Датчик вихревого расходомера (варианты)

Авторы патента:

7 G01F1/32 -

Полезная модель относится к измерителям объема или массы жидкости или газа, работающим по принципу измерения частоты вихрей, образующихся в потоке измеряемой среды при обтекании тела специальной формы, которая прямо пропорциональна скорости движущейся среды и может использоваться в расходометрии в нефтяной, газовой промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве и т.п. Задачи:

- повышение точности измерений за счет компенсации изменений температур измеряемой среды (компенсация пироэффекта) - 1 вариант.

- повышение точности измерений малых расходов за счет увеличения амплитуды

полезного сигнала (увеличение соотношения полезного сигнала к шуму) - II вариант;

- Вариант 1: по последовательной схеме соединения слоев и определенно поляризованных.

- Вариант 2: по параллельной схеме соединения слоев и определенно поляризованных.

В первом варианте выполнение пьезоэлемента двухслойным, собранным по последовательной схеме соединений, позволяет исключить вредное влияние пироэлектрических эффектов. Температурные флюктуации могут вызвать генерирование пьезокерамическим элементом относительно высокие импульсы напряжений, которые могут быть определены устройством обработки сигнала как полезный сигнал. При некотором значении напряжения возможно также дезориентация доменов и деполяризация элемента. Это, в свою очередь, может оказать влияние на снижение точности измерения датчика и потенциально вывести из строя входные цепи усилителя. Последовательные двухслойные элементы не имеют проблем, связанных с температурными изменениями, т.к. пластины, имеющие противоположное направление поляризации, компенсируют пироэлектрический эффект. Это решение позволяет

применять датчик вихревого расходомера для измерения расхода высокотемпературных сред. Во втором варианте выполнение пьезоэлемента двухслойным, собранным по параллельной схеме соединения, позволяет получить сигнал с высокой амплитудой. При этом соотношение полезный сигнал/шум увеличивается. Это решение позволяет измерять малые расходы с высокой точностью. Результирующая сила, переданная от мембраны 6 к двухслойному пьезоэлементу 7, растягивает один пьезокерамический слой и сжимает другой. Это физическое воздействие создает электрическое напряжение в каждом слое. В параллельных двухслойных элементах электрические поля и напряжения, вызываемые растягивающей и сжимающей силой, имеют одинаковое направление. Сумма напряжения, генерируемого силой растяжения, и напряжения, генерируемого силой сжатия, отражают уровень воздействующей физической силы. Таким образом, последовательная схема соединения электродов позволяет повысить чувствительность пьезоэлемента, что повышает точность измерений.

Известен датчик вихревого расходомера, описанный в св. №16551 на полезную модель «Первичный преобразователь вихревого расходомера по кл. G 01 F 1/32, з. 07.09.04, оп. 10.01.01.

Известный датчик закреплен в трубопроводе посредством установочного фланца и содержит пьезоэлемент, выполненный разъемным из двух полых полуцилиндров, электрически изолированных друг от друга, связанный с ним чувствительный элемент из жесткого стержня и двух гибких мембран, и формирователь вихрей в виде размещенного симметрично относительно внутреннего диаметра трубы встречно потоку тела обтекания, состоящего из расположенных последовательно головного элемента, промежуточной и хвостовой секций различной ширины, причем пьезоэлемент расположен со стороны торца тела обтекания, в промежуточной секции которого выполнен сквозной паз для размещения в нем чувствительного элемента из отдельно выполненных расположенного в пазу жесткого стержня, переходящего за телом обтекания в трубку, и двух гибких мембран, закрывающих снаружи сквозной паз и жестко прикрепленных по их периметру к поверхности тела обтекания, а также скрепленных в их центральной части с жестким стержнем, при этом тело обтекания со стороны размещения пьезоэлемента неразъемно соединено торцом с установочным фланцем, а трубка с пьезоэлементом жестко закреплена внутри установочного фланца. Недостатком известного датчика является сложность конструкции и технологии изготовления, а также высокая виброчувствительность, снижающая точность измерений. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является датчик вихревого расходомера, описанный в п. США №6352000 по кл. G 01 F 1/32, з. 10.08.99. оп. 05.03.02.

Известный датчик вихревого расходомера содержит корпус с выступами, установленный в измерительной трубе, в котором размещены: тело обтекания, расположенное по ее диаметру и закрепленное в ней, чувствительный элемент, вставленный в отверстие в стенке измерительной трубы ниже плохообтекаемого тела и состоящий из диафрагмы с

двумя параллельными поверхностями, одна из которых соединена непосредственно с сенсором, выполненным в виде крыла (1 вариант) или рукава (2 вариант), соединенного в верхней части с балансиром; пьезоэлемент в виде плоской пластины, лежащей на диафрагме и имеющий три электрода: базовый на нижней поверхности пластины и два электрода на верхней ее поверхности, симметричных относительно оси симметрии сенсора; контактный корпус из керамики в виде кольца, прилегающего к пьезоэлементу и имеющего три контактные области, соединенные с помощью проводов с преобразователем.

Недостатком известного датчика является не очень высокая точность измерений, обусловленная тем, что при колебаниях температуры пьезокерамический элемент генерирует относительно высокие значения напряжения, что может привести к дезориентации доменов и деполяризации элемента, а это, в свою очередь, может оказать влияние на точность измерения датчика и вывести из строя входные цепи усилителя. Также известный датчик имеет не очень высокую точность измерений малых расходов. Задачей заявляемого технического решения является:

- в первом варианте повышение точности измерений за счет компенсации влияния температурных флуктуации;

- во втором варианте повышение точности измерения малых расходов за счет увеличения полезного сигнала.

Поставленная задача решается тем. что:

- в первом варианте в датчике вихревого расходомера, содержащем установленный в измерительной трубе корпус, в котором размещены тело обтекания, расположенное по диаметру корпуса и закрепленное в нем, чувствительный элемент, вставленный в отверстие в стенке корпуса за телом обтекания и включающий сенсор и мембрану, нижняя поверхность которой соединена непосредственно с сенсором, выполненным в виде жесткой пластины, соединенного в верхней части с балансиром, и пьезоэлементы в виде плоских пластин, прилегающих к верхней поверхности мембраны и имеющих три электрода - базовый на одной поверхности пластины и два электрода на противовоположной ее поверхности, симметричных относительно оси симметрии сенсора, связанных с устройством обработки сигнала, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ, пьезоэлемент выполнен двухслойным, собранным по последовательной схеме соединения слоев, причем базовые электроды расположены на прилегающих друг к другу поверхностях пластин, а электроды, симметричные относительно оси симметрии

сенсора, - на наружных поверхностях пластин, при этом электроды соединены непосредственно с устройством обработки;

- во втором варианте в датчике вихревого расходомера, содержащем установленный в измерительной трубе корпус, в котором размещены тело обтекания, расположенное по диаметру корпуса и закрепленное в нем, чувствительный элемент, вставленный в отверстие в стенке корпуса за телом обтекания и включающий сенсор и мембрану, нижняя поверхность которой соединена непосредственно с сенсором, выполненным в виде жесткой пластины, соединенного в верхней части с балансиром, и пьезоэлементы в виде плоских пластин, прилегающих к верхней поверхности мембраны и имеющих три электрода - базовый на одной поверхности пластины и два электрода на противовоположной ее поверхности, симметричных относительно оси симметрии сенсора, связанных с устройством обработки сигнала, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ, пьезоэлемент выполнен двухслойным, собранным по параллельной схеме соединения слоев, причем базовые электроды в каждом слое расположены на наружных поверхностях пластин, а электроды, симметричные относительно оси симметрии сенсора, - на прилегающих друг к другу поверхностях пластин, при этом электроды соединены непосредственно с устройством обработки сигнала.

Выполнение в первом варианте пьезоэлемента двухслойным, собранным по последовательной схеме соединений слоев, в совокупности с непосредственным подсоединением его электродов к устройству обработки сигнала позволяет исключить вредное влияние пироэлектрических эффектов. Температурные флюктуации могут вызвать генерирование пьезокерамическим элементом относительно высокие импульсы напряжений, которые могут быть определены устройством обработки сигнала как полезный сигнал. При некотором значении напряжения возможно также дезориентация доменов и деполяризация элемента. Это, в свою очередь, может оказать влияние на снижение точности измерения датчика и потенциально вывести из строя входные цепи усилителя. Последовательные двухслойные элементы не имеют проблем, связанных с температурными изменениями, т.к. пластины, имеющие противоположное направление поляризации, компенсируют пироэлектрический эффект.

Выполнение во втором варианте пьезоэлемента двухслойным, собранным по параллельной схеме соединения слоев, в совокупности с непосредственным подсоединением его электродов к устройству обработки сигнала позволяет получить сигнал с высокой амплитудой. При этом соотношение полезный сигнал/ шум увеличивается. Это решение позволяет измерять малые расходы с высокой точностью в тех средах, где нет температурных флуктуации.

В сравнении с прототипом заявляемый датчик обладает новизной, отличаясь от него в обоих вариантах непосредственным подсоединением электродов пьезоэлемента к устройству обработки сигнала и выполнением пьезоэлемента двухслойным, собранным в зависимости от решаемой задачи либо по последовательной схеме соединений (в первом варианте), либо по параллельной схеме соединений (во втором варианте), обеспечивающими достижение заданного результата.

Заявляемый датчик вихревого расходомера в обоих его вариантах может широко использоваться в расходометрии в нефтяной, газовой промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве, и потому соответствует критерию «промышленная применимость».

Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где представлены на:

- фиг.1 - вид датчика в разрезе;

- фиг.2 - вид двухслойного пьезоэлемента при последовательном соединении слоев;

- фиг.3 - вид двухслойного пьезоэлемента при параллельном соединении слоев;

Датчик вихревого расходомера содержит корпус 1, установленный в измерительной трубе (на чертеже не показана). В корпусе 1 жестко закреплено тело обтекания 2, расположенное по диаметру корпуса. В отверстие корпуса 1 за телом обтекания 2 вставлен чувствительный элемент 3, состоящий из жесткой пластина 4, балансира 5 и мембраны 6, к которой сверху прилегает пьезоэлемент 7 с электродами, который выполнен двухслойным, собранным в зависимости от решаемой задачи либо по последовательной схеме соединений (первый вариант), либо по параллельной схеме соединений слоев (второй вариант), сигнал с которых снимается на устройство 8 обработки сигнала непосредственно посредством прижима проводника. Конструктивно датчик вихревого расходомера выполнен следующим образом (фиг.1). Корпус 1 имеет выступы для подсоединения к трубопроводу потока жидкости и соединен с трубой (на чертеже не показана). В нем выполнено внутреннее отверстие круглого сечения, ось которого совпадает с осью трубопровода. Чувствительный элемент 3 установлен в корпусе 1 за телом обтекания 2 таким образом, что продольная ось тела обтекания 2 совпадает с продольной осью симметрии жесткой пластины 4, выполненной, в частности, клинообразной. Уплотнение чувствительного элемента 3 обеспечивается с помощью неметаллической прокладки 9 и металлического фланца 10. Тело обтекания 2 может представлять собой, например, призму треугольного сечения или иметь другую форму. Пьезоэлемент 7 выполнен, в частности, в виде двух колец.

В первом варианте выполнения (фиг.2) при последовательном соединении слоев пьезоэлемента 7 базовые электроды А на нем расположены на прилегающих друг к

другу поверхностях пластин, а электроды Б, симметричные относительно оси симметрии сенсора, - на наружных поверхностях пластин.

Во втором варианте (фиг.3) при параллельном соединении слоев на пьезоэлементе 7 базовые электроды А в каждом слое расположены на наружных поверхностях пластин, а электроды Б, симметричные относительно оси симметрии сенсора, - на прилегающих друг к другу поверхностях пластин.

Датчик вихревого расходомера работает следующим образом. При протекании жидкой или газообразной среды по измерительной трубе тело обтекания 2 создает вокруг себя завихрения потока, образующие колебания давления среды. Жесткая пластина 4 непосредственно воспринимает колебания местного давления в жидкости, паре или газе и передает на мембрану 6, которая, в свою очередь, передает усилие на пьезоэлемент 7. Выбор размеров, массы балансира 5, а также применение дифференциальной схемы 8 обработки сигналов пьезоэлемента 7 позволяют скомпенсировать вибрации трубопровода. Силы инерции, вызванные вибрациями трубопровода, действуют и на чувствительную часть жесткой пластины 4 и на балансир 5. Пьезоэлемент 7 преобразует механическое усилие сжатия в электрический сигнал, изменяющийся с частотой образования вихрей, которая, в свою очередь, пропорциональна расходу среды, и который далее снимается с электродов А и Б и поступает на устройство 8 обработки сигнала. Сигнал снимается непосредственно с электродов А и Б.

Последовательное соединение (вариант 1) электродов пьезоэлемента 7 позволяет исключить вредное влияние пироэлектрических эффектов. Выполнение пьезоэлемента двухслойным при непосредственном съеме сигнала с электродов повышает точность измерения за счет компенсации колебаний температуры измеряемой среды.

Параллельное соединение (вариант 2) электродов пьезоэлемента 7 позволяет повысить чувствительность пьезоэлемента. Это позволяет измерять малые расходы с большей точностью.

В сравнении с прототипом заявляемый датчик вихревого расходомера в обоих вариантах выполнения обеспечивает повышение точности измерения.

1. Датчик вихревого расходомера, содержащий установленный в измерительной трубе корпус, в котором размещены тело обтекания, расположенное по диаметру корпуса и закрепленное в нем, чувствительный элемент, вставленный в отверстие в стенке корпуса за телом обтекания и включающий сенсор и мембрану, нижняя поверхность которой соединена непосредственно с сенсором, выполненным в виде жесткой пластины, соединенного в верхней части с балансиром, и пьезоэлемент в виде плоской пластины, прилегающей к верхней поверхности мембраны, отличающийся тем, что пьезоэлемент выполнен двухслойным, собранным по последовательной схеме соединения слоев, причем базовые электроды расположены на прилегающих друг к другу поверхностях пластин, а электроды, симметричные относительно оси симметрии сенсора, - на наружных поверхностях пластин, при этом электроды соединены непосредственно с устройством обработки сигнала.

2. Датчик вихревого расходомера, содержащий установленный в измерительной трубе корпус, в котором размещены тело обтекания, расположенное по диаметру корпуса и закрепленное в нем, чувствительный элемент, вставленный в отверстие в стенке корпуса за телом обтекания и включающий сенсор и мембрану, нижняя поверхность которой соединена непосредственно с сенсором, выполненным в виде жесткой пластины, соединенного в верхней части с балансиром, и пьезоэлемент в виде плоской пластины, прилегающей к верхней поверхности мембраны, отличающийся тем, что пьезоэлемент выполнен двухслойным, собранным по параллельной схеме соединения слоев, причем базовые электроды в каждом слое расположены на наружных поверхностях пластин, а электроды, симметричные относительно оси симметрии сенсора - на прилегающих друг к другу поверхностях пластин, при этом электроды соединены непосредственно с устройством обработки сигнала.

Похожие патенты: