ДАТЧИК РАСХОДОМЕРА

Полезная модель относится к измерительной технике расходомеров, а именно к устройствам измерения расхода жидких и газообразных сред в напорных трубопроводах.
Известен расходомер для жидкостей и газов (SU 1645828 A1., G01F 1/20), содержащий корпус с крыловидным чувствительным элементом, установленным на поворотном валу, проходящем через его утолщенную часть, и преобразователь, причем поворотный вал размещен во внутренних расточках корпуса, а чувствительный элемент расположен вдоль горизонтальной оси корпуса и жестко связан в точке максимального удаления от поворотного вала с торцами двух коаксиально расположенных трубок, кроме того, внутренняя трубка соединена с преобразователем, а внешняя через сильфон - с внутренней поверхностью корпуса.
Недостатком данного расходомера при применении в различных трубопроводах является наличие весовых паразитных нагрузок, воздействующих на датчик силы и снижающих надежность и точность измерения.
Известен датчик расходомера (RU 2112216, G01F 1/28, 01.07.1997) в гильзе корпуса которого установлена мембрана с закрепленными на ней стержнем и тензопреобразователем. На конце стержня укреплен чувствительный элемент, воспринимающий силу лобового сопротивления потока и имеющий в поперечном сечении форму ромба. Тензопреобразователь выполнен в виде сапфировой пластины с кремниевыми элементами мостовой схемы.
Недостатком известного датчика расходомера является использование в качестве материала тензопреобразователя кремния, поскольку он обладает рядом недостатков. Главный недостаток - нелинейность характеристик, основанная на особенностях зонной структуры кремния. Специфичность зонной структуры кремния приводит к ухудшению таких метрологических характеристик, как точность, линейность сигнала, температурная и временная стабильность. Кроме того, кремний достаточно хрупок.
Известен расходомер для жидкостей в трубопроводах (патент РФ №2351900, G01F 1/00). Устройство содержит сенсорный элемент с датчиком электрических сигналов и электронный блок приема и обработки сигналов. Сенсорный элемент выполнен в виде упруго изгибаемой лопасти, один конец которой жестко укреплен на стенке трубопровода ортогонально его поверхности. На фронтальной и тыльной поверхностях лопасти закреплены тензодатчики, в частности, электрического сопротивления, сигналы от которых включены в мостовую схему измерения.
Недостатком известного расходомера является использование в качестве тензодатчиков фольговых тензорезисторов типа KFG-10-120, обладающих коэффициентом тензочувствительности K~2, что ограничивает точность измерений.
Задача полезной модели - расширение диапазона условий эксплуатации датчика расходомера и повышение точности измерения расхода.
Поставленная цель достигается тем, что в качестве тензодатчиков используются тензорезисторы на основе сульфида самария (SmS).
В основе преимуществ сульфида самария в приложении к использованию в качестве тензодатчиков лежит уникальная электронная зонная структура этого полупроводника, позволяющая совмещать стабильность работы металлических тензорезисторов и высокую чувствительность полупроводниковых.
Тензорезисторы на основе сульфида самария в сравнении с существующими аналогами имеют высокий линейный выходной сигнал, обусловленный большим коэффициентом тензочувствительности (K=30÷100), широкий диапазон выходных сопротивлений (от 0,2 до 20 кОм), широкий диапазон рабочих температур (от минус 70°C до плюс 200°C), что позволяет повысить точность измерений и расширить диапазон условий их эксплуатации.
Перечисленные преимущества позволяют тензорезисторам на основе сульфида самария создать альтернативу существующим металлическим и полупроводниковым тензорезисторам, объединив их достоинства и исключив недостатки.
Схема датчика представлена на фиг. 1. Чувствительный элемент датчика представляет собой треугольную лопасть 1 из упруго-гибкого материала на фронтальной и тыльной (по отношению к потоку) сторонах которой находятся тензорезисторы 2 (по два тензорезистора с каждой стороны лопасти), измеряющие статическую деформацию лопасти. Треугольная геометрия лопасти обеспечивает минимальное сопротивление потоку и минимальное количество мод собственных колебаний лопасти. Материал лопасти датчика выбирается в зависимости от типа протекаемой среды, а также динамики течения. Датчик устанавливается на трубопроводе 3 с помощью врезного патрубка, фланца или иным другим удобным способом.
На фиг. 2 представлена схема тензорезистора, где:
1 - лопасть;
4 - изолирующий слой;
5 - тензоэлемент;
6 - контактные площадки;
7 - защитное покрытие.
Тензорезисторы изготовляют следующим образом. На одну из сторон лопасти 1 сначала напыляется изолирующий слой 4 из моноокиси кремния (SiO). Хорошая адгезия позволяет осаждать диэлектрические пленки SiO на многие виды упругих материалов, а близкие показатели температурных коэффициентов линейного расширения SiO и SmS позволяют создавать тензодатчики без существенных температурных механических напряжений.
2
3
4
Далее методом взрывного испарения в вакууме через маски наносятся тензоэлементы 5 из сульфида самария. Затем методом резистивного испарения через маски напыляются металлические контактные площадки 6, которые обеспечивают съем сигнала с тензоэлемента. Поверх слоя моносульфида самария наносится еще один слой моноокиси кремния 7, который обеспечивает защиту тензорезистивного слоя от воздействия окружающей среды. При необходимости SiO может быть заменен на диоксид кремния (SiO) или нитрид кремния (SiN).
Аналогичным образом получают тензорезисторы с противоположной стороны лопасти.
Тензорезисторы включаются по схеме моста Уинстона, что приводит к повышению измеряемого напряжения и увеличивает чувствительность измерительной цепи. Температурное же изменение сопротивления тензорезисторов компенсируется.
Датчик функционирует следующим образом. При изменении скорости потока меняется гидродинамическое воздействие потока на измерительную лопасть. При этом изменяется интегральная величина деформации лопасти, а также деформация тензорезисторов, нанесенных на лопасть: у фронтальных тензорезисторов электрическое сопротивление увеличивается, а у тыльных - уменьшается и, следовательно, изменяется балансировка измерительного моста. Сигналы от измерительного моста поступают в электронную схему, где по заданному алгоритму вычисляется расход.
Таким образом, предлагаемый датчик расходомера приобрел большую точность измерения расхода протекающих сред и расширенный диапазон условий эксплуатации.