Регулятор с использованием тепловой энергии Советский патент 1991 года по МПК G05B11/00 

Изобретение относится к тепловой автоматике и точной механике, а именно к устройствам преобразования тепловой энергии в тепломеханическую энергию рабочих элементов и предназначено для регулирования четырех основных технологических параметров промышленных объектов: температуры, давления, расхода вещества, уровня жидкости по интегральному закону регулирования р условиях с ограниченной возможностью использования традиционных видов энергии (электрической, пневматической, гидравлической) и наличия в избытке тепловой энергии на объекте управления.

Целью изобретения является повышение надежности и точности регулятора.

На фиг. 1 приведена конструкция исполнительного механизма интеграль-. ного действия; на фиг. 2 - конструкция регулятора с использованием тепловой энергии.

Исполнительный механизм интегрального действия (фиг. 1) содержит стержень 1 с теплоизоляцией 2 боковой поверхности, кроме торца 3. Стержень 1 связан с источником тепловой энергии через тепловую шкну 4. Цилиндр 5 закреплен на основании 6, цилиндр выполнен с ребрами 7 и нижним своим основанием связан с сильфоном 8. Цилиндр 5 с сильфоном 8 частично заполнены жидкостью 9. В объеме цилиндра 5 над жидкостью 9 находится объем 10 паровоздушной смеси. Вертикальное положение стержня 1 в цилиндре 5 фиксируется с помощью муфты 11 и упорного винта 12. Внутри корпуса 13, выполненного как продолжение нижних ребер 7, цилиндрах5 размещен, кроме сильфона 8, гибкий шток 14. Внутри цилиндра 5

hD Ю

00

к нижнему основанию сильфона 8 прикреплена теплопроводная вставка 15 (припаяна, приклеена) с постоянным объемом. Нижняя часть корпуса 13 со- держит гайку 16 между гайкой 16 и силъфоном 8 размещена пружина 17.

Регулятор с использованием тепловой энергии (фиг. 2)содержит входную и выходную части. Входная часть регулятора состоит из измерителя 18 регулируемой величины Х4 , связанного с регулятором через теплоизолированный стержень 19, на конце которого закреплен кондуктор 20, выполнен- ный в виде цилиндра из теплопроводного материала. Блок сравнения содержит две одинаковые и прилегающие друг к другу замкнутые полости 21 и 22 в виде параллелепипедов, заполненные газом, боковая поверхность которых покрыта теплоизоляцией 23. Цилиндр-кондуктор 20 блока сравнения расположен между полостями 21 и 22 и тепловой шиной 24. Внешние стороны шины 24 по- крыты теплоизоляцией 25. Полости 21 и 22 закреплены на вертикальной платформе 26, которая снабжена указателем 27 задания регулируемой величины со шкалой 28„ Тепловая шина 24 за- креплена на опорном элементе корпуса регулятора 29. Полости 21 и 22 через капилляры 30 и 3.1 связаны с силъфона- ми 32 и 33, закрепленными на опорных элементах 34 и 35 корпуса регулятора.

Выходная часть регулятора (фиг.2) состоит из исполнительного механизма 1-17 интегрального действия (фиг.1), связанного через гибкий шток 14 с преобразователем 36-44 возвратно-по- ступательного движения во вращательное (фиг.2).

Преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное (фиг, 2) содержит собачку 36 на гиб- ком штоке 34,-храповые колеса 37 и 38, ведущие шестерни 39 и 40, ведомую шестерню 41 и валы 42-44 вращения. Выходной вал 44 вращения связан с регулирующим органом 45, установлен- ным в трубопроводе 46.

Исполнительный механизм интегрального действия работает (фиг, )следующим образом.

С помощью муфты 1 , упорного винта 12, а также пружины 17 и вставки 15 устанавливают требуемую величину заглубления h стержня 1 в жидкости 9. Тем самым задают требуемую частоту

возвратно-поступательных движений гибкого штока 14, т.е. заданное быстродействие исполнительного механизма 1-17.

Тепло, полученное стержнем 1 от источника тепловой энергии, через тепловую шину 4 идет на увеличение теплосодержания стержня 1 и передачу тепла через торец 3 к жидкости 9„ Эффективный прогрев жидкости 9 в районе торца 3 приводит к исполнению жидкости 9 и нагреву пара 10. В результате этого давление пара 10 в объеме над жидкостью 9 увеличивается и под его воздействием уровень жидкости 9 начинает уходить вниз, удаляясь от торца 3. Благодаря этому растягиванию сильфон 8, совершая перемещение АУ. Вместе с торцом сильфона 8 движется вниз и гибкий шток 14. При этом пружина 17 сжимается. Так как у пара незначительный коэффициент теплопроводности, то молекулы пара эффективно нагреваются лишь у сечения торца 3. Вследствие этого у основной массы пара начинается конденсация в объеме камеры 5. Тогда давление пара 10 уменьшается и под воздействием пружины 17 сильфон 8 сжимается, перемещая вверх гибкий шток 14. В результате этого зеркало жидкости 9 занимает начальное положение, обеспечив тепловой контакт с торцом 3 стержня 1. Жидкость 9, прогреваясь, начинает снова испаряться и зеркало жидкости 9 уходит вниз. Вместе с этим растягивается сильфон 8, перемещающий вниз гибкий шток 14.

Указанный процесс колебания уровня жидкости 9 в цилиндре 5 периодически повторяется.

Таким образом, на выходе исполнительного механизма 1-17 (фиг . 1) получают возвратно-поступательные движения гибкого штока 14. Это приводит в действие преобразователь 36-44 возвратно-поступательного движения во вращательное (фиг. 2).

Возможность перемещения теплопроводной вставки 15 с постоянным объемом обеспечивает прямую зависимость между степенью заглубления h стержня 1 в жидкости 9 и величиной сжатия пружины 17, определяемой вращением гайки 16. Это позволяет точно задать оператору требуемую частоту колебаний (возвратно-поступательных движений)

51619228

гибкого штока 14, т.е. быстродействие исполнительного механизма 1-17.

Входная часть 18-33 регулятора работает следующим образом (фиг. 2).

В состоянии равновесия цилиндр - кондуктор 20 блока сравнения находится в среднем положении между замкнутыми полостями 21 и 22, что означает равную температуру газа в этих полостях 21 и 22 и отсутствие регулирующего воздействия, т.е. гибкий шток 14 исполнительного механизма 1-17 находится в среднем нейтральном положении и не входит во взаимодействие с преобразователем 36-44 возвратно- поступательного движения во вращательное .

При отклонении регулируемой велит.е. при по10

15

чины Х| от задания Х., явлении сигнала небаланса в зависимости от знака этого небаланса стержень 19 перемещается вверх или вниз. Здесь регулируемая величина У( (например, температура) преобразуется в линейное перемещение стержня 9. Например, стержень 19 перемешается вьерх, вместе с ним перемещается и кондуктор 20. При этом увеличивается площадь контакта кондуктора 20 с полостью 21 и уменьшается плопадь контакта кондуктора 20 с полостью 22. Поскольку полости 21 и 22 нагреваются через кондуктор 20, температура газа в полости 21 увеличивается по сравнению с температурой газа в полости 22. Это вызывает увеличение объема сильфона 33 по сравнению с объемом сильфона 32. Свободный торец сильфона 33 перемещается влево. Это приводит к тому, что непрерывно совершающий возвратно-тоступательные движения гибкий шток 14 перемещается влево и входит в зацепление с храповым колесом 37, что приводит в действие преобразователь 36-44 движения.

Преобразователь 36-44 возвратно- поступательного движения во вращательное работает следующим образом Г фиг.2).

20

25

35

40

45

14. В зависимости от знака сигнала небаланса ведомая шестерня 41 враща ется в ту или иную сторону (в данно случае по часовой стрелке). Это при водит к открытию проходного сечения трубопровод,-1 46 регулирующим органо 45, т.е. формированию регулирующего воздействия

Тп

хв«- |; J x;-,.

о где Т - постоянная времени интегри

рования .

Перемещение регулирующего органа 45 в.трубопроводе 46, т.е. отработк регулирующего воздействия Х„.,.., прод

BPI л

жается до тех пор, пока ошибка ДХ не становится равной нулю. При этом цилиндр - кондуктор 20 занимает нейтральное среднее положени относительно полостей 21 и 22, что обуславливает одинаковую температур в этих плоскостях. Гибкий шток 14 н входит в зацепление ни с одним из храповых колес 37 и 38, т.е. отсутствует регулирующее воздействие.

Орган настройки - постоянная вре мени интегрирования Т , позволяет 30 изменять время Ти, меняя степень сж

тия пружины (фиг. 1).

7 вращением гайки 16

Увеличивая степень сжатия пружин 17, уменьшают частоту пульсаций исполнительного механизма и, следовательно, уменьшают быстродействие ис полнительного механизма, т.е. увели чивают время интегрирования. Уменьшение частоты пульсаций исполнитель ного механизма при увеличении степе ни сжатия пружины 17 связано с тем, что существует однозначная зависимость между степенью заглубления ст ня в жидкости 9 и величиной сжатия пружины 17, определяемой вращением гайки 16. Чем больше степень сжати пружины 17, тем больше величина заглубления h стержня 1 в жидкости 9

В зависимости от знака сигнала не- 50 Тем большемУ количеству жидкости 9 баланса АХ возвратно-поступательное стержень 1 отдает тепло. На прогрев

и испарение жидкости 9 в этом случа тратится больше времени, что снижает частоту пульсаций гибкого Штока 14. При малых заглублениях h стержня 1 в жидкость 9, достигаемых зл счет пе ремещения гайки 16 вниз, скорость на грева и испарения жидкости увеличивается и частота пульсации стержня

движение гибкого штока 14 с. собачкой 36 сообщает вращательное движение одному из храповых колес 37 и 38 (до- .пустим храповому колесу 37). Собачка 36 поворачивает храповое колесо 37 вместе с валом 42 и шестерней 39 на число зубьев, соответствующих числу импульсов перемещений гибкого штока

14. В зависимости от знака сигнала небаланса ведомая шестерня 41 вращается в ту или иную сторону (в данном случае по часовой стрелке). Это приводит к открытию проходного сечения трубопровод,-1 46 регулирующим органом 45, т.е. формированию регулирующего воздействия

Тп

хв«- |; J x;-,.

о где Т - постоянная времени интегри

рования .

Перемещение регулирующего органа 45 в.трубопроводе 46, т.е. отработка регулирующего воздействия Х„.,.., продолBPI л

жается до тех пор, пока ошибка ДХ не становится равной нулю. При этом цилиндр - кондуктор 20 занимает нейтральное среднее положение относительно полостей 21 и 22, что обуславливает одинаковую температуру в этих плоскостях. Гибкий шток 14 не входит в зацепление ни с одним из храповых колес 37 и 38, т.е. отсутствует регулирующее воздействие.

Орган настройки - постоянная времени интегрирования Т , позволяет изменять время Ти, меняя степень сжатия пружины (фиг. 1).

7 вращением гайки 16

Увеличивая степень сжатия пружины 17, уменьшают частоту пульсаций исполнительного механизма и, следовательно, уменьшают быстродействие исполнительного механизма, т.е. увеличивают время интегрирования. Уменьшение частоты пульсаций исполнительного механизма при увеличении степени сжатия пружины 17 связано с тем, что существует однозначная зависимость между степенью заглубления стержня в жидкости 9 и величиной сжатия пружины 17, определяемой вращением гайки 16. Чем больше степень сжатия пружины 17, тем больше величина заглубления h стержня 1 в жидкости 9 и

Тем большемУ количеству жидкости 9 стержень 1 отдает тепло. На прогрев

и испарение жидкости 9 в этом случае тратится больше времени, что снижает частоту пульсаций гибкого Штока 14. При малых заглублениях h стержня 1 в жидкость 9, достигаемых зл счет перемещения гайки 16 вниз, скорость нагрева и испарения жидкости увеличивается и частота пульсации стержня

14 также увеличивается, обуславливая меньшее время интегрирования Ти и большее регулирующее воздействие Хаь1Х за время существования ошибки ДХ. Формула изобретения

Регулятор с использованием тепловой энергии, содержащий исполнительный механизм интегрального действия, измеритель регулируемой величины, блок сравнения и регулирующий орган, отличающийся тем, что, с целью повышения надежносуи и точности регулятора, в нем блок сравнения вы- полней из двух одинаковых заполненных газом полостей, прилегающих одна к другой и выполнен тх в виде параллелепипедов, боковые поверхности которых покрыты теплоизоляцией, и кондук- тора, выполненного из теплопроводного материала, установленного между тепловой шиной и торцами параллелепипедов, установленных с возможностью вертикального перемещения относитель- но тепловой шины, теплоизолированной от окружающей среды, кондуктор с помощью теплоизолированного стержня связан с выходом измерителя регулируе

мой величины, а исполнительный механизм интегрального действия выполнен в виде сильфонного осциллятора и состоит из цилиндра, наружная боковая поверхность которого снабжена ребрами, а полость, образованная внутрен- неГ боковой поверхностью цилиндра и закрепленного на цилиндре сильфона, частично заполнена жидкостью, в которой частично размещен с возможностью перемещения стержень, соединенный с тепловой шиной, причем боковая поверхность стержня теплоизолирована, на подвижном торце сильфона со стороны внутренней полости закреплена теплопроводная вставка, а с внешней стороны - гибкий шток, причем силыЬон подпружинен относительно цилиндра, гибкий шток снабжен собачкой, установленной с возможностью поочередного контакта с одним из храповых колес связанных через шестерни с выходным валом, связанным с регулирующим органом, причем гибкий шток размещен между двумя оппозитно расположенными сильфонами, полости которых капиллярами связаны с полостями параллелепипедов.

4

/////// б

yVXXXA -

fo

7Фаз.I

Изобретение относится к тепловой автоматике на объектах управления, где нет никаких других видов энергии, кроме тепловой. Целью изобретения является повышение надежности и точности регулятора. Поставленная цель достигается тем, что в регуляторе с использованием тепловой энергии, содержащем блок сравнения и исполнительный механизм интегрального действия, регулирующий орган исполнительного механизма интегрального действия выполнен так, что выходной вал его поворачивается на угол, пропорциональный интегралу ошибки5 за счет подвода тепловой энергии как к исполнительному механизму интегрального действия, так и к преобразователям тепловой энергии в механическую. 2 ил.