ДАТЧИК РАСХОДОМЕРА Российский патент 1998 года по МПК G01F1/28 

Изобретение относится к устройствам для измерения расхода жидкостей и газов путем определения силы сопротивления тела (чувствительного элемента), установленного в потоке.

Известны устройства подобного типа (датчики расходомера), содержащие корпус с калиброванным прямоточным каналом и перпендикулярной последнему гильзой с установленной в ней мембраной, закрепленный на последней стержень с чувствительным элементом, размещенным в канале, и укрепленный на мембране тензопреобразователь (авт.св. СССР N 1778531, кл. G 01 F 1/28, 1990).

В качестве чувствительного элемента в таких датчиках расходомера обычно используются тела вращения (цилиндры, сферы, сферойды и т.п.). Коэффициент лобового сопротивления таких чувствительных элементов существенно изменяется при изменении критерия Рейнольдса. Можно выделить обычно лишь довольно узкий диапазон по критерию Рейнольдса, в котором коэффициент лобового сопротивления относительно стабилен, т.е. возможно измерение расхода.

Целью данного изобретения является устранение указанного существенного недостатка датчиков расходомера рассматриваемого типа, расширение диапазона по критерию Рейнольдса, в котором возможно надежное и точное измерение расхода.

Эта цель достигается тем, что в датчике расходомера, содержащем корпус с калиброванным прямоточным каналом и перпендикулярной каналу гильзой с установленной в ней мембраной, закрепленный на последней стержень с чувствительным элементом, размещенным в канале и укрепленный на мембране тензопреобразователь, чувствительный элемент выполнен в поперечном сечении в виде совмещенных основаниями, обращенных вершинами в противоположные стороны равнобедренных треугольников или ромба, одна из диагоналей которого параллельна оси прямоточного канала, причем тензопреобразователь выполнен в виде сапфировой пластины с укрепленными на ней кремниевыми элементами мостовой схемы. Такое выполнение, как будет показано ниже, обеспечивает точное измерение расхода в широком диапазоне критерия Рейнольдса.

На фиг. 1 показан датчик расходомера в соответствии с данным изобретением; на фиг.2 - сечение по 1-1 чувствительного элемента; на фиг.3 - зависимость коэффициента лобового сопротивления от критерия Рейнольдса для чувствительного элемента в виде ромба; на фиг.4 - аналогичная зависимость для цилиндрического чувствительного элемента.

Датчик расходомера содержит корпус 1 с калиброванным прямоточным каналом 2 и перпендикулярной каналу 2 гильзой 3 с установленной в ней мембраной 4. На мембране 4 закреплен стержень 5 с чувствительным элементом 6, размещенным в канале 2. На мембране укреплен тензопреобразователь в виде сапфировой пластины 7 с закрепленными на ней кремниевыми элементами мостовой схемы (не показаны). Чувствительный элемент 6 имеет в поперечном сечении (фиг.2) форму ромба, одна диагональ которого параллельна оси канала 2, или в общем случае форму двух совмещенных основаниями и обращенных вершинами в противоположные стороны равнобедренных треугольников.

Датчик расходомера работает следующим образом.

Поток жидкости или газа, протекающий по каналу 2, обтекает чувствительный элемент 6. При этом на чувствительный элемент действует сила лобового сопротивления F, которая определяется известным соотношением
F = C×SρW²/2
где
C_x - коэффициент лобового сопротивления
S - максимальная площадь чувствительного элемента, перпендикулярная потоку (мидель)
ρ - плотность среды потока,
W - скорость потока.

Как видно из фиг.3, коэффициент лобового сопротивления C_x для чувствительного элемента, имеющего поперечное сечение в форме совмещенных основаниями равнобедренных (или в частном случае равносторонних) треугольников, крайне незначительно изменяется при увеличении числа Рейнольдса более 10, поэтому в области применения датчика, обозначенной на фиг.3 буквой L, C_x можно считать постоянной величиной. Таким образом, при заданных плотности среды и миделе S по силе лобового сопротивления F можно с высокой точностью в области применения определить скорость потока, а следовательно, объемный и массовый расход потока. В данном устройстве величина F определяется с помощью тензопреобразователя. При воздействии силы сопротивления мембрана 4 деформируется вместе с сапфировой пластиной 7. Это приводит к изменению электрического сопротивления мостовой схемы, которая выдает сигнал, пропорциональный F в электронное устройство (не показано), которое преобразует его в унифицированный выходной сигнал.

На фиг.4 показана зависимость C_x от числа Рейнольдса для известного цилиндрического чувствительного элемента. Как видно из фиг.4 имеется лишь узкая зона применения такого чувствительного элемента, в которой C_x мало зависит от числа Рейнольдса. Таким образом, область применения данного датчика расхода гораздо шире, чем у известных подобных устройств. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что оптимально широкая область применения при высокой точности измерений наблюдается при ромбовидной форме поперечного сечения чувствительного элемента. При этом угол при вершине ромба, обращенной навстречу потока должен составлять 40-70^o.

Использование в данном устройстве тензопреобразователя в виде сапфировой пластины с кремниевыми элементами мостовой схемы позволяет с высокой точностью измерять величину F при минимальной деформации, т.е. при минимальном отклонении C_x от стабильной величины вследствие отклонения стержня 5 под действием силы лобового сопротивления.

В гильзе корпуса установлена мембрана с закрепленными на ней стержнем и тензопреобразователем. На конце стержня укреплен чувствительный элемент (ЧЭ), воспринимающий силу лобового сопротивления потока и имеющий в поперечном сечении форму ромба. Тензопреобразователь выполнен в виде сапфировой пластины с кремниевыми элементами мостовой схемы. Форма поперечного сечения ЧЭ обеспечивает возможность применения датчика в расширенном диапазоне чисел Рейнольдса. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Датчик расходомера, содержащий корпус с прямоточным каналом и перпендикулярной каналу гильзой с установленной в ней мембраной, закрепленный на последней стержень с чувствительным элементом, размещенным в канале, и укрепленный на мембране тензопреобразователь, отличающийся тем, что чувствительный элемент в поперечном сечении имеет форму ромба, одна из диагоналей которого параллельна оси канала, при этом угол при вершине ромба, обращенной к потоку, составляет 40 - 70^o. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что тензопреобразователь выполнен в виде укрепленной на мембране сапфировой пластины с закрепленными на ней кремниевыми элементами мостовой схемы.