ОБЪЕМНЫЙ ДОЗАТОР ЖИДКОСТИ С ВЕСОВЫМ КОНТРОЛЕМ Российский патент 2009 года по МПК G01F13/00 G01G13/04 

Изобретение относится к области дозирования жидкостей, преимущественно вязких и пастообразных, в том числе взрывоопасных, применяемых в производстве смесевых твердых ракетных топлив. Дозатор может применяться и в других отраслях химической промышленности, где требуется дозировка вязких жидкостей.

Дозируемая жидкость - это смесь полимерного связующего с порошкообразным металлическим наполнителем, а в ряде случаев с порошкообразным взрывчатым веществом, например октогеном. Такая жидкость в зависимости от содержания компонентов имеет вязкость от 10 до 200 Па·с (от 100 до 2000 пуаз).

Известны различные дозаторы жидкости объемного типа М.В.Соколов, А.Л.Гуревич Автоматическое дозирование жидких сред., Ленинград, "Химия", 1987 г. Известен дозатор объемного типа для вязких жидкостей патент RU №2274836. Недостатки объемных дозаторов следующие. Для обеспечения высокой точности все дозирующие устройства объемного типа требуют поддержания плотности дозируемой жидкости в заданных узких пределах.

Настройку дозаторов перед пуском проводят путем отбора контрольных навесок, т.е. каждую выданную объемным дозатором дозу взвешивают на контрольных весах, определяя ее массу. Поскольку масса дозы зависит от плотности дозируемой жидкости, то этот показатель необходимо стабилизировать за счет обеспечения постоянной температуры и исключения воздушных включений. Это вынуждает обслуживающий персонал длительное время перекачивать через дозатор дозируемую жидкость, чтобы привести температуру жидкости к заданной и поддерживать ее в жестких рамках, вакуумировать смесь, чтобы выгнать воздушные включения. При этом необходимо исключать подсос воздуха через неплотности трубопроводов, через уплотнения оборудования.

Известны весовые дозаторы жидкостей, например дозаторы Швейцарской фирмы K-TRON SODER. Они приспособлены для весового дозирования жидкостей с вязкостью от 0,002 до 2 Па·с (от 0,02 до 20 пуаз). Известен весовой дозатор для жидкостей по патенту RU №2282832. Этот дозатор перерабатывает жидкости с вязкостью до 10 Па·с (100 пуаз). Главным недостатком этих весовых дозаторов является их неработоспособность на высоковязких и пастообразных жидкостях с вязкостью от 20 до 200 Па·с (от 200 до 2000 пуаз). При дозировании таких жидкостей доза может формироваться и выдаваться из дозатора только при избыточном давлении порядка 2...5 кгс/см². Подводящие и отводящие дозируемую жидкость трубопроводы (даже если они выполнены из эластичных материалов) при наличии в них жидкости под давлением становятся очень жесткими, что не позволяет обеспечивать точный весовой контроль массы выдаваемых доз.

В объемных дозаторах, предназначенных для дозирования высоковязких и пастообразных жидких материалов, условие набора и выдачи дозы под избыточным давлением обеспечивается. За прототип принят объемный дозатор по патенту RU №2274836, МПК G01F 13/00, заявлено 04.10.2004, опубликовано 20.04.2006. В этом дозаторе набор дозы в мерный цилиндр осуществляется под давлением внешним насосом, а выдача готовой дозы в последующий технологический аппарат производится также под напором, что предусмотрено конструкцией дозатора. Дозатор состоит из дозирующего цилиндра с поршнем, распределительного устройства с каналами набора и выдачи дозы.

Дозирующий цилиндр снабжен приводом выдачи дозы, который выполнен в виде гидроцилиндра.

Основным недостатком прототипа является сложность поддержания в заданных пределах плотности дозируемой жидкости из-за изменений температуры и наличия в жидкости воздушных включений. А поскольку плотность связующего не контролируется и не регулируется в течение многосуточного периода работы дозатора в условиях его применения при приготовлении топливной массы для твердотопливных ракетных двигателей, то плотность поддерживают в пределах допустимых изменений за счет поддержания температурного режима связующего и его тщательного вакуумирования для удаления воздушных включений.

С этой целью перед включением дозатора в рабочий режим связующее из расходной емкости длительно циркулируют с помощью насоса с одновременным вакуумированием. Эта операция обычно производится в течение длительного времени - от нескольких часов до нескольких суток, что приводит к значительному увеличению цикла производства (соответственно, к снижению производительности), к повышению трудоемкости, к увеличению затрат тепловой и электрической энергии.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка дозатора для вязких жидкостей с повышенной точностью дозирования за счет автоматического весового контроля каждой дозы, выдаваемой дозатором, при этом повышается экономичность технологического процесса приготовления топливной массы за счет снижения затрат в процессе вывода дозатора на рабочий режим.

Технический результат достигается тем, что в дозатор, состоящий из дозирующего цилиндра с поршнем и штоком, из распределительного устройства с клапанами набора и выдачи дозы, а также привода выдачи дозы, введено устройство для взвешивания. Распределительное устройство снабжено отсекающим клапаном с приводом и пробкой с толкателем. Шток дозирующего цилиндра снабжен датчиком контроля хода.

Таким образом, наличие в дозаторе устройства для взвешивания каждой выдаваемой дозы позволяет обеспечить необходимую точность дозирования высоковязких жидкостей независимо от изменений плотности дозируемой жидкости в результате колебаний температуры жидкости или изменений количества воздушных включений в ней.

Это техническое решение позволяет снизить затраты на подготовку к каждому технологическому пуску за счет сокращения времени и снижения расхода энергетических ресурсов при выводе линии дозирования жидкости на рабочий режим работы.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На Фиг.1 схематически изображен предлагаемый дозатор в исходном состоянии:

1 - дозирующий цилиндр; 2 - поршень; 3 - шток; 4 - распределительное устройство; 5 - подхват; 6 - привод подхвата; 7 - силоизмерительный датчик; 8 - канал набора; 9 - датчик контроля хода штока дозирующего цилиндра; 10 - канал выдачи; 11 - клапан набора; 12 - клапан выдачи; 13 - защитная диафрагма; 14 - упор; 15 - весовое коромысло; 16 - шток привода выдачи дозы; 17 - привод выдачи дозы; 18 - противовес; 19 - отсекающий клапан; 20 - полый шток; 21 - привод клапана набора; 22 - привод клапана выдачи; 23 - привод отсекающего клапана; 24 - пробка; 25 - толкатель; 26 - привод толкателя.

На Фиг.2 схематически изображен предлагаемый дозатор на фазе взвешивания набранной дозы.

На Фиг.3 схематически изображен предлагаемый дозатор на фазе взвешивания остатка жидкости после выдачи дозы.

Объемный дозатор для жидкости с весовым контролем (Фиг.1) состоит из дозирующего цилиндра 1 с поршнем 2 и штоком 3, распределительного устройства 4 с каналами набора 8 и выдачи 10. Дозатор снабжен приводом 17 выдачи дозы со штоком 16. Свободный конец штока 3 взаимодействует с датчиком 9 контроля хода штока дозирующего цилиндра. В распределительное устройство 4 входит клапан набора 11 с приводом 21 и клапан выдачи 12 с приводом 22. Распределительное устройство 4 снабжено отсекающим клапаном 19 с приводом 23. Отсекающий клапан 19 имеет полый шток 20 с поршнем. Внутри клапана 19 имеется цилиндрическая полость, в которой с возможностью осевого перемещения размещена пробка 24. Для предотвращения попадания дозируемой жидкости в уплотнения приводов 21, 22 и 23 предусмотрены защитные диафрагмы 13.

Внутри полого штока 20 с возможностью перемещения расположен толкатель 25, который соединен с поршнем привода 26.

В состав дозатора входит весовое коромысло 15 с противовесом 18 на одном плече. Второе плечо коромысла 15 взаимодействует с силоизмерительным датчиком 7. Поджатие дозирующего цилиндра 1 к нижней плите распределительного устройства 4 производится подхватом 5 с помощью привода 6. Когда дозирующий цилиндр 1 поднят подхватом 5 и поджат к нижней плите распределительного устройства 4, коромысло 15 не взаимодействует с датчиком 7 и опирается на упор 14.

Дозатор работает следующим образом. Исходное положение механизмов дозатора показано на Фиг.1. Поршень 2 дозирующего цилиндра 1 находится в крайнем верхнем положении. Клапаны 11, 12 и 19 закрыты.

По сигналу от системы управления начинается цикл работы дозатора. При этом открывается клапан 11, затем отсекающий клапан 19. Через канал 8 из расходной емкости насосом в дозирующий цилиндр 1 нагнетается дозируемая жидкость, перемещая поршень 2 и шток 3 вниз до заданного положения, которое определяется заданной массой дозы, пересчитанной на объем и, соответственно, на ход поршня 2. Ход поршня 2 и ход жестко связанного с ним штока 3 непрерывно контролируется датчиком 9. Изменяющийся сигнал поступает в систему управления дозатором, где сравнивается с заданием. При достижении штоком 3 заданного положения система управления дает сигнал на закрытие клапанов 11 и 19. После этого дается сигнал на закрытие заполненного дозирующего цилиндра пробкой 24. В верхнюю полость гидроцилиндра привода 26 подается под давлением масло, поршень со штоком 25 перемещается вниз и, перемещая пробку 24, запирает набранную дозу жидкости в цилиндре 1. Запирание дозирующего цилиндра 1 пробкой 24 выполняется с целью исключения подтекания дозируемой жидкости с торца отсекающего клапана после опускания дозирующего цилиндра на весовое коромысло. Особенно это актуально при дозировании высоковязкой пасты, т.к. практически невозможно чисто отделить массу набранной в цилиндр жидкости от торца отсекающего клапана. Вязкая масса сосульками тянется между торцом клапана и поверхностью массы в цилиндре. При наличии в торцовой части отсечного клапана полости, в которую вставлена пробка, проблема чистого отрыва массы, находящейся в дозирующем цилиндре 1, от торца клапана 19 решается перемещением пробки 24 из полости клапана в верхнюю часть дозирующего цилиндра 1.

При запирании дозирующего цилиндра 1 поршень 2 со штоком 3 через столб набранной жидкости перемещается вниз на высоту пробки 24. Затем приводом 6 подхват 5 опускается вниз, дозирующий цилиндр 1 под своим весом также опускается и устанавливается на коромысло 15. Коромысло 15 своим левым плечом входит во взаимодействие с чувствительным элементом силоизмерительного датчика 7. Положение, когда заполненный жидкостью дозирующий цилиндр 1 опирается на коромысло 15, показано на Фиг.2.

Производится взвешивание набранной дозы жидкости. После взвешивания дозы подхват 5 с помощью привода 6 поднимает дозирующий цилиндр 1 и упирает его в нижнюю плиту распределительного устройства 4, одновременно снимая его с коромысла 15. Силоизмерительный датчик 7 разгружается, коромысло 15 опирается на упор 14. Включается в работу привод 17 выдачи дозы. Поршень со штоком 16 перемещается вверх, входит в контакт со штоком 3 дозирующего цилиндра 1 и начинает перемещать шток 3 и поршень 2 вверх вместе со столбом жидкости и пробкой 24. Как только пробка 24 поднимется и займет свое место в полости клапана 19, подается сигнал на открытие клапанов 12 и 19. Клапаны 12 и 19 открываются, шток 3 с поршнем 2 под действием штока 16 продолжают перемещаться вверх, выдавливая из цилиндра 1 через канал 10 дозу жидкости. После этого клапан 12 закрывается, закрывается клапан 19. Поршень привода 26 опускает толкатель 25 вниз, выталкивая пробку 24 из полости клапана 19 и закрывая входное отверстие дозирующего цилиндра 1. Подается масло в верхнюю полость гидроцилиндра привода 17, шток 16 с поршнем перемещается в нижнее положение. Приводом 6 подхват 5 опускается вниз, дозирующий цилиндр 1 под своим весом опускается на коромысло 15. Положение, когда дозирующий цилиндр 1 после выдачи дозы опирается на коромысло 15, показано на Фиг.3. Производится взвешивание налипших остатков жидкости в дозирующем цилиндре. По результатам взвешивания заполненного и опорожненного дозирующего цилиндра системой управления вычисляется масса выданной дозы. После взвешивания остатков жидкости подхват 5 с помощью привода 6 поджимает дозирующий цилиндр 1 к нижней плите распределительного устройства 4, снимая его с коромысла 15. Подается масло в нижнюю полость гидроцилиндра привода 17, шток 16 перемещается в верхнее положение, поднимая шток 3 с поршнем 2 и выталкивая пробку 24 вверх в полость клапана 19. Подается масло в верхнюю полость гидроцилиндра привода 17, шток 16 перемещается в нижнее положение.

Цикл дозирования закончен, дозатор снова в исходном состоянии (Фиг.1) и готов к приему очередной дозы жидкости.

В случае изменения по каким-либо причинам плотности дозируемой жидкости при взвешивании дозы это обнаруживается. По результатам взвешивания производится корректировка задания на прекращение набора последующей дозы, т.е. изменяется контролируемая датчиком 9 величина хода поршня 2 и, соответственно, штока 3.

Дополнительно ход штока 3 контролируется по вторичному прибору на пульте оператора. При необходимости оператор может вмешаться в процесс дозирования в случае недопустимых изменений плотности дозируемой жидкости, что можно обнаружить по изменению записи на диаграмме или на других приборах визуального контроля.

Работоспособность основных узлов предлагаемого дозатора подтверждена в лабораторных условиях ФГУП "НИИПМ".

Изобретение относится к средствам дозирования жидкостей, преимущественно вязких и пастообразных, в том числе взрывоопасных, применяемых в производстве смесевых твердых ракетных топлив. Изобретение направлено на повышение точности и экономичности дозирования. Этот результат обеспечивается за счет того, что объемный дозатор жидкости с весовым контролем состоит из дозирующего цилиндра с поршнем и штоком, распределительного устройства с клапанами набора и выдачи дозы, привода выдачи дозы. Согласно изобретению дозирующий цилиндр снабжен весовым коромыслом с силоизмерительным датчиком, датчиком контроля хода штока дозирующего цилиндра и подхватом с приводом. Распределительное устройство снабжено отсекающим клапаном с полым штоком и приводом, пробкой, размещенной в полости отсекающего клапана, а также толкателем с приводом для перемещения пробки. Толкатель размещен в полом штоке отсекающего клапана с возможностью осевого перемещения. 3 ил.

Объемный дозатор жидкости с весовым контролем, состоящий из дозирующего цилиндра с поршнем и штоком, распределительного устройства с клапанами набора и выдачи дозы, привода выдачи дозы, отличающийся тем, что дозирующий цилиндр снабжен весовым коромыслом с силоизмерительным датчиком, датчиком контроля хода штока дозирующего цилиндра и подхватом с приводом, распределительное устройство снабжено отсекающим клапаном с полым штоком и приводом, пробкой, размещенной в полости отсекающего клапана, и толкателем с приводом, предназначенным для перемещения пробки, при этом толкатель размещен в полом штоке отсекающего клапана с возможностью осевого перемещения.