Струйный датчик расхода

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к струйным расходомерам газа и жидкости, может быть использована при дозировании топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя (ГТД).
.
Известен измеритель расхода газа с преобразованием колебания струи в электронный сигнал (см. патент РФ №2296953, кл. G01F 1/20, G01F15/18 от 11.04.2005 г.), содержащий корпус с входным и выходным штуцерами, внутри которого помещен генератор колебаний со струйными дискретными элементами, выполненный в виде стапелированных круглых пластин, которые соединены в одно целое винтами, и контейнер с пьезодатчиком, формирующим сигналы о фактическом расходе газа (жидкости), установленный на генераторе колебаний, причем управляющие полости пьезодатчика соединены с каналами обратной связи струйного генератора
Недостатком такого измерителя расхода является большой диапазон изменения амплитуд сигналов на выходе струйного генератора колебаний (диапазон изменения амплитуды сигнала на выходе струйного генератора пропорционален квадрату скорости в сопле питания струйного дискретного элемента, а следовательно пропорционален квадрату величины диапазона измеряемых расходов), что выдвигает требования высокой чувствительности пьезодатчика при измерении малых расходов и высокой надежности при больших расходах (при которых амплитуда пневматического сигнала со струйного генератора возрастает в десятки и даже в сотни раз), с этим связаны трудности обеспечения высокой надежности измерителя расхода.
Наиболее близким техническим решением является струйный датчик расхода (СДР), содержащий корпус, струйный переключатель с входной и выходной полостями, выходные окна которого сообщены каналами с управляющими полостями бароэлектрического преобразователя (БЭП), состоящего из пьезокерамического диска (см. авторское свидетельство СССР №1629757, кл. G01F1/48 от 06.02.1989 г.).
2
2
Недостатком данного устройства является большой диапазон изменения амплитуд сигналов на выходе струйного переключателя при изменении расхода измеряемой среды в большом диапазоне: от Qmin (от нижнего предела измерения расхода СДР) до Qmax (верхнего предела измерения расхода СДР), например, при диапазоне измеряемых расходов Qmax/Qmin = 40. При этом частота колебаний выходного сигнала струйного генератора так же изменяется в 40 раз от fmin, соответствующей Qmin до fmax, соответствующей Qmax, а перепад давлений на струйном генераторе изменяется от ΔPmin, соответствующем Qmin, до Pmax=Pmin* (Qmax/Qmin), что в рассматриваемом нами случае соответствует (ΔPmax/ΔPmin)=40=1600. Поэтому при измерении больших расходов (Q≈Qmax), когда амплитуды пневматических сигналов в выходных каналах струйного генератора возрастают в 1600 раз, возникают угрозы механического повреждения пьезодатчика. Установка дросселей на выходах из струйного генератора снижает на входе в БЭП амплитуду сигнала на высоких режимах, защищает БЭП от механического повреждения, но одновременно понижает амплитуду на низких режимах, ухудшает работу СДР, решает указанную проблему частично.
Техническим результатом, на достижение которого направлена  полезная модель, является расширение диапазона измерения расходов при обеспечении высокой надежности работы СДР.
Для достижения указанного технического результата в СДР, содержащем корпус, струйный переключатель с входной и выходной полостями, выходные окна которого через дроссели сообщены каналами с БЭП, имеющим пьезокерамический диск, величины объемов управляющих полостей БЭП, длины и проходные площади каналов, диаметры отверстий дросселей, количество поворотов каналов и углы поворота каналов, диаметр и толщина пьезокерамического диска выбраны так, чтобы собственные частоты fo колебаний систем передачи сигналов: канал - управляющая полость БЭП - пьезокерамический диск были бы одинаковы и равны      (1,0…2,0) частоты fmin нижнего предела диапазона измерения расхода (то есть fo = (1,0 … 2,0)*fmin).
Такое исполнение позволяет улучшить помехозащищенность СДР на низких режимах за счет увеличения амплитуды сигнала в управляющих полостях БЭП на расходах Q = (1,0 … 2,0)*Qmin (используется явление резонанса в системе съема сигнала на частотах f близких к fо = (1,0 … 2,0)*fmin). Это выполняется, когда объемы управляющих полостей БЭП, длины и проходные площади каналов, диаметры отверстий дросселей, количества поворотов каналов и углы поворота каналов, диаметр и толщина пьезокерамического диска выполнены так, что собственная частота fo колебаний систем передачи сигналов: канал - управляющая полость БЭП - пьезокерамический диск близка к (1,0…2,0)*fmin.
В то же время, выполнение системы передачи сигнала такой, что её собственная частота fo на порядок - на два порядка ниже частоты сигнала fmax на режимах с расходами близких к Qmax, существенно снижает амплитуду сигнала в управляющих полостях БЭП на расходах Q близких к Qmax, что повышает надежность СДР.
Предлагаемое устройство представлено на фиг.1. На фиг.2 представлена схема подсоединения дросселей.
Устройство содержит струйный переключатель 1, состоящий из набора струйных усилителей, расположенный в корпусе 2, снабженный входной 3 и выходной 4 полостями. Переключатель 1 и БЭП установлены на плите 5. БЭП состоит из одного или нескольких пьезокерамических дисков 6, управляющие полости 7, 8 БЭП сообщены каналами 9, 10, имеющими повороты 11 на угол, например, 90°, с выходными окнами 12, 13 струйного переключателя 1. Каналы 9, 10 снабжены дросселями 14, 15. В корпусе 2 размещен электронный блок 16 предварительного усиления выходного электрического сигнала. Вход блока 16 связан проводниками 18 с пьезокерамическим диском 6, а выход связан проводником 17 с регистрирующим или показывающим прибором (на фиг.1 не показано).
Пьезокерамических дисков 6 может быть несколько, они могут быть выполнены с мембранами (например, наклеены на мембрану) и между мембранами могут быть расположены дополнительные управляющие полости, так же соединенные с выходными окнами 12, 13 струйного  переключателя 1, причем пьезокерамические диски 6 соединены с электронным блоком 16 так, что бы суммировались выходные сигналы.
СДР работает следующим образом.
При прохождении измеряемой среды через СДР, на СДР образуется перепад давлений, в струйных переключателях формируются силовые потоки. При этом происходит периодическое переключение направления течения силового потока за счет отрицательных обратных связей. В выходных окнах 12, 13 поочередно возникают импульсы давления, частота f которых пропорциональна расходу Q измеряемой среды.
Импульсы давления, возникающие в выходных окнах 12, 13 струйного переключателя 1, через дроссели 14, 15, по каналам 9, 10 с поворотами 11 на  угол, например, 90°, передаются соответственно в управляющие полости 7, 8 БЭП, воздействуют на пьезокерамический диск 6, на его поверхностях возникают электрические заряды, которые формируют электрическое напряжение, которое усиливается и нормализуется в электронном блоке 16 и по проводнику 17 подается на вторичный прибор.
Дифференциальное уравнение для определения зависимости перепада   давлений в управляющих полостях 7, 8 БЭП от амплитуды пульсаций давления в выходных окнах 12, 13 струйного переключателя имеет вид:
2
2
dPп/dt + µ/(dк*p)*(16,5*dк/dж + 200 + 32*Lк/dк)/(Lж + Lк + Lп)*dPп/dt +
+Sк/(p*(Lж+Lк+Lп)*(2*A+V/Po))*Pп = Sк/(p*(Lж+Lк+Lп)*(2*A+V/Po))*Pвх
где:
2
2
dPп/dt - вторая производная по времени от давления в управляющих полостях БЭП;
µ - коэффициент динамической вязкости рабочей среды;
dк = 4*F/П - эквивалентный диаметр канала подвода сигнала к БЭП;
F - площадь канала;
П - периметр канала;
dж - диаметр жиклера в канале;
p - плотность рабочей среды;
Lж - эффективная длина жиклера;
Lк - длина канала;
Lп - эффективная длина поворота;
dPп/dt - первая производная по времени от давления в управляющих полостях БЭП;
2
6
3
A = Пи*(1-µп)*Rм /(16*E*Δм)- коэффициент учитывающий изменение объема управляющей полости БЭП при изменении перепада давлений в управляющей полости;
Пи = 3,14;
µп - коэффициент Пуассона материала мембраны;
Rм - радиус пьзокерамического диска БЭП;
E - модуль упругости Юнга материала мембраны;
Δм - толщина пьзокерамического диска БЭП;
V - объем управляющей полости БЭП;
Po - величина давления газа при нормальных условиях;
Рп - амплитуда изменения давления в управляющей полости;
Рвх - амплитуда изменения давления в выходных каналах струйного генератора (на входе в канал передачи сигнала к БЭП)
Sк - площадь каналов 9, 10 передачи сигнала.
Решая дифференциальное уравнение, получаем для собственной  частоты fo системы передачи сигнала:
2
2
6
3
(2*Пи*fo) = Sк/(p*(Lж + Lк + Lп)*(2*(Пи*(1 - µп)*Rм/(16*E*Δм)) + V/Po))
где:
fo - собственная частота колебаний системы передачи сигнала.
Для коэффициента η динамичности получаем:
2*η = µ/(dк*p)*(16,5*dк/dж + 200 + 32*Lк/dк)/(Lж + Lк + Lп)
Для амплитуд пульсаций давления Рп в управляющих полостях БЭП на установившихся режимах получаем:
/(
2
2
2
2
0,5
Рп/Рвх = 1(1-(f/fo))+(2*η*(f/fo))).
2
C учетом того, что амплитуда выходного сигнала струйного переключателя  пропорциональна перепаду давлений на генераторе, который в свою очередь  пропорционален квадрату расхода среды через переключатель и таким образом пропорциональна квадрату частоты колебаний выходного сигнала переключателя, то, например, взяв за масштаб режим с частотой fmin на нижней границе измерения расхода СДР, для выходного сигнала переключателя, согласно выше изложенному, получаем  Рвх/Рвхmin=(f/fmin) и для амплитуды сигнала, поступающего на управление БЭП имеем
2
2
2
2
2
0,5
/(
Рп = Рвхmin*(f/fmin)(1 - (f/fo))+ (2*η*(f/fo))) =
/(
2
2
2
2
2
2
2
0,5
= Рвхmin(1/(f/fmin) - (f/fo)/(f/fmin))+ (2*η*(f/fo)/(f/fmin))) =
/(
2
2
2
2
2
0,5
= Рвхmin((fmin/f) - (fmin/fo))+ (2*η*(fmin/fo))).
Из анализа представленной зависимости уровня сигнала Рп поступающего в управляющие полости БЭП Рп/Рвхmin = f(f, fmin, fo) следует, что оптимальным является БЭП у которого собственная частота fo лежит в диапазоне (fmin … 2*fmin), а так как:
- при fo ≈ fmin на частотах f > 5*fmin имеем низкий уровень сигнала (Рп/Рвхmin < 1), хотя на частотах f ≈ fmin (около нижнего предела измерения по расходу) имеем увеличение амплитуды сигнала поступающего на управление БЭП в несколько раз (≈1/(2*η));
- при fo > 2*fmin (при малых расходах измеряемой среды) на частотах
f ≈ fmin практически не имеем желаемого резонансного увеличения амплитуды сигнала.
2
Из приведенных уравнений видно, что fo - квадрат собственной частоты колебаний системы передачи сигнала пропорционален длине канала, эффективным длинам жиклера и поворота (эффективные длины жиклера и поворота учитывают инерционные свойства масс рабочей среды в жиклере и повороте, а также на входе и выходе в жиклер и поворот), пропорционален величине плотности рабочей среды, пропорционален величине объема управляющих полостей БЭП, а также пропорционален радиусу пьзокерамического диска БЭП в 6 степени и обратно пропорционален толщине пьзокерамического диска БЭП в 3 степени.
При малых расходах измеряемой среды через СДР, при частотах колебаний f в выходных окнах 12, 13 струйного переключателя 1, соответствующих fo = (1,0 … 2,0)*fmin, что обеспечено соответствующим подбором диаметров дросселей 14, 15, длины и проходной площади каналов 9, 10, поворотов 11 и углов поворотов каналов, объемов управляющих полостей 7, 8 БЭП, и диаметра и толщины пьезокерамического диска,    вследствие явления резонанса существенно улучшается работа устройства передачи сигнала (из-за увеличения амплитуд сигнала в управляющих полостях 7, 8 БЭП).
При больших расходах измеряемой среды (когда Q примерно равно Qmax), когда f частота колебаний выходного сигнала СДР может до 40 раз превышать собственную (резонансную) частоту fo систем передачи сигналов, соответствующим подбором диаметров дросселей 14, 15, длины и проходной площади каналов 9, 10, поворотов 11 и углов поворотов каналов, объемов управляющих полостей 7, 8 БЭП, и диаметра и толщины пьезокерамического диска, возможно установить fо = (1,0… 2,0)*fmin) и получить при этом снижение амплитуды сигнала в управляющих полостях 7, 8 БЭП до приемлемого уровня.
Cледует отметить, что введение дросселей 14 и 15 снижает амплитуду сигнала как на высоких, так и на низких режимах работы. Цель постановки этих дросселей 14 и 15 - снизить влияние отраженных от БЭП сигналов на работу струйного генератора, которые (отраженные сигналы) снижают линейность характеристики Q = q*f, и могут даже привести к срывам в работе СДР на частотах f близких собственным fo. Следовательно основная цель введения дросселей 14 и 15 - обеспечение работоспособности СДР, а не ослабление полезного сигнала.
Таким образом, выбор оптимальных геометрических параметров устройства съема сигнала СДР, позволяет до приемлемых значений скорректировать диапазон изменения амплитуд сигналов в управляющих полостях БЭП, обеспечив при этом:
- повышенные амплитуды сигналов на низких расходах, что позволяет расширить рабочий диапазон СДР (позволяет дополнительно снизить уровень нижнего предела измерения расхода), так же позволяет более качественно фиксировать сигналы от генератора на низких режимах;
- пониженные амплитуды сигналов (поступающих на БЭП) на высоких режимах (при больших расходах) повышает надежность БЭП (за счет предотвращения механических повреждений).