RU2010298C1 - Gas flow governor - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: gas flow governor is built in the form of electromagnet to which working face restoring steel plate is attracted in bigger or lesser degree depending on value of current passing through coil of electromagnet. Gas is fed through hole in body of electromagnet under plate. Plate has one or several wedge-shaped grooves communicating with inlet hole. End of plate is made fast above inlet hole to body, the other end is suspended from flexible adjusted tie. If there is no current in coil reaction of pull and moment from restraint act on plate which causes certain sagging of it. In this case pneumatic resistance is minimal for passing of gas and its flow is maximum. If current is present in coil in addition to mentioned actions electromagnetic fore will act on plate which will attract it to body without clearance over some section. Used length of grooves and pneumatic resistance will grow and flow of gas will diminish and will correspond to flowing current. By contrast to existing design proposed governor has some advantages, namely: absence of sliding friction, absence of wear out of rubbing members and therefore absence of fouling of passing gas by products of wear out. EFFECT: no fouling of passing gas by products of wear out. 5 dwg

Description

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в любой отрасли для точной дозировки газов или жидкостей. The invention relates to automation and can be used in any industry for the exact dosage of gases or liquids.

Известно устройство для регулирования расхода газов или жидкостей [1] , где регулирование осуществляется с помощью охлаждаемой с одной стороны и нагреваемой с другой стороны мембраны, выполненной из термоупругого материала, закрывающей сопло в большей или меньшей степени в зависимости от разности температур. A device for regulating the flow of gases or liquids [1], where the regulation is carried out using a cooled on one side and heated on the other side of the membrane made of thermoelastic material that covers the nozzle to a greater or lesser extent depending on the temperature difference.

Недостатком данной конструкции является необходимость устройств, обеспечивающих разность температур мембраны. The disadvantage of this design is the need for devices that provide a temperature difference of the membrane.

Известны электромагнитные приводы [2] и [3] , а также управляемый магнитный дроссель с пьезоэлектрическим приводом [4] . В этих устройствах различным расстоянием между заслонкой и соплом соответствуют различные значения расхода. Known electromagnetic drives [2] and [3], as well as a controlled magnetic inductor with a piezoelectric drive [4]. In these devices, different flow rates correspond to different distances between the shutter and the nozzle.

Устройства имеют недостаточную точность, так как между положениями "открыто" и "закрыто" перемещения заслонки малы. Кроме того, привод [4] требует высоких электрических напряжений, что ограничивает его применение. The devices have insufficient accuracy, since between the open and closed positions the movements of the damper are small. In addition, the drive [4] requires high electrical voltages, which limits its application.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является регулятор расхода газа [5] , где регулирующий орган выполняется в виде штока, на боковой поверхности которого имеется несколько клиновидных канавок различной длины. При поступательном движении штока относительно кольцевой втулки происходит последовательный выход канавок из действия. Величина расхода определяется положением штока, числом, сечением и длиной задействованных канавок. The closest in technical essence to the invention is a gas flow regulator [5], where the regulatory body is in the form of a rod, on the side surface of which there are several wedge-shaped grooves of different lengths. With the translational movement of the rod relative to the annular sleeve, the grooves sequentially exit the action. The flow rate is determined by the position of the rod, the number, cross-section and length of the involved grooves.

Однако регулятор не может обеспечить высокую точность регулирования из-за неизбежного трения штока о кольцевую втулку, в результате чего наблюдаются скачкообразные движения штока при малых перемещениях (из-за трения покоя). Возможны также износ штока и втулки и, как следствие, пропускание нерегулируемого объема газа. Электродвигатель с редуктором, осуществляющие возвратно-поступательные движения штока, имеют определенный холостой ход (люфт). Продукты износа штока и корпуса могут являться источником загрязнения проходящего газа, что недопустимо в некоторых технологических процессах. However, the regulator cannot ensure high accuracy of regulation due to the inevitable friction of the rod against the annular sleeve, as a result of which jump-like movements of the rod are observed at small displacements (due to static friction). Wear of the rod and sleeve and, as a result, transmission of an unregulated volume of gas are also possible. The electric motor with a gearbox, performing reciprocating movements of the rod, have a certain idle speed (backlash). Wear products of the rod and body can be a source of contamination of the passing gas, which is unacceptable in some technological processes.

Целью изобретения является исключение загрязнения технологического газа, а также повышение точности регулирования путем устранения трения скольжения между элементами регулятора. The aim of the invention is the elimination of contamination of the process gas, as well as improving the accuracy of regulation by eliminating sliding friction between the elements of the regulator.

Цель достигается тем, что регулятор расхода газа выполнен в виде электромагнита, к рабочему торцу которого электромагнитными силами притягивается упругая пластина. В корпусе электромагнита выполнено входное отверстие для газа. Пластина имеет одну или несколько канавок, сообщающихся с входным отверстием. Конец пластины, удаленный от входного отверстия, подвешен на гибкой регулируемой тяге, другой конец жестко прикреплен к корпусу. При изменении тока в катушке электромагнита пластина в большей или меньшей степени (соответственно величине тока) притягивается к корпусу. Длина, число и сечение задействованных канавок изменяются, изменяется при этом и расход газа. В процессе регулирования между пластиной и корпусом изменяется только зазор, а другие относительные перемещения и трение скольжения отсутствуют. В конструкции тяги также исключено трение скольжения. The goal is achieved in that the gas flow regulator is made in the form of an electromagnet, to the working end of which an elastic plate is attracted by electromagnetic forces. An inlet for gas is made in the body of the electromagnet. The plate has one or more grooves in communication with the inlet. The end of the plate, remote from the inlet, is suspended on a flexible adjustable rod, the other end is rigidly attached to the housing. When the current in the coil of the electromagnet changes, the plate is more or less (corresponding to the current value) attracted to the body. The length, number and cross section of the involved grooves change, and the gas flow rate also changes. In the regulation process, only the gap changes between the plate and the housing, and there are no other relative displacements and sliding friction. The design of traction also eliminates sliding friction.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие критерию "новизна", так как преимущества регулятора [5] - одна или несколько канавок различной длины сохранены, а трение скольжения, износ, загрязнение продуктами износа проходящего газа устранены. Стал не нужен приводной механизм с его возможными погрешностями. Признаки, отличающие изобретение от прототипа, не были выявлены в других технических решениях данной области, поэтому они обеспечивают заявленному решению соответствие критерию "существенные отличия". Comparison of the proposed technical solution with the prototype allows you to establish compliance with the criterion of "novelty", since the advantages of the regulator [5] - one or more grooves of different lengths are saved, and sliding friction, wear, pollution by wear products of the passing gas are eliminated. The drive mechanism with its possible errors became not needed. Signs that distinguish the invention from the prototype were not identified in other technical solutions in this field, so they provide the claimed solution with the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 изображен заявляемый регулятор расхода газа с его поперечным сечением; на фиг. 2 - регулятор при отсутствии тока в катушке; на фиг. 3 - регулятор при наличии в катушке тока; на фиг. 4 и 5 - возможные варианты регулятора. In FIG. 1 shows the inventive gas flow regulator with its cross section; in FIG. 2 - controller in the absence of current in the coil; in FIG. 3 - regulator in the presence of current in the coil; in FIG. 4 and 5 - possible options for the regulator.

Регулятор состоит из деталей 1 магнитопровода, собранных в единый корпус (фиг. 1), катушки 2, упругой пластины 3 из электротехнической стали с канавками (или одной канавкой) 4, регулируемой тяги 5, регулировочных гаек 6, прижима 7, входного штуцера 8, выходного штуцера 9, крышки 10, заливки 11 из немагнитного материала. The regulator consists of parts 1 of the magnetic circuit assembled in a single housing (Fig. 1), coil 2, an elastic plate 3 of electrical steel with grooves (or one groove) 4, adjustable rod 5, adjusting nuts 6, clamp 7, inlet fitting 8, output fitting 9, cover 10, fill 11 of non-magnetic material.

При отсутствии тока в катушке (фиг. 2) на пластину действуют момент М₃ от защемления ее левого края и реакция тяги R.In the absence of current in the coil (Fig. 2), the moment M ₃ from pinching of its left edge and the thrust reaction R act on the plate.

Уравнение упругой линии для такой пластины (канавка не учтена):
V_z=

-lz

, где V_z - величина прогиба пластины;
z - координата от ее левого торца;
Е - модуль упругости;
a, b, l - соответственно толщина, ширина и длина пластины.The elastic line equation for such a plate (groove not taken into account):
V _z =

-lz

where V _z - the magnitude of the deflection of the plate;
z is the coordinate from its left end;
E is the modulus of elasticity;
a, b, l - respectively, the thickness, width and length of the plate.

В этом случае при подаче газа через штуцер под пластину его расход будет максимален, так как минимальна длина задействованной канавки. In this case, when gas is supplied through the nozzle under the plate, its flow rate will be maximum, since the length of the involved groove is minimal.

При некотором значении тока в катушке (фиг. 3) на пластину кроме указанных выше сил действует электромагнитная сила F_э, которая, преодолевая упругость пластины, притягивает ее к корпусу на некоторой длине z₁ без зазора (при этом жесткость оставшейся части пластины повышается).At a certain value of the current in the coil (Fig. 3), in addition to the forces indicated above, the electromagnetic force F _e acts, which, overcoming the elasticity of the plate, draws it to the body over a certain length z ₁ without a gap (the rigidity of the remaining part of the plate increases).

Длина участка z₁ зависит от силы F_э, которая обусловлена силой тока в катушке, числом витков катушки, конструкцией магнитопровода, материалом магнитопровода и пластины, магнитной проницаемостью среды. В общем случае для каждого элементарного участка пластины сила притяжения описывается формулой
F_з=

, где В - магнитная индукция в зазоре;
S - площадь сечения зазора под пластиной;
μ - магнитная проницаемость среды.The length of the section z ₁ depends on the force F _e , which is determined by the current strength in the coil, the number of turns of the coil, the design of the magnetic circuit, the material of the magnetic circuit and plate, and the magnetic permeability of the medium. In the general case, for each elementary section of the plate, the attractive force is described by the formula
F _s =

where B is the magnetic induction in the gap;
S is the cross-sectional area of the gap under the plate;
μ is the magnetic permeability of the medium.

При увеличении тока в катушке координата z₁ сдвигается вправо, расход газа уменьшается и соответствует в каждый момент длине и сечению задействованной канавки.With increasing current in the coil, the coordinate z ₁ shifts to the right, the gas flow rate decreases and at each moment corresponds to the length and cross section of the involved groove.

Формула, по которой может быть рассчитан расход:
Q=

, где Δ P - перепад давления на регуляторе;
R_n - пневматическое сопротивление, зависящее от длины канавки, ее сечения, средней плотности газа в пневмосопротивлении и вязкости газа.The formula by which the flow rate can be calculated:
Q =

where Δ P is the pressure drop across the regulator;
R _n - pneumatic resistance, depending on the length of the groove, its cross section, the average density of the gas in the pneumatic resistance and the viscosity of the gas.

Регулятор разработан для использования в процессе MCVD (modified chemical - vapor - deposition), где при изготовлении заготовок для вытяжки оптического кварцевого волокна технологический газ подается в кварцевую трубу, вдоль которой перемещается горелка. При движении горелки в одном направлении осуществляется рабочий пpоцесс с дозированной (с помощью регуляторов) подачей газов внутрь трубы, а во время обратного хода горелки, регуляторами устанавливают новые значения расхода, т. е. процесс подачи газов периодический. Число рабочих проходов 100. . . 150. Максимальный требуемый расход газа через один регулятор 2000 мл/мин, минимальный - 20 мл/мин. Перепад давления на регуляторе 1 атм. The regulator is designed for use in the MCVD (modified chemical - vapor - deposition) process, where in the manufacture of blanks for drawing optical quartz fiber, the process gas is fed into the quartz tube along which the burner moves. When the burner moves in one direction, a working process is carried out with a metered (using regulators) gas supply into the pipe, and during the burner return stroke, the regulators set new flow rates, i.e. the gas supply process is periodic. The number of working passes 100.. . 150. The maximum required gas flow through one regulator is 2000 ml / min, the minimum is 20 ml / min. Pressure drop on the regulator 1 atm.

В изготовленных регуляторах намотка катушек электромагнита выполнена медным проводом диаметром 0,1 мм, число витков 4000. Длина пластины от заделки до тяги 56 мм, ширина 14 мм, толщина 1,5 мм, длина канавки 22 мм, глубина 1мм. In the manufactured regulators, the winding of the electromagnet coils is made of a copper wire with a diameter of 0.1 mm, the number of turns is 4000. The plate length from the seal to the rod is 56 mm, width 14 mm, thickness 1.5 mm, groove length 22 mm, depth 1 mm.

Корпус и пластина выполнены из электротехнической стали с необходимой термической обработкой, заливка медная. Рабочий торец электромагнита и пластина шлифованы. Осуществлено антикоррозийное покрытие. Гибкий элемент тяги имеет диаметр 0,6 мм. The body and plate are made of electrical steel with the necessary heat treatment, copper casting. The working end face of the electromagnet and the plate are polished. Anticorrosion coating is carried out. The flexible traction element has a diameter of 0.6 mm.

Собранный регулятор настраивался на нужные расходы нижеизложенным способом. The assembled regulator was adjusted to the required costs in the manner described below.

В пределах допустимого для данной катушки выбирался максимальный ток (I_макс = 20мА), при котором желательно было обеспечить минимальный расход газа (Q_мин = 20 мл/мин). С помощью регулировочных гаек устанавливался минимальный расход газа Q ≈ 20мл/мин при I_макс ≈ 20 мА. Далее находилось такое значение тока, при котором расход становился равным максимальному (I_мин ≈ 4,5мА, Q_макс ≈ 2000 мл/мин). Находилась зависимость Q = f (I) во всем диапазоне.Within the permissible limit for this coil, the maximum current (I _max = 20mA) was chosen at which it was desirable to ensure the minimum gas flow (Q _min = 20 ml / min). Using the adjusting nuts, the minimum gas flow rate Q ≈ 20 ml / min was established at I _max ≈ 20 mA. Next, there was a current value at which the flow rate became equal to the maximum (I _min ≈ 4.5 mA, Q _max ≈ 2000 ml / min). The dependence Q = f (I) was found in the entire range.

Допустима подача газа через первый штуцер (фиг. 1), но при этом настройку и снятие характеристики Q = f(I) нужно выполнить снова. It is permissible to supply gas through the first fitting (Fig. 1), but at the same time, the setting and removal of the characteristic Q = f (I) must be performed again.

Для определения стабильности регулятора многократно измерялся расход газа при значении тока 12,025 мА. После каждого замера ток изменялся на 2. . . 3 мА и вновь устанавливалось прежнее его значение 12,025 мА. To determine the stability of the regulator, the gas flow rate was repeatedly measured at a current value of 12.025 mA. After each measurement, the current changed to 2.. . 3 mA and its previous value of 12.025 mA was set again.

Изменяя размеры пластины (l, a, b), размеры ее канавки, выполняя настройку с помощью регулировочных гаек, можно перейти к расходам в других пределах, но при этом ток в катушке не должен превышать допустимых для нее значений. Так, регулятор был использован в другом технологическом процессе с Q_мин = 30 л/мин и Q_макс = 110 л/мин при перепаде давления на нем 4 атм. При этом в пластине была выполнена прямоугольная канавка сечением (0,8 ˙ 4) мм. Диапазон регулирования по току был от 1 до 35 мА. Газ - водород подавался через правый штуцер.By changing the dimensions of the plate (l, a, b), the dimensions of its groove, adjusting with the help of adjusting nuts, it is possible to go to the costs in other limits, but the current in the coil should not exceed the values acceptable for it. So, the regulator was used in another technological process with Q _min = 30 l / min and Q _max = 110 l / min with a pressure drop of 4 atm. In this case, a rectangular groove with a cross section of (0.8 ˙ 4) mm was made in the plate. The current control range was from 1 to 35 mA. Gas - hydrogen was supplied through the right fitting.

В заявленном регуляторе отсутствует трение скольжения и сопутствующий ему износ элементов. Малым изменениям тока соответствуют столь же малые изменения расхода. In the claimed controller there is no sliding friction and the accompanying wear of the elements. Small changes in current correspond to equally small changes in flow rate.

В регуляторе основным элементом является пластина с увеличивающейся по мере роста координаты Z₁ жесткостью. Увеличение жесткости возможно реализовать и другими путями (без подвески).In the controller, the main element is a plate with stiffness increasing with increasing coordinate Z ₁ . The increase in stiffness can be implemented in other ways (without suspension).

Можно применить пластину с заранее сформированным постоянным радиусом R (фиг. 4) и увеличивающейся толщиной или шириной. You can apply a plate with a pre-formed constant radius R (Fig. 4) and increasing thickness or width.

Можно применить пластину с постоянным сечением, но радиус R выполнить переменным (уменьшающимся с ростом координаты z₁) (фиг. 5). (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1401443, кл. G 05 D 7/03, 1986.A plate with a constant cross section can be used, but the radius R can be made variable (decreasing with increasing coordinate z ₁ ) (Fig. 5). (56) 1. USSR author's certificate N 1401443, cl. G 05 D 7/03, 1986.

2. Авторское свидетельство СССР N 424472, кл. F 16 K 31/02, 1970. 2. USSR copyright certificate N 424472, cl. F 16 K 31/02, 1970.

3. Авторское свидетельство СССР N 538188, кл. F 16 K 31/02, 1975. 3. Copyright certificate of the USSR N 538188, cl. F 16 K 31/02, 1975.

4. Авторское свидетельство СССР N 608032, кл. F 16 K 31/02, 1976. 4. Copyright certificate of the USSR N 608032, cl. F 16 K 31/02, 1976.

5. Авторское свидетельство СССР N 773579, кл. G 05 D 7/01, 1980. 5. Copyright certificate of the USSR N 773579, cl. G 05 D 7/01, 1980.

Claims (1)

РЕГУЛЯТОР РАСХОДА ГАЗА , содеpжащий коpпус, входной и выходной каналы и pегулиpующий оpган, отличающийся тем, что коpпус состоит из обpазующих полость кpышки и электpомагнита, в сеpдечнике котоpого выполнены входной и выходной каналы, pегулиpующий оpган выполнен в виде pасположенной в полости упpугой пластины из феppомагнитного матеpиала с по кpайней меpе одной канавкой, закpепленной одним концом жестко на pабочем тоpце электpомагнита с обеспечением изменения длины задействованной канавки от входного патpубка к выходному под действием электpомагнитных сил электpомагнита, пpичем дpугой конец упpугой пластины подвешен на гибкой pегулиpуемой опоpе. A GAS FLOW REGULATOR containing a housing, an input and output channels and a regulating organ, characterized in that the housing consists of a cavity forming an electrode and an electromagnet, in the core of which an input and output channel is made of an organic cavity in the form of a cavity with at least one groove fixed firmly on one end of the electromagnet at one end, ensuring that the length of the involved groove changes from the input pipe to the output one under the influence of an electromagnet the strength of the electromagnet, moreover, the other end of the elastic plate is suspended on a flexible adjustable support.

Images