ДАТЧИК ИЗГИБАЮЩЕГО МОМЕНТА ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВИХРЕВЫХ РАСХОДОМЕРОВ
BENDING MOMENT SENSOR FOR HIGH-TEMPERATURE VORTEX FLOW METERS

Изобретение используется в вихревых расходомерах жидкости, газа или пара и предназначено для регистрации частоты вихрей, образующихся в потоке жидкости, газа или пара за телом обтекания. Известно, что за телом обтекания в потоке жидкости, газа или пара образуется цепочка вихрей, так называемая вихревая дорожка Кармана, причем частота образующихся вихрей пропорциональна скорости потока жидкости, газа или пара, поэтому регистрация частоты вихрей позволяет измерить скорость потока и, следовательно, расход жидкости, газа или пара в трубопроводе.
Известны датчики давления для вихревых расходомеров [1, 2] с рабочей температурой до 500°С. Недостатком этих расходомеров является то, что датчики устанавливаются в проточной части расходомера заподлицо со стенкой трубы. При измерении расхода насыщенного пара в потоке неизбежно присутствует жидкая фаза, которая как более тяжелая фракция локализуется у стенки. Это препятствует нормальной работе датчиков давления и приводит к существенной погрешности измерений расходомера, достигающей 10% и более.
Известен датчик изгибающего момента [3, 4], содержащий корпус, к торцу которого прикреплена наружная пластина (крыло), толщина которой уменьшается от торца корпуса до свободного конца пластины так, что угол между плоскостями пластины составляет 1.5…4° (балка равного сопротивления). Эта пластина помещается в измеряемый поток за телом обтекания так, что ее плоскость симметрии лежит на оси трубопровода и параллельна потоку (фиг. 1). Со стороны вихрей на крыло действует переменная сила давления с частотой
31
где ν - скорость потока, d - характерный размер (ширина) тела обтекания, а Sh - число Струхаля, которое в широком интервале чисел Рейнольдса 200<Re<200000 изменяется слабо и близко к 0.2. Силы давления на крыло вызывают периодические изгибные деформации крыла, передающиеся на корпус. Внутри корпуса установлен пьезоэлемент в виде полого цилиндра, поляризованного в радиальном направлении; внешняя цилиндрическая поверхность покрыта сплошным электродом, а на внутренней поверхности электрод разрезан на две части, причем плоскость разреза совпадает с плоскостью крыла. При изгибе крыла, например, вправо правая половина пьезоэлемента испытывает осевое сжатие, а левая - растяжение, и между внутренними электродами пьезоэлемента возникает за счет пьезомодуля пьезокерамики d электрический сигнал - напряжение (в режиме холостого хода) или заряд (в режиме короткого замыкания), частота которого совпадает с частотой внешнего воздействия на крыло. По кабелю, концы которого припаиваются к электродам пьезоэлемента, сигнал передается на регистрирующие приборы.
Недостатком данного технического решения является ограничение по предельной температуре 290°С. Это обусловлено следующими причинами:
- пьезоэлектрический материал ЦТС-83Г имеет точку Кюри около 360°С и предельные температуры при длительной работе 300°С;
- применяемый припой ПСР-2,5 имеет температуру плавления 294°С;
- кабель АВКТ-6 имеет термостойкость 300°С.
С целью повышения границы рабочего диапазона температур во внутреннюю полость пьезоэлемента введены контактные элементы в виде двух цилиндрически изогнутых металлических пластинок, отделенных друг от друга пластинкой изолятора, предварительно соединенных с проводниками кабеля точечной сваркой, установленных внутрь пьезокерамического цилиндра и прижимаемых к его электродам силами упругости, обеспечивающими электрический контакт электродов пьезоэлемента с кабелем и линией связи.
При этом используется более термостойкий пьезокерамический материал, например ЦТС-21, с точкой Кюри более 400°С, а также более термостойкий кабель, например, АВКТС с предельной рабочей температурой 350°С, контактный элемент имеет размер 4×3,9×0,2 мм, изолятор между металлическими пластинками - слюда размером 8×4×0,6 мм.
В результате термостойкость датчиков изгибающего момента для высокотемпературных вихревых расходомеров в целом повышается до 330-350°С. Это позволит использовать вихревые расходомеры в системах активации нефтяных скважин с насыщенным паром и предельной температурой 330°С.
Контактные элементы представляют собой прямоугольные пластинки, вырезанные из листовой стали толщиной около 0.2 мм, цилиндрически изогнутые с образующей вдоль более длинной стороны прямоугольника. Концы кабеля привариваются к контактным элементам точечной сваркой. Друг от друга контактные элементы отделяются пластинкой изолятора (слюды). Размеры контактных элементов и толщина изолятора подбираются так, чтобы при их помещении внутрь пьезокерамического цилиндра боковые ребра контактных элементов плотно прижимались к образующим внутренней цилиндрической поверхности пьезоэлемента (фиг. 3-5).
С помощью метода конечных элементов в рамках пакета программ ANSYS проведено моделирование датчика [3-5] и исследован вопрос о том, как отразится введение упругих контактных элементов на динамических свойствах датчика. Расчетная частотная характеристика коэффициента преобразования КП в широком диапазоне частот приведена на фиг. 6. Основные резонансные свойства датчика определяются изгибными колебаниями крыла. При длине крыла 16 мм основные моды резонансных колебаний соответствуют частотам 3.77, 13.32 и 20.98 кГц. Колебания упругого вкладыша проявляют себя в виде небольшого пика на частоте 10,02 кГц, на которой резонирует пластинка изолятора. Эта особенность, однако, никак не отражается на рабочих свойствах датчика, для которых существенна только первая резонансная частота 3.77 кГц: полоса рабочих частот датчика не должна превышать половины резонансной частоты, где изменения коэффициента преобразования остаются в пределах 25% от его низкочастотного значения 108 нКл/Н⋅м.
Даже при применении наиболее короткого крыла длиной 10 мм, когда частота первой моды колебаний достигает 7.26 кГц, она все равно остается ниже частоты резонансных колебаний пластинки изолятора, практически не зависящей от длины крыла. Таким образом, наличие вкладыша упругих контактных элементов не отражается на динамических характеристиках датчика.
Рассмотрим его статические прочностные характеристики. Ограничение температурного диапазона применимости датчика, кроме перечисленных выше факторов, обусловлено также различием коэффициентов линейного температурного расширения (КЛТР) материалов, из которых изготовлены различные элементы конструкции, в данном случае - пьезокерамики и материала корпуса. Вследствие различия КЛТР изменение температуры приводит к возникновению внутренних термических напряжений, которые могут, превышая пределы прочности материала, оказаться разрушительными. Как правило, КЛТР металла оказывается выше, чем у пьезокерамики. В рассматриваемой конструкции термические напряжения возникают в области склейки пьезокерамического цилиндра с металлическим корпусом. При этом важным параметром является точка сборки, т.е., та температура, при которой в процессе сборки датчика происходит полимеризация клея. В точке сборки термические напряжения близки к нулю. При нагревании выше точки сборки металл порождает в пьезокерамике растягивающие напряжения, при охлаждении - сжимающие. Прочность керамики относительно сжимающих напряжений на порядок превышает прочность относительно растягивающих напряжений, поэтому именно растягивающие напряжения определяют верхнюю температурную границу прочности изделия. В качестве материала корпуса датчика целесообразно использовать титановые сплавы, у которых КЛТР примерно вдвое ниже, чем у сталей, что существенно лучше согласуется с КЛТР керамики.
Расчеты термических напряжений для рассматриваемого датчика, изготовленного из титанового сплава ОТ4-1 и пьезокерамики ЦТС-83Г, показывают, что прочность пьезокерамики относительно растягивающих напряжений сохраняется до температуры, на 88°C превышающей температуру точки сборки.
max
0
Внешнее гидростатическое давление, приложенное ко всей поверхности датчика, погруженной в контролируемую среду, приводит к дополнительным сжимающим напряжениям в пьезокерамике, которые частично компенсируют растягивающие термические напряжения и тем самым повышают высокотемпературную границу устойчивости датчика. Расчет показывает, что верхний температурный интервал работоспособности датчика ΔT=T-Т, который при нулевом избыточном давлении равен 88°C, при давлении 10 МПа повышается до 126°C, при 50 МПа - до 155°C, при 30 МПа - до 184°C.
Введение в конструкцию датчика вкладыша с упругими контактными элементами не отражается на прочностных характеристиках датчика ввиду большой податливости пружинящих упругих элементов. Кроме того, контактные элементы, упираясь в электроды внутренней стенки пьезокерамического цилиндра, удерживаются лишь силами упругости и трения, и при возникновении рассогласования термических деформаций могут проскальзывать вдоль стенки, не приводя к значимым дополнительным напряжениям. Таким образом, наличие вкладыша с упругими контактными элементами не ухудшает рабочих качеств датчика.
Технический результат: повышение верхней границы рабочего температурного диапазона, не ограничиваемого термостойкостью припоя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
- на фиг. 1 показана схема вихревого расходомера с датчиком изгибающего момента: 1 - трубопровод, 2 - тело обтекания, 3 - датчик, 4 - штуцер, 5 - прокладки.
- На фиг. 2 показана конструкция датчика изгибающего момента тип 108 (прообраз): 1 - корпус, 2 - пьезоэлемент, 3 - токосъемник, 4 - ниппель, 5 - кабель, 6 - наружная пластина (крыло), 7 - направляющие, обеспечивающие требуемую ориентацию датчика в трубопроводе.
- На фиг. 3 показан датчик изгибающего момента в разрезе по плоскости симметрии: а - прежняя модель датчика с проводниками, припаянными к электродам пьезоэлемента; б - модель с вкладышем из упругих контактных элементов с приваренными проводниками.
- На фиг. 4 показан рабочий узел датчика с вкладышем из упругих контактных элементов: 1 - пьезоэлемент; 2, 3 - упругие контактные элементы; 4 - изолятор; 5 - проводники кабеля.
- На фиг. 5 показан рабочий узел датчика с вкладышем из упругих контактных элементов, вид сверху.
- На фиг. 6 показана расчетная частотная характеристика коэффициента преобразования датчика в широком диапазоне частот.
Из приведенных материалов видно, что предложенное техническое решение обеспечивает повышение температурной границы работоспособности устройства за счет применения контактных элементов, прижимаемых к электродам пьезоэлемента силами упругости.
Источники информации
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1975, 776 с.
2. Богуш М.В. Пьезоэлектрические датчики для экстремальных условий эксплуатации // Пьезоэлектрическое приборостроение: Сборник. В 3 т. Т. 3. Ростов н/Д: Издательство СКНЦ ВШ, 2006, 346 с.
3. Богуш М.В., Пикалев Э.М. Проектирование пьезоэлектрических датчиков изгибающего момента для вихревых расходомеров газа и пара // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2008, №3.
4. Богуш М.В., Пикалев Э.М. Оценка допустимых условий эксплуатации пьезоэлектрических датчиков изгибающего момента для вихревых расходомеров газа и пара // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2008, №5, с. 50-54.
5. Богуш М.В. Проектирование пьезоэлектрических датчиков на основе пространственных электроупругих моделей // Пьезоэлектрическое приборостроение. Т. IX. Техносфера, М., 2014, 312 с.