ПЕРИСТАЛЬТИЧЕСКИЙ ДОЗАТОР ЖИДКОСТИ Российский патент 1999 года по МПК G01F11/12 

Изобретение относится к областям техники, связанным с точной дозировкой жидкостей с повышенными требованиями по чистоте и ограничениями по сопутствующим воздействиям (тепловым, электромагнитным и т. п.). Областью применения изобретения является дозирование жидкостей.

К настоящему времени дозаторы жидкости представлены довольно широко. К характерным представителям этого класса можно отнести:
- устройство для микродозирования (а.с. 1825984);
- мембранный дозатор жидкости (а.с. 1830458);
- дозатор с поршнем (а.с. 181539);
- перистальтический дозатор жидкости (а.с. 2011172).

Прототипом заявляемого изобретения выбран перистальтический дозатор жидкости (а.с. 2011172), содержащий:
рабочую камеру, выполненную в виде немагнитного жесткого полуцилиндрического желоба;
вытеснитель - в виде эластичной емкости с эллиптическим поперечным сечением, заполненной магнитной жидкостью;
привод - в виде электромагнитов, расположенных попарно по длине вытеснителя с его противоположных сторон, сердечники которых последовательно соединены боковыми торцами друг с другом. Рабочая камера перистальтического дозатора установлена с возможностью взаимодействия эластичной диафрагмы с вытеснителем, а каждый электромагнит соединен с устройством управления.

Недостатком прототипа, свойственным для многих типов дозаторов, является сопутствующее воздействие со стороны дозатора на дозируемую жидкость (в данном случае - электромагнитное и тепловое), что ограничивает области его применения. Кроме этого, адгезия материала диафрагмы вытеснителя, вызываемая циклическими деформациями, ставит под вопрос целесообразность применения прототипа для дозирования жидкостей с повышенными требованиями по чистоте. Вероятность разупрочнения эластичной диафрагмы от длительного влияния циклических нагрузок снижает уровень безопасности при использовании прототипа для дозирования агрессивных и токсичных жидкостей. И, наконец, погрешности периода выдачи и массы доз находятся в зависимости от конструктивных особенностей устройства управления и характеристик источника питания прототипа.

Целью данного изобретения является:
1. Сведение к минимуму сопутствующего воздействия со стороны дозатора на дозируемую жидкость;
2. Исключение из конструкции дозатора частей, движущихся в дозируемой жидкости в процессе его работы;
3. Снижение погрешности периода выдачи и массы доз за счет упрощения конструкции устройства управления.

Эта цель достигается тем, что выходной штуцер выполнен в виде съемной фильеры, в которой выполнено по крайней мере одно дозировочное отверстие заданного диаметра, имеющее запорное устройство, рабочая емкость в верхней части через штуцер, запираемый малорасходным вентилем, сообщена с атмосферой, а на входной штуцер установлен вентиль.

Пневмогидравлическая схема ПД приведена на фиг.1.

Диаграмма изменения давлений в рабочей емкости приведена на фиг.2.

Конструктивно перистальтический дозатор (далее - ПД) выполнен в виде закрытой рабочей емкости 1 со сменной донной частью 2, в которой выполнено по крайней мере одно дозировочное отверстие. Подвод дозируемой жидкости производится через штуцер 4, запираемый вентилем 5. Через штуцер 6, на котором установлен малорасходный вентиль 7, рабочая емкость сообщена с атмосферой. Выход из дозировочного отверстия перекрывается запорным устройством, выполненным в виде заглушки 3.

Работу ПД условно можно разделить на три этапа: подготовка, вакуумирование и, непосредственно, дозирование жидкости.

На этапе подготовки в донную часть рабочей емкости 1 устанавливается сменная донная часть 2 - далее фильера с дозировочным отверстием требуемого диаметра. Вентиль 5 и запорное устройство 3 закрыты. Заполнение рабочей емкости дозируемой жидкостью осуществляется путем открытия вентиля 5 и 7 (для вытеснения остатков воздуха), после чего последовательно закрываются вентили 5 и 7.

Вакуумирование заключается в открытии запорного устройства 3 и сливе через отверстие фильеры 2 части дозируемой жидкости. По мере истечения определенного количества жидкости, на выходе из рабочей емкости устанавливается равновесие
ΔPф = (Pст+Psmin)-Pa = 0, (1)
где ΔPф - перепад давления на выходе из дозировочного отверстия фильеры;
Pа - атмосферное давление;
Pст = ρghст - гидравлический напор жидкости в рабочей емкости;
Psmin - минимальное давление в полости между верхней частью рабочей емкости и поверхностью жидкости (далее - полость S).

О достижении равновесия можно судить по прекращению истечения жидкости из рабочей емкости при проведении слива. Следует отметить, что установление состояния равновесия, описанного выше, возможно только до определенного значения диаметра дозировочного отверстия фильеры - dфкр. Величина dфкр определяется физическими свойствами жидкости (плотность, вязкость, температура и т.д.) и геометрическими характеристиками отверстия фильеры.

И, наконец, дозирование жидкости производится путем настройки вентиля 7. При открытии вентиля 7, в полость пониженного давления S рабочей емкости начинается натекание атмосферного воздуха. Изменение давления в полости S приводит к нарушению равновесия (1) на выходе дозировочного отверстия фильеры
ΔPф(t) = (Pст(t)+Ps(t))-Pa > 0, (2)
где ΔPф(t) - текущее значение перепада давления на выходе дозировочного отверстия фильеры;
Ps(t) - текущее значение статического напора;
Pст(t) - текущее значение гидравлического напора;
Истечение реальной жидкости через отверстие малого диаметра описывается выражением
ΔPф = Qж•R, (3)
где Qж - расход жидкости;
R - сопротивление фильеры, которое в свою очередь определяется:

где η - коэффициент вязкости;
L - длина канала фильеры;
a = dф/2 - радиус отверстия фильеры;
ρ - плотность жидкости.

Настройкой зазора вентиля 7 от нулевого до максимального можно получить:
- нулевое истечение (при закрытом вентиле);
- капельное истечение;
- струйное истечение.

Капельное истечение, используемое в ПД, устанавливается в диапазоне настройки вентиля 7, удовлетворяющем условию:
Ps(t) < Pа, (5)
т. е. давление в полости S (Ps) в процессе работы ПД не должно превышать атмосферное. Режим работы ПД, соответствующий условию (5), определяется соотношением площади зазора настройки - Fв, влияющей на скорость натекания атмосферного воздуха в полость S, и площади дозировочного отверстия фильеры - Fф, от которой зависит скорость истечения жидкости из рабочей емкости. Диапазон изменения Fф аналогичен диапазону изменения значения диаметра дозировочного отверстия фильеры, описанного выше, максимальная величина Fф определяется величиной dфкр. Диапазон изменения площади зазора настройки вентиля 7 - Fв, удовлетворяющий условию (5), (при неизменном dф), лежит в границах:
0 < Fв < Fвкр, (6)
где Fвкр - величина площади зазора настройки вентиля 7, при которой скорость натекания атмосферного воздуха в полость S превышает скорость истечения жидкости из рабочей емкости, что приводит к нарушению условия (5).

Ниже рассматривается режим истечения реальной жидкости с неизменными физическими свойствами из рабочей емкости через отверстие определенного диаметра dф (0 < dф < dфкр), удовлетворяющий условию (5).

Истечение жидкости, описываемое выражением (3), из рабочей емкости, предварительно приведенной в состояние равновесия (1) описанным выше методом, начинается при определенном перепаде давления на выходе дозировочного отверстия фильеры -ΔPф^*, возникающем вследствие натекания воздуха при открытии вентиля 7. Величина ΔPф^* постоянна и определяется сопротивлением фильеры (см. выражения (3), (4)).

При настройке вентиля 7 с учетом условия (6), согласно закону сохранения энергии, при истечении из рабочей емкости выполняется
dVж/dt = -dVг/dt, (7)
где dVж/dt и dVг/dt - изменение объемов жидкости и газа соответственно за единицу времени,
при этом, как отмечено выше, ΔPф^* = const, что достигается за счет выполнения в процессе истечения баланса внутри рабочей емкости:
dPs/dt = -dPст/dt, (8)
т. е. скорость увеличения статического напора равна скорости уменьшения гидравлического напора.

Истечение жидкости при малых перепадах давления, соответствующих режиму (5), происходит с переменной скоростью. До выхода из фильеры жидкость, вытесняемая минимальным перепадом давления ΔPф^*, движется достаточно медленно. На выходе из фильеры влияние сопротивления фильеры уменьшается до полного исчезновения, дальнейшее движение жидкости происходит только под действием внешних воздействий, в основном - силы тяжести. Ускорение движения жидкости на выходе из фильеры, в конечном счете, приводит к разрыву струи, т.е. формированию отдельной капли. Неизменность физических свойств жидкости, диаметра фильеры и площади зазора вентиля 7 дают основания полагать, что масса капель, вытекающих из ПД в режиме дозирования - mк, и периодичность их выдачи - Т - постоянны с высокой степенью точности.

На диаграмме (фиг.2) приведены графики изменения давлений в рабочей емкости: Ps(t) - статического напора; Pст(t) - гидравлического напора: их суммы Ps(t) + Pст(t) и ΔPф(t), определяемого по формуле (2).

Диаграмма условно разделена на три режима работы ПД, описанные выше: подготовку (заправку), вакуумирование и дозирование жидкости.

При завершении заправки статический и гидравлический напор достигают наибольших значений (участки 1-2 и 1'-2' соответственно). В процессе вакуумирования система приходит в состояние равновесия (1) (участки 3-4 и 3'-4'), а величина их суммы Ps(t) + Pст(t) равна величине атмосферного давления (участок 3"-4"). Дозирование жидкости начинается с настройки вентиля 7, удовлетворяющей условию (6), в результате чего возрастает Ps(t) (участок 4-5) и, соответственно, на величину ΔPф^* увеличивается сумма давлений (участок 4''-5''). В точке 5, где перепад давления достигает величины ΔPф^*, начинается капельное истечение жидкости с периодом T (точка 5 и далее). Изменение величины перепада давления на выходе из фильеры принимает характер гармонических колебаний с периодом T

где t - текущее время.

Как и в прототипе, истечение доз жидкости из ПД происходит под воздействием гармонических колебаний, в данном случае - гармонических колебаний величины перепада давления на выходе из фильеры.

В отличие от прототипа, вытеснитель и привод в конструкции ПД отсутствуют, а их функции выполняются изменяющейся по гармоническому закону суммой гидравлического и статического напора жидкостной и газовой среды рабочей емкости ПД.

Регулирование частоты выхода капель (величина 1/Т) осуществляется путем изменения величины площади зазора настройки вентиля 7 - Fв, в диапазоне, удовлетворяющем условию (5) (при неизменном dф).

Изменение массы дозы (капли) дозируемой жидкости производится путем изменения диаметра дозировочного отверстия в пределах 0 < dф < dфкр, для чего в рассматриваемой конструкции ПД предусмотрена сменная донная часть 2 - (фильера) с дозировочным отверстием требуемого диаметра. Кроме этого, в случае выполнения в фильере нескольких отверстий одинакового диаметра в пределах 0 < dф < dфкр возможно более широкое регулирование дозы путем закрытия (открытия) части отверстий.

В части оценки точности предлагаемой конструкции дозатора можно отметить, что вследствие простоты устройства управления и отсутствия источника питания в рассматриваемой конструкции ПД влияние внешних факторов на формирование величины погрешности массы дозы (капли) - mк и периода выдачи капли - Т сведено к минимуму. Как отмечено выше, для обеспечения максимальной точности характеристик ПД достаточно выполнение требований по неизменности физических свойств жидкости, диаметра фильеры и площади зазора вентиля 7.

Наряду с высокой точностью, к достоинствам предлагаемой конструкции ПД следует отнести сведение к минимуму сопутствующих воздействий со стороны дозатора на дозируемую жидкость и отсутствие подвижных, либо трущихся в дозируемой жидкости частей, простоту и надежность конструкции и практически неограниченные возможности по регулированию расхода и величины дозы дозируемой жидкости.

Описанные выше особенности конструкции ПД позволяют использовать его для точного дозирования жидкостей с обеспечением повышенных требований по чистоте и ограничений по сопутствующим воздействиям со стороны дозатора на дозируемую жидкость.

Изобретение используется в областях техники, связанных с необходимостью точной дозировки жидкостей с повышенными требованиями по чистоте и ограничениями по тепловым, электромагнитным и т.п. воздействиям. Технический результат - сведение к минимуму сопутствующего воздействия со стороны дозатора на дозируемую жидкость, исключение из конструкции дозатора частей, движущихся в дозируемой жидкости в процессе его работы, снижение погрешности периода выдачи и массы доз за счет упрощения конструкции управления процессом дозирования. Перистальтический дозатор жидкости содержит рабочую емкость с входным и выходным штуцерами, при этом выходной штуцер выполнен в виде съемной фильеры, в которой выполнено по крайней мере одно дозировочное отверстие заданного диаметра, имеющее запорное устройство. Рабочая емкость в верхней части через штуцер, запираемый малорасходным вентилем, сообщена с атмосферой, а на входной штуцер установлен вентиль. 2 ил.

Перистальтический дозатор жидкости, содержащий рабочую емкость с входным и выходным штуцерами, отличающийся тем, что выходной штуцер выполнен в виде съемной фильеры, в которой выполнено по крайней мере одно дозировочное отверстие заданного диаметра, имеющее запорное устройство, рабочая емкость в верхней части через штуцер, запираемый малорасходным вентилем, сообщена с атмосферой, а на входной штуцер установлен вентиль.