СПОСОБ ЗАДАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В КОНТРОЛИРУЕМОМ ОБЪЕМЕ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01L27/02 G05D16/00 

Изобретения относятся к метрологическому оборудованию обеспечения приборов давления и могут применяться для автоматизации процедуры калибровки и поверки и также могут использоваться для точного поддержания давления в небольшой емкости в химической, биохимической и других отраслях промышленности.

Известны способ и установка для задания давления в контролируемом объеме, описанные в п. США №5142483 и выбранные в качестве аналога.

Известная установка содержит последовательно соединенные газовый источник давления, регулятор, входной и выходной сервоклапаны и включенный между сервоклапанами параллельно им сервоклапан, выход которого соединен с контролируемым объемом и с магистралью между сервоклапанами.

Известный способ заключается в том, что от газового источника давления его подают через регулятор и входной сервоклапан, а также сервоконтроллер в контролируемый объем. Это приводит к тому, что в контролируемом объеме давление изменяется или «осциллирует» около среднего значения и невозможно получить точно стабильное давление, поскольку контролируемый объем всегда находится под влиянием сервоконтроллера, который постоянно подстраивается под установленную величину. Известно, что использование цифровых сигналов позволяет с большей скоростью, чем аналоговыми сигналами, управлять открыванием и закрыванием клапанов, однако этот подход требует высокоскоростных и высокомощных входного и выходного клапанов, что приводит к высокой стоимости и большому потреблению мощности устройства. Наиболее близкими по технической сущности к заявляемым являются способ задания давления и устройство для его осуществления, описанные в п. США №5142483 по кл. G06F 15/20, з. 24.04.90, оп. 15.04.92 и выбранные в качестве прототипа.

Известный способ включает:

1) кратковременное открывание "быстрого" впускного клапана для быстрого увеличения давления в контролируемом объеме, кратковременное открывание "медленного" впускного клапана для медленного увеличения давления в контролируемом объеме, кратковременное открывание "быстрого" выпускного клапана для быстрого уменьшения давления в контролируемом объеме, кратковременное открывание "медленного" выпускного клапана для медленного уменьшения давления в контролируемом объеме;

2) обеспечение медленного увеличения и уменьшения давления "медленным" впускным и "медленным" выпускным клапанами соответственно за счет дросселирования клапанов;

3) ограничение перепада давления на впускных и выпускных клапанах установкой последовательно с ними впускного и выпускного пневморегулятора расхода;

4) установление давления в три этапа:

а) грубое установление давления, при этом открываются одновременно "быстрый" и "медленный" клапан, давление в емкости непрерывно контролируется, и при достижении значения X1 происходит переход на следующий этап;

б) на этом этапе "быстрый" клапан закрывается и остается открытым только "медленный" клапан, и по достижении уровня давления Х2 в емкости происходит переход на этап прецизионного поддержания давления;

в) этап прецизионного поддержания давления - на этом этапе происходит дифференциальное открывание "медленного" впускного и "медленного" выпускного клапанов, причем разница времен открытого состояния этих клапанов, так называемое время перекрытия, вычисляется из выражения Δt = Pulse width + offset, где Pulse width - величина, пропорциональная необходимому изменению давления и скорости нарастания давления при открытии клапана, offset - величина смещения времени, характеризующая разницу действительных времен открытого состояния впускного и выпускного клапанов при одинаковых внешних условиях.

В известном способе давление регулируется за счет разности расхода газа через входной и выходной клапаны, причем расход газа через клапаны задается изменением состояния клапанов, при этом для увеличения разрешающей способности клапаны часто открыты одновременно.

Недостатком способа является сложность реализации из-за применения механического регулятора расхода и неэкономичность за счет постоянного расхода газа, необходимого для поддержания номинального режима работы пневморегулятора, и за счет дополнительного расхода газа при регулировании, т.к. времена открытого состояния впускного и выпускного клапанов перекрываются.

Известная установка содержит источник газа, связанный через входной пневморегулятор потока с параллельно соединенными "быстрым" и "медленным" впускными клапанами, выходы впускных клапанов соединяются с рабочей камерой, в которой регулируется давление, и со входами параллельно соединенных "быстрого" и "медленного" выходных клапанов, выходы которых подключаются в выходному пневморегулятору потока, соединенному с атмосферой или с источником вакуума, в рабочей камере установлен датчик давления, выход входного пневморегулятора расхода соединен со входом выходного через дроссель в обход клапанов и рабочей емкости.

Недостатком является конструктивная сложность установки регулирования, обусловленная сложной конструкцией некоторых входящих в нее элементов (например, пневморегуляторов расхода), также недостатком является постоянный расход газа, необходимый для номинальной работы пневморегуляторов потока.

Задачей заявляемых технических решений является упрощение способа и конструкции и повышение экономичности.

Поставленная задача решается тем, что:

- в способе задания давления в контролируемом объеме, заключающемся в том, что с помощью схемы регулирования давления и трубопроводной магистрали задают «грубо» установленное значение давления в контролируемом объеме, затем периодически замеряют в нем давление и, при отклонении его величины от заданной вычисляют количество сжатого газа, которое необходимо ввести в контролируемый объем или удалить из него и, подавая или удаляя необходимое количество газа с помощью схемы регулирования до достижения в контролируемом объеме давления, которое затем «прецизионно» поддерживают, для того чтобы обеспечить его в контролируемом объеме, согласно изобретению, «прецизионное» регулирование величины давления в контролируемом объеме производят параллельно с поддержанием давления в схеме регулирования, для чего параллельно замеряют давление в ней и в контролируемом объеме, сравнивают их значения друг с другом, поддерживают давление в контролируемом объеме близким к установленному и изменяют давление в схеме регулирования так, чтобы разность давлений в схеме регулирования и в контролируемом объеме поддерживалась в пределах, обеспечивающих требуемую дискретность изменения давления в контролируемом объеме путем прямой и обратной подачи необходимого количества газа через трубопроводную магистраль, связывающую схему регулирования и контролируемый объем, при этом для уменьшения минимальной порции газа применяют последовательное открывание клапанов, входящих в схему регулирования, и последовательное их открывание с перекрытием во времени.

- в установке для задания давления в контролируемом объеме, содержащей рабочую емкость, снабженную датчиком давления и связанную с контролируемым объемом, схему регулирования, включающую трубопроводную магистраль для прохождения газа, впускные и выпускные клапаны, а также систему управления, согласно изобретению, схема регулирования включает в себя последовательно соединенные входную группу клапанов, предварительную емкость и группу перепускных клапанов, при этом входная группа клапанов состоит из 3-х соединенных звездой клапанов: впускного, соединенного с источником высокого давления, выпускного, соединенного с источником низкого давления или с атмосферой, и отсечного, соединенного с предварительной емкостью, снабженной вторым датчиком давления, а группа перепускных клапанов состоит из 2-х соединенных последовательно клапанов, подключенных через трубопроводную магистраль к рабочей и предварительной емкостям, а система управления соединена с датчиками и клапанами.

Использование в способе при прецизионном регулировании величины давления промежуточной стабилизации давления в самой схеме регулирования с параллельным замером давления в ней и в контролируемом объеме, сравнение их между собой и изменение давления в схеме регулирования путем прямой и обратной подачи вычисленного необходимого количества газа для поддержания в необходимых пределах разности давлений в схеме регулирования и в контролируемом объеме уменьшает расход газа и упрощает конструкцию для реализации данного способа при хорошей стабильности регулирования и необходимой его дискретности. Обеспечение последовательного пропускания газа через два клапана и открывания их с перекрытием во времени уменьшает расход газа в сравнении с прототипом, т.к. такое включение позволяет сократить эффективное время открытого состояния клапанов и не выбрасывать излишек газа в атмосферу.

В установке выполнение схемы регулирования из последовательно соединенных входной группы клапанов, предварительной емкости и группы перепускных клапанов при последовательном соединении ее с рабочей емкостью (давление в которой является фактически давлением в контролируемом объеме), в совокупности с выполнением входной группы клапанов из соединенных звездой впускного, соединенного с источником высокого давления, выпускного, соединенного с источником низкого давления или атмосферой, и отсечного, соединенного предварительной емкостью в совокупности с перепускной группой клапанов, включенных последовательно между предварительной и рабочей емкостями, и соединением схемы управления с датчиками давления и клапанами обеспечивает достижение заданного результата - значительно упрощает конструкцию установки и снижает расход газа.

Технический результат - упрощение конструкции и снижение расхода газа.

Заявляемый способ задания давления в контролируемом объеме обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него наличием таких существенных признаков как использование при прецизионном регулировании промежуточной стабилизации давления в самой схеме регулирования, параллельный замер давления в ней и в контролируемом объеме, сравнение их величин друг с другом, поддержание разности давлений в схеме регулирования и контролируемом объеме в пределах, обеспечивающих необходимую дискретность регулирования давления в контролируемом объеме, регулирование давления в контролируемом объеме путем прямой и обратной подачи вычисленного необходимого количества газа через трубопроводную магистраль, последовательное пропускание газа через два клапана и открывание их с перекрытием во времени, позволяющие в совокупности получить заданный результат.

Заявляемая установка обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как выполнение схемы регулирования из последовательно соединенных входной группы клапанов, предварительной емкости, снабженной своим датчиком давления, и группы перепускных клапанов, выполнение группы входных клапанов из трех, соединенных звездой, входной из которых соединен с источником высокого давления, выходной - с источником низкого давления или атмосферой, а отсечной клапан - предварительной емкостью, соединенной с рабочей емкостью через перепускную клапанную группу, состоящую из 2-х последовательно включенных клапанов, позволяет для обеих групп клапанов всегда пропускать газ последовательно через два клапана и осуществлять открывание их с перекрытием во времени, что обеспечивает в совокупности достижение заданного результата.

Заявителю неизвестны технические решения для задания давления в контролируемом объеме, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающие получение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемый способ и установка для задания давления в контролируемом объеме соответствуют критерию «изобретательский уровень».

Заявляемый способ задания давления в контролируемом объеме и установка для его осуществления могут найти широкое применение в качестве метрологического оборудования для обеспечения приборов давления и могут применяться для автоматизации процедуры калибровки и поверки и также могут использоваться для точного поддержания давления в небольших емкостях в химической, биохимической и других отраслях промышленности, а поэтому соответствуют критерию «промышленная применимость».

Изобретения иллюстрируются чертежом, где представлена функциональная схема установки для осуществления способа задания давления в контролируемом объеме.

Заявляемый способ задания давления в контролируемом объеме заключается в следующем.

С помощью связанной с контролируемым объемом схемы регулирования и трубопроводной магистрали обеспечивают в контролируемом объеме заранее установленный уровень давления, для чего периодически замеряют параллельно давление в схеме регулирования и в контролируемом объеме и сравнивают их друг с другом и величины давления с заранее установленным уровнем. При отклонении величины давления в контролируемом объеме от заранее установленного уровня вычисляют количество газа, которое необходимо ввести в контролируемом объеме или удалить из него с тем, чтобы установить в нем давление, равное установленному уровню, при этом в схеме регулирования поддерживается давление выше давления в контролируемом объеме, если необходимо увеличивать давление в контролируемом объеме, или ниже, если необходимо уменьшать. Разность давлений между схемой регулирования и контролируемым объемом поддерживается такой достаточно малой, чтобы обеспечивалась необходимая дискретность регулирования давления в контролируемом объеме, при этом регулирование давления осуществляется путем прямой и обратной подачи необходимого количества газа, а для уменьшения минимальной порции газа применяют подачу газа последовательно через два клапана и открывание клапанов с перекрытием во времени. Таким образом, эффективное время открытого состояния клапанов уменьшается до величины, существенно меньшей минимального времени срабатывания клапанов

Установка для задания давления в контролируемом объеме содержит последовательно соединенные входной вентиль 1, схему 2 регулирования, включающую последовательно соединенные входную группу 3 клапанов, предварительную емкость 4, группу 5 перепускных клапанов и рабочую емкость 6, выходной вентиль 7, а также систему 8 управления. Входная группа 3 клапанов содержит соединенные звездой впускной клапан 9, подключенный к источнику 10 высокого давления, выпускной клапан 11, подключенный к источнику 12 низкого давления или сообщающийся с атмосферой, и отсечной клапан 13, соединенный с предварительной емкостью 4, снабженной датчиком 14 давления. Предварительная емкость 4 соединена через последовательно соединенные перепускные клапаны 15 и 16 с рабочей емкостью 6, снабженной датчиком 17 давления. Рабочая емкость 6 через выходной вентиль 7 соединена с контролируемым объемом 18. Установка включает также трубопроводную магистраль 19 и систему 8 управления, связанную со всеми клапанами и датчиками давления.

Способ задания давления в контролируемом объеме осуществляется с помощью установки следующим образом.

Основой метода является двойное параллельное регулирование давления в двух емкостях - предварительной и рабочей. Параллельно поддерживают (грубо) давление в схеме 2 регулирования и прецизионно в рабочей емкости 6, т.е фактически в контролируемом объеме. Давление в рабочей емкости 6 поддерживается близким к уставке, а давление в предварительной емкости 4 поддерживается таким, чтобы перепад давления между рабочей и предварительной емкостями 6 и 4 был в некотором диапазоне. Величина верхней и нижней границ диапазона определяется из соотношения минимального эффективного времени открывания группы перепускных клапанов и необходимого изменения давления в рабочей емкости 6. Таким образом, перепад давления при выходе на режим поддержания зависит от разницы между текущим и целевым давлением в рабочей емкости 6, а при поддержании давления вблизи целевого - от минимальной допустимой флуктуации давления в рабочей емкости 6.

При этом для обеспечения высокой разрешающей способности (малой дискретности) и стабильности регулирования, т.е. уменьшения эффективного времени открытого состояния клапанов, без увеличения расхода газа, используется их последовательное соединение. Клапаны при таком соединении открываются с перекрытием во времени; величина этого перекрытия определяет эффективное время открытого состояния клапанов. Таким образом, можно получить эффективное время открытого состояния клапанов, существенно меньше минимального времени срабатывания клапана.

В рабочей емкости 6 поддерживается целевое давление, контролируемое прецизионным датчиком 17 давления. Управление давлением в рабочей емкости 6 осуществляется с помощью группы 5 перепускных клапанов, которая состоит из двух клапанов 15 и 16. При этом клапаны 15 и 16 в группе 5 могут открываться одновременно при необходимости больших изменений давления в рабочей емкости 6 или с перекрытием по времени, если требуется малое изменение давления в рабочей емкости 6 и необходимое эффективное время открытого состояния клапанов меньше, чем фактическое время их срабатывания. При этом минимальное изменение давления в рабочей емкости 6 при определенном перепаде давления на группе 5 ограничивается "мертвым" объемом соединений между клапанами 15 и 16, следовательно, этот объем должен быть минимальным.

Целевое давление в предварительной емкости 4 определяется из необходимого перепада давлений на группе 5 перепускных клапанов, целевого и текущего давления в рабочей емкости 6. Управление давлением в предварительной емкости 4 осуществляется входной группой 3 клапанов, состоящей из впускного 9, выпускного 11 и отсечного 13 клапанов. При этом два клапана (впускной и отсечной или выпускной и отсечной) в этой группе открываются либо одновременно, если необходимы большие изменения давления в предварительной емкости 4, или с перекрытием по времени, если требуется малое изменение давления в предварительной емкости 4 и необходимое эффективное время открытого состояния клапанов меньше, чем фактическое время их срабатывания. При необходимости увеличения давления в предварительной емкости 4 работают впускной и отсечной клапаны 9 и 13, при необходимости уменьшения - выпускной и отсечной клапаны 11 и 13.

Управление клапанами, измерение давления и вычисление необходимых времен открытия клапанов осуществляет система 8 управления.

От источников 10 и 12 входного давления устройство может отсекаться с помощью входного вентиля 1, а от контролируемого объема 18 - выходным вентилем 7.

В сравнении с прототипом заявляемые способ и установка для задания давления в контролируемом объеме являются более простыми по воплощению и менее расходными.

Изобретение относится к метрологическому оборудованию обеспечения приборов давления и может применяться для автоматизации процедуры калибровки и поверки, а также для точного поддержания давления в небольшой емкости в химической, биохимической и других отраслях промышленности. Техническим результатом является упрощение способа и конструкции и повышение экономичности. С помощью связанной с контролируемым объемом схемы регулирования обеспечивают в контролируемом объеме заранее установленный уровень давления, для чего периодически замеряют параллельно давление в схеме регулирования и в контролируемом объеме и сравнивают их друг с другом и величины давления с заранее установленным уровнем. При отклонении величины давления в контролируемом объеме вычисляют количество газа, которое необходимо ввести в контролируемый объем или удалить из него с тем, чтобы установить в нем давление, равное установленному уровню. При этом в схеме регулирования поддерживается давление выше давления в контролируемом объеме, если необходимо увеличивать давление в контролируемом объеме, или ниже, если необходимо уменьшать. Разность давлений между схемой регулирования и контролируемым объемом поддерживается достаточно малой. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ задания давления в контролируемом объеме, заключающийся в том, что с помощью схемы регулирования давления и трубопроводной магистрали задают «грубо» установленное значение давления в контролируемом объеме, затем периодически замеряют в нем давление и, при отклонении его величины от заданной, вычисляют количество сжатого газа, которое необходимо ввести в контролируемом объеме или удалить из него, и подавая или удаляя необходимое количество газа с помощью схемы регулирования до достижения в контролируемом объеме давления, которое затем «прецизионно» поддерживают, для того, чтобы обеспечить его в контролируемом объеме, отличающийся тем, что «прецизионное» регулирование величины давления в контролируемом объеме производят параллельно с поддержанием давления в схеме регулирования, для чего параллельно замеряют давление в ней и в контролируемом объеме, сравнивают их значения друг с другом, поддерживают давление в контролируемом объеме близким к установленному и изменяют давление в схеме регулирования так, чтобы разность давлений в схеме регулирования и в контролируемом объеме поддерживалась в пределах, обеспечивающих требуемую дискретность изменения давления в контролируемом объеме путем прямой и обратной подачи необходимого количества газа через трубопроводную магистраль, связывающую схему регулирования и контролируемый объем, при этом для уменьшения минимальной порции газа его всегда пропускают последовательно через два клапана и открывают их с перекрытием по времени.2. Установка для задания давления в контролируемом объеме, содержащая рабочую емкость, снабженную датчиком давления и связанную с контролируемым объемом, схему регулирования, включающую трубопроводную магистраль для прохождения газа, впускные и выпускные клапаны, а также систему управления, отличающаяся тем, что схема регулирования включает в себя последовательно соединенные входную группу клапанов, предварительную емкость и группу перепускных клапанов, при этом входная группа клапанов состоит из 3-х соединенных звездой клапанов: впускного, соединенного с источником высокого давления, выпускного, соединенного с источником низкого давления или с атмосферой, и отсечного, соединенного с предварительной емкостью, снабженной вторым датчиком давления, группа перепускных клапанов состоит из 2-х соединенных последовательно клапанов, подключенных через трубопроводную магистраль к рабочей и предварительной емкостям, а система управления соединена с датчиками и клапанами.