RU2737418C1 - Piezoelectric vortex converter - Google Patents
Piezoelectric vortex converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2737418C1 RU2737418C1 RU2020116629A RU2020116629A RU2737418C1 RU 2737418 C1 RU2737418 C1 RU 2737418C1 RU 2020116629 A RU2020116629 A RU 2020116629A RU 2020116629 A RU2020116629 A RU 2020116629A RU 2737418 C1 RU2737418 C1 RU 2737418C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- vortex
- electrodes
- sensitive element
- piezoelectric element
- assembly
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
- G01F1/20—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow
- G01F1/32—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow using swirl flowmeters
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в вихревых расходомерах для измерения объемного расхода с использованием вихрей Кармана.The invention relates to measuring technology and can be applied in vortex flowmeters for measuring volumetric flow using Karman vortices.
Известен вихревой расходомер, представленный в п. РФ №2279638 «Вихревой расходомер», по кл. G01F 1/32, з.б августа 2004 г. Known vortex flowmeter, presented in p. RF No. 2279638 "Vortex flowmeter", class. G01F 1/32, z.b August 2004
Известный расходомер содержит установленный в измерительной трубе корпус, в котором размещены тело обтекания, расположенное по диаметру корпуса и закрепленное в нем по крайней мере в одной точке и датчик, вставленный в отверстие в стенке корпуса за телом обтекания и закрепленный в отверстии посредством установочного фланца и прижимной гайки.The known flow meter contains a housing installed in a measuring pipe, in which a streamline body is located, located along the diameter of the housing and fixed in it at least at one point and a sensor inserted into a hole in the housing wall behind the streamline body and fixed in the hole by means of a mounting flange and a clamp nuts.
Датчик состоит из стержня-сенсора (крыла), двух мембран, соединенных рычагом с балансиром и пьезоэлемента, установленного на верхней мембране. Пьезоэлемент выполнен в виде плоского диска, имеющего три электрода - базовый на нижней поверхности и два электрода на верхней поверхности, симметричных относительно оси симметрии датчика и связанных с устройством обработки сигналов. Стержень-сенсор непосредственно воспринимает колебания давления за телом обтекания и передает их на нижнюю мембрану, которая передает усилия на верхнею мембрану. Пьезоэлемент преобразует механические усилия сжатия в электрический сигнал, который снимается с электродов и поступает на устройство обработки сигналов.The sensor consists of a sensor rod (wing), two membranes connected by a lever with a balance bar and a piezoelectric element installed on the upper membrane. The piezoelectric element is made in the form of a flat disk having three electrodes - the base one on the lower surface and two electrodes on the upper surface, symmetrical about the axis of symmetry of the sensor and connected with the signal processing device. The sensor rod directly senses pressure fluctuations behind the shedder and transmits them to the lower diaphragm, which transmits forces to the upper diaphragm. The piezoelectric element converts the mechanical compressive forces into an electrical signal, which is removed from the electrodes and fed to the signal processing device.
Недостатками являются сложность конструкции датчика с двумя мембранами, что увеличивает сложность изготовления и сборки. Необходимость передавать усилия между двумя мембранами снижает чувствительность датчика, так как требуется выдерживать определенное соотношение для размеров мембран по толщине. Это увеличивает затраты на изготовление, приводит к конструктивным ограничениям по размерам диаметра корпуса проточной части и ограничениям по максимальным рабочим давлениям, вызванным противоречиями по обеспечению прочности конструкции датчика и его чувствительностью.The disadvantages are the complexity of the sensor design with two membranes, which increases the complexity of manufacture and assembly. The need to transfer forces between two membranes reduces the sensitivity of the sensor, since it is required to maintain a certain ratio for membrane thickness dimensions. This increases manufacturing costs, leads to design restrictions on the size of the diameter of the flow passage housing and restrictions on the maximum working pressures caused by contradictions in ensuring the strength of the sensor structure and its sensitivity.
Известен преобразователь вихрей для вихревого расходомера, представленный в п. США №6352000 «Vortex flow sensor», по кл. G01F 1/32, з.5 марта 2002 г. Known vortex transducer for a vortex flow meter, presented in US No. 6352000 "Vortex flow sensor", according to cl. G01F 1/32, w.5 March 2002
В патенте описан преобразователь вихрей вихревого расходомера для измерения скорости и/или расхода потока рабочей среды, протекающей через проточную часть расходомера. Проточная часть содержит тело обтекания для создания вихрей Кармана и преобразователь вихрей, установленный в проточной части за телом обтекания и воспринимающий пульсации давления вихрей. Преобразователь установлен таким образом, что его плоскость симметрии, совпадает по направлению с вертикальной плоскостью, проходящей через ось проточной части и плоскость симметрии тела обтекания.The patent describes a vortex transducer of a vortex flow meter for measuring the speed and / or flow rate of the working medium flowing through the flow path of the flow meter. The flow path contains a streamline body for creating Karman vortices and a vortex transducer installed in the flow path behind the streamline body and receiving vortex pressure pulsations. The transducer is installed in such a way that its plane of symmetry coincides in direction with the vertical plane passing through the axis of the flow path and the plane of symmetry of the streamline body.
Преобразователь имеет сборную конструкцию, состоящую из кольцевой детали, имеющей мембрану с крылом, герметично закрывающей отверстие в проточной части расходомера, прижимного фланца, контактной шайбы и пьезоэлемента. На поверхности мембраны со стороны потока имеется крыло в виде жесткой плоской пластины. На внутренней поверхности мембраны установлен пьезоэлемент, который прижат к ней через контактную шайбу с помощью фланцев, втулки и крепежа. Контактная шайба выполнена из изолирующего материала, например, керамики. Герметичность соединения обеспечивается кольцевой прокладкой, зажатой в канавке кольцевой части мембраны.The transducer has a prefabricated structure, consisting of an annular part with a membrane with a wing, hermetically closing the hole in the flow part of the flowmeter, a clamping flange, a contact washer and a piezoelectric element. On the surface of the membrane on the flow side, there is a wing in the form of a rigid flat plate. A piezoelectric element is installed on the inner surface of the membrane, which is pressed against it through a contact washer using flanges, bushings and fasteners. The contact washer is made of an insulating material such as ceramic. The tightness of the connection is ensured by an O-ring clamped in the groove of the annular part of the membrane.
Пьезоэлемент выполнен в виде плоского диска, имеющего три электрода - базовый на нижней поверхности и два разделенных электрода на верхней поверхности. Разделенные электроды расположены симметрично относительно плоскости крыла.The piezoelectric element is made in the form of a flat disk having three electrodes - the base one on the lower surface and two separated electrodes on the upper surface. The divided electrodes are located symmetrically with respect to the wing plane.
При работе расходомера создаются вихри Кармана, которые воздействуют на крыло и вызывают колебание в направлении, перпендикулярном его плоским поверхностям. Эти колебания передаются мембраной на пьезоэлемент в виде усилий сжатия-расширения. Пьезоэлемент преобразует механические усилия сжатия-расширения в электрический сигнал, который снимается с электродов и поступает на устройство обработки сигналов.During operation of the flow meter, Karman vortices are created, which act on the wing and cause oscillation in the direction perpendicular to its flat surfaces. These vibrations are transmitted by the membrane to the piezoelectric element in the form of compression-expansion forces. The piezoelectric element converts the mechanical forces of compression-expansion into an electrical signal, which is removed from the electrodes and fed to the signal processing device.
Недостатками известного преобразователя вихрей является сложная конструкция мембраны с крылом и кольцевой частью, как единой детали, и общая сборная конструкции преобразователя вихрей, требующая большого количества крепежных деталей, что увеличивает себестоимость изготовления, трудоемкость сборки и настройки. Использование в конструкции преобразователя керамической изолирующей контактной шайбы, передающей усилия прижатия от фланца на пьезоэлемент, требует при сборке преобразователя контролировать усилие прижатия для исключения разрушения керамической шайбы, что увеличивает трудоемкость сборки преобразователя. Конструкция преобразователя вихрей имеет ограничения по максимальным рабочим давлениям и температурам, вызванных противоречиями по обеспечению прочности и чувствительности. Для обеспечения чувствительности необходимо иметь достаточно тонкую по толщине и большую по площади мембрану и в тоже время необходимо иметь требуемый запас по прочности мембраны при воздействии максимальных рабочих давлений и температур.The disadvantages of the known vortex transducer are the complex design of the membrane with the wing and the annular part as a single piece, and the general assembly of the vortex transducer, which requires a large number of fasteners, which increases the manufacturing cost, assembly and adjustment labor intensity. The use of a ceramic insulating contact washer in the design of the transducer, which transfers pressing forces from the flange to the piezoelement, requires controlling the pressing force during assembly of the transducer to prevent destruction of the ceramic washer, which increases the complexity of assembly of the transducer. Vortex transducer design has limitations on maximum working pressures and temperatures due to conflicting strength and sensitivity requirements. To ensure sensitivity, it is necessary to have a membrane that is sufficiently thin in thickness and large in area, and at the same time, it is necessary to have the required safety margin of the membrane when exposed to maximum operating pressures and temperatures.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой конструкции является преобразователь вихрей вихревого расходомера, представленный в п. РФ №2691285 «Преобразователь вихрей вихревого расходомера», по кл. G01F 1/32, з. 30 августа 2018 г. и выбранный в качестве прототипа.The closest in technical essence to the claimed design is a vortex transducer of a vortex flow meter, presented in p. RF No. 2691285 "Vortex transducer of a vortex flow meter", according to cl. G01F 1/32, h. August 30, 2018 and selected as a prototype.
В патенте описан преобразователь вихрей вихревого расходомера для измерения скорости и/или расхода потока рабочей среды, протекающей через проточную часть расходомера. Проточная часть содержит тело обтекания для создания вихрей Кармана и преобразователь вихрей, установленный в проточной части за телом обтекания и воспринимающий пульсации давления вихрей. Преобразователь вихрей установлен таким образом, что его плоскость симметрии совпадает по направлению с вертикальной плоскостью, проходящей через ось проточной части и плоскость симметрии тела обтекания.The patent describes a vortex transducer of a vortex flow meter for measuring the speed and / or flow rate of the working medium flowing through the flow path of the flow meter. The flow path contains a streamline body for creating Karman vortices and a vortex transducer installed in the flow path behind the streamline body and receiving vortex pressure pulsations. The vortex transformer is installed in such a way that its symmetry plane coincides in direction with the vertical plane passing through the axis of the flow path and the plane of symmetry of the streamline body.
Преобразователь вихрей выполнен в виде единой неразъемной и соединенной с помощью сварки конструкции, состоящей из полого цилиндрического корпуса с основанием, фланцем и крылом, воспринимающим вихри Кармана и расположенным на наружной стороне основания, и чувствительного элемента цилиндрической формы со сквозным отверстием для кабеля, установленного внутри полого цилиндрического корпуса, и имеющего снизу пьезоэлемент, металлический контакт и керамический изолятор, прижатые к основанию внутри полости цилиндрического корпуса с заданным усилием при сварке.The vortex transducer is made in the form of a single one-piece and welded structure, consisting of a hollow cylindrical body with a base, a flange and a wing that receives Karman vortices and located on the outer side of the base, and a cylindrical sensitive element with a through hole for a cable installed inside the hollow cylindrical body, and having a bottom piezoelement, metal contact and ceramic insulator, pressed to the base inside the cavity of the cylindrical body with a given welding force.
Чувствительный элемент состоит из корпуса цилиндрической формы с отверстием для кабеля. В верхней части корпуса чувствительного элемента имеется выступ для приварки к корпусу преобразователя. В нижней части корпуса чувствительного элемента установлены пьезоэлемент в виде плоского диска с отверстием, металлический контакт и керамический изолятор. Сборка, состоящая из пьезоэлемента, кабеля, металлического контакта и керамического изолятора, прижимается к нижней части корпуса чувствительного элемента с заданным усилием при сварке преобразователя вихрей.The sensing element consists of a cylindrical body with a cable opening. In the upper part of the sensor housing there is a projection for welding to the transmitter housing. A piezoelectric element in the form of a flat disk with a hole, a metal contact and a ceramic insulator are installed in the lower part of the sensitive element housing. The assembly, consisting of a piezoelectric element, a cable, a metal contact and a ceramic insulator, is pressed against the lower part of the sensing element housing with a predetermined force when welding the vortex transducer.
При работе расходомера создаются вихри Кармана, которые воздействуют на крыло преобразователя вихрей и вызывают колебание в направлении, перпендикулярном его плоским поверхностям. Колебания крыла вызывают деформацию основания цилиндрического корпуса преобразователя и воздействие циклических усилий сжатия-расширения на пьезоэлемент, что приводит к деформации пьезоэлемента и появлению переменного напряжения, соответствующего частоте вихрей на выходе пьезоэлемента, которое через металлический контакт и кабель поступает на схему обработки сигналов расходомера.During operation of the flow meter, Karman vortices are created, which act on the vortex transducer wing and cause oscillation in the direction perpendicular to its flat surfaces. Oscillations of the wing cause deformation of the base of the cylindrical body of the transducer and the effect of cyclic compression-expansion forces on the piezoelectric element, which leads to deformation of the piezoelectric element and the appearance of an alternating voltage corresponding to the frequency of vortices at the output of the piezoelectric element, which is fed through a metal contact and a cable to the flowmeter signal processing circuit.
Недостатками известного преобразователя вихрей являются следующие. В конструкции чувствительного элемента, состоящей из пьезоэлемента, металлического контакта и керамического изолятора, через который передается усилие прижатия при сварке преобразователя и которое требуется контролировать для исключения разрушения керамического изолятора, что приводит к увеличению трудоемкости сборки преобразователя.The disadvantages of the known vortex converter are as follows. In the design of the sensitive element, consisting of a piezoelectric element, a metal contact and a ceramic insulator, through which the pressing force is transmitted during welding of the transducer and which must be controlled to prevent the destruction of the ceramic insulator, which leads to an increase in the complexity of assembly of the transducer.
Керамический изолятор не обеспечивает точной передачи усилий сжатия - расширения на пьезоэлемент при воздействии вихрей на крыло преобразователя из-за наличия микрозазоров между пьезоэлементом, керамическим изолятором и основанием корпуса преобразователя, вызванных не идеальностью плоскостей поверхностей пьезоэлемента, керамического изолятора и наличия вывода прижатого кабеля, что приводит к уменьшению усилий сжатия-расширения, действующих на пьезоэлемент, и уменьшение чувствительности преобразователя вихрей в целом.The ceramic insulator does not provide an accurate transfer of compression forces - expansion to the piezoelectric element when vortices act on the transducer wing due to the presence of microgaps between the piezoelectric element, the ceramic insulator and the base of the transducer body caused by the imperfection of the surfaces of the piezoelectric element, the ceramic insulator and the presence of a pressed cable outlet, which leads to to a decrease in the compression-expansion forces acting on the piezoelectric element, and a decrease in the sensitivity of the vortex transducer as a whole.
Задачей является увеличение чувствительности преобразователя вихрей при снижении трудоемкости сборки и повышении надежности преобразователя.The task is to increase the sensitivity of the vortex transducer while reducing the complexity of the assembly and increasing the transducer's reliability.
Поставленная задача решается тем, что в вихревом расходомере, включающем проточную часть, содержащую тело обтекания для создания вихрей Кармана, пьезоэлектрический преобразователь вихрей в виде единой неразъемной и соединенной с помощью сварки конструкции, состоящей из полого цилиндрического корпуса с основанием, фланцем и крылом в виде плоской жесткой пластины расположенным на наружной стороне основания и воспринимающим вихри Кармана, установленный за телом обтекания таким образом, что его плоскость симметрии совпадает с вертикальной плоскостью, проходящей через ось проточной части и плоскость симметрии тела обтекания, и содержащий чувствительный элемент, установленный внутри цилиндрического корпуса, пьезоэлемент, выполненный в виде диска, имеющего электроды на нижней и верхней поверхностях, расположенные симметрично относительно крыла СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ, чувствительный элемент имеет корпус цилиндрической формы, выполненный с проходящим через сквозное отверстие в его центре кабелем, загнутым на конце и прижатым к металлическому контакту, который замыкает пару электродов на одной стороне пьезоэлемента, пара электродов с другой стороны которого замкнута между собой металлическим основанием корпуса чувствительного элемента, при этом металлический контакт изолирован от корпуса с помощью изолятора, выполненного из пластичного в исходном состоянии композитного материала, застывающего после сборки и выдержки с образованием керамического диска с помощью формообразующего элемента, выполненного в виде цилиндрического тонкостенного металлического стаканчика, приваренного снизу к основанию чувствительного элемента и закрывающего собой расположенные внутри на его дне изолятор из композитного материала, металлический контакт и пьезоэлемент.The problem is solved by the fact that in a vortex flowmeter, including a flow path containing a streamline body for creating Karman vortices, a piezoelectric vortex transducer in the form of a single one-piece and welded structure, consisting of a hollow cylindrical body with a base, a flange and a wing in the form of a flat a rigid plate located on the outer side of the base and receiving Karman vortices, installed behind the flow body in such a way that its symmetry plane coincides with the vertical plane passing through the axis of the flow path and the plane of symmetry of the flow body, and containing a sensitive element installed inside the cylindrical body, a piezoelectric element , made in the form of a disk having electrodes on the lower and upper surfaces located symmetrically relative to the wing ACCORDING TO THE INVENTION, the sensitive element has a cylindrical body made with a cable passing through a through hole in its center, bent at the end and pressed against the metal contact, which closes a pair of electrodes on one side of the piezoelectric element, the pair of electrodes on the other side of which is closed with each other by the metal base of the sensitive element case, while the metal contact is isolated from the case using an insulator made of plastic in the initial state a composite material that solidifies after assembly and holding with the formation of a ceramic disk with the help of a forming element made in the form of a cylindrical thin-walled metal cup, welded from below to the base of the sensitive element and covering the insulator made of composite material, a metal contact and a piezoelectric element located inside at its bottom.
Выполнение чувствительного элемента с кабелем, проходящим через сквозное отверстие в корпусе чувствительного элемента, загнутым на конце и прижатым к металлическому контакту, замыкающим электроды пьезоэлемента с одной стороны, и металлическим основанием корпуса чувствительного элемента, замыкающим электроды с другой стороны, с изолятором из композитного пластичного при сборке материала, изолирующим металлический контакт от корпуса, расположенным на дне цилиндрического формообразующего элемента (стаканчика) и затвердевшим в сборке, в совокупности обеспечивает беззазорный контакт пьезоэлемента, металлического контакта и основания корпуса чувствительного элемента и монолитность конструкции чувствительного элемента, которая обеспечивает полную передачу усилий сжатия-расширения на пьезоэлемент при воздействии вихрей на крыло преобразователя, что приводит к повышению чувствительности преобразователя вихрей. Конструктивное решение, в котором пьезоэлемент, металлический контакт и изолятор из композитного материала закрыты цилиндрическим формообразующим элементом (стаканчиком) из тонкостенного металла, приваренным с заданным усилием к основанию чувствительного элемента, формирующим требуемую форму изолятора после затвердевания композитного материала и обеспечивающим дополнительную защиту сборки пьезоэлемента, металлического контакта и изолятора от воздействия внешних факторов, повышает надежность преобразователя. Использование пластичного в исходном состоянии композитного материала в качестве изолятора, затвердевшего в сборке и обеспечивающего необходимый плотный беззазорный контакт пьезоэлемента при сборке чувствительного элемента позволяет обойтись без контроля усилия прижатия при сварке, что приводит к уменьшению трудоемкости сборки преобразователя, , и исключить разрушение керамического изолятора при сборке, что повышает надежность преобразователя.Implementation of a sensitive element with a cable passing through a through hole in the housing of the sensitive element, bent at the end and pressed against the metal contact, closing the electrodes of the piezoelectric element on one side, and the metal base of the housing of the sensitive element, closing the electrodes on the other side, with an insulator made of composite plastic with an assembly of material that insulates the metal contact from the body, located at the bottom of the cylindrical forming element (cup) and solidified in the assembly, together provides a gap-free contact of the piezoelectric element, the metal contact and the base of the body of the sensing element and the solidity of the design of the sensing element, which ensures full transmission of compression forces - expansion on the piezoelectric element when vortices act on the transducer wing, which leads to an increase in the sensitivity of the vortex transducer. A constructive solution in which a piezoelectric element, a metal contact and an insulator made of a composite material are closed by a cylindrical shaping element (cup) made of thin-walled metal, welded with a given force to the base of the sensing element, which forms the required shape of the insulator after solidification of the composite material and provides additional protection for the assembly of the piezoelectric element, metallic contact and insulator from external factors, increases the reliability of the converter. The use of a plastic in the initial state of the composite material as an insulator, solidified in the assembly and providing the necessary tight gap-free contact of the piezoelectric element when assembling the sensitive element allows you to do without controlling the pressing force during welding, which leads to a decrease in the complexity of assembling the transducer, and to exclude the destruction of the ceramic insulator during assembly , which increases the reliability of the converter.
Технический результат - повышение чувствительности преобразователя вихрей при снижении трудоемкости сборки и повышении надежности.The technical result is an increase in the sensitivity of the vortex transducer while reducing the complexity of the assembly and increasing the reliability.
Заявляемый преобразователь вихрей обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как, выполнение чувствительного элемента с корпусом цилиндрической формы, выполненным с проходящим через сквозное отверстие в его центре кабелем, загнутым на конце и прижатым к металлическому контакту, который замыкает пару электродов на одной стороне пьезоэлемента, замыкание пары электродов между собой с другой стороны пьезоэлемента металлическим основанием корпуса чувствительного элемента, изоляция металлического контакта от корпуса с помощью изолятора, выполнение этого изолятора из пластичного в исходном состоянии композитного материала, застывающего после сборки и выдержки с образованием керамического диска с помощью формообразующего элемента, выполненного в виде цилиндрического тонкостенного металлического стаканчика, приваренного снизу к основанию чувствительного элемента и закрывающего собой расположенные внутри на его дне изолятор из композитного материала, металлический контакт и пьезоэлемент, обеспечивающими в совокупности достижение заданного технического результата.The inventive vortex transducer has a novelty in comparison with the prototype, differing from it in such essential features as, the implementation of a sensitive element with a cylindrical body made with a cable passing through a through hole in its center, bent at the end and pressed against a metal contact, which closes a pair of electrodes on one side of the piezoelectric element, closing a pair of electrodes to each other on the other side of the piezoelectric element with the metal base of the sensor case, isolating the metal contact from the case using an insulator, making this insulator from a plastic in the initial state of a composite material, solidifying after assembly and holding to form a ceramic disk with using a shaping element made in the form of a cylindrical thin-walled metal cup, welded from below to the base of the sensing element and covering the insulator made of composite material located inside at its bottom Iala, metal contact and piezoelectric element, which together ensure the achievement of a given technical result.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, которые обеспечивали бы в совокупности достижение заданного технического результата, поэтому он считает, что заявляемый преобразователь вихрей соответствует критерию «изобретательский уровень».The applicant is not aware of technical solutions with the specified distinctive features that would collectively ensure the achievement of a given technical result, therefore he believes that the inventive vortex converter meets the criterion of "inventive step".
Заявляемый преобразователь вихрей может найти широкое применение в измерительной технике, а именно в вихревых расходомерах, и потому соответствует критерию «промышленная применимость».The claimed vortex transducer can be widely used in measuring technology, namely in vortex flow meters, and therefore meets the criterion of "industrial applicability".
Изобретение иллюстрируется чертежами, где представлены на:The invention is illustrated by drawings, which are presented in:
- фиг. 1 - общий вид вихревого расходомера с преобразователем вихрей;- fig. 1 is a general view of a vortex flowmeter with a vortex converter;
- фиг. 2 - преобразователь вихрей в сборе;- fig. 2 - vortex transducer assembly;
- фиг. 3 - чувствительный элемент преобразователя вихрей;- fig. 3 - a sensitive element of the vortex transducer;
- фиг. 4 - сборка чувствительного элемента;- fig. 4 - assembly of the sensitive element;
- фиг. 5 - таблицы с результатами испытаний.- fig. 5 - tables with test results.
Вихревой расходомер (фиг. 1) содержит проточную часть 1 и тело 2 обтекания, установленное в проточной части 1 поперек диаметра. Тело 2 обтекания генерирует вихри Кармана, создающие пульсации 3 давления в проточной части 1 с частотой, пропорциональной скорости потока. Преобразователь 4 вихрей расположен за телом 2 обтекания по направлению потока 5 или в теле 2 обтекания и воспринимает пульсации 3 давления вихрей. Преобразователь 4 вихрей закреплен в проточной части 1 с помощью прижимного фланца 6. Сигнал с преобразователя 4 вихрей передается по кабелю 7.A vortex flowmeter (Fig. 1) contains a flow part 1 and a
Преобразователь 4 вихрей в сборе (фиг. 2) содержит цилиндрический корпус 8 с фланцем 9. В нижней части корпуса 8 имеется основание 10, на поверхность которого с внутренней стороны установлен чувствительный элемент 11, а на наружной стороне основания 10 имеется крыло 12, взаимодействующее с потоком. Крыло 12 выполнено в виде плоской пластины заодно с цилиндрическим корпусом 8. Чувствительный элемент 11 прижат к основанию 10 с усилием 13, заданным при сварке цилиндрического корпуса 8 и чувствительного элемента И. Монолитность конструкции преобразователя 4 вихрей обеспечивается сварным швом 14 при сварке цилиндрического корпуса 8 и чувствительного элемента 11. Кабель 7 проходит насквозь через отверстие в корпусе чувствительного элемента 11.The
Чувствительный элемент 11 (фиг. 3) состоит из корпуса 15 цилиндрической формы с отверстием 16 для кабеля 7. В верхней части корпуса 15 имеется выступ 17 для приварки к цилиндрическому корпусу 8 преобразователя. К нижней части корпуса 15 приварен с усилием прижатия 18 тонкостенный металлический формообразующий элемент (стаканчик) 19, обеспечивающий монолитность конструкции чувствительного элемента 11 сварным швом 20.The sensing element 11 (Fig. 3) consists of a
Сборка (фиг. 4) чувствительного элемента 11 выполнена внутри тонкостенного металлического стаканчика 19 и состоит из пьезоэлемента 21 в виде плоского диска с отверстием, имеющего электроды на нижней и верхней поверхностях, металлического контакта 22 и изолятора 23 внутри стаканчика 19, кабеля 7 с загибом 24 на конце и прижатым к металлическому контакту 22. Металлический контакт 22 замыкает пару электродов на одной стороне пьезоэлемента 21. Вторая пара электродов с другой стороны замыкается между собой металлическим основанием 15 корпуса чувствительного элемента 11. При этом изолятор 23 выполнен из пластичного в исходном состоянии композитного материала в виде плоского керамического диска, сформированного при застывании в сборке композитного материала с помощью стаканчика 19. Стаканчик 19 приварен с заданным усилием снизу к основанию корпуса 15 чувствительного элемента 11. Монолитность конструкции чувствительного элемента 11 обеспечивается сварным швом 20 при приварке стаканчика 19 с заданным усилием 18, изолятором 23 из композитного материала, являющегося пластичным при сборке и становящегося монолитным после затвердевания , обеспечивающим сборку чувствительного элемента 11 без зазоров.The assembly (Fig. 4) of the
В качестве композитного материала может быть использован материал типа «холодной сварки», полимерной керамики, нанокомпозита, который в нормальных условиях обладает достаточной пластичностью, позволяющей заполнить все имеющиеся зазоры при сборке чувствительного элемента 11. После сборки и затвердевания в нормальных условиях или при повышенной температуре композитный материал приобретает свойства керамики, обеспечивая требуемую изоляцию и плотное прилегание всех элементов сборки друг к другу. Этим обеспечивается беззазорный контакт пьезоэлемента 21, металлического контакта 22 и основания корпуса 15 и монолитность конструкции чувствительного элемента 11, которая обеспечивает полную передачу усилий сжатия-расширения на пьезоэлемент 21 при воздействии давления вихрей 3 на крыло 12 преобразователя вихрей, что приводит к повышению чувствительности преобразователя вихрей 4.As a composite material can be used a material such as "cold welding", polymer ceramics, nanocomposite, which under normal conditions has sufficient ductility to fill all available gaps when assembling the
При работе расходомера создаются вихри Кармана, которые воздействуют на крыло 12 преобразователя вихрей и вызывают колебания его в направлении, перпендикулярном его плоским поверхностям. Колебания крыла 12 вызывают деформацию основания 10 и воздействие циклических усилий сжатия-расширения на пьезоэлемент 21, что приводит к деформации пьезоэлемента 21 и появлению переменного напряжения, соответствующего частоте вихрей на выходе пьезоэлемента 21, которое через кабель 7 поступает на схему обработки сигналов расходомера (на чертежах не показана).During operation of the flow meter, Karman vortices are created, which act on the
Проведенные испытания подтвердили повышение чувствительности преобразователя вихрей по сравнению с прототипом. В таблицах (фиг. 5) приведены сравнительные параметры сигналов (Таблица 1) и метрологические характеристики (Таблица 2) для прототипа Пр 1 преобразователя вихрей и предлагаемого Пр 2 преобразователя вихрей при работе в вихревом расходомере условным диаметром 200 мм при испытаниях по воде для скоростей потока от 0,26 до 8 м/с.The tests carried out have confirmed the increase in the sensitivity of the vortex transducer in comparison with the prototype. The tables (Fig. 5) show the comparative parameters of the signals (Table 1) and metrological characteristics (Table 2) for the prototype Pr 1 vortex transducer and the proposed
Проведенные испытания подтвердили работоспособность преобразователя вихрей и показали увеличение выходного сигнала преобразователя вихрей на 40% по сравнению с прототипом и погрешность в пределах ±0,55% для всего диапазона рабочих скоростей вихревого расходомера.The tests carried out confirmed the efficiency of the vortex transducer and showed an increase in the output signal of the vortex transducer by 40% compared to the prototype and an error within ± 0.55% for the entire operating speed range of the vortex flow meter.
В сравнении с прототипом заявляемый преобразователь вихрей имеет более высокую чувствительность, повышенную надежность и технологичность изготовления и обеспечивает соответствие конструкции нормативным требованиям чувствительности и прочности при воздействии рабочего давления и температуры.In comparison with the prototype, the claimed vortex transducer has a higher sensitivity, increased reliability and manufacturability and ensures that the design meets the regulatory requirements for sensitivity and strength when exposed to operating pressure and temperature.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020116629A RU2737418C1 (en) | 2020-05-12 | 2020-05-12 | Piezoelectric vortex converter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020116629A RU2737418C1 (en) | 2020-05-12 | 2020-05-12 | Piezoelectric vortex converter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2737418C1 true RU2737418C1 (en) | 2020-11-30 |
Family
ID=73792301
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020116629A RU2737418C1 (en) | 2020-05-12 | 2020-05-12 | Piezoelectric vortex converter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2737418C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU218160U1 (en) * | 2023-02-21 | 2023-05-15 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | PIEZOELECTRIC VORTEX DETECTOR |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6352000B1 (en) * | 1998-08-12 | 2002-03-05 | Flowtec Ag | Vortex flow sensor |
| RU2279638C2 (en) * | 2004-08-06 | 2006-07-10 | Владимир Викторович Ветров | Vortex flow meter |
| US8683874B2 (en) * | 2009-03-12 | 2014-04-01 | Endress + Hauser Flowtec Ag | Vortex flow measuring device for monitoring and/or measuring flow of distributed particles and/or droplets |
| RU2691285C1 (en) * | 2018-08-30 | 2019-06-11 | Акционерное общество "Промышленная группа "Метран" | Vortex flowmeter vortex converter |
-
2020
- 2020-05-12 RU RU2020116629A patent/RU2737418C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6352000B1 (en) * | 1998-08-12 | 2002-03-05 | Flowtec Ag | Vortex flow sensor |
| RU2279638C2 (en) * | 2004-08-06 | 2006-07-10 | Владимир Викторович Ветров | Vortex flow meter |
| US8683874B2 (en) * | 2009-03-12 | 2014-04-01 | Endress + Hauser Flowtec Ag | Vortex flow measuring device for monitoring and/or measuring flow of distributed particles and/or droplets |
| RU2691285C1 (en) * | 2018-08-30 | 2019-06-11 | Акционерное общество "Промышленная группа "Метран" | Vortex flowmeter vortex converter |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU218160U1 (en) * | 2023-02-21 | 2023-05-15 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | PIEZOELECTRIC VORTEX DETECTOR |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2691285C1 (en) | Vortex flowmeter vortex converter | |
| JP5394506B2 (en) | Vortex flowmeter with vortex vibration sensor plate | |
| US6860158B2 (en) | Coriolis mass flow rate/density/viscoy sensor with two bent measuring tubes | |
| US10948321B2 (en) | Sensor assembly for a sensor, sensor, and measuring system formed therewith | |
| EP0110321B1 (en) | Vortex flow meter | |
| JP2779805B2 (en) | Vortex flow meter | |
| EP0152132A1 (en) | An ultrasonic flow meter | |
| US7861602B2 (en) | Explosion-proof high temperature compatible, multi-vortex flow meter | |
| RU2737418C1 (en) | Piezoelectric vortex converter | |
| JPH1054743A (en) | Transducer for vortex flow meter | |
| EP2597432A1 (en) | Construction for mounting ultrasonic transducer and ultrasonic flow meter using same | |
| US4706503A (en) | Vortex meter sensor | |
| JP4415662B2 (en) | Ultrasonic flow meter | |
| GB2084324A (en) | Vortex Shedding Fluid Flowmeter | |
| RU47097U1 (en) | VORTEX FLOW METER SENSOR (OPTIONS) | |
| RU201794U1 (en) | Flow meter | |
| JPH08501885A (en) | Fluid measurement sensor | |
| RU2279638C2 (en) | Vortex flow meter | |
| JPH11258016A (en) | Vortex flow meter | |
| KR20050045002A (en) | Ultrasonic flow meter and manufacturing method thereof | |
| EP0037795A2 (en) | Angular rate sensor with symmetrical diaphragm impulse pump assembly | |
| US4756196A (en) | Flow measuring apparatus | |
| RU45522U1 (en) | PRESSURE PULSATION SENSOR | |
| CN216385833U (en) | DN15 caliber transducer upright post fixed correlation type ultrasonic water meter | |
| EP0744596A1 (en) | Ultrasonic flow meter |