Пьезоэлектрический расходомер Советский патент 1981 года по МПК G01F1/66 

I

Изобретение относится к области измерительной техники, а более конкретно к области измерения расхода (количества) жидких и газообразных сред.

Известны турзбинные (тахометрические) расходомеры, в которых в измеряемый поток помещают крыльчатку (например, аксиально ориентированную турбину, работающую на холостом ходу). Скорость вращения такой крыльчатки пропорционал на расходу контролируемой среды, а съем информации о её вращении чаще всего реализуется на основе индукционных, индуктивных или Фотоэлектрических преобразователей .

Недостатком таких расходомеров является сложная конструкция и узкий диапазон измерения расхода.. Их применение в области измерения малых расходов ограничивается конечным значением статического момента в опоpax крыльчатки и недостаточно} глубиной модуляции выходного сигнала при малых скоростях вращения крыльчатки.

Наиболее близким по технической сущности к описьюаемому изобретению является расходомер, содержащий крыль чатку, установленную в расходной трубе, и измерительный пьезоэлектрический преобразователь, расположенный на стенке (снаружи) диамагнитной расходной трубы. В торцы лопастей крыльчатки вмонтированы ферромагнитные пластины, а пьезопреобразователь сочленен с постоянным

10 магнитом. При вращении крыльчатки, В№зьгааемом р}асходом контролируемой среды, ферромагнитные пластины поочередно проходят около nocTosiHHoro магнита, который, притягиваясь к ним, создает переISменное усилие на сочлененныйс ним пьезопреобразователь, изменяющееся с частотой, прюпорцибнальной скорости враше« ния крыльчатки, т.е. измеряегюму расхо ау. При этом на элёктропах пьеэо

30 преобразователя возникает электрвчес кий сигнал той же частоты, фвксируемый измерительным прибором 2. 3 Однако в данном расходомере пъезо- преобразователь применяется в сочетании с элементами магнито-механического преобразования, что усложняет констр шло и приводит к дополнительному увеличению потерь на трение в опорах крыл чатки. Кроме того, непосредственное силовое воздействие на пьезопреобразователь постоянного магнита, модулирующего выход ной сигнал преобразователя, отрицательно влияет на временную стабильность параметров пьезоэлемента и, следователь но, параметров выходного сигнала устрой ства. При этом случайным образом изме няющиеся параметры контакта постоянного, магнита с пьезопреобразователем уху шают точность преобразования. Известный расходомер не может также применяться для измерения малых .расходов, так как низкочастотная модуля ция состояния пьезопреобразователя постоянным магнитом (при малых скоростях вращения крыльчатки) приближает режим ;его работы к статическому у при котором начинает сильно сказываться шунiтирующее действие входных цепей змерительного прибора на высокоомный выход пьезопреобразователя (возникает явление стекания заряда с обкладок пьезоэлемента через входное сопротивление измерительного прибора). Применение сложных усилительных устройств с высоким входным сопротивлением ведет к неоправданному возрастанию сложности вторичных измерительных цепей и не решает полностью задачу измерения малых расходов. Целью изобретения является повьпиение точности и расщирение диапазона измерений в область малых расходов. Указанная цель достигается тем, что в расходомер введены акустический концентратор с насадкой, снабженной опорным конусом, верщиной упирающимся в ось крыльчатки, .дополнительный струевыпрямляющий элемент, закрепленный на насадке, и генератор, причем пьезоэлект р11ческий преобразователь выполнен в виде пьезоэлектрического трансформатора, жестко соединенного с акустическим концентратором и подключенного к генерато На чертеже изображен пьезоэлектрический расходомер, разрез. Пьезоэлектрический расходомер содержит расходную трубу 1 и установленную в ней в опорах срыльчатку 2. При этом опора 3 оси крыльча-пси выполнена ша4рикоподшипниковой , а опора 4 выполнена, пустотелой и герметичной, В полости этой опоры размещен возбуждаемый от генератора электрических колебаний пьезотрансформатор 5, выходные электроды которого подключены к измерительному прибору. Пьезотрансформатор жестко соединен с входным сечением акустического концентратора 6, выходное сечение которого нагружено на активную насадку 7, вьшолненную в виде опорного конуса, снабженного струевыпрямляющим элементом 8 и аксиально упертого в коническую выемку оси крыльчатки. При этом внешние соединения пьезотрансфор- матора на электрической стороне осуществляются, через пустотелые ребра 9 основных струевыпрямителей 10 и гермовводы 11. Пьезоэлектрический расходомер работает следующим о.бразом. Пьезотрансформатор 5 возбуждается .от генератора электрических колебаний на частоте резонанса колебательной системы: Пьезотрансформатор 5 - акустический концентратор 6 - активная насадка 7, и обеспечивает (в отсутствие расхода) устойчивый поток ультразвуковой энергии в материал оси крыльчатки 2. Это соответствует установившемуся значению коэффициента трансформации пьезотрансформатора и, следовательно, фиксированному уровню выходного сигнала преобразователя. Вращение крыльчатки 2, вызьюаемое расходом контролируемой среды, сопровождается частичным закручиванием потока и разделением его на области (по числу лопастей крыльчатки) пониженного и повышенного давлений, что обусловлено конечной толщиной лопастей, приводящей к образованию в непосредственной близости от их выходных (по направлению потока) торцов областей -вихреобразования. Струевьшрямляющий элемент 8, расположенный в непосредственной близости от выходного торца крыльчатки, воспринимает секционированный таким образом поток контролируемой среды под углом закручивания и передает его в виде измешпощегося с частотой, пропор аиональ - ной скорости вращения крыльчатки, крутящего момента акустическому концентратору О в плоскости его выходного сечения. Пульсации механических напряжений, локализованных в малом выходном сечении концентратора, приводят к соот- ветствующим изменениям скэрости ультразвука в материале концентратора и. следовательно; к модуляции потока уль- развуковой энергии из объема пьезртранс форматора в материал оси крыльчатки 2, Это , в свою очередь, вызывает модуляшпо коэффициента трансформации лье- зотрансформатора, В результате измерительный прибор фиксирует вькодной элект рический сигнал, изменяющийся с частотой, пропорциональной расходу контролируемой среды. В связи . с тем, что амплитуда возбуждения пьезотрансформатора не регламентируется в широких пределах, а образованная пьезотр ансформатором 5, концентратором 6 и активной насадкой 7 электромеханическая система не критична к некоторой расстройке от резонансной частоты, становится возможным значительно снизить статистический момент крыльчатки и, таким образом, существенно расширить диапазон измерений в оО- ласть мaльLX расходов. Кроме того, пьезопреобразователь не подвергается непосредственному силовому воздействию и, таким образом, исклю чается влияние случайно изменяющихся параметров контакта постоянного магнита с пьезопреобразователем на точность пре образования. При этом временная стабиль ность параметров выходного сигнала устройства гарантируется стабильным уровнем возбуждающего напряжения и характеристиками пьезоматериала. Таким образом, в предложенном расходомере диапазон измерений расширяется за счет введения активной (резонирующей) опоры и исключения элементов магнито-механического првобр азова-i ния (постоянный магнит, ферромагнвпше пластины). Повышение точности достнх ается тем, что исключается непосредственное силовое воздействие на пъезопреобразователь при съеме информации о вращении крыш чатки и связанные с этим возлействием случайные дестабилизирующие факторы (например,/ изменения площади факт.чческого контакта). Формула изобретеиия Пезрэлектрический расходомер, содержащий крыль 1атку, установленную в расходной трубе, пьезоэлектрический преоб-к разователь и измерительный прибор, о т личающийся тем, что с целью повышения точности и расширения диапазона измерений в область малых расходов, в него введены, акустический концентротор с насадкой, снабженной, опорным конусом, вершиной упирающимся в ось крыльчат ки, дополнительный струевыпрямляющий элемент, закрепленный на насадке, и генератор, причем пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде пьезоэлектрического трансформатора, жестко соединенного с акустическим концентратором и подключенного к генератору. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Кремлевский П. П.; Расходомеры и счетчики количества, Ленинград, Машиностроение, 1975, с 352-353. 2.Авторское свидетельство СССР № 503132, кл. 0 01 F 1/1О, 1974 (прототип)..