RU2287848C1 - Device for stabilizing gas flow rate - Google Patents

Abstract

FIELD: control of flow.

SUBSTANCE: device comprises valving member, control unit, and gas flow meter. The outlet of the valving member is connected with the receiver through the inlet air-operated throttle. The receiver is connected with the inlet of the gas flow meter through the outlet air-operated throttle. The signal output of the gas flow meter is connected with the input of the control unit. The gas flow meter is made of a hot-wire anemometer, and the valving member is made of the electromagnetic valve that is controlled by pulse signal of variable duration from the control unit. The receiver plays a role of the accumulator.

EFFECT: enhanced reliability and precision of control.

4 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению, в частности к пневмоавтоматике для регулирования и поддержания постоянного расхода газа, и может быть использовано в приборах для научных исследований, в медицинских приборах, в газовой и других отраслях промышленности.The invention relates to instrumentation, in particular to pneumatics for regulating and maintaining a constant gas flow, and can be used in devices for scientific research, in medical devices, in gas and other industries.

Известно устройство регулятора расхода газа, по патенту США №4437489, Кл. МПК⁷ F 16 К 31/02, НКИ США 137-487.5, содержащее запорные устройства, блок управления и датчики расхода газа.A device for regulating the flow of gas, according to US patent No. 4437489, CL. IPC ⁷ F 16 K 31/02, NKI USA 137-487.5, containing locking devices, control unit and gas flow sensors.

Известный регулятор задает массовый расход газа. В процессе регулирования с помощью трех запорных устройств, переключаемых по специальному алгоритму, газ прокачивается контролируемыми порциями через рабочий и эталонный объемы. Недостаток известного регулятора расхода газа заключается в сложной конструкции и больших габаритах. Это не позволяет использовать его в ряде устройств, в частности в портативной аппаратуре, где требуется регулятор небольших размеров и простой конструкции, обеспечивающий стабилизируемый объемный расход газа.Known regulator sets the mass flow rate of gas. In the process of regulation using three locking devices, switched according to a special algorithm, the gas is pumped in controlled portions through the working and reference volumes. A disadvantage of the known gas flow controller is its complex design and large dimensions. This does not allow its use in a number of devices, in particular in portable equipment, where a small size regulator and simple design are required that provide a stabilized gas volume flow.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является стабилизатор объемного расхода воздуха, опубликованный в журнале «Приборы и техника эксперимента» 2001 г., №2, стр.139, содержащий запорное устройство, блок управления и датчик расхода газа.Closest to the claimed invention is a volumetric air flow stabilizer published in the journal "Instruments and experimental equipment" 2001, No. 2, p. 139, containing a locking device, a control unit and a gas flow sensor.

В известном устройстве под действием заданного газового потока поплавок ротаметра занимает в трубке определенное положение (точку стабилизации). Положение поплавка определяется с помощью двух фотодиодов и осветителя. Осветитель установлен по одну сторону трубки напротив поплавка. Фотодиоды расположены по другую сторону трубки симметричным образом относительно точки стабилизации так, чтобы их выходные токи были равны. Токи фотодиодов поступают на прямой и инверсный входы дифференциального усилителя, управляющего работой электродвигателя, который, в свою очередь, с помощью редуктора меняет положение вентиля запорного устройства. При отклонении поплавка ротаметра от точки стабилизации меняется освещенность фотодиодов и соответственно их выходные токи. В результате на выходе дифференциального усилителя вырабатывается сигнал разбаланса, соответствующей полярности, который включает электродвигатель постоянного тока. Перемещение вентиля происходит до тех пор, пока поплавок не займет положение, соответствующее точке стабилизации.In the known device under the action of a given gas stream, the float of the rotameter occupies a certain position in the tube (stabilization point). The position of the float is determined using two photodiodes and a illuminator. The illuminator is installed on one side of the tube opposite the float. The photodiodes are located on the other side of the tube in a symmetrical manner relative to the stabilization point so that their output currents are equal. The photodiode currents are supplied to the direct and inverse inputs of a differential amplifier that controls the operation of the electric motor, which, in turn, by means of a gearbox changes the position of the valve of the shut-off device. When the rotameter float deviates from the stabilization point, the illumination of the photodiodes changes and, accordingly, their output currents. As a result, at the output of the differential amplifier, an unbalance signal corresponding to the polarity is generated, which includes a DC motor. The valve moves until the float occupies a position corresponding to the stabilization point.

Однако согласно техническим условиям на ротаметр его исправная работа возможна только в вертикальном положении, что снижает надежность известного устройства, особенно в мобильных условиях эксплуатации.However, according to the technical conditions for the rotameter, its proper operation is possible only in an upright position, which reduces the reliability of the known device, especially in mobile operating conditions.

Кроме того, поплавок ротаметра весьма чувствителен к внешним механическим воздействиям. Вызываемые ими смещения поплавка приводят к ложной корректировке расхода, а при сильных толчках поплавок вообще выходит из поля зрения фотодиодов, что ведет к срыву регулирования по сигналу обратной связи. В результате снижается точность и надежность устройства по прототипу.In addition, the rotameter float is very sensitive to external mechanical influences. The displacements of the float caused by them lead to a false adjustment of the flow rate, and with strong shocks, the float generally leaves the field of view of the photodiodes, which leads to a breakdown of control by the feedback signal. As a result, the accuracy and reliability of the prototype device is reduced.

Известное устройство предназначено для задания и стабилизации одного значения расхода. Для обеспечения работы в широком диапазоне расходов требуется использование целой линейки из осветителей и фотодиодов или дополнительный узел, перемещающий осветитель с двумя фотодиодами, что также снижает надежность и усложняет устройство.The known device is designed to set and stabilize a single flow rate. To ensure operation in a wide range of costs, it is necessary to use a whole line of illuminators and photodiodes or an additional unit that moves the illuminator with two photodiodes, which also reduces reliability and complicates the device.

В прототипе конструкция, включающая электродвигатель, редуктор и запорное устройство на основе вентиля, имеет большое время запаздывания, высокую сложность и большие габариты. Это снижает точность при резких изменениях давления газа на входе устройства или сопротивления нагрузки, а также ограничивает применение известного стабилизатора расхода в портативных приборах.In the prototype, a design including an electric motor, a gearbox, and a locking device based on a valve has a long delay time, high complexity, and large dimensions. This reduces accuracy during sudden changes in gas pressure at the inlet of the device or load resistance, and also limits the use of the known flow stabilizer in portable devices.

При создании заявляемого устройства решалась задача создания устройства для стабилизации расхода газа в широком диапазоне, пригодного для применения в мобильных условиях эксплуатации.When creating the inventive device, the problem of creating a device for stabilizing the gas flow in a wide range suitable for use in mobile operating conditions was solved.

Техническим результатом при решении данной задачи являлось увеличение надежности и точности стабилизации расхода газа, уменьшение габаритов и упрощение конструкции.The technical result in solving this problem was to increase the reliability and accuracy of stabilization of the gas flow, reduce the size and simplify the design.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством стабилизации расхода газа, содержащим запорное устройство, блок управления и датчик расхода газа, оно дополнительно содержит ресивер, который через входной пневмодроссель соединен с выходом запорного устройства, а через выходной пневмодроссель соединен с входом датчика расхода, сигнальным выходом подключенным к входу блока управления, причем датчик расхода выполнен в виде термоанемометра, а запорное устройство выполнено в виде электромагнитного клапана, управление которым осуществляется импульсным сигналом блока управления.The specified technical result is achieved in that, in comparison with the known gas flow rate stabilization device comprising a shut-off device, a control unit and a gas flow sensor, it further comprises a receiver, which is connected to the output of the shut-off device through an inlet pneumatic throttle and connected to a sensor input through an output pneumatic throttle flow, a signal output connected to the input of the control unit, and the flow sensor is made in the form of a hot-wire anemometer, and the locking device is made in the form of an electromagnetic o valve controlled by a pulse signal from the control unit.

Принцип действия заявляемого устройства основан на периодическом прерывании потока в газовой магистрали электромагнитным клапаном. С выхода блока управления на обмотку катушки электромагнитного клапана с постоянной частотой следования подаются управляющие импульсы, который открывают электромагнитный клапан на время пропорциональное задаваемому расходу газа. Для сглаживания пульсаций расхода используется ресивер с пневмодросселями. Сглаживание пульсаций осуществляется накоплением газа при избыточном давлении в ресивере. Входной пневмодроссель служит для ограничения потока газа, поступающего в ресивер через электромагнитный клапан. Выходным пневмодросселем ограничивается сброс газа из ресивера в нагрузку. Для измерения газового расхода применяется термоанемометрический датчик, выходное напряжение которого поступает в блок управления, где сравнивается с опорным напряжением. В результате вырабатывается сигнал разбаланса, управляющий длительностью импульсов, которые, в свою очередь, управляют запорным устройством.The principle of operation of the inventive device is based on periodic interruption of the flow in the gas line by an electromagnetic valve. From the output of the control unit to the coil of the solenoid valve coil with a constant repetition rate, control pulses are supplied, which open the solenoid valve for a time proportional to the set gas flow rate. To smooth the flow pulsations, a receiver with pneumatic throttles is used. Smoothing pulsations is carried out by the accumulation of gas at overpressure in the receiver. An air inlet throttle is used to restrict the flow of gas entering the receiver through an electromagnetic valve. The output throttle limits the discharge of gas from the receiver into the load. To measure gas flow, a hot-wire anemometer sensor is used, the output voltage of which is supplied to the control unit, where it is compared with the reference voltage. As a result, an unbalance signal is generated that controls the duration of the pulses, which, in turn, control the locking device.

При отклонении величины расхода от заданной формируется сигнал разбаланса соответствующей полярности, увеличивающий или уменьшающий длительность управляющего импульса. В устройстве стабилизации используется отрицательная обратная связь. Поэтому процесс изменения времени открытого состояния электромагнитного клапана происходит до тех пор, пока величина расхода не примет заданное значение.When the flow rate deviates from the set value, an imbalance signal of the corresponding polarity is formed, increasing or decreasing the duration of the control pulse. The stabilization device uses negative feedback. Therefore, the process of changing the time of the open state of the electromagnetic valve occurs until the flow rate reaches a predetermined value.

В заявляемом устройстве импульсный принцип регулирования позволяет увеличить скорость реакции устройства, так как управление запорным устройством осуществляется электрическими импульсами, следующими с высокой частотой повторения. В результате при изменении расхода, вызванного резкими изменениями входного давления или сопротивления нагрузки, устройство успевает выполнить соответствующую коррекцию, восстанавливая заданную величину расхода, что повышает точность.In the inventive device, the pulse control principle allows to increase the reaction speed of the device, since the locking device is controlled by electric pulses following with a high repetition rate. As a result, when the flow rate changes due to sharp changes in the input pressure or load resistance, the device manages to perform the corresponding correction, restoring the specified flow rate, which increases accuracy.

Выполнение запорного устройства в виде электромагнитного клапана, а не в виде вентиля, приводимого в движение электродвигателем через редуктор, повышает быстродействие устройства и тем самым повышает точность. Кроме того, уменьшаются габариты.The implementation of the locking device in the form of an electromagnetic valve, and not in the form of a valve, driven by an electric motor through a gearbox, increases the speed of the device and thereby increases the accuracy. In addition, the dimensions are reduced.

Задание точки стабилизации осуществляется опорным напряжением, то есть исключительно электронным способом. По сравнению с фотоэлектрическим методом, основанным на перекрытии луча света поплавком ротаметра, это конструктивно проще, особенно в случае регулирования расхода в широком диапазоне, когда задается большое количество точек стабилизации. Кроме того, за счет исключения трудоемкой операции по юстировке оптической системы упрощается настройка устройства.The stabilization point is set by the reference voltage, that is, exclusively by electronic means. Compared with the photoelectric method based on blocking the light beam with a rotameter float, it is structurally simpler, especially in the case of flow control in a wide range, when a large number of stabilization points are set. In addition, by eliminating the time-consuming operation of aligning the optical system, device configuration is simplified.

Для измерения расхода используется зависимость между скоростью газового потока и теплоотдачей тонкой проволочки, находящейся в потоке и нагретой электрическим током, что уменьшает инерционность и повышает точность. Исключение из конструкции датчика подвижного поплавка, требующего при эксплуатации сохранения точной соосности с конической трубкой, обеспечивает возможность работы устройства в любом положении, способствует большей устойчивости к влиянию различных механических воздействий, что повышает надежность.To measure the flow rate, the relationship between the gas flow rate and the heat transfer of a thin wire in the stream and heated by an electric current is used, which reduces the inertia and increases the accuracy. The exception from the design of the sensor of the movable float, which requires maintaining accurate alignment with the conical tube during operation, makes it possible to operate the device in any position, contributes to greater resistance to various mechanical influences, which increases reliability.

В результате заявляемое устройство в мобильных условиях эксплуатации позволяет задавать и стабилизировать расход газа в широком диапазоне.As a result, the inventive device in mobile operating conditions allows you to set and stabilize the gas flow over a wide range.

На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства для стабилизации расхода газа. Для пояснения в примере реализации работы устройства на фиг.2 изображены эскизы электромагнитного клапана, ресивера и пневмодросселей, на фиг.3 приведена структурная схема блока управления, на фиг.4 приведена структурная схема датчика расхода.Figure 1 presents the structural diagram of the inventive device for stabilizing the flow of gas. For explanation, in an example implementation of the operation of the device, Fig. 2 shows sketches of the electromagnetic valve, receiver and pneumatic throttles, Fig. 3 shows a structural diagram of a control unit, and Fig. 4 shows a structural diagram of a flow sensor.

На приведенных фигурах использованы следующие обозначения: U - амплитуда сигнала на выходе датчика расхода; U_оп - напряжение на выходе задатчика расхода; ΔU - сигнал рассогласования; R - резисторы в плечах измерительного моста; Т - период следования управляющих импульсов; Т_и - длительность управляющего импульса.In the figures used the following notation: U is the amplitude of the signal at the output of the flow sensor; U _op - voltage at the output of the flow controller; ΔU is the error signal; R - resistors in the shoulders of the measuring bridge; T - the period of following control pulses; T _and - the duration of the control pulse.

Заявляемое устройство для стабилизации расхода газа (фиг.1) содержит запорное устройство 1, блок управления 2, датчик расхода газа 3. Кроме того, устройство дополнительно включает ресивер 4, который через входной пневмодроссель 5 подключен к выходу выполненного в виде электромагнитного клапана запорного устройства 1, а через выходной пневмодроссель 6 соединен с входом термоанемометрического датчика расхода 3. Сигнальный выход датчика расхода 3 подключен к входу блока управления 2, импульсный сигнал которого управляет электромагнитным клапаном.The inventive device for stabilizing the gas flow (Fig. 1) contains a locking device 1, a control unit 2, a gas flow sensor 3. In addition, the device further includes a receiver 4, which is connected through an air inlet 5 to the output of the shut-off device 1 made in the form of an electromagnetic valve and through the output pneumatic throttle 6 is connected to the input of the hot-wire flow sensor 3. The signal output of the flow sensor 3 is connected to the input of the control unit 2, the pulse signal of which controls the electromagnetic valve th.

Устройство для стабилизации расхода газа работает следующим образом. Из магистрали на вход запорного устройства 1 поступает под давлением газ. На обмотку запорного устройства 1, выполненного в виде электромагнитного клапана, с выхода блока управления 2 подаются электрические импульсы с длительностью Т_и и периодом следования Т. В течение времени Т_и газ через входной пневмодроссель 5 попадает в ресивер 4, повышая в нем давление, а в течение всего времени Т через выходной пневмодроссель 6 выходит из него. Сечения пневмодросселей 5, 6 подобраны так, чтобы в интервале Т_и давление в ресивере 4 подрастало, а в интервале t=Т-Т_и давление снижалось. В зависимости от соотношения интервалов времени Т_и и t, входного давления и газового сопротивления нагрузки в ресивере устанавливается давление, колеблющееся около некоторого среднего значения Р_ср. В дросселях объемный расход газа V на выходе пропорционален разности квадратов давления на входе и выходе, то есть V~Р² _вх-Р² _вых. Поэтому на выходе пневмодросселя 6 расход газа также изменяется около средней величины V_cp в пределах Δ=V_макс-V_мин. Объем ресивера рассчитан из условия, чтобы в рабочем диапазоне расходов V разность Δ была много меньше V_cp.A device for stabilizing gas flow is as follows. From the line to the input of the locking device 1 is supplied under pressure gas. In winding the locking device 1, constructed as a solenoid valve, to output electrical pulses control unit 2 are supplied with a duration T _and a repetition period T and during the time T _and gas through an inlet 5 Unidirectional enters the receiver 4, increasing the pressure therein, and during the whole time T through the output pneumatic throttle 6 out of it. Unidirectional cross sections 5, 6 are selected so that in the interval T _{and the} pressure in the receiver 4 growing up, and in the interval T t = T _{and the} pressure reduced. Depending on the ratio of the time intervals T _and and t, the inlet pressure and the gas resistance of the load, a pressure is set in the receiver, fluctuating around a certain average value of P _cf. In throttles, the volumetric gas flow rate V at the outlet is proportional to the difference of the squared pressure at the inlet and outlet, that is, V ~ P ² _in -P ² _out . Therefore, at the output of the pneumatic throttle 6, the gas flow also varies around the average value of V _cp in the range Δ = V _max -V _min . The receiver volume is calculated from the condition that in the operating range of flow rates V the difference Δ is much less than V _cp .

Из ресивера 4 газ попадает в термоанемометрический датчик 3. В нем от объемной скорости (расхода) зависит количество теплоты, передаваемой потоку газа нагретой проволочкой, и соответственно ее сопротивление. Последнее преобразуется в электрический сигнал, поступающий на вход блока управления 2. Блок управления вырабатывает импульсы длительностью Т_и, устанавливаемой при настройке устройства на задаваемый расход при постоянном входном давлении и отсутствии нагрузки, то есть свободном истечении газа в атмосферу. Заданному в этих условиях расходу соответствует сигнал датчика 3 величиной U_оп (опорная), которая хранится в блоке управления. В процессе работы к устройству подключаются различные нагрузки с переменным сопротивлением, а в газовой магистрали происходят колебания давления, что вызывает изменение установленного расхода и соответственно отклонение сигнала U датчика 3 от опорного U_оп. В блоке управления отклонение U-U_оп и длительность Т_и связаны отрицательной обратной зависимостью: если U-U_оп>0, то длительность импульсов управления Т_и уменьшается, если U-U_оп<0, то Т_и увеличивается. Процесс коррекции Т_и заканчивается, когда U сравнивается с U_оп; возвращая тем самым расход к заданной величине. Следует отметить, что сравнение U с U_оп производится с точностью ±δ. Задавая таким образом целый ряд Т_и и соответствующих им U_оп, предлагаемое устройство обеспечивает возможность регулирования и стабилизации расхода газа в широких пределах.From the receiver 4, the gas enters the hot-wire anemometer 3. In it, the amount of heat transferred to the gas stream by the heated wire, and accordingly its resistance, depends on the volumetric speed (flow rate). The latter is converted into an electrical signal supplied to the input of the control unit 2. The control unit generates pulses of duration T _and , which are set when the device is set to a predetermined flow rate with a constant input pressure and no load, that is, free flow of gas into the atmosphere. The flow specified in these conditions corresponds to the signal of the sensor 3 by the value of U _op (reference), which is stored in the control unit. In the process, various loads with variable resistance are connected to the device, and pressure fluctuations occur in the gas line, which causes a change in the set flow rate and, accordingly, the signal U of the sensor 3 deviates from the reference U _op. In block UU _op control deviation and the duration T _{and the} associated negative feedback relationship: if UU _op> 0, the control pulse length T _and decreases if UU _op <0, _and T increases. The correction process T _and ends when U is compared with U _op ; thereby returning the flow rate to a predetermined value. It should be noted that the comparison of U with U _{op is} made with an accuracy of ± δ. By asking in this way a whole series of T _{and their} corresponding U _op , the proposed device provides the ability to control and stabilize the gas flow over a wide range.

В реализованном устройстве для стабилизации расхода газа, выполненном в виде электромагнитного клапана, запорное устройство, ресивер, входной и выходной пневмодроссели выполнены единым блоком (фиг.2), входом подключенным к газовой магистрали, а выходом соединенным с входом термоанемометрического датчика расхода (фиг.4), сигнальный выход которого подключен к входу блока управления (фиг.3), формирующим электрические импульсы, управляющие электромагнитным клапаном. Выход датчика расхода соединен с нагрузкой.In the implemented device for stabilizing the gas flow, made in the form of an electromagnetic valve, the locking device, receiver, inlet and outlet pneumatic throttles are made as a single unit (figure 2), the input connected to the gas line, and the output connected to the input of the hot-wire flow sensor (figure 4 ), the signal output of which is connected to the input of the control unit (figure 3), forming electrical impulses that control the electromagnetic valve. The output of the flow sensor is connected to the load.

Запорное устройство 1 (фиг.2) выполнено в виде электромагнитного клапана. Корпус 7, крышка 8 и якорь 9, изготовленные из сплава 36КНМ, образуют магнитопровод с воздушным зазором. Причем якорь 9 выполняет также роль затвора. Якорь 9 поджат пружиной 10 к седлу 11 и перемещается в трубке 12. Седло 11 изготовлено из ПВХ, трубка 12 изготовлена из нержавеющей стали. Седло 11 через пробку 13 опирается на гайку 14. Герметичность электромагнитного клапана обеспечивается прокладками 15, 16. На капролоновом каркасе намотана катушка 17 электромагнита. Выводы катушки продеты в отверстие в крышке 8. В запорное устройство газ подается через штуцер в центре крышки 8.The locking device 1 (figure 2) is made in the form of an electromagnetic valve. The housing 7, the cover 8 and the anchor 9, made of alloy 36KNM, form a magnetic circuit with an air gap. Moreover, the anchor 9 also serves as a shutter. The anchor 9 is spring-loaded 10 to the seat 11 and moves in the tube 12. The seat 11 is made of PVC, the tube 12 is made of stainless steel. The seat 11 through the plug 13 rests on the nut 14. The tightness of the electromagnetic valve is provided by gaskets 15, 16. An electromagnet coil 17 is wound on the caprolon frame. The findings of the coil are threaded into the hole in the cover 8. Gas is supplied to the shut-off device through a fitting in the center of the cover 8.

Корпус ресивера 4 (фиг.2) изготовлен из ПВХ шланга 18, армированного полиэфирной нитью. Левой стенкой ресивера 4 служит гайка 14. Для обеспечения герметичности с гайкой 14 и правой стенкой 19 шланг 18 обжимается хомутами 20. Из ресивера газ выводится через выходной штуцер 21.The housing of the receiver 4 (figure 2) is made of PVC hose 18, reinforced with polyester thread. The nut 14 serves as the left wall of the receiver 4. To ensure tightness with the nut 14 and the right wall 19, the hose 18 is crimped by clamps 20. Gas is discharged from the receiver through the outlet fitting 21.

Входной пневмодроссель 5 (фиг.2) и выходной пневмодроссель 6 выполнены в виде медицинских игл со снятым присоединительным конусом. Пневмодроссель 5 соединяет внутренние объемы электромагнитного клапана и ресивера. Седло 11 и уплотняющая шайба 23 из ПВХ обеспечивают герметичность клапана. Выходной пневмодроссель 6 расположен внутри штуцера 21, стенки 19 и частично выходит в объем ресивера. Шайбы 22, 24 из ПВХ обеспечивают герметичность этой сборки.The input pneumatic throttle 5 (figure 2) and the output pneumatic throttle 6 are made in the form of medical needles with the connecting cone removed. A throttle valve 5 connects the internal volumes of the solenoid valve and the receiver. The seat 11 and the sealing washer 23 made of PVC ensure valve tightness. The output pneumatic throttle 6 is located inside the fitting 21, the wall 19 and partially enters the volume of the receiver. PVC washers 22, 24 ensure the tightness of this assembly.

Блок управления 2 (фиг.3) включает схему сравнения 25, задатчик расхода 26 и формирователь управляющих импульсов 27. Первый вход схемы сравнения 25 подключен к сигнальному выходу датчика расхода 3. Второй вход схемы сравнения 25 соединен с выходом задатчика расхода 26, который также соединен с задающим входом формирователя импульсов 27. Управляющий вход формирователя импульсов 27 подключен к выходу схемы сравнения 25, а выход формирователя импульсов 27 подключен к катушке запорного устройства 1.The control unit 2 (Fig. 3) includes a comparison circuit 25, a flow controller 26 and a driver pulse 27. The first input of the comparison circuit 25 is connected to the signal output of the flow sensor 3. The second input of the comparison circuit 25 is connected to the output of the flow controller 26, which is also connected with the input of the pulse shaper 27. The control input of the pulse shaper 27 is connected to the output of the comparison circuit 25, and the output of the pulse shaper 27 is connected to the coil of the locking device 1.

Термоанемометрический датчик расхода 3 (фиг.4) состоит из чувствительного элемента 28 (нагревателя) в виде платиновой или вольфрамовой нити, измерительного моста 29, включающего четыре резистивных плеча R, усилителя сигнала 30, источника питания 31 и пластмассовой кюветы 32. Чувствительный элемент 28 размещен в кювете 32, вход которой соединен с выходом пневмодросселя 6, а выход подключен к нагрузке. Чувствительный элемент 28 включен в одно из плеч измерительного моста 29, к одной диагонали которого подключен усилитель сигнала 30, а к другой диагонали подключен источник питания 31. Выход усилителя сигнала 30 соединяется с входом блока управления 2.The hot-wire flow sensor 3 (Fig. 4) consists of a sensitive element 28 (heater) in the form of a platinum or tungsten filament, a measuring bridge 29 including four resistive arms R, a signal amplifier 30, a power source 31, and a plastic cell 32. A sensitive element 28 is located in the cell 32, the input of which is connected to the output of the pneumatic throttle 6, and the output is connected to the load. The sensing element 28 is included in one of the arms of the measuring bridge 29, to one diagonal of which a signal amplifier 30 is connected, and a power supply 31 is connected to the other diagonal. The output of the signal amplifier 30 is connected to the input of the control unit 2.

Реализованное устройство работает следующим образом. Пусть якорь 9, как показано на фиг.2, поджат к седлу 11 пружиной 10. Поступающий через штуцер крышки 8 газ заполняет под давлением внутренний объем трубки 12 и оказывает дополнительное усилие на якорь 9, удерживая клапан в закрытом состоянии. Появление сигнала управления длительностью Т_и на обмотке катушки 17 вызывает перемещение якоря 9 в крайнее левое положение. При этом газ через пазы якоря 9 заполняет его полость, следуя далее во входной пневмодроссель 5. Через время Т_и импульс управления обрывается и под действием пружины 10 якорь 9 вновь перемещается в крайнее правое положение. При этом доступ газа в ресивер прекращается до прихода в момент Т следующего управляющего импульса. Пневмодроссель 5 ограничивает скорость втекающего в ресивер потока V₁, обеспечивая возможность заполнения ресивера контролируемыми порциями газа. Через пневмодроссель 6 газ свободно вытекает из ресивера со скоростью потока V₂. Скорость потока на выходе пневмодросселей зависит от соотношения входных и выходных давлений. По мере нарастания давления в ресивере V₁ уменьшается, а V₂ увеличивается. В результате при постоянном давлении Р_м=Р₀ в магистрали и неизменном сопротивлении нагрузки R_н=R₀ система приходит в динамическое равновесие. Поступление газа в ресивер в течение каждого управляющего импульса длительностью Т_и компенсируется его сбросом в нагрузку. При этом давление в ресивере колеблется от максимального Р_макс в моменты Т_и до минимальной величины Р_мин в моменты Т. Ресивер 4 выполняет роль накопителя, обеспечивающего среднюю величину давления P_ср много больше разности Р_макс-Р_мин. Среднему давлению Р_ср соответствует на выходе пневмодросселя 6 средняя скорость потока V_cp±Δ/2, где Δ=V_макс-V_мин много меньше V_cp.The implemented device operates as follows. Let the armature 9, as shown in FIG. 2, be pressed against the seat 11 by the spring 10. The gas coming through the nozzle of the cover 8 fills under pressure the internal volume of the tube 12 and exerts additional force on the armature 9, keeping the valve closed. The appearance of a control signal of duration T _and on the winding of the coil 17 causes the armature 9 to move to the leftmost position. In this case, the gas through the slots of the armature 9 fills its cavity, then following into the inlet pneumatic throttle 5. After time T _{and the} control pulse breaks off and under the action of the spring 10, the armature 9 again moves to the extreme right position. In this case, the gas access to the receiver stops until the next control pulse arrives at time T. The pneumatic throttle 5 limits the speed of the flow V ₁ flowing into the receiver, making it possible to fill the receiver with controlled portions of gas. Through the pneumatic throttle 6, gas flows freely from the receiver with a flow rate of V ₂ . The flow rate at the output of the pneumatic throttles depends on the ratio of input and output pressures. As the pressure in the receiver increases, V ₁ decreases and V ₂ increases. As a result, at a constant pressure P _m = P ₀ in the line and constant load resistance R _n = R _{0, the} system comes into dynamic equilibrium. The flow of gas into the receiver during each control pulse of duration T _{and is} compensated by its discharge into the load. In this case, the pressure in the receiver varies from the maximum P _max at moments T _and to the minimum value P _min at moments T. Receiver 4 acts as a storage device providing an average pressure P _c much greater than the difference P _max -P _min . The average flow rate V _cp ± Δ / 2, where Δ = V _max -V _{min is} much less than V _cp, corresponds to the average pressure P _cf at the output of the pneumatic throttle 6.

Для измерения объемной скорости потока (расхода) газ протекает через кювету 32 (Фиг.4), в которой установлен чувствительный элемент 28, нагреваемый током от источника питания 31. Поток газа со скоростью V_cp охлаждает чувствительный элемент 28, уменьшая его сопротивление на величину Δr_ср, что приводит к появлению сигнала U_cp на выходе усилителя 30. Так как Δr_ср много меньше R, то U_cp=Δr_cpKU_пит/4R, где U_пит - напряжение питания источника 31, К - коэффициент усиления.To measure the volumetric flow rate (flow rate), gas flows through a cuvette 32 (Figure 4), in which a sensing element 28 is installed, heated by current from a power source 31. A gas flow with a speed V _cp cools the sensing element 28, decreasing its resistance by Δr _cp , which leads to the appearance of the signal U _cp at the output of amplifier 30. Since Δr _{cp is} much less than R, then U _cp = Δr _cp KU _pit / 4R, where U _pit is the supply voltage of source 31, and K is the gain.

В блоке управления 2 задатчик расхода 26 вырабатывает опорный сигнал U_оп=U_cp, под действием которого формирователь импульсов 27 генерирует управляющие сигналы длительностью Т_и. Как отмечалось выше именно такая длительность обеспечивает при Р_м=Р₀ и R_н=R₀ расход V_ср. Схема сравнения 25 на основании сравнения амплитуд сигналов U_cp и U_оп формирует сигнал рассогласования ΔU, под действием которого формирователь 27 корректирует длительность Т_и управляющих сигналов. Если сигнал рассогласования ΔU>0, то длительность Т_и будет уменьшена, если ΔU<0, то Т_и будет увеличена на соответствующую ΔU величину. В случае ΔU=0±δ длительность Т_и изменению не подвергается. Отрицательная связь между ΔU и Т_и ведет к стабилизации расхода.In the control unit 2, the flow controller 26 generates a reference signal U _op = U _cp , under the influence of which the pulse shaper 27 generates control signals of duration T _and . As noted above, it is such a duration that provides when R _m = P ₀ and R _n = R ₀ consumption V _cf. The comparison circuit 25 based on a comparison of the amplitudes of the signals U _cp and U _op generates a mismatch signal ΔU, under the influence of which the shaper 27 adjusts the duration T _and control signals. If the error signal ΔU> 0, then the duration T _and will be reduced if ΔU <0, then T will be increased _and the corresponding value ΔU. In case ΔU = 0 ± _{δ, and} a change in the duration T is not exposed. The negative association between ΔU and T _and lead to a stabilization of the flow.

Пусть, например из-за уменьшения сопротивления нагрузки, скорость потока V_cp возросла на величину v. Это вызывает увеличение сигнала U_cp датчика расхода 3 на величину u и на выходе схемы сравнения 25 формируется сигнал рассогласования, равный ΔU=U_cp-U_оп=u. В формирователе 27 напряжение u преобразуется во временной интервал t, который вычитается из Т_и. Сокращение длительности управляющих импульсов влечет за собой уменьшение времени открытого состояния электромагнитного клапана 1 и соответственно снижает количество газа, поступающего в ресивер 4. Величина среднего давления Р_ср в ресивере падает, что ведет к снижению расхода на выходе натекателя 6 и уменьшению сигнала датчика 3. Вновь U_cp сравнивается с U_оп и так далее. Указанный алгоритм отрабатывается до тех пор, пока не будет достигнуто равенство U_cp=U_оп. Таким образом, измененная внешним возмущением скорость потока (расход) возвращается к заданному значению.Let, for example, due to a decrease in load resistance, the flow rate V _cp increase by v. This causes an increase in the signal U _cp of the flow sensor 3 by u and an error signal equal to ΔU = U _cp -U _op = u is generated at the output of the comparison circuit 25. In driver 27, voltage u is converted to a time interval t that is subtracted from T _and . Reducing the duration of the control pulses leads to a decrease in the open time of the solenoid valve 1 and, accordingly, reduces the amount of gas entering the receiver 4. The average pressure P _cf in the receiver drops, which leads to a decrease in the flow rate at the outlet of the leak-off device 6 and to a decrease in the signal of the sensor 3. Again U _{cp is} compared with U _op and so on. The indicated algorithm is worked out until the equality U _cp = U _op is reached _. Thus, the flow rate (flow rate) changed by an external disturbance returns to the set value.

Задатчик расхода 26 позволяет регулировать (плавно или ступенчато) U_оп и соответственно Т_и в диапазоне от Т_мин до Т, где величина Т_мин - время срабатывания электромагнитного клапана. Поскольку Т_мин ≪Т, а выходная скорость газового потока зависит от длительности управляющих импульсов, то заявляемое устройство обеспечивает возможность регулирования и стабилизации расхода в широких пределах.The flow controller 26 allows you to adjust (smoothly or stepwise) U _op and, respectively, T _and in the range from T _min to T, where the value of T _min - the response time of the electromagnetic valve. Since T _min ≪T, and the output velocity of the gas stream depends on the duration of the control pulses, the claimed device provides the ability to control and stabilize the flow over a wide range.

При экспериментальной отработке заявляемого устройства избыточное давление в газовой магистрали менялось от 0,6 ати до 1 ати, нагрузка варьировалась от 0 до номинальной. Импульсы управления следовали с периодом 250 мс (частота 4 Гц). Длительность управляющих импульсов изменялась от 20 мс до 200 мс.During experimental testing of the inventive device, the overpressure in the gas line varied from 0.6 ati to 1 ati, the load ranged from 0 to the nominal. Control pulses followed with a period of 250 ms (frequency 4 Hz). The duration of the control pulses varied from 20 ms to 200 ms.

При максимальном входном давлении 1 ати время срабатывания электромагнитного клапана не превышало 6 мс. Время реакции датчика расхода равнялось 2 мс. Его габаритные размеры составили 32 мм × 30 мм × 20 мм. При объеме ресивера, равном 0,1 л, габаритные размеры блока не превышали ⌀50 мм × 235 мм.At a maximum inlet pressure of 1 atm, the response time of the electromagnetic valve did not exceed 6 ms. The response time of the flow sensor was 2 ms. Its overall dimensions were 32 mm × 30 mm × 20 mm. With a receiver volume of 0.1 l, the overall dimensions of the unit did not exceed ⌀50 mm × 235 mm.

Заявляемое устройство исправно работало под действием вибрационных перегрузок до 20 м/сек² с частотой до 2 кГц, а также однократно следующих ударных перегрузок до 100 м/сек. Испытания проводились под напряжением питания 24 В и максимальным входным давлением.The inventive device worked properly under the influence of vibrational overloads up to 20 m / s ² with a frequency of up to 2 kHz, as well as once following shock overloads up to 100 m / s. The tests were carried out under a supply voltage of 24 V and a maximum inlet pressure.

Диапазон плавного регулирования расхода газа составлял 0,2-1 л/мин. В случае постоянного входного давления и неизменной нагрузки пульсации величины расхода были не более ±2%. При резких изменениях входного давления и нагрузки зарегистрированы броски скорости потока на ±6% от заданного значения, длительностью не более 2 сек.The range of smooth regulation of gas flow rate was 0.2-1 l / min. In the case of a constant inlet pressure and a constant pulsation load, the flow rate was no more than ± 2%. With sharp changes in the inlet pressure and load, throws of the flow rate by ± 6% of the set value, with a duration of not more than 2 seconds, are recorded.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет расширить по сравнению с прототипом диапазон регулирования расхода в пять раз и обеспечивает возможность эксплуатации устройства при максимально допустимых перегрузках до 100 м/сек². Это достигается упрощением конструкции, уменьшением габаритов, повышением надежности и высокими динамическими параметрами запорного устройства, выполненного в виде электромагнитного клапана, датчика расхода, выполненного в виде термоанемометра и блока управления, выполненного по схеме импульсного регулятора с заданием точки стабилизации опорным напряжением.Thus, the proposed technical solution allows to expand compared with the prototype range of flow control by five times and provides the ability to operate the device at the maximum allowable overloads up to 100 m / s ² . This is achieved by simplifying the design, reducing the size, increasing the reliability and high dynamic parameters of the shut-off device, made in the form of an electromagnetic valve, a flow sensor made in the form of a hot-wire anemometer and a control unit made according to the pulse regulator circuit with setting the stabilization point as a reference voltage.

Claims (1)

Устройство для стабилизации расхода газа, содержащее запорное устройство, блок управления и датчик расхода газа, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит ресивер, который через входной пневмодросселъ соединен с выходом запорного устройства, а через выходной пневмодроссель соединен со входом датчика расхода, сигнальным выходом подключенного ко входу блока управления, причем датчик расхода выполнен в виде термоанемометра, а запорное устройство выполнено в виде электромагнитного клапана, управление которым осуществляется импульсным сигналом блока управления.A device for stabilizing a gas flow rate, comprising a shut-off device, a control unit and a gas flow sensor, characterized in that it further comprises a receiver, which is connected to the output of the shut-off device through an inlet pneumatic spreader, and is connected to an inlet of a flow sensor through an output pneumatic throttle, and the input of the control unit, and the flow sensor is made in the form of a hot-wire anemometer, and the locking device is made in the form of an electromagnetic valve, which is controlled by a pulse with a clear signal from the control unit.

Images