RU2765898C2

RU2765898C2 - Bending moment sensor for high-temperature vortex flowmeters

Info

Publication number: RU2765898C2
Application number: RU2020113586A
Authority: RU
Inventors: Владимир Владимирович Петров; Арсений Владимирович Петров; Сергей Александрович Лапин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "СЭНСОПРИБОР"
Priority date: 2020-04-15
Filing date: 2020-04-15
Publication date: 2022-02-04
Also published as: RU2020113586A; RU2020113586A3

Abstract

FIELD: sensors.

SUBSTANCE: invention relates to high-temperature bending moment sensors in vortex flow meters for recording the frequency of vortices behind the bluff body, proportional to the flow rate of a liquid, steam or gas. A distinctive feature of the sensor according to the invention is the fact that the piezoelectric disk directly adjoins the bottom with a fully metallic surface thereof, with a surface with separated electrodes adjoins the surface of the sintered electrodes of the transitional fastener made of high-temperature ceramics with two sintered electrodes on the side of the end facing the piezoelectric disk, and on the other end, with sintered coaxially arranged metal washer and ceramic tube provided with two channels with metal wires connected with the sintered electrodes, and on the other end connected with the signal conductors of the shielded cable, the shield conductor of the shielded cable is electrically connected with the body of the sensor, each of the sintered electrodes is connected with one of the electrodes of the piezoelectric disk, a pressure sleeve is placed between the transitional fastener and the lower sealing sleeve in the body on a threaded connection, and matching grooves are made on the inner surface of the cylindrical body and the outer surface of the transitional fastener, parallel to the axis of the sensor, wherein a fastening connector is installed. The piezoelectric disk can also constitute a piezoelectric film.

EFFECT: increase in the level of sensitivity of the sensor in a wide temperature range due to a structural change of the sensor, providing secure mechanical contact between the structural elements for transformation of periodic bending deformations from the wedge-shaped wing through the membrane to the piezoelectric element, as well as secure electrical contact of the electrodes of the piezoelectric element with the output electrical conductors.

2 cl, 6 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к высокотемпературным вихревым расходомерам жидкости, газа или пара, в частности - к датчикам изгибающего момента, используемых и предназначенных для регистрации частоты вихрей, образующихся в потоке жидкости, газа или пара за телом обтекания и пропорциональной скорости потока жидкости, пара или газа.The invention relates to high-temperature vortex flowmeters of liquid, gas or vapor, in particular to bending moment sensors used and designed to register the frequency of vortices formed in the flow of liquid, gas or vapor behind the bluff body and proportional to the velocity of the liquid, vapor or gas flow.

Известен датчик изгибающего момента для высокотемпературных вихревых расходомеров (RU 2608331, МПК G01F1/32, опуб. 17.01.2017), содержащий наружную пластину, прикрепленную к торцу цилиндрического корпуса, воспринимающую переменный изгибающий момент силы давления со стороны вихрей и вызывающую переменные деформации корпуса, и пьезоэлектрический элемент в виде полого цилиндра из пьезоэлектрической керамики, поляризованной в радиальном направлении, установленный в полости корпуса и жестко связанный с ним, причем наружная цилиндрическая поверхность пьезоэлемента покрыта сплошным электродом, а на внутренней поверхности электрод разрезан на две части вдоль образующей по плоскости, совпадающей с плоскостью наружной пластины, благодаря чему между внутренними электродами возникает переменный электрический сигнал с частотой вихреобразования, пропорциональной скорости потока, снимаемый посредством кабеля, сигнальные проводники которого соединены с внутренними электродами пьезоэлемента, во внутреннюю полость пьезоэлемента введены контактные элементы в виде двух цилиндрически изогнутых металлических пластинок, предварительно сваренных с проводниками кабеля, отделенных друг от друга пластинкой изолятора, прижимаемых к внутренним электродам пьезоэлемента силами упругости, обеспечивающими электрический контакт электродов пьезоэлемента с линией связи. A known bending moment sensor for high-temperature vortex flowmeters (RU 2608331, IPC G01F1 / 32, pub. 01/17/2017), containing an outer plate attached to the end of a cylindrical body, perceiving a variable bending moment of the pressure force from the side of the vortices and causing variable deformation of the body, and piezoelectric element in the form of a hollow cylinder of piezoelectric ceramics polarized in the radial direction, installed in the body cavity and rigidly connected to it, the outer cylindrical surface of the piezoelectric element is covered with a solid electrode, and on the inner surface the electrode is cut into two parts along the generatrix along the plane coinciding with the plane of the outer plate, due to which an alternating electrical signal arises between the inner electrodes with a frequency of vortex formation proportional to the flow velocity, taken by means of a cable, the signal conductors of which are connected to the inner electrodes of the piezoelectric element, in the inner In the inner cavity of the piezoelectric element, contact elements are introduced in the form of two cylindrically curved metal plates, preliminarily welded to the cable conductors, separated from each other by an insulator plate, pressed against the internal electrodes of the piezoelectric element by elastic forces that provide electrical contact between the piezoelectric element electrodes and the communication line.

Такое техническое решение имеет недостатки. Основным недостатком такого решения является применение контактных элементов в виде двух цилиндрически изогнутых металлических пластинок, предварительно сваренных с проводниками кабеля, отделенных друг от друга пластинкой изолятора, прижимаемых к внутренним электродам пьезоэлемента силами упругости. Контактные элементы в виде двух цилиндрически изогнутых металлических пластинок, прижимаемые к электродам пьезокерамики, при нагревании изменяют свои пластические свойства, и упругие деформации таких контактных элементов превращаются в пластические, что может привести к нарушению электрического контакта.This technical solution has disadvantages. The main disadvantage of this solution is the use of contact elements in the form of two cylindrically curved metal plates, pre-welded with cable conductors, separated from each other by an insulator plate, pressed against the internal electrodes of the piezoelectric element by elastic forces. Contact elements in the form of two cylindrically curved metal plates pressed against piezoceramic electrodes change their plastic properties when heated, and the elastic deformations of such contact elements turn into plastic ones, which can lead to electrical contact failure.

Известен также датчик вихревого расходомера (RU 47097, МПК G01F1/32, опуб. 10/08/2005 г.), содержащий установленный в измерительной трубе корпус, в котором размещены тело обтекания, расположенное по диаметру корпуса и закрепленное в нем, чувствительный элемент, вставленный в отверстие в стенке корпуса за телом обтекания и включающий сенсор и мембрану, нижняя поверхность которой соединена непосредственно с сенсором, выполненным в виде жесткой пластины, соединенного в верхней части с балансиром, и пьезоэлемент в виде плоской пластины, прилегающей к верхней поверхности мембраны, пьезоэлемент выполнен двухслойным, собранным по последовательной схеме соединения слоев, причем базовые электроды расположены на прилегающих друг к другу поверхностях пластин, а электроды, симметричные относительно оси симметрии сенсора, - на наружных поверхностях пластин, при этом электроды соединены непосредственно с устройством обработки сигнала. В другом варианте пьезоэлемент также выполнен двухслойным по параллельной схеме соединения слоев, причем базовые электроды в каждом слое расположены на наружных поверхностях пластин, а электроды, симметричные относительно оси симметрии сенсора - на прилегающих друг к другу поверхностях пластин, при этом электроды соединены непосредственно с устройством обработки сигнала.A vortex flowmeter sensor is also known (RU 47097, IPC G01F1 / 32, pub. 10/08/2005), containing a housing installed in the measuring pipe, in which a bluff body is located, located along the diameter of the housing and fixed in it, a sensitive element, inserted into a hole in the housing wall behind the shedding body and including a sensor and a membrane, the lower surface of which is connected directly to the sensor, made in the form of a rigid plate connected in the upper part to a balance bar, and a piezoelectric element in the form of a flat plate adjacent to the upper surface of the membrane, the piezoelectric element made of two-layer, assembled according to a sequential scheme of connecting layers, moreover, the base electrodes are located on the surfaces of the plates adjacent to each other, and the electrodes, symmetrical with respect to the axis of symmetry of the sensor, are on the outer surfaces of the plates, while the electrodes are connected directly to the signal processing device. In another version, the piezoelectric element is also made two-layer according to a parallel layer connection scheme, with the base electrodes in each layer located on the outer surfaces of the plates, and the electrodes symmetrical with respect to the axis of symmetry of the sensor - on the surfaces of the plates adjacent to each other, while the electrodes are connected directly to the processing device signal.

Такое техническое решение также не лишено недостатков. Основной недостаток такого решения заключается в снижении чувствительности, что связано с наличием балансира, соединенного с жесткой пластиной, реагирующей на давление со стороны вихрей потока и передающей изгибные деформации через мембрану пьезоэлементу. Система: жесткая пластина – балансир имеет собственный резонанс, частоту которого для корректной работы датчика выбирают лежащий значительно выше рабочих частот датчика, определяемых частотой колебания вихрей, пропорциональной скорости измеряемого потока жидкости, газа, или пара. При этом, работая вне области собственного резонанса, дополнительный элемент колебательной системы в виде балансира с конечной массой, создает механическую нагрузку, снижающую чувствительность датчика к воздействиям давления со стороны возбуждаемых вихрей движущегося потока.This technical solution is also not without drawbacks. The main disadvantage of this solution is the decrease in sensitivity, which is associated with the presence of a balance bar connected to a rigid plate that reacts to pressure from the flow vortices and transmits bending deformations through the membrane to the piezoelectric element. System: rigid plate - balancer has its own resonance, the frequency of which for the correct operation of the sensor is chosen to lie much higher than the operating frequencies of the sensor, determined by the frequency of oscillation of the vortices, proportional to the velocity of the measured flow of liquid, gas, or steam. At the same time, operating outside the region of its own resonance, an additional element of the oscillatory system in the form of a balancer with a finite mass creates a mechanical load that reduces the sensitivity of the sensor to pressure effects from the excited vortices of the moving flow.

Другой недостаток такого решения и также связанный с наличием балансира, заключается в снижении собственной резонансной частоты механических колебаний жесткой пластины, которая связана через мембрану с балансиром, являющимся дополнительной механической нагрузкой, ограничивающей сверху собственную частоту колебаний пластины и, тем самым ограничивающей динамический диапазон измеряемых расходов.Another drawback of this solution, which is also associated with the presence of a balancer, is to reduce the natural resonant frequency of mechanical vibrations of a rigid plate, which is connected through a membrane to a balancer, which is an additional mechanical load that limits the plate’s natural vibration frequency from above and, thereby, limits the dynamic range of measured flow rates.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является Асимметричный датчик изгибающего момента для высокотемпературных вихревых расходомеров (RU 2 688 876, МПК H01L41/08, опуб. 15.08.2016), имеющий наружную пластину, один конец которой прикреплен к торцу цилиндрического корпуса, другой конец свободен, а толщина пластины линейно уменьшается от закрепленного конца к свободному с углом между плоскостями, равным 2…4°, воспринимающую переменный изгибающий момент силы давления со стороны вихрей и вызывающую переменные деформации корпуса, и один или несколько пьезоэлектрических элементов, находящихся в полости корпуса и преобразующих изгибающий момент в переменный электрический сигнал, частота которого равна частоте появления вихрей, отличающийся тем, что, с целью расширения температурного диапазона за счет использования высокотемпературных пьезоматериалов, характеризующихся малыми значениями пьезомодуля d₃₁, но приемлемыми значениями пьезомодуля d₃₃, геометрия преобразователя изменяется так, чтобы его чувствительный элемент имел вид набора соосных пьезоэлектрических дисков, поляризованных по толщине и установленных в цилиндрической полости, ось которой смещена относительно плоскости наружной пластины, благодаря чему изгибные деформации этой пластины, передающиеся через мембрану, вызывают напряжения сжатия-растяжения вдоль оси пьезоэлектрических дисков, преобразующиеся в электрический сигнал, пропорциональный пьезомодулю d₃₃, выводимый посредством кабеля к приборам, фиксирующим его частоту.The closest to the claimed technical solution is an asymmetric bending moment sensor for high-temperature vortex flowmeters (RU 2 688 876, IPC H01L41/08, pub. 08/15/2016), having an outer plate, one end of which is attached to the end of the cylindrical body, the other end is free, and the plate thickness linearly decreases from the fixed end to the free one with an angle between the planes equal to 2…4°, which perceives the variable bending moment of the pressure force from the side of the vortices and causes variable body deformations, and one or more piezoelectric elements located in the body cavity and converting the bending moment into an alternating electrical signal, the frequency of which is equal to the frequency of occurrence of vortices, characterized in that, in order to expand the temperature range through the use of high-temperature piezomaterials, characterized by small values of the piezoelectric modulus d ₃₁ , but acceptable values of the piezoelectric modulus d ₃₃ , the geometry of the transducer is designed so that its sensitive element has the form of a set of coaxial piezoelectric disks polarized in thickness and installed in a cylindrical cavity, the axis of which is displaced relative to the plane of the outer plate, due to which the bending deformations of this plate transmitted through the membrane cause compressive-tensile stresses along the axis of the piezoelectric disks, which are converted into an electrical signal proportional to the piezoelectric module d ₃₃ , output via a cable to devices that fix its frequency.

Такое техническое решение имеет недостатки. Основной недостаток заключается в невысокой чувствительности датчика, что обусловлено нарушением симметрии конструкции. В результате такого нарушения симметрии, изгибающий момент силы давления со стороны вихрей и вызывающий переменные деформации корпуса, будет воздействовать на набор пьезоэлектрических дисков, преимущественно вызывая напряжения сжатия при отклонении наружной пластину в одну из сторон и изгибании мембраны, тогда как при отклонении наружной пластины в другую сторону напряжения растяжения на набор дисков оказываться не будет. В этом случае лишь будет ослабевать напряжение сжатия. Таким образом, эффективность работы такой конструкции оказывается, по крайней мере, вдвое ниже в сравнении с симметричным конструктивным решением.This technical solution has disadvantages. The main disadvantage is the low sensitivity of the sensor, which is due to the violation of the symmetry of the structure. As a result of this violation of symmetry, the bending moment of the pressure force from the side of the vortices and causing variable deformations of the body will act on a set of piezoelectric disks, mainly causing compressive stresses when the outer plate is deflected to one side and the membrane is bent, while when the outer plate is deflected to the other side of the tensile stress on the disc set will not be applied. In this case, the compressive stress will only weaken. Thus, the efficiency of such a design is at least twice as low as compared to a symmetrical design solution.

Другим недостатком приведенного технического решения является тот факт, приведенный в описании к изобретению, что чувствительный элемент опирается на металлическую пяту в виде цилиндра, свободно скользящего вдоль стенок полости и заканчивающегося усеченным конусом, узкий конец которого опирается на мембрану. При работе с перепадом температур в несколько сотен градусов наличие в датчике механически подвижных элементов (металлической пяты в виде цилиндра) может привести к отказу в работе датчика, что может быть обусловлено повышением трения между подвижными элементами.Another disadvantage of the given technical solution is the fact given in the description of the invention that the sensitive element rests on a metal heel in the form of a cylinder, freely sliding along the walls of the cavity and ending in a truncated cone, the narrow end of which rests on the membrane. When operating with a temperature difference of several hundred degrees, the presence of mechanically moving elements in the sensor (a metal spot in the form of a cylinder) can lead to sensor failure, which may be due to an increase in friction between the moving elements.

Еще одним недостатком такого технического решения является дополнительное снижение чувствительности за счет наличия промежуточного массивного металлического элемента (подвижной пяты), обладающего собственными упругими свойствами. Такой промежуточный элемент будет играть роль демпфера, гасящего колебания деформаций передаваемых от наружной пластины к пьезоэлементам. Another disadvantage of this technical solution is an additional decrease in sensitivity due to the presence of an intermediate massive metal element (movable heel), which has its own elastic properties. Such an intermediate element will play the role of a damper, damping vibrations of deformations transmitted from the outer plate to the piezoelectric elements.

Техническая проблема заключается в разработке датчика изгибающего момента для высокотемпературных вихревых расходомеров, способного работать при высоких температурах и давлениях измеряемой среды протекающих потоков жидкости и газа, или пара и имеющего высокую чувствительность. The technical problem is to develop a bending moment sensor for high-temperature vortex flowmeters capable of operating at high temperatures and pressures of the measured medium of flowing liquid and gas flows, or steam and having high sensitivity.

Технический результат заключается в повышении уровня чувствительности датчика в широком диапазоне температур за счет изменения конструкции датчика, обеспечивающей надежный механический контакт между элементами конструкции для трансформации периодических изгибных деформаций от клиновидного крыла через мембрану к пьезоэлектрическому элементу, а также надежный электрический контакт электродов пьезоэлемента с выводящими электрическими проводниками. The technical result consists in increasing the sensitivity level of the sensor in a wide temperature range by changing the design of the sensor, which provides reliable mechanical contact between structural elements for the transformation of periodic bending deformations from the wedge-shaped wing through the membrane to the piezoelectric element, as well as reliable electrical contact of the piezoelectric element electrodes with output electrical conductors .

Технический результат заявляемого решения достигается тем, что в датчике изгибающего момента для высокотемпературных вихревых расходомеров жидкости, газа, или пара, устанавливаемом в измерительной трубе за телом обтекания, создающим вихревые дорожки Кармана, содержащем полый цилиндрический металлический корпус, оканчивающийся с одной стороны донышком, представляющим собой мембрану, соединенным с клиновидным крылом, а с другой стороны герметичным вводом в виде металлической трубки с герметизирующими металлическими втулками, оканчивающимся экранированным кабелем, имеющим экранный и сигнальные проводники, соединенные с пьезоэлектрическим элементом, расположенным на внутренней стороне донышка, и представляющим собой, по крайней мере, один поляризованный по толщине, пьезоэлектрический диск с металлизацией на обеих плоских поверхностях, металлизация на одной из поверхностей разделена вдоль диаметра диска на два раздельных электрода, тогда как другая поверхность полностью металлизирована, согласно изобретению пьезоэлектрический диск своей полностью металлизированной поверхностью непосредственно прилегает к донышку, поверхностью с разделенными электродами прилегает к поверхности переходного фиксатора, представляющего собой цилиндрическую вставку, выполненную из высокотемпературной керамики с впеченными двумя электродами со стороны торца, прилегающего к поверхности пьезоэлектрического диска, представляющими собой разделенные вдоль диаметра сегменты металлического диска и с другого торца впеченными коаксиально расположенными металлической шайбой и керамической трубкой, имеющей два канала, в каждом из которых размещены металлические проволоки, с одного своего конца также впеченные в переходной фиксатор и закрепленные механически и соединенные электрически с впеченными электродами, с другого конца соединенные с сигнальными проводниками экранированного кабеля, экран экранированного кабеля соединен электрически с корпусом датчика, каждый сегмент впеченных электродов соединен электрически и механически с одним из электродов пьезоэлектрического диска, между переходным фиксатором и герметичным вводом в корпусе на резьбовом соединении размещена прижимная втулка, а на внутренней поверхности цилиндрического корпуса и на внешней поверхности переходного фиксатора выполнен паз, параллельный оси датчика, в котором установлена фиксирующая шпонка. The technical result of the proposed solution is achieved by the fact that in the bending moment sensor for high-temperature vortex flowmeters of liquid, gas, or steam, installed in the measuring tube behind the bluff body, creating Karman vortex paths, containing a hollow cylindrical metal case, ending on one side with a bottom, which is a membrane connected to a wedge-shaped wing, and on the other hand, a sealed input in the form of a metal tube with sealing metal bushings, ending in a shielded cable, having screen and signal conductors connected to a piezoelectric element located on the inside of the bottom, and representing at least one thickness-polarized piezoelectric disk with metallization on both flat surfaces, the metallization on one of the surfaces is divided along the diameter of the disk into two separate electrodes, while the other surface is completely metallized,according to the invention the piezoelectric disk with its fully metallized surface directly adjoins the bottom, the surface with separated electrodes adjoins the surface of the adapter, which is a cylindrical insert made of high-temperature ceramics with two electrodes baked on the side of the end adjacent to the surface of the piezoelectric disk, which are segments divided along the diameter metal disk and from the other end baked in coaxially located metal washer and a ceramic tube having two channels, each of which contains metal wires, from one end also baked into the adapter and fixed mechanically and electrically connected to the baked-in electrodes, connected from the other end with signal conductors of the shielded cable, the shield of the shielded cable is electrically connected to the sensor body, each segment of the baked-in electrodes is electrically and mechanically connected clamped with one of the electrodes of the piezoelectric disc, between the transitional latch and the sealed input in the body, a clamping sleeve is placed on the threaded connection, and a groove is made on the inner surface of the cylindrical body and on the outer surface of the transitional latch, parallel to the axis of the sensor, in which the locking key is installed.

Технический результат заявляемого решения по п.2 достигается тем, что пьезоэлектрический диск представляет собой пьезоэлектрическую пленку.The technical result of the proposed solution according to claim 2 is achieved by the fact that the piezoelectric disc is a piezoelectric film.

Изобретение поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

- на фиг.1 показана общая конструкция заявляемого изобретения; датчик установлен в измерительной трубе, виды сбоку и сверху;- figure 1 shows the general design of the claimed invention; the sensor is installed in the measuring tube, side and top views;

- на фиг.2 показана конструкция датчика, установленного в измерительную трубу; вид, при котором ось трубы нормальна поверхности рисунка;- figure 2 shows the design of the sensor installed in the measuring tube; a view in which the axis of the pipe is normal to the surface of the pattern;

- на фиг.3 показана конструкция пьезоэлектрического диска: а) вид сбоку; б) вид сверху со стороны двух раздельных электродов металлизированной поверхности; в) вид снизу со стороны сплошной металлизации поверхности;- figure 3 shows the design of the piezoelectric disc: a) side view; b) top view from the side of two separate electrodes of the metallized surface; c) bottom view from the side of continuous metallization of the surface;

- на фиг.4 представлена конструкция переходного фиксатора: а) вид сбоку; б) вид сверху со стороны впеченных керамической трубки и металлической шайбы; в) вид снизу со стороны двух впеченных электродов;- figure 4 shows the design of the transition latch: a) side view; b) top view from the side of the baked-in ceramic tube and metal washer; c) bottom view from the side of two baked-in electrodes;

- на фиг.5 показана прижимная втулка: а) вид сбоку; б) вид сверху; в) вид снизу;- figure 5 shows the clamping sleeve: a) side view; b) top view; c) bottom view;

- на фиг.6 показаны положения клиновидного крыла датчика при воздействии давления со стороны вихрей: а) воздействие вихрей справа; б) отсутствие воздействия; в) воздействие слева.- figure 6 shows the position of the wedge-shaped wing of the sensor under the influence of pressure from the side of the vortices: a) the impact of the vortices on the right; b) no impact; c) impact on the left.

На чертежах (фиг.1 – фиг.6) позициями обозначено:In the drawings (Fig.1 - Fig.6) positions indicate:

1 – измерительная труба,1 - measuring pipe,

2 – тело обтекания,2 – wrap body,

3 – цилиндрический металлический корпус,3 - cylindrical metal case,

4 – донышко,4 - bottom,

5 – клиновидное крыло,5 - wedge-shaped wing,

6 – герметичный ввод, 6 - sealed input,

7 – металлическая трубка,7 - metal tube,

8 – нижняя герметизирующая втулка ,8 - lower sealing sleeve,

9 – верхняя герметизирующая втулка,9 - upper sealing sleeve,

10 – экранированный кабель,10 - shielded cable,

11 – экранный проводник,11 - screen explorer,

12 – сигнальные проводники,12 - signal conductors,

13 – пьезоэлектрический диск,13 - piezoelectric disk,

14 – раздельные электроды металлизации пьезоэлектрического диска,14 - separate electrodes for metallization of the piezoelectric disk,

15 – полностью металлизированная поверхность пьезоэлектрического диска,15 - fully metallized surface of the piezoelectric disc,

16 – впеченные электроды,16 - baked electrodes,

17 – переходной фиксатор,17 - transitional latch,

18 – цилиндрическая вставка из высокотемпературной керамики,18 - cylindrical insert made of high-temperature ceramics,

19 – впеченная металлическая шайба,19 - baked metal washer,

20 – впеченная керамическая трубка с двумя каналами,20 - sintered ceramic tube with two channels,

21 – каналы керамической трубки,21 - channels of the ceramic tube,

22 – металлические проволоки,22 - metal wires,

23 – прижимная втулка,23 - clamping sleeve,

24 – совмещаемые пазы,24 - compatible grooves,

25 – фиксирующая шпонка.25 - locking key.

Датчик изгибающего момента для высокотемпературных вихревых расходомеров жидкости, газа, или пара, устанавливаемый в измерительной трубе 1 за телом обтекания 2, создающим вихревые дорожки Кармана, содержащий полый цилиндрический металлический корпус 3, оканчивающийся с одной стороны донышком 4, представляющим собой мембрану, соединенным с клиновидным крылом 5, а с другой стороны герметичным вводом 6 в виде металлической трубки 7 с нижней 8 и верхней 9 герметизирующими металлическими втулками и, оканчивающимся экранированным кабелем 10, имеющим экранный 11 и сигнальные 12 проводники, соединенные электрически с пьезоэлектрическим элементом, расположенным на внутренней стороне донышка 2, и представляющим собой, по крайней мере, один поляризованный по толщине, пьезоэлектрический диск 13 с металлизацией на обеих плоских поверхностях, металлизация на одной из поверхностей разделена вдоль диаметра диска на два раздельных электрода 14, тогда как другая поверхность 15 полностью металлизирована, отличающийся тем, что пьезоэлектрический диск 13 своей полностью металлизированной поверхностью 15 непосредственно прилегает к донышку 4, поверхностью с разделенными электродами 14 прилегает к поверхности впеченных электродов 16 переходного фиксатора 17, представляющего собой цилиндрическую вставку 18, выполненную из высокотемпературной керамики с двумя впеченными электродами 16 со стороны торца, обращенного к пьезоэлектрическому диску 13, представляющими собой разделенные вдоль диаметра сегменты металлического диска и с другого торца впеченными коаксиально расположенными металлической шайбой 19 и керамической трубкой 20, имеющей два канала 21, в каждом из которых размещены металлические проволоки 22, с одного своего конца закрепленные механически и соединенные электрически с впеченными электродами 16, с другого конца соединенные с сигнальными проводниками 12 экранированного кабеля 10, экранный проводник 11 экранированного кабеля 10 соединен электрически с корпусом 3 датчика, каждый сегмент впеченных электродов 16 соединен электрически и механически с одним из электродов 14 пьезоэлектрического диска 13, между переходным фиксатором 17 и герметичным вводом 6 в цилиндрическом корпусе 3 на резьбовом соединении размещена прижимная втулка 23, а на внутренней поверхности цилиндрического корпуса 3 и на внешней поверхности переходного фиксатора 17 выполнены совмещаемые пазы 24, параллельные оси датчика, в которые установлена фиксирующая шпонка 25. Bending moment sensor for high-temperature vortex flowmeters of liquid, gas, or steam, installed in the measuring tube 1 behind the bluff body 2, which creates Karman vortex paths, containing a hollow cylindrical metal body 3, ending on one side with a bottom 4, which is a membrane connected to a wedge-shaped wing 5, and on the other hand sealed input 6 in the form of a metal tube 7 with a bottom 8 and top 9 sealing metal bushings and ending in a shielded cable 10 having screen 11 and signal 12 conductors electrically connected to a piezoelectric element located on the inside of the bottom 2, and representing at least one thickness-polarized piezoelectric disk 13 with metallization on both flat surfaces, the metallization on one of the surfaces is divided along the diameter of the disk into two separate electrodes 14, while the other surface 15 is completely metallized,different in thatthat the piezoelectric disc 13 with its fully metallized surface 15 directly adjoins the bottom 4, the surface with separated electrodes 14 adjoins the surface of the baked-in electrodes 16 of the adapter 17, which is a cylindrical insert 18 made of high-temperature ceramics with two baked-in electrodes 16 from the end facing to the piezoelectric disk 13, which are segments of a metal disk divided along the diameter and from the other end imprinted with a coaxially located metal washer 19 and a ceramic tube 20 having two channels 21, each of which contains metal wires 22, mechanically fixed and connected at one end electrically with baked-in electrodes 16, from the other end connected to the signal conductors 12 of the shielded cable 10, the shield conductor 11 of the shielded cable 10 is electrically connected to the sensor housing 3, each segment of baked-in e The electrodes 16 are electrically and mechanically connected to one of the electrodes 14 of the piezoelectric disk 13, between the transitional latch 17 and the sealed input 6 in the cylindrical body 3, a clamping sleeve 23 is placed on the threaded connection, and on the inner surface of the cylindrical body 3 and on the outer surface of the transitional latch 17 are made matching slots 24, parallel to the axis of the sensor, in which the fixing key 25 is installed.

2. Датчик изгибающего момента по п.1., отличающийся тем, что пьезоэлектрический элемент (диск) представляет собой пьезоэлектрическую пленку.2. Bending moment sensor according to claim 1, characterized in that the piezoelectric element (disk) is a piezoelectric film.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Датчик устанавливается в измерительной трубе 1 за телом обтекания 2 по ходу жидкостного или газового потока так, что плоскость симметрии, делящая пополам клин клиновидного крыла 5, оказывается параллельной оси измерительной трубы 1. Периодическая последовательность вихрей (см. фиг.1), возникающих в измерительной трубе 1 за телом обтекания 2, вызывает поочередно давление на каждую из плоскостей клиновидного крыла 5 датчика изгибающего момента (см. фиг.6) с частотой, равной обратному значению периода колебаний крыла и пропорциональной скорости движения измеряемого жидкостного или газового потока. Колебания крыла 5 вызывают изгибные деформации мембраны, являющейся частью донышка 4 датчика и передаются пьезоэлектрическому диску 13 (см. фиг.3), вызывая в нем ответные деформации. Деформации пьезоэлектрического диска 13, вследствие пьезоэлектрического эффекта, индуцируют появление электрических зарядов на металлизированных поверхностях пьезоэлектрического диска 13. Полностью металлизированная поверхность 15 пьезоэлектрического диска 13 вплотную прилегает к донышку 4 металлического корпуса 3 датчика (см. фиг.2), чем обеспечивает электрический контакт (через металлический корпус 3, металлическую нижнюю герметизирующую втулку 8, металлическую трубку 7, верхнюю металлическую герметизирующую втулку 9) с экранным проводником 11 экранированного кабеля 10. Раздельные электроды 14 металлизации пьезоэлектрического диска 13 вплотную соприкасаются с впеченными электродами 16 переходного керамического фиксатора 17, в котором впеченные электроды 16 электрически соединены с концами металлических проволок 22, расположенных в каналах 21 впеченной керамической трубки 20 (см. фиг. 4). Другие концы металлических проволок 22 электрически соединены с сигнальными электродами 12 экранированного кабеля 10 (см. фиг.2), зафиксированного верхней герметизирующей металлической втулкой 9 герметичного ввода 6. Для надежного механического контакта изгибающейся мембраны донышка 4 с пьезоэлектрическим диском 13 с целью передачи деформаций от колеблющегося клиновидного крыла 5 пьезоэлектрическому диску 13, и для обеспечения надежного электрического контакта электрода полностью металлизированной поверхности 15 пьезоэлектричесого диска 13 с корпусом 3, а также раздельных электродов 14 металлизации пьезоэлектрического диска 13 с впеченными электродами 16, между переходным фиксатором 17 и нижней герметизирующей втулкой 8 на резьбовом соединении расположена прижимная втулка 23 (см. фиг.5). Пространственное положение пьезоэлетрического диска 13 выбирается так, чтобы разделенные вдоль диаметра два раздельных электрода 14 располагались симметрично относительно плоскости симметрии, делящей пополам клин клиновидного крыла 5. Пространственная фиксация заданного положения пьезоэлектрического диска 13 осуществляется с помощью продольных пазов на внутренней цилиндрической поверхности корпуса 3 датчика и на внешней поверхности цилиндрической прижимной втулки 23, выполненных параллельными оси датчика, в которые после их совмещения вставлена шпонка 25.The sensor is installed in the measuring tube 1 behind the bluff body 2 along the liquid or gas flow so that the plane of symmetry dividing the wedge of the wedge-shaped wing 5 in half is parallel to the axis of the measuring tube 1. A periodic sequence of vortices (see Fig.1) arising in the measuring pipe 1 behind the bluff body 2, causes in turn the pressure on each of the planes of the wedge-shaped wing 5 of the bending moment sensor (see Fig.6) with a frequency equal to the reciprocal of the oscillation period of the wing and proportional to the velocity of the measured liquid or gas flow. Vibrations of the wing 5 cause bending deformation of the membrane, which is part of the bottom 4 of the sensor and are transmitted to the piezoelectric disc 13 (see figure 3), causing it to reciprocal deformation. Deformations of the piezoelectric disk 13, due to the piezoelectric effect, induce the appearance of electric charges on the metallized surfaces of the piezoelectric disk 13. metal case 3, metal lower sealing sleeve 8, metal tube 7, upper metal sealing sleeve 9) with a screen conductor 11 of a shielded cable 10. Separate electrodes 14 of the metallization of the piezoelectric disk 13 are in close contact with the baked-in electrodes 16 of the transitional ceramic retainer 17, in which the baked-in electrodes 16 are electrically connected to the ends of metal wires 22 located in the channels 21 of the sintered ceramic tube 20 (see Fig. 4). The other ends of the metal wires 22 are electrically connected to the signal electrodes 12 of the shielded cable 10 (see figure 2), fixed by the upper sealing metal sleeve 9 of the sealed input 6. For reliable mechanical contact of the bending membrane of the bottom 4 with the piezoelectric disk 13 in order to transfer deformations from the wedge-shaped wing 5 to the piezoelectric disk 13, and to ensure reliable electrical contact of the electrode of the fully metallized surface 15 of the piezoelectric disk 13 with the body 3, as well as separate electrodes 14 of the metallization of the piezoelectric disk 13 with baked-in electrodes 16, between the transition latch 17 and the lower sealing sleeve 8 on the threaded connection is clamping sleeve 23 (see figure 5). The spatial position of the piezoelectric disc 13 is chosen so that two separate electrodes 14 separated along the diameter are located symmetrically with respect to the plane of symmetry dividing the wedge of the wedge-shaped wing 5 in half. the outer surface of the cylindrical clamping sleeve 23, made parallel to the axis of the sensor, into which, after their alignment, the key 25 is inserted.

Электрическое напряжение, возникающее между экранным 11 и сигнальными 12 проводниками вследствие пьезоэлектрического эффекта, определяется отношением индуцированного заряда к суммарной ёмкости пьезоэлектрического диска 13 и экранированного кабеля 10. На раздельных электродах 14 металлизации пьезоэлектрического диска 13 в каждый момент времени при отклонении клиновидного крыла 5 в одну из сторон, возникают разнополярные электрические потенциалы. Электрические напряжения между электродом сплошной металлизации поверхности 15 пьезоэлектрического диска 13 и каждым из раздельных электродов 14 оказываются в каждый момент времени противофазными. Эти напряжения снимаются на выходе датчика между экранным проводником 11 и каждым из сигнальных проводников 12. Каждое из этих напряжений подается на один из входных каналов усилителя, а затем – электронного устройства обработки данных. Эффективность преобразования каждого канала датчика изгибающего момента определяется отношением произведения амплитуды напряжения, снимаемого с пары электрода 11 и одного из электродов 12 пьезоэлектрического диска 13 на сумму электрической емкости: участка пьезоэлектрического диска 13, измеряемой между этими электродами и входной электрической емкости усилителя, к давлению, оказываемому в данный момент времени на одну из сторон клиновидного крыла 5. Электрическое напряжение, снимаемое с выхода датчика, подается на вход двухканальной дифференциальной электронной схемы обработки, где измеряется частота вибраций клиновидного крыла 5, пропорциональная скорости движущегося потока. По полученным данным рассчитывается расход протекающих по трубе 1 жидкости, газа, или пара.The electrical voltage that occurs between the screen 11 and signal 12 conductors due to the piezoelectric effect is determined by the ratio of the induced charge to the total capacitance of the piezoelectric disk 13 and shielded cable 10. sides, there are bipolar electric potentials. The electrical voltages between the electrode of continuous metallization of the surface 15 of the piezoelectric disk 13 and each of the separate electrodes 14 are antiphase at each moment of time. These voltages are taken at the output of the sensor between the screen conductor 11 and each of the signal conductors 12. Each of these voltages is applied to one of the input channels of the amplifier, and then to the electronic data processing device. The conversion efficiency of each channel of the bending moment sensor is determined by the ratio of the product of the voltage amplitude taken from a pair of electrode 11 and one of the electrodes 12 of the piezoelectric disk 13 to the sum of the electric capacitance: the section of the piezoelectric disk 13, measured between these electrodes and the input electric capacitance of the amplifier, to the pressure exerted at a given time on one of the sides of the wedge-shaped wing 5. The electrical voltage taken from the output of the sensor is fed to the input of a two-channel differential electronic processing circuit, where the vibration frequency of the wedge-shaped wing 5 is measured, which is proportional to the speed of the moving stream. According to the data obtained, the flow rate of the liquid, gas, or steam flowing through the pipe 1 is calculated.

Датчик изгибающего момента по п.2. в качестве пьезоэлектрического элемента содержит пьезоэлектрическую пленку, повторяющую изгибные колебания мембраны, индуцирующие электрические заряды на электродах пленки вследствие пьезоэлектрического эффекта.Bending moment sensor according to claim 2. as a piezoelectric element contains a piezoelectric film that repeats the bending vibrations of the membrane, inducing electric charges on the electrodes of the film due to the piezoelectric effect.

Пример конкретного исполнения датчика изгибающего момента.An example of a specific design of the bending moment sensor.

Корпус датчика, изготовленный из титана, имеет клиновидное крыло длиной 16 мм. Полый цилиндрический канал корпуса датчика имеет диаметр 12 мм и глубину 14мм. Внутренний диаметр донышка равен 12 мм, а его толщина 1мм. У основания клиновидного крыла в области его соединения с донышком корпуса выполнена цилиндрическая шейка, диаметром 4 мм, обеспечивающая освобождение излишней механической нагрузки кольцевой области донышка, образующей колеблющуюся мембрану. Пьезоэлектрический элемент в виде диска из высокотемпературной пьезокерамики с двухсторонней металлизацией может иметь различную толщину, определяемую свойствами пьезокерамики и внешними условиями работы датчика, накладывающими требования на параметры и геометрию корпуса датчика, в частности, толщин стенок и донышка, влияющей, в том числе, на чувствительность датчика. В данном примере толщина пьезоэлектрического диска выбрана равной 0.5 мм. Одна из поверхностей диска полностью металлизирована, тогда, как металлизация другой поверхности представляет собой два симметричных сегмента, разделенных электрически по диаметру диска. Пространственное положение пьезоэлетрического диска выбирается так, чтобы разделенные вдоль диаметра два раздельных электрода располагались симметрично относительно плоскости симметрии, делящей пополам клин клиновидного крыла. Пространственная фиксация заданного положения пьезоэлектрического диска осуществляется с помощью продольных пазов на внутренней цилиндрической поверхности корпуса датчика и на внешней поверхности цилиндрической прижимной втулки, выполненных параллельными оси датчика, в которые после их совмещения вставлена шпонка. Такая конструкция позволяет точно совместить каждый из впеченных электродов переходного фиксатора с соответствующим раздельным электродом пьезоэлектрического диска. Прижимная втулка (23) обеспечивает надежный электрический контакт прилегающих друг к другу электродов и надежный механический контакт прилегающих друг к другу мембраны и пьезоэлектрического диска. В высокотемпературной части датчика отсутствуют паяные электрические соединения, что повышает его надежность при работе в области высоких температур. Переходной фиксатор, изготовленный из высокотемпературной керамики, несет на себе три функции: механический прижим пьезоэлектрического диска с мембране; электрическое соединение электрода полностью металлизированной поверхности пьезоэлектрического диска с металлическим донышком корпуса датчики, а также раздельных электродов пьезоэлектрического диска с впеченными электродами переходного фиксатора и фиксацию пространственного положения раздельных электродов пьезоэлектрического диска относительно клиновидного крыла. Переходной фиксатор представляет собой предварительно отдельно собранный узел, состоящий из нескольких основных элементов, запеченных в высокотемпературную керамику: впеченных электродов в виде сегментов металлических дисков, в которые зачеканены металлические проволоки, вставленные в каналы трубки из высокотемпературной керамики. Керамическая трубка продета в отверстие металлической шайбы (19), служащей для уменьшения трения при закручивании прижимной втулки (23). Керамическая трубка выходит в отверстие герметичного ввода. Герметичный ввод представляющего собой узел, состоящий из металлической трубки с приваренными на своих концах герметизирующими металлическими втулками. При этом нижняя герметизирующая металлическая втулка сварена с корпусом датчика. Керамическая трубка, проходящая через отверстие в герметичном вводе, оканчивается в верхней герметизирующей металлической втулке. Металлические проволоки, выходящие из керамической трубки во внутреннем отверстии верхней герметизирующей металлической втулки соединены (например, спаяны, или сварены точечной сваркой) с сигнальными проводниками экранированного кабеля. В месте такой спайки, или сварки, за счет существующего градиента, температура окажется существенно ниже рабочей температуры в области клиновидного крыла датчика. Изоляция проводников в экранированном кабеле может быть выполнена, например, из стекловолоконной оплетки. Экранный проводник экранированного кабеля имеет электрический контакт с верхней герметизирующей металлической втулкой посредством, например пайки, или механического прижимного соединения. The sensor housing, made of titanium, has a wedge-shaped wing 16 mm long. The hollow cylindrical channel of the sensor body has a diameter of 12 mm and a depth of 14 mm. The inner diameter of the bottom is 12 mm, and its thickness is 1 mm. At the base of the wedge-shaped wing in the area of its connection with the bottom of the body, a cylindrical neck is made, with a diameter of 4 mm, which ensures the release of excessive mechanical load on the annular area of the bottom, forming an oscillating membrane. A piezoelectric element in the form of a disk of high-temperature piezoceramic with double-sided metallization can have a different thickness, determined by the properties of the piezoceramic and the external conditions of the sensor, which impose requirements on the parameters and geometry of the sensor housing, in particular, the thickness of the walls and bottom, which affects, among other things, the sensitivity sensor. In this example, the thickness of the piezoelectric disc is chosen to be 0.5 mm. One of the disk surfaces is completely metallized, while the metallization of the other surface consists of two symmetrical segments electrically separated along the disk diameter. The spatial position of the piezoelectric disk is chosen so that two separate electrodes separated along the diameter are located symmetrically with respect to the symmetry plane dividing the wedge-shaped wing wedge in half. Spatial fixation of the given position of the piezoelectric disk is carried out using longitudinal grooves on the inner cylindrical surface of the sensor body and on the outer surface of the cylindrical clamping sleeve, made parallel to the sensor axis, into which, after their alignment, a key is inserted. This design allows each of the baked-in electrodes of the adapter to be precisely aligned with the corresponding separate electrode of the piezoelectric disk. The clamping sleeve (23) ensures reliable electrical contact between the electrodes adjacent to each other and reliable mechanical contact between the membrane and the piezoelectric disk adjacent to each other. There are no soldered electrical connections in the high-temperature part of the sensor, which increases its reliability when operating in the high-temperature region. Transition latch made of high-temperature ceramics has three functions: mechanical clamping of the piezoelectric disk with the membrane; electrical connection of the electrode of the fully metallized surface of the piezoelectric disk with the metal bottom of the sensor housing, as well as separate electrodes of the piezoelectric disk with baked-in electrodes of the adapter and fixing the spatial position of the separate electrodes of the piezoelectric disk relative to the wedge-shaped wing. The adapter clamp is a separately pre-assembled assembly consisting of several basic elements baked into high-temperature ceramics: baked-in electrodes in the form of segments of metal disks, into which metal wires are embossed, inserted into the channels of a tube made of high-temperature ceramics. The ceramic tube is threaded into the hole of the metal washer (19), which serves to reduce friction when tightening the clamping sleeve (23). The ceramic tube exits into the sealed inlet. Sealed inlet, which is a unit consisting of a metal tube with sealing metal bushings welded at its ends. In this case, the lower sealing metal sleeve is welded to the sensor housing. The ceramic tube passing through the hole in the sealed inlet ends in the upper sealing metal sleeve. The metal wires emerging from the ceramic tube in the inner hole of the upper sealing metal sleeve are connected (for example, soldered or spot welded) to the signal conductors of the shielded cable. In the place of such a soldering, or welding, due to the existing gradient, the temperature will be significantly lower than the operating temperature in the region of the wedge-shaped wing of the sensor. The insulation of the conductors in a shielded cable can be made, for example, of glass fiber braid. The shield conductor of the shielded cable is in electrical contact with the upper sealing metal sleeve by means of, for example, soldering or a mechanical pressure connection.

Техническое решение по п.2 изобретения может быть реализовано с помощью напыления толстой пьезоэлектрической пленки (например из окиси цинка, или нитрида алюминия) непосредственно на внутреннюю поверхность донышка датчика. После чего через маску на поверхность пленки напыляются металлические электроды, к которым затем прижимаются впеченные электроды переходного фиксатора. Решение по п. 2 может также содержать пьезоэлектрическую пленку, или иную пьезоэлектрическую структуру, изготовленную обособленно другими методами. Например, это могут быть полимерные высокотемпературные пленки. The technical solution according to claim 2 of the invention can be implemented by spraying a thick piezoelectric film (for example, zinc oxide or aluminum nitride) directly onto the inner surface of the sensor bottom. After that, metal electrodes are sprayed onto the surface of the film through the mask, to which the baked-in electrodes of the adapter are then pressed. The solution according to claim 2 may also contain a piezoelectric film, or other piezoelectric structure made separately by other methods. For example, these can be polymeric high-temperature films.

В литературе отсутствуют данные об экспериментальных реализациях датчика – прототипа, поэтому не представляется возможным провести сравнение характеристик заявляемого устройства и прототипа. Однако значение чувствительности экспериментального макетного образца заявляемого технического решения лежит существенно выше аналогичных значений других высокотемпературных датчиков, изготовленных на базе пьезокерамики такого же типа.There is no data in the literature on experimental implementations of the prototype sensor, so it is not possible to compare the characteristics of the proposed device and the prototype. However, the sensitivity value of the experimental prototype of the proposed technical solution lies significantly higher than similar values of other high-temperature sensors made on the basis of the same type of piezoceramics.

В таблице 1 приведено сопоставление экспериментальных характеристик заявляемого устройства и опубликованных данных по коэффициентам преобразования (характеризующим чувствительность) высокотемпературного датчика 108 МТ (ООО «Пьезоэлектрик», г. Ростов-на Дону).Table 1 compares the experimental characteristics of the proposed device and published data on the conversion coefficients (characterizing the sensitivity) of the high-temperature sensor 108 MT (Piezoelectric LLC, Rostov-on-Don).

Таблица 1. Table 1.

Характе -
Ристика
ДатчикCharacter -
Ristic
Sensor Длина клиновидного крыла, мм Wedge-shaped wing length, mm Тип керамики Ceramic type Рабочая температура, ° СWorking temperature, ° С Чувствитель-ность, нК/НмSensitivity, nK/Nm Заявляемое устройствоThe claimed device 16 sixteen ЦТС 21 CFTS 21 350 350 100 one hundred 108МТ (ООО «Пьезоэлектрик» Ростов-на Дону)108MT (LLC "Piezoelectric" Rostov-on-Don)
16
sixteen
ЦТС 21
CFTS 21
350
350
30
thirty

Из таблицы 1 видно, что при прочих идентичных параметрах (рабочая температура, длина клиновидного крыла, тип применяемой пьезокерамики), характеристики заявляемого устройства выгодно отличаются от датчика сравнения. Чувствительность заявляемого устройства в 3 раза выше относительно датчика сравнения.Table 1 shows that, with other identical parameters (operating temperature, wedge-shaped wing length, type of piezoceramics used), the characteristics of the proposed device compare favorably with the comparison sensor. The sensitivity of the proposed device is 3 times higher relative to the comparison sensor.

Кроме того, анализируя конструктивные особенности датчика - прототипа можно утверждать, что заявляемое устройство свободно от технических особенностей прототипа, ограничивающих его чувствительность, а именно: 1) заявляемое устройство имеет симметричный узел воздействия на пьезоэлектрический элемент, в отличие от прототипа, где симметрия нарушена и изгибающий момент силы давления со стороны вихрей, вызывающий переменные деформации корпуса, будет воздействовать на пьезоэлемент, преимущественно вызывая лишь напряжения сжатия при отклонении наружной пластину в одну из сторон и изгибании мембраны, тогда как при отклонении наружной пластины в другую сторону напряжения растяжения на пьезоэлемент оказываться не будет. Симметричное решение выгодно отличает заявляемое устройство от прототипа, что позволяет реализовать более высокую чувствительность; 2) В прототипе чувствительный элемент опирается на металлическую пяту в виде цилиндра, свободно скользящего вдоль стенок полости и заканчивающегося усеченным конусом, узкий конец которого опирается на мембрану. При работе с перепадом температур в несколько сотен градусов наличие в датчике механически подвижных элементов (металлической пяты в виде цилиндра) может привести к отказу в работе датчика, что может быть обусловлено повышением трения между подвижными элементами. Заявляемое решение свободно от вероятности такого отказа; 3) Наличие в прототипе промежуточного массивного металлического элемента (подвижной пяты), обладающего собственными упругими свойствами приводит к демпфированию деформаций, передаваемых от наружной пластины к пьезоэлементам, что дополнительно снижает чувствительность датчика. Заявляемое решение свободно от такого недостатка, что предполагает получение более высокой чувствительности.In addition, analyzing the design features of the prototype sensor, it can be argued that the claimed device is free from the technical features of the prototype that limit its sensitivity, namely: the moment of pressure force from the side of the vortices, causing variable deformations of the body, will act on the piezoelectric element, mainly causing only compressive stresses when the outer plate deviates to one of the sides and the membrane bends, while when the outer plate deviates to the other side, there will be no tensile stress on the piezoelectric element . The symmetrical solution favorably distinguishes the claimed device from the prototype, which makes it possible to realize a higher sensitivity; 2) In the prototype, the sensitive element rests on a metal heel in the form of a cylinder, freely sliding along the walls of the cavity and ending in a truncated cone, the narrow end of which rests on the membrane. When operating with a temperature difference of several hundred degrees, the presence of mechanically moving elements in the sensor (a metal spot in the form of a cylinder) can lead to sensor failure, which may be due to an increase in friction between the moving elements. The claimed solution is free from the possibility of such a failure; 3) The presence in the prototype of an intermediate massive metal element (movable heel), which has its own elastic properties, leads to the damping of deformations transmitted from the outer plate to the piezoelectric elements, which further reduces the sensitivity of the sensor. The proposed solution is free from such a disadvantage, which implies a higher sensitivity.

Claims

1. A bending moment sensor for high-temperature vortex flowmeters of liquid, gas or steam, installed in a measuring tube behind a bluff body that creates Karman vortex paths, containing a hollow cylindrical metal body ending on one side with a bottom, which is a membrane connected to a wedge-shaped wing, and on the other hand, a sealed inlet in the form of a metal tube with lower and upper sealing metal bushings, ending in a shielded cable having a shield and signal conductors electrically connected to a piezoelectric element located on the inside of the bottom, and representing at least one piezoelectric disk polarized in thickness with metallization on both flat surfaces, the metallization on one of the surfaces is divided along the diameter of the disk into two separate electrodes, while the other surface is completely metallized,different in thatthat the piezoelectric disk with its fully metallized surface directly adjoins the bottom, the surface with separated electrodes adjoins the surface of the baked-in electrodes of the adapter, which is a cylindrical insert made of high-temperature ceramics with two baked-in electrodes on the side of the end facing the piezoelectric disk, which are divided along diameter segments of a metal disk and from the other end baked coaxially located metal washer and a ceramic tube having two channels, each of which contains metal wires, mechanically fixed at one end and connected electrically to baked-in electrodes, at the other end connected to signal conductors of a shielded cable, the shield conductor of the shielded cable is electrically connected to the sensor housing, each segment of the baked-in electrodes is electrically and mechanically connected to one and From the electrodes of the piezoelectric disk, between the transition latch and the lower sealing sleeve in the body, a clamping sleeve is placed on the threaded connection, and on the inner surface of the cylindrical body and on the outer surface of the transition latch, matching grooves are made parallel to the sensor axis, in which the locking key is installed.

2. Bending moment sensor according to claim 1, characterized in that the piezoelectric disc is a piezoelectric film.