УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ РАСХОДА ГАЗА Российский патент 2006 года по МПК G05D7/06 G05D7/01 G01F1/68 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к пневмоавтоматике для регулирования и поддержания постоянного расхода газа, и может быть использовано в приборах для научных исследований, в медицинских приборах, в газовой и других отраслях промышленности.

Известно устройство регулятора расхода газа, по патенту США №4437489, Кл. МПК⁷ F 16 К 31/02, НКИ США 137-487.5, содержащее запорные устройства, блок управления и датчики расхода газа.

Известный регулятор задает массовый расход газа. В процессе регулирования с помощью трех запорных устройств, переключаемых по специальному алгоритму, газ прокачивается контролируемыми порциями через рабочий и эталонный объемы. Недостаток известного регулятора расхода газа заключается в сложной конструкции и больших габаритах. Это не позволяет использовать его в ряде устройств, в частности в портативной аппаратуре, где требуется регулятор небольших размеров и простой конструкции, обеспечивающий стабилизируемый объемный расход газа.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является стабилизатор объемного расхода воздуха, опубликованный в журнале «Приборы и техника эксперимента» 2001 г., №2, стр.139, содержащий запорное устройство, блок управления и датчик расхода газа.

В известном устройстве под действием заданного газового потока поплавок ротаметра занимает в трубке определенное положение (точку стабилизации). Положение поплавка определяется с помощью двух фотодиодов и осветителя. Осветитель установлен по одну сторону трубки напротив поплавка. Фотодиоды расположены по другую сторону трубки симметричным образом относительно точки стабилизации так, чтобы их выходные токи были равны. Токи фотодиодов поступают на прямой и инверсный входы дифференциального усилителя, управляющего работой электродвигателя, который, в свою очередь, с помощью редуктора меняет положение вентиля запорного устройства. При отклонении поплавка ротаметра от точки стабилизации меняется освещенность фотодиодов и соответственно их выходные токи. В результате на выходе дифференциального усилителя вырабатывается сигнал разбаланса, соответствующей полярности, который включает электродвигатель постоянного тока. Перемещение вентиля происходит до тех пор, пока поплавок не займет положение, соответствующее точке стабилизации.

Однако согласно техническим условиям на ротаметр его исправная работа возможна только в вертикальном положении, что снижает надежность известного устройства, особенно в мобильных условиях эксплуатации.

Кроме того, поплавок ротаметра весьма чувствителен к внешним механическим воздействиям. Вызываемые ими смещения поплавка приводят к ложной корректировке расхода, а при сильных толчках поплавок вообще выходит из поля зрения фотодиодов, что ведет к срыву регулирования по сигналу обратной связи. В результате снижается точность и надежность устройства по прототипу.

Известное устройство предназначено для задания и стабилизации одного значения расхода. Для обеспечения работы в широком диапазоне расходов требуется использование целой линейки из осветителей и фотодиодов или дополнительный узел, перемещающий осветитель с двумя фотодиодами, что также снижает надежность и усложняет устройство.

В прототипе конструкция, включающая электродвигатель, редуктор и запорное устройство на основе вентиля, имеет большое время запаздывания, высокую сложность и большие габариты. Это снижает точность при резких изменениях давления газа на входе устройства или сопротивления нагрузки, а также ограничивает применение известного стабилизатора расхода в портативных приборах.

При создании заявляемого устройства решалась задача создания устройства для стабилизации расхода газа в широком диапазоне, пригодного для применения в мобильных условиях эксплуатации.

Техническим результатом при решении данной задачи являлось увеличение надежности и точности стабилизации расхода газа, уменьшение габаритов и упрощение конструкции.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством стабилизации расхода газа, содержащим запорное устройство, блок управления и датчик расхода газа, оно дополнительно содержит ресивер, который через входной пневмодроссель соединен с выходом запорного устройства, а через выходной пневмодроссель соединен с входом датчика расхода, сигнальным выходом подключенным к входу блока управления, причем датчик расхода выполнен в виде термоанемометра, а запорное устройство выполнено в виде электромагнитного клапана, управление которым осуществляется импульсным сигналом блока управления.

Принцип действия заявляемого устройства основан на периодическом прерывании потока в газовой магистрали электромагнитным клапаном. С выхода блока управления на обмотку катушки электромагнитного клапана с постоянной частотой следования подаются управляющие импульсы, который открывают электромагнитный клапан на время пропорциональное задаваемому расходу газа. Для сглаживания пульсаций расхода используется ресивер с пневмодросселями. Сглаживание пульсаций осуществляется накоплением газа при избыточном давлении в ресивере. Входной пневмодроссель служит для ограничения потока газа, поступающего в ресивер через электромагнитный клапан. Выходным пневмодросселем ограничивается сброс газа из ресивера в нагрузку. Для измерения газового расхода применяется термоанемометрический датчик, выходное напряжение которого поступает в блок управления, где сравнивается с опорным напряжением. В результате вырабатывается сигнал разбаланса, управляющий длительностью импульсов, которые, в свою очередь, управляют запорным устройством.

При отклонении величины расхода от заданной формируется сигнал разбаланса соответствующей полярности, увеличивающий или уменьшающий длительность управляющего импульса. В устройстве стабилизации используется отрицательная обратная связь. Поэтому процесс изменения времени открытого состояния электромагнитного клапана происходит до тех пор, пока величина расхода не примет заданное значение.

В заявляемом устройстве импульсный принцип регулирования позволяет увеличить скорость реакции устройства, так как управление запорным устройством осуществляется электрическими импульсами, следующими с высокой частотой повторения. В результате при изменении расхода, вызванного резкими изменениями входного давления или сопротивления нагрузки, устройство успевает выполнить соответствующую коррекцию, восстанавливая заданную величину расхода, что повышает точность.

Выполнение запорного устройства в виде электромагнитного клапана, а не в виде вентиля, приводимого в движение электродвигателем через редуктор, повышает быстродействие устройства и тем самым повышает точность. Кроме того, уменьшаются габариты.

Задание точки стабилизации осуществляется опорным напряжением, то есть исключительно электронным способом. По сравнению с фотоэлектрическим методом, основанным на перекрытии луча света поплавком ротаметра, это конструктивно проще, особенно в случае регулирования расхода в широком диапазоне, когда задается большое количество точек стабилизации. Кроме того, за счет исключения трудоемкой операции по юстировке оптической системы упрощается настройка устройства.

Для измерения расхода используется зависимость между скоростью газового потока и теплоотдачей тонкой проволочки, находящейся в потоке и нагретой электрическим током, что уменьшает инерционность и повышает точность. Исключение из конструкции датчика подвижного поплавка, требующего при эксплуатации сохранения точной соосности с конической трубкой, обеспечивает возможность работы устройства в любом положении, способствует большей устойчивости к влиянию различных механических воздействий, что повышает надежность.

В результате заявляемое устройство в мобильных условиях эксплуатации позволяет задавать и стабилизировать расход газа в широком диапазоне.

На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства для стабилизации расхода газа. Для пояснения в примере реализации работы устройства на фиг.2 изображены эскизы электромагнитного клапана, ресивера и пневмодросселей, на фиг.3 приведена структурная схема блока управления, на фиг.4 приведена структурная схема датчика расхода.

На приведенных фигурах использованы следующие обозначения: U - амплитуда сигнала на выходе датчика расхода; U_оп - напряжение на выходе задатчика расхода; ΔU - сигнал рассогласования; R - резисторы в плечах измерительного моста; Т - период следования управляющих импульсов; Т_и - длительность управляющего импульса.

Заявляемое устройство для стабилизации расхода газа (фиг.1) содержит запорное устройство 1, блок управления 2, датчик расхода газа 3. Кроме того, устройство дополнительно включает ресивер 4, который через входной пневмодроссель 5 подключен к выходу выполненного в виде электромагнитного клапана запорного устройства 1, а через выходной пневмодроссель 6 соединен с входом термоанемометрического датчика расхода 3. Сигнальный выход датчика расхода 3 подключен к входу блока управления 2, импульсный сигнал которого управляет электромагнитным клапаном.

Устройство для стабилизации расхода газа работает следующим образом. Из магистрали на вход запорного устройства 1 поступает под давлением газ. На обмотку запорного устройства 1, выполненного в виде электромагнитного клапана, с выхода блока управления 2 подаются электрические импульсы с длительностью Т_и и периодом следования Т. В течение времени Т_и газ через входной пневмодроссель 5 попадает в ресивер 4, повышая в нем давление, а в течение всего времени Т через выходной пневмодроссель 6 выходит из него. Сечения пневмодросселей 5, 6 подобраны так, чтобы в интервале Т_и давление в ресивере 4 подрастало, а в интервале t=Т-Т_и давление снижалось. В зависимости от соотношения интервалов времени Т_и и t, входного давления и газового сопротивления нагрузки в ресивере устанавливается давление, колеблющееся около некоторого среднего значения Р_ср. В дросселях объемный расход газа V на выходе пропорционален разности квадратов давления на входе и выходе, то есть V˜Р² _вх-Р² _вых. Поэтому на выходе пневмодросселя 6 расход газа также изменяется около средней величины V_cp в пределах Δ=V_макс-V_мин. Объем ресивера рассчитан из условия, чтобы в рабочем диапазоне расходов V разность Δ была много меньше V_cp.

Из ресивера 4 газ попадает в термоанемометрический датчик 3. В нем от объемной скорости (расхода) зависит количество теплоты, передаваемой потоку газа нагретой проволочкой, и соответственно ее сопротивление. Последнее преобразуется в электрический сигнал, поступающий на вход блока управления 2. Блок управления вырабатывает импульсы длительностью Т_и, устанавливаемой при настройке устройства на задаваемый расход при постоянном входном давлении и отсутствии нагрузки, то есть свободном истечении газа в атмосферу. Заданному в этих условиях расходу соответствует сигнал датчика 3 величиной U_оп (опорная), которая хранится в блоке управления. В процессе работы к устройству подключаются различные нагрузки с переменным сопротивлением, а в газовой магистрали происходят колебания давления, что вызывает изменение установленного расхода и соответственно отклонение сигнала U датчика 3 от опорного U_оп. В блоке управления отклонение U-U_оп и длительность Т_и связаны отрицательной обратной зависимостью: если U-U_оп>0, то длительность импульсов управления Т_и уменьшается, если U-U_оп<0, то Т_и увеличивается. Процесс коррекции Т_и заканчивается, когда U сравнивается с U_оп; возвращая тем самым расход к заданной величине. Следует отметить, что сравнение U с U_оп производится с точностью ±δ. Задавая таким образом целый ряд Т_и и соответствующих им U_оп, предлагаемое устройство обеспечивает возможность регулирования и стабилизации расхода газа в широких пределах.

В реализованном устройстве для стабилизации расхода газа, выполненном в виде электромагнитного клапана, запорное устройство, ресивер, входной и выходной пневмодроссели выполнены единым блоком (фиг.2), входом подключенным к газовой магистрали, а выходом соединенным с входом термоанемометрического датчика расхода (фиг.4), сигнальный выход которого подключен к входу блока управления (фиг.3), формирующим электрические импульсы, управляющие электромагнитным клапаном. Выход датчика расхода соединен с нагрузкой.

Запорное устройство 1 (фиг.2) выполнено в виде электромагнитного клапана. Корпус 7, крышка 8 и якорь 9, изготовленные из сплава 36КНМ, образуют магнитопровод с воздушным зазором. Причем якорь 9 выполняет также роль затвора. Якорь 9 поджат пружиной 10 к седлу 11 и перемещается в трубке 12. Седло 11 изготовлено из ПВХ, трубка 12 изготовлена из нержавеющей стали. Седло 11 через пробку 13 опирается на гайку 14. Герметичность электромагнитного клапана обеспечивается прокладками 15, 16. На капролоновом каркасе намотана катушка 17 электромагнита. Выводы катушки продеты в отверстие в крышке 8. В запорное устройство газ подается через штуцер в центре крышки 8.

Корпус ресивера 4 (фиг.2) изготовлен из ПВХ шланга 18, армированного полиэфирной нитью. Левой стенкой ресивера 4 служит гайка 14. Для обеспечения герметичности с гайкой 14 и правой стенкой 19 шланг 18 обжимается хомутами 20. Из ресивера газ выводится через выходной штуцер 21.

Входной пневмодроссель 5 (фиг.2) и выходной пневмодроссель 6 выполнены в виде медицинских игл со снятым присоединительным конусом. Пневмодроссель 5 соединяет внутренние объемы электромагнитного клапана и ресивера. Седло 11 и уплотняющая шайба 23 из ПВХ обеспечивают герметичность клапана. Выходной пневмодроссель 6 расположен внутри штуцера 21, стенки 19 и частично выходит в объем ресивера. Шайбы 22, 24 из ПВХ обеспечивают герметичность этой сборки.

Блок управления 2 (фиг.3) включает схему сравнения 25, задатчик расхода 26 и формирователь управляющих импульсов 27. Первый вход схемы сравнения 25 подключен к сигнальному выходу датчика расхода 3. Второй вход схемы сравнения 25 соединен с выходом задатчика расхода 26, который также соединен с задающим входом формирователя импульсов 27. Управляющий вход формирователя импульсов 27 подключен к выходу схемы сравнения 25, а выход формирователя импульсов 27 подключен к катушке запорного устройства 1.

Термоанемометрический датчик расхода 3 (фиг.4) состоит из чувствительного элемента 28 (нагревателя) в виде платиновой или вольфрамовой нити, измерительного моста 29, включающего четыре резистивных плеча R, усилителя сигнала 30, источника питания 31 и пластмассовой кюветы 32. Чувствительный элемент 28 размещен в кювете 32, вход которой соединен с выходом пневмодросселя 6, а выход подключен к нагрузке. Чувствительный элемент 28 включен в одно из плеч измерительного моста 29, к одной диагонали которого подключен усилитель сигнала 30, а к другой диагонали подключен источник питания 31. Выход усилителя сигнала 30 соединяется с входом блока управления 2.

Реализованное устройство работает следующим образом. Пусть якорь 9, как показано на фиг.2, поджат к седлу 11 пружиной 10. Поступающий через штуцер крышки 8 газ заполняет под давлением внутренний объем трубки 12 и оказывает дополнительное усилие на якорь 9, удерживая клапан в закрытом состоянии. Появление сигнала управления длительностью Т_и на обмотке катушки 17 вызывает перемещение якоря 9 в крайнее левое положение. При этом газ через пазы якоря 9 заполняет его полость, следуя далее во входной пневмодроссель 5. Через время Т_и импульс управления обрывается и под действием пружины 10 якорь 9 вновь перемещается в крайнее правое положение. При этом доступ газа в ресивер прекращается до прихода в момент Т следующего управляющего импульса. Пневмодроссель 5 ограничивает скорость втекающего в ресивер потока V₁, обеспечивая возможность заполнения ресивера контролируемыми порциями газа. Через пневмодроссель 6 газ свободно вытекает из ресивера со скоростью потока V₂. Скорость потока на выходе пневмодросселей зависит от соотношения входных и выходных давлений. По мере нарастания давления в ресивере V₁ уменьшается, а V₂ увеличивается. В результате при постоянном давлении Р_м=Р₀ в магистрали и неизменном сопротивлении нагрузки R_н=R₀ система приходит в динамическое равновесие. Поступление газа в ресивер в течение каждого управляющего импульса длительностью Т_и компенсируется его сбросом в нагрузку. При этом давление в ресивере колеблется от максимального Р_макс в моменты Т_и до минимальной величины Р_мин в моменты Т. Ресивер 4 выполняет роль накопителя, обеспечивающего среднюю величину давления P_ср много больше разности Р_макс-Р_мин. Среднему давлению Р_ср соответствует на выходе пневмодросселя 6 средняя скорость потока V_cp±Δ/2, где Δ=V_макс-V_мин много меньше V_cp.

Для измерения объемной скорости потока (расхода) газ протекает через кювету 32 (Фиг.4), в которой установлен чувствительный элемент 28, нагреваемый током от источника питания 31. Поток газа со скоростью V_cp охлаждает чувствительный элемент 28, уменьшая его сопротивление на величину Δr_ср, что приводит к появлению сигнала U_cp на выходе усилителя 30. Так как Δr_ср много меньше R, то U_cp=Δr_cpKU_пит/4R, где U_пит - напряжение питания источника 31, К - коэффициент усиления.

В блоке управления 2 задатчик расхода 26 вырабатывает опорный сигнал U_оп=U_cp, под действием которого формирователь импульсов 27 генерирует управляющие сигналы длительностью Т_и. Как отмечалось выше именно такая длительность обеспечивает при Р_м=Р₀ и R_н=R₀ расход V_ср. Схема сравнения 25 на основании сравнения амплитуд сигналов U_cp и U_оп формирует сигнал рассогласования ΔU, под действием которого формирователь 27 корректирует длительность Т_и управляющих сигналов. Если сигнал рассогласования ΔU>0, то длительность Т_и будет уменьшена, если ΔU<0, то Т_и будет увеличена на соответствующую ΔU величину. В случае ΔU=0±δ длительность Т_и изменению не подвергается. Отрицательная связь между ΔU и Т_и ведет к стабилизации расхода.

Пусть, например из-за уменьшения сопротивления нагрузки, скорость потока V_cp возросла на величину v. Это вызывает увеличение сигнала U_cp датчика расхода 3 на величину u и на выходе схемы сравнения 25 формируется сигнал рассогласования, равный ΔU=U_cp-U_оп=u. В формирователе 27 напряжение u преобразуется во временной интервал t, который вычитается из Т_и. Сокращение длительности управляющих импульсов влечет за собой уменьшение времени открытого состояния электромагнитного клапана 1 и соответственно снижает количество газа, поступающего в ресивер 4. Величина среднего давления Р_ср в ресивере падает, что ведет к снижению расхода на выходе натекателя 6 и уменьшению сигнала датчика 3. Вновь U_cp сравнивается с U_оп и так далее. Указанный алгоритм отрабатывается до тех пор, пока не будет достигнуто равенство U_cp=U_оп. Таким образом, измененная внешним возмущением скорость потока (расход) возвращается к заданному значению.

Задатчик расхода 26 позволяет регулировать (плавно или ступенчато) U_оп и соответственно Т_и в диапазоне от Т_мин до Т, где величина Т_мин - время срабатывания электромагнитного клапана. Поскольку Т_мин ≪Т, а выходная скорость газового потока зависит от длительности управляющих импульсов, то заявляемое устройство обеспечивает возможность регулирования и стабилизации расхода в широких пределах.

При экспериментальной отработке заявляемого устройства избыточное давление в газовой магистрали менялось от 0,6 ати до 1 ати, нагрузка варьировалась от 0 до номинальной. Импульсы управления следовали с периодом 250 мс (частота 4 Гц). Длительность управляющих импульсов изменялась от 20 мс до 200 мс.

При максимальном входном давлении 1 ати время срабатывания электромагнитного клапана не превышало 6 мс. Время реакции датчика расхода равнялось 2 мс. Его габаритные размеры составили 32 мм × 30 мм × 20 мм. При объеме ресивера, равном 0,1 л, габаритные размеры блока не превышали ⊘50 мм × 235 мм.

Заявляемое устройство исправно работало под действием вибрационных перегрузок до 20 м/сек² с частотой до 2 кГц, а также однократно следующих ударных перегрузок до 100 м/сек. Испытания проводились под напряжением питания 24 В и максимальным входным давлением.

Диапазон плавного регулирования расхода газа составлял 0,2-1 л/мин. В случае постоянного входного давления и неизменной нагрузки пульсации величины расхода были не более ±2%. При резких изменениях входного давления и нагрузки зарегистрированы броски скорости потока на ±6% от заданного значения, длительностью не более 2 сек.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет расширить по сравнению с прототипом диапазон регулирования расхода в пять раз и обеспечивает возможность эксплуатации устройства при максимально допустимых перегрузках до 100 м/сек². Это достигается упрощением конструкции, уменьшением габаритов, повышением надежности и высокими динамическими параметрами запорного устройства, выполненного в виде электромагнитного клапана, датчика расхода, выполненного в виде термоанемометра и блока управления, выполненного по схеме импульсного регулятора с заданием точки стабилизации опорным напряжением.

Устройство для стабилизации расхода содержит запорное устройство, блок управления (БУ), датчик расхода газа. Выход запорного устройства через входной пневмодроссель соединен с ресивером, который через выходной пневмодросседь соединен со входом датчика расхода, сигнальным выходом подключенного ко входу БУ. Датчик расхода выполнен в виде термоанемометра, а запорное устройство - в виде электромагнитного клапана, управление которым осуществляется импульсным сигналом переменной длительности, поступающим из БУ. Ресивер выполняет роль накопителя. Изобретение обеспечивает повышение надежности и точности регулирования в широком диапазоне в условиях резких изменений давления газа или сопротивления нагрузки, а также в условиях вибрационных и ударных перегрузок, имеет упрощенную конструкцию и уменьшенные габариты. 4 ил.

Устройство для стабилизации расхода газа, содержащее запорное устройство, блок управления и датчик расхода газа, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит ресивер, который через входной пневмодросселъ соединен с выходом запорного устройства, а через выходной пневмодроссель соединен со входом датчика расхода, сигнальным выходом подключенного ко входу блока управления, причем датчик расхода выполнен в виде термоанемометра, а запорное устройство выполнено в виде электромагнитного клапана, управление которым осуществляется импульсным сигналом блока управления.