ДАТЧИК БЫСТРОПЕРЕМЕННОГО ДАВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК G01L9/08 G01L23/10 G01F1/32 

Изобретение относится к средствам преобразования быстропеременного и импульсного давления в электрический сигнал и может быть использовано в первичных преобразователях скорости потока вихревых расходомеров воды, газа, пара и других однородных сред.

Известен датчик быстропеременного давления, содержащий чувствительные мембраны и пьезоэлементы, включающие круглое основание из пьезокерамического материала и два электрода, размещенных в теле обтекания преобразователя вихревого расходомера. Тело обтекания является для датчика корпусом. Пьезоэлементы, соединенные по дифференциальной схеме, расположены в выемках на плоских параллельных поверхностях стержня тела обтекания симметрично относительно его средней плоскости, являющейся плоскостью симметрии. Пьезоэлементы электрически изолированы от тела обтекания и герметично закрыты двумя гибкими мембранами, являющимися защитой от химической агрессивности измеряемого потока и электрически изолированы от тела обтекания связующим материалом. Через эти мембраны и слой связующего материала передаются импульсы переменного давления от вихрей с боковых поверхностей на основания пьезоэлементов. Импульсы создают вихри, поочередно срывающиеся с боковых поверхностей вихреобразующей пластины. Сигналы напряжения переменного тока, выработанные пьезоэлементами, передаются через токопроводящий проводник на усилитель для передачи на относительно большие расстояния [1].

Вибростойкость такого датчика сравнительно невысока. Под воздействием вибрации возникают изгибные колебания тела обтекания. Из курса сопротивления материалов известно, что при изгибе наибольшая величина деформации в слое, наиболее удаленном от нейтральной плоскости (в нашем случае плоскости симметрии тела обтекания). Поэтому чем дальше от плоскости симметрии расположен пьезоэлемент, тем большие усилия на него воздействуют, тем большие заряды наводятся на его электродах и, соответственно, больший заглушающий сигнал по отношению к полезному он создает. Поэтому вибростойкость конструкции в значительной степени определяется удаленностью пьезоэлементов от плоскости симметрии тела обтекания. Наименьшие деформации испытывает пьезоэлемент, плоскость симметрии которого совпадает с плоскостью симметрии тела обтекания. Кроме того, гибкие мембраны и связующий электроизолирующий материал обладают массой m и при действии виброускорения а воздействуют на пьезоэлемент с силой F=m×a, также создавая заглушающий по отношению к полезному сигнал. Таким образом, вибростойкость конструкции зависит также от общей массы мембраны и электроизолирующего материала.

Другим недостатком является низкая термостойкость конструкции. При изменении температуры в результате теплового расширения или сжатия, как и при воздействии вибрации, изгибается тело обтекания. Кристаллическая решетка пьезокерамического материала деформируется 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 некоторой температуры величина заглушающего сигнала становится соизмеримой с основным сигналом и при дальнейшем нагреве 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.

Кроме того, известное устройство не может быть использовано в качестве датчика, регистрирующего разрыв трубопровода и являющегося частью автоматизированной системы, следящей за целостностью продуктопровода или нефтепровода. При разрыве трубопровода оба пьезоэлемента срабатывают одновременно и их сигналы, поскольку они соединены дифференциально, вычитаются и гасят друг друга.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является датчик быстропеременного давления, содержащий две чувствительные мембраны и пьезоэлемент, включающий круглое основание из пьезокерамического материала и два электрода, размещенных в виде капсулы в теле обтекания преобразователя вихревого расходомера. Тело обтекания является для датчика корпусом. Пьезоэлемент расположен в плоскости симметрии стержня теля обтекания. Боковыми сторонами капсулы являются две гибкие мембраны, расположенные заподлицо с плоскими поверхностями стержня тела обтекания. Пространство между круглым основанием пьезоэлемента и мембранами заполнено маслом. Через мембраны и слой масла передаются импульсы переменного давления от вихрей с боковых поверхностей стержня на основание пьезоэлемента. Сигнал напряжения переменного тока, выработанный пьезоэлементом, передается через токопроводящий проводник на усилитель для передачи на относительно большие расстояния [2].

Такая конструкция не является вибростойкой, поскольку слой масла между мембраной и пьезоэлементом имеет достаточно большую массу. При воздействии вибрации этот слой с силой F=m×a (здесь m - масса слоя масла между чувствительным элементом и мембраной; а - виброускорение) воздействует на чувствительный элемент, который вырабатывает заглушающий сигнал, прямо пропорциональный массе m и виброускорению а. Соотношение сигнал/шум становится недопустимо большим даже при небольших значениях виброускорения, возникающих при эксплуатации прибора. Эффект особенно заметен на малых расходах, где величина полезного сигнала небольшая - электронный блок перестает обрабатывать сигнал, что ведет к уменьшению динамического диапазона прибора.

Другим недостатком является низкая термостойкость конструкции. При изменении температуры происходит тепловая деформация кристаллической решетки. При этом пьезоэлемент принимает форму выпуклой чашки и происходит его самопроизвольная поляризация. Пьезоэлемент вырабатывает заглушающий сигнал. В результате прибор перестает работать при температурах более 110-140°С.

Кроме того, известное устройство не может быть использовано в качестве датчика, регистрирующего разрыв трубопровода, т.к. изменение давления при разрыве трубопровода будет воспринято им как импульс давления при вихреобразовании.

Целями заявляемого технического решения являются повышение вибростойкости и повышение термостойкости преобразователя вихревого расходомера. Целью изобретения являются также расширения области применения датчика.

Поставленные цели достигаются тем, что в известном датчике быстропеременного давления, содержащем установленные в корпусе чувствительную мембрану и пьезоэлемент, включающий круглое основание из пьезокерамического материала и два электрода, пьезоэлемент снабжен двумя дополнительными электродами, все электроды, имеющие в плане форму половины круглого основания, электрически изолированы и попарно размещены друг напротив друга с двух сторон основания пьезоэлемента, корпус датчика выполнен в виде полого цилиндра с двумя крышками, первая крышка в виде круглого упора прикреплена к корпусу, вторая крышка выполнена в виде прикрепленной к корпусу половины круга, чувствительная мембрана установлена в цилиндре с стороны второй крышки, линии раздела электродов пьезоэлемента расположены друг напротив друга и напротив края второй крышки, электроды, размещенные с разных сторон основания, попарно и крест-накрест электрически соединены между собой, пространства между мембраной и пьезоэлементом, а также между первой крышкой и пьезоэлементом заполнены диэлектрическим связующим материалом.

Во втором варианте исполнения корпус датчика выполнен в виде полого прямоугольного параллепипеда с двумя крышками, первая крышка в виде прямоугольного упора прикреплена к корпусу, вторая крышка выполнена в виде прикрепленной к корпусу половины сечения параллепипеда, пьезоэлемент снабжен двумя дополнительными электродами, все электроды имеют в плане форму половины прямоугольного основания.

Отличительными признаками предлагаемого датчика переменного давления в отличие от указанного выше известного являются наличие двух дополнительных электродов, все электроды, имеющие в плане форму половины круглого основания, электрически изолированы и попарно размещены друг напротив друга с двух сторон основания пьезоэлемента. Корпус датчика выполнен в виде полого цилиндра с двумя крышками, первая крышка в виде круглого упора прикреплена к корпусу. Вторая крышка выполнена в виде прикрепленной к корпусу половины круга. Чувствительная мембрана установлена в цилиндре с стороны второй крышки. Линии раздела электродов пьезоэлемента расположены друг напротив друга и напротив края второй крышки, а электроды, размещенные с разных сторон основания, попарно и крест-накрест электрически соединены между собой. Пространства между мембраной и пьезоэлементом, а также между первой крышкой и пьезоэлементом заполнены диэлектрическим связующим материалом.

Во втором варианте исполнения все электроды, имеющие в плане форму половины прямоугольного основания, электрически изолированы и попарно размещены друг напротив друга с двух сторон основания пьезоэлемента. Корпус датчика выполнен в виде полого прямоугольного параллепипеда с двумя крышками. Первая крышка в виде прямоугольного упора прикреплена к корпусу, вторая крышка выполнена в виде прикрепленной к корпусу половины сечения параллепипеда. Чувствительная мембрана установлена в цилиндре с стороны второй крышки, линии раздела электродов пьезоэлемента расположены друг напротив друга и напротив края второй крышки. Электроды, размещенные с разных сторон основания, попарно и крест-накрест электрически соединены между собой, пространства между мембраной и пьезоэлементом, а также между первой крышкой и пьезоэлементом заполнены диэлектрическим связующим материалом.

Благодаря наличию этих признаков при воздействии вибрации или температуры за счет наложения двух одинаковых по амплитуде и противоположных по фазе сигналов, создаваемых пьезоэлементом при воздействии вибрации и изменении температуры, погрешности прибора сводятся до минимума. Этим достигается повышение вибростойкости и термостойкости пьезоэлектрического датчика быстропеременного давления. Выполнение датчика в отдельном корпусе позволяет расположить его отдельно от тела обтекания, генерирующего вихри в таком месте, где он не будет воспринимать пульсации давления от вихрей. В этом случае датчик сможет воспринять одиночный импульс давления, возникающий при разрыве трубопровода, и создать соответствующий электрический сигнал. Этот сигнал является сообщением о разрыве трубопровода. Таким образом, расширяется область применения датчика.

Изобретение иллюстрируется чертежами: на фиг.1 изображен вариант расположения датчика быстропеременного давления за телом обтекания; на фиг.2 показано сечение датчика быстропеременного давления; на фиг.3 - пьезоэлемент.

Датчики 1 быстропеременного давления могут быть установлены в отверстиях трубы 2 и расположены за телом обтекания 3 преобразователя вихревого расходомера. Датчик 1 быстропеременного давления имеет корпус 4, который может быть выполнен в виде полого цилиндра или полого прямоугольного параллепипеда во втором варианте исполнения датчика. Датчик содержит пьезоэлемент, включающий основание 5 и четыре электрода 6, 7, 8, 9. В первом варианте исполнения датчика основание пьезоэлемента выполнено круглым, а электроды имеют в плане форму половины круглого основания. Во втором варианте исполнения датчика основание пьезоэлемента выполнено прямоугольным, а электроды имеют в плане форму половины прямоугольного основания. Электроды 6, 7 и 8, 9 электрически изолированы и размещены с разных сторон основания 5; электроды 6 и 8, а также 7 и 9 размещены друг напротив друга. Электроды 6 и 9, а также 7 и 8, размещенные с разных сторон основания, попарно и крест-накрест электрически соединены между собой. Провода от каждой пары выведены на вход электронного блока 10. Корпус 4 имеет две крышки 11 и 12. Первая крышка 11 прикреплена к корпусу 4 и выполнена в форме круглого или прямоугольного упора, в зависимости от варианта исполнения датчика. Вторая крышка 12 выполнена в виде половины сечения корпуса 4, т.е. в виде половины круга в первом варианте датчика и в виде половины сечения прямоугольного параллепипеда - во втором варианте. Мембрана 13 датчика установлена в корпусе 4 с стороны крышки 12. Пьезоэлемент размещен между мембраной 13 и первой крышкой 11. Пространства между мембраной 13 и пьезоэлементом, а также между первой крышкой 11 и пьезоэлементом минимальны и заполнены диэлектрическим связующим материалом 14. Линии раздела электродов 6 и 7, а также 8 и 9 расположены напротив друг друга и напротив края второй крышки. Открытая часть мембраны 13 расположена напротив одного из электродов, например 9. Корпус 4 датчика установлен в трубу таким образом, чтобы расположенная в проеме 15 открытая часть мембраны 13 была направлена внутрь проточной части.

Датчик быстропеременного давления работает следующим образом. Пульсации давления воспринимаются расположенными напротив проема 15 частью мембраны 13 и основания 5 пьезоэлемента. Механическое усилие сжатия преобразуется в электрический сигнал, величина которого изменяется с частотой образования вихрей. При воздействии вибрации на основание 5 пьезоэлемента воздействует только инерционная сила, производная от массы самого основания. При этом на одинаковых по площади парах электродов 6, 8 и 7, 9, расположенных на противоположных гранях диска, синхронно, т.е. в фазе, образуются разные по знаку и одинаковые по модулю электрические заряды. Поскольку одинаковые по площади противоположно заряженные электроды соединены крест-накрест, то их заряды нейтрализуются. За счет этого повышается вибростойкость датчика. При воздействии температуры основание деформируется. Напряжения сжатия и растяжения в слоях материала основания на одинаковом удалении от его плоскости симметрии отличаются по знаку и совпадают по модулю. Поэтому на одинаковых по площади парах электродов 6, 8 и 7, 9, расположенных на противоположных гранях, синхронно, т.е. в фазе, образуются разные по знаку и одинаковые по модулю электрические заряды. Поскольку одинаковые по площади и разноименно заряженные электроды соединены крест-накрест, то их заряды нейтрализуются. Таким образом достигается эффект повышения термостойкости и, соответственно, расширяется температурный диапазон работы первичного пьезоэлектрического датчика быстропеременного давления. Предлагаемый датчик может быть установлен в трубе в любом необходимом для измерения месте, что расширяет область применения датчика.

Например, за счет установки в расходомер с условным диаметром проходного сечения Ду-50 заявленного датчика быстропеременного давления по сравнению с прототипом вибростойкость (способность прибора не выдавать ложного сигнала при воздействии вибрации определенного уровня) возросла с 0,1 до 3g, а теплостойкость (способность прибора не выдавать ложного сигнала при воздействии температуры) возросла с 120 до 400°С.

Источники информации

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.

Использование: изобретение относится к средствам преобразования быстропеременного и импульсного давления в электрический сигнал и может быть использовано в первичных преобразователях скорости потока вихревых расходомеров воды, газа, пара и других однородных сред. Сущность: датчик быстропеременного давления имеет корпус 4, который может быть выполнен в виде полого цилиндра или полого прямоугольного параллепипеда во втором варианте исполнения датчика. Датчик содержит пьезоэлемент, включающий основание 5 и четыре электрода. В первом варианте исполнения датчика основание пьезоэлемента выполнено круглым, а электроды имеют в плане форму половины круглого основания. Во втором варианте исполнения датчика основание пьезоэлемента выполнено прямоугольным, а электроды имеют в плане форму половины прямоугольного основания. Электроды электрически изолированы и размещены с разных сторон основания 5 друг напротив друга. Электроды, размещенные с разных сторон основания, попарно и крест-накрест электрически соединены между собой. Корпус 4 имеет две крышки 11 и 12. Первая крышка 11 прикреплена к корпусу 4 и выполнена в форме круглого или прямоугольного упора, в зависимости от варианта исполнения датчика. Вторая крышка 12 выполнена в виде половины сечения корпуса 4, т.е. в виде половины круга в первом варианте датчика и в виде половины сечения прямоугольного параллепипеда - во втором варианте. Мембрана 13 датчика установлена в корпусе 4 со стороны крышки 12. Пьезоэлемент размещен между мембраной 13 и первой крышкой 11. Пространства между мембраной 13 и пьезоэлементом, а также между первой крышкой 11 и пьезоэлементом минимальны и заполнены диэлектрическим связующим материалом 14. Линии раздела электродов расположены напротив друг друга и напротив края второй крышки. Открытая часть мембраны 13 расположена напротив одного из электродов. Корпус 4 датчика установлен в трубу таким образом, чтобы расположенная в проеме 15 открытая часть мембраны 13 была направлена внутрь проточной части. Технический результат изобретения заключается в повышении вибростойкости и термостойкости. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

1. Датчик быстропеременного давления, содержащий установленные в корпусе чувствительную мембрану и пьезоэлемент, включающий круглое основание из пьезокерамического материала и два электрода, отличающийся тем, что пьезоэлемент снабжен двумя дополнительными электродами, все электроды, имеющие в плане форму половины круглого основания, электрически изолированы и попарно размещены друг напротив друга с двух сторон основания пьезоэлемента, корпус датчика выполнен в виде полого цилиндра с двумя крышками, первая крышка в виде круглого упора прикреплена к корпусу, вторая крышка выполнена в виде прикрепленной к корпусу половины круга, чувствительная мембрана установлена в цилиндре со стороны второй крышки, линии раздела электродов пьезоэлемента расположены друг напротив друга и напротив края второй крышки, электроды, размещенные с разных сторон основания, попарно и крест-накрест электрически соединены между собой, пространства между мембраной и пьезоэлементом, а также между первой крышкой и пьезоэлементом заполнены диэлектрическим связующим материалом.2. Датчик быстропеременного давления, содержащий установленные в корпусе чувствительную мембрану и пьезоэлемент, включающий основание из пьезокерамического материала и два электрода, отличающийся тем, что пьезоэлемент снабжен двумя дополнительными электродами, все электроды, имеющие в плане форму половины прямоугольного основания, электрически изолированы и попарно размещены друг напротив друга с двух сторон основания пьезоэлемента, корпус датчика выполнен в виде полого прямоугольного параллепипеда с двумя крышками, первая крышка в виде прямоугольного упора прикреплена к корпусу, вторая крышка выполнена в виде прикрепленной к корпусу половины сечения параллепипеда, чувствительная мембрана установлена в параллепипеде со стороны второй крышки, линии раздела электродов пьезоэлемента расположены друг напротив друга и напротив края второй крышки, электроды, размещенные с разных сторон основания, попарно и крест-накрест электрически соединены между собой, пространства между мембраной и пьезоэлементом, а также между первой крышкой и пьезоэлементом заполнены диэлектрическим связующим материалом.