ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВИХРЕВОГО РАСХОДОМЕРА

Преобразователь вихревого расходомера Полезная модель относится к средствам измерения объема или массы жидкости или газа путем пропускания их через измерительные устройства непрерывным потоком, в частности, через вихревые расходомеры, и может быть использовано в расходометрии жидких и газообразных сред.
Известен преобразователь вихревого расходомера, содержащий чувствительный элемент и тело обтекания, включающее переднюю вихреобразующую пластину и стержень. Вихреобразующая пластина имеет гладкую переднюю поверхность со стороны набегающего потока и боковые поверхности с тыльной стороны, скошенные под углом от 5° до 45°. На тыльной поверхности пластины, перпендикулярно к ней, жестко прикреплен стержень. Чувствительный элемент выполнен в виде двух пластинчатых пьезоэлементов, расположенных в выемках на плоских параллельных поверхностях стержня тела обтекания симметрично относительно его средней плоскости, являющейся плоскостью симметрии. Пьезоэлементы электрически изолированы от тела обтекания и герметично закрыты двумя гибкими мембранами, являющимися защитой от химической агрессивности измеряемого потока. Гибкие мембраны расположены заподлицо с боковыми поверхностями стержня. Через эти мембраны и слой масла передаются импульсы переменного давления на пьезоэлемент. Импульсы создают вихри, поочередно срывающиеся с боковых поверхностей вихреобразующей пластины. Сигнал напряжения переменного тока, выработанный пьезоэлементом, передается через токопроводящий проводник на усилитель для передачи на относительно большие расстояния (Патент США №3972232, НКИ: 73/194 VS, МПК: G01F 1/32, опубл. 03.08.1976 г.).
Вибростойкость такого преобразователя не удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям. При воздействии вибрации в теле обтекания возникают колебания трех видов: изгибные колебания поперек потока, изгибные колебания вдоль потока, продольные колебания сжатия-растяжения. Пьезоэлемент имеет форму прямоугольной призмы. Длинная грань пьезоэлемента ориентирована вдоль тела обтекания и нейтральные плоскости пьезоэлемента соответствуют ориентации нейтральных плоскостей тела обтекания. При изгибе наибольшая величина деформации наблюдается в слое, наиболее удаленном от нейтральной плоскости симметрии тела обтекания, изгибающейся без деформаций. Для колебаний сжатия - растяжения в вертикальном направлении напряжения в пьезоэлементе зависят не от его местоположения, а от площади поперечного сечения тела обтекания в месте расположения пьезоэлемента. Т.е. чем дальше от нейтральной плоскости симметрии тела обтекания расположена соответствующая нейтральная плоскость пьезоэлемента, тем большие величины деформации он испытывает и тем большие заряды наводятся на его электродах и, соответственно, создается больший заглушающий сигнал по отношению к полезному. Поэтому вибростойкость конструкции в значительной степени определяется удаленностью нейтральных плоскостей пьезоэлемента от нейтральных плоскостей тела обтекания. Наименьшие и симметричные деформации при изгибных колебаниях испытывает пьезоэлемент, плоскости симметрии которого совпадают с нейтральными плоскостями тела обтекания.
В результате изгибных колебаний на симметричных половинках пьезоэлемента (при его симметричном расположении в теле обтекания) наводится неодинаковый электрический заряд.
Другим недостатком является форма тела обтекания, состоящего из передней вихреобразующей пластины и симметричного стержня, прикрепленного к его тыльной стороне. Т.к. технологическое оборудование не позволяет выдержать постоянство площади поперечного сечения тела обтекания такой сложной формы, то при колебаниях вдоль тела обтекания в поперечных сечениях пьезоэлемента возникают неодинаковые деформации сжатия-растяжения.
Прогиб и деформация пьезоэлемента из-за небольшой толщины стержня достаточно велики. Поэтому такая форма тела обтекания определяет низкую вибростойкость преобразователя вихревого расходомера.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является преобразователь вихревого расходомера, содержащий чувствительный элемент и тело обтекания, выполненное в виде передней вихреобразующей пластины и стержня, прикрепленного к тыльной стороне пластины. С двух сторон стержня относительно его продольной плоскости симметрии выполнены пазы. Чувствительный элемент, пьезоэлемент которого с четырьмя одинаковыми, соединенными крест-накрест и электрически изолированными электродами, закрыт с двух сторон двумя мембранами, расположенными в пазах тела обтекания. Основание пьезоэлемента расположено длинной стороной вдоль тела обтекания симметрично относительно его продольной плоскости симметрии. При этом линии раздела электродов расположены вдоль тела обтекания (патент РФ №2241960 «Преобразователь вихревого расходомера», МПК G01F 1/32, опубл. 10.12.2004 года).
Вибростойкость такого преобразователя недостаточна и зависит, прежде всего, от величины изгиба пьезоэлемента, которая, в свою очередь, определяется величиной прогиба тела обтекания при колебаниях. При изгибе в слоях, расположенных симметрично относительно нейтральной плоскости пьезоэлемента, возникают деформации сжатия-растяжения. Это приводит к созданию остаточного шумового сигнала, пропорционального величине деформации. Пьезоэлемент при воздействии вибрации создает два шумовых сигнала, которые должны компенсировать друг друга. Однако полной компенсации не происходит из-за неоднородности материала пьезоэлемента и неправильного расположения пьезоэлемента в теле обтекания. Прогиб при одинаковом значении виброускорения тем меньше, чем больше момент сопротивления изгибу, определяемый квадратом толщины стержня. Прогиб и деформация пьезоэлемента из-за небольшой толщины стержня достаточно велики. Поэтому такая форма тела обтекания определяет низкую вибростойкость преобразователя вихревого расходомера.
Вибростойкость преобразователя вихревого расходомера также определяется симметричностью линии изгиба пьезоэлемента
относительно линии электрического раздела электродов. При несимметричном изгибе деформация равноудаленных от линии раздела участков пьезоэлемента неодинакова, эти участки создают неодинаковые электрические заряды разных знаков, которые не гасят друг друга. Создается некомпенсированный шумовой сигнал. Тело обтекания в поперечном сечении имеет неодинаковую толщину. Поэтому в случае расположения линии раздела электродов вдоль тела обтекания изгиб пьезоэлемента становится несимметричным по отношению к линии раздела, что делает преобразователь невибростойким. В процессе образования вихрей создается знакопеременный перепад давления между боковыми сторонами тела обтекания. Пульсации давления поочередно воспринимаются половинками пьезоэлемента под крест-накрест расположенными электродами. Половинки пьезоэлемента, соединенные в дифференциальную схему (это схема вычитания сигналов), возбуждаются с временным сдвигом на половину периода, т.е. работают в противофазе. Суммарный сигнал, получаемый вычитанием одного сигнала из другого, усиливается за счет сдвига фаз. Если на преобразователь воздействует вибрация, то массовая сила одновременно воздействует на обе половинки пьезоэлемента и они работают в фазе. Суммарный сигнал при вычитании ослабляется, его величина определяет вибростойкость преобразователя вихревого расходомера.
Целью заявляемого технического решения является повышение вибростойкости преобразователя вихревого расходомера.
Поставленная цель достигается тем, что в известном преобразователе вихревого расходомера, содержащем тело обтекания, с двух сторон которого относительно его продольной плоскости симметрии выполнены пазы, и чувствительный элемент, пьезоэлемент которого с четырьмя одинаковыми, соединенными крест-накрест и электрически изолированными электродами, закрыт с двух сторон двумя мембранами, расположенными в пазах тела обтекания, основание пьезоэлемента расположено длинной стороной вдоль тела обтекания симметрично относительно его продольной плоскости симметрии, тело обтекания выполнено в форме трапецеидальной призмы, электроды попарно расположены поперек основания пьезоэлемента так, что плоскость линий электрического раздела электродов совмещена с поперечной плоскостью симметрии тела обтекания. Кроме того, каждый паз тела обтекания выполнен в виде круглого или овального проема.
Отличительными признаками предлагаемого преобразователя вихревого расходомера являются: выполнение тела обтекания в форме трапецеидальной призмы; расположение электродов попарно поперек основания пьезоэлемента так, что плоскость линий электрического раздела электродов совмещена с поперечной плоскостью симметрии тела обтекания; выполнение каждого паза тела обтекания в виде круглого или овального проема.
Благодаря наличию этих признаков при воздействии вибрации за счет наложения двух одинаковых по амплитуде и фазе сигналов пьезоэлемента погрешность прибора сводится до минимума. Этим достигается повышение вибростойкости преобразователя вихревого расходомера.
Техническое решение иллюстрируется чертежами: на фиг. 1 показано сечение трубы с установленным в ней преобразователем вихревого расходомера; на фиг. 2 изображен в изометрии преобразователь вихревого расходомера; на фиг. 3 - фрагмент продольного сечения тела обтекания в сборе с пьезоэлементом; на фиг. 4 - схема съема сигнала с пьезоэлемента.
Преобразователь вихревого расходомера содержит тело обтекания 1, выполненное в форме трапецеидальной призмы и расположенное внутри трубы 2 большим основанием навстречу потоку жидкости или газа. В теле обтекания 1 с двух сторон относительно его продольной плоскости симметрии (нейтральной плоскости тела обтекания) 3 выполнены круглые или овальные проемы 4. В теле обтекания преобразователя установлен его чувствительный элемент, выполненный в виде двух мембран 5, установленных в проемах 4 тела обтекания, и пьезоэлемента 6. Нейтральная плоскость 7 пьезоэлемента совпадает с нейтральной плоскостью 3 тела обтекания. Основание 8 пьезоэлемента расположено длинной стороной вдоль тела обтекания симметрично относительно его продольной плоскости симметрии 3. Оно выполнено из пьезокерамического материала. С двух сторон основания 8 размещены четыре одинаковых, соединенных крест-накрест и электрически изолированных электрода 9, 10, 11, 12. Электроды расположены попарно строго друг напротив друга поперек основания 8 пьезоэлемента так, что плоскость линий 13 электрического раздела электродов совмещена с поперечной плоскостью симметрии 14 тела обтекания. Провода 15 от каждой пары через усилители 16 и 17 выведены на вход электронного блока 18. Углубления 4 выполнены в теле обтекания над одной из пар попарно и крест-накрест соединенных между собой электродов, например 10, 11.
Преобразователь вихревого расходомера работает следующим образом. При обтекании тела 1 набегающий поток разделяется его острыми краями и образует вихри, попеременно вдоль и сзади каждой боковой стороны тела обтекания. Вихри образуются с частотой, пропорциональной объемному расходу среды. В процессе образования вихрей создается знакопеременный перепад давлений между боковыми сторонами тела обтекания 1. Пульсации давления поочередно воспринимаются половинками пьезоэлемента под крест-накрест расположенными электродами 10, 11. Механическое усилие сжатия преобразуется в электрический сигнал, величина которого изменяется с частотой образования вихрей. Половинки пьезоэлемента возбуждаются с временным сдвигом на половину периода, т.е. работают в противофазе.
При воздействии вибрации тело обтекания изгибается с частотой воздействия вибрации. Вместе с телом обтекания изгибается и пьезоэлемент. В связи с тем, что нейтральные плоскости тела обтекания и пьезоэлемента совпадают, а линии раздела электродов находятся в поперечной плоскости симметрии, то напряжения сжатия и растяжения в слоях материала пьезоэлемента на одинаковом удалении от оси симметрии отличаются по знаку и совпадают по модулю. Поэтому на одинаковых по площади парах электродов 9, 12 и 10, 11, расположенных на противоположных гранях пьезоэлемента, синхронно, т.е. в фазе, образуются разные по знаку и примерно одинаковые по модулю электрические заряды. Поскольку одинаковые по площади электроды соединены крест-накрест, то их заряды нейтрализуются. Оставшиеся 5% заряда компенсируются за счет выравнивания сигналов на входе в электронный блок до одинаковой величины с помощью усилителей. Таким образом, достигается эффект повышения вибростойкости и, соответственно, расширяется динамический диапазон работы преобразователя вихревого расходомера.
Например, за счет установки в расходомер с условным диаметром проходного сечения Ду-50 заявляемого преобразователя вихревого расходомера по сравнению с прототипом вибростойкость (способность прибора не выдавать ложного сигнала при воздействии вибрации определенного уровня) возросла с 0,5 g до 5 g,