ДАТЧИК ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ

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, а также может быть использована в качестве самостоятельного изделия как сигнализатор потока жидкости или газа в магистральных трубопроводах и может использоваться в расходометрии в нефтяной, газовой промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве и т.п.
Известен датчик пульсаций давления 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.
Конструктивно наиболее близким по технической сущности к заявляемому является датчик пульсаций давления 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 датчикконструктивно выполнен раздельно, т.е. датчик имеет отдельно выполненные корпус, чувствительный элемент, сенсор, состоящий из диафрагмы (мембраны) 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, отдельно выполнен прижимной фланец, обеспечивающий прижим и уплотнение чувствительного элемента, отдельно выполнена система крепления и прижима пьезоэлемента. Такая конструкция имеет большую погрешность сборки, отражающаяся на правильном положении пьезоэлемента в пространстве, что ведет к дисбалансу дифференциального сигнала и, как следствие, к понижению виброустойчивости, а следовательно, и к понижению точности. Кроме того датчик собирается непосредственно на измерительном корпусе вихревого расходомера, что ограничивает его применяемость.
Задачей заявляемого технического решения является повышение точности измерений и расширение эксплуатационных возможностей. Поставленная задача решается тем, что в датчике пульсаций давлений, содержащем жесткий корпус, жесткий стержень-сенсор, мембрану и балансир, пьезоэлемент, выполненный в виде плоской пластины, имеющей три электрода - базовый на нижней поверхности пластины и два электрода на верхней ее
поверхности, симметричных относительно оси симметрии стержня-сенсора, и прижатый к мембране через систему диэлектрической и металлической втулок, причем электроды пьезоэлемента соединены с устройством обработки сигнала, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, корпус, чувствительный элемент, мембрана и балансир выполнены в виде единой цельной жесткой конструкции. Выполнение датчика пульсаций давлений в виде единой цельной жесткой конструкции позволяет исключить неточности сборки, ведущие к дисбалансу дифференциального сигнала и как следствие к понижению виброустойчивости, и следовательно, к понижению точности. Единая цельная конструкция датчика пульсаций давлений позволяет также использовать последний как самостоятельное изделие в качестве сигнализатора потока жидкости или газа в магистральных трубопроводах, что расширяет его эксплуатационные возможности.
В сравнении с прототипом заявляемый датчик обладает новизной, отличаясь от него выполнением корпуса, чувствительного элемента, мембраны и балансира в виде единой цельной жесткой конструкции, что обеспечивает достижение заданного результата.
Заявляемый датчик пульсаций давлений может широко использоваться в расходометрии в нефтяной, газовой промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве, потому соответствует критерию «промышленная применимость». Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где представлены на:
- фиг.1 - вид датчика в разрезе;
- фиг.2 - схема съема сигналов с пьезоэлемента;
Датчик содержит корпус 1, в котором размещены стержень-сенсор 2, мембрана 3, пьезоэлемент 4, балансир 5. На пьезоэлементе 4 в корпусе 1, прижатом к мембране 3 с помощью диэлектрической втулки 6, направляющей металлической втулки 7, расположены электроды 8. Пьезоэлемент 4 прижат к мембране 3 с помощью гайки 9. Электроды 8 соединены с устройством 10 обработки сигнала. Конструктивно датчик пульсаций давления выполнен следующим образом. Корпус 1, стержень-сенсор 2, мембрана 3 и балансир 5 выполнены как единая цельная жесткая конструкция. Корпус 1 имеет отверстия для крепления его на магистральных трубопроводах, либо на измерительной трубе вихревого расходомера. Пьезоэлемент 4 выполнен в виде плоской пластины, имеющей три электрода - базовый 8' на нижней поверхности пластины и два электрода 8″ и 8'
на верхней ее поверхности, симметричных относительно оси симметрии стержня-сенсора 2. Датчик пульсаций давления работает следующим образом.
1. При применении датчика в качестве сигнализатора потока в магистральных трубопроводах.
При протекании жидкой или газообразной среды по магистральной трубе, поток всегда имеет некоторую степень турбулентности, неоднородности поля давлений. Датчик пульсаций давлений устанавливается в магистральный трубопровод под углом примерно 45° к направлению потока.
Жесткий стержень-сенсор 2 непосредственно воспринимает колебания местного давления набегающего потока жидкости или газа и передает их на мембрану 3, которая, в свою очередь, передает усилие на пьезоэлемент 4 Выбор размеров, массы балансира 5, а также применение дифференциальной схемы устройства 10 обработки сигналов пьезоэлемента 4 позволяют скомпенсировать вибрации трубопровода. Силы инерции, вызванные вибрациями трубопровода, действуют и на жесткий стержень-сенсор 2 и на балансир 5 Пьезоэлемент 4 преобразует механическое усилие сжатия в электрический сигнал, изменяющийся с частотой флуктуации поля давления детектируемой среды. Сигнал снимается с электродов 8', 8″, 8″' пьезоэлемента 4 и передается на устройство 10 обработки сигнала.
2. При применении датчика 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.
Датчик пульсаций давления устанавливается за телом обтекания специальной формы в зоне наибольшего вихреобразования. Жесткий стержень-сенсор 2 непосредственно воспринимает колебания местного давления вихрей жидкости или газа и передает их на мембрану 3, которая, в свою очередь, передает усилие на пьезоэлемент 4 Выбор размеров, массы балансира 5, а также применение дифференциальной схемы устройства 10 обработки сигналов пьезоэлемента 4 позволяют скомпенсировать вибрации трубопровода. Силы инерции, вызванные вибрациями трубопровода, действуют и на жесткий стержень-сенсор 2 и на балансир 5 Пьезоэлемент 4 преобразует механическое усилие сжатия в электрический сигнал, изменяющийся с частотой образования вихрей, которая, в свою очередь, пропорциональна расходу среды. Сигнал снимается с электродов 8', 8″, 8″' пьезоэлемента 4 и передается на устройство 10 обработки сигнала.
В сравнении с прототипом заявляемый датчик пульсаций давления является более точным и имеет более широкие эксплуатационные возможности.