Регулятор потока Советский патент 1988 года по МПК G05D7/00 G05D16/00 

зв

«

эффектом памяти формы. Для увеличения тяговых усилий термомеханический привод представляет собой два соос- ных кольца 37, 38 с термочувствитель- йым элементом в виде одного куска проволоки 36, установленной по ра- диальньм направлениям между кольцами

37, 38 в двух параллельных плоскостях и закрепленных на концах с помощью цанговых зажимов на кольце большого диаметра. Проволока 36 изолирована с помощью втулок из электроизоляционного материала. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относит ся к области автоматического регулирования одного из параметров потока жидкости или газа, в частности расхода или давления с термомеханическим управлением, и может быть использовано в различ- областях машиностроения и других отраслях народного хозяйства. Цель изобретения - повьппение надежности и расширение области применения. Для этого в регуляторе одного из параметров потока жидкости или газа в регулирующем органе применен термомеханический привод, основанный на использовании термочувствительного элемента из материала, обладающего с (

1

Изобретение относится к автоматическому регулированию одного из параметров потока жидкости или газа, в частности расхода или давления с термомеханическим управлением, и может быть использовано в различных областях машиност{)оения и других отраслях народного хозяйства.

Цель изобретения - повьпиение надежности и расширение области применения .

На фиго показана структурная схема устройства; на фиг.2 и 3 - конструкция термомеханического элемен- та; на фиг,4 - диаграмма рабочего цикла, поясняющая работу регулятора

Регулятор (фиг.1) содержит регулирующий орган 1 с входным 2 и выход-, ным 3 патрубками. Регулирующий орган 1 имеет регулируюсщй клапан 4, полость 5 входного патрубка 2. Тарелка 6 прижата пружиной 7 к седлу регулирующего клапана 4 и перекрывает проходное сечение 8. Пружина 7 уста новлена между корпусом регулирующего клапана 4 и упором 9 в виде фланца, закрепленным на шток е 12 с полостью 13j соединенной с выходным патрубком 3. Термомеханический привод содержит термочувствительный элемент 14, за- крепленньй концами на корпусе регулирующего органа с помощью электро- |изолирующих втулок, а за середину - на утолщенном конце 15 штока 10. Между упором 16 (в виде фланца), закрепленным на утолщенном конце 15 щтока 10, и фланцем корпуса регулирующего клапана 4 установлена силова пружина 17. Термочувствительный элег мент 14 поджат к корпусу регулирующе го органа 1 гайкой 18 с технологи- ческими отверстиями 19. Крьшка 20

герметично закрывает корпус регулирующего -органа 1, в который введен кабель 21 гермовводы 22, соединяющий термочувствительный элемент 14 через замыкающий контакт 23 исполнительного механизма (реле 24) с ист очником 25 электрической энергии. Регулятор может содержать датчик 26 регулируемого параметра или выносной датчик 27, подключенные соответственно через контакты 28 и 29 переключателя к од- ному входу компаратора 30, подключенного вторым входом к выходу задатчика 31 параметра потока, а выходом - к входу усилителя, состоящего из транзисторов 32 и 33, соединеннее с источниками 34 и 35 питания.

Термомеханический привод основан на использовании термочувствительного элемента (ТЧЭ) из материала, обладающего эффектом памяти формы, например из сплава ТН-1, тройных или слож- нолегированных сплавов на его основе или алюминиевой бронзы. Поэтому на фиг.2 и 3 термомеханический привод показан в статическом состоянии, т.е. в положении, в котором хранится на складе.

На фиг,2,и 3 показан термочувствительный элемент (ТЧЭ) 14, который набран из тонкой проволоки 36,. установленной радиально в отверстиях соосньрс металлических колец 37 и 38. В отверстия колец 37 и 38 установлены втулки 39 из электроизоляционного материала фторопласт, эбонит, текстолитJ, которые для предотвращения механических повреждений снабжены установленными поверх них металлическими шайбами 40. Концы проволоки 36 закреплены в держателях, котог рые содержат цангу 41, гайку 42 и

контакты 43, которые соединены с кабелем- 21 .

ТЧЭ изготовлен из единого куска проволоки 36 путем поочередного пропускания ее сквозь соседние отверстия. При этом отдельные участки соединены между собой механически параллельно, т.е. усилия от каждого участка складываются электрически после- довательно.

На фиг.З показан ТЧЭ 14 с установленным DITOKOM 15 привода. От штока 15 проволока 36 изолирована втулкой 44. Шток прикреплен к кольцу 38 гайкой 45 с шайбой между ними. При установке ТЧЭ 14 в корпус 1 регулятора для токоизоляции наружной комму тации проволоки 36 с наружной стороны кольца 37 между ним и корпусом I также устанавливают изолирующее кольцо (не показано).

Иредпоженная кинематическая схема закрепления проволоки 36 по концам и связь с нагрузкой за середину дли- ны позволяет увеличить рабочий ход без увеличения габаритов ТЧЭ. Для обратимости деформаций необходимо, чтобы степень деформации не превьша- ла 6-8%. В предложенной схеме ТЧЭ исходная длина участка равна расстоянию между кольцами 37 и 38, а деформированная длина - гипотенузе треугольника. При этом перемещение происходит по катету этого же тре- угольника. Несовпадение направлений перемещения и деформирования - кинематический редуктор - увеличивает . ход, но уменьшает проекции сил в проволоке 36 на направление переме- щения.

Сборка регулятора происходит сле- дзтощим образом.

В корпус 1 устанавливают и закрепляют регулирующий клапан, после чего устанавливают силовую пружину 17. Затем устанавливают собранный ТЧЭ и стопорную гайку 18. Кольца 37 и 38 находятся на одном уровне. Бращением гайки 18 перемещают кольцо 37 в сторону регулирующего клапана. При этом пружина 17 сжимается, а проволока 36 растягивается. Кольцо 37 опускается ниже кольца 38. Гайку 18 закручивают до контакта штоков 10 и 15. Концы проволоки 36 .через контакты 43 присоединяют к кабелям 21. Устанавливают крьшку 20. Сборка закончена.

Регулятор потока работает следую- щим образом.

При отсутствии сигнала с задатчи- ка 31 (опорное напряжение П равно нулю), на выходе компаратора 30 сигнала нет. Транзисторы 32 и 33 закрыты} реле 24 разомкнуто. Регули руюицш орган Зс1крыт. При поступлении с задатчика 31 опорного напряжения на компаратор 30 (например, соответствующего некоторому заданному уровню давления) на выходе компаратора 30 появляется сигнал. Транзисторы 32 и 33 открываются, замыкается контакт 23 реле 24, Через ТЧЭ 14 проходит электрический ток и нагревает его. В процессе нагрева проволоки 36 через диапазон температур обратного мартенситного превращения происходит постепенное восстановление исходной длины. Тарелка 6 клапана освобождает проходное сечение и поток проходит сквозь сечение 8, полость 11, отверстия 12 и полость 13 в выходной патрубок 3, где воздействует на датчик 26. Сигнал с датчика 26 начинает увеличиваться. Нагрев ТЧЭ 14, перемеще ние тарелки 6 и сжатие пружины 17 продолжается до тех пор, пока сигнал с датчика 26 не сравняется по величине с сигналом (напряжением) задатчика 31. Как только это произойдет (регулируемый параметр достиг заданного уровня), компаратор 30 закроет- ся, т.е. на его выходе сигнала не

будет.

1

Транзисторы 3i2 и 33 закроются и контакт 23 реле 24 разомкнется. Начинается остывание ТЧЭ 14, что вызывает в нем развитие пластичности превращения, т,е. потерю сопротивления деформированию в процессе охлаждения через диапазон температур превращения. Под действием пружины 17 тарелка клапана начинает движение в сторону уменьшения проходного сечения, Величина регулируемого параметра (например, давления) падает, сигнал с датчика 26 уменьшается и становится меньше напряжения с задатчика 31, что вызывает появление сигнала на выходе компаратора 30, включение реле 34 и подключение ТЧЭ 14 через контакты 23 к источнику энергии. Таким образом,;происходят колебания величины регулируемого параметра около заданного задатчиком 31 уровня.

Если необходимо изменить величину регулируемого параметра на выходе регулятора, задатчик 31 соответствую- пшм образом изменяет величину опорного напряжения на входе компаратора 30,

Регулятор может быть использован как регулятор давления (регулируемый параметр - давление потока), регулятор расхода (регулируемый параметр - расход потока), электропнев- магидравлнческий усилитель (мощность потока - регулируемый параметр и т.д.,

Аналогично работает регулятор потока с выносным датчиком 27,

. Сборка и работа регулятора иллюстрируется диaгpaм oй рабочего (фиго4).

Эффект памяти формы проявляется в восстановлении формы при нагреве ТЧЭ, который предварительно, деформирован в мартенситном состоянии (низкотемпературная модификация кристаллической решетки) - МС - до перехода в аустенитное состояние (высокотемпературная модификация кристаллической решетки) - АС,

Линия АВ соответствует деформированию, растяжению - ТЧЭ в МС, Если в точке В ТЧЭ разгрузить, произойдет возврат упругой части деформации - линия ВК, При последующем нагреве до ACj произойдет возврат исходной формы-линия КА.

Линия АЕ соответствует деформиро ванию того же ТЧЭ в АС, При разгрузке ТЧЭ в точке Е произойдет возврат упругой части деформации высокотемпературной фаз.ы - линия EF Однако деформация Ai будет термически необходимой.

Если деформировать ТЧЭ в МС до точки В, а в точке В подвести тепло О 5 при этом величину внешней нагрузки ограничить пределом упругости высокотемпературной фазы, то цикл пойдет по пути ВС1А без появления остаточных (тс,ео термически необратимых деформаций„

При сборке регулятора вращением гайки 18 задается деформагщя пружины 7 и ТЧЭ 14, материал которого находится в МС, На диаграмме деформиро-55 ванию ТЧЭ при сборке соответствует линия АВ, а деформированию пружины 17 - линия РВ, Угол наклона линии

)

-

10

J 15

20

25

30

35

40

45

50

ы -55

186

РВ к оси деформаций пропорционален соотношению жесткостей пружины 17 и ТЧЭ 14. Механические напряжения при сборке регулятора равны величине G . Если теперь нагреть ТЧЭ 14 до АС, то процесс пойдет по линии ВМ, Недо- возврат - деформация б - обусловлен упругим деформированием аустенита пружиной 17, Полное восстановление формы произойдет только при устране-- НИИ пружины 17. Сборочная деформация пружины равна .

С

Таким образом, после сборки регулятора при отсутствии нагрузки за счет термоциклирования в диапазоне температур мартенситного превращения может быть реализовано перемещение в диапазоне деформаций холостого хода

С- XX

При подключении патрубка 2 к источнику регулируемого потока на ТЧЭ

14ч-ерез штоки 10 и 15 воздействует нагрузка. При проектировании регулятора необходимо учесть5 что максимальная нагрузка не должна превьштать предела упругости высокотемпературной фазы. Это условие обеспечивается выбором площади поперечного сечения ТЧЭ Для точки- В напряжения, подводимые внешней нагрузкой, не должны превышать длины участка ВС диаграммы,

а для точки М - величины приведенньк напряжений,

Поскольку максимальная нагрузка на штоке клапана действует в момент его открытия (точка В диаграммы), то полученное распределение допустимых напряжений в диапазоне перемещения наиболее соответствует характеру изменения внешней нагрузки в диапазоне перемещений. Это свидетельствует о правильном выборе кинематической схемы регулятора.

При подключении системой управления нагревов ТЧЭ 14 к источнику энергии 25 в процессе нагрева в ТЧЭ 14 - генерируются реактивные напряжения возврата формы, открывается клапан и происходит перемещение штоков 10 и

15в сторону увеличения проходного сечения. Темп роста реактивных напряжений с ростом температуры носит характер, показанньш на диаграмме, - линия ВТ. При этом деформации до уровня напряжений G реализуются обратимо, а выше уровня 0° , Bmiotb до напряжений G - пластически, т.е, термически необратимо.

Иод действием нагрузки на штоки 10 и 15 диапазон их перемещения становится меньше, чем при холостом ходе, т.е. под нагрузкой реализуется только перемещение в диапазоне деформаций рабочего хода Е р

Ход процессов во времени в диапазоне перемещений рабочего хода от О до 1 (соответственно точки В и D диаграммы) показан в виде линии 47 ниже диаграммы рабочего цикла.

В исходном coctoянии клапан закры (т.е. находится в точке О). При поступлении с задатчика 31 опорного напряжения на вход компаратора 30, например, соответствующего уровню pe гулируемого параметра N, через ТЧЭ 14 проходит ток. Клапан открывается и перемещается в сторону увели- чения проходного сечения до тех пор, пока значение регулируемого параметра не достигнет уровня N, . Время переходного процесса - , - в этом случае определяется интенсивностью нагрева и может регулироваться в широких пределах за счет изменения напряжения, подводимого к концам ТЧЭ 14. Как только регулируемьй параметр достигнет заданного уровня, произойдет отключение ТЧЭ 14 от источника 25. В процессе остывания ТЧЭ 14 сопротивление деформированию в нем падает, и под действием пружин 17 начинается движение клапана в сторону уменьшения проходного сечения. При этом как только уровень регулируемого параметра упадет ниже зад9.нного, ТЧЭ 14 будет опять подключен к источнику 25. Таким образом тарелка клапана совершает колебания около положения, при котором величина проходного сечения обеспечивает уровент параметра N, . Температура проволоки 36 колеблется около уровня Тц , т.е. гарантированно не превьппа ет допустимого значения.

по прошествии времени установившегося процесса , задат- чик 31 изменит величину опорного напряжения на входе компаратора 30, чт соответствует изменению уровня регулируемого параметра, например, до уровня Nn, то после отключения ТЧЭ 14 от источника энергии 25 дни- жение клапан в сторону уменьшения проходного сечения под действием пружины 17 продолжается до выхода регулируемого параметра на уровень

5 0 5 0 Q

0

NJ. Время этого переходного процесса- определяется интенсивностью охлаждения ТЧЭ 14 и разностью между положениями N и N,,. После выхода регулятора на уровень N.,тарелка клапана 6 начинает совершать колебания относительно этого уровня. При этом температура проволоки 36 поддерживается около уровня

Если после времени установившегося процесса - (щ необходимо вернуть уровень параметра до величины, соответствующей положению тарелки клапана N,, то уровень опорного напряжения на входе компаратора 30 устанавливают на прежнюю величину. Время переходного процесса в этом случае -С пп - определяется интенсивностью нагрева и величиной перемещения N , и N.

Величина колебаний параметра относительно заданного уровня определяется чувствительностью датчика и системы управления нагревом.

Формула изобретения

ггереключатель, к второму входу которого подключен дополнителыагй датчик,

2,Регулятор поп,1, отличаюЛ и и с я тем, что, с целью увели- «гения тяговых усилий, термомеханический привод вьшолнен из двух соосных колец с териочувствительным элементом в виде проволоки из материала, обладающего эффектом памяти формы, причем проволока термочувствительного

№ /5 2S

I I I

элемента установлена по радиальным направлениям между двумя кольцами в двух параллельных плоскостях, расположена во втулках из электроизоля- ционного материала, установленных равномерно в два ряда на кажддм кольце, закреплена на концах с помощью электрически изолированньк от колец кантовых зажимов, установленных на кольце большего диаметра, и подключена к выводам привода.

/5

0 37 36

S 6

39

ftt4

D Ъ15

Фиг.З