ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДАТЧИК ИЗГИБАЮЩЕГО МОМЕНТА ДЛЯ ВИХРЕВЫХ РАСХОДОМЕРОВ
HIGH-TEMPERATURE BENDING MOMENT SENSOR FOR VORTEX FLOWMETERS

Изобретение относится к вихревым расходомерам жидкости, газа или пара, в частности - к датчикам изгибающего момента, используемых и предназначенных для регистрации частоты вихрей, образующихся в потоке жидкости, газа или пара за телом обтекания.
Известен датчик вихревого расходомера  (RU 47097, МПК G01F1/32, опуб.10.08.2005), содержащий корпус, установленный в измерительной трубе. В корпусе  жестко закреплено тело обтекания, расположенное по диаметру корпуса. В отверстие в стенке корпуса за телом обтекания  вставлен чувствительный элемент, состоящий из жесткой пластины, балансира  и мембраны, которые выполнены единой деталью. К мембране прилегает пьезоэлемент, соединенный непосредственно с устройством обработки сигнала и выполненный в виде двух плоских пластин, собранных по двум вариантам:  по последовательной схеме соединения слоев и определенно поляризованных и по параллельной схеме соединения слоев и определенно поляризованных.
Такое техническое решение имеет недостатки. Во-первых, пьезоэлемент прилегает к мембране, являющейся частью корпуса датчика, то есть один из электродов пьезоэлемента электрически соединен непосредственно с корпусом. Отсутствие гальванической развязки электродов пьезоэлента от корпуса датчика приводит к объединению сигнального токового контура с токовым контуром внешней цепи, что существенно снижает помехозащищенность и, как следствие, чувствительность датчика, что особенно важно при измерении малых расходов. Во-вторых, наличие тонкостенной мембраны в корпусе датчика ограничивает диапазон рабочих давлений, при которых измеряются расходы жидкостных или газовых потоков.
17.01.2017
Известен также датчик вихревого расходомера датчик изгибающего момента для высокотемпературных вихревых расходомеров (RU 2608331, МПК G01F1/32, опуб. ), содержащий наружную пластину, прикрепленную к торцу цилиндрического корпуса, воспринимающую переменный изгибающий момент силы давления со стороны вихрей и вызывающую переменные деформации корпуса, и пьезоэлектрический элемент в виде полого цилиндра из пьезоэлектрической керамики, поляризованной в радиальном направлении, установленный в полости корпуса и жестко связанный с ним, причем наружная цилиндрическая поверхность пьезоэлемента покрыта сплошным электродом, а на внутренней поверхности электрод разрезан на две части вдоль образующей по плоскости, совпадающей с плоскостью наружной пластины, благодаря чему между внутренними электродами возникает переменный электрический сигнал с частотой вихреобразования, пропорциональной скорости потока, снимаемый посредством кабеля, сигнальные проводники которого соединены с внутренними электродами пьезоэлемента, во внутреннюю полость пьезоэлемента введены контактные элементы в виде двух цилиндрически изогнутых металлических пластинок, предварительно сваренных с проводниками кабеля, отделенных друг от друга пластинкой изолятора, прижимаемых к внутренним электродам пьезоэлемента силами упругости, обеспечивающими электрический контакт электродов пьезоэлемента с линией связи.
Данное техническое решение имеет недостатки, обусловленные тем, что один из электродов пьезоэлектрического элемента электрически соединен с корпусом датчика, то есть отсутствует гальваническая развязка между корпусом и всеми электродами пьезоэлектрического элемента, что ограничивает возможности частотной фильтрации и снижает отношение сигнал/шум, а, следовательно, и чувствительность датчика, что приводит к ограничению динамического диапазона измеряемых расходов. Другим недостатком такого технического решения является большая вероятность несбалансированности каналов вследствие возможной несимметричности электродов на внутренней поверхности полого пьезоэлектрического цилиндра, которые выполняются разрезанием цельного внутреннего электрода на две части. Еще одним недостатком данного технического решения является невысокая надежность при работе в условиях повышенной температуры. Это обусловлено тем, что контактные элементы в виде двух цилиндрически изогнутых металлических пластинок, предварительно сваренных с проводниками кабеля, осуществляют контакт с внутренними электродами пьезоэлемента посредством прижима. Такой способ осуществления электрического контакта весьма ненадежен, так как пружинные контактные элементы могут утратить свои пружинящие свойства вследствие отжига при высокой температуре и в условиях градиента температуры.
30.05.2019
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является датчик изгибающего момента для высокотемпературных вихревых расходомеров (RU 2709430, МПК G01F1/32, опуб. ), содержащий полый цилиндрический металлический корпус, оканчивающийся с одной стороны клиновидным крылом, а с другой стороны герметичным вводом с коаксиальным кабелем, имеющим экранный и центральный проводники, соединенные с пьезоэлектрическим узлом, расположенным внутри корпуса, пьезоэлектрический узел представляет собой две разнесенные в пространстве параллельные металлизированные по плоскостям пьезоэлектрические пластины, поляризованные по толщине и расположенные симметрично относительно плоскости симметрии, делящей пополам клин клиновидного крыла, пьезоэлектрические пластины жестко зафиксированы между собой со стороны торцов узких граней с помощью кольцевого и Н-образного фиксаторов, закрепленных внутри корпуса, при этом торцы узких граней пластин, обращенных в сторону клиновидного крыла, закреплены Н-образным фиксатором, а торцы узких граней пластин, обращенных в сторону коаксиального кабеля, закреплены кольцевым фиксатором, причём толщина перемычки Н-образного фиксатора равна расстоянию между пьезоэлектрическими пластинами, внешний диаметр кольцевого фиксатора совпадает с внутренним диаметром полой цилиндрической части металлического корпуса, а кольцо кольцевого фиксатора с одной из боковых сторон имеет выступы, толщина которых равна расстоянию между пьезоэлектрическими пластинами, к металлизированным поверхностям каждой из пластин присоединены проводники коаксиального кабеля, причем сумма длины пластин и толщины кольца совпадает с глубиной цилиндрической полой части металлического корпуса, а расстояние между внешними металлизированными поверхностями пластин, ширину пластин, зазор между внутренней поверхностью металлического корпуса датчика и краем внешней металлизированной поверхности пьезоэлектрической пластины рассчитывают по формуле.
Данное техническое решение также имеет недостатки. Основным недостатком данного решения является сложность и многокомпонентность конструкции пьезоэлектрического узла, что не исключает появления при сборке несимметричных остаточных напряжений в элементах конструкции, что влечет вероятность несбалансированной работы каналов датчика.
Другим недостатком данного технического решения является ограничение функциональных возможностей, заключающееся в ограниченности формирования числа сигнальных каналов (двумя каналами).
Техническая проблема заключается в разработке чувствительного датчика изгибающего момента для вихревых расходомеров, способного работать при высоких температурах и давлениях измеряемой среды протекающих потоков жидкости и газа и имеющего симметричную характеристику каналов и возможность реализации многоканальной конструкции.
Технический результат заключается в повышении уровня балансировки каналов за счет изменения конструкции пьезоэлектрического узла и закрепления его в корпусе датчика посредством высокотемпературного клеящего вещества; а также в расширении функциональных возможностей датчика (увеличение числа сигнальных каналов); это позволит упростить конструкцию расходомера посредством установки, например, одного четырехканального датчика вместо двух двухканальных.
согласно решению,
Технический результат заявляемого решения достигается тем, что в датчике изгибающего момента для вихревых расходомеров жидкости или газа, содержащем полый цилиндрический металлический корпус, оканчивающийся с одной стороны донышком, соединенным с клиновидным крылом, а с другой стороны герметичным вводом с двумя или более коаксиальными кабелями, имеющими экранные и центральные проводники, соединенные с пьезоэлектрическим узлом, расположенным внутри корпуса,и представляющим собой, по крайней мере, одну пару пьезоэлектрических пластин с параллельно расположенными плоскостями,  поляризованных по толщине и имеющие металлизированные поверхности,  каждая из пьезоэлектрических пластин имеет форму шестиугольника, образованного прямоугольником и квадратом, одна из сторон которого совмещена с короткой стороной прямоугольника, а другая является продолжением длинной стороны прямоугольника, так что квадрат образует выступ, являющийся продолжением металлизированной плоскости пьезоэлектрической пластины со стороны герметичного ввода, ширина выступов составляет половину ширины короткой стороны пьезоэлектрической  пластины, проводники коаксиального кабеля присоединены к выступам каждой из пластин, пластины развернуты одна относительно другой на 180 градусов относительно длинной стороны и сориентированы между собой так, что выступы с проводниками оказываются расположенными со стороны герметичного ввода, причем выступ одной пластины оказывается смещенным по ширине пластины относительно выступа другой на половину ширины пластины,  при этом пластины закреплены в корпусе с помощью слоя из высокотемпературного клеящего вещества так, что торцы пластин, свободные от выступов, закреплены по центру донышка корпуса вблизи клиновидного крыла, а торцы пластин с выступами и проводниками скреплены с корпусом со стороны герметичного ввода, при этом высота слоя клеящего вещества с каждого из торцов составляет не более 1/5 длины пластины, а параллельно длинной стороне пластины со стороны герметичного ввода размещен микрокапилляр, пронизывающий слой клеящего вещества.
Пьезоэлектрические пластины в паре соединены между собой металлизированными плоскостями и плоскость их соединения совпадает с плоскостью симметрии, делящей пополам клин клиновидного крыла.
Пьезоэлектрические пластины отстоят друг от друга на расстояние, превышающее внешний диаметр капилляра, а капилляр расположен между пьезоэлектрическими пластинами.
Пьезоэлектрический узел представляет собой, по крайней мере, две пары пьезоэлектрических пластин, соединенных между собой металлизированными плоскостями, расположенных симметрично относительно плоскости симметрии, делящей пополам клин клиновидного крыла, а капилляр расположен между парами соединенных между собой пластин.
Изобретение поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 показана общая конструкция заявляемого изобретения;
- на фиг. 2 показана конструкция датчика, в которой пьезоэлектрические пластины соединены между собой металлизированными плоскостями;
- на фиг.3 показана конструкция датчика, где пьезоэлектрические пластины отстоят друг от друга на расстояние, превышающее внешний диаметр капилляра, а капилляр расположен между пьезоэлектрическими пластинами;
- на фиг.4  представлена конструкция датчика, в которой пьезоэлектрический узел представляет собой, по крайней мере, две пары пьезоэлектрических пластин, соединенных между собой металлизированными плоскостями, расположенных симметрично относительно плоскости симметрии, делящей пополам клин клиновидного крыла, а капилляр расположен между парами соединенных между собой пластин;
- на фиг. 5 изображена геометрия пластины с выступом и присоединенными проводниками коаксиального кабеля (а) и конструкция пьезоэлектрического узла (б), представляющего собой пару пьезопластин, ориентированных между собой определенным образом.
- на фиг.6 представлены скриншоты графиков импульсных откликов, ординаты которых характеризуют чувствительность каналов датчика. На графике а) показан вариант несбалансированных каналов, а на графике б) – вариант сбалансированных каналов.
На чертежах (фиг.1 – фиг. 5) позициями обозначено:
1 – металлический корпус;
2 – клиновидное крыло;
3 – измерительная труба;
4 – кабельный ввод;
5 – коаксиальные кабели, имеющие экранные и центральные проводники;
6 – пьезоэлектрический узел;
7 – пьезоэлементы (пьезоэлектрические пластины) ;
8 – выступ;
9 – слой клеящего вещества (состава) ;
10 – микрокапилляр;
11 – тело обтекания.
Датчик изгибающего момента для вихревых расходомеров жидкости или газа содержит полый цилиндрический металлический корпус 1, оканчивающийся с одной стороны клиновидным крылом 2, выходящим в измерительную трубу 3, а с другой стороны герметичным вводом 4 с двумя или более коаксиальными кабелями 5, имеющими экранные и центральные проводники, соединенные с пьезоэлектрическим узлом 6, расположенным внутри корпуса 1. Пьезоэлектрический узел 6 представляет собой, по крайней мере, одну пару пьезоэлементов 7 (пьезоэлектрических пластин), поляризованных по толщине и имеющих металлизированные плоские поверхности, каждая пластина выполнена в форме прямоугольника, на одном из торцов которого имеется выступ 8, ширина которого составляют половину ширины торца пластины 7 и являющийся продолжением металлизированной плоскости пластины, к металлизированным поверхностям выступа каждой из пластин присоединены проводники коаксиального кабеля 5. Пластины развернуты одна относительно другой на 180 градусов относительно длинной стороны и сориентированы между собой так, что выступы 8 с присоединенными проводниками коаксиальных кабелей 5 оказываются расположенными по одну сторону торца пластин, причем выступ 8 одной пластины оказывается смещенным по ширине пластины относительно выступа 8 другой на половину ширины пластины, пьезопластины закреплены в полом цилиндре металлического корпуса 1 с помощью высокотемпературного клеящего состава 9 так, что торцы пластин 7, свободные от выступов 8 закреплены по центру донышка полого цилиндра металлического корпуса вблизи клиновидного крыла 2, а торцы пластин 7 с выступами 8 и проводниками коаксиальных кабелей 5 скреплены с корпусом 1 у свободного края полого цилиндра со стороны герметичного ввода 4, так что клеящий состав 9 с каждого из торцов закрывает не более 1/5 длины стороны пластины 7 между противоположными торцами, при этом параллельно длинной стороне пластины 7 со стороны герметичного ввода 4 размещен микрокапилляр 10, пронизывающий слой клеящего состава 9. В измерительной трубе 3 перед датчиком (датчиками) в движущемся потоке измеряемых жидкости или газа, расположено тело обтекания 11, являющееся источником вихревых образований (вихрей Кармана), создающих попеременное (с каждой плоскости крыла) давление на крыло датчика (датчиков) с частотой, пропорциональной скорости движения потока жидкости или газа.
В другом варианте технического решения пьезоэлектрические пластины 7 в паре соединены между собой металлизированными плоскостями и плоскость их соединения совпадает с плоскостью симметрии, делящей пополам клин клиновидного крыла 2.
Еще в одном варианте решения пьезоэлектрические пластины 7 отстоят друг от друга на расстояние, превышающее внешний диаметр капилляра 10, а капилляр 10 расположен между пьезоэлектрическими пластинами 7.
Еще в одном варианте заявляемого технического решения пьезоэлектрический узел 6 представляет собой, по крайней мере, две пары пьезоэлектрических пластин 7, соединенных между собой металлизированными плоскостями, расположенных симметрично относительно плоскости симметрии, делящей пополам клин клиновидного крыла 2, а капилляр 10 расположен между парами соединенных между собой пластин 7.
Устройство работает следующим образом.
Датчик устанавливается в измерительной трубе 3 за телом обтекания 11 по ходу жидкостного или газового потока так, что плоскость симметрии, делящая пополам клин клиновидного крыла 2, оказывается параллельной оси измерительной трубы 3. Периодическая последовательность вихрей (см. фиг.1), возникающих в измерительной трубе 3 за телом обтекания 11, вызывает поочередно давление на каждую из плоскостей клиновидного крыла 2 датчика изгибающего момента с частотой, равной обратному значению периода колебаний крыла и пропорциональной скорости движения измеряемого жидкостного или газового потока. Колебания крыла 2 вызывают изгибные деформации корпуса 1 датчика и, как следствие – изгибные деформации пьезопластин 7 пьезоэлектрического узла 6 датчика. Изгибные деформации пьезопластин 7, вследствие пьезоэффекта, индуцируют появление электрических зарядов на металлизированных поверхностях пьезопластин, металлизированные поверхности каждой из которых электрически соединены с проводниками коаксиальных кабелей 5.
Электрическое напряжение, снимаемое с выхода датчика, определяется отношением индуцированного заряда к суммарной ёмкости пьезоэлектрического чувствительного узла 6 и выводного кабеля 5.
Пример конкретного исполнения датчика изгибающего момента.
Корпус датчика, изготовленный из титана, имеет клиновидное крыло длиной 16 мм. Полый цилиндрический канал корпуса датчика имеет диаметр 5 мм и глубину, равную длине пьезокерамических пластин. Ширина пьезокерамических пластин варьируется от 4 до 5 мм, в зависимости от варианта исполнения датчика. Так в решении по одному из вариантов пара пьезопластин размещается в диаметральной плоскости канала и имеет максимальную ширину, равную диаметру канала (5 мм). В другом варианте пластины отстоят друг от друга на расстояние, превышающее диаметр капилляра (в данном примере диаметр капилляра равен 0.5 мм); ширина пьезопластин в данном варианте выбирается равной 4.5 мм. В третьем варианте две пары пластин, соединенных между собой металлизированными плоскостями, располагаются симметрично относительно плоскости симметрии, делящей пополам клин клиновидного крыла, а капилляр располагается между парами соединенных между собой пластин. В этом случае ширина пьезопластин выбирается равной 4 мм.
Фиксация пьезопластин в корпусе датчика осуществляется высокотемпературным клеящим составом. Высота слоя клеящего вещества с каждого из торцов составляет не более 1/5 длины пластины. Такое ограничение обусловлено тем обстоятельством, что при закрывании клеящим веществом пьезоэлектрической пластины, происходит её механическое демпфирование, что снижает передачу механического напряжения от корпуса к пьезоэлектрической пластине. Эксперименты показывают, что значение высоты слоя клеящего вещества в 1/5 длины пьезоэлектрической пластины оказывается достаточным для жесткой фиксации её торцов с корпусом и, в то же время центральная часть пьезоэлектрической пластины, свободная от клеящего вещества имеет достаточную площадь для трансформации в электрический сигнал изгибающего момента, передаваемого от корпуса датчика. В приведенном примере высота клеящего вещества с каждого из торцов составляет 2.5 мм, что не превышает 1/5 от длины пьезоэлектрической пластины в 14 мм.
8
Растворителем клеящего состава служит вода, или иная жидкость, которая имеет конечную ионную проводимостью. В то же время для корректной работы электронных схем расходомеров, обрабатывающих сигналы, поступающие с датчиков, требуется высокое сопротивление развязки между сигнальным электродом и корпусом датчика (как правило, эти значения сопротивления развязки составляют R ≥ 10 Ом). Для обеспечения такого сопротивления развязки в конструкции датчика предусмотрен капилляр, позволяющий при высушивании (прокаливании, или полимеризации) молекулам растворителя, присутствующим в обоих слоях склейки (на донышке и у края канала), вылетать из замкнутого объема канала, расположенного между двумя склейками.
Присоединение проводников коаксиальных кабелей к контактным площадкам выступов пьезопластин осуществляется в данном примере высокотемпературным припоем.
Для предотвращения замыкания электродов металлизированной поверхности пьезопластин с металлическим корпусом, на ребрах пьезопластин, обращенных к металлическому корпусу канала, выполнены фаски размером 0.3х45° .
На Фиг.6. показаны графики импульсных откликов (на калиброванное механическое воздействие на лопатки датчиков), ординаты которых характеризуют чувствительность каналов датчика. Датчики, выполненные в соответствии с заявляемым техническим решением, имеют (в среднем по выборке) более высокую сбалансированность каналов в сравнении с прототипом, что является одним из основных факторов, определяющих точность измерений расхода жидкости или газа электронными схемами расходомеров. Степень сбалансированности каналов определяется как выраженное в процентах отношение разности и суммы максимальных амплитуд откликов каждого из каналов на калиброванное механическое воздействие на лопатку датчика. Задаваемые требования: разбалансировка не должна превышать 15%.
На фиг.6 а) показан график – разбалансированных каналов (разбалансировка составляет ~ 25%), а на графике б) – сбалансированные каналы  - разбалансировка составляет 3% .
В таблице 1 приведено сопоставление экспериментальных данных сбалансированности каналов у прототипа и у заявляемого решения. В эксперименте использовались выборки из 100 датчиков каждого варианта.
Таблица 1
Испытуемый датчик
Количество датчиков со сбалансированными каналами (в выборке из 100 датчиков)
Заявляемое устройство
96
Прототип
65
Из таблицы 1 видно, что в выборке из 100 экспериментальных датчиков каждого из вариантов (прототипа и заявляемого технического решения) количество датчиков, имеющих сбалансированные по уровню чувствительности каналы (сбалансированными считаются каналы одного датчика, у которых уровни чувствительности отличаются не более, чем 15%) у прототипа оказалось равным 65, а у заявляемого решения 96. То есть применение заявляемого технического решения позволяет увеличить процент выхода датчиков, удовлетворяющих заданным требованиям по балансировке каналов в 1.47 раз.