ВИХРЕВОЙ РАСХОДОМЕР, ЕМКОСТНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ДАТЧИК И СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ Российский патент 2006 года по МПК G01F1/32 G01L9/12 

Область техники, к которой относятся изобретения

Изобретения относятся к измерительной технике, в частности к вихревому расходомеру, емкостному дифференциальному датчику и способу преобразования механических колебаний, а именно колебаний подвижной обкладки емкостного дифференциального датчика, в электрический сигнал, и могут быть использованы для контроля расхода жидкостей и газов, преимущественно химически активных и агрессивных.

Уровень техники

Принцип вихревого измерения - один из наиболее просто реализуемых в промышленной расходометрии. В измеряемый поток помещают препятствие - плохо обтекаемое тело, называемое вихреобразующим телом. Позади него образуется последовательность вихрей, вихри Кармана, которые можно обнаружить по незначительным изменениям давления или по колебаниям пластинки (обтекателя).

Существующие на сегодняшний момент механо-электрические способы регистрации вихрей или съема сигнала в основном используются в датчиках давления, тензодатчиках, пьезодатчиках и электромагнитных индукционных датчиках. Известными недостатками вышеуказанных датчиков являются низкая чувствительность, нелинейная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), чувствительность к вибрациям и внешним шумам, резонанс механических деталей узла съема, искажение сигнала. Вследствие этого для обработки сигнала вихревого потока необходимо применение сложных схем активных фильтров и корректирующих LC цепей, которые, в свою очередь, вносят сильные динамические искажения в исходный сигнал, влияющие на точность измерения расхода.

Известен также емкостной дифференциальный датчик (Справочная книга - радиолюбителя-конструктора. Под редакцией Н.И.Чистякова, М.: Радио и Связь. 1990, с.265, 266). По сравнению с вышеуказанными он обладает высокой чувствительностью, имеет равномерную (плоскую) характеристику чувствительности в широком диапазоне рабочих частот от долей Гц до сотен кГц. Переходное затухание между дифференциальными каналами датчика достигает 38-40 дБ, что позволяет эффективно подавлять синфазные помехи, вызываемые в основном вибрацией труб и пульсацией потока. Для других датчиков в дифференциальном исполнении этот показатель существенно ниже - не более 25 дБ.

Преимущество использования емкостного датчика для регистрации вихревого потока очевидно. На практике же емкостные датчики мало применимы ввиду сложности их изготовления и высокой цены.

Наиболее близким аналогом, совпадающим с заявленным изобретением вихревого расходомера по наибольшему количеству существенных признаков, является вихревой расходомер (РФ, заявка №99-124869, опубл. 27.08.2001 г., БИ №24, часть 1, с.89).

Вихревой расходомер содержит вихреобразующее тело, установленное в трубопроводе, промежуточную вставку, соединенную с трубопроводом, и узел съема сигнала, включающий корпус, емкостные преобразователи, рычаг, мембрану, обтекатель и механические упоры.

К корпусу узла съема сигнала приварена мембрана, соединенная с рычагом, выполненным в виде тонкой пластины. Конец пластины совместно с емкостными преобразователями образует две измерительные емкости. Обтекатель выполнен в виде пластины. В корпусе установлены также два упора, расположенных в плоскости, проходящей через осевые линии трубопровода и узла съема сигнала. Упоры, выполненные в виде шаровой поверхности, служат для ограничения перемещения мембраны.

Вихревой расходомер работает следующим образом. При прохождении среды, жидкости или газа по трубопроводу за вихреобразующим телом образуются вихри Кармана, распространяющиеся вместе с потоком среды. Вихри Кармана поочередно воздействуют на обтекатель, вызывая его отклонения от оси трубопровода в одну и другую стороны. Колебания обтекателя передаются через мембрану рычагу, который изменяет зазор между емкостями преобразователей, которые включаются в измерительную схему дифференциально. Изменения емкости с частотой, пропорциональной расходу среды, далее преобразуются в электрический сигнал.

Требуемая чувствительность вихревого расходомера обеспечивается за счет увеличения перемещения рычага относительно емкостных преобразователей путем увеличения диаметра мембраны и уменьшения ее жесткости, а также увеличения длины обтекателя с целью увеличения момента силы.

Данная конструкция расходомера имеет ряд существенных недостатков.

Одним из недостатков расходомера являются его большие габариты и материалоемкость за счет применения промежуточной вставки, особенно для малых Ду (диаметр условного прохода).

Небольшая толщина - 0,5-1,5 мм и большой диаметр мембраны снижают ее прочность, тем самым ограничивая применение расходомера для работы на высоких давлениях.

Другим недостатком расходомера является большая длина рычага и обтекателя, которые вместе с тонкой мембраной образуют колебательную систему с очень низкой частотой собственного резонанса - порядка 200 Гц, находящейся в диапазоне частоты вихреобразования или близко к ней. При этом конструкция обладает высокой инерционностью и восприимчива к вибрациям трубопровода и внешним воздействиям.

Для обеспечения прочности тонкой мембраны и подавления ее механического резонанса в корпусе узла съема сигнала установлены два упора, ограничивающих перемещение мембраны в вертикальном направлении. Эти упоры, в свою очередь, снижают чувствительность расходомера, а в местах касания упоров с мембраной будет происходить механическое трение и износ деталей.

Следующий недостаток расходомера относится к рычагу узла съема сигнала, выполненному в виде тонкой пластины, который инерционен и, в свою очередь, тоже представляет собой колебательную систему с частотой собственного резонанса, близкой к частоте вихреобразования.

Автор предлагает использовать емкостные преобразователи. Зазоры между рычагом и электродами емкостных преобразователей при этом составляют всего 10-20 микрон, что явно недостаточно, поскольку момент инерции большой и на высоких расходах, когда амплитуда движения рычага увеличивается в сотни раз, будет происходить касание рычагом емкостных преобразователей, тем самым снижается динамический диапазон.

Частота собственного механического резонанса рычага и мембраны узла съема находится в рабочем диапазоне частоты вихреобразования или близко к ней. Резонансная частота будет смешиваться с полезным сигналом вихреобразования. Выделить полезный сигнал, когда частоты равны или близки друг к другу, очень трудно. Необходимо применение сложных схем активных фильтров высокого порядка. Фильтры, в свою очередь, вносят динамические искажения в исходный сигнал, снижают точность измерения и удорожают конструкцию.

Наиболее близким по технической сущности решением к заявленным изобретениям емкостного дифференциального датчика и способа преобразования механических колебаний в электрический сигнал является емкостной датчик фирмы Endress + Hauser (Technical Information TI040D/06/en No.50084974, http://www.endress.com), (Датчики и системы, 2000, №8, с.63. Вихревые расходомеры). Известный датчик фирмы Е + Н - сенсор в виде дифференциального управляемого конденсатора, состоящего из подвижной пластины, расположенной между двумя неподвижными, расстояние между которыми около 0,1 мм. Емкость между пластинами измеряется с помощью моста Уитсона. Основным его недостатком является высокая цена и сложность изготовления.

Задача изобретений - обеспечение контроля расхода жидкости или газа, повышение точности измерения, увеличение динамического диапазона.

Технический результат изобретения вихревого расходомера выражен в уменьшении чувствительности расходомера к вибрациям трубопровода и посторонним воздействиям.

Технический результат изобретений проявляется в увеличении динамического диапазона, повышении надежности, прочности и удешевлении конструкции вихревого расходомера и емкостного дифференциального датчика.

Раскрытие изобретений

Патентуется вихревой расходомер, содержащий измерительный участок трубопровода с расположенным в нем вихреобразующим телом и заключенный в корпус узел съема сигнала, включающий выведенный в трубопровод обтекатель, мембрану, рычаг и емкостной дифференциальный датчик.

Технический результат достигается применением в вихревом расходомере узла съема сигнала с рычагом в виде тонкостенной трубки и усовершенствованным емкостным дифференциальным датчиком.

Расходомер отличается тем, что корпус узла съема сигнала и мембрана установлены непосредственно на трубопроводе и жестко с ним соединены. Узел съема выполнен следующим образом. Обтекатель, мембрана и рычаг выполнены интегрально, как единое целое. Рычаг изготовлен в виде тонкостенной трубки диаметром в два - три раза меньше диаметра мембраны. При этом рычаг в отличие от содержащейся в прототипе тонкой пластины обладает малым весом, малой инерцией и высокой жесткостью, практически отсутствует собственный резонанс. Обтекатель выполнен укороченным и имеет длину, равную или чуть меньше половины Ду трубопровода. Мембрана, в свою очередь, уменьшена в диаметре соразмерно с Ду и увеличена в толщине до 0,8-2 мм в зависимости от диаметра трубопровода. Это обеспечивает необходимую жесткость и прочность мембраны, а также позволяет жестко монтировать ее непосредственно в корпус расходомера с любым Ду. Малые размеры обтекателя, рычаг в виде трубки и жесткая небольшого диаметра мембрана позволяют в значительной степени уменьшить чувствительность к внешним воздействиям, снизить амплитуду собственного резонанса, а также увеличить ее частоту до 14 и более кГц, у прототипа - 200 Гц. Высокая резонансная частота малой амплитуды легко отфильтровывается и не влияет на точность измерения расхода.

Связь рычага с емкостным дифференциальным датчиком осуществлена через изолятор.

Необходимая чувствительность расходомера обеспечивается применением в узле съема сигнала емкостного дифференциального датчика.

Дифференциальный датчик построен по принципу емкостного делителя. Между двумя неподвижными обкладками расположена подвижная, образуя при этом два конденсатора одинаковой емкости. Датчик отличается тем, что он дополнительно содержит диодные детекторы, расположенные в непосредственной близости от неподвижных обкладок, и для уменьшения паразитных емкостей, а также повышения чувствительности датчика неподвижные обкладки выполнены непосредственно из выводов диодов детекторов и расположены на расстоянии 0,3-1,5 мм по обе стороны от подвижной обкладки. Подвижная обкладка представляет собой металлический стержень площадью поперечного сечения 0,2-1,8 мм² и длиной 10-15 мм. Стержень может быть круглого или квадратного сечения диаметром или стороной 0,6-1,0 мм. Стержень жестко прикреплен к рычагу узла съема через изолятор.

Предлагаемый датчик в отличие от датчика фирмы Е+Н использует более простой способ преобразования емкости, существенно дешевле, обладает высокой надежностью и технологичностью, имеет хорошо повторяемую конструкцию, обладая при этом всеми преимуществами емкостных датчиков.

Вихревой расходомер отличается тем, что его электронная схема включает два пассивных фильтра НЧ (низкой частоты), соединенных с дифференциальным быстродействующим усилителем, который связан с активным фильтром НЧ, подключенным к формирователю импульсов.

Способ преобразования механических колебаний, в частности колебаний подвижной обкладки емкостного дифференциального датчика, в электрический сигнал отличается тем, что к подвижной обкладке подводится напряжение высокой частоты, которое через соответствующие емкости наводится на неподвижные обкладки и далее выпрямляется диодными детекторами, при этом изменения емкостей, вызванные механическими колебаниями подвижной обкладки, приводят к изменению выпрямленного напряжения на выходах детекторов, откуда сигнал подается на пассивные фильтры низкой частоты, далее поступает на дифференциальный быстродействующий усилитель, затем на активный фильтр низкой частоты, выполненный на переключаемых конденсаторах и имеющий линейную АЧХ в рабочем диапазоне, затем сигнал подается на формирователь импульсов, а с него - на вторичный преобразователь.

Расходомер как целое устройство, емкостной дифференциальный датчик как часть устройства и способ преобразования механических колебаний в электрический сигнал связаны между собой настолько, что они образуют единый изобретательский замысел. Датчик предназначен для использования в расходомере по своему функциональному назначению и может быть использован по этому назначению в составе других устройств. Функционально самостоятельный емкостной дифференциальный датчик является основной причиной достижения расходомером технического результата.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображен поперечный разрез вихревого расходомера. Фиг.2 - местный вид емкостного дифференциального датчика. Фиг.3 - функциональная схема УФИ.

Осуществление изобретений

Вихревой расходомер, показанный на фиг.1, содержит вихреобразующее тело 1, установленное в трубопроводе 2, и узел съема сигнала 3, включающий корпус 4, емкостной дифференциальный датчик 5, рычаг 6, мембрану 7, обтекатель 8.

Корпус 4 узла съема сигнала 3 и мембрана 7 установлены непосредственно на трубопроводе 2 и жестко с ним соединены. Мембрана 7 вварена в трубопровод 2.

Мембрана 7, рычаг 6 и обтекатель 8 выполнены интегрально, как единое целое. Диаметр мембраны соразмерен с Ду трубопровода. Толщина мембраны составляет 0,8-2 мм. Обтекатель 8 выполнен в виде тонкой пластины, проходит через стенку трубопровода с зазором. Рычаг 6 представляет собой тонкостенную трубку, диаметр которой в два-три раза меньше диаметра мембраны. К рычагу жестко прикреплена подвижная обкладка 9 емкостного датчика 5 через изолятор 10. Неподвижные обкладки 11, 12 емкостного датчика 5 закреплены к корпусу 4 узла съема 3.

Технический результат достигается во всем интервале значений толщины мембраны и диаметра трубки (рычага).

Вихревой расходомер работает следующим образом. При прохождении среды, жидкости или газа, по трубопроводу 2 за вихреобразующим телом 1 образуются вихри Кармана, распространяющиеся вместе с потоком среды.

Вихри Кармана поочередно воздействуют на обтекатель 8, вызывая его отклонение от оси трубопровода в одну и в другую сторону. Колебания обтекателя 8 передаются через мембрану 7 рычагу 6 и прикрепленной к нему подвижной обкладке 9 емкостного датчика 5. Колебания подвижной обкладки 9 вызывают изменение емкостей датчика 5. Изменения емкостей далее при помощи диодных детекторов и УФИ преобразуются в электрические импульсные сигналы, частота следования которых пропорциональна расходу измеряемой среды.

Датчик 5 расходомера (фиг.2) состоит из подвижной обкладки 9 с изолятором 10, неподвижных обкладок 11, 12 и двух диодных детекторов А1 и А2, расположенных в непосредственной близости от неподвижных обкладок. Детекторы содержат диоды 13, 14 и 15, 16 и выполнены на печатных платах 17, 18.

Подвижная обкладка 9 изготовлена из металлического стержня площадью поперечного сечения 0,2-1,8 мм² и длиной 10-15 мм. Подвижная обкладка 9, форма которой на фиг.2 представлена в виде примера, изготовлена из металлического стержня диаметром 0,6-1,0 мм и закреплена на изоляторе 10, который жестко прикреплен к рычагу 6. Подвижная обкладка 9 может быть изготовлена из металлического стержня квадратного сечения со стороной 0,6-1,0 мм. По обе стороны от обкладки 9 на расстоянии 0,3-1,5 мм расположены неподвижные обкладки 11 и 12. Технический результат достигается во всем интервале значений размера стержня и его расположения. Подвижная обкладка 9 образует с неподвижными 11, 12 две измерительные емкости. Неподвижные обкладки 11, 12 для уменьшения паразитных емкостей выполнены непосредственно из выводов диодов 13-16. Выводы диодов 13, 14 образуют обкладку 11, а диодов 15, 16 - обкладку 12. Диоды включены по схеме удвоения напряжения и смонтированы на печатных платах 17 (диоды 13, 14) и 18 (диоды 15, 16). Платы 17, 18 жестко закреплены к корпусу 4 узла съема сигнала 3.

Датчик работает следующим образом. К подвижной обкладке 9 от генератора 19 подводится напряжение высокой частоты. Через емкости на неподвижных обкладках 11, 12 наводится высокочастотное напряжение, которое выпрямляется диодными детекторами А1 и А2. Величина постоянной составляющей на выходах детекторов A1, A2 зависит от расстояния между подвижной обкладкой 9 и неподвижными обкладками 11, 12. В отличие от прототипа как такового измерения емкости в датчике не происходит, а используется свойство емкости избирательно пропускать переменное напряжение.

Колебания подвижной обкладки 9 под действием вихрей Кармана приводят к изменению емкостей. В результате на выходах детекторов A1, A2 к постоянной составляющей выпрямленного напряжения добавляется переменная составляющая колебаний вихревого потока. Частота вихреобразования пропорциональна скорости потока среды. Сигнал с выходов диодных детекторов A1, A2 подается на УФИ, где преобразуется в последовательность импульсов стандартной величины.

На фиг.3 приведена функциональная схема УФИ. Он состоит из двух пассивных фильтров НЧ 20, 21, соединенных с дифференциальным быстродействующим усилителем 22, подключенным к активному фильтру НЧ 23, соединенному с формирователем импульсов 24, который соединен с вторичным преобразователем 25.

Благодаря тому, что емкостной датчик 5 обладает высокой чувствительностью, имеет в рабочем диапазоне линейную АЧХ, а конструкция узла съема сигнала 3 позволила вывести частоту его собственного механического резонанса за пределы рабочего диапазона и значительно снизить чувствительность к внешним воздействиям, УФИ построен по схеме максимально короткого тракта. Схеме не требуются корректирующие LC цепи и активные фильтры высокого порядка, которые вносят динамические искажения и влияют на точность измерения расхода.

УФИ работает следующим образом. Исходный сигнал с емкостного датчика 5 подается на пассивные фильтры НЧ 20, 21, которые предотвращают попадание в схему высокой частоты от генератора 19. С фильтров 20, 21 сигнал поступает на дифференциальный быстродействующий усилитель 22. Для уменьшения динамических искажений и эффективного подавления синфазных помех высокой частоты усилитель 22 построен на быстродействующем ОУ без корректирующих цепей.

Далее сигнал подается на активный фильтр НЧ 23 для подавления резонансной частоты и других высокочастотных помех. Он выполнен на переключаемых конденсаторах и имеет линейную АЧХ в рабочем диапазоне и практически не вносит динамических искажений. Далее сигнал подается на формирователь импульсов 24, а с него - на вторичный преобразователь 25.

Изобретения относятся к измерительной технике, в частности к вихревому расходомеру, емкостному дифференциальному датчику и способу преобразования механических колебаний в электрический сигнал, и могут быть использованы для контроля расхода жидкостей или газов. Сущность: вихревой расходомер содержит вихреобразующее тело, установленное в трубопроводе, и узел съема сигнала. Узел съема сигнала включает корпус, емкостной дифференциальный датчик, рычаг, мембрану, обтекатель, выполненный укороченным. Корпус узла съема сигнала и мембрана установлены непосредственно на трубопроводе и жестко с ним соединены. Обтекатель, мембрана и рычаг выполнены как единое целое. Емкостной дифференциальный датчик включает диоды, диодные детекторы, две неподвижные обкладки и расположенную между ними подвижную обкладку, образующие две измерительные емкости. Подвижная обкладка жестко закреплена на изоляторе, прикрепленном к рычагу. Диоды включены по схеме удвоения напряжения и смонтированы на печатных платах. Диодные детекторы расположены в непосредственной близости от неподвижных обкладок, которые выполнены из выводов детектирующих диодов. Расходомер дополнительно содержит электронную схему, включающую два пассивных фильтра низкой частоты, дифференциальный быстродействующий усилитель, активный фильтр низкой частоты, формирователь импульсов. Технический результат: увеличение динамического диапазона, повышение надежности и прочности устройств. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Вихревой расходомер, содержащий измерительный участок трубопровода с расположенным в нем вихреобразующим телом и заключенный в корпус узел съема сигнала, включающий выведенный в трубопровод обтекатель, мембрану, рычаг и емкостный дифференциальный датчик, отличающийся тем, что корпус узла съема сигнала и мембрана установлены непосредственно на трубопроводе и жестко с ним соединены, обтекатель, мембрана и рычаг выполнены как единое целое, при этом рычаг имеет форму тонкостенной трубки и обтекатель выполнен укороченным, расходомер дополнительно содержит электронную схему, включающую два пассивных фильтра низкой частоты, соединенных с дифференциальным быстродействующим усилителем, который связан с активным фильтром низкой частоты, подключенным к формирователю импульсов.2. Вихревой расходомер по п.1, отличающийся тем, что рычаг через изолятор связан с емкостным дифференциальным датчиком.3. Вихревой расходомер по п.2, отличающийся тем, что диаметр рычага в 2-3 раза меньше диаметра мембраны, диаметр которой соразмерен с диаметром условного прохода трубопровода, при этом толщина мембраны составляет 0,8-2 мм, а обтекатель укорочен до половины диаметра трубопровода.4. Емкостный дифференциальный датчик, включающий две неподвижные обкладки и расположенную между ними подвижную обкладку, образующие две измерительные емкости, отличающийся тем, что подвижная обкладка, к которой от генератора подводится напряжение высокой частоты, закреплена на изоляторе, жестко прикрепленном к рычагу, датчик дополнительно содержит диоды, включенные по схеме удвоения напряжения и смонтированные на печатных платах, жестко закрепленных к корпусу узла съема сигнала, диодные детекторы, сигнал с выходов которых подается на пассивные фильтры низкой частоты, при этом диодные детекторы расположены в непосредственной близости от неподвижных обкладок, которые выполнены из выводов детектирующих диодов.5. Емкостный дифференциальный датчик по п.4, отличающийся тем, что подвижная обкладка выполнена из металлического стержня с площадью поперечного сечения 0,2-1,8 мм² и длиной 10-15 мм, неподвижные обкладки расположены на расстоянии 0,3-1,5 мм по обе стороны от подвижной обкладки.6. Емкостный дифференциальный датчик по п.4, отличающийся тем, что подвижная обкладка выполнена из металлического стержня диаметром 0,6-1,0 мм.7. Емкостный дифференциальный датчик по п.4, отличающийся тем, что подвижная обкладка выполнена из металлического стержня квадратного сечения со стороной 0,6-1,0 мм.8. Способ преобразования механических колебаний, в частности колебаний подвижной обкладки емкостного дифференциального датчика, в электрический сигнал, отличающийся тем, что к подвижной обкладке от генератора подводится напряжение высокой частоты, которое через соответствующие емкости наводится на неподвижные обкладки и далее выпрямляется диодными детекторами, при этом изменения емкостей, вызванные механическими колебаниями подвижной обкладки, приводят к изменению выпрямленного напряжения на выходах детекторов, откуда сигнал подается на пассивные фильтры низкой частоты, далее поступает на дифференциальный быстродействующий усилитель, затем на активный фильтр низкой частоты, выполненный на переключаемых конденсаторах и имеющий линейную АЧХ в рабочем диапазоне, затем сигнал подается на формирователь импульсов, а с него - на вторичный преобразователь.