ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВИХРЕВОГО РАСХОДОМЕРА

Преобразователь вихревого расходомера
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в расходометрии для измерения расхода газообразных и жидких сред вихревым способом..
Известен преобразователь вихревого расходомера, закрепленный в трубопроводе посредством установочного фланца, содержащий чувствительный элемент и тело обтекания, включающее переднюю вихреобразующую пластину, промежуточную и концевую секции. Чувствительный элемент выполнен в виде жесткого стержня, размещенного в сквозном пазу промежуточной секции тела обтекания и соединенного с трубкой, закрепленной внутри установочного фланца; внутри трубки размещены два пьезоэлемента, выполненные в виде полуцилиндров, электрически изолированных друг от друга, а паз с двух сторон закрыт двумя мембранами, соединенными с жестким стержнем. Сквозной паз промежуточной секции тела обтекания выполнен со стороны установочного фланца. Тело обтекания размещено симметрично относительно внутреннего диаметра проточной части трубы (1).
Набегающий поток движущейся среды разделяется телом обтекания и образуются вихри, попеременно вдоль и сзади каждой стенки тела обтекания, частота которых прямо пропорциональна скорости движения среды. Образование вихрей сопровождается созданием перепада давлений между боковыми сторонами тела обтекания и вызывает прогиб мембран
чувствительного элемента, создающий, в свою очередь, перемещение жесткого стержня в пазу, приводящее к изгибу трубки, в которую переходит стержень. При изгибе трубка деформируется,. принимая в сечении форму эллипса и сжимая при этом пьезоэлемент, преобразующий механическое усилие сжатия в электрический сигнал, изменяющийся с частотой образования вихрей.
Чувствительный элемент расположен в зоне, прилегающей к внутренней поверхности трубы. Взаимодействие потока среды с поверхностью трубы способствует генерации на теле обтекания дополнительных вихрей в зоне, прилегающей к его торцевой части. Пульсации давления, создаваемые дополнительными вихрями, воспринимаются чувствительным элементом и создают помехи, ухудшающие качество основного сигнала. Если отношение сигнал/шум (отношение амплитуды полезного сигнала к амплитуде сигнала помех) менее трех, электронный блок определяет основную частоту вихреобразования с недопустимо большой погрешностью и прибор теряет способность измерять расход среды. Такое явление наблюдается на относительно малых скоростях течения измеряемой среды, т.к. амплитуда полезного сигнала определяется величиной амплитуды пульсаций переменного давления pxV2 /2 (здесь р-плотность среды, V-скорость течения измеряемой среды), и уменьшается пропорционально квадрату скорости.
Другим недостатком конструкции является низкая вибростойкость чувствительного элемента, поскольку систекга из стержня и мембран имеет сравнительнобольшой момент инерции, который определяется
конструктивными особенностями датчика - стержень должен быть достаточно жестким и прочным, а значит, должен иметь площадь поперечного сечения, обеспечивающую эти свойства. Вибрация создает инерционный момент M mxaxl/2 (здесь т-масса стержня; а-виброускорение; 1-длина стержня), который деформирует трубку и сжимает пьезоэлемент. Пьезоэлемент вырабатывает электрический сигнал, который является помехой и загрязняет основной сигнал. При больших значениях виброускорения (более 0,3 м/с2) шумовой сигнал забивает основной, т.е. соотношение сигнал/шум становится менее трех, и прибор перестает вычислять правильные значения расхода.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является преобразователь вихревого расходомера, закрепленный в трубопроводе посредством установочного фланца. Преобразователь содержит тело обтекания, имеющее переднюю вихреобразующую пластину с гладкой передней поверхностью со стороны поступления потока и скошенными боковыми поверхностями, промежуточную секцию в виде стержня, в котором размещен чувствительный элемент,, и концевую секцию. Чувствительный элемент выполнен в виде капсулы, заполненной маслом. Боковыми сторонами капсулы являются гибкие мембраны, расположенные заподлицо с плоскими поверхностями промежуточной секции тела обтекания. Через эти мембраны передаются импульсы переменного давления от вихрей с боковых поверхностей стержня через слой масла на чувствительный элемент, выполненный в виде керамического диска, обладающего пьезоэлектрическими
свойствами. Сигнал напряжения переменного тока, выработанный этим элементом, передается через токопроводящий проводник на усилитель для получения сигнала расхода, подходящего для передачи на относительно длинные расстояния (2).
Такая конструкция не является вибростойкой, поскольку слой масла между мембранами и пьезоэлементом имеет достаточно большую массу. При воздействии вибрации этот слой совместно с пьезоэлементом колеблется под воздействием силы  (здесь т- масса слоя масла между чувствительным элементом и мембраной; а- виброускорение). Слой масла периодически с силой F воздействует на пьезоэлемент, который вырабатывает шумовой сигнал, прямо пропорциональный массе т. Соотношение сигнал/шум становится недопустимо маленьким даже при небольших виброускорениях, которые возникают при эксплуатации прибора. Эффект особенно заметен на малых расходах, где величина отношения сигнал/шум небольшая - электронный блок перестает обрабатывать сигнал, что ведет к уменьшению динамического диапазона прибора. Чувствительность прибора определяется площадью пьезоэлемента и величиной давления, действующего на пьезоэлемент. В этой конструкции перепад давлений по обе стороны тела обтекания воспринимается одним пьезоэлементом через две гибкие мембраны, жесткость которых ограничивает величину этого давления. Поэтому соотношение сигнал/шум уменьшается, начиная с некоторого значения расхода, где виброускорение растет, а амплитуда полезного сигнала остается постоянной.
Другим недостатком прибора является невосприимчивость чувствительного элемента к дополнительным вихрям, которые генерирует тело обтекания вблизи внутренней стенки трубопровода. Месторасположение чувствительного элемента на теле обтекания не задано и в реальных конструкциях его располагают обычно на расстоянии от торцевой части тела обтекания, меньшем 0,2 диаметра трубопровода из-за технологических трудностей, возникающих при сверлении длинных отверстий между капсулой и торцевой частью тела обтекания, особенно для больших диаметров трубопроводов. Кроме того, такая конструкция работоспособна лишь в узком интервале температур, поскольку все жидкости (в том числе и масло) имеют большой коэффициент теплового расширения. При повышенных температурах происходит сначала вспучивание, а затем разрыв мембраны. Прибор выходит из строя.
Целями заявляемого технического решения являются: расширение динамического диапазона прибора в сторону измерения низких расходов путем увеличения соотношения сигнал/шум на этих расходах; повышение стойкости прибора к воздействию вибрации и повышение надежности работы прибора.
Для достижения указанного технического результата предлагается устройство, которое, как и прототип, содержит чувствительный элемент и тело обтекания, включающее переднюю вихреобразующую пластину, промежуточную и концевую секции, чувствительный элемент выполнен в виде двух мембран, расположенных на плоских поверхностях промежуточной секции тела обтекания симметрично его оси и пьезоэлемента. В отличие от
известного устройства преобразователь вихревого расходомера снабжен дополнительным пьезоэлементом, на противоположных поверхностях промежуточной секции тела обтекания выполнены пазы, закрытые мембранами, в пазах зафиксированы пьезоэлементы, расположенные на расстоянии от внутренней поверхности трубопровода, превышающем 0,2 его внутреннего диаметра, а пространство между мембранами и пьезоэлементами заполнено связующим материалом с диэлектрическими свойствами. Кроме того, тело обтекания выполнено из диэлектрика, например, окиси алюминия, а мембраны чувствительного элемента и связующий материал выполнены из высокомолекулярного полиэтилена.
В качестве преобразователя пульсаций давления в электрический сигнал применен пластинчатый пьезоэлемент вместо пьезоэлемента, имеющего форму диска, и вместо масла в капсуле между пьезоэлементом и мембраной применен связующий диэлектрический материал. Углубления под пьезоэлементы выполнены на расстоянии от внутренней поверхности трубопровода, превышающим 0,2 его диаметра. Тело обтекания может быть любой, а не специальной формы. Тело обтекания может быть выполнено из диэлектрика, например, окиси алюминия, модуль упругости которого больше, чем у стали, а мембраны могут быть не металлическими, а из диэлектрика, например из высокомолекулярного полиэтилена, который может также выполнять и роль связующего материала.
6
Динамический диапазон предлагаемого устройства увеличен за счет увеличения соотношения сигнал/шум на низких расходах. Соотношение сигнал/шум улучшено за счет:
-уменьшения влияния шумового сигнала от дополнительных вихрей на полезный сигнал за счет усгановки пьезоэлемента на расстоянии от внутренней поверхности трубопровода, превышающем 0,2 его внутреннего диаметра: -повышения вибростойкости путем изменения конструкции чувствительного элемента и введением дополнительного пьезоэлемента. Это позволяет, вопервых, гасить шумовой сигнал от воздействия вибрации за счет получения суммарного сигнала от пьезоэлементов, работающих в противофазе, вовторых, увеличить вдвое полезный сигнал поскольку импульсы давления, воздействующие на пьезоэлементы, сдвинуты на половину периода и за счет этого улучшается соотношение сигнал/шум и, в третьих, уменьшить массу, создающую силу давления на пьезоэлемент при воздействии виброускорения ;
-изготовления тела обтекания из материала с более высоким модулем упругости, чем у стали - при этом происходит повышение жесткости конструкции тела обтекания, что уменьшает амплитуду его колебаний и, соответственно, уменьшает деформацию пьезоэлемента, а значит и вырабатываемый им шумовой электрический сигнал от воздействия вибрации.
Повышение надежности прибора достигнуто за счет:
-замены материала тела обтекания и материала мембраны на диэлектрик, что исключает замыкание электродов пьезоэлемента через мембрану и тело
обтекания. При изготовлении чувствительного элемента возможно касание электродов пьезоэлемента мембраны или тела обтекания;
-изменения конструкции чувствительного элемента и замены масла на связующий материал, что исключает разрушение мембран при гидроударе.
Полезная модель иллюстрируется чертежами: на фиг.1 изображен преобразователь вихревого расходомера, закрепленный в трубопроводе; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1 - поперечное сечение тела обтекания в месте крепления чувствительного элемента; на фиг.З - вид Б на фиг. 1; на фш .4 и 5 спектрограммы сигналов соответственно при периферийном и центральном расположении пьезоэлементов относительно внутреннего диаметра проточной части трубопровода.
Преобразователь вихревого расходомера содержит тело обтекания 1, состоящее из передней вихреобразующей пластины 2, промежуточной секции 3 и концевой секции 4. Преобразователь установлен в трубопроводе 5 посредством установочного фланца (на чертеже не показан). Тело обтекания 1 размещено симметрично относительно внутреннего диаметра проточной части трубопровода 6. Вихреобразующая пластина 2 имеет гладкую переднюю поверхность 7 со стороны потока и скошенные боковые поверхности 8. К задней поверхности пластины 2 прикреплена промежуточная секция 3 прямоугольного сечения. На плоских поверхностях 9 промежуточной секции симметрично оси тела обтекания выполнены пазы 10. Чувствительный элемент выполнен в виде двух одинаковых пластинчатых пьезоэлементов 11,
зафиксированных в пазах 10, и гибких мембран 12, закрывающих пазы 10 и прикрепленных заподлицо по периметру мембран к поверхностям 9 промежуточной секции 3 тела обтекания. Мембраны 12, пьезоэлементы 11 и тело обтекания 1 скреплены между собой связующим материалом 13. Пьезоэлементы 11 снабжены проводами 14, которые через сверления 15 выведены к электронному блоку (на чертеже не показан) для усиления и обработки сигнала. Пьезоэлементы 11 размещены в пазах 10 на расстоянии h от внутренней проточной части трубопровода 6, превышающем 0,2 его диаметра.
Преобразователь вихревого расходомера работает следующим образом.
При обтекании тела 1 набегающим потоком движущейся среды поток разделяется острыми краями пластины 2 и образуются вихри, попеременно вдоль и сзади каждой боковой стороны тела 1. При образовании вихрей создается перепад давлений между боковыми сторонами тела обтекания. Пульсации давления через мембраны 12 и слой связующего материала 13 воспринимаются пьезоэлементами 11, преобразующими механическое усилие сжатия в электрический сигнал, изменяющийся с частотой образования вихрей, пропорциональной расходу среды.
В качестве примера на фиг.4 и 5 приведены спектрограммы сигналов, создаваемых двумя чувствительными элементами при малых расходах газа. Чувствительные элементы представляли собой две пары одинаковых пьезоэлементов, заделанных в симметричные углубления на боковых сторонах тела обтекания. Одна пара располагалась на периферийной части не далее 0,2
диаметра проточной части от ее внутренней стенки, а вторая - в центральной части тела обтекания. Из сравнения спектрограмм видно, что сигнал с периферийного чувствительного элемента обладает менее высокой периодичностью, чем с центрального. Это объясняется наличием в зоне, прилегающей к внутренней поверхности проточной части, дополнительных вихрей. Дополнительные вихри образуются за счет взаимодействия потока измеряемой среды не только с телом обтекания, но и с внутренней поверхностью проточной части. Сигнал, воспринимаемый центральным чувствительным элементом, создается в основном главным вихрем вихрем, образуемым за счет взаимодействия потока только с телом обтекания. Влияние удаленных от него дополнительных вихрей сказывается достаточно слабо. Отношение сигнал/шум более благоприятно - т.е. превышает 3. Такой сигнал легко обрабатывается электронным блоком. В то же время, сигнал с периферийного чувствительного элемента имеет отношение сигнал/шум менее 3 и электронным блоком не обрабатывается. Динамический диапазон прибора (отношение величины наибольшего измеряемого расхода к наименьшему) уменьшается. В противном случае необходимо значительно усложнять электронную схему блока, что приведет к удорожанию прибора при ухудшении его метрологических характеристик, т.к. даже усложненная схема не позволяет определять частоту вихреобразования телом обтекания с достаточной точностью.
ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
I. Преобразователь вихревого расходомера, закрепленный в трубопроводе и содержащий чувствительный элемент и тело обтекания, включающее переднюю вихреобразующую пластину, промежуточную и концевую секции, чувствительный элемент выполнен в виде двух мембран, расположенных на плоских поверхностях промежуточной секции тела обтекания симметрично его оси и пьезоэлемента, отличающийся тем, что преобразователь вихревого расходомера сйабжен дополнительным пьезоэлементом, на противоположных поверхностях промежуточной секции тела обтекания выполнены пазы, закрытые мембранами, в пазах зафиксированы пьезоэлементы, расположенные на расстоянии от внутренней поверхности трубопровода, превышающем 0,2 его внутреннего диаметра, а пространство между мембранами и пьезоэлементами заполнено связующим диэлектрическим материалом.
2. Преобразователь вихревого расходомера по п.1, отличающийся тем, что тело обтекания выполнено из диэлектрика, например, окиси алюминия.
3. Преобразователь расходомера по п. I, отличающийся тем, что мембраны чувствительного элемента и связующий материал выполнены из высокомолекулярного полиэтилена.