Пьезоэлектрический преобразователь вихрей
PIEZOELECTRIC 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.б 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, вызванным противоречиями по обеспечению прочности конструкции датчика и его чувствительностью.
Известен преобразователь вихрей для вихревого расходомера, представленный в п. США №6352000 «Vortex flow sensor», по кл. G01F 1/32, з.5 марта 2002 г.
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 установлен таким образом, что его плоскость симметрии, совпадает по направлению с вертикальной плоскостью, проходящей через ось проточной части и плоскость симметрии тела обтекания.
Преобразователь имеет сборную конструкцию, состоящую из кольцевой детали, имеющей мембрану с крылом, герметично закрывающей отверстие в проточной части расходомера, прижимного фланца, контактной шайбы и пьезоэлемента. 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 общая сборная конструкции преобразователя вихрей, требующая большого количества крепежных деталей, что увеличивает себестоимость изготовления, трудоемкость сборки и настройки. Использование в конструкции преобразователя керамической изолирующей контактной шайбы, передающей усилия прижатия от фланца на пьезоэлемент, требует при сборке преобразователя контролировать усилие прижатия для исключения разрушения керамической шайбы, что увеличивает трудоемкость сборки преобразователя. 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.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой конструкции является преобразователь вихрей вихревого расходомера, представленный в п. РФ №2691285 «Преобразователь вихрей вихревого расходомера», по кл. G01F 1/32, з. 30 августа 2018 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 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.
Чувствительный элемент состоит из корпуса цилиндрической формы с отверстием для кабеля. В верхней части корпуса чувствительного элемента имеется выступ для приварки к корпусу преобразователя. В нижней части корпуса чувствительного элемента установлены пьезоэлемент в виде плоского диска с отверстием, металлический контакт и керамический изолятор. Сборка, состоящая из пьезоэлемента, кабеля, металлического контакта и керамического изолятора, прижимается к нижней части корпуса чувствительного элемента с заданным усилием при сварке преобразователя вихрей.
При работе расходомера создаются вихри Кармана, которые воздействуют на крыло преобразователя вихрей и вызывают колебание в направлении, перпендикулярном его плоским поверхностям. Колебания крыла вызывают деформацию основания цилиндрического корпуса преобразователя и воздействие циклических усилий сжатия-расширения на пьезоэлемент, что приводит к деформации пьезоэлемента и появлению переменного напряжения, соответствующего частоте вихрей на выходе пьезоэлемента, которое через металлический контакт и кабель поступает на схему обработки сигналов расходомера.
Недостатками известного преобразователя вихрей являются следующие. В конструкции чувствительного элемента, состоящей из пьезоэлемента, металлического контакта и керамического изолятора, через который передается усилие прижатия при сварке преобразователя и которое требуется контролировать для исключения разрушения керамического изолятора, что приводит к увеличению трудоемкости сборки преобразователя.
Керамический изолятор не обеспечивает точной передачи усилий сжатия - расширения на пьезоэлемент при воздействии вихрей на крыло преобразователя из-за наличия микрозазоров между пьезоэлементом, керамическим изолятором и основанием корпуса преобразователя, вызванных не идеальностью плоскостей поверхностей пьезоэлемента, керамического изолятора и наличия вывода прижатого кабеля, что приводит к уменьшению усилий сжатия-расширения, действующих на пьезоэлемент, и уменьшение чувствительности преобразователя вихрей в целом.
Задачей является увеличение чувствительности преобразователя вихрей при снижении трудоемкости сборки и повышении надежности преобразователя.
Поставленная задача решается тем, что в вихревом расходомере, включающем проточную часть, содержащую тело обтекания для создания вихрей Кармана, пьезоэлектрический преобразователь вихрей в виде единой неразъемной и соединенной с помощью сварки конструкции, состоящей из полого цилиндрического корпуса с основанием, фланцем и крылом в виде плоской жесткой пластины расположенным на наружной стороне основания и воспринимающим вихри Кармана, 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, установленный внутри цилиндрического корпуса, пьезоэлемент, выполненный в виде диска, имеющего электроды на нижней и верхней поверхностях, расположенные симметрично относительно крыла СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ, чувствительный элемент имеет корпус цилиндрической формы, выполненный с проходящим через сквозное отверстие в его центре кабелем, загнутым на конце и прижатым к металлическому контакту, который замыкает пару электродов на одной стороне пьезоэлемента, пара электродов с другой стороны которого замкнута между собой металлическим основанием корпуса чувствительного элемента, при этом металлический контакт изолирован от корпуса с помощью изолятора, выполненного из пластичного в исходном состоянии композитного материала, застывающего после сборки и выдержки с образованием керамического диска с помощью формообразующего элемента, выполненного в виде цилиндрического тонкостенного металлического стаканчика, приваренного снизу к основанию чувствительного элемента и закрывающего собой расположенные внутри на его дне изолятор из композитного материала, металлический контакт и пьезоэлемент.
Выполнение чувствительного элемента с кабелем, проходящим через сквозное отверстие в корпусе чувствительного элемента, загнутым на конце и прижатым к металлическому контакту, замыкающим электроды пьезоэлемента с одной стороны, и металлическим основанием корпуса чувствительного элемента, замыкающим электроды с другой стороны, с изолятором из композитного пластичного при сборке материала, изолирующим металлический контакт от корпуса, расположенным на дне цилиндрического формообразующего элемента (стаканчика) и затвердевшим в сборке, в совокупности обеспечивает беззазорный контакт пьезоэлемента, металлического контакта и основания корпуса чувствительного элемента и монолитность конструкции чувствительного элемента, которая обеспечивает полную передачу усилий сжатия-расширения на пьезоэлемент при воздействии вихрей на крыло преобразователя, что приводит к повышению чувствительности преобразователя вихрей. Конструктивное решение, в котором пьезоэлемент, металлический контакт и изолятор из композитного материала закрыты цилиндрическим формообразующим элементом (стаканчиком) из тонкостенного металла, приваренным с заданным усилием к основанию чувствительного элемента, формирующим требуемую форму изолятора после затвердевания композитного материала и обеспечивающим дополнительную защиту сборки пьезоэлемента, металлического контакта и изолятора от воздействия внешних факторов, повышает надежность преобразователя. Использование пластичного в исходном состоянии композитного материала в качестве изолятора, затвердевшего в сборке и обеспечивающего необходимый плотный беззазорный контакт пьезоэлемента при сборке чувствительного элемента позволяет обойтись без контроля усилия прижатия при сварке, что приводит к уменьшению трудоемкости сборки преобразователя, , и исключить разрушение керамического изолятора при сборке, что повышает надежность преобразователя.
Технический результат - повышение чувствительности преобразователя вихрей при снижении трудоемкости сборки и повышении надежности.
Заявляемый преобразователь вихрей обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как, выполнение чувствительного элемента с корпусом цилиндрической формы, выполненным с проходящим через сквозное отверстие в его центре кабелем, загнутым на конце и прижатым к металлическому контакту, который замыкает пару электродов на одной стороне пьезоэлемента, замыкание пары электродов между собой с другой стороны пьезоэлемента металлическим основанием корпуса чувствительного элемента, изоляция металлического контакта от корпуса с помощью изолятора, выполнение этого изолятора из пластичного в исходном состоянии композитного материала, застывающего после сборки и выдержки с образованием керамического диска с помощью формообразующего элемента, выполненного в виде цилиндрического тонкостенного металлического стаканчика, приваренного снизу к основанию чувствительного элемента и закрывающего собой расположенные внутри на его дне изолятор из композитного материала, металлический контакт и пьезоэлемент, обеспечивающими в совокупности достижение заданного технического результата.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, которые обеспечивали бы в совокупности достижение заданного технического результата, поэтому он считает, что заявляемый преобразователь вихрей 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 - сборка чувствительного элемента;
-  фиг. 5 - таблицы 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 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 фланцем 9. В нижней части корпуса 8 имеется основание 10, на поверхность которого с внутренней стороны установлен чувствительный элемент 11, а 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 И. Монолитность конструкции преобразователя 4 вихрей обеспечивается сварным швом 14 при сварке цилиндрического корпуса 8 и чувствительного элемента 11. Кабель 7 проходит насквозь через отверстие в корпусе чувствительного элемента 11.
Чувствительный элемент 11 (фиг. 3) состоит из корпуса 15 цилиндрической формы с отверстием 16 для кабеля 7. В верхней части корпуса 15 имеется выступ 17 для приварки к цилиндрическому корпусу 8 преобразователя. К нижней части корпуса 15 приварен с усилием прижатия 18 тонкостенный металлический формообразующий элемент (стаканчик) 19, обеспечивающий монолитность конструкции чувствительного элемента 11 сварным швом 20.
Сборка (фиг. 4) чувствительного элемента 11 выполнена внутри тонкостенного металлического стаканчика 19 и состоит из пьезоэлемента 21 в виде плоского диска с отверстием, имеющего электроды на нижней и верхней поверхностях, металлического контакта 22 и изолятора 23 внутри стаканчика 19, кабеля 7 с загибом 24 на конце и прижатым к металлическому контакту 22. Металлический контакт 22 замыкает пару электродов на одной стороне пьезоэлемента 21. Вторая пара электродов с другой стороны замыкается между собой металлическим основанием 15 корпуса чувствительного элемента 11. При этом изолятор 23 выполнен из пластичного в исходном состоянии композитного материала в виде плоского керамического диска, сформированного при застывании в сборке композитного материала с помощью стаканчика 19. Стаканчик 19 приварен с заданным усилием снизу к основанию корпуса 15 чувствительного элемента 11. Монолитность конструкции чувствительного элемента 11 обеспечивается сварным швом 20 при приварке стаканчика 19 с заданным усилием 18, изолятором 23 из композитного материала, являющегося пластичным при сборке и становящегося монолитным после затвердевания , обеспечивающим сборку чувствительного элемента 11 без зазоров.
В качестве композитного материала может быть использован материал типа «холодной сварки», полимерной керамики, нанокомпозита, который в нормальных условиях обладает достаточной пластичностью, позволяющей заполнить все имеющиеся зазоры при сборке чувствительного элемента 11. После сборки и затвердевания в нормальных условиях или при повышенной температуре композитный материал приобретает свойства керамики, обеспечивая требуемую изоляцию и плотное прилегание всех элементов сборки друг к другу. Этим обеспечивается беззазорный контакт пьезоэлемента 21, металлического контакта 22 и основания корпуса 15 и монолитность конструкции чувствительного элемента 11, которая обеспечивает полную передачу усилий сжатия-расширения на пьезоэлемент 21 при воздействии давления вихрей 3 на крыло 12 преобразователя вихрей, что приводит к повышению чувствительности преобразователя вихрей 4.
При работе расходомера создаются вихри Кармана, которые воздействуют на крыло 12 преобразователя вихрей и вызывают колебания его в направлении, перпендикулярном его плоским поверхностям. Колебания крыла 12 вызывают деформацию основания 10 и воздействие циклических усилий сжатия-расширения на пьезоэлемент 21, что приводит к деформации пьезоэлемента 21 и появлению переменного напряжения, соответствующего частоте вихрей на выходе пьезоэлемента 21, которое через кабель 7 поступает на схему обработки сигналов расходомера (на чертежах не показана).
Проведенные испытания подтвердили повышение чувствительности преобразователя вихрей по сравнению с прототипом. В таблицах (фиг. 5) приведены сравнительные параметры сигналов (Таблица 1) и метрологические характеристики (Таблица 2) для прототипа Пр 1 преобразователя вихрей и предлагаемого Пр 2 преобразователя вихрей при работе в вихревом расходомере условным диаметром 200 мм при испытаниях по воде для скоростей потока от 0,26 до 8 м/с.
Проведенные испытания подтвердили работоспособность преобразователя вихрей и показали увеличение выходного сигнала преобразователя вихрей на 40% по сравнению с прототипом и погрешность в пределах ±0,55% для всего диапазона рабочих скоростей вихревого расходомера.
В сравнении с прототипом заявляемый преобразователь вихрей имеет более высокую чувствительность, повышенную надежность и технологичность изготовления и обеспечивает соответствие конструкции нормативным требованиям чувствительности и прочности при воздействии рабочего давления и температуры.