一體化吹氣儀表的研發與應用

馮存強　劉宇　李曉薇　李海麗　馬敬

摘 要 在傳統吹氣測量系統的基礎上引入一體化吹氣儀表概念，重點闡述在核燃料后處理廠率先應用的模擬型一體化吹氣儀表的設計思路和開發方案，簡要介紹智能型一體化吹氣儀表的設計思路和開發方案。實際應用表明：一體化吹氣儀表的應用，有效節約了安裝空間，解決了大量吹氣測量系統儀表及管線布置難題，而且顯著降低了吹氣測量系統的安裝和維護成本。

關鍵詞 吹氣測量系統 核燃料后處理廠 一體化 小型化 模塊化 智能化

中圖分類號 TH702? ?文獻標識碼 B? ?文章編號 1000－3932（2023）04－0477－10

吹氣測量儀表（以下簡稱吹氣儀表）是靜壓式（差壓式）液位計的一種，其測量原理是輸出壓力能夠自動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定，通過測量吹氣管間的壓差而得到液位、密度及界面等參數［1～3］。吹氣儀表是一種非接觸式測量儀表，它與被測介質接觸的僅是幾根不銹鋼吹氣管，無需直接維護和檢修［1］，因此可以廣泛應用于存在高溫、高真空、強腐蝕性、易結晶及放射性等惡劣工況下的液位等參數的測量［3］。

吹氣儀表是核燃料后處理廠（以下簡稱后處理廠）中最重要的非接觸式測量儀表，可實現強放射性區域（設備室）各種貯槽、溶解器、蒸發器、混合澄清槽、脈沖萃取柱（以下簡稱脈沖柱）等各類工藝設備的液位、液位信號、密度、界面、柱重、壓力、位置等參數的測量［1］。在以往，國內后處理廠及其他放廢等核化工工程中，運用了大量的吹氣儀表，實現關鍵工藝參數的檢測任務。

傳統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、調試及運行過程發現，存在管線連接復雜、安裝布置占用空間大、檢修維護工作量大等問題。隨著后處理廠的建設規模不斷擴大，吹氣儀表的應用數量大幅增加，存在的問題日益凸顯，亟待研制開發新型的、結構緊湊的、管路連接簡單的一體化吹氣儀表取代傳統的吹氣儀表，滿足后處理廠可靠穩定運行的需求。

1 吹氣測量儀表的發展

1.1 分散式吹氣測量系統

20世紀60年代，在我國核放化廠房中就開始采用吹氣法測量放射性料液的界面和密度，吹氣測量系統中采用的氣體過濾減壓閥、轉子流量計、恒流量閥（小流量控制器）均為獨立且分散的元器件，很難做到集中安裝，不利于管理和維護［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、金屬管轉子流量計及相應的接口和連接管線集中安裝布置在一個獨立的部件中。這類吹氣裝置是在后處理廠應用最為廣泛的吹氣儀表。

傳統的集成式吹氣裝置分為封閉式和開放式兩種。對于最常用的三管封閉式吹氣裝置，其尺寸為380 mm（長）×290 mm（寬）×180 mm（深）。吹氣裝置作為一個獨立元件，直接與差壓變送器（開關）、吹氣管路相連，構成完整的吹氣測量儀表。相較于分散式吹氣測量系統，集成式吹氣裝置提高了安裝、檢修和維護的便捷性。傳統吹氣儀表（集成式）測量原理如圖1所示。

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

a. 在結構上零部件多，安裝布置工作量大；

b. 變送器裝配在箱體外邊，整套系統外形所占空間大；

c. 廠房布置空間緊張，設計者需精心規劃才能給出合理布置方案；

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

e. 連接管路復雜，安裝技術要求高，不僅檢修維護量大，而且由于安裝時接錯管線導致的返工增加了安裝工作量。

基于后處理廠大規模吹氣裝置安裝調試工作中發現的問題，筆者積極探索和設計研發一種結構緊湊、占用空間小、管路連接簡單的新型一體化吹氣儀表，以取代傳統吹氣儀表。

隨著目前國內后處理廠建設規模的不斷擴大，單個工程吹氣儀表的應用數量已從近300臺增加至上千臺。為了更好地滿足后處理廠非接觸式測量的需求，解決傳統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，設計兩種一體化吹氣儀表的工作原理和總體結構方案，與科研外委廠家共同研制兩種一體化吹氣儀表樣機，并將模擬型一體化吹氣儀表成功應用于在建的后處理廠中。

2 一體化吹氣儀表設計思路

根據吹氣測量系統應用經驗反饋和后處理廠發展需求，優化設計的一體化吹氣儀表與傳統吹氣儀表相比，必須在結構小型化、模塊化、智能化、接口統一化方面具有明顯優勢。

結構小型化。小型化設計可以改善廠房布置情況，節約儀表安裝空間，避免傳統吹氣裝置、連接管線和壓差儀表布置占用空間較大，對吹氣儀表廊的凈空有嚴苛要求的缺點。

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元件、信號處理元件、流量恒定裝置（流量計+小流量控制器）、減壓穩壓閥及多管氣路分配器等全部實現模塊化，方便維護和更換。由于不同參數和工況下選用的吹氣儀表在部分功能部件方面有所不同，模塊化設計方便了測量系統的搭建，可輕松實現各種不同組合形式。

智能化。即吹氣測量系統具有數字化和自動化功能。擬建的大型核燃料后處理廠規模巨大，吹氣儀表的使用數量預計將達到3 000臺以上。現場總線技術已在大型石化項目中成功應用，這種“信息集中、控制分散”的技術正符合現代大型核燃料后處理廠的要求［4］。實現儀表的智能化是建立具有智能化功能測控系統的基礎，隨著現代化工廠對管控一體化要求的不斷提高，需要大量的現場實時數據。總線型智能儀表的應用，為之提供了設備的豐富狀態、診斷以及歷史統計數據，便于工廠實現狀態維修、性能優化、壽命評估及健康管理等管理功能，從而切實提高工廠的自動化、信息化和智能化水平［5］。

接口統一化。即吹氣儀表電氣接口和管路接口的標準化、統一化，以更好地適應工程應用。

3 設計方案

3.1 總體設計方案

3.1.1 儀表類型

根據應用環境及智能化要求，考慮按兩類一體化吹氣儀表進行研制：

a. 模擬型一體化吹氣儀表。選用在后處理廠廣泛應用且發展成熟的檢測控制元器件進行一體化樣機的研制；

b. 智能型一體化吹氣儀表。選用智能化檢測控制模塊和通信模塊完成數據采集與處理，并通過現場總線技術進行數據傳輸實現一體化樣機的研發。

3.1.2 總體結構方案

一體化吹氣儀表的總體結構方案，包括外形尺寸、殼體材質、內部結構、對外接口等。

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，在儀表正面設有顯示屏，可進行信號顯示和操作，一體化吹氣儀表的外形尺寸與吹氣管數量相關，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防護等級。

3.1.2.2 內部結構

模擬型一體化吹氣儀表內部的主要功能模塊包括：壓力（壓差）檢測元件、集成線路板、顯示屏、吹氣流量顯示調節裝置（每根吹氣管獨立顯示）、吹氣流量恒定裝置、過濾減壓裝置、連接各設備的管線集成模塊等。在保留功能的情況下，可對各部件進行改造組合，成為新的部件或模塊，達到小型化設計的目標。

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

儀表箱體內各部件采用模塊化設計，方便組裝及檢修。

3.1.2.3 儀表接口

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

儀表對外管線接口的尺寸也可定制，保持統一即可。

3.2 模擬型一體化吹氣儀表設計方案

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

將原吹氣裝置中的過濾減壓閥、穩壓閥、流量計、小流量控制器重新進行布置和設計，規劃設計氣路分配，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量系統中的電容式差壓變送器進行拆裝分解，提取出壓差檢測元件、信號處理集成電路板，將模塊整合成一個精巧的傳感器模塊，組裝在箱體內，與穩流閥、浮子流量計組合成一體化吹氣儀表。

模擬型一體化吹氣儀表的結構分為取壓和測量兩大部分：取壓部分的主要檢測控制元器件包括吹氣流量顯示調節裝置、吹氣流量恒定裝置、取壓分配器、過濾減壓裝置、吹氣管等；測量部分的主要檢測控制元器件包括壓差檢測元件、集成線路板、顯示報警模塊、外接口等。

模擬型一體化吹氣儀表（三管+2個變送器）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，一般都插入被測設備內部，且插入深度不同（圖1）；儀用壓空氣源經減壓閥（減壓穩壓裝置）、流量控制器1～3（包括吹氣流量顯示調節裝置、吹氣流量恒定裝置），以相同且合適的流量同時分別向吹氣管1～3中吹入，保證浸入液相的吹氣管口冒出連續、均勻且不連成一串的氣泡，根據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，或單獨的氣相壓力），按照不同的被測參數（如液位、液位信號、密度等），通過取壓配置器分配差壓傳感器（電容式測量原理）1、2的引壓管線，進行正確的壓差測量；通過重新設計的線路板模塊實現信號的轉換和輸出，輸出信號為兩路常規4～20 mA（DC）信號；采用顯示報警模塊實現就地顯示和報警功能，并可輸出獨立的報警信號；利用外接口1～4，可對兩個壓差測量單元進行校驗，并可外接差壓變送器擴展儀表測量功能。

依據圖2繪制模擬型一體化吹氣儀表的結構示意圖，如圖3所示。

3.3 智能型一體化吹氣儀表設計方案

智能型一體化吹氣儀表設計方案是在原吹氣裝置吹氣法原理的基礎上，采用高性能的氣體質量流量控制器（MFC）替代穩流閥和浮子流量計，采用高性能的復合微硅壓力傳感器替代電容差壓傳感器的測控方式，研發的一體化吹氣儀表。其中，MFC采用熱導式原理測量氣體的質量流量，不受氣源壓力波動和溫度變化的影響；MFC自帶調節電磁閥，自測流量、電磁閥與控制器組成單回路PID調節系統，可根據設定流量值與檢測流量值的偏差實時調節電磁閥開度，達到實際流量與設定流量保持一致的目的；MFC的流量測控精度不僅比原自力式穩流閥+浮子流量計方式的精度提高很多，而且可以實現吹氣流量的遠程監視和設定。

隨著可控硅測壓技術的不斷優化改進，除了耐輻照性能外，復合微硅壓力儀表各方面的技術指標已不輸于電容式壓力儀表。在智能型一體化吹氣儀表中應用復合微硅壓力傳感器，一方面可以進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，測量組合更便利，儀表內部連接更簡潔。

智能型一體化吹氣儀表的結構同樣分為取壓和測量兩部分：取壓部分主要檢測控制元器件，包括氣體質量流量控制器（MFC）、過濾減壓裝置、吹氣管等；測量部分主要檢測控制元器件，包括壓力傳感器模塊、集成線路板（CPU、放大器、A/D轉換器、通信模塊、電源模塊等）、顯示報警單元、外接口等。

智能型一體化吹氣儀表樣機（三管+3個傳感器）原理框圖如圖4所示，儀用壓空氣源經由減壓閥（減壓穩壓裝置）、氣體質量流量控制器1～3，以相同的流量同時分別向吹氣管1～3中吹入；采用3臺壓力傳感器分別測量吹氣管1～3的管口壓力；通過放大器模塊、A/D轉換模塊，將壓力測量信號送至中央控制器（CPU）；CPU根據檢測要求，對采集到的3個壓力進行運算和處理，輸出測量所需的液位、液位、密度等，信號類型包括4～20 mA（DC）信號、FF總線、開關量信號；采用顯示報警模塊實現就地顯示和報警功能；利用外接口1～3可對3個壓差測量單元進行校驗，并可外接壓力變送器擴展儀表測量功能。

4 一體化吹氣儀表開發

4.1 一體化吹氣儀表總體開發方案

一體化吹氣儀表的開發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。

根據吹氣管數量和內部結構，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臺壓差檢測元件，三管型含2臺壓差檢測元件，四管型含3臺壓差檢測元件；智能型一體化吹氣儀表內含3臺壓力檢測元件。

4.2 模擬型一體化吹氣儀表開發方案

模擬型一體化吹氣儀表內部的主要檢測控制元器件，如壓差檢測元件、集成線路板、顯示屏、吹氣流量顯示調節裝置、吹氣流量恒定裝置、過濾減壓裝置、連接各設備的管線集成模塊等，均采用在后處理廠中廣泛應用且成熟可靠的產品。在此基礎上開展工業化設計開發，使其形成一個完整的可應用于工廠環境的測量儀表。

根據設計方案開發的模擬型一體化吹氣儀表樣機（三管）外形及內部結構如圖5、6所示。

根據設計方案研制成功的模擬型一體化吹氣儀表樣機（三管），外形尺寸為388 mm×250 mm×150 mm，重量14 kg。因為需要就地對每根吹氣管的吹氣流量進行設置，所以將測量部件與取壓部件設計為相互獨立。測量部件采用密封防護，不能隨意打開，防護等級IP66；取壓部件可現場開蓋進行手動調節吹氣流量等操作，對防護等級不作要求。

模擬型一體化吹氣儀表樣機加工制造的實物照片如圖7所示。

4.3 智能型一體化吹氣儀表開發方案

儀表內部的主要檢測控制元器件，如壓力檢測元件、集成線路板、顯示屏、氣體質量流量控制器、過濾減壓裝置、連接各設備的管線集成模塊等，均采用在后處理廠中廣泛應用且成熟可靠的產品。

智能型一體化吹氣儀表樣機（三管）外形結構及內部組成如圖8、9所示。

智能型一體化吹氣儀表樣機（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需就地設置吹氣流量，因此將取壓和測量兩部分合為一體，安裝在一個金屬箱體內，整體防護等級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加工制造的實物照片如圖10所示。

4.4 試驗

一體化吹氣儀表樣機研制完成后，根據其應用工況和運行需求，設定了包括儀表測量精度、吹氣測量系統精度、響應時間、電源電壓、防護等級、使用壽命等關鍵性能指標和參數，開展針對性的試驗及驗證工作。選擇的測試項目還包含了更多儀表通用性能指標進行測試。項測試結果見表1。

一體化吹氣儀表樣機在完成出廠試驗和第三方試驗后，安裝在儀控專業和工藝專業的多個科研項目試驗臺架中，進行單體和系統聯動運行驗證，解決了零點漂移、漏氣、顯示亂碼及死機等問題。整改后的一體化吹氣儀表樣機滿足科研項目的測量需求。

通過各項試驗及驗證，不斷對一體化吹氣儀表樣機進行改進，使之滿足設計要求，符合形成儀表產品的相關標準，并取得相應的證書，最終成為可以應用并市售的儀表產品。

5 一體化吹氣儀表的創新點及先進性

5.1 創新點

5.1.1 重量輕、體積小

模擬型一體化吹氣儀表將原吹氣測量系統的差壓變送器、吹氣裝置、三閥組、管路等融合成帶顯示和報警功能的儀表，一體化設計，重量輕，體積小，大幅節省了現場安裝空間，降低了安裝、調試、維修工作量和難度。智能型一體化吹氣儀表，整機更加小巧，總重僅8 kg。

傳統吹氣測量系統、模擬型一體化吹氣儀表、智能型一體化吹氣儀表對比如圖11所示。

5.1.2 流量控制部件模塊化設計

模擬型一體化吹氣儀表將浮子流量計和穩流閥設計成模塊化形式，方便拆裝。

智能型一體化吹氣儀表采用氣體質量流量控制器代替穩流閥和浮子流量計，也實現了模塊化形式。

5.1.3 取壓分配器設計

模擬型一體化吹氣儀表內的取壓分配器不僅可以實現工程需要的多種氣路分配，實現了模塊化設計，且拆裝方便，而且可以在儀表內部用壓差檢測模塊高、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 智能儀表的信號設計

總線型智能儀表具有與外部系統雙向通信的手段，可用于發送測量、狀態信息，接收和處理外部命令［5］。智能型一體化吹氣儀表采用FF總線信號進行通信，不僅可以向現場總線控制系統（FCS）輸出實時測量信息和儀表狀態信息，還可以接收來自于FCS的吹氣流量調節命令，實現吹氣管路吹氣流量的遠程設定。

現場總線類型采用基金會現場總線（FF）主要是因為FF是過程控制領域最具有代表性的總線類型，是全數字化、多點通信及開放性的全分布式自動化系統，可以完成對工業生產過程各個參數的測量、信號變送、控制、顯示及計算等，實現對生產過程的檢測、調節和監視［4］。

5.2 先進性

一體化吹氣儀表與傳統吹氣測量系統相比具有以下先進性：

a. 整機體積小，節約了安裝空間，降低了建筑成本；

b. 外形結構整體化一，降低了布置設計的工作量；

c. 對外接口少，降低了安裝、檢修、維護的工作量；

d. 防護等級、精度等更高；

e. 儀表內部模塊化設計，便于維修更換；

f. 智能型可輸出總線信號，更好地適應市場需求。

6 結束語

一體化吹氣儀表將原吹氣測量系統中較為龐大復雜各自獨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構，封裝在一個箱子中，對外僅剩氣路和電纜接口，減少了安裝施工工作量和失誤率，降低了安裝和維護成本，同時有效節約了安裝空間，解決了大量吹氣測量系統布置困難的問題，降低了布置設計工作的難度與工作量，節約了人力成本。

模擬型一體化吹氣儀表已在后處理廠非安全級檢測中成功應用，相信在不久的將來會在以后處理廠為代表的核化工工程及其他工程項目中得以廣泛應用。基于總線信號輸出的智能型一體化吹氣儀表，目前只研制了科研樣機，尚不能應用于工程，在信號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，除了應關注是否滿足系統設計要求的測量準確度、響應時間、通信接口、使用壽命外，還要特別關注核工程所特有的輻照、地震、沖擊等環境適應性要求。因此，智能型一體化吹氣儀表在應用之前，必須進行環境適應性評估并補做相關試驗（如耐輻照試驗），以便驗證現場智能設備的可用性。

目前，安全級一體化吹氣儀表還未進行相關的設計、試驗研究。下一步可以考慮在非安全級模擬型一體化吹氣儀表的基礎上，研制適用于安全級測點的安全級一體化吹氣儀表。為了提高后處理廠的控制水平并優化廠房空間，將繼續開展智能型一體化吹氣儀表和安全級一體化吹氣儀表的研究。

參 考 文 獻

［1］ 袁世頤.吹氣儀表在我國乏燃料后處理中試廠工程應用技術的簡要總結［C］//中國核學會核化工分會后處理專業委員會年會論文集.北京：中國核學會核化工分會后處理專業委員會，2011：10-14.

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

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

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

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

［6］ 劉宇，馮存強，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