Регулятор с использованием тепловой энергии Советский патент 1992 года по МПК G05B11/00 G05D23/00 

Изобретение относится к автоматическому регулированию, может использоваться в теплоэнергетике и является усовершенствованием изобретения по авт.св.№ 1619228.

Цель изобретения - повышение быстродействия регулятора.

На фиг.1 показан исполнительный механизм предлагаемого регулятора: на фиг.2 - конструкция и кинематическая схема регулятора.

Регулятор содержит исполнительный механизм (фиг.1), включающий стержень 1 с теплоизоляцией 2 боковой поверхности, кроме торца 3. Стержень 1 связан с источ-. ником тепловой энергии через тепловую шину 4. Цилиндрическая камера 5, закрепленная на основании 6 и выполненная как одно целое с ребрами 7 охлаждения, нижним основанием связана с сильфоном 8. Цилиндрическая камера 5 с сильфоном 8 частично заполнены жидкостью 9.

В объеме цилиндрической камеры 5 над жидкостью 9 находится объем 10 паровоздушной смеси. Вертикальное положение стержня 1 в цилиндрической камере 5 фиксируется с помощью муфты 11 и упорного винта 12. Внутри корпуса 13. выполненного как продолжение нижних ребер 7 охлаждения, размещен, кроме сильфона 8, рабочий элемент, выполненный в виде гибкого штока 15.

Внутри цилиндрической камеры 5 к нижнему основанию сильфона 8 прикреплена вставка 15 (припаяна, приклеена) с постоянным объемом. В нижнюю часть корпуса 13 ввернута гайка 16. Между гайкой 16 и сильфоном 8 размещена пружина 17.

Регулятор (фиг.2) содержит входную и выходную части, а также звено отрицательной обратной связи. Входная часть регулятора состоит из измерителя 18 регулируемой величины Xi, связанного cjreгулятором через теплоизолированный стержень 19, на конце которого закреплен кондуктор 20 элемента сравнения, Задатчик, элемент сравнения и усилитель содержат две одинаковые и прилегающие одна к другой замкнутые газовые полости 21 и 22 в виде параллелепипедов, боковая поверхность которых покрыта теплоизоляцией 23.

Газовые полости 2.1 и 22 с левой стороны контактируют с тепловой шиной 24 через кондуктор 20, а с правой стороны они теплоизолированы и находятся в скользящем контакте с теплоизолирующим покрытием 25 на сторонах шины 24.

Газовые полости 21 и 22 закреплены на вертикальной платформе 26. Последняя снабжена указателем 27 задания регулируемой величины Х3д и шкалой 28, Тепловая шина 24 закреплена на опорном элементе корпуса регулятора 29.

Газовые полости 21 и 22 через гибкие газовые каналы 30 и 31 связаны с исполнительными сильфонами 32 и 33, закреплен1 ными на опорных элементах корпуса регулятора 34 и 35.

Выходная часть регулятора состоит из исполнительного механизма, связанного через гибкий шток 14 с преобразователем возвратно-поступательного движения во вращательное, который содержит собачку 36 на гибком штоке 14, храповые колеса 37 и 38, ведущие шестерни 39 и 40, ведомую шестерню 41 и валы 42-44 вращения. Выходной вал 44 вращения связан с преобразователем вращательного движения в линейное, включающим ведущее зубчатое колесо 45 и подпятник 46 за колесом 45 на валу 44 вращения. На выступе последнего после подпятника 46 закреплена поворотная серьга 47. Противоположный конец серьги 47 содержит отверстие с осью 48 ведомого зубчатого колеса 49. Ведущее 45 и ведомое 49 зубчатые колеса содержат соответственно ведущий 50 и ведомый 51 шкивы, связанные гибкой передачей 52. Ведомое зубчатое колесо 49 входит в зацепление с рейкой 53. Ведущее зубчатое колесо 45 через выходную рейку 54 связано с регулирующим органом 55 в трубопроводе 56.

Звено отрицательной обратной связи содержит замкнутую полость, разделенную теллоизолятором 57 на две одинаковые теплоизолированные газовые камеры 58 и 59, включенные по дифференциальной схеме с полостями двух дополнительных оппозитно расположенных сильфонов 60 и 61 через гибкие газовые каналы 62 и 63. Подвижные торцы сильфонов 60 и 61 связаны со штоком 14.

Одни из торцов камер 58 и 59 выполнены в виде набора теплопроводных прокладок 64 и 65, причем наружные прокладки контактируют с первым дополнительным

кондуктором 66 отрицательной обратной связи, который содержит теплопроводную пластину, заключенную между теплоизоляционными пластинами 67. С правой сторо- ны кондуктор 66 контактирует с

0 теплопроводной плитой 68, связанной с тепловой шиной 69 через второй дополнительный кондуктор 70.

Кондуктор 66 связан с рейкой 53 обратной связи с помощью упорного винта 71. L

5 Кондуктор 70 содержит указатель 72 шкалы 73 с отметками значений коэффициента усиления регулятора Кр. Свободные поверхности плиты 68 и шины 69 теплоизолированы теплоизоляцией 74 и 75. Камеры 58 и 59,

0 плита 68 и шина 69 закреплены на опорных элементах 76 и 77.

Нагрев соответствующих тепломеханических элементов в регуляторе осуществляется с помощью подводимых по шинам

5 тепловых потоков qo, охлаждение тех же элементов - через тепловой контакт с окружающей средой (холодильник).

Регулятор работает следующим образом.

0 С помощью муфты 11, упЬрного 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-посту5 нательных движений гибкого штока 14, т.е. заданное быстродействие исполнительного механизма.

Тепло, полученное стержнем 1 от источника тепловой энергии, через тепловую ши0 ну 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 ж ее испарению и нагреву объема 10. В результате

5 этого давления объема 10 над жидкостью 9 увеличивается, и под его воздействием уровень жидкости 9 начинает уходить вниз, уда- ляясь от торца 3. Благодаря этому растягивается сильфом 8, совершая переме0 щение AY. Вместе с торцом сильфона 8 движется вниз и гибкий шток 14. При этом пружина 17 сжимается, так как коэффициент теплопроводности пара мал, то молекулы пара эффективно нагреваются лишь у

5 сечения торца 3. Вследствие этого у основной массы пара начинается конденсация в объеме камеры 5. Тогда давление пара уменьшается, и под воздействием пружины 17 сильфом 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 сильфом 8, перемещающий вниз гибкий шток 14.

Указанный процесс колебаний уровня жидкости 9 в цилиндрической камере 5 периодически повторяется.

Таким образом, на выходе исполнительного механизма получаем возвратно-посту- нательные движения гибкого штока 1.4. Это приводит в действие преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное (позиции 36-44 на фиг.2).

Возможность перемещения вставки 1.5 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 требуемую частоту колебаний (возвратно- поступательных движений) гибкого штока 14, т.е. быстродействием исполнительного механизма. В частности, 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 испаре- ние жидкости 9 в этом случае тратится больше времени, что снижает частоту пуль- саций гибкого штока 14, а значит, и быстрог действие исполнительного механизма.

При малых заглублениях стержня 1 в жидкость 9 достигается за смет перемещения гайки 16 вниз, скорость нагрева и испарения жидкости увеличивается, поэтому частота пульсаций штока 14, а, значит, и быстродействие исполнительного механиз- ма также увеличивается. .. . .;

В состоянии равновесия кондуктор 20 элемента сравнения находится в среднем положении между замкнутыми газовыми полостями 21 и 22, что соответствует рав- ным температурам и давлению газа в этих полостях, и отсутствию регулируемого воздействия, т.е. гибкий шток 14 исполнитель1- ного механизма находится в дреднем нейтральном положении (одинаковое уеи лие со стороны сильфонов 32 и 33 на шток 14) и не входит во взаимодействие с преобразователем возвратно-поступательного движения во вращательное.;

При отклонении регулируемой величи- ны Xi от задания Х3д, т.е. при появлении сигнала небаланса ЛХ Xi - Х3д, в зависимости от знака этого небаланса стержень 19 перемещается вверх или вниз. Здесь регулируемая величина Х| (например, температура) преобразуется в линейное перемещение стержня 19. Например, стержень 19 переместился вверх, вместе с ним переместился и кондуктор 20. При этом увеличивается площадь контакта кондуктора 20 с помощью 21 и уменьшается площадь контакта кондуктора 20 с полостью 22.

Поскольку полости 21 и 22 нагреваются через кондуктор 20, то температура и давлё ние газа в полости 21 увеличиваются по сравнению с температурой и давлением газа в nor л ости 22, Это вызывает увеличение объема исполнительного сияьфона 33 по сравнению с объемом сильфона 32. Свободный торец сильфона 33 перемещается при этом влево. Это приводит к тому, что непрерывно совершающий возвратно-поступательные

движения гибкий шток 14 перемещается влево и входит в зацепление с храповым колесом 37, что приводит в действие преобразователь движения.

В зависимости от знака сигнала небаланса АХ возвратно-поступательное движение гибкого штока 14 с собачкой 36 сообщает вращательное движение одному из храповых колес 37 или 38 (допустим, храповому колесу 37). В этом случае собачка 36 поворачивает храповое колесо 3 вместе, с валом 42 и шестерней 39 на число зубьев, соответствующее числу импульсов перемещений гибкбго штока 14. В зависимости от знака сигнала небаланса АХ ведомая шестерня 41 вращается в ту или иную сторону (в рассматриваемом случае по часовой стрелке). Это приводит в действие преобразователь движения.

При вращении по часовой стрелке вала 44 вращаются в эту же сторону ведущее зубчатое колесо 45 и шкив 51. Вращение шкива 51 через гибкую передачу 52 передается шкиву 50 и ведомому зубчатому колесу 49, которые также начинают вращаться по часовой стрелке. Багодаря этому начинает перемещаться вниз рейка 53. Вращение ведущего зубчатого колеса 45 по часовой стрелке преобразуется в перемещение влево рейки 54, что приводит к закрытию проходного сечения трубопровода 56 регулирующим органом 55, т.е. к выработке соответствующего регулирующего воздействия Хвых.

Тепломеханические элементы регулятора образуют отрицательную обратную связь, действие которой сводится к следующему.

Допустим, что в исходный момент времени (момент равновесия) площадь контакта кондуктора 66 с прокладкой 54 и соответствующая площадь контакта с прокладкой 65 одинаковы, что обуславливает одинаковую температуру прокладок и, следовательно, одинаковые значения температуры и давления газа в камерах 58 и 59 (рассматриваемый режим соответствует 50%-ному открытию заслонки 55 в трубопроводе 56).

Тепло от шины 69 идет через подвижный кондуктор 70, плиту 68 и кондуктор 66 на нагрев прокладок 64 и 65. Рейка 53 пере- мещается вниз, и вместе с, ней движется кондуктор 66. В результате этого площадь контакта кондуктора 66 с прокладкой 64 уменьшается и увеличивается площадь контакта кондуктора 66 с прокладкой 65. Благо- даря этому увеличиваются температура и давление газа в камере 59 по сравнению с температурой и давлением газа в камере 58. Появление разности давления и температур газа в камерах 58 и 59. приводит к тому, что давление газа в сильфоне 60 и, следовательно, усилие, развиваемое им, становятся больше, чем давление газа в сильфоне 61 и усилие, развиваемое этим сильфоном.

Однако указанные изменения темпера- туры и давления газа в камерах 58 и 59, а следовательно, и давления газа в сильфонах 60 и 61 происходит не мгновенно после перемещения кондуктора 66, а спустя некоторое время, зависящее от тепловой инерции (емкости) теплопроводных прокладок 64 и 65. Чем больше масса теплопроводных прокладок 64 и 65. тем позже прогревается газ в камере 59 и позже происходит увеличение давления газа в этом объеме и перемещение сильфона 60 вправо, в сторону удаления гибкого штока 14 от храпового колеса 37.

Таким образом, отключающая обратная связь срабатывает тем позже, чем больше тепловая инерция прокладок 64 и 65. Это значит, что под действием ошибки рассогласования ДХ и привалирующего усилия сильфона 33 гибкий шток 14 с собачкой 36 дольше находятся в зацеплении с храповым колесом 37 и вращается вал 44. Это вызыва- ет дополнительное перемещение рейки 54 (Хвых) пропорционального времени задержки отключающего действия Обратной связи, которое может быть уменьшено путем уменьшения числа прокладок 64 и 65, т.е. уменьшения их тепловой инерции (постоянной времени апериодического звена 1-го порядка Тос). Это физически означает срабатывание отключающей обратной связи в течение малого промежутка времени, т.е. сильфон 60 в этом случае быстро отводит шток 14 и собачку 36 от храпового колеса 37.

Новое установившееся состояние (положение равновесия) наступает в системе, когда результирующее воздействие на гибкий шток 14 со стороны сильфонов 60 и 61 цепи обратной связи уравновешивается результирующим действием на тот же шток 14 сильфонов 32 и 33 пропорциональной (входной) части регулятора.

В положении равновесия шток 14 занимает нейтральное положение, вал 44 и рейки 53 и 54 неподвижны. В новом установившемся состоянии текущее значение регулируемого параметра Xi отличается от заданного значения Х3д на величину статической ошибки ДХст. Это остаточное отклонение определяет в статике величину результирующего усилия на шток 14 со стороны сильфонов 32 и 33, которое уравновешивается оппоэитным результирующим усилием, развиваемыми сильфонами 60 и 61. При этом равновесие достигается при том меньшем остаточном отклонении ДХст, чем выше значение Кр, т.е. при меньшем уровне сигнала, поступающего на входную часть регулятора от звена обратной связи.

Уменьшение уровйя сигнала обратной связи достигается за счет уменьшения теплового потока (тепловой мощности), поступающего от тепловой шины 69 в плиту 68 и, следовательно, в кондуктор 66 и затем в газовые камеры 58 и 59. Уровень этого теплового потока устанавливается с помощью кондуктора. 70. В частности, уменьшение этого теплового потока достигается выводом вверх кондуктора 70 из зазора между элементами 68 и 69. Вследствие этого понижается температурный уровень в газовых камерах 58 и 59 и снижается разность давлений газа в этих камерах, что обусловливает небольшое результирующее усилие, развиваемое сильфонами 60 и 61 при их воздействии на гибкий шток 14.

По указанной причине равновесие в системе достигается при таком же небольшом результирующем оппозитном результирующем усилии со стороны сильфонов 32 и 33, воздействующих на гибкий шток 14. Последнее означает, что требуется (или устанавли- . вается) небольшая разность давлений газа в полостях 21 и 22, чтобы развить это малое усилие с помощью сильфонов 32 и 33. А это возможно, если текущее значение Xi не намного отличается от Хэд, т.е. при незначительном отклонении кондуктора 20 относительно разделительной стенки между полостями 21 и 22.

Таким образом, перемещая кондуктор 70 вверх, уменьшают наклон статической характеристики регулятора (увеличивает Кр и уменьшает статизм, степень неравномерности регулятора) и, наоборот, перемещая кондуктор 70 вниз, увеличивает наклон статической характеристики регулятора (уменьшают Кр и увеличивают статическую ошибку регулятора).

Формула изобретения

1. Регулятор с использованием тепловой энергии по авт. св. Мг 1619228, о т л и- ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения быстродействия регулятора, он содержит два дополнительных оппозитно располо- женных сильфона. подвижные торцы которых связаны с гибким штоком, а также две теплоизолированные газовые камеры, одни из торцов которых выполнены в виде набора теплопроводных прокладок с возможно- стью изменения их количества, причем наружные прокладки связаны через первый дополнительный кондуктор с теплопроводной плитой, которая связана через второй дополнительный кондуктор с тепловой ши:

ной, при этом первый дополнительный кондуктор выполнен в виде теплопроводной пластины, заключенной между двумя теплоизоляционными пластинами, и связан с рейкой, свободные поверхности теплопроводной плиты и тепловой шины теплоизолированы, а выходной вал связан с регулирующим органом через ведущее зубчатое колесо механизма преобразования вращательного движения в линейное, ведущее зубчатое колесо которого связано с рей- кой, причем полость каждого из дополнительных оппозитно расположенных сильфонов сообщена с соответствующей теплоизолированной газовой камерой.

2. Регулятор поп. 1, отличающмй- с я тем, что второй дополнительный конденсатор снабжен указателем шкалы величин коэффициента усиления регулятора.

Изобретение относится к автоматическому регулированию., может использоваться -в теплоэнергетике и является дополнительный к авт. св. №1619228. Цель изобретения - повышение быстродействия регулятора. Регулятор содержит исполнительный механизм, связанный через гибкий шток с звеном обратной связи, включающим дополнительные оппозитно расположенные сильфоны, подвижные торцы которых связаны со штоком, а полости - с теплоизолированными газовыми камерами, одни из торцов которых выполнены В виде набора теплопроводных прокладок, связанных через первый дополнительный кондуктор с теплопроводной плитой, связанной через второй дополнительный кондуктор с тепловой шиной. Кондуктор соединен через рейку с ведомым зубчатым колесом механизма преобразования вращательного движения в линейное, ведущее зубчатое колесо которого связано через выходную рейку с регулирующим органом. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

щ

16

Фиг.1

Фиг.2