Детектор вихрей
VORTEX DETECTOR

Изобретение относится к технике измерения расхода и количества текучих сред, а конкретно - к вихревым расходомерам, и предназначено для использования в случаях, когда при эксплуатации преобразователь расхода подвергается значительным механическим перегрузкам, например, при его расположении на транспортном средстве или вблизи агрегата, работа которого сопровождается сильной вибрацией.
Известны вихревые расходомеры, в которых в качестве детектора вихрей применяется пьезоэлектрический датчик изгибающего момента, выполненный в виде цилиндрического корпуса с лопаткой, внутри которого размещен пьезоэлемент. Датчик размещается за плохообтекаемым телом в вихревом следе: проходящие мимо лопатки вихри оказывают на лопатку знакопеременное силовое воздействие, которое преобразуется пьезоэлементом в синусоидальный электрический сигнал, частота которого (равная частоте вихреобразования) пропорциональна расходу.
Недостатком описанного детектора является появление помехи при воздействии вибрации, передаваемой через корпус первичного преобразователя. Причина - несбалансированность конструкции. Для устранения влияния вибраций в вихревом следе располагают второй детектор вихрей с такой же чувствительностью на таком расстоянии от первого, чтобы полезные сигналы в них находились в противофазе. При вычитании этих сигналов полезный сигнал удваивается, а синфазная вибрационная помеха вычитается (М.В. Богуш. Успехи вихревой расходометрии. «Приборы», 2007 г., №8 (86), с. 26-27). Применение второго детектора вихрей усложняет конструкцию и структурную схему расходомера. Из-за технологического разброса параметров пьезоэлементов при изготовлении требуется отбор детекторов с одинаковой чувствительностью, а из-за ухода характеристик пьезоэлементов со временем  - периодическая подстройка коэффициентов усиления сигналов детекторов в процессе эксплуатации.
От указного недостатка свободен являющийся наиболее близким к заявляемого техническому решению емкостной детектор вихрей, содержащий жесткий корпус, круглую упругую мембрану с утолщенным краем, плоскую жесткую лопатку, прикрепленную к внешней (по отношению к потоку) стороне мембраны перпендикулярно ее плоскости, жесткий рычаг-противовес в виде гильзы, прикрепленный к внутренней стороне мембраны соосно с лопаткой и составляющий с ней и с мембраной одно целое, цилиндрический изолированный электрод, охватывающий с малым зазором гильзу, и другие детали (Патент США №6 003384, 21.12.1999, МПК G01F 1/32).
Геометрические моменты инерции лопатки и рычага-противовеса приблизительно равны между собой, т.е. лопатка и рычаг-противовес динамически уравновешивают друг друга. Гильза и охватывающий ее цилиндрический электрод образуют емкость, колебания которой вокруг среднего значения используются для получения полезного сигнала. Из-за того, что лопатка закреплена практически по всей ширине мембраны, ее колебания возможны только вокруг оси, лежащей в плоскости мембраны по линии крепления лопатки. Тем самым создается выделенная ось чувствительности (перпендикулярная плоскости лопатки) и предотвращается влияние на работу детектора возмущений потока с вектором скорости, направленным вдоль оси трубопровода. Утолщенный край предотвращает деформацию мембраны при креплении ее к корпусу.
Описанный детектор имеет следующие недостатки:
- снижение влияния вибрации обеспечивается путем повышения жесткости конструкции и выравнивания геометрических моментов инерции лопатки и рычага-противовеса. Поскольку наименее жестким элементом конструкции является место соединения лопатки и рычага-противовеса с мембраной, повышение жесткости требует увеличения площади, по которым сопрягаются через тонкую мембрану лопатка и рычаг-противовес, что снижает гибкость мембраны и, соответственно, чувствительность детектора. Создание выделенной оси чувствительности за счет закрепления лопатки почти по всей ширине мембраны также снижает гибкость мембраны и приводит к снижению чувствительности детектора вихрей;
- из-за малых измеряемых перемещений рычага-противовеса конструкцию «лопатка-противовес» нельзя считать абсолютно жесткой, и даже при точном равенстве геометрических моментов инерции при наличии вибраций формируется помеха, обусловленная гибкостью рычага-противовеса;
- пониженная чувствительности и неполное устранение вибрационной помехи уменьшает величину соотношения «сигнал/помеха» и, как следствие, снижает точность измерений при малых значениях расхода, ограничивая диапазон измерений;
- гильза, являющаяся одним из электродов емкости, должна размещаться внутри охватывающего электрода с зазором, составляющим несколько десятков микрон (при больших зазорах чувствительность детектора вихрей резко падает, ограничивая снизу диапазон измеряемых скоростей потока). Однако даже при столь малом зазоре емкость детектора составляет единицы пФ, а изменения емкости, связанные с колебаниями лопатки, еще меньшую величину, что требует применения сложных электронных схем для выделения полезного сигнала;
- изготовление детали «лопатка-мембрана-противовес», имеющей сложную конфигурацию, а также выполнение микронного зазора между гильзой и электродом представляет значительную технологическую проблему, и обусловливает повышенную трудоемкость и, как следствие, стоимость изготовления детектора.
Задачей изобретения является расширение диапазона измерений и упрощение технологии изготовления.
Данная задача решается за счет того, что в детектор вихрей, содержащий корпус, закрепленную в корпусе круглую упругую мембрану с утолщенным краем, плоскую лопатку, прикрепленную к внешней стороне мембраны соосно с ней и перпендикулярно ее плоскости, рычаг-противовес, прикрепленный к внутренней стороне мембраны соосно с лопаткой и составляющей с лопаткой и мембраной одно целое, введена тонкая светонепроницаемая шторка прямоугольного сечения, светодиод и сдвоенный фотодиод, причем шторка прикреплена к концу рычага-противовеса и расположена длинной стороной параллельно оси лопатки, светодиод и сдвоенный фотодиод закреплены на корпусе по разные стороны шторки на небольшом расстоянии от нее, причем их совместная ось перпендикулярна плоскости шторки и проходит через ось шторки, при этом промежуток между фотоэлементами сдвоенного светодиода расположен параллельно оси лопатки.
Ширина шторки равна расстоянию между центрами фотоэлементов, а длина превышает длину стороны фотоэлемента, при этом лопатка и рычаг-противовес крепятся к мембране на одинаковых цилиндрических ножках, рычаг-противовес имеет то же сечение, что и лопатка, и длину, меньшую длины лопатки на величину, обеспечивающую отсутствие перемещений шторки при наличии вибрации и отсутствии расхода.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является увеличение соотношения «сигнал/шум» и упрощение конструкции.
Возможный вариант реализации изобретения представлен на рисунах, на которых изображены:
- на фиг. 1 - общий вид детектора вихрей;
- на фиг. 2 - схема взаимного расположения фотоэлементов и шторки.
Детектор вихрей (фиг. 1) включает корпус 1, круглую упругую мембрану 2, плоскую лопатку 3, рычаг-противовес 4, светонепроницаемую шторку 5, светодиод 6 и сдвоенный фотодиод 7 с фотоэлементами 8 и 9. Мембрана 2 через утолщенный край жестко прикреплена (приварена) к корпусу 1. Лопатка 3 прикреплена к внешней стороне мембраны 2 соосно с мембраной 2 перпендикулярно ее плоскости. Рычаг-противовес 4 прикреплен к внутренней стороне мембраны 2 соосно с лопаткой 3 и составляет с лопаткой 3 и мембраной 2 одно целое. Лопатка 3 выполнена в виде плоской хорошо обтекаемой пластины с цилиндрической ножкой, а рычаг-противовес 4 - в виде такой же пластины меньшей длины на такой же цилиндрической ножке. Шторка 5 имеет прямоугольное сечение, прикреплена к концу рычага-противовеса 4 и расположена длинной стороной параллельно оси лопатки 3. Светодиод 5 и фотодиод 6 закреплены в держателе 10, который, в свою очередь, винтами 12 жестко прикреплен к корпусу 1, и расположены по разные стороны шторки 5 на небольшом расстоянии от нее, причем их совместная ось перпендикулярна плоскости шторки 5 и проходит через ее ось, а промежуток между фотоэлементами 8 и 9 расположен параллельно оси лопатки 3. Юстировка шторки относительно оси фотодиода осуществляется путем ослабления винтов 12 и перемещения держателя 10 относительно корпуса 1 вдоль линии, параллельной плоскости фотодиода 7. После юстировки винты 12 затягиваются. Ширина шторки 5 равна расстоянию между центрами фотоэлементов 8 и 9, а длина шторки 5 превышает длину стороны фотоэлемента (фиг. 2). Сигнальные проводники детектора собраны в кабель 11.
Детектор вихрей устанавливается в расходомере за телом обтекания так, чтобы ось симметрии корпуса 1 была параллельна оси тела, мембрана 2 располагалась заподлицо со стенкой трубопровода, а плоскость лопатки 3 совпадала с плоскостью, проходящей через ось корпуса преобразователя расхода и ось тела обтекания (при этом лопатка 3 не создает сопротивления потоку). Электронная схема расходомера содержит два преобразователя «ток-напряжение» и дифференциальный усилитель (например, Андреев А.Л., Коротаев В.В. Элементы и узлы электронных и оптико-электронных приборов, Учебное пособие. - СПб: Университет ИТМО, 2015, с. 36-45). При включении расходомера светодиод 6, питаемый по кабелю 10 от источника тока, излучает свет в направлении фотодиода 7. Поскольку светодиод 6 и фотодиод 7 расположены на небольшом расстоянии друг от друга, на фотодиод 7 попадает часть светового потока, ограниченная шириной шторки 5. При этом, поскольку промежуток между фотоэлементами 8 и 9 расположен параллельно оси шторки 5, а ширина шторки равна расстоянию между центрами фотоэлементов, ровно половина площади фотоэлементов 8, 9 остается неосвещенной из-за экранирующего влияния шторки 5. Шторка 5 имеет длину, превышающую длину стороны фотоэлемента, поэтому освещенность фотоэлемента не зависит от перемещений шторки 5 вдоль оси лопатки 3, обусловленных прогибом мембраны 2 под действием избыточного давления. При отсутствии расхода токи, формируемые фотоэлементами 8 и 9, равны между собой, и напряжение на выходе дифференциального усилителя равно нулю.
M
При появлении расхода за телом обтекания образуется вихревая дорожка (дорожка Кармана), которая характеризуется периодическими колебаниями поперечной составляющей скорости потока в месте расположения лопатки V по закону
где Ω - частота вихреобразования, t - время.
1
2
Под действием вихрей лопатка 3 совершает колебания в плоскости, перпендикулярной плоскости самой лопатки 3. Поскольку лопатка 3 составляет одно целое с мембраной 2 и рычагом-противовесом 4, такие же колебания совершает рычаг-противовес 4 и, соответственно, прикрепленная к ней шторка 5. Колебания шторки 5 происходят в плоскости, параллельной плоскостям фотоэлементов 8, 9, при этом тень от шторки 5 перемещается по поверхностям фотоэлементов 8, 9. При перемещении тени освещенная площадь одного из фотоэлементов увеличивается, а второго уменьшается, т.е. колебания шторки вызывают пульсацию токов I, I фотоэлементов 8, 9 с частотой О., причем фазы пульсационных составляющих сдвинуты между собой на 180 градусов:
и
0
где I - ток фотоэлемента при отсутствии расхода, M=f(Ω) - коэффициент модуляции, растущий вместе с частотой вихреобразования Ω.
1
2
Токи фотоэлементов 8, 9 поступают на входы дифференциального усилителя, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное разности токов I и I, т.е. изменяющееся по закону sin Ωt колебаний шторки 4.
Заявляемый детектор вихрей имеет более высокую чувствительность по сравнению с прототипом за счет большей гибкости мембраны, поскольку ножка лопатки занимает существенно меньшую часть площади мембраны.
Нечувствительность заявляемого устройства к вибрациям обеспечивается тем, что лопатка 3 имеет большую по сравнению с рычагом-противовесом 4 длину (при этом геометрические моменты инерции лопатки 3 и рычага-противовеса 4 не равны между собой). Дополнительное смещение лопатки 3 под воздействием ускорения за счет большего момента инерции компенсирует смещение шторки 5 за счет гибкости рычага-противовеса 4. Величина необходимой разности длин лопатки 3 и рычага-противовеса 4 для каждой конкретной конструкции лопатки 3 и рычага-противовеса 4 определяется экспериментально на вибростенде (каждый отдельный экземпляр детектора испытаниям на вибростенде не подвергается).
Заявляемое устройство нечувствительно к возмущениям потока, с вектором скорости, направленным вдоль оси трубопровода, т.к. смещения лопатки 3 в направлении, совпадающем с направлением потока, не влияют на работу детектора, поскольку эти смещения не приводят к изменению площадей засветки фотоэлементов (т.е. за счет оптического съема детектор имеет выделенную ось чувствительности, направленную перпендикулярно плоскости лопатки).
Заявляемое устройство не содержит сопрягающихся узлов, требующих изготовления с высокой точностью.
Таким образом, предлагаемое техническое решение в сравнении с прототипом обеспечивает увеличение соотношения «сигнал/помеха» и упрощение технологии изготовления.