Устройство для смешения и дозирования газовой смеси Советский патент 1993 года по МПК B01F15/04 G05D27/00 

Предлагаемое изобретение относится к области дозирования, а именно дозаторам газа, и может быть использовано в химической, газовой и металлургической промышленности для пропорционального смешения двух газов в качестве самостоятельного прибора, или в качестве самостоятельного узла сложной производственной установки, поточной линии или завода-автомата.

Цель изобретения - повышение точности смешивания газов и дозирования смеси в заданных пределах.

Поставленная цель достигается тем, что устройство содержит диафрагмы, установленные в подводящих трубопроводах перед смесителем, на выходе которого расположен дозатор, управляемый пневматическим приводом, а за диафрагмами дополнительно последовательно перед смесителем установлены газовые редукторы, регулируемые дроссели с приводами, за которыми размещены датчики давления с последовательно включенными усилителями, вычислителями дисперсий, выходы которых подключены к сравнителю синхронизируемых потоков, а выход последнего - к программному сравнителю, выходы которого подключены к блокам корректирующих контуров, управляющих приводами дросселей. Причем, на входном трубопроводе дозатора дополнительно размещен датчик давления с последовательно включенными усилителем, вычислителем и сравнителем, выход которого подключен к приводу регулируемого дросселя, установленного на выходе смесителя, и задатчик времени с таймером, управляющий электропневмоклапаном дозатора. Сформулированные отличительные признаки предложенного решения обеспечивают достижение цели изобретения - повышение точности смешивания газов и дозирования газовой смеси. Повышение точности смешивания газов по критерию минимума дисперсии расхода, а дозирование по критерию минимума среднеквадра- тического отклонения давления основано на зависимости дисперсии синхронизируемого параметра в питаемой магистрали. На фиг. 16, в качестве примера для воздуха, показаны функциональные зависимости дисперсии расхода DQ от давления, полученные по результатам обработки множества реализацией Q(t) и вычисления значений корреляционных функций. Анализ полученных зависимостей дисперсии регулируемого параметра от давления для систем, работающих в различных, но статистически стационарных режимах, показал чго дпя каждого фиксированного значения положения регуляторов расхода, изменяя давления на выходе, можно изменять дисперсию давления DP f(P) или расхода DQ f(P), а следовательно, и их среднеквад. ратическое отклонение и, следовательно, добиваться ее минимума.

Сущность предложенного решения поясняется чертежами. На фиг.1 представлена блок-схема устройства.

0 Устройство (фиг. 1) имеет газовые редукторы 1.1 и 1.2, установленные на входах подводящих трубопроводах, подсоединенные соответственно к регулируемым дросселям 2.1 и 2.2, а выходы с дросселей

5 подсоединены к смесителю 10. Дроссели муфтами соединены с приводами 3.1 и 3.2. На выходе регулируемых дросселей 2.1 и 2.2 установлены датчики давления 4.1 и 4.2, соответственно подсоединенные к усилите0 лям 5.1 и 5,2, которые соответственно подключены к вычислителям 6.1 и 6.2. Выходные сигналы с усилителей, преобразованные в сигналы постоянного тока, поступают в вычислители 6.1 и 6.2 соответ5

ственно для вычисления дисперсий

расходов ОСИ и DQ2. Для определения закона изменения сечения трубопровода - перемещения регулируемых дросселей - вычислители 6.1 и 6.2 подсоединены к срав0 нителю 7 -синхронизируемых потоков, где вычисленные дисперсии расходов ОСИ и DQ2 сравнивают между собой. Сравнитель 7 подсоединен к программному сравнителю 8, где полученный результат сравнивают с

5 допустимым (или требуемым) значением отклонения дисперсии по каждому из каналов. При этом определяют знак отклонения и номер регулируемого дросселя. Каждый из вычислителей дисперсий может содержать,

0 например, последовательно соединенные квадратор и текущий усреднитель, а вычислитель среднего квадратического значения интегрального закона, и в том случае, если синхронизация производится по критери5 ям, связанным с среднеквадратическим отклонением - последовательно включенные интегратор, усреднитель, сумматор, квадратор и второй усреднитель. Выходы сравни- теля 8, соответственно подключены к

0 блокам 9.1 и 9.2 корректирующих контуров, где учитывается закон регулирования, например, первые и вторые производные рассогласования. Выходы с блоков корректирующих контуров 9.1 и 9.2 соответ5 ственно подключены к приводам 3.1 и 3.2 регулируемых дросселей 2.1 и 2.2.

На выходе смесителя 10 последовательно установлены регулируемый дроссель 2.3 с приводом 3.3, дозатор 14 с пневматическим приводом 15, подсоединенный к задатчику времени и таймеру 13. На выходе регулируемого дросселя 2.3 установлен датчик давления 4.3 с усилителем 5.3. к выходу которого последовательно подключены вычислитель 11. сравнитель 12. Выходы вычислителя.12 и задатчикэ времени с таймером 13 подсоединены к приводу 3.3 регулируемого дросселя 2.3.

Газовые редукторы 1.1 и 1.2 для их настройки имеют манометры, установленные на входе и выходе. Обычно редукторы работают в широком диапазоне давлений. В зависимости от энергетических возможностей поставщика и нужд потребителя рабочий диапазон редуктора может быть ограничен пределами редуцирования: 0-1; 0-10. 0-20 кгс/см2 и т.д. В редукторах/как прямого, так и обратного действия, наблюдается некоторая флуктуация давления, которая достигает до 1% его номинальной величины, что естественно приводит к флуктуации и расходу. Это исключает возможность применения его в прецизионных системах без до.полнительных сглаживающих устройств. Возможность применения в данном техническом решении газовых редукторов различного рабочего диапазона позволило расширить область применения предложенного решения. Они общеизвестны. Выпускаются отечественной промышленностью.

Регулируемые дроссели 2.1 и 2.2, 2.3 с приводами 3.1, 3.2, 3.3 - общеизвестны. В качестве регулируемого дросселя, например, используется точный редуктор двигателя, а в качестве привода использован ПИРС (привод импульсного регулирования). ПИРС соединен с точным редуктором двигателя муфтой, Этот узел изготавливается отечественной промышленностью и использовался, например, в ЖРД на ракетах 8К51 (см. например, Техническое описание ракеты 8К51. Раздел Двигатель), ПИРС обеспечивает поворот регулировочного винта точного редуктора двигателя на +1 оборот, а точный редуктор двигателя здесь выполняет роль дросселя, обеспечивая высокую точность редуцирования 0,35% от номинальной величины.

Датчики давления 4.1,4.2,4.3 с усилителями 5.1, 5.2, 5.3 в предложенном решении могут быть использованы любого типа. Автором использован индукционно-емкост- ной датчик ДД-10 с усилителем ИД-1, Надежность и достоверность замеряемых параметров проверена многократно.

Вычислители 6.1. 6.2, 11 известны.

Сравнители 7. 8, 12 известны. Они выполнены например, в виде аналоговых устройств.

Блоки корректирующих контуров 9.1 и 9.2 известны. Они усилены блоками усиления, последние могут конструктивно входить в эти контуры.

5Смеситель 10, дозатор 14с пневматическим приводом 15 общеизвестны.

Задатчик времени с таймером 13 выполнены в одном корпусе. Задатчик времени - это часть автоматического регулятора, по0 средством которого задается требуемое значение времени экспозиции. Задатчиком задается либо постоянное значение времени экспозиции, либо переменное, изменяемое .по определенному закону, т.е.

5 программное регулирование. В первом случае задатчиком устанавливается время экспозиции в соответствующее положение от руки, во втором - таймером в процессе регулирования переставляется автоматически

0 механизмом с шаблоном, имеющим профиль, соответствующий заданному режиму. Задатчик времени и таймер известны.

Работа устройства. Работу устройства поясним на конкретных примерах смешива5 ния газов и дозирования газовой смеси. Смещивание газов и дозирование необходимы в химической промышленности, базирующейся на синтетическом производстве, Например, основой способа получения ам0 миака является синтез из элементов азота и водорода. В настоящее время азотная промышленность оснащена установками с широким диапазоном энергетических параметров; давления и температуры. В ка5 честве примера рассмотрим получение азотноводородной смеси при следующем режиме: получение газовой смеси с содержанием 80% аммиака при температуре +200° С и давлении 100 кгс/см . Получение

0 равновесной газовой смеси при указанном давлении и температуре, т.е. смеси стехио- метрического состава, содержащего 3 объема водорода на 1 объем азота, что соответствует отношению мольных долей

5 МН2/М(Н2 + N2) 0,75,Указанное соотношение ингредиентов обеспечивается настройкой системы. Для этого открывают вентили в подводящих магистралях и с помощью диафрагм 1.0 устанавливают заданные расхо0 ды. Настраивают газовые редукторы 1.1 и 1.2 на давление 100 ± 0,5 кгс/см по манометрам, установленным на их входах и выходах. Мгновенные значения расходов водорода и азота замеряют с помощью рас5 ходомеров с установленным постоянным перепадом давлений. В данном случае они представляют регулируемые дроссели 2.1 и 2.2, через которые проходят установленные расходы газов: водорода VH2 и азота VN2Расход измеряемого газа в данном случае для каждой магистрали определяется выражениями:

-для йодорода

Сн2 0,465 Рн2/(273 + tn) VH2 :

-для азота

GN2 0,465 Рм2/(273 + IN) VN2 , где /H2 M Vu2 обьемные расходы водорода и азота; Рн2 и Рм2 давления водорода и азота соответственно; гн и T.N - температура в°С.

Из приведенных выражений видно, что среднее значение объемных расходов ингредиентов, их температуры являются примерно постоянными значениями. Наиболее пульсирующими величинами, определяющими, в основном, точность замера, являют- ся мгновенные значения давления. Поэтому, для увеличения точности замеряются мгновенные значения давления датчиками 4.1 и 4.2, усиливаются усилителями 5,1 и 5.2 и данные поступают соответственно в вычислители дисперсий 6.1 и 6.2 При синхронизации расхода по дисперсии вычисляют как дисперсию его мгновенного, так и интегрального значения. Синхронизацию производят путем изменения давления в каждой из линий нагнетания, соответственно изменению расхода с помощью регулируемых дросселей, реализуя закономерность, подобную, приведенной на фиг,16, Для определения закона изменения сечения дросселя сигналы с вычислителя 6.1 и 6.2 сравнивают между собой с помощью сравнителя 7, а полученный результат сравнивают в сравнителе 8 далее с допустимым или требуемым значением отклонения дисперсии по каждому из каналов. При этом определяют знак отклонения и номер pefy- лируемого дросселя. На вход сравнителя 8 подается требуемое значение общей дисперсии DQo6Tp, если синхронизируется подача одноименных ингредиентов, или значение (как в рассматриваемом случае) DQiTpn DQjTp, если синхронизируется подача разноименных ингредиентов: водорода и азота. Сигналы с выхода сравнителя 8 подаются на корректирующие контуры 9.1 и 9.2, где учитывается закон синхронизации, например, первые и вторые производные рассогласования и далее с помощью приводов 3,1 и 3.2 приводятся в движение дроссели 2.1 и 2.2. пропуская газы в смеситель 10. В рассматриваемом случае смеситель представляет собой контактный аппарат или колонну синтеза, а предложенное устройство может быть использовано здесь в качестве узла сложной производственной установки.

Дозирование газовой смеси производят путем минимизации отклонения текущего среднего квадратического значения давления от наперед заданной величины. Для этого непрерывно на выходе смесителя 10 измеряется мгновенное значение давления датчиком 4.1, сигнал с которого в виде электрического напряжения подается в усилитель 5.3 и вычислитель 11. В случае, если

0 регулирование ведется по минимуму дисперсии, учитывается квадраттекущего среднего значения давления. Сигнал с вычислителя поступает в блок сравнения 12, где он сравнивается с его требуемым значе5 нием, хранящимся в памяти сравнителя, Сигнал рассогласования, формируемый в соответствии с выбранным законом управления поступает на привод 3.3 регулируемого дросселя 2.3, пропускающего смесь к

0 дозатору 14, который управляется пневматическим приводом 15. Задатчиком времени с таймером 13 устанавливается вид дозирования: периодическое или непрерывное, а также время дозирования путем подачи сиг5 нала на пневматический привод 15.

Технико-экономическая эффективность предложенного решения видна из результатов сравнительного анализа с базовым. В качестве базового решения выбран прото0 тип, Предложенное решение обладает следующими преимуществами:

-устройство для дозирования газовой смеси является прецезионным, т.к. оно при смешивании ингредиентов удовлетворяет

5 требованию минимума отклонения дисперсии от заданного значения, а дозирование производят путем минимизации отклонения текущего среднего квадратического значения давления от наперед заданной величи0 ны;

-ввод в приемник отдозированной газовой смеси обеспечивается независимо от барометрического давления и давления в приемнике;

5 - предложенное устройство позволяет учитывать и среднее значение давления, поэтому возможно регулирование давления по минимуму его среднеквадратического отклонения от заданного значения,

0 Формула изобретения

Устройство для смешения и дозирования газовой смеси, содержащее первый и второй подводящий и отводящий трубопроводы, на каждом из которых установлены

5 диафрагма, газовый редуктор, регулируемый дроссель и датчики давления, установленные перед смесителем, на выходе которого установлен третий датчик давления, входы смесителя связаны с подводами трубопроводами, отличающееся тем.

что, с целью повышения точности концентрации смеси и ее дозирования, оно дополнительно содержит первые, вторые и третьи приводы, усилители, вычислители, третий регулируемый дроссель, установленный после смесителя на отводящем трубопроводе, первый и второй элементы сравнения, программный элемент сравнения, первый и второй корректирующие контуры, дозаторы с пневмоприводом, установленные после третьего регулировочного дросселя на отводящем трубопроводе, и таймер, причем на каждом подводящем трубопроводе последовательно установлены диафрагма, газовый редуктор, регулируемый дроссель, датчик давления, выходы первого и второго датчиков давления через первые и вторые усилители и вычислители соответственно

соединены с первым и вторым входами первого элемента сравнения, выход которого соединен с входом программного элемента сравнения, первый и второй выходы которого через первый и второй корректирующие контуры соответственно соединены с управляющими входами первого и второго приводов, механически связанных с первым и вторым регулируемыми дросселями, выход

третьего датчика давления через третий усилитель и вычислитель соединен с третьим элементом сравнения, выход которого соединен с управляющим входом третьего привода, механически связанного с третьим регулируемым вентилем, первый выход таймера соединен с пневмоприводом дозатора, второй-суправляющим входом третьего привода.

Использование: изобретение относится к области дозирования, а именно к дозаторам газа, и может быть использовано для пропорционального смешения двух газов. Сущность: устройство содержит диафрагмы 1.0, установленные в подводящих трубопроводах постоянного сечения перед смесителем 10. На выходе его расположен дозатор 14,управляемый электропневмоклапаном 15.За диафрагмами 1.0 последовательно перед смесителем установлены газовые редукторы 1.1 и 1.2, регулируемые дроссели 2.1 и 2.2 с приводами 3.1 и 3.2, за которыми размещены в каждой магистрали датчики давления 4.1 и 4.2 с последовательно включенными усилителями 5.1 и 5.2, вычислители дисперсий 6.1 и 6.2, выходы которых подключены к сравкителю синхронизируемых потоков 7. А выход с него подключен к программному сравнителю 8, выходы которого подключены к блокам корректирующих контуров 9.1 и 9.2, которые управляют приводами дросселей 3.1 и 3.2. На выходном трубопроводе дозатора 14 размещен дополнительно датчик давления 4.3 с последовательно включенными усилителем 5.3, вычислителем 11 и сравнителем 12, выход которого подключен к приводу 3.3 регулируемого дросселя 2.3, установленного на выходе смесителя 10. За датчик времени с таймером 13 подключен к электропневмок- лапану 15 пневматического привода дозатора-14 и к приводу регулируемого дросселя 3.3. 1 ил. Ё 00 СА) СП Ы IS