ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ ДОЗАТОР ЖИДКОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01F11/00 

Изобретение относится к лабораторной технике непрерывных физико-химических процессов, а именно к устройствам для создания стационарных потоков жидкости путем выдавливания жидкости из сосудов постоянным давлением газа в объем с переменным давлением.

Известно устройство для дозирования жидкости на основе принципа сосуда Мариотта, содержащее закрытую сверху емкость с дозируемой жидкостью, размещенный снизу емкости ограничивающий расход кран, опущенную в слой жидкости газовую трубку, соединенную с жидкостным маностатом, газовую магистраль [1] Через маностат в емкость подается стабилизированное давление газа. Жидкость истекает в объект дозирования через кран под давлением столба жидкости в емкости и гидростатического давления газа.

Недостатком данного устройства является то, что при изменении давления в объекте дозирования расход жидкости изменяется. Это не позволяет использовать известное устройство для дозирования жидкости в таких объектах, как испарители, так как при испарении жидкости ее объем существенно увеличивается и давление на выходе дозатора также резко увеличивается.

Известно устройство для дозирования жидкости, выбранное в качестве прототипа [2] содержащее две закрытые сверху емкости с дозируемой жидкостью, ограничивающий расход жидкости дроссель, объект дозирования, открытый сверху жидкостной маностат, сообщающийся снизу с дополнительной емкостью с маностатической жидкостью, причем верх этой емкости соединен линией обратной связи с объектом дозирования, газовую магистраль, систему кранов. Маностат создает избыточное давление газа в емкостях с дозируемыми жидкостями, а дополнительная емкость изменяет величину столба жидкости в маностате и давление газа в соответствии с изменениями давления в объекте дозирования, обеспечивая постоянный перепад давления на дросселе, и следовательно, постоянный расход жидкости. Краны поочередно подключают емкости к газовой магистрали стабилизированного давления и дросселю.

Недостатком этого устройства является то, что схема стабилизации расхода жидкости работает только при повышении давления в объекте дозирования. Кроме того, устройство громоздко, требует сложной настройки, в частности подбора одинаковых внутренних диаметров емкостей, маностата и дополнительной емкости, а также соответствующей маностатической жидкости.

Задача изобретения создать простой по конструкции, надежный в работе и доступный для широкого применения гидростатический дозатор жидкости, обеспечивающий постоянный заданный расход жидкости при любом изменении давления в объекте дозирования и возможность ручного и автоматического изменения уставок расхода при условии, что изменение давления газа используется только для настройки расхода жидкости, а при регулировании этого расхода давление газа остается постоянным.

Для решения поставленной задачи гидростатический дозатор жидкости, содержащий дозирующую емкость с жидкостью, газовую магистраль, стабилизатор давления газа "после себя", дроссель-задатчик расхода, объект дозирования дополнительно снабжен мембранным стабилизатором перепада давления, который соединен входной камерой с дозирующей емкостью, выходом с объектом дозирования, дросселем, расположенными на выходе стабилизатора давления газа "после себя", стабилизатором давления газа "до себя", соединительным элементом, связывающим вход стабилизатора давления газа "до себя" с выходом дросселя и входом дозирующей емкости, а дроссель-задатчик расхода расположен между входной и выходной камерами стабилизатора перепада давления. При этом мембранный стабилизатор перепада давления выполнен пружинным прямого действия.

В вариантах гидростатический дозатор жидкости дополнительно снабжен второй (питающей) емкостью с дозируемой жидкостью в комплекте со стабилизатором давления газа "после себя" и запорным элементом, гидродинамически соединенными с дозирующей емкостью, фильтром, расположенным между выходом дозирующей емкости и входной камерой стабилизатора перепада давления, краном, расположенным между выходом стабилизатора перепада давления и объектом дозирования (кран выполнен либо двухходовым, двухпозиционным с режимами работы включено-выключено, а дроссель-задатчик выполнен переменным с механизмом задания расхода, либо для осуществления своей работы в режиме широтно-импульсной модуляции, а дроссель-задатчик в этом случае выполнен постоянным), манометром, (соединительный элемент при этом выполнен в виде крестовины), указателем уровня (последний может быть выполнен с дистанционной передачей данных, а запорный элемент имеет автоматическое управление). Кроме того дозатор может быть либо снабжен термостатом, либо выполнен с массой стабилизатора перепада давления достаточной для термостатирования.

Технический эффект решения заключается в том, что применение мембранного стабилизатора перепада давления обеспечивает автоматическое высокоточное регулирование перепада давления на дросселе за счет соответствующего изменения давления в выходной камере при изменении давления в объекте дозирования и тем самым, обеспечивает постоянный расход жидкости до тех пор, пока выходное давление в объекте будет меньше давления жидкости на выходе емкости на величину регулируемого перепада давления; применение стабилизатора давления газа "до себя" позволяет как увеличивать, так и уменьшать давление газа и стравливать избыточное давление паров жидкости при увеличении ее температуры и при операциях быстрой заливки дозируемой жидкости в емкости. Применение переменного дросселя с механическим устройством для задания величины его гидродинамического сопротивления позволяет ручное изменение уставок расхода жидкости. Применение постоянного дросселя обеспечивает получение потоков жидкости с фиксированными заданными значениями расхода, точная настройка которых производится путем изменения величины давления газа с помощью стабилизатора давления газа "после себя". Применение выходного крана при реализации позиционного управления позволяет включать-выключать потоки жидкости, а при реализации широтно-импульсной модуляции позволяет изменять интегральный расход жидкости в объект дозирования в автоматическом режиме.

На чертеже представлена общая схема дозатора.

Дозатор жидкости содержит дозирующую емкость 1 с дозируемой жидкостью 2, питающую емкость 3 с жидкостью 2, указатель уровня 4, соединенный со входом и выходом емкости 1, расположенный на выходе емкости 3 запорный элементе 5, выход которого соединен с емкостью 1, магистраль подачи газа 6, стабилизаторы давления газа "после себя" 7 и 8, входы которых подключены к магистрали 6, выход стабилизатора 7 подсоединен ко входу емкости 3, расположенный на выходе стабилизатора 8 дроссель 9, стабилизатор давления газа "до себя" 10 и манометр 11, соединенные через соединительный элемент 12 с входом в емкости 1, фильтр 13, расположенный на выходе емкости 1, дроссель-задатчик расхода жидкости 14, мембранный стабилизатор перепада давления 15, кран 16 и объект дозирования 17. Стабилизатор перепада давления 15 включает в себя мембрану 18, разделяющую входную 19 и выходную 20 камеры, управляемое гидродинамическое сопротивление типа "сопло 21 заслонка 22" и задающую пружину 23. Входная камера 19 проточного типа соединена через фильтр 13 с выходом емкости 1. Дроссель 14 включается между входной 19 и выходной 20 камерами, а выход сопла 21 соединяется через кран 16 с объектом дозирования 17. Металлокерамический фильтр 13 предотвращает попадание каких-либо твердых загрязнений жидкости в дроссель 14 и стабилизатор 15.

Дозатор жидкости работает следующим образом.

Кран 16 открыт. При отсутствии давления газа на емкость 1 пружина 23 отодвигает заслонку 22 от сопла 21 и через дозатор проходит поток жидкости с расходом, определяемым высотой столба жидкости h и гидродинамическим сопротивлением дросселя 14. При подаче на емкость 1 газа с давлением P_г, регулируемым стабилизатором 10, на выходе емкости 1 возникает такое же давление жидкости P_вх, которое поступает в проточную входную камеру 19 и с помощью мембраны 18 создает усилие, превышающее усилие пружины 23, которое перемещает заслонку 22 к соплу 21 и запирает его и выход потока жидкости в объект дозирования. Одновременно с этим через входную камеру 19 жидкость подается на дроссель 14, через который она постепенно поступает в выходную камеру 20, а поскольку выход из камеры 20 закрыт, давление в ней нарастает до значения P_рег, при котором усилие, создаваемое пружиной 23 и давлением P_рег, равно усилию, создаваемому давлением P_вх. При дальнейшем увеличении давления в выходной камере 20 пружина 23 отодвигает заслонку 22 от сопла 21 и жидкость поступает через кран 16 в объект 17, давление в выходной камере 20 падает, давление P_вх через мембрану 18 опять придвигает заслонку 22 к соплу 21, давление в выходной камере 20 опять возрастает, что приводит к отодвиганию заслонки 22 от сопла 21 и т.д. В конце концов заслонка 22 устанавливается на определенном расстоянии от сопла 21, обеспечивающем поддержание такого значения давления P_рег, при котором перепад давления на дросселе 14 ΔP равный разности P_вх и P_рег, будет в первом приближении равен произведению усилия пружины F на эффективную площадь мембраны S_эф, т.е. ΔP P_вх P_рег - F S_эф. Соответствующий расход жидкости через рассматриваемый дозатор жидкости определяется величиной гидродинамического сопротивления дросселя 14 и величиной регулируемого перепада давления ΔP на этом дросселе.

При увеличении давления P_вых в объекте дозирования 17 заслонка 22 отойдет от сопла 21, при уменьшении P_вых приблизится к соплу, однако в любом случае давление P_рег и перепад давления ΔP будут оставаться неизменными, что обеспечивает постоянство расхода жидкости при изменении внешнего давления P_вых. Данное свойство дозатора позволяет эффективно использовать его в сочетании с испарителем жидкости, давление в котором, как указывалось выше, может изменяться очень значительно, а также с другими объектами с переменным гидродинамическим сопротивлением.

Дозатор жидкости обеспечивает постоянство расхода жидкости при условии, что величина выходного давления P_вых будет меньше разности P_вх - ΔP Кроме того, при запуске дозатора в работу необходимо удалять из объема камер 19 и 20, остатки газа (воздуха), что легко выполняется путем многократного включения давления газа на емкость 1.

Изменение уровня жидкости h в емкости 1 по мере ее израсходования контролируется по указателю уровня 4 и очень мало сказывается на расходе жидкости, поскольку доля h в давлении P_вх по сравнению с давлением газа P_г очень мала. Периодическое заполнение емкости 1 дозируемой жидкостью осуществляется путем открытия запорного элемента 5, при этом с помощью стабилизатора 7 на входе в емкость 3 устанавливается давление газа, большее на 0,1 МПа по сравнению с P_г, что обеспечивает передавливание жидкости 2 из емкости 3 в емкость 1. При использовании указателя 4 с дистанционной передачей показаний и запорного элемента 5 в виде вентиля с пневмо- или электрическим управлением легко реализовать систему автоматического поддержания уровня жидкости 2 в емкости 1. Возможны различные варианты организации выхода жидкости 2 из емкостей 1 и 3 через дно этих емкостей (как показано на чертеже), либо с помощью сифонных трубок.

Изменение давления газа P_г изменяет величину P_вх и расход жидкости. Применение в магистрали подачи газа стабилизатора давления газа 10 типа "до себя" позволяет как увеличивать, так и уменьшать давление газа P_г, а также стравливать избыточное давление паров жидкости при увеличении ее температуры и при операциях быстрой заливки дозируемой жидкости в емкости. Стабилизатор давления газа 8 типа "после себя" в комплекте с дросселем 9 обеспечивает независимое от колебаний давления газа в магистрали 6 питание стабилизатора 10. Расход газа через дроссель 9 и стабилизатор 10 менее 1 л/ч. Если в качестве газа используется сжатый воздух, то возможно применение стандартных стабилизаторов давления воздуха, которые одновременно выполняют функции стабилизаторов 8 и 10 и дросселя 9.

При использовании постоянных дросселей 14 осуществляется высокоточное формирование потоков жидкости 2 с фиксированными расходами. Приближенная настройка требуемых расходов осуществляется путем подбора гидродинамических сопротивлений дросселя 14. Точная настройка требуемых расходов жидкости осуществляется путем изменения давления газа P_г с помощью стабилизатора 10. Позиционное управление краном 16 обеспечивает включение-выключение потоков жидкости с заданным фиксированным расходом.

Применение известных методов широтно-импульсной модуляции с использованием в качестве исполнительного элемента крана 16 позволяет автоматически изменять интегральный расход жидкости на объект в тех случаях, когда возможно импульсное дозирование жидкости.

В тех случаях, когда возможно только непрерывное дозирование жидкости, уставки расхода жидкости изменяются путем применения переменного дроселя-задатчика расхода жидкости 14 с механическим устройством задания величины его гидродинамического сопротивления, при этом вначале подбирается давление газа P_г, обеспечивающее достаточный запас энергии для преодоления максимально возможного выходного давления P_вых, а затем переменный дроссель 14 тарируется по расходу жидкости при постоянном выбранном P_г. Кран 16 в этом случае используется только для включения-выключения потока жидкости на объект 17.

Для точного дозирования жидкость должна иметь постоянную температуру. Для компенсации теплопотерь при дросселировании жидкости через дроссель-задатчик 14 и управляемые пневмосопротивления 21 22 можно использовать термостатирование стабилизатора 19, либо выполнить его достаточно массивным.

Данный дозатор жидкости испытан для дозирования воды и различных органических соединений (в том числе, сжиженных газов фракции C4-) при давлении газа 0,2 0,3 МПа, регулируемом перепаде давления 0,04 МПа и диапазоне расходов от 1 до 1000 мл/ч. Во всех случаях погрешность изменения расхода жидкости при изменении выходного давления в пределах от 0 до 0,15 МПа не превышала точности измерения расхода жидкости (1 2% отн), что делает дозатор жидкости конкурентоспособным с многочисленными и хорошо известными поршневыми, мембранными, перистальтическими и другими дозаторами жидкости. К тому же, дозатор намного проще и дешевле, чем вышеперечисленные дозаторы других типов и доступен для реализации в любой химической лаборатории. При использовании в качестве рабочих сред инертных в химическом отношении газов (азота, гелия, аргона) предлагаемый дозатор более безопасен в эксплуатации по сравнению с различными известными дозаторами с электроприводами.

При необходимости работы при небольших (до 0,1 МПа) избыточных давлениях и расходах до 10 мл/ч. удобно использовать в качестве емкости 1 стандартные стеклянные бюретки, что позволяет организовать текущий контроль расхода жидкости по изменению уровня жидкости в бюретке.

Учитывая, что жидкости практически не сжимаются, можно организовать работу предлагаемого дозатора при любом повышенном давлении. Особым достоинством дозатора является непрерывность потока жидкости и высокая воспроизводимость расхода.

Наиболее перспективной областью применения дозатора является организация высокоточных стационарных потоков жидкостей -носителей в жидкостных хроматографах. Дозатор во много раз дешевле применяемых там насосов.

Использование: в устройствах для создания стационарных потоков жидкости. Сущность изобретения: гидростатический дозатор жидкости содержит дозирующую емкость с жидкостью, газовую магистраль, стабилизатор давления газа, дроссель-задатчик расхода, мембранный стабилизатор перепада давления, соединенный входной камерой с дозирующей емкостью, выход - с объектом дозирования, дроссель, соединенный с выходом стабилизатора давления газа, соединительные элементы, связывающие вход стабилизатора давления газа с выходом дросселя и входом дозирующей емкости, при этом дроссель-задатчик расхода расположен между входной и выходной камерами стабилизатора перепада давления. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гидростатический дозатор жидкости, содержащий емкость с жидкостью, газовую магистраль, стабилизатор давления газа "После себя", дроссель-задатчик расхода, объект дозирования, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен мембранным стабилизатором перепада давления, который соединен входной камерой с дозирующей емкостью, выходом с объектом дозирования, дросселем, соединенным с выходом стабилизатора давления газа "После себя", стабилизатором давления газа "До себя", соединительным элементом, связывающим вход стабилизатора давления газа "До себя" с выходом дросселя и входом дозирующей емкости, а дроссель-задатчик расхода расположен между входной и выходной камерами стабилизатора перепада давления. 2. Дозатор по п.1, отличающийся тем, что мембранный стабилизатор перепада давления выполнен пружинным прямого действия. 3. Дозатор по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен питающей емкостью с дозируемой жидкостью в комплекте со стабилизатором давления "После себя" и запорным элементом, соединенным с дозирующей емкостью. 4. Дозатор по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен фильтром, расположенным между выходом дозирующей емкости и входной камерой стабилизатора перепада давления. 5. Дозатор по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен краном, расположенным между выходом стабилизатора перепада давления и объектом дозирования. 6. Дозатор по пп.1 и 5, отличающийся тем, что кран выполнен двухходовым, двухпозиционным с режимами работы включено-выключено, а дроссель-задатчик расхода выполнен переменным с механизмом задания расхода. 7. Дозатор по пп.1 и 5, отличающийся тем, что кран выполнен для осуществления своей работы в режиме широтно-импульсной модуляции, а дроссель-задатчик расхода выполнен постоянным. 8. Дозатор по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен манометром, а соединительный элемент выполнен в виде крестовины. 9. Дозатор по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен указателем уровня. 10. Дозатор по пп.1, 3 и 9, отличающийся тем, что указатель уровня выполнен с дистанционной передачей данных, а запорный элемент имеет автоматическое управление. 11. Дозатор по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен термостатом или стабилизатор перепада давления выполнен с массой, достаточной для термостатирования.