hào) 1000－3932（2023）04－0477－10

吹氣測(cè)量?jī)x表（以下簡(jiǎn)稱吹氣儀表）是靜壓式（差壓式）液位計(jì)的一種，其測(cè)量原理是輸出壓力能夠自動(dòng)跟隨吹氣管出口壓力的變化而變化，并保持輸出氣體流量穩(wěn)定，通過測(cè)量吹氣管間的壓差而得到液位、密度及界面等參數(shù)［1～3］。吹氣儀表是一種非接觸式測(cè)量?jī)x表，它與被測(cè)介質(zhì)接觸的僅是幾根不銹鋼吹氣管，無(wú)需直接維護(hù)和檢修［1］，因此可以廣泛應(yīng)用于存在高溫、高真空、強(qiáng)腐蝕性、易結(jié)晶及放射性等惡劣工況下的液位等參數(shù)的測(cè)量［3］。

吹氣儀表是核燃料后處理廠（以下簡(jiǎn)稱后處理廠）中最重要的非接觸式測(cè)量?jī)x表，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)放射性區(qū)域（設(shè)備室）各種貯槽、溶解器、蒸發(fā)器、混合澄清槽、脈沖萃取柱（以下簡(jiǎn)稱脈沖柱）等各類工藝設(shè)備的液位、液位信號(hào)、密度、界面、柱重、壓力、位置等參數(shù)的測(cè)量［1］。在以往，國(guó)內(nèi)后處理廠及其他放廢等核化工工程中，運(yùn)用了大量的吹氣儀表，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工藝參數(shù)的檢測(cè)任務(wù)。

傳統(tǒng)的吹氣儀表由吹氣裝置、吹氣管、壓差儀表和引壓管4部分組成，通過大量工程的安裝、調(diào)試及運(yùn)行過程發(fā)現(xiàn)，存在管線連接復(fù)雜、安裝布置占用空間大、檢修維護(hù)工作量大等問題。隨著后處理廠的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，吹氣儀表的應(yīng)用數(shù)量大幅增加，存在的問題日益凸顯，亟待研制開發(fā)新型的、結(jié)構(gòu)緊湊的、管路連接簡(jiǎn)單的一體化吹氣儀表取代傳統(tǒng)的吹氣儀表，滿足后處理廠可靠穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

1 吹氣測(cè)量?jī)x表的發(fā)展

1.1 分散式吹氣測(cè)量系統(tǒng)

20世紀(jì)60年代，在我國(guó)核放化廠房中就開始采用吹氣法測(cè)量放射性料液的界面和密度，吹氣測(cè)量系統(tǒng)中采用的氣體過濾減壓閥、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、恒流量閥（小流量控制器）均為獨(dú)立且分散的元器件，很難做到集中安裝，不利于管理和維護(hù)［2］。

1.2 集成式吹氣裝置

1992～1998年，一種適用于后處理廠的集成式吹氣裝置研制成功，將過濾減壓閥、小流量控制器、金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)及相應(yīng)的接口和連接管線集中安裝布置在一個(gè)獨(dú)立的部件中。這類吹氣裝置是在后處理廠應(yīng)用最為廣泛的吹氣儀表。

傳統(tǒng)的集成式吹氣裝置分為封閉式和開放式兩種。對(duì)于最常用的三管封閉式吹氣裝置，其尺寸為380 mm（長(zhǎng)）×290 mm（寬）×180 mm（深）。吹氣裝置作為一個(gè)獨(dú)立元件，直接與差壓變送器（開關(guān)）、吹氣管路相連，構(gòu)成完整的吹氣測(cè)量?jī)x表。相較于分散式吹氣測(cè)量系統(tǒng)，集成式吹氣裝置提高了安裝、檢修和維護(hù)的便捷性。傳統(tǒng)吹氣儀表（集成式）測(cè)量原理如圖1所示。

雖然傳統(tǒng)吹氣儀表在后處理廠中的應(yīng)用獲得了良好的檢測(cè)效果，得到了一致的肯定，但仍存在以下問題：

a. 在結(jié)構(gòu)上零部件多，安裝布置工作量大；

b. 變送器裝配在箱體外邊，整套系統(tǒng)外形所占空間大；

c. 廠房布置空間緊張，設(shè)計(jì)者需精心規(guī)劃才能給出合理布置方案；

d. 廠房多為酸性環(huán)境，連接吹氣裝置與差壓變送器的管路（PU管）有可能被腐蝕導(dǎo)致泄漏，增加了檢修維護(hù)工作量；

e. 連接管路復(fù)雜，安裝技術(shù)要求高，不僅檢修維護(hù)量大，而且由于安裝時(shí)接錯(cuò)管線導(dǎo)致的返工增加了安裝工作量。

基于后處理廠大規(guī)模吹氣裝置安裝調(diào)試工作中發(fā)現(xiàn)的問題，筆者積極探索和設(shè)計(jì)研發(fā)一種結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小、管路連接簡(jiǎn)單的新型一體化吹氣儀表，以取代傳統(tǒng)吹氣儀表。

隨著目前國(guó)內(nèi)后處理廠建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，單個(gè)工程吹氣儀表的應(yīng)用數(shù)量已從近300臺(tái)增加至上千臺(tái)。為了更好地滿足后處理廠非接觸式測(cè)量的需求，解決傳統(tǒng)吹氣儀表所存在的問題，依托科研，提出模擬型一體化吹氣儀表和智能型一體化吹氣儀表的概念，設(shè)計(jì)兩種一體化吹氣儀表的工作原理和總體結(jié)構(gòu)方案，與科研外委廠家共同研制兩種一體化吹氣儀表樣機(jī)，并將模擬型一體化吹氣儀表成功應(yīng)用于在建的后處理廠中。

2 一體化吹氣儀表設(shè)計(jì)思路

根據(jù)吹氣測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)反饋和后處理廠發(fā)展需求，優(yōu)化設(shè)計(jì)的一體化吹氣儀表與傳統(tǒng)吹氣儀表相比，必須在結(jié)構(gòu)小型化、模塊化、智能化、接口統(tǒng)一化方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

結(jié)構(gòu)小型化。小型化設(shè)計(jì)可以改善廠房布置情況，節(jié)約儀表安裝空間，避免傳統(tǒng)吹氣裝置、連接管線和壓差儀表布置占用空間較大，對(duì)吹氣儀表廊的凈空有嚴(yán)苛要求的缺點(diǎn)。

模塊化。即功能部件模塊化，要求儀表中涉及的功能部件包括壓差檢測(cè)元件、信號(hào)處理元件、流量恒定裝置（流量計(jì)+小流量控制器）、減壓穩(wěn)壓閥及多管氣路分配器等全部實(shí)現(xiàn)模塊化，方便維護(hù)和更換。由于不同參數(shù)和工況下選用的吹氣儀表在部分功能部件方面有所不同，模塊化設(shè)計(jì)方便了測(cè)量系統(tǒng)的搭建，可輕松實(shí)現(xiàn)各種不同組合形式。

智能化。即吹氣測(cè)量系統(tǒng)具有數(shù)字化和自動(dòng)化功能。擬建的大型核燃料后處理廠規(guī)模巨大，吹氣儀表的使用數(shù)量預(yù)計(jì)將達(dá)到3 000臺(tái)以上?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已在大型石化項(xiàng)目中成功應(yīng)用，這種“信息集中、控制分散”的技術(shù)正符合現(xiàn)代大型核燃料后處理廠的要求［4］。實(shí)現(xiàn)儀表的智能化是建立具有智能化功能測(cè)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，隨著現(xiàn)代化工廠對(duì)管控一體化要求的不斷提高，需要大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)?？偩€型智能儀表的應(yīng)用，為之提供了設(shè)備的豐富狀態(tài)、診斷以及歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，便于工廠實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維修、性能優(yōu)化、壽命評(píng)估及健康管理等管理功能，從而切實(shí)提高工廠的自動(dòng)化、信息化和智能化水平［5］。

接口統(tǒng)一化。即吹氣儀表電氣接口和管路接口的標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化，以更好地適應(yīng)工程應(yīng)用。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 總體設(shè)計(jì)方案

3.1.1 儀表類型

根據(jù)應(yīng)用環(huán)境及智能化要求，考慮按兩類一體化吹氣儀表進(jìn)行研制：

a. 模擬型一體化吹氣儀表。選用在后處理廠廣泛應(yīng)用且發(fā)展成熟的檢測(cè)控制元器件進(jìn)行一體化樣機(jī)的研制；

b. 智能型一體化吹氣儀表。選用智能化檢測(cè)控制模塊和通信模塊完成數(shù)據(jù)采集與處理，并通過現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)一體化樣機(jī)的研發(fā)。

3.1.2 總體結(jié)構(gòu)方案

一體化吹氣儀表的總體結(jié)構(gòu)方案，包括外形尺寸、殼體材質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、對(duì)外接口等。

3.1.2.1 儀表殼體及外形尺寸

一體化吹氣儀表外殼選用不銹鋼殼體，在儀表正面設(shè)有顯示屏，可進(jìn)行信號(hào)顯示和操作，一體化吹氣儀表的外形尺寸與吹氣管數(shù)量相關(guān)，三管（或兩管）模擬型一體化吹氣儀表尺寸不大于400 mm（高）×250 mm（寬）×150 mm（深），四管模擬型一體化吹氣儀表尺寸不大于400 mm（高）×300 mm（寬）×150 mm（深），三管（或兩管）智能型一體化吹氣儀表的尺寸不大于350 mm（高）×250 mm（寬）×150 mm（深），滿足IP65防護(hù)等級(jí)。

3.1.2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

模擬型一體化吹氣儀表內(nèi)部的主要功能模塊包括：壓力（壓差）檢測(cè)元件、集成線路板、顯示屏、吹氣流量顯示調(diào)節(jié)裝置（每根吹氣管獨(dú)立顯示）、吹氣流量恒定裝置、過濾減壓裝置、連接各設(shè)備的管線集成模塊等。在保留功能的情況下，可對(duì)各部件進(jìn)行改造組合，成為新的部件或模塊，達(dá)到小型化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

智能型一體化吹氣儀表內(nèi)部主要功能模塊包括：智能型壓力（壓差）檢測(cè)元件、智能型氣體質(zhì)量流量控制器、集成線路板、智能化人機(jī)界面、支持總線技術(shù)通信模塊、過濾減壓裝置、連接各設(shè)備的管線集成模塊等。

儀表箱體內(nèi)各部件采用模塊化設(shè)計(jì)，方便組裝及檢修。

3.1.2.3 儀表接口

儀表的對(duì)外接口選用航空插頭，壓空引入管接口1根？準(zhǔn)14 mm×2 mm，吹氣管接口2根（或3、4根）？準(zhǔn)14 mm×2 mm及外接壓力或壓差表接口？準(zhǔn)14 mm×2 mm，外接壓力或壓差表接口數(shù)量與吹氣管數(shù)量一致。

儀表對(duì)外管線接口的尺寸也可定制，保持統(tǒng)一即可。

3.2 模擬型一體化吹氣儀表設(shè)計(jì)方案

模擬型一體化吹氣儀表設(shè)計(jì)方案是在原吹氣裝置所有元器件整合的基礎(chǔ)上開展的，將吹氣裝置、差壓變送器和連接管線整體設(shè)計(jì)為一體，形成一個(gè)體積較小的整體化儀表［6］，以大幅縮小吹氣測(cè)量系統(tǒng)的外形尺寸。

將原吹氣裝置中的過濾減壓閥、穩(wěn)壓閥、流量計(jì)、小流量控制器重新進(jìn)行布置和設(shè)計(jì)，規(guī)劃設(shè)計(jì)氣路分配，并將其集成到一體化吹氣儀表中。模擬型一體化吹氣儀表將原吹氣測(cè)量系統(tǒng)中的電容式差壓變送器進(jìn)行拆裝分解，提取出壓差檢測(cè)元件、信號(hào)處理集成電路板，將模塊整合成一個(gè)精巧的傳感器模塊，組裝在箱體內(nèi)，與穩(wěn)流閥、浮子流量計(jì)組合成一體化吹氣儀表。

模擬型一體化吹氣儀表的結(jié)構(gòu)分為取壓和測(cè)量?jī)纱蟛糠郑喝翰糠值闹饕獧z測(cè)控制元器件包括吹氣流量顯示調(diào)節(jié)裝置、吹氣流量恒定裝置、取壓分配器、過濾減壓裝置、吹氣管等；測(cè)量部分的主要檢測(cè)控制元器件包括壓差檢測(cè)元件、集成線路板、顯示報(bào)警模塊、外接口等。

模擬型一體化吹氣儀表（三管+2個(gè)變送器）的原理框圖如圖2所示，吹氣管1～3的底部管口都是敞口的，一般都插入被測(cè)設(shè)備內(nèi)部，且插入深度不同（圖1）；儀用壓空氣源經(jīng)減壓閥（減壓穩(wěn)壓裝置）、流量控制器1～3（包括吹氣流量顯示調(diào)節(jié)裝置、吹氣流量恒定裝置），以相同且合適的流量同時(shí)分別向吹氣管1～3中吹入，保證浸入液相的吹氣管口冒出連續(xù)、均勻且不連成一串的氣泡，根據(jù)作用力與反作用力原理，吹氣管口冒出氣泡所克服的壓力等于該處所受壓力（液相壓力+氣相壓力，或單獨(dú)的氣相壓力），按照不同的被測(cè)參數(shù)（如液位、液位信號(hào)、密度等），通過取壓配置器分配差壓傳感器（電容式測(cè)量原理）1、2的引壓管線，進(jìn)行正確的壓差測(cè)量；通過重新設(shè)計(jì)的線路板模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和輸出，輸出信號(hào)為兩路常規(guī)4～20 mA（DC）信號(hào)；采用顯示報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)就地顯示和報(bào)警功能，并可輸出獨(dú)立的報(bào)警信號(hào)；利用外接口1～4，可對(duì)兩個(gè)壓差測(cè)量單元進(jìn)行校驗(yàn)，并可外接差壓變送器擴(kuò)展儀表測(cè)量功能。

依據(jù)圖2繪制模擬型一體化吹氣儀表的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示。

3.3 智能型一體化吹氣儀表設(shè)計(jì)方案

智能型一體化吹氣儀表設(shè)計(jì)方案是在原吹氣裝置吹氣法原理的基礎(chǔ)上，采用高性能的氣體質(zhì)量流量控制器（MFC）替代穩(wěn)流閥和浮子流量計(jì)，采用高性能的復(fù)合微硅壓力傳感器替代電容差壓傳感器的測(cè)控方式，研發(fā)的一體化吹氣儀表。其中，MFC采用熱導(dǎo)式原理測(cè)量氣體的質(zhì)量流量，不受氣源壓力波動(dòng)和溫度變化的影響；MFC自帶調(diào)節(jié)電磁閥，自測(cè)流量、電磁閥與控制器組成單回路PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可根據(jù)設(shè)定流量值與檢測(cè)流量值的偏差實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電磁閥開度，達(dá)到實(shí)際流量與設(shè)定流量保持一致的目的；MFC的流量測(cè)控精度不僅比原自力式穩(wěn)流閥+浮子流量計(jì)方式的精度提高很多，而且可以實(shí)現(xiàn)吹氣流量的遠(yuǎn)程監(jiān)視和設(shè)定。

隨著可控硅測(cè)壓技術(shù)的不斷優(yōu)化改進(jìn)，除了耐輻照性能外，復(fù)合微硅壓力儀表各方面的技術(shù)指標(biāo)已不輸于電容式壓力儀表。在智能型一體化吹氣儀表中應(yīng)用復(fù)合微硅壓力傳感器，一方面可以進(jìn)一步縮小儀表的體積，另一方面采用壓力傳感器代替差壓傳感器，取消了氣路分配單元，測(cè)量組合更便利，儀表內(nèi)部連接更簡(jiǎn)潔。

智能型一體化吹氣儀表的結(jié)構(gòu)同樣分為取壓和測(cè)量?jī)刹糠郑喝翰糠种饕獧z測(cè)控制元器件，包括氣體質(zhì)量流量控制器（MFC）、過濾減壓裝置、吹氣管等；測(cè)量部分主要檢測(cè)控制元器件，包括壓力傳感器模塊、集成線路板（CPU、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、通信模塊、電源模塊等）、顯示報(bào)警單元、外接口等。

智能型一體化吹氣儀表樣機(jī)（三管+3個(gè)傳感器）原理框圖如圖4所示，儀用壓空氣源經(jīng)由減壓閥（減壓穩(wěn)壓裝置）、氣體質(zhì)量流量控制器1～3，以相同的流量同時(shí)分別向吹氣管1～3中吹入；采用3臺(tái)壓力傳感器分別測(cè)量吹氣管1～3的管口壓力；通過放大器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊，將壓力測(cè)量信號(hào)送至中央控制器（CPU）；CPU根據(jù)檢測(cè)要求，對(duì)采集到的3個(gè)壓力進(jìn)行運(yùn)算和處理，輸出測(cè)量所需的液位、液位、密度等，信號(hào)類型包括4～20 mA（DC）信號(hào)、FF總線、開關(guān)量信號(hào)；采用顯示報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)就地顯示和報(bào)警功能；利用外接口1～3可對(duì)3個(gè)壓差測(cè)量單元進(jìn)行校驗(yàn)，并可外接壓力變送器擴(kuò)展儀表測(cè)量功能。

4 一體化吹氣儀表開發(fā)

4.1 一體化吹氣儀表總體開發(fā)方案

一體化吹氣儀表的開發(fā)分為模擬型一體化吹氣儀表和智能型一體化吹氣儀表兩種。

根據(jù)吹氣管數(shù)量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，模擬型一體化吹氣儀表分為二管型、三管型和四管型；智能型一體化吹氣儀表僅有三管型。

模擬型一體化吹氣儀表分類中，二管型含1臺(tái)壓差檢測(cè)元件，三管型含2臺(tái)壓差檢測(cè)元件，四管型含3臺(tái)壓差檢測(cè)元件；智能型一體化吹氣儀表內(nèi)含3臺(tái)壓力檢測(cè)元件。

4.2 模擬型一體化吹氣儀表開發(fā)方案

模擬型一體化吹氣儀表內(nèi)部的主要檢測(cè)控制元器件，如壓差檢測(cè)元件、集成線路板、顯示屏、吹氣流量顯示調(diào)節(jié)裝置、吹氣流量恒定裝置、過濾減壓裝置、連接各設(shè)備的管線集成模塊等，均采用在后處理廠中廣泛應(yīng)用且成熟可靠的產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上開展工業(yè)化設(shè)計(jì)開發(fā)，使其形成一個(gè)完整的可應(yīng)用于工廠環(huán)境的測(cè)量?jī)x表。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案開發(fā)的模擬型一體化吹氣儀表樣機(jī)（三管）外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5、6所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案研制成功的模擬型一體化吹氣儀表樣機(jī)（三管），外形尺寸為388 mm×250 mm×150 mm，重量14 kg。因?yàn)樾枰偷貙?duì)每根吹氣管的吹氣流量進(jìn)行設(shè)置，所以將測(cè)量部件與取壓部件設(shè)計(jì)為相互獨(dú)立。測(cè)量部件采用密封防護(hù)，不能隨意打開，防護(hù)等級(jí)IP66；取壓部件可現(xiàn)場(chǎng)開蓋進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)吹氣流量等操作，對(duì)防護(hù)等級(jí)不作要求。

模擬型一體化吹氣儀表樣機(jī)加工制造的實(shí)物照片如圖7所示。

4.3 智能型一體化吹氣儀表開發(fā)方案

儀表內(nèi)部的主要檢測(cè)控制元器件，如壓力檢測(cè)元件、集成線路板、顯示屏、氣體質(zhì)量流量控制器、過濾減壓裝置、連接各設(shè)備的管線集成模塊等，均采用在后處理廠中廣泛應(yīng)用且成熟可靠的產(chǎn)品。

智能型一體化吹氣儀表樣機(jī)（三管）外形結(jié)構(gòu)及內(nèi)部組成如圖8、9所示。

智能型一體化吹氣儀表樣機(jī)（三管）外形尺寸290 mm×215 mm×135 mm，重量8 kg。智能型一體化吹氣儀表無(wú)需就地設(shè)置吹氣流量，因此將取壓和測(cè)量?jī)刹糠趾蠟橐惑w，安裝在一個(gè)金屬箱體內(nèi)，整體防護(hù)等級(jí)IP66。該儀表相較于模擬型一體化吹氣儀表，體積和重量都有所減小。

智能型一體化吹氣儀表樣機(jī)加工制造的實(shí)物照片如圖10所示。

4.4 試驗(yàn)

一體化吹氣儀表樣機(jī)研制完成后，根據(jù)其應(yīng)用工況和運(yùn)行需求，設(shè)定了包括儀表測(cè)量精度、吹氣測(cè)量系統(tǒng)精度、響應(yīng)時(shí)間、電源電壓、防護(hù)等級(jí)、使用壽命等關(guān)鍵性能指標(biāo)和參數(shù)，開展針對(duì)性的試驗(yàn)及驗(yàn)證工作。選擇的測(cè)試項(xiàng)目還包含了更多儀表通用性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。項(xiàng)測(cè)試結(jié)果見表1。

一體化吹氣儀表樣機(jī)在完成出廠試驗(yàn)和第三方試驗(yàn)后，安裝在儀控專業(yè)和工藝專業(yè)的多個(gè)科研項(xiàng)目試驗(yàn)臺(tái)架中，進(jìn)行單體和系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行驗(yàn)證，解決了零點(diǎn)漂移、漏氣、顯示亂碼及死機(jī)等問題。整改后的一體化吹氣儀表樣機(jī)滿足科研項(xiàng)目的測(cè)量需求。

通過各項(xiàng)試驗(yàn)及驗(yàn)證，不斷對(duì)一體化吹氣儀表樣機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，使之滿足設(shè)計(jì)要求，符合形成儀表產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并取得相應(yīng)的證書，最終成為可以應(yīng)用并市售的儀表產(chǎn)品。

5 一體化吹氣儀表的創(chuàng)新點(diǎn)及先進(jìn)性

5.1 創(chuàng)新點(diǎn)

5.1.1 重量輕、體積小

模擬型一體化吹氣儀表將原吹氣測(cè)量系統(tǒng)的差壓變送器、吹氣裝置、三閥組、管路等融合成帶顯示和報(bào)警功能的儀表，一體化設(shè)計(jì)，重量輕，體積小，大幅節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)安裝空間，降低了安裝、調(diào)試、維修工作量和難度。智能型一體化吹氣儀表，整機(jī)更加小巧，總重僅8 kg。

傳統(tǒng)吹氣測(cè)量系統(tǒng)、模擬型一體化吹氣儀表、智能型一體化吹氣儀表對(duì)比如圖11所示。

5.1.2 流量控制部件模塊化設(shè)計(jì)

模擬型一體化吹氣儀表將浮子流量計(jì)和穩(wěn)流閥設(shè)計(jì)成模塊化形式，方便拆裝。

智能型一體化吹氣儀表采用氣體質(zhì)量流量控制器代替穩(wěn)流閥和浮子流量計(jì)，也實(shí)現(xiàn)了模塊化形式。

5.1.3 取壓分配器設(shè)計(jì)

模擬型一體化吹氣儀表內(nèi)的取壓分配器不僅可以實(shí)現(xiàn)工程需要的多種氣路分配，實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，且拆裝方便，而且可以在儀表內(nèi)部用壓差檢測(cè)模塊高、低壓腔的壓力，替代了與差壓變送器配套使用的三閥組。

5.1.4 智能儀表的信號(hào)設(shè)計(jì)

總線型智能儀表具有與外部系統(tǒng)雙向通信的手段，可用于發(fā)送測(cè)量、狀態(tài)信息，接收和處理外部命令［5］。智能型一體化吹氣儀表采用FF總線信號(hào)進(jìn)行通信，不僅可以向現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）輸出實(shí)時(shí)測(cè)量信息和儀表狀態(tài)信息，還可以接收來自于FCS的吹氣流量調(diào)節(jié)命令，實(shí)現(xiàn)吹氣管路吹氣流量的遠(yuǎn)程設(shè)定。

現(xiàn)場(chǎng)總線類型采用基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）主要是因?yàn)镕F是過程控制領(lǐng)域最具有代表性的總線類型，是全數(shù)字化、多點(diǎn)通信及開放性的全分布式自動(dòng)化系統(tǒng)，可以完成對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程各個(gè)參數(shù)的測(cè)量、信號(hào)變送、控制、顯示及計(jì)算等，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的檢測(cè)、調(diào)節(jié)和監(jiān)視［4］。

5.2 先進(jìn)性

一體化吹氣儀表與傳統(tǒng)吹氣測(cè)量系統(tǒng)相比具有以下先進(jìn)性：

a. 整機(jī)體積小，節(jié)約了安裝空間，降低了建筑成本；

b. 外形結(jié)構(gòu)整體化一，降低了布置設(shè)計(jì)的工作量；

c. 對(duì)外接口少，降低了安裝、檢修、維護(hù)的工作量；

d. 防護(hù)等級(jí)、精度等更高；

e. 儀表內(nèi)部模塊化設(shè)計(jì)，便于維修更換；

f. 智能型可輸出總線信號(hào)，更好地適應(yīng)市場(chǎng)需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

一體化吹氣儀表將原吹氣測(cè)量系統(tǒng)中較為龐大復(fù)雜各自獨(dú)立的吹氣裝置和差壓變送器及其連接管線整合成一體化結(jié)構(gòu)，封裝在一個(gè)箱子中，對(duì)外僅剩氣路和電纜接口，減少了安裝施工工作量和失誤率，降低了安裝和維護(hù)成本，同時(shí)有效節(jié)約了安裝空間，解決了大量吹氣測(cè)量系統(tǒng)布置困難的問題，降低了布置設(shè)計(jì)工作的難度與工作量，節(jié)約了人力成本。

模擬型一體化吹氣儀表已在后處理廠非安全級(jí)檢測(cè)中成功應(yīng)用，相信在不久的將來會(huì)在以后處理廠為代表的核化工工程及其他工程項(xiàng)目中得以廣泛應(yīng)用?；诳偩€信號(hào)輸出的智能型一體化吹氣儀表，目前只研制了科研樣機(jī)，尚不能應(yīng)用于工程，在信號(hào)處理等方面還有很多可以探索和拓展研究的空間。選擇總線智能型儀表，除了應(yīng)關(guān)注是否滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的測(cè)量準(zhǔn)確度、響應(yīng)時(shí)間、通信接口、使用壽命外，還要特別關(guān)注核工程所特有的輻照、地震、沖擊等環(huán)境適應(yīng)性要求。因此，智能型一體化吹氣儀表在應(yīng)用之前，必須進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估并補(bǔ)做相關(guān)試驗(yàn)（如耐輻照試驗(yàn)），以便驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的可用性。

目前，安全級(jí)一體化吹氣儀表還未進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究。下一步可以考慮在非安全級(jí)模擬型一體化吹氣儀表的基礎(chǔ)上，研制適用于安全級(jí)測(cè)點(diǎn)的安全級(jí)一體化吹氣儀表。為了提高后處理廠的控制水平并優(yōu)化廠房空間，將繼續(xù)開展智能型一體化吹氣儀表和安全級(jí)一體化吹氣儀表的研究。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 袁世頤.吹氣儀表在我國(guó)乏燃料后處理中試廠工程應(yīng)用技術(shù)的簡(jiǎn)要總結(jié)［C］//中國(guó)核學(xué)會(huì)核化工分會(huì)后處理專業(yè)委員會(huì)年會(huì)論文集.北京：中國(guó)核學(xué)會(huì)核化工分會(huì)后處理專業(yè)委員會(huì)，2011：10-14.

［2］ 張平發(fā).液位測(cè)量吹氣裝置的研究［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2003，30（1）：60-62.

［3］ 胡勇鋒.新一代吹氣法液位計(jì)及其應(yīng)用［J］.中國(guó)儀器儀表，2012（8）：69-72.

［4］ 張博，吳珂，陳朝東，等.FF H1現(xiàn)場(chǎng)總線通信研究［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2016，43（12）：1306-1309；1346.

［5］ 李玉榮，陳日罡，李昌磊，等.核電廠應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線型智能儀表的分析研究［J］.自動(dòng)化儀表，2021，42（S1）：282-285.

［6］ 劉宇，馮存強(qiáng)，李曉薇，等.新型吹氣儀表：ZL201921880763.4［P］.2020-06-09.

（收稿日期：2023-04-04，修回日期：2023-05-22）

Development and Application of Integrated Air Blowing Instrument

FENG Cun－qiang， LIU Yu， LI Xiao－wei， LI Hai－li， MA Jing

（China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.）

Abstract? ? Based on the traditional air blowing measurement system， the concept of integrated air blowing instrument was introduced. The design ideas and development scheme of the integrated air blowing instrument， which was first applied in nuclear reprocessing plants， were emphasized， including those of developing the intelligent integrated air blowing instrument. Practical application indicates that， the application of this integrated instrument can save installation space effectively， solve matters which bothering the instrument and pipeline layout， as well as reduce the installation and maintenance cost concerned significantly.

Key words? ?air blowing measuring system， nuclear reprocessing plant， integration， minimization， modularization， intelligentization