Преобразователь вихрей вихревого расходомера
VORTEX FLOWMETER VORTEX CONVERTER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в вихревых расходомерах для измерения объемного расхода с использованием вихрей Кармана.
Известен вихревой расходомер, представленный в п. РФ №2279638 «Вихревой расходомер», по кл. G01F 1/32, з. 6 августа 2004 г.
Известный расходомер содержит установленный в измерительной трубе корпус, в котором размещены тело обтекания, расположенное по диаметру корпуса и закрепленное в нем по крайней мере в одной точке и датчик, вставленный в отверстие в стенке корпуса за телом обтекания и закрепленный в отверстии посредством установочного фланца и прижимной гайки.
Датчик состоит из стержня-сенсора (крыла), двух мембран, соединенных рычагом с балансиром и пьезоэлемента, установленного на верхней мембране. Пьезоэлемент выполнен в виде плоского диска, имеющего три электрода - базовый на нижней поверхности и два электрода на верхней поверхности, симметричных относительно оси симметрии датчика и связанных с устройством обработки сигналов. Стержень-сенсор непосредственно воспринимает колебания давления за телом обтекания и передает их на нижнюю мембрану, которая передает усилия на верхнею мембрану. Пьезоэлемент преобразует механические усилия сжатия в электрический сигнал, который снимается с электродов и поступает на устройство обработки сигналов.
Недостатками являются сложность конструкции датчика с двумя мембранами, что увеличивает сложность изготовления и сборки. Необходимость передавать усилия между двумя мембранами снижает чувствительность датчика, так как требуется выдерживать определенное соотношение для размеров мембран по толщине. Это увеличивает затраты на изготовление, приводит к конструктивным ограничениям по размерам диаметра корпуса проточной части и ограничениям по максимальным рабочим давлениям, вызванных противоречиями по обеспечению прочности конструкции датчика и его чувствительностью.
Известен датчик вихрей для вихревого расходомера с емкостным чувствительным элементом, представленный в п. США №6003384 «Vortex flow sensor with a capacitive sensing element» по кл. G01F 1/32, з. 21 декабря 1999 г.
Датчик вихрей выполнен как независимый компонент и располагается либо в отверстии тела обтекания, либо за телом обтекания в отверстии проточной части вихревого расходомера.
Датчик вихрей содержит мембрану, закрывающую отверстие в проточной части расходомера. На мембране на одной стороне имеется крыло, выступающее в поток и воспринимающая колебания давления вихрей. На противоположной стороне мембраны имеется электродная сборка в виде цилиндра с электродом. Крышка корпуса датчика закрывает электродную сборку и мембрану и закреплена на проточной части. Крышка корпуса датчика содержит внутри вторую электродную сборку со вторым электродом. В сборе крышка корпуса датчика совместно с электродными сборками образует емкостный чувствительный элемент. При работе крыло непосредственно воспринимает колебания давления за телом обтекания и передает их на мембрану, которая изгибается и заставляет перемещаться электродную сборку. За счет перемещения электродной сборки изменяется емкость чувствительного элемента, которая измеряется устройством обработки сигналов. Частота изменения емкости равна частоте колебаний давления вихрей.
Недостатками являются сложность конструкции датчика с емкостным чувствительным элементом, так как при изготовлении и сборке требуется выдерживать минимальный зазор между электродными сборками с целью обеспечить требуемую чувствительность, что увеличивает сложность изготовления и сборки датчика. Сложность изготовления датчика объясняется необходимостью изготовления единой детали, состоящей из мембраны, крыла и электродной сборки. Кроме того, конструкция датчика с мембраной имеет ограничениям по максимальному рабочему давлению, так как необходимо иметь достаточно тонкую по толщине и большую по площади мембрану для обеспечения чувствительности и в тоже время необходимо иметь требуемый запас по прочности мембраны при воздействии рабочих давлений.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой конструкции является преобразователь вихрей для вихревого расходомера, представленный в п. США №6352000 «Vortex flow sensor», по кл. G01F 1/32, з. 5 марта 2002 г. и выбранный в качестве прототипа.
В патенте описан преобразователь вихрей вихревого расходомера для измерения скорости и/или расхода потока рабочей среды, протекающей через проточную часть расходомера. Проточная часть содержит тело обтекания для создания вихрей Кармана и преобразователь вихрей, установленный в проточной части за телом обтекания и воспринимающий пульсации давления вихрей. Преобразователь вихрей установлен таким образом, что его плоскость симметрии, совпадает по направлению с вертикальной плоскостью, проходящей через ось проточной части и плоскость симметрии тела обтекания.
Преобразователь вихрей имеет мембрану, герметично закрывающее отверстие в проточной части расходомера. На поверхности мембраны со стороны потока имеется крыло в виде жесткой плоской пластины. На внутренней поверхности мембраны установлен пьезоэлемент, который прижат к ней через контактную шайбу с помощью фланцев, втулки и крепежа. Контактная шайба выполнена из изолирующего материала, например, керамики. Герметичность соединения обеспечивается кольцевой прокладкой, зажатой в канавке кольцевой части мембраны.
Пьезоэлемент выполнен в виде плоского диска, имеющего три электрода - базовый на нижней поверхности и два разделенных электрода на верхней поверхности. Разделенные электроды расположены симметрично относительно плоскости крыла.
При работе расходомера создаются вихри Кармана, которые воздействуют на крыло и вызывают колебание в направлении, перпендикулярном его плоским поверхностям. Эти колебания передаются мембраной на пьезоэлемент в виде усилий сжатия-расширения. Пьезоэлемент преобразует механические усилия сжатия-расширения в электрический сигнал, который снимается с электродов и поступает на устройство обработки сигналов.
Недостатками известного преобразователя вихрей является сложная конструкция мембраны с крылом и кольцевой частью, как единой детали, и сложность конструкции преобразователя вихрей, требующая большого количества крепежных деталей, что увеличивает себестоимость изготовления, трудоемкость сборки и настройки. Конструкция преобразователя вихрей имеет ограничения по максимальным рабочим давлениям и температурам, вызванных противоречиями по обеспечению прочности и чувствительности. Для обеспечения чувствительности необходимо иметь достаточно тонкую по толщине и большую по площади мембрану и в тоже время необходимо иметь требуемый запас по прочности мембраны при воздействии максимальных рабочих давлений и температур.
Задачей является упрощение конструкции преобразователя вихрей и технологии его изготовления при обеспечении соответствия требованиям по прочности и чувствительности при воздействии рабочего давления и температуры.
Поставленная задача решается тем, что в вихревом расходомере, включающем проточную часть, содержащую тело обтекания для создания вихрей Кармана, и преобразователь вихрей с крылом в виде плоской жесткой пластины со стороны потока, установленный за телом обтекания таким образом, что его плоскость симметрии совпадает с вертикальной плоскостью, проходящей через ось проточной части и плоскость симметрии тела обтекания, и содержащий чувствительный элемент с пьезоэлементом, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ, преобразователь вихрей выполнен в виде единой неразъемной и соединенной с помощью сварки конструкции, состоящей из полого цилиндрического корпуса с основанием, фланцем и крылом, воспринимающим вихри Кармана и расположенным на наружной стороне основания, и чувствительного элемента цилиндрической формы со сквозным отверстием для кабеля, установленного внутри полого цилиндрического корпуса, и имеющего снизу пьезоэлемент, металлический контакт и керамический изолятор, прижатые к основанию внутри полости цилиндрического корпуса с заданным усилием при сварке.
Выполнение преобразователя вихрей в виде единой монолитной конструкции из полого цилиндрического корпуса с основанием, фланцем и расположенным на наружной стороне основания крылом, и установленного в этом же корпусе чувствительного элемента цилиндрической формы позволяет обойтись без отдельной мембраны и элементов крепления к ней пьезоэлемента, что упрощает конструкцию преобразователя и технологию его изготовления, а размещение снизу чувствительного элемента пьезоэлемента, металлического контакта и керамического изолятора, прижатых к основанию внутри полости цилиндрического корпуса с заданным усилием при сварке, убирает противоречия между требованиями к необходимой чувствительности преобразователя и его прочности.
Технический результат - упрощение конструкции преобразователя и технологии его изготовления при соответствии требованиям прочности и необходимой чувствительности.
Заявляемый преобразователь вихрей обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как выполнение преобразователя вихрей в виде единой неразъемной и соединенной с помощью сварки конструкции, состоящей из полого цилиндрического корпуса с основанием, фланцем и воспринимающим вихри Кармана крылом, расположенным на наружной стороне основания, установка чувствительного элемента цилиндрической формы со сквозным отверстием для кабеля внутри полого цилиндрического корпуса, размещение с нижней стороны чувствительного элемента пьезоэлемента, металлического контакта и керамического изолятора, прижатых к основанию внутри полости цилиндрического корпуса с заданным усилием при сварке, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, которые обеспечивали бы в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемый преобразователь вихрей вихревого расходомера соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемый преобразователь вихрей может найти широкое применение в измерительной технике, а именно в вихревых расходомерах, и потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Изобретение иллюстрируется чертежами, где представлены на:
- фиг. 1 - общий вид вихревого расходомера с преобразователем вихрей;
- фиг. 2 - преобразователь вихрей в сборе;
- фиг. 3 - чувствительный элемент преобразователя вихрей;
- фиг. 4 - сигналы с преобразователя вихрей, полученные при испытаниях;
- фиг. 5 - таблица и график с результатами испытаний.
Вихревой расходомер (фиг. 1) содержит проточную часть 1 и тело 2 обтекания, установленное в проточной части 1 поперек диаметра. Тело 2 обтекания генерирует вихри Кармана, создающие пульсации 3 давления в проточной части 1 с частотой, пропорциональной скорости потока. Преобразователь 4 вихрей расположен за телом 2 обтекания по направлению потока 5 или в теле 2 обтекания и воспринимает пульсации 3 давления вихрей. Преобразователь 4 вихрей 4 закреплен в проточной части 1 с помощью прижимного фланца 6. Сигнал с преобразователя 4 вихрей передается по кабелю 7.
Преобразователь 4 вихрей в сборе (фиг. 2) содержит цилиндрический корпус 8 с полостью 9 и фланцем 6. В нижней части корпуса 8 имеется основание 10 к поверхности которого с внутренней стороны установлен чувствительный элемент 11, на наружной стороне основания 10 имеется крыло 12, взаимодействующее с потоком. Крыло 12 выполнено в виде плоской пластины заодно с цилиндрическим корпусом 8. Чувствительный элемент 11 прижат к основанию 10 с усилием 13, заданным при сварке цилиндрического корпуса 8 и чувствительного элемента 11. Монолитность конструкции преобразователя 4 вихрей обеспечивается сварным швом 14 при сварке цилиндрического корпуса 8 и корпуса 15 чувствительного элемента 11. Кабель 7 проходит насквозь через отверстие чувствительный элемент 11.
Чувствительный элемент 11 (фиг. 3) состоит из корпуса 15 цилиндрической формы с отверстием для кабеля 7. В верхней части корпуса 15 имеется выступ 16 для приварки к цилиндрическому корпусу 8 преобразователя. В нижней части корпуса 15 установлены пьезоэлемент 17 в виде плоского диска с отверстием, металлический контакт 18 и керамический изолятор 19. Сборка из пьезоэлемента 17, контакта 18 и изолятора 19 прижимается к нижней части корпуса 15 с усилием 13 при сварке преобразователя 4 вихрей.
Толщина основания цилиндрического корпуса 8 преобразователя выбирается из условия обеспечения требуемой прочности при воздействии давления среды и одновременном обеспечении требуемой величины деформации основания и цилиндрического корпуса. Толщина стенок цилиндрического корпуса 8 выбирается из условия обеспечения требуемой прочности при воздействии давления среды и обеспечения требуемой чувствительности при совместной деформации основания и стенок цилиндра. При этом толщина стенки цилиндра может быть больше толщины основания 10 за счет большой деформируемой площади, что позволяет расширить диапазон максимальных рабочих давлений преобразователя вихрей при обеспечении заданной чувствительности.
При работе расходомера создаются вихри Кармана, которые воздействуют на крыло 12 преобразователя вихрей и вызывают колебание в направлении, перпендикулярном его плоским поверхностям. Колебания крыла 12 вызывают деформацию основания 10 и цилиндрического корпуса 8 и воздействие циклических усилий сжатия-расширения на пьезоэлемент 17, что приводит к деформации пьезоэлемента 17 и появление переменного напряжения, соответствующего частоте вихрей на выходе пьезоэлемента 17, которое через кабель 7 поступает на схему обработки сигналов расходомера (на чертежах не показана).
Проведенные испытания подтвердили работоспособность преобразователя вихрей. В таблице (фиг. 4) приведены примеры сигналов для преобразователя вихрей при работе в вихревом расходомере условным диаметром 150 мм при испытаниях по воде для скорости потока 7 м/с.
Дополнительно в таблице и на графике (фиг. 5) приведены результаты испытаний преобразователя вихрей при работе в вихревом расходомере с условным диаметром 150 мм при испытаниях по воде для скоростей потока от 0,47 до 7 м/с.
Проведенные испытания подтвердили работоспособность преобразователя вихрей и показали хорошую линейность выходного сигнала преобразователя вихрей для всего диапазона рабочих скоростей вихревого расходомера.
В сравнении с прототипом заявляемый преобразователь вихрей имеет более простые конструкцию и технологию ее изготовления и обеспечивает соответствие конструкции требованиям чувствительности и прочности при воздействии рабочего давления и температуры.