Регулятор расхода газа Российский патент 2024 года по МПК G05D7/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к регулятором, предназначенным для формирования стабильных потоков различных газов и парогазовых смесей при высоких (до 20 МПа) давлениях.

Уровень техники

Известно устройство («Конструирование деталей механических устройств: Справочник. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990. - 669 с.: ил.», автор Заплетохин В.А., стр. 332-339, рис. 3.64а), содержащее кольцевой электромагнит, центральный магнитопровод которого взаимодействует с круглой мембраной, закрепленной по периметру электромагнита, при этом между центром круглой мембраны и торцом центрального магнитопровода имеется зазор, обеспечивающий возможность возвратно-поступательного движения мембраны за счет ее упругой деформации при воздействии электромагнитного поля. Мембрана в данной конструкции является магнитопроводом, замыкающим электромагнитное поле, поэтому маленькое сечение магнитопровода (тонкая мембрана) приводит к насыщению электромагнита при небольших значениях тока, протекающего через обмотку электромагнита, и его дальнейшее увеличение не увеличивает деформации мембраны (притягивание ее к центральному магнитопроводу электромагнита). Усилие, создаваемое электромагнитом, необходимое для упругой деформации мембраны, можно увеличить только при увеличении толщины мембраны (сечения магнитопровода) и соответственно увеличения ее жесткости. В этом случае требуется увеличение мощности электромагнита и увеличение диаметра мембраны, необходимое для обеспечения необходимого хода мембраны и его линейного соответствия с током, подаваемым на обмотку электромагнита, т.е. увеличиваются габаритные размеры и потребляемая мощность, что увеличивает время достижения теплового баланса, т.е. увеличивает время выхода на режим.

Наиболее близким к предлагаемому является регулятор расхода газа по патенту на изобретение №2509334 кл G01N 30/2, содержащий датчик расхода газа (преобразователь расход газа-напряжение), задатчик расхода газа в виде напряжения соответствующего величине расхода газа, электронный регулятор с пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) законом регулирования, выход которого соединен с электромагнитным приводом пневматического пропорционального клапана связанным механически с заслонкой клапана, выполненной из эластичного материала взаимодействующей с седлом клапана.

Недостатком данного устройства является большое время достижения стабилизации процесса регулирования расхода газа.

Имеются два основных влияющих фактора, первый - это использование в качестве регулирующего воздействия на электромагнитный привод заслонки напряжения, пропорционального величине сигнала ошибки на выходе электронного регулятора. Катушка электромагнитного привода имеет постоянное количество витков и электрическое сопротивление соответствующее температуре катушки в данный момент времени, а именно комнатной в начале работы пропорционального клапана. При подаче на катушку управляющего сигнала в виде напряжения по катушке начинает течь электрический ток, формирующий магнитный поток, величина которого пропорциональна произведению величины тока на количество витков катушки электромагнитного привода. При протекании тока по обмотке катушки ее температура начинает расти и, вследствие наличия у всех электропроводящих веществ температурного коэффициента сопротивления (ТКС), будет расти ее электрическое сопротивление и, как следствие, будет уменьшаться ток, величина которого равна частному от деления величины напряжения на величину сопротивления. Снижение величины тока через обмотку катушки привода снизит усилие, прилагаемое приводом к заслонке пропорционального клапана, что приведет к снижению величины расхода газа и изменению величины сигнала на выходе преобразователя расхода газа в напряжение. Регулятор отреагирует на это изменение и увеличит величину напряжения на выходе и, соответственно, величину расхода газа до требуемого значения, но увеличение напряжения приведет к увеличению величины тока, продолжению нагрева обмотки катушки, увеличению ее электрического сопротивления, очередному снижению тока и усилию привода. Испытания показали, что от момента включения регулятора до наступления теплового баланса необходимо несколько часов, т.е. в течение всего этого времени наблюдается дрейф, а именно отставание величины поддерживаемого расхода газа на доли процента от величины среднего установившегося после наступления теплового баланса значения расхода газа.

Вторым влияющим фактором является изменение, особенно при большом давлении, геометрических размеров (разбухания от воздействия газов и усыхания при длительной эксплуатации) заслонки пропорционального клапана, выполненной из эластичного материала, чаще всего резины из фтор-каучука. При необходимости формирования стабильных расходов парогазовых смесей, содержащих растворители (спирты, кетоны, углеводороды и т.д.) или специфических газов, таких как СО (угарный газ) и CO2 являющийся в сверхкритическом состоянии самым сильным растворителем, мы сталкиваемся с разбуханием резины от нескольких микрон до нескольких миллиметров. Необходимо отметить, что зазор между соплом и заслонкой в открытом состоянии составляет не более 20 микрометров. Это делает невозможным работу регулятора расхода газа во всем диапазоне величин поддерживаемых расходов газов или приводит к прекращению работы.

Раскрытие изобретения

Целью изобретения является снижение влияния изменений температуры на работу регулятора, сокращение времени выхода на стабильный режим работы и увеличение срока службы регулятора расхода газа. Поставленная цель достигается тем, что в регуляторе расхода газа, включающем преобразователь величины расхода газа в напряжение и формирователь задающего воздействия в виде напряжения, соответствующего требуемой величине расхода газа их выходы соединены со входами схемы сравнения электронного регулятора с пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) законом регулирования, а его выход соединен с электромагитным приводом пневматического пропорционального клапана перемещающим заслонку из эластичного материала, относительно седла с коаксиальным отверстием. Заслонка выполнена в виде цилиндра и помещена с возможностью ее перемещения пружиной в цилиндрическое углубление на торце электромагнитного привода, на котором закреплен упор для заслонки, выполненный в виде плоского кольца, при этом внутренний объем углубления соединен каналом с внутренним объемом клапана, а регулирование величины перемещения заслонки относительно сопла осуществляется путем изменения и последующего поддержания на соответствующем уровне величины тока, протекающего по катушке электромагнитного привода и являющимся выходным сигналом ПИД-регулятора.

Описание чертежей

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 конструкция пневматического пропорционального клапана с электромагнитным управлением.

Осуществление изобретения

Устройство состоит из формирователя 1 задающего воздействия в виде напряжения пропорционального величине необходимого расхода газа, преобразователя 2 величины массового расхода газа в напряжение, ПИД-регулятора 3 входы схемы сравнения которого соединены с выходами формирователя 1 и преобразователя 2, а выход соединен с обмоткой 4 электромагнитного привода пропорционального клапана 5 состоящего из седла 6 с коаксиальным отверстием, заслонки 7 выполненной из эластичного материала, плоского кольца 8 выполняющего также функцию эластичной мембраны, пружины 9, помещенной в углубление 10 в якоре 11 электромагнитного привода снабженного также каналом 12 соединяющим его с внутренним объемом пропорционального клапана 4.

Устройство работает следующим образом

Устройство работает следующим образом. Газовый вход преобразователя 2 расхода газа в электрический сигнал (напряжение) соединяется с источником газа. В исходном состоянии пропорциональный клапан 5 закрыт и расход газа через преобразователь 2 отсутствует, т.е. на его выходе будет формироваться нулевой сигнал, поступающий на один из входов схемы сравнения ПИД-регулятора 3. На второй вход схемы сравнения ПИД-регулятора 3 подается с формирователя 1 напряжение пропорциональное требуемой величине расхода газа, который должен поддерживаться регулятором расхода газа. На выходе ПИД-регулятора 3 формируется в виде тока сигнал пропорциональный разнице между заданным и измеренным значением расхода газа. Выход ПИД-регулятора 3 соединен с обмоткой 4 электромагнитного привода пропорционального клапана 5, т.е. через обмотку 4 потечет ток и клапан 5 откроется на величину пропорциональную току, протекающему через обмотку 4. Через приоткрывшийся клапан 5 начнет протекать поток газа, величина которого будет измерена преобразователем 2 расхода газа и в виде напряжения поступит на вход схемы сравнения ПИД-регулятора 3, что приведет к снижению величины тока на выходе ПИД-регулятора 3 и далее в процессе регулирования установится баланс между величиной формируемого потока газа и выходным сигналом ПИД-регулятора 3, что в конечном счете приведет к стабилизации величины зазора между седлом 6 и заслонкой 7 соответствующему требуемой величине расхода газа. Формирование ПИД-регулятором 3 в качестве управляющего воздействия величины тока, а не напряжения, который протекая через обмотку 4 нагревает ее вызывая увеличение ее электрического сопротивления не приводит к изменению усилия и соответственно зазора между седлом 6 и заслонкой 7 так как произведение величины тока на количество витков обмотки 4 остается константой, т.е. две из поставленных целей: снижение температурной зависимости и времени выхода на режим достигнуты вследствие исключения необходимости ожидания достижения теплового баланса в конструктивных элементах устройства.

При использовании регулятора расхода газа для формирования потоков специфических газов таких как СО, СО₂, Cl, H₂S, а также углеводородных газов и газовых смесей содержащих пары растворителей происходит их взаимодействие с материалом заслонки 7 выполняемым обычно из фтор-каучуковой резины или капролона, что проявляется в виде увеличения геометрических размеров (разбуханию) заслонки 7 от микронов до долей миллиметра. Регулируемый зазор пропорционального клапана 4 не превышает обычно 20 микрон, поэтому даже незначительное разбухание заслонки 4 приводит к нарушению регулировки клапана 4 и снижению динамического диапазона регулируемых расходов газа или появлению нулевой течи. Для исключения влияния разбухания материала заслонки 7, а также временной деградации (усыхания) заслонка 7 выполнена в виде цилиндра и помещена в цилиндрическое углубление 10 в якоре 11 электромагнитного привода пропорционального клапана 4 в которое также помещена спиральная пружина 9 сжимающаяся или разжимающаяся при изменении высоты цилиндрической мембраны 4. Торец заслонки 7 обращенный к седлу 6 упирается в плоское кольцо 8 приваренное к торцу якоря 1 электромагнитного привода. Внутренний диаметр кольца 8 сделан минимальным и должен только позволять механически взаимодействовать седлу 6 и заслонке 7. Его маленький размер и упор в плоское кольцо 8 гарантируют минимальную деформацию заслонки 7 в точке ее взаимодействия с седлом 6, что обеспечивает долговременную стабильность величины усилия уплотнения и диапазона величины изменения зазора при регулировании расхода в паре седло 6, заслонка 7, т.е. увеличивается срок безотказной работы устройства. В якоре 11 выполнен канал 12, соединяющий внутренний объем пропорционального клапана 5 и объем цилиндрического углубления 10 занимаемый пружиной 9, что исключает появление разницы давлений на торцы заслонки оказываемых газом, т.е. величина давления, при которой работает клапан 5, не влияет на его работу.

Изобретение относится к регуляторам, предназначенным для формирования стабильных потоков различных газов и парогазовых смесей при высоких давлениях. Регулятор расхода газа включает преобразователь величины расхода газа в напряжение и формирователь задающего воздействия в виде напряжения, соответствующего требуемой величине расхода газа, их выходы соединены со входами схемы сравнения электронного регулятора с ПИД законом регулирования, а его выход соединен с электромагнитным приводом пневматического пропорционального клапана, перемещающим заслонку из эластичного материала относительно седла с коаксиальным отверстием. Заслонка выполнена в виде цилиндра и помещена в цилиндрическое углубление на торце электромагнитного привода, на котором закреплен упор для заслонки, выполненный в виде плоского кольца, при этом внутренний объем углубления соединен каналом с внутренним объемом клапана, а регулирование величины перемещения заслонки относительно сопла осуществляется путем изменения величины тока, протекающего по катушке электромагнитного привода. Технический результат - снижение влияния изменений температуры на работу регулятора, сокращение времени выхода его на режим и увеличение срока службы устройства. 2 ил.

Регулятор расхода газа, включающий преобразователь величины массового расхода газа в напряжение и формирователь задающего воздействия в виде напряжения, соответствующего требуемой величине расхода газа, выходы которых соединены со входами электронного регулятора с пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) законом регулирования, а его выход соединен с электромагнитным приводом пневматического пропорционального клапана, перемещающим заслонку из эластичного материала, относительно седла с коаксиальным отверстием, отличающийся тем, что выполненная в форме цилиндра заслонка помещена с возможностью ее перемещения пружиной в цилиндрическое углубление на торце электромагнитного привода, на котором закреплен упор для заслонки, выполненный в виде плоского кольца, при этом внутренний объем углубления соединен каналом с внутренним объемом клапана, а регулирование величины перемещения заслонки относительно сопла осуществляется путем изменения и последующего поддержания на соответствующем уровне величины тока, протекающего по катушке электромагнитного привода.