ВИХРЕВОЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 1997 года по МПК G01F1/32 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, например, для преобразования в электрический сигнал расхода газа и жидкости в трубах большого диаметра.

Известны вихревые расходомеры, использующие в качестве генератора вихрей вихреобразующие турбинки, а также плохообтекаемые тела [1] Датчики, как правило, имеют нелинейную характеристику и ограниченный диапазон измерения, а также имеют значительный коэффициент торможения вследствие диаметрального закрепления плохообтекаемого тела в трубе, что ограничивает их применение в трубах большого диаметра.

Прототипом изобретения является вставной расходомер Vortex Bar фирмы Nice Instrumetation для замера расхода в трубах большого диаметра [2] Расходомер состоит из цилиндрического стержня, вводимого через отверстие в трубопровод. Вихреобразующий модуль изготовлен в виде выфрезованного в стержне участка прямоугольного сечения, выше и ниже которого имеются сквозные отверстия. Жидкость обтекает этот модуль и вытекает через отверстия, возбуждая переменные вихревые колебания в вихреобразующем элементе. Сигналы снимаются заделанными в вихревом модуле, пьезоэлектрическим чувствительным элементом.

Недостаток устройства-прототипа заключается в том, что поскольку датчик работает, как правило, в турбулентном потоке, то на периодические колебания давления, образуемые в вихревом следе за вихреобразующим участком, будут накладываться пульсации давления, обусловленные турбулентностью. Эти пульсации давления будут восприниматься чувствительным элементом как полезный сигнал, что приведет к появлению дополнительной погрешности измерения расхода. При неточной установке датчика и поперечных пульсациях скорости в потоке он будет натекать под некоторым углом к плоскости симметрии стержня. Это приведет к появлению дополнительной погрешности, обусловленной тем, что характерный размер стержня по направлению потока будет варьироваться и, следовательно, будет меняться частота вихреобразования, которая обратно пропорциональна характерному размеру. Поскольку чувствительные элементы не защищены от вибрационных перегрузок, то появится дополнительная погрешность от внешних вибраций.

Предложенное изобретение решает задачу повышения точности измерения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в вихревом расходомере, содержащем плохообтекаемое тело, установленное на стойке для закрепления его в трубе, и пьезокерамический чувствительный элемент, преобразующий колебания в вихревом следе за плохообтекаемым телом в электрический сигнал, плохообтекаемое тело состоит из трапецеидальной и прямоугольной призм, соединенных между собой меньшим основанием трапецеидальной призмы и боковой гранью прямоугольной призмы, заключено в направляющую и ориентировано большим основанием трапецеидальной призмы навстречу потоку, при этом стойка имеет ламинарный профиль в поперечном сечении, а пьезокерамический чувствительный элемент выполнен в виде образующей прямоугольную призму слоистой структуры, состоящей из чередующихся упругих и пъезокерамических пластин, жестко связанных между собой, выходы пьезокерамических пластин подключены к входу электронного процессора, выполняющего вычислительные операции в соответствии с выражениями:

где U первичный сигнал в цепях электронного процессора;
U_o опорный сигнал;

U_E1 K_1.1U_1.1+.+K_1.n.U_1.n.
U_E2 K_2.1U_2.1+.+K_2.n.U_2.n.
U_1.1.U_1.n. сигналы с выхода пьезокерамических пластин, расположенных по одну сторону от нейтральной поверхности прямоугольной призмы для изгибных деформаций;
U_2.1..U_2.n. сигналы с выхода пьезокерамических пластин, расположенных с противоположной стороны нейтральной поверхности прямоугольной призмы для изгибных деформаций;
K_1.1..K_1.n., K_2.1..K_2.n. коэффициенты пропорциональности.

Выходной сигнал вихревого расходомера определяется выражением:
N ИF
где И коэффициент пропорциональности;
F частота переключения сигналов.

На фиг. 1 представлен один из вариантов конструктивной реализации вихревого расходомера; на фиг.2 вид по стрелке Б на фиг.1; на фиг.3 разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 проточная часть расходомера; на фиг.5 поперечное сечение одного из вариантов технической реализации прямоугольной призмы плохообтекаемого тела.

На чертеже: 1 основание, 2 стойка, 3 цилиндрическая направляющая, 4 трапецеидальная призма, 5 прямоугольная призма, 6 трубопровод, 7 и 8 - проточные каналы, 9 электронный процессор, 10 область средней скорости потока, 11 профиль скорости потока в трубе, 12 плохообтекаемое тело, 13, 15, 17, 19 и 21 упругие пластины, 14, 16, 18 и 20 пьезокерамические пластины, 22 25 электрические выходы пьезокерамических пластин, 26 -форма прогиба прямоугольной призмы.

Вихревой расходомер (фиг.1) содержит плохообтекаемое тело 12, состоящее из трапецеидальной 4 и прямоугольной 5 призм. Прямоугольная призма 5 выполнена в виде слоистой структуры и состоит из жестко соединенных между собой упругих пластин и пьезокерамических пластин. Выходы пьезокерамических пластин подключены к входу электронного процессора 9.

Плохообтекаемое тело (фиг.1) заключено в цилиндрическую направляющую 3 и установлено на стойке 2, консольно закрепленной с помощью основания 1 на стенке трубопровода 6. Стойка 2 имеет в поперечном сечении ламинарный профиль, например, профиль Жуковского (разрез А-А на фиг.1).

Трапецеидальная 4 и прямоугольная 5 призмы установлены поперек направляющей 3 (фиг.2) и разделяют направляющую 3 на два канала 7 и 8. Ось симметрии цилиндрической направляющей 3 расположена на расстоянии r от стенки трубопровода и совпадает с диаметром 11 средней скорости течения по сечению трубопровода (профиль скорости 11).

Прямоугольная призма (фиг.4) включает упругие 13, 15, 17, 19 и 21 и пьезокерамические 14, 16, 18 и 20 пластины, жестко соединенные между собой, электроды пьезокерамических пластин имеют электрические выходы 22 25. Стрелкой 26 показана форма возможного прогиба при изгибной деформации. Ось OX совпадает с плоскостью нейтральной поверхности призмы при изгибных деформациях.

Вихревой расходомер работает следующим образом.

При обтекании плохообтекаемого тела (фиг.1) набегающим потоком на гранях трапецеидальной призмы 4 плохообтекаемого тела периодически изменяется знак профиля скорости и происходит отрыв потока от граней трапецеидальной призмы 4 плохообтекаемого тела и образуется вихревое течение. При этом в каналах 7 и 8, образованных между направляющей и плохообтекаемым телом, образуются две области вихреобразования, ограниченные боковыми стенками плохообтекаемого тела и внутренней поверхностью направляющей 3. В начальный момент вследствие неполной симметрии каналов 7 и 8 вихрь на одной из граней призмы 4 зарождается раньше, чем на другой. Образовавшийся вихрь сносится в канал, например, 7, при этом задерживается срыв вихря в другой канал 8 до момента выхода вихря из канала 7. За счет направляющей 3 между каналами 7 и 8 в проточной части датчика образуется пневматическая положительная обратная связь и процесс вихреобразования принимает устойчивый периодический характер. При этом на боковых поверхностях плохообтекаемого тела возникает перепад давлений, пульсирующий с частотой, пропорциональной местной скорости потока в области направляющей плохообтекаемого тела. Под действием пульсирующего перепада давлений призма 4 совершает изгибные колебания.

При изгибе призмы 4 (фиг.4), например, по направлению стрелки 14 пьезокерамические пластины 2 и 4, расположенные выше нейтральной поверхности (ось OX), растягиваются, а пластины 6 и 8, расположенные ниже нейтральной поверхности, сжимаются, при этом под действием деформаций на электродах пьезокерамических пластин, расположенных выше оси OX, создается электрическое напряжение одного знака, а на электродах пьезокерамических пластин, расположенных ниже оси OX, противоположного знака.

Напряжения подаются на вход электронного процессора 9, где производится их вычитание в соответствии с зависимостью вида:

где U_E1 K_1.1U_1.1+.+K_1.n. U_1.n.;
U_E2 K_2.1U_2.1+.+K_2.n.U_2.n.;
U_1.1.U_1.n. напряжения с выходов пьезокерамических пластин, расположенных по одну сторону от нейтральной поверхности прямоугольной призмы для изгибных деформаций;
U_2.1.. U_2.n. напряжение с выходов пьезокерамических пластин, расположенных с противоположной стороны нейтральной поверхности прямоугольной призмы для изгибных деформаций;
K_1.1..K_1.n., K_2.1..K_2.n. коэффициенты пропорциональности.

Поскольку знаки электрических напряжений с выходов пьезокерамических пластин различны, то после выполнения операций в соответствии с выражением (2), будет сформирован импульс напряжения U_E, амплитуда и форма которого пропорциональна амплитуде и форме пульсации перепада давлений на прямоугольной призме. При появлении на призме пульсации перепада давлений противоположного знака в соответствии с выражением (2), будет сформирован следующий импульс напряжения U_E.

После сравнения сигнала, пропорционального U_E с заданным уровнем U_o в соответствии с зависимостью вида:

где U первичный сигнал в цепях электронного процессора 9;
U_o опорный сигнал.

При этом частота переключений сигнала U будет пропорциональна частоте пульсирующего перепада давлений на прямоугольной призме 5 и, следовательно, местной скорости потока в области направляющей 3 плохообтекаемого тела 12.

Плохообтекаемое тело может быть расположено в точке 10 профиля 11 скорости потока в трубе, где местная скорость потока равна средней скорости течения по сечению трубопровода 6. Поскольку расход газа, протекающего по трубопроводу 6, равен произведению средней скорости по сечению трубы 6 на площадь сечения, то выходной сигнал расходомера будет пропорционален расходу газа в трубопроводе 6 и определяется выражением:
N ИF
где И коэффициент пропорциональности;
F частота переключений сигнала.

Коэффициент пропорциональности И определяется конструктивными параметрами трубопровода 6 и физическими свойствами рабочей среды в трубопроводе 6.

Турбулентность потока не оказывает влияния на точность датчика, поскольку вихревые пространственные пульсации скорости не взаимодействуют непосредственно с плохообтекаемым телом, которое защищено цилиндрической направляющей.

Поперечная составляющая скорости турбулентного потока, являющаяся источником погрешности, создает пульсацию давления на входе и выходе цилиндрической направляющей одновременно. Можно считать, (учитывая малые размеры датчика и значение скорости звука), что пульсация давления, обусловленная поперечной составляющей скорости потока, одновременно воздействует на прямоугольную призму 5 (фиг.1) со всех сторон. При этом пьезокерамические пластины, расположенные и выше, и ниже нейтральной поверхности OX (фиг.5), испытывают в зависимости от знака внешнего давления или всестороннее сжатие, или всесторонее растяжение. При этом электрическое напряжение с выхода пьезокерамических пластин и выше, и ниже нейтральной поверхности будет иметь один и тот же знак и при выполнении математических операций электронным процессором в соответствии с выражением (2) результирующий сигнал будет равен нулю.

Пульсации давления, которые могли бы возникнуть за стойкой в непосредственной близости от плохообтекаемого тела, также не влияют на точность измерения, поскольку, во-первых, плохообтекаемое тело защищено цилиндрической направляющей, а, во-вторых, стойка в поперечном сечении имеет ламинарный профиль, а ее геометрия подобрана таким образом, что в диапазоне чисел R_e, при которых работает расходомер, имеет место ламинарное обтекание стойки.

Внешние механические вибрации не ухудшают точность измерений, так как они распространяются через элементы конструкции датчика и воспринимаются пьезокерамическими пластинами прямоугольной призмы за счет продольных и поперечных деформаций прямоугольной призмы, при этом электрическое напряжение на выходе пьезокерамических пластин имеет один и тот же знак. После обработки сигналов с выхода пьезокерамических пластин в соответствии с выражением (2), результирующий сигнал будет равен нулю.

Электронный блок реализован с использованием современной элементной базы серий: 140, 564, 1113 и 1718, а чувствительный элемент выполнен с использованием пьезокерамики типа ЦТС-19.

Таким образом, данное техническое решение позволяет с высокой точностью измерять скорость газового потока независимо от внешних возмущений, обусловленных турбулентностью потока и механическими вибрациями.

Использование: для преобразования в электрический сигнал расхода газа и жидкости в трубах большого диаметра. Сущность изобретения: плохообтекаемое тело 12 расходомера состоит из трапецеидальной 4 и прямоугольной 5 призм, соединенных между собой меньшим основанием трапецеидальной 4 призмы и боковой гранью прямоугольной 5 призмы, заключено в направляющую 3, установлено на стойке 2 и ориентировано большим основанием трапецеидальной призмы навстречу потоку. Стойка 2 имеет ламинарный профиль в поперечном сечении и закреплена с помощью основания 1 на стенке трубопровода. Прямоугольная призма 5 выполнена в виде слоистой структуры, состоящей из чередующихся упругих 13, 15, 17, 19, 21 и пьезокерамических 14, 16, 18, 20 пластин, жестко связанных между собой. Выходы пьезокерамических пластин 22 - 25 подключены к входу электронного процессора 9, выполняющего вычислительные операции в соответствии с выражениями:
где U - первичный сигнал во входных цепях электронного процессора; U_o - опорный сигнал;

U_1.1.. . .U_1.n. - напряжения с выходов пьезокерамических пластин, расположенных по одну сторону от нейтральной поверхности прямоугольной призмы для изгибных деформаций; U_2.1....U_2.n. - напряжения с выходов пьезокерамических пластин, расположенных с противоположной стороны нейтральной поверхности прямоугольной призмы для изгибных деформаций; K_1.1....K_1.n.; K_2.1....K_2.n. - коэффициенты пропорциональности. Выходной сигнал расходомера определяется выражением: N = n•F , где n - коэффициент пропорциональности; F - частота переключений сигнала U. 5 ил.

Вихревой расходомер, содержащий плохо обтекаемое тело, установленное на стойке для закрепления его в трубе, с пьезокерамическим чувствительным элементом, преобразующим колебания в вихревом следе за плохо обтекаемым телом в электрический сигнал, отличающийся тем, что плохо обтекаемое тело выполнено из трапецеидальной и прямоугольной призм, соединенных между собой меньшим основанием трапецеидальной призмы и боковой гранью прямоугольной призмы, размещено в направляющей и ориентировано большим основанием трапецеидальной призмы навстречу потоку, при этом стойка в поперечном сечении имеет ламинарный профиль, пьезокерамический чувствительный элемент выполнен в виде образующей прямоугольную призму слоистой структуры, состоящей из чередующихся упругих и пьезокерамических пластин, жестко связанных между собой, а выходы пьезокерамических пластин подключены к входу введенного в расходомер электронного процессора, выполняющего вычислительные операции в соответствии с выражениями

где U первичный сигнал в цепях электронного процессора;
U_о опорный сигнал;

U_E 1 K_{1 . 1 .} U_{1 . 1 .} + + K_1 . n U_{1 . n .};
U_E 2 K_{2 . 1 .}; U_{2 . 1 .} + + K_2 nU_2 n .,
U_{1 . 1 .} U_{1 . n .} - напряжения с выходов пьезокерамических пластин, расположенных по одну сторону от нейтральной поверхности прямоугольной призмы для изгибных деформаций;
U_{2 . 1 .} U_{2 . n .} - напряжения с выходов пьезокерамических пластин, расположенных с противоположной стороны нейтральной поверхности прямоугольной призмы для изгибных деформаций;
K_{1 . 1 .} K_1 . n, k_{2 . 1 .} K_{2 . n .} - коэффициенты пропорциональности, и
N ИF,
где И коэффициент пропорциональности;
F частота переключений сигнала;
N сигнал на выходе вихревого расходомера.