RU2766105C2 - High-temperature bending moment sensor for vortex flowmeters - Google Patents
High-temperature bending moment sensor for vortex flowmeters Download PDFInfo
- Publication number
- RU2766105C2 RU2766105C2 RU2020113555A RU2020113555A RU2766105C2 RU 2766105 C2 RU2766105 C2 RU 2766105C2 RU 2020113555 A RU2020113555 A RU 2020113555A RU 2020113555 A RU2020113555 A RU 2020113555A RU 2766105 C2 RU2766105 C2 RU 2766105C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piezoelectric
- wedge
- piezoelectric plates
- sensor
- bending moment
- 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 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.The invention relates to vortex flowmeters for liquid, gas or vapor, in particular to bending moment sensors used and designed to record the frequency of vortices generated in a liquid, gas or vapor flow behind a shedder body.
Известен 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.Known Asymmetric bending moment sensor for high-temperature vortex flowmeters (
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 disk 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.
Известен также датчик изгибающего момента для вихревых расходомеров (Piezo Sensor for Vortex Flowmeter, «Tms Electronic Co. Ltd», Anhui, China.), содержащий полый цилиндрический металлический корпус, оканчивающийся с одной стороны клиновидным крылом, а с другой стороны герметичным вводом с коаксиальным кабелем, имеющим экранный и центральный проводники, соединенные с пьезоэлектрическим узлом, расположенным внутри корпуса.Also known is a bending moment sensor for vortex flowmeters (Piezo Sensor for Vortex Flowmeter, "Tms Electronic Co. Ltd", Anhui, China.), containing a hollow cylindrical metal case ending on one side with a wedge-shaped wing, and on the other side with a sealed input with a coaxial a cable having a shield and a center conductor connected to a piezoelectric assembly located inside the housing.
Такое техническое решение также не лишено недостатков. Основной недостаток заключается в невысокой чувствительности датчика, приведенной в описании технических характеристик (https://tmselec.en.ec21.com/Piezo_Sensor_for_Vortex_Flowmeter--4083813_4083855.html). Другой недостаток - это низкая собственная резонансная частота механических колебаний корпуса датчика, обусловленная его геометрией (длинной консольной части корпуса, выходящей в измеряемый поток).This technical solution is also not without drawbacks. The main disadvantage is the low sensitivity of the sensor, given in the description of technical characteristics (https://tmselec.en.ec21.com/Piezo_Sensor_for_Vortex_Flowmeter--4083813_4083855.html). Another drawback is the low natural resonant frequency of the mechanical vibrations of the sensor housing, due to its geometry (the long cantilever part of the housing that goes into the measured flow).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является датчик вихревого расходомера 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.The closest to the claimed technical solution is a vortex flowmeter sensor 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 sides of the vortices and causing variable deformations of the body, and a piezoelectric element in the form of a hollow cylinder of piezoelectric ceramics polarized in the radial direction, installed in the cavity of the body and rigidly connected to it, the outer cylindrical surface of the piezoelectric element being 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, signal the conductors of which are connected to the internal electrodes of the piezoelectric element, contact elements are introduced into the internal cavity of the piezoelectric element 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 electrodes of the piezoelectric element and communication line.
Данное техническое решение также имеет недостатки. Одним из недостатков является не достаточно высокая чувствительность датчика, что, очевидно, связано с использованием полого цилиндра из пьезоэлектрической керамики, имеющего более устойчивую геометрию в отношении осевого изгиба в сравнении, например, с прямоугольными элементами.This technical solution also has disadvantages. One of the disadvantages is the insufficiently high sensitivity of the sensor, which is obviously associated with the use of a hollow cylinder made of piezoelectric ceramics, which has a more stable geometry with respect to axial bending compared to, for example, rectangular elements.
Другим недостатком является то, что изгибающий момент силы давления со стороны вихрей Кармана, образовывающихся за телом обтекания в потоке среды, воспринимаемый наружной пластиной, прикрепленной к корпусу, приходится на срединную область цилиндрического корпуса, во внутренней полости которого расположен пьезоэлектрический элемент в виде полого цилиндра из пьезоэлектрической керамики. При этом собственная резонансная частота механических колебаний определяется и ограничивается сверху суммарной длиной наружной пластины и части корпуса от плоскости его фиксации до свободного конца наружной пластины. Это, в свою очередь, является причиной ограничения верхнего предела динамического диапазона измеряемых расходов (https://www.piezoelectric.ru/Products/FlowSensors/SensorsBendingMoment.php).Another disadvantage is that the bending moment of the pressure force from the Karman vortices formed behind the shedding body in the medium flow, perceived by the outer plate attached to the body, falls on the middle region of the cylindrical body, in the inner cavity of which there is a piezoelectric element in the form of a hollow cylinder made of piezoelectric ceramics. In this case, the natural resonant frequency of mechanical vibrations is determined and limited from above by the total length of the outer plate and part of the housing from the plane of its fixation to the free end of the outer plate. This, in turn, is the reason for limiting the upper limit of the dynamic range of measured costs (https://www.piezoelectric.ru/Products/FlowSensors/SensorsBendingMoment.php).
Техническая проблема заключается в разработке датчика изгибающего момента для вихревых расходомеров, способного работать при высоких температурах и давлениях измеряемой среды протекающих потоков жидкости и газа и имеющего высокую чувствительность и повышенную собственную резонансную частоту механических колебаний корпуса, что расширит динамический диапазон измеряемых расходов. Диапазон измеряемых частот колебаний клиновидного крыла датчика, обусловленных воздействием вихрей движущейся среды, лежит на участке частот от единиц, или десятков герц до 2-3 килогерц. Амплитуды этих колебаний существенно меньше амплитуды колебаний корпуса на собственных резонансных частотах. Поэтому перекрытие диапазона измеряемых частот и частоты собственного резонанса приводят сбою в работе расходомера и, соответственно, к ограничению динамического диапазона измеряемых расходов. По этой причине желательно, чтобы собственная резонансная частота колебаний корпуса датчика была бы значительно выше максимальных измеряемых частот.The technical problem is to develop a bending moment sensor for vortex flowmeters capable of operating at high temperatures and pressures of the measured medium of flowing liquid and gas flows and having high sensitivity and an increased natural resonant frequency of mechanical vibrations of the body, which will expand the dynamic range of measured flow rates. The range of measured frequencies of oscillations of the wedge-shaped wing of the sensor, due to the influence of the vortices of the moving medium, lies in the frequency range from units, or tens of hertz, to 2-3 kilohertz. The amplitudes of these oscillations are significantly less than the amplitude of the body oscillations at their own resonant frequencies. Therefore, the overlap of the range of measured frequencies and the natural resonance frequency lead to a malfunction of the flow meter and, accordingly, to limit the dynamic range of the measured flow rates. For this reason, it is desirable that the natural resonant frequency of the sensor housing would be significantly higher than the maximum measurable frequencies.
Технический результат заключается в повышении уровня чувствительности и собственной резонансной частоты механических колебаний корпуса датчика за счет изменения конструкции корпуса в отношении сокращения длины его колеблющейся части и узла фиксации пьезоэлектрических пластин для более эффективной трансформации изгибных деформаций мембраны в изгибные деформации пьезоэлектрических пластин.The technical result consists in increasing the level of sensitivity and natural resonant frequency of mechanical vibrations of the sensor housing by changing the design of the housing in relation to reducing the length of its oscillating part and the piezoelectric plate fixation unit for more efficient transformation of the membrane bending deformations into bending deformations of the piezoelectric plates.
Технический результат заявляемого решения достигается тем, что в датчике изгибающего момента для вихревых расходомеров жидкости или газа, содержащем полый цилиндрический металлический корпус, оканчивающийся с одной стороны донышком, соединенным с клиновидным крылом, а с другой стороны герметичным вводом с двумя коаксиальными кабелями, имеющими экранные и центральные проводники, соединенные с пьезоэлектрическим узлом, расположенным внутри корпуса, и представляющим собой пару прямоугольных пьезоэлектрических пластин с параллельно расположенными плоскостями, поляризованных по толщине, имеющих металлизированные по плоскостям поверхности и закрепленных с корпусом по двум своим узким сторонам, согласно изобретению донышко представляет собой мембрану, диаметр которой равен внутреннему диаметру донышка и превосходит ее толщину, по крайней мере, в 10 раз, соединенное с внешней поверхностью донышка клиновидное крыло у своего утолщенного основания в месте соединения с донышком имеет цилиндрическую шейку, диаметр которой не превышает 1/3 внутреннего диаметра донышка, с внутренней стороны донышко в своем центре соединено с фиксатором пьезоэлектрического узла, имеющим поперечный размер, не превышающий 1/3 внутреннего диаметра донышка и высоту, не превышающую 1/5 длинной стороны пьезоэлектрических пластин.The technical result of the proposed solution is achieved by the fact that in the bending moment sensor for vortex flowmeters of liquid or gas, containing a hollow cylindrical metal case, ending on the one hand with a bottom connected to the wedge-shaped wing, and on the other hand, with a sealed input with two coaxial cables having screen and center conductors connected to a piezoelectric assembly located inside the housing, and representing a pair of rectangular piezoelectric plates with parallel planes, polarized in thickness, having surfaces metallized along the planes and fixed to the body along its two narrow sides, according to the invention, the bottom is a membrane, the diameter of which is equal to the inner diameter of the bottom and exceeds its thickness, at least 10 times, the wedge-shaped wing connected to the outer surface of the bottom at its thickened base at the junction with the bottom has a cylindrical neck, the diameter of which does not exceed 1/3 of the inner diameter of the bottom, on the inside the bottom in its center is connected to a piezoelectric assembly retainer having a transverse dimension not exceeding 1/3 of the inner diameter of the bottom and a height not exceeding 1/5 of the long side of the piezoelectric plates.
Технический результат заявляемого решения по п.2 достигается тем, что фиксатор пьезоэлектрических пластин представляет собой соосный с корпусом цилиндрический выступ, имеющий две лыски, параллельные плоскости симметрии, делящей пополам клин клиновидного крыла;The technical result of the proposed solution according to
Технический результат заявляемого решения по п.3 достигается тем, что фиксатор пьезоэлектрических пластин представляет собой полый тонкостенный цилиндр, расположенный соосно с корпусом датчика.The technical result of the proposed solution according to
Пьезоэлектрические пластины могут быть скреплены с корпусом по двум своим узким сторонам с помощью высокотемпературного клеящего вещества.The piezoelectric plates can be bonded to the body along their two narrow sides with a high temperature adhesive.
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; view in which the axis of the pipe is normal to the surface of the pattern;
- на фиг.3 показаны варианты конструкции фиксатора пьезоэлектрических пластин;- figure 3 shows the design options for the retainer of the piezoelectric plates;
- на фиг.4 представлено изображение датчика в трех положениях, при которых под воздействием давления вихрей клиновидное крыло изгибается влево и вправо, либо остается в нейтральном положении.- figure 4 shows an image of the sensor in three positions, in which, under the influence of the pressure of the vortices, the wedge-shaped wing bends to the left and right, or remains in a neutral position.
На чертежах (фиг.1 - фиг.4) позициями обозначено:In the drawings (figure 1 - figure 4) positions indicate:
1 - металлический корпус,1 - metal case,
2 - донышко,2 - bottom,
3 - клиновидное крыло,3 - wedge-shaped wing,
4 - измерительная труба,4 - measuring pipe,
5 - герметичный ввод,5 - sealed input,
6 - коаксиальный кабель, 6 - coaxial cable,
7 - экранный проводник,7 - screen explorer,
8 - центральный проводник,8 - central conductor,
9 - пьезоэлектрический узел,9 - piezoelectric assembly,
10 - пьезоэлектрические пластины,10 - piezoelectric plates,
11 - высокотемпературное клеящее вещество,11 - high temperature adhesive,
12 - цилиндрическая шейка,12 - cylindrical neck,
13 - фиксатор пьезоэлектрического узла,13 - piezoelectric assembly retainer,
14 - тело обтекания,14 - wrap body,
15 - цилиндрический выступ с внутренней стороны донышка;15 - cylindrical protrusion from the inside of the bottom;
16 - лыски на цилиндрическом выступе;16 - flats on a cylindrical ledge;
17 - полый тонкостенный цилиндр.17 - hollow thin-walled cylinder.
Датчик изгибающего момента для вихревых расходомеров жидкости или газа, содержащий полый цилиндрический металлический корпус 1, оканчивающийся с одной стороны донышком 2, соединенным с клиновидным крылом 3, выходящим в измерительную трубу 4, а с другой стороны герметичным вводом 5 с двумя коаксиальными кабелями 6, имеющими экранные 7 и центральные 8 проводники, соединенные с пьезоэлектрическим узлом 9, расположенным внутри корпуса 1, и представляющим собой пару прямоугольных пьезоэлектрических пластин 10 с параллельно расположенными плоскостями, поляризованных по толщине, имеющих металлизированные по плоскостям поверхности и закрепленных с корпусом по двум своим узким сторонам высокотемпературным клеящим веществом 11, донышко 2 представляет собой мембрану, диаметр которой равен внутреннему диаметру донышка 2 и превосходит ее толщину, по крайней мере, в десять раз, соединенное с внешней поверхностью донышка 2 клиновидное крыло 3 у своего утолщенного основания в месте соединения с донышком 2 имеет цилиндрическую шейку 12, диаметр которой не превышает одной третьей внутреннего диаметра донышка 2, с внутренней стороны донышко 2 в своем центре соединено с фиксатором 13 пьезоэлектрического узла 9, имеющим поперечный размер, не превышающий одной третьей внутреннего диаметра донышка 2 и высоту, не превышающую одной пятой длинной стороны пьезоэлектрических пластин 10. В измерительной трубе 4 перед клиновидным крылом 3 датчика в движущемся потоке измеряемых жидкости или газа, расположено тело обтекания 14, являющееся источником вихревых образований (вихрей Кармана), создающих попеременное (с каждой плоскости крыла 3) давление на крыло 3 датчика с частотой, пропорциональной скорости движения потока жидкости или газа.A bending moment sensor for vortex flowmeters of liquid or gas, containing a hollow
В решении по п.2. фиксатор 13 пьезоэлектрических пластин 8 представляет собой соосный с корпусом цилиндрический выступ 15, имеющий две лыски 16, параллельные плоскости симметрии, делящей пополам клин клиновидного крыла 3.In the decision under
В решении по п.3 формулы фиксатор 13 пьезоэлектрических пластин 8 представляет собой полый тонкостенный цилиндр 17, расположенный соосно с корпусом 1 датчика.In the solution according to
Устройство работает следующим образом.The device works as follows.
Датчик устанавливается в измерительной трубе 4 за телом обтекания 14 по ходу жидкостного или газового потока так, что плоскость симметрии, делящая пополам клин клиновидного крыла 3, оказывается параллельной оси измерительной трубы 4. Периодическая последовательность вихрей (см. фиг.1), возникающих в измерительной трубе 4 за телом обтекания 14, вызывает поочередно давление на каждую из плоскостей клиновидного крыла 3 датчика изгибающего момента (см. фиг.4) с частотой, равной обратному значению периода колебаний крыла и пропорциональной скорости движения измеряемого жидкостного или газового потока. Колебания крыла 3 вызывают изгибные деформации мембраны, являющейся частью донышка 2 датчика и посредством фиксатора пьезоэлектрического узла 13 (см. фиг.2 - 4) передаются пьезоэлектрическим пластинам 10, вызывая их изгибные деформации. Изгибные деформации пьезопластин 10, вследствие пьезоэффекта, индуцируют появление электрических зарядов на металлизированных поверхностях пьезопластин 10, металлизированные поверхности каждой из которых электрически соединены с экранным 7 и сигнальным 8 проводниками коаксиальных кабелей 6.The sensor is installed in the
Электрическое напряжение, снимаемое с выхода датчика, определяется отношением индуцированного заряда к суммарной емкости пьезоэлектрического чувствительного узла 9 и выводного кабеля 6.The electrical voltage taken from the output of the sensor is determined by the ratio of the induced charge to the total capacitance of the piezoelectric
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 25 мм. Полый цилиндрический канал корпуса датчика имеет диаметр 5 мм и глубину 14мм, равную длине пьезокерамических пластин. Ширина пьезокерамических пластин равна 4мм. Диаметр цилиндрической шейки клиновидного крыла выбран равным диаметру полого тонкостенного цилиндра (фиксатора пьезоэлектрического узла) и равным 4 мм. Внутренний диаметр донышка равен 12 мм, а его толщина 1мм. Высота фиксатора пьезоэлектрического узла выбрана равной 2.5 мм. На фиг. 3. приведены варианты (соответствующие п.п. 2 и 3 формулы) исполнения фиксатора пьезоэлектрических пластин. Левая часть рисунка показывает вариант фиксатора пьезоэлектрических пластин в виде соосного с корпусом цилиндрического выступа, имеющего две лыски, параллельные плоскости симметрии, делящей пополам клин клиновидного крыла. На правой части рисунка показан вариант фиксатора пьезоэлектрических пластин в виде полого тонкостенного цилиндра, расположенного соосно с корпусом датчика.The sensor housing, made of titanium, has a wedge-shaped wing 25 mm long. The hollow cylindrical channel of the sensor housing has a diameter of 5 mm and a depth of 14 mm, equal to the length of the piezoceramic plates. The width of the piezoceramic plates is 4mm. The diameter of the cylindrical neck of the wedge-shaped wing is chosen equal to the diameter of the hollow thin-walled cylinder (piezoelectric assembly retainer) and equal to 4 mm. The inner diameter of the bottom is 12 mm, and its thickness is 1 mm. The height of the piezoelectric assembly retainer was chosen to be 2.5 mm. In FIG. 3. options (corresponding to
Фиксация пьезопластин в корпусе датчика осуществляется высокотемпературным клеящим веществом.The piezoelectric plates are fixed in the sensor body with a high-temperature adhesive.
Присоединение экранного и центрального проводников коаксиальных кабелей к металлизированным поверхностям пьезопластин может быть реализовано, например, с помощью точечной микросварки; в данном примере это присоединение осуществляется высокотемпературным припоем.The connection of the screen and central conductors of coaxial cables to the metallized surfaces of the piezoelectric plates can be implemented, for example, using spot microwelding; in this example, this connection is carried out by high-temperature soldering.
Эффективность работы датчика изгибающего момента во многом определяется, наряду со свойствами пьезокериммических элементов, его геометрическими характеристиками, а также упругими свойствами применяемых материалов. В частности, использование осесимметричной дисковой мембраны для трансформации изгибных колебаний клиновидного крыла в изгибные колебания пьезоэлектрических пластин, позволяет увеличить чувствительность датчика в сравнении с конструкцией, используются изгибные колебания цилиндрического корпуса датчика. Толщина мембраны, для данного технического решения не превосходящая 1/10 ее диаметра, выбрана исходя из экспериментальных данных по оптимизации геометрических характеристик корпуса датчика. Оптимизация проводилась по коэффициенту преобразования механических напряжений в электрические, при сохранении прочностных характеристик донышка. Цилиндрическая шейка клиновидного крыла, соединенная с донышком с внешней стороны, а также фиксатор пьезоэлектрического узла, соединенный с донышком с внутренней стороны, имеют близкие поперечные размеры, не превышающие 1/3 внутреннего диаметра донышка. Данный параметр также выявлен экспериментальным путем и определяет соотношение размеров между нагруженным участком мембраны, соединяющим механически шейку клиновидного крыла, мембрану, фиксатор пьезоэлектрического узла и свободным участком мембраны, подвергающемся изгибным колебаниям. При таком соотношении размеров нагруженный участок обеспечивает надежную фиксацию пьезоэлектрического узла и, в то же время, свободный участок обеспечивает амплитуду колебаний мембраны, близкую к максимальной. Высота фиксатора пьезоэлектрического узла выбрана не превышающей 1/5 длинной стороны пьезоэлектрической пластины. Это значение, как показывают эксперименты, оказывается достаточным для жесткой фиксации концов пьезоэлектрических пластин с мембраной и с клиновидным крылом и, в то же время, центральная часть пьезоэлектрической пластины, свободная от внешней механической нагрузки имеет достаточную площадь для трансформации в электрический сигнал изгибающего момента, передаваемого от изгибающейся мембраны при отклонении от срединного положения клиновидного крыла под воздействием давления со стороны вихрей движущегося измеряемого потока.The efficiency of the bending moment sensor is largely determined, along with the properties of piezoceramic elements, its geometric characteristics, as well as the elastic properties of the materials used. In particular, the use of an axisymmetric disk membrane for transforming the bending vibrations of a wedge-shaped wing into bending vibrations of piezoelectric plates makes it possible to increase the sensitivity of the sensor in comparison with the design; bending vibrations of the cylindrical sensor housing are used. The thickness of the membrane, which for this technical solution does not exceed 1/10 of its diameter, was chosen based on experimental data on optimizing the geometric characteristics of the sensor housing. Optimization was carried out according to the coefficient of conversion of mechanical stresses into electrical ones, while maintaining the strength characteristics of the bottom. The cylindrical neck of the wedge-shaped wing connected to the bottom from the outside, as well as the piezoelectric assembly retainer connected to the bottom from the inside, have close transverse dimensions not exceeding 1/3 of the inner diameter of the bottom. This parameter was also found experimentally and determines the ratio of dimensions between the loaded section of the membrane, which mechanically connects the neck of the wedge-shaped wing, the membrane, the piezoelectric assembly retainer, and the free section of the membrane, which is subjected to bending vibrations. With such a ratio of dimensions, the loaded section provides reliable fixation of the piezoelectric assembly and, at the same time, the free section provides the membrane oscillation amplitude close to the maximum. The height of the latch of the piezoelectric assembly is chosen not to exceed 1/5 of the long side of the piezoelectric plate. This value, as experiments show, is sufficient for rigid fixation of the ends of the piezoelectric plates with a membrane and with a wedge-shaped wing and, at the same time, the central part of the piezoelectric plate, free from external mechanical load, has a sufficient area for transformation into an electric signal of the bending moment transmitted from the bending membrane when the wedge-shaped wing deviates from the middle position under the influence of pressure from the vortices of the moving measured flow.
Рисунки на фиг.4. поясняют принцип передачи упругих деформаций к пьезоэлектрическим пластинам через мембрану от клиновидного крыла, колеблющегося под воздействием попеременных давлений со стороны вихрей потока на одну и другую его плоскости.Drawings in Fig.4. explain the principle of transferring elastic deformations to piezoelectric plates through a membrane from a wedge-shaped wing, which oscillates under the influence of alternating pressures from the side of the flow vortices to one and the other of its planes.
В таблице 1 приведено сопоставление экспериментальных характеристик заявляемого устройства и опубликованных данных по характеристикам прототипа и одного из аналогов.Table 1 shows a comparison of the experimental characteristics of the proposed device and published data on the characteristics of the prototype and one of the analogues.
С целью наибольшей корректности сопоставлений для эксперимента были изготовлены образцы заявляемого устройства с длиной клиновидного крыла и типом используемой пьезокерамики, соответствующих прототипу. Рабочая температура сопоставляемых образцов также выбрана идентичной 350°С.For the purpose of the greatest correctness of comparisons for the experiment, samples of the proposed device with the length of the wedge-shaped wing and the type of piezoceramics used, corresponding to the prototype, were made. The operating temperature of the compared samples is also chosen identical to 350°C.
Таблица 1.Table 1.
Ристика
ДатчикCharacter -
Ristic
Sensor
тель-ность, мВ/гFeelings
capacity, mV/g
Частота, кГцresonant
Frequency, kHz
25
25
ЦТС 21
CFTS 21
350
350
12
12
30
thirty
3.1
3.1
25
25
-
-
350
350
0.1
0.1
0.25
0.25
2.2
2.2
Из таблицы 1 видно, что при прочих идентичных параметрах (рабочая температура, длина клиновидного крыла), характеристики заявляемого устройства выгодно отличаются от прототипа и от аналога. Чувствительность заявляемого устройства в 2.5 раза выше в сравнении с прототипом и более, чем в 300 раз выше в сравнении с аналогом. Собственная резонансная частота механических колебаний у заявляемого устройства в два раза превышает таковую у прототипа и в 2.7 раза превышает резонансную частоту аналога.Table 1 shows that with other identical parameters (operating temperature, wedge-shaped wing length), the characteristics of the proposed device compare favorably with the prototype and analogue. The sensitivity of the proposed device is 2.5 times higher in comparison with the prototype and more than 300 times higher in comparison with the analogue. Own resonant frequency of mechanical vibrations of the proposed device is two times higher than that of the prototype and 2.7 times higher than the resonant frequency of the analogue.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020113555A RU2766105C2 (en) | 2020-04-15 | 2020-04-15 | High-temperature bending moment sensor for vortex flowmeters |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020113555A RU2766105C2 (en) | 2020-04-15 | 2020-04-15 | High-temperature bending moment sensor for vortex flowmeters |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2020113555A RU2020113555A (en) | 2021-10-15 |
RU2020113555A3 RU2020113555A3 (en) | 2021-10-15 |
RU2766105C2 true RU2766105C2 (en) | 2022-02-07 |
Family
ID=78261380
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020113555A RU2766105C2 (en) | 2020-04-15 | 2020-04-15 | High-temperature bending moment sensor for vortex flowmeters |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2766105C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2771011C1 (en) * | 2021-08-26 | 2022-04-25 | Общество с ограниченной ответственностью "СЭНСОПРИБОР" | High temperature sensor for vortex flowmeters |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0719918A (en) * | 1993-07-07 | 1995-01-20 | Oval Corp | Vortex flowmeter and vortex sensor |
CN102183274A (en) * | 2011-05-17 | 2011-09-14 | 重庆梅安森科技股份有限公司 | Wide-range double-vortex flowmeter |
RU2608331C1 (en) * | 2015-09-07 | 2017-01-17 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Пьезоэлектрик" | Bending moment sensor for high-temperature vortex flow meters |
RU2688876C2 (en) * | 2016-08-15 | 2019-05-22 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Пьезоэлектрик" | Asymmetric bending moment sensor for high-temperature vortex flow meters |
RU2709430C1 (en) * | 2019-05-30 | 2019-12-17 | Закрытое акционерное общество "Электронные и механические измерительные системы" (ЗАО "ЭМИС") | Bending moment sensor for vortex flowmeters |
-
2020
- 2020-04-15 RU RU2020113555A patent/RU2766105C2/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0719918A (en) * | 1993-07-07 | 1995-01-20 | Oval Corp | Vortex flowmeter and vortex sensor |
CN102183274A (en) * | 2011-05-17 | 2011-09-14 | 重庆梅安森科技股份有限公司 | Wide-range double-vortex flowmeter |
RU2608331C1 (en) * | 2015-09-07 | 2017-01-17 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Пьезоэлектрик" | Bending moment sensor for high-temperature vortex flow meters |
RU2688876C2 (en) * | 2016-08-15 | 2019-05-22 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Пьезоэлектрик" | Asymmetric bending moment sensor for high-temperature vortex flow meters |
RU2709430C1 (en) * | 2019-05-30 | 2019-12-17 | Закрытое акционерное общество "Электронные и механические измерительные системы" (ЗАО "ЭМИС") | Bending moment sensor for vortex flowmeters |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2771011C1 (en) * | 2021-08-26 | 2022-04-25 | Общество с ограниченной ответственностью "СЭНСОПРИБОР" | High temperature sensor for vortex flowmeters |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2020113555A (en) | 2021-10-15 |
RU2020113555A3 (en) | 2021-10-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4258565A (en) | Force detector | |
US4550614A (en) | Oscillatory flowmeter | |
JPH0571888B2 (en) | ||
WO2001004593A1 (en) | Capacitive strain sensor and method for using the same | |
RU2608331C1 (en) | Bending moment sensor for high-temperature vortex flow meters | |
RU2766105C2 (en) | High-temperature bending moment sensor for vortex flowmeters | |
JPH0765919B2 (en) | Device for confirming / monitoring the prescribed filling level of the container | |
RU2709430C1 (en) | Bending moment sensor for vortex flowmeters | |
US4262544A (en) | Torque-transducer for vortex-shedding flowmeter having torsional sensor | |
RU2688876C2 (en) | Asymmetric bending moment sensor for high-temperature vortex flow meters | |
US5003827A (en) | Piezoelectric differential pressure vortex sensor | |
US4835436A (en) | Piezoelectric impulse sensor | |
EP0344294A1 (en) | Vortex generator-sensor | |
JPH1054743A (en) | Transducer for vortex flow meter | |
US11326913B2 (en) | Transducer apparatus as well as measuring system formed by means of such a transducer apparatus | |
JP2011232264A (en) | Piezoelectric sensor, piezoelectric sensor element and piezoelectric vibration chip | |
JP3744913B2 (en) | Vortex flow meter sensor and vortex flow meter | |
RU2771011C1 (en) | High temperature sensor for vortex flowmeters | |
RU47097U1 (en) | VORTEX FLOW METER SENSOR (OPTIONS) | |
RU2765898C2 (en) | Bending moment sensor for high-temperature vortex flowmeters | |
EP0560970A1 (en) | Noise rejecting vortex flowmeter | |
JP3049176B2 (en) | Vortex flowmeter and vortex sensor | |
JPS58160813A (en) | Vortex flow meter | |
JP3038497B2 (en) | Piezoelectric differential pressure vortex sensor | |
GB2068551A (en) | Vortex Shedding Flow Measuring Device |