Вихревой расходомер

Изобретение относится к области измерительной техники. Вихревой расходомер содержит корпус, тело обтекания, расположенное по диаметру корпуса. За телом обтекания в отверстии в стенке корпуса закреплен датчик, состоящий из жесткого стержня-сенсора и двух параллельных мембран. Первая мембрана соединена непосредственно с сенсором, в верхней части посредством рычага соединенным с балансиром, к которому прикреплена вторая мембрана. Ко второй мембране прилегает пьезоэлемент в виде плоской пластины, имеющей три электрода - базовый на нижней поверхности пластины и два электрода на верхней ее поверхности. Выводы электродов соединены с устройством обработки сигнала с пьезоэлемента. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений в условиях вибраций и колебаний температуры измеряемой среды. 5 ил.

 

Изобретение относится к измерителям объема или массы жидкости или газа, работающим по принципу измерения частоты вихрей, образующихся в потоке измеряемой среды при обтекании тела специальной формы, которая прямо пропорциональна скорости движущейся среды и может использоваться в расходометрии в нефтяной, газовой промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве и т.п.

Известен вихревой расходомер, описанный в св. №16551 на полезную модель "Первичный преобразователь вихревого расходомера" по Кл. G 01 F 1/32, Заявл.07.09.04, опубл.10.01.01.

Известный расходомер закреплен в трубопроводе посредством установочного фланца и содержит пьезоэлемент, выполненный разъемным из двух полых полуцилиндров, электрически изолированных друг от друга, связанный с ним чувствительный элемент из жесткого стержня и двух гибких мембран, и формирователь вихрей в виде размещенного симметрично относительно внутреннего диаметра трубы встречно потоку тела обтекания, состоящего из расположенных последовательно головного элемента, промежуточной и хвостовой секций различной ширины, причем пьезоэлемент расположен со стороны торца тела обтекания, в промежуточной секции которого выполнен сквозной паз для размещения в нем чувствительного элемента из отдельно выполненных расположенного в пазу жесткого стержня, переходящего за телом обтекания в трубку, и двух гибких мембран, закрывающих снаружи сквозной паз и жестко прикрепленных по их периметру к поверхности тела обтекания, а также скрепленных в их центральной части с жестким стержнем, при этом тело обтекания со стороны размещения пьезоэлемента неразъемно соединено торцом с установочным фланцем, а трубка с пьезоэлементом жестко закреплена внутри установочного фланца. Недостатком известного расходомера является сложность конструкции и технологии изготовления, а также высокая виброчувствительность, снижающая точность измерений.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является вихревой расходомер, описанный в патенте США №6352000 по Кл. G 01 F 1/32, заявл. 10.08.99, опубл. 05.03.02. Известный вихревой расходомер содержит корпус с выступами, установленный в измерительной трубе, в котором размещены: тело обтекания, расположенное по ее диаметру и закрепленное в ней по крайней мере в одной точке; чувствительный элемент, вставленный в отверстие в стенке измерительной трубы ниже плохообтекаемого тела и состоящий из диафрагмы (мембраны) с двумя параллельными поверхностями, одна из которых соединена непосредственно с сенсором, выполненным в виде крыла (1 вариант) или рукава (2 вариант), соединенного в верхней части с балансиром; пьезоэлемент в виде плоской пластины, лежащей на диафрагме и имеющей три электрода: базовый на нижней поверхности пластины и два электрода на верхней ее поверхности, симметричных относительно оси симметрии сенсора; контактный корпус из керамики в виде кольца, прилегающего к пьезоэлементу и имеющего три контактные области, соединенные с помощью проводов с соединителем (с преобразователем сигнала в электрический).

Недостатком известного устройства является не очень высокая точность измерений, обусловленная тем, что при колебаниях температуры пъезокерамический элемент генерирует относительно высокие значения напряжения, что может привести к дезориентации доменов и деполяризации элемента, а это, в свою очередь, может оказать влияние на точность измерения датчика и вывести из строя входные цепи усилителя. Кроме того, известный датчик чувствителен к вибрации среды, т.к. мембрана соединена непосредственно с сенсором, что также ухудшает точность измерений.

Задачей заявляемого технического решения является повышение точности измерений. Поставленная задача решается тем, что в вихревом расходомере, содержащем установленный в измерительной трубе корпус, в котором размещены тело обтекания, расположенное по диаметру корпуса и закрепленное в нем по крайней мере в одной точке, датчик, вставленный в отверстие в стенке корпуса за телом обтекания и включающий сенсор и мембрану, соединенную непосредственно с сенсором, выполненным в виде жесткого стержня, соединенного в верхней части с балансиром, и пьезоэлемент в виде плоской пластины, имеющей три электрода - базовый на нижней поверхности пластины и два электрода на верхней ее поверхности, симметричных относительно оси симметрии сенсора, связанных с устройством обработки сигнала с пьезоэлемента, согласно изобретению датчик дополнительно содержит связанную с балансиром вторую мембрану, расположенную параллельно первой мембране и разнесенную с ней по высоте на высоту рычага, соединяющего стержень с балансиром, при этом пьезоэлемент прилегает ко второй мембране.

Выполнение чувствительного элемента из двух параллельных, разнесенных между собой по вертикали на высоту рычага, соединяющего стержень с балансиром, мембран, притом что пьезоэлемент прилегает ко второй из них, снижает виброчувствительность и позволяет защитить пьезоэлемент от воздействия высоких температур среды, которое вносит погрешность в измерения.

В сравнении с прототипом заявляемый датчик обладает новизной, отличаясь от него дополнением чувствительного элемента связанной с балансиром второй мембраной, параллельной первой и разнесенной с ней на высоту рычага, соединяющего стержень с балансиром, притом что пьезоэлемент прилегает ко второй мембране, обеспечивающими достижение заданного результата.

Заявителю не известны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемый вихревой расходомер, соответствует критерию "изобретательский уровень".

Заявляемый вихревой расходомер может широко использоваться в расходометрии в нефтяной, газовой промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве, потому соответствует критерию "промышленная применимость".

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, где представлены на:

- фиг.1 - вид вихревого расходомера в разрезе;

- фиг.2(а, б) - вид спереди и сбоку сенсора расходомера в разрезе;

- фиг.3(а, б) - вид пьезоэлемента в разрезе и в изометрии.

Вихревой расходомер установлен в корпусе 1, врезанном в измерительную трубу (на чертеже не показана). В корпусе 1 жестко закреплено тело 2 обтекания, расположенное по диаметру корпуса и закрепленное в нем по крайней мере в одной точке. В отверстие в стенке корпуса 1 за телом 2 обтекания вставлен датчик (чувствительный элемент), состоящий из жесткого стержня-сенсора 3 и из двух параллельных мембран 4' и 4'', нижняя из которых (4') соединена непосредственно с сенсором 3, соединенным в верхней части посредством рычага 5 с балансиром 6, к которому прикреплена вторая мембрана 4''. К верхней мембране 4'' прилегает пьезоэлемент 7, выполненный в виде плоской пластины, имеющей три электрода 8 - базовый 8' на нижней поверхности пластины и два электрода 8'' и 8''' на верхней ее поверхности, симметричных относительно оси симметрии сенсора 3.

Конструктивно вихревой расходомер выполнен следующим образом.

Корпус 1 имеет выступы для подсоединения к измерительной трубе. В корпусе 1 посредством установочного фланца 11 и прижимной фигурной гайки 12 закреплен расходомер. Стержень-сенсор 3 установлен в корпусе 1 за телом 2 обтекания таким образом, что продольная ось тела 2 обтекания совпадает с продольной осью симметрии стержня 3, выполненного, в частности, клинообразным. Уплотнение стержня 3 обеспечивается с помощью неметаллической прокладки 13, фиксируемой с помощью установочного фланца 11. Тело 2 обтекания может представлять собой, в частности, призму треугольного сечения или иметь другую форму. Пьезоэлемент 7 выполнен, в частности, в виде кольца. Сенсор-стержень 3 может быть выполнен как единое целое с нижней мембраной 4', рычагом 5, верхней мембраной 4', балансиром 6 или все названные элементы могут быть выполнены раздельно. При этом выводы 9 электродов 8 соединены с устройством 10 обработки сигнала с пьезоэлемента непосредственно посредством пайки или механического прижима проводника.

Вихревой расходомер работает следующим образом.

При протекании жидкой или газообразной среды по измерительной трубе тело 2 обтекания создает вокруг себя завихрения потока, образующие колебания давления среды.

Сенсор - жесткий стержень 3 - непосредственно воспринимает колебания местного давления в жидкости, паре или газе и передает на нижнюю мембрану 4', которая, в свою очередь, передает усилие на верхнюю мембрану 4''. Выбор размеров, масс рычага 5 и балансира 6, а также применение дифференциальной схемы 10 обработки сигналов пьезоэлемента 7 позволяют скомпенсировать вибрации трубопровода. Силы инерции, вызванные вибрациями трубопровода, действуют и на чувствительную часть жесткого стержня сенсора 3, и на рычаг 5, и на балансир 6. Когда блок сенсора ускоряется вправо, чувствительная часть стержня 3 сенсора изгибается влево, но в то же время рычаг 5 также испытывает влияние ускорения и также изгибается влево. Это ведет к сбросу напряжения в элементе нижней мембраны 4'. В тот же момент времени под влиянием ускорения балансир 6 также изгибается влево и, как следствие, в верхней мембране 4'' происходит сброс напряжения, где непосредственно установлен пьезоэлемент 7. Пьезоэлемент 7 преобразует механическое усилие сжатия в электрический сигнал, изменяющийся с частотой образования вихрей, которая, в свою очередь, пропорциональна расходу среды, и который далее снимается с электродов 8 и поступает далее на устройство 10 обработки сигнала. Сигнал снимается непосредственно с электродов 8 посредством пайки или механического прижима проводника.

Введение дополнительной, разнесенной с первой на высоту рычага, второй мембраны в чувствительный элемент снижает погрешности измерения, повышает точность измерения за счет снижения чувствительности к вибрациям и колебаниям температуры измеряемой среды.

В сравнении с прототипом заявляемый вихревой расходомер обеспечивает повышение точности измерения.

Вихревой расходомер, содержащий установленный в измерительной трубе корпус, в котором размещены тело обтекания, расположенное по диаметру корпуса и закрепленное в нем по крайней мере в одной точке, датчик, вставленный в отверстие в стенке корпуса за телом обтекания и закрепленный в отверстии посредством установочного фланца и прижимной гайки, включающий сенсор и первую мембрану, соединенную непосредственно с сенсором, выполненным в виде жесткого стержня, соединенного в верхней части с балансиром, и пьезоэлемент в виде плоской пластины, имеющей три электрода - базовый на нижней поверхности пластины и два электрода на верхней ее поверхности, симметричных относительно оси симметрии сенсора, связанных с устройством обработки сигнала с пьезоэлемента, отличающийся тем, что датчик дополнительно содержит связанную с балансиром вторую мембрану, расположенную параллельно первой мембране и разнесенную по высоте с этой мембраной на высоту рычага, соединяющего стержень с балансиром, при этом пьезоэлемент прилегает ко второй мембране.