Электрогидравлический регулятор расхода Советский патент 1992 года по МПК G05D7/06 

Изобретение относится к автоматическому управлению и предназначено для использования в элементах гидравлических цепей.

Необходимость сопряжения современных систем гидроавтоматики с управляющими микропроцессорными комплексами порождает потребность в эффективных электрогидравлических усилителях-преобразователях. Наиболее перспективны в этом плане электрогидравлические устройства без подвижных механических частей, т.е. действующие по принципу непосредственного преобразования электрических сигналов в гидравлические. Однако существующие электрогидравлические устройства этого типа, имея ряд очевидных достоинств, требуют, тем не менее, дальнейшего совершенствования и улучшения технических характеристик.

Известно устройство, включающее корпус с входным, выходным и управляющим каналами и проточной частью в виде вихревой камеры, а также рабочие электроды, ис- точник управляющего напряжения, задатчик, сумматор, усилитель и резистор обратной связи.

Это устройство, представляющее собой вихревой электрогидравлический регулятор расхода, охваченный отрицательной обратной связью по току коронного разряда между рабочими электродами, имеет ряд серьезных недостатков: малую крутизну рабочих и регулировочных статических харакVJ

О

го

СА О

о

теристик, низкое быстродействие, обусловленное значительным транспортным запаздыванием рабочей жидкости в вихревой камере, а также критичность к физическим характеристикам рабочей жидкости и повышенные требования к точности изготовления элементов вихревой камеры.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому электрогидравлическому регулятору расхода является устройство, включающее корпус с входным и выходным каналами в противолежащих торцевых стенках проточной части, рабочие электроды, один из которых соединен с потенциальным выводом источника управляющего напряжения, другой электрод соединен с общей шиной и является проти- воэлектродом, а третий электрод является выявительным и соединен с входом блока обратной связи. Выход блока обратной связи соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом задатчика. Кроме того, устройство содержит также элемент для электризации жидкости, размещенный на одном из электродов.

Указанное устройство обладает рядом недостатков, главный из которых - малый диапазон регулирования и, соответственно, низкая выходная регулируемая гидравлическая мощность. Это обусловлено тем, что регулирование расхода основано на изменении скорости потока заряженной диэлектрической жидкости в пространстве между рабочими электродами при подачи на них управляющего электрического напряжения, что эквивалентно изменению гидравлического сопротивления проточной части. Эффективность такого регулирования весьма низкая, поскольку не позволяет при напряжениях, меньших пробойного обеспечить значительное, например, близкое к полному перекрытию, изменению расхода. Поэтому реальный диапазон регулирования не превышает 25-30% от максимального расхода. Соответственно и величина регулируемой выходной гидравлической мощности будет невелика по сравнению с полной гидравлической мощностью.

Кроме того, используемый в данном устройстве способ регулирования расхода энергетически мало эффективен, особенно при больших расходах, т.к. торможение потока требует от источника управляющего напряжения значительной электрической мощности, что снижает КПД устройства. Конструкция устройства не предусматривает возможности обеспечивать заранее тре- буемый коэффициент усиления

преобразования, а также ограничивает его функциональные возможности режимом дросселирования. Используемый в устройстве блок обратной связи, работающий по

приципу контроля тока поляризации в рабочей жидкости, не обеспечивает хорошей точности регулирования из-за крайне низкой, особенно на повышенных расходах, крутизны статической регулировочной характеристики.

Целью изобретения является расширение диапазона регулирования, повышение выходной регулируемой гидравлической мощности и КПД устройства, расширение

области его применения, обеспечение требуемого коэффициента усиления, а также повышение точности регулирования.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для регулирования расхода жидкости, содержащее корпус с входным и выходным каналами в противолежащих торцевых стенках проточной части, электроды, первый из которых соединен с потенциальным выводом источника управляющего

напряжения, второй электрод соединен с общей шиной и является противоэлектро- дом, а третий электрод является выявительным, блок обратной связи, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом задатчика, и элемент электризации жидкости, размещенный на одном из электродов, снабженно установленной в проточной части отклоняющей стенкой Коанда и вторым

выходным каналом, сопряженным с отклоняющей стенкой Коанда, причем размещен первый электрод напротив отклоняющей стенки параллельно оси входного канала на расстоянии от нее не меньшем, чем поперечный размер входного канала, противо- электрод размещен на отклоняющей стенке Коанда, а выявительный электрод совмещен с вторым выходным каналом, причем выявительный электрод соединен со входом блока

обратной связи.

Противоэлектрод совмещен с отклоняющей стенкой Коанда в виде части цилиндрической поверхности радиуса R, определяемого по формуле:

R Ј-K d,M.

где Ј (1,5-2,5) - безразмерный коэффициент;

К - требуемый коэффициент усиления; d - поперечный размер входного канала, м.

При этом достигается упрощение конструкции и обеспечивается требуемый коэффициент усиления.

В одном или нескольких каналах устройства размещены электрогидродинамические преобразователи расхода.

Элемент электризации выполнен в виде покрытия на противоэлектроде из материала с малой работой выхода электронов в рабочую жидкость, при этом устройство снабжено источником электромагнитных колебаний, например лампой накаливания с длиной волны меньшей, чем длина волны красной границы материала покрытия, который размещен с возможностью облучения элемента электризации.

Кроме того, блок обратной связи содержит полупроводниковый пьезоэлектрический резонатор, один вывод которого соединен с выявительным электродом, а второй соединен с одним из выводов нагрузочного сопротивления, второй вывод которого заземлен, и с одним из выводов разделительного конденсатора, второй вывод которого соединен с одним из выводов разделительного конденсатора, второй вывод которого соединен с одним из выводов разделительного резистора, второй вывод которого заземлен, и с одним из выводов диода, второй вывод которого соединен с первым входом счетчика импульсов, второй вход которого соединен с выходом таймера дискретности, а кодовый выход соединен с входом преобразователя код-напряжение, выход которого соединен с одним из входов сумматора.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого электрогидравлического регулятора расхода.

Устройство содержит входной канал 1 и первый выходной канал 2, выполненные в противолежащих торцевых стенках проточной части 3 корпуса. Второй (дополнительный) выходной канал 4 сопряжен с отклоняющей стенкой 5 Коанда. Напротив отклоняющей стенки 5 размещен первый электрод 6, который расположен параллельно оси входного канала 1 на расстоянии от отклоняющей стенки 5 всюду не меньшем, чем поперечный размер входного канала 1. Второй электрод 7 размещен на отклоняющей стенке 5, и, в принципе, может быть полностью совмещен с ней, причем в этом случае он может быть выполнен в виде части цилиндрической поверхности радиуса R,определяемого формулой

R |« K-d,

где Ј (1,5-2,5)-безразмерный коэффициент;

К - требуемый коэффициент усиления;

d - поперечный размер входного канала, м.

Третий, выявительный электрод 8 совмещен со стенками выходного канала (в данном случае второго выходного канала 4). На одном из управляющих электродов 6

или 7 (в данном случае на втором электроде 7) размещен элемент 9 для электризации жидкости. Один из электродов 6, 7 соединен в потенциальном выходом источника управляющего напряжения 10. В данной примере

0 это электрод 6, Второй электрод (электрод 7) соединен с общей шиной устройства.

Выявительный электрод 8 соединен с входом блока 11 обратной связи, выход которого соединен с первым входом суммато5 ра 12, второй вход которого соединен с выходом задатчика 13. Выход сумматора 12 соединен с входом источника управляющего напряжения 10, низковольтный вывод которого заземлен.

0Элемент 9 электризации жидкости может быть выполнен в виде покрытия на противоэлектроде, причем из материала с малой работой выхода электронов, при этом устройство должно быть снабжено источни5 ком электромагнитных колебаний, например лампой накаливания (не показано), с длиной волны меньшей, чем длина волны красной границы материала покрытия. В этом случае источник должен быть разме0 щен с возможностью облучения элемента электризации.

Кроме того, в одном или нескольких каналах устройства могут быть размещены электрогидродинамические преобразовате5 ли расхода дроссельного типа.

Блок 11 обратной связи содержит полупроводниковый пьезоэлектрический резонатор 14, один вывод которого соединен с выявительным электродом 8, а второй вы0 вод соединен с одним из выводов нагрузочного резистора 15, второй вывод которого соединен с нулевой шиной и с одним из выводов разделительного конденсатора 16, второй вывод которого соединен с одним из

5 выводов разделительного резистора 17, второй вывод которого соединен с нулевой шиной и с одним из выводов диода 18, второй вывод которого соединен с первым входом счетчика 19 импульсов, второй вход

0 которого соединен с выходом таймера 20 дискретности, а кодовый выход соединен с входом преобразователя 21 код-напряжение, выход которого соединен с одним из входов сумматора 12.

5 Работа устройства осуществляется следующим образом.

Рабочий поток жидкости подается в устройство по входному каналу 1, который попадает в проточную часть 3, двигаясь в направлении первого выходного канала 2.

Однако, проходя мимо отклоняющей стенки Коанда входная струя отклоняется от первоначального прямолинейного направления распространения, благодаря известного эффекта Коанда.

При появлении между электродами 6 и 7 управляющего напряжения, поступающего от источника 10 управляющего напряжения, электрическое поле Е, возникающее при этом в пространстве между электродами 6 и 7, будет воздействовать на струю, заряженную объемной плотностью/Ое , силой Fe p2 Ё, смещая, по мере увеличения управляющего напряжения, точку отрыва струи от отклоняющей стенки Коанда вверх по течению в сторону входного канала 1.

Расход рабочей жидкости через второй выходной канал 4, сопряженный с отклоняющей стенкой 5 будет уменьшаться, а расход через выходной канал 2 возрастать. При достижении управляющим напряжением некоторого предельного значения Unp произойдет полное переключение потока с выходного канала 4 и канала 2. Снижение величины управляющего напряжения от Unp до 0 приведет к обратному переключению струи с канала 2 на канал 1. Тем самым может достигаться практически 100% модуляция расхода через выходные каналы, что расширяет диапазон регулирования расхода и увеличивает величину выходной регулируемой гидравлической мощности, а также расширяет функциональные возможности устройства. Кроме того, отклонение струи требует, при прочих равных условиях, меньших затрат электрической энергии источника управляющего напряжения, чем торможение струи, применяемое в прототипе. Величина расхода через выходные каналы 2 и 4, поступающего в нагрузку или сливную магистраль, определяется таким образом величиной управляющего напряжения источника 10. Эта величина определяется сигналом, поступающим на вход источника 10 управляющего напряжения с выхода сумматора 12, который формирует сигнал, пропорциональный алгебраической сумме сигналов задатчика 13 и блока 11 обратной связи. Сигнал задатчика 13 определяет требуемый уровень расхода на выходе устройства, а блок обратной связи 11 формирует сигнал пропорциональный расходу через канал. В результате сумматор 12 непрерывно подает на вход источника 10 управляющего напряжения сигнал, обеспечивающий поддержание заданного расхода и в заданных пределах.

На фиг.2 представлена зависимость выходной гидравлической мощности от уп0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

равляющего напряжения Uy (пунктиром дана аналогичная зависимость для прототипа).

В заявляемом устройстве, как и в прототипе, происходит преобразование электрический энергии управляющего сигнала в изменение выходной гидравлической энергии, т.е. оно является усилителем-преобразователем. В отличие от прототипа, где коэффициент усиления-преобразования может быть определен лишь экспериментально, конструкция предлагаемого устройства позволяет задавать величину этого коэффициента. Действительно, струя жидкости с плотностью р, распространяющаяся со скоростью V, создает на выходе из проточной

М/2 части динамический напор Рпрод г- при

прохождении струи мимо отклоняющей стенки Коанда на струю начинает действовать поперечное давление, равное, как известно:

Рпопер /О -|з V ,

где d - поперечный размер струи (входного канала); R - радиус кривизны траектории струи.

Для полного переключения струи управляющим напряжением необходимо, чтобы электростатические силы, действующие между электродами на заряженную струю, полностью скомпенсировали это отклоняющее поперечное давление, при этом динамический напор полностью начнет поступать в другой выходной канал, Следовательно, коэффициентусиления - преобразования К можно оценить как

А RЕсли выполнить отклоняющую стенку в виде части цилиндра, или совместив ее с размещенным на ней управляющим электродом - для упрощения конструкции - управляющий электрод 7 выполнить в виде части цилиндрической поверхности радиуса R, определяемого по формуле

K-d, м,

го такая конструкция обеспечит получение заранее требуемого коэффициента усиления. Как показали эксперименты, величина Ј заключена в пределах 1,5-2,5.

Для расширения функциональных возможностей устройства, оно может содержать в одном или нескольких его каналах (как выходных, так и входном) электрогидродинамические регуляторы расхода. При этом будет изменяться гидравлическое сопротивление каналов, а следовательно расI/ Рпрод .

Р

попер

ходные и переключающие характеристики устройства.

В случае выполнения элемента электризации в виде покрытия на противоэлект- роде, изготовленного из материала с малой работой выхода, например, щелочного металла, при облучении этого покрытия излучением от источника электромагнитных колебаний (например,/-лучей, оптического диапазона и др.) при условии, что длина волны красной границы материала покрытия больше, чем длина волны источника, будет происходить внешний фотоэффект, т.е. выход электронов из материала покрытия в рабочую жидкость, что позволяет интенсифицировать зарядообразование, а кроме того, путем изменения интенсивности или длины волны источника расширить функциональные возможности управления устройством.

Работа блока обратной связи заявляемого устройства осуществляется следующим образом.

Заряд, выносимый заряженной струей через выходной канал, собирается выяви- тельным электродом 8, создает электрический квазипостоянный ток 1В, проходящий через полупроводниковый пьезоэлектрический резонатор 14 и нагрузочный резистор 15. Величина этого тока пропорциональная расходу через канал выявительного электрода 8. Падение напряжения, создаваемое этим током на пьезополупроводниковом резонаторе 14 при превышении определенного порогового значения, вызовет возникновение в нем в.ч. акустоэлектриче- ских колебаний, что приведет к появлению переменной составляющей тока во внешней цепи.

. Снимаемая с нагрузочного сопротивления 15, через разделительный конденсатор 16 и разделительный резистор 17, переменная составляющая тока, отфильтрованная конденсатором 16 от постоянной составляющей, поступает на диод 18. Диод 18 производит однополупериодное выпрямление высокочастотного переменного тока, превращая его в последовательность однопо- лярных импульсов, число которых в единицу времени зависит от частоты генерации пье- зополупроводникового резонатора 18. Эта частота в свою очередь зависит от величины напряжения, создаваемого на этом резисторе 14 током выявительного электрода 8. С диода 18 последовательность полученных однополярных импульсов поступает на один из входов счетчика импульсов 19, который открывается при поступлении на второй вход счетчика 19 прямоугольных импульсов заданной длительности с таймера длительности 20, задающего периодичность и длительность работы счетчика импульсов 19. Число импульсов, засчитанное счетчиком 19 за отведенное таймером длительности 20 время в форме цифрового двойного электрического сигнала с кодового выхода счетчика импульсов 19, поступает на вход преобразователя цифра-напряжение 21 и преобразуется в электрическое на0 пряжение, пропорциональное числу засчитанных импульсов на заданное таймером 20 время. С выхода преобразователя 21 это напряжение поступает на один из входов сумматора 12, где алгебраически сумми5 руется с сигналом задатчика 13. При изменении расхода в контролируемом выходном канале будет изменяться ток выявительного электрода 8, а следовательно, и падение напряжения на пьезополупровод0 никовом резонаторе 14, что приведет к изменению частоты колебаний. В результате число импульсов, засчитываемых счетчиком 19 за время, устанавливаемое таймером 20 будет меняться. В зависимости от этого из5 менения и преобразователь 21 будет формировать сигнал, пропорциональный расходу (или его изменению).

Разрешающая способность предлагаемого блока обратной связи значительно вы0 ше, чем в прототипе, так как обеспечивает

фиксацию изменений частоты колебаний

. резонатора,, обусловленных изменением

конвективного тока расхода с точностью до

одного периода, что в типичном случае диа5 пазона (10-50) МГц составляет доли мкс или в процентном отношении, менее 0.01 %.

Таким образом, технико-экономические преимущества предлагаемого изобретения перед аналогичными известными решения0 ми состоят в следующем:

повышается диапазон регулирования расхода и регулируемая выходная мощность за счет применения эффекта Коанда и перераспределения потока между двумя

5 выходными каналами;

. повышается КПД устройства за счет уменьшения управляющей электрической мощности;

расширяются функциональные возмож0 ности устройства, как за счет увеличения числа каналов, так и благодаря снабжению их электродинамическими преобразователями расхода;

интенсифицируется зарядообразова5 ние путем использования явления внешнего фотоэффекта;

конструкция обеспечивает получение требуемого коэффициента усиления;

повышается точность регулирования заданного расхода благодаря использованию

частотно-цифрового принципа работы блока обратной связи, основанного на использовании зависимости частоты колебаний пьезополупроводникового резонатора от конвективного тока выходного канала.

Формула изобретения

1.Электрогидравлический регулятор расхода, содержащий корпус с входным и выходным каналами в противолежащих торцевых стенках проточной части, электроды, первый из которых соединен с потенциальным выводом источника управляющего напряжения, второй электрод - с общей шиной и является противоэлектродом, а третий электрод является выявительным, блок обратной связи, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом задатчика, и элемент электризации жидкости, размещенный на одном из электродов, о т л и- чающийся тем, что, с целью увеличения диапазона регулирования расхода, выходной гидравлической мощности и КПД, а также расширения области применения регулятора, он снабжен установленной в проточной части отклоняющей стенкой Ко- анда и вторым выходным каналом, сопряженным с отклоняющей стенкой Коанда, причем первый из электродов размещен напротив отклоняющей стенки параллельно оси входного канала на расстоянии от нее не меньшем, чем поперечный размер входного канала, противоэлектрод размещен на отклоняющей стенке Коанда, а выявитель- ный электрод совмещен с вторым выходным каналом, причем выявительный электрод соединен со входом блока обратной связи.

2.Регулятор по п.1, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что, с целью упрощения конструкции и обеспечения требуемого коэффициен- та усиления, противоэлектрод совмещен с отклоняющей стенкой Коанда и выполнен в

виде части цилиндрической поверхности радиусом R

R-Ј K-d,

где Ј 1,5-2,5 - безразмерный коэффициент;

К - требуемый коэффициент усиления;

d - поперечный размер входного канала, м.

3.Регулятор по пп.1 и 2, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что в одном или нескольких каналах установлены электрогидродинамические преобразователи расхода.

4.Регулятор по пп.1 и2,отличаю- щ и и с я тем, что содержит источник электромагнитного излучения, размещенный с возможностью облучения элемента электризации жидкости, причем последний выполнен в виде покрытия на противо- электроде из материала, имеющего длину волны красной границы фотоэффекта больше, чем длина волны источника электромагнитного излучения.

5.Регулятор по пп.1 и2,отличаю- щ и и с я тем, что, с целью повышения точности регулирования, блок обратной связи содержит полупроводниковый пьезоэлектрический резонатор, один вывод которого соединен с входом блока, а второй вывод - с одним из выводов нагрузочного резистора, второй вывод которого соединен с нулевой шиной, и с одним из выводов разделительного конденсатора, второй вывод которого соединен с одним из выводов разделительного резистора, второй вывод которого соединен с нулевой шиной, и с одним из выводов диода, второй вывод которого соединен со счетным входом счетчика импульсов, вход разрешения которого соединен с выходом таймера, а кодовый выход - с входом преобразователя код - напряжение, выход которого соединен с выходом блока.

1762300

W r-1

4X--j Ю U-I4- -T

Ъ П75Гр/7П д

n „.

tod

Ю

-sf

Изобретение относится к гидроавтоматике и позволяет без наличия подвижных механических частей осуществлять регулирование расхода рабочей жидкости в системах гидроприводов различного назначения в более широком диапазоне, с более высоким КПД и большей выходной мощностью и расширением области применения благодаря использованию эффекта Коаьда. Регулятор содержит два 2 и 4 выходных канала и отклоняющую стенку 5 Коанда, размещенную в проточной части 3 около входного канала 4. Благодаря конкурирующему действию отклоняющей стенки и электрического поля между управляющими электродами 7 и 6, достигается перераспределение потока предварительно заряженной жидкости между выходными каналами 2 и 4, что обеспечивает большую глубину модуляции потока и расширяет функциональные возможности применения регулятора. Повышению точности регулирования способствует блок обратной связи, выполненный на основе пьезополупроводникового резонатора, частота генерации которого зависит от расхода через один из выходных каналов. 4 з.п. ф-лы, 2 ил. сл с

ЛД/,6т

ЗС

/О

О

llfytKB

2030