RU2279638C2

RU2279638C2 - Vortex flow meter

Info

Publication number: RU2279638C2
Application number: RU2004124119/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Викторович Ветров (RU); Владимир Викторович Ветров; Михаил Юрьевич Молдаванов (RU); Михаил Юрьевич Молдаванов
Original assignee: Владимир Викторович Ветров; Михаил Юрьевич Молдаванов
Priority date: 2004-08-06
Filing date: 2004-08-06
Publication date: 2006-07-10
Also published as: RU2004124119A

Abstract

FIELD: measuring engineering.

SUBSTANCE: vortex flow meter comprises housing and body arranged in the flow along the diameter of the housing. The gauge composed of rigid rod-sensor and two parallel diaphragms is secured in the hole provided in the housing wall downstream of the body. The first diaphragm is directly connected with the sensor. The top section of the sensor is connected with the balancer secured to the second diaphragm. The piezoelectric member made of a flat plate abuts against the second diaphragm. The plate is provided with three electrodes. The base electrode is mounted on the bottom surface of the plate, and two other electrodes are mounted on the top surface of the plate. The leads of the electrodes are connected with the unit for processing the signal from the piezoelectric member.

EFFECT: enhanced accuracy of measurements.

5 dwg

Description

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.The invention relates to measuring instruments for the volume or mass of liquid or gas, operating on the principle of measuring the frequency of vortices generated in the flow of a measured medium flowing around a body of a special shape, which is directly proportional to the speed of the moving medium and can be used in flow metering in the oil, gas industry, housing and communal services etc.

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.Known vortex flowmeter described in St. No. 16551 for the utility model "Primary Converter of a Vortex Flowmeter" according to Cl. G 01 F 1/32, Dec. 07.09.04, publ. 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.The known flowmeter is fixed in the pipeline by means of a mounting flange and contains a piezoelectric element made detachable from two hollow half-cylinders, electrically isolated from each other, a sensing element connected from it from a rigid rod and two flexible membranes, and a vortex generator in the form of an opposed tube placed symmetrically relative to the inner diameter the flow of a streamline body consisting of a head element arranged in series, an intermediate and a tail section of different widths, with a piezo The element is located on the side of the end of the flow around the body, in the intermediate section of which a through groove is made to accommodate a sensitive element in it from a separately made rigid rod passing behind the body of the flow around the tube and two flexible membranes that close the outside of the through groove and are rigidly attached to their perimeter to the surface of the flow around the body, as well as fastened in their central part with a rigid rod, while the body of the flow around the placement of the piezoelectric element is inextricably connected with the end face to paid-flange and the tube with piezo rigidly secured within the mounting flange. A disadvantage of the known flowmeter is the complexity of the design and manufacturing technology, as well as high vibration sensitivity, which reduces the accuracy of the measurements.

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).Closest to the technical nature of the claimed is a vortex flowmeter described in US patent No. 6352000 CL. G 01 F 1/32, claimed 08/10/99, publ. 03/05/02. Known vortex flowmeter comprises a housing with protrusions mounted in a measuring tube, in which are located: a flow body located along its diameter and fixed in it at least at one point; a sensitive element inserted into an opening in the wall of the measuring tube below a poorly streamlined body and consisting of a diaphragm (membrane) with two parallel surfaces, one of which is connected directly to a sensor made in the form of a wing (1 option) or a sleeve (2 option) connected to top with balancer; a piezoelectric element in the form of a flat plate lying on the diaphragm and having three electrodes: a base on the lower surface of the plate and two electrodes on its upper surface, symmetrical about the axis of symmetry of the sensor; ceramic contact housing in the form of a ring adjacent to a piezoelectric element and having three contact areas connected by wires to a connector (with a signal to electric converter).

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.A disadvantage of the known device is the not very high measurement accuracy, due to the fact that when the temperature fluctuates, the piezoceramic element generates relatively high voltage values, which can lead to disorientation of domains and depolarization of the element, and this, in turn, can affect the measurement accuracy of the sensor and disable input circuits of the amplifier. In addition, the known sensor is sensitive to environmental vibrations, because the membrane is connected directly to the sensor, which also affects the accuracy of the measurements.

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.The objective of the proposed technical solution is to increase the accuracy of measurements. The problem is solved in that in a vortex flowmeter containing a housing installed in the measuring tube, in which the flow body is located, located along the diameter of the body and secured in it at least at one point, a sensor is inserted into the hole in the wall of the body behind the flow body and including a sensor and a membrane connected directly to the sensor, made in the form of a rigid rod connected in the upper part to the balancer, and a piezoelectric element in the form of a flat plate having three electrodes - the base on the bottom The surface of the plate and two electrodes on its upper surface, symmetrical with respect to the axis of symmetry of the sensor, connected to a signal processing device from a piezoelectric element, according to the invention, the sensor further comprises a second membrane connected to the balancer, which is parallel to the first membrane and spaced apart in height by the height of the lever connecting a rod with a balancer, while the piezoelectric element is adjacent to the second membrane.

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.The execution of the sensitive element from two parallel spaced apart vertically to the height of the lever connecting the rod to the balancer, membranes, while the piezoelectric element is adjacent to the second one, reduces vibration sensitivity and protects the piezoelectric element from the effects of high ambient temperatures, which introduces an error in the measurement.

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.Compared with the prototype, the inventive sensor has a novelty, differing from it by the addition of a sensitive element connected to the balancer with a second membrane parallel to the first and spaced apart by the height of the lever connecting the rod to the balancer, despite the fact that the piezoelectric element is adjacent to the second membrane, ensuring the achievement of a given result.

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".The applicant is not aware of technical solutions that have the indicated distinguishing features, which together ensure the achievement of a given result, so he believes that the claimed vortex flowmeter meets the criterion of "inventive step".

Заявляемый вихревой расходомер может широко использоваться в расходометрии в нефтяной, газовой промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве, потому соответствует критерию "промышленная применимость".The inventive vortex flowmeter can be widely used in flowmetering in the oil, gas industry, housing and communal services, therefore, meets the criterion of "industrial applicability".

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, где представлены на:The invention is illustrated by drawings, which are presented in:

- фиг.1 - вид вихревого расходомера в разрезе;- figure 1 is a sectional view of a vortex flowmeter;

- фиг.2(а, б) - вид спереди и сбоку сенсора расходомера в разрезе;- figure 2 (a, b) is a front view and side view of the sensor of the flow meter in the context;

- фиг.3(а, б) - вид пьезоэлемента в разрезе и в изометрии.- figure 3 (a, b) is a sectional view of a piezoelectric element and in isometric view.

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.The vortex flowmeter is installed in the housing 1, embedded in the measuring tube (not shown in the drawing). In the housing 1, the flow body 2 is rigidly fixed, located along the diameter of the housing and fixed in it at least at one point. A sensor (sensing element) is inserted into the hole in the wall of the housing 1 behind the flow body 2, consisting of a rigid sensor rod 3 and two parallel membranes 4 'and 4' ', the lower of which (4') is connected directly to the sensor 3 connected in the upper part by means of a lever 5 with a balancer 6, to which a second membrane 4 '' is attached. A piezoelectric element 7, made in the form of a flat plate, having three electrodes 8, a base 8 'on the lower surface of the plate and two electrodes 8' 'and 8' '' on its upper surface, symmetric with respect to the axis of symmetry of the sensor 3, is adjacent to the upper membrane 4 ″ .

Конструктивно вихревой расходомер выполнен следующим образом.Structurally, the vortex flowmeter is made as follows.

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.The housing 1 has protrusions for connection to the measuring tube. In the housing 1 by means of the mounting flange 11 and the clamping curly nut 12, a flow meter is fixed. The sensor rod 3 is installed in the housing 1 behind the flow body 2 in such a way that the longitudinal axis of the flow body 2 coincides with the longitudinal axis of symmetry of the rod 3, made in particular wedge-shaped. The seal of the rod 3 is provided by means of a non-metallic gasket 13 fixed by means of a mounting flange 11. The flow body 2 can be, in particular, a triangular section prism or have a different shape. The piezoelectric element 7 is made, in particular, in the form of a ring. The sensor rod 3 can be made integral with the lower membrane 4 ', the lever 5, the upper membrane 4', the balancer 6, or all of these elements can be performed separately. In this case, the terminals 9 of the electrodes 8 are connected to the device 10 for processing the signal from the piezoelectric element directly by soldering or mechanical clamping of the conductor.

Вихревой расходомер работает следующим образом.Vortex flowmeter operates as follows.

При протекании жидкой или газообразной среды по измерительной трубе тело 2 обтекания создает вокруг себя завихрения потока, образующие колебания давления среды.When a liquid or gaseous medium flows through the measuring tube, the body 2 flows around it and generates flow swirls around it, which form medium pressure fluctuations.

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.The sensor - a rigid rod 3 - directly perceives fluctuations in local pressure in a liquid, vapor or gas and transfers it to the lower membrane 4 ', which, in turn, transfers force to the upper membrane 4' '. The choice of sizes and masses of the lever 5 and the balancer 6, as well as the use of a differential circuit 10 for processing the signals of the piezoelectric element 7, make it possible to compensate for the vibration of the pipeline. The inertia forces caused by vibrations of the pipeline act on the sensitive part of the rigid rod of the sensor 3, and on the lever 5, and on the balancer 6. When the sensor unit accelerates to the right, the sensitive part of the rod 3 of the sensor bends to the left, but at the same time, the lever 5 also experiences the effect of acceleration and also bends to the left. This leads to a release of stress in the element of the lower membrane 4 '. At the same time, under the influence of acceleration, the balancer 6 also bends to the left and, as a result, a voltage drop occurs in the upper membrane 4 '', where the piezoelectric element 7 is directly installed. The piezoelectric element 7 converts the mechanical compression force into an electrical signal that changes with the frequency of vortex formation, which, in turn, is proportional to the flow rate of the medium, and which is then removed from the electrodes 8 and then transferred to the signal processing device 10. The signal is removed directly from the electrodes 8 by soldering or mechanical clamping of the conductor.

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.The introduction of an additional, second from the first to the height of the lever, the second membrane into the sensing element reduces the measurement errors, increases the measurement accuracy by reducing sensitivity to vibrations and temperature fluctuations of the medium being measured.

В сравнении с прототипом заявляемый вихревой расходомер обеспечивает повышение точности измерения.In comparison with the prototype of the inventive vortex flowmeter provides improved measurement accuracy.

Claims

A vortex flowmeter, comprising a body installed in the measuring tube, in which a flow body is arranged, located along the diameter of the body and secured therein at least at one point, a sensor inserted in an opening in the housing wall behind the flow body and secured in the hole by means of a mounting flange and a clamping nut including a sensor and a first membrane connected directly to the sensor, made in the form of a rigid rod connected in the upper part to the balancer, and a piezoelectric element in the form of a flat plate, having three electrodes - a base on the lower surface of the plate and two electrodes on its upper surface, symmetrical with respect to the axis of symmetry of the sensor, connected with a signal processing device from a piezoelectric element, characterized in that the sensor further comprises a second membrane connected to the balancer located parallel to the first membrane and spaced in height with this membrane to the height of the lever connecting the rod to the balancer, while the piezoelectric element is adjacent to the second membrane.