Устройство для регулирования давления газа Советский патент 1984 года по МПК G05D16/20 

2. Устройствй по П.1, о т л ич аю щ е е с я тем, что бло;: управления линиями сброса и подачи содержит последовательно соединенные задатчик относительной эффективной площади, компаратор, инвертор, первый ключ, второй делитель и первый формирователь кода, а также последовательно соединенные второй ключ, третий делитель и второй формирователь кода, причем первый вход второго ключа подключен к входу блока и к второму входу компаратора, а второй вход - к выходу компаратора, второй вход второго делителя связан с вторым входом третьего делителя и с выходом задатчика относительной эффективной площади, выходы формирователей кода подключены к соответствукщим выходам блока.

3. Устройство по П.1, отличющее с я тем, чт ) эффективная площадь каждой калиброванной диафрагмы, установленной в последумцей ветви подачи и сброса соответственно в 2 раза больше эффективной площади калиброванной диафрагмы, установленной в предыдущей ветви подачи и сброса.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА, содержащее источник питания сжатым газом, связан.ный через редукционный клапан и линии подачи с входом рабочей камеры, линии сброса, связанные с выходом рабочей камеры, а также датчик давления, блок задания и блок управления линиями сброса и подачи, содержащими -параллельных ветвей, в каждой из которых последовательно установлены калиброванные диафрагмы и двухпозиционные клапаны, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона регулированияустройства, оно содержит последовательно соединенные первый делитель и функциональный преобразователь, а датчик давления установлен за редукционным клапаном на входе линии подачи, выход датчика давления подключен к первому входу первого делителя, второй вход которого связан с выходом блока задания, выход функ- g ционального преобразователя соединен (Л с входом блока управления линиями сброса и подачи, связанного выходами с соответствующими двухпозиционными клапанами.

1

Изобретение относится к автоматическому регулированию давления газа и может быть применено в технологических процессах, где требуется осуществлять программное изменение давления газа в широком диапазоне (от десятых долей до десятков мегапаскалей) с допустимой относительной погрешностью в установившемся режиме до 1%.

Известно устройство программного регулирования давления газа, содержащее соединенные последовательно аналого-цифровой серворегулятор, многоэлементный цифровой управляющий клапан, объект регулирования и датчик обратной связи ij .

Одним из недостатков устройства является сложность настройки цифрового управляющего клапана с целью получения высокоточного соответствия между управляющим сигналом в параллельном двоичном коде и включаемой эффективной площадью клапана.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство программного регулирования давления газа, содержащее баллонный источник питания, через редукционный клапан соединенный с рабоХ5ей камерой, имекацей линии сброса и наполнения в виде п параллельных ветвей, в которых последовательно установлены калиброванные диафрагмы и двухпозиционные клапаны, датчик давления, блок управления клапанами, блок задания программы 2j . .

Датчик давления в этом устройстве установлен в рабочей камере и служит для измерения величины давления во всем диапазоне.измерения. Величина абсолютной погрешности измерения давления и для известных типов датчиков, применяемых в качестве чувствительных элементов в промышленных

системах регулирования, практически постоянна во всем диапазоне работы и определяется техническими характеристиками датчика, например допустимой приведенной основной погрешностью датчика у , задающей класс его точности, максимальной величиной Рцдакс измеряемого давления:

.

Относительная погрешность измерения давления 8 увеличивается с уменьшением величины измеряемого давления ; 8- й/р. Для рассматриваемого устройства программного регулирования давления газа, которое является замкнутой сй стемой, ошибка чувствительного элемента - датчика давления является постоянным возмущением, которое нельзя исключить или уменьшить системными средствами. При расширении диапазона регулирования m(m Pvi2jd величина максимальной стаi РМИН

тической ошибки от этого возмущения пропорционально возрастает: , что приводит к ухудшению точности работы устройства. Кроме того, в рассматриваемом устройстве при расширении диапазона его работы ухудшается качество переходных процессов в отдельных областях и возможна потеря устойчивости. Таким образом, существенным недостатком описанных устройств является невозможность расширения в них диапазона регулирования без потери точности и ухудиения динамических характеристик.

Цель изобретения - расширение диапазона регулирования давления газа.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее источник питания сжатым газом, связанный через редукционный клапан и линии подачи с входом рабочей камеры, линии сброса, связанные с выходом рабочей камеры, а также датчик давления, блок задания и блок управления линиями сброса и подачи, содержащими паралпельных ветвей, в каждой из которых последовательно установлены калиброванные диафрагмы и двухпозиционные клапаны, введены последовательно соединенные первый делитель и функциональный преобразователь, а датчик давления установлен за редукционным клапаном на входе линий подачи, выход датчика давления подключен к первому входу первого делителя, второй вход которого связан с выходом блока задания, выход функционального преобразователя соединен с входом блока управления линиями сброса и подачи, связанного выходами с сиответствукицими двухпозиционными клапанами. Кроме того, блок управления линия ми сброса и подачи содержит последовательно соединенные згщатчик относительной эффективной площади, компаратор, инвертор, первый ключ, второй делитель и первый формирователь кода, а также последовательно соединенные второй ключ, третий делитель и второй формирователь кода, причем первый вход второго ключа подключен к входу блока и к второму входу компаратора, а второй вход к выходу компаратора, второй вход второго делителя связан с вторым входом третьего делителя и с выходом эадатчика относительной эффективной площади, выходы формирователей кода подключены к соответствующим выходам блока. Эффективная площадь каокдой калиброванной диафрагмы, установленной в последующей ветви подачи и сброса, соответственно в 2 раза , больше эффективной площади калиброванной диафрагмы, установленной в предыдущей ветви подачи и сброса. В предлагаемом устройстве изменяется режим функционирования рабочей камеры: она становится прото ной, что позволяет реализовать упра ление, основанное на использовании принципа пропорционального рецуциро вания давления, согласно которому при надкритическом истечении в выхо ном дросселе, характерном для широк го диапазона регулирования, величин отношения давления Р в проточной ка ре к давлению источника питания Pj, определяется только отношением Зц/S эффективных площадей выходного и вход кого дросселей (выпуска и впуска),т. существует однозначная функциональн зависимость р /е , - . р -5п РО (1) Исследования показывают, что влияние температурных отклонений окружающей среды при обычных условиях эксплуатации на зависимость () пренебрежимо мало, а колебанд1я атмосферного давления существенно влияют лишь при низких давлениях, близких к атмосферному. Других постоянно действующих возмущающих факторов нет, поэтому зависимость (l) , заложенная в устройстве в качестве настроечной характеристики, позволяет эффективно осуществлять высокоточное програмное регулирование давления газа в широком диапазоне: от высоких давлений до значений, близких к атмосфер-, ному давлению. Нербходимая для реализации такого принципа управления перестановка датчика для замера давления Р, на входе в рабочую камеру значительно уменьшает погрешность регулирования, обусловленную неточностью измерения давления, В данном случае датчик работает в гораздо более узком диапазоне, определяемом колебаниями давления на выходе редукционного клапана, которые обычно составляют единицы процентов от номинального значения давления. Одновременно улучшается качество переходных процессов и устраняется возможность потери устойчивости, так как устройство не содержит главной обратной связи. Применение дискретных впускного и выпускного дросселей, выполненных в виде наборов подключаемых калиброванных диафрагм, позволяет при регулировании требуемое значение отноше-. ния эффективных площадей, S jj / 5 j задавать очень точно,но в фиксированных точках. Однако надлежащим выбором количества и значений эффективных площадей дроссельных диафрагм в предлагаемом устройстве врегда можно добиться условий, при которых набор воспроизводимых дискретных значений давления в камере перекрывает требуемый диапазон регулирования и переход от одной дискретной точки к другой происходит в пределах iзаданной относительной пог)ешности, т.е. выполняется соотношение где P; Pi-i - два текущих соседних значения задаваемого давления из диапазона РР мин о - величина допускаемой относительной погрешности дискретизации. Решающим фактором, обеспечивающим достижение в предлагаемом устройстве высокой точности при широком диапазоне регулирования, является также то, что по отношению к эффективным площадям линий наполнения и стравливания применим принцип суп позиции. Это обусловлено тем, что отдельные ветви линий наполнения и стравливания соединены друг с друго через ресиверы большой емкости, поэ тому процессы истечения газа через них происходят независимо друг от друга. Гидравлическое сопротивление каждого канала остается практически неизменимым даже при значительном изменении входного и выходного давления газа, что позволяет назначить каждой диафрагме некоторое постоянное значение эффективной площади и при одновременном подключении неб кольких диафрагм их эффективные пло щади суммировать. Применение принципа суперпозиции позволяет осуществлять эффективную предварительную настройку устройства, заключающуюся в подборе и установке дроссельных диафрагм и определении по экспериментальным данным зависимости, с высокой точность аппроксимирующей выражение (1). Таким образом, в предлагаемом устройстве существенно расширяется диапазон высокоточного программного регулирования давления газа. На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства для регулирования давления газа; на фиг. 2 - функ.циональная схема блока управления линиями сброса и подачи{на фиг.З - графи настроечной характеристики устройства. На фигурах обозначено: Р , Р, Рпр абсолютное давление газа на входе в проточную камеру, в камере и его программное значение: It - относитель ное давлениеС t Р/РО);iJnp - его програм мное значение f-j 2lV ;Сз - относиV г РП I , с. тельная эффективная площадь (ri iL St i г П эффективные площади впуска и выпуска); 2°, 2 2... - выходы блока управления, заданндие сигна,лы в параллельном двоичном коде; бпер - значение относительной эффективной площади, соответствующей точк перехода от регулирования на входе к р улированию на выходе и обратно 5цNoKJ liwo M ii;c- St aKc-1 - максимальные эффективные площади выпуска и впуска). Устройство содержит проточную камеру 1 с линиями подачи и сброса, вы полненными в виде параллельных ветве в которых установлены наборы калибре/ванных диафрагм 2 и 3, эффективные площади которых изменяются в 2 раза, и подключающие их двухпозиционные клапаны 4 и 5. Газ в проточную камеру 1 поступает из источника питания сжатым газом - баллона б - через редукционный клапан , давление за которым измеряется с помощью датчика давления 8. Устройство содержит также блок задания 9, присоединенный своим выходом к входу первого делителя 10, другой вход которого связан с датчиком давления 8, а выход через функциональный преобразователь 11 с входом блока 12 управления линиями сброса и подачи. Блок управления 12 в свою очередь, состоит из задатчика 13 относительной эффективной площади 6|,ер, компаратора 14 и инвертора 15, первого 16 и второго 17 ключей, управляющих подачей сигналов соответственно на входы второго 18 и третьего 19 делителей, присоединенных своими выходами к входам первого 20 и второго 21 формирователей кода. Перед началомэксплуатации устройство настраивается. Настройка, целью которой является подбор из за- ранее изготозленного набора дроссельных диафрагм таких, эффективные площади которых отличаются в 2 раза, и установка их в устройство, определение числоилх значений параметров настроечной характеристики и реализация ее в функциональном преобразователе 11, осуществляется следуницим образом. Первоначально в устройство устанавг ливаются диафрапфа, отобранные по какому-либо приближенному методу, например путем расчета их г ометрической площади, и на устройстве проводится эксперимент по регистрации воспроизводимых в проточной камере значений давления в зависимости от комбинации подключенных дроссельных диафрагм. По результатам эксперимента заполняется таблица, например та« кая, как в случае испытания устройства с диагцазоном регулирования 0,232,0 МПа Сдля обеспечения относительной погрешности задания давления в установившемся режиме не более 3% в нем было установлено по 8 входных и выходных дроссельных диафрагм). Экспериментальные данные исследования устройства с диапазоном регулирования 0,2 - 32,0 МПа приведены в таблице.

ки (фиг. 3) с нанесенными экспериментальными значениями. Если разброс экспериментальных точек относительно настроечной характеристики велик, что эквивалентно большой величине Е , то точность настройки неудовлетворительмая. Тогда в настраиваемом устройстве производят замену дроссельных диафрагм, вычисленные эффективные площади которых не соответствуют последо вательному изменению всех площадей в 2 раза, и вновь повторяют всю последовательность операций настройки, начиная с эксперимента, до тех пор, пока не будет достигнута максимальная или требуемая точность. Если максимальная достигнутая точность не удовлетворяет предъявляемым к устройству требованиям, ее можно повысить, добавляя в линии наполнения и стравливания новые ветви. Данная процедура настройки позволяет минимизировать влияние случайных отклонений и ошибок имеющих место при измерении экспериментальных значений давления, изготовления дроссельных диафрагм и действие других случайных факторов. Кроме того проведение экспериментов по снятию данных непосредственно на настраиваемом устройстве и в условиях его предстоящей эксплуатации позволяет значительно повысить точность регулирования вследствие учета особенностей его конструкции и снижения влияния факторов внешней среды (например, давления и температуры окружающего воздуха). Точность описанной итерационной процедуры- настройки определяется в основном техническими характеристиками используемых на этапе проведения эксперимента измерителей давления. Так как настройка устройства проводится один раз на длительный период и может быть проведена в лабораторных условиях, то для замера давления можно использовать высокоточное лабораторное оборудование, что в итоге положительно сказывается на точности программного регулирования давления.

Во время эксплуатации устройство работает следующим образом,

По заданной программной величине , поступающей с блока задания, ri величине давления PQ на входе в рабочую полость (проточную) камеру 1, измеренной с помощью датчика 8, в делителе 10 определяется величина относительного давления iinp. По указанной величине в функциональном преобразователе 11, воспроизводящем настроечную характеристику устройства, вырабатывается значение d относительной эффективной площади, которое передается на первый вход компаратора 14, на второй вход которого с задатчика 13 подается величинабпеоЗначениеdnep определяется отношением максимальных площадей выпуска5 щ..

ииакс

и впуска 5,„„,,

5i

макс

В зависимости от знака разности 6бпер иа выходе компаратора открывается ключ 17(cj-6nep р) I или ключ 16 (d-dnep o),4 величина 6 проходит либо на делитель 19, либо на делитель 18, на другие входы которых постоянно подается 6 пер Когда ключи 16 или 17 закрыты, на их выходах установлена вел ;чина, равнаябцер , что приводит к появлению на выходе соответствующего делителя 18 или 19 максимального сигнала, равного единице.

Формирователь 20 или 21 параллельного двоичного кода осуществляет преобразование поступающего на него сигнала в пропорциональную величину, з-адаваемую совокупностью разрядов в двоичной системе исчисления, т.е. работает как аналого-цифровой преобразователь. При задании на входе формирователя единицы вырабатывается максимальная величина, т.е. появляются сигналы во всех разрядах, и, следовательно, на всех выходах формирователя. Таким образом, при регулировании на входе(й-йпер 0) ключ 17 открыт, а ключ 16 закрыт, формирователь 20 вырабатывает максимальную величину что -вызывает срабатывание всех клапанов 5 линии сброса и воспроизведение Sji5yi gj,j.-consi-., на выходе делителя 19вырабатывается сигнал , как результат деления (Jtjgp и б , который после преобразования его в параллельный двоичный код формирователем 21 вызывает подключение соответствующих диафрагм 2 на входе в камеру 1, сумма эффективных площадей которых позволяет воспроизвести требуемое значение d . В проточной камере 1 за счет создания соответствующих величин прихода и расхода с точностью, определяемой в основном настройкой устройства, устанавливается значение давления Р , равное Рпр . Регулирование на выходе б-бпер i о) осуществляется аналогично. Разделение его рабочего диапазона на области регулирования на (5ц5 д -сопв, и на выходе(51 51 а с---°«1 -,511- аг-) позволяет обеспечить максимум разрешающей способности дискретного регулятора, т.е. минимум погрешности квантования.

Использование предлагаемого устройства позволяет получить следующие технико-экономические преимущества п сравнению с известными устройствами. Обеспечивается значительное расширение диапазона высокоточного программного регулирования давления газа, при этом требования расширения диа