Пьезоэлектрический расходомер

 

. Союз Соаетсиик

Социалнстичесиик

Республик (I 42.

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6l ) Дополнительное к авт. сеид-ву (5l)M. Кл.

О 01 F 1/66 (22) Заявлено 30. 10. 79 (21)2834256/18-10 с присоедииеииеет заявки J4 (23) Приоритет

Опубликовано. 07.10 81 Бюллетень М 37

3ЬеудврстеенныМ KoNMTQT

СССР (53) УДК

68 1. 12 1.8(088Я) но аелеи иеебретеиий и открытий

Дата опубликования описания 10.10.81

А.И. Трофимов, О. С. Шмитов и Б. М. Кербель (72) Авторы изобретения ь

Томский ордена Октябрьской Революции и орде а

Трудового Красного Знамени политехнический титут им. С. М. Кирова- (7l) Заявитель (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ РАСХОДОМЕР. (21.

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

Известны турбинные (тахометрические)

5 расходомеры, в которых в измеряемый поток помещают крыльчатку (например, аксиально ориентированную турбину, работаю цую на холостом ходу). Скорость вращения такой крыльчатки пропорциональ

lO на расходу контролируемой среды, а съем информации о ее вращении чаще всего реализуется на основе индукционных, индуктивных или фотоэлектрических преобразователей I.d ).

Недостатком таких расходомеров является сложная конструкция и узкий диапазон измерения расхода . Их применение в области измерения малых расходов ограничивается конечным эначейием статического момента в опо- рах кпыльчатки и недос таточка глубиной модуляции выходного сигнала при малых скоростях вращения крыльчатки.

Наиболее близким по технической сущности к описываемому изобретению является расходомер, содержащий крыш чатку, установленную в расходной трубе, и измерительный пьезоэлектрический пре обраэователь, расположенный на стенке (снаружи) диамагнитной расходной трубы. В торцы лопастей крыльчатки вмонтированыферромагнитныепластины, а пьезопреобразователь сочленен с постоянным магнитом. При вращении крыльчатки, вызываемом расходом контролируемой среды, ферромагнитные пластины поочередно ttpoходят около постоянного магнита, кото рый, притягиваясь к ним, создает первменное усилие на сочлененный с ним пьеэопреобразователь, изменяющееся с частотой, пропорциональной скорости враше ния крыльчатки, т.е. иэмеряе <ому расхо ду. При этом на электродах пьеэо преобразователя возникает электричес кий сигнал той же частоты, фик» сируемый измерительным прибором

8709

40

50

Однако в данном расходомере пьезопреобразователь применяется в сочетании с элементами магнито-механического преобразования, что усложняет конструкIQQO B HpHBoQHT K l1oIIoJIHHTeJXbBo увеличению потерь на трение в опорах крыльчатки

Кроме того, непосредственное силовое воздействие на пьезопреобраэователь постоянного магнита, модулируюшего выходной сигнал преобразователя, отрицатель но влияет на временную стабильность параметров пьезоэлемента и, следователь но, параметров выходного сигнала устройства. При этом случайным образом изменяющиеся параметры контакта постоянного.магнита с пьезопреобразователем ухудшают 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

t его работы к статическому . при котором начинает сильно сказываться шун;тируюшее действие входных цепей Измерительного прибора на высокоомный; выход пъезопреобразователя (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.

11елью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерений в область малых расходов.

Указанная цель достигается тем, что в расходомер введены акустический концентратор с насадкой, снабженной опорным конусом, вершиной упирающимся в ось крыльчатки, . дополнительный струевыпрямляюший элемент, закрепленный на насадке, и генератор, причем пьезоэлект» рический преобразователь выполнен в ви. де пьезоэлектрического трансформатора, жестко соединенного с акустическим концентратором и подключенного к генератору.

На чертеже изображен пьезоэлектрический расходомер, разрез.

Пьезоэлектрический расходомер содержит расходную трубу 1 и установленную в ней в опорах,крыльчатку 2, При этом опора 3 оси крылъчатки выполнена ша44 4 рикоподшипниковой, 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. Пьеэотрансформатор жестко соединен с входным сечением акустического концентратора 6, выходное сечение которого нагружено на активную насадку 7, выполненную в виде опорного конуса, снабженного струевыпрямляюшим элементом 8 и аксиалъно упертого в коническую выемку оси крыльчатки. При этом внешние соединения пьезотрансформатора на электрической стороне осуществляются через пустотелые ребра 9 основных струевыпрямителей 10 и гер мовв оды 1 1.

Пьезоэлектрический расходомер работает следующим образом.

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, вызываемое 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. Струевыпрямляюший 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 изменяющегося с частотой, пропорциональ— ной скорости вращения крыльчатки, крутящего момента акустическому концентратору 6 в плоскости его выходного сечения, Пульсации механических напряжений, локализованных в малом выходном сечении концентратора, приводят к соответствующим измененцям скорости ультразвука в материале концентратора и, 5 8 следрвательно, к модуляции потока ультразвуковой энергии иэ объема пьезотрансформатора в материал оси крыльчатки 2.

Это, в свою очередь, вызывает модуляшпо коэффициента трансформации пьезотрансформатора. В результате змеритетп:ный прибор фиксирует выходной элек1 рический сигнал, изменяющийся с частотой, пропорциональной расходу контролируемой среды.

В связи. с тем, что амплитуда возбуждения пьезотрансформатора не регламентируется в широких пределах, а образованная пьезотрансформатором 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 obпасть малых расходов.

Кроме того, пьезопреобраэователь не подвергается непосредственному силовому воздействию и, таким образом, исключается влияние случайно изменяющихся параметров контакта постоянного магнита с пьезопреобраэователем на точность преобразования. При этом временная стабиль ность параметров выходного сигнала устройства гарантируется стабильным уров« нем возбуждающего напряжения и характеристиками пьезоматериала.

Таким образом, в предложенном расходомере диапазон измерений расширяется за счет введения активной (резонирующей) опоры и исключения элементов магнито-механического преобразова-а

70944 6

Hm (постоянный магнит, ферромагни+йые пластины) .

Повышение точности достигается тем, что исключается непосредственное силовое воздействие на пьеэоцреобраэователь при съеме информации о вращении крыльчатки и связанные с этим воздействием случайные дестабилизирующие факторы (например, изменения площади фактичес» кого контакта).

Формула изобретения

Пеэоэлектрический расходомер, содер15 жащий крыльчатку, установленную в расходной трубе, пьезоэлектрический преоб» разователь и измерительный прибор, о л и ч а ю шийся тем, что с целью повышения точности и расширения диапазона измерений в область малых Расходов, 20 в него введены. акустический концентротор с насадкой, снабженной. опорным конусом, вершиной упирающимся в ось крыльчат ки, дополнительный струевыпрямляющий элемент, закрепленный на насадке, и ге25 нера тор, причем пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде пьезоэлектрического трансформатора, жестко соедин ненного 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.

33 2. Авторское свидетельство СССР

34 503132, кл. О 01 F 1/10, 1974 (прототнп).

870844

Составитель Н. Бурбело

Редактор О. Филиппова Техред А.Бабинен Корректор Н, Стен

Заказ 8417/10 Тираж 70 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам .изобретений, и открытий

113035, Москва, Ж-ÇS, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4