ДАТЧИК ИЗГИБАЮЩЕГО МОМЕНТА ДЛЯ ВИХРЕВЫХ РАСХОДОМЕРОВ
BENDING MOMENT SENSOR FOR VORTEX FLOWMETERS

Изобретение относится к вихревым расходомерам жидкости, газа или пара, в частности - к датчикам изгибающего момента, используемых и предназначенных для регистрации частоты вихрей, образующихся в потоке жидкости, газа или пара за телом обтекания.
Известен датчик вихревого расходомера  (RU 47097, МПК G01F1/32, опуб.10.08.2005), содержащий корпус, установленный в измерительной трубе. В корпусе  жестко закреплено тело обтекания, расположенное по диаметру корпуса. В отверстие в стенке корпуса за телом обтекания  вставлен чувствительный элемент, состоящий из жесткой пластины, балансира  и мембраны, которые выполнены единой деталью. К мембране прилегает пьезоэлемент, соединенный непосредственно с устройством обработки сигнала и выполненный в виде двух плоских пластин, собранных по двум вариантам:  по последовательной схеме соединения слоев и определенно поляризованных и по параллельной схеме соединения слоев и определенно поляризованных.
Такое техническое решение имеет недостатки. Во-первых, пьезоэлемент прилегает к мембране, являющейся частью корпуса датчика, то есть один из электродов пьезоэлемента электрически соединен непосредственно с корпусом. Отсутствие гальванической развязки электродов пьезоэлента от корпуса датчика приводит к объединению сигнального токового контура с токовым контуром внешней цепи, что существенно снижает помехозащищенность и, как следствие, чувствительность датчика, что особенно важно при измерении малых расходов. Во-вторых, наличие тонкостенной мембраны в корпусе датчика ограничивает диапазон рабочих давлений, при которых измеряются расходы жидкостных или газовых потоков.
Известен также датчик вихревого расходомера (RU 26645, МПК G01F1/32, опуб.10.12.2002), содержащий, цилиндрический корпус с осевым глухим отверстием со стороны его торца, расположенного вне измерительного участка трубопровода, и с плоским чувствительным элементом со стороны торца, расположенного в измерительном участке трубопровода, два встречно включенных пьезоэлектрических элемента, размещенных в осевом глухом отверстии, на участке внешней поверхности цилиндрического корпуса между посадочным узлом и плоским чувствительным элементом выполнена кольцевая проточка, пьезоэлектрические элементы расположены напротив кольцевой проточки с обеспечением механического и электрического контакта с соответствующими участками поверхности осевого глухого отверстия, при этом вывод первого пьезоэлектрического элемента является первым выходом измерителя перепада давления, выход второго пьезоэлектрического элемента - вторым выходом измерителя перепада давления.
Основным недостатком данного технического решения также является «наличие электрического контакта с участками поверхности осевого глухого отверстия». То есть в этом техническом решении отсутствует гальваническая развязка токового контура сигнальной цепи с внешним токовым контуром, что снижает помехозащищенность и чувствительность датчика и приводит к ограничению динамического диапазона измеряемых расходов жидкости и газа.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является датчик изгибающего момента для высокотемпературных вихревых расходомеров (RU 2608331, МПК G01F1/32, опуб. 17.01.2017), содержащий наружную пластину, прикрепленную к торцу цилиндрического корпуса, воспринимающую переменный изгибающий момент силы давления со стороны вихрей и вызывающую переменные деформации корпуса, и пьезоэлектрический элемент в виде полого цилиндра из пьезоэлектрической керамики, поляризованной в радиальном направлении, установленный в полости корпуса и жестко связанный с ним, причем наружная цилиндрическая поверхность пьезоэлемента покрыта сплошным электродом, а на внутренней поверхности электрод разрезан на две части вдоль образующей по плоскости, совпадающей с плоскостью наружной пластины, благодаря чему между внутренними электродами возникает переменный электрический сигнал с частотой вихреобразования, пропорциональной скорости потока, снимаемый посредством кабеля, сигнальные проводники которого соединены с внутренними электродами пьезоэлемента, во внутреннюю полость пьезоэлемента введены контактные элементы в виде двух цилиндрически изогнутых металлических пластинок, предварительно сваренных с проводниками кабеля, отделенных друг от друга пластинкой изолятора, прижимаемых к внутренним электродам пьезоэлемента силами упругости, обеспечивающими электрический контакт электродов пьезоэлемента с линией связи.
Данное техническое решение также имеет недостатки, обусловленные тем, что один из электродов пьезоэлектрического элемента электрически соединен с корпусом датчика, то есть отсутствует гальваническая развязка между корпусом и всеми электродами пьезоэлектрического элемента, что ограничивает возможности частотной фильтрации и снижает отношение сигнал/шум, а, следовательно, и чувствительность датчика, что приводит к ограничению динамического диапазона измеряемых расходов.
Техническая проблема заключается в разработке чувствительного датчика изгибающего момента для вихревых расходомеров, способного работать при высоких температурах и давлениях измеряемой среды протекающих потоков жидкости и газа.
Технический результат заключается в повышении чувствительности датчика за счет оптимального соотношения геометрических параметров и взаимного расположения пьезоэлементов; а также в снижении уровня минимальных измеряемых скоростей и, как следствие, в снижении уровня минимальных измеряемых расходов за счет обеспечения гальванической развязки всех электродов пьезоэлектрического элемента от корпуса датчика в условиях повышенного давления и высоких температур рабочей среды.
Технический результат заявляемого решения достигается тем, что в датчике изгибающего момента для вихревых расходомеров жидкости или газа, содержащем полый цилиндрический металлический корпус, оканчивающийся с одной стороны клиновидным крылом, а с другой стороны герметичным вводом с коаксиальным кабелем, имеющим экранный и центральный проводники, соединенные с пьезоэлектрическим узлом, расположенным внутри корпуса, согласно изобретению, пьезоэлектрический узел представляет собой две разнесенные в пространстве параллельные металлизированные по плоскостям пьезоэлектрические пластины, поляризованные по толщине и расположенные симметрично относительно плоскости симметрии, делящей пополам клин клиновидного крыла, пьезоэлектрические пластины жестко зафиксированы между собой со стороны торцов узких граней с помощью кольцевого и Н-образного фиксаторов, закрепленных внутри корпуса, при этом торцы узких граней пластин, обращенных в сторону клиновидного крыла, закреплены Н-образным фиксатором, а торцы узких граней пластин, обращенных в сторону коаксиального кабеля, закреплены кольцевым фиксатором, причём толщина перемычки Н-образного фиксатора равна расстоянию между пьезоэлектрическими пластинами, внешний диаметр кольцевого фиксатора совпадает с внутренним диаметром полой цилиндрической части металлического корпуса, а кольцо кольцевого фиксатора с одной из боковых сторон имеет выступы, толщина которых равна расстоянию между пьезоэлектрическими пластинами, к металлизированным поверхностям каждой из пластин присоединены проводники коаксиального кабеля, причем сумма длин пластин и толщины кольца совпадает с глубиной цилиндрической полой части металлического корпуса, а расстояние между внешними металлизированными поверхностями пластин, ширину пластин, зазор  между внутренней поверхностью металлического корпуса датчика и краем внешней металлизированной поверхности пьезоэлектрической пластины выбирают из условий:
где:
D - расстояние между внешними металлизированными поверхностями пластин;
В – ширина пластин;
Δ - зазор между внутренней поверхностью металлического корпуса датчика и краем внешней металлизированной поверхности пьезоэлектрической пластины;
С - толщина области соединения проводников кабеля с металлизированными поверхностями пластин;
h – толщина пластин;
R – внутренний радиус полой цилиндрической части металлического корпуса;
пр.
U – задаваемое минимальное напряжение, при котором еще не наступает электрический пробой между корпусом и металлизированными поверхностями пьезоэлектрического узла;
пр.
E – табличное значение электрического поля, при котором наступает пробой в данном пьезоэлектрике, измеряемое в кВ/мм.
К металлизированным поверхностям пьезоэлектрических пластин со стороны кольцевого фиксатора может быть присоединён либо экранный проводник коаксиального кабеля, либо центральный. Тогда в первом случае к металлизированным поверхностям пластин, обращенным к корпусу, будет присоединён центральный проводник.
А во втором случае к металлизированным поверхностям пластин, обращенным к металлическому корпусу, будет присоединён экранный проводник.
Экранный проводник коаксиального кабеля может быть дополнительно соединён с корпусом.
Пьезоэлектрические пластины могут иметь противоположно направленные или одинаково направленные векторы поляризации.
Изобретение поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 показана конструкция заявляемого изобретения;
- на фиг. 2 – конструкции Н-образного (слева) и кольцевого (справа) фиксаторов, вид сверху (перпендикулярно оси симметрии датчика);
- на фиг. 3 – конструкции Н-образного (слева) и кольцевого (справа) фиксаторов, вид вдоль оси симметрии датчика, а также места (области) соединения проводников коаксиального кабеля с металлизированными поверхностями пьезопластин.
На чертежах позициями обозначено:
1 – металлический корпус,
2 – клиновидное крыло,
3 – измерительная труба,
4 – кабельный ввод,
5 – коаксиальный кабель, имеющий экранный и центральный проводники,
6 – пьезоэлектрический узел,
7 – пьезоэлементы (пьезоэлектрические пластины),
8 – кольцевой фиксатор,
9 – Н-образный фиксатор,
10 – выступы кольцевого фиксатора,
11 – место соединения (область) проводников кабеля 5 с металлизированными поверхностями пьезоэлектрических пластин 7.
Датчик изгибающего момента для вихревых расходомеров жидкости или газа содержит полый цилиндрический металлический корпус 1, оканчивающийся с одной стороны клиновидным крылом 2, выходящим в измерительную трубу 3, а с другой стороны – герметичным кабельным вводом 4 с коаксиальным кабелем 5, имеющим экранный и центральный проводники, соединенными с чувствительным пьезоэлектрическим узлом 6, жестко закрепленным во внутренней полой цилиндрической части металлического корпуса 1. Чувствительный пьезоэлектрический узел 6 представляет собой две параллельные металлизированные по плоскостям пьезоэлектрические пластины 7 длиной A, шириной B и толщиной h (см. фиг. 1),  поляризованные по толщине с противоположно или одинаково направленными векторами поляризации и расположенные симметрично относительно плоскости симметрии, делящей пополам клин клиновидного крыла 2.
Пластины 7 жестко зафиксированы между собой со стороны торцов узких граней с помощью кольцевого 8 и Н-образного 9 фиксаторов, имеющих толщину k вдоль оси датчика, которые, в свою очередь, жестко зафиксированы внутри полой цилиндрической части металлического корпуса 1 и обеспечивают осесимметричное расположение пьезоэлектрических пластин 7. Торцы узких граней пластин, закрепленные Н-образным фиксатором 9, обращены в сторону клиновидного крыла 2, высота p перемычки Н-образного фиксатора 9 в направлении, перпендикулярном плоскостям пластин 7, равна расстоянию между пьезоэлектрическими пластинами 7, а торцы узких граней пластин 7, закрепленные кольцевым фиксатором 8, обращены в сторону герметичного кабельного ввода 4.
Внешний диаметр кольцевого фиксатора 8 совпадает с внутренним диаметром 2R полой цилиндрической части металлического корпуса 1 (см. фиг. 2 и 3), а кольцо кольцевого фиксатора 8 с одной из боковых сторон имеет выступы 10 длиной, равной толщине кольца k, высота которых  в направлении, перпендикулярном плоскостям пластин 7, равна высоте p перемычки Н-образного фиксатора 9 и равна расстоянию между пьезопластинами 7.
Со стороны кольцевого фиксатора 8 металлизированные поверхности каждой из пластин 7 электрически соединены либо с экранным, либо с центральным проводником коаксиального кабеля 5.
Коаксиальный кабель 5 проходит к кабельному вводу 4 внутри кольца кольцевого фиксатора 8, а толщина области соединения 11 проводников кабеля 5 с металлизированными поверхностями пластин 7 равна С, причем сумма длины пьезопластин A и толщины кольца k совпадает с глубиной Z цилиндрической полой части металлического корпуса 1.
При этом, в одном из вариантов соединения экранный проводник коаксиального кабеля 5 соединен с металлизированными поверхностями пластин 7, прилегающими к выступам 10 кольцевого фиксатора 8, а центральный проводник коаксиального кабеля 5 соединен с внешними металлизированными поверхностями пластин 7, обращенными к металлическому корпусу 1.
В другом варианте соединения центральный проводник коаксиального кабеля 5 соединен с металлизированными поверхностями пластин 7, прилегающими к выступам 10 кольцевого фиксатора 8, а экранный проводник соединен с внешними металлизированными поверхностями пластин 7, обращенными к металлическому корпусу 1.
Экранный проводник может быть дополнительно соединен с металлическим корпусом 1.
Устройство работает следующим образом.
Датчик устанавливается в измерительной трубе 3 за телом обтекания по ходу жидкостного или газового потока так, что плоскость симметрии, делящая пополам клин клиновидного крыла 2, оказывается параллельной оси измерительной трубы 3. Периодическая последовательность вихрей, возникающих в измерительной трубе 3 за телом обтекания, вызывает поочередно давление на каждую из плоскостей клиновидного крыла 2 датчика изгибающего момента с частотой, равной обратному значению периода колебаний крыла и пропорциональной скорости движения измеряемого жидкостного или газового потока. Колебания крыла 2 вызывают изгибные деформации корпуса 1 датчика и, как следствие – изгибные деформации поляризованных навстречу друг другу пьезопластин 7 биморфного чувствительного узла датчика. Изгибные деформации пьезопластин 7, вследствие пьезоэффекта, индуцируют появление электрических зарядов на металлизированных поверхностях пьезопластин, металлизированные поверхности каждой из которых электрически соединены с проводниками коаксиального кабеля 5.
Следует отметить, что направление поляризации пьезопластин 7 выбирается исходя из алгоритма обработки сигналов, снимаемых с датчика. В случае применения иного алгоритма обработки данных поляризация пьезопластин может быть выбрана сонаправленной.
Электрическое напряжение, снимаемое с выхода датчика, определяется отношением индуцированного заряда к суммарной ёмкости пьезоэлектрического чувствительного узла 6 и выводного кабеля 5.
Оптимизация соотношения геометрических размеров и взаимного расположения пьезоэлектрических пластин 7 в чувствительном элементе 6 датчика обеспечивает достижение максимальной чувствительности. Параметром оптимизации была выбрана величина заряда q на металлизированных поверхностях пьезопластин 7, появление которого обусловлено деформацией пьезоэлектрика при приложении к свободному концу крыла 2 датчика силы F заданной величины. В таком случае просто определяется чувствительность S датчика, как отношение индуцированного заряда  q  к силе F.
Параметр оптимизации q измерялся каждый раз при исследовании очередной серии датчиков, в которой была изменена конфигурация расположения и соотношение размеров пьезоэлементов.
Было выявлено существование двух функций, характеризующих зависимость индуцированного заряда q от геометрических параметров чувствительного пьезоэлемента.  Одна из этих функций описывает возрастание q при увеличении расстояния p между пьезопластинами вследствие увеличения степени деформации двух параллельных пьезопластин, объединенных в единый блок,  при прочих равных условиях, в частности, при одинаковой силе F воздействия на крыло датчика.  Вторая функция описывает уменьшение индуцированного заряда q при увеличении расстояния p между пластинами вследствие необходимого уменьшения ширины пьезопластины B из-за цилиндрической формы корпуса. Произведение этих двух функций дает новую функцию с максимумом индуцированного заряда q, определяющим оптимальное расстояние p между пластинами, которое, в свою очередь, позволяет найти оптимальные значения расстояний D между внешними металлизированными поверхностями пьезопластин из формулы:
2(h+С) ≤ D ≤ R
где: С - толщина области соединения проводников кабеля с металлизированными поверхностями пластин;
h – толщина пластин;
При этом ширина пластин В находится из соотношения
где R – внутренний радиус полой цилиндрической части металлического корпуса;
Δ - зазор между внутренней поверхностью металлического корпуса датчика и краем внешней металлизированной поверхности пьезоэлектрической пластины,
пр
пр
Δ = (U / E ),
пр
U – задаваемое минимальное напряжение, при котором еще не наступает электрический пробой между корпусом и металлизированными поверхностями пьезоэлектрического узла,
пр
E – табличное значение электрического поля, при котором наступает пробой в данном пьезоэлектрике, измеряемое в кВ/мм.
Гальваническая развязка, осуществляемая заявляемым техническим решением, обеспечивает формирование независимого токового контура в сигнальной цепи от других цепей при измерениях. При этом обеспечивается защита от внешних помех и дополнительно повышается чувствительность и, как следствие, точность измерений, позволяющая измерять более низкие уровни скоростей и, соответственно минимальных расходов протекающих жидкости, или газа.
пр
Гальваническая развязка осуществляется пространственным разделением токоведущих частей чувствительного пьезоэлектрического узла от корпуса датчика. При этом минимальный зазор между наиболее близко расположенными проводниками и металлическим корпусом выбирается на основе задаваемого минимального пробойного напряжения и табличного значения пробойного электрического поля в материале, окружающим чувствительный пьезоэлектрический элемент (например, в сухом воздухе при нормальном давлении табличное значение пробойного электрического поля составляет E = 2 кВ/мм).
Пример конкретного исполнения датчика изгибающего момента.
пр
Корпус датчика, изготовленный из титана, имеет клиновидное крыло длиной 16 мм. Полый цилиндрический  канал корпуса датчика имеет глубину, равную сумме длины пьезокерамических пластин и толщины кольцевого фиксатора. Заданное минимальное напряжение пробоя составляет U =500 вольт. Табличное значение пробойного электрического поля для сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении составляет E = 2 кВ/мм.
пр
пр
опт
Расчетное значение зазора Δ  между металлическим корпусом датчика и металлизированными поверхностями пьезопластин должно составлять Δ = (U / E ) = 0.25 мм. При диаметре полого цилиндрического канала корпуса датчика 5 мм, толщине пьезопластин h=0.5 мм и толщине соединения проводников кабеля с металлизированной поверхностью пьезопластины С=0.5мм, минимальное расстояние между наружными металлизированными поверхностями пьезопластин окажется равным 2 мм, а максимальное 2.5 мм. В этом случае оптимальное значение ширины пьезопластин будет равно среднему значению между минимальным (3.74мм) и максимальным (4 мм). В = 3.87мм.
В таблице 1 приведено сопоставление экспериментальных данных средней чувствительности серии из 10 датчиков: заявляемого и прототипа
Таблица 1
Испытуемый датчик
Чувствительность, нк/Н
Заявляемое устройство
120
Прототип
78
Из таблицы 1 видно, что измеренная средняя чувствительность заявляемого устройства оказалась в 1.5 выше средней чувствительности датчика – прототипа.
В таблице 2 приведены экспериментальные данные измерений минимальных скоростей потока (которые, в свою очередь определяют минимально возможные измеряемые расходы) воды в трубопроводе Ду80 при температуре 250°С и давлении 25 МПа,
Таблица 2
Испытуемый прибор:(Труба Ду80; Температура 250°С;Давление 25 МПа; среда - Вода)
Параметр:Минимальная измеряемая скорость, м/с
Заявляемое устройство
0.15
Прототип
0.2
Из таблицы 2 следует, что среднее значение минимальной измеряемой скорости потока воды в трубопроводе Ду80 при температуре 250°С и давлении 25 МПа для серий из 10 датчиков для заявляемого устройства оказалось в 1.33 раза ниже такого измеренного значения для датчика – прототипа.