РЕГУЛЯТОР РАСХОДА ГАЗА Российский патент 1994 года по МПК G05D7/03 

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в любой отрасли для точной дозировки газов или жидкостей.

Известно устройство для регулирования расхода газов или жидкостей [1] , где регулирование осуществляется с помощью охлаждаемой с одной стороны и нагреваемой с другой стороны мембраны, выполненной из термоупругого материала, закрывающей сопло в большей или меньшей степени в зависимости от разности температур.

Недостатком данной конструкции является необходимость устройств, обеспечивающих разность температур мембраны.

Известны электромагнитные приводы [2] и [3] , а также управляемый магнитный дроссель с пьезоэлектрическим приводом [4] . В этих устройствах различным расстоянием между заслонкой и соплом соответствуют различные значения расхода.

Устройства имеют недостаточную точность, так как между положениями "открыто" и "закрыто" перемещения заслонки малы. Кроме того, привод [4] требует высоких электрических напряжений, что ограничивает его применение.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является регулятор расхода газа [5] , где регулирующий орган выполняется в виде штока, на боковой поверхности которого имеется несколько клиновидных канавок различной длины. При поступательном движении штока относительно кольцевой втулки происходит последовательный выход канавок из действия. Величина расхода определяется положением штока, числом, сечением и длиной задействованных канавок.

Однако регулятор не может обеспечить высокую точность регулирования из-за неизбежного трения штока о кольцевую втулку, в результате чего наблюдаются скачкообразные движения штока при малых перемещениях (из-за трения покоя). Возможны также износ штока и втулки и, как следствие, пропускание нерегулируемого объема газа. Электродвигатель с редуктором, осуществляющие возвратно-поступательные движения штока, имеют определенный холостой ход (люфт). Продукты износа штока и корпуса могут являться источником загрязнения проходящего газа, что недопустимо в некоторых технологических процессах.

Целью изобретения является исключение загрязнения технологического газа, а также повышение точности регулирования путем устранения трения скольжения между элементами регулятора.

Цель достигается тем, что регулятор расхода газа выполнен в виде электромагнита, к рабочему торцу которого электромагнитными силами притягивается упругая пластина. В корпусе электромагнита выполнено входное отверстие для газа. Пластина имеет одну или несколько канавок, сообщающихся с входным отверстием. Конец пластины, удаленный от входного отверстия, подвешен на гибкой регулируемой тяге, другой конец жестко прикреплен к корпусу. При изменении тока в катушке электромагнита пластина в большей или меньшей степени (соответственно величине тока) притягивается к корпусу. Длина, число и сечение задействованных канавок изменяются, изменяется при этом и расход газа. В процессе регулирования между пластиной и корпусом изменяется только зазор, а другие относительные перемещения и трение скольжения отсутствуют. В конструкции тяги также исключено трение скольжения.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие критерию "новизна", так как преимущества регулятора [5] - одна или несколько канавок различной длины сохранены, а трение скольжения, износ, загрязнение продуктами износа проходящего газа устранены. Стал не нужен приводной механизм с его возможными погрешностями. Признаки, отличающие изобретение от прототипа, не были выявлены в других технических решениях данной области, поэтому они обеспечивают заявленному решению соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображен заявляемый регулятор расхода газа с его поперечным сечением; на фиг. 2 - регулятор при отсутствии тока в катушке; на фиг. 3 - регулятор при наличии в катушке тока; на фиг. 4 и 5 - возможные варианты регулятора.

Регулятор состоит из деталей 1 магнитопровода, собранных в единый корпус (фиг. 1), катушки 2, упругой пластины 3 из электротехнической стали с канавками (или одной канавкой) 4, регулируемой тяги 5, регулировочных гаек 6, прижима 7, входного штуцера 8, выходного штуцера 9, крышки 10, заливки 11 из немагнитного материала.

При отсутствии тока в катушке (фиг. 2) на пластину действуют момент М₃ от защемления ее левого края и реакция тяги R.

Уравнение упругой линии для такой пластины (канавка не учтена):
V_z= -lz, где V_z - величина прогиба пластины;
z - координата от ее левого торца;
Е - модуль упругости;
a, b, l - соответственно толщина, ширина и длина пластины.

В этом случае при подаче газа через штуцер под пластину его расход будет максимален, так как минимальна длина задействованной канавки.

При некотором значении тока в катушке (фиг. 3) на пластину кроме указанных выше сил действует электромагнитная сила F_э, которая, преодолевая упругость пластины, притягивает ее к корпусу на некоторой длине z₁ без зазора (при этом жесткость оставшейся части пластины повышается).

Длина участка z₁ зависит от силы F_э, которая обусловлена силой тока в катушке, числом витков катушки, конструкцией магнитопровода, материалом магнитопровода и пластины, магнитной проницаемостью среды. В общем случае для каждого элементарного участка пластины сила притяжения описывается формулой
F_з= , где В - магнитная индукция в зазоре;
S - площадь сечения зазора под пластиной;
μ - магнитная проницаемость среды.

При увеличении тока в катушке координата z₁ сдвигается вправо, расход газа уменьшается и соответствует в каждый момент длине и сечению задействованной канавки.

Формула, по которой может быть рассчитан расход:
Q= , где Δ P - перепад давления на регуляторе;
R_n - пневматическое сопротивление, зависящее от длины канавки, ее сечения, средней плотности газа в пневмосопротивлении и вязкости газа.

Регулятор разработан для использования в процессе MCVD (modified chemical - vapor - deposition), где при изготовлении заготовок для вытяжки оптического кварцевого волокна технологический газ подается в кварцевую трубу, вдоль которой перемещается горелка. При движении горелки в одном направлении осуществляется рабочий пpоцесс с дозированной (с помощью регуляторов) подачей газов внутрь трубы, а во время обратного хода горелки, регуляторами устанавливают новые значения расхода, т. е. процесс подачи газов периодический. Число рабочих проходов 100. . . 150. Максимальный требуемый расход газа через один регулятор 2000 мл/мин, минимальный - 20 мл/мин. Перепад давления на регуляторе 1 атм.

В изготовленных регуляторах намотка катушек электромагнита выполнена медным проводом диаметром 0,1 мм, число витков 4000. Длина пластины от заделки до тяги 56 мм, ширина 14 мм, толщина 1,5 мм, длина канавки 22 мм, глубина 1мм.

Корпус и пластина выполнены из электротехнической стали с необходимой термической обработкой, заливка медная. Рабочий торец электромагнита и пластина шлифованы. Осуществлено антикоррозийное покрытие. Гибкий элемент тяги имеет диаметр 0,6 мм.

Собранный регулятор настраивался на нужные расходы нижеизложенным способом.

В пределах допустимого для данной катушки выбирался максимальный ток (I_макс = 20мА), при котором желательно было обеспечить минимальный расход газа (Q_мин = 20 мл/мин). С помощью регулировочных гаек устанавливался минимальный расход газа Q ≈ 20мл/мин при I_макс ≈ 20 мА. Далее находилось такое значение тока, при котором расход становился равным максимальному (I_мин ≈ 4,5мА, Q_макс ≈ 2000 мл/мин). Находилась зависимость Q = f (I) во всем диапазоне.

Допустима подача газа через первый штуцер (фиг. 1), но при этом настройку и снятие характеристики Q = f(I) нужно выполнить снова.

Для определения стабильности регулятора многократно измерялся расход газа при значении тока 12,025 мА. После каждого замера ток изменялся на 2. . . 3 мА и вновь устанавливалось прежнее его значение 12,025 мА.

Изменяя размеры пластины (l, a, b), размеры ее канавки, выполняя настройку с помощью регулировочных гаек, можно перейти к расходам в других пределах, но при этом ток в катушке не должен превышать допустимых для нее значений. Так, регулятор был использован в другом технологическом процессе с Q_мин = 30 л/мин и Q_макс = 110 л/мин при перепаде давления на нем 4 атм. При этом в пластине была выполнена прямоугольная канавка сечением (0,8 ˙ 4) мм. Диапазон регулирования по току был от 1 до 35 мА. Газ - водород подавался через правый штуцер.

В заявленном регуляторе отсутствует трение скольжения и сопутствующий ему износ элементов. Малым изменениям тока соответствуют столь же малые изменения расхода.

В регуляторе основным элементом является пластина с увеличивающейся по мере роста координаты Z₁ жесткостью. Увеличение жесткости возможно реализовать и другими путями (без подвески).

Можно применить пластину с заранее сформированным постоянным радиусом R (фиг. 4) и увеличивающейся толщиной или шириной.

Можно применить пластину с постоянным сечением, но радиус R выполнить переменным (уменьшающимся с ростом координаты z₁) (фиг. 5). (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1401443, кл. G 05 D 7/03, 1986.

2. Авторское свидетельство СССР N 424472, кл. F 16 K 31/02, 1970.

3. Авторское свидетельство СССР N 538188, кл. F 16 K 31/02, 1975.

4. Авторское свидетельство СССР N 608032, кл. F 16 K 31/02, 1976.

5. Авторское свидетельство СССР N 773579, кл. G 05 D 7/01, 1980.

Регулятор расхода газа выполнен в виде электромагнита, к рабочему торцу которого в большей или меньшей степени (в зависимости от величины тока, протекающего в катушке электромагнита) притягивается упругая стальная пластина. Газ подается через отверстие в корпусе электромагнита под пластину. В пластине имеется одна или несколько клиновидных канавок, сообщающихся с входным отверстием. Конец пластины над входным отверстием жестко прижат к корпусу, а другой конец подвешен на гибкой регулируемой тяге. При отсутствии тока в катушке на пластину действуют реакция тяги и момент от защемления, что вызывает ее определенный прогиб. В этом случае пневмосопротивление для проходящего газа минимально, а его расход максимален. При наличии тока в катушке, кроме указанных воздействий на пластину действует электромагнитная сила, которая притягивает ее к корпусу без зазора на некотором участке. Задействованная длина канавок и пневмосопротивление возрастают, а расход газа уменьшается и соответствует протекающему току. В отличие от существующих конструкций, данный регулятор обладает некоторыми преимуществами, а именно в регуляторе отсутствуют трение скольжения, износ трущихся элементов и, вследствие этого загрязнение проходящего газа продуктами износа. 5 ил.

РЕГУЛЯТОР РАСХОДА ГАЗА , содеpжащий коpпус, входной и выходной каналы и pегулиpующий оpган, отличающийся тем, что коpпус состоит из обpазующих полость кpышки и электpомагнита, в сеpдечнике котоpого выполнены входной и выходной каналы, pегулиpующий оpган выполнен в виде pасположенной в полости упpугой пластины из феppомагнитного матеpиала с по кpайней меpе одной канавкой, закpепленной одним концом жестко на pабочем тоpце электpомагнита с обеспечением изменения длины задействованной канавки от входного патpубка к выходному под действием электpомагнитных сил электpомагнита, пpичем дpугой конец упpугой пластины подвешен на гибкой pегулиpуемой опоpе.