ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВИХРЕВОГО РАСХОДОМЕРА Российский патент 2004 года по МПК G01F1/32 

Изобретение относится к средствам измерения объема или массы жидкости или газа путем пропускания их через измерительные устройства непрерывным потоком, в частности, через вихревые расходомеры и может быть использовано в расходометрии жидких и газообразных сред.

Известен преобразователь вихревого расходомера, закрепленный в трубопроводе и содержащий чувствительный элемент и тело обтекания, включающее переднюю вихреобразующую пластину и стержень, прикрепленный к тыльной стороне передней пластины. Чувствительный элемент выполнен в виде двух пластинчатых пьезоэлементов, расположенных в выемках на плоских параллельных поверхностях стержня тела обтекания симметрично относительно его плоскости симметрии. Пьезоэлементы электрически изолированы от тела обтекания и герметично закрыты двумя гибкими мембранами, являющимися защитой от химической агрессивности измеряемого потока (1).

Недостатком является низкая термостойкость конструкции. При изменении температуры в результате теплового расширения или сжатия кристаллические решетки металла тела обтекания и пьезокерамического материала деформируются и происходит самопроизвольная поляризация пьезоэлемента. На его электродах наводятся противоположные электрические заряды. Степень электризации зависит от быстроты смены температуры. Причем, чем выше температура нагрева, тем выше скорость смены температуры и тем больше степень электризации, заглушающей основной сигнал. Начиная с некоторого значения температуры величина заглушающего сигнала становится соизмеримой с основным сигналом и при дальнейшем повышении температуры превышает его. Прибор перестает работать. В зависимости от марки пьезокерамического материала, из которого изготовлены пьезоэлементы, такой преобразователь позволяет измерять расход пара, температура которого не превышает 110-140°С.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является преобразователь вихревого расходомера, содержащий чувствительный элемент и тело обтекания, включающее переднюю вихреобразующую пластину и стержень. Вихреобразующая пластина имеет гладкую переднюю поверхность со стороны набегающего потока и боковые поверхности с тыльной стороны, скошенные под углом от 5 до 45°. На тыльной поверхности пластины, перпендикулярно к ней, жестко прикреплен стержень. Стержень содержит наполненную маслом капсулу, боковыми сторонами которой являются гибкие мембраны, расположенные заподлицо с боковыми поверхностями. Через эти мембраны и слой масла передаются импульсы переменного давления на пьезоэлемент. Импульсы создают вихри, поочередно срывающиеся с боковых поверхностей вихреобразующей пластины. Сигнал напряжения переменного тока, выработанный пьезоэлементом, передается через токопроводящий проводник на усилитель для передачи на относительно большие расстояния (2).

Недостатком является низкая термостойкость конструкции. При изменении температуры происходит тепловая деформации кристаллической решетки и самопроизвольная поляризация пьезоэлемента. Пьезоэлемент вырабатывает заглушающий сигнал. В результате прибор перестает работать при температурах более 110-140°С.

Целью заявляемого технического решения является повышение термостойкости преобразователя вихревого расходомера.

Поставленная цель достигается тем, что в известном преобразователе вихревого расходомера, закрепленном в трубопроводе и содержащем чувствительный элемент и тело обтекания, выполненное в виде передней вихреобразующей пластины и стержня, прикрепленного к тыльной стороне пластины, чувствительный элемент выполнен в виде двух мембран, расположенных в пазах стержня с двух сторон, и пьезоэлемента, имеющего основание из пьезокерамического материала и два электрода, пьезоэлемент дополнительно снабжен двумя электродами, все электроды электрически изолированы, одинаковы и попарно размещены друг напротив друга на двух сторонах основания пьезоэлемента, электроды, размещенные с разных сторон основания, попарно и крест-накрест электрически соединены между собой, пазы выполнены в стержне тела обтекания над одной из пар попарно и крест-накрест соединенных между собой электродов, а пространство между мембраной и электродами заполнено диэлектрическим связующим материалом.

Отличительными признаками предлагаемого преобразователя вихревого расходомера является то, пьезоэлемент дополнительно снабжен двумя электродами, все электроды электрически изолированы, одинаковы и попарно размещены друг напротив друга на двух сторонах основания пьезоэлемента, электроды, размещенные с разных сторон основания, попарно и крест-накрест электрически соединены между собой, пазы выполнены в стержне тела обтекания над одной из пар попарно и крест-накрест соединенных между собой электродов, а пространство между мембраной и электродами заполнено диэлектрическим связующим материалом.

Благодаря наличию этих признаков при воздействии температуры за счет наложения двух одинаковых по амплитуде и противоположных по фазе шумовых сигналов пьезоэлемента погрешности прибора сводятся до минимума. Этим достигается повышение термостойкости преобразователя вихревого расходомера.

Изобретение иллюстрируется чертежами: на фиг.1 изображен общий вид преобразователя вихревого расходомера; на фиг.2 показано сечение тела обтекания; на фиг.3 - сечение пьезоэлемента.

Преобразователь вихревого расходомера содержит тело обтекания 1 и чувствительный элемент 2. Преобразователь установлен в трубопроводе 3. Тело обтекания выполнено в виде передней вихреобразующей пластины 4 и стержня 5, прикрепленного к тыльной стороне пластины. Чувствительный элемент 2 выполнен в виде двух мембран 6, расположенных в пазах 7 стержня 5 с двух сторон относительно его плоскости симметрии, и пьезоэлемента 8, размещенного в плоскости симметрии стержня. Пьезоэлемент имеет основание 9 из пьезокерамического материала и четыре одинаковых электрода 10, 11, 12 и 13. Электроды, попарно размещенные строго друг напротив друга на двух сторонах основания 9 пьезоэлемента, электрически изолированы. Электроды 10, 13 и 11, 12, размещенные с разных сторон основания, попарно и крест-накрест электрически соединены между собой. Провода от каждой пары выведены на вход электронного блока 14. Пазы 7 выполнены в стержне 5 тела обтекания над одной из пар попарно и крест-накрест соединенных между собой электродов, например 10, 13. Расстояния между мембранами 6 и пьезоэлементом минимальны, одинаковы и заполнены связующим диэлектрическим материалом 15. Пазы 7 стержня выполнены вглубь до мембраны 6. Мембраны 6 защищают пьезоэлемент 8 от агрессивного химического воздействия измеряемой среды.

Преобразователь вихревого расходомера работает следующим образом. При обтекании тела 1 формирователя вихрей набегающий поток разделяется острыми краями передней пластины 4 и образует вихри, попеременно вдоль и сзади каждой боковой стороны тела обтекания. Вихри образуются с частотой, пропорциональной объемному расходу среды. В процессе образования вихрей создается знакопеременный перепад давлений между боковыми сторонами тела обтекания 1. Пульсации давления поочередно воспринимаются половинками пьезоэлемента под крест-накрест расположенными электродами 10, 13. Механическое усилие сжатия преобразуется в электрический сигнал, величина которого изменяется с частотой образования вихрей. Половинки пьезоэлемента возбуждаются с временным сдвигом на половину периода, т.е. работают в противофазе.

При воздействии температуры пьезоэлемент изгибается в зависимости от скорости изменения температуры. На одинаковых по площади парах электродов 10, 13 и 11, 12, расположенных на противоположных гранях пьезоэлемента, синхронно, т.е. в фазе, образуются разные по знаку и одинаковые по модулю электрические заряды. Поскольку одинаковые по площади электроды соединены крест-накрест, то их заряды нейтрализуются. Таким образом достигается эффект повышения термостойкости и, соответственно, расширяется диапазон рабочих температур преобразователя вихревого расходомера.

Пример. За счет установки в трубу с условным диаметром проходного сечения Ду-50 заявленного преобразователя вихревого расходомера по сравнению с прототипом теплостойкость (способность прибора не выдавать ложного сигнала при воздействии температуры) возросла со 120 до 400°С.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Полезная модель России №21239, МПК: 7 G 01 F 1/32, опубл. 2001 г.

2. Патент США №3972232, НКИ: 73/194VS, МПК: G 01 A 1/32, опубл. 1976 г. - прототип.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в вихревых расходомерах. Преобразователь содержит тело обтекания, состоящее из вихреобразующей пластины и стержня. Пьезоэлемент вмонтирован в стержень и двумя мембранами защищен от химической агрессивности измеряемой среды. Пьезоэлемент имеет четыре одинаковых электрически изолированных электрода. Электроды попарно электрически соединены, и провода от каждой пары выведены на электронный блок. На противоположных гранях стержня выполнены два паза напротив любой пары крест-накрест расположенных электродов. Технический результат: повышение термостойкости преобразователя вихревого расходомера. 3 ил.

Преобразователь вихревого расходомера, закрепленный в трубопроводе и содержащий чувствительный элемент и тело обтекания, выполненное в виде передней вихреобразующей пластины и стержня, прикрепленного к тыльной стороне пластины, чувствительный элемент выполнен в виде двух мембран, расположенных в пазах стержня с двух сторон, и пьезоэлемента, имеющего основание из пьезокерамического материала и два электрода, отличающийся тем, что пьезоэлемент дополнительно снабжен двумя электродами, все электроды электрически изолированы, одинаковы и попарно размещены друг напротив друга на двух сторонах основания пьезоэлемента, электроды, размещенные с разных сторон основания, попарно и крест-накрест электрически соединены между собой, пазы выполнены в стержне тела обтекания над одной из пар попарно и крест-накрест соединенных между собой электродов, а пространство между мембраной и электродами заполнено диэлектрическим связующим материалом.