Регулятор потока

 

Изобретение относит ся к области автоматического регулирования одного из параметров потока жидкости или газа, в частности расхода или давления с термомеханическим управлением, и может быть использовано в различобластях машиностроения и других отраслях народного хозяйства. Цель изобретения - повьппение надежности и расширение области применения. Для этого в регуляторе одного из параметров потока жидкости или газа в регулирующем органе применен термомеханический привод, основанный на использовании термочувствительного элемента из материала, обладающего с (

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) SU (11) А1 (gg 4 0 05 D 7/00, 16/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

r gj„ jg )9n), „

Pg7j ю

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4218393/24-24 (22) 15.01.87 (46) 15.12.88, Бюл. М 46 (71) Ленинградский кораблестроительный институт (72) A.Â.Îñòàïåíêî (53) 62-50(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 545979, кл. G 05 D 7/06, 1975.

Авторское свидетельство СССР

И» 583347 ° Фл. F 16 К 31/44, 1976

Авторское свидетельство СССР

11» 615461» кп. G 05 D 16/06» 1977 °

Фельдбаум А.А., Бутковский А,Г.

Методы теории автоматического управления. М.: Наука, 1971, с. 16, рис. 1.14. (54) РЕГУЛЯТОР ПОТОКА (57) Изобретение относится к области автоматического регулирования одного из параметров потока жидкости или газа, в частности расхода нли давления с термомеханическим управлением, и может быть использовано в различных областях машиностроения и других отраслях народного хозяйства. Цель изобретения — повьппение надежности и расширение области применения.

Для этого в регуляторе одного из параметров потока жидкости или газа в регулирующем органе применен термомеханнческий привод, основанный на использовании термочувствительного

Я элемента из материала, обладающего

1444718 эффектом памяти формы. Для увеличения тяговых усилий термомеханический привод представляет собой два соосных кольца 37, 38 с термочувствитель" ным элементом в виде одного куска проволоки 36, установленной по радиальным направлениям между кольцами

Изобретение относится к автоматическому регулированию одного из параметров потока жидкости или газа, в частности расхода или давления с термомеханическим управлением, и может быть использовано в различных областях машиностроения и других отраслях народного хозяйства.

Цель изобретения — повышение надежности и расширение области применения.

На фиг.l показана структурная схема устройства; на фиг.2 и 3 — конструкция термомеханического элемен- 15 та; на фиг.4 — диаграмма рабочего цикла, поясняющая работу регулятора, Регулятор (фиг.l) содержит регулирующий орган 1 с входным 2 и выход-. . ным 3 патрубками. Регулирующий орган 20

1 имеет регулирующий клапан 4, полость 5 входного патрубка 2. Тарелка 6 прижата пружиной 7 к седлу регулирующего клапана 4 и перекрывает проходное сечение 8. Пружина 7 уста-25 новлена между корпусом регулирующего клапана 4 и упором 9 в виде фланца, закрепленным на штоке 12 с полостью

l3 соединенной с выходным патрубком

3. Термомеханический привод содержит 30 термочувствительный элемент 14, saкрепленный концами на корпусе регулирующего органа с помощью электроизолирующих втулок, а за середину— на утолщенном конце 15 штока 10.

Между упором 16 (в виде фланца), закрепленным на утолщенном конце 15 штока IO и фланцем корпуса регулирующего клапана 4 установлена силовая пружина 17. Термочувствительиый эле-. 4p мент 14 поджат к корпусу регулирующе-. го органа 1 гайкой 18 с технологическими отверстиями 19. Крышка 20

37, 38 в двух параллельных плоскостях и закрепленных на концах с помощью цанговых зажимов на кольце большого диаметра. Проволока 36 изо лирована с помощью втулок из электроизоляционного материала. 1 з.п.

4 ф-лы, 4 ил. герметично закрывает корпус регулирующего органа 1, в который введен кабель 21 гермовводы 22, соединяющий термочувствительный элемент 14 через замыкающий контакт 23 исполнительного механизма (реле 24) с источником

25 электрической энергии. Регулятор может содержать датчик 26 регулируе" мого параметра или выносной датчик

27, подключенные соответственно через контакты 28 и 29 переключателя к одному входу компаратора 30, подключенного вторым входом к выходу задатчика

31 параметра потока, а выходом — к входу усилителя, состоящего из. транзисторов 32 и 33, соединеннйх с источниками 34 и 35 питания.

Термомеханический привод основан на использовании термочувствительного элемента (ТЧЭ) из материала, обладающего эффектом памяти формы, например из сплава TEI-I, тройных или сложнолегированных сплавов на его основе или алюминиевой бронзы. Поэтому на фиг.2 и 3 термомеханический привод показан в статическом состоянии, т.е. в положении, в котором хранится на складе.

На фиг.2 и 3 показан термочувствительный элемент (ТЧЭ) 14, который набран из тонкой проволоки 36,. установленной радиально в отверстиях сооснь1х металлических колец 37 и 38.

В отверстия колец 37 и 38 установлены втулки 39 из электроизоляционного материала фторопласт, эбонит, текстолит1, которые для предотвращения механических повреждений снабжены установленными поверх них металлическими шайбами 40. Концы проволоки 36 закреплены в держателях, которые содержат цангу 41, гайку 42 и

Регулятор потока работает следующим образом.

При отсутствии сигнала с задатчика 31 (опорное напряжение !7д равно нулю), на выходе компаратора 30 сигнала нет. Транзисторы 32 и 33 закрыты; реле 24 разомкнуто. Регулирующий орган закрыт. При поступлении с задатчика 31 опорного напряжения на компаратор 30 (например, соответствующего некоторому заданному уровню давления) на выходе компаратора

30 появляется сигнал. Транзисторы

32 и 33 открываются, замыкается контакт 23 реле 24. Через ТЧЭ 14 проходит электрический ток и нагревает его. В процессе нагрева проволоки 36 через диапазон температур обратного мартенситного превращения происходит постепенное восстановление исходной длины. Тарелка б клапана освобождает проходное сечение и поток проходит сквозь сечение 8, полость 11, отверсрубок 3, где воздействует на датчик

26. Сигнал с датчика 26 начинает увеличиваться. Нагрев ТЧЭ 14, перемеще" ние тарелки 6 и сжатие пружины 17 продолжается до тех пор, пока сигнал с датчика 26 не сравняется по величине с сигналом (напряжением) задатчика 31. Как только это произойдет .(регулируемый параметр достиг заданного уровня), компаратор 30 "закроетIl ся, т.е. на его выходе сигнала не будет.

Транзисторы 32 и 33 закроются и контакт 23 реле 24 разомкнется. Начинается остывание ТЧЭ 14 ° что вызывает в нем развитие пластичности превращения, т.е. потерю сопротивления деt формированию в процессе охлаждения через диапазон температур превращения. Под действием пружины 17 тарел(например, давления) падает, сигнал с датчика 26 уменьшается и становится меньше напряжения с задатчика 31, что вызывает появление сигнала на выходе компаратора 30, включение

55 контакты 23 к источнику энергии. Таким образом,,происходят колебания величины регулируемого параметра около заданного задатчиком 31 уровня, 14447 8 контакты 48, которые соединены с кабелем- 2! ..

ТЧЭ изготовлен из единого куска проволоки 36 путем поочередного про5 пускания ее сквозь соседние отверстия. При этом отдельные участки соединены между собой механически параллельно, т.е. усилия от каждого участка складываются электрически последовательно.

На фиг.3 показан ТЧЭ 14 с установленным штоком 15 привода. От штока 15 проволока 36 изолирована втулкой 44. Шток прикреплен к кольцу 38 !5 гайкой 45 с шайбой между ними, При установке ТЧЭ 14 в корпус 1 регулятора для токоизоляции наружной комму- тации проволоки 36 с наружной стороны кольца 37 между ним и корпусом 20 ! также устанавливают изолирующее кольцо (не показано).

Предложенная кинематическая схема закрепления проволоки 36 по концам и связь с нагрузкой за середину дпи- 25 тия 12 и полость 13 в выходной патны позволяет увеличить рабочий ход без увеличения габаритов ТЧЭ. Для обратимости деформаций необходимо, чтобы степень деформации не превышала 6-8 . В предложенной схеме ТЧЭ 30 исходная длина участка равна расстоянию между кольцами 37 и 38, а деформированная длина — гипотенузе треугольника. При этом перемещение происходит по катету этого же треугольника. Несовпадение направлений перемещения и деформирования — кинематический редуктор — увеличивает ход, но уменьшает проекции сил в проволоке 36 на направление переме- 40 щения.

Сборка регулятора происходит следующим образом.

В корпус 1 устанавливают и закрепляют регулирующий клапан, после чего устанавливают силовую пружину

17. Затем устанавливают собранный ка клапана начинает движение в стоТЧЭ и стопорную гайку 18. Кольца 37 рону уменьшения проходного сечения. и 38 находятся на одном уровне. Вра- Величина регулируемого параметра щением гайки 18 перемещают кольцо 37 в сторону регулирующего клапана. При этом пружина 17 сжимается, а проволока 36 растягивается. Кольцо 37 опускается ниже кольца 38. Гайку

18 закручивают до контакта штоков реле 34 и подключение ТЧЭ 14 через

10 и 15. Концы проволоки 36 через контакты 43 присоединяют к кабелям

21. Устанавливают крышку 20, Сборка закончена.

1444718

Если необходимо изменить величину регулируемого параметра на выходе регулятора, задатчик 31 соответствующим образом изменяет величину опорно5 го напряжения на входе компаратора

30.

Регулятор может быть использован как регулятор давления {регулируемый параметр — давление потока), регулятор расхода (регулируемый пара" метр — расход потока), электропневмагидравлический усилитель (мощность потока — регулируемый параметр), и т.д.

f5

Аналогично работает регулятор потока с выносным датчиком 27.

Сборка и работа регулятора иллюстрируется диаграммой рабочего цикла (Фиг.4).

Эффект памяти формы проявляется в восстановлении формы при нагреве

ТЧЭ, который предварительно. деформирован в мартенситном состоянии (низкотемпературная модификация кристаллической решетки) — NC — до перехода в аустенитное состояние (высокотемлературная модификация кристаллической решетки) — АС.

Линия АВ соответствует деформированию, растяжению — ТЧЭ в NC, Ксли в точке Б ТЧЭ разгрузить, произойдет возврат упругой части деформации— линия ВК. При последующем нагреве до АС, произойдет возврат исходной формы-линия КА.

Линия АЕ соответствует деформированию того же ТЧЭ в АС. При разгрузке ТЧЗ в точке Е произойдет возврат упругой части деформации высокотемпературной фазы — линия EF. Однако деформация AF будет термически необходимой.

Ксли деформировать ТЧЭ в ИС до точки В, а в точке Б подвести тепло

0 при этом величину внешней нагруэХ ки ограничить пределом упругости высокотемпературной фазы, то цикл пойдет по пути ВС!А без появления оста-.. точных (т.е. термически необратимых,.

1 деформаций.

При сборке регулятора вращением гайки 18 задается деформация пружины !

7 и ТЧЗ 14, материал которого находится в ИС. На диаграмме деформиро-55 ванию ТЧЭ при сборке соответствует линия АВ, а деформированию пружины 17 — линия PB. Угол наклона линии

РВ к оси деформаций пропорционален соотношению жесткостей пружины 17 и

ТЧЭ 14. Механические напряжения при сборке регулятора равны величине(з

Если теперь нагреть ТЧЭ !4 до АС, то процесс пойдет по линии BM. Недовозврат — деформация Я " — обусловлен упругим деформированием аустенита пружиной 17, Полное восстановление формы произойдет только при устранении пружины 17. Сборочная деформация пружины равна Я и

Таким образом, после сборки регулятора при отсутствии нагрузки за счет термоциклирования в диапазоне температур мартенситного превращения может быть реализовано перемещение в диапазоне деформаций холостого хода

E-x

При подключении патрубка 2 к источнику регулируемого потока на ТЧЭ

14 через штоки 10 и 15 воздействует нагрузка. При проектировании регулятора необходимо учесть, что максимальная нагрузка не должна превышать предела упругости высокотемпературной фазы. Это условие обеспечивается выбором площади поперечного сечения

ТЧЭ. Для точки В напряжения, подводимые внешней нагрузкой, не должны превышать длины участка ВС диаграммы, а для точки М вЂ” величины приведенных напряжений.

Поскольку максимальная нагрузка на штоке клапана действует в момент его открытия (точка В диаграммы), то полученное распределение допустимых напряжений в диапазоне перемещения наиболее соответствует характеру изменения внешней нагрузки в диапазоне перемещений. Зто свидетельствует о правильном выборе кинематической схемы регулятора.

При подключении системой управления нагревов ТЧЭ 14 к источнику энергии 25 в процессе нагрева в ТЧЭ 14 . генерируются реактивные напряжения возврата формы, открывается клапан и происходит перемещение штоков 10 и

15 в сторону увеличения проходного сечения. Темп роста реактивных напряжений с ростом температуры носит характер, показанный на диаграмме, линия ВТ. При этом деформации до о уровня напряжений Й„реализуются

4 обратимо, а выше уровня 0, вплоть п до напряжений 6,. — пластически, т.е, термически необратимо.

1444718

Под действием нагрузки на штоки

10 и 15 диапазон их перемещения становится меньше, чем при холостом ходе, т.е. под нагрузкой реализуется только перемещение в диапазоне деформаций рабочего хода Я

Ход процессов во времени в диапазоне перемещений рабочего хода от

0 до 1 (соответственно точки В и D диаграммы) показан в виде линии 47 ниже диаграммы рабочего цикла.

В исходном состоянии клапан закрыт (т.е. находится в точке О). При поступлении с задатчика 31 опорного !5 напряжения на вход компаратора 30, например, соответствующего уровню регулируемого параметра N<, через

ТЧЭ 14 проходит ток. Клапан открывается и перемещается в сторону увели- 20 чения проходного сечения до тех пор, пока значение регулируемого параметра не достигнет уровня N, . Время переходного процесса — 2„„ — в этом случае определяется интенсивностью 25 нагрева и может регулироваться в широких пределах за счет изменения напряжения, подводимого к концам

ТЧЭ 14. Как только регулируемый параметр достигнет заданного уровня, 30 произойдет отключение ТЧЭ 14 от источника 25. В процессе остывания

ТЧЭ 14 сопротивление деформированию в нем падает, и под действием пружины

17 начинается движение клапана в 35 сторону уменьшения проходного сечения, При этом как только уровень регулируемого параметра упадет ниже заданного, ТЧЭ 14 будет опять подключен к источнику 25. Таким образом,40 тарелка клапана совершает колебания около положения, при котором величина проходного сечения обеспечивает уровент параметра N Температура проволоки 36 колеблется около уровня 45

Т !, т.е. гарантированно не превышаt ет допустимого значения.

Если по прошествии времени установившегося процесса - С и, — задатчик 31 изменит величину опорного напряжения на входе компаратора 30, что соответствует изменению уровня регулируемого параметра, например, до уровня N, то после отключения

ТЧЭ 14 от источника энергии 25 движение клапан в сторону уменвшения проходного сечения под действием пружины 17 продолжается до выхода регулируемого параметра:на уровень

11 . Время этого переходного процесса— определяется интенсивностью охлаждения ТЧЭ 14 и разностью между положениями N < и N <. После выхода регулятора на уровень N .,тарелка клапана 6 начинает совершать колебания относительно этого уровня. При этом температура проволоки 36 поддерживается около уровня Т „ .

Если после времени установившегося процесса — „ — необходимо вернуть уровень параметра до величины, соответствующей положению тарелки клапана N, то уровень опорного напряжения на входе компаратора 30 устанавливают на прежнюю величину.

Время переходного процесса в этом случае — С„я — определяется интенсивностью нагрева и величиной перемещения N < и N

Величина колебаний параметра относительно заданного уровня определяется чувствительностью датчика и системы управления нагревом.

Формула изобретения !.Регулятор потока, содержащий последовательно соединенные датчик регулируемого параметра потока,компаратор, подключениьФ входом к выходу задатчика параметра потока, усилитель, исполнительный механизм,K регулирующий орган с приводом, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения надежности и расширения области применения,ь, регулирующий орган выполнен в корпусе с герметичной крышкой, между входной и выходной полостями которого установлена клапанная пара, образованная цилиндром с торцовыми и боковыми отверстиями и тарелкой, установленной со стороны входной полости и в торцовом отверстии цилиндра и связанной со штоком, снабженным первым упором, между которым и цилиндром установлена первая пружина, а между цилиндром и вторым упором, закрепленным на штоке, установлена вторая пружина,.поджимак щая цилиндр к корпусу, причем .шток связан с приводом, который выполнен термомеханическим, чувствительный элемент которого включен выводами в цепь источника электрической энергии последовательно с замыкающим контактом исполнительного механизма, а датчик соединен с компаратором через

1444718 и ереключатель, к второму входу которого подключен дополнительный датчик., 2.Регулятор по п.f о т л и ч а ю - 5

Il и и с я тем что р с целью увели чения тяговых усилий, термомеханический привод выполнен из двух соосных колец с териочувствительным элементом в виде проволоки из материала, )Q обладающего эффектом памяти формы, причем проволока термочувствительного элемента установлена по радиальным направлениям между двумя кольцами в двух параллельных плоскостях, расположена во втулках из электроизоля- . ционного материала, установленных равномерно в два ряда на каждом коль" це, закреплена на концах с помощью электрически изолированных от колец кантовых зажимов, установленных на кольце большего диаметра, и подключена к выводам привода.

1444738

ФжФ