ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР ВИХРЕЙ

Полезная модель относится к технике измерения расхода и может быть использована при создании вихревых расходомеров жидкостей и газов.
Из существующего уровня техники известен пьезоэлектрический детектор вихрей в виде пьезоэлектрического датчика изгибающего момента, устанавливаемого в измерительном патрубке преобразователя расхода непосредственно за телом обтекания (Патент РФ №2608331). Указанный детектор вихрей имеет цилиндрический корпус в виде стакана, к дну которого жестко прикреплена клиновидная пластина (крыло), выступающая в поток и расположенная параллельно направлению потока. В корпус плотно вставлен пьезоэлемент в виде полого цилиндра, поляризованного в радиальном направлении, причем внешняя поверхность покрыта сплошным электродом, а на внутренней поверхности электрод разделен на две одинаковые части, причем плоскость раздела совпадает с плоскостью крыла. Со стороны вихрей на крыло действует переменная сила, которая вызывает периодические изгибные деформации крыла, передающиеся на корпус. При изгибе крыла одна половина пьезоэлемента испытывает осевое сжатие, а левая - растяжение, вследствие чего за счет пьезоэффекта между внутренними электродами возникает переменное напряжение, частота которого совпадает с частотой внешнего воздействия на лопатку. Указанная частота пропорциональна расходу.
Недостатком описанного детектора вихрей является чувствительность к вибрации измерительного патрубка. Поскольку корпус датчика изгибающего момента жестко прикреплен в патрубку, вибрация последнего приводит к отклонению крыла в направлении, противоположном направлению виброускорения. Это вызывает появление дополнительных механических напряжений в пьезоэлементе и, как следствие, - формирование паразитного сигнала, который может нарушать нормальное функционирование расходомера. Это проявляется, в частности, при измерении расхода газообразных сред, на которых из-за меньшей по сравнению с жидкостями плотности полезный сигнал имеет меньшую величину.
От указанного недостатка свободен выбранный в качестве прототипа пьезоэлектрический детектор вихрей, содержащий корпус, круглую упругую мембрану, вдоль диаметра которой с внешней стороны (со стороны потока) жестко прикреплено клиновидное крыло, а с другой стороны - противовес, имеющий момент инерции, идентичный таковому крыла, плоский пьезоэлемент в форме диска с одним нижним и двумя верхними электродами, втулку, выполненную из изоляционного материала, прижим и два провода, присоединенных к верхним электродам (Патент США №6352000, Fig. 7). Пьезоэлемент имеет отверстие, через которое пропущен противовес, причем нижний электрод сплошной, а верхний электрод выполнен в виде двух полуколец, охватывающих противовес. Пьезоэлемент прижат к внутренней поверхности мембраны с помощью прижима через втулку, имеющую два отверстия для пропуска проводников, присоединенных к верхним электродам полуколец. Плоскость крыла детектора вихрей расположена вдоль потока, а его клиновидная форма крыла обеспечивает повышенную механическую надежность соединения «крыло-мембрана», подвергающегося длительным знакопеременным нагрузкам.
При действии на крыло силы скоростного напора, создаваемого вихрем и направленной перпендикулярно направлению потока, на электродах полуколец формируются сигналы противоположного знака, пропорциональные величине механического напряжения, возникающего в мембране. Во вторичном приборе осуществляется вычитание сигналов. При этом поскольку сигналы имеют разный знак, при вычитании их амплитуда удваивается. Такая конструкция детектора вихрей обеспечивает нечувствительность к вибрациям благодаря тому, что моменты сил, возникающие при вибрации в крыле и противовесе, уравновешивают друг друга, и дополнительные напряжения в мембране при вибрациях не возникают.
Недостатком описанного детектора вихрей является низкая чувствительность, обусловленная тем, что крыло расположено посередине вихревой дорожки, где проекция вектора вихревой составляющей скорости потока на ось чувствительности датчика (перпендикулярную плоскости лопатки) не достигает максимально возможного значения. При этом не в полной мере используются возможности увеличения полезного сигнала и, как следствие, - динамического диапазона измерений (динамический диапазон равен отношению величин верхнего и нижнего пределов измерений). А так как нижний предел измерений определяется к конечном итоге минимальной величиной сигнала, то чем больше минимальный сигнал, тем больше динамический диапазон измерений.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является увеличение динамического диапазона измерений вихревого расходомера.
Данная задача решается за счет того, что в известный пьезоэлектрический детектор вихрей, содержащий корпус, жестко прикрепленную к нему круглую упругую мембрану, клиновидное крыло, жестко прикрепленное к мембране с внешней стороны и лежащее в плоскости, проходящей через ось мембраны, плоский пьезоэлемент в форме диска с электродами, нанесенными на верхнюю и нижнюю плоскости, втулку с отверстием, выполненную из изоляционного материала, прижим и два провода, дополнительно введены второе крыло, идентичное первому, и проводящий контакт, причем второе крыло расположено в одной плоскости с первым симметрично ему относительно оси мембраны, а контакт расположен между втулкой и пьезоэлементом и касается верхних электродов пьезоэлемента, при этом проводники присоединены к корпусу и проводящему контакту, причем пьезоэлемент имеет четыре секции, образованные четырьмя парами электродов, выполненных в виде электрически изолированных друг от друга секторов с углом 90°, так что одна из линий раздела секций совпадает с плоскостью крыльев, при этом пьезоэлемент поляризован по толщине так, что направления векторов поляризации в смежных секциях противоположны, причем ширина крыльев и расстояние между ними составляют 0,5-1 ширины тела обтекания.
Техническим результатам, обеспечиваемым вышеперечисленной совокупностью признаков, является увеличение чувствительности детектора вихрей, т.е. увеличение амплитуды сигнала по сравнению с известным детектором вихрей при одной и той же величине расхода и площади выступающей в поток части крыла.
Сущность полезной модели поясняется рисунками, на которых изображены:
на фиг. 1 - чертеж предлагаемого детектора вихрей;
на фиг. 2 - схема поляризации секторов пьезоэлемента;
на фиг. 3 - схема расположения детектора вихрей в преобразователе расхода;
на фиг. 4 - форма сигнала предлагаемого детектора вихрей.
Пьезоэлектрический детектор вихрей (фиг. 1) включает корпус 1 с внутренней резьбой, жестко прикрепленную (например, на сварке) круглую упругую мембрану 2, составляющие одно целое с мембраной 2 и расположенные с ее наружной стороны клиновидные крылья 3, 4, дисковый пьезоэлемент 5 с восемью электродами, металлический контакт 6, втулку 7, изготовленную из изоляционного материала, прижим 8, выполненный в виде втулки с наружной резьбой, и два провода 9 и 10, один из которых присоединен к корпусу 1, другой - к контакту 6. Крылья 3, 4 расположены симметрично относительно оси мембраны 2, причем их совместная плоскость перпендикулярна плоскости мембраны 2 и проходит через ее ось. Пьезоэлемент 5 с помощью контакта 6, втулки 7 и прижима 8, завинчиваемого в корпус 1, плотно всей поверхностью прижат к внутренней стороне мембраны 2, противоположной крыльям 3, 4. Пьезоэлемент 5 имеет четыре секции, образованные четырьмя электродами в виде секторов I-IV с углом 90°, электрически изолированных друг от друга, причем одна из линий раздела секторов совпадает с плоскостью крыльев 3, 4 (фиг. 2). Пьезоэлемент 5 поляризован по толщине так, что направления векторов поляризации смежных секций противоположны: на фиг. 2 направления поляризации показаны знаками «+» и «-». Указанная схема поляризации обеспечивается наличием четырех электрически не связанных друг с другом пар электродов. При выполнении технологической операции поляризации (описанной, например в книге Глозман И.А. Пьезокерамические материалы в электронной технике. М, Л: Энергия 1965) напряжение подается на одну конкретную пару электродов. При этом поляризуется только та секция пьезоэлемента 4, на электроды которой подается напряжение поляризации, а остальные секции не поляризуются. Схема установки детектора вихрей 11 в измерительном патрубке 12 преобразователя расхода показана на фиг. 3. Ширина крыльев 3, 4 и расстояние между ними составляет 0,5-1 ширины тела обтекания 13 преобразователя расхода (фиг. 3).
Детектор вихрей работает следующим образом. При протекании контролируемой среды через измерительный патрубок 12 за телом обтекания 13 образуется регулярная последовательность вихрей 14 (фиг. 3). Масштаб вихрей и расстояние между ними, отсчитываемое вдоль диаметра измерительного патрубка, приблизительно равны ширине тела обтекания 13. Поскольку крылья 3, 4 находятся в одном сечении, проекции векторов скорости вихря, набегающих на крылья 3, 4, имеют разные знаки, поэтому под воздействием вихрей крылья отклоняются в разные стороны. При этом если в секциях I и III пьезоэлемента 5 возникают напряжения сжатия, то в секциях II и IV - напряжения растяжения. Поскольку в указанных парах секций векторы поляризации имеют разные знаки, заряды, возникающие на всех четырех электродах, имеют одинаковые величину и знак. А т.к. контакт 6 электрически соединен со всеми электродами, указанные заряды суммируются. В итоге на концах проводников 9 и 10 формируется переменное напряжение, изменяющееся с частотой вихреобразования, пропорциональной расходу.
При воздействии вибрации оба крыла 3, 4 детектора вихрей смещаются в одну сторону, противоположную направлению вектора виброускорения. В этом случае в секциях I и II возникают напряжения одного знака, а в секциях III и IV - противоположного. Учитывая то, что в смежных секциях направления вектора поляризации противоположны, заряды па электродах этих секция также имеют противоположные знаки и взаимно компенсируются. Таким образом, вибрации не оказывают влияния работу вышеописанного детектора вихрей.
Экспериментальная проверка, проведенная на макете предлагаемого детектора вихрей, показала, что благодаря тому, что крылья детектора вихрей находятся на расстоянии, равном 0,5-1 диаметра тела обтекания и расположены не вдоль, а поперек сечения измерительного патрубка, обеспечивается увеличение полезного сигнала в 2,5-3 раза. Полученная при этом форма полезного сигнала приведена на фиг. 4.
Преимущественной областью применения полезной модели являются вихревые преобразователи расхода малого и среднего диаметра, а также зондовые преобразователи расхода (применяемые в трубопроводах большого диаметра) с циркуляционным каналом прямоугольного сечения, в котором мембрана предлагаемого детектора вихрей устанавливается заподлицо с верхней стенкой капала.