RU228528U1

RU228528U1 - PIEZOELECTRIC VORTEX DETECTOR

Info

Publication number: RU228528U1
Application number: RU2024110661U
Authority: RU
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники"
Filing date: 2024-04-17
Publication date: 2024-09-02

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в вихревых расходомерах. Пьезоэлектрический детектор вихрей содержит цилиндрический корпус с внешней кольцевой проточкой и глухим осевым отверстием, расположенным вне измерительного участка трубопровода. К торцу корпуса, расположенному в измерительном участке, прикреплено крыло в виде продолговатой пластины со свободной частью, выполненной в виде полукруга. В отверстии установлен пьезоэлемент в виде кольца со сплошным наружным и двумя одинаковыми внутренними электродамис с обеспечением механического и электрического контакта с поверхностью осевого глухого отверстия. Кольцевая проточка расположена на середине высоты пьезоэлемента, а плоскость раздела внутренних электродов совпадает с плоскостью крыла. К внутренним электродам присоединены два проводника, с которых снимается выходной сигнал. Технический эффект - повышение виброустойчивости за счет снижения уровня помехи, вызываемой собственными колебаниями крыла. 4 ил. The utility model relates to measuring equipment and can be used in vortex flowmeters. A piezoelectric vortex detector comprises a cylindrical body with an external annular groove and a blind axial hole located outside the measuring section of the pipeline. A wing in the form of an oblong plate with a free part made in the form of a semicircle is attached to the end of the body located in the measuring section. A piezoelectric element in the form of a ring with a solid external and two identical internal electrodes is installed in the hole, ensuring mechanical and electrical contact with the surface of the axial blind hole. The annular groove is located in the middle of the height of the piezoelectric element, and the dividing plane of the internal electrodes coincides with the plane of the wing. Two conductors are connected to the internal electrodes, from which the output signal is taken. The technical effect is an increase in vibration resistance due to a decrease in the level of interference caused by the natural oscillations of the wing. 4 fig.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при измерении расхода вихревыми расходомерами.The utility model relates to measuring equipment and can be used to measure flow using vortex flowmeters.

Из предыдущего уровня техники известен пьезоэлектрический детектор вихрей, содержащий круглый корпус, круглую упругую мембрану, жесткую пластину (крыло) прямоугольной формы, расположенную вдоль потока и закрепленную в центре мембраны перпендикулярно ее плоскости, балансир, прикрепленный к другой стороне мембраны соосно с крылом и составляющий с мембраной и крылом одно целое, пьезоэлемент, выполненный в виде диска с отверстием, сплошным нижним и двумя верхними электродами, прижатый упором к внутренней поверхности мембраны, и два проводника, соединенных с верхними электродами пьезоэлемента, предназначенных для вывода сигнала. Под воздействием переменного скоростного напора, создаваемого образующимися за телом обтекания вихрями, крыло вместе с балансиром совершает колебательное движение, создавая в мембране механические напряжения сжатия/растяжения, передаваемые пьезоэлементу, который вырабатывает переменный электрический сигнал, частота которого пропорциональна расходу (патент США "Vortex flow sensor" №6352000, МКИ G01f 1/32, Fig. 7).A piezoelectric vortex detector is known from the prior art, comprising a round housing, a round elastic membrane, a rigid plate (wing) of rectangular shape, located along the flow and fixed in the center of the membrane perpendicular to its plane, a balancer, fixed to the other side of the membrane coaxially with the wing and constituting a single whole with the membrane and the wing, a piezoelectric element made in the form of a disk with an opening, a solid lower and two upper electrodes, pressed by a stop to the inner surface of the membrane, and two conductors connected to the upper electrodes of the piezoelectric element, intended for outputting a signal. Under the influence of the variable velocity pressure created by the vortices formed behind the flow body, the wing together with the balancer performs an oscillatory motion, creating mechanical compression/tension stresses in the membrane, transmitted to the piezoelectric element, which generates an alternating electrical signal, the frequency of which is proportional to the flow rate (US patent "Vortex flow sensor" No. 6352000, IPC G01f 1/32, Fig. 7).

Достоинством описанного детектора вихрей является нечувствительность к вибрациям, обусловленная тем, что моменты инерции крыла и балансира имеют одинаковую величину. Вследствие этого вибрация не вызывает перемещения балансира и крыла и изгиба мембраны и, соответственно, выработку сигнала помехи. Недостатком детектора является то, что статическое давление контролируемой среды воздействует на тонкую мембрану, а через нее - на пьезоэлемент. Для измерения расхода при высоких давлениях, например, расхода перегретого пара, во избежание повреждения пьезоэлемента необходимо увеличивать толщину мембраны, что снижает чувствительность детектора вихрей.The advantage of the described vortex detector is its insensitivity to vibrations, due to the fact that the moments of inertia of the wing and the balancer have the same value. As a result, vibration does not cause the balancer and wing to move or the membrane to bend, and, accordingly, to generate an interference signal. The disadvantage of the detector is that the static pressure of the controlled environment acts on the thin membrane, and through it - on the piezoelectric element. To measure the flow rate at high pressures, for example, the flow rate of superheated steam, in order to avoid damage to the piezoelectric element, it is necessary to increase the membrane thickness, which reduces the sensitivity of the vortex detector.

Измерения при высоких статических давлениях при сохранении высокой чувствительности обеспечивает выбранный в качестве прототипа детектор вихрей, описанный в патенте РФ на полезную модель "Вихревой расходомер", №26645, МКИ G01f 1/32. Его дальнейшим развитием является детектор вихрей, описанный в патенте РФ на изобретение "Датчик изгибающего момента для высокотемпературных вихревых расходомеров", №2608331, МКИ G01f 1/32, и реализованный в датчиках изгибающего момента 108М, выпускаемых ООО «Пьезоэлектрик» и используемых отечественными производителями при создании вихревых расходомеров жидкостей, газов и пара.Measurements at high static pressures while maintaining high sensitivity are provided by the vortex detector selected as a prototype, described in the Russian Federation patent for utility model "Vortex flowmeter", No. 26645, MKI G01f 1/32. Its further development is the vortex detector described in the Russian Federation patent for invention "Bending moment sensor for high-temperature vortex flowmeters", No. 2608331, MKI G01f 1/32, and implemented in 108M bending moment sensors manufactured by Piezoelektrik LLC and used by domestic manufacturers in the creation of vortex flowmeters for liquids, gases and steam.

Известный пьезоэлектрический детектор вихрей содержит цилиндрический корпус с внешней кольцевой проточкой и глухим осевым отверстием, расположенным вне измерительного участка трубопровода, прикрепленное к расположенному в измерительном участке торцу корпуса крыло (см. фиг. 1 описания полезной модели №26645) в виде продолговатой прямоугольной пластины (в описании прототипа крыло имеет название «плоский чувствительный элемент"), пьезоэлемент в виде кольца со сплошным наружным и двумя одинаковыми внутренними электродами, расположенный напротив кольцевой проточки с обеспечением механического и электрического контакта с соответствующими участками поверхности осевого глухого отверстия (из описания чертежей полезной модели №26645 следует, что под этим понимается такое положение пьезоэлемента, при котором кольцевая проточка приходится на середину высоты пьезоэлемента, а плоскость раздела внутренних электродов совпадает с плоскостью крыла), два проводника для вывода сигналов, снимаемых с внутренних электродов, и схема обработки сигнала пьезоэлемента. В процессе измерений со стороны вихрей на крыло действует переменная сила, которая вызывает периодические изгибные деформации крыла, передающиеся на корпус, а от корпуса - пьезоэлементу. При изгибе лопатки, например, вправо, правая половина пьезоэлемента испытывает сжатие, а левая - растяжение, и на внутренних электродах за счет пьезоэффекта появляются переменные электрический заряды одинаковой вели- чины и разной полярности, т.е. между внутренними электродами возникает переменная ЭДС синусоидальной формы, частота которой совпадает с частотой внешнего воздействия на крыло, т.е. с частотой вихреобразования, пропорциональной расходу. Поскольку корпус имеет большую толщину, статическое давление напрямую на пьезоэлемент не воздействует, что обеспечивает возможность проведения измерений при высоких статических давлениях контролируемой среды. Наличие проточки обеспечивает большую податливость стенки корпуса, способствуя увеличению ЭДС без существенного ослабления прочности корпуса. Так датчики 108МТ выдерживают статическое давление до 30 МПа (300 кГ/см²) и температуру до 350°С (Датчики изгибающего момента 108М. Технические условия ТУ4213-108-24172160-08. Редакция 2015 г., с. 3) и применяются для измерения расхода перегретого пара.The known piezoelectric vortex detector comprises a cylindrical body with an external annular groove and a blind axial hole located outside the measuring section of the pipeline, a wing attached to the end of the body located in the measuring section (see Fig. 1 of the description of utility model No. 26645) in the form of an elongated rectangular plate (in the description of the prototype, the wing is called a "flat sensitive element"), a piezoelectric element in the form of a ring with a solid external and two identical internal electrodes, located opposite the annular groove with provision of mechanical and electrical contact with the corresponding sections of the surface of the axial blind hole (from the description of the drawings of utility model No. 26645 it follows that this is understood as such a position of the piezoelectric element, in which the annular groove falls on the middle of the height of the piezoelectric element, and the dividing plane of the internal electrodes coincides with the plane of the wing), two conductors for outputting signals taken from the internal electrodes, and a circuit for processing the signal of the piezoelectric element. During the measurements, a variable force acts on the wing from the vortices, which causes periodic bending deformations of the wing, transmitted to the housing, and from the housing - to the piezoelectric element. When the blade bends, for example, to the right, the right half of the piezoelectric element experiences compression, and the left - tension, and variable electric charges of the same magnitude and different polarity appear on the internal electrodes due to the piezoelectric effect, i.e. an alternating EMF of a sinusoidal shape occurs between the internal electrodes, the frequency of which coincides with the frequency of the external action on the wing, i.e. with the frequency of vortex formation proportional to the flow. Since the housing is thick, the static pressure does not directly affect the piezoelectric element, which makes it possible to carry out measurements at high static pressures of the controlled environment. The presence of a groove ensures greater compliance of the housing wall, contributing to an increase in EMF without a significant weakening of the strength of the housing. Thus, 108MT sensors can withstand static pressure up to 30 MPa (300 kg/ ^cm2 ) and temperatures up to 350°C (108M bending moment sensors. Technical conditions TU4213-108-24172160-08. Edition 2015, p. 3) and are used to measure the flow rate of superheated steam.

Недостаток вышеописанного детектора вихрей заключается в том, что крыло при воздействии вибрации «звенит» на частоте собственных колебаний, определяемой длиной крыла. Частота собственных колебаний, например у датчика 108М, составляет от 0,3 до 8 кГц, а амплитуда их тем больше, чем выше механическая добротность крыла и чем меньше плотность контролируемой среды. В особенности этот недостаток сказывается при измерении расхода газовых сред, где, с одной стороны, силовое воздействие на датчик момента меньше, чем, например, на воде, а механическая добротность выше из-за низкой плотности газовой среды, с другой стороны, частота вихреобразования почти на порядок выше, чем при измерении расхода жидкостей - из-за большей скорости потока - и может совпадать с собственной частотой крыла. Собственные колебания крыла передаются через корпус на пьезоэлемент и создают электрический сигнал помехи, который накладывается на полезный сигнал, ухудшая отношение «сигнал/помеха» в нижней части диапазона измерений, где полезная составляющая сигнала имеет малую величину.The disadvantage of the above-described vortex detector is that the wing, when exposed to vibration, "rings" at the natural oscillation frequency determined by the wing length. The natural oscillation frequency, for example, for the 108M sensor, is from 0.3 to 8 kHz, and their amplitude is the greater, the higher the mechanical quality factor of the wing and the lower the density of the controlled medium. This disadvantage is especially noticeable when measuring the flow rate of gaseous media, where, on the one hand, the force action on the torque sensor is less than, for example, on water, and the mechanical quality factor is higher due to the low density of the gas medium, on the other hand, the vortex formation frequency is almost an order of magnitude higher than when measuring the flow rate of liquids - due to the higher flow velocity - and can coincide with the natural frequency of the wing. Natural oscillations of the wing are transmitted through the housing to the piezoelectric element and create an electrical interference signal, which is superimposed on the useful signal, worsening the signal-to-noise ratio in the lower part of the measurement range, where the useful component of the signal has a small value.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в повышении виброустойчивости.The task that the proposed technical solution is aimed at solving is to increase vibration resistance.

Указанная задача решается за счет того, что в известном пьезоэлектрическом детекторе вихрей, содержащем цилиндрический корпус с внешней кольцевой проточкой и глухим осевым отверстием, расположенным вне измерительного участка трубопровода, прикрепленное к расположенному в измерительном участке торцу корпуса крыло в виде продолговатой пластины, пьезоэлемент в виде кольца со сплошным наружным и двумя одинаковыми внутренними электродами, расположенный напротив кольцевой проточки с обеспечением механического и электрического контакта с соответствующим участком поверхности осевого глухого отверстия, и два проводника, соединенные с внутренними электродами пьезоэлемента, свободная часть крыла выполнена в форме полукруга.The specified problem is solved due to the fact that in the known piezoelectric vortex detector, containing a cylindrical body with an external annular groove and a blind axial hole located outside the measuring section of the pipeline, a wing in the form of an elongated plate attached to the end of the body located in the measuring section, a piezoelectric element in the form of a ring with a solid external and two identical internal electrodes, located opposite the annular groove with provision of mechanical and electrical contact with the corresponding section of the surface of the axial blind hole, and two conductors connected to the internal electrodes of the piezoelectric element, the free part of the wing is made in the form of a semicircle.

Сущность полезной модели поясняется рисунками, на которых приведены:The essence of the utility model is explained by the drawings, which show:

- на фиг. 1 - устройство предлагаемого детектора вихрей;- Fig. 1 - the device of the proposed vortex detector;

- на фиг. 2 - внешний вид двух датчиков изгибающего момента 108М, использовавшихся при сравнительных испытаниях: серийного датчика с крылом прямоугольной формы (фиг. 2а) как прототипа и доработанного серийного датчика, реализующего полезную модель, с закругленным крылом (фиг. 2б);- Fig. 2 - the external appearance of two 108M bending moment sensors used in comparative tests: a serial sensor with a rectangular wing (Fig. 2a) as a prototype and a modified serial sensor implementing a utility model, with a rounded wing (Fig. 2b);

- на фиг. 3 - форма (а) и спектр (б) выходного сигнала предлагаемого детектора вихрей;- Fig. 3 - the shape (a) and spectrum (b) of the output signal of the proposed vortex detector;

- на фиг. 4 - форма (а) и спектр (б) выходного сигнала серийного датчика-прототипа 108М.- Fig. 4 - the shape (a) and spectrum (b) of the output signal of the serial prototype sensor 108M.

Пьезоэлектрический детектор вихрей (фиг. 1) содержит цилиндрический корпус 1 с внешней кольцевой проточкой 2 и глухим осевым отверстием 3, расположенным вне измерительного участка трубопровода, составляющее с корпусом 1 одно целое крыло 4 в виде продолговатой пластины, свободный конец которой выполнен в виде полукруга с радиусом, равным половине ширины пластины, пьезоэлемент 5 в виде кольца со сплошным наружным 6 и двумя одинаковыми внутренними электродами 7 и 8, а также проводники 9 и 10, соединенные с внутренними электродами. Кольцевая проточка 2 располагается на середине высоты пьезоэлемента 5, а плоскость раздела внутренних электродов 7 и 8 совпадает с плоскостью крыла 4, что обеспечивает максимальную чувствительность детектора. В верхней части корпуса 1 имеется уступ 11 для установки уплотнительной прокладки.The piezoelectric vortex detector (Fig. 1) comprises a cylindrical body 1 with an external annular groove 2 and a blind axial hole 3 located outside the measuring section of the pipeline, which forms a single wing 4 with the body 1 in the form of an elongated plate, the free end of which is made in the form of a semicircle with a radius equal to half the width of the plate, a piezoelectric element 5 in the form of a ring with a solid external 6 and two identical internal electrodes 7 and 8, as well as conductors 9 and 10 connected to the internal electrodes. The annular groove 2 is located in the middle of the height of the piezoelectric element 5, and the dividing plane of the internal electrodes 7 and 8 coincides with the plane of the wing 4, which ensures maximum sensitivity of the detector. In the upper part of the body 1 there is a ledge 11 for installing a sealing gasket.

Описанный детектор вихрей устанавливается через уплотнительную прокладку 11 в корпус вихревого преобразователя расхода за плохообтекаемым телом так, что крыло 4 выступает в поток, причем его плоскость располагается вдоль потока и совпадает с плоскостью, проходящей через ось потока. При движении текучей среды через преобразователь расхода за телом обтекания образуется регулярная вихревая дорожка Кармана. Под действием вихрей крыло 4 совершает вынужденные колебания, создавая в корпусе 1 изгибные деформации, которые преобразуются пьезоэлементом 5 в ЭДС, снимаемую с электродов 7 и 8. ЭДС является суммой двух составляющих - полезной и паразитной. Полезная составляющая возникает иод воздействием срывающихся с тела обтекания вихрей и имеет форму, близкую к синусоидальной, и частоту, равную частоте вихреобразования, пропорциональной расходу. Паразитная составляющая возникает за счет того, что под действием вихрей или при наличии вибрации возбуждаются собственные колебания крыла 4. Самая низкая собственная частота определяется наибольшим размером крыла 4, т.е. его длиной. Поскольку у скругленного крыла 4 длина крыла изменяется по его ширине, резонанс «размывается» и механическая добротность крыла 4 на основной частоте собственных колебаний существенно меньше, чем у прототипа, у которого крыло в плане имеет правильную форму (прямоугольник). Вследствие этого помеха имеет меньшую величину.The described vortex detector is installed through the sealing gasket 11 in the housing of the vortex flow converter behind the bluff body so that the wing 4 projects into the flow, and its plane is located along the flow and coincides with the plane passing through the axis of the flow. When the fluid moves through the flow converter behind the bluff body, a regular Karman vortex street is formed. Under the action of the vortices, the wing 4 performs forced oscillations, creating bending deformations in the housing 1, which are converted by the piezoelectric element 5 into an EMF, removed from the electrodes 7 and 8. The EMF is the sum of two components - useful and parasitic. The useful component arises under the action of vortices breaking away from the bluff body and has a shape close to sinusoidal, and a frequency equal to the frequency of vortex formation, proportional to the flow. The parasitic component arises due to the fact that under the action of vortices or in the presence of vibration, natural oscillations of the wing 4 are excited. The lowest natural frequency is determined by the largest size of the wing 4, i.e. its length. Since the length of the wing changes along its width in the case of a rounded wing 4, the resonance is "washed out" and the mechanical quality factor of the wing 4 at the fundamental frequency of natural oscillations is significantly lower than that of the prototype, whose wing has a regular shape in plan (rectangle). As a result, the interference has a smaller value.

Были проведены сравнительные испытания в составе вихревого преобразователя расхода воздуха Ду50 двух пьезоэлектрических детекторов вихрей: прототипа, в качестве которого использовался серийный датчик 108М (фиг. 2а), и предлагаемого детектора вихрей, в качестве которого использовался такой же датчик, доработанный путем закругления нижней части крыла (фиг. 2б). На фиг. 3а показана форма сигнала предлагаемого детектора вихрей, на фиг. 3б - его спектр (в логарифмическом масштабе). На фиг. 4а показана форма сигнала прототипа, на фиг. 4б - его спектр (в логарифмическом масштабе). Соотношение амплитуд полезной и паразитной составляющих спектра предлагаемого детектора вихрей приблизительно в 4 раза больше, чем у датчика 108М (отличие абсолютных значений сигналов обусловлено разбросом чувствительности датчиков 108М). Кроме того, собственная частота крыла у предлагаемого детектора выше, чем у прототипа, что обеспечивает лучшие возможности для фильтрования помехи.Comparative tests were conducted in the Du50 vortex air flow transducer of two piezoelectric vortex detectors: a prototype, which was a serial 108M sensor (Fig. 2a), and the proposed vortex detector, which was the same sensor modified by rounding the lower part of the wing (Fig. 2b). Fig. 3a shows the signal shape of the proposed vortex detector, and Fig. 3b shows its spectrum (on a logarithmic scale). Fig. 4a shows the signal shape of the prototype, and Fig. 4b shows its spectrum (on a logarithmic scale). The ratio of the amplitudes of the useful and parasitic components of the spectrum of the proposed vortex detector is approximately 4 times greater than that of the 108M sensor (the difference in the absolute values of the signals is due to the spread in the sensitivity of the 108M sensors). In addition, the natural frequency of the wing of the proposed detector is higher than that of the prototype, which provides better opportunities for filtering interference.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает существенное увеличение отношения «сигнал/помеха» при воздействии вибрации, т.е. повышение виброустойчивости пьезоэлектрического детектора вихрей, выполненного в виде датчика изгибающего момента.Thus, the proposed technical solution provides a significant increase in the signal-to-noise ratio when exposed to vibration, i.e. an increase in the vibration resistance of the piezoelectric vortex detector, made in the form of a bending moment sensor.

Claims

A piezoelectric vortex detector comprising a cylindrical body with an external annular groove and a blind axial hole located outside the measuring section of the pipeline, a wing in the form of an elongated plate attached to the end of the body located in the measuring section, a piezoelectric element in the form of a ring with a solid external and two identical internal electrodes located opposite the annular groove with provision of mechanical and electrical contact with the corresponding section of the surface of the axial blind hole, and two conductors connected to the internal electrodes of the piezoelectric element, characterized in that the free part of the wing is made in the form of a semicircle.