Чувствительный элемент вихревого расходомера
SENSITIVE ELEMENT OF VORTEX FLOW METER

Заявляемое техническое решение относится к средствам измерения расхода и количества текучих сред, а именно - к вихревым расходомерам с плохообтекаемым телом, содержащим чувствительный элемент в виде выступающей в поток лопатки (крыла) с развитой поверхностью, перемещающейся под воздействием вихрей, срывающихся с плохообтекаемого тела.
Известен чувствительный элемент вихревого расходомера (Патент США №6003384, МПК G01f 1/32, НКИ 73/861.22, опубл. 21 12.1999) [1], содержащий лопатку, расположенную вдоль потока и закрепленную в центре круглой упругой мембраны перпендикулярно ее плоскости, рычаг-противовес в виде гильзы, прикрепленный к другой стороне мембраны соосно с лопаткой, составляющий с ней одно целое и имеющий одинаковый с лопаткой геометрический момент инерции, и емкостной детектор перемещений рычага. Под воздействием переменного скоростного напора, создаваемого образующимися за телом обтекания вихрями, лопатка и связанный с ней рычаг совершают колебательное движение. Перемещение рычага преобразовывается с помощью детектора в переменный (близкий к синусоидальному) электрический сигнал, частота которого пропорциональна скорости потока (объемному расходу). Поскольку моменты инерции лопатки и рычага одинаковы, вибрации не влияют на работу чувствительного элемента.
Недостаток вышеописанного чувствительного элемента состоит в том, что с его помощью возможно измерение расхода только жидких сред, плотность и вязкость которых слабо зависит от давления и температуры. При измерении расхода жидкости, вязкость которых сильно зависит от температуры, в состав расходомера вводят датчик температуры, позволяющий учитывать изменения вязкости, а при измерении расхода газообразных сред (вязкость и плотность которых сильно зависят от температуры и давления) в состав расходомера дополнительно включают датчик давления. Чувствительный элемент, датчики давления и температуры подключают к измерительно-вычислительному блоку, с помощью которого вводится поправка на изменения вязкости и вычисляется объемный расход, приведенный к нормальным условиям, или массовый расход. Указанное решение требует усложнения конструкции расходомера, а также увеличенных расходов на его техническое обслуживание из-за наличия отдельных датчиков температуры и расхода.
Частично от указанного недостатка свободен наиболее близкий к заявляемому техническому решению чувствительный элемент вихревого расходомера, содержащий прочный корпус, прикрепленную к корпусу утолщенной периферической частью круглую упругую мембрану, закрепленную в центре мембраны перпендикулярно ее плоскости и расположенную вдоль потока жесткую лопатку с глухим отверстием, в котором установлен малогабаритный термодатчик, жесткий рычаг-противовес в виде гильзы, прикрепленный к другой стороне мембраны соосно с лопаткой, составляющий с ней одно целое и имеющий одинаковый с лопаткой геометрический момент инерции, и емкостной чувствительный элемент, образуемый рычагом-противовесом и охватывающим его изолированным цилиндрическим электродом (Патент США №6988418, МПК G01F 1/32, НКИ 73/861.22, опубл. 24.01.2006) [2]. Под воздействием переменного скоростного напора, создаваемого образующимися за телом обтекания вихрями, лопатка и связанный с ней рычаг-противовес совершают колебательное движение. Перемещение рычага-противовеса преобразовывается с помощью емкостного чувствительного элемента в переменный (близкий к синусоидальному) электрический сигнал, частота которого пропорциональна скорости потока (объемному расходу). При измерении расхода жидкостей с помощью показаний встроенного в лопатку термодатчика вводится поправка на вязкость. При измерении расхода газообразных сред в состав расходомера вводится датчик абсолютного для измерения абсолютного давления среды.
Недостатком описанного чувствительного элемента является необходимость применения отдельного датчика давления при измерении расхода газовых сред, а также то, что все датчики являются разнотипными. Это предопределяет сложность конструкции расходомера, а также увеличенные расходы на его техническое обслуживание.
Техническая проблема, решаемая изобретением - расширение функциональных возможностей чувствительного элемента за счет совмещения в одном узле однотипных чувствительных элементов расхода, температуры и давления контролируемой среды и как следствие упрощение конструкции и технического обслуживания расходомера.
Указанный эффект достигается тем, что в чувствительный элемент расходомера, содержащий прочный корпус, прикрепленную к корпусу утолщенной периферической частью круглую упругую мембрану, плоскую жесткую лопатку, прикрепленную по всей ширине к наружной стороне мембраны соосно с ней и перпендикулярно ее плоскости, рычаг-противовес, прикрепленный к внутренней стороне мембраны соосно с лопаткой и мембраной, составляющий с ними одно целое и имеющий одинаковый с лопаткой геометрический момент инерции, введены отражательный элемент в виде куба с тремя взаимно-перпендикулярными зеркальными гранями, три двойных волоконно-оптических жгута и обтекатель, причем куб прикреплен к концу рычага-противовеса таким образом, что одна из граней расположена параллельно плоскости мембраны, а смежная с ней грань расположена параллельно плоскости лопатки, срезы волоконно-оптических жгутов расположены на небольшом расстоянии от отражающих граней куба параллельно к ним, обтекатель прикреплен к корпусу и расположен перед передней гранью лопатки на небольшом расстоянии от нее, рычаг-противовес выполнен в виде жесткой биметаллической пластины, плоскость которой развернута на 90° по отношению к плоскости лопатки, причем оси волоконно-оптических жгутов пересекаются в центре симметрии куба, внутренняя полость корпуса выполнена герметичной и вакуумированной, при этом ширина лопатки составляет 0,6 диаметра мембраны, диаметры волоконно-оптических жгутов равны или меньше длины стороны куба, а обтекатель имеет ширину, превышающую толщину лопатки.
Сущность изобретения поясняется рисунком (фиг. 1) на котором приведен общий вид чувствительного элемента в двух проекциях.
Чувствительный элемент расходомера (фиг. 1) включает герметичный вакуумированный корпус 1, круглую упругую мембрану 2 с утолщенной периферической частью, плоскую лопатку 3, рычаг-противовес 4, отражательный элемент 5 в виде куба с тремя взаимно-перпендикулярными зеркальными гранями, три сдвоенных волоконно-оптических жгута 6-8 и обтекатель 9. Мембрана 2 прикреплена к корпусу 1 утолщенной периферической частью (наличие утолщенной периферической части предотвращает деформацию мембраны при ее креплении к корпусу). Лопатка 3 прикреплена по всей ширине к внешней (обращенной к потоку) стороне мембраны 2 перпендикулярно ее плоскости и имеет ширину, составляющую 0,6 диаметра мембраны 2. Рычаг-противовес 4 выполнен в виде жесткой биметаллической пластины, прикрепленной к внутренней стороне мембраны 2 соосно с лопаткой 3 и составляющей с ней и мембраной 2 одно целое и имеющий одинаковый с лопаткой геометрический момент инерции. Плоскость рычага-противовеса 4 развернута на 90° по отношению к плоскости лопатки 3. Отражательный элемент 5 прикреплен к концу рычага-противовеса 4 таким образом, что одна из граней (а) расположена параллельно плоскости лопатки 3, другая грань (б) расположена параллельно плоскости мембраны 2, а третья грань (в) расположена параллельно плоскости рычага-противовеса 4. Срезы волоконно-оптических жгутов 6-8 расположены на небольшом расстоянии от граней куба 5 а-в параллельно к ним, причем оси волоконно-оптических жгутов 6-8 пересекаются в центре симметрии куба 5. Диаметры волоконно-оптических жгутов 6-8 равны или меньше длины стороны куба. Каждый двойной волоконно-оптический жгут включает центральный жгут, по которому поступает световой поток от источника света и периферический жгут, по которому отводится световой поток, отраженный от зеркальной грани куба 5. Волоконно-оптические жгуты 6-8 соединены с тремя электронными схемами оптических преобразователей перемещений, принцип действия которых описан в [3]. Обтекатель 9 прикреплен к корпусу 1, расположен перед передней гранью лопатки 3 на небольшом расстоянии от нее и имеет ширину, превышающую толщину лопатки 3. В корпусе первичного преобразователя расходомера чувствительный элемент располагается таким образом, что наружная поверхность мембраны 2 располагается на внутренней стенке проточной части, а лопатка 3 - непосредственно за телом обтекания в вихревом следе.
Измерение скорости потока расхода осуществляется следующим образом. При появлении расхода за телом обтекания образуется вихревая дорожка (дорожка Кармана), которая характеризуется периодическими колебаниями скоростного напора в месте расположения лопатки 3. Под действием переменного скоростного напора лопатка 3 совершает колебания в плоскости, перпендикулярной оси потока. Поскольку лопатка 3 составляет одно целое с мембраной 2 и рычагом 4, такие же периодические колебания совершает рычаг 4 и, соответственно, и прикрепленный к ней отражательный элемент 5. При этом изменяется расстояние между гранью а куба 5 и срезом волоконно-оптического жгута 6. Подключенный к жгуту 6 оптический преобразователь перемещений преобразует колебания расстояния между гранью а куба 5 и срезом жгута 6 в переменный электрический сигнал, частота которого равна частоте вихреобразования и пропорциональна расходу.
Измерение давления осуществляется следующим образом. При отсутствии давления (в вакууме) мембрана 2 находится в исходном состоянии. Под действием давления мембрана 2 выгибается и перемещает рычаг-противовес 4 и прикрепленный к нему куб 5 вдоль оси мембраны 2 на расстояние, пропорциональное величине давления (возможность осевого перемещения мембраны обусловлена тем, что ширина лопатки составляет 0,6 диаметра мембраны). При этом изменяется расстояние между гранью б куба 5 и срезом световода 7. Подключенный к жгуту 7 оптический преобразователь перемещений преобразует изменение расстояния в электрический сигнал, величина которого пропорциональна давлению. Поскольку внутренняя полость корпуса 1 детектора вихрей вакуумирована, этот сигнал пропорционален абсолютному давлению среды, которое используется при расчете массового расхода газа или расхода газа, приведенного к нормальным условиям [4].
Измерение температуры осуществляется следующим образом. При изменении температуры контролируемой среды изменяется температура лопатки 3 и составляющего с ней одно целое биметаллического рычага-противовеса 4. За счет разности коэффициентов линейного расширения металлов рычаг-противовес 4 отклоняется на некоторый угол, пропорциональный температуре. При этом изменяется расстояние между гранью в куба 5 и срезом световода 8. Подключенный к жгуту 8 оптический преобразователь перемещений преобразует изменение расстояния в электрический сигнал, величина которого пропорциональна температуре. Для того чтобы лопатка 3 не отклонялась при воздействии на нее силы набегающего потока и не вносила дополнительную погрешность в измерение температуры, в конструкции чувствительного элемента предусмотрены:
- обтекатель 9, расположенный перед лопаткой 3, защищающий ее от прямого воздействия набегающего потока;
- крепление лопатки 3 к мембране по всей ширине и выполнение лопатки 3 заодно с мембраной 2, что придает дополнительную жесткость мембране 2 в направлении оси потока, не препятствуя колебаниям лопатки под воздействием вихрей вокруг оси, совпадающей с плоскостью пересечения лопатки 3 и мембраны 2.
В сравнении с устройством-прототипом предлагаемое устройство обеспечивает повышение уровня унификации и упрощение конструкции преобразователя расхода, т.к. одновременное измерение скорости, давления и температуры контролируемой среды осуществляется с помощью малогабаритного чувствительного элемента с однотипными оптическими преобразователями перемещений, что позволяет отказаться от отдельных чувствительных элементов (датчиков) для измерения давления и температуры. Применение волоконно-оптических датчиков перемещений обеспечивает высокое разрешение, невосприимчивость детектора вихрей к электромагнитным полям и помехам, устойчивость к воздействию радиации и сложных климатических условий, отсутствие необходимости электрического питания, заземления и гальванической развязки, пожаробезопасность и взрывобезопасность, возможность удаления датчика на большое расстояние, компактность, большие срок службы и межповерочный интервал.
Источники информации:
1 Патент США №6003384, МПК G01f 1/32, НКИ 73/861.22, опубл. 21 12.1999, фиг. 1-4.
2 Патент США №6988418, МПК G01F 1/32, НКИ 73/861.22, опубл. 24.01.2006, фиг. 4.
3 Окоси, Т. Волоконно-оптические датчики / Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу; под ред. Т. Окоси. - Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с.
4 ГОСТ Р8.740-2011 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Расход и количество газа. Методика измерений с помощью турбинных, ротационных и вихревых расходомеров и счетчиков, с. 16-18.