ДАТЧИК ИЗГИБАЮЩЕГО МОМЕНТА СО ВСТРОЕННЫМ ДАТЧИКОМ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2023 года по МПК G01F1/32 

Изобретение относится к средствам измерения расхода, в частности, к конструктивным элементам вихревых расходомеров и может использоваться в измерительной технике для измерения расхода газа или жидкой среды.

Предшествующий уровень техники

Известна конструкция вихревого расходомера (RU 2278358 С2) для измерения объемного расхода, весового расхода или скорости течения потока среды, сущность которого заключается в том, что расходомер содержит подпорное тело («тело обтекания») и вихревой датчик («сенсор», «датчик изгибающего момента»). Подпорное тело расположено вдоль диаметра измерительной трубы (или корпуса) и соединено с ее стенкой. Вихревой датчик установлен по потоку ниже подпорного тела в отверстии стенки измерительной трубы. При движении измеряемой среды по измерительной трубе, подпорное тело создает в потоке вихревую дорожку Кармана - чередующиеся вихри, частота которых прямо пропорциональна скорости измеряемой среды. Исходя из значений скорости потока в измерительной трубе и значения внутреннего диаметра измерительной трубы, можно рассчитать значение объемного расхода. При этом в одном из вариантов конструкции расходомера предполагается размещение температурного датчика на дне глухого отверстия флажка датчика. Технический результат: расширение функциональных возможностей устройства - измерении объемного расхода, температуры измеряемой среды и, как следствие, возможности измерения массового (весового) расхода измеряемой среды, что подробно описано в патенте (RU 2278358 С2, стр. 5, строка 30 и ниже). При этом авторами патента обосновывается необходимость защиты датчика температуры от измеряемого продукта в виду его возможной коррозионной активности по отношению к датчику температуры. При этом датчик вихрей представляет собой конструкцию, состоящую из мембраны, перекрывающей отверстие в измерительной трубе, на нижней поверхности которой закреплен флажок, который короче диаметра измерительной трубы, с глухим отверстием, и чувствительным элементом, расположенным на второй поверхности. Датчик температуры закреплен на дне глухого отверстия. При этом вихревой датчик привинчен к стенке измерительной трубы с помощью 4-х винтов, вставленных в соответствующие отверстия.

Недостатком данной конструкции является:

1. Сложность изготовления конструкции датчика с мембраной. Мембрана воспринимает избыточное давление среды, т.е. должна быть такой толщины, которая обеспечит герметичность прибора. Одновременно с этим мембрана должна иметь минимальную толщину, для того чтобы чувствительный элемент был способен раскачиваться в противоположном флажку направлении и, как следствие, обеспечивать стабильный электрический сигнал.

2. Уплотнение стыка кольцевого края датчика и отверстия осуществляется с помощью прокладочного материала (фторопласт, резина или аналогичный материал). При этом требуется обеспечение равномерного момента затяжки винтов, вставленных в соответствующие отверстия. Неравномерный момент затяжки винтов приведет к перекосу в месте герметизации отверстия и последующему пропуску измеряемой среды наружу прибора.

Известна конструкция вихревого расходомера, в которой в узле крепления сенсоров к проточной части также существует датчик температуры (RU 185539 U1). Установленный датчик температуры при этом является независимым устройством, и его установка приводит к расширению эксплуатационных возможностей расходомера. При этом в данном патенте, равно как и в двух других (RU 190635 U1 и RU 195982 U1), описывается конструкция узла установки датчика вихрей с расположенным рядом датчиком температуры. Общими недостатками данных конструкций является: большое количество деталей, которые должны выполнять взаимоисключающие функции - одновременно способствовать креплению датчика вихрей посредством вращения прижимающей детали и при этом обеспечивать беспрепятственную установку датчика температуры во избежание контакта проводов датчика температуры с вращающимися деталями, прижимающими датчик вихрей. Наиболее удобным размещением датчика температуры было бы такое размещение, при котором сигнальные провода датчика температуры были расположены концентрически по отношению к детали, прижимающей датчик вихрей.

Известна конструкция датчика изгибающего момента (RU 2709430 С1), который предназначен для установки в вихревые расходомеры жидкости, газа или пара. Датчик представляет собой полый цилиндрический металлический корпус, оканчивающийся с одной стороны клиновидным крылом, а с другой стороны герметичным вводом с коаксиальными кабелями, соединенными с пьезоэлектрическим узлом, расположенным внутри корпуса. При этом пьезоэлектрический узел представляет собой две разнесенные в пространстве параллельные металлизированные по плоскостям пьезоэлектрические пластины, которые жестко зафиксированы между собой со стороны торцов узких граней с помощью кольцевого и Н-образного фиксаторов. К металлизированным поверхностям каждой из пластин присоединены проводники коаксиальных кабелей, причем сумма длины пластин и толщины кольцевого фиксатора совпадает с глубиной цилиндрической полой части металлического корпуса, а расстояние между внешними металлизированными поверхностями пластин, ширину пластин, зазор между внутренней поверхностью металлического корпуса датчика и краем внешней металлизированной поверхности пьезоэлектрической пластины выбирают из определенных условий, подробно описанных в данном патенте. Недостатками данной конструкции является наличие двух фиксаторов-изоляторов, конструкция которых не позволяет установить датчик температуры в корпусе датчика изгибающего момента.

Известны вихревые расходомеры жидкости (RU 215793 U1), газа и пара (Фиг. 1), представляющие собой техническое устройство, состоящее из измерительной трубы 1 (корпуса), на торцах которой в одном случае расположены фланцы 2 для закрепления на трубопроводе, в другом - только уплотнительные поверхности. В измерительной трубе перпендикулярно потоку 3 устанавливается преграда 4 (тело обтекания), на боковых поверхностях которого при движении среды поочередно образуются завихрения 5. Частота образования завихрений пропорциональна скорости потока. Данный эффект носит название вихревой дорожки Кармана. За преградой установлен датчик изгибающего момента 6, который воспринимает силовое воздействие образующихся вихрей и индуцирует электрический сигнал определенной формы и амплитуды. Электрический сигнал от датчика изгибающего момента посредством кабелей 7 передается в электронику вихревого расходомера, установленную в корпусе электронного блока, который расположен в верхней части стойки, прикрепленной к измерительной трубе. Электроника вихревого расходомера обрабатывает сигнал, передающийся от датчика изгибающего момента, и преобразует его в значение объемного расхода.

Задачей изобретения является усовершенствование конструкции датчика изгибающего момента, в котором установлен датчик температуры. Расширение эксплуатационных возможностей вихревого расходомера за счет обеспечения возможности установки в нем датчика температуры.

Технический результат заключается: в расширение арсенала технических средств -датчиков изгибающего момента со встроенным датчиком температуры, а также в расширение эксплуатационных возможностей вихревого расходомера за счет обеспечения возможности установки в нем датчика температуры и в увеличении возможности более точного измерения расхода потока в относительно широком диапазоне. Технический результат достигается тем, что предложен датчик изгибающего момента со встроенным датчиком температуры, предназначенный для вихревых расходомеров, представляющий собой устройство, состоящее из полого цилиндрического металлического корпуса 9, оканчивающегося с одной стороны клиновидным крылом 10, а с другой стороны герметичным вводом 11 с кабелями 12, соединенными с пьезоэлектрическим узлом 13 и кабелями 14, защищенными изолирующим стержнем 15, отличающийся тем, что датчик температуры 16 может быть установлен на нижней поверхности изолирующего стержня 15, непосредственно на дне корпуса 9 или в отверстии на дне корпуса 9; пьезоэлектрический узел представляет собой две разнесенные в пространстве параллельные металлизированные по плоскостям пьезоэлектрические пластины 18, которые жестко зафиксированы между собой со стороны торцов узких граней с помощью фиксаторов 19, представляющих собой пустотелый цилиндр из диэлектрического материала, на одной из торцевых поверхностей которого выполнены пазы 20. Краткое описание фигур:

Фиг. 1 - Общий вид корпуса вихревого расходомера с датчиком изгибающего момента. Стойка электронного блока и электронный блок условно не показаны.

Фиг. 2 - Общий вид датчика изгибающего момента (1), его основных составных частей (2) и вариант исполнения корпуса с отверстием в крыле (3).

Фиг. 3 - Общий вид пьезоэлектрического узла (1) его основных составных частей (2). Провода пьезоэлектрического узла условно не показаны.

Фиг. 4 - Датчик температуры (1), его подключение по 2-х проводной (2) и 4-х проводной схемам (3) и вариант установки с изолирующим стержнем (4). Описание элементов фигур:

1 - измерительная труба (корпус вихревого расходомера);

2 - фланцы;

3 - поток;

4 - преграда (тело обтекания);

5 - завихрения;

6 - датчик изгибающего момента;

7, 12, 14 - кабели;

8 - фиксатор;

9 - металлический корпус датчика изгибающего момента;

10 - клиновидное крыло;

11 - герметичный ввод;

12 - кабели пьезоэлектрического узла;

13 - пьезоэлектрический узел;

14 - кабели датчика температуры;

15 - изолирующий стержень;

16 - датчик температуры;

17 - отверстие клиновидного крыла;

18 - пластины;

19 - фиксаторы;

20 - пазы;

21 - электрические контакты датчика температуры;

22 - изолирующая трубка;

23 - керамический стержень.

Из физики процесса образования «дорожки Кармана» известно, что частота срыва этих вихрей в определенном диапазоне расходов среды связана со скоростью среды по формуле (1):

где:

ƒ - частота срыва вихрей (частота вихреобразования), Гц;

V - скорость потока среды, м/с;

Sh - безразмерная величина (число Струхаля; один из критериев подобия нестационарных течений жидкостей и газов, определяется экспериментально);

L - ширина преграды (тела обтекания), установленного перпендикулярно потоку, м. Скорость потока среды связана с объемным расходом по формуле (2):

где:

Q_об - объемный расход, м³/сек;

V - скорость потока среды, м/сек;

π - число Пи, математическая постоянная;

d - диаметр трубопровода, м.

Измерение частоты вихреобразования в зависимости от метода измерения может осуществляться либо с помощью силового датчика, установленного за телом обтекания, который преобразует силовое воздействие вихрей на лопатку (крыло) датчика в электрический сигнал, либо с помощью ультразвукового луча, который формируется между установленными за телом обтекания ультразвуковыми парами датчиков «излучатель-приемник» и модулируется по фазе или частоте проходящими через него вихрями. В данной заявке рассматривается первый вариант датчика, который преобразует силовое воздействие вихрей в электрический сигнал (Фиг. 1).

Электрический сигнал от датчика обрабатывается с помощью электроники, установленной в электронном блоке расходомера. Исходя из значения частоты вихреобразования и известного внутреннего диаметра корпуса расходомера, электронный блок расходомера вычисляет значение скорости и объемного расхода измеряемой среды, преобразует значение расхода в цифровой или аналоговый выходной сигнал и передает соответствующие значения в систему верхнего уровня или выводит данные на дисплей расходомера.

Однако, в ряде случаев, например для осуществления коммерческих расчетов между ресурсоснабжающими организациями и потребителями, необходимо использовать значения не объема/объемного расхода, а массы/массового расхода. Данные физические величины связаны по формуле (3):

где:

Q_масс - массовый расход, кг/сек;

Q_об - объемный расход, м³/сек;

ρ - плотность измеряемой среды в рабочих условиях, кг/м³.

Известно, что плотность среды ρ для разных сред является справочной величиной и зависит только от температуры среды (например, для жидкостей и пара) или от температуры и давления среды (например, для газов).

Таким образом, значение массового расхода сводится к формуле (4):

Анализируя формулу 4, можно сделать вывод, что задача определения массового расхода среды, проходящей через проточную часть вихревого расходомера, сводится к определению частоты вихреобразования ƒ и плотности среды ρ, которая в частном случае зависит от температуры.

Для этого вихревые расходомеры дополнительно комплектуются внешними или внутренними датчиками температуры (для измерения массового расхода жидкостей и пара) и, в некоторых случаях, датчиками давления (для измерения массового расхода газов). Значения объемного расхода, температуры и давления преобразуются в значения массового расхода с помощью внешних вычислителей, либо с помощью электроники вихревых расходомеров, к которой подключаются данные датчики температуры и давления. При этом, алгоритмы преобразования значений объемного расхода, температуры и давления в большинстве случаев стандартизованы и приведены в соответствующих нормативных документах (например, ГОСТ 8.740 для газов; ГСССД MP 147-2008 для пара и т.д.).

У ряда импортных изготовителей вихревых расходомеров, таких как Эндресс + Хаузер, Эмерсон, существуют исполнения вихревых расходомеров со встроенными датчиками температуры, которые способны вычислять массовый расход среды по алгоритмам, записанным в память электроники. Такое решение является востребованным у потребителей.

Задачей является получение патента на конструкцию датчика вихрей, в котором установлен датчик температуры.

Ближайшим аналогом является конструкция датчика изгибающего момента, описанная в патенте RU 2709430 С1.

Описание предложенного решения:

Датчик изгибающего момента 6 со встроенным датчиком температуры (Фиг. 2), предназначенный для вихревых расходомеров, представляет собой техническое устройство, состоящее из полого цилиндрического металлического корпуса 9, оканчивающегося с одной стороны клиновидным крылом 10, а с другой стороны герметичным вводом 11 с кабелями 12, соединенными с пьезоэлектрическим узлом 13, и кабелями 14, защищенными изолирующим стержнем 15, на нижней поверхности которого расположен датчик температуры 16. При этом датчик температуры может быть установлен непосредственно на дне корпуса 9, или в отверстии 17 клиновидного крыла 10.

Пьезоэлектрический узел представляет собой две разнесенные в пространстве параллельные металлизированные по плоскостям пьезоэлектрические пластины 18, которые жестко зафиксированы между собой со стороны торцов узких граней с помощью фиксаторов 19. К металлизированным поверхностям каждой из пластин присоединены проводники кабелей 12. В пространстве между разнесенными пластинами 18 проложены кабели 14, защищенные изолирующим стержнем 15 и соединенные с датчиком температуры 16.

Фиксатор 19 (Фиг. 3) пьезокерамической пластины представляет собой пустотелый цилиндр из диэлектрического материала, на одной из торцевой поверхности которого выполнены пазы 20, расстояние между которыми выбирается из условия обеспечения минимального пробойного напряжения и условий взаимного расположения пластин, ширина пазов равна толщине пьезокерамических пластин. Глубина пазов выбирается таким образом, чтобы также обеспечивалось требование о минимальном пробойном напряжении между узкими торцами пьезокерамических пластин и донышком металлического корпуса и обеспечивалась надежная фиксация пьезокерамических пластин. Наружный диаметр фиксатора совпадает с внутренним диаметром отверстия в корпусе датчика. Внутренний диаметр фиксатора подбирается из условия обеспечения возможности фиксации пластин, а также обеспечения необходимого пространства для кабелей 14, соединенных с датчиком температуры 16. В свою очередь, датчик температуры 16 размещается либо в пространстве, ограниченном дном корпуса 9 и фиксатором 19, либо, если позволяют размеры клиновидного крыла 10, в отверстии 17 на дне корпуса. Последнее необходимо для более точного измерения температуры измеряемой среды вследствие неравномерного распределения температуры потока в поперечном сечении измерительной трубы, которое может возникнуть, например, при большой разнице температур внутри измерительной трубы и снаружи.

Датчик температуры 16 (Фиг. 4) представляет собой стандартный электронный компонент, например, типа ЧЭПТ (чувствительный элемент платиновый технический), принцип действия которого основан на известной зависимости электрического сопротивления металла, из которого он изготовлен, от температуры. Электрические контакты 21 датчика температуры 16 соединены с внешними кабелями 14 и защищены от электрического контакта с пластинами 18 посредством изолирующей трубки 15, например, из термоусаживаемого материала, или с помощью керамического стержня 23, если температура применения данного датчика превышает температуру эксплуатации изолирующего термоусаживаемого материала. Электрические контакты 21 датчика температуры 16 могут быть соединены с внешними кабелями 14 по различным электрическим схемам: 2-х проводной схеме без учета сопротивления проводов; 3-х и 4-х проводной схемам, позволяющим скомпенсировать сопротивление проводов подключения. Как правило, схема подключения датчика температуры выбирается исходя из требований по точности измерения температуры, которую необходимо достичь при определенной задаче.

Устройство работает следующим образом:

Поток измеряемой среды поступает в измерительную трубу вихревого расходомера. При обтекании потоком измеряемой среды тела обтекания за последним образуются завихрения, силовое воздействие которых воспринимает датчик изгибающего момента, установленный ниже по потоку. Также датчик изгибающего момента воспринимает температуру измеряемой среды посредством встроенного датчика температуры, электрическое сопротивление которого пропорционально температуре измеряемой среды. Датчик изгибающего момента преобразует силовое воздействие вихрей в электрический сигнал, частота которого пропорциональна скорости потока измеряемой среды. Электронный блок вихревого расходомера, соединенный с датчиком изгибающего момента и встроенным датчиком температуры, воспринимает электрические сигналы, обрабатывает их по встроенным в электронику алгоритмам и преобразует в значения скорости потока, объемного и массового расходов, температуры. Полученные данные могут отражаться на дисплее расходомера, а также передаваться по различным выходным сигналам во вторичное оборудование (системы верхнего уровня).

Список цитируемых документов:

1. RU 2709430 С1. Датчик изгибающего момента для вихревых расходомеров (ЗАО «ЭМИС);

2. RU 185539 U1. Узел крепления сенсоров в проточной части вихревого расходомера (АО «ПГ «Метран»);

3. RU 190635 U1. Узел крепления сенсоров в проточной части вихревого расходомера (АО «ПГ «Метран»);

4. RU 195982 U1. Узел крепления датчиков вихрей и температуры в проточной части вихревого расходомера (АО «ПГ «Метран»);

5. RU 2278358 С2. Вихревой расходомер (варианты) (ЭНДРЕСС + ХАУЗЕР ФЛОУТЕК АГ);

6. RU 215793 U1. Узел крепления датчика изгибающего момента.

Изобретение относится к средствам измерения расхода, к конструктивным элементам вихревых расходомеров. Датчик изгибающего момента со встроенным датчиком температуры состоит из полого цилиндрического металлического корпуса 9, оканчивающегося с одной стороны клиновидным крылом 10, а с другой стороны герметичным вводом 11 с кабелями 12, соединенными с пьезоэлектрическим узлом 13 и кабелями 14, защищенными изолирующим стержнем 15, причем датчик температуры 16 может быть установлен на нижней поверхности изолирующего стержня 15, непосредственно на дне корпуса 9 или в отверстии на дне корпуса 9. Пьезоэлектрический узел представляет собой две разнесенные в пространстве параллельные металлизированные по плоскостям пьезоэлектрические пластины 18, жестко зафиксированные между собой со стороны торцов узких граней с помощью фиксаторов 19 из диэлектрического материала, на одной из торцевых поверхностей которого выполнены пазы. Технический результат - расширение арсенала технических средств -датчиков изгибающего момента со встроенным датчиком температуры, расширение эксплуатационных возможностей вихревого расходомера за счет обеспечения возможности установки в нем датчика температуры и в увеличении возможности более точного измерения расхода потока в относительно широком диапазоне. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Датчик изгибающего момента со встроенным датчиком температуры, предназначенный для вихревых расходомеров, представляющий собой устройство, состоящее из полого цилиндрического металлического корпуса 9, оканчивающегося с одной стороны клиновидным крылом 10, а с другой стороны герметичным вводом 11 с кабелями 12, соединенными с пьезоэлектрическим узлом 13 и кабелями 14, защищенными изолирующим стержнем 15, отличающийся тем, что датчик температуры 16 может быть установлен на нижней поверхности изолирующего стержня 15, непосредственно на дне корпуса 9 или в отверстии на дне корпуса 9; пьезоэлектрический узел представляет собой две разнесенные в пространстве параллельные металлизированные по плоскостям пьезоэлектрические пластины 18, которые жестко зафиксированы между собой со стороны торцов узких граней с помощью фиксаторов 19, представляющих собой пустотелый цилиндр из диэлектрического материала, на одной из торцевых поверхностей которого выполнены пазы 20.

2. Датчик изгибающего момента со встроенным датчиком температуры, предназначенный для вихревых расходомеров по п. 1, отличающийся тем, что датчик температуры 16 представляет собой стандартный электронный компонент типа чувствительный элемент платиновый технический (ЧЭПТ), при этом электрические контакты 21 датчика температуры 16 соединены с внешними кабелями 14 и защищены от электрического контакта с пластинами 18 посредством изолирующей трубки 15 или с помощью керамического стержня 23.

3. Датчик изгибающего момента со встроенным датчиком температуры, предназначенный для вихревых расходомеров по п. 1, отличающийся тем, что электрические контакты 21 датчика температуры 16 могут быть соединены с внешними кабелями 14 по следующим электрическим схемам: двухпроводной схеме без учета сопротивления проводов, трех- и четырехпроводной схеме, с возможностью компенсировать сопротивление проводов подключения.