ДАТЧИК ИЗГИБАЮЩЕГО МОМЕНТА ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВИХРЕВЫХ РАСХОДОМЕРОВ Российский патент 2022 года по МПК G01F1/32 

Изобретение относится к высокотемпературным вихревым расходомерам жидкости, газа или пара, в частности - к датчикам изгибающего момента, используемых и предназначенных для регистрации частоты вихрей, образующихся в потоке жидкости, газа или пара за телом обтекания и пропорциональной скорости потока жидкости, пара или газа.

Известен датчик изгибающего момента для высокотемпературных вихревых расходомеров (RU 2608331, МПК G01F1/32, опуб. 17.01.2017), содержащий наружную пластину, прикрепленную к торцу цилиндрического корпуса, воспринимающую переменный изгибающий момент силы давления со стороны вихрей и вызывающую переменные деформации корпуса, и пьезоэлектрический элемент в виде полого цилиндра из пьезоэлектрической керамики, поляризованной в радиальном направлении, установленный в полости корпуса и жестко связанный с ним, причем наружная цилиндрическая поверхность пьезоэлемента покрыта сплошным электродом, а на внутренней поверхности электрод разрезан на две части вдоль образующей по плоскости, совпадающей с плоскостью наружной пластины, благодаря чему между внутренними электродами возникает переменный электрический сигнал с частотой вихреобразования, пропорциональной скорости потока, снимаемый посредством кабеля, сигнальные проводники которого соединены с внутренними электродами пьезоэлемента, во внутреннюю полость пьезоэлемента введены контактные элементы в виде двух цилиндрически изогнутых металлических пластинок, предварительно сваренных с проводниками кабеля, отделенных друг от друга пластинкой изолятора, прижимаемых к внутренним электродам пьезоэлемента силами упругости, обеспечивающими электрический контакт электродов пьезоэлемента с линией связи.

Такое техническое решение имеет недостатки. Основным недостатком такого решения является применение контактных элементов в виде двух цилиндрически изогнутых металлических пластинок, предварительно сваренных с проводниками кабеля, отделенных друг от друга пластинкой изолятора, прижимаемых к внутренним электродам пьезоэлемента силами упругости. Контактные элементы в виде двух цилиндрически изогнутых металлических пластинок, прижимаемые к электродам пьезокерамики, при нагревании изменяют свои пластические свойства, и упругие деформации таких контактных элементов превращаются в пластические, что может привести к нарушению электрического контакта.

Известен также датчик вихревого расходомера (RU 47097, МПК G01F1/32, опуб. 10/08/2005 г.), содержащий установленный в измерительной трубе корпус, в котором размещены тело обтекания, расположенное по диаметру корпуса и закрепленное в нем, чувствительный элемент, вставленный в отверстие в стенке корпуса за телом обтекания и включающий сенсор и мембрану, нижняя поверхность которой соединена непосредственно с сенсором, выполненным в виде жесткой пластины, соединенного в верхней части с балансиром, и пьезоэлемент в виде плоской пластины, прилегающей к верхней поверхности мембраны, пьезоэлемент выполнен двухслойным, собранным по последовательной схеме соединения слоев, причем базовые электроды расположены на прилегающих друг к другу поверхностях пластин, а электроды, симметричные относительно оси симметрии сенсора, - на наружных поверхностях пластин, при этом электроды соединены непосредственно с устройством обработки сигнала. В другом варианте пьезоэлемент также выполнен двухслойным по параллельной схеме соединения слоев, причем базовые электроды в каждом слое расположены на наружных поверхностях пластин, а электроды, симметричные относительно оси симметрии сенсора - на прилегающих друг к другу поверхностях пластин, при этом электроды соединены непосредственно с устройством обработки сигнала.

Такое техническое решение также не лишено недостатков. Основной недостаток такого решения заключается в снижении чувствительности, что связано с наличием балансира, соединенного с жесткой пластиной, реагирующей на давление со стороны вихрей потока и передающей изгибные деформации через мембрану пьезоэлементу. Система: жесткая пластина – балансир имеет собственный резонанс, частоту которого для корректной работы датчика выбирают лежащий значительно выше рабочих частот датчика, определяемых частотой колебания вихрей, пропорциональной скорости измеряемого потока жидкости, газа, или пара. При этом, работая вне области собственного резонанса, дополнительный элемент колебательной системы в виде балансира с конечной массой, создает механическую нагрузку, снижающую чувствительность датчика к воздействиям давления со стороны возбуждаемых вихрей движущегося потока.

Другой недостаток такого решения и также связанный с наличием балансира, заключается в снижении собственной резонансной частоты механических колебаний жесткой пластины, которая связана через мембрану с балансиром, являющимся дополнительной механической нагрузкой, ограничивающей сверху собственную частоту колебаний пластины и, тем самым ограничивающей динамический диапазон измеряемых расходов.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является Асимметричный датчик изгибающего момента для высокотемпературных вихревых расходомеров (RU 2 688 876, МПК H01L41/08, опуб. 15.08.2016), имеющий наружную пластину, один конец которой прикреплен к торцу цилиндрического корпуса, другой конец свободен, а толщина пластины линейно уменьшается от закрепленного конца к свободному с углом между плоскостями, равным 2…4°, воспринимающую переменный изгибающий момент силы давления со стороны вихрей и вызывающую переменные деформации корпуса, и один или несколько пьезоэлектрических элементов, находящихся в полости корпуса и преобразующих изгибающий момент в переменный электрический сигнал, частота которого равна частоте появления вихрей, отличающийся тем, что, с целью расширения температурного диапазона за счет использования высокотемпературных пьезоматериалов, характеризующихся малыми значениями пьезомодуля d₃₁, но приемлемыми значениями пьезомодуля d₃₃, геометрия преобразователя изменяется так, чтобы его чувствительный элемент имел вид набора соосных пьезоэлектрических дисков, поляризованных по толщине и установленных в цилиндрической полости, ось которой смещена относительно плоскости наружной пластины, благодаря чему изгибные деформации этой пластины, передающиеся через мембрану, вызывают напряжения сжатия-растяжения вдоль оси пьезоэлектрических дисков, преобразующиеся в электрический сигнал, пропорциональный пьезомодулю d₃₃, выводимый посредством кабеля к приборам, фиксирующим его частоту.

Такое техническое решение имеет недостатки. Основной недостаток заключается в невысокой чувствительности датчика, что обусловлено нарушением симметрии конструкции. В результате такого нарушения симметрии, изгибающий момент силы давления со стороны вихрей и вызывающий переменные деформации корпуса, будет воздействовать на набор пьезоэлектрических дисков, преимущественно вызывая напряжения сжатия при отклонении наружной пластину в одну из сторон и изгибании мембраны, тогда как при отклонении наружной пластины в другую сторону напряжения растяжения на набор дисков оказываться не будет. В этом случае лишь будет ослабевать напряжение сжатия. Таким образом, эффективность работы такой конструкции оказывается, по крайней мере, вдвое ниже в сравнении с симметричным конструктивным решением.

Другим недостатком приведенного технического решения является тот факт, приведенный в описании к изобретению, что чувствительный элемент опирается на металлическую пяту в виде цилиндра, свободно скользящего вдоль стенок полости и заканчивающегося усеченным конусом, узкий конец которого опирается на мембрану. При работе с перепадом температур в несколько сотен градусов наличие в датчике механически подвижных элементов (металлической пяты в виде цилиндра) может привести к отказу в работе датчика, что может быть обусловлено повышением трения между подвижными элементами.

Еще одним недостатком такого технического решения является дополнительное снижение чувствительности за счет наличия промежуточного массивного металлического элемента (подвижной пяты), обладающего собственными упругими свойствами. Такой промежуточный элемент будет играть роль демпфера, гасящего колебания деформаций передаваемых от наружной пластины к пьезоэлементам.

Техническая проблема заключается в разработке датчика изгибающего момента для высокотемпературных вихревых расходомеров, способного работать при высоких температурах и давлениях измеряемой среды протекающих потоков жидкости и газа, или пара и имеющего высокую чувствительность.

Технический результат заключается в повышении уровня чувствительности датчика в широком диапазоне температур за счет изменения конструкции датчика, обеспечивающей надежный механический контакт между элементами конструкции для трансформации периодических изгибных деформаций от клиновидного крыла через мембрану к пьезоэлектрическому элементу, а также надежный электрический контакт электродов пьезоэлемента с выводящими электрическими проводниками.

Технический результат заявляемого решения достигается тем, что в датчике изгибающего момента для высокотемпературных вихревых расходомеров жидкости, газа, или пара, устанавливаемом в измерительной трубе за телом обтекания, создающим вихревые дорожки Кармана, содержащем полый цилиндрический металлический корпус, оканчивающийся с одной стороны донышком, представляющим собой мембрану, соединенным с клиновидным крылом, а с другой стороны герметичным вводом в виде металлической трубки с герметизирующими металлическими втулками, оканчивающимся экранированным кабелем, имеющим экранный и сигнальные проводники, соединенные с пьезоэлектрическим элементом, расположенным на внутренней стороне донышка, и представляющим собой, по крайней мере, один поляризованный по толщине, пьезоэлектрический диск с металлизацией на обеих плоских поверхностях, металлизация на одной из поверхностей разделена вдоль диаметра диска на два раздельных электрода, тогда как другая поверхность полностью металлизирована, согласно изобретению пьезоэлектрический диск своей полностью металлизированной поверхностью непосредственно прилегает к донышку, поверхностью с разделенными электродами прилегает к поверхности переходного фиксатора, представляющего собой цилиндрическую вставку, выполненную из высокотемпературной керамики с впеченными двумя электродами со стороны торца, прилегающего к поверхности пьезоэлектрического диска, представляющими собой разделенные вдоль диаметра сегменты металлического диска и с другого торца впеченными коаксиально расположенными металлической шайбой и керамической трубкой, имеющей два канала, в каждом из которых размещены металлические проволоки, с одного своего конца также впеченные в переходной фиксатор и закрепленные механически и соединенные электрически с впеченными электродами, с другого конца соединенные с сигнальными проводниками экранированного кабеля, экран экранированного кабеля соединен электрически с корпусом датчика, каждый сегмент впеченных электродов соединен электрически и механически с одним из электродов пьезоэлектрического диска, между переходным фиксатором и герметичным вводом в корпусе на резьбовом соединении размещена прижимная втулка, а на внутренней поверхности цилиндрического корпуса и на внешней поверхности переходного фиксатора выполнен паз, параллельный оси датчика, в котором установлена фиксирующая шпонка.

Технический результат заявляемого решения по п.2 достигается тем, что пьезоэлектрический диск представляет собой пьезоэлектрическую пленку.

Изобретение поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 показана общая конструкция заявляемого изобретения; датчик установлен в измерительной трубе, виды сбоку и сверху;

- на фиг.2 показана конструкция датчика, установленного в измерительную трубу; вид, при котором ось трубы нормальна поверхности рисунка;

- на фиг.3 показана конструкция пьезоэлектрического диска: а) вид сбоку; б) вид сверху со стороны двух раздельных электродов металлизированной поверхности; в) вид снизу со стороны сплошной металлизации поверхности;

- на фиг.4 представлена конструкция переходного фиксатора: а) вид сбоку; б) вид сверху со стороны впеченных керамической трубки и металлической шайбы; в) вид снизу со стороны двух впеченных электродов;

- на фиг.5 показана прижимная втулка: а) вид сбоку; б) вид сверху; в) вид снизу;

- на фиг.6 показаны положения клиновидного крыла датчика при воздействии давления со стороны вихрей: а) воздействие вихрей справа; б) отсутствие воздействия; в) воздействие слева.

На чертежах (фиг.1 – фиг.6) позициями обозначено:

1 – измерительная труба,

2 – тело обтекания,

3 – цилиндрический металлический корпус,

4 – донышко,

5 – клиновидное крыло,

6 – герметичный ввод,

7 – металлическая трубка,

8 – нижняя герметизирующая втулка ,

9 – верхняя герметизирующая втулка,

10 – экранированный кабель,

11 – экранный проводник,

12 – сигнальные проводники,

13 – пьезоэлектрический диск,

14 – раздельные электроды металлизации пьезоэлектрического диска,

15 – полностью металлизированная поверхность пьезоэлектрического диска,

16 – впеченные электроды,

17 – переходной фиксатор,

18 – цилиндрическая вставка из высокотемпературной керамики,

19 – впеченная металлическая шайба,

20 – впеченная керамическая трубка с двумя каналами,

21 – каналы керамической трубки,

22 – металлические проволоки,

23 – прижимная втулка,

24 – совмещаемые пазы,

25 – фиксирующая шпонка.

Датчик изгибающего момента для высокотемпературных вихревых расходомеров жидкости, газа, или пара, устанавливаемый в измерительной трубе 1 за телом обтекания 2, создающим вихревые дорожки Кармана, содержащий полый цилиндрический металлический корпус 3, оканчивающийся с одной стороны донышком 4, представляющим собой мембрану, соединенным с клиновидным крылом 5, а с другой стороны герметичным вводом 6 в виде металлической трубки 7 с нижней 8 и верхней 9 герметизирующими металлическими втулками и, оканчивающимся экранированным кабелем 10, имеющим экранный 11 и сигнальные 12 проводники, соединенные электрически с пьезоэлектрическим элементом, расположенным на внутренней стороне донышка 2, и представляющим собой, по крайней мере, один поляризованный по толщине, пьезоэлектрический диск 13 с металлизацией на обеих плоских поверхностях, металлизация на одной из поверхностей разделена вдоль диаметра диска на два раздельных электрода 14, тогда как другая поверхность 15 полностью металлизирована, отличающийся тем, что пьезоэлектрический диск 13 своей полностью металлизированной поверхностью 15 непосредственно прилегает к донышку 4, поверхностью с разделенными электродами 14 прилегает к поверхности впеченных электродов 16 переходного фиксатора 17, представляющего собой цилиндрическую вставку 18, выполненную из высокотемпературной керамики с двумя впеченными электродами 16 со стороны торца, обращенного к пьезоэлектрическому диску 13, представляющими собой разделенные вдоль диаметра сегменты металлического диска и с другого торца впеченными коаксиально расположенными металлической шайбой 19 и керамической трубкой 20, имеющей два канала 21, в каждом из которых размещены металлические проволоки 22, с одного своего конца закрепленные механически и соединенные электрически с впеченными электродами 16, с другого конца соединенные с сигнальными проводниками 12 экранированного кабеля 10, экранный проводник 11 экранированного кабеля 10 соединен электрически с корпусом 3 датчика, каждый сегмент впеченных электродов 16 соединен электрически и механически с одним из электродов 14 пьезоэлектрического диска 13, между переходным фиксатором 17 и герметичным вводом 6 в цилиндрическом корпусе 3 на резьбовом соединении размещена прижимная втулка 23, а на внутренней поверхности цилиндрического корпуса 3 и на внешней поверхности переходного фиксатора 17 выполнены совмещаемые пазы 24, параллельные оси датчика, в которые установлена фиксирующая шпонка 25.

2. Датчик изгибающего момента по п.1., отличающийся тем, что пьезоэлектрический элемент (диск) представляет собой пьезоэлектрическую пленку.

Устройство работает следующим образом.

Датчик устанавливается в измерительной трубе 1 за телом обтекания 2 по ходу жидкостного или газового потока так, что плоскость симметрии, делящая пополам клин клиновидного крыла 5, оказывается параллельной оси измерительной трубы 1. Периодическая последовательность вихрей (см. фиг.1), возникающих в измерительной трубе 1 за телом обтекания 2, вызывает поочередно давление на каждую из плоскостей клиновидного крыла 5 датчика изгибающего момента (см. фиг.6) с частотой, равной обратному значению периода колебаний крыла и пропорциональной скорости движения измеряемого жидкостного или газового потока. Колебания крыла 5 вызывают изгибные деформации мембраны, являющейся частью донышка 4 датчика и передаются пьезоэлектрическому диску 13 (см. фиг.3), вызывая в нем ответные деформации. Деформации пьезоэлектрического диска 13, вследствие пьезоэлектрического эффекта, индуцируют появление электрических зарядов на металлизированных поверхностях пьезоэлектрического диска 13. Полностью металлизированная поверхность 15 пьезоэлектрического диска 13 вплотную прилегает к донышку 4 металлического корпуса 3 датчика (см. фиг.2), чем обеспечивает электрический контакт (через металлический корпус 3, металлическую нижнюю герметизирующую втулку 8, металлическую трубку 7, верхнюю металлическую герметизирующую втулку 9) с экранным проводником 11 экранированного кабеля 10. Раздельные электроды 14 металлизации пьезоэлектрического диска 13 вплотную соприкасаются с впеченными электродами 16 переходного керамического фиксатора 17, в котором впеченные электроды 16 электрически соединены с концами металлических проволок 22, расположенных в каналах 21 впеченной керамической трубки 20 (см. фиг. 4). Другие концы металлических проволок 22 электрически соединены с сигнальными электродами 12 экранированного кабеля 10 (см. фиг.2), зафиксированного верхней герметизирующей металлической втулкой 9 герметичного ввода 6. Для надежного механического контакта изгибающейся мембраны донышка 4 с пьезоэлектрическим диском 13 с целью передачи деформаций от колеблющегося клиновидного крыла 5 пьезоэлектрическому диску 13, и для обеспечения надежного электрического контакта электрода полностью металлизированной поверхности 15 пьезоэлектричесого диска 13 с корпусом 3, а также раздельных электродов 14 металлизации пьезоэлектрического диска 13 с впеченными электродами 16, между переходным фиксатором 17 и нижней герметизирующей втулкой 8 на резьбовом соединении расположена прижимная втулка 23 (см. фиг.5). Пространственное положение пьезоэлетрического диска 13 выбирается так, чтобы разделенные вдоль диаметра два раздельных электрода 14 располагались симметрично относительно плоскости симметрии, делящей пополам клин клиновидного крыла 5. Пространственная фиксация заданного положения пьезоэлектрического диска 13 осуществляется с помощью продольных пазов на внутренней цилиндрической поверхности корпуса 3 датчика и на внешней поверхности цилиндрической прижимной втулки 23, выполненных параллельными оси датчика, в которые после их совмещения вставлена шпонка 25.

Электрическое напряжение, возникающее между экранным 11 и сигнальными 12 проводниками вследствие пьезоэлектрического эффекта, определяется отношением индуцированного заряда к суммарной ёмкости пьезоэлектрического диска 13 и экранированного кабеля 10. На раздельных электродах 14 металлизации пьезоэлектрического диска 13 в каждый момент времени при отклонении клиновидного крыла 5 в одну из сторон, возникают разнополярные электрические потенциалы. Электрические напряжения между электродом сплошной металлизации поверхности 15 пьезоэлектрического диска 13 и каждым из раздельных электродов 14 оказываются в каждый момент времени противофазными. Эти напряжения снимаются на выходе датчика между экранным проводником 11 и каждым из сигнальных проводников 12. Каждое из этих напряжений подается на один из входных каналов усилителя, а затем – электронного устройства обработки данных. Эффективность преобразования каждого канала датчика изгибающего момента определяется отношением произведения амплитуды напряжения, снимаемого с пары электрода 11 и одного из электродов 12 пьезоэлектрического диска 13 на сумму электрической емкости: участка пьезоэлектрического диска 13, измеряемой между этими электродами и входной электрической емкости усилителя, к давлению, оказываемому в данный момент времени на одну из сторон клиновидного крыла 5. Электрическое напряжение, снимаемое с выхода датчика, подается на вход двухканальной дифференциальной электронной схемы обработки, где измеряется частота вибраций клиновидного крыла 5, пропорциональная скорости движущегося потока. По полученным данным рассчитывается расход протекающих по трубе 1 жидкости, газа, или пара.

Датчик изгибающего момента по п.2. в качестве пьезоэлектрического элемента содержит пьезоэлектрическую пленку, повторяющую изгибные колебания мембраны, индуцирующие электрические заряды на электродах пленки вследствие пьезоэлектрического эффекта.

Пример конкретного исполнения датчика изгибающего момента.

Корпус датчика, изготовленный из титана, имеет клиновидное крыло длиной 16 мм. Полый цилиндрический канал корпуса датчика имеет диаметр 12 мм и глубину 14мм. Внутренний диаметр донышка равен 12 мм, а его толщина 1мм. У основания клиновидного крыла в области его соединения с донышком корпуса выполнена цилиндрическая шейка, диаметром 4 мм, обеспечивающая освобождение излишней механической нагрузки кольцевой области донышка, образующей колеблющуюся мембрану. Пьезоэлектрический элемент в виде диска из высокотемпературной пьезокерамики с двухсторонней металлизацией может иметь различную толщину, определяемую свойствами пьезокерамики и внешними условиями работы датчика, накладывающими требования на параметры и геометрию корпуса датчика, в частности, толщин стенок и донышка, влияющей, в том числе, на чувствительность датчика. В данном примере толщина пьезоэлектрического диска выбрана равной 0.5 мм. Одна из поверхностей диска полностью металлизирована, тогда, как металлизация другой поверхности представляет собой два симметричных сегмента, разделенных электрически по диаметру диска. Пространственное положение пьезоэлетрического диска выбирается так, чтобы разделенные вдоль диаметра два раздельных электрода располагались симметрично относительно плоскости симметрии, делящей пополам клин клиновидного крыла. Пространственная фиксация заданного положения пьезоэлектрического диска осуществляется с помощью продольных пазов на внутренней цилиндрической поверхности корпуса датчика и на внешней поверхности цилиндрической прижимной втулки, выполненных параллельными оси датчика, в которые после их совмещения вставлена шпонка. Такая конструкция позволяет точно совместить каждый из впеченных электродов переходного фиксатора с соответствующим раздельным электродом пьезоэлектрического диска. Прижимная втулка (23) обеспечивает надежный электрический контакт прилегающих друг к другу электродов и надежный механический контакт прилегающих друг к другу мембраны и пьезоэлектрического диска. В высокотемпературной части датчика отсутствуют паяные электрические соединения, что повышает его надежность при работе в области высоких температур. Переходной фиксатор, изготовленный из высокотемпературной керамики, несет на себе три функции: механический прижим пьезоэлектрического диска с мембране; электрическое соединение электрода полностью металлизированной поверхности пьезоэлектрического диска с металлическим донышком корпуса датчики, а также раздельных электродов пьезоэлектрического диска с впеченными электродами переходного фиксатора и фиксацию пространственного положения раздельных электродов пьезоэлектрического диска относительно клиновидного крыла. Переходной фиксатор представляет собой предварительно отдельно собранный узел, состоящий из нескольких основных элементов, запеченных в высокотемпературную керамику: впеченных электродов в виде сегментов металлических дисков, в которые зачеканены металлические проволоки, вставленные в каналы трубки из высокотемпературной керамики. Керамическая трубка продета в отверстие металлической шайбы (19), служащей для уменьшения трения при закручивании прижимной втулки (23). Керамическая трубка выходит в отверстие герметичного ввода. Герметичный ввод представляющего собой узел, состоящий из металлической трубки с приваренными на своих концах герметизирующими металлическими втулками. При этом нижняя герметизирующая металлическая втулка сварена с корпусом датчика. Керамическая трубка, проходящая через отверстие в герметичном вводе, оканчивается в верхней герметизирующей металлической втулке. Металлические проволоки, выходящие из керамической трубки во внутреннем отверстии верхней герметизирующей металлической втулки соединены (например, спаяны, или сварены точечной сваркой) с сигнальными проводниками экранированного кабеля. В месте такой спайки, или сварки, за счет существующего градиента, температура окажется существенно ниже рабочей температуры в области клиновидного крыла датчика. Изоляция проводников в экранированном кабеле может быть выполнена, например, из стекловолоконной оплетки. Экранный проводник экранированного кабеля имеет электрический контакт с верхней герметизирующей металлической втулкой посредством, например пайки, или механического прижимного соединения.

Техническое решение по п.2 изобретения может быть реализовано с помощью напыления толстой пьезоэлектрической пленки (например из окиси цинка, или нитрида алюминия) непосредственно на внутреннюю поверхность донышка датчика. После чего через маску на поверхность пленки напыляются металлические электроды, к которым затем прижимаются впеченные электроды переходного фиксатора. Решение по п. 2 может также содержать пьезоэлектрическую пленку, или иную пьезоэлектрическую структуру, изготовленную обособленно другими методами. Например, это могут быть полимерные высокотемпературные пленки.

В литературе отсутствуют данные об экспериментальных реализациях датчика – прототипа, поэтому не представляется возможным провести сравнение характеристик заявляемого устройства и прототипа. Однако значение чувствительности экспериментального макетного образца заявляемого технического решения лежит существенно выше аналогичных значений других высокотемпературных датчиков, изготовленных на базе пьезокерамики такого же типа.

В таблице 1 приведено сопоставление экспериментальных характеристик заявляемого устройства и опубликованных данных по коэффициентам преобразования (характеризующим чувствительность) высокотемпературного датчика 108 МТ (ООО «Пьезоэлектрик», г. Ростов-на Дону).

Таблица 1.

Характе -
Ристика
Датчик Длина клиновидного крыла, мм Тип керамики Рабочая температура, ° С Чувствитель-ность, нК/Нм Заявляемое устройство 16 ЦТС 21 350 100 108МТ (ООО «Пьезоэлектрик» Ростов-на Дону)
16
ЦТС 21
350
30

Из таблицы 1 видно, что при прочих идентичных параметрах (рабочая температура, длина клиновидного крыла, тип применяемой пьезокерамики), характеристики заявляемого устройства выгодно отличаются от датчика сравнения. Чувствительность заявляемого устройства в 3 раза выше относительно датчика сравнения.

Кроме того, анализируя конструктивные особенности датчика - прототипа можно утверждать, что заявляемое устройство свободно от технических особенностей прототипа, ограничивающих его чувствительность, а именно: 1) заявляемое устройство имеет симметричный узел воздействия на пьезоэлектрический элемент, в отличие от прототипа, где симметрия нарушена и изгибающий момент силы давления со стороны вихрей, вызывающий переменные деформации корпуса, будет воздействовать на пьезоэлемент, преимущественно вызывая лишь напряжения сжатия при отклонении наружной пластину в одну из сторон и изгибании мембраны, тогда как при отклонении наружной пластины в другую сторону напряжения растяжения на пьезоэлемент оказываться не будет. Симметричное решение выгодно отличает заявляемое устройство от прототипа, что позволяет реализовать более высокую чувствительность; 2) В прототипе чувствительный элемент опирается на металлическую пяту в виде цилиндра, свободно скользящего вдоль стенок полости и заканчивающегося усеченным конусом, узкий конец которого опирается на мембрану. При работе с перепадом температур в несколько сотен градусов наличие в датчике механически подвижных элементов (металлической пяты в виде цилиндра) может привести к отказу в работе датчика, что может быть обусловлено повышением трения между подвижными элементами. Заявляемое решение свободно от вероятности такого отказа; 3) Наличие в прототипе промежуточного массивного металлического элемента (подвижной пяты), обладающего собственными упругими свойствами приводит к демпфированию деформаций, передаваемых от наружной пластины к пьезоэлементам, что дополнительно снижает чувствительность датчика. Заявляемое решение свободно от такого недостатка, что предполагает получение более высокой чувствительности.

Изобретение относится к высокотемпературным датчикам изгибающего момента в вихревых расходомерах, для регистрации частоты вихрей за телом обтекания, пропорциональной скорости потока жидкости, пара или газа. Отличительной особенностью датчика согласно изобретению является то, что пьезоэлектрический диск своей полностью металлизированной поверхностью непосредственно прилегает к донышку, поверхностью с разделенными электродами прилегает к поверхности впеченных электродов переходного фиксатора, выполненного из высокотемпературной керамики с двумя впеченными электродами со стороны торца, обращенного к пьезоэлектрическому диску, и с другого торца впеченными коаксиально расположенными металлической шайбой и керамической трубкой, имеющей два канала с металлическими проволоками, соединенными с впеченными электродами, а с другого конца соединенные с сигнальными проводниками экранированного кабеля, экранный проводник экранированного кабеля соединен электрически с корпусом датчика, каждый из впеченных электродов соединен с одним из электродов пьезоэлектрического диска, между переходным фиксатором и нижней герметизирующей втулкой в корпусе на резьбовом соединении размещена прижимная втулка, а на внутренней поверхности цилиндрического корпуса и на внешней поверхности переходного фиксатора выполнены совмещаемые пазы, параллельные оси датчика, в которые установлена фиксирующая шпонка. Пьезоэлектрический диск может также представлять собой пьезоэлектрическую пленку. Технический результат - повышение уровня чувствительности датчика в широком диапазоне температур за счет изменения конструкции датчика, обеспечивающей надежный механический контакт между элементами конструкции для трансформации периодических изгибных деформаций от клиновидного крыла через мембрану к пьезоэлектрическому элементу, а также надежный электрический контакт электродов пьезоэлемента с выводящими электрическими проводниками. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Датчик изгибающего момента для высокотемпературных вихревых расходомеров жидкости, газа или пара, устанавливаемый в измерительной трубе за телом обтекания, создающим вихревые дорожки Кармана, содержащий полый цилиндрический металлический корпус, оканчивающийся с одной стороны донышком, представляющим собой мембрану, соединенным с клиновидным крылом, а с другой стороны герметичным вводом в виде металлической трубки с нижней и верхней герметизирующими металлическими втулками, оканчивающимся экранированным кабелем, имеющим экранный и сигнальные проводники, соединенные электрически с пьезоэлектрическим элементом, расположенным на внутренней стороне донышка, и представляющим собой, по крайней мере, один поляризованный по толщине пьезоэлектрический диск с металлизацией на обеих плоских поверхностях, металлизация на одной из поверхностей разделена вдоль диаметра диска на два раздельных электрода, тогда как другая поверхность полностью металлизирована, отличающийся тем, что пьезоэлектрический диск своей полностью металлизированной поверхностью непосредственно прилегает к донышку, поверхностью с разделенными электродами прилегает к поверхности впеченных электродов переходного фиксатора, представляющего собой цилиндрическую вставку, выполненную из высокотемпературной керамики с двумя впеченными электродами со стороны торца, обращенного к пьезоэлектрическому диску, представляющими собой разделенные вдоль диаметра сегменты металлического диска и с другого торца впеченными коаксиально расположенными металлической шайбой и керамической трубкой, имеющей два канала, в каждом из которых размещены металлические проволоки, с одного своего конца закрепленные механически и соединенные электрически с впеченными электродами, с другого конца соединенные с сигнальными проводниками экранированного кабеля, экранный проводник экранированного кабеля соединен электрически с корпусом датчика, каждый сегмент впеченных электродов соединен электрически и механически с одним из электродов пьезоэлектрического диска, между переходным фиксатором и нижней герметизирующей втулкой в корпусе на резьбовом соединении размещена прижимная втулка, а на внутренней поверхности цилиндрического корпуса и на внешней поверхности переходного фиксатора выполнены совмещаемые пазы, параллельные оси датчика, в которые установлена фиксирующая шпонка.

2. Датчик изгибающего момента по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический диск представляет собой пьезоэлектрическую пленку.