Бионический стабилизатор давления магистральных газопроводов
Владельцы патента RU 2250487:
Кубанский государственный технологический университет (RU)
Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано при разработке систем надежной транспортировки энергоносителей на большие расстояния. Бионический стабилизатор давления магистральных газопроводов содержит датчик высокого давления, магистральный газопровод и электромагнитную задвижку высокого давления, аналого-импульсный преобразователь и блок управления, состоящий из сумматора, блока задержки, инвертора и формирователя несимметричной двухскатной экспоненты, причем датчик высокого давления, соединен с последовательно соединенными блоком аналого-импульсного преобразователя, сумматором, блоком задержки, инвертером, формирователем несимметричной двухскатной экспоненты, выходом соединенного со вторым входом сумматора, второй выход формирователя несимметричной двухскатной экспоненты соединен со входом электромагнитной задвижки, связанной и установленной в магистральном газопроводе. Технический результат – повышение быстродействия и уменьшение взрывоопасности путем демпфирования колебательных движений массивной задвижки. 6 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области автоматики и может быть, в частности, использовано при разработке систем надежной транспортировки энергоносителей на большие расстояния.
Известен стабилизатор давления (А.с. СССР 114992. Стабилизатор давления. G 05 D 16/02), состоящий из расходного резервуара, разделенного на два отсека, и напорного резервуара, подключенного в гидросистему высокого давления. Отсеки расходного резервуара соединяются между собой отверстиями, перекрываемыми запорным клапаном при наполнении стабилизатора жидкостью. При фильтрации жидкости через испытуемый образец, постоянный напор на входе образца автоматически поддерживается за счет притока жидкости из расходного резервуара в напорный.
Недостатком известного устройства является низкое быстродействие ввиду регулировки давления самой жидкостью, перетекающей из расходного резервуара.
Наиболее близким техническим решением (прототипом)) является регулятор давления вентиляции в сосуде (Регулятор давления и вентиляции в сосуде (А.с. СССР №254902, G 05 D 16/02). Устройство содержит декомпрессивную камеру, электромагнитную задвижку, газопровод высокого давления, электромагнитный клапан вентиляции, клапан с регулируемым сечением, релейные элементы, блок выделения знака, элемент сравнения, датчик высокого давления, переключатель, блоки сравнения и уменьшения, датчик вредных примесей и блок сигнализации. Устройство работает в двух режимах: 1) сравнения давления в камере по заданному режиму декомпрессии, 2) поддержания заданного давления в камере при случайных отклонениях. Поддержание давления происходит следующим образом. Если давление в камере уменьшается, появляется сигнал положительного знака. Блок выделения знака выделяет его и передает сигнал на релейный элемент, который сравнивает и задвижка открывается, подавая газовую смесь из магистрали в камеру. При увеличении давления в камере на выходе блока сравнения появляется сигнал отрицательного знака. Блок выделяет знак и через элемент ИЛИ подает на релейный элемент сигнал, открывающий задвижку, и начинается снижение давления.
Недостатком прототипа является низкое быстродействие и повышенная взрывоопасность. Это связано с тем, что релейные элементы подают на электромагнитную задвижку (клапан) напряжение постоянной величины, что не позволяет с максимальным быстродействием стабилизировать давление в газопроводе при резких отклонениях давления. Задвижка по инерции проходит установившееся значение, совершая колебательно-затухающие движения, прежде чем установится в нужное положение. На это уводит время, снижается быстродействие. Причем задвижка при разгоне может ударяться о стенки газопровода, что снижает долговечность и приводит к быстрому износу. Кроме того, при таких касаниях может возникнуть искра и произойти взрыв газа.
Задачей предлагаемого устройства является повышение быстродействия и уменьшение взрывоопасности путем демпфирования кoлебательных движений массивной задвижки.
Поставленная задача достигается тем, что в бионический стабилизатор давления магистральных газопроводов, содержащий датчик высокого давления, магистральный газопровод и электромагнитную задвижку, введен аналого-импульсный преобразователь и блок управления, состоящий из сумматора, блока задержки, инвертора и формирователя несимметричной двухскатной экспоненты, причем датчик высокого давления соединен с последовательно соединенным блоком аналого-импульсного преобразователя, сумматором, блоком задержки, инвертером, формирователем несимметричной двухскатной экспоненты, выходом соединенного со вторым входом сумматора, второй выход формирователя несимметричной двускатной экспоненты соединен со входом электромагнитной задвижкой, связанной и установленной в магистральном газопроводе.
Технический результат достигается тем, что неизбежные колебательно-затухающие движения задвижки при быстром ее перемещении заменены на плавное, но быстрое ее перемещение за счет введения аналого-импульсного преобразователя и блока управления. Блок управления вырабатывает сигнал управления, оказывающий демпфирующее влияние на движение массивной задвижки. Благодаря этому линейный закон управления перемещением задвижки при подаче сигнала управления постоянной апмлитуды заменяется на колебательно-затухающий закон управления в противофазном режиме по отношению к траектории перемещения задвижки. За счет гашения колебательных движений задвижки ее перемещение происходит в плавном апериодическом режиме с минимальным временем движения. В результате гашения колебательных процессов существенно повышается быстродействие. Следовательно, сигнал управления оказывает демпфирующее влияние на движение массивной задвижки и, как следствие этого, существенно повышает быстродействие. Предлагаемое устройство за счет введения аналого-импульсного преобразователя и блока управления позволяет осуществить демпфирование колебаний массивной задвижки при быстрых ее перемещениях.
Таким образом, совокупность существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, позволяет достичь желаемый технический результат.
На фиг.1 представлена структурная схема бионического стабилизатора давления магистральных газопроводов, на фиг.2 представлена схема блока управления, обведенная пунктиром на фиг.1, для иллюстрации работы стабилизатора давления магистральных газопроводов, под которой показан формирователь несимметричной двускатной экспоненты в виде пикового детектора и RC-цепи. На фиг.3 показана эскизная схема электромагнитной задвижки. На фиг.4 показана структурная схема аналого-импульсного преобразователя. Фиг.5 иллюстрирует работу аналого-импульсного преобразователя. На фиг.6 в верхней части показан график сигнала управления, обеспечивающий режим демпфирования, в средине показан график траектории движения массивной задвижки при обычной форме сигнала управления постоянной амплитуды, а внизу иллюстрируется демпфированная траектория движения задвижки при подаче сигнала управления предлагаемой формы.
В магистральном газопроводе 1 установлен датчик высокого давления 2, соединенный с последовательно соединенным блоком аналого-импульсного преобразователя 3, сумматора 4, блокoм задержки 5, инвертером 6, формирователем несимметричной двухскатной экспоненты 7, выходом соединенного со вторым входом сумматора 4. Второй выход формирователя несимметричной двухскатной экспоненты 7 соединен со входом электромагнитной задвижки 8, связанной и установленной в магистральном газопроводе 1. Формирователь несимметричной двухскатной экспоненты 7 содержит пиковый детектор и реостатно-емкостную цепь, соединенные последовательно. Электромагнитная задвижка 8 содержит соленоид 9, железный сердечник 10, возвратную пружину 11, задвижку 12.
Бионический стабилизатор давления магистральных газопроводов работает следующим образом. При резком изменении давления (например, при увеличении) движение массивной задвижки при подаче на соленоид обычного напряжения управления с постоянной амплитудой приведет к сильным колебательным процессам, показанным на фиг.6, в средине. В предлагаемом устройстве нейтрализация колебательных движений осуществляется напряжением управления, показанным на фиг.6, вверху. В итоге массивный сердечник с задвижкой перемещаются очень быстро в плавном режиме без колебательных процессов, как показано на фиг.6, внизу. При незначительных изменениях давления задвижка перемещается плавно в соответствии с изменением частоты сигнала аналого-импульсного преобразователя, как показано на фиг.5.
Сигнал управления вырабатывается следующим образом. Датчик высокого давления 2 измеряет давление в магистральном газопроводе 1 (фиг.1). Показания давления датчика из аналоговой формы преобразовываются в импульсный сигнал с помощью аналого-импульсного преобразователя 3. Преобразователь в виде ждущего мультивибратора (фиг.4) имеет управляющий вход Ивх (база Б транзистора Т1), на который подается сигнал датчика в виде постоянного напряжения, пропорционального величине давления в магистральном газопроводе 1.
Частота импульсов на выходе Ивых ждущего мультивибратора зависит от амплитуды постоянного напряжения, подаваемого на базу Б транзистора T1. Иными словами Fимпульсов=f (Идатчика), как показано на фиг.5. Высокому давлению Р1 соответствует высокая частота F1, a низкому давлению Р2 соответствует более низкая частота F2.
Сформированные ждущим мультивибратором блока 3 импульсы прямоугольной формы проходят через сумматор 4 и поступают на блок запаздывания 5. Задержанный на время длительности выходного импульса ждущего мультивибратора, прямоугольный импульс поступает на блок 6 формирователя несимметричной двухскатной экспоненты. Экспонента нарастает к 20-й миллисекунде, а затем спадает практически до нуля к 300 миллисекунде (фиг.1 и 2). Сформированная в блоке 6 несимметричная двухскатная экспонента подается на второй вход сумматора 4.
Входной импульс Ивх.1 положительной полярности оставляет после себя двухскатную экспоненту (фиг.2) отрицательной полярности, амплитудой Иэ.1. Эта экспонента отрицательной полярности поступает в блок сумматора. В этот же блок сумматора поступает второй входной сигнал Ивх.2 положительной полярности. Второй импульс Ивх 2, пришедший вслед за первым импульсом Ивх.1, попадает в зону действия двухскатной экспоненты отрицательной полярности Иэ-1. В результате алгебраического суммирования положительного входного импульса Ивх.2 и отрицательной двухскатной экспоненты Иэ.1 второй выходной импульс Ивых.2 уменьшается по амплитуде (фиг.2). Последующие выходные импульсы уменьшаются по колебательно-затухающему режиму, как показано на фиг.2.
Форма напряжения управления, показанная на фиг.2 и 6, вверху является колебательно-затухающей, что вытекает из формы несимметричной двухскатной экспоненты, для формирования которой требуется колебательное звено второго порядка, состоящее из пикового детектора и RC-фильтра. Такое звено обеспечивает колебательно-затухающий режим сигнала управления.
Предлагаемое устройство построено по бионической схеме и копирует принцип управления, используемый в живой природе, который отработан природой в процессе длительного эволюционного развития и доведен до совершенства. В качестве сигнала управления использован сигнал, аналогичный сигналу управления, который поступает от механизмов управления мозга человека к мышцам для плавного перемещения костных звеньев.
Бионический стабилизатор давления магистральных газопроводов, содержащий датчик высокого давления, магистральный газопровод, электромагнитную задвижку, отличающийся тем, что в него введен аналого-импульсный преобразователь и блок управления, состоящий из сумматора, блока задержки, инвертора и формирователя несимметричной двухскатной экспоненты, причем датчик высокого давления соединен с последовательно соединенными блоком аналого-импульсного преобразователя, сумматором, блоком задержки, инвертером, формирователем несимметричной двухскатной экспоненты, выходом соединенного со вторым входом сумматора, второй выход формирователя соединен со входом электромагнитной задвижки, связанной и установленной в магистральном газопроводе.
